WO2016132554A1 - 光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム - Google Patents

光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム Download PDF

Info

Publication number
WO2016132554A1
WO2016132554A1 PCT/JP2015/054882 JP2015054882W WO2016132554A1 WO 2016132554 A1 WO2016132554 A1 WO 2016132554A1 JP 2015054882 W JP2015054882 W JP 2015054882W WO 2016132554 A1 WO2016132554 A1 WO 2016132554A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
optical element
light
processing head
plano
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/054882
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
大野　博司
哲男 坂井
佐々木　光夫
和之 益川
小原　隆
裕司 笹木
聡 津野
Original Assignee
技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構 filed Critical 技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構
Priority to PCT/JP2015/054882 priority Critical patent/WO2016132554A1/ja
Priority to US14/888,582 priority patent/US10532427B2/en
Priority to JP2016510538A priority patent/JP6134862B2/ja
Priority to EP15785040.5A priority patent/EP3081978B1/en
Publication of WO2016132554A1 publication Critical patent/WO2016132554A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/30—Collimators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/40—Optical focusing aids

Definitions

  • the present invention relates to an optical processing head, an optical processing apparatus, a control method thereof, and a control program.
  • Patent Document 1 discloses a device that once collects and diverges a light beam inside the device and then collects the light again at a processing position.
  • An object of the present invention is to provide a technique for solving the above-described problems.
  • a first optical element that converts light emitted from the light source into first parallel light
  • a second optical element disposed downstream of the first optical element and converting the first parallel light into first divergent light
  • a third optical element that is disposed downstream of the second optical element and converts the first divergent light into second parallel light
  • a fourth optical element that is disposed downstream of the third optical element and converts the second parallel light into convergent light that is condensed toward a processing surface.
  • the optical processing head a light source, and an optical transmission unit that transmits light emitted from the light source to the optical processing head; It is provided with.
  • a control method for controlling the optical machining head An input step of inputting a defocus value of the light on the processed surface; And a moving step of moving at least one of the second optical element and the third optical element along an optical axis according to the defocus value.
  • An input step for inputting a defocus value of light on the processing surface A moving step of moving at least one of the second optical element and the third optical element along an optical axis according to a defocus value; Is executed by a computer.
  • FIG. 1 is an extracted diagram of an optical system of the optical processing head 100. As shown in FIG. 1, the optical processing head 100 includes optical elements 101-104.
  • the optical element 101 (first optical element) converts the emitted light 111 from the light source into parallel light 112 (first parallel light).
  • the optical element 102 (second optical element) is disposed on the downstream side of the optical element 101, and converts the parallel light 112 into diverging light 113 (first diverging light).
  • the optical element 103 (third optical element) is disposed on the downstream side of the optical element 102 and converts the divergent light 113 into parallel light 114 (second parallel light).
  • the optical element 104 (fourth optical element) is arranged on the downstream side of the optical element 103, and converts the parallel light 114 into the convergent light 115 that is condensed toward the processing surface 120.
  • optical processing performed using such an optical system examples include, but are not limited to, overlay welding and three-dimensional modeling.
  • the relative arrangement of the optical elements 101 to 104 is not limited to the arrangement shown in FIG. 1, and can be arranged according to the type of optical element (combination of lenses, mirrors, etc.).
  • the optical elements 101 to 104 may be lenses, diffractive elements, or mirrors, but are not limited thereto.
  • the lens may be a plano-convex lens, a biconvex lens, an aspheric lens, or another lens.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an internal configuration of the optical processing head 200.
  • the optical processing head 200 includes a condensing optical system device 201, an observation device 202, and a nozzle 203.
  • the light beam 205 guided from the light source (not shown) through the light transmission unit 210 to the optical processing head 200 from the incident end 212 passes through the optical processing head 200 and is emitted to the processing surface 260.
  • the condensing optical system device 201 is also supplied with a processing material and a gas from a material supply device and a gas supply device (not shown) via a material supply unit 230 and a gas supply unit 240, and mixed with the processing gas.
  • the material 250 is injected from the nozzle 203 to the processing surface 260.
  • the observation device 202 is a device for observing the processing state by the condensing optical system device 201 from a viewpoint along the optical axis, and includes an imaging device 221 including an imaging element such as a CCD or a CMOS. Light from the processing surface 260 is guided to the imaging device 221 by a half-transparent mirror 222 provided inside the condensing optical system device 201.
  • the machining accuracy can be improved by feedback-controlling the machining parameters according to the machining situation observed in this way.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a lens configuration of the optical system 300 inside the optical processing head 200.
  • the optical system 300 of the optical processing head 200 includes lenses 301 to 304 as optical elements.
  • the lens has a smaller absorption loss and better energy efficiency than other types of optical elements. Further, by applying an antireflection film to the lens, the light reflection loss can be reduced to several percent or less, and the energy efficiency can be further improved. Furthermore, since the absorption loss is small, it is difficult to raise the temperature, and it is possible to prevent the thermal lens effect (deformation of the lens shape due to heat, the deterioration of lens characteristics due to the change of the refractive index) and the deterioration of the optical processing head 200 as a whole. .
  • the plano-convex lens 301 is a spherical lens having a convex surface on the downstream side, and converts the emitted light 311 incident from the incident end 212 into parallel light 312.
  • plano-concave lens 302 is a spherical lens having a concave surface on the downstream side, and is disposed on the downstream side of the plano-convex lens 301 to convert the parallel light 312 into the divergent light 313.
  • the plano-concave lens 302 acts to cancel aberrations produced by the other three lenses. That is, the aberration of the entire optical system 300 can be reduced.
  • plano-convex lens 303 is a spherical lens having a convex surface on the downstream side, and is disposed on the downstream side of the plano-concave lens 302, and converts the diverging light 313 into parallel light 314 having a diameter larger than that of the parallel light 312. Thereby, the density of light rays can be reduced, and the temperature rise caused by absorbing the parallel light 314 of the convex lens 303 and the convex lens 304 can be reduced.
  • the plano-convex lens 304 is a spherical lens having a convex surface on the upstream side, is disposed on the downstream side of the plano-convex lens 303, and converts the parallel light 314 into convergent light 315 that is condensed toward the processing surface 260. That is, due to the presence of the plano-convex lens 303, the angle formed by the light beam direction of the light beam 314 and the optical axis becomes equal to or smaller than the divergence angle of the diverging light 313.
  • the semi-transmissive mirror 222 is disposed at an inclination of, for example, 45 degrees with respect to the optical axis, and reflects the light of the visible light component reflected by the processing surface 260 toward the imaging device while transmitting the light from the light source. Surface treated. As a result, the processed surface can be observed without the light from the light source being interrupted in the middle.
  • the plano-convex lens is a lens in which one of the two opposing surfaces is a flat surface and the other is a convex surface
  • the plano-concave lens is a lens in which one of the two opposing surfaces is a flat surface and the other is a concave surface.
  • the spherical lens is a lens whose convex surface or concave surface conforms to a single spherical surface.
  • the plano-concave lens 302 is accommodated in the lens holder 401.
  • the lens holder 401 includes a female holder 412 and a male holder 413, both of which are threaded and fixed with screws.
  • the plano-concave lens 302 is fixed by pressure bonding, but the concave edge 322 of the plano-concave lens 302 only slightly contacts the male holder 413. That is, the interface thermal resistance of this contact portion is large.
  • the plane 321 side of the plano-concave lens 302 is in surface contact with the inner plane 411 of the female holder 412, and the interface thermal resistance is smaller than that of the concave side.
  • the plano-convex lens also has a flat surface that reduces the thermal resistance of the interface and increases the ability to dissipate the heat generated by the absorption of light, resulting in the thermal lens effect (deformation of the lens shape due to heat, lens characteristics due to refractive index changes). An increase in aberration due to deterioration of the image can be suppressed.
  • the plane 321 and the inner plane 411 of the lens holder 401 are in surface contact, there is little positional deviation when the plano-concave lens 302 is incorporated into the lens holder 401. As a result, the positioning accuracy of the plano-concave lens 302 is increased, and the aberration at the focused spot is reduced.
  • the focal length of the plano-convex lens 301 is f1
  • the focal length of the plano-concave lens 302 is f2
  • the focal length of the plano-convex lens 303 is f3
  • the focal length of the plano-convex lens 304 is f4
  • the magnification of the entire optical system 300 is m. To do.
  • the focused spot diameter In order to perform high-definition processing, it is necessary to reduce the focused spot diameter. In order to reduce the diameter of the focused spot, it is necessary to reduce the aberration (variation at the focused point of the light beam) as much as possible.
  • the minimum value of the focused spot diameter is called the best focus spot diameter.
  • the best focus spot diameter is calculated by multiplying the diameter of the incident end 212 by the magnification m of the entire optical system 300. At the time of focusing, the smaller the aberration (variation at the light condensing point), the smaller the condensing spot, and high-definition processing becomes possible.
  • the semi-transmission mirror 222 When the semi-transmission mirror 222 is provided in the optical system 300, the light beam is disturbed when passing through it, and the aberration increases. In order to minimize the disturbance of the light beam, the light beam passing through the semi-transmissive mirror 222 may be as close to parallel light as possible.
  • the semi-transmissive mirror 222 is provided between the plano-convex lens 303 and the plano-convex lens 304. Therefore, the best focus spot diameter can be minimized by arranging the plano-concave lens 302 so that the light beam 314 passing through the semi-transmissive mirror 222 becomes parallel light during the best focus.
  • a plano-concave lens 302 having a focal length equal to or less than that of the plano-convex lens 303 is selected, and the upstream virtual image focus of the plano-concave lens 302 matches the upstream focus of the plano-convex lens 303.
  • the virtual image focal position of the plano-concave lens 302 (a position f2 away from the plano-concave lens 302 upstream) and the focal position when parallel light is incident on the plano-convex lens 303 from the downstream side (f3 upstream from the plano-convex lens 303). (Distant position) must match. Since the light beam travels from the upstream side to the downstream side, the focal position with respect to the plano-convex lens 303 described above is the virtual image focal position.
  • the focal length f2 of the plano-concave lens 302 and the focal length f3 of the plano-convex lens 303 must satisfy the following conditions. f2 / f3 ⁇ 1 (1) That is, by selecting the plano-concave lens 302 and the plano-convex lens 303 so that f2 ⁇ f3, the position of the virtual image condensing point of the plano-concave lens 302 and the focal position of the plano-convex lens 303 can be matched. Thereby, it is not necessary to actually provide a condensing point in the apparatus, and energy loss can be suppressed. In addition, this configuration has an effect that the entire length of the optical system can be shortened because the virtual image condensing point is located on the upstream side of the plano-concave lens 302 and it is not necessary to create a real condensing point.
  • the aberration needs to be minimized.
  • Aberrations have several components, but spherical aberration is the main component. Therefore, a condition is considered in which the vertical component of spherical aberration (the component of spherical aberration in the optical axis direction) is minimized.
  • the F value of the plano-convex lens 301 is f1 #
  • the F value of the plano-concave lens 302 is f2 #
  • the F value of the plano-convex lens 303 is f3 #
  • the F value of the plano-convex lens 304 is f4 #
  • this optical system 300 The spherical aberration ⁇ can be written as the following equation (2). Note that the second term in this equation is negative. This is a characteristic of a concave lens, and the presence of this term can reduce the overall value. If a convex lens is used instead of a concave lens, the second term becomes positive, and the overall aberration increases. That is, in this embodiment, the aberration can be minimized by using a concave lens as the second optical element.
  • the plano-concave lens 302 is a spherical lens having a concave surface on the downstream side, is arranged on the downstream side of the plano-convex lens 301, and converts parallel light 312 into divergent light 313. Since the plano-concave lens 302 has a concave surface on the downstream side, the absolute value of the second term is maximized. That is, the effect of canceling other terms is the greatest. This has the effect of minimizing aberrations.
  • Equation (6) The relationship of equation (6) is shown in FIG.
  • the horizontal axis 501 is f1 / f4, and the vertical axis 502 is f3 / f4.
  • the relationship between f1 / f4 and f3 / f4 when the enlargement magnification is 0.5 is indicated by a curve 503.
  • a relationship between f1 / f4 and f3 / f4 when the magnification is 1 is indicated by a curve 504.
  • a relationship between f1 / f4 and f3 / f4 when the enlargement magnification is 2 is indicated by a curve 505.
  • the aberration can be minimized if it is below the plotted line (in the negative direction of the vertical axis).
  • the optical system according to the present embodiment has an effect that it is easy to design a high-definition processing apparatus with a small magnification.
  • the configurations described above are all for lenses having both a spherical surface and a flat surface.
  • Such a plano-convex spherical lens or a plano-concave spherical lens is cheaper than an aspherical surface.
  • all the lenses have a flat surface, there is an effect that aberration due to misalignment and aberration due to the thermal lens effect are hardly generated.
  • the plano-concave lens 302 is provided so as to be movable along the optical axis.
  • the plano-concave lens 302 can slide along the slide mechanism 607. That is, the slide mechanism 607 supports the plano-concave lens 302 so as to be slidable along the optical axis.
  • the sliding of the plano-concave lens 302 may be performed manually or using a driving mechanism such as a motor.
  • a control unit (not shown) may automatically control the position of the plano-concave lens 302 according to the defocus value.
  • the plano-concave lens 302 is slid upstream to reduce the focused spot diameter. At this time, the smaller the aberration, the smaller the focused spot and the higher the resolution.
  • the virtual image focal position of the plano-concave lens 302 (position away from f2 upstream from the concave lens) and the focal position when parallel light is incident on the plano-convex lens 303 from downstream (position away from f2 from the second convex lens).
  • the plano-concave lens 302 is moved so that.
  • the diameter of the condensing spot can be about 15 times that during focusing (for example, condensing at the time of focusing). (When the spot diameter is 0.2 mm, it becomes 3 mm). In 603, it can be seen that the light beam that was the parallel light 314 at the time of focusing becomes the divergent light 614. At this time, the outer diameter of the plano-convex lens 304 is increased so as not to remove the light beam. At the time of defocusing, the F # (F number) of the focused light 315 emitted from the plano-convex lens 304 falls within a range of about 4.5 or more.
  • plano-concave lens 302 is moved here, the present invention is not limited to this, and the plano-convex lens 303 may be moved. That is, the distance on the optical axis between the plano-concave lens 302 and the plano-convex lens 303 may be changed.
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining the movement control of the concave lens 302 at the time of defocusing.
  • the movement control is performed using a control device (not shown).
  • step S701 when a focused spot diameter (this is set as a defocus value) is input to the control device, in step S702, whether or not the input focused spot diameter is larger than the current focused spot diameter, that is, de It is determined whether or not the focus value should be increased.
  • the plano-concave lens 302 is moved downstream (S703).
  • step S704 determines whether the input defocus value is smaller than the current value, that is, whether the defocus value should be decreased.
  • the plano-concave lens 302 is moved upstream (S705). If the defocus value is not changed, the process ends.
  • the optical processing head As described above, according to this embodiment, it is possible to provide an optical processing head with little energy loss by a simple optical configuration. In addition, the optical processing head can be downsized. Furthermore, defocus can be realized very easily.
  • FIG. 8 is a view for explaining an optical system of the optical processing head 800 according to the present embodiment.
  • the optical processing head 800 according to the present embodiment is different from the second embodiment in that the plano-convex lenses 301, 303, and 304 are replaced with parabolic mirrors 801, 803, and 804, and the overall layout is changed according to the optical path. It is different. Since other configurations and operations are the same as those of the second embodiment, the same configurations and operations are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the parabolic mirror 801 is a parabolic mirror having a focal point at the incident end 212, and converts the emitted light 811 incident from the incident end 212 into parallel light 812.
  • plano-concave lens 802 is disposed on the downstream side of the parabolic mirror 801 and converts the parallel light 812 into the divergent light 813.
  • the plano-concave lens 802 acts negatively on the aberration of the entire optical system of the optical processing head 800. That is, the aberration of the entire optical system can be reduced.
  • the plano-concave lens 802 is slidable to a position corresponding to the defocus value along the optical axis (the arrow direction shown in the figure). That is, although not shown, the optical processing head 800 has a support portion that supports the plano-concave lens 802 so as to be slidable.
  • the parabolic mirror 803 is disposed on the downstream side of the plano-concave lens 802 and converts the divergent light 813 into parallel light 814.
  • the parabolic mirror 803 is a parabolic mirror having a focal point at the same position as the virtual image focal position of the plano-concave lens 802 disposed at a predetermined position. That is, the focal length of the parabolic mirror 803 is larger than the focal length of the plano-concave lens 802.
  • the parabolic mirror 804 is a parabolic mirror having a focal point on the processing surface, and is disposed on the downstream side of the parabolic mirror 803, and converts the parallel light 814 into convergent light 815 that is collected on the processing surface 260 side.
  • the above-described semi-transmissive mirror 222 between the parabolic mirror 803 and the parabolic mirror 804.
  • the translucent mirror 222 is disposed at an inclination of, for example, 45 degrees with respect to the optical axis, and the light of the visible light component reflected by the processing surface 260 and reflected by the parabolic mirror 804 is transmitted while transmitting the light from the light source. What is necessary is just to reflect toward this imaging device. Thereby, it becomes possible to observe the processing surface 260.
  • the optical processing head can be configured using the optical system including the parabolic mirrors 801, 803, and 804 and the plano-concave lens 802, as compared with the second embodiment. Since it is not necessary to arrange all the optical elements (parabolic mirrors) on the optical axis on a straight line, the degree of freedom in layout can be increased.
  • the plano-concave lens 802 is used, but it is also possible to use a convex mirror having a virtual image focus instead.
  • the optical processing apparatus 900 includes any of the optical processing heads 100, 200, and 800 described in the above-described embodiments, and melts a material with heat generated by the collected light, thereby obtaining a three-dimensional structure (or meat). This is a device for generating (welding).
  • an optical processing apparatus 900 including the optical processing head 200 will be described.
  • the optical processing device 900 includes a light source 901, an optical transmission unit 210, a refrigerant supply device 903, a refrigerant supply unit 904, a stage 905, a material supply device 906, a material supply unit 230, a gas supply device 908, and a gas.
  • a supply unit 240 is provided.
  • the light source 901 may be a laser, LED, halogen lamp, xenon lamp, incandescent bulb, or the like.
  • the wavelength of the light beam is, for example, 1060 nm, but is not limited thereto.
  • the light transmission unit 210 is an optical fiber having a core diameter of ⁇ 0.01 to 1 mm, for example, and guides light generated by the light source 901 to the optical processing head 200.
  • the core diameter of the optical transmission unit 210 is the diameter of the incident end 212.
  • the refrigerant supply device 903 stores, for example, water as a refrigerant, and supplies the refrigerant to the refrigerant supply unit 904 with a pump.
  • the refrigerant supply unit 904 is a resin or metal hose having an inner diameter ⁇ 2-6. By supplying the coolant into the optical processing head 200, circulating it inside, and returning it to the coolant supply device 903, the temperature rise of the optical processing head 200 can be suppressed.
  • the supply amount of the refrigerant is, for example, 1 to 10 L / min.
  • the stage 905 is, for example, an X stage, an XY stage, or an XYZ stage, and can operate each axis (X, Y, Z).
  • the material supply device 906 supplies material to the nozzle 203 via the material supply unit 230.
  • the material is metal particles, resin particles, metal wires, resin wires.
  • the material supply device 906 can also supply a carrier gas at the same time.
  • the material supply unit 230 is, for example, a resin or metal hose, and guides the powder flow in which the material is mixed into the carrier gas to the nozzle 203. However, when the material is a wire, no carrier gas is required.
  • the nozzle 203 injects material toward the processing surface 260.
  • the gas supply device 908 supplies purge gas to the optical processing head 200 via the gas supply unit 240.
  • the purge gas is, for example, nitrogen, argon, or helium. However, the purge gas is not limited to this, and may be another gas as long as it is an inert gas.
  • the purge gas supplied to the optical processing head 200 is ejected from the nozzle 203 along the light beam described above.
  • the optical processing apparatus 900 includes an attitude control mechanism and a position control mechanism that control the attitude and position of the optical processing head 200.
  • the modeled object 910 is created on the stage 905.
  • the emitted light 315 emitted from the optical processing head 200 is collected on the processed surface 260 on the model 910.
  • the processing surface 260 is heated and condensed by light collection. This molten part is called a molten pool.
  • the material 250 is injected from the nozzle 203 into the molten pool of the processing surface 260. Then, the material 250 melts into the molten pool. Thereafter, the molten pool is cooled and solidified, so that material is deposited on the processed surface 260 and three-dimensional modeling is realized.
  • the purge gas is injected from the nozzle 203 to the processing surface 260. Therefore, the surrounding environment of the molten pool is purged with the purge gas. By selecting an inert gas that does not contain oxygen as the purge gas, oxidation of the processed surface 260 can be prevented.
  • the optical processing head 200 is cooled by the refrigerant supplied from the refrigerant supply device 903 via the refrigerant supply unit 904, and temperature rise during processing is suppressed.
  • the optical processing head 200 is scanned along the processing surface 260, so that a desired modeling can be performed while depositing materials. That is, overlay welding or three-dimensional modeling can be created by this apparatus.
  • the present invention may be applied to a system composed of a plurality of devices, or may be applied to a single device. Furthermore, the present invention can also be applied to a case where a control program that realizes the functions of the embodiments is supplied directly or remotely to a system or apparatus. Therefore, in order to realize the functions of the present invention on a computer, a program installed on the computer, a medium storing the program, and a WWW (World Wide Web) server that downloads the program are also included in the scope of the present invention. . In particular, at least a non-transitory computer readable medium storing a program for causing a computer to execute the processing steps included in the above-described embodiments is included in the scope of the present invention.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

　光加工時のエネルギーロスを小さくできる光加工ヘッドが開示されている。この光加工ヘッドは、光源からの射出光を第１平行光に変換する第１光学素子と、第１光学素子の下流側に配置され、第１平行光を第１発散光に変換する第２光学素子と、第２光学素子の下流側に配置され、第１発散光を第２平行光に変換する第３光学素子と、第３光学素子の下流側に配置され、第２平行光を、加工面側で集光する収束光に変換する第４光学素子と、を備えている。

Description

光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム
　本発明は、光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラムに関する。
　上記技術分野において、特許文献１には、装置内部で光線を一旦集光させ発散させた後に、加工位置で再度集光させる装置が開示されている。
米国特許出願ＵＳ２００６／０２４５０８４号公報
　しかしながら、上記文献に記載の技術では、装置内部に集光点を有しているため、装置内部にほこりがあると集光点で多くの光線が吸収されてしまい、エネルギーロスが大きくなってしまうという課題があった。
　本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明に係る光加工ヘッドにあっては、
　光源からの射出光を第１平行光に変換する第１光学素子と、
　前記第１光学素子の下流側に配置され、前記第１平行光を第１発散光に変換する第２光学素子と、
　前記第２光学素子の下流側に配置され、前記第１発散光を第２平行光に変換する第３光学素子と、
　前記第３光学素子の下流側に配置され、前記第２平行光を、加工面に向けて集光する収束光に変換する第４光学素子と、を備えたことを特徴とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置にあっては、
　前記光加工ヘッドと、光源と、前記光源から射出された光を前記光加工ヘッドに伝送する光伝送部と、
　を備えたことを特徴とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る光加工ヘッドの制御方法にあっては、
　上記光加工ヘッドを制御する制御方法であって、
　前記加工面での前記光のデフォーカス値を入力する入力ステップと、
　前記デフォーカス値に応じて、前記第２光学素子および前記第３光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動する移動ステップと、を含むことを特徴とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る光加工ヘッドの制御プログラムにあっては、
　加工面での光のデフォーカス値を入力させる入力ステップと、
　デフォーカス値に応じて、前記第２光学素子および前記第３光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動させる移動ステップと、
　をコンピュータに実行させることを特徴とする。
　本発明によれば、光加工時のエネルギーロスを小さくすることができる。
本発明の第１実施形態に係る光加工ヘッドの光学系の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドの全体構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドの光学系の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドに用いられる凹レンズの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドにおいて、拡大倍率と設計パラメータの許容範囲との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドに用いられる凹レンズの移動制御を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドに用いられる凹レンズの移動制御を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る光加工ヘッドの光学系の構成を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る光加工装置の全体構成を示す図である。
　以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
　［第１実施形態］
　本発明の第１実施形態としての光加工ヘッド(Optical Processing Head)１００について、図１を用いて説明する。図１は、光加工ヘッド１００の光学系(Optical System)を抽出した図であり、図１に示すとおり、光加工ヘッド１００は、光学素子(Optical Element)１０１～１０４を備えている。
　光学素子１０１（第１光学素子）は、光源からの射出光１１１を平行光１１２（第１平行光）に変換する。光学素子１０２（第２光学素子）は、光学素子１０１の下流側に配置され、平行光１１２を発散光１１３（第１発散光）に変換する。光学素子１０３（第３光学素子）は、光学素子１０２の下流側に配置され、発散光１１３を平行光１１４（第２平行光）に変換する。光学素子１０４（第４光学素子）は、光学素子１０３の下流側に配置され、加工面１２０に向けて集光する収束光１１５に平行光１１４を変換する。
　このような光学系を用いて行なわれる光加工としては、肉盛溶接や、三次元造形などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、光学素子１０１～１０４の相対配置は、図１の配置に限定されることはなく、光学素子の種類（レンズ、ミラーなどの組合せ）に応じた配置をとることができる。光学素子１０１～１０４は、レンズ、回折素子、またはミラーでもよいが、これらに限定されるものではない。特にレンズは、平凸レンズでもよいし、両凸レンズでもよいし、非球面レンズでもよいし、他のレンズでもよい。
　上記の構成により、光加工ヘッドの内部に集光点を作ることなく、光源からの射出光を加工面において集光させることができるため、光加工のエネルギーロスを小さくすることができる。
　［第２実施形態］
　本発明の第２実施形態としての光加工ヘッド２００について、図２を用いて説明する。図２は、光加工ヘッド２００の内部構成を示すための図であり、図２に示すとおり、光加工ヘッド２００は、集光光学系装置２０１と観察装置２０２とノズル２０３とを含む。
　不図示の光源から光伝送部２１０を経て入射端２１２から光加工ヘッド２００に導かれた光線２０５は、光加工ヘッド２００内部を通過して、加工面２６０に対して射出される。
　集光光学系装置２０１は、また、不図示の材料供給装置およびガス供給装置から、材料供給部２３０およびガス供給部２４０を介して、加工材料およびガスの供給を受け、加工ガスに混合された材料２５０を、ノズル２０３から加工面２６０に対して射出する。
　観察装置２０２は、集光光学系装置２０１による加工状況を光軸に沿った視点から観測するための装置であり、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を含む撮像装置２２１を含む。集光光学系装置２０１の内部に設けられた半透過ミラー（half mirror）２２２により、加工面２６０からの光が撮像装置２２１に導かれる。このように観測した加工状況に応じて、加工パラメータをフィードバック制御することにより加工精度を向上させることができる。
　《レンズ構成》
　図３は、光加工ヘッド２００内部の光学系３００のレンズ構成を表わす図である。光加工ヘッド２００の光学系３００は、光学素子としてレンズ３０１～３０４を備えている。レンズは、他の種類の光学素子に比べて吸収ロスが小さく、エネルギー効率がよい。また、レンズに反射防止膜を塗布することにより、光の反射ロスを数％以下に低減でき、さらにエネルギー効率を向上させることもできる。さらに、吸収ロスが少ないことにより、昇温しにくく、昇温による熱レンズ効果（熱によるレンズ形状の変形、屈折率変化によるレンズ特性の劣化）および光加工ヘッド２００全体の劣化を防ぐことができる。
　光学系３００の４つのレンズのうち、平凸レンズ３０１は、下流側に凸面を有する球面レンズであり、入射端２１２から入射した射出光３１１を平行光３１２に変換する。
　また、平凹レンズ３０２は、下流側に凹面を有する球面レンズであり、平凸レンズ３０１の下流側に配置され、平行光３１２を発散光３１３に変換する。平凹レンズ３０２は、他の３つのレンズによって生み出される収差をキャンセルするように作用する。つまり光学系３００全体の収差を低減することができる。
　さらに、平凸レンズ３０３は、下流側に凸面を有する球面レンズであり、平凹レンズ３０２の下流側に配置され、発散光３１３を平行光３１２よりも径大の平行光３１４に変換する。これにより、光線の密度を下げ、凸レンズ３０３および凸レンズ３０４の、平行光３１４を吸収することによる昇温を低減することができる。平凸レンズ３０４は、上流側に凸面を有する球面レンズであり、平凸レンズ３０３の下流側に配置され、平行光３１４を、加工面２６０に向けて集光する収束光３１５に変換する。つまり、平凸レンズ３０３の存在により、光線３１４の光線方向と光軸との成す角が発散光３１３の発散角以下になる。
　平凸レンズ３０３と平凸レンズ３０４の間には、上述した半透過ミラー２２２が設けられている。半透過ミラー２２２は光軸に対して、例えば４５度傾いて配置され、光源からの光を透過しつつ、加工面２６０で反射された可視光成分の光を撮像装置に向けて反射するように表面処理される。これにより、光源からの光が途中で遮られることなく、加工面を観察することが可能となる。
　ここで、平凸レンズとは、対向する２面のうち一方が平面でもう一方が凸面のレンズであり、平凹レンズとは、対向する２面のうち一方が平面でもう一方が凹面のレンズである。また、球面レンズとは、凸面あるいは凹面が単一球面に沿う形状になっているものである。
　一般的に、レンズの表面を球面にするよりも平面にするほうが表面粗さの加工精度がよく、作製が容易であり、コストが低い。また、図４に示すように、平凹レンズ３０２は、レンズホルダ４０１に収容されている。レンズホルダ４０１はメスホルダ４１２とオスホルダ４１３から構成され、両者にはねじ切り加工が施されており、ねじによって固定される。平凹レンズ３０２は圧着によって固定されるが、平凹レンズ３０２の凹面側のエッジ３２２はオスホルダ４１３に僅かに接触するだけである。つまり、この接触部の界面熱抵抗は大きい。一方、平凹レンズ３０２の平面３２１側はメスホルダ４１２の内側平面４１１と面接触しており、凹面側よりも界面熱抵抗は小さい。平凸レンズについても同様に、平面を有することにより界面熱抵抗が下がり、光の吸収によって発生した熱を放熱する性能が高くなり、熱レンズ効果（熱によるレンズ形状の変形、屈折率変化によるレンズ特性の劣化）による収差の増大を抑えることができる。
　さらに、平面３２１と、レンズホルダ４０１の内側平面４１１とが面接触するので、平凹レンズ３０２をレンズホルダ４０１へ組み込む際の位置ずれが少ない。これにより、平凹レンズ３０２の位置決め精度が高くなり、集光スポットにおける収差が低減する。
　《焦点距離》
　平凸レンズ３０１の焦点距離をｆ１とし、平凹レンズ３０２の焦点距離をｆ２とし、平凸レンズ３０３の焦点距離をｆ３とし、平凸レンズ３０４の焦点距離をｆ４とし、光学系３００全体の拡大倍率をｍとする。
　高精細な加工を行なうためには、集光スポット径を小さくする必要がある。集光スポット径を小さくするためには、収差（光線の集光点におけるばらつき）をできるだけ小さくする必要がある。集光スポット径の最小値はベストフォーカススポット径と呼ばれる。ベストフォーカススポット径は、入射端２１２の直径に光学系３００全体の拡大倍率ｍを掛けたものとして算出される。フォーカス時において、収差（光線の集光点におけるばらつき）が小さいほど集光スポットが小さくなり、高精細な加工が可能となる。
　光学系３００に半透過ミラー２２２を設けると、光線がそれを通る際に乱れ、収差が大きくなる。光線の乱れをできるだけ小さくするためには、半透過ミラー２２２を通る光線をなるべく平行光に近づければよい。半透過ミラー２２２は、平凸レンズ３０３および平凸レンズ３０４の間に設けられている。そこで、ベストフォーカス時に半透過ミラー２２２を通る光線３１４が平行光となるように平凹レンズ３０２を配置すれば、ベストフォーカススポット径を最小にすることが可能となる。これを実現するために、具体的には、焦点距離を平凸レンズ３０３の焦点距離以下の平凹レンズ３０２を選択し、平凹レンズ３０２の上流側虚像焦点と、平凸レンズ３０３の上流側焦点とが一致するように配置する。つまり、平凹レンズ３０２の虚像焦点位置（平凹レンズ３０２から上流側にｆ２離れた位置）と、平凸レンズ３０３に下流側から平行光を入射させたときの焦点位置（平凸レンズ３０３から上流側にｆ３離れた位置）が一致する必要がある。光線は上流側から下流側へと進むので、上記で述べた平凸レンズ３０３に対する焦点位置は虚像焦点位置である。
　以上より明らかなように、平凹レンズ３０２の焦点距離ｆ２と、平凸レンズ３０３の焦点距離ｆ３とは、下記の条件を満たす必要がある。
ｆ２／ｆ３≦１・・・（１）
　つまり、ｆ２≦ｆ３となるように、平凹レンズ３０２および平凸レンズ３０３を選択することにより、平凹レンズ３０２の虚像集光点の位置と平凸レンズ３０３の焦点位置とを一致させることができる。これにより、実際に装置内に集光点を設ける必要がなくエネルギーロスを抑えることができる。また、本構成は、虚像集光点が平凹レンズ３０２の上流側に位置し、リアルな集光点を作る必要がないため、光学系の全長を短くできるという効果もある。
　また、上述したように、ベストフォーカス時のベストフォーカススポット径を最小にするためには、収差が最小になる必要がある。収差にはいくつか成分があるが、球面収差が最も主要な成分である。そこで、球面収差の縦成分（球面収差の光軸方向の成分）が最小になるような条件を考える。
　平凸レンズ３０１のＦ値をf1#とし、平凹レンズ３０２のＦ値をf2#とし、平凸レンズ３０３のＦ値をf3#とし、平凸レンズ３０４のF値をf4#とすると、本光学系３００の球面収差δは、次の式（２）のように書ける。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　この式の第２項が負の値になっていることに注意されたい。これは、凹レンズの特性であり、この項があることにより、全体の値を小さくできる。もし、凹レンズの代わりに凸レンズを用いると、第２項が正になるため、全体の収差が大きくなる。つまり、本実施形態では、２つめの光学素子として凹レンズを用いたことによって収差を最小にすることができる。
　平凹レンズ３０２は、下流側に凹面を有する球面レンズであり、平凸レンズ３０１の下流側に配置され、平行光３１２を発散光３１３に変換する。平凹レンズ３０２は、下流側に凹面を有するため、第２項の絶対値は最大になる。つまり、他の項をキャンセルする効果が最も大きくなる。これにより、収差を最小にできるという効果がある。
　入射端２１２からの入射NA(Numerical Aperture)をαとし、平凸レンズ３０４からの射出NAをβとし、拡大倍率をmとし、αとβに対してヘルムホルツ・ラグランジュの保存側を用いると、下記の式（３）が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　これより、収差が最小のとき、つまりδが０のとき、次の関係を導くことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
この式（４）と式（１）より、下記の関係を導くことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
この式（５）は変形すると、以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　以上より、式（６）を満たせば収差は最小にすることが可能となる。
　上式（６）の関係を図５に示す。横軸５０１がｆ１／ｆ４であり、縦軸５０２がｆ３／ｆ４である。図５においては、拡大倍率が０．５の場合のｆ１／ｆ４とｆ３／ｆ４との関係を曲線５０３で示している。また、拡大倍率が１の場合のｆ１／ｆ４とｆ３／ｆ４との関係を曲線５０４で示している。さらに、拡大倍率が２の場合のｆ１／ｆ４とｆ３／ｆ４との関係を曲線５０５で示している。上式（６）によれば、プロットした線よりも下側（縦軸の負方向）であれば収差を最小にできる。
　図５からわかるように、拡大倍率が小さいほど、曲線が上方に位置するため、曲線の下側の面積が広くなる。つまり、設計パラメータの範囲が増大する。それゆえ本実施形態にかかる光学系は、拡大倍率が小さく高精細な加工装置を設計しやすいという効果がある。
　以上で述べた構成は、全て球面と平面を同時に有するレンズに対するものである。このような平凸球面レンズあるいは平凹球面レンズは、非球面に比べてコストが安い。また、全てのレンズが平面を有していることにより、位置ずれによる収差や、熱レンズ効果による収差が発生しにくいという効果がある。
　《スライド機構》
　図６に示すように、平凹レンズ３０２は、光軸に沿って移動可能に設けられている。例えば平凹レンズ３０２は、スライド機構６０７に沿ってスライド可能である。すなわち、スライド機構６０７は、平凹レンズ３０２を光軸に沿ってスライド可能に支持している。平凹レンズ３０２のスライドは、手動で行なってもよいし、モータなどの駆動機構を用いて行なってもよい。デフォーカス値に応じて不図示の制御部が平凹レンズ３０２の位置を自動制御してもよい。
　高精細な加工を行なう際には、図６の６０１に示すとおり、平凹レンズ３０２を上流側にスライドさせて集光スポット径を小さくする。この際、収差が少ないほど集光スポットが小さくなり、高精細になる。
　そこで、平凹レンズ３０２の虚像焦点位置（凹レンズから上流側にｆ２離れた位置）と、平凸レンズ３０３に下流側から平行光を入射させたときの焦点位置（第２の凸レンズからｆ３離れた位置）とが一致するように、平凹レンズ３０２を移動させる。
　一方、図６の６０２、６０３に示すとおり、平凹レンズ３０２を徐々に下流側にスライドすることにより、デフォーカスする（加工面２６０における集光スポット径を大きくする）ことが可能である。デフォーカスによって加工中に加工幅を最適化すれば、加工精度および加工速度を向上させることができる。
　平凹レンズ３０２の差動距離（フォーカス時を基準としたときの平凹レンズ３０２の移動距離）が１０ｍｍのとき、集光スポット径は、フォーカス時の約１５倍にできる（例えば、フォーカス時の集光スポット径が０．２ mmのとき、３ mmとなる）。６０３において、フォーカス時には平行光３１４だった光線が、発散光６１４となることがわかる。このとき、平凸レンズ３０４の外径は、光線が外れないように大きくする。デフォーカス時において、平凸レンズ３０４より射出される集束光３１５のＦ♯（Ｆナンバー）は約４．５以上の範囲内で収まる。
　以上の通り、コンパクトなレンズ外径でも十分なデフォースをかけることができる。なお、ここでは平凹レンズ３０２を移動させたが、本発明はこれに限定されるものではなく、平凸レンズ３０３を移動させてもよい。つまり、平凹レンズ３０２と平凸レンズ３０３との光軸上の距離を変更できればよい。
　図７は、デフォーカスを行なう際の凹レンズ３０２の移動制御について説明するフローチャートである。移動制御は、制御装置（図示せず）を用いて行う。
　まずステップＳ７０１において、集光スポット径（これをデフォーカス値とする）を制御装置に入力すると、ステップＳ７０２において、入力した集光スポット径が現状の集光スポット径より大きいか否かつまり、デフォーカス値を増大させるべきか否かを判定する。デフォーカス値を増大させる場合には、平凹レンズ３０２を下流側に移動する（Ｓ７０３）。一方、デフォーカス値を増加させない場合には、ステップＳ７０４に進み、入力したデフォーカス値が現在値より小さいか否かつまり、デフォーカス値を減少させるべきか否かを判定する。デフォーカス値を減少させる場合には、平凹レンズ３０２を上流側に移動する（Ｓ７０５）。デフォーカス値を変化させない場合には、そのまま処理を終了する。
　以上説明したように、本実施形態によれば、単純な光学的構成により、エネルギーロスの少ない光学加工ヘッドを提供することができる。また、光学加工ヘッドを小型化することも可能になる。さらに、非常に容易にデフォーカスを実現することができる。
　［第３実施形態］
　次に本発明の第３実施形態に係る光学加工ヘッド８００について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る光学加工ヘッド８００の光学系を説明するための図である。本実施形態に係る光学加工ヘッド８００は、上記第２実施形態と比べると、平凸レンズ３０１、３０３、３０４を放物線ミラー８０１、８０３、８０４に置き換え、その光路に応じて全体のレイアウトを変更した点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
　放物線ミラー８０１は、入射端２１２に焦点を持つ放物線ミラーであり、入射端２１２から入射した射出光８１１を平行光８１２に変換する。
　また、平凹レンズ８０２は、放物線ミラー８０１の下流側に配置され、平行光８１２を発散光８１３に変換する。平凹レンズ８０２は、光学加工ヘッド８００の光学系全体の収差について、マイナスに作用する。つまり光学系全体の収差を小さくすることができる。平凹レンズ８０２は、光軸（図中に示す矢印方向）に沿って、デフォーカス値に応じた位置にスライド可能である。すなわち、図示はしていないが、光学加工ヘッド８００は、平凹レンズ８０２をスライド可能に支持する支持部を有している。
　さらに、放物線ミラー８０３は、平凹レンズ８０２の下流側に配置され、発散光８１３を平行光８１４に変換する。また、放物線ミラー８０３は、所定位置に配置された平凹レンズ８０２の虚像焦点位置と同じ位置に焦点を有する放物線ミラーである。つまり、放物線ミラー８０３の焦点距離は、平凹レンズ８０２の焦点距離よりも大きい。
　放物線ミラー８０４は、加工面上に焦点を有する放物線ミラーであり、放物線ミラー８０３の下流側に配置され、平行光８１４を、加工面２６０側で集光する収束光８１５に変換する。
　図示はしていないが、放物線ミラー８０３と放物線ミラー８０４との間に、上述した半透過ミラー２２２を設けることが好適である。半透過ミラー２２２を光軸に対して、例えば４５度傾けて配置し、光源からの光を透過しつつ、加工面２６０で反射されさらに放物線ミラー８０４で反射された可視光成分の光を不図示の撮像装置に向けて反射すればよい。これにより、加工面２６０を観察することが可能となる。
　以上説明したように、本実施形態によれば、放物線ミラー８０１、８０３、８０４、ならびに平凹レンズ８０２からなる光学系を用いて、光加工ヘッドを構成することができ、第２実施形態に比べて、直線上の光軸に全ての光学素子（放物線ミラー）を配置する必要がないため、レイアウトの自由度を大きくすることができる。なお、本実施形態では、平凹レンズ８０２を用いているが、それに置き換えて、虚像焦点を有する凸面鏡を用いることも可能である。
　［第４実施形態］
　本発明の第４実施形態としての光加工装置(Optical Machining apparatus)９００について、図９を用いて説明する。光加工装置９００は、上述の実施形態で説明した光加工ヘッド１００、２００、８００のいずれかを含み、集光した光が生み出す熱で材料を溶融することにより三次元的な造形物（あるいは肉盛溶接）を生成する装置である。ここでは一例として、光加工ヘッド２００を備えた光加工装置９００について説明する。
　《装置構成》
　光加工装置９００は、光加工ヘッド２００以外に、光源９０１、光伝送部２１０、冷媒供給装置９０３、冷媒供給部９０４、ステージ９０５、材料供給装置９０６、材料供給部２３０、ガス供給装置９０８およびガス供給部２４０を備えている。
　光源９０１は、レーザー、LED、ハロゲンランプ、キセノンランプ、白熱球などでよい。光線の波長は例えば１０６０nmであるが、これに限るものではない。
　光伝送部２１０は、例えばコア径がφ0.01～１ｍｍの光ファイバであり、光源９０１で発生した光を光加工ヘッド２００に導く。光伝送部２１０のコア径が入射端２１２の直径となる。
　冷媒供給装置９０３は、冷媒として例えば水を貯蔵し、ポンプで、冷媒を冷媒供給部９０４に供給する。
　冷媒供給部９０４は内径φ２～６の樹脂あるいは金属のホースである。冷媒を光加工ヘッド２００内に供給し、その内部で循環させ、冷媒供給装置９０３に戻すことにより、光加工ヘッド２００の昇温を抑えることができる。冷媒の供給量は例えば１～１０L/minである。
　ステージ９０５は、例えばXステージ、あるいはXYステージ、あるいはXYZステージであり、各軸（X、Y、Z）を稼動させることが可能である。材料供給装置９０６は、材料供給部２３０を介してノズル２０３に材料を供給する。例えば、材料は金属粒子、樹脂粒子、金属線材、樹脂線材、である。材料供給装置９０６は、キャリアガスも同時に供給できる。
　材料供給部２３０は例えば樹脂あるいは金属のホースであり、キャリアガスに材料を混入させた粉体流をノズル２０３へと導く。ただし、材料が線材の場合、キャリアガスは不要となる。ノズル２０３は、加工面２６０に向けて材料を射出する。
　ガス供給装置９０８は、ガス供給部２４０を介して光加工ヘッド２００にパージガスを供給する。パージガスは例えば窒素、またはアルゴン、またはヘリウム、である。しかし、パージガスはこれに限定されるものではなく、不活性ガスならば他のガスでもよい。光加工ヘッド２００に供給されたパージガスは、上記で述べた光線に沿ってノズル２０３から射出される。
　また図示はしていないが、光加工装置９００は、光加工ヘッド２００の姿勢および位置を制御する、姿勢制御機構および位置制御機構を備えている。
　《装置動作》
　次に、光加工装置９００の動作について説明する。造形物９１０は、ステージ９０５の上で作成される。
　光加工ヘッド２００から射出される射出光３１５は、造形物９１０上の加工面２６０において集光される。加工面２６０は、集光によって昇温され、溶融される。この溶融された部位を溶融プールと呼ぶ。
　材料２５０はノズル２０３から加工面２６０の溶融プールへと射出される。そして、溶融プールに材料２５０が溶け込む。その後、溶融プールが冷却され、固化することで加工面２６０に材料が堆積され、３次元造形が実現する。
　パージガスはノズル２０３から加工面２６０へと射出される。そのため、溶融プールの周辺環境はパージガスによってパージされる。パージガスとして酸素を含まない不活性ガスを選ぶことにより、加工面２６０の酸化を防ぐことができる。
　光加工ヘッド２００は、冷媒供給装置９０３から冷媒供給部９０４を介して供給された冷媒によって冷却され、加工中の昇温が抑えられる。
　以上の一連の動作と同時に、光加工ヘッド２００を加工面２６０に沿って走査することにより、材料を堆積させながら所望の造形を行うことができる。つまり、本装置によって肉盛溶接あるいは三次元造形を作成できる。
　［他の実施形態］
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術思想内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。
　また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する制御プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

Claims (12)

  1. 　光源からの射出光を第１平行光に変換する第１光学素子と、
    　前記第１光学素子の下流側に配置され、前記第１平行光を第１発散光に変換する第２光学素子と、
    　前記第２光学素子の下流側に配置され、前記第１発散光を第２平行光に変換する第３光学素子と、
    　前記第３光学素子の下流側に配置され、前記第２平行光を、加工面に向けて集光する収束光に変換する第４光学素子と、
    　を備えた光加工ヘッド。
  2. 　前記第２光学素子および前記第３光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動可能に設けた請求項１に記載の光加工ヘッド。
  3. 　前記第１光学素子の焦点距離をf1とし、
    　前記第３光学素子の焦点距離をf3とし、
    　前記第４光学素子の焦点距離をf4とし、
    　前記光加工ヘッドの拡大倍率をmとした場合に、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001

    を満たす請求項１または２に記載の光加工ヘッド。
  4. 　さらに、前記第２光学素子の焦点距離をf2とした場合に、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002

    を満たす請求項３に記載の光加工ヘッド。
  5. 　前記第１光学素子、前記第３光学素子および前記第４光学素子は平凸レンズであり、
    　前記第２光学素子は平凹レンズである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
  6. 　前記第２光学素子は、下流側に凹面を有する平凹レンズである請求項５に記載の光加工ヘッド。
  7. 　前記第２光学素子の焦点距離を前記第３光学素子の焦点距離以下としたことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
  8. 　前記第１平行光を入射した前記第２光学素子の虚像焦点と前記第２平行光を入射した前記第３光学素子の焦点とが一致するように、前記第２光学素子および前記第３光学素子を配置した請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
  9. 　請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光加工ヘッドと、
    　光源と、
    　前記光源から射出された光を前記光加工ヘッドに伝送する光伝送部と、
    　を備えた光加工装置。
  10. 　請求項１に記載の光加工ヘッドを制御する制御方法であって、
    　前記加工面での前記光のデフォーカス値を入力する入力ステップと、
    　前記デフォーカス値に応じて、前記第２光学素子および前記第３光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動する移動ステップと、
    　を含む光加工ヘッドの制御方法。
  11. 　前記移動ステップは、入力した前記デフォーカス値が現状の集光スポット径より大きい場合に、前記第２光学素子を上流側に移動させる請求項１０に記載の光加工装置の制御方法。
  12. 　請求項１に記載の光加工ヘッドを制御する制御プログラムであって、
    　前記加工面での前記光のデフォーカス値を入力させる入力ステップと、
    　前記デフォーカス値に応じて、前記第２光学素子および前記第３光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動させる移動ステップと、
    　をコンピュータに実行させる光加工装置の制御プログラム。
PCT/JP2015/054882 2015-02-20 2015-02-20 光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム WO2016132554A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2015/054882 WO2016132554A1 (ja) 2015-02-20 2015-02-20 光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム
US14/888,582 US10532427B2 (en) 2015-02-20 2015-02-20 Optical processing head, optical machining apparatus, and control method and control program of optical processing head
JP2016510538A JP6134862B2 (ja) 2015-02-20 2015-02-20 光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム
EP15785040.5A EP3081978B1 (en) 2015-02-20 2015-02-20 Optical processing head

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2015/054882 WO2016132554A1 (ja) 2015-02-20 2015-02-20 光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016132554A1 true WO2016132554A1 (ja) 2016-08-25

Family

ID=56689215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2015/054882 WO2016132554A1 (ja) 2015-02-20 2015-02-20 光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10532427B2 (ja)
EP (1) EP3081978B1 (ja)
JP (1) JP6134862B2 (ja)
WO (1) WO2016132554A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220283416A1 (en) * 2021-03-04 2022-09-08 Ii-Vi Delaware, Inc. Dynamic Focus For Laser Processing Head

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0413492A (ja) * 1990-05-02 1992-01-17 Komatsu Ltd レーザ加工装置
JP2001100145A (ja) * 1999-09-29 2001-04-13 Sunx Ltd レーザマーカ
JP2003088984A (ja) * 2001-09-14 2003-03-25 Kawasaki Heavy Ind Ltd 薄板のレーザ溶接用出力ヘッド
US20060245084A1 (en) 2004-09-30 2006-11-02 Reiner Brustle Focusing a laser beam
JP2011000600A (ja) * 2009-06-17 2011-01-06 Disco Abrasive Syst Ltd 集光レンズ及びレーザー加工装置
US20120111310A1 (en) * 2010-04-30 2012-05-10 Qmc Co., Ltd. Target object processing method and target object processing apparatus

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2489941C (en) * 2003-12-18 2012-08-14 Comau S.P.A. A method and device for laser welding
TWI348408B (en) * 2004-04-28 2011-09-11 Olympus Corp Laser processing device
KR100867950B1 (ko) * 2007-04-25 2008-11-11 삼성전기주식회사 조명 광학 장치
JP2012148316A (ja) * 2011-01-19 2012-08-09 Keyence Corp レーザー加工装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0413492A (ja) * 1990-05-02 1992-01-17 Komatsu Ltd レーザ加工装置
JP2001100145A (ja) * 1999-09-29 2001-04-13 Sunx Ltd レーザマーカ
JP2003088984A (ja) * 2001-09-14 2003-03-25 Kawasaki Heavy Ind Ltd 薄板のレーザ溶接用出力ヘッド
US20060245084A1 (en) 2004-09-30 2006-11-02 Reiner Brustle Focusing a laser beam
JP2011000600A (ja) * 2009-06-17 2011-01-06 Disco Abrasive Syst Ltd 集光レンズ及びレーザー加工装置
US20120111310A1 (en) * 2010-04-30 2012-05-10 Qmc Co., Ltd. Target object processing method and target object processing apparatus

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3081978A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP6134862B2 (ja) 2017-05-24
JPWO2016132554A1 (ja) 2017-04-27
EP3081978A4 (en) 2017-01-18
EP3081978A1 (en) 2016-10-19
US10532427B2 (en) 2020-01-14
EP3081978B1 (en) 2019-09-11
US20160368087A1 (en) 2016-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5931141B2 (ja) ファイバコアを切り替え可能なレーザ加工装置
US11103958B2 (en) Imaging optic for material machining by means of laser radiation and laser machining head having same
JP6644377B2 (ja) レーザ加工用システム、並びにレーザ焦点のサイズ及び位置を調整する方法
JP6253410B2 (ja) 光合焦用レンズが単一のレーザビームマシニング装置及びレーザマシニング方法、レーザマシニング装置、レーザマシニング装置の使用方法
JP7163291B2 (ja) アディティブレーザー加工用のシステム及び方法
JP6134861B2 (ja) 光加工ヘッド、光加工装置および光加工方法
JP6091652B2 (ja) 光加工ヘッド、光加工装置、その制御方法及び制御プログラム
KR101707874B1 (ko) 촬상 광학계
KR20210016411A (ko) 접근하기 어려운 공작물의 레이저 가공장치
US11325299B2 (en) Additive manufacturing via optical aperture division multiplexing
JP2013242565A5 (ja)
JP6134862B2 (ja) 光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム
JP6184606B1 (ja) 光加工ヘッドおよび光加工装置
US20220283416A1 (en) Dynamic Focus For Laser Processing Head
JP2005316071A (ja) レーザ加工装置
Wang et al. Design of optical systems with both near-field and far-field system requirements
KR20080099582A (ko) 장거리용 적외선 레이저 조사기의 빔 크기 가변형 렌즈시스템
JP7186937B1 (ja) レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法
CN100582858C (zh) 变焦Nd-YAG激光扫描f-theta镜系统
Ryba et al. Unique beam delivery and processing tools for high power solid state laser processing
CN113820845A (zh) 可变倍压缩输出准直光束的医用冷光源输出耦合系统
CN117687177A (zh) 透射式柱面光学系统
JPH11281891A (ja) 無限遠系対物レンズ

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14888582

Country of ref document: US

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2015785040

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2015785040

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2016510538

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15785040

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE