JPH0220679A - レーザ装置用焦点位置検出装置および焦点追随機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、レーザ加工装置等においてそのレーザ光の
焦点位置を検出する装置および焦点追！Ｌを行う機構に
関する。

［従来の技術］ 第４図は例えば特開昭５９−１５９２９０号公報に開示
された従来のレーザ加光装置の焦点位置検出装置を示す
構成図である。図において、（１）は加工用レーザ光、
（２）はハーフミラー−（３）は集光レンズ、（４）は
ハーフミラ−１（５）はハーフミラ−（２）、集光レン
ズ（３）を透過し、ハーフミラ−（４）で反射した加工
用レーザ光（１）がほぼ直角に入射する加工面で、加工
用レーザ光（１）の入射軸（Ｚ軸）の方向に移動可能な
加工テーブル（６）の上面をなす。（７）は加工面（５
）に形成されたＸＹ平面である。（８）は加工用レーザ
光（１）と同軸、同焦点となるようハーフミラ−（２）
で反射した後、集光レンズ（３）を透過し、更にハーフ
ミラ−（４）で反射して加工面（５）に照射される検出
用レーザ光、（９）はこの検出用レーザ光（８）を出射
する検出用レーザ発生手段としての検出用レーザ発振器
、（１０１はＸＹ平面（７）上に結像された検出用レー
ザ光（８）の光像−０υはＸＹ平面（７）を走査して光
像ｆ１Ｇを受光し電気信号として出力する光像検出手段
としての光電変換手段−（１５は光電変換手段αＤから
の光像（Ｉ■の出力を２値化像に変換する２値化回路、
ｔｉｚは２値化像の最大幅を検出する最大幅検出回路、
０滲は加工テーブル（６）をＺ軸方向に移動させたとき
の２値化像の最大幅の変化から検出用レーザ光（８）の
焦点位置を検出する焦点位置検出回路で、２値化回路（
１２、最大幅検出回路ｆ１３１および焦点位置検出回路
０４１により焦点位置演算手段（１ωを構成する。

次に動作について説明する。先ず、加工テーブル（６）
が所定の初期位置にセットされ、この状態で一加工面（
５）のＸＹ平面（７）上に検出用レーザ光（８）を結像
させその光像Ｑ［）を得る。光電変換手段＋１１１がｘ
Ｙ平面（７）を走査し、２値化回路（櫻が更に各走査線
毎の光像ＱＧの座標値としての２値化像に変換する。

最大幅検出回路０３は以上の２値化像から上記初期位置
における最大幅を検出する。焦点位置検出回路（１４１
は、以上の操作を加工テーブル（６）をＺ軸方向に順次
移動させて行うことにより求まる２値化像の最大幅と加
工テーブル（６）の位置との関係特性からこの最大幅の
最小値を検出し、そのときの加工面（５）の位置を焦点
位置として出力する。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の焦点位置検出装置は、以上のように構成されてい
るので、本検出装置を動作させようとすると、加工テー
ブル（６）をＺ軸方向部ち上下方向に移動制御する必要
がある。ところで、加工テーブル（６）は被加工物を載
せるものであるから一被加工物が大形もしくは重量物で
あると、加工テーブル（６）としてはそれより更に大き
なものが必要となる。

従って、被加工物を上記のように想定すると、加工テー
ブル（６）が大型化し、それに伴いその移動制御のため
の機構が大形、高価になるという問題点があった。

この発明は以上のような問題点を解消するためになされ
たもので、加工テーブルを移動制御することなく検出が
可能となるレーザ装置用焦点位置検出装置および焦点追
随機構を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段１ この発明に係る焦点位置検出装置は、所定の検出用レー
ザ発生手段および光像検出手段と、更に、集光レンズを
その光軸の方向に移動させたときの上記光像検出手段の
出力変化から焦点位置を演算する焦点位置演算手段を備
えたものである。

また、他のものは、上記光像検出手段の出力から焦点位
置に相当する値とのズレ量を検出しこのズレ量に応じて
集光レンズをその光軸の方向に移動制御する集光レンズ
移動制御手段を備えたものである。

〔作用〕

この発明においては、集光レンズをその初期位置から順
次移動させ、各位置における被照射物上の検出用レーザ
光による光像の反射光を受光し、上記集光レンズ位置に
対する受光出力の変化特性を求め、この特性から焦点位
置を演算する。

また、他のものでは、焦点位置からのズレ量を検出し、
そのズレ量が零になるよう、集光レンズがその光軸方向
に移動制御される。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例におけるレーザ加工装置の
焦点位置検出装置を示す構成図である。

図において、（１）〜（５）　（８ｊ〜（１りは従来の
場合と同一である。但し、集光レンズ（３）はその光軸
が加工面（５）と直角のＺ軸の方向となるように、ハー
フミラ−（４）と加工面（５）との間に位置している。

そして、この集光レンズ（３）は治具ｆｌｅを介してＺ
テーブル（１ηに取付けられＺ軸の方向に移動可能とな
っている。

０秒は加工面（５）を有する被照射物としてのｘＹ子テ
ーブル、被加工物をその上に載せるためのものである。

次に動作について説明する。先ず、集光レンズｆ３１が
所定の初期位置にセットされ、この状態で。

加工面（５）上に検出用レーザ光（８）を結像させその
光像ｆｉｌｌを得る。そして、加工面（５）からの反射
光は再び集光レンズ（３）を透過し、更に、ハーフミラ
−（４）を透過して光電変換手段Ｕυに受光される。焦
点位置演算手段四の動作は従来と同様で光電変換手段（
１１Ｊの出力から上記初期位置における２値化像の最大
幅を検出する。この出力によりＺテーブル（１旧こ信号
が送られ、Ｚテーブル（１７１は駆動されて集光レンズ
（３）を所定の距離だけ移動させる。この状態で、再び
一光電変換手段（１１１および焦点位置演算手段１５）
（気より、２値化像の最大幅を求める。以上の操作を順
次繰り返すことにより、集光レンズ（３）の位置と２値
化像の最大幅との関係を求め、これから最大幅の最小値
を検出し、そのときの集光レンズ（３）′の位置を焦点
位置として出方する。

従って、上記動作には加工テーブルであるＸＹ子テーブ
ル１印の操作は何ら関与していない。即ち、この検出装
置にあっては、比較的小形軽量の集光レンズ（３）をＺ
テーブル（１ηによって移動制御すれば足り、想定され
る被加工物を考慮して大形化仕勝ちな加工テーブル０１
Ｏを移動制御する必要がないので、装置の小形、低廉を
図ることができる。

第２図は関連する発明における一実施例を示すもので、
前述の発明による焦点位置検出装置を利用して自動焦点
追Ｐａ１機構を構成するものである。

図において、＋１＋　＋２＋　＋３１　＋５１　（８１
ｆ国は第１図の場合と同一である。但し、加工用レーザ
光（１）は装置の防振ステージ０うに固定された加工用
レーザ発振器差から出射される。また、ハーフミラ−（
２）もアームＣＤを介して防振ステージＯｇｌに固定さ
れている。更に、集光レンズ（３）は筒部器にセットさ
れ回転可能なレボルバ−四を介してｍ　Ｒ（２４＋の下
端に取付けられている。そして、鏡筒？４１は、上下ス
ライド機構（至）およびその取付治具（至）を介して垂
直方向に移動可能なように防振ステージ（１９に取付け
られている。物は検出用レーザ光（８）を出射し、その
加工面（５）からの反射光を受光しその出力から焦点位
置を検出する焦点検出センサーで、鏡筒（２Φに取付け
られ、その詳細は後述する。例は検出用レーザ光（８）
を加工用レーザ光（１）の光軸と同一の光軸から集光レ
ンズ（３）に入射させるように、鏡筒（２４１に取付け
られたハーフミラ−１■は焦点検出センサー（初の出力
信号ヲ上下スライド機構器に伝達するためのケーブル、
■はモニター光Ｇυを出射するモニターランプ、■はモ
ニター光Ｇｌ）を加工用レーザ光（１）と同軸で集光レ
ンズ（３）へ入射させるためのハーフミラ−で−モニタ
ーランプ側およびハーフミラ−（２）は共に鏡筒（２）
に取付けられている。詔は鏡筒（２４１の上端に取付け
られ、加工面（５）から反射したモニター光Ｇ１１を検
出するモニターヘッド、（財）はケーブル器を介してモ
ニターヘッド（至）に接続されたカラーＣＲＴである。

次に、焦点検出センサー罰の詳細を第３図について説明
する。図において、■は検出用レーザ光（８）を出射す
る検出用レーザ発生手段としての検出用レーザ発振器、
（資）はハーフミラ−１■は光像検出手段としての検出
用レーザ検知＋７サー、ＣＢｌは焦点検出機構で、この
焦点検出機構柵と上下スライド機構□□□とで集光レン
ズ移動制御手段１４■を構成する。

次に動作について説明する。加工用レーザ発振ラー■を
透過して集光レンズ（３）で集光されて加工面（５）に
照射される。一方、焦点検出センサー□内の検出用レー
ザ発振器（イ）から出射された検出用レーザ光（８）は
、ハーフミラー−を透過した後、ハーフミラ−□□□で
反射して下方へ向きを変え、ハーフミラ−（２）＠を透
過し、集光レンズ（３）で集光されて加工面（５）上に
光像を形成する。そして、その反射光は再びハーフミラ
−［有］（２）を透過し、ハーフミラ−■および（至）
でそれぞれ反射して検出用レーザ検知センサー■に至る
。この検出用レーザ検知センサー（至）は微小の検知素
子を平面上に多数集積させたもので、各素子の出方分布
から受光した検出用レーザ光を定量的に計量する。検出
用レーザ検知センサー国の出力は焦点検出機構■に出力
され、焦点検出機構■はその出力信号から、加工面（５
）が丁度焦点位置にある場合の光像に対する出力信号に
相当する予め設定された値とのズレ量を検出し、そのズ
レ量に対応する集光レンズ（３）の移動量を演算して当
該移動量に応じた信号を上下スライド機構（５）に送る
。このズレ量が零になった時点で上下スライド機構（至
）への信号も零となり、集光レンズ（３）が加工面（５
）に対してその焦点位置にセットされたことになる。

また、モニターランプ■からのモニター光ｌ３１）は、
ハーフミラ−■で反射した後、集光レンズ（３）を経て
加工面（５）に照射され、その反射光はハーフミラ−［
有］（２）および■を透過してモニターヘッド器に入力
される。従って１以上の焦点追ＩＬの状況はカラーＣＲ
ＴＣ３４１によってモニターすることができる。

以上のように一一般に大形で重量物となる加工テーブル
ＯＱは移動制御する必要がなく、小形、軽量の集光゛レ
ンズ（３）のみ移動制御すればよく、かつこの集光レン
ズ（３）は検出用レーザ発振器（至）、検出用レーザ検
知センサー啜および集光レンズ制御手段ｆ４（Ｉと共に
共通の鏡筒ＱΦに取付けられ一体に構成廉 されているので、装置が小形、軽量、亭価となり、かつ
迅速な焦点追随が実現する。

なお、上記各実施例における光像検出手段０Ｄ■は、い
ずれも加工面（５）からの反射光を集光レンズ（３）を
介して受光しているが、例えば、集光レンズ（３）と加
工面（５）との間にハーフミラ−を追加することにより
、上記反射光を集光レンズ（３）を介することなく受光
する構成としてもよい。

また、上記各実施例はいずれもレーザ加工装置に適用し
た場合について説明したが、これら発明はレーザ測定装
置等レーザ光を用いる他のシステムにも適用することが
できる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明は、集光レンズをその光軸の方
向に移動させたときの光像検出手段の出力変化から焦点
位置を演算するようにしたので一比較的小形、軽量の集
光レンズを移動制御すれば足り、一般に大形、重量物と
なる加工テーブルの移動制御は不要となり、検出装置が
小形、軽量、安価となる。

また、光像検出手段の出力から焦点位置とのズレ量を検
出し、そのズレ量が零になるよう、集光レンズをその光
軸の方向に移動制御するようにしたので一機構が小形−
軽量、安価となり、かつ迅速な焦点追随が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例におけるレーザ加工装置用
焦点位置検出装置を示す構成図、第２図は関連する他の
発明の一実施例におけるレーザ加工装置用焦点追随機構
を示す構成図、第３図は第２図の焦点検出センサーの詳
細を示す構成図、第４図は従来のレーザ加工装置用焦点
位置検出装置を示す構成図である。 図において、（１）は加工用レーザ光−（３）は集光レ
ンズ、（５）は被照射物としての加工面、（８）は検出
用レーザ光、（９）（至）は検出用レーザ発生手段とし
ての検出用レーザ発振器、ｎ１ｌＢは光像、（ｌυは光
像検出手段としての光電変換手段、（１９は焦点位置演
算手段、翼は光像検出手段としての検出用レーザ検知セ
ンサー、（４Ｇは集光レンズ移動制御手段である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ光を集光レンズを介して被照射物に集光させ
   るレーザ装置の上記レーザ光の焦点位置を検出するもの
   において、上記レーザ光の光軸と同一の光軸から上記集
   光レンズを介して上記被照射物に集光させる検出用レー
   ザ光を出射する検出用レーザ発生手段と、上記被照射物
   上に結像された上記検出用レーザ光による光像の反射光
   を受光する光像検出手段と、上記集光レンズをその光軸
   の方向に移動させたときの上記光像検出手段の出力変化
   から上記焦点位置を演算する焦点位置演算手段とを備え
   たことを特徴とするレーザ装置用焦点位置検出装置。 ２、レーザ光を集光レンズを介して、被照射物に集光さ
   せるレーザ装置の焦点追随機構において、上記レーザ光
   の光軸と同一の光軸から上記集光レンズを介して上記被
   照射物に集光させる検出用レーザ光を出射する検出用レ
   ーザ発生手段と、上記被照射物上に結像された上記検出
   用レーザ光による光像の反射光を受光する光像検出手段
   と、この光像検出手段の出力値と焦点位置での光像に対
   する出力値に相当するものとして予め設定された値との
   ズレ量を検出し、このズレ量が零となるように上記集光
   レンズをその光軸の方向に移動制御する集光レンズ移動
   制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ装置用焦点
   追随機構。