JPH07116882A - 放物面集光光学系の調整方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 放物面反射ミラーで反射したレーザ光の光軸
断面での形状を測定して反射ミラーのミスアライメント
調整をし、放物面反射ミラーを集光光学系として利用可
能にする。 【構成】 公転する回転板３の上に上下動自在な水平台
６を設け、その任意の位置で自転するアーム８を設け
る。アーム８の先端にはスリットマスク１０とその下方
に反射ミラー１１を設け、水平台６の端に光検出器１２
を対向して設ける。上記ミラー調整装置を、アーム８の
自転と回転板３の公転の回転比を適宜に選んでその中心
線がスリット上で一直線となるようにしてレーザ光の光
軸内に挿入し、レーザ光の断面形状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ光の放物面集
光光学系の調整方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームを用いて被加工物に切断、
穴あけなどの加工を施す場合、一般にレーザ発振器から
のレーザ光は被加工物に照射させる直前に設けられる反
射ミラーで反射され集光レンズを介して集光される。こ
の集光されるレーザビームの光強度が所定の強度分布を
有するかどうかが予め検知器により測定され、反射ミラ
ーの角度や集光レンズの被加工物に対する設定位置など
が調整された状態で加工が行われる。

【０００３】上述したレーザビームが低出力のものであ
る場合、上記反射ミラーとしてビームスプリッタが用い
られこのビームスプリッタを透過したレーザビームを測
定して光強度分布が求められる。レーザビームが、ＣＯ
₂ 、ＣＯ、ＹＡＧなどの高出力レーザのものである場合
は、回転円板から突出する中空軸の先端にピンホールを
設け、その先端部内の反射ミラーで直角に光軸を曲げて
ピンホールからのレーザ光を回転円板上の検知器へ導
き、中空軸を一定の回転速度で回転させてレーザ光の光
強度を測定する装置が用いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したレ
ーザビームの集光光学系に用いられている反射ミラーは
平面鏡が用いられ、従って、必ずレーザビームを集光す
るための集光レンズを必要とする。レーザビームの光学
系を形成する上で光学素子の点数は、コストやビームの
伝達効率の上からもできるだけ少なくするのが望まし
い。

【０００５】従って、上記反射ミラーと集光レンズに代
えて放物面集光反射ミラーを用いれば、光学素子の数を
減少させることができることは明らかであるが、放物面
集光光学系を用いる場合はその光学軸がわずかに傾いて
ミスアライメントを起こしても集光ビーム断面が円形か
ら楕円形状に変化し、集光効率が低下する。

【０００６】このような集光光学系のミスアライメント
を調整するためには、光軸上の任意の断面で楕円形状の
集光ビームの長軸と短軸の長さを測定しその非点隔差が
最小となるように放物面をレーザビーム入射角に対して
調整すると共に光軸に沿って移動してビーム形状を測定
し、上記調整をそれぞれの位置で行う必要がある。

【０００７】しかしながら、上述した従来の測定法では
単に特定のビーム断面位置で光強度分布を測定して光強
度を求めているだけであるため、ビームの任意の断面で
の楕円形状の長さを計測することも、あるいは、光軸に
沿って測定装置を移動させて測定をすることも困難であ
り、従って放物面集光光学系はレーザビームによる加工
装置には用いられていないのが現状である。

【０００８】この発明は、上述した従来のレーザ加工技
術の現状における問題点に留意して、放物面反射ミラー
で反射されるレーザ光の光軸断面での形状を光軸上の任
意の位置及びそれぞれの位置での光軸周りの角度位置で
測定して放物面反射ミラーのミスアライメントを調整
し、放物面集光光学系の利用を可能とする放物面集光光
学系の調整方法及び装置を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する手段
としてこの発明は、レーザ光を放物面反射ミラーで反射
して被加工物上に集光照射する放物面集光光学系の光路
内に、レーザ光を大部分遮断しスリット部分のみ通過さ
せるスリットマスク、スリットを通過した光を反射する
反射ミラー及びその反射光を検出する光検出器から成る
レーザ光測定部を挿入し、このレーザ光測定部を光軸に
沿って上下動させると共に任意の光軸上の位置で光軸を
中心として回転させて光路断面形状を測定し、任意の回
転角度での非点隔差Δが最小となるように放物面反射ミ
ラーの取付角度を調整する放物面集光光学系の調整方法
としたのである。

【００１０】この方法においては、前記スリットマスク
と反射ミラーを水平なアーム先端に設け、このアームを
光軸から所定の半径位置を中心として自転させると共
に、アーム自体を前記光検出器と等速で共に公転させ、
所定の角度位置で反射ミラーで反射された光が光検出器
の方向へ進むように上記自転と公転速度を調整するのが
望ましい。

【００１１】そして、この方法を実施する装置として、
レーザ光を放物面反射ミラーで反射して被加工物上に集
光照射する放物面集光光学系の光軸を中心として公転す
る回転テーブルと、このテーブルの任意の位置に固定し
た上下動自在な水平台と、水平台上の任意の位置で水平
に自転するアームとを備え、アーム先端にはレーザ光を
大部分遮断しスリット部分のみ通過させるスリットマス
クとスリットを通過した光を反射する反射ミラーを設け
ると共に、水平台上にはアームの長さ方向中心が光軸に
一致する方向の延長線上の所定半径位置に光検出器を対
応して設け、上記回転テーブルの公転とアームの自転と
を調整して任意の角度位置で光路断面形状を測定自在と
して成る放物面集光光学系の調整装置を採用することが
できる。

【００１２】この装置では、前記水平台の光軸中心に開
口を設け、その下方にレーザ吸収ダンパを設けるのが望
ましい。

【００１３】

【作用】上記のミラー調整方法を採用したこの発明で
は、レーザ光は所定の回転速度で自転するアームが光検
出器とその中心方向が所定の角度位置で一致するように
自転と公転の速度を調整され、一致した瞬間にレーザ光
が検出される。このレーザ光の検出は、スリットマスク
のわずかな隙間のスリットを通過したレーザ光を測定す
ることによって光強度と光の幅を検出する。そして、こ
のような測定を光軸上の任意の位置及びそれぞれの位置
での光軸周りの任意の角度位置で行うと、レーザ光の形
状が測定できる。

【００１４】上記レーザ光の形状を測定すると、それぞ
れの断面での非点隔差Δが得られ、これを最小となるよ
うにすれば放物面反射ミラーのミスアライメントが修正
される。ミスアライメントの修正は、手動でも自動的に
行ってもよい。

【００１５】

【実施例】以下この発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１はこの発明の調整方法を実施する装置
の正面図、図２はその外観斜視図である。図示のよう
に、ベース板１の上にモータ２が固定され、その出力軸
２ａ上に回転板３が設けられている。回転板３の任意の
位置にはポスト４が立設され、その上端に設けたモータ
５の出力軸に接続されたねじ軸５ａで上下動する軸受５
ｂに水平台６が連結されている。

【００１６】水平台６の任意の位置にはモータ７が設け
られ、その出力軸７ａに水平に回転するアーム８が連結
されている。このアームの先端には、スリットマスク１
０とその下方に反射ミラー１１が設けられ、この反射ミ
ラー１１に対向して水平台６の端に光検出器１２が設け
られている。１３は水平台６に設けけた開口、１４はレ
ーザ吸収ダンパである。

【００１７】上記構成の調整装置は、後で説明するよう
に放物面反射ミラーＸでレーザ光を反射し被加工物へ照
射する光路内に挿入される。そして、水平台６の開口１
３は回転板３の中心に一致する位置に設けられ、水平台
６は回転板３と共に公転する。

【００１８】アーム８は水平台６上で自転し、図２に示
すように、アーム８の先端のスリットマスク１０が光軸
に一致する位置に来たとき、アーム半径方向の中心線の
延長上で光軸から所定半径位置に検知器１２は設けられ
ている。アーム８の自転方向と回転板３の公転方向は、
例えば図示のように互いに逆方向としているが、互いに
同一方向であってもよい。その場合はアーム８の自転速
度を高速とする。

【００１９】スリットマスク１０は、その拡大部Ａで示
すように、アーム８が回転してレーザ光を横切るときに
レーザ光の大部分を遮断し、スリットのわずかな隙間
（例えば１０μｍ厚さ）の部分をレーザ光が通過する。
反射ミラー１１はフラットな平面鏡である。

【００２０】なお、同図の拡大部Ｂに示すように、スリ
ットは互いに９０°の２つのスリットをアーム中心線に
対して互いに４５°ずつに設けたものとしてもよい。

【００２１】光検出器１２は、レーザ光の強度を検出す
る焦電素子、いわゆるパイロ（ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉ
ｃ ｅｆｆｅｃｔ）と呼ばれているもので、焦電体（Ｌ
ｉＴａＯ₃ 、Ｐ_b ＴｉＯ₃ 、ＴＧＳなどの結晶から成
る）に光が入射すると素子表面の電圧に変化が生じ電極
間に電圧を生じるものである。

【００２２】上記のように構成したこの実施例の調整装
置により放物面反射ミラーは次のようにその取付状態が
調整される。まず、原理的にはレーザ光を放物面反射ミ
ラーで反射すると共に所定の位置を焦点として集光する
場合、放物面反射ミラーＸがレーザ光の入射と反射方向
に対して正確に設置されていれば、その反射光は光軸上
のどの断面でもほぼ真円の形状が得られる。

【００２３】しかし、図３の（ａ）に示すように、放物
面反射ミラーＸ角度θ（Ｙ軸を中心として）のミスアラ
イメントがあったとすると、焦点位置以外の断面位置で
はレーザ光の断面が真円ではなく楕円状となる。放物面
反射ミラーのミスアライメントがθのときに、レーザ光
の断面が楕円となる割合を曲線で表すと図３の（ｂ）の
ようになる。図中、横軸は焦点位置を原点として光軸方
向に測った位置を表し、縦軸はそれぞれの位置での楕円
の長軸（曲線ｄａ）と短軸（曲線ｄｂ）の長さを表して
いる。図中のΔは非点隔差と呼ばれる。Δ＝２ｆδ／１
０００である。但し、ｆ：焦点距離（ｍｍ）、δ：ミス
アライメント（ｍｒａｄ）。

【００２４】上記から分かるように、焦点位置ではミス
アライメントがあってもほぼ真円であるが、レーザ加工
による切断、穴あけ作業時に焦点位置のレーザ光のみで
加工する訳ではなく、被加工物に厚みがあるから、その
前後位置でも切断、穴あけ加工に寄与する。このため、
切断形状や穴形状が所望の正確な形状として仕上げされ
ず、歪んだ形となったりする。

【００２５】従って、放物面反射ミラーによって集光さ
れるレーザ光を被加工物の加工処理に使用できるように
するためにはミスアライメントをなくす必要がある。こ
のため、この実施例の調整装置では反射されたレーザ光
の断面形状を光軸の周りから任意の角度で測定する。

【００２６】上記測定は、図４に示すように、水平台６
を上下動することによって反射ミラー１１と光検出器１
２を光軸上で任意の位置に昇降させてレーザ光の断面を
測定する。この場合、光検出器１２は、光強度を検出す
るだけでなく、その断面幅をも測定する。

【００２７】スリットマスク１０では、放物面反射ミラ
ーで反射された光の大部分が遮断されるが、わずかな隙
間（１０μｍ厚さ）で所定の幅に設けられたスリットを
通過した光はカーテンのような所定の幅を持つ薄い光と
なって反射ミラー１１で反射され光検出器１２へ達す
る。従って、光検出器１２でこの光のエネルギを検知す
るセンサの幅から光の最大幅が求められる。

【００２８】上記測定は、図５に示すように、ｘ軸（０
°）上、４５°、９０°、１３５°……と光軸の周りの
任意の角度位置で同様にして行われる。特に、前述した
拡大部Ｂの２つのスリットを用いる場合は、４５°、１
３５°を同時に測定できることになる。上記任意の角度
位置でレーザ光の幅の測定を行う場合、アーム８を高速
回転で自転させ、回転板３を反対方向に公転させて、丁
度水平台６の中心が、例えばｘ軸に一致するように回転
速度の比を調整すればｘ軸（０°）方向の測定ができ
る。他の角度位置での測定は、同様に回転速度の比を調
整して丁度その角度位置で両者が出会うようにすればよ
い。

【００２９】以上の測定を光軸の任意の高さ位置で行え
ば、それそれの測定で得られるデータから図３の（ｂ）
に示すような曲線が得られる。そして、得られた曲線か
ら非点隔差Δが求められ、前述の公式によってミスアラ
イメントθが得られる。得られたθに相当する角度を放
物面反射ミラーＸに対して修正すれば、反射光はミスア
ライメントのない正確なレーザ光として被加工物に照射
することができる。

【００３０】以上は、Ｙ軸周りのミスアライメントθに
ついての説明であるが、同様にしてＺ軸周りのミスアラ
イメントφも求めることができることは説明するまでも
ない。放物面反射ミラーは製造過程の関係からＸ軸周り
についてはミスアライメントは生じないため、上記２軸
周りに関するミスアライメントを修正すれば正確な設置
が行われ、切断、穴あけ加工に使用ができるようにな
る。

【００３１】なお、上記作用の説明において、アーム８
と検出器１２が任意の角度位置で一致したときはレーザ
光は反射ミラー１１で反射されるが、それ以外のときは
レーザ光はその光軸上に何もないから水平台６の開口１
３を通ってレーザ吸収ダンパ１３へ達し、これにより処
理される。

【００３２】以上の調整は、図示省略しているが、実際
には光検出器の信号や回転板３の回転速度、水平台６の
上下位置、アーム８の回転速度などの種々のデータをパ
ーソナルコンピュータへ送り、かつ上記速度等の自動制
御を行って、そこでミスアライメントを自動的に求め、
ミスアライメント角度を表示器（例えばＣＲＴ）に表示
し、その表示データに基づいて放物面反射ミラーの取付
角度を手動又は自動で行う。

【００３３】上記測定によりミスアライメントの修正が
終了すると、調整装置を光軸上から取り外し、図６に示
すように、レーザ共振器Ｓからのレーザ光で被加工物Ｗ
を加工するのに使用される。

【００３４】

【効果】以上詳細に説明したように、この発明による調
整方法及び装置ではスリットマスクのスリットを通過し
たレーザ光を反射ミラーで反射し、その光を光検出器で
検出し、この測定を光軸上の任意の位置でかつ光軸周り
の任意の角度位置で行って非点隔差を求め、これからミ
スアライメントを求めて放物面反射ミラーの取付状態を
調整するようにしたから、放物面反射ミラーで効率よく
レーザ光を集光してレーザ加工できるようになり、特に
ＣＯ₂ 、ＣＯ、ＹＡＧなどの大出力レーザ加工（切断、
溶接、表面処理）の分野に利用すると効果的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のミラー調整装置の概略構成図

【図２】実施例のミラー調整装置の概略斜視図

【図３】放物面反射ミラーの作用の説明図

【図４】実施例のミラー調整装置による測定方法の説明
図

【図５】実施例のミラー調整装置による測定方法の説明
図

【図６】調整後の放物面反射ミラーを用いたレーザ加工
装置の概念図

【符号の説明】

１ ベース板 ２ モータ ３ 回転板 ４ ポスト ５ モータ ６ 水平台 ７ モータ ８ アーム １０ スリットマスク １１ 反射ミラー １２ 光検出器 １３ 開口 １４ レーザ吸収ダンパ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮本 勇 大阪府大阪市淀川区宮原四丁目４番63号 新大阪千代田ビル別館 社団法人生産技術 振興協会内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を放物面反射ミラーで反射して
   被加工物上に集光照射する放物面集光光学系の光路内
   に、レーザ光を大部分遮断しスリット部分のみ通過させ
   るスリットマスク、スリットを通過した光を反射する反
   射ミラー及びその反射光を検出する光検出器から成るレ
   ーザ光測定部を挿入し、このレーザ光測定部を光軸に沿
   って上下動させると共に任意の光軸上の位置で光軸を中
   心として回転させて光路断面形状を測定し、任意の回転
   角度での非点隔差Δが最小となるように放物面反射ミラ
   ーの取付角度を調整する放物面集光光学系の調整方法。
2. 【請求項２】 前記スリットマスクと反射ミラーを水平
   なアーム先端に設け、このアームを光軸から所定の半径
   位置を中心として自転させると共に、アーム自体を前記
   光検出器と等速で共に公転させ、所定の角度位置で反射
   ミラーで反射された光が光検出器の方向へ進むように上
   記自転と公転速度を調整することを特徴とする請求項１
   に記載の放物面集光光学系の調整方法。
3. 【請求項３】 レーザ光を放物面反射ミラーで反射して
   被加工物上に集光照射する放物面集光光学系の光軸を中
   心として公転する回転テーブルと、このテーブルの任意
   の位置に固定した上下動自在な水平台と、水平台上の任
   意の位置で水平に自転するアームとを備え、アーム先端
   にはレーザ光を大部分遮断しスリット部分のみ通過させ
   るスリットマスクとスリットを通過した光を反射する反
   射ミラーを設けると共に、水平台上にはアームの長さ方
   向中心が光軸に一致する方向の延長線上の所定半径位置
   に光検出器を対応して設け、上記回転テーブルの公転と
   アームの自転とを調整して任意の角度位置で光路断面形
   状を測定自在として成る放物面集光光学系の調整装置。
4. 【請求項４】 前記水平台の光軸中心に開口を設け、そ
   の下方にレーザ吸収ダンパを設けたことを特徴とする請
   求項３に記載の放物面集光光学系の調整装置。