レーザー加工装置
【課題】 レーザー光の光学系を利用してワークを撮影し、鮮明な撮影画像を取得するとともに、レーザー光の戻り光によるカメラの破損を防止するレーザー加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザー光Ｌを生成するレーザー発振器４１と、ワークＷを撮影するカメラ５６と、レーザー光Ｌの出射経路上に配置され、レーザー光Ｌを透過させる一方、カメラ５６の受光軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させる偏光ビームスプリッタ４６と、ワークＷを照明するための照明光として、レーザー光Ｌと略同一の波長を含む照明光を生成する照明光源５３と、照明光の出射軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させるハーフミラー５４と、レーザー光Ｌの出力制御を行う制御部３２と、カメラ５６の受光経路において偏光ビームスプリッタ４６よりもカメラ側に配置され、レーザー光Ｌの出力制御信号に基づいて、ワークＷからの戻り光を遮断するシャッタ５５により構成される。
【解決手段】 レーザー光Ｌを生成するレーザー発振器４１と、ワークＷを撮影するカメラ５６と、レーザー光Ｌの出射経路上に配置され、レーザー光Ｌを透過させる一方、カメラ５６の受光軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させる偏光ビームスプリッタ４６と、ワークＷを照明するための照明光として、レーザー光Ｌと略同一の波長を含む照明光を生成する照明光源５３と、照明光の出射軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させるハーフミラー５４と、レーザー光Ｌの出力制御を行う制御部３２と、カメラ５６の受光経路において偏光ビームスプリッタ４６よりもカメラ側に配置され、レーザー光Ｌの出力制御信号に基づいて、ワークＷからの戻り光を遮断するシャッタ５５により構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー加工装置に係り、さらに詳しくは、レーザー光を照射して加工対象物を加工するレーザー加工装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーマーキング装置は、レーザー光を照射することにより加工対象物（ワーク）を加工するレーザー加工装置であり、レーザー光の照射位置を走査させることにより、ワーク上に文字、記号、図形などを印字することができる。この様なレーザーマーキング装置には、ワークをカメラ撮影し、加工位置の確認及び調整を行うことができるものが知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１に記載されたレーザーマーキング装置は、ワーク撮影用のカメラを内蔵し、当該カメラの受光軸をレーザー光の出射軸と一致させることにより、加工前に加工位置の確認及び調整を高精度で行うことができる。ただし、カメラの受光軸とレーザー光の出射軸とを一致させたことにより、ワークで反射したレーザー光が、戻り光としてカメラにも入射され、カメラを破損させるおそれがある。このため、カメラの受光軸上にレーザー光の波長を遮断する波長選択フィルタを設けてカメラの破損を防止する必要がある。
【０００４】
しかしながら、一般に、広い波長範囲にわたり、良好な光学特性を有する光学系を設計することは困難であり、特に、高精度の走査手段を備えた光学系では困難である。このため、レーザーマーキング装置におけるレーザー光の出射経路は、その光学特性がレーザー光の波長に対して最適化され、他の波長帯域において良好な光学特性を得ることはできない。例えば、レーザー光の波長と異なる波長帯域では色収差などの影響を受ける。従って、特許文献１のレーザーマーキング装置のように、カメラへの入射光の波長と、レーザー光の波長とが異なる場合、カメラ撮影によって鮮明な撮影画像を得ることができないという問題があった。
【０００５】
また、特許文献１に記載されたレーザーマーキング装置では、撮影画像が歪みを有しているため、撮影軸上を除き、撮影画像に基づいて、被写体上の加工位置を正確に把握することはできないという問題があった。
【０００６】
また、特許文献１に記載されたレーザーマーキング装置は、カメラ撮影用の照明光源を備えていないが、照明光源を内蔵し、当該照明光源の出射軸をレーザー光の出射軸と一致させている場合にも、色収差などの影響を受けるという同様の問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−７８２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ワークを撮影した高品質の撮影画像を得ることができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。特に、レーザー光の光学系を利用して、照明光の照射及びワークの撮影を行うことにより、鮮明な撮影画像を得ることができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。
【０００９】
また、レーザー光の光学系を利用してワークを撮影し、鮮明な撮影画像を取得するとともに、レーザー光の戻り光によるカメラの破損を防止することができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、レーザー光の光学系を利用してワークを撮影し、歪みの少ない撮影画像を得ることができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。特に、ワークの撮影画像に基づいて、加工位置の確認又は調整を高い精度で行うことができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の本発明によるレーザー加工装置は、加工対象物を加工するためのレーザー光を生成するレーザー生成器と、上記加工対象物を撮影するためのカメラと、上記カメラの受光軸を上記レーザー光の出射軸と略一致させるカメラ用光学スプリッタと、上記レーザー光の出射軸と略一致する出射軸を有し、上記レーザー光と略同一の波長を含む照明光を生成する照明光源と、上記カメラ用光学スプリッタよりも上記カメラ側に配置され、上記加工対象物からの戻り光を開閉可能に遮断するカメラ用シャッタとを備えて構成される。
【００１２】
この様な構成により、レーザー光と略同軸の光路を経由して、レーザー光と略同一の波長を含む照明光を加工対象物へ照射するとともに、加工対象物からの戻り光をカメラで受光することができる。このため、レーザー光の波長に対し最適化されたレーザー光用の光学系を利用して、色収差などの影響を受けにくい鮮明な撮影画像を得ることができる。しかも、カメラ用シャッタを用いて、加工対象物で反射されたレーザー光の戻り光を遮断することにより、レーザー光によるカメラの破損を防止することができる。
【００１３】
第２の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記カメラの受光経路上に配置され、上記照明光と略同一の波長を選択的に通過させる波長選択フィルタを備えて構成される。
【００１４】
この様な構成により、照明光と略同一の波長を含む所定の波長帯域を除き、不要な波長がカメラに入射するのを防止することができる。このため、加工対象物について鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００１５】
第３の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記加工対象物に対し上記レーザー光の出射光軸を走査させるスキャナを備え、上記カメラ用光学スプリッタが、上記スキャナよりも上記レーザー生成器側に配置されるように構成される。
【００１６】
この様な構成により、スキャナの光学特性を考慮し、レーザー光の照射位置と、カメラによる撮影位置とを高い精度で一致させることができる。このため、撮影画像に基づいて加工位置の確認又は調整を高い精度で行うことが可能になる。
【００１７】
第４の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記スキャナよりも上記加工対象物側に配置され、上記レーザー光の入射角にかかわらず、上記レーザー光の出射角を一定にするテレセントリックレンズを備えて構成される。
【００１８】
この様な構成により、レーザー光の出射軸を走査させても、一定の角度でレーザー光を加工対象物に照射することができるため、レーザー加工の精度を向上させることができるとともに、歪みの少ない撮影画像が得られ、加工位置の確認又は調整を高い精度で行うことが可能になる。
【００１９】
第５の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記カメラ用光学スプリッタよりも上記カメラ側に配置され、上記照明光源の出射軸を上記カメラの受光軸と略一致させる照明用光学スプリッタを備えて構成される。
【００２０】
この様な構成により、レーザー光の出射光路上に設けられたカメラ用光学スプリッタよりもカメラ側において、カメラの受光経路と、照明光の出射経路とを分離することができる。このため、レーザー光の出射光路上に、カメラ用光学スプリッタ及び照明用光学スプリッタを配置する場合に比べて、加工対象物に照射されるレーザー光の強度が低下するのを抑制することができる。
【００２１】
第６の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記照明用光学スプリッタが、上記加工対象物からの戻り光を上記カメラへ透過させ、上記照明光源からの照明光を上記カメラ用光学スプリッタへ反射させるように構成される。
【００２２】
この様な構成により、照明用光学スプリッタからの透過光をカメラに入射させることができるので、反射光をカメラに入射させる場合に比べて、ゴーストの発生を抑制し、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００２３】
第７の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記照明用光学スプリッタよりも上記照明光源側に配置され、出射軸近傍の上記照明光を選択的に透過させる光学絞りを備えて構成される。
【００２４】
この様な構成により、撮影に不要な照明光を遮断し、照明光の出射経路上の光学系により反射され、カメラに入射する光量を抑制することができる。このため、例えば、走査角度の浅い撮影時に、テレセントリックレンズのレンズ中心付近で正反射された反射光により、撮影画像にレンズフレアが生じるのを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によるレーザー加工装置は、レーザー光と略同軸の光路を経由して、レーザー光と略同一の波長を含む照明光を加工対象物へ照射するとともに、レーザー光と略同軸の光路を経由して、ワークの撮影を行っている。このため、レーザー光の波長に対し最適化された光学系を利用して、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００２６】
また、本発明によるレーザー加工装置は、カメラ用シャッタを用いて、加工対象物からの戻り光を遮断することにより、レーザー光によるカメラの破損を防止することができる。従って、カメラ撮影及びレーザー光出力のタイミングを異ならせれば、レーザー光によるカメラの破損を防止しつつ、加工対象物について高画質の撮影画像を得ることができる。
【００２７】
また、本発明によるレーザー加工装置は、カメラの受光経路上に、レーザー光と略同一の波長を選択的に通過させる波長選択フィルタを設けることにより、不要な波長がカメラに入射するのを防止し、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００２８】
また、本発明によるレーザー加工装置は、テレセントリックレンズを用いることにより、レーザー光の出射軸を走査させても、一定の角度でレーザー光を加工対象物に照射することができる。このため、レーザー加工の精度を向上させることができるとともに、歪みの少ない撮影画像が得られ、加工位置の確認又は調整を高い精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態によるレーザーマーカ２０を含むレーザーマーキングシステム１の概略構成の一例を示したシステム図である。
【図２】図１のレーザーマーカ２０の詳細構成を示したブロック図である。
【図３】図２のテレセントリックレンズ４８の作用の一例を示した説明図である。
【図４】図２のハーフミラー５４を経由する光路の一例を示した説明図である。
【図５】図２の光学ユニット４１〜４８，５１〜５６の空間的配置を示した図である。
【図６】図１のマーカヘッド２１の内部構造を示した斜視図である。
【図７】図５の照明モジュール５３０の一構成例を示した平面図である。
【図８】図７の照明モジュール５３０をＡ−Ａ切断線によって切断した場合の断面図である。
【図９】図５のカメラモジュール５６０の一構成例を示した平面図である。
【図１０】図９のカメラモジュール５６０の側面図である。
【図１１】図５のカメラ用シャッタ５５の一構成例を示した図であり、カメラ用シャッタ５５を閉じた状態が示されている。
【図１２】図５のカメラ用シャッタ５５の一構成例を示した図であり、カメラ用シャッタ５５を開いた状態が示されている。
【図１３】図２のカメラ５６による撮影画像の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
＜レーザーマーキングシステム１＞
図１は、本発明の実施の形態によるレーザー加工装置を含むレーザーマーキングシステム１の概略構成の一例を示したシステム図であり、レーザー加工装置の一例としてレーザーマーカ２０が示されている。このレーザーマーキングシステム１は、レーザー光Ｌを照射してワークＷを加工するレーザーマーカ２０と、その加工条件を編集するための端末装置１０とにより構成される。また、レーザーマーカ２０は、レーザー光Ｌの生成及び走査を行うマーカヘッド２１と、マーカヘッド２１の動作制御を行うマーカコントローラ２２とからなる。
【００３１】
端末装置１０は、レーザーマーカ２０を制御するための端末装置であり、例えば、レーザーマーカ用のアプリケーションプログラムがインストールされたパーソナルコンピュータを用いることができる。ユーザは、端末装置１０を用いることにより、レーザーマーカ２０の加工条件を規定する加工設定データを作成し、編集することができる。
【００３２】
マーカコントローラ２２は、端末装置１０から受信した加工設定データに基づいて、マーカヘッド２１の動作制御を行っている。また、レーザー発振用の励起光は、マーカコントローラ２２において生成され、光ファイバー２３を介してマーカヘッド２１へ伝送される。
【００３３】
マーカヘッド２１は、マーカコントローラ２２からの励起光に基づいて、レーザー光Ｌを生成し、ワークＷへ照射する。このとき、マーカコントローラ２２からの制御信号に基づいてレーザー光Ｌの出射軸を走査することにより、ワークＷ上に文字、記号、図形などのシンボルを印字することができる。また、マーカヘッド２１内には、図示しない照明光源及びカメラが内蔵され、当該カメラにより撮影されたワークＷの撮影画像が、マーカコントローラ２２を介して端末装置１０に転送され、ディスプレイ上に表示される。ユーザは、この撮影画像を閲覧することにより、ワークＷ上の加工位置の確認、調整などを行うことができる。
【００３４】
＜レーザーマーカ２０＞
図２は、図１のレーザーマーカ２０の詳細構成を示したブロック図であり、マーカヘッド２１及びマーカコントローラ２２の内部構成の一例が示されている。
【００３５】
このレーザーマーカ２０は、テレセントリックレンズ４８を介してレーザー光Ｌを照射することにより、高精度のレーザー加工を行うことができる。また、ワークＷを撮影するための照明光源５３及びカメラ５６を備え、照明光源５３の光軸及びカメラ５６の撮影軸が、レーザー光Ｌの出射軸と同軸になるように配置されている。このため、テレセントリックレンズ４８を介して、歪みの少ない撮影画像を得ることができる。
【００３６】
また、照明光源５３は、レーザー光Ｌと略同一の波長を含む照明光を生成し、カメラ５６は、レーザー光と略同一の波長からなる戻り光を撮影している。このため、レーザー光Ｌと略同一の波長の光を用いてワークＷを撮影することができるので、鮮明な撮影画像が得られる。さらに、カメラ５６の撮影軸上にカメラ用シャッタ５５を備えることにより、ワークＷで反射したレーザー光Ｌが、戻り光としてカメラ５６に入射し、カメラ５６が破損するのを防止している。
【００３７】
＜マーカコントローラ２２＞
マーカコントローラ２２は、電源３０、励起光生成部３１及び制御部３２からなる。電源３０は、商用電源を利用して、マーカヘッド２１、励起光生成部３１及び制御部３２へ電力を供給する。励起光生成部３１は、レーザー発振のための励起光を生成する。この励起光は、光ファイバー２３を介してマーカヘッド２１に伝送される。制御部３２は、端末装置１０から転送された加工設定データに基づいて励起光生成部３１及びマーカヘッド２１を制御し、レーザー光Ｌの出力制御及び走査制御を行う。
【００３８】
ここで、レーザーマーカ２０は、動作モードとして、加工モード及び撮影モードを備え、これらのモードを選択的に切り替えることができる。すなわち、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）等の外部装置又はマーカコントローラ２２に接続されるコンソール等から、モード切替信号が入力されると、制御部３２は、加工モードか撮影モードかを判断する。つまり、制御部３２は、加工モード又は撮影モードのいずれかを識別する識別手段として機能する。加工モードは、レーザー加工を行うための動作モードであり、発振器用シャッタ４３が開き、カメラ用シャッタ５５が閉じ、照明光源５３を消灯させた動作状態である。また、レーザー発振器４１は、レーザー光Ｌを生成可能であり、ＸＹスキャナ４７は、加工設定データに基づいて制御される。一方、撮影モードは、カメラ撮影を行うための動作モードであり、発振器用シャッタ４３が閉じ、カメラ用シャッタ５５が開き、照明光源５３が点灯している動作状態である。また、レーザー発振器４１は、レーザー光Ｌの生成が禁止され、ＸＹスキャナ４７は、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）などの制御装置によって制御することができる。
【００３９】
制御部３２は、マーカヘッド２１内のＸＹスキャナ４７を制御しているが、この制御処理は、レーザーマーカ２０の動作モードによって異なる。加工モード時には、加工設定データに基づいて、ＸＹスキャナ４７の走査角を制御することにより、レーザー光Ｌの照射位置を制御する。一方、撮影モード時には、ＰＬＣからのスキャン要求が入力され、このスキャン要求に基づいて、ＸＹスキャナ４７の走査角を制御する。スキャン要求は、カメラ５６の撮影位置を指定したＸＹスキャナ４７の制御情報である。スキャン要求に基づいてＸＹスキャナ４７を移動させ、ＸＹスキャナ４７の走査角が指定された撮影位置に一致すれば、スキャン応答が、制御部３２からＰＬＣへ出力される。
【００４０】
また、制御部３２は、レーザーマーカ２０の動作モードに基づいて、つまり、上述したモード切替信号を受信して、識別した動作モードに基づいて、発振器用シャッタ４３及びカメラ用シャッタ５５の開閉状態を制御している。加工モード時には、発振器用シャッタ４３を開状態、カメラ用シャッタ５５を閉状態にすることにより、レーザー光Ｌを照射可能にするとともに、カメラ５６の破損を防止する。一方、撮影モード時には、発振器用シャッタ４３を閉状態、カメラ用シャッタ５５を開状態にすることにより、レーザー光Ｌの漏出を防止するとともに、カメラ５６によるワークＷの撮影を可能にする。
【００４１】
また、制御部３２は、レーザーマーカ２０の動作モードに基づいて、レーザー発振器４１を制御する。加工モード時には、加工設定データに基づいてレーザー光Ｌを発生させる一方、撮影モード時には、レーザー光Ｌを発生させない。
【００４２】
さらに、制御部３２は、レーザーマーカ２０の動作モードに基づいて、照明光源５３を制御する。加工モード時には、照明光源５３を消灯させる一方、撮影モード時には、照明光源５３を点灯させてワークＷを照明する。
【００４３】
＜マーカヘッド２１＞
マーカヘッド２１は、レーザー発振器４１、ビームサンプラー４２、発振器用シャッタ４３、ミキシングミラー４４、Ｚスキャナ４５、偏光ビームスプリッタ４６、ＸＹスキャナ４７、テレセントリックレンズ４８、パワーモニタ５１、ガイド光源５２、照明光源５３、ハーフミラー５４、カメラ用シャッタ５５及びカメラ５６により構成される。
【００４４】
レーザー発振器４１は、励起光を吸収してレーザービームからなるレーザー光Ｌを生成するレーザー生成器であり、レーザー媒質、共振器、Ｑスイッチなどによって構成される。ここでは、レーザー発振器４１が、パルス発振する固体レーザー発振器、例えば、ＳＨＧ型レーザー発振器であるものとする。ＳＨＧ型レーザー発振器は、レーザー媒質として、Ｎｄ（ネオジム）がドープされたＹＶＯ４（イットリウム・バナデート）結晶を用い、第２高調波を利用して波長５３２ｎｍの緑色光を出力する。上記レーザー媒質を励起するための励起光には、波長８０８ｎｍのレーザー光が用いられる。レーザー発振器４１によって生成されたレーザー光Ｌは、ビームサンプラー４２、ミキシングミラー４４、Ｚスキャナ４５、偏光ビームスプリッタ４６、ＸＹスキャナ４７及びテレセントリックレンズ４８を順に経由してワークＷに照射される。
【００４５】
ビームサンプラー４２は、レーザー発振器４１から出力されるレーザー光Ｌのうち、一定割合をサンプリングビームとして分岐させる光学スプリッタである。例えば、透明基板の表面反射などを利用することにより、入射したレーザー光Ｌの全光量の約３％が分光され、サンプリングビームとしてパワーモニタ５１へ入射される。パワーモニタ５１は、レーザー発振器４１の出力パワーを検出するための光強度検出手段であり、例えば、サーモパイルなどの感熱素子からなり、その検出結果はレーザー発振器４１の出力制御に用いられる。
【００４６】
発振器用シャッタ４３は、レーザー光Ｌの出射経路を開閉可能に遮断し、レーザー光Ｌの漏出を防止する漏出防止用遮断手段であり、偏光ビームスプリッタ４６よりも上流側に配置される。ここでは、ビームサンプラー４２及びミキシングミラー４４間に発振器用シャッタ４３が設けられ、レーザー光Ｌの出力制御信号に基づいて、レーザー光Ｌの照射時を除き、レーザー光Ｌの出射経路を遮断している。このため、カメラ５６によるワークＷの撮影時には、レーザー光Ｌの出射経路が、発振用シャッタ４３により遮断されている。
【００４７】
ミキシングミラー４４は、ガイド光の出射軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させる光混合用光学スプリッタであり、レーザー発振器４１からのレーザー光Ｌを透過させ、ガイド光源５２からのガイド光を反射させることにより、ともにＺスキャナ４５へ送り出している。ガイド光源５２は、加工位置をワークＷ上に表示するガイド光を生成する光源装置であり、ＬＤ（レーザーダイオード）などの発光素子からなる。ガイド光の点灯制御と、ガイド光の出射軸の高速スキャンとによって、印字しようとするシンボルパターンを照射スポットの残像として視認させることができる。
【００４８】
Ｚスキャナ４５は、レーザー光Ｌのビーム径を調整するビーム径制御手段であり、レーザー光Ｌの光軸上に配置された２枚のレンズからなり、これらのレンズの相対距離を変化させることにより、例えば、レーザー光Ｌのビーム径２ｍｍφを最大８ｍｍφまで拡大させることができる。レーザー光のスポット径を拡大させることにより、スポット内におけるエネルギー密度を低下させるデフォーカス制御を行うことができる。
【００４９】
偏光ビームスプリッタ４６は、レーザー光Ｌの出射経路上であって、ＸＹスキャナ４７よりも上流側に配置され、Ｚスキャナ４５からのレーザー光Ｌを透過させる一方、カメラ５６の受光軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させるカメラ用光学スプリッタである。すなわち、ワークＷによる反射光のうち、テレセントリックレンズ４８に入射してレーザー光Ｌの出射経路を遡る戻り光は、偏光ビームスプリッタ４６で反射されることにより、レーザー光Ｌの出射軸から分離され、カメラ５６の方へ向かう。また、偏光ビームスプリッタ４６は、ハーフミラー５４を介して入射される照明光をＸＹスキャナ４７に向けて反射し、照明光の出射軸をレーザー光Ｌの出射軸と一致させている。例えば、レーザー発振器４１により、Ｐ偏光のレーザー光Ｌが生成される場合、Ｐ偏光成分を選択的に透過させ、Ｓ偏光成分を反射させる偏光ビームスプリッタ４６を用いることにより、レーザー光Ｌを通過させる一方、Ｓ偏光成分を含む戻り光及び照射光をそれぞれ反射させることができる。
【００５０】
ＸＹスキャナ４７は、レーザー光Ｌの出射軸を２次元走査させるための走査光学系であり、レーザー光Ｌを反射させるＸ方向走査用ミラー及びＹ方向走査用ミラーと、これらの走査用ミラーを回転させる駆動部からなる。走査用ミラーは、ガルバノミラーと呼ばれ、レーザー光Ｌの出射経路上に配置される。このＸＹスキャナ４７は、マーカコントローラ２２からの走査制御信号に基づいて、上記走査用ミラーを回転させる。
【００５１】
テレセントリックレンズ４８は、レーザー光ＬをワークＷに向けて出射させる出射光学系であり、レーザー光Ｌの出射経路においてＸＹスキャナ４７よりも下流側、すなわち、ワークＷ側に配置される。このテレセントリックレンズ４８は、複数の光学レンズやカバーガラスによって構成され、ワークＷ側の画角が略０°となるオブジェクト側テレセントリック光学系からなる。つまり、テレセントリックレンズ４８は、レーザー光Ｌの入射角度に関わらず、レーザー光の主光線がレンズ光軸と略平行となるように、ワークＷに向けてレーザー光Ｌを出射させる。偏光ビームスプリッタ４６を通過したレーザー光Ｌは、テレセントリックレンズ４８によってワークＷに向けて出射される。
【００５２】
照明光源５３は、ワークＷを照明するための照明光を生成する光源装置であり、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの発光素子からなる。この照明光源５３は、少なくともレーザー光Ｌと略同一の波長を含む照明光を生成し、ハーフミラー５４へ出射する。
【００５３】
ハーフミラー５４は、カメラ５６の受光経路上に配置され、偏光ビームスプリッタ４６からの戻り光を透過させる一方、照明光の出射軸をカメラ５６の受光軸と略一致させる照明用光学スプリッタである。すなわち、偏光ビームスプリッタ４６からの戻り光を透過させ、カメラ５６に入射する一方、照明光源５３からの照明光を偏光ビームスプリッタに向けて反射する。
【００５４】
カメラ用シャッタ５５は、カメラ５６の受光経路を開閉可能に遮断し、レーザー光Ｌの照射時に戻り光がカメラ５６に入射するのを防止するためのカメラ保護用遮断手段であり、偏光ビームスプリッタ４６よりも上流側に配置される。すなわち、カメラ用シャッタ５５は、偏光ビームスプリッタ４６よりもカメラ５６側に配置され、レーザー光Ｌが加工対象物に照射されたときに、加工対象物で反射した戻り光であって、かつ、後述する波長選択フィルタ５６６を通過してしまう戻り光を遮断する。ここでは、ハーフミラー５４及びカメラ５６間にカメラ用シャッタ５５が設けられ、レーザー光Ｌの出力制御信号に基づいて開閉され、少なくともレーザー光Ｌの照射期間中は、カメラ５６の受光経路を遮断している。このため、レーザー照射のタイミングと、カメラ撮影のタイミングを異ならせれば、レーザー光Ｌの戻り光によってカメラ５６が損傷を受けるのを防止することができる。
【００５５】
カメラ５６は、ワークＷを撮影し、撮影画像を生成するための撮像ユニットであり、マーカコントローラ２２からの撮像制御信号に基づいて撮影を行い、得られた撮影画像をマーカコントローラ２２へ出力する。ここでは、カメラ５６が、レーザー光と略同一の波長を受光し、撮影画像を生成しているものとする。
【００５６】
カメラ５６を用いたワークＷの撮影時には、照明光源５３が点灯され、ハーフミラー５４、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４６、ＸＹスキャナ４７及びテレセントリックレンズ４８を介して、ワークＷに照明光が照射される。このとき、照明光のワークＷによる反射光が、テレセントリックレンズ４８、ＸＹスキャナ４７、ＰＢＳ４６及びハーフミラー５４を介して、カメラ５６によって受光される。ここで、カメラ５６の受光軸は、ＰＢＳ４６において、レーザー光Ｌの出射軸から分離される。つまり、ＰＢＳ４６は、カメラ５６の受光経路に配置されている。
【００５７】
＜テレセントリックレンズ４８＞
図３は、図２のテレセントリックレンズ４８の作用の一例を示した説明図である。図中の（ａ）には、印字可能エリアの中央にレーザー光Ｌを照射する場合、（ｂ）には、印字可能エリアの左端付近にレーザー光Ｌを照射する場合、（ｃ）には、印字可能エリアの右端付近にレーザー光Ｌを照射する場合がそれぞれ示されている。
【００５８】
このテレセントリックレンズ４８は、レーザー光Ｌの入射角度にかかわらず、その主光線がテレセントリックレンズ４８の光軸と略平行となるようにレーザー光Ｌを出射させる。このため、ＸＹスキャナ４７の走査角が深くなり、テレセントリックレンズ４８への入射角が大きくなった場合であっても、ワークＷ上に形成されるレーザー光Ｌのスポット径は変化せず、高精度のレーザー加工を行うことができる。
【００５９】
この様なレーザーマーカ２０において、レーザー光Ｌの出射軸と略一致させた受光軸を有するカメラ５６を用いてワークＷを撮影すれば、歪みの少ない撮影画像を得ることができる。すなわち、ＸＹスキャナ４７の走査角が深くなり、テレセントリックレンズ４８への入射角が大きくなった場合であっても、撮影画像が歪むことはない。さらに、ＸＹスキャナ４７の走査角にかかわらず、撮影画像内において周辺の画像が歪むこともなくなる。従って、歪みの少ない撮影画像に基づいて、加工位置の確認又は調整を高い精度で行うことができる。
【００６０】
＜ハーフミラー５４＞
図４は、図２のハーフミラー５４を経由する光路の一例を示した説明図である。ハーフミラー５４における反射は、光が入射する第１面で生じるのに加えて、第１面に対向する第２面でも生じる。このため、ハーフミラー５４の反射光を撮影した場合、像が二重に見えるゴーストが発生する。これに対し、透過光を撮影した場合には、この様な問題が発生しない。
【００６１】
このため、偏光ビームスプリッタ４６から入射した戻り光が、ハーフミラー５４を透過して出射される方向にカメラ５６を配置し、ハーフミラー５４で反射した照明光が、偏光ビームスプリッタ４６へ入射するように照明光源５３を配置すれば、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００６２】
＜光学ユニットの空間的配置＞
図５は、図２の光学ユニット４１〜４８，５１〜５６の空間的配置を示した図である。レーザー発振器４１、ビームサンプラー４２、ミキシングミラー４４、Ｚスキャナ４５、偏光ビームスプリッタ４６及びＸＹスキャナ４７は、水平方向に略一直線に整列配置され、レーザー光Ｌは、レーザー発振器４１からＸＹスキャナ４７まで直線経路を通り、ＸＹスキャナ４７によって下方へ曲げられ、テレセントリックレンズ４８に入射する。このような構成を採用することにより、レーザー光が折れ曲がる回数を少なくすることができるので、上記光学ユニット４１〜４７のばらつきによる誤差を抑制し、レーザー加工の精度を向上させることができる。
【００６３】
レーザ発振器４１は、Ｔ字型の形状からなり、右下の入力端子４１Ｔから励起光が入力され、左上の出力筒４１Ｂの先端に形成された出力窓４１Ｗからレーザー光Ｌが出力される。
【００６４】
ビームサンプラー４２及びミキシングミラー４４は、レーザー光Ｌの出射軸に対し、４５°傾斜させて配置されている。
【００６５】
発振器用シャッタ４３は、遮光板４３ａ、回転駆動部４３ｂ、位置検出部４３ｃ及び反射光吸収装置４３ｄにより構成される。遮光板４３ａは、レーザー光Ｌの光路を遮断する遮光手段であり、例えば金属板からなる。回転駆動部４３ｂは、遮光板４３ａを回転させる駆動手段であり、例えば、ロータリーソレノイドが用いられる。この回転駆動部４３ｂが、遮光板４３ａを回転させることにより、レーザー光Ｌの光路を開閉可能に遮断することができる。位置検出部４３ｃは、遮光板４３ａの回転位置を検出する検出手段であり、例えば、フォトカプラが用いられる。反射光吸収装置４３ｄは、遮光板４３ａにより反射されたレーザー光Ｌを吸収し、レーザー光Ｌが散乱するのを防止している。
【００６６】
偏光ビームスプリッタ４６は、レーザー光Ｌの出射軸に対して約５６．６°傾斜させて配置され、レーザー光Ｌの入射角をブリュースター角と略一致させている。このため、レーザー光Ｌを概ね１００％透過させることができる。戻り光は、偏光ビームスプリッタ４６で反射され、水平方向のレーザー光Ｌの出射軸に対し、約６６．８°の角度をもって上に向かう。
【００６７】
照明モジュール５３０は、紙面手前側に照明光源５３が配置され、紙面奥側にハーフミラー５４が配置されたモジュールであり、手前から奥に向けて照射された照明光は、ハーフミラー５４で反射され、左下方向の偏光ビームスプリッタ４６に入射する。また、偏光ビームスプリッタ４６から入射する戻り光は、ハーフミラー５４を透過して、右上方向のカメラモジュール５６０へ入射される。
【００６８】
カメラモジュール５６０は、カメラ５６及びレンズ鏡筒５６１により構成されるモジュールであり、カメラ５６は、レンズ鏡筒５６１に対し交換可能に取り付けられている。
【００６９】
＜マーカヘッド２１の内部構造＞
図６は、図１のマーカヘッド２１の内部構造を示した斜視図である。マーカヘッド２１は、図２に示した光学ユニット４１〜４８，５１〜５６のうち、テレセントリックレンズ４８及びカメラ５６を除く各光学ユニットが、筐体フレーム６０内に収容されている。
【００７０】
筐体フレーム６０は、アルミニウムなどの金属からなる一体成型されたダイキャストフレームであり、ともに一体成形された仕切り板６１によって２つの収容部６２，６３に分割されている。筐体フレーム６０を一体成形し、各光学ユニット４１〜４８，５１〜５６を筐体フレーム６０に固定することにより、これらの光学ユニットの配置精度を向上させ、レーザー加工の精度を向上させることができる。
【００７１】
右側の収容部６２は、レーザー発振器４１が収容されるとともに、光ファイバー２３の接続部２３Ｃが外壁に取り付けられ、光ファイバー２３が壁面を貫通している。励起光は、光ファイバー２３を介して、レーザー発振器４１の右下部へ入射され、レーザー発振器４１の左上部の出力窓４１Ｗからレーザー光Ｌが出射される。この出力窓４１Ｗは、仕切り板６１を貫通するレーザー発振器４１の出力筒４１Ｂの先端、つまり、左側の収容部６３内に配置されている。
【００７２】
左の収容部６３には、レーザー発振器４１、テレセントリックレンズ４８及びカメラ５６を除く、各光学ユニットが収容されている。この収容部６３は、防塵構造を有し、粉塵の影響による加工品質の低下を防止している。
【００７３】
筐体フレーム６０には、マーカヘッド２１を支持するための３本の高さ調整脚６５が取り付けられている。各高さ調整脚６５は、円柱状の支持部材であり、個別に長さを調整することができる。各高さ調整脚６５は、共通のアタッチメントプレート６６に取り付けられ、マーカヘッド２１は、アタッチメントプレート６６を介して作業台などの上に設置される。
【００７４】
＜照明モジュール５３０＞
図７は、図５の照明モジュール５３０の一構成例を示した平面図である。また、図８は、図７の照明モジュール５３０をＡ−Ａ切断線によって切断した場合の断面図である。この照明モジュール５３０は、照明光源５３、ヒートシンク５３１、アパーチャ５３２、集光レンズ５３３及びハーフミラー５４により構成され、取付面５３４が、筐体フレーム６０に固着される。
【００７５】
ヒートシンク５３１は、多数の放熱フィンを備えた放熱板であり、照明光源５３の背面に取り付けられている。アパーチャ５３２は、出射軸近傍の照明光のみを透過させる光学絞りであり、照明光の出射軸上に小さな透過窓を形成した遮光板からなる。アパーチャ５３２を透過した照明光は、集光レンズ５３３を通って、ハーフミラー５４に入射される。ハーフミラー５４は、カメラ５６の受光軸に対し、４５°傾斜させて配置されている。
【００７６】
このようなアパーチャ５３２を照明光源５３の前方に配置すれば、撮影に不要な光を遮断し、照射光の光量を抑制することができる。このため、撮影画像にレンズフレアが生じるのを抑制することができる。特に、ＸＹスキャナ４７が浅い走査角度の場合に、照明光がテレセントリックレンズ４８で反射され、撮影画像にレンズフレアが生じるのを抑制することができる。
【００７７】
＜カメラモジュール５６０＞
図９は、図５のカメラモジュール５６０の一構成例を示した平面図であり、図１０は、図９のカメラモジュール５６０の側面図である。このカメラモジュール５６０は、カメラ５６及びレンズ鏡筒５６１からなる。
【００７８】
カメラ５６は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）などの撮像素子５６３が形成された回路基板５６２からなり、レンズ鏡筒５６１に着脱可能に取り付けられている。
【００７９】
レンズ鏡筒５６１は、カメラ取付部５６４、結像レンズ５６５及び波長選択フィルタ５６６を備え、取付面５６７が筐体フレーム６０に固定されている。カメラ取付部５６４は、カメラ５６と係合させるねじ込み式マウント部であり、カメラ５６の取付位置を調整することができる。結像レンズ５６５は、戻り光を撮像素子５６３に結像させるための受光光学系である。
【００８０】
波長選択フィルタ５６６は、外乱光が撮影画像に映り込むのを防止するための光学部材であり、カメラ５６の受光経路上に配置され、照明光源５３の照明光と略同一の波長を選択的に透過させる。すなわち、波長選択フィルタ５６６は、照明光にて照らされた加工対象物からの戻り光を選択的に通過させる。波長選択フィルタ５６６を用いて、照明光と略同一の波長からなる戻り光をカメラ５６に入射させるとともに、撮影に必要のない波長成分を除去することにより、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００８１】
高精度のレーザ加工を行うためには、レーザー光Ｌの波長について最適な光学特性が得られるように、マーカヘッド２１内の光学系を設計する必要がある。特に、テレセントリックレンズ４８は、レーザー光Ｌの波長に対し、色収差などの影響を抑制するように設計される。このため、レーザー光Ｌと略同一の波長からなる戻り光を撮影することにより、鮮明な撮影画像を得ることができる。また、外乱光による影響も抑制することができる。なお、波長選択フィルタ５６６は、少なくともレーザー光Ｌと略同一の波長を含む帯域を選択的に通過させるものであればよい。
【００８２】
また、波長選択フィルタ５６６を偏光ビームスプリッタ４６よりもカメラ５６側に配置することにより、偏光ビームスプリッタ４６よりもワークＷ側に配置する場合に比べて、レーザー光Ｌの出射強度が低下するのを抑制することができる。
【００８３】
＜カメラ用シャッタ５５＞
図１１及び図１２は、図５のカメラ用シャッタ５５の一構成例を示した図であり、図１１には、カメラ用シャッタ５５を閉じた状態が示され、図１２には、カメラ用シャッタ５５を開いた状態が示されている。
【００８４】
カメラ用シャッタ５５は、遮光板５５０、回転駆動部５５１及び位置検出部５５２により構成される。遮光板５５０は、レーザー光Ｌの光路を遮断する遮光手段であり、例えば金属板からなる。回転駆動部５５１は、遮光板５５０を回転させる駆動手段であり、例えば、ロータリーソレノイドが用いられる。この回転駆動部５５１が、遮光板５５０を回転させることにより、カメラ５６への入射光を開閉可能に遮断することができる。位置検出部５５２は、遮光板５５０の回転位置を検出する検出手段であり、例えば、遮光板５５０とともに回転する位置検出用突起５５３の位置を検出するフォトカプラからなる。
【００８５】
図１１には、カメラ撮影時以外のカメラ用シャッタ５５の状態が示されている。遮光板５５０により、レンズ鏡筒５６１の受光部を塞ぐことにより、カメラ５６の受光経路を遮断すれば、ワークＷからの戻り光がカメラ５６に入射することはない。
【００８６】
一方、図１２には、カメラ撮影時のカメラ用シャッタ５５の状態が示されている。図１１の状態から遮光板５５０を回動させ、レンズ鏡筒５６１の受光部を露出させることにより、カメラ５６の受光経路を開放すれば、ワークＷからの戻り光はカメラ５６に入射される。
【００８７】
＜撮影画像＞
図１３は、図２のカメラ５６による撮影画像の一例を示した図であり、図中の（ａ１）〜（ａ３）には、照明光源５３にアパーチャ５３２を用いることなく撮影された撮影画像が示され、（ｂ１）〜（ｂ３）には、アパーチャ５３２を用いて撮影された撮影画像が示されている。
【００８８】
照明光源５３から出射された照明光は、ハーフミラー５４及び偏光ビームスプリッタ４６を経由してＸＹスキャナ４７により反射され、テレセントリックレンズ４８に入射する。その際、テレセントリックレンズ４８に対する入射角度が浅いほど、テレセントリックレンズ４８を構成する光学レンズの表面で反射してカメラ５６の受光経路を遡る照明光の光量が増大し、撮影画像が白くなる。このような現象は、レンズフレアと呼ばれている。つまり、ＸＹスキャナ４７による走査角度が浅い場合、レンズフレアの影響により、撮影画像の輝度レベルが飽和し、白くなってしまう。
【００８９】
図中の（ａ１）及び（ｂ１）は、走査角度を０°とし、印字可能エリアの中央近傍を撮影した場合の撮影画像である。照明光源５３にアパーチャ５３２を用いてない（ａ１）の撮影画像は、レンズフレアの影響により画像全体が白くなっている。これに対し、アパーチャ５３２を用いた（ｂ１）の撮影画像は、レンズフレアの影響が低く抑えられており、ワークＷの表面状態を識別することができる。
【００９０】
図中の（ａ２）及び（ｂ２）は、走査角度を上限の半分程度とした場合の撮影画像である。（ａ１）及び（ｂ１）の場合に比べて、レンズフレアの影響は小さくなっている。また、図中の（ａ３）及び（ｂ３）は、走査角度を上限とし、印字可能エリアの外縁近傍を撮影した場合の撮影画像である。（ａ２）及び（ｂ２）の場合に比べて、レンズフレアの影響は更に小さくなっている。つまり、走査角度が浅いほど、レンズフレアの影響は顕著であるが、いずれの場合にも、アパーチャ５３２を用いて撮影した画像の方が、鮮明な撮影画像が得られることがわかる。
【００９１】
本実施の形態によれば、レーザー光Ｌと略同軸の光路を経由して、レーザー光と略同一の波長を含む照明光を加工対象物へ照射するとともに、加工対象物からの戻り光をカメラ５６で撮影することができる。このため、レーザー光の波長に対し最適化された光学系を利用して色収差などの影響を受けにくい鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００９２】
また、本実施の形態によれば、カメラ用シャッタ５５を用いて、加工対象物で反射されたレーザー光Ｌの戻り光を遮断することにより、レーザー光Ｌによるカメラ５６の破損を防止することができる。特に、カメラ用シャッタ５５を偏光ビームスプリッタ４６よりもカメラ５６側に配置することにより、加工対象物に照射されるレーザー光の強度が低下するのを抑制することができる。
【００９３】
また、本実施の形態によれば、カメラ５６の受光経路上にレーザー光と略同一の波長を選択的に通過させる波長選択フィルタ５６６を設けることにより、不要な波長がカメラに入射するのを防止し、レーザー光Ｌと略同一の波長の戻り光を撮影することができるので、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００９４】
また、本実施の形態によれば、テレセントリックレンズ４８を用いることにより、レーザー加工の精度を向上させることができるとともに、歪みの少ない撮影画像を得ることができる。
【００９５】
なお、本実施の形態では、ＳＨＧ型レーザー発振を用いる場合の例について説明したが、本発明によるこれに限定されない。例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）をドープしたファイバーを増幅器として用いるファイバーレーザーを用いたレーザー加工装置に対しても、本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００９６】
１ レーザーマーキングシステム
１０ 端末装置
２０ レーザーマーカ
２１ マーカヘッド
２２ マーカコントローラ
２３ 光ファイバー
４１ レーザー発振器
４２ ビームサンプラー
４３ 発振器用シャッタ
４４ ミキシングミラー
４５ Ｚスキャナ
４６ 偏光ビームスプリッタ
４７ ＸＹスキャナ
４８ テレセントリックレンズ
５１ パワーモニタ
５２ ガイド光源
５３ 照明光源
５３０ 照明モジュール
５３１ ヒートシンク
５３２ アパーチャ
５４ ハーフミラー
５５ カメラ用シャッタ
５６ カメラ
６０ 筐体フレーム
６１ 仕切り板
６２，６３ 収容部
５３３ 集光レンズ
５５０ 遮光板
５５１ 回転駆動部
５５２ 位置検出部
５５３ 位置検出用突起
５６０ カメラモジュール
５６１ レンズ鏡筒
５６２ 回路基板
５６３ 撮像素子
５６４ カメラ取付部
５６５ 結像レンズ
５６６ 波長選択フィルタ
Ｌ レーザー光
Ｗ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー加工装置に係り、さらに詳しくは、レーザー光を照射して加工対象物を加工するレーザー加工装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーマーキング装置は、レーザー光を照射することにより加工対象物（ワーク）を加工するレーザー加工装置であり、レーザー光の照射位置を走査させることにより、ワーク上に文字、記号、図形などを印字することができる。この様なレーザーマーキング装置には、ワークをカメラ撮影し、加工位置の確認及び調整を行うことができるものが知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１に記載されたレーザーマーキング装置は、ワーク撮影用のカメラを内蔵し、当該カメラの受光軸をレーザー光の出射軸と一致させることにより、加工前に加工位置の確認及び調整を高精度で行うことができる。ただし、カメラの受光軸とレーザー光の出射軸とを一致させたことにより、ワークで反射したレーザー光が、戻り光としてカメラにも入射され、カメラを破損させるおそれがある。このため、カメラの受光軸上にレーザー光の波長を遮断する波長選択フィルタを設けてカメラの破損を防止する必要がある。
【０００４】
しかしながら、一般に、広い波長範囲にわたり、良好な光学特性を有する光学系を設計することは困難であり、特に、高精度の走査手段を備えた光学系では困難である。このため、レーザーマーキング装置におけるレーザー光の出射経路は、その光学特性がレーザー光の波長に対して最適化され、他の波長帯域において良好な光学特性を得ることはできない。例えば、レーザー光の波長と異なる波長帯域では色収差などの影響を受ける。従って、特許文献１のレーザーマーキング装置のように、カメラへの入射光の波長と、レーザー光の波長とが異なる場合、カメラ撮影によって鮮明な撮影画像を得ることができないという問題があった。
【０００５】
また、特許文献１に記載されたレーザーマーキング装置では、撮影画像が歪みを有しているため、撮影軸上を除き、撮影画像に基づいて、被写体上の加工位置を正確に把握することはできないという問題があった。
【０００６】
また、特許文献１に記載されたレーザーマーキング装置は、カメラ撮影用の照明光源を備えていないが、照明光源を内蔵し、当該照明光源の出射軸をレーザー光の出射軸と一致させている場合にも、色収差などの影響を受けるという同様の問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−７８２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ワークを撮影した高品質の撮影画像を得ることができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。特に、レーザー光の光学系を利用して、照明光の照射及びワークの撮影を行うことにより、鮮明な撮影画像を得ることができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。
【０００９】
また、レーザー光の光学系を利用してワークを撮影し、鮮明な撮影画像を取得するとともに、レーザー光の戻り光によるカメラの破損を防止することができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、レーザー光の光学系を利用してワークを撮影し、歪みの少ない撮影画像を得ることができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。特に、ワークの撮影画像に基づいて、加工位置の確認又は調整を高い精度で行うことができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の本発明によるレーザー加工装置は、加工対象物を加工するためのレーザー光を生成するレーザー生成器と、上記加工対象物を撮影するためのカメラと、上記カメラの受光軸を上記レーザー光の出射軸と略一致させるカメラ用光学スプリッタと、上記レーザー光の出射軸と略一致する出射軸を有し、上記レーザー光と略同一の波長を含む照明光を生成する照明光源と、上記カメラ用光学スプリッタよりも上記カメラ側に配置され、上記加工対象物からの戻り光を開閉可能に遮断するカメラ用シャッタとを備えて構成される。
【００１２】
この様な構成により、レーザー光と略同軸の光路を経由して、レーザー光と略同一の波長を含む照明光を加工対象物へ照射するとともに、加工対象物からの戻り光をカメラで受光することができる。このため、レーザー光の波長に対し最適化されたレーザー光用の光学系を利用して、色収差などの影響を受けにくい鮮明な撮影画像を得ることができる。しかも、カメラ用シャッタを用いて、加工対象物で反射されたレーザー光の戻り光を遮断することにより、レーザー光によるカメラの破損を防止することができる。
【００１３】
第２の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記カメラの受光経路上に配置され、上記照明光と略同一の波長を選択的に通過させる波長選択フィルタを備えて構成される。
【００１４】
この様な構成により、照明光と略同一の波長を含む所定の波長帯域を除き、不要な波長がカメラに入射するのを防止することができる。このため、加工対象物について鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００１５】
第３の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記加工対象物に対し上記レーザー光の出射光軸を走査させるスキャナを備え、上記カメラ用光学スプリッタが、上記スキャナよりも上記レーザー生成器側に配置されるように構成される。
【００１６】
この様な構成により、スキャナの光学特性を考慮し、レーザー光の照射位置と、カメラによる撮影位置とを高い精度で一致させることができる。このため、撮影画像に基づいて加工位置の確認又は調整を高い精度で行うことが可能になる。
【００１７】
第４の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記スキャナよりも上記加工対象物側に配置され、上記レーザー光の入射角にかかわらず、上記レーザー光の出射角を一定にするテレセントリックレンズを備えて構成される。
【００１８】
この様な構成により、レーザー光の出射軸を走査させても、一定の角度でレーザー光を加工対象物に照射することができるため、レーザー加工の精度を向上させることができるとともに、歪みの少ない撮影画像が得られ、加工位置の確認又は調整を高い精度で行うことが可能になる。
【００１９】
第５の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記カメラ用光学スプリッタよりも上記カメラ側に配置され、上記照明光源の出射軸を上記カメラの受光軸と略一致させる照明用光学スプリッタを備えて構成される。
【００２０】
この様な構成により、レーザー光の出射光路上に設けられたカメラ用光学スプリッタよりもカメラ側において、カメラの受光経路と、照明光の出射経路とを分離することができる。このため、レーザー光の出射光路上に、カメラ用光学スプリッタ及び照明用光学スプリッタを配置する場合に比べて、加工対象物に照射されるレーザー光の強度が低下するのを抑制することができる。
【００２１】
第６の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記照明用光学スプリッタが、上記加工対象物からの戻り光を上記カメラへ透過させ、上記照明光源からの照明光を上記カメラ用光学スプリッタへ反射させるように構成される。
【００２２】
この様な構成により、照明用光学スプリッタからの透過光をカメラに入射させることができるので、反射光をカメラに入射させる場合に比べて、ゴーストの発生を抑制し、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００２３】
第７の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記照明用光学スプリッタよりも上記照明光源側に配置され、出射軸近傍の上記照明光を選択的に透過させる光学絞りを備えて構成される。
【００２４】
この様な構成により、撮影に不要な照明光を遮断し、照明光の出射経路上の光学系により反射され、カメラに入射する光量を抑制することができる。このため、例えば、走査角度の浅い撮影時に、テレセントリックレンズのレンズ中心付近で正反射された反射光により、撮影画像にレンズフレアが生じるのを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によるレーザー加工装置は、レーザー光と略同軸の光路を経由して、レーザー光と略同一の波長を含む照明光を加工対象物へ照射するとともに、レーザー光と略同軸の光路を経由して、ワークの撮影を行っている。このため、レーザー光の波長に対し最適化された光学系を利用して、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００２６】
また、本発明によるレーザー加工装置は、カメラ用シャッタを用いて、加工対象物からの戻り光を遮断することにより、レーザー光によるカメラの破損を防止することができる。従って、カメラ撮影及びレーザー光出力のタイミングを異ならせれば、レーザー光によるカメラの破損を防止しつつ、加工対象物について高画質の撮影画像を得ることができる。
【００２７】
また、本発明によるレーザー加工装置は、カメラの受光経路上に、レーザー光と略同一の波長を選択的に通過させる波長選択フィルタを設けることにより、不要な波長がカメラに入射するのを防止し、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００２８】
また、本発明によるレーザー加工装置は、テレセントリックレンズを用いることにより、レーザー光の出射軸を走査させても、一定の角度でレーザー光を加工対象物に照射することができる。このため、レーザー加工の精度を向上させることができるとともに、歪みの少ない撮影画像が得られ、加工位置の確認又は調整を高い精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態によるレーザーマーカ２０を含むレーザーマーキングシステム１の概略構成の一例を示したシステム図である。
【図２】図１のレーザーマーカ２０の詳細構成を示したブロック図である。
【図３】図２のテレセントリックレンズ４８の作用の一例を示した説明図である。
【図４】図２のハーフミラー５４を経由する光路の一例を示した説明図である。
【図５】図２の光学ユニット４１〜４８，５１〜５６の空間的配置を示した図である。
【図６】図１のマーカヘッド２１の内部構造を示した斜視図である。
【図７】図５の照明モジュール５３０の一構成例を示した平面図である。
【図８】図７の照明モジュール５３０をＡ−Ａ切断線によって切断した場合の断面図である。
【図９】図５のカメラモジュール５６０の一構成例を示した平面図である。
【図１０】図９のカメラモジュール５６０の側面図である。
【図１１】図５のカメラ用シャッタ５５の一構成例を示した図であり、カメラ用シャッタ５５を閉じた状態が示されている。
【図１２】図５のカメラ用シャッタ５５の一構成例を示した図であり、カメラ用シャッタ５５を開いた状態が示されている。
【図１３】図２のカメラ５６による撮影画像の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
＜レーザーマーキングシステム１＞
図１は、本発明の実施の形態によるレーザー加工装置を含むレーザーマーキングシステム１の概略構成の一例を示したシステム図であり、レーザー加工装置の一例としてレーザーマーカ２０が示されている。このレーザーマーキングシステム１は、レーザー光Ｌを照射してワークＷを加工するレーザーマーカ２０と、その加工条件を編集するための端末装置１０とにより構成される。また、レーザーマーカ２０は、レーザー光Ｌの生成及び走査を行うマーカヘッド２１と、マーカヘッド２１の動作制御を行うマーカコントローラ２２とからなる。
【００３１】
端末装置１０は、レーザーマーカ２０を制御するための端末装置であり、例えば、レーザーマーカ用のアプリケーションプログラムがインストールされたパーソナルコンピュータを用いることができる。ユーザは、端末装置１０を用いることにより、レーザーマーカ２０の加工条件を規定する加工設定データを作成し、編集することができる。
【００３２】
マーカコントローラ２２は、端末装置１０から受信した加工設定データに基づいて、マーカヘッド２１の動作制御を行っている。また、レーザー発振用の励起光は、マーカコントローラ２２において生成され、光ファイバー２３を介してマーカヘッド２１へ伝送される。
【００３３】
マーカヘッド２１は、マーカコントローラ２２からの励起光に基づいて、レーザー光Ｌを生成し、ワークＷへ照射する。このとき、マーカコントローラ２２からの制御信号に基づいてレーザー光Ｌの出射軸を走査することにより、ワークＷ上に文字、記号、図形などのシンボルを印字することができる。また、マーカヘッド２１内には、図示しない照明光源及びカメラが内蔵され、当該カメラにより撮影されたワークＷの撮影画像が、マーカコントローラ２２を介して端末装置１０に転送され、ディスプレイ上に表示される。ユーザは、この撮影画像を閲覧することにより、ワークＷ上の加工位置の確認、調整などを行うことができる。
【００３４】
＜レーザーマーカ２０＞
図２は、図１のレーザーマーカ２０の詳細構成を示したブロック図であり、マーカヘッド２１及びマーカコントローラ２２の内部構成の一例が示されている。
【００３５】
このレーザーマーカ２０は、テレセントリックレンズ４８を介してレーザー光Ｌを照射することにより、高精度のレーザー加工を行うことができる。また、ワークＷを撮影するための照明光源５３及びカメラ５６を備え、照明光源５３の光軸及びカメラ５６の撮影軸が、レーザー光Ｌの出射軸と同軸になるように配置されている。このため、テレセントリックレンズ４８を介して、歪みの少ない撮影画像を得ることができる。
【００３６】
また、照明光源５３は、レーザー光Ｌと略同一の波長を含む照明光を生成し、カメラ５６は、レーザー光と略同一の波長からなる戻り光を撮影している。このため、レーザー光Ｌと略同一の波長の光を用いてワークＷを撮影することができるので、鮮明な撮影画像が得られる。さらに、カメラ５６の撮影軸上にカメラ用シャッタ５５を備えることにより、ワークＷで反射したレーザー光Ｌが、戻り光としてカメラ５６に入射し、カメラ５６が破損するのを防止している。
【００３７】
＜マーカコントローラ２２＞
マーカコントローラ２２は、電源３０、励起光生成部３１及び制御部３２からなる。電源３０は、商用電源を利用して、マーカヘッド２１、励起光生成部３１及び制御部３２へ電力を供給する。励起光生成部３１は、レーザー発振のための励起光を生成する。この励起光は、光ファイバー２３を介してマーカヘッド２１に伝送される。制御部３２は、端末装置１０から転送された加工設定データに基づいて励起光生成部３１及びマーカヘッド２１を制御し、レーザー光Ｌの出力制御及び走査制御を行う。
【００３８】
ここで、レーザーマーカ２０は、動作モードとして、加工モード及び撮影モードを備え、これらのモードを選択的に切り替えることができる。すなわち、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）等の外部装置又はマーカコントローラ２２に接続されるコンソール等から、モード切替信号が入力されると、制御部３２は、加工モードか撮影モードかを判断する。つまり、制御部３２は、加工モード又は撮影モードのいずれかを識別する識別手段として機能する。加工モードは、レーザー加工を行うための動作モードであり、発振器用シャッタ４３が開き、カメラ用シャッタ５５が閉じ、照明光源５３を消灯させた動作状態である。また、レーザー発振器４１は、レーザー光Ｌを生成可能であり、ＸＹスキャナ４７は、加工設定データに基づいて制御される。一方、撮影モードは、カメラ撮影を行うための動作モードであり、発振器用シャッタ４３が閉じ、カメラ用シャッタ５５が開き、照明光源５３が点灯している動作状態である。また、レーザー発振器４１は、レーザー光Ｌの生成が禁止され、ＸＹスキャナ４７は、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）などの制御装置によって制御することができる。
【００３９】
制御部３２は、マーカヘッド２１内のＸＹスキャナ４７を制御しているが、この制御処理は、レーザーマーカ２０の動作モードによって異なる。加工モード時には、加工設定データに基づいて、ＸＹスキャナ４７の走査角を制御することにより、レーザー光Ｌの照射位置を制御する。一方、撮影モード時には、ＰＬＣからのスキャン要求が入力され、このスキャン要求に基づいて、ＸＹスキャナ４７の走査角を制御する。スキャン要求は、カメラ５６の撮影位置を指定したＸＹスキャナ４７の制御情報である。スキャン要求に基づいてＸＹスキャナ４７を移動させ、ＸＹスキャナ４７の走査角が指定された撮影位置に一致すれば、スキャン応答が、制御部３２からＰＬＣへ出力される。
【００４０】
また、制御部３２は、レーザーマーカ２０の動作モードに基づいて、つまり、上述したモード切替信号を受信して、識別した動作モードに基づいて、発振器用シャッタ４３及びカメラ用シャッタ５５の開閉状態を制御している。加工モード時には、発振器用シャッタ４３を開状態、カメラ用シャッタ５５を閉状態にすることにより、レーザー光Ｌを照射可能にするとともに、カメラ５６の破損を防止する。一方、撮影モード時には、発振器用シャッタ４３を閉状態、カメラ用シャッタ５５を開状態にすることにより、レーザー光Ｌの漏出を防止するとともに、カメラ５６によるワークＷの撮影を可能にする。
【００４１】
また、制御部３２は、レーザーマーカ２０の動作モードに基づいて、レーザー発振器４１を制御する。加工モード時には、加工設定データに基づいてレーザー光Ｌを発生させる一方、撮影モード時には、レーザー光Ｌを発生させない。
【００４２】
さらに、制御部３２は、レーザーマーカ２０の動作モードに基づいて、照明光源５３を制御する。加工モード時には、照明光源５３を消灯させる一方、撮影モード時には、照明光源５３を点灯させてワークＷを照明する。
【００４３】
＜マーカヘッド２１＞
マーカヘッド２１は、レーザー発振器４１、ビームサンプラー４２、発振器用シャッタ４３、ミキシングミラー４４、Ｚスキャナ４５、偏光ビームスプリッタ４６、ＸＹスキャナ４７、テレセントリックレンズ４８、パワーモニタ５１、ガイド光源５２、照明光源５３、ハーフミラー５４、カメラ用シャッタ５５及びカメラ５６により構成される。
【００４４】
レーザー発振器４１は、励起光を吸収してレーザービームからなるレーザー光Ｌを生成するレーザー生成器であり、レーザー媒質、共振器、Ｑスイッチなどによって構成される。ここでは、レーザー発振器４１が、パルス発振する固体レーザー発振器、例えば、ＳＨＧ型レーザー発振器であるものとする。ＳＨＧ型レーザー発振器は、レーザー媒質として、Ｎｄ（ネオジム）がドープされたＹＶＯ４（イットリウム・バナデート）結晶を用い、第２高調波を利用して波長５３２ｎｍの緑色光を出力する。上記レーザー媒質を励起するための励起光には、波長８０８ｎｍのレーザー光が用いられる。レーザー発振器４１によって生成されたレーザー光Ｌは、ビームサンプラー４２、ミキシングミラー４４、Ｚスキャナ４５、偏光ビームスプリッタ４６、ＸＹスキャナ４７及びテレセントリックレンズ４８を順に経由してワークＷに照射される。
【００４５】
ビームサンプラー４２は、レーザー発振器４１から出力されるレーザー光Ｌのうち、一定割合をサンプリングビームとして分岐させる光学スプリッタである。例えば、透明基板の表面反射などを利用することにより、入射したレーザー光Ｌの全光量の約３％が分光され、サンプリングビームとしてパワーモニタ５１へ入射される。パワーモニタ５１は、レーザー発振器４１の出力パワーを検出するための光強度検出手段であり、例えば、サーモパイルなどの感熱素子からなり、その検出結果はレーザー発振器４１の出力制御に用いられる。
【００４６】
発振器用シャッタ４３は、レーザー光Ｌの出射経路を開閉可能に遮断し、レーザー光Ｌの漏出を防止する漏出防止用遮断手段であり、偏光ビームスプリッタ４６よりも上流側に配置される。ここでは、ビームサンプラー４２及びミキシングミラー４４間に発振器用シャッタ４３が設けられ、レーザー光Ｌの出力制御信号に基づいて、レーザー光Ｌの照射時を除き、レーザー光Ｌの出射経路を遮断している。このため、カメラ５６によるワークＷの撮影時には、レーザー光Ｌの出射経路が、発振用シャッタ４３により遮断されている。
【００４７】
ミキシングミラー４４は、ガイド光の出射軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させる光混合用光学スプリッタであり、レーザー発振器４１からのレーザー光Ｌを透過させ、ガイド光源５２からのガイド光を反射させることにより、ともにＺスキャナ４５へ送り出している。ガイド光源５２は、加工位置をワークＷ上に表示するガイド光を生成する光源装置であり、ＬＤ（レーザーダイオード）などの発光素子からなる。ガイド光の点灯制御と、ガイド光の出射軸の高速スキャンとによって、印字しようとするシンボルパターンを照射スポットの残像として視認させることができる。
【００４８】
Ｚスキャナ４５は、レーザー光Ｌのビーム径を調整するビーム径制御手段であり、レーザー光Ｌの光軸上に配置された２枚のレンズからなり、これらのレンズの相対距離を変化させることにより、例えば、レーザー光Ｌのビーム径２ｍｍφを最大８ｍｍφまで拡大させることができる。レーザー光のスポット径を拡大させることにより、スポット内におけるエネルギー密度を低下させるデフォーカス制御を行うことができる。
【００４９】
偏光ビームスプリッタ４６は、レーザー光Ｌの出射経路上であって、ＸＹスキャナ４７よりも上流側に配置され、Ｚスキャナ４５からのレーザー光Ｌを透過させる一方、カメラ５６の受光軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させるカメラ用光学スプリッタである。すなわち、ワークＷによる反射光のうち、テレセントリックレンズ４８に入射してレーザー光Ｌの出射経路を遡る戻り光は、偏光ビームスプリッタ４６で反射されることにより、レーザー光Ｌの出射軸から分離され、カメラ５６の方へ向かう。また、偏光ビームスプリッタ４６は、ハーフミラー５４を介して入射される照明光をＸＹスキャナ４７に向けて反射し、照明光の出射軸をレーザー光Ｌの出射軸と一致させている。例えば、レーザー発振器４１により、Ｐ偏光のレーザー光Ｌが生成される場合、Ｐ偏光成分を選択的に透過させ、Ｓ偏光成分を反射させる偏光ビームスプリッタ４６を用いることにより、レーザー光Ｌを通過させる一方、Ｓ偏光成分を含む戻り光及び照射光をそれぞれ反射させることができる。
【００５０】
ＸＹスキャナ４７は、レーザー光Ｌの出射軸を２次元走査させるための走査光学系であり、レーザー光Ｌを反射させるＸ方向走査用ミラー及びＹ方向走査用ミラーと、これらの走査用ミラーを回転させる駆動部からなる。走査用ミラーは、ガルバノミラーと呼ばれ、レーザー光Ｌの出射経路上に配置される。このＸＹスキャナ４７は、マーカコントローラ２２からの走査制御信号に基づいて、上記走査用ミラーを回転させる。
【００５１】
テレセントリックレンズ４８は、レーザー光ＬをワークＷに向けて出射させる出射光学系であり、レーザー光Ｌの出射経路においてＸＹスキャナ４７よりも下流側、すなわち、ワークＷ側に配置される。このテレセントリックレンズ４８は、複数の光学レンズやカバーガラスによって構成され、ワークＷ側の画角が略０°となるオブジェクト側テレセントリック光学系からなる。つまり、テレセントリックレンズ４８は、レーザー光Ｌの入射角度に関わらず、レーザー光の主光線がレンズ光軸と略平行となるように、ワークＷに向けてレーザー光Ｌを出射させる。偏光ビームスプリッタ４６を通過したレーザー光Ｌは、テレセントリックレンズ４８によってワークＷに向けて出射される。
【００５２】
照明光源５３は、ワークＷを照明するための照明光を生成する光源装置であり、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの発光素子からなる。この照明光源５３は、少なくともレーザー光Ｌと略同一の波長を含む照明光を生成し、ハーフミラー５４へ出射する。
【００５３】
ハーフミラー５４は、カメラ５６の受光経路上に配置され、偏光ビームスプリッタ４６からの戻り光を透過させる一方、照明光の出射軸をカメラ５６の受光軸と略一致させる照明用光学スプリッタである。すなわち、偏光ビームスプリッタ４６からの戻り光を透過させ、カメラ５６に入射する一方、照明光源５３からの照明光を偏光ビームスプリッタに向けて反射する。
【００５４】
カメラ用シャッタ５５は、カメラ５６の受光経路を開閉可能に遮断し、レーザー光Ｌの照射時に戻り光がカメラ５６に入射するのを防止するためのカメラ保護用遮断手段であり、偏光ビームスプリッタ４６よりも上流側に配置される。すなわち、カメラ用シャッタ５５は、偏光ビームスプリッタ４６よりもカメラ５６側に配置され、レーザー光Ｌが加工対象物に照射されたときに、加工対象物で反射した戻り光であって、かつ、後述する波長選択フィルタ５６６を通過してしまう戻り光を遮断する。ここでは、ハーフミラー５４及びカメラ５６間にカメラ用シャッタ５５が設けられ、レーザー光Ｌの出力制御信号に基づいて開閉され、少なくともレーザー光Ｌの照射期間中は、カメラ５６の受光経路を遮断している。このため、レーザー照射のタイミングと、カメラ撮影のタイミングを異ならせれば、レーザー光Ｌの戻り光によってカメラ５６が損傷を受けるのを防止することができる。
【００５５】
カメラ５６は、ワークＷを撮影し、撮影画像を生成するための撮像ユニットであり、マーカコントローラ２２からの撮像制御信号に基づいて撮影を行い、得られた撮影画像をマーカコントローラ２２へ出力する。ここでは、カメラ５６が、レーザー光と略同一の波長を受光し、撮影画像を生成しているものとする。
【００５６】
カメラ５６を用いたワークＷの撮影時には、照明光源５３が点灯され、ハーフミラー５４、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４６、ＸＹスキャナ４７及びテレセントリックレンズ４８を介して、ワークＷに照明光が照射される。このとき、照明光のワークＷによる反射光が、テレセントリックレンズ４８、ＸＹスキャナ４７、ＰＢＳ４６及びハーフミラー５４を介して、カメラ５６によって受光される。ここで、カメラ５６の受光軸は、ＰＢＳ４６において、レーザー光Ｌの出射軸から分離される。つまり、ＰＢＳ４６は、カメラ５６の受光経路に配置されている。
【００５７】
＜テレセントリックレンズ４８＞
図３は、図２のテレセントリックレンズ４８の作用の一例を示した説明図である。図中の（ａ）には、印字可能エリアの中央にレーザー光Ｌを照射する場合、（ｂ）には、印字可能エリアの左端付近にレーザー光Ｌを照射する場合、（ｃ）には、印字可能エリアの右端付近にレーザー光Ｌを照射する場合がそれぞれ示されている。
【００５８】
このテレセントリックレンズ４８は、レーザー光Ｌの入射角度にかかわらず、その主光線がテレセントリックレンズ４８の光軸と略平行となるようにレーザー光Ｌを出射させる。このため、ＸＹスキャナ４７の走査角が深くなり、テレセントリックレンズ４８への入射角が大きくなった場合であっても、ワークＷ上に形成されるレーザー光Ｌのスポット径は変化せず、高精度のレーザー加工を行うことができる。
【００５９】
この様なレーザーマーカ２０において、レーザー光Ｌの出射軸と略一致させた受光軸を有するカメラ５６を用いてワークＷを撮影すれば、歪みの少ない撮影画像を得ることができる。すなわち、ＸＹスキャナ４７の走査角が深くなり、テレセントリックレンズ４８への入射角が大きくなった場合であっても、撮影画像が歪むことはない。さらに、ＸＹスキャナ４７の走査角にかかわらず、撮影画像内において周辺の画像が歪むこともなくなる。従って、歪みの少ない撮影画像に基づいて、加工位置の確認又は調整を高い精度で行うことができる。
【００６０】
＜ハーフミラー５４＞
図４は、図２のハーフミラー５４を経由する光路の一例を示した説明図である。ハーフミラー５４における反射は、光が入射する第１面で生じるのに加えて、第１面に対向する第２面でも生じる。このため、ハーフミラー５４の反射光を撮影した場合、像が二重に見えるゴーストが発生する。これに対し、透過光を撮影した場合には、この様な問題が発生しない。
【００６１】
このため、偏光ビームスプリッタ４６から入射した戻り光が、ハーフミラー５４を透過して出射される方向にカメラ５６を配置し、ハーフミラー５４で反射した照明光が、偏光ビームスプリッタ４６へ入射するように照明光源５３を配置すれば、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００６２】
＜光学ユニットの空間的配置＞
図５は、図２の光学ユニット４１〜４８，５１〜５６の空間的配置を示した図である。レーザー発振器４１、ビームサンプラー４２、ミキシングミラー４４、Ｚスキャナ４５、偏光ビームスプリッタ４６及びＸＹスキャナ４７は、水平方向に略一直線に整列配置され、レーザー光Ｌは、レーザー発振器４１からＸＹスキャナ４７まで直線経路を通り、ＸＹスキャナ４７によって下方へ曲げられ、テレセントリックレンズ４８に入射する。このような構成を採用することにより、レーザー光が折れ曲がる回数を少なくすることができるので、上記光学ユニット４１〜４７のばらつきによる誤差を抑制し、レーザー加工の精度を向上させることができる。
【００６３】
レーザ発振器４１は、Ｔ字型の形状からなり、右下の入力端子４１Ｔから励起光が入力され、左上の出力筒４１Ｂの先端に形成された出力窓４１Ｗからレーザー光Ｌが出力される。
【００６４】
ビームサンプラー４２及びミキシングミラー４４は、レーザー光Ｌの出射軸に対し、４５°傾斜させて配置されている。
【００６５】
発振器用シャッタ４３は、遮光板４３ａ、回転駆動部４３ｂ、位置検出部４３ｃ及び反射光吸収装置４３ｄにより構成される。遮光板４３ａは、レーザー光Ｌの光路を遮断する遮光手段であり、例えば金属板からなる。回転駆動部４３ｂは、遮光板４３ａを回転させる駆動手段であり、例えば、ロータリーソレノイドが用いられる。この回転駆動部４３ｂが、遮光板４３ａを回転させることにより、レーザー光Ｌの光路を開閉可能に遮断することができる。位置検出部４３ｃは、遮光板４３ａの回転位置を検出する検出手段であり、例えば、フォトカプラが用いられる。反射光吸収装置４３ｄは、遮光板４３ａにより反射されたレーザー光Ｌを吸収し、レーザー光Ｌが散乱するのを防止している。
【００６６】
偏光ビームスプリッタ４６は、レーザー光Ｌの出射軸に対して約５６．６°傾斜させて配置され、レーザー光Ｌの入射角をブリュースター角と略一致させている。このため、レーザー光Ｌを概ね１００％透過させることができる。戻り光は、偏光ビームスプリッタ４６で反射され、水平方向のレーザー光Ｌの出射軸に対し、約６６．８°の角度をもって上に向かう。
【００６７】
照明モジュール５３０は、紙面手前側に照明光源５３が配置され、紙面奥側にハーフミラー５４が配置されたモジュールであり、手前から奥に向けて照射された照明光は、ハーフミラー５４で反射され、左下方向の偏光ビームスプリッタ４６に入射する。また、偏光ビームスプリッタ４６から入射する戻り光は、ハーフミラー５４を透過して、右上方向のカメラモジュール５６０へ入射される。
【００６８】
カメラモジュール５６０は、カメラ５６及びレンズ鏡筒５６１により構成されるモジュールであり、カメラ５６は、レンズ鏡筒５６１に対し交換可能に取り付けられている。
【００６９】
＜マーカヘッド２１の内部構造＞
図６は、図１のマーカヘッド２１の内部構造を示した斜視図である。マーカヘッド２１は、図２に示した光学ユニット４１〜４８，５１〜５６のうち、テレセントリックレンズ４８及びカメラ５６を除く各光学ユニットが、筐体フレーム６０内に収容されている。
【００７０】
筐体フレーム６０は、アルミニウムなどの金属からなる一体成型されたダイキャストフレームであり、ともに一体成形された仕切り板６１によって２つの収容部６２，６３に分割されている。筐体フレーム６０を一体成形し、各光学ユニット４１〜４８，５１〜５６を筐体フレーム６０に固定することにより、これらの光学ユニットの配置精度を向上させ、レーザー加工の精度を向上させることができる。
【００７１】
右側の収容部６２は、レーザー発振器４１が収容されるとともに、光ファイバー２３の接続部２３Ｃが外壁に取り付けられ、光ファイバー２３が壁面を貫通している。励起光は、光ファイバー２３を介して、レーザー発振器４１の右下部へ入射され、レーザー発振器４１の左上部の出力窓４１Ｗからレーザー光Ｌが出射される。この出力窓４１Ｗは、仕切り板６１を貫通するレーザー発振器４１の出力筒４１Ｂの先端、つまり、左側の収容部６３内に配置されている。
【００７２】
左の収容部６３には、レーザー発振器４１、テレセントリックレンズ４８及びカメラ５６を除く、各光学ユニットが収容されている。この収容部６３は、防塵構造を有し、粉塵の影響による加工品質の低下を防止している。
【００７３】
筐体フレーム６０には、マーカヘッド２１を支持するための３本の高さ調整脚６５が取り付けられている。各高さ調整脚６５は、円柱状の支持部材であり、個別に長さを調整することができる。各高さ調整脚６５は、共通のアタッチメントプレート６６に取り付けられ、マーカヘッド２１は、アタッチメントプレート６６を介して作業台などの上に設置される。
【００７４】
＜照明モジュール５３０＞
図７は、図５の照明モジュール５３０の一構成例を示した平面図である。また、図８は、図７の照明モジュール５３０をＡ−Ａ切断線によって切断した場合の断面図である。この照明モジュール５３０は、照明光源５３、ヒートシンク５３１、アパーチャ５３２、集光レンズ５３３及びハーフミラー５４により構成され、取付面５３４が、筐体フレーム６０に固着される。
【００７５】
ヒートシンク５３１は、多数の放熱フィンを備えた放熱板であり、照明光源５３の背面に取り付けられている。アパーチャ５３２は、出射軸近傍の照明光のみを透過させる光学絞りであり、照明光の出射軸上に小さな透過窓を形成した遮光板からなる。アパーチャ５３２を透過した照明光は、集光レンズ５３３を通って、ハーフミラー５４に入射される。ハーフミラー５４は、カメラ５６の受光軸に対し、４５°傾斜させて配置されている。
【００７６】
このようなアパーチャ５３２を照明光源５３の前方に配置すれば、撮影に不要な光を遮断し、照射光の光量を抑制することができる。このため、撮影画像にレンズフレアが生じるのを抑制することができる。特に、ＸＹスキャナ４７が浅い走査角度の場合に、照明光がテレセントリックレンズ４８で反射され、撮影画像にレンズフレアが生じるのを抑制することができる。
【００７７】
＜カメラモジュール５６０＞
図９は、図５のカメラモジュール５６０の一構成例を示した平面図であり、図１０は、図９のカメラモジュール５６０の側面図である。このカメラモジュール５６０は、カメラ５６及びレンズ鏡筒５６１からなる。
【００７８】
カメラ５６は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）などの撮像素子５６３が形成された回路基板５６２からなり、レンズ鏡筒５６１に着脱可能に取り付けられている。
【００７９】
レンズ鏡筒５６１は、カメラ取付部５６４、結像レンズ５６５及び波長選択フィルタ５６６を備え、取付面５６７が筐体フレーム６０に固定されている。カメラ取付部５６４は、カメラ５６と係合させるねじ込み式マウント部であり、カメラ５６の取付位置を調整することができる。結像レンズ５６５は、戻り光を撮像素子５６３に結像させるための受光光学系である。
【００８０】
波長選択フィルタ５６６は、外乱光が撮影画像に映り込むのを防止するための光学部材であり、カメラ５６の受光経路上に配置され、照明光源５３の照明光と略同一の波長を選択的に透過させる。すなわち、波長選択フィルタ５６６は、照明光にて照らされた加工対象物からの戻り光を選択的に通過させる。波長選択フィルタ５６６を用いて、照明光と略同一の波長からなる戻り光をカメラ５６に入射させるとともに、撮影に必要のない波長成分を除去することにより、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００８１】
高精度のレーザ加工を行うためには、レーザー光Ｌの波長について最適な光学特性が得られるように、マーカヘッド２１内の光学系を設計する必要がある。特に、テレセントリックレンズ４８は、レーザー光Ｌの波長に対し、色収差などの影響を抑制するように設計される。このため、レーザー光Ｌと略同一の波長からなる戻り光を撮影することにより、鮮明な撮影画像を得ることができる。また、外乱光による影響も抑制することができる。なお、波長選択フィルタ５６６は、少なくともレーザー光Ｌと略同一の波長を含む帯域を選択的に通過させるものであればよい。
【００８２】
また、波長選択フィルタ５６６を偏光ビームスプリッタ４６よりもカメラ５６側に配置することにより、偏光ビームスプリッタ４６よりもワークＷ側に配置する場合に比べて、レーザー光Ｌの出射強度が低下するのを抑制することができる。
【００８３】
＜カメラ用シャッタ５５＞
図１１及び図１２は、図５のカメラ用シャッタ５５の一構成例を示した図であり、図１１には、カメラ用シャッタ５５を閉じた状態が示され、図１２には、カメラ用シャッタ５５を開いた状態が示されている。
【００８４】
カメラ用シャッタ５５は、遮光板５５０、回転駆動部５５１及び位置検出部５５２により構成される。遮光板５５０は、レーザー光Ｌの光路を遮断する遮光手段であり、例えば金属板からなる。回転駆動部５５１は、遮光板５５０を回転させる駆動手段であり、例えば、ロータリーソレノイドが用いられる。この回転駆動部５５１が、遮光板５５０を回転させることにより、カメラ５６への入射光を開閉可能に遮断することができる。位置検出部５５２は、遮光板５５０の回転位置を検出する検出手段であり、例えば、遮光板５５０とともに回転する位置検出用突起５５３の位置を検出するフォトカプラからなる。
【００８５】
図１１には、カメラ撮影時以外のカメラ用シャッタ５５の状態が示されている。遮光板５５０により、レンズ鏡筒５６１の受光部を塞ぐことにより、カメラ５６の受光経路を遮断すれば、ワークＷからの戻り光がカメラ５６に入射することはない。
【００８６】
一方、図１２には、カメラ撮影時のカメラ用シャッタ５５の状態が示されている。図１１の状態から遮光板５５０を回動させ、レンズ鏡筒５６１の受光部を露出させることにより、カメラ５６の受光経路を開放すれば、ワークＷからの戻り光はカメラ５６に入射される。
【００８７】
＜撮影画像＞
図１３は、図２のカメラ５６による撮影画像の一例を示した図であり、図中の（ａ１）〜（ａ３）には、照明光源５３にアパーチャ５３２を用いることなく撮影された撮影画像が示され、（ｂ１）〜（ｂ３）には、アパーチャ５３２を用いて撮影された撮影画像が示されている。
【００８８】
照明光源５３から出射された照明光は、ハーフミラー５４及び偏光ビームスプリッタ４６を経由してＸＹスキャナ４７により反射され、テレセントリックレンズ４８に入射する。その際、テレセントリックレンズ４８に対する入射角度が浅いほど、テレセントリックレンズ４８を構成する光学レンズの表面で反射してカメラ５６の受光経路を遡る照明光の光量が増大し、撮影画像が白くなる。このような現象は、レンズフレアと呼ばれている。つまり、ＸＹスキャナ４７による走査角度が浅い場合、レンズフレアの影響により、撮影画像の輝度レベルが飽和し、白くなってしまう。
【００８９】
図中の（ａ１）及び（ｂ１）は、走査角度を０°とし、印字可能エリアの中央近傍を撮影した場合の撮影画像である。照明光源５３にアパーチャ５３２を用いてない（ａ１）の撮影画像は、レンズフレアの影響により画像全体が白くなっている。これに対し、アパーチャ５３２を用いた（ｂ１）の撮影画像は、レンズフレアの影響が低く抑えられており、ワークＷの表面状態を識別することができる。
【００９０】
図中の（ａ２）及び（ｂ２）は、走査角度を上限の半分程度とした場合の撮影画像である。（ａ１）及び（ｂ１）の場合に比べて、レンズフレアの影響は小さくなっている。また、図中の（ａ３）及び（ｂ３）は、走査角度を上限とし、印字可能エリアの外縁近傍を撮影した場合の撮影画像である。（ａ２）及び（ｂ２）の場合に比べて、レンズフレアの影響は更に小さくなっている。つまり、走査角度が浅いほど、レンズフレアの影響は顕著であるが、いずれの場合にも、アパーチャ５３２を用いて撮影した画像の方が、鮮明な撮影画像が得られることがわかる。
【００９１】
本実施の形態によれば、レーザー光Ｌと略同軸の光路を経由して、レーザー光と略同一の波長を含む照明光を加工対象物へ照射するとともに、加工対象物からの戻り光をカメラ５６で撮影することができる。このため、レーザー光の波長に対し最適化された光学系を利用して色収差などの影響を受けにくい鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００９２】
また、本実施の形態によれば、カメラ用シャッタ５５を用いて、加工対象物で反射されたレーザー光Ｌの戻り光を遮断することにより、レーザー光Ｌによるカメラ５６の破損を防止することができる。特に、カメラ用シャッタ５５を偏光ビームスプリッタ４６よりもカメラ５６側に配置することにより、加工対象物に照射されるレーザー光の強度が低下するのを抑制することができる。
【００９３】
また、本実施の形態によれば、カメラ５６の受光経路上にレーザー光と略同一の波長を選択的に通過させる波長選択フィルタ５６６を設けることにより、不要な波長がカメラに入射するのを防止し、レーザー光Ｌと略同一の波長の戻り光を撮影することができるので、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００９４】
また、本実施の形態によれば、テレセントリックレンズ４８を用いることにより、レーザー加工の精度を向上させることができるとともに、歪みの少ない撮影画像を得ることができる。
【００９５】
なお、本実施の形態では、ＳＨＧ型レーザー発振を用いる場合の例について説明したが、本発明によるこれに限定されない。例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）をドープしたファイバーを増幅器として用いるファイバーレーザーを用いたレーザー加工装置に対しても、本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００９６】
１ レーザーマーキングシステム
１０ 端末装置
２０ レーザーマーカ
２１ マーカヘッド
２２ マーカコントローラ
２３ 光ファイバー
４１ レーザー発振器
４２ ビームサンプラー
４３ 発振器用シャッタ
４４ ミキシングミラー
４５ Ｚスキャナ
４６ 偏光ビームスプリッタ
４７ ＸＹスキャナ
４８ テレセントリックレンズ
５１ パワーモニタ
５２ ガイド光源
５３ 照明光源
５３０ 照明モジュール
５３１ ヒートシンク
５３２ アパーチャ
５４ ハーフミラー
５５ カメラ用シャッタ
５６ カメラ
６０ 筐体フレーム
６１ 仕切り板
６２，６３ 収容部
５３３ 集光レンズ
５５０ 遮光板
５５１ 回転駆動部
５５２ 位置検出部
５５３ 位置検出用突起
５６０ カメラモジュール
５６１ レンズ鏡筒
５６２ 回路基板
５６３ 撮像素子
５６４ カメラ取付部
５６５ 結像レンズ
５６６ 波長選択フィルタ
Ｌ レーザー光
Ｗ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物を加工するためのレーザー光を生成するレーザー生成器と、
上記加工対象物を撮影するためのカメラと、
上記カメラの受光軸を上記レーザー光の出射軸と略一致させるカメラ用光学スプリッタと、
上記レーザー光の出射軸と略一致する出射軸を有し、上記レーザー光と略同一の波長を含む照明光を生成する照明光源と、
上記カメラ用光学スプリッタよりも上記カメラ側に配置され、上記加工対象物からの戻り光を開閉可能に遮断するカメラ用シャッタとを備えたことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
上記カメラの受光経路上に配置され、上記照明光と略同一の波長を選択的に通過させる波長選択部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
上記加工対象物に対し上記レーザー光の出射光軸を走査させるスキャナを備え、
上記カメラ用光学スプリッタが、上記スキャナよりも上記レーザー生成器側に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
上記スキャナよりも上記加工対象物側に配置され、上記レーザー光の入射角にかかわらず、上記レーザー光の出射角を一定にするテレセントリックレンズを備えたことを特徴とする請求項３に記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
上記カメラ用光学スプリッタよりも上記カメラ側に配置され、上記照明光源の出射軸を上記カメラの受光軸と略一致させる照明用光学スプリッタを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項６】
上記照明用光学スプリッタは、上記加工対象物からの戻り光を上記カメラへ透過させ、上記照明光源からの照明光を上記カメラ用光学スプリッタへ反射させることを特徴とする請求項５に記載のレーザー加工装置。
【請求項７】
上記照明用光学スプリッタよりも上記照明光源側に配置され、出射軸近傍の上記照明光を選択的に透過させる光学絞りを備えたことを特徴とする請求項６に記載のレーザー加工装置。
【請求項１】
加工対象物を加工するためのレーザー光を生成するレーザー生成器と、
上記加工対象物を撮影するためのカメラと、
上記カメラの受光軸を上記レーザー光の出射軸と略一致させるカメラ用光学スプリッタと、
上記レーザー光の出射軸と略一致する出射軸を有し、上記レーザー光と略同一の波長を含む照明光を生成する照明光源と、
上記カメラ用光学スプリッタよりも上記カメラ側に配置され、上記加工対象物からの戻り光を開閉可能に遮断するカメラ用シャッタとを備えたことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
上記カメラの受光経路上に配置され、上記照明光と略同一の波長を選択的に通過させる波長選択部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
上記加工対象物に対し上記レーザー光の出射光軸を走査させるスキャナを備え、
上記カメラ用光学スプリッタが、上記スキャナよりも上記レーザー生成器側に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
上記スキャナよりも上記加工対象物側に配置され、上記レーザー光の入射角にかかわらず、上記レーザー光の出射角を一定にするテレセントリックレンズを備えたことを特徴とする請求項３に記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
上記カメラ用光学スプリッタよりも上記カメラ側に配置され、上記照明光源の出射軸を上記カメラの受光軸と略一致させる照明用光学スプリッタを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項６】
上記照明用光学スプリッタは、上記加工対象物からの戻り光を上記カメラへ透過させ、上記照明光源からの照明光を上記カメラ用光学スプリッタへ反射させることを特徴とする請求項５に記載のレーザー加工装置。
【請求項７】
上記照明用光学スプリッタよりも上記照明光源側に配置され、出射軸近傍の上記照明光を選択的に透過させる光学絞りを備えたことを特徴とする請求項６に記載のレーザー加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１４８３１６（Ｐ２０１２−１４８３１６Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９０２２（Ｐ２０１１−９０２２）
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
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