JPH063186A - レーザ光検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】簡単な機構で短時間に、かつ、正確に、レーザ
光の横モードと時間的変動を検出することのできるレー
ザ光検出装置を得ること。 【構成】点Ｍを軸として旋回して、レーザ光の光束Ａを
先端で横切る丸棒１Ａを設ける。レーザ光の光束Ａの左
右に、複数のパイロ検出器２ｘ１〜２ｘ10と２ｙ１〜２
ｙ10を配置する。各パイロ検出器で検出されたレーザ光
の光束Ａの各反射点のレーザ光のビームの強度と、丸棒
の旋回角の検出値をマイクロコンピュータ６に入力し演
算して、レーザ光の光束Ａの横モードを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ装置から出射さ
れたレーザ光の光軸の位置や強度分布を検出するレーザ
光検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、炭酸ガスレーザ加工機等に使わ
れるレーザ装置においては、大形化や動作軸の増加によ
る複雑化に伴い、レーザ光の伝送路は長く、かつ、複雑
になる。このようなレーザ装置では、例えば、レーザ光
の伝送路の構成部品の温度上昇や光学部品の変形及び劣
化等によって、レーザ光の光軸やレーザ光のビームの空
間分布、いわゆる横モードが変化することがある。この
横モードが変化すると、レーザ加工に必要なパワーと加
工精度の低下をきたすことになるため、レーザ装置で
は、レーザ光の光軸の位置やレーザ光のビームの空間分
布を監視する必要がある。

【０００３】このため、従来、例えば図６（ａ）に示す
ように、光束Ａを直角に横切るように細いモリブデン材
の丸棒41を旋回させて、先端を一方向（例えば図６
（ａ）のＸ軸方向）に移動させ、この丸棒41による反射
光の強さを２箇所で検出して、レーザ光のパワーの分布
を測定するようにしたレーザ光検出装置が実用化されて
いる。図６（ａ）は、光軸の方向から見たレーザ光検出
装置を示す図で、丸棒41は、点Ｍを通りレーザ光の光束
Ａに直角（すなわち紙面に平行）な面にモータ等により
旋回するようになっており、光束Ａの両側には、この丸
棒41で反射されたレーザ光の強度を検出するパイロ検出
器42，43が光束Ａを挟んで向かい合うように配置されて
いる。パイロ検出器42，43の位置を、丸棒41の回転面に
投影した位置をそれぞれＤ１，Ｄ２とすると、弧ＭＤ
１，ＭＤ２は、同じ長さで直角に点Ｒで交わっている。
この丸棒41とパイロ検出器42，43は、図示しないモー
タ，送りねじやリニアガイド等で、図６（ａ）のＸ，Ｙ
方向に移動する図示しないステージに組み付けられてい
る。

【０００４】このように構成されたレーザ光検出装置に
おいて、丸棒41に照射されたレーザ光は、丸棒41の軸方
向に対して直角に反射されるので、パイロ検出器42，43
で検出されるレーザ光は、図６（ａ）の位置にある場
合、それぞれ丸棒41のＤ１，Ｄ２の垂線上の点Ｊおよび
点Ｋの部分で反射された光だけとなる。丸棒41の旋回に
伴ってパイロ検出器42，43にレーザ光を反射する位置
は、図６（ａ）に示すような軌跡、すなわち、直線ＭＤ
１，ＭＤ２を直径とする二つの円周となり、この２本の
円周の軌跡の交点Ｒでは、それぞれの接線が直角に交わ
っている。丸棒41が交点Ｇから交点Ｈに移動するときの
パイロ検出器42の出力は、例えば図６（ｂ）のようにな
り、弧ＧＲＨに沿ってスキャンできることになる。

【０００５】すなわち、丸棒41を等速旋回させながらパ
イロ検出器42，43の出力を観測すると、弧ＧＲＨに沿っ
た位置での二次元のレーザ光の強さの分布を検出するこ
とができる。交点Ｒがレーザ光の中心付近を通って光束
全体を通過するように、Ｘ方向に微少に移動させながら
パイロ検出器42，43の出力を観測すると、光束全体のレ
ーザ光の強さの分布を検出することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
構成されたレーザ光検出装置においては、パイロ検出器
42，43などが組み付けられたステージは、Ｘ軸方向に微
少に移動して光束全体を横切るため、移動の最初と最後
に観測したレーザ光では、移動に要した時間だけ検出時
点がずれることになる。したがって、このレーザ光検出
装置では、測定に時間がかかるだけでなく、発振器の状
態等によって、もし、レーザ光の強さが時間的に変動し
ても、それを検出することができない。

【０００７】すなわち、観測されたデータに空間的な強
度の分布と、時間的な変動の両方が混合することにな
り、それらを区別できないために、観測されたデータの
信頼性が低下するおそれがある。したがって、このレー
ザ光の光軸の位置やパワーの空間分布、その時間的変動
の程度を正確に観測できない従来のレーザ光検出装置を
備えたレーザ加工装置では、均一な加工精度を維持する
ことができなくなるおそれがある。また、移動ステージ
には、駆動機構やガイド機構が必要になるため、レーザ
光検出装置の機構が複雑で大形になる。

【０００８】そこで、本発明の目的は、簡単な機構で短
時間に、かつ、正確に、レーザ光の横モードだけでな
く、その時間的変動も検出することのできるレーザ光の
検出装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ光検出装
置は、旋回装置で駆動されレーザ光を横切る反射棒と、
レーザ光の両側に配設された複数の光電素子と、反射棒
で反射され光電素子で受光されたレーザ光の信号と反射
棒の旋回動作の信号が入力され、レーザ光の分布を演算
する演算手段を備えたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】レーザ光の断面の複数の点のレーザ光の強度
は、旋回する反射棒で反射されたレーザ光を受光した複
数の光電素子で検出され、複数の反射点の位置は、反射
棒の旋回角で検出される。これらのレーザ光の強度と反
射点の位置から、レーザ光の強度分布が演算手段で演算
される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明のレーザ光の検出装置の一実施
例を図面を参照して説明する。図１において、Ａは、図
示しないレーザ発振器から出射され、図示しないレーザ
加工機に伝送されるレーザ光の光束の断面を示す。丸棒
１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、パルスエンコーダ等の回転角検出
器を備えたモータで点Ｍを軸として紙面に直角な軸周り
に旋回して、レーザ光の光束Ａを直角に横切るように構
成され、丸棒１Ａの軸心は点Ｍを通り、丸棒１Ｂ，１Ｃ
は、点Ｍからそれぞれｅだけ離れた位置に丸棒１Ａに対
して対称となるように、 120°間隔で組み付けられてい
る。光束Ａの両側には、これらの丸棒１Ａ，１Ｂ，１Ｃ
で反射されたレーザ光の強度を検出するパイロ検出器２
ｘ１，２ｘ２，２ｘ３，…，２ｘ10とパイロ検出器２ｙ
１，２ｙ２，２ｙ３，…，２ｙ10が、点Ｍを中心とする
半径２Ｒの弧上に等間隔に配置されている。

【００１２】図２は、本発明のレーザ光の検出装置の制
御装置の構成を示すブロック図で、３は、図１で示すパ
イロ検出器２ｘ１，２ｘ２，２ｘ３，…，２ｘ10と、パ
イロ検出器２ｙ１，２ｙ２，２ｙ３，…，２ｙ10の出力
信号を増幅するアンプ、４は、アンプ３の出力をディジ
タル信号に変換するＡＤ変換器、５は、ＡＤ変換器４の
出力を記憶するバッファメモリ、６は、表示装置やキー
ボード等の入出力カインタフェースやメモリ等の周辺機
器を備え、バッファメモリ５に記憶されたデータを演算
処理するマイクロコンピュータで、７は、丸棒１Ａの旋
回駆動部に取り付けられた回転角検出器である。

【００１３】次に、このように構成されたレーザ光検出
装置の作用について図３を参照して説明する。レーザ光
は、丸棒１Ａの軸方向に対して直角に反射されるので、
図３の複数の等間隔の弧で示した部分のレーザ光が、丸
棒１Ａの旋回に伴って各パイロ検出器２ｘ１〜２ｘ10，
２ｙ１〜２ｙ10に反射される。すなわち、光束の軸方向
から見て、点Ｍと各パイロ検出器２ｘ１，２ｘ２，２ｘ
３，…，２ｘ10，２ｙ１，２ｙ２，２ｙ３，…，２ｙ10
とを結ぶ線を直径とする半円に沿ってレーザ光束をスキ
ャンすることになる。スキャンされたデータは、アンプ
３からＡＤ変換器４を経て、バッファメモリ５に記憶さ
れ、パルスエンコーダから送られた丸棒１Ａの旋回角の
情報とともに、マイクロコンピュータ６に取り込まれ
る。丸棒１Ａの旋回速度を3000rpm とすると、20msで１
回転するので、レーザ光の光束Ａを横切るために要する
時間は、数ms程度となる。

【００１４】ここで、複数の弧によってスキャンされる
点の座標と、丸棒１Ａの旋回角との関係を、図４で説明
する。図４において、Ｘ軸とＹ軸を図４のようにとり、
丸棒１Ａの旋回の軸となる点Ｍを原点（０，０）とし、
丸棒１ＡのＸ軸からの旋回角をθ、パイロ検出器２ｉ
（ｉ＝ｘ１，‥，ｘ10，ｙ１，‥，ｙ10）と点Ｍとの距
離を２Ｒ、パイロ検出器２ｉの位置と点Ｍとを結ぶ線と
Ｘ軸でなす角度をφｉとすると、スキャンの半円の中心
Ｃφｉの座標（Ｃφｉｘ，Ｃφｉｙ）は、 Ｃφｉｘ＝Ｒ cosφｉ …（１） Ｃφｉｙ＝Ｒ sinφｉ …（２） となり、スキャンの円周の点（ｘ，ｙ）は、 （ｘ−Ｒ cosφｉ）² ＋（ｙ−Ｒ sinφｉ）² …（３） で表される。また、丸棒１Ａの軸心上の点の座標（ｘ，
ｙ）は、原点からの距離をｒとすると、 ｘ＝ｒ cosθ …（４） ｙ＝ｒ sinθ …（５） したがって、（４），（５）式を（３）式に代入する
と、 （ｒ cosθ−Ｒ cosφｉ）² ＋（ｒ sinθ−Ｒ sinφｉ）² ＝Ｒ² …（６） となり、これをｒについて解くと、 ｒ＝０ …（７） ｒ＝２Ｒ cos（φｉ−θ） …（８） となる。これをさらに（５）式に代入して、丸棒１Ａの
角度θのときにφｉの位置にある検出器に反射されるレ
ーザ光の位置Ｐ（Ｐθφｉｘ，Ｐθφｉｙ）は、 Ｐθφｉｘ＝２Ｒ cos（φｉ−θ） cosθ …（９） Ｐθφｉｙ＝２Ｒ cos（φｉ−θ） sinθ …（10） と表すことができ、丸棒１Ａの旋回角θから演算でき
る。Ｙ軸側にあってＸ軸からの角度がφｉ’の位置にあ
るパイロ検出器２ｉ’に反射されるレーザ光の位置Ｐ’
（Ｐθφｉ’ｘ，Ｐθφｉ’ｙ）も同様に、 Ｐθφｉ’ｘ＝２Ｒ cos（φｉ’−θ） cosθ …（11） Ｐθφｉ’ｙ＝２Ｒ cos（φｉ’−θ） sinθ …（12） と表すことができる。

【００１５】したがって、パイロ検出器の出力を位置の
関数として観測することができ、パイロ検出器２ｉ（ｉ
＝ｘ１，‥，ｘ10，ｙ１，‥，ｙ10）の個数と同じ本数
の半円でレーザ光の断面をスキャンすることができる。
レーザ光束の両側に複数のパイロ検出器を配置している
ので、レーザ光束を格子状にスキャンすることができ、
レーザ光の強度の空間分布が分かる。得られた強度の空
間分布から、所定のしきい値以上の出力が検出される領
域の大きさを演算することにより、レーザ光束の大きさ
が分かり、さらに、その中央の点や重心の位置を演算す
ることにより、レーザ光の光軸の位置を知ることができ
る。

【００１６】次に、点Ｍからｅだけ偏心して取り付けら
れた丸棒１Ｂ，１Ｃによって反射されるレーザ光の位置
について、図５を用いて説明する。ここで、丸棒１Ｂ，
と丸棒１Ｃの回転中心Ｍを原点（０，０）とし、丸棒１
Ｂと１ＣとＸ軸との角度をθ、パイロ検出器２ｉ（ｉ＝
ｘ１，‥，ｘ10，ｙ１，‥，ｙ10）と点Ｍとの距離を２
Ｒ、パイロ検出器２ｉの位置と点Ｍとを結んだ線とＸ軸
との角度をφｉとする。丸棒１Ｃで反射されるレーザ光
の位置Ｑは、偏心していない場合の反射位置Ｐから（−
ｅ sinθ，ｅ cosθ）離れた点となるから、点Ｑの座標
（Ｑθφｉｘ，Ｑθφｉｙ）は、丸棒１Ａの場合と同様
に、 Ｑθφｉｘ＝２Ｒ cos（φｉ−θ） cosθ−ｅ sinθ …（13） Ｑθφｉｙ＝２Ｒ cos（φｉ−θ） sinθ＋ｅ cosθ …（14） となる。

【００１７】同様にして、丸棒１Ｃと反対側に偏心して
取り付けられた丸棒１Ｂが回転角θのときに、パイロ検
出器２ｉに反射されるレーザ光の位置Ｓの座標（Ｓθφ
ｉｘ，Ｓθφｉｙ）は、 Ｓθφｉｘ＝２Ｒ cos（φｉ−θ） cosθ＋ｅ sinθ …（15） Ｓθφｉｙ＝２Ｒ cos（φｉ−θ） sinθ−ｅ cosθ …（16） と表すことができる。丸棒１Ｂ，１Ｃによる２本のスキ
ャンラインが、丸棒１Ａによるスキャンラインの間にほ
ぼ等間隔に入るように、その偏心量ｅを設定しておく
と、パイロ検出器を増やすことなく、スキャンラインを
増やすことができる。すなわち、（パイロ検出器の個数
×丸棒の半数）に対応したスキャンラインを得ることが
できる。

【００１８】次に、複数のパイロ検出器の出力を較正す
る方法について、再び図３を用いて説明する。レーザ光
束の中央付近のスキャンラインを基準ラインとして定
め、その基準ラインと他のスキャンラインとの交点で
は、それぞれのパイロ検出器の出力レベルは等しいとす
る。そのためには、まず、二列のパイロ検出器群のう
ち、２ｘ側のほぼ中央のパイロ検出器２ｘ５のスキャン
ライン１ｘ５と、２ｙ側のパイロ検出器２ｙ１，２ｙ
２，２ｙ３…，２ｙ10のスキャンラインとの交点を求め
る。２ｙ側のパイロ検出器群のそれぞれのスキャンライ
ンのうち、その交点を通過時にサンプリングされたデー
タと、パイロ検出器２ｘ５のスキャンラインの交点でサ
ンプリングされたデータとが、同じ値になるように、２
ｙ側のパイロ検出器群のそれぞれのスキャンラインのデ
ータにかける補正係数を演算し、補正する。

【００１９】次に、同様に補正係数がかけられた２ｙ側
のパイロ検出器群のほぼ中央のパイロ検出器２ｙ５のス
キャンライン１ｙ５のデータと、２ｘ側のパイロ検出器
群のパイロ検出器２ｘ５以外のスキャンラインのデータ
とが、その交点において同じ値になるように、２ｘ側の
パイロ検出器群のスキャンラインのデータにかける係数
を演算し、補正する。丸棒１Ｂ，１Ｃによるスキャンラ
インについても、同様に補正を行う。これらの補正処理
演算により、複数のパイロ検出器の出力を較正すること
ができる。

【００２０】ところで、このパイロ検出器は、温度変化
に比例した電流を出力するものであるが、素子の熱容量
及び放射係数や信号処理回路などに依存した応答特性を
持っている。そのため、旋回する丸棒からの反射光のよ
うに、短い時間に変動するパルス状の光がパイロ検出器
に照射される場合に、その出力が光の強さに比例した値
だけでなく、歪を含むことがある。本発明のレーザ光検
出装置においては、応答特性が分かっているときには、
演算処理によって歪を修正するようにしてもよい。これ
により、検出結果の歪を減らすことができる。

【００２１】したがって、このように構成されたレーザ
光検出装置においては、 （１）複数個のパイロ検出器をレーザ光束の両側に並べ
て丸棒を旋回させるだけで、レーザ光束を格子状にスキ
ャンすることができるので、レーザ光の強度の空間的分
布と時間的変動とを短時間に区別して検出できる。ま
た、パイロ検出器などをスライドさせる機構も不要とな
る。

【００２２】（２）丸棒１Ｂ，１Ｃを、丸棒１Ａと偏心
させて取り付け、その旋回で丸棒１Ａによるスキャンラ
インの間をスキャンできるようにしたので、スキャンの
間隔をパイロ検出器の設置によって決まる間隔よりも細
かくすることができる。

【００２３】（３）ＡＤ変換器４に入力されたパイロ検
出器の出力をバッファメモリ５に記憶させたので、パイ
ロ検出器の出力を十分小さいサンプリング時間でＡＤ変
換してバッファメモリ５に記憶させた後に演算処理する
ことができるので、過大な処理能力のマイクロコンピュ
ータを使用する必要がない。

【００２４】（４）レーザ光束の中央付近のスキャンラ
インと他のスキャンラインとの交点で、それぞれのパイ
ロ検出器の出力レベルが等しくなるように補正している
ので、パイロ検出器やその処理回路の特性のばらつきを
較正できる。しかも、手作業による煩雑な調整ではな
く、ソフトウェアによる演算処理によって行うので、自
動化が容易である。

【００２５】

【発明の効果】以上、本発明によれば、旋回装置で駆動
されレーザ光を横切る反射棒と、レーザ光の両側に配設
された複数の光電素子と、反射棒で反射され光電素子で
受光されたレーザ光の信号と反射棒の旋回動作の信号が
入力され、レーザ光の分布を演算する演算手段を備える
ことで、レーザ光の断面の複数の点のレーザ光の強度
を、旋回する反射棒で反射されたレーザ光を受光した光
電素子で検出し、複数の反射点の位置を、反射棒の旋回
角で検出し、これらのレーザ光の強度と反射点の位置か
ら、レーザ光の強度分布を演算手段で演算して検出した
ので、簡単な機構で短時間に、かつ、正確に、レーザ光
の横モードと時間的変動を検出することのできるレーザ
光検出装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ光検出装置の一実施例を示す
図。

【図２】本発明のレーザ光検出装置の制御装置の構成を
示すブロック図。

【図３】本発明のレーザ光検出装置の丸棒の回転角とス
キャンラインとの関係を示す説明図。

【図４】本発明のレーザ光検出装置のレーザ光がスキャ
ンされる座標を反射棒の回転角と光電素子の位置とから
演算する方法を示す説明図。

【図５】本発明のレーザ光検出装置の偏心させて取り付
けた反射棒の作用を説明する図。

【図６】（ａ）は、従来のレーザ光検出装置の一例を示
す図。（ｂ）は、従来のレーザ光検出装置で検出された
レーザ光の横モードの検出結果の一例を示す図。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…反射棒としての丸棒、２ｘ１〜２ｘ
10，２ｙ１〜10…光電素子としてのパイロ検出器、３…
アンプ、４…ＡＤ変換器、５…バッファメモリ、６…マ
イクロコンピュータ、７…回転角検出器、Ａ…レーザ光
の光束。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 旋回装置で駆動されレーザ光を横切る反
   射棒と、前記レーザ光の両側に配設された複数の光電素
   子と、前記反射棒で反射され前記光電素子で受光された
   前記レーザ光の信号と前記反射棒の旋回動作の信号が入
   力され、前記レーザ光の分布を演算する演算手段とより
   なるレーザ光検出装置。