JP5354335B2 - レーザ加工良否判定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工の良否を判定する技術分野に関連し、特に、レーザ溶接や切断加工での貫通の程度をモニタリング可能な技術に関する。

レーザ加工は、レーザビームを高エネルギー密度の微少スポットに集光し、対象物を加工する技術である。このレーザ加工として、切断、穴空け、溶接、熱処理などがある。レーザ溶接では、２つの対象部材を突き合わせて突き合わせ面と平行に溶接する突き合わせ溶接や、ヘリ継手のヘリ面に平行に溶接するヘリ溶接や、対象物を重ね合わせて重ね合わせ面に垂直に溶接する重ね合わせ溶接などがある。
多くのレーザ加工の品質を決定づける最大の要因は、レーザ光によるキーホールの生成及びキーホールによる貫通の程度である。

特許文献１には、非貫通による溶接不良の発生をオンラインで検出することを目的として、突き合わせ溶接にて加工点からのレーザビームの反射光の強度変化を測定し（図１）、予め定められた境界値（段落００１８，図３）と比較することで貫通の有無を判定する手法（段落００１９）が開示されている。
特許文献２には、レーザ溶接状態の監視を目的として、レーザ光の光軸と同軸となるように（段落００１７，図１）、溶接箇所から発する溶接光を受光し（段落００２６から段落００２７）、そのうちのプラズマ光及び反射光（段落００３４）の位置（面積）及び強度を測定し、溶接ビードと相関する予め実験した値（段落００４１）と比較する手法（段落００３３から段落００４２等）が開示されている。
特許文献３には、レーザ切断機による加工が正常に進行しているか否かを判断することを目的として、加工部の発光部位の面積（段落００３８から段落００４０，図４及び図５）を測定し、この面積の広狭に応じて異常の発生を判断する手法が開示されている。
特許文献４には、高精度かつリアルタイムに溶接品質を判定することを目的として、第１の受光出力手段が、レーザ反射光を溶接進行方向の前方斜め上方から受光し、第２の受光出力手段が、レーザ光の照射方向と同軸方向にて受光することで（段落０００９）、その強度及び強度変化に基づいて溶接品質を判定する（段落００４２から段落００５４，図５から図８）手法が開示されている。また、レーザ光と同軸方向での画像から、溶融池が大きく後退する欠陥である引け溶接の有無を判定しようとしている（段落００１３，段落００４８から段落００４９及び図７ｂ）。
特許文献５には、溶接状態の確実な検出を目的として、溶融池画像（段落００１４）のキーホール内の黒点の有無を測定し（段落０００９から段落００１０）、溶融部ＭＥ面積と、黒点面積と、溶接進行方向の溶融部ＭＥ長さと、そして、溶融部ＭＥ重心位置とから、溶接の状態を判定する（段落００３２から００４５，表１）手法が開示されている。また、貫通の有無とキーホール内の黒点の有無とを対応付けている（段落００４３）。

特開平8-215868号公報 特開2000-42769号 特開2002-185755号 特開2008-87056号 特開2003-19584号

上記特許文献１では、非貫通溶接が発生した場合に、溶接時のレーザの反射光量が多くなるという性質を利用しているため（段落００１８）、実際には、貫通不良よりも突発的なスパッタリングやブローホールの生成を判定しているのであり、突発的な異常のない非貫通溶接を発見することができない。
上記特許文献２では、溶接欠陥が発生した場合に、プラズマ光あるいは照射レーザ光の反射光の強度が減少するという性質を利用しているため（段落００１８）、溶接ビードの深さや幅の評価が試みられているが（段落００４９）、貫通の有無を安定して判定することはできない。さらに、プラズマ光の発生は、溶接品質とは一対一に対応しないため、溶接品質を安定して測定することができない。
上記特許文献３では、レーザによる切断加工が正常な際には溶融池及び燃焼部分の面積が小さく、異常が発生した際に面積が広がるという性質を利用しているため（段落００３８から段落００４１）、レーザ加工中に異常発生を判定することができるが（段落００４９から段落００５１）、キーホールの状態に応じた貫通の程度を判定することはできない。
上記特許文献４では、特許文献１と同様に、非貫通溶接が発生した場合に、溶接時のレーザの反射光量が多くなるという性質を利用しているため（段落００１５）、突発的な異常のない非貫通溶接を発見することができない。
上記特許文献５では、溶融池画像のキーホール内に黒点が存在するか否かを検出することで、貫通であるか非貫通であるかを判断可能という性質を利用しているが（段落００４３）、斜め方向からの撮影であるためにキーホールの斜面（ホール壁）の反射及び発光の影響を受けてしまい、画像判定測定精度が悪化し、不安定となる。従って、キーホールの状態に応じた貫通の程度を安定して判定することができない。
また良否判断用の基準面積（段落００４４）を必須としており、このため、工程毎の微調整が必要となってしまう、という欠点がある。

［課題１］このように、上記従来例では、キーホールの状態に応じた貫通の程度を判定することができない、という不都合があった。
［課題２］さらに、上記従来例では、レーザ加工の良否を判定するために正常となる基準データを予め測定しておかなければならず、多数の現場に適用する際に個々の調整が必要となってしまう、という不都合があった。
すなわち、ノイズに強く、撮影した画像のみで判定可能な画像処理手法は、上記各文献に何ら開示されていない。

［発明の目的］本発明の目的は、キーホールの状態に応じた貫通の程度を安定して判定することにある。

［着眼点］本発明の発明者は、キーホールの状態に応じた貫通の程度を安定して判定するには、溶接部分材の発光をレーザ光軸と同軸で撮影するのが良い、という点に着目した。そして、溶接部分材自体の発光の状態について同軸による良質な画像を得て、この画像に対する画像処理を工夫することで、上記課題を解決できるのではないか、との着想に至った。

［課題解決手段１］実施例１に対応する第１群の本発明は、対象物に照射されるレーザビームの光軸と同軸で当該対象物の前記照射領域での当該対象物の温度に依存した発光を撮像して照射領域画像を生成する撮像工程と、前記照射領域画像の円状で高輝度の発光輪を抽出する発光輪抽出工程と、前記照射領域画像のうち前記発光輪の輝度分布と、当該発光輪の内側の輝度分布とに基づいて、前記照射領域での貫通の程度を判定する判定処理工程とを備えた、という構成を採っている。
これにより、上記課題１及び２を解決した。

［課題解決手段２］ 実施例２に対応する第２群の本発明は、対象物に照射されるレーザビームの光軸と同軸で当該対象物の前記照射領域からの光を分光する分光部と、この分光部で分光された前記照射領域の光を光電変換して照射領域画像を生成するカメラと、前記カメラと前記照射領域との間に設置され、当該照射領域にて発生するプラズマ光の波長成分を遮断する光学フィルターと、前記照射領域画像から円状で高輝度の発光輪を抽出して、前記発光輪の輝度分布と、当該発光輪の内側の輝度分布とを算出する画像解析部と、この画像解析部で解析された前記各輝度分布に基づいて、前記照射領域での貫通の程度を判定する判定処理部とを備えた、という構成を採っている。
これにより、上記課題１及び２を解決した。

本発明は、本明細書の記載及び図面を考慮して各請求項記載の用語の意義を解釈し、各請求項に係る発明を認定すると、各請求項に係る発明は、上記背景技術等との関連において次の有利な効果を奏する。

［発明の作用効果１］ 課題解決手段１のレーザ加工良否判定方法では、撮像工程が、レーザビームの光軸と同軸で照射領域を撮像し、判定工程が、円状で高輝度の発光輪の輝度分布と、発光輪の内側（発光輪内側領域や発光輪重心領域）の輝度分布との比較により、照射領域での貫通の程度を判定する。
従って、キーホールと呼ばれる貫通現象の状態や程度を安定して判定することができ、貫通状態の程度を判定できることから、レーザ加工の目的に応じた当該加工の良否をモニタリングすることができる。

［発明の作用効果２］ 課題解決手段２のレーザ加工良否判定装置は、カメラが、レーザビームの光軸と同軸で照射領域を撮像し、画像解析部が、発光輪を抽出して、円状で高輝度の発光輪の輝度分布と、発光輪の内側の輝度分布とを算出し、判定処理部が、この各輝度分布を比較することで、照射領域での貫通の程度を判定する。
従って、課題解決手段１と同様に、キーホールと呼ばれる貫通現象の状態や程度を安定して判定することができ、貫通状態の程度を判定できることから、レーザ加工の目的に応じた当該加工の良否をモニタリングすることができる。

発明を実施するための最良の形態として、４つの実施例を開示する。実施例１はレーザ加工良否判定方法であり、実施例２はレーザ加工良否判定装置、実施例３はレーザ溶接良否判定装置、実施例４はレーザ加工装置である。実施例１から４までを含めて実施形態という。実施例１から４は、例えば、車体などの金属材料をレーザ加工する場合に、溶接部分をカメラ２４で撮像し画像解析をして、溶接品質の良否判定・評価をおこなうモニタリングシステムの技術に属する。

図１を参照すると、実施例１から４で使用するレーザ加工良否判定装置は、主要な要素として、分光部２０と、カメラ２４と、光学フィルター２６と、画像解析部４０と、判定処理部５６とを備えている。
また、図１に示す例では、レーザビームＬＢを照射するレーザトーチ８４と、レーザビームＬＢを光軸ＯＸにて集光する集光ミラー２８と、照射領域ＡＲからの光を集光する集光レンズ３０と、カメラ２４に向けて反射させるミラー２３と、カメラ２４に導く光を拡大するエクステンダレンズ３２とを備えている。さらに、カメラ２４で撮像された照射領域画像１０を伝達する通信ケーブル３６と、この照射領域画像１０を対象とした情報処理をする良否判定コントローラー３４とを備えている。

分光部２０は、対象物ＯＪに照射されるレーザビームＬＢの光軸ＯＸと同軸で当該対象物ＯＪの前記照射領域ＡＲからの光を分光する。対象物ＯＪは、レーザ加工として例えば重ね合わせ溶接とする際には、上側シートＯＪｕと下側シートＯＪｌとである。照射領域ＡＲは、レーザビームＬＢの集光位置をほぼ中心とする加工の対象となる領域であり、レーザ加工が切断加工である場合には切断対象となる領域で、溶接である場合には溶接ビードが生ずる領域である。そして、分光部２０は、可視光から近赤外光の光をカメラ２４に向けて透過すると共にレーザビームＬＢの反射光等の可視光から近赤外光以外の帯域光を反射させるハーフミラー２２を備えると良い。

光学フィルター２６は、前記カメラ２４と前記照射領域ＡＲとの間に設置され、当該照射領域ＡＲにて発生するプラズマ光ＰＬの波長成分を遮断し、一方、照射領域ＡＲで発生する可視光から近赤外光の波長成分（360 [nm] から1000 [nm]）を透過させてカメラ２４に導く。レーザ加工の条件や環境にもよるが、600 [nm] から1000 [nm]の帯域の光を透過させるバンドパス・フィルターを用いると、プラズマ光の成分を良好に低減させることができる。

カメラ２４は、分光部２０で分光され光学フィルター２６を透過した前記照射領域ＡＲの光を光電変換することで照射領域画像１０を生成する。図１に示す例では、照射領域ＡＲの光は、ハーフミラー２２を透過し、集光レンズ３０で集光され、ミラー２３で反射し、光学フィルター２６を透過し、エクステンダレンズ３２で拡大される。カメラ２４は、この照射領域ＡＲからの光を光電変換することで、照射領域画像１０を生成する。カメラ２４は、可視光以外の近赤外光の波長成分も光電変換すると良い。
そして、分光部２０が、レーザビームＬＢの光軸ＯＸと同軸の光をカメラ２４に導き、カメラ２４がレーザビームＬＢの光軸ＯＸと同軸で照射領域ＡＲを撮影するため、照射領域ＡＲを正投影図の六面図でいう平面図で撮影することができ、カメラ２４を斜め方向に設置する際に生ずるような誤差がない。また、完全に平面方向から撮影すると、キーホールＫＨの壁面（キーホール壁ＫＨｗ）の発光の影響を均質とする照射領域画像１０を生成することができる。

良否判定コントローラー３４内の画像解析部４０は、前記照射領域画像１０から円状で高輝度の発光輪１２（図３等）を抽出して、前記発光輪１２の輝度分布と、当該発光輪１２の内側の輝度分布とを算出する。発光輪１２は、レーザビームＬＢが対象物ＯＪに照射されることによって生ずる溶融部ＭＥの高温部分であり、キーホールＫＨの外周である。画像解析部４０は、照射領域画像１０のうち、画像処理により、円状で高輝度部分を抽出して、これを発光輪１２とする。画像解析部４０は、さらに、発光輪１２部分の輝度分布と、発光輪１２の内側の輝度分布とを算出する。

判定処理部５６は、この画像解析部４０で解析された前記各輝度分布に基づいて、前記照射領域ＡＲでの貫通の程度を判定する。各輝度分布は、発光輪１２の輝度分布と、発光輪１２の内側の輝度分布とである。この各輝度分布に基づいた判定は、例えば、各輝度分布の値を比較したり、各輝度分布の分散値を比較したり、各輝度分布それぞれの中央値や平均値等の統計値を算出して比較することによる判定である。

従来例では、プラズマ光ＰＬやレーザビームＬＢが溶接部分で反射してきた光をカメラ２４で撮らえてキーホールＫＨの様態を判定していた。一方、本実施形態の方法及び装置が観察するのは、対象物ＯＪの加熱による自己発光である。すなわち、本実施形態で観察するのは、レーザビームＬＢが照射されたことで金属が赤熱状態となりその溶融部ＭＥからのいわゆる黒体放射の自己発光である。この自己発光はレーザビームＬＢと同軸で観察すると円形となる。この円を本実施形態では発光輪１２という。また、レーザビームＬＢの作用による発熱で対象物ＯＪが完全に貫通した際には、穴の開いた部分（キーホールＫＨ）は発光しないため、キーホールＫＨの輝度は発光輪１２の輝度よりも暗く観測することができる。従って、発光輪１２の輝度分布と、発光輪１２の内側の輝度分布との比較により、キーホールＫＨの状態を知ることができる。

＜1.1レーザ加工良否判定方法＞
本実施形態の実施例１を開示する。実施例１は、レーザ加工の良否を判定するために、レーザビームの照射による貫通の程度を調べようとするものである。レーザ加工にとって、切断加工であれば貫通が必須であり、溶接の際にも貫通の程度が溶接の良否と相関する。また、木材等の表面装飾やガラスの内部加工等の場合には貫通は不良となる。実施例１のレーザ加工良否判定方法は、レーザ加工の用途や目的と、貫通の程度との関係から、画像処理により当該加工の良否の判定をするものである。

図２を参照すると、実施例１のレーザ加工良否判定方法は、まず、対象物ＯＪに照射されるレーザビームＬＢの光軸ＯＸと同軸で当該対象物ＯＪの前記照射領域ＡＲでの当該対象物ＯＪの温度に依存した発光を撮像して照射領域画像１０を生成する（撮像工程，Ｓ１）。次に、前記照射領域画像１０の円状で高輝度の発光輪１２を抽出する（発光輪抽出工程，Ｓ２）。さらに、前記照射領域画像１０のうち前記発光輪１２の輝度分布と、当該発光輪１２の内側の輝度分布とに基づいて、前記照射領域ＡＲでの貫通の程度を判定する（判定処理工程，Ｓ３）。

撮像工程Ｓ１では、図１に示す重ね合わせ溶接の例では、レーザトーチ８４が発振したレーザビームＬＢを照射し、ハーフミラー２２がこのレーザビームＬＢを集光ミラー２８側に反射し、集光ミラー２８が予め定められた焦点に向けてレーザビームＬＢを集光する。集光したレーザビームＬＢが対象物ＯＪに照射されると、集光位置にレーザビームＬＢのエネルギーが集中し、加熱され、溶融し、溶融部ＭＥが生ずる。この溶融は加熱によるもので、その加熱により当該溶融部ＭＥが発光する。この発光は、プランク分布に従う黒体放射（黒体輻射）として知られる現象であり、温度に依存した波長（色）で発光する。対象物ＯＪは厳密な黒体とは限らないが、発光の強度は加熱対象の量に依存し、照射領域画像１０での発光輪１２部分の輝度値が高まる（明るくなる）。そして、溶融部ＭＥが貫通しキーホールＫＨとなると、この貫通部分自体は発光しないため、輝度値が低くなる（暗くなる）。

図３を参照すると、照射領域画像１０はタイプ１（図３（Ａ））からタイプ５（図３（Ｅ））に分類することができる。照射領域ＡＲの発光は、円状となり、すべてのタイプにて、輝度値の高い（明るい）円が観測される。この円の円周部分を発光輪１２という。発光輪１２の内側を発光輪内側領域１６という。発光輪内側領域１６は、タイプ１からタイプ５まででその輝度値や輝度分布が異なる状態となっている。

図４を参照すると、図３に示す各タイプは、その溶接状態（対象物ＯＪの断面図）と輝度分布とがそれぞれ異なるものとなっている。輝度分布は、図３に示す図中横方向の各白線上の輝度分布である。

タイプ１： 図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示す例では、貫通しておらず、重ね合わせ溶接としてはＮＧである。溶融部ＭＥは、上側シートＯＪｕと、下側シートＯＪｌのごく一部のみとなり、点線で示すレーザビームＬＢの貫通領域ＬＢｐも下側シートＯＪｌを突き抜けていない。この場合、発光輪１２の輝度値より発光輪内側領域１６の輝度値が高くなっている。特に、発光輪１２の重心部分（発光輪重心領域１８）の輝度値が高い（明るい）。

タイプ２： 図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示す例では、貫通しておらず、重ね合わせ溶接としてはＮＧである。溶融部ＭＥは、上側シートＯＪｕと、下側シートＯＪｌの下側に達しているものの、貫通していない。そして、点線で示すレーザビームＬＢの貫通領域ＬＢｐも下側シートＯＪｌを突き抜けていない。この場合、タイプ１と同様に、発光輪１２の輝度値より発光輪内側領域１６の輝度値が高くなっている。特に、発光輪１２の重心部分（発光輪重心領域１８）の輝度値がなだらかに高い（明るい）。

タイプ３： 図３（Ｃ）及び図４（Ｃ）に示す例では、貫通しており、重ね合わせ溶接としてはＯＫとすることができる（溶接の用途や目的によってはＮＧとすることもある）。溶融部ＭＥは、上側シートＯＪｕと、下側シートＯＪｌの裏面を含んでおり、点線で示すレーザビームＬＢの貫通領域ＬＢｐも下側シートＯＪｌの裏面に達している。この場合、発光輪１２の輝度値と発光輪内側領域１６の輝度値とはほぼ等しい。特に、発光輪１２の重心部分（発光輪重心領域１８）の輝度値と発光輪１２の輝度値とがほぼ等しい。

タイプ１からタイプ３を比較すると、発光輪内側領域１６の輝度分布がそれぞれ特徴的である。タイプ３では、発光輪１２の輝度分布と発光輪内側領域１６の輝度分布とがほぼ等しく、発光輪内側領域１６の輝度値の分布は平坦で輝度値の分散値（ばらつき）は小さい。一方、タイプ２、タイプ１の順で、発光輪内側領域１６の輝度値の分散値は大きくなっている。このため、発光輪内側領域１６の輝度分布の分散値等に応じてタイプ１からタイプ３を画像処理により区分することができる。

タイプ４： 図３（Ｄ）及び図４（Ｄ）に示す例では、貫通しており、重ね合わせ溶接としてはＯＫである。溶融部ＭＥは、上側シートＯＪｕと、下側シートＯＪｌの裏面を含んでおり、点線で示すレーザビームＬＢの貫通領域ＬＢｐも下側シートＯＪｌを貫通している。この例では、発光輪１２の輝度値よりも、発光輪内側領域１６の輝度値が低い（暗い）。特に、発光輪１２の重心部分（発光輪重心領域１８）の輝度値が発光輪１２の輝度値よりも低くなっている。

タイプ５： 図３（Ｅ）及び図４（Ｅ）に示す例では、貫通しており、重ね合わせ溶接としてはＯＫである。タイプ４と同様に、溶融部ＭＥは、上側シートＯＪｕと、下側シートＯＪｌの裏面を含んでおり、点線で示すレーザビームＬＢの貫通領域ＬＢｐも下側シートＯＪｌを貫通している。この例では、発光輪１２の輝度値よりも、発光輪内側領域１６の輝度値がより低く（暗い）。特に、発光輪１２の重心部分（発光輪重心領域１８）の輝度値が発光輪１２の輝度値よりも極めて低くなっている。そして、発光輪内側領域１６にて、輝度値の低い領域が大きい。この輝度値が低い領域の大きさは貫通した領域の大きさと相関するため、この輝度値が低い領域の広さ（発光輪内側領域１６の輝度分布）に応じて貫通の程度を判定することができる。

そして、図２に示す発光輪抽出工程Ｓ２は、図３及び図４に示す発光輪１２を画像処理により抽出する。発光輪１２を抽出するというのは、発光輪１２となっている画素を特定する情報処理である。照射領域画像１０の輝度値のピークに対して予め定められた比率の輝度値となっている画素を発光輪１２の画素と判定するようにしても良いし（実施例２）、予め定められたしきい値を発光輪１２の画素と判定しても良いし、照射領域画像１０の全体の輝度分布から図３及び図４に示すタイプを区分して、区分毎に発光輪１２の画素を特定するようにしても良い。
この発光輪抽出工程Ｓ２は、図１に示す例では、画像解析部４０が実行する。

判定処理工程Ｓ３は、発光輪１２の輝度分布と、当該発光輪１２の内側（発光輪内側領域１６）の輝度分布とに基づいて、前記照射領域ＡＲでの貫通の程度を判定する。図３及び図４に示すように、発光輪１２の輝度分布と、発光輪内側領域１６の輝度分布との関係に応じて、貫通の程度を例えば５つのタイプに区分することができる。このため、判定処理工程Ｓ３では、発光輪１２の輝度分布と、発光輪内側領域１６の輝度分布とを比較することで、レーザ加工の良否の程度を貫通の程度との関係で判定することができる。例えば、発光輪１２の輝度値よりも発光輪内側領域１６の輝度値が高い（明るい）場合には、タイプ１又は２であり、その程度に応じてタイプ１及び２を区分できる。
発光輪１２の輝度値が発光輪内側領域１６の輝度値とほぼ等しい場合には、タイプ３と判定することができる。発光輪１２の輝度値よりも発光輪内側領域１６の輝度値が低い（暗い）場合には、タイプ４又は５であり、その程度に応じてタイプ４及び５を区分することができる。

また、判定処理工程Ｓ３は、輝度分布の微分値や、分散値などを使用して判定をするようにしても良い。さらに、発光輪内側領域１６のさらに中心部分（発光輪１２の重心位置となる一定範囲の領域）を発光輪重心領域１８として、発光輪１２の輝度分布（又は輝度値等）と、発光輪重心領域１８の輝度分布（又は輝度値等）とを使用して、タイプを判定するようにしても良い。
この判定処理工程Ｓ３は、図１に示す例では、判定処理部５６が実行する。

図２に示すレーザ加工良否判定方法は、図３及び図４に示す対象物ＯＪの加熱による発光とキーホールＫＨの生成との性質とを利用するものであるため、レーザ加工に限定されず、レーザ以外のエネルギビームによる溶接（例：電子ビーム）や、レーザとのハイブリッド溶接にも適用可能である。

・1.1レーザ加工良否判定方法の効果
上述したように実施例１では、撮像工程Ｓ１が、レーザビームＬＢの光軸ＯＸと同軸で照射領域ＡＲを撮像し、判定工程が、円状で高輝度の発光輪１２の輝度分布と、発光輪１２の内側（発光輪内側領域１６や発光輪重心領域１８）の輝度分布との比較により、照射領域ＡＲでの貫通の程度を判定する。これにより、キーホールＫＨと呼ばれる貫通現象の状態や程度を安定して判定することができ、貫通状態の程度を判定できることから、レーザ加工の目的に応じた当該加工の良否をモニタリングすることができる。
実施例１では特に、レーザビームＬＢの光軸ＯＸと同軸で撮像した照射領域画像１０を使用するため、カメラ２４を斜めに配置する場合と比較して、第１に、発光輪１２をより正円に近い状態で撮像でき、キーホール壁ＫＨｗの発光による影響を低減でき、従ってノイズに強く、このため、安定した照射領域画像１０の生成と判定とが可能である。
そして、発光輪１２の輝度分布と、発光輪内側領域１６の輝度分布との比較により貫通の程度を判定可能であるため、判定の基準となる基準データを製造現場毎に生成する必要がない。すなわち、良好な状態を示す基準データを準備しなくとも、発光輪１２の輝度分布と発光輪内側領域１６の輝度分布との比較によって貫通の程度を判定することができるため、多様な現場への適用する作業負荷が小さく、レーザ加工の現場の相違による撮像環境の相違に強い判定手法を提供することができる。
そして、レーザ加工の品質を決定づける貫通の程度を安定して判定可能であるため、レーザ加工の用途や目的に応じて、その加工の良否を比較的判りやすい画像処理によって判定することができる。

＜2レーザ加工良否判定装置＞
＜2.1撮像手段の同軸配置＞
次に、実施例２のレーザ加工良否判定装置を開示する。実施例２の開示内容は、レーザ加工良否判定方法として実施例１の方法に適用することができる。また、実施例３及び４は、実施例２の開示内容に依拠している。
再度図１を参照すると、レーザ加工良否判定装置は、実施形態及び実施例１の説明と同様に、ハードウエアに関する主要な要素として、分光部２０と、カメラ２４と、光学フィルター２６とを備えている。レーザ良否加工判定装置のハードウエアに関する要素群を、全体として良否判定ユニット１００という（実施例４）。また、ソフトウエアに関する主要な要素として、画像解析部４０と、判定処理部とを備えている。

まず、実施例２では、カメラ２４をレーザビームＬＢと同軸に配置する。
図１に示すように、レーザビームＬＢの光軸ＯＸに波長選択性を持つハーフミラー２２（レーザビームＬＢは反射するが可視光及び近赤外光は透過する）を４５度に挿入してレーザビームＬＢの光軸ＯＸと同軸にカメラ２４を設置することで、照射領域ＡＲ（レーザ加工部分を中心とする撮像範囲）を上から垂直方向（平面図となる方向）にて画像撮影をすることができ、キーホールＫＨの形状を正確に評価することができる。

さらに、実施例２では、プラズマ光ＰＬをカットする特性の光学フィルター２６を用いる。
上述のように、本装置及び方法は、プラズマ光ＰＬやレーザビームＬＢの反射光を観測するのではなく、対象物ＯＪの自己発光を観測するため、プラズマ光ＰＬはノイズとなる。このため、溶接等のレーザ加工中に生成するプラズマの発光波長スペクトルをあらかじめ測定し、最も発光強度が弱い波長を決定し、その波長域を透過させる光学フィルター２６をカメラ２４前面に配置すると良い。この光学フィルター２６の使用により、プラズマ光ＰＬの成分を低減し、ノイズの影響を低下させることができる。
更に、レーザビームＬＢからの反射光の影響が残り画像解析に悪影響を及ぼす場合には、その波長のカットフィルタを用いると良い。
また光強度がカメラ２４にとって強すぎる場合には、適切なND（Neutral Density（波長特性がフラット（中立）な光学密度を有するフィルター））フィルターをカメラ２４の前方に配置すると良い。

また、本実施例２では、レーザビームＬＢと同軸でカメラ２４を配置している。そのため、カメラ２４はレーザビームＬＢの集光ミラー２８もしくは集光レンズ３０を通して照射領域ＡＲを観察する。カメラ２４用の接眼レンズに相当するものは、無限遠の配置で使用する必要がある。作動距離が有限な「単位共役比デザイン」のレンズではなく、「無限共役比デザイン」のレンズを使用すると良い。また、単焦点レンズが好ましい。

そして、キーホールＫＨのサイズは小さいので、画像を拡大するために、負の焦点距離を持つエクステンダレンズ３２や、望遠レンズを用いると良い。レーザビームＬＢが炭酸ガスレーザの場合、集光ミラー２８は放物面鏡を用いるが、その場合には、放物面鏡の収差を補正するような特別な接眼レンズを用いると、より一層、明確な画像を得ることができる。

このように、実施例２の良否判定ユニット１００は、プラズマ光ＰＬをカットする光学フィルター２６を使用することで、プラズマ光ＰＬに邪魔されずに明確に画像を得ることができ、また、光学レンズ条件を無限共役比、高倍率とすることで、溶接部分の明確な画像を得ることができる。

また、実施例２では、カメラ２４のフレームレート等を次のようにすると良い。
溶接不良や欠陥を溶接シームラインに沿って細かく測定・評価するためには、高いフレームレートF (f/s=Hz)を有する高速度のカメラ２４で細かい時間間隔で観察すると良い。例えば、溶接ラインに沿って1 [mm] ごとに溶接良否判定をする場合、例えば溶接速度V=10 [m/min]の時は、F=1/(60 [s] × 1 [mm] / 10,000 [mm])=167Hzの高速度のカメラ２４が必要となる。このため、例えば、F=300 [Hz] （または600 [Hz] 切替式）のカメラ２４を採用すると良い。

ただし、カメラ２４のフレームレートがあまり高いと画像解析をする良否判定コントローラー３４へのデータ転送が急激に増加してしまう。このようにデータ量が多いと、撮像記録動作と平行してカメラ２４から良否判定コントローラー３４にデータをストリーミング送信することができなくなり、撮像終了してもデータ転送が終わらないか、若しくは、撮像を一旦終了して後にデータ転送をする必要が生じる。現在のカメラ２４から良否判定コントローラー３４への転送速度（例えばカメラ２４のリンク規格方式では、最大1.6 G [bit/s]）によると、F=200〜1,000 [Hz] 程度の適切なフレームレートを有すると、実際の溶接生産現場への適用上好ましい。
このように、カメラ２４のフレームレートを適正に設定すると、評価時間の短縮を図ることができる。

・2.1撮像手段の同軸配置の効果
上述のように、カメラ２４をレーザビームＬＢと同軸に配置することで、キーホールＫＨの斜面であるキーホール壁ＫＨｗからの光の影響をなくすことができ、発光輪１２をほぼ正円で撮影することができ、多様な反射光等のノイズの影響を軽微にすることができ、このため、良否判定の精度を安定させつつ向上させることができる。

＜2.2発光輪の抽出＞
次に、発光輪の抽出処理を説明する。
照射領域画像１０の大きさを例えば160画素×120画素を10 [bit] とすると、数10 [MB] と大きく、画像解析に時間を要する主要な原因となってしまう。また、画像の枚数も、溶接時間：20 [秒]、フレームレート300 [Hz] とすると、6000 [枚] にも達する。一方、溶接の生産現場では、溶接の良否判定に要する時間は出来うる限り短い方が好ましく、ソフトの処理時間によっては生産現場に適用することができなくなってしまう。とはいえ、判定の安定性を向上させるべく画像全体の情報をなんらかの形で取り込みたい。しかし、扱うデータ量は多くしたくない。
このため、まず、発光輪１２の断面について輝度分布（光強度の分布）を取り込むことを検討する。

図５に、発光輪１２の一方向の断面強度分布の一例を示す。この図５に示す例では、平均の算出等をしていない。図５に示す単純な断面強度分布は、キーホールを見るため発光輪１２の中央付近を通る位置で断面に切断したものである。そして、その断面強度分布の一つの谷と２つの山を検出し、その山と谷の高低差でキーホールＫＨかどうかの判定をすることを検討する。この場合、画像によっては、Pa1及びPa2の極大値のように、左右のどちらかの山が極大値としてのピークではなかったり、また、谷と山の間に、Pa3の極小値部分のように、小さい谷や山があったりと、山と谷の判定が非常に難しい。

小さい山や谷をならすためのデジタルフィルタ処理をかける方法もあるが、正確に評価したいメインの山と谷の形を崩すこととなり、判定精度を不可避的に悪化させてしまう。また、最初に切断する切断面は１８０度の任意性があるが、画像の一部にスパッタなどの輝点粒子が映って乱れている場合、その切断の向きによっては、うまく山と谷を検出できなくなってしまう。更に、そもそも山と谷を検出するのには微分をする必要があり、計算時間を要してしまう。このように、断面強度分布による画像処理は安定して良好な精度の判定とすることは難しい。

そこで、次に、画像の横方向の投影（平均）分布、縦方向の投影（平均）分布の情報を取り込む手法を検討する。
図６を参照すると、照射領域画像１０は、発光輪１２を含んでいる。このｘ方向の全ての各画素について、画素列毎に、ｙ方向の全ての輝度値の平均を算出すると、ｘ方向平均輝度分布Pxを得ることができる。また、ｙ方向の全ての各画素について、画素行毎に、ｘ方向の全ての輝度値の平均を算出すると、ｙ方向平均輝度分布Pyを得ることができる。この平均輝度分布Px, Pyには、発光輪１２を含む照射領域画像１０の特徴が安定して現れる。すなわち、平均輝度分布Px, Pyは、投影・射影された分布であるから、画像の一部に乱れがあっても平均操作でならされ、解析判定の安定性を増加させることができる。
また、レーザビームＬＢの光軸ＯＸと同軸に撮影していることから、発光輪１２をほぼ正円とすることができ、これによっても、ｘ方向とｙ方向の平均輝度分布Px, Pyが安定する。そして、断面の方向を選択する必要性がなく、断面の方向選択に依存したノイズの影響を低減することができる。
本実施例２では、この平均輝度分布Px, Py等を用いた画像解析により、高速で安定した判定を図っている。

図７を参照すると、画像解析部４０は、発光輪１２を抽出するために、平均輝度分布判定処理４２と、取込画像抽出処理４４と、重心座標算出処理４６と、直径算出処理４８とを備えている。また、画像解析部４０は、判定処理で使用する情報を算出するために、等分座標値算出処理５０と、発光輪輝度値算出処理５２とを備えている。
以下、Pa, Pamax, Ca, Ra, QaTH, DaTH等というとき、「a」は、x又はyや、i又はjとなり得る。例えば、Paというときには、Pxの場合と、Pyの場合と、両方の場合と、xy以外の方向による値の場合とがある。QaTHは、QxTHや、QyTHや、その他の方向での値を含む。

図８を参照すると、画像解析部４０の各処理は情報処理としてフローチャートで表すことができ、各工程Ｓ１１からＳ１６が、平均輝度分布判定処理４２から発光輪輝度値算出処理５２までの各処理に対応する。また、図８に示す情報処理工程は、図２に示す発光輪抽出工程Ｓ２の詳細例である。
図７及び図８を参照すると、まず、平均輝度分布算出処理４２は、前記照射領域画像１０(P(i,j))での少なくとも２方向について当該各方向での平均輝度分布Paを算出する（ステップＳ１１）。図６に示す例では、２方向をｘ方向とｙ方向としているため、平均輝度分布は、ｘ方向平均輝度分布Pxと、ｙ方向平均輝度分布Pyとなる。二次元画像について２方向というと、通常、直行するｘ方向とｙ方向であるが、本実施例２では抽出対象が円であるため、２直線の成す角が４５度等の２直線の方向としても良い。また、画像を任意に回転させた後にｘ方向とｙ方向とするようにしても良い。ここでは、ｘｙ座標を例に説明する。

取込画像抽出処理４４は、各方向での最大輝度値Pamaxに予め定められた１以下の取込輝度係数βを掛けて取込輝度しきい値QaTHを算出すると共に、当該取込輝度しきい値QaTHよりも明るい画素を取込画像Q(i,j)として抽出する（ステップＳ１２）。取込画像抽出処理４４は、発光輪１２の外側での不安定な輝度値の影響を除去するために、発光輪１２の外側を除去し、発光輪１２とその内側を取り込む。

重心座標算出処理４６は、この取込画像Q(i,j)の重心を算出して前記発光輪１２の重心となる重心座標Caを求める（ステップＳ１３）。ｘｙ座標系では、重心座標は、Cx, Cyとなる。

直径算出処理４８は、前記各方向での前記最大輝度値Pamaxに予め定められた１以下の直径抽出係数γを掛けて直径抽出輝度しきい値DaTHを求めて前記各方向についてそれぞれ当該直径抽出輝度しきい値DaTHよりも明るい画素の最大座標値amaxと最小座標値aminとを算出すると共に、各方向についての最大座標値amaxと最小座標値aminとの差Daの平均を前記発光輪１２の直径Dとして算出する（ステップＳ１４）。
ｘｙ座標系で、ｘ座標の画素位置をi、ｙ座標の画素位置をjで表すと、ｘ方向最大座標値imaxと最小座標値iminとの差がｘ方向での発光輪の直径Dxとなり、ｙ方向最大座標値jmaxと最小座標値jminとの差がｙ方向での発光輪の直径Dyとなる。そして、このｘ方向直径Dxとｙ方向直径Dyとの平均値を発光輪１２の直径と推定することができる。

図９（Ａ）を参照すると、照射領域画像１０の発光輪１２、発光輪内側領域１６及び発光輪重心領域１８等の輝度分布（光強度分布）に応じて、ｘ方向平均輝度分布Pxと、ｙ方向平均輝度分布Pyとが算出される。この分布を例として、数式を用いつつ、再度画像解析部４０の各処理の内容を説明する。

平均輝度分布判定処理４２（ステップＳ１１）は、照射領域画像１０である二次元輝度分布I(i, j)について、次式（１ａ）によりｘ方向平均輝度分布Pxを求め、次式（１ｂ）によりｙ方向平均輝度分布Pyを求める。平均輝度分布Paが求まると、図９（Ａ）に示すように、各最大輝度値Pamaxを容易に特定することができる。
I(i, j): 二次元輝度分布（照射領域画像１０）
Px: x方向平均輝度分布、Py: y方向平均輝度分布
Nxm: x方向画素数、Nym: x方向画素数

取込画像抽出処理４４（ステップＳ１２）は、図９（Ｂ）に示すように、予め定められた取込輝度係数βと最大輝度値Pamaxを用いて、取込しきい値QaTHを算出し、この取込しきい値QaTHを使用して、次式（２ａ）及び次式（２ｂ）により取込画像Q(i, j)を抽出する。
なお、取込画像抽出処理４４は、図９（Ｂ）に示すように、発光輪１２の外側の輝度値を０とするための処理であるため、例えばｘ方向であれば、図中左側の画素から走査を開始して予め定められた数画素の輝度値が連続してQxTHを超えるまでQx[i]を０とし、超えた後は式２ａの通りとして、さらに予め定められた数画素の輝度値が連続してQxTHを下回った際にQx[i]を０とするようにしても良い。
Qx: x方向取込輝度分布、 Qy: y方向取込輝度分布
Pxmax: x方向最大輝度値、 Pymax: y方向最大輝度値
β: 取込輝度係数
QaTH: 取込輝度値

重心座標算出処理４６（ステップＳ１３）は、次式（３ａ）及び次式（３ｂ）を使用して、図９（Ｃ）に示す重心位置を算出することで、発光輪１２の重心位置（中心位置）を算出する。
Cx: x方向取込画像重心位置、 Cy: y方向取込画像重心位置
Cx0: x方向重心偏心長さ、 Cy0: y方向重心偏心長さ

直径算出処理４８（ステップＳ１４）は、まず、予め定められた直径抽出係数γと最大輝度値Pamaxとを用いて、直径抽出しきい値DaHTを算出する。そして、DxTHを用いて、ｘ方向平均輝度分布Pxを走査して、次式（４ｂ）により、図９（Ｄ）に示すｘ座標最小座標値iminを求め、次式（４ｃ）によりｘ座標最大座標imaxを求める。同様に、次式（４ｄ）により、図９（Ｄ）に示すｙ座標最小座標値jminを求め、次式（４ｅ）によりｙ座標最大座標jmaxを求める。
そして、次式（４ａ）を用いて、図９（Ｄ）に示すｘ方向直径Dxと、ｙ方向直径Dyとを求め、その平均値を発光輪１２の直径Dとする。
なお、直径変更倍率αは、１としても良いが、発光輪１２の外側を抽出する方が安定する際には、発光輪１２の直径Dを大きめに求めておき、この直径変更倍率αにより小さめに補正すると良い。また、直径Dを小さめに求めて、直径変更倍率αにより大きめに補正することもできる。
D: 発光輪１２の直径
Dx: x方向直径、Dy: y方向直径
imax: x座標最大座標値、imin: x座標最小座標値
jmax: y座標最大座標値、jmin: y座標最小座標値
α: 直径変更倍率
γ: 直径抽出係数

・2.2発光輪の抽出
上述のように、発光輪１２の抽出に図７から図９に示す情報処理を適用すると、横・縦の投影強度分布（２方向の平均輝度分布）の算出によるため、キーホールＫＨの画像判定における不安定性を解消することができる。また、微分処理などを使用しないため、画像処理を高速に行うことができる。

＜2.3発光輪の円周等分点＞
再度図７及び図８を参照すると、画像解析部４０は、発光輪の輝度分布を算出するために、等分座標算出処理５０と、発光輪輝度値算出処理５２（ステップＳ１６）とを備えている。等分座標算出処理５０は、前記重心座標Caを原点とする前記直径Dの円周を予め定められた等分数Mで等分した際の座標値を等分座標Ra[k]として算出する（ステップＳ１５）。発光輪輝度値算出処理５２は、この各等分座標Ra[k]の輝度値の平均を算出して当該発光輪の輝度分布として単一の輝度値を求める（ステップＳ１６）。

図１０に、等分数Mが３である例を、図１１に等分数Mが５である例を示す。
等分座標算出処理５０（ステップＳ１５）は、Caを中心、Dを直径とする円周について等分数Mで等分する位置（等分座標）を次式（５ａ）及び次式（５ｂ）を用いて算出する。等分数Mに応じて、図１０には等分座標Ra[k]が３カ所、図１１には等分座標Raを等分ｘ座標Rxと等分ｙ座標Ryとに分解して５カ所特定されている。
M: 発光輪１２の等分数
k: 等分番号
Rx[k]: 発光輪のk番等分位置x座標、Ry[k]: 発光輪のk番等分位置y座標
Cx: x方向取込画像重心位置、Cy: y方向取込画像重心位置
θ0: 初期角度

発光輪輝度値算出処理５２は、次式（６ａ）により、全ての等分座標の輝度値を平均して、平均輝度値Acrを算出する。本実施例２では、発光輪の輝度分布として、この発光輪の複数の等分座標の輝度値の平均輝度値Acrを採用している。
CR(Rx[k], Ry[k]): 発光輪１２のk番等分位置の輝度値
Acr: 発光輪１２の全等分位置の平均輝度値

また、判定処理部５６は、発光輪内側領域１６の輝度分布を求める。式（６ｂ）では、重心位置Cx,Cyの輝度値をそのまま採用し、発光輪１２の重心位置の輝度値Ainとしている。
IN: 発光輪１２の重心位置の輝度値
Ain: 発光輪１２の重心位置の（平均）輝度値

判定処理部５６は、式（６ｃ）により、発光輪の平均輝度値Acrと、重心位置の輝度値Ainとの比を算出して、予め定められたしきい値Kthと比較することで、貫通の程度に応じたレーザ加工の良否を判定する。この比率は、中央部に極小値の暗部ができていると、１より大きい値となる。比率の値 > 1.0 の場合には、十分に溶接判定にＯＫを下すことが出来る。しかしながら、上記の比率が、0.9や0.8であるからといって、NGであるわけではない。キーホールＫＨが生じていても、いろいろな要因（溶接溶け込み形状やプラズマなどの光）で中央部の輝度低下が十分でない場合もある。そのため、周辺輝度の定義にもよるが、おおよそ、しきい値Kthとしては、Kth = 0.5〜1.0、の範囲で設定するとよい。

このように、発光輪内側領域１６の輝度分布として、重心位置Cx,Cyの１画素の輝度値を採用しても良いし、また、重心位置の周辺領域を特定して、発光輪重心領域１８を特定し、その領域全体の平均値や、ｘ方向及びｙ方向の平均輝度分布Paの当該発光輪重心領域１８内の平均値を求めてAinとしても良い。発光輪重心領域１８の特定は、例えば、βやγのような１以下の重心領域抽出係数ηを定めておき、直径Dにこの重心領域抽出係数ηを掛けることで重心領域の長さを求めると良い。

また、式（６ｃ）では、発光輪輝度分布となるAcrと、発光輪内側領域の輝度分布となるAinとの２つの数値の比率により判定していたが、図３及び図４に示すタイプを判定するには、発光輪１２とその発光輪内側領域１６を３以上の区分に分割し、その大小関係のパターンを得るようにしても良い。

図１１に示す例では、等分数Mを５とし、発光輪１２の直径Dの約半分程度の直径で発光輪内側領域を２分割し、内領域１６Ａと、外領域１６Ｂとに分割している。また、発光輪重心領域１８を小さめに特定している。この発光輪重心領域１８は、発光輪１２の内側で最も輝度値が低い（暗い）部分を探索し、図３及び図４に示すタイプ４及び５のように、暗い部分がある場合には、その暗い部分を発光輪重心領域１８とし、タイプ１，２及び３のように、暗い部分がない場合には重心位置Cx, Cyの近傍としても良い。
この各領域や、各領域の円上の等分位置の平均値等の輝度値の高低のパターンに応じて貫通の状態に応じたレーザ加工の良否を判定するようにしても良い。

・2.3発光輪の円周等分点の効果
上述のように、発光輪１２の円周の等分点を用いると、レーザ加工の進行方向と無関係に発光輪１２の特徴を捉えることができ、計算時間を短縮しつつ、発光輪１２の輝度分布の特徴を良く表すデータを取り扱うことができ、高速でかつ精度の良い判定をすることができる。また、等分点を用いることで、画像に外乱が含まれても、発光輪１２の全体の情報を含むので評価が不安定になることがない。そして、データ量を少なくすることができることから、レーザ加工の現場に適用し易い。
さらに、式（６ｃ）による判定は、第１に、レーザ加工の現場で入手する正常を示す基準データを使用せずに判定をすることができ、第２に、比較的判りやすい判定であるためレーザ加工の現場に適切で有用な情報を早期に提供することができる。

＜3.1発光色から溶接温度推定＞
実施例３のレーザ溶接良否判定装置は、主要な要素として、実施例２と同様に、分光部２０と、カメラ２４と、光学フィルター２６と、良否判定コントローラー３４と、画像解析部４０と、判定処理部５６とを備えている。
そして、実施例３では特に、バンドパス・フィルター６０と、温度推定処理部６２とを備えている。バンドパス・フィルター６０は、予め定められた可視光から近赤外光中の特定の波長λを透過する。そして、温度推定処理部６２は、この特定の波長λでの発光輪１２の輝度分布と、発光輪内側領域１６の輝度分布とに基づいて前記照射領域ＡＲの温度（分布）を推定する。
輝度分布となる光強度Ｂは、プランクの公式である次式（７）で表される。hはプランク定数、kはボルツマン定数、cは光速度、Tは温度である。次式（７）により、波長と光強度を特定すると対象物の温度Tを唯一に特定することができる。

図１２に示すレーザ溶接良否判定装置は、実施例２と同様に、レーザトーチ８４と、ハーフミラー２２を有する分光部２０と、レーザビームＬＢを集光する集光ミラー２８とを備え、重ね合わせ溶接の上側シートＯＪｕと下側シートＯＪｌとの溶接をする。そして、図１２に示す例では、レーザビームＬＢの光軸ＯＸと同軸に分光した光を、さらに２系統に分光している。すなわち、カメラ２４Ａとカメラ２４Ｂとの２台設置とし、ハーフミラー２２Ｂが、この２つのカメラへ導く光を分光している。分光された一方の光は、λ1の帯域の光を透過するバンドバス・フィルター６０Ａと、集光レンズ３０Ａと、エクステンダレンズ３２Ａとを経過して、カメラ２４Ａに至る。分光された他方の光は、ミラー６４にて反射して、λ2の帯域の光を透過するバンドバス・フィルター６０Ｂと、集光レンズ３０Ｂと、エクステンダレンズ３２Ｂとを経過して、カメラ２４Ｂに至る。

カメラ２４Ａは、λ１の波長の光について、その輝度分布を照射領域画像１０Ａとして良否判定コントローラー３４に伝送する。カメラ２４Ｂは、λ２の波長の光について、照射領域画像１０Ｂを良否判定コントローラー３４に伝送する。良否判定コントローラー３４では、画像解析部４０が、実施例１及び２と同様に発光輪１２の輝度分布等を算出する。そして、図１２に示す例では、温度推定処理部６２が、λ１の光強度（輝度値）と、λ２の光強度とから、対象物ＯＪの温度を推定する。

図１３に、式（７）の横軸を波長λとし、縦軸を光強度Ｂとしたグラフの一例を示す。波長と光強度の関係について３つのグラフ６６Ａ、６６Ｂ及び６６Ｃを例示した。この各グラフは、それぞれ特定の温度であることを示している。例えば、波長λ１の光強度がグラフ６６Ｃに重なる光強度である場合、対象物ＯＪは当該グラフ６６Ｃが示す温度である。同様に、グラフ６６Ｂに重なればグラフ６６Ｂの温度となる。図１２に示す例では、λ１とλ２の照射領域画像１０Ａ，１０Ｂを取得するため、２つの波長のそれぞれの光強度から最も近いグラフ６６を特定することで、より安定して対象物ＯＪの温度を推定することができる。
また、発光輪１２の円周部分の温度と、発光輪重心領域１８部分の温度とをそれぞれの光強度から推定することもできる。

図１２に示す例では、判定処理部５６は、前記各輝度分布と前記推定された温度とに基づいて、前記照射領域ＡＲでの貫通の程度に応じた溶接の良否を判定する。例えば、推定された温度が予め定められた温度に達しない場合に溶接不良と判定することができる。さらに、溶融部ＭＥの温度変化を時系列で観察することもできる。
また、図３及び４に示すタイプ２及び３のように、キーホールＫＨができているともできていないとも判定が難しく微妙な場合について、複数波長λ１，λ２によるモニタリングによって、発光輪重心領域１８（中央部）の温度を評価することができれば、レーザビームＬＢの反射光やプラズマ光ＰＬの影響で中央輝度が上昇しているのか、それとも赤熱された溶融部ＭＥからの黒体放射であるかを状態判定に追加し、より正確に安定した良否判定が可能になる。

また、バンドパス・フィルター６０Ａ，６０Ｂを用いると、プラズマ光ＰＬの影響を低減することができる。例えば、プラズマ光ＰＬの影響で輝度が高まってしまい図１４（Ａ）に示すように発光輪内側領域１６にてキーホールＫＨが観察されない場合であっても、バンドパス・フィルター６０Ａを用いると図１４（Ｂ）に示すようにキーホールＫＨを観察することができる。

・3.1発光色から溶接温度推定の効果
上述したように温度推定処理部６２を備える例では、対象物ＯＪの色（波長λ）及び光強度とから、対象物ＯＪの温度を推定することができるため、発光輪１２と発光輪内側領域１６との各輝度分布による良否の判定に加えて、温度変化の観察による良否判定を並列して行うことができ、さらに、各輝度分布による判定の正当性を温度変化の観察により判定することもできる。例えば、プラズマ光ＰＬによる輝度であるか、対象物ＯＪの発光による輝度であるかを対象物ＯＪの推定温度により判定することができ、溶接の良否判定をより正確に行うことができる。

＜3.2偏光フィルター使用＞
図１５に示すように、光学フィルター２６として、偏光フィルター７２を使用しても良い。一般に光の特性として、偏光状態の混在した光が固体や液体表面で反射した場合、その反射光は直線偏光の成分を多く含むことになる。そのため、金属の上部の空中で生じているプラズマには無偏光の光を多く含むので、表面で反射された光は、ある特定の方向の偏光を多く含むことになる。この現象を利用して、偏光素子７２を用いると、コントラストの高い照射領域画像１０を得ることができる。

プラズマ光のカメラ２４への侵入を防ぐのに、光学的なバンドパス・フィルター６０を用いる方法もあるが、完全にプラズマ光の波長とキーホールＫＨを得るための波長を切り分けることが難しい場合には、この偏光素子を使用すると良い。
また、表面からの反射光を強めるために、図１５に示すように、照明部７０による外部照明光を利用する方法と組合すことが有効であると考えられる。

・3.2偏光フィルター使用の効果
このように、偏光フィルター７２を用いると、バンドパス・フィルター６０を使用せずに、プラズマ光ＰＬの成分を遮断して、コントラストの高い照射領域画像１０を得ることができる。また、対象物ＯＪの表面からの反射光を強めるために照明部７０を用いると、反射光の成分を精度良く撮影することができる。

＜3.3バックライト使用＞
図１６に示すように、バックライトを使用しても良い。この例では、溶接しようとする金属シートの裏側から、特定の波長に強度が強いバックライトを照射することによって、キーホールの生成を観察する。この例では、実施例２と同様に、主要な構成として、分光部２０と、カメラ２４と、良否判定コントローラー３４とを備えている。そして、図１６に示す例では特に、狭帯域光源７６と、狭帯域バンドパス・フィルター７８と、輝円板抽出処理８２とを備えている。

図１６に示す例では、狭帯域光源７６は、レーザビームＬＢを照射する側（カメラ２４がみている側）に対して反対側からワークに特定の波長の光（例：半導体レーザやLEDの照明）を照射する。そして、この帯域の波長だけを透過する狭帯域バンドパス・フィルター７８をカメラ２４前方に設置する。ここで、特定の波長とはプラズマ光やレーザビームＬＢにその波長成分が少ないような値を選択しておく。この手法により、キーホールＫＨの部分は、暗部（ホール）ではなく、図１７に示すような輝点（ブライトキーホール，輝円板８０）となるが、人為的な照明を用いているので画像のコントラストが上がり、判定安定性が更に向上すると考えられる。

この例では、レーザトーチ８４がレーザビームを照射すると、このレーザビームＬＢは、ハーフミラー２２で反射し、集光ミラー２８で集光されて対象物ＯＪである上側シートＯＪｕと下側シートＯＪｌとを加熱する。そして、狭帯域光源７６は、前記レーザビームＬＢの照射方向の反対方向から前記対象物を介して前記光軸に向けて狭帯域の光を照射する。レーザビームＬＢの加熱によりキーホールＫＨが発生していると、対象物ＯＪには穴が開いており、狭帯域光源７６の光が対象物の穴（キーホールＫＨ）を透過する。この透過光は、集光ミラー２８で反射してハーフミラー２２に至る。ハーフミラー２２を備える分光部２０は、対象物ＯＪに照射されるレーザビームＬＢの光軸ＯＸと同軸で当該対象物ＯＪの前記照射領域ＡＲからの光を分光する。従って、狭帯域光源７６からの狭帯域の光と、対象物ＯＪの自己発光の光等をカメラ２４側に透過する。

そして、カメラ２４と前記照射領域ＡＲとの間に設置された狭帯域バンドパス・フィルター７８は、狭帯域光源７６の狭帯域の光を透過させる。続いて、集光レンズ３０で集光され、エクステンダレンズ３２で拡大される。そして、カメラ２４は、この分光部２０で分光され、狭帯域バンドパス・フィルター７８を透過した前記照射領域ＡＲの光を光電変換して照射領域画像１０を生成する。良否判定コントローラー３４は、この照射領域画像１０を情報処理して当該溶接の良否を判定する。

図１６に示す例では、良否判定コントローラー３４は、輝円板処理部８２を備えている。輝円板処理部８２は、前記照射領域画像１０から円板状で高輝度の輝円板８０を抽出して、当該輝円板の重心座標と直径とを算出すると共に、この前記輝円板の重心座標と直径とに基づいて、前記照射領域ＡＲでの貫通の程度に応じた溶接の良否を判定する。輝円板８０の直径は対象物ＯＪの貫通穴の直径に等しく、貫通の状態を直接的に判定することができる。

・3.3バックライト使用の効果
図１６及び図１７に示す例では、狭帯域の光をバックライトとして使用し、光学フィルター２６としてこの狭帯域の光を透過する狭帯域バンドパス・フィルター７８を使用したため、カメラ２４は、対象物ＯＪのキーホールＫＨによる貫通穴の状態を安定して撮影することができる。そして、輝円板処理部８２は、輝円板８０の直径を画像処理により算出することで、貫通の程度に応じた溶接の良否を判定することができる。

＜4レーザ溶接装置＞
＜4.1フィードバック制御＞
実施例４は、実施例２又は３のレーザ加工良否判定装置を備えたレーザ溶接装置である。
図１８を参照すると、このレーザ溶接装置は、対象物ＯＪにレーザビームＬＢを照射するレーザトーチ８４と、このレーザトーチ８４を案内可能に支持するロボットアーム９０と、このロボットアーム９０を駆動することでレーザトーチを溶接位置に案内するロボット８６と、このロボット８６を駆動制御して前記対象物の溶接を制御する溶接コントローラー８８とを備えている。
レーザ溶接装置は、さらに、良否判定ユニット１００と、良否判定コントローラー３４とを備えている。良否判定ユニット１００は、実施例２の主要なハードウエアを備えている。すなわち、良否判定ユニット１００は、前記対象物ＯＪに照射されるレーザビームＬＢの光軸ＯＸと同軸で当該対象物ＯＪの前記照射領域ＡＲからの光を分光する分光部２０と、この分光部２０で分光された前記照射領域ＡＲの光を光電変換して照射領域画像１０を生成するカメラ２４と、前記カメラ２４と前記照射領域ＡＲとの間に設置され、当該照射領域ＡＲにて発生するプラズマ光ＰＬの波長成分を遮断する光学フィルター２６とを備えている。

また、良否判定コントローラー３４は、実施例２の主要なソフトウエアを備えている。すなわち、良否判定コントローラー３４は、前記照射領域画像１０から円状で高輝度の発光輪１２を抽出して、前記発光輪１２の輝度分布と、当該発光輪１２の内側の輝度分布とを算出する画像解析部４０と、この画像解析部４０で解析された前記各輝度分布に基づいて、前記照射領域ＡＲでの貫通の程度を判定する判定処理部５６とを備えている。そして、実施例４では特に、判定処理部５６は、溶接不良の位置を特定する特定処理を備えている。図１８に示す例では、判定処理部５６は、溶接に伴い、通常の正常な溶接正常箇所ＧＡと、溶接不良箇所ＢＡと特定する。

さらに、実施例４では、前記溶接コントローラー８８が、前記判定処理部５６によって特定された溶接不良箇所ＢＡを再溶接させる制御をする再溶接制御部９２を備えている。実施例４のレーザ溶接装置は、溶接後にほぼ数秒にて溶接判定結果が出力できるため、検出された溶接不良箇所ＢＡの情報をロボット８６に自動的に伝達することで、その場で再溶接し、溶接品質を確保することができる。

・4.1フィードバック制御の効果
このように、良否判定コントローラー３４が、溶接不良箇所ＢＡを特定し、溶接コントローラー８８が、溶接不良箇所ＢＡを再溶接制御するため、溶接不良が発生した際に直ちに再溶接することで、溶接品質を確保することができる。

＜4.2光強度の併用＞
再度図１８を参照すると、レーザ溶接装置は、好適には、良否判定コントローラー３４が、光強度監察部９４と、光強度別処理９６とを備え、溶接コントローラー８８が、非貫通再溶接制御処理９８を備えている。
光強度観察部９４は、前記照射領域画像１０の一部又は全部の輝度値に基づいて、前記照射領域ＡＲの光強度の変化を観察する。そして、光強度別処理９６は、当該光強度観察部９４にて予め定められた輝度値以上の強い光強度が観察されない期間について、前記画像解析部４０により解析された前記各輝度分布に基づいて、前記溶接不良の位置を特定する。さらに、前記再溶接制御部９２の非貫通再溶接制御処理９８は、前記強い光強度が観察されない期間の前記溶接不良とされた位置（溶接不良箇所ＢＡ）について、非貫通溶接の場合の再溶接をさせる制御をする。

このように、画像全体の輝度（光強度）の変更も観測して、強い光強度が観測された際には、従来同様、貫通（裏抜け）以外の不良現象（スパッタリング、ブローホール等）と判定することができる。そして、このような突発的な大きい規模で生ずる不良時には輝度変化が大きいため、その間は実施例２による判定をせず、光強度による良否判定とすると良い。そして、光強度による不良が発生していない期間（強い光強度が観測されない期間）について、実施例２の手法により不良と判定された際には、ブローホール等の突発的な不良ではなく、非貫通の不良であることがより明確となる。従って、この場合、非貫通の不良であるとして非貫通を防止するための再溶接の制御を行うことができる。

例えば、図１９のＦＬ１で示す時には、何かがフラッシュして光強度も高いピークとなっている。このような場合、ブローホールが観測される。そして、画面全体の輝度が高く、仮に非貫通溶接での発光輪重心領域１８での輝度値低下があっても、ブローホールの発光により観測できない。一方、ＦＬ２で示す時に非貫通溶接があると、発光輪重心領域１８での輝度値低下を観測することができる。

また、図２０に示すように、実施例１及び２の手法による溶接の良否の判定と、光強度の変化とを時系列で同期させると、光強度が大きく変化している際には、溶接ＮＧと判定される。一方、光強度が変化していない際にも、溶接ＮＧと判定されている。この溶接ＮＧのうち、光強度が変化している際には、ブローホール等の突発的な異常の発生であることが多く、一方、光強度が変化していない際の溶接ＮＧは、非貫通溶接の異常であることが多い。

・4.2光強度の併用の効果
このように、発光輪１２の輝度分布と発光輪内側領域１６の輝度分布とを用いた良否判定と、画像全体の輝度値（光強度）の変化による判定とを併用することで、非貫通溶接を捉える精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態の構成例を示すブロック図である。（実施例１から４） 実施例１の構成例を示すフローチャートである。（実施例１から４） 図３（Ａ）から（Ｅ）は加工状態と照射部分の自己発光の輝度分布との関係例を示す説明図である。（実施例１から４） 図４（Ａ）から（Ｅ）は図３に対応する画像例を示す模式図である。（実施例１から４） 照射領域画像の断面の光強度分布の一例を示す説明図である。（実施例２） 画像解析部の処理対象となる画像例を示す説明図である。（実施例２） 画像解析部の構成例を示すブロック図である。（実施例２） 画像解析部による情報処理例を示すフローチャートである。（実施例２） 図９（Ａ）から（Ｄ）は図８に対応した画像処理の一例を示す説明図である。（実施例２） 等分座標の一例を示す説明図である。（実施例２） 等分座標領域の一例を示す説明図である。（実施例２） 複数波長をモニタリングする構成例を示す説明図である。（実施例３） 各波長と溶接部分の温度との関係例を示す説明図である。（実施例３） 図１４（A）及び（B）は各波長の画像例を示す説明図である。（実施例３） 偏光フィルターを使用する構成例を示す説明図である（実施例３） バックライトを使用する構成例を示す説明図である（実施例３） 実施例３での照射領域画像の一例を示す説明図である（実施例４） 実施例４のレーザ加工装置の構成例を示す説明図である。（実施例４） 光強度の変化例を示すグラフ図である。（実施例４） 光強度を併用する一例を示す説明図である。（実施例４）

符号の説明

１０ 照射領域画像
１２ 発光輪
１６ 発光輪内側領域
１８ 発光輪重心領域
２０ 分光部
２４ カメラ
２８ 集光ミラー
３０ 集光レンズ
３２ エクステンダレンズ
４０ 画像解析部
ＡＲ 照射領域
ＫＨ キーホール
ＫＨｗ キーホール壁
ＬＢ レーザビーム
ＭＥ 溶融部
ＯＪ 対象物
ＯＸ 光軸
ＰＬ プラズマ光

Claims (7)

1. 対象物に照射されるレーザビームの光軸と同軸で当該対象物の照射領域での当該対象物の温度に依存した発光を撮像して照射領域画像を生成する撮像工程と、
   前記照射領域画像の円状で高輝度の発光輪を抽出する発光輪抽出工程と、
   前記照射領域画像のうち前記発光輪の輝度分布と、当該発光輪の内側の輝度分布とに基づいて、前記照射領域での貫通の程度を判定する判定処理工程とを備えた、
   ことを特徴とするレーザ加工良否判定方法。
2. 対象物に照射されるレーザビームの光軸と同軸で当該対象物の照射領域からの光を分光する分光部と、
   この分光部で分光された前記照射領域の光を光電変換して照射領域画像を生成するカメラと、
   前記カメラと前記照射領域との間に設置され、当該照射領域にて発生するプラズマ光の波長成分を遮断する光学フィルターと、
   前記照射領域画像から円状で高輝度の発光輪を抽出して、前記発光輪の輝度分布と、当該発光輪の内側の輝度分布とを算出する画像解析部と、
   この画像解析部で解析された各輝度分布に基づいて、前記照射領域での貫通の程度を判定する判定処理部とを備えた、
   ことを特徴とするレーザ加工良否判定装置。
3. 前記画像解析部が、前記発光輪の抽出に際して、
   前記照射領域画像での少なくとも２方向について当該各方向での平均輝度分布を算出する平均輝度分布算出処理と、
   各方向での最大輝度値に予め定められた１以下の取込輝度係数を掛けて取込輝度しきい値を算出すると共に当該取込輝度しきい値よりも明るい画素を取込画像として抽出する取込画像抽出処理と、
   この取込画像の重心を算出して前記発光輪の重心となる重心座標を求める重心座標算出処理と、
   前記各方向での前記最大輝度値に予め定められた１以下の直径抽出係数を掛けて直径抽出輝度しきい値を求めて前記各方向についてそれぞれ当該直径抽出輝度しきい値よりも明るい画素の最大座標値と最小座標値とを算出すると共に、各方向についての最大座標値と最小座標値との差の平均を前記発光輪の直径として算出する直径算出処理とを備えた、
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工良否判定装置。
4. 前記画像解析部が、前記発光輪の前記輝度分布の算出に際して、
   前記重心座標を原点とする前記直径の円周を予め定められた等分数kで等分した際の座
   標値を等分座標として算出する等分座標算出処理と、
   この各等分座標の輝度値の平均を算出して当該発光輪の輝度分布として単一の輝度値を求める発光輪輝度値算出処理とを備えた、
   ことを特徴とする請求項３記載のレーザ加工良否判定装置。
5. 対象物に照射されるレーザビームの光軸と同軸で当該対象物の照射領域からの光を分光する分光部と、
   この分光部で分光された前記照射領域の光を光電変換して照射領域画像を生成するカメラと、
   前記カメラと前記照射領域との間に設置され、予め定められた可視光から近赤外光中の特定の波長を透過するバンドパス・フィルターと、
   前記照射領域画像を情報処理して溶接の良否を判定する良否判定コントローラーとを備え、
   この良否判定コントローラーが、
   前記照射領域画像から円状で高輝度の発光輪を抽出して、前記発光輪の輝度分布と、当該発光輪の内側の輝度分布とを算出する画像解析部と、
   前記特定の波長での各輝度分布に基づいて前記照射領域の温度を推定する温度推定処理部と、
   前記各輝度分布と前記推定された温度とに基づいて、前記照射領域での貫通の程度に応じた溶接の良否を判定する判定処理部とを備えた、
   ことを特徴とするレーザ溶接良否判定装置。
6. 対象物にレーザビームを照射するレーザトーチと、
   このレーザトーチを対象物の溶接位置に案内するロボットと、
   このロボットを駆動制御して前記対象物の溶接を制御する溶接コントローラーと、
   前記溶接をモニタリングして当該溶接の良否を判定する良否判定コントローラーと、
   前記対象物に照射されるレーザビームの光軸と同軸で当該対象物の照射領域からの光を分光する分光部と、
   この分光部で分光された前記照射領域の光を光電変換して照射領域画像を生成するカメラと、
   前記カメラと前記照射領域との間に設置され、当該照射領域にて発生するプラズマ光の波長成分を遮断する光学フィルターとを備え、
   前記良否判定コントローラーが、
   前記照射領域画像から円状で高輝度の発光輪を抽出して、前記発光輪の輝度分布と、当該発光輪の内側の輝度分布とを算出する画像解析部と、
   この画像解析部で解析された各輝度分布に基づいて、前記照射領域での貫通の程度を判定すると共に溶接不良の位置を特定する判定処理部とを備え、
   前記溶接コントローラーが、前記判定処理部によって溶接不良と判定された位置を再溶接させる制御をする再溶接制御部を備えた、
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
7. 前記良否判定コントローラーが、
   前記照射領域画像の一部又は全部の輝度値に基づいて、前記照射領域の光強度の変化を観察する光強度観察部を備え、
   前記画像解析部が、当該光強度観察部にて予め定められた輝度値以上の強い光強度が観察されない期間について、前記画像解析部により解析された各輝度分布に基づいて、前記溶接不良の位置を特定する光強度別処理を有し、
   前記再溶接制御部が、前記強い光強度が観察されない期間の前記溶接不良とされた位置について、非貫通溶接の場合の再溶接をさせる制御をする非貫通再溶接制御処理を備えた、
   ことを特徴とする請求項６記載のレーザ溶接装置。