JP2017192983A - レーザ加工機、及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工中のワークの高品質な撮像画像を取得可能にする。【解決手段】レーザ加工機（１）は、加工用レーザ（Ｌ１）を発するレーザ発振器（４）と、加工用レーザをワーク（Ｗ）に照射する照射光学系（１５）と、複数のレーザ素子がアレイ状に配置され、複数のレーザ素子の出力によって照明用レーザ（Ｌ２）を発するレーザアレイ（５）と、照明用レーザによりワークを照明する照明光学系（２５）と、照明用レーザにより照明されるワークを撮像する撮像部（６）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工機、及びレーザ加工方法に関する。

レーザ加工機は、ワークの切断、溶接などに利用されている。レーザ加工機において、ワークの加工品質を向上させる等の観点で、加工中のワークを撮像した撮像画像から加工状態を把握する技術がある。このとき、レーザ加工に伴いワークから発する強い光（金属の溶融による発光、金属の蒸発に伴うプラズマ光等）が、外乱光としてカメラに入射すると、その外乱光が画像上のノイズとなり、加工状態が高精度に把握することが難しくなる。このため、カメラの照明光源の照度は、その外乱光に比較して相対的に明るいことが望ましい。

ところが、光学系を介して照明光源の照明光でワークを照明する場合には、光学系の光路に沿うように平行度を高くして（直進性を良くして）、光路中の損失を減らすことが求められる。一般的に、平行度の高い光線を得るためには、照明光源には、発光面積の小さいことと、発散角が狭いことが求められる。以上の条件を満たす照明光源としてレーザ光源が考えられる。

しかしながら、レーザ光は、コヒーレント光（可干渉性が強い光）であることから、光学系（各光学部材）の表面の反射又はワークの表面の反射に伴い、干渉縞又はスペックルパターンが撮影時に観察される場合がある。この干渉縞又はスペックルパターンは、撮影画像のノイズとなり、加工状態の把握に悪影響を及ぼす恐れがある。この点に関連する技術として、加工中のワークを撮像する際の照明にインコヒーレント照明を用いる技術が提案されている（下記の特許文献１参照）。特許文献１には、照明に用いる光源の１つとしてレーザ光源が挙げられており、レーザ光のコヒーレンスを下げる手法として、複数の異なるレーザ光を重畳することが挙げられている。

特表２０１３‐５２８４９５号公報

しかし、特許文献１では、複数のレーザ光を重畳する具体的な手法まで検討されておらず、例えば、複数のレーザ発振器からのレーザ光を光ファイバに入光させ、複数の光ファイバを束ねて混合しようとすると、装置構成が複雑化或いは大型化し、装置コストの高騰等を招いてしまう。本発明は、上述の事情に鑑みなされたものであり、省スペースな構成で、加工対象のワークの高品質な撮像画像を取得可能にすることを目的とする。

本発明のレーザ加工機は、加工用レーザを発するレーザ発振器と、加工用レーザをワークに照射する照射光学系と、複数のレーザ素子がアレイ状に配置され、複数のレーザ素子の出力によって照明用レーザを発するレーザアレイと、レーザアレイが発する照明用レーザによりワークを照明する照明光学系と、照明光学系が照明用レーザにより照明するワークを撮像する撮像部と、を備える。本発明のレーザ加工機は、加工用レーザを発するレーザ発振器と、加工用レーザをワークに照射する照射光学系と、複数の垂直共振器面発光型レーザが配列され照明用レーザを発するレーザアレイと、照明用レーザによりワークを照明する照明光学系と、照明用レーザにより照射されるワークを撮像する撮像部と、を備えてもよい。

本発明のレーザ加工方法は、加工用レーザを発することと、加工用レーザをワークに照射することと、複数のレーザ素子がアレイ状に配置されたレーザアレイから、複数のレーザ素子の出力によって照明用レーザを発することと、照明用レーザによりワークを照明することと、照明用レーザにより照明されているワークを撮像することと、を含む。本発明のレーザ加工方法は、加工用レーザを発することと、加工用レーザをワークに照射することと、複数の垂直共振器面発光型レーザが配列されたレーザアレイから照明用レーザを発することと、照明用レーザによりワークを照明することと、照明用レーザにより照明されるワークを撮像することと、を含んでもよい。

また、レーザアレイは、レーザアレイが発する照明用レーザが照明光学系を経由して結像する焦点がワーク表面と異なる位置に配置されるものでもよい。また、照明光学系の光軸方向において、レーザアレイと照明光学系との相対的な位置関係を変更可能な位置変更部を備えるものでもよい。また、照明光学系は、レーザアレイから照明用レーザが入射するコリメータと、コリメータから照明用レーザが入射する集光レンズと、を備え、位置変更部は、レーザアレイとコリメータとの相対的な位置関係を変更可能であるものでもよい。また、レーザアレイとワークとの間の光路に配置される拡散部材を備えるものでもよい。また、拡散部材は、レーザアレイと照明光学系との間の光路に配置されるものでもよい。また、拡散部材と照明光学系との間の光路に配置される絞り部材を備えるものでもよい。また、レーザアレイを駆動する駆動部と、レーザアレイとに接触する放熱部材を備えるものでもよい。また、駆動部とレーザアレイとは、放熱部材を挟むように配置され、放熱部材を貫通する穴を経由する配線によって電気的に接続されるものでもよい。また、レーザアレイはパルス駆動され、撮像部は、レーザアレイのパルス駆動と同期して撮像を実行するものでもよい。また、照射光学系が内部に格納される加工ヘッドと、レーザアレイ及び照明光学系が内部に格納される照明ユニットと、を備え、照明ユニットは、加工ヘッドに対して着脱自在に接続されるものでもよい。また、照明光学系を経由して照明用レーザが出射すると共に照射光学系を経由して加工用レーザが出射する出射口が形成されるノズルを備え、レーザアレイのサイズと、照明光学系の光学倍率とによって定まるレーザアレイの投影領域が、ノズルの出射口領域を内包するように、レーザアレイ及び照明光学系が構成されるものでもよい。また、レーザアレイにおいて、複数のレーザ素子は２次元的に配列されてもよい。また、レーザアレイにおいて、複数のレーザ素子はそれぞれ垂直共振器面発光型レーザ素子であってもよい。また、照明光学系を経由して照明用レーザがワークに向けて出射する出射口が形成されるノズルを備え、レーザアレイは、焦点がワークの表面よりもノズルと同じ側に位置する状態で、配置されてもよい。また、ノズルを含む加工ヘッドを備え、レーザアレイは、焦点が加工ヘッドの内部に収まる位置に配置されてもよい。

本発明によれば、複数の垂直共振器面発光型レーザが配列されたレーザアレイを照明光源としているので、照明光のコヒーレンス（可干渉性）が低下し、スペックルパターン等が撮像画像に写りこむことが抑制されると共に、照明光源をコンパクトに構成できる。また、レーザ光源の利点でもある平行度の高い光線によって、光路中の損失が抑制され、ワーク表面において十分な照度を確保できる。従って、省スペースな構成で、加工対象のワークに対して高品質な撮像画像を取得可能である。

また、レーザアレイは、レーザアレイが発する照明用レーザが照明光学系を経由して結像する焦点がワーク表面と異なる位置に配置されるものでは、焦点において、複数の垂直共振器面発光型レーザのそれぞれからのレーザ光のスポットがデフォーカスによって広がり、スポットの一部が隣のスポットと重なることによって照度の均一性が向上する。また、照明光学系の光軸方向において、レーザアレイと照明光学系との相対的な位置関係を変更可能な位置変更部を備えるものでは、デフォーカス量を調整可能であるので、照明光学系の焦点における照度の均一性を調整可能である。また、照射光学系は、レーザ発振器から加工用レーザが入射するコリメータと、コリメータから加工用レーザが入射する集光レンズと、を備え、位置変更部は、レーザアレイとコリメータとの相対的な位置関係を変更可能であるものでは、レーザアレイとコリメータとの相対的な移動によってデフォーカス量を調整することができるので、例えば、集光レンズの位置と独立してデフォーカス量を調整することができる。また、レーザアレイとワークとの間の光路に配置される拡散部材を備えるものでは、複数の垂直共振器面発光型レーザのそれぞれからのレーザ光を拡散部材によって広げることができ、照明光学系の焦点において、垂直共振器面発光型レーザからのレーザ光によるスポットの一部が隣のスポットと重なることによって照度の均一性が向上する。また、拡散部材は、レーザアレイと照明光学系との間の光路に配置されるものでは、照明光学系に対する入射側に拡散部材が配置されるので、例えば、加工用レーザの光路あるいはワークから撮像部へ向かう光の光路と拡散部材との干渉をなくすことができる。また、拡散部材と照明光学系との間の光路に配置される絞り部材を備えるものでは、拡散部材により広がった照明用レーザの一部を絞り部材で遮ることができ、広がった照明用レーザによって迷光が発生することを抑制することができる。また、レーザアレイを駆動する駆動部と、レーザアレイとに接触する放熱部材を備えるものでは、駆動部とレーザアレイとで放熱部材を共用することができ、例えば、部品点数を減らすこと、駆動部とレーザアレイとを省スペースで配置することができる。また、駆動部とレーザアレイとは、放熱部材を挟むように配置され、放熱部材を貫通する穴を経由する配線によって電気的に接続されるものでは、駆動部とレーザアレイとの配線を短くすることができ、例えば、配線での電力の損失を減らすことができる。また、複レーザアレイはパルス駆動され、撮像部は、撮像部は、レーザアレイのパルス駆動と同期して撮像を実行するものでは、レーザアレイが連続発振する場合と比較して、例えば、レーザアレイでの消費電力、発熱量を減らすことができる。また、レーザアレイでの消費電力、発熱量を維持しつつ、レーザアレイの駆動電流を増加させることで、ワーク上での照度を向上させることもできる。また、１フレームの撮像において撮像部がワークからの光を受光する時間が短くなり、ワークと撮像部とが相対的に移動する際のブレを減らすことができる。また、照射光学系が内部に格納される加工ヘッドと、レーザアレイ及び照明光学系が内部に格納される照明ユニットと、を備え、照明ユニットは、加工ヘッドに対して着脱自在に接続されるものでは、例えば、照明ユニットを経年劣化あるい照明条件等に応じて交換することが可能である。また、複数の垂直共振器面発光型レーザを備えるレーザアレイを用いることで、照明ユニットをコンパクトあるいは軽量にすることができるので、照明ユニットの着脱が容易である。また、照明光学系を経由して照明用レーザが出射すると共に照射光学系を経由して加工用レーザが出射する出射口が形成されるノズルを備え、レーザアレイのサイズと、照明光学系の光学倍率とによって定まるレーザアレイの投影領域が、ノズルの出射口領域を内包するように、レーザアレイ及び照明光学系が構成されるものでは、例えば、レーザアレイ、照明光学系、あるいは照射光学系の位置ずれによって照明用レーザの光軸と加工用レーザの光軸とがずれていても、ワークにおいて観察したい位置を照明用レーザで照明できる。また、レーザアレイにおいて、複数のレーザ素子は２次元的に配列される場合、平面状の広がりを持った範囲で照明できる。また、レーザアレイにおいて、複数のレーザ素子はそれぞれ垂直共振器面発光型レーザ素子である場合、垂直共振器面発光型レーザが高密度にアレイ化できるため、省スペースかつ高い照度でワークを照明でき、高品質な撮像画像を取得可能である。また、ワークの表面とノズルとの距離関係は、例えばワークの加工条件等によって変動することがある。焦点がワークの表面よりもノズルと同じ側に位置する状態においては、例えばワークの表面とノズルとの距離関係が変動した場合でも、ワークの表面からデフォーカスできる。また、焦点が加工ヘッドの内部に収まる位置に配置される構成においては、ワークの表面とノズルとの距離関係が変動した場合でも、ワークの表面から確実にデフォーカスできる。

第１実施形態に係るレーザ加工機を示す図である。 レーザアレイおよび垂直共振器面発光型レーザを示す図である。 照明光学系の光学倍率に関する説明図である。 波長選択フィルタの特性を示す図である。 第１実施形態に係るレーザアレイ、照明光学系の一部、及び放熱部材を示す図である。 制御部および画像処理部の動作を示すシーケンス図である。 第２実施形態に係るレーザアレイ、照明光学系の一部、及び放熱部材を示す図である。 第３実施形態に係るレーザアレイ、照明光学系の一部、及び放熱部材を示す図である。 第４実施形態に係る照明用レーザの焦点を示す図である。

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の各図において、ＸＹＺ座標系を用いて図中の方向を説明する。このＸＹＺ座標系においては、鉛直方向をＺ方向とし、水平方向をＸ方向、Ｙ方向とする。また、各方向（例、Ｘ方向）において、矢印の向きを＋側（例、＋Ｘ側）と称し、その反対側を−側（例、−Ｘ側）と称する。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工機１を示す図である。レーザ加工機１は、加工ヘッド２、ヘッド駆動部３、レーザ発振器４、レーザアレイ５、撮像部６、画像処理部８、制御部９、及び記憶部１０を備える。レーザ加工機１は、例えば数値制御によって、ワークＷに対して切断加工を施す。制御部９は、例えば数値制御プログラムに従って、レーザ加工機１の各部を包括的に制御する。

加工ヘッド２は、ノズル１１を有し、加工用レーザＬ１および照明用レーザＬ２は、ノズル１１に形成される出射口（ノズル１１に貫通されている貫通孔）の内側を通して、ワークＷに向けて照射される。加工ヘッド２は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の各方向において、ワークＷと相対的に移動可能に設けられる。ヘッド駆動部３は、移動部１２および光学系駆動部１３を備える。ヘッド駆動部３は、制御部９に制御され、移動部１２によって加工ヘッド２をＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の各方向に移動させる。また、ヘッド駆動部３は、制御部９に制御され、ノズル１１から照射される光の焦点を光学系駆動部１３によって調整する。レーザ加工機１は、加工ヘッド２をワークＷに対して相対的に移動させながら、加工ヘッド２のノズル１１から加工用レーザＬ１をワークＷに照射することで、切断加工を行う。

レーザ発振器４は、加工用レーザＬ１として、例えば赤外レーザ光を発生する。加工ヘッド２の内部には、照射光学系１５が設けられ、照射光学系１５は、レーザ発振器４で発生した加工用レーザＬ１を、ワークＷに向けて案内することにより、ノズル１１の出射口を通してワークＷに照射する。照射光学系１５は、光ファイバ１６、コリメータ１７、ビームスプリッタ１８、及び集光レンズ１９を備える。光ファイバ１６は、その一端（光入射側の端部）がレーザ発振器４と接続され、その他端（光出射側の端部）が加工ヘッド２に接続される。レーザ発振器４からの加工用レーザＬ１は、光ファイバ１６を介して加工ヘッド２に導入される。

コリメータ１７は、レーザ発振器４からの加工用レーザＬ１を平行光に変換するか、もしくは平行光に近づける。コリメータ１７は、例えば、その物体側（光入射側）の焦点（後述する照明側焦点）が光ファイバ１６の光出射側の端部の位置と一致するように配置される。ビームスプリッタ１８は、コリメータ１７を通った加工用レーザＬ１が入射する位置に配置される。ビームスプリッタ１８は、加工用レーザＬ１が反射し、かつ照明用レーザＬ２（後述する）が透過する特性を有する波長選択ミラー（例、ダイクロイックミラー）である。ビームスプリッタ１８は、コリメータ１７の光軸１７ａに対して、約４５°の角度で傾斜している。ビームスプリッタ１８は、＋Ｚ側に向かうにつれて＋Ｘ側に向かうように傾いている。

集光レンズ１９は、ビームスプリッタ１８からの加工用レーザＬ１が入射する位置に配置される。コリメータ１７を通った加工用レーザＬ１は、ビームスプリッタ１８で反射して光路がＸ方向からＺ方向（−Ｚ側）へ約９０°折れ曲がり、集光レンズ１９に入射する。集光レンズ１９は、コリメータ１７からの加工用レーザＬ１を集光する。ヘッド駆動部３の光学系駆動部１３は、例えば集光レンズ１９を、集光レンズ１９の光軸１９ａに沿って移動させることで、照射光学系１５のワーク側の焦点（後述するワーク側焦点）を調整可能である。ワークＷの表面における加工用レーザＬ１のスポット径は、照射光学系１５の焦点がワークＷの表面から離れるほど（デフォーカス量が大きいほど）、大きくなる。ワークＷの表面における加工用レーザＬ１のスポット径が変化すると、加工用レーザＬ１によって形成されるワークＷ上の切断溝の幅（カーフ幅、切断幅）が変化する。

実施形態に係るレーザ加工機１は、ワークＷを照明用レーザＬ２で照明しながら、ワークＷを撮像することによって、加工状態に関する情報を取得可能である。レーザアレイ５は、照明用レーザＬ２として、加工用レーザＬ１と異なる波長の光を発する。また、レーザアレイ５は、後述する照明光学系２５の一部（コリメータ２６等）と共に、照明ユニット２８として構成される（照明ユニット２８の筐体内に格納される）。照明ユニット２８は、加工ヘッド２に着脱自在に接続される。これにより、照明ユニット２８を加工ヘッド２に接続する場合に、従来の半導体レーザと比較して軽量化された照明光源（レーザアレイ５）を含んだユニット構成であるため、持ち運びの負担が軽減される。

図２（Ａ）はレーザアレイ５の外観を示す図であり、図２（Ｂ）は垂直共振器面発光型レーザの構造を概略して示す図である。図２（Ａ）に示すように、レーザアレイ５は、アレイ状に配置（配列）された複数のレーザ素子２１を備える。レーザアレイ５は、複数のレーザ素子２１の出力によって、照明用レーザＬ２を発する。複数のレーザ素子２１は、それぞれ垂直共振器面発光型レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER、以下ＶＣＳＥＬという）である。以下、レーザ素子２１を適宜ＶＣＳＥＬ２１という。複数のＶＣＳＥＬ２１は、ＹＺ面に平行な面に２次元的に（二次元状で）配置されている。複数のＶＣＳＥＬ２１は、図２（Ａ）のように概ね円形の領域に配置されるが、矩形状あるいはライン状に配列されてもよく、その配列パターンは任意である。レーザアレイ５が備えるＶＣＳＥＬ２１の数は任意であるが、例えば、１ｍｍ×１ｍｍのチップに５１２個のＶＣＳＥＬ２１が配列されたものがある。また、ＶＣＳＥＬは、端面発光型レーザと比較して、高密度にアレイ化することが容易であり、半導体製造工程における素子分離前にウエハ上でテストできるため、劈開しないでも半導体レーザを製造でき、低コスト化できる。なお、垂直共振器面発光型レーザ素子は、当該レーザ素子が実装される基板面に直交する方向にレーザを出射する。端面発光型レーザ素子は、当該レーザ素子が実装される基板面に対して平行する方向にレーザを出射する。

図２（Ｂ）に示すようにＶＣＳＥＬ２１は、一対の共振ミラー２２ａ、２２ｂと、一対の共振ミラー２２ａ、２２ｂの間に配置される発光層２３とを備える。一対の共振ミラー２２ａ、２２ｂのうち、アパーチャ（光出射開口）側の共振ミラー２２ａは、所定波長の光を反射する特性を有する。発光層２３の各部は、駆動電力が供給されることで励起状態となり、基底状態に戻る際に光を発する。発光層２３で発生した光のうち上記の所定波長の光は、一対の共振ミラー２２ａ、２２ｂのそれぞれで反射することにより、一対の共振ミラー２２ａ、２２ｂの間を何度も往復する。これにより、発光層２３において誘導放出が発生し、そのゲインが１を超えることでレーザ発振する。共振ミラー２２ａの所定波長の光に対する反射率は、ゲインが１を超える範囲内で反射率が１００％未満となるように設定され、レーザ発振によって生じた所定波長の照明用レーザＬ２の一部は、共振ミラー２２ａを通って、アパーチャから外部へ出射する。

複数のＶＣＳＥＬ２１のそれぞれから出射するレーザ光Ｌ２ａの位相は、ＶＣＳＥＬ２１ごとに揃っているが、他のＶＣＳＥＬ２１に対してはランダムであり、一般的に他のＶＣＳＥＬ２１の位相とずれている。すなわち、複数のＶＣＳＥＬ２１から出射する全体の照明用レーザＬ２は、レーザアレイ５に設けられるＶＣＳＥＬ２１の数に応じた分散を有しており、単一のレーザ素子から出射するレーザ光と比較して、コヒーレンス（可干渉性）が低い。また、複数のＶＣＳＥＬ２１のそれぞれから出射するレーザ光Ｌ２ａの波長は、一対の共振ミラー２２ａ、２２ｂとの間の光学的距離、発光層２３の組成などに依存する。上記の光学的距離、発光層２３の組成等は、設計上の値が複数のＶＣＳＥＬ２１で同一であっても製造誤差などによりばらつきを有する。そのため、複数のＶＣＳＥＬ２１から出射する全体の照明用レーザＬ２は、単一のレーザ素子から出射するレーザ光と比較して、波長幅（例、半値幅）が広く、コヒーレンスが低い。

図１の説明に戻り、加工ヘッド２の内部には、照明光学系２５が設けられ、照明光学系２５は、レーザアレイ５で発生した照明用レーザＬ２でワークＷを照明する（照明用レーザＬ２を、ワークＷに向けて案内することにより、ノズル１１の出射口を通してワークＷに照射する）。照明光学系２５は、コリメータ２６、ハーフミラー２７、ビームスプリッタ１８、及び集光レンズ１９を備える。ここでは、照明光学系２５は、ビームスプリッタ１８および集光レンズ１９が照射光学系１５と共用であり、集光レンズ１９を介して落射照明する。照明光学系２５の光出射側の光軸（集光レンズ１９の光軸１９ａ）は、照射光学系１５の出射側の光軸（集光レンズ１９の光軸１９ａ）と同軸であり、照明用レーザＬ２は、加工用レーザＬ１と同じ光路を通ってワークＷに照射される。また、照明光学系２５は、物体側の焦点（以下、照明側焦点と称する）と、照明側焦点から発した光が照明光学系２５を介して集光する像側の焦点（以下、ワーク側焦点と称する）を有し、これらの焦点は光学的に共役な位置関係にある。よって、例えば、ワーク側焦点をワークＷの表面に定め、対応する照明側焦点の位置に光源を配置することにより、照明光学系２５を介してワークＷの表面に集光できる。

コリメータ２６は、レーザアレイ５から照明用レーザＬ２が入射する位置に配置される。コリメータ２６は、レーザアレイ５からの照明用レーザＬ２を平行光に変換するか、もしくは平行光に近づける。照明光学系２５のワーク側焦点をワークの対象位置に合わせる場合、コリメータ２６は、例えば、その照明側焦点がレーザアレイ５（図２のＶＣＳＥＬ２１）の位置と一致するように配置される。

ハーフミラー２７は、コリメータ２６を通った照明用レーザＬ２が入射する位置に配置される。ハーフミラー２７は、照明用レーザＬ２の一部が反射し、一部が透過する特性を有する反射透過部材である。ハーフミラー２７は、例えば、照明用レーザＬ２のうち透過光の比率が約５０％となり、反射光が約５０％となるように、設定される。ハーフミラー２７は、コリメータ２６の光軸２６ａに対して、約４５°の角度で傾斜している。ハーフミラー２７は、＋Ｚ側に向かうにつれて−Ｘ側に向かうように傾いている。

コリメータ２６を通った照明用レーザＬ２の一部は、ハーフミラー２７で反射して光路がＸ方向からＺ方向（−Ｚ側）へ約９０°折れ曲がり、ビームスプリッタ１８に入射する。上述のようにハーフミラー２７は、集光レンズ１９の光軸に対して一方向（例、＋Ｚ側に向かうにつれて−Ｘ側へ向かう方向）に傾いており、ビームスプリッタ１８（波長選択ミラー）は、集光レンズ１９の光軸に対してハーフミラー２７が傾斜する方向と反対の方向（例、＋Ｚ側に向かうにつれて＋Ｘ側に向かう方向）に傾いている。ビームスプリッタ１８およびハーフミラー２７を透過する光は、ビームスプリッタ１８での屈折により光路がシフトし、ハーフミラー２７での屈折により光路がシフトする。ビームスプリッタ１８およびハーフミラー２７との間で光軸１９ａに対する傾きが互いに反対である場合、ハーフミラー２７での光路のシフトによって、ビームスプリッタ１８での光路のシフトの少なくとも一部を相殺することができる。

集光レンズ１９は、ビームスプリッタ１８から照明用レーザＬ２が入射する位置に配置される。集光レンズ１９は、ビームスプリッタ１８からの加工用レーザＬ１を集光する。ワークＷ上において照明用レーザＬ２が照射される照明領域は、ワークＷ上において加工用レーザＬ１が照射される照射領域を含むように、設定される。また、レーザアレイ５のサイズ及び照明光学系２５の光学倍率に基づき定まるレーザアレイ５の照明する領域（以下、投影領域と称する）は、ノズル１１の出射口の全域（照明用レーザＬ２の出射方向に直交する断面の全域）を内包するように設定されるように、レーザアレイ５及び照明光学系２５が構成される。

図３は、照明光学系の光学倍率に関する説明図である。上記投影領域のサイズＤ２は、レーザアレイ５のサイズＤ１（ＶＣＳＥＬ２１が配列される領域のサイズ）、コリメータ２６の焦点距離ｆ１、及び集光レンズ１９の焦点距離ｆ２に依存し、以下の式（１）で決定される。また、式（１）において、光学倍率はｆ２／ｆ１である。
Ｄ２≒（ｆ２／ｆ１）×Ｄ１ ・・・（１）
このため、Ｄ２がＤ１より大きい場合に、Ｄ１やｆ１を設定することによって、レーザアレイ５の位置決め等の機械的誤差（位置ずれ）、或いは、ビームスプリッタ１８の光軸のシフトがあっても、ワークＷの観察したい部位を照明用レーザＬ２で照明できる。図３（Ｂ）には、照明光学系２５の光学倍率を変更した際の投影領域ＰＲ１〜ＰＲ５とノズル１１の出射口領域ＡＰとの関係を示した。なお、照明光学系２５の光学倍率は、例えば、異なるｆ１のコリメータ２６を選定することで変更される。投影領域ＰＲ１〜ＰＲ５のうち、投影領域ＰＲ１は光学倍率が最も低倍率であり、ＰＲ２、ＰＲ３、ＰＲ４、ＰＲ５の順に光学倍率が高倍率である。一方で、Ｄ２を大きくするために、ｆ１を小さく設定し過ぎると、照明ムラが大きくなり、ワークＷの観察に悪影響を及ぼす。また、Ｄ２を大きくするために、Ｄ１を大きく設定し過ぎると、駆動電流の増大によりエネルギー効率が低下する。従って、ｆ２に応じた適切なｆ１、Ｄ１を選択することが望ましい。なお、ノズル１１の出射口ではなく、例えばワークの観察部位自体を上記投影領域の包含関係の基準としてもよい。この場合には、経験則も踏まえてワークの観察部位のサイズを定め、上記投影領域がカバーできるようにすればよい。

撮像部６は、撮像光学系３１および撮像素子３２を備える。撮像部６は、照明用レーザＬ２の照明によりワークＷから放射される光を、撮像光学系３１を介して撮像素子３２によって検出する。撮像光学系３１は、集光レンズ１９、ビームスプリッタ１８、ハーフミラー２７、波長選択フィルタ３３、及び結像レンズ３４を備える。撮像光学系３１は、集光レンズ１９、ビームスプリッタ１８、及びハーフミラー２７が照明光学系２５と共用であり、撮像部６の撮像画像を用いると照明光学系２５と同軸でワークを観察することが可能である。

ワークＷからの光（以下）、戻り光という）は、集光レンズ１９を通ってビームスプリッタ１８に入射する。戻り光は、例えば、照明用レーザＬ２のうちワークＷで反射散乱した光、及び加工用レーザＬ１のうちワークＷで反射した光を含む。ビームスプリッタ１８に入射した戻り光のうち照明用レーザＬ２に由来する光は、ビームスプリッタ１８を通って、ハーフミラー２７に入射する。また、ビームスプリッタ１８に入射した戻り光のうち加工用レーザＬ１に由来する光は、ビームスプリッタ１８で反射し、ビームスプリッタ１８からハーフミラー２７に向かう光路から除かれる。

なお、加工用レーザＬ１の照射によってワークＷが溶融した溶融金属がワークＷの表面などに存在する場合、戻り光は、溶融金属から放射される赤色から近赤外の波長帯の光を含む。また、加工用レーザＬ１の照射によるワークＷの溶融・蒸発に伴いプラズマが発生した場合、戻り光は青色から紫外の波長帯の光を含む。溶融金属あるいはプラズマに起因する光のうち、加工用レーザＬ１と異なる波長の光は、ビームスプリッタ１８を通って、ハーフミラー２７に入射する。

ハーフミラー２７に入射した戻り光は、その一部がハーフミラー２７を通って波長選択フィルタ３３に入射し、その一部がハーフミラー２７で反射する。波長選択フィルタ３３は、照明用レーザＬ２の照明によりワークＷで反射される第１波長帯の光を反射する特性を有する。また、波長選択フィルタ３３は、加工用レーザＬ１の照射によりワークＷから放射される第２波長帯の光を透過する特性を有する。波長選択フィルタ３３は、例えばダイクロイックミラー或いはノッチフィルターである。なお、透過した第２波長帯の光を、例えば、光量センサ等の別途の検出手段によって検出し、カーフ幅とは異なる点で加工状態を計測してもよい。

図４は、波長選択フィルタ３３の特性を示す図である。図４において、横軸は波長であり、縦軸は、波長選択フィルタ３３の各波長に対する透過率である。波長選択フィルタ３３の反射波長帯Ｒ１（第１波長帯）は、例えば、照明用レーザＬ２の波長に対する光強度の分布において最大となる波長を含む狭帯域に設定される。

図１の説明に戻り、上記戻り光のうち、照明用レーザＬ２に由来する光は、波長選択フィルタ３３で反射し、結像レンズ３４に入射する。これにより、上記戻り光に含まれる上記外乱光を遮断できるので、画像のＳ／Ｎ比が向上する。結像レンズ３４は、波長選択フィルタ３３で反射した光を撮像素子３２に集光する。結像レンズ３４および集光レンズ１９は、ワークＷの像を撮像素子３２に投影する。

撮像素子３２は、例えばＣＣＤあるいはＣＭＯＳのイメージセンサが用いられ、撮像光学系３１が形成した像を撮像する。撮像素子３２には二次元的に配列された複数の画素が設けられ、各画素にはフォトダイオードなどの受光素子が設けられる。撮像素子３２は、受光素子に光が入射することにより各画素に発生する電荷（信号）を順に読出し、この信号を増幅、Ａ／Ｄ変換して画像形式に配列することで、撮像画像のデジタルデータ（以下、撮像画像データという）を生成する。撮像素子３２は、生成した撮像画像データを画像処理部８に出力する。

ここでは、撮像素子３２は、アライメント装置３５に保持されており、アライメント装置３５によって撮像光学系３１に対する位置を調整可能である。例えば、結像レンズ３４の光軸３４ａと平行な方向（Ｘ方向）において撮像光学系３１の焦点（像面の位置）が撮像素子からずれた場合、アライメント装置３５によって撮像素子３２を移動させることで、撮像素子３２の位置を撮像光学系３１の焦点に合わせることができる。

画像処理部８は、撮像素子３２と有線または無線によって通信可能に接続される。画像処理部８は、撮像素子３２の撮像結果（撮像画像データ）を処理する。ここでは、画像処理部８は、撮像素子３２の制御部を兼ねている。画像処理部８は、制御部９と有線または無線によって通信可能に接続され、制御部９から撮像を実行する旨の指令を受け取る。画像処理部８は、制御部９からの指令に応じて、撮像素子３２に撮像を実行させる。また、画像処理部８は、撮像素子３２から撮像画像データを取得し、撮像画像データを用いた画像処理によって加工状態に関する情報を生成する。例えば、画像処理部８は、加工用レーザＬ１を用いた切断加工におけるカーフ幅を測定し、その測定結果を加工状態に関する情報として制御部９に供給する。画像処理部８は、例えば、カーフ幅を検出する際に、撮像素子３２が撮像した画像を処理し、レーザ加工による切断溝のエッジに相当するエッジの位置を検出した後、画像上のエッジ間の距離（例、ピクセル単位）を実スケールの距離（例、ｍｍ単位）に変換する。

本実施形態においては、照明用レーザＬ２の光源として複数のＶＣＳＥＬ２１（図２参照）が配列されたレーザアレイ５を用いるので、照明用レーザＬ２のコヒーレンスが低下しており、撮像素子３２による撮像画像に干渉縞、スペックルパターンが写り込むことが低減される。そのため、画像処理部８は、撮像画像を用いた画像処理によって、加工状態に関する情報（例、カーフ幅）を高精度に検出することができる。

ところで、ＶＣＳＥＬ２１においては、単位面積あたりの照度が高く、出射光が狭いため（高い平行度を有するため）、図２に示したように、複数のＶＣＳＥＬ２１が配列されることによって、レーザアレイ５において照明用レーザＬ２が出射する端面では、光の強度分布は、各ＶＣＳＥＬ２１の位置ごとに極大を有する不均一な分布になる。そのため、照明光学系２５のワーク側焦点が、ワークＷの表面の位置と一致すると、光源であるレーザアレイ５がそのまま投影されるため、ワークＷの表面の照度が不均一になる。そこで、本実施形態では、レーザアレイ５は、照明光学系２５のワーク側焦点と光学的に共役な照明側焦点からはずれた位置に配置されるようにした。換言すれば、レーザアレイ５が発する照明用レーザＬ２が照明光学系２５を経由して結像する焦点がワークＷの表面と異なる位置に、レーザアレイ５を配置する。これにより、レーザアレイ５における照明用レーザＬ２の光強度分布を均一にならすことができるため、撮像素子３２の撮像画像を観察しやすくできる。

図５は、本実施形態に係るレーザアレイ５および照明光学系２５の一部（照明ユニット２８としてユニット化される）を示す図である。図５（Ａ）には、レーザアレイ５が照明光学系２５の照明側焦点Ｆ１から外れた位置に配置された状態を示し、図５（Ｂ）には、レーザアレイ５が照明光学系２５の照明側焦点Ｆ１の位置に配置された状態を示した。コリメータ２６は、筒状のケース４１（鏡筒）に固定されており、レーザアレイ５は、ケース４１に対してスライド可能に設けられている。以下、詳しく説明する。

本実施形態において、レーザアレイ５およびその駆動部４２（ドライバ）は、放熱部材４３に取り付けられている。放熱部材４３は、駆動部４２とレーザアレイ５とにそれぞれ接触している。放熱部材４３は、例えば、アルミニウム、銅などのように熱伝導率が高く、熱容量が小さい材質からなる。放熱部材４３は、本体部４４、収容部４５、及びフィン４６を備える。本体部４４、収容部４５、及びフィン４６は、鋳造などによって一体成型されたものでもよいし、溶接などで互いに接合されて分解不能に一体化されたものでもよく、ボルトなどで互いに接合されて分解可能に一体化されたものでもよい。

本体部４４は、回転体の形状であり、一方の面４４ａ、その反対を向く面４４ｂとを有する。レーザアレイ５は、面４４ａにマウントされており、本体部４４と接触している。駆動部４２は、レーザドライバＩＣ４２ａとプリント基板４２ｂと不図示の電子部品等から構成される。レーザドライバＩＣ４２ａは、レーザアレイ５を例えば定電流パルス駆動するためのＩＣであり、プリント基板４２ｂ上に実装されており、本体部４４（面４４ｂ）と接触している。駆動部４２（プリント基板４２ｂ）は、固定部材４８によって本体部４４と固定されている。このように、駆動部４２とレーザアレイ５とは、例えば、放熱部材４３の本体部４４を挟むように配置される。なお、レーザアレイ５と面４４ａとの間、及び、駆動部４２と面４４ｂとの間の少なくとも一部に隙間ができないように、熱伝導性のペーストを塗布してもよく、放熱シートを挟んでもよい。また、放熱部材４３が、レーザアレイ５のマウントと、駆動部４２のケースを兼用していることにより、照明ユニット２８の小型、軽量化に効果がある。

本体部４４には、面４４ａと面４４ｂとに通じる貫通孔４４ｃが形成されており、駆動部４２とレーザアレイ５とは、放熱部材４３の本体部４４の内部（貫通孔４４ｃ）を経由する配線４９によって電気的に接続される。駆動部４２は、画像処理部８（図１参照）によって制御され、レーザアレイ５に対して配線４９を介して電力（電流）を供給することで、レーザアレイ５のＶＣＳＥＬ２１を駆動する。加工ヘッド２に対してワークＷは相対的に高速で移動しているため、加工状態を高精度に把握するためには、短時間の露光で撮影することが望ましい。このため、レーザアレイ５を大電流でパルス駆動することが要求される。上記の構成により、配線４９を最短経路にできるので、抵抗成分や誘導負荷成分が小さくなり、レーザドライバＩＣ４２ａによるレーザアレイ５の駆動電流の立ち上がり特性が俊敏になるため、大電流のパルス駆動に対して良好な性能を得ることができる。収容部４５は、本体部４４の面４４ｂ側の端部を囲む枠状（環状）の部分である。駆動部４２は収容部４５の内側に配置され、収容部４５は、駆動部４２の収容ケースを兼ねている。フィン４６は、収容部４５の外周面から放射状に複数設けられ、放熱部材４３の表面積を増加させることで放熱性を高める。放熱部材４３は、例えば自然空冷であるが、ファンモータを設けて、強制空冷してもよい。又は、放熱部材４３は、水冷などのように熱媒体を介して放熱するものでもよい。

本体部４４は、面４４ａをコリメータ２６に向けた姿勢で、ケース４１の内側に挿入されている。本体部４４は、取付部材５１によって、ケース４１に取り付けられている。ケース４１には、コリメータ２６の光軸２６ａと平行な方向（Ｘ方向）に延びるスリット５２が形成されており、取付部材５１は、スリット５２の内側を通して本体部４４と固定されている。また、取付部材５１の端部（頭部）は、スリット５２の幅よりも大きく、コリメータ２６の光軸２６ａと交差する方向（Ｙ方向、Ｚ方向）においてケース４１に対する本体部４４のガタつきを抑制する。放熱部材４３は、Ｘ方向の力が加わることで、取付部材５１がスリット５２の内側を移動する。放熱部材４３の可動範囲は、スリット５２のサイズにより規定される。

例えば、図５（Ａ）において、取付部材５１は、スリット５２の＋Ｘ側の端に接している。この状態において、レーザアレイ５において照明用レーザＬ２が出射する位置Ｐ１と、コリメータ２６の照明側焦点Ｆ１との距離（デフォーカス量）が最大になる。また、図５（Ｂ）において、レーザアレイ５は図５（Ａ）よりも−Ｘ側に移動しており、取付部材５１は、スリット５２の−Ｘ側の端に接している。この状態において、レーザアレイ５において照明用レーザＬ２が出射する位置Ｐ１と、コリメータ２６の照明側焦点Ｆ１とがほぼ同じ位置になり、デフォーカス量が最小になる。このように、レーザアレイ５（ＶＣＳＥＬ２１）は、照明光学系２５のワーク側焦点と光学的に共役な焦点（照明側焦点Ｆ１）との相対的な位置関係が可変なように取り付けられる。ここでは、レーザアレイ５（ＶＣＳＥＬ２１）をコリメータ２６（照明光学系２５）に対してスリット５２（位置変更部）を介して移動可能にすることで、レーザアレイ５と照明側焦点Ｆ１（照明光学系２５）との相対的な位置関係を可変にしている。なお、コリメータ２６をレーザアレイ５（ＶＣＳＥＬ２１）に対して移動可能にしてもよい（後に図７で説明する）。

図１の説明に戻り、画像処理部８は、レーザアレイ５の制御部を兼ねている。画像処理部８は、レーザアレイ５の駆動部４２（図５に示す）と有線または無線によって通信可能に接続される。画像処理部８は、撮像素子３２が撮像を実行するタイミングと同期してレーザアレイ５から照明用レーザＬ２が出射するように、レーザアレイ５を発光させるための制御信号をレーザアレイ５の駆動部４２に供給する（後述するパルス駆動によりレーザアレイ５が駆動する）。駆動部４２は、この制御信号が有効な期間のみレーザアレイ５を定電流駆動することによりレーザ光を照射させる。例えば、制御信号はパルス状であり、画像処理部８は、レーザアレイ５に関する各パルスの立ち上がりから立下りまでの期間（１つのパルス幅の期間）の少なくとも一部が、撮像素子３２が電荷を蓄積する期間（電荷蓄積期間）と重複するように、撮像素子３２に撮像を実行させる。１つのパルス幅の期間は、電荷蓄積期間以下とすることが望ましいが、同じ長さでもよいし、電荷蓄積期間よりも長くてもよい。なお、画像処理部８は、撮像素子３２とレーザアレイ５との少なくとも一方を制御しなくてもよく、例えば、制御部９は、画像処理部８の代わりに撮像素子３２とレーザアレイ５との少なくとも一方を制御してもよい。なお、レーザアレイ５を駆動させる制御信号は、撮像素子３２から駆動部４２に供給してもよい。

次に、上述のレーザ加工機１の構成に基づき、実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。図６は、制御部９および画像処理部８の動作を示すシーケンス図である。制御部９は、ステップＳ１において加工準備（前処理）を行う。例えば、制御部９は、ワークＷをロードさせ、アシストガスの準備を行う。制御部９は、ステップＳ２において、測定の開始指令を画像処理部８に送信する。画像処理部８は、ステップＳ３において、開始チェックに開始指令を反映させる。開始チェックは、例えば、開始指令を受けたか否かを示すフラグである。例えば、開始チェックのフラグは、開始指令を受けていない状態で「０」であり、ステップＳ２の開始指令が受信されることで、開始指令を受けた状態を表す「１」に切り替わる。

制御部９は、ステップＳ４において加工を開始させる。例えば、制御部９は、アシストガスの噴射を開始させ、また、レーザ発振器４から加工用レーザＬ１を出力させることで、照射光学系１５からワークＷに加工用レーザＬ１を照射させる。また、制御部９は、ヘッド駆動部３によって加工ヘッド２を移動させ、ワークＷにおいて加工用レーザＬ１が照射される位置を制御する。

画像処理部８は、ステップＳ５において、測定を開始するか否かを判定する。例えば、画像処理部８は、ステップＳ３の開始チェックのフラグが開始指令を受けていない状態であることを示す場合に測定を開始しないと判定（ステップＳ５；Ｎｏ）し、ステップＳ３の処理へ戻る。画像処理部８は、ステップＳ３の開始チェックのフラグが開始指令を受けた状態であることを示す場合に測定を開始すると判定する（ステップＳ５；Ｙｅｓ）。すなわち、画像処理部８は、制御部９から測定の開始指令を受けるまで、ステップＳ５の処理を繰り返し行い、待機する。

画像処理部８は、測定を開始すると判定した場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、画像処理部８は、ステップＳ６において、レーザアレイ５を発光可能な状態に準備させる。画像処理部８は、ステップＳ７において、撮像部６を初期化する。例えば、画像処理部８は、ステップＳ７において、撮像部６のシャッタ速度などの撮像条件を設定し、撮像部６を撮像可能な状態に準備させる。

制御部９は、ステップＳ８において、モード指定を画像処理部８に供給する。モード指令は、加工状態を測定するモードを指定する指令である。ここでは、測定のモードが２種類であるものとし、１つの測定のモードがカーフ幅を測定するモード（以下、カーフ幅測定モードという）であり、もう１つの測定のモードが他の項目の測定を行うモード（以下、他の測定モードという）であるものとして説明する。なお、測定のモードは、１種類でもよいし、３種類以上でもよい。

ステップＳ９において、画像処理部８は、モード指令により指定されている測定のモードをチェックし、ステップＳ１０において、いずれの測定のモードを実行するかを判定する。例えば、画像処理部８は、モードチェックに表された測定のモードがカーフ測定モードであるか否かを判定する。画像処理部８は、制御部９から指定された測定のモードがカーフ測定モードである場合にカーフ測定モードを実行すると判定し（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、モードチェックに表された測定のモードがカーフ測定モードでない場合に他の測定モードを実行すると判定する（ステップＳ１０；Ｎｏ）。

画像処理部８は、カーフ測定モードを実行すると判定した場合（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、ステップＳ１１において、カーフ測定モードを実行する。ステップＳ１１におけるステップＳ１２において、画像処理部８は、ワークＷの画像を取得させる。例えば、画像処理部８は、撮像素子３２に撮像を実行させる指令を送信し、撮像素子３２から撮像画像データを取得する。画像処理部８は、ステップＳ１２において、レーザアレイ５を発光させるための制御信号を駆動部４２に供給する。駆動部４２は上記制御信号が有効な期間のみレーザアレイ５を定電流駆動することでレーザ光を発生させる。Ｓ１３において、画像処理部８は、カーフ幅を測定する。画像処理部８は、撮像素子３２から取得した撮像画像データを用いた画像処理によって、カーフ幅を測定する。ステップＳ１４において、画像処理部８は、ステップＳ１３において測定したカーフ幅の測定値を出力する。例えば、画像処理部８は、カーフ幅の測定値を制御部９に送信し、制御部９は、ステップＳ１６においてカーフ幅の測定値を画像処理部８から取得する。制御部９は、例えば、画像処理部８から取得した加工状態の情報（例、カーフ幅の測定値）を、加工中のワークＷの加工位置情報（例えば、加工ヘッド２のＸＹＺ座標値）と関連付けて、記憶部１０に記憶させる。なお、画像処理部８は、測定結果を出力しなくてもよく、例えば、画像処理部８の内部の記憶部（不図示）或いは記憶部１０等に測定結果を記憶させてもよい。また、画像処理部８は、ステップＳ１０において他の測定モードが指定された場合、ステップＳ１７において他の測定モードを実行する。

制御部９は、ステップＳ１８において、加工を終了するか否かを判定する。例えば、制御部９は、数値制御プログラムに定められた全ての工程が終了した場合に、加工を終了すると判定し（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、数値制御プログラムに定められた工程の一部が終了していない場合に、加工を終了しないと判定する（ステップＳ１８；Ｎｏ）。制御部９は、加工を終了しないと判定した場合（ステップＳ１８；Ｎｏ）、残りの工程を実行させ、またステップＳ１６に戻る。制御部９は、加工を終了すると判定した場合（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、ステップＳ１９において画像処理部８に終了指令を送信する。画像処理部８は、ステップＳ２０において、終了チェックに終了指令を反映させる。終了チェックは、例えば、終了指令を受けたか否かを示すフラグである。例えば、終了チェックのフラグは、終了指令を受けていない状態で「１」であり、ステップＳ１９の終了指令が受信されることで、終了指令を受けた状態を表す「０」に切り替わる。

画像処理部８は、ステップＳ２１において、測定を終了するか否かを判定する。ステップＳ２０の終了チェックのフラグが終了指令を受けていない状態であることを示す場合に測定を終了しないと判定（ステップＳ２１；Ｎｏ）し、ステップＳ１０に戻り（図中「Ａ」で表す）、ステップＳ１０以降の処理を繰り返し行う。画像処理部８は、ステップＳ２０の終了チェックのフラグが終了指令を受けた状態であることを示す場合に測定を終了すると判定（ステップＳ２１；Ｙｅｓ）し、ステップＳ２２において撮像部６の撮像動作を終了させる。また、画像処理部８は、ステップＳ２３において、照明を消灯させる。例えば、画像処理部８は、レーザアレイ５の駆動を停止させる指令を駆動部４２に送信する。制御部９は、ステップＳ２４において加工を終了する。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図７は、本実施形態に係るレーザアレイ５、照明光学系２５の一部、及び放熱部材４３Ｂを示す図である。本実施形態において、放熱部材４３Ｂは、固定部材６１によってケース４１に固定されている。すなわち、レーザアレイ５は、放熱部材４３Ｂを介してケース４１に固定されている。コリメータ２６（照明光学系２５）は、後述するスリット６４（位置変更部）を介してレーザアレイ５に対して移動可能である。

コリメータ２６は、保持部材６２に保持されている。保持部材６２は、ケース４１の内側に挿入されている。保持部材６２は、コリメータ２６の光軸２６ａと平行な方向（Ｘ方向）において、ケース４１に対してスライド可能である。保持部材６２は、取付部材６３によって、ケース４１に取り付けられている。ケース４１には、コリメータ２６の光軸２６ａと平行な方向（Ｘ方向）に延びるスリット６４が形成されており、取付部材６３は、スリット６４の内側を通して保持部材６２と固定されている。また、取付部材６３の端部（頭部）は、スリット６４の幅よりも大きく、コリメータ２６の光軸２６ａと交差する方向（Ｙ方向、Ｚ方向）においてケース４１に対する保持部材６２のガタつきを抑制する。取付部材６３がスリット６４の内側をＸ方向に移動すると、保持部材６２に保持されたコリメータ２６は、ケース４１に対してＸ方向に移動する。コリメータ２６の可動範囲は、スリット６４のサイズにより規定される。

例えば、図７（Ａ）において、取付部材６３は、スリット６４の−Ｘ側の端に接している。この状態において、レーザアレイ５において照明用レーザＬ２が出射する位置Ｐ２と、コリメータ２６の照明側焦点Ｆ１との距離（デフォーカス量）が最大になる。また、図７（Ｂ）において、レーザアレイ５は図７（Ａ）よりも＋Ｘ側に移動しており、取付部材６３は、スリット６４の＋Ｘ側の端に接している。この状態において、レーザアレイ５において照明用レーザＬ２が出射する位置Ｐ２と、コリメータ２６の照明側焦点Ｆ１とがほぼ同じ位置になり、デフォーカス量が最小になる。このように、レーザアレイ５（ＶＣＳＥＬ２１）は、例えば、照明光学系２５のワーク側焦点と光学的に共役な焦点（照明側焦点Ｆ１）との相対的な位置関係が可変なように取り付けられる。

［第３実施形態］
第３実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図８は、本実施形態に係るレーザアレイ５、照明光学系２５の一部、放熱部材４３、拡散部材６５、及び絞り部材６６を示す図である。レーザアレイ５、照明光学系２５の一部、及び放熱部材４３については、図４あるいは図７と同様でよい。

本実施形態において、レーザアレイ５とワークＷ（図１参照）との間の光路には、拡散部材６５が配置される。拡散部材６５は、レーザアレイ５と照明光学系２５（コリメータ２６）との間の光路に配置される。拡散部材６５は、例えば、コリメータ１７までの距離と比べて、レーザアレイ５までの距離が短くなるように配置されてもよい。図８では、拡散部材６５は、ケース４１に固定されているが、レーザアレイ５との相対的な位置関係が調整可能に構成されていてもよい。レーザアレイ５からの照明用レーザＬ２を拡散する。拡散部材６５は、例えばすりガラスなどでもよいし、回折格子などでもよい。

図２を参照して説明したように、レーザアレイ５は、複数のＶＣＳＥＬ２１が配列されており、レーザアレイ５において照明用レーザＬ２が出射する端面では、光の強度分布は、ＶＣＳＥＬ２１の位置ごとに高い照度部分を有する不均一な分布になる。本実施形態においては、複数のＶＣＳＥＬ２１からの照明用レーザＬ２は、拡散部材６５で拡散され、ワークＷ上での照度が均一化される。なお、レーザアレイ５（ＶＣＳＥＬ２１）は、第１実施形態あるいは第２実施形態と同様に、コリメータ２６と相対的に移動可能でもよいし、コリメータ２６との相対位置が固定でもよい。

また、本実施形態において、拡散部材６５と照明光学系（コリメータ２６）との間の光路に絞り部材６６が配置される。絞り部材６６は、拡散部材６５で拡散された照明用レーザＬ２のうち、コリメータ２６の外側に向かう光を遮るように、開口の寸法が設定される。絞り部材６６は、例えば拡散部材６５と一体化され、ケース４１に固定される。

［第４実施形態］
第４実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図９は、照明用レーザの焦点を示す図である。本実施形態では、照明用レーザＬ２が照明光学系２５を経由して結像する焦点（ワーク側焦点）のデフォーカスをより詳しく述べる。

本実施形態では、レーザ加工機１は、ワークＷを規定の支持面により支持する支持部材７０を備える。支持部材７０は、図９で示すように、複数の針状の棒で構成され、これら針状の棒の先端が一体となって規定の支持面を形成する剣山である。

ここで、レーザ加工機１は、各種の加工条件（例えば、ワークＷの材質等のパラメータが含まれる）に基づき任意のワークＷにレーザ加工を施す。レーザ加工が施される際に、加工条件に応じて、ワーク表面と加工ヘッドの先端との間隔（以下、ノズルギャップと称する）等が設定される。このため、照明用レーザＦ２が結像する焦点をワーク表面から加工ヘッド側に外した場合であっても、加工条件の変更に伴いノズルギャップも変更されると、ワーク表面に焦点が位置してしまうことがありえる。なお、レーザ加工機１は、ノズルギャップを測定する検出部を有し、検出部の検出値に基づいて、任意のノズルギャップになるように加工ヘッドを駆動可能である。

本実施形態では、上記の事情を考慮し、照明用レーザＦ２の焦点が加工ヘッド２の内部（ノズル１１の内部も含まれる）に収まる位置（ワーク表面よりノズル側にある位置）に、レーザアレイ５を配置する。例えば、加工ヘッド２の内部において、ノズル１１の先端と集光レンズ１９との間に、照明用レーザＦ２の焦点が位置する。これにより、ノズルギャップの変動に関らず、ワークに対して、レーザアレイ５の照明用レーザＬ２の光強度分布を確実にならす（平坦化する）ことができる。また、レーザ加工機１は、加工条件等に応じて、光学系駆動部１３が光軸１９ａに沿って集光レンズ１９を移動させる。よって、集光レンズ１９の移動範囲のうちで最もワークＷ側に集光レンズ１９が近接する近接位置と、ノズル１１の先端との間に、照明用レーザＦ２の焦点が位置するように、レーザアレイ５を配置することが望ましい。これにより、適切に照明用レーザＦ２を集光レンズ１９に通過させた上で、確実に、照明用レーザＦ２をワーク表面とは異なる位置に集光させることができる。

なお、本実施形態以外の態様で構成することも可能である。例えば、レーザ加工機１において、加工ヘッド側（ノズル側）の位置、かつ加工ヘッド２の内部に収まらない位置で、レーザアレイ５を配置してもよい。特に、加工条件等に応じて設定される全てのノズルギャップのうち最小のノズルギャップ内（最もノズル１１に近接するワークＷの表面とノズル１１の先端との間）に、照明用レーザＦ２の焦点が位置した状態で、レーザアレイ５を配置してもよい。この場合でも、ノズルギャップの変動に関らず、確実に、照明用レーザＦ２の焦点をワークＷに対してデフォーカスできる。あるいは、ワーク表面より支持部材７０側（加工ヘッド２の反対側）に、照明用レーザＦ２の焦点が位置した状態で、レーザアレイ５を配置してもよい。この場合でも、ワークＷを超えて支持部材７０側に照明用レーザＦ２の焦点が位置するため、確実にワークに対してデフォーカスすることが可能である。ただし、加工ヘッド２から支持部材７０まで一定の距離があるため、加工ヘッド側に配置する場合に比べて、物理的な制約を受けやすい。

上述の実施形態において、制御部９は、例えばコンピュータシステムを含む。制御部９は、記憶部１０に記憶されている制御プログラムを読み出し、この制御プログラムに従って各種の処理を実行する。この制御プログラムは、例えば、コンピュータに、加工用レーザを発生させて加工用レーザをワークに照射させる制御と、複数の垂直共振器面発光型レーザが配列されたレーザアレイから照明光を発生させて照明光によりワークを照明させる制御と、照明光により照明されるワークを撮像させる制御と、を実行させる。この制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記録されて提供されてもよい。

なお、上述の実施形態において、照明光学系２５は、撮像光学系３１と同軸で照明用レーザＬ２により落射照明するが、例えば、撮像光学系３１の光軸（集光レンズ１９の光軸１９ａ）に対して、斜方から照明用レーザＬ２によって照明してもよい。また、波長選択フィルタ３３は、照明用レーザＬ２の波長帯（第１波長帯）の光が透過し、その他の波長帯（第２波長帯）の光が反射する特性を有するものでもよい。この場合、撮像素子３２は、波長選択フィルタ３３の透過側に配置される。

なお、上述の実施形態において、レーザ加工機１は切断加工を行うが、レーザ加工として溶接を行うもの、マーキング加工を行うもの、切断加工およびマーキング加工を行うものに適用することもできる。また、レーザ加工機１は、レーザ加工およびパンチ加工を行う複合機の一部であってもよい。

なお、本発明の技術範囲は、上述の実施形態などで説明した態様に限定されるものではない。上述の実施形態などで説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。また、上述の実施形態などで説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、上述の実施形態などで引用した全ての文献の開示を援用して本文の記載の一部とする。

１・・・レーザ加工機
５・・・レーザアレイ
６・・・撮像部
８・・・画像処理部
９・・・制御部
１５・・・照射光学系
１７・・・コリメータ
１９・・・集光レンズ
２１・・・ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光型レーザ）
２５・・・照明光学系
２６・・・コリメータ、
４２・・・駆動部
４３、４３Ｂ・・・放熱部材
４９・・・配線
Ｌ１・・・加工用レーザ
Ｌ２・・・照明用レーザ
Ｗ・・・ワーク

Claims (17)

1. 加工用レーザを発するレーザ発振器と、
   前記加工用レーザをワークに照射する照射光学系と、
   複数のレーザ素子がアレイ状に配置され、当該複数のレーザ素子の出力によって照明用レーザを発するレーザアレイと、
   前記レーザアレイが発する前記照明用レーザにより前記ワークを照明する照明光学系と、
   前記照明光学系が前記照明用レーザにより照明する前記ワークを撮像する撮像部と、を備えるレーザ加工機。
2. 前記レーザアレイにおいて、前記複数のレーザ素子は２次元的に配列されている、請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記レーザアレイにおいて、前記複数のレーザ素子はそれぞれ垂直共振器面発光型レーザ素子である、請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工機。
4. 前記レーザアレイは、前記照明用レーザが前記照明光学系を経由して結像する焦点が前記ワークの表面と異なる位置に配置される、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
5. 前記照明光学系を経由して前記照明用レーザが前記ワークに向けて出射する出射口が形成されるノズルを備え、
   前記レーザアレイは、前記焦点が前記ワークの表面よりも前記ノズルと同じ側に位置する状態で、配置される、請求項４に記載のレーザ加工機。
6. 前記ノズルを含む加工ヘッドを備え、
   前記レーザアレイは、前記焦点が前記加工ヘッドの内部に収まる位置に配置される、請求項５に記載のレーザ加工機。
7. 前記照明光学系の光軸方向において、前記レーザアレイと前記照明光学系との相対的な位置関係を変更可能な位置変更部を備える、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
8. 前記照明光学系は、
   前記レーザアレイから前記照明用レーザが入射するコリメータと、
   前記コリメータから前記照明用レーザが入射する集光レンズと、を備え、
   前記位置変更部は、前記レーザアレイと前記コリメータとの相対的な位置関係を変更可能である、請求項７に記載のレーザ加工機。
9. 前記レーザアレイと前記ワークとの間の光路に配置される拡散部材を備える、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
10. 前記拡散部材は、前記レーザアレイと前記照明光学系との間の光路に配置される、請求項９に記載のレーザ加工機。
11. 前記拡散部材と前記照明光学系との間の光路に配置される絞り部材を備える、請求項９又は請求項１０に記載のレーザ加工機。
12. 前記レーザアレイを駆動する駆動部と前記レーザアレイとに接触する放熱部材を備える、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
13. 前記駆動部と前記レーザアレイとは、前記放熱部材を挟むように配置され、前記放熱部材を貫通する穴を経由する配線によって電気的に接続される、請求項１２に記載のレーザ加工機。
14. 前記レーザアレイはパルス駆動され、
    前記撮像部は、前記レーザアレイのパルス駆動と同期して撮像を実行する、請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
15. 前記照射光学系が内部に格納される加工ヘッドと、
    前記レーザアレイ及び前記照明光学系が内部に格納される照明ユニットと、を備え、
    前記照明ユニットは、前記加工ヘッドに対して着脱自在に接続される、請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
16. 前記照明光学系を経由して前記照明用レーザが出射すると共に前記照射光学系を経由して前記加工用レーザが出射する出射口が形成されるノズルを備え、
    前記レーザアレイのサイズと、前記照明光学系の光学倍率とによって定まる前記レーザアレイの投影領域が、前記ノズルの出射口領域を内包するように、前記レーザアレイ及び前記照明光学系が構成される、請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
17. 加工用レーザを発することと、
    前記加工用レーザをワークに照射することと、
    複数のレーザ素子がアレイ状に配置されたレーザアレイから、当該複数のレーザ素子の出力によって照明用レーザを発することと、
    前記照明用レーザにより前記ワークを照明することと、
    前記照明用レーザにより照明されている前記ワークを撮像することと、を含むレーザ加工方法。

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