JP4220707B2

JP4220707B2 - Laser processing head

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Publication number: JP4220707B2
Application number: JP2002050111A
Authority: JP
Inventors: 松本　　聡; 良雄磯部
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003245789A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置に使用されるレーザ加工ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工は、レーザ光の照射により被加工物を加工する技術である。レーザ加工の例としては、切断、溶接、表面処理などが挙げられる。
【０００３】
レーザ加工を行う際、被加工物のレーザ光照射箇所（加工箇所）の温度を測定することがある。これは、レーザ出力の制御や加工不良の検出のためである。この温度は、加工箇所から輻射される光の強度に基づいて求めることができる。
【０００４】
輻射光を利用して加工箇所の温度を測定するレーザ加工装置の一例は、特開平５−２６１５７６号公報に開示されている。この装置は、レーザ光を集光する投光レンズと、輻射光を集光する受光レンズを備えている。投光レンズは、被加工物に対して鉛直下方にレーザ光を照射する。受光レンズは、被加工物の表面から斜めに輻射する光を集光してイメージファイバに導く。この輻射光は、イメージファイバによってＣＣＤへ伝送される。ＣＣＤの出力は、データ処理装置に送られる。データ処理装置は、ＣＣＤの出力を用いて加工箇所の温度を算出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この装置では、加工箇所の高さが変わると、受光レンズの向きや位置を調節しなければならない。加工箇所の高さは、被加工物が３次元形状を有している場合、被加工物表面の凹凸に応じて変化する。受光レンズは、加工箇所から斜めに輻射された光を受光するため、加工箇所の高さが変化すると、集光された輻射光が向かう方向も変化する。この結果、輻射光をイメージファイバの入射端面に集光できなくなる。この場合、イメージファイバに入射するのは、加工箇所とは異なる箇所から発した光である。したがって、加工箇所とは別の箇所の温度が測定されてしまう。これを防ぐためには、受光レンズの向きや位置の調節が必要になる。しかし、この調節は非常に難しい。
【０００６】
そこで、本発明は、被加工物に凹凸がある場合でも、受光レンズの調節をせずに加工箇所の温度を測定できるレーザ加工ヘッドを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ加工ヘッドは、（ａ）レーザ光を集光するための投光レンズと、（ｂ）投光レンズによって集光されたレーザ光を反射して被加工物に照射するダイクロイックミラーと、（ｃ）被加工物のレーザ光照射箇所から発する輻射光としての赤外光を集光する受光レンズと、（ｄ）投光レンズ、ダイクロイックミラーおよび受光レンズを収容する筐体と、を備えている。ダイクロイックミラーは、受光レンズの光軸に沿ってレーザ光を被加工物に照射する。ダイクロイックミラーは、受光レンズの光軸の方向に放射される被加工物からの輻射光を透過させる。受光レンズは、ダイクロイックミラーを透過した輻射光を集光する。受光レンズによって集光された輻射光は、輻射光の所定波長を用いて被加工物のレーザ光照射箇所の温度を測定する放射温度計に導かれる。
【０００８】
ダイクロイックミラーが、受光レンズの光軸に沿ってレーザ光を被加工物に照射するので、レーザ光照射箇所（すなわち、加工箇所）は、常に受光レンズの光軸上に位置する。加工箇所から発する輻射光のなかには、受光レンズの光軸方向に放射される光線が必ず含まれる。したがって、被加工物からの輻射光は、受光レンズによって必ず受光される。加工箇所にレーザ光が合焦していなくても、また、どのような角度でレーザ光を照射しても、輻射光を受光できる。受光レンズの光軸上の位置から輻射光を温度測定装置（例えば、放射温度計）に導けば、加工箇所の温度を求められる。加工箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変化する場合でも輻射光を受光できるので、被加工物の凹凸に応じて受光レンズの位置や向きを調節する必要はない。
【０００９】
第１態様のレーザ加工ヘッドは、筐体内にレーザ吸収体（例えば、ビームストップ）を備えていてもよい。このレーザ光吸収体は、ダイクロイックミラーを挟んで投光レンズと対向するように配置される。レーザ光の一部がダイクロイックミラーを透過しても、レーザ光吸収体に吸収される。したがって、筐体内でのレーザ光の乱反射が抑えられる。これにより、レーザ光と輻射光の混在が防止され、温度測定の精度が高まる。
【００１２】
本発明のレーザ加工ヘッドでは、投光レンズの光軸とその受光レンズの光軸とが直交していてもよい。また、ダイクロイックミラーは、その鏡面が投光レンズの光軸と受光レンズの光軸との交点を含むように配置されていてもよい。ダイクロイックミラーの鏡面と投光レンズの光軸とがなす鋭角が４５度で、かつダイクロイックミラーの鏡面と受光レンズの光軸とがなす鋭角が４５度であってもよい。このような構成のレーザ加工ヘッドは、投光レンズ、受光レンズおよびダイクロイックミラーを位置決めしやすいので、製造が容易である。
【００１３】
本発明のレーザ加工ヘッドは、受光レンズとダイクロイックミラーの間に、レーザ光を遮断するフィルタを更に備えていてもよい。この場合、レーザ光と輻射光の混在が防止され、温度測定の精度が高まる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態のレーザ加工装置１００の構成を示す模式図である。レーザ加工装置１００は、レーザ光を用いて被加工物１０を加工する。レーザ加工装置１００は、レーザ加工ヘッド１１０、レーザダイオード（ＬＤ）１６０、および２色式放射温度計１７０を備えている。
【００１６】
レーザ加工ヘッド１１０は、加工用レーザ光および被加工物１０からの輻射光の光路を適切に定める。レーザ加工ヘッド１１０は、ＬＤ１６０からのレーザ光を被加工物１０に照射する。これにより、被加工物１０が加工される。また、レーザ加工ヘッド１１０は、被加工物１０のレーザ光照射箇所（加工箇所）から輻射される光を２色式放射温度計１７０に導く。これにより、加工箇所の温度が測定される。
【００１７】
ＬＤ１６０は、加工用レーザ光の光源である。ＬＤ１６０の発信波長は、８１０ｎｍである。ＬＤ１６０は、光ファイバ１５０を用いてレーザ加工ヘッド１１０に光学的に接続されている。ＬＤ１６０から出射したレーザ光は、光ファイバ１５０内を伝搬してレーザ加工ヘッド１１０内に入射する。
【００１８】
２色式放射温度計１７０は、被加工物１０の加工箇所の温度を測定する。２色式放射温度計１７０は、二つの測定中心波長を有している。第１に１８００ｎｍであり、第２に２０００ｎｍである。放射温度計１７０は、これら二つの波長における放射エネルギーの比率から温度を求める。放射温度計１７０は、光ファイバ１５２を用いてレーザ加工ヘッド１１０に光学的に接続されている。レーザ加工ヘッド１１０は、被加工物１０の加工箇所からの輻射光を光ファイバ１５２に導く。この輻射光は、光ファイバ１５２内を伝搬して放射温度計１７０に入射する。
【００１９】
レーザ加工ヘッド１１０は、主たる構成要素として、投光レンズ１２０、ダイクロイックミラー１２５、および受光レンズ１３０を有している。レーザ加工ヘッド１１０は、このほかにビームトラップ１８０も有している。これらは、筐体１１２内に収容されている。
【００２０】
筐体１１２は、中心部１１２ａと、そこから水平方向に延びる側方延長部１１２ｂおよび１１２ｃ、ならびに鉛直方向に延びる上方延長部１１２ｄを有している。側方延長部１１２ｂおよび１１２ｃは、中心部１１２ａから互いに反対方向に延びている。中心部１１２ａは、ダイクロイックミラー１２５を収容している。中心部１１２ａの下壁には、開口１１６が設けられている。この開口１１６からレーザ光が出射する。側方延長部１１２ｂは、投光レンズ１２０を収容している。側方延長部１１２ｂの先端には、レーザ光入射口１１４が設けられている。レーザ光入射口１１４は、投光レンズ１２０の光軸１９０上に位置する。レーザ光入射口１１４には、光ファイバ１５０の端部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、投光レンズ１２０の光軸１９０とほぼ一致する。側方延長部１１２ｃは、ビームトラップ１８０を収容している。上方延長部１１２ｄは、受光レンズ１３０を収容している。上方延長部１１２ｄの先端には、輻射光出射口１１８が設けられている。輻射光出射口１１８は、受光レンズ１３０の光軸１９２上に位置する。輻射光出射口１１８には、光ファイバ１５２の端部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、受光レンズ１３０の光軸１９２とほぼ一致する。
【００２１】
投光レンズ１２０は、ＬＤ１６０からのレーザ光を集光してダイクロイックミラー１２５に導く。ＬＤ１６０から出射したレーザ光は、光ファイバ１５０によって筐体１１２内に伝送される。レーザ光は、レーザ光入射口１１４で光ファイバ１５０から出射し、投光レンズ１２０に向かう。投光レンズ１２０は、光軸１９０を中心としてレーザ光を集光する。集光されたレーザ光は、ダイクロイックミラー１２５に向かう。
【００２２】
投光レンズ１２０は、二枚の単レンズ１２１、１２２から構成されている。レンズ１２１、１２２は、例えば、双方とも平凸レンズであってもよい。レンズ１２１、１２２の表面には、それぞれ反射防止膜（ＡＲコート）が付されている。このＡＲコートは、ＬＤ１６０の発振波長の光のみを透過対象とする。９６％以上という高い透過率が実現可能である。
【００２３】
ダイクロイックミラー１２５は、投光レンズ１２０によって集光されたレーザ光を反射する。ダイクロイックミラー１２５は、ＬＤ１６０の発振波長の光を９９％以上の反射率で反射する。反射されたレーザ光は、開口１１６から出射する。これにより、被加工物１０にレーザ光を照射できる。
【００２４】
被加工物１０のレーザ光照射箇所（加工箇所）からは、赤外光が輻射される。輻射光の一部は、開口１１６を通過して、レーザ加工ヘッド１１０に入射する。ダイクロイックミラー１２５は、この輻射光を透過させる。
【００２５】
受光レンズ１３０は、ダイクロイックミラー１２５を透過した輻射光を集光する。ダイクロイックミラー１２５は、被加工物１０の表面で反射されたレーザ光を透過させない。したがって、受光レンズ１３０は、被加工物１０からの輻射光のみを受光できる。受光レンズ１３０によって集光された輻射光は、輻射光出射口１１８で光ファイバ１５２に入射する。
【００２６】
受光レンズ１３０は、二つの複合レンズ１４０および１４５から構成されている。複合レンズ１４０は、コリメート用のアクロマティクレンズである。これは、二枚の単レンズ１４１、１４２から構成されている。複合レンズ１４５は、フォーカス用のアクロマティクレンズである。これは、三枚の単レンズ１４６、１４７、１４８から構成されている。アクロマティクレンズ１４０、１４５は、双方とも、２色式放射温度計１７０の二つの測定中心波長に関して色収差が補正されている。これにより、これらの波長の輻射光を効率良く集光できる。
【００２７】
集光された輻射光は、光ファイバ１５２によって２色式放射温度計１７０まで伝送される。放射温度計１７０は、この輻射光を用いて、被加工物１０の加工箇所の温度を測定する。
【００２８】
ビームトラップ１８０は、ダイクロイックミラー１２５を挟んで投光レンズ１２０と対向している。ビームトラップ１８０は、ＬＤ１６０からのレーザ光を吸収するレーザ光吸収体である。投光レンズ１２０によって集光されたレーザ光のなかには、ダイクロイックミラー１２５を透過するものもわずかに存在する。ダイクロイックミラー１２５を透過したレーザ光は、ビームトラップ１８０によって吸収され、減衰する。これにより、筐体１１２内でのレーザ光の乱反射が抑えられる。
【００２９】
投光レンズ１２０の光軸１９０は、受光レンズ１３０の光軸１９２と直交している。したがって、レーザ加工ヘッド１１０の向きを調節して投光レンズの光軸１９０を水平方向に向けると、受光レンズの光軸１９２は鉛直方向を向く。
【００３０】
ダイクロイックミラー１２５は、その鏡面が光軸１９０と光軸１９２との交点を含むように配置されている。鏡面の向きは、鏡面で反射されたレーザ光が受光レンズ１３０から遠ざかるように、すなわち開口１１６に向かって進むように定められている。また、この鏡面は、光軸１９０および光軸１９２とそれぞれ４５度の角度で交差する。
【００３１】
ダイクロイックミラー１２５は、投光レンズ１２０の光軸１９０上を進行するレーザ光を、受光レンズ１３０の光軸１９２上に反射する。このため、レーザ光は、投光レンズ１２０により光軸１９０を中心として集光され、その後、ダイクロイックミラー１２５で反射されると、受光レンズ１３０の光軸１９２を中心として集光される。つまり、レーザ加工ヘッド１１０は、レーザ光を受光レンズ１３０の光軸１９２に沿って集光しながら被加工物１０に照射する。したがって、光軸１９２は、常に被加工物１０の加工箇所を通る。
【００３２】
レーザ加工ヘッド１１０は、以下の五つの利点を有する。
【００３３】
第１に、レーザ加工ヘッド１１０は、加工箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変化する場合でも、受光レンズ１３０の向きや位置を調節することなく加工箇所の温度を測定できる。ダイクロイックミラー１２５は、受光レンズ１３０の光軸１９２に沿ってレーザ光を照射するから、加工箇所は常に光軸１９２上に位置する。加工箇所から発する輻射光のなかには、光軸１９２の方向に放射される光線が必ず含まれるので、被加工物１０からの輻射光は、受光レンズ１３０によって必ず受光される。したがって、加工箇所にレーザ光が合焦していなくても、また、どのような角度でレーザ光を照射しても、輻射光は常に光軸１９２に沿って受光レンズ１３０に集光される。この結果、光軸１９２上に位置する輻射光出射口１１８から輻射光を効率良く取り出し、この輻射光を用いて温度を測定できる。したがって、被加工物１０に凹凸がある場合でも、受光レンズ１３０の向きや位置を調節する必要はない。
【００３４】
第２に、レーザ加工ヘッド１１０は、レーザ光のパワーロスを最小限に抑えられる。これは、投光レンズ１２０と受光レンズ１３０を別個に設置したからである。一つのレンズ系が投光レンズと受光レンズを兼ねる構成ではないので、投光レンズ１２０を構成する単レンズの枚数は少なくて済む。このため、レンズ面での反射によるパワーロスが抑えられる。また、レーザ光の光路上に受光レンズ１３０が配置されていないので、レンズ透過によるパワーロスも抑えられる。
【００３５】
第３に、レーザ加工ヘッド１１０は、筐体１１２内で発生する熱が少ない。これは、レーザ光のパワーロスが少ないからである。熱の発生が少ないことから、レーザ加工ヘッド１１０の信頼性が高まる。具体的には、被加工物１０の温度測定の精度やレーザ加工ヘッド１１０の寿命が高まる。また、熱の発生が少ないことから、冷却機構も不要になる。
【００３６】
第４に、レーザ加工ヘッド１１０は、放射温度計１７０の校正をする必要なく、レーザ光のスポット径を自由に変更できる。これは、投光レンズ１２０と受光レンズ１３０が別個に設けられており、投光光学系の変更が受光光学系に影響を与えないからである。レーザ光のスポット径は、投光レンズ１２０の倍率を変えると変更できる。
【００３７】
第５に、レーザ加工ヘッド１１０は、加工箇所の温度を正確に測定できる。これは、ビームトラップ１８０によって、筐体１１２の内面で乱反射するレーザ光がほとんどなくなるからである。乱反射するレーザ光が少ないので、輻射光に混ざってレーザ光が放射温度計に入射するおそれも少ない。また、被加工物１０で反射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー１２５によって遮断される。この点からもレーザ光が放射温度計に入射するおそれが少ない。したがって、正確な温度測定を実行できる。
【００３８】
（参考実施形態）
本発明の参考実施形態を説明する。図２は、本実施形態のレーザ加工装置２００の構成を示す模式図である。レーザ加工装置２００は、レーザ加工ヘッド２１０、レーザダイオード（ＬＤ）２６０、および２色式放射温度計２７０を備えている。
【００３９】
レーザ加工ヘッド２１０は、加工用レーザ光および被加工物１０からの輻射光の光路を適切に定める。ＬＤ２６０は、加工用レーザ光の光源である。ＬＤ２６０の発信波長は、８１０ｎｍである。ＬＤ２６０は、光ファイバ２５０を用いてレーザ加工ヘッド２１０に光学的に接続されている。２色式放射温度計２７０は、被加工物１０の加工箇所の温度を測定する。２色式放射温度計２７０は、二つの測定中心波長を有している。第１に１８００ｎｍであり、第２に２０００ｎｍである。放射温度計２７０は、これら二つの波長における放射エネルギーの比率から温度を求める。放射温度計２７０は、光ファイバ２５２を用いてレーザ加工ヘッド２１０に光学的に接続されている。
【００４０】
レーザ加工ヘッド２１０は、投光レンズ２２０、ダイクロイックミラー２２５、および受光レンズ２３０を有している。これらは、筐体２１２内に収容されている。
【００４１】
筐体２１２は、中心部２１２ａと、そこから延びる上方延長部２１２ｂおよび側方延長部２１２ｃを有している。中心部２１２ａは、ダイクロイックミラー２２５を収容している。中心部２１２ａの下壁には、開口２１６が設けられている。この開口２１６からレーザ光が出射する。上方延長部２１２ｂは、投光レンズ２２０を収容している。上方延長部２１２ｂの先端には、レーザ光入射口２１４が設けられている。レーザ光入射口２１４は、投光レンズ２２０の光軸２９０上に位置する。レーザ光入射口２１４には、光ファイバ２５０の端部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、投光レンズ２２０の光軸２９０とほぼ一致する。側方延長部２１２ｃは、受光レンズ２３０を収容している。側方延長部２１２ｃの先端には、輻射光出射口２１８が設けられている。輻射光出射口２１８は、受光レンズ２３０の光軸２９２上に位置する。輻射光出射口２１８には、光ファイバ２５２の端部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、受光レンズ２３０の光軸２９２とほぼ一致する。
【００４２】
投光レンズ２２０は、ＬＤ２６０からのレーザ光を集光してダイクロイックミラー２２５に導く。ＬＤ２６０から出射したレーザ光は、光ファイバ２５０によって筐体２１２内に伝送される。レーザ光は、レーザ光入射口２１４で光ファイバ２５０から出射し、投光レンズ２２０に向かう。投光レンズ２２０は、光軸２９０を中心としてレーザ光を集光する。集光されたレーザ光は、ダイクロイックミラー２２５に向かう。
【００４３】
投光レンズ２２０は、二枚の単レンズ２２１、２２２から構成されている。レンズ２２１、２２２は、例えば、双方とも平凸レンズであってもよい。レンズ２２１、２２２の表面には、それぞれＡＲコートが付されている。このＡＲコートは、ＬＤ２６０の発振波長の光のみを透過対象とする。投光レンズ２２０は、加工用レーザ光に対して９６％以上の透過率を有している。
【００４４】
ダイクロイックミラー２２５は、投光レンズ２２０によって集光されたレーザ光を透過させる。ダイクロイックミラー２２５を透過したレーザ光は、開口２１６から出射する。これにより、被加工物１０にレーザ光を照射できる。
【００４５】
被加工物１０のレーザ光照射箇所（加工箇所）からは、赤外光が輻射される。輻射光の一部は、開口２１６を通過して、レーザ加工ヘッド２１０に入射する。ダイクロイックミラー２２５は、この輻射光のうち、２色式放射温度計２７０の二つの測定中心波長の光を反射する。
【００４６】
受光レンズ２３０は、ダイクロイックミラー２２５で反射された輻射光を集光する。ダイクロイックミラー２２５は、被加工物１０の表面で反射されたレーザ光を反射しない。したがって、受光レンズ２３０は、被加工物１０からの輻射光のみを受光できる。受光レンズ１３０によって集光された輻射光は、輻射光出射口２１８で光ファイバ２５２に入射する。
【００４７】
受光レンズ２３０は、二つの複合レンズ２４０および２４５から構成されている。複合レンズ２４０は、コリメート用のアクロマティクレンズである。これは、二枚の単レンズ２４１、２４２から構成されている。複合レンズ２４５は、フォーカス用のアクロマティクレンズである。これは、三枚の単レンズ２４６、２４７、２４８から構成されている。アクロマティクレンズ２４０、２４５は、双方とも、２色式放射温度計２７０の二つの測定中心波長に関して色収差が補正されている。これにより、これらの波長の輻射光を効率良く集光できる。
【００４８】
集光された輻射光は、光ファイバ２５２によって２色式放射温度計２７０まで伝送される。放射温度計２７０は、この輻射光を用いて、被加工物１０の加工箇所の温度を測定する。
【００４９】
投光レンズ２２０の光軸２９０は、受光レンズ２３０の光軸２９２と直交している。したがって、レーザ加工ヘッド２１０の向きを調節して投光レンズの光軸２９０を鉛直方向に向けると、受光レンズの光軸２９２は水平方向を向く。この場合、レーザ光は鉛直方向に照射される。このとき、投光レンズの光軸２９０は被加工物１０の加工箇所を通る。加工箇所からの輻射光は、光軸２９０を中心として発散し、ダイクロイックミラー２２５に向かう。
【００５０】
ダイクロイックミラー２２５は、その鏡面が光軸２９０と光軸２９２との交点を含むように配置されている。鏡面の向きは、鏡面で反射された輻射光が受光レンズ２３０に向かうように定められている。また、この鏡面は、光軸２９０および光軸２９２とそれぞれ４５度の角度で交差する。
【００５１】
ダイクロイックミラー２２５は、投光レンズ２２０の光軸上２９０を進行する輻射光を、受光レンズ２３０の光軸２９２上に反射する。このため、輻射光は、投光レンズ２２０の光軸２９０を中心として発散しながらダイクロイックミラー２２５に向かい、その後、ダイクロイックミラー２２５で反射されると、受光レンズ２３０の光軸２９２を中心として発散しながら受光レンズ２３０に向かう。したがって、受光レンズ２３０は、その光軸２９２を中心として輻射光を集光する。
【００５２】
上記の構成により、レーザ加工ヘッド２１０は、以下の六つの利点を有する。第１〜第５の利点は、第１実施形態のレーザ加工ヘッド１１０と共通する。第６の利点は、レーザ加工ヘッド２１０においてのみ得られる。
【００５３】
第１に、レーザ加工ヘッド２１０は、加工箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変化する場合でも、受光レンズ２３０の向きや位置を調節することなく加工箇所の温度を測定できる。ダイクロイックミラー２２５は、レーザ光と同軸に放射された輻射光を受光レンズ２３０の光軸２９２上に導く。加工箇所から発する輻射光のなかには、レーザ光と同軸に放射される光線が必ず含まれるので、被加工物１０からの輻射光は、受光レンズ２３０によって必ず受光される。したがって、加工箇所にレーザ光が合焦していなくても、また、どのような角度でレーザ光を照射しても、輻射光は常に受光レンズの光軸２９２に沿って集光される。この結果、光軸２９２上に位置する輻射光出射口１１８から輻射光を効率良く取り出し、この輻射光を用いて温度を測定できる。したがって、被加工物に凹凸がある場合でも、受光レンズ２３０の向きや位置を調節する必要はない。
【００５４】
第２に、レーザ加工ヘッド２１０は、レーザ光のパワーロスを最小限に抑えられる。これは、投光レンズ２２０と受光レンズ２３０を別個に用意したからである。この点は、第１実施形態と共通である。
【００５５】
第３に、レーザ加工ヘッド２１０は、筐体２１２内で発生する熱が少ない。これは、レーザ光のパワーロスが少ないからである。この点は、第１実施形態と共通である。
【００５６】
第４に、レーザ加工ヘッド２１０は、放射温度計２７０の校正をする必要なく、レーザ光のスポット径を自由に変更できる。これは、投光レンズ２２０と受光レンズ２３０が別個に設けられており、投光光学系の変更が受光光学系に影響を与えないからである。この点は、第１実施形態と共通である。
【００５７】
第５に、レーザ加工ヘッド２１０は、加工箇所の温度を正確に測定できる。これは、ダイクロイックミラー２２５がレーザ光を反射しないからである。レーザ光の光路上に筐体２１２の内面は存在しないので、筐体２１２の内面で乱反射するレーザ光はほとんどなくなる。このため、輻射光に混ざってレーザ光が放射温度計に入射するおそれも少ない。また、被加工物１０で反射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー１２５で反射されないので、受光レンズ２３０に向かわない。この点からもレーザ光が放射温度計に入射するおそれが少ない。したがって、正確な温度測定を実行できる。
【００５８】
第６に、レーザ加工ヘッド２１０は、レーザ光の乱反射を抑えるためにビームトラップ１８０を要しない。これも、ダイクロイックミラー２２５がレーザ光を反射しないからである。
【００５９】
（比較例）
上記実施形態のレーザ加工装置１００、２００と比較するためのレーザ加工装置３００を説明する。図３は、このレーザ加工装置３００の構成を示す模式図である。
【００６０】
レーザ加工装置３００は、レーザ加工ヘッド３１０、レーザダイオード（ＬＤ）３６０、および２色式放射温度計３７０を備えている。ＬＤ３６０は、光ファイバ３５０を用いてレーザ加工ヘッド３１０に接続されている。放射温度計３７０は、光ファイバ３５２を用いてレーザ加工ヘッド３１０に接続されている。
【００６１】
レーザ加工ヘッド３１０は、集光レンズ３２０およびダイクロイックミラー３２５を有している。これらは、筐体３１２内に収容されている。筐体３１２の下壁には、開口３１６が設けられている。この開口３１６からレーザ光が出射する。筐体３１２の側壁には、レーザ光入射口３１４が設けられている。レーザ光入射口３１４には、光ファイバ３５０の端部が挿入される。筐体３１２の上壁には、輻射光出射口３１８が設けられている。輻射光出射口３１８は、集光レンズ３２０の光軸３９０上に位置する。輻射光出射口３１８には、光ファイバ２５２の端部が挿入される。このファイバ端部の光軸は、受光レンズ３２０の光軸３９０とほぼ一致する。
【００６２】
レーザ加工ヘッド３１０は、集光レンズ３２０がレーザ光の投光レンズと輻射光の受光レンズを兼ねる点で、投光レンズと受光レンズを独立に備えるレーザ加工ヘッド１１０、２１０と異なっている。
【００６３】
集光レンズ３２０は、フォーカス用のアクロマティクレンズ３３０と、コリメート用のアクロマティクレンズ３３５を備えている。フォーカス用アクロマティクレンズ３３０は、二枚の単レンズ３３１、３３２から構成されている。コリメート用アクロマティクレンズ３３５は、三枚の単レンズ３３６、３３７、３３８から構成されている。これらのアクロマティクレンズ３３０、３３５は、双方とも、２色式放射温度計３７０の二つの測定中心波長に関して色収差が補正されている。
【００６４】
ＬＤ３６０からのレーザ光は、光ファイバ３５０を通ってレーザ加工ヘッド３１０に入射する。このレーザ光は、レーザ光入射口３１４で光ファイバ３５０から出射し、ダイクロイックミラー３２５に向かう。ダイクロイックミラー３２５は、９９％以上の反射率でレーザ光を反射する。反射されたレーザ光は、集光レンズ３２０によって光軸３９０を中心として集光される。光軸３９０を鉛直方向に向けると、レーザ光は鉛直下方に照射される。
【００６５】
集光レンズ３２０は、レーザ光を集光するだけでなく、被加工物１０からの輻射光を光軸３９０を中心として集光する。集光された輻射光は、ダイクロイックミラー３２５に送られる。ダイクロイックミラー３２５は、輻射光を透過させる。この後、輻射光は、光ファイバ３５２に入射する。光ファイバ３５２は、輻射光を放射温度計３７０まで伝送する。放射温度計３７０は、輻射光に基づいて被加工物１０の加工箇所の温度を求める。
【００６６】
レーザ加工ヘッド３１０では、加工箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変化する場合でも、集光レンズ３２０の向きや位置を調節する必要はない。この点は、上記実施形態のレーザ加工ヘッド１１０、２１０と同じである。集光レンズ３２０の光軸は常に加工箇所を通過するので、輻射光は常に光軸３９０に沿って集光される。この結果、光軸３９０上に位置する輻射光出射口３１８から輻射光を効率良く取り出し、この輻射光を用いて温度を測定できる。したがって、被加工物に凹凸がある場合でも、集光レンズ３２０の向きや位置を調節する必要はない。
【００６７】
しかし、レーザ加工ヘッド３１０は、上記実施形態のレーザ加工ヘッド１１０、２１０と比較して以下の五つの点で劣っている。
【００６８】
第１に、レーザ光のパワーロスが大きい。これは、集光レンズ３２０が、レーザ光の投光レンズと輻射光の受光レンズを兼ねているからである。集光レンズ３２０を受光レンズとして考えると、温度測定の精度を高めるためには、色収差の少ないレンズ構成が必要となる。このため、集光レンズ３２０を構成する単レンズの枚数が多くなる。したがって、集光レンズ３２０のレンズ面で反射されるレーザ光も増加する。これが、レーザ光のパワーロスを高める。
【００６９】
第２に、筐体３１２内で発生する熱が大きい。これは、集光レンズ３２０で失われたレーザ光のパワーの一部が熱に変わるからである。この熱は、ダイクロイックミラー３２５の特性を変化させる。また、この熱により発生する赤外線が放射温度計に入射すると、ノイズが発生する。これらの現象は、温度測定の精度を低下させる。この熱は、集光レンズ３２０の寿命低下をまねくおそれもある。
【００７０】
第３に、集光レンズ３２０のレンズ面で反射されたレーザ光が放射温度計３７０に入射してノイズを発生させる可能性が高い。これは、集光レンズ３２０が多数枚のレンズから構成されているからである。レンズ面での反射光は、筐体の内面で乱反射され、光ファイバ３５２に入射して放射温度計３７０まで伝送されることがある。集光レンズ３２０は、投光レンズと受光レンズを兼ねているため、レンズ面の数が多く、それだけレーザ光の乱反射を促進しやすい。
【００７１】
第４に、レーザ光のスポット径を変更すると、放射温度計３７０を校正する必要が生じる。これは、集光レンズ３２０が、レーザ光の投光レンズと輻射光の受光レンズを兼ねているからである。レーザ光のスポット径は、集光レンズ３２０の倍率を変えれば変更できる。しかし、集光レンズ３２０の倍率を変えれば、輻射光の受光光学系も変化してしまう。このため、放射温度計３７０の校正が必要になる。
【００７２】
第５に、集光レンズ３２０の製造が難しい。これは、波長の異なるレーザ光と輻射光の双方に対して透過率の高いレンズを集光レンズ３２０として製造しなければならないからである。
【００７３】
これらの欠点は、レーザ光の投光レンズと輻射光の受光レンズを単一のレンズ系３２０で兼ねていることに起因する。上記実施形態のレーザ加工ヘッド１１０、２１０は、レーザ光の投光レンズと輻射光の受光レンズを別個に備えることでこれらの欠点を解消している。
【００７４】
ここまで、本発明をその実施形態に基づいて具体的に説明してきた。しかし、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形を加えることができる。
【００７５】
例えば、放射温度計にレーザ光が入射する可能性をさらに低減するために、ダイクロイックミラーと受光レンズとの間に遮断フィルタを設けてもよい。こうすると、より高い精度で加工箇所の温度を測定できる。現在の連続波の大出力レーザは、ほとんどが赤外線である。このため、加工箇所の温度を測定するために輻射赤外光を検出する場合、加工用レーザ光はノイズの発生原因となる。実際、温度測定のために検出される光量は、通常、１μＷ以下であるのに対し、加工用レーザ光のパワーは１Ｗ以上である。このため、加工用レーザ光の反射光であっても、それが放射温度計に入射すると、充分に大きなノイズとなる。したがって、加工用レーザ光を遮断することは重要である。
【００７６】
加工用レーザ光のような強い光は、できるだけ放射温度計から遠い位置で遮断することが好ましい。このため、レーザ加工ヘッド内で遮断すべきである。上記実施形態のレーザ加工ヘッド１１０、２１０では、ダイクロイックミラーと受光レンズとの間に遮断フィルタを設けられる。これは、投光レンズと受光レンズとが光軸を異にして別個に設けられているからである。
【００７７】
図４は、遮断フィルタ４１０、４２０を設置できるようにしたレーザ加工ヘッド１１０を示している。遮断フィルタ４１０、４２０は、筐体１１２の上方延長部１１２ｄ内に配置される。遮断フィルタ４１０、４２０は、上方延長部１１２ｄに設けられたスリットに着脱自在に挿入される。これにより、遮断フィルタ４１０、４２０は、ダイクロイックミラー１２５と受光レンズ１３０との間に配置される。遮断フィルタ４１０、４２０は、加工用レーザ光を遮断する。これにより、光ファイバ１５２および放射温度計１７０へのレーザ光の入射を防ぐことができる。したがって、より高精度の温度測定が可能である。
【００７８】
同様に、レーザ加工ヘッド２１０でも、筐体の側方延長部２１２ｃ内に遮断フィルタを配置できる。この遮断フィルタは、ダイクロイックミラー２２５と受光レンズ２３０との間に配置され、加工用レーザ光を遮断する。
【００７９】
一方、図３のレーザ加工ヘッド３１０では、遮断フィルタを配置する空間がダイクロイックミラー３２５の上部にしかない。この位置には、集光レンズ３２０の表面や筐体３１２の内面で乱反射したレーザ光が多く存在する。このため、効果的にレーザ光を遮断することができない。より効果的な遮断のためには、より手前の光路上でレーザ光を遮断し、レーザ光の乱反射を抑えるべきである。
【００８０】
【発明の効果】
本発明のレーザ加工ヘッドは、加工箇所の表面に対するレーザ光の照射角度や加工箇所の高さが変化する場合でも、被加工物からの輻射光を受光レンズの光軸に沿って集光できるように構成されている。したがって、被加工物に凹凸がある場合でも、受光レンズの向きや位置を調節せずに加工箇所の温度を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図２】参考実施形態のレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図３】比較例のレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図４】レーザ加工ヘッドへの遮断フィルタの取付けを示す図である。
【符号の説明】
１０…被加工物、１００、２００…レーザ加工装置、１１０、２１０…レーザ加工ヘッド、１２０、２２０…投光レンズ、１２５、２２５…ダイクロイックミラー、１３０、２３０…受光レンズ、１５０、１５２、２５０、２５２…光ファイバ、１６０、２６０…レーザダイオード、１７０、２７０…２色式放射温度計、１８０…ビームスプリッタ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing head used in a laser processing apparatus.
[0002]
[Prior art]
Laser processing is a technique for processing a workpiece by irradiation with laser light. Examples of laser processing include cutting, welding, and surface treatment.
[0003]
When performing laser processing, the temperature of the laser beam irradiation location (processing location) of the workpiece may be measured. This is for laser output control and processing defect detection. This temperature can be determined based on the intensity of light radiated from the processing site.
[0004]
An example of a laser processing apparatus that measures the temperature of a processing portion using radiation light is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-261576. This apparatus includes a light projecting lens that condenses laser light and a light receiving lens that condenses radiation light. The light projecting lens irradiates the workpiece with laser light vertically downward. The light receiving lens collects light radiated obliquely from the surface of the workpiece and guides it to the image fiber. This radiant light is transmitted to the CCD by an image fiber. The output of the CCD is sent to a data processing device. The data processing device calculates the temperature of the processing location using the output of the CCD.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In this apparatus, if the height of the processing location changes, the direction and position of the light receiving lens must be adjusted. When the workpiece has a three-dimensional shape, the height of the processed portion changes according to the unevenness of the workpiece surface. Since the light receiving lens receives light radiated obliquely from the processing location, when the height of the processing location changes, the direction in which the condensed radiation goes is also changed. As a result, the radiant light cannot be collected on the incident end face of the image fiber. In this case, the light incident on the image fiber is light emitted from a location different from the processing location. Therefore, the temperature at a location different from the processing location is measured. In order to prevent this, it is necessary to adjust the direction and position of the light receiving lens. However, this adjustment is very difficult.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a laser processing head capable of measuring the temperature of a processing portion without adjusting the light receiving lens even when the workpiece has irregularities.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention No The laser processing head includes (a) a light projection lens for condensing laser light, (b) a dichroic mirror that reflects the laser light condensed by the light projection lens and irradiates the workpiece, c) a light receiving lens that collects infrared light as radiation emitted from the laser light irradiation portion of the workpiece; and (d) a housing that houses the light projecting lens, the dichroic mirror, and the light receiving lens. . The dichroic mirror irradiates the workpiece with laser light along the optical axis of the light receiving lens. Dichroic mirror Radiated in the direction of the optical axis of the light receiving lens Transmits radiation light from the workpiece. The light receiving lens condenses the radiation light transmitted through the dichroic mirror. Radiant light collected by the light receiving lens Predetermined wavelength Is guided to a radiation thermometer that measures the temperature of the laser beam irradiated portion of the workpiece.
[0008]
Since the dichroic mirror irradiates the workpiece with the laser beam along the optical axis of the light receiving lens, the laser light irradiation portion (that is, the processing portion) is always located on the optical axis of the light receiving lens. Among the radiant light emitted from the processed portion, the light beam radiated in the optical axis direction of the light receiving lens is necessarily included. Therefore, the radiation light from the workpiece is always received by the light receiving lens. Even if the laser beam is not focused on the processing place, and the laser beam is irradiated at any angle, the radiation beam can be received. If the radiant light is guided from a position on the optical axis of the light receiving lens to a temperature measuring device (for example, a radiation thermometer), the temperature of the processing portion can be obtained. Since the radiation light can be received even when the irradiation angle of the laser beam with respect to the surface of the processing location and the height of the processing location change, it is not necessary to adjust the position and orientation of the light receiving lens according to the unevenness of the workpiece.
[0009]
The laser processing head according to the first aspect may include a laser absorber (for example, a beam stop) in the housing. The laser light absorber is disposed so as to face the light projecting lens with the dichroic mirror interposed therebetween. Even if part of the laser light passes through the dichroic mirror, it is absorbed by the laser light absorber. Therefore, irregular reflection of the laser beam in the housing can be suppressed. Thereby, mixing of laser light and radiation light is prevented, and the accuracy of temperature measurement is increased.
[0012]
The present invention In this laser processing head, the optical axis of the light projecting lens and the optical axis of the light receiving lens may be orthogonal to each other. Further, the dichroic mirror may be arranged such that its mirror surface includes the intersection of the optical axis of the light projecting lens and the optical axis of the light receiving lens. The acute angle formed by the mirror surface of the dichroic mirror and the optical axis of the light projecting lens may be 45 degrees, and the acute angle formed by the mirror surface of the dichroic mirror and the optical axis of the light receiving lens may be 45 degrees. The laser processing head having such a configuration is easy to manufacture because the light projecting lens, the light receiving lens, and the dichroic mirror can be easily positioned.
[0013]
The present invention The laser processing head may further include a filter for blocking the laser light between the light receiving lens and the dichroic mirror. In this case, mixing of laser light and radiation light is prevented, and the accuracy of temperature measurement is increased.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0015]
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a laser processing apparatus 100 according to the present embodiment. The laser processing apparatus 100 processes the workpiece 10 using laser light. The laser processing apparatus 100 includes a laser processing head 110, a laser diode (LD) 160, and a two-color radiation thermometer 170.
[0016]
The laser processing head 110 appropriately determines the optical paths of the processing laser light and the radiation light from the workpiece 10. The laser processing head 110 irradiates the workpiece 10 with laser light from the LD 160. Thereby, the workpiece 10 is processed. Further, the laser processing head 110 guides light radiated from a laser light irradiation portion (processing portion) of the workpiece 10 to the two-color radiation thermometer 170. Thereby, the temperature of a process location is measured.
[0017]
The LD 160 is a light source for processing laser light. The transmission wavelength of the LD 160 is 810 nm. The LD 160 is optically connected to the laser processing head 110 using an optical fiber 150. Laser light emitted from the LD 160 propagates through the optical fiber 150 and enters the laser processing head 110.
[0018]
The two-color radiation thermometer 170 measures the temperature of the processing location of the workpiece 10. The two-color radiation thermometer 170 has two measurement center wavelengths. The first is 1800 nm and the second is 2000 nm. The radiation thermometer 170 obtains the temperature from the ratio of the radiant energy at these two wavelengths. The radiation thermometer 170 is optically connected to the laser processing head 110 using an optical fiber 152. The laser processing head 110 guides radiant light from a processing portion of the workpiece 10 to the optical fiber 152. This radiation light propagates through the optical fiber 152 and enters the radiation thermometer 170.
[0019]
The laser processing head 110 includes a light projecting lens 120, a dichroic mirror 125, and a light receiving lens 130 as main components. In addition to this, the laser processing head 110 also has a beam trap 180. These are accommodated in the housing 112.
[0020]
The housing 112 has a central portion 112a, side extensions 112b and 112c extending in the horizontal direction therefrom, and an upper extension 112d extending in the vertical direction. The side extensions 112b and 112c extend in opposite directions from the center 112a. The central portion 112a accommodates the dichroic mirror 125. An opening 116 is provided in the lower wall of the central portion 112a. Laser light is emitted from the opening 116. The side extension 112b houses the light projecting lens 120. A laser beam entrance 114 is provided at the tip of the side extension 112b. The laser beam entrance 114 is located on the optical axis 190 of the light projecting lens 120. The end of the optical fiber 150 is inserted into the laser beam incident port 114. The optical axis of this fiber end portion substantially coincides with the optical axis 190 of the light projecting lens 120. The side extension 112c accommodates the beam trap 180. The upper extension 112d houses the light receiving lens 130. A radiant light exit port 118 is provided at the tip of the upper extension 112d. The radiation light exit port 118 is located on the optical axis 192 of the light receiving lens 130. The end of the optical fiber 152 is inserted into the radiation light exit port 118. The optical axis of this fiber end portion substantially coincides with the optical axis 192 of the light receiving lens 130.
[0021]
The light projecting lens 120 condenses the laser light from the LD 160 and guides it to the dichroic mirror 125. Laser light emitted from the LD 160 is transmitted into the housing 112 through the optical fiber 150. The laser light is emitted from the optical fiber 150 at the laser light entrance 114 and travels toward the light projecting lens 120. The light projecting lens 120 condenses the laser light around the optical axis 190. The condensed laser beam is directed to the dichroic mirror 125.
[0022]
The light projection lens 120 is composed of two single lenses 121 and 122. For example, both the lenses 121 and 122 may be plano-convex lenses. Antireflection films (AR coating) are respectively attached to the surfaces of the lenses 121 and 122. This AR coat is intended to transmit only light having the oscillation wavelength of the LD 160. A high transmittance of 96% or more can be realized.
[0023]
The dichroic mirror 125 reflects the laser light collected by the light projecting lens 120. The dichroic mirror 125 reflects light having the oscillation wavelength of the LD 160 with a reflectance of 99% or more. The reflected laser light is emitted from the opening 116. Thereby, the workpiece 10 can be irradiated with laser light.
[0024]
Infrared light is radiated from the laser beam irradiation location (processing location) of the workpiece 10. Part of the radiant light passes through the opening 116 and enters the laser processing head 110. The dichroic mirror 125 transmits this radiation light.
[0025]
The light receiving lens 130 condenses the radiation light transmitted through the dichroic mirror 125. The dichroic mirror 125 does not transmit the laser beam reflected by the surface of the workpiece 10. Therefore, the light receiving lens 130 can receive only radiation light from the workpiece 10. The radiation light collected by the light receiving lens 130 enters the optical fiber 152 through the radiation light exit port 118.
[0026]
The light receiving lens 130 is composed of two compound lenses 140 and 145. The compound lens 140 is a collimating achromatic lens. This is composed of two single lenses 141 and 142. The compound lens 145 is an achromatic lens for focusing. This is composed of three single lenses 146, 147, 148. Both the achromatic lenses 140 and 145 have chromatic aberration corrected for the two measurement center wavelengths of the two-color radiation thermometer 170. Thereby, the radiation light of these wavelengths can be condensed efficiently.
[0027]
The condensed radiation light is transmitted to the two-color radiation thermometer 170 through the optical fiber 152. The radiation thermometer 170 measures the temperature of the processing location of the workpiece 10 using this radiation light.
[0028]
The beam trap 180 faces the light projecting lens 120 with the dichroic mirror 125 interposed therebetween. The beam trap 180 is a laser light absorber that absorbs the laser light from the LD 160. Among the laser beams collected by the light projecting lens 120, there are a few laser beams that pass through the dichroic mirror 125. The laser light transmitted through the dichroic mirror 125 is absorbed by the beam trap 180 and attenuates. Thereby, irregular reflection of the laser beam in the housing 112 is suppressed.
[0029]
The optical axis 190 of the light projecting lens 120 is orthogonal to the optical axis 192 of the light receiving lens 130. Therefore, when the direction of the laser processing head 110 is adjusted and the optical axis 190 of the light projecting lens is oriented in the horizontal direction, the optical axis 192 of the light receiving lens is oriented in the vertical direction.
[0030]
The dichroic mirror 125 is arranged so that the mirror surface includes the intersection of the optical axis 190 and the optical axis 192. The direction of the mirror surface is determined so that the laser beam reflected by the mirror surface moves away from the light receiving lens 130, that is, proceeds toward the opening 116. The mirror surface intersects the optical axis 190 and the optical axis 192 at an angle of 45 degrees.
[0031]
The dichroic mirror 125 reflects the laser light traveling on the optical axis 190 of the light projecting lens 120 onto the optical axis 192 of the light receiving lens 130. For this reason, the laser light is collected around the optical axis 190 by the light projecting lens 120, and is then collected around the optical axis 192 of the light receiving lens 130 when reflected by the dichroic mirror 125. That is, the laser processing head 110 irradiates the workpiece 10 while condensing the laser light along the optical axis 192 of the light receiving lens 130. Therefore, the optical axis 192 always passes through the machining location of the workpiece 10.
[0032]
The laser processing head 110 has the following five advantages.
[0033]
First, the laser processing head 110 measures the temperature of the processing location without adjusting the orientation and position of the light receiving lens 130 even when the irradiation angle of the laser beam with respect to the surface of the processing location or the height of the processing location changes. it can. Since the dichroic mirror 125 irradiates laser light along the optical axis 192 of the light receiving lens 130, the processing location is always located on the optical axis 192. Radiant light emitted from the processing location always includes light rays emitted in the direction of the optical axis 192, so that radiation light from the workpiece 10 is always received by the light receiving lens 130. Therefore, even if the laser beam is not focused on the processing location and the laser beam is irradiated at any angle, the radiant light is always focused on the light receiving lens 130 along the optical axis 192. As a result, the radiation light can be efficiently extracted from the radiation light exit port 118 located on the optical axis 192, and the temperature can be measured using this radiation light. Therefore, even when the workpiece 10 is uneven, it is not necessary to adjust the direction and position of the light receiving lens 130.
[0034]
Secondly, the laser processing head 110 can minimize the power loss of the laser light. This is because the light projecting lens 120 and the light receiving lens 130 are separately provided. Since one lens system is not configured to serve as both a light projecting lens and a light receiving lens, the number of single lenses constituting the light projecting lens 120 may be small. For this reason, power loss due to reflection on the lens surface can be suppressed. Further, since the light receiving lens 130 is not disposed on the optical path of the laser light, power loss due to lens transmission can be suppressed.
[0035]
Third, the laser processing head 110 generates less heat in the housing 112. This is because there is little power loss of laser light. Since the generation of heat is small, the reliability of the laser processing head 110 is increased. Specifically, the temperature measurement accuracy of the workpiece 10 and the life of the laser processing head 110 are increased. Further, since the generation of heat is small, a cooling mechanism is not necessary.
[0036]
Fourth, the laser processing head 110 can freely change the spot diameter of the laser light without having to calibrate the radiation thermometer 170. This is because the light projecting lens 120 and the light receiving lens 130 are provided separately, and the change of the light projecting optical system does not affect the light receiving optical system. The spot diameter of the laser light can be changed by changing the magnification of the projection lens 120.
[0037]
Fifth, the laser processing head 110 can accurately measure the temperature at the processing location. This is because the laser beam that is irregularly reflected on the inner surface of the housing 112 is almost eliminated by the beam trap 180. Since there are few irregularly reflected laser beams, there is little possibility that the laser beams will enter the radiation thermometer mixed with the radiated light. Further, the laser beam reflected by the workpiece 10 is blocked by the dichroic mirror 125. Also from this point, there is little possibility that the laser light is incident on the radiation thermometer. Therefore, accurate temperature measurement can be performed.
[0038]
( reference Embodiment)
Of the present invention reference An embodiment will be described. FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the laser processing apparatus 200 of the present embodiment. The laser processing apparatus 200 includes a laser processing head 210, a laser diode (LD) 260, and a two-color radiation thermometer 270.
[0039]
The laser processing head 210 appropriately determines the optical paths of the processing laser light and the radiation light from the workpiece 10. The LD 260 is a light source for processing laser light. The transmission wavelength of the LD 260 is 810 nm. The LD 260 is optically connected to the laser processing head 210 using an optical fiber 250. The two-color radiation thermometer 270 measures the temperature of the processing location of the workpiece 10. The two-color radiation thermometer 270 has two measurement center wavelengths. The first is 1800 nm and the second is 2000 nm. The radiation thermometer 270 obtains the temperature from the ratio of the radiant energy at these two wavelengths. The radiation thermometer 270 is optically connected to the laser processing head 210 using an optical fiber 252.
[0040]
The laser processing head 210 includes a light projecting lens 220, a dichroic mirror 225, and a light receiving lens 230. These are accommodated in the housing 212.
[0041]
The housing 212 has a center portion 212a, an upper extension portion 212b and a side extension portion 212c extending therefrom. The central portion 212a accommodates the dichroic mirror 225. An opening 216 is provided in the lower wall of the center portion 212a. Laser light is emitted from the opening 216. The upper extension part 212 b accommodates the light projecting lens 220. A laser beam incident port 214 is provided at the tip of the upper extension 212b. The laser beam entrance 214 is located on the optical axis 290 of the light projecting lens 220. The end of the optical fiber 250 is inserted into the laser light incident port 214. The optical axis of this fiber end portion substantially coincides with the optical axis 290 of the light projecting lens 220. The side extension 212c accommodates the light receiving lens 230. A radiant light exit port 218 is provided at the tip of the side extension 212c. The radiation light exit 218 is located on the optical axis 292 of the light receiving lens 230. The end of the optical fiber 252 is inserted into the radiation light exit 218. The optical axis of this fiber end portion substantially coincides with the optical axis 292 of the light receiving lens 230.
[0042]
The light projection lens 220 condenses the laser light from the LD 260 and guides it to the dichroic mirror 225. Laser light emitted from the LD 260 is transmitted into the housing 212 by the optical fiber 250. The laser light is emitted from the optical fiber 250 at the laser light incident port 214 and travels toward the light projecting lens 220. The light projecting lens 220 condenses the laser light with the optical axis 290 as the center. The condensed laser beam is directed to the dichroic mirror 225.
[0043]
The light projecting lens 220 is composed of two single lenses 221 and 222. For example, both the lenses 221 and 222 may be plano-convex lenses. AR coating is applied to the surfaces of the lenses 221 and 222, respectively. This AR coating is intended to transmit only light having the oscillation wavelength of the LD 260. The light projection lens 220 has a transmittance of 96% or more with respect to the processing laser light.
[0044]
The dichroic mirror 225 transmits the laser light collected by the light projecting lens 220. The laser light transmitted through the dichroic mirror 225 is emitted from the opening 216. Thereby, the workpiece 10 can be irradiated with laser light.
[0045]
Infrared light is radiated from the laser beam irradiation location (processing location) of the workpiece 10. Part of the radiant light passes through the opening 216 and enters the laser processing head 210. The dichroic mirror 225 reflects light of the two measurement center wavelengths of the two-color radiation thermometer 270 out of the radiated light.
[0046]
The light receiving lens 230 condenses the radiation light reflected by the dichroic mirror 225. The dichroic mirror 225 does not reflect the laser beam reflected on the surface of the workpiece 10. Therefore, the light receiving lens 230 can receive only the radiation light from the workpiece 10. The radiation light collected by the light receiving lens 130 enters the optical fiber 252 through the radiation light exit port 218.
[0047]
The light receiving lens 230 is composed of two compound lenses 240 and 245. The compound lens 240 is an achromatic lens for collimation. This is composed of two single lenses 241 and 242. The compound lens 245 is a focusing achromatic lens. This is composed of three single lenses 246, 247, 248. In both the achromatic lenses 240 and 245, the chromatic aberration is corrected with respect to the two measurement center wavelengths of the two-color radiation thermometer 270. Thereby, the radiation light of these wavelengths can be condensed efficiently.
[0048]
The condensed radiation light is transmitted to the two-color radiation thermometer 270 through the optical fiber 252. The radiation thermometer 270 measures the temperature of the processing part of the workpiece 10 using this radiation light.
[0049]
The optical axis 290 of the light projecting lens 220 is orthogonal to the optical axis 292 of the light receiving lens 230. Therefore, when the direction of the laser processing head 210 is adjusted and the optical axis 290 of the light projecting lens is oriented in the vertical direction, the optical axis 292 of the light receiving lens is oriented in the horizontal direction. In this case, the laser beam is irradiated in the vertical direction. At this time, the optical axis 290 of the light projecting lens passes through the processing portion of the workpiece 10. Radiant light from the processed portion diverges around the optical axis 290 and travels toward the dichroic mirror 225.
[0050]
The dichroic mirror 225 is arranged such that its mirror surface includes the intersection of the optical axis 290 and the optical axis 292. The direction of the mirror surface is determined so that the radiation light reflected by the mirror surface is directed to the light receiving lens 230. The mirror surface intersects with the optical axis 290 and the optical axis 292 at an angle of 45 degrees.
[0051]
The dichroic mirror 225 reflects the radiation light traveling on the optical axis 290 of the light projecting lens 220 onto the optical axis 292 of the light receiving lens 230. For this reason, the radiant light travels toward the dichroic mirror 225 while diverging around the optical axis 290 of the light projecting lens 220, and then, when reflected by the dichroic mirror 225, diverges around the optical axis 292 of the light receiving lens 230. While going to the light receiving lens 230. Therefore, the light receiving lens 230 collects the radiated light with the optical axis 292 as the center.
[0052]
With the above configuration, the laser processing head 210 has the following six advantages. The first to fifth advantages are common to the laser processing head 110 of the first embodiment. The sixth advantage can be obtained only in the laser processing head 210.
[0053]
First, the laser processing head 210 measures the temperature of the processing location without adjusting the orientation and position of the light receiving lens 230 even when the irradiation angle of the laser beam with respect to the surface of the processing location or the height of the processing location changes. it can. The dichroic mirror 225 guides the radiation light radiated coaxially with the laser light onto the optical axis 292 of the light receiving lens 230. Since the light emitted from the processing portion always includes a light beam radiated coaxially with the laser light, the light emitted from the workpiece 10 is always received by the light receiving lens 230. Therefore, even if the laser beam is not focused on the processing location and the laser beam is irradiated at any angle, the radiated light is always collected along the optical axis 292 of the light receiving lens. As a result, the radiation light can be efficiently extracted from the radiation light exit port 118 located on the optical axis 292, and the temperature can be measured using this radiation light. Therefore, it is not necessary to adjust the orientation and position of the light receiving lens 230 even when the workpiece has irregularities.
[0054]
Second, the laser processing head 210 can minimize the power loss of the laser light. This is because the light projecting lens 220 and the light receiving lens 230 are prepared separately. This point is common to the first embodiment.
[0055]
Third, the laser processing head 210 generates less heat in the housing 212. This is because there is little power loss of laser light. This point is common to the first embodiment.
[0056]
Fourth, the laser processing head 210 can freely change the spot diameter of the laser light without having to calibrate the radiation thermometer 270. This is because the light projecting lens 220 and the light receiving lens 230 are provided separately, and the change of the light projecting optical system does not affect the light receiving optical system. This point is common to the first embodiment.
[0057]
Fifth, the laser processing head 210 can accurately measure the temperature of the processing location. This is because the dichroic mirror 225 does not reflect the laser light. Since there is no inner surface of the housing 212 on the optical path of the laser light, almost no laser light is irregularly reflected by the inner surface of the housing 212. For this reason, there is also little possibility that a laser beam will enter into a radiation thermometer mixed with radiation light. Further, since the laser beam reflected by the workpiece 10 is not reflected by the dichroic mirror 125, it does not go to the light receiving lens 230. Also from this point, there is little possibility that the laser light is incident on the radiation thermometer. Therefore, accurate temperature measurement can be performed.
[0058]
Sixth, the laser processing head 210 does not require the beam trap 180 in order to suppress irregular reflection of laser light. This is also because the dichroic mirror 225 does not reflect the laser light.
[0059]
(Comparative example)
A laser processing apparatus 300 for comparison with the laser processing apparatuses 100 and 200 of the above embodiment will be described. FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the laser processing apparatus 300.
[0060]
The laser processing apparatus 300 includes a laser processing head 310, a laser diode (LD) 360, and a two-color radiation thermometer 370. The LD 360 is connected to the laser processing head 310 using an optical fiber 350. The radiation thermometer 370 is connected to the laser processing head 310 using an optical fiber 352.
[0061]
The laser processing head 310 has a condenser lens 320 and a dichroic mirror 325. These are accommodated in the housing 312. An opening 316 is provided in the lower wall of the housing 312. Laser light is emitted from the opening 316. A laser light incident port 314 is provided on the side wall of the housing 312. The end of the optical fiber 350 is inserted into the laser light incident port 314. A radiant light exit 318 is provided on the upper wall of the housing 312. The radiation light exit 318 is located on the optical axis 390 of the condenser lens 320. The end of the optical fiber 252 is inserted into the radiation light exit 318. The optical axis of the fiber end portion substantially coincides with the optical axis 390 of the light receiving lens 320.
[0062]
The laser processing head 310 is different from the laser processing heads 110 and 210 having the light projecting lens and the light receiving lens independently, in that the condensing lens 320 serves as both a laser light projecting lens and a radiation light receiving lens.
[0063]
The condensing lens 320 includes a focusing achromatic lens 330 and a collimating achromatic lens 335. The focusing achromatic lens 330 is composed of two single lenses 331 and 332. The collimating achromatic lens 335 includes three single lenses 336, 337, and 338. In each of these achromatic lenses 330 and 335, chromatic aberration is corrected with respect to the two measurement center wavelengths of the two-color radiation thermometer 370.
[0064]
Laser light from the LD 360 enters the laser processing head 310 through the optical fiber 350. This laser beam is emitted from the optical fiber 350 at the laser beam entrance 314 and travels toward the dichroic mirror 325. The dichroic mirror 325 reflects laser light with a reflectance of 99% or more. The reflected laser light is collected around the optical axis 390 by the condenser lens 320. When the optical axis 390 is directed in the vertical direction, the laser beam is irradiated vertically downward.
[0065]
The condenser lens 320 not only condenses the laser light but also condenses the radiation light from the workpiece 10 around the optical axis 390. The condensed radiation light is sent to the dichroic mirror 325. The dichroic mirror 325 transmits radiant light. Thereafter, the radiation light enters the optical fiber 352. The optical fiber 352 transmits the radiation light to the radiation thermometer 370. The radiation thermometer 370 obtains the temperature of the processing location of the workpiece 10 based on the radiation light.
[0066]
In the laser processing head 310, it is not necessary to adjust the direction and position of the condenser lens 320 even when the irradiation angle of the laser beam with respect to the surface of the processing location or the height of the processing location changes. This point the above This is the same as the laser processing heads 110 and 210 of the embodiment. Since the optical axis of the condensing lens 320 always passes through the processing location, the radiation light is always collected along the optical axis 390. As a result, radiation light can be efficiently extracted from the radiation light exit 318 located on the optical axis 390, and temperature can be measured using this radiation light. Therefore, even when the workpiece has irregularities, it is not necessary to adjust the direction and position of the condenser lens 320.
[0067]
However, the laser processing head 310 is inferior to the laser processing heads 110 and 210 of the above embodiment in the following five points.
[0068]
First, the power loss of laser light is large. This is because the condensing lens 320 serves as both a laser light projecting lens and a radiation light receiving lens. Considering the condensing lens 320 as a light receiving lens, a lens configuration with little chromatic aberration is required to improve the accuracy of temperature measurement. For this reason, the number of single lenses constituting the condenser lens 320 increases. Therefore, the laser beam reflected by the lens surface of the condenser lens 320 also increases. This increases the power loss of the laser light.
[0069]
Second, the heat generated in the housing 312 is large. This is because a part of the power of the laser beam lost in the condenser lens 320 is changed to heat. This heat changes the characteristics of the dichroic mirror 325. Further, when infrared rays generated by this heat enter the radiation thermometer, noise is generated. These phenomena reduce the accuracy of temperature measurement. This heat may lead to a decrease in the lifetime of the condenser lens 320.
[0070]
Third, there is a high possibility that the laser light reflected by the lens surface of the condenser lens 320 is incident on the radiation thermometer 370 to generate noise. This is because the condensing lens 320 is composed of a large number of lenses. The reflected light on the lens surface may be diffusely reflected on the inner surface of the housing, enter the optical fiber 352, and be transmitted to the radiation thermometer 370. Since the condensing lens 320 serves as both a light projecting lens and a light receiving lens, the number of lens surfaces is large, and it is easy to promote irregular reflection of laser light.
[0071]
Fourth, when the spot diameter of the laser beam is changed, the radiation thermometer 370 needs to be calibrated. This is because the condensing lens 320 serves as both a laser light projecting lens and a radiation light receiving lens. The spot diameter of the laser beam can be changed by changing the magnification of the condenser lens 320. However, if the magnification of the condensing lens 320 is changed, the light receiving optical system of the radiated light also changes. For this reason, calibration of the radiation thermometer 370 is required.
[0072]
Fifth, it is difficult to manufacture the condenser lens 320. This is because a lens having high transmittance with respect to both laser light and radiation light having different wavelengths must be manufactured as the condenser lens 320.
[0073]
These disadvantages result from the fact that the single lens system 320 serves as both the laser light projecting lens and the radiation light receiving lens. The laser processing heads 110 and 210 of the above-described embodiment eliminate these drawbacks by separately providing a laser light projecting lens and a radiation light receiving lens.
[0074]
So far, the present invention has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
[0075]
For example, a blocking filter may be provided between the dichroic mirror and the light receiving lens in order to further reduce the possibility of laser light entering the radiation thermometer. If it carries out like this, the temperature of a process location can be measured with a higher precision. Most current continuous wave high power lasers are infrared. For this reason, when detecting radiant infrared light in order to measure the temperature of a processing location, the processing laser light causes noise. Actually, the amount of light detected for temperature measurement is usually 1 μW or less, whereas the power of the processing laser light is 1 W or more. For this reason, even if it is the reflected light of the laser beam for processing, if it enters the radiation thermometer, it becomes a sufficiently large noise. Therefore, it is important to block the processing laser beam.
[0076]
It is preferable to block strong light such as processing laser light at a position as far as possible from the radiation thermometer. For this reason, it should be blocked in the laser processing head. the above In the laser processing heads 110 and 210 of the embodiment, a cutoff filter is provided between the dichroic mirror and the light receiving lens. This is because the light projecting lens and the light receiving lens are separately provided with different optical axes.
[0077]
FIG. 4 shows the laser processing head 110 in which the cutoff filters 410 and 420 can be installed. The cutoff filters 410 and 420 are disposed in the upper extension 112d of the housing 112. The cutoff filters 410 and 420 are detachably inserted into slits provided in the upper extension 112d. Accordingly, the cutoff filters 410 and 420 are disposed between the dichroic mirror 125 and the light receiving lens 130. The blocking filters 410 and 420 block the processing laser light. Thereby, the incidence of laser light on the optical fiber 152 and the radiation thermometer 170 can be prevented. Therefore, temperature measurement with higher accuracy is possible.
[0078]
As well , Les In the laser processing head 210, a blocking filter can be disposed in the lateral extension 212c of the housing. This blocking filter is disposed between the dichroic mirror 225 and the light receiving lens 230 and blocks the processing laser beam.
[0079]
On the other hand, in the laser processing head 310 of FIG. 3, the space for disposing the cutoff filter is only above the dichroic mirror 325. At this position, there are many laser beams irregularly reflected by the surface of the condenser lens 320 and the inner surface of the housing 312. For this reason, the laser beam cannot be effectively blocked. For more effective blocking, the laser beam should be blocked on the nearer optical path to suppress irregular reflection of the laser beam.
[0080]
【The invention's effect】
The laser processing head of the present invention can collect the radiation light from the workpiece along the optical axis of the light receiving lens even when the irradiation angle of the laser beam with respect to the surface of the processing location or the height of the processing location changes. It is configured. Therefore, even when the workpiece has irregularities, the temperature of the processing location can be measured without adjusting the direction and position of the light receiving lens.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a laser processing head and a laser processing apparatus according to a first embodiment.
[Figure 2] reference It is a schematic diagram which shows the structure of the laser processing head and laser processing apparatus of embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a laser processing head and a laser processing apparatus of a comparative example.
FIG. 4 is a view showing attachment of a cutoff filter to a laser processing head.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Workpiece, 100, 200 ... Laser processing apparatus, 110, 210 ... Laser processing head, 120, 220 ... Projection lens, 125, 225 ... Dichroic mirror, 130, 230 ... Light receiving lens, 150, 152, 250, 252 ... Optical fiber, 160, 260 ... Laser diode, 170, 270 ... Two-color radiation thermometer, 180 ... Beam splitter.

Claims

A light projection lens for condensing the laser beam;
A dichroic mirror that reflects the laser light collected by the light projecting lens and irradiates the workpiece;
A light receiving lens that collects infrared light as radiation light emitted from the laser beam irradiation portion of the workpiece;
A housing for housing the light projecting lens, the dichroic mirror, and the light receiving lens;
A laser processing head comprising:
The dichroic mirror irradiates the workpiece with the laser beam along the optical axis of the light receiving lens,
The dichroic mirror transmits the radiation light emitted in the direction of the optical axis of the light receiving lens ,
The light receiving lens condenses the radiation light transmitted through the dichroic mirror,
The radiation light collected by the light receiving lens is guided to a radiation thermometer that measures the temperature of the laser light irradiation spot of the workpiece using a predetermined wavelength of the radiation light.
Laser processing head.

The optical axis of the light projecting lens and the optical axis of the light receiving lens are orthogonal,
The dichroic mirror is arranged so that its mirror surface includes an intersection of the optical axis of the light projecting lens and the optical axis of the light receiving lens,
The acute angle formed by the mirror surface of the dichroic mirror and the optical axis of the projection lens is 45 degrees,
The acute angle formed by the mirror surface of the dichroic mirror and the optical axis of the light receiving lens is 45 degrees.
Claim 1 Symbol mounting the laser processing head.

2. The laser processing head according to claim 1, wherein a laser beam absorber facing the projection lens is disposed in the casing with the dichroic mirror interposed therebetween.

The light receiving lens and between the dichroic mirror, the laser machining head according to claim 1 Symbol mounting further comprising a filter for blocking the laser beam.