特許 6134862 光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6134862

(24)【登録日】2017年4月28日

(45)【発行日】2017年5月24日

(54)【発明の名称】光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/09 20060101AFI20170515BHJP

   B23K 26/046 20140101ALI20170515BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/09

   B23K26/046

【請求項の数】11

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-510538(P2016-510538)

(86)(22)【出願日】2015年2月20日

(86)【国際出願番号】JP2015054882

(87)【国際公開番号】WO2016132554

(87)【国際公開日】20160825

【審査請求日】2016年2月26日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度 経済産業省「産業技術研究開発（三次元造形技術を核としたものづくり革命プログラム（次世代型産業用３Ｄプリンタ技術開発及び超精密三次元造形システム技術開発））」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】514227988

【氏名又は名称】技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100134430

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 卓士

(74)【代理人】

【識別番号】100198960

【弁理士】

【氏名又は名称】奥住 忍

(72)【発明者】

【氏名】大野 博司

(72)【発明者】

【氏名】坂井 哲男

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 光夫

(72)【発明者】

【氏名】益川 和之

(72)【発明者】

【氏名】小原 隆

(72)【発明者】

【氏名】笹木 裕司

(72)【発明者】

【氏名】津野 聡

【審査官】 右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１００１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−０１３４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２６６８６２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−１７７８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０８８９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０００６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／１０６５６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１１１３１０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／０９

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源からの射出光を第１平行光に変換する第１光学素子と、
前記第１光学素子の下流側に配置され、前記第１平行光を第１発散光に変換する第２光学素子と、
前記第２光学素子の下流側に配置され、前記第１発散光を第２平行光に変換する第３光学素子と、
前記第３光学素子の下流側に配置され、前記第２平行光を、加工面に向けて集光する収束光に変換する第４光学素子と、
を有する集光光学系装置を備え、
前記第１光学素子の焦点距離をf1とし、
前記第３光学素子の焦点距離をf3とし、
前記第４光学素子の焦点距離をf4とし、
前記光加工ヘッドの拡大倍率をmとした場合に、

【数6】

を満たすことにより、
前記光源からの射出光を、前記集光光学系装置内に集光点を作ることなく前記加工面に集光させた光加工ヘッド。

【請求項2】

前記第２光学素子および前記第３光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動可能に設けた請求項１に記載の光加工ヘッド。

【請求項3】

さらに、前記第２光学素子の焦点距離をf2とした場合に、

【数7】

を満たす請求項１または２に記載の光加工ヘッド。

【請求項4】

前記第１光学素子、前記第３光学素子および前記第４光学素子は平凸レンズであり、
前記第２光学素子は平凹レンズである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。

【請求項5】

前記第２光学素子は、下流側に凹面を有する平凹レンズである請求項４に記載の光加工ヘッド。

【請求項6】

前記第２光学素子の焦点距離を前記第３光学素子の焦点距離以下としたことを特徴とする請求項４又は５に記載の光加工ヘッド。

【請求項7】

前記第１平行光を入射した前記第２光学素子の虚像焦点と前記第２平行光を入射した前記第３光学素子の焦点とが一致するように、前記第２光学素子および前記第３光学素子を配置した請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。

【請求項8】

請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光加工ヘッドと、
光源と、
前記光源から射出された光を前記光加工ヘッドに伝送する光伝送部と、
を備えた光加工装置。

【請求項9】

請求項１に記載の光加工ヘッドを制御する制御方法であって、
前記加工面での前記光のデフォーカス値を入力する入力ステップと、
前記デフォーカス値に応じて、前記第１光学素子の焦点距離をf1とし、
前記第３光学素子の焦点距離をf3とし、
前記第４光学素子の焦点距離をf4とし、
前記光加工ヘッドの拡大倍率をmとした場合に、

【数6】

を満たすよう、前記第２光学素子および前記第３光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動する移動ステップと、
を含む光加工ヘッドの制御方法。

【請求項10】

前記移動ステップは、入力した前記デフォーカス値が現状の集光スポット径より大きい場合に、前記第２光学素子を上流側に移動させる請求項９に記載の光加工ヘッドの制御方法。

【請求項11】

請求項１に記載の光加工ヘッドを制御する制御プログラムであって、
前記加工面での前記光のデフォーカス値を入力させる入力ステップと、
前記デフォーカス値に応じて、前記第１光学素子の焦点距離をf1とし、
前記第３光学素子の焦点距離をf3とし、
前記第４光学素子の焦点距離をf4とし、
前記光加工ヘッドの拡大倍率をmとした場合に、

【数6】

を満たすよう、前記第２光学素子および前記第３光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動させる移動ステップと、
をコンピュータに実行させる光加工装置の制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

上記技術分野において、特許文献１には、装置内部で光線を一旦集光させ発散させた後に、加工位置で再度集光させる装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許出願ＵＳ２００６／０２４５０８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記文献に記載の技術では、装置内部に集光点を有しているため、装置内部にほこりがあると集光点で多くの光線が吸収されてしまい、エネルギーロスが大きくなってしまうという課題があった。

【0005】

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明に係る光加工ヘッドにあっては、
光源からの射出光を第１平行光に変換する第１光学素子と、
前記第１光学素子の下流側に配置され、前記第１平行光を第１発散光に変換する第２光学素子と、
前記第２光学素子の下流側に配置され、前記第１発散光を第２平行光に変換する第３光学素子と、
前記第３光学素子の下流側に配置され、前記第２平行光を、加工面に向けて集光する収束光に変換する第４光学素子と、
を有する集光光学系装置を備え、
前記第１光学素子の焦点距離をf1とし、
前記第３光学素子の焦点距離をf3とし、
前記第４光学素子の焦点距離をf4とし、
前記光加工ヘッドの拡大倍率をmとした場合に、

【数6】

を満たすことにより、
前記光源からの射出光を、前記集光光学系装置内に集光点を作ることなく前記加工面に集光させた光加工ヘッド。

【0007】

上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置にあっては、
前記光加工ヘッドと、光源と、前記光源から射出された光を前記光加工ヘッドに伝送する光伝送部と、
を備えたことを特徴とする。

【0008】

上記目的を達成するため、本発明に係る上述の光加工ヘッドの制御方法にあっては、
前記加工面での前記光のデフォーカス値を入力する入力ステップと、
前記デフォーカス値に応じて、前記第１光学素子の焦点距離をf1とし、
前記第３光学素子の焦点距離をf3とし、
前記第４光学素子の焦点距離をf4とし、
前記光加工ヘッドの拡大倍率をmとした場合に、

【数6】

を満たすよう、前記第２光学素子および前記第３光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動する移動ステップと、
を含む。

【0009】

上記目的を達成するため、本発明に係る上述の光加工ヘッドの制御プログラムにあっては、
前記加工面での前記光のデフォーカス値を入力させる入力ステップと、
前記デフォーカス値に応じて、前記第１光学素子の焦点距離をf1とし、
前記第３光学素子の焦点距離をf3とし、
前記第４光学素子の焦点距離をf4とし、
前記光加工ヘッドの拡大倍率をmとした場合に、

【数6】

を満たすよう、前記第２光学素子および前記第３光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動させる移動ステップと、
をコンピュータに実行させる。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、光加工時のエネルギーロスを小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１実施形態に係る光加工ヘッドの光学系の構成を示す図である。

【図2】本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドの全体構成を示す図である。

【図3】本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドの光学系の構成を示す図である。

【図4】本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドに用いられる凹レンズの構成を示す図である。

【図5】本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドにおいて、拡大倍率と設計パラメータの許容範囲との関係を示す図である。

【図6】本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドに用いられる凹レンズの移動制御を示す図である。

【図7】本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドに用いられる凹レンズの移動制御を示すフローチャートである。

【図8】本発明の第３実施形態に係る光加工ヘッドの光学系の構成を示す図である。

【図9】本発明の第４実施形態に係る光加工装置の全体構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

【0013】

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての光加工ヘッド(Optical Processing Head)１００について、図１を用いて説明する。図１は、光加工ヘッド１００の光学系(Optical System)を抽出した図であり、図１に示すとおり、光加工ヘッド１００は、光学素子(Optical Element)１０１〜１０４を備えている。

【0014】

光学素子１０１（第１光学素子）は、光源からの射出光１１１を平行光１１２（第１平行光）に変換する。光学素子１０２（第２光学素子）は、光学素子１０１の下流側に配置され、平行光１１２を発散光１１３（第１発散光）に変換する。光学素子１０３（第３光学素子）は、光学素子１０２の下流側に配置され、発散光１１３を平行光１１４（第２平行光）に変換する。光学素子１０４（第４光学素子）は、光学素子１０３の下流側に配置され、加工面１２０に向けて集光する収束光１１５に平行光１１４を変換する。

【0015】

このような光学系を用いて行なわれる光加工としては、肉盛溶接や、三次元造形などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、光学素子１０１〜１０４の相対配置は、図１の配置に限定されることはなく、光学素子の種類（レンズ、ミラーなどの組合せ）に応じた配置をとることができる。光学素子１０１〜１０４は、レンズ、回折素子、またはミラーでもよいが、これらに限定されるものではない。特にレンズは、平凸レンズでもよいし、両凸レンズでもよいし、非球面レンズでもよいし、他のレンズでもよい。

【0016】

上記の構成により、光加工ヘッドの内部に集光点を作ることなく、光源からの射出光を加工面において集光させることができるため、光加工のエネルギーロスを小さくすることができる。

【0017】

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態としての光加工ヘッド２００について、図２を用いて説明する。図２は、光加工ヘッド２００の内部構成を示すための図であり、図２に示すとおり、光加工ヘッド２００は、集光光学系装置２０１と観察装置２０２とノズル２０３とを含む。

【0018】

不図示の光源から光伝送部２１０を経て入射端２１２から光加工ヘッド２００に導かれた光線２０５は、光加工ヘッド２００内部を通過して、加工面２６０に対して射出される。

【0019】

集光光学系装置２０１は、また、不図示の材料供給装置およびガス供給装置から、材料供給部２３０およびガス供給部２４０を介して、加工材料およびガスの供給を受け、加工ガスに混合された材料２５０を、ノズル２０３から加工面２６０に対して射出する。

【0020】

観察装置２０２は、集光光学系装置２０１による加工状況を光軸に沿った視点から観測するための装置であり、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を含む撮像装置２２１を含む。集光光学系装置２０１の内部に設けられた半透過ミラー（half mirror）２２２により、加工面２６０からの光が撮像装置２２１に導かれる。このように観測した加工状況に応じて、加工パラメータをフィードバック制御することにより加工精度を向上させることができる。

【0021】

《レンズ構成》
図３は、光加工ヘッド２００内部の光学系３００のレンズ構成を表わす図である。光加工ヘッド２００の光学系３００は、光学素子としてレンズ３０１〜３０４を備えている。レンズは、他の種類の光学素子に比べて吸収ロスが小さく、エネルギー効率がよい。また、レンズに反射防止膜を塗布することにより、光の反射ロスを数％以下に低減でき、さらにエネルギー効率を向上させることもできる。さらに、吸収ロスが少ないことにより、昇温しにくく、昇温による熱レンズ効果（熱によるレンズ形状の変形、屈折率変化によるレンズ特性の劣化）および光加工ヘッド２００全体の劣化を防ぐことができる。

【0022】

光学系３００の４つのレンズのうち、平凸レンズ３０１は、下流側に凸面を有する球面レンズであり、入射端２１２から入射した射出光３１１を平行光３１２に変換する。

【0023】

また、平凹レンズ３０２は、下流側に凹面を有する球面レンズであり、平凸レンズ３０１の下流側に配置され、平行光３１２を発散光３１３に変換する。平凹レンズ３０２は、他の３つのレンズによって生み出される収差をキャンセルするように作用する。つまり光学系３００全体の収差を低減することができる。

【0024】

さらに、平凸レンズ３０３は、下流側に凸面を有する球面レンズであり、平凹レンズ３０２の下流側に配置され、発散光３１３を平行光３１２よりも径大の平行光３１４に変換する。これにより、光線の密度を下げ、凸レンズ３０３および凸レンズ３０４の、平行光３１４を吸収することによる昇温を低減することができる。平凸レンズ３０４は、上流側に凸面を有する球面レンズであり、平凸レンズ３０３の下流側に配置され、平行光３１４を、加工面２６０に向けて集光する収束光３１５に変換する。つまり、平凸レンズ３０３の存在により、光線３１４の光線方向と光軸との成す角が発散光３１３の発散角以下になる。

【0025】

平凸レンズ３０３と平凸レンズ３０４の間には、上述した半透過ミラー２２２が設けられている。半透過ミラー２２２は光軸に対して、例えば４５度傾いて配置され、光源からの光を透過しつつ、加工面２６０で反射された可視光成分の光を撮像装置に向けて反射するように表面処理される。これにより、光源からの光が途中で遮られることなく、加工面を観察することが可能となる。

【0026】

ここで、平凸レンズとは、対向する２面のうち一方が平面でもう一方が凸面のレンズであり、平凹レンズとは、対向する２面のうち一方が平面でもう一方が凹面のレンズである。また、球面レンズとは、凸面あるいは凹面が単一球面に沿う形状になっているものである。

【0027】

一般的に、レンズの表面を球面にするよりも平面にするほうが表面粗さの加工精度がよく、作製が容易であり、コストが低い。また、図４に示すように、平凹レンズ３０２は、レンズホルダ４０１に収容されている。レンズホルダ４０１はメスホルダ４１２とオスホルダ４１３から構成され、両者にはねじ切り加工が施されており、ねじによって固定される。平凹レンズ３０２は圧着によって固定されるが、平凹レンズ３０２の凹面側のエッジ３２２はオスホルダ４１３に僅かに接触するだけである。つまり、この接触部の界面熱抵抗は大きい。一方、平凹レンズ３０２の平面３２１側はメスホルダ４１２の内側平面４１１と面接触しており、凹面側よりも界面熱抵抗は小さい。平凸レンズについても同様に、平面を有することにより界面熱抵抗が下がり、光の吸収によって発生した熱を放熱する性能が高くなり、熱レンズ効果（熱によるレンズ形状の変形、屈折率変化によるレンズ特性の劣化）による収差の増大を抑えることができる。

【0028】

さらに、平面３２１と、レンズホルダ４０１の内側平面４１１とが面接触するので、平凹レンズ３０２をレンズホルダ４０１へ組み込む際の位置ずれが少ない。これにより、平凹レンズ３０２の位置決め精度が高くなり、集光スポットにおける収差が低減する。

【0029】

《焦点距離》
平凸レンズ３０１の焦点距離をｆ１とし、平凹レンズ３０２の焦点距離をｆ２とし、平凸レンズ３０３の焦点距離をｆ３とし、平凸レンズ３０４の焦点距離をｆ４とし、光学系３００全体の拡大倍率をｍとする。

【0030】

高精細な加工を行なうためには、集光スポット径を小さくする必要がある。集光スポット径を小さくするためには、収差（光線の集光点におけるばらつき）をできるだけ小さくする必要がある。集光スポット径の最小値はベストフォーカススポット径と呼ばれる。ベストフォーカススポット径は、入射端２１２の直径に光学系３００全体の拡大倍率ｍを掛けたものとして算出される。フォーカス時において、収差（光線の集光点におけるばらつき）が小さいほど集光スポットが小さくなり、高精細な加工が可能となる。

【0031】

光学系３００に半透過ミラー２２２を設けると、光線がそれを通る際に乱れ、収差が大きくなる。光線の乱れをできるだけ小さくするためには、半透過ミラー２２２を通る光線をなるべく平行光に近づければよい。半透過ミラー２２２は、平凸レンズ３０３および平凸レンズ３０４の間に設けられている。そこで、ベストフォーカス時に半透過ミラー２２２を通る光線３１４が平行光となるように平凹レンズ３０２を配置すれば、ベストフォーカススポット径を最小にすることが可能となる。これを実現するために、具体的には、焦点距離を平凸レンズ３０３の焦点距離以下の平凹レンズ３０２を選択し、平凹レンズ３０２の上流側虚像焦点と、平凸レンズ３０３の上流側焦点とが一致するように配置する。つまり、平凹レンズ３０２の虚像焦点位置（平凹レンズ３０２から上流側にｆ２離れた位置）と、平凸レンズ３０３に下流側から平行光を入射させたときの焦点位置（平凸レンズ３０３から上流側にｆ３離れた位置）が一致する必要がある。光線は上流側から下流側へと進むので、上記で述べた平凸レンズ３０３に対する焦点位置は虚像焦点位置である。

【0032】

以上より明らかなように、平凹レンズ３０２の焦点距離ｆ２と、平凸レンズ３０３の焦点距離ｆ３とは、下記の条件を満たす必要がある。
ｆ２／ｆ３≦１・・・（１）
つまり、ｆ２≦ｆ３となるように、平凹レンズ３０２および平凸レンズ３０３を選択することにより、平凹レンズ３０２の虚像集光点の位置と平凸レンズ３０３の焦点位置とを一致させることができる。これにより、実際に装置内に集光点を設ける必要がなくエネルギーロスを抑えることができる。また、本構成は、虚像集光点が平凹レンズ３０２の上流側に位置し、リアルな集光点を作る必要がないため、光学系の全長を短くできるという効果もある。

【0033】

また、上述したように、ベストフォーカス時のベストフォーカススポット径を最小にするためには、収差が最小になる必要がある。収差にはいくつか成分があるが、球面収差が最も主要な成分である。そこで、球面収差の縦成分（球面収差の光軸方向の成分）が最小になるような条件を考える。

【0034】

平凸レンズ３０１のＦ値をf1#とし、平凹レンズ３０２のＦ値をf2#とし、平凸レンズ３０３のＦ値をf3#とし、平凸レンズ３０４のF値をf4#とすると、本光学系３００の球面収差δは、次の式（２）のように書ける。

【数1】

この式の第２項が負の値になっていることに注意されたい。これは、凹レンズの特性であり、この項があることにより、全体の値を小さくできる。もし、凹レンズの代わりに凸レンズを用いると、第２項が正になるため、全体の収差が大きくなる。つまり、本実施形態では、２つめの光学素子として凹レンズを用いたことによって収差を最小にすることができる。

【0035】

平凹レンズ３０２は、下流側に凹面を有する球面レンズであり、平凸レンズ３０１の下流側に配置され、平行光３１２を発散光３１３に変換する。平凹レンズ３０２は、下流側に凹面を有するため、第２項の絶対値は最大になる。つまり、他の項をキャンセルする効果が最も大きくなる。これにより、収差を最小にできるという効果がある。

【0036】

入射端２１２からの入射NA(Numerical Aperture)をαとし、平凸レンズ３０４からの射出NAをβとし、拡大倍率をmとし、αとβに対してヘルムホルツ・ラグランジュの保存側を用いると、下記の式（３）が成立する。

【数2】

これより、収差が最小のとき、つまりδが０のとき、次の関係を導くことができる。

【数3】

この式（４）と式（１）より、下記の関係を導くことができる。

【数4】

この式（５）は変形すると、以下のようになる。

【数5】

以上より、式（６）を満たせば収差は最小にすることが可能となる。

【0037】

上式（６）の関係を図５に示す。横軸５０１がｆ１／ｆ４であり、縦軸５０２がｆ３／ｆ４である。図５においては、拡大倍率が０．５の場合のｆ１／ｆ４とｆ３／ｆ４との関係を曲線５０３で示している。また、拡大倍率が１の場合のｆ１／ｆ４とｆ３／ｆ４との関係を曲線５０４で示している。さらに、拡大倍率が２の場合のｆ１／ｆ４とｆ３／ｆ４との関係を曲線５０５で示している。上式（６）によれば、プロットした線よりも下側（縦軸の負方向）であれば収差を最小にできる。

【0038】

図５からわかるように、拡大倍率が小さいほど、曲線が上方に位置するため、曲線の下側の面積が広くなる。つまり、設計パラメータの範囲が増大する。それゆえ本実施形態にかかる光学系は、拡大倍率が小さく高精細な加工装置を設計しやすいという効果がある。

【0039】

以上で述べた構成は、全て球面と平面を同時に有するレンズに対するものである。このような平凸球面レンズあるいは平凹球面レンズは、非球面に比べてコストが安い。また、全てのレンズが平面を有していることにより、位置ずれによる収差や、熱レンズ効果による収差が発生しにくいという効果がある。

【0040】

《スライド機構》
図６に示すように、平凹レンズ３０２は、光軸に沿って移動可能に設けられている。例えば平凹レンズ３０２は、スライド機構６０７に沿ってスライド可能である。すなわち、スライド機構６０７は、平凹レンズ３０２を光軸に沿ってスライド可能に支持している。平凹レンズ３０２のスライドは、手動で行なってもよいし、モータなどの駆動機構を用いて行なってもよい。デフォーカス値に応じて不図示の制御部が平凹レンズ３０２の位置を自動制御してもよい。

【0041】

高精細な加工を行なう際には、図６の６０１に示すとおり、平凹レンズ３０２を上流側にスライドさせて集光スポット径を小さくする。この際、収差が少ないほど集光スポットが小さくなり、高精細になる。

【0042】

そこで、平凹レンズ３０２の虚像焦点位置（凹レンズから上流側にｆ２離れた位置）と、平凸レンズ３０３に下流側から平行光を入射させたときの焦点位置（第２の凸レンズからｆ３離れた位置）とが一致するように、平凹レンズ３０２を移動させる。

【0043】

一方、図６の６０２、６０３に示すとおり、平凹レンズ３０２を徐々に下流側にスライドすることにより、デフォーカスする（加工面２６０における集光スポット径を大きくする）ことが可能である。デフォーカスによって加工中に加工幅を最適化すれば、加工精度および加工速度を向上させることができる。

【0044】

平凹レンズ３０２の差動距離（フォーカス時を基準としたときの平凹レンズ３０２の移動距離）が１０ｍｍのとき、集光スポット径は、フォーカス時の約１５倍にできる（例えば、フォーカス時の集光スポット径が０．２ mmのとき、３ mmとなる）。６０３において、フォーカス時には平行光３１４だった光線が、発散光６１４となることがわかる。このとき、平凸レンズ３０４の外径は、光線が外れないように大きくする。デフォーカス時において、平凸レンズ３０４より射出される集束光３１５のＦ♯（Ｆナンバー）は約４．５以上の範囲内で収まる。

【0045】

以上の通り、コンパクトなレンズ外径でも十分なデフォースをかけることができる。なお、ここでは平凹レンズ３０２を移動させたが、本発明はこれに限定されるものではなく、平凸レンズ３０３を移動させてもよい。つまり、平凹レンズ３０２と平凸レンズ３０３との光軸上の距離を変更できればよい。

【0046】

図７は、デフォーカスを行なう際の凹レンズ３０２の移動制御について説明するフローチャートである。移動制御は、制御装置（図示せず）を用いて行う。

【0047】

まずステップＳ７０１において、集光スポット径（これをデフォーカス値とする）を制御装置に入力すると、ステップＳ７０２において、入力した集光スポット径が現状の集光スポット径より大きいか否かつまり、デフォーカス値を増大させるべきか否かを判定する。デフォーカス値を増大させる場合には、平凹レンズ３０２を下流側に移動する（Ｓ７０３）。一方、デフォーカス値を増加させない場合には、ステップＳ７０４に進み、入力したデフォーカス値が現在値より小さいか否かつまり、デフォーカス値を減少させるべきか否かを判定する。デフォーカス値を減少させる場合には、平凹レンズ３０２を上流側に移動する（Ｓ７０５）。デフォーカス値を変化させない場合には、そのまま処理を終了する。

【0048】

以上説明したように、本実施形態によれば、単純な光学的構成により、エネルギーロスの少ない光学加工ヘッドを提供することができる。また、光学加工ヘッドを小型化することも可能になる。さらに、非常に容易にデフォーカスを実現することができる。

【0049】

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る光学加工ヘッド８００について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る光学加工ヘッド８００の光学系を説明するための図である。本実施形態に係る光学加工ヘッド８００は、上記第２実施形態と比べると、平凸レンズ３０１、３０３、３０４を放物線ミラー８０１、８０３、８０４に置き換え、その光路に応じて全体のレイアウトを変更した点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

【0050】

放物線ミラー８０１は、入射端２１２に焦点を持つ放物線ミラーであり、入射端２１２から入射した射出光８１１を平行光８１２に変換する。

【0051】

また、平凹レンズ８０２は、放物線ミラー８０１の下流側に配置され、平行光８１２を発散光８１３に変換する。平凹レンズ８０２は、光学加工ヘッド８００の光学系全体の収差について、マイナスに作用する。つまり光学系全体の収差を小さくすることができる。平凹レンズ８０２は、光軸（図中に示す矢印方向）に沿って、デフォーカス値に応じた位置にスライド可能である。すなわち、図示はしていないが、光学加工ヘッド８００は、平凹レンズ８０２をスライド可能に支持する支持部を有している。

【0052】

さらに、放物線ミラー８０３は、平凹レンズ８０２の下流側に配置され、発散光８１３を平行光８１４に変換する。また、放物線ミラー８０３は、所定位置に配置された平凹レンズ８０２の虚像焦点位置と同じ位置に焦点を有する放物線ミラーである。つまり、放物線ミラー８０３の焦点距離は、平凹レンズ８０２の焦点距離よりも大きい。

【0053】

放物線ミラー８０４は、加工面上に焦点を有する放物線ミラーであり、放物線ミラー８０３の下流側に配置され、平行光８１４を、加工面２６０側で集光する収束光８１５に変換する。

【0054】

図示はしていないが、放物線ミラー８０３と放物線ミラー８０４との間に、上述した半透過ミラー２２２を設けることが好適である。半透過ミラー２２２を光軸に対して、例えば４５度傾けて配置し、光源からの光を透過しつつ、加工面２６０で反射されさらに放物線ミラー８０４で反射された可視光成分の光を不図示の撮像装置に向けて反射すればよい。これにより、加工面２６０を観察することが可能となる。

【0055】

以上説明したように、本実施形態によれば、放物線ミラー８０１、８０３、８０４、ならびに平凹レンズ８０２からなる光学系を用いて、光加工ヘッドを構成することができ、第２実施形態に比べて、直線上の光軸に全ての光学素子（放物線ミラー）を配置する必要がないため、レイアウトの自由度を大きくすることができる。なお、本実施形態では、平凹レンズ８０２を用いているが、それに置き換えて、虚像焦点を有する凸面鏡を用いることも可能である。

【0056】

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態としての光加工装置(Optical Machining apparatus)９００について、図９を用いて説明する。光加工装置９００は、上述の実施形態で説明した光加工ヘッド１００、２００、８００のいずれかを含み、集光した光が生み出す熱で材料を溶融することにより三次元的な造形物（あるいは肉盛溶接）を生成する装置である。ここでは一例として、光加工ヘッド２００を備えた光加工装置９００について説明する。

【0057】

《装置構成》
光加工装置９００は、光加工ヘッド２００以外に、光源９０１、光伝送部２１０、冷媒供給装置９０３、冷媒供給部９０４、ステージ９０５、材料供給装置９０６、材料供給部２３０、ガス供給装置９０８およびガス供給部２４０を備えている。

【0058】

光源９０１は、レーザー、LED、ハロゲンランプ、キセノンランプ、白熱球などでよい。光線の波長は例えば１０６０nmであるが、これに限るものではない。

【0059】

光伝送部２１０は、例えばコア径がφ0.01〜１ｍｍの光ファイバであり、光源９０１で発生した光を光加工ヘッド２００に導く。光伝送部２１０のコア径が入射端２１２の直径となる。

【0060】

冷媒供給装置９０３は、冷媒として例えば水を貯蔵し、ポンプで、冷媒を冷媒供給部９０４に供給する。

【0061】

冷媒供給部９０４は内径φ２〜６の樹脂あるいは金属のホースである。冷媒を光加工ヘッド２００内に供給し、その内部で循環させ、冷媒供給装置９０３に戻すことにより、光加工ヘッド２００の昇温を抑えることができる。冷媒の供給量は例えば１〜１０L/minである。

【0062】

ステージ９０５は、例えばXステージ、あるいはXYステージ、あるいはXYZステージであり、各軸（X、Y、Z）を稼動させることが可能である。材料供給装置９０６は、材料供給部２３０を介してノズル２０３に材料を供給する。例えば、材料は金属粒子、樹脂粒子、金属線材、樹脂線材、である。材料供給装置９０６は、キャリアガスも同時に供給できる。

【0063】

材料供給部２３０は例えば樹脂あるいは金属のホースであり、キャリアガスに材料を混入させた粉体流をノズル２０３へと導く。ただし、材料が線材の場合、キャリアガスは不要となる。ノズル２０３は、加工面２６０に向けて材料を射出する。

【0064】

ガス供給装置９０８は、ガス供給部２４０を介して光加工ヘッド２００にパージガスを供給する。パージガスは例えば窒素、またはアルゴン、またはヘリウム、である。しかし、パージガスはこれに限定されるものではなく、不活性ガスならば他のガスでもよい。光加工ヘッド２００に供給されたパージガスは、上記で述べた光線に沿ってノズル２０３から射出される。

【0065】

また図示はしていないが、光加工装置９００は、光加工ヘッド２００の姿勢および位置を制御する、姿勢制御機構および位置制御機構を備えている。

【0066】

《装置動作》
次に、光加工装置９００の動作について説明する。造形物９１０は、ステージ９０５の上で作成される。

【0067】

光加工ヘッド２００から射出される射出光３１５は、造形物９１０上の加工面２６０において集光される。加工面２６０は、集光によって昇温され、溶融される。この溶融された部位を溶融プールと呼ぶ。

【0068】

材料２５０はノズル２０３から加工面２６０の溶融プールへと射出される。そして、溶融プールに材料２５０が溶け込む。その後、溶融プールが冷却され、固化することで加工面２６０に材料が堆積され、３次元造形が実現する。

【0069】

パージガスはノズル２０３から加工面２６０へと射出される。そのため、溶融プールの周辺環境はパージガスによってパージされる。パージガスとして酸素を含まない不活性ガスを選ぶことにより、加工面２６０の酸化を防ぐことができる。

【0070】

光加工ヘッド２００は、冷媒供給装置９０３から冷媒供給部９０４を介して供給された冷媒によって冷却され、加工中の昇温が抑えられる。

【0071】

以上の一連の動作と同時に、光加工ヘッド２００を加工面２６０に沿って走査することにより、材料を堆積させながら所望の造形を行うことができる。つまり、本装置によって肉盛溶接あるいは三次元造形を作成できる。

【0072】

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術思想内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

【0073】

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する制御プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】