JPH04226417A - 高出力レーザービームの焦点位置を三次元的に制御するための測定方法とその装置 - Google Patents

高出力レーザービームの焦点位置を三次元的に制御するための測定方法とその装置

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JPH04226417A
JPH04226417A JP3094272A JP9427291A JPH04226417A JP H04226417 A JPH04226417 A JP H04226417A JP 3094272 A JP3094272 A JP 3094272A JP 9427291 A JP9427291 A JP 9427291A JP H04226417 A JPH04226417 A JP H04226417A
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JP
Japan
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laser beam
beam splitter
focus
focused
quadrant detector
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Withdrawn
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JP3094272A
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English (en)
Inventor
Michael Gorriz
ミヒヤエル・ゴリツ
Adolf Giesen
アドルフ・ギーセン
Stefan Borik
シユテフアン・ボリク
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Messerschmitt Bolkow Blohm AG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

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】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、レーザービームの傾
きおよび焦点深度のずれを測定しながら、高出力レーザ
ービームの焦点位置を三次元制御する方法とこの方法を
実行する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザービームを用いて材料を加工する
場合、ビームをできる限り正確に位置決めして集束させ
ることが必要である。この目的を達成する多数の提案が
知られている。例えば、ドイツ特許第　３２　０２　４
３２　Ｃ２　号明細書により、第二レーザービーム光源
と一緒に動作し、目標を観察しながら、ビームの垂直な
平面で位置を修正するが、焦点深度は修正していない系
が知られている。同じことは、ドイツ特許第　３４　０
６　６７７　Ａ１　号明細書の装置にも当て嵌まる。更
に、ドイツ特許第　３８　００４２７　Ａ１号明細書に
より、レーザー光源と加工品の間の間隔を制御すること
も後置である。この場合、二つの分離した検出素子で焦
点を求めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、加
工している間に加工すべき材料の表面の傾きに無関係に
、ビームがビーム方向の軸に垂直ずれないだけでなく、
ビーム方向の軸に沿った焦点のずれも測定し、加工して
いる間に位置制御することができる、測定方法とその制
御装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、レーザービームの傾きと焦点のずれを測定して
高出力レーザービームの焦点位置を三次元的に制御する
ための測定方法の場合、レーザービームＳの全断面にわ
たって拡がるビームスプリッタＳＴによって、レーザー
ビームの一部Ｓｍ　を強度に応じて取り出し、非点収差
を発生する光学系Ｖ／Ｚで象限検出器Ｑ上に集束させ、
電子回路によって、象限検出器Ｑ上で焦点のずれとビー
ムの傾きに応じて発生した種々のパターンおよびパター
ン位置を評価し、それに応じた制御信号ＫＦ，ＫＴｘ，
　ＫＴｙを発生させることによって解決されている。
【０００５】上記の課題は、この発明により、レーザー
ビームの傾きと焦点のずれを測定して高出力レーザービ
ームの焦点位置を三次元的に制御する装置の場合、この
装置にレーザービームＳの全断面にわたって拡がるビー
ムスプリッタＳＴが配設してあり、このビームスプリッ
タを用いてレーザービームの一部Ｓｍを強度に応じて取
り出し、この装置に非点収差を発生させる光学系Ｖ／Ｚ
が配設してあり、この光学系を用いて取り出したビーム
を象限検出器Ｑに集束させ、種々のパターンとパターン
位置に応じて電気測定ないし制御信号ＫＦ，ＫＴｘ，　
ＫＴｙを発生させるため、電子装置が装備してあること
によって解決されている。
【０００６】他の有利な構成は、特許請求の範囲の従属
請求項に記載されている。
【０００７】
【実施例】この発明を、以下に図面に基づき実施例を用
いてより詳しく説明する。
【０００８】図１には、この発明による装置の光学部品
が模式的に示してある。この装置はビームスプリッタＳ
Ｔ、絞りＢとレンズ対またはレンズ系Ｖ／Ｚとを備えた
集束装置および象限検出器Ｑで構成されている。
【０００９】先ず、ビームＳがビームスプリッタＳＴに
入射し、このビームスプリッタによって作業ビームＳａ
　と測定ビームＳｍ　に分割される。このビームスプリ
ッタは、複数の穴を備えた一個の鏡で構成されている。 これ等の穴は正方形に配設されていて、全体の表面に対
して穴の表面の表面比が所望の透過率Ｔに一致するよう
な大きさにされている。ａを穴の直径とし、ｂを穴と穴
の間隔とすると、Ｈａｒｖｅｙ，　Ｊ．　Ｅ．，　Ｓｃ
ｏｔｔ，　Ｍ．　Ｌ．　（１９８０），　ＳＰＩＥ　２
４０，　２３２　により、 Ｔ＝π／４　＊　ａ２　Ｉ　ｂ２ となる。
【００１０】透過では、これ等のビームは集束し、穴の
格子構造によって決まる回折パターンを得る。反射では
、主要部は０次になり、全体では僅かなパーセントの次
の次数がなくなり、
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】 ここで、ＰＲ　は種々の次数での出力、Ｐ０　は入射し
た全出力、Ｒは反射係数である。この場合、一般にｓｏ
ｍｂ（ｘ）　＝　２　Ｊ１（πｘ）／　πｘ　で、 Ｊ１　＝１次のベッセル関数 である。
【００１３】透過では、同様に多数の次数が生じる。そ
の場合、０次には最も大きい強度になるが、次の次数で
はかなり大きい。
【００１４】
【数３】 従って、０次に対して、
【００１５】
【数４】 となる。
【００１６】これ等に対して何れの次数も元のビームの
フラウンホーハ領域の正確な結像である。それ故、ここ
では、ビームを診断できる可能性が生じる。この方法の
難点は、ビーム出力の位置がより高次の回折次数になる
点にある。
【００１７】穴と穴の間隔は回折次数の間隔を定める。 これに反して、半径は出射強度を定める。これ等のパラ
メータを要求に合わせる必要がある。実施例で説明する
装置では、３ｍｍの穴間隔と　０．５　ｍｍ　の穴径を
使用する。 これは透過係数がＴ＝２．２　＊　１０−２となる。
【００１８】ビームスプリッタＳＴの背後の球面レンズ
を使用して、ビームを集束させる。焦点では、正方形の
穴絞りＢのより高い次数は絞りで排除される。後続する
レンズの組み合わせＶ／Ｚを用いると、像が拡大する、
そして非点収差が、例えば、 Ｂｒｉｃｏｔ，　Ｃ．，　Ｌｅｈｕｒｅａｕ，　Ｊ．　
Ｃ．，　Ｐｕｅｃｈ，Ｃ．，　Ｌｅ　Ｃａｒｖｅｎｎｅ
ｃ，　Ｆ．　（１９７６），ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　
Ｃｏｎｓｕｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．　ＣＥ−２２，
　３０４　 でも記載されているように、導入される。こうして、図
２に示してあるように、ｘ方向とｙ方向で異なった二つ
の焦点が生じる。つまり、子午線焦点Ｆｍ　と矢状焦点
ＦＳ　が生じる。中間の点で最大のシャープさになる。 ここには、四つの区間Ｓ１，・・Ｓ４　を有する焦点検
出器Ｑが配設されている。ビームの傾斜と焦点の位置に
応じて、種々の像が検出器の上に生じる。その特徴は図
３から読み取れる。象限検出器の出力端の信号にＱ１　
・・・Ｑ４　が付けてある。制御機構の修正量ハＫＴｘ
，　ＫＴｙとＫＦ　であり、ｘとｙ方向の傾斜および要
点を調節するために使用される。これ等の修正量は、以
下のように計算される。
【００１９】ＫＴｘ＝　　Ｑ１　−Ｑ３　ＫＴｙ＝　　
Ｑ２　−Ｑ４　 ＫＦ　＝（Ｑ１　＋Ｑ３　）−（Ｑ２　＋Ｑ４　）図３
で理解できるように、焦点の修正前に、先ず傾斜のずれ
が対応する駆動部で相殺される。何故なら、焦点の修正
は傾斜していないビームで行われるからである。
【００２０】図５には、評価のために使用される電子回
路のブロック回路図が示してある。区分Ｓ１　・・・Ｓ
４　を有する象限検出器Ｑから出た信号Ｑ１，・・・Ｑ
４　がそれぞれ、例えば演算増幅器によって増幅される
。その後に帯域濾波器が続く。この濾波器は測定分割器
の周波数に合わせてある。この分割器はビーム通路の絞
りＢの近くに置くと効果的である。測定分割器と濾波増
幅器の上記組合せは、Ｓ／Ｎ比を大きくするために使用
される。 更に、この実施例で使用されている光電検出器の場合に
物理的理由から必要である。次いで、これ等の信号は電
圧制御される整流器（ＲＭＳ／ＤＣ変換器）で直流電圧
信号に変換される。全ての信号Ｑ１　・・・Ｑ４　は演
算増幅器で加算される。アナログ分割器によって、規格
化された信号が発生する。
【００２１】次にアナログ演算回路が続く。この回路も
演算増幅器で構成されていて、補正量ＫＦ，ＫＴｘ，　
ＴＴｙを求める。これ等の量は最終増幅段で増幅される
。
【００２２】上記信号によって、この発明による制御に
適合する光学部材を駆動することができる。
【００２３】具体例 系は焦点変動を２％まで、ビーム傾斜を　１．５　ｍｒ
ａｄ　に制御する必要がある。ｆ＝　１２５　ｍｍ　の
集束光学系の場合、これは±２ｍｍの焦点誤差で　０．
２２　ｍｍの傾きになる。ビームの直径は　５０　ｍｍ
まですべきである。
【００２４】ビームスプリッタＳＴは５°以内で設置す
る必要がある。原理的には、穴の間隔は一方の方向で幾
分大きくする必要がある。誤差は５°の場合１％より小
さい。図４から寸法を知ることが出来る。この場合、ビ
ームスプリッタの直径は　５５　ｍｍで、穴の間隔が３
ｍｍで、二段穴の直径は入射側（深さ９ｍｍ）で　１．
５　ｍｍ　で、出射側（　深さ１ｍｍ）で　０．５　ｍ
ｍ　である。ビームスプリッタの厚さは　１０　ｍｍで
ある。穴の位置決めは一個の穴が中心に来るように選択
された。焦点ｆＦ　を有する集合レンズＬはできる限り
ビームスプリッタＳＴの近くに配設された。
【００２５】０次と１次の回折次数のビームの間隔は焦
点で、 ｃ＝ｆ＊　λ／ｂ　　＝　１．７７　ｍｍである。正方
形の穴絞りＢが正確に焦点を結ぶと、０次のビームを通
す。内径は１．６　ｍｍ　になる。傾きが　１．５　ｍ
ｒａｄ　であると、０次のビームのずれｄは、ｄ＝　１
．５　ｍｒａｄ　＊　５００　ｍｍ　　＝　０．７５　
ｍｍとなり、０次ビームが完全に透過する程度に小いさ
い。
【００２６】この穴絞りＢには二倍の拡大率の光学系が
後続している。この光学系の球面レンズは焦点距離が　
ｆＶ　＝　１００　ｍｍ　である。円柱レンズＺは　ｆ
Ｚ　＝　１０００　ｍｍである。両方のレンズＶとＺは
直接並んでいるので、計算には以下の式が当てはまる。 即ち、 １／ｆｍ　＝　１／ｆＶ　＋　１／ｆＺ　＝＞　９０．
９　ｍｍｆｓ　＝　ｆＶ　　　　　　　　　　　＝　　
１００　　　ｍｍここで、　ｆｍ　は子午方向の焦点で
、　ｆｓ　は矢状方向の焦点である。従って、中間の焦
点は約　９５　ｍｍである。拡大率が２の場合、対象物
の幅ｇが　１４２．５　ｍｍ　で中間像の幅ｂが　２８
５　ｍｍ　となる。レンズの組合わせＶ／Ｚは絞りＢか
ら間隔ｇに設置される。検出器Ｑはレンズ組合わせＶ／
Ｚから間隔ｂにある。
【００２７】焦点の像、つまり対象物の幅が焦点誤差に
よって変わると、像の幅も変わる。子午線方向の像幅と
矢状方向の像幅を符号ｂｍ　とｂｎで表す。
【００２８】下表に種々の対象物の幅に対する値を示す
（全て単位は　ｍｍ　である） ｇ　　＝　　１４２．５　　　　　　　　１５２．５　
　　　　　　　１３２．５　ｂｍ　＝　　２５１．０　
　　　　　　　２２５．０　　　　　　　　２８９．５
　ｂｓ　＝　　３３５．５　　　　　　　　２９０．５
　　　　　　　　４０７．７　対象物の幅が約　１０　
ｍｍ以下で変わると、検出器は子午線方向の像と矢状方
向の像の間に留まる。これは、常時正しい制御信号を得
るのに必要である。
【００２９】検出器としては、有効面が各方向にそれぞ
れ±２ｍｍの光電象限検出器を使用する。この検出器の
前に　２００　Ｈｚ　のチョッパーもある。このチョッ
パーは、上に説明したように、測定信号を分割するため
に使用される。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したこの発明の構成により、材
料加工用の高出力レーザー光源のビームが加工する材料
の表面特性に無関係にビーム軸に対する垂直方向のずれ
ないだけでなく、焦点がビーム軸に沿ってずれこともな
い。従って、加工期間中レーザービームの三次元位置を
正しく制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による装置の光学部材の模式図である
。
【図２】発生した非点収差による測定ビームの焦点位置
を模式的に示す図である。
【図３】象限検出器上で生じた焦点の配置を示す模式平
面図である。
【図４】使用するビームスプリッタの平面図（ａ）と断
面図（ｂ）および断面の一部を拡大した部分断面図（ｃ
）である。
【図５】この発明による装置の評価部分のブロック回路
図である。
【符号の説明】
Ｓ　　　　　　　　ビーム ＳＴ　　　　　　ビームスプリッタ Ｓａ　　　　　　　作業ビーム Ｓｍ　　　　　　　測定ビーム Ｔ　　　　　　　　透過率 ａ　　　　　　　　穴径 ｂ　　　　　　　　穴間隔 ＰＲ　　　　　　　出力 Ｐ０　　　　　　　全出力 Ｆｍ　　　　　　　子午線方向の焦点 Ｆｓ　　　　　　　矢状方向の焦点 Ｆ　　　　　　　　最大焦点深度 Ｑ　　　　　　　　象限検出器 Ｓ１　・・・Ｓ４　　　象限区分 Ｑ１　・・・Ｑ４　　　象限検出器の信号出力ＫＴｘ，
　ＫＴｙ，　ＫＦ　　　　　傾斜と焦点の補正量Ｖ　　
　　　　　　球面レンズ Ｚ　　　　　　　　円柱レンズ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　レーザービームの傾きと焦点のずれを
    測定して高出力レーザービームの焦点位置を三次元的に
    制御するための測定方法において、レーザービーム（Ｓ
    ）の全断面にわたって拡がるビームスプリッタ（ＳＴ）
    によって、レーザービームの一部（Ｓｍ　）を強度に応
    じて取り出し、非点収差を発生する光学系（Ｖ／Ｚ）で
    象限検出器（Ｑ）上に集束させ、電子回路によって、象
    限検出器（Ｑ）上で焦点のずれとビームの傾きに応じて
    発生した種々のパターンおよびパターン位置を評価し、
    それに応じた制御信号（ＫＦ，ＫＴｘ，ＫＴｙ）を発生
    させる、ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】　　レーザービーム（Ｓ）の断面にわたっ
    て格子状に分配された穴を有する鏡面仕上げしたビーム
    スプリッタ（ＳＴ）によってレーザービームの一部（Ｓ
    ｍ　）を取り出し、穴の格子構造によって生じる回折パ
    ターンを中心においた正方形の穴絞り（Ｂ）上に集束さ
    せ、この絞りで高次回折次数のビームを除去し、非点収
    差を発生する光学系（Ｖ／Ｚ）によって穴絞り（Ｂ）を
    通過したビームを象限検出器（Ｑ）上に集束させる、こ
    とを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】　　レーザービームの傾きと焦点のずれを
    測定して高出力レーザービームの焦点位置を三次元的に
    制御する装置において、この装置にレーザービーム（Ｓ
    ）の全断面にわたって拡がるビームスプリッタ（ＳＴ）
    が配設してあり、このビームスプリッタを用いてレーザ
    ービームの一部（Ｓｍ　）を強度に応じて取り出し、こ
    の装置に非点収差を発生させる光学系（Ｖ／Ｚ）が配設
    してあり、この光学系を用いて取り出したビームを象限
    検出器（Ｑ）に集束させ、種々のパターンとパターン位
    置に応じて電気測定ないし制御信号（ＫＦ，ＫＴｘ，　
    ＫＴｙ）を発生させるため、電子装置が装備してあるこ
    とを特徴とする装置。
  4. 【請求項４】　　ビームスプリッタ（ＳＴ）はレーザー
    ビームの断面に渡って格子状に配分された穴を有する鏡
    面仕上げした板であることを特徴とする請求項３に記載
    の装置。
  5. 【請求項５】　　装置には、高次回折次数のビームから
    ０次の回折次数のビームを選択する中心に置かれた正方
    形の穴絞りが配設してあることを特徴とする請求項４に
    記載の装置。
  6. 【請求項６】　　非点収差を発生させるため、付属する
    球面レンズ（Ｖ）の十倍の焦点を有する円柱レンズ（Ｚ
    ）が配設されていることを特徴とする請求項３〜５の何
    れか１項に記載の装置。
JP3094272A 1990-04-24 1991-04-24 高出力レーザービームの焦点位置を三次元的に制御するための測定方法とその装置 Withdrawn JPH04226417A (ja)

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JP (1) JPH04226417A (ja)
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