JPH11277259A - レーザ出力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［課題］ 検出対象のレーザ光の光軸ずれに影響される
ことなく、レーザ出力を高い精度で検出する。 ［解決手段］ ミラー６０で反射したレーザ光ＬＢは直
進して本体アッセンブリ５５に入り、そこで光軸方向に
所定の間隔で一列に配置されている複数の光反射板２４
(1) ，２４(2) ，……２４(N) を順次通過する。この
際、各光反射板２４は入射光を拡散させて後方に通す。
この結果、最後尾の光拡散板２４(N) から抜け出た光Ｌ
Ｂ’は、光軸方向と直交する面内でほぼ一様な光密度ま
たは光強度分布でもって第１保持体２０および第２保持
体３６の光通路内に入り、ＮＤフィルタ４８および赤外
透過フィルタ４６を通って光電変換素子４４に入射す
る。光電変換素子４４は、その受光面全体にほぼ一様な
光強度分布を有する拡散光ＬＢ’を受光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【００１０】

【発明の属する技術分野】本発明は、光検出方式のレー
ザ出力検出装置に関する。

【００２０】

【従来の技術】たとえばレーザ加工装置では、加工品質
を自動的に管理するために、レーザ光の出力（光強度）
を検出するレーザ出力検出装置を用いている。

【００３０】図４に、一般的なレーザ加工装置の構成を
示す。このレーザ加工装置のレーザ発振部１００は、た
とえばＹＡＧロッドからなる固体レーザ媒体１０２と、
たとえば励起ランプからなる励起用光源１０４と、固体
レーザ媒体１０２の光軸上に配置された一対の光共振器
ミラー１０６，１０８とを有している。

【００４０】レーザ電源部１１０からの電力を受けて励
起用光源１０４が点灯すると、その光エネルギーでＹＡ
Ｇロッド１０２が励起され、ＹＡＧロッド１０２の両端
面より光軸上に出た光が光共振器ミラー１０６，１０８
の間で反射を繰り返して増幅されたのちレーザ光ＬＢと
して出力ミラー１０６を抜け出る。

【００５０】出力ミラー１０６より抜け出たパルスレー
ザ光ＬＢは、所定の反射率（たとえば１％）を有するビ
ームスプリッタ１１２を通ってから、伝送光学系たとえ
ば光ファイバ（図示せず）を介して加工場所の出射ユニ
ット（図示せず）へ送られ、出射ユニットより被加工物
に向けて照射されるようになっている。

【００６０】ビームスプリッタ１１２によって所定方向
に案内されたレーザ光ＬＢは、レーザ出力検出部１１４
に入射する。レーザ出力検出部１１４は、光電変換素子
を内蔵しており、入射したレーザ光ＬＢの出力（光強
度）に対応した電気信号をレーザ光検出信号ＳＣとして
発生する。レーザ出力測定回路１１６は、レーザ出力検
出部１１４からのレーザ光検出信号ＳＣに基づいて原レ
ーザ光ＬＢの出力（光強度）の測定値を求める。

【００７０】制御部１１８は、レーザ出力測定回路１１
６より受け取ったレーザ出力測定値信号ＤＰを設定値と
比較してその比較誤差に応じてレーザ電源部１１０の動
作を制御したり、あるいはレーザ出力測定値を表示装置
（図示せず）等に表示する等の制御を行う。

【００８０】

【発明が解決しようとする課題】上記したようなレーザ
加工装置では、温度変化や振動等に起因してレーザ発振
部１００の光学系（ＹＡＧロッド１０２、光共振器ミラ
ー１０６，１０８）でアライメントが失われると、図５
に示すように、レーザ光ＬＢの光軸がずれたり、ビーム
パターンが変形することがある。そのような場合でも、
レーザ出力検出部１１４は、その時のレーザ光ＬＢの出
力を正確に検出しなくてはならない。

【００９０】しかしながら、従来のレーザ出力検出装置
では、光電変換素子１１４ａの受光面に対するレーザ光
ＬＢの光軸の位置に応じて検出感度が変動してしまい、
レーザ出力測定信号ＳＣの精度または信頼性が低いとい
う問題がある。一般的には、レーザ光ＬＢの光軸が中心
より遠くずれるほど、光電変換素子１１４ａの受光また
は検出感度が下がり、レーザ出力測定信号ＳＣが実際の
レーザ出力値よりも低い値を示すことが多い。

【０１００】本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み
てなされたもので、検出対象のレーザ光の光軸ずれに影
響されることなく、レーザ出力を高い精度で検出できる
ようにしたレーザ出力検出装置を提供することを目的と
する。

【０１１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のうち請求項１に記載の発明は、レーザ光の
出力を検出するレーザ出力検出装置において、検出対象
となる前記レーザ光を所定の方向に案内するレーザ光案
内手段と、前記所定の方向に所定の間隔を置いて一列に
配置され、各々が入射光を後方に拡散させて通す複数枚
の光拡散板と、前記光拡散板をその周囲が遮光されるよ
うにして保持する保持部材と、最後尾の前記光拡散板を
通った光を受光して前記レーザ光の出力に対応した電気
信号を出力する光電変換素子とを具備する。

【０１２０】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載のレーザ出力検出装置において、最後尾の前記光
拡散板と前記光電変換素子との間に前記光拡散板よりは
小さく前記光電変換素子の受光面よりは大きな断面積を
有する光通路を備える構成とした。

【０１３０】また、請求項３に記載の発明は、請求項２
に記載のレーザ出力検出装置において、前記光通路内に
入射光の光強度を所定の減衰率で減衰させる第１の光学
フィルタを設ける構成とした。

【０１４０】また、請求項４に記載の発明は、請求項２
または３に記載のレーザ出力検出装置において、前記光
通路内に前記レーザ光の波長を有する光を透過し可視光
を遮断する第２の光学フィルタを設ける構成とした。

【０１５０】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図３を参照して本発
明の実施例を説明する。

【０１６０】図１〜図３に、本発明の一実施例によるレ
ーザ出力検出装置の構成を示す。図１は装置全体の一部
断面側面図、図２は装置全体の横断面図、および図３は
装置要部の分解斜視図である。

【０１７０】図１において、取付基板１０上に支持板１
２が基板裏側からのボルト１４で垂直に固定取付され、
この垂直支持板１２に後述するように本体アッセンブリ
５５が着脱可能に固着される。

【０１８０】図２および図３に示すように、筒状の本体
１６には円形の貫通孔１６ａが形成されており、この貫
通孔１６ａを貫通してたとえば樹脂からなる円筒状の第
１保持体２０が本体１６に取付される。

【０１９０】この取付で、第１保持体２０はその入口に
形成されている環状フランジ部２０ｂがこれに対応した
形状で本体１６の前面に形成されている環状突起部１６
ｂに当接するまで本体１６の貫通孔１６ａに嵌め込ま
れ、フランジ部２０ｂ側の各ボルト通し孔２０ｃが環状
突起部１６ｂ側の各ネジ穴１６ｃに位置合わせされる。

【０２００】第１保持体２０は、比較的大きな径を有す
る入口側の太径筒部２０ｅと比較的小さな径を有する出
口側の細径筒部２０ｆとからなる。太径筒部２０ｅ内に
は、複数（この例では９枚）の円形光拡散板２４(1) 〜
２４(N) がリング状カラー部材２６を介して一定の間隔
で挿設される。

【０２１０】各光拡散板２４は、入射した光を後方に拡
散して通す光透過板で、たとえばアルミナセラミック、
すりガラスまたはオパール等の材質からなり、厚さ０．
１５ｍｍ、直径２０ｍｍ、の寸法を有する。リング状カ
ラー部材２６は、遮光性または光反射性の樹脂または金
属からなり、光拡散板２４とほぼ同じ外径を有し、厚さ
（幅）はたとえば２．５ｍｍに選ばれる。

【０２２０】第１保持体２０の中に上記のようなＮ枚
（Ｎは２以上の整数）の光拡散板２４(1) 〜２４(N) と
（Ｎ−１）個のリング状カラー部材２６が挿入された後
で、第１保持体２０の入口にＯリング２８を介して環状
の押さえ板３０が被せられる。そして、外側からボルト
３２が押さえ板３０および第１保持体２０のフランジ部
２０ｂの各ボルト通し孔３０ａ，２０ｃを通って本体１
６の環状突起部１６ｂのネジ穴１６ｃにねじ込まれる。
これにより、Ｎ枚の光拡散板２４(1) 〜２４(N)が第１
保持体２０の太径筒部２０ｅ内で軸方向に一定間隔で固
定配置されると同時に、第１保持体２０と本体１６とが
一体的に結合される。

【０２３０】垂直支持板１２には円形の開口部１２ａが
形成されており、この開口部１２ａに第１保持体２０の
フランジ部２０ｂおよび本体１６の環状突起部１６ｂが
嵌め込まれる。そして、ボルト１８が垂直支持板１２の
ボルト通し孔１２ｂを介して本体１６のネジ孔１６ｆに
ねじ込まれることにより、本体１６および第１保持体２
０がほぼ水平な姿勢で垂直支持板１２に固着される。

【０２４０】一方、図１および図２に示すように、熱伝
導性の部材たとえば銅からなる第２保持体３６が、セン
サ基板３８に筒状のカラー４０を介して基板裏面からの
複数個のボルト４２で固定される。保持体３６には、こ
れらのボルト４２と裸合するためのネジ穴（図示せず）
が形成されている。また、ボルト４２によって、センサ
基板３８を覆うための基板カバー４３も一緒に取付され
る。

【０２５０】この第２保持体３６の内部では、センサ基
板３８側の部分が比較的小さな内径になっており、ここ
を塞ぐようにして光電変換素子たとえばＰＩＮフォトダ
イオード４４が受光面を入口側に向けて取付される。ま
た、この小内径部より入口までの部分は第１保持体２０
の細径筒部２０ｆに外嵌できるほどの比較的大きな内径
になっており、ここに赤外透過フィルタ４６と減衰板た
とえばＮＤフィルタ４８とが内奥から順に挿設される。
ＮＤフィルタ４８の外側にはストッパリング５０も挿設
される。

【０２６０】第１保持体２０の細径筒部２０ｆに第２保
持体３６の大内径部が外嵌することで、細径筒部２０ｆ
の内周面で構成される第１保持体２０側の光通路と、大
内径部の内周面およびストッパリング５０の内周面とで
構成される第２保持体３６側の光通路とが接続する。こ
れら光通路の径は光電変換素子４４の受光面よりも幾ら
か大きな寸法に選ばれる。

【０２７０】第２保持体３６に一体結合されたセンサ基
板３８は、筒状のカラー５２を介して複数個のボルト５
４により本体１６の背面部に固定取付される。この取付
のため、本体１６の背面部には、各ボルト５４と裸合す
るためのネジ穴（図示せず）が形成されている。

【０２８０】なお、第２保持体３６には、たとえば金属
被膜抵抗体からなる発熱体（図示せず）およびたとえば
サーミスタからなる温度センサ（図示せず）がそれぞれ
熱的に結合して取付される。温度センサの出力信号がフ
ィードバックされて温調回路（図示せず）の制御の下で
発熱体に電力が供給され、これによって第２保持体３６
が一定の温度に温調され、ひいては光電変換素子４４、
ＮＤフィルタ４８および赤外透過フィルタ４６も一定温
度に温調されるようになっている。

【０２９０】上記のようにして、本体２０を中心とする
このレーザ出力検出装置の主要な構成部材または要素が
本体アッセンブリ５５として垂直支持板１２に取付され
る。

【０３００】さらに、このレーザ出力検出装置には、レ
ーザ発振部（図示せず）より出射されて来たレーザ光Ｌ
Ｂを所定の光路に導くためのミラーまたはビームスプリ
ッタも設けられる。

【０３１０】取付基板１２上には、上記本体アッセンブ
リ５５に近接した位置に、基板裏側からのボルト５６に
よってミラーホルダ５８が垂直に立設され、このホルダ
５８にＹＡＧレーザ光を全反射するミラー６０がレーザ
光ＬＢの光軸に対して斜めの角度たとえば４５゜の向き
で取付される。

【０３２０】本実施例では、レーザ出力検出装置をレー
ザ発振部の反射ミラー（１０８）の後方に配置し、反射
ミラー（１０８）より漏れたレーザ光ＬＢを検出するよ
うにしている。

【０３３０】レーザ発振部（図示せず）からのレーザ光
ＬＢは、ミラー６０に入射すると、そこで９０゜の反射
角で光路を曲げて本体アッセンブリ５５に入射するよう
になっている。

【０３４０】図１および図２に示すように、取付基板１
０および垂直支持板１２には、ミラーホルダ５８、ミラ
ー６０および本体アッセンブリ５５を囲むための遮光性
のハウジング６２がボルト６４，６６で取付される。

【０３５０】このハウジング６０のレーザ発振部側のレ
ーザ光入口（窓）には円筒状の光路カバー（図示せず）
を取り付けるための突状のホルダ６８が取付されてい
る。また、これと反対側にもガラス窓７０が設けられて
いる。本実施例では可視ガイド光（図示せず）が本レー
ザ出力検出装置を通り抜けるようにして、このガラス窓
７０、ミラー６０およびレーザ光入口を通ってレーザ発
振部（１００）の光軸に導入されるようになっている。
なお、取付基板１０の四隅には、取付ボルトを通すため
の取付穴１０ａが形成されている。

【０３６０】次に、このレーザ出力検出装置における作
用について説明する。

【０３７０】上記したように、ミラー５０に入射したレ
ーザ発振部からのレーザ光ＬＢはそこで９０゜の角度で
光路を曲げてから直進して本体アッセンブリ５５に入
る。

【０３８０】本体アッセンブリ５５に入ったレーザ光Ｌ
Ｂは、入口の押さえ板３０およびＯリング２８のそれぞ
れの開口を通って第１（一番手前）の光反射板２４(1)
に入射する。

【０３９０】第１の光反射板２４(1) は、入射したビー
ム状のレーザ光ＬＢを拡散させて、つまり入射角に対し
てランダムな角度で種々の方向に分散させて後方に通
す。もっとも、レーザ光ＬＢの直進性または指向性は非
常に大きいので、第１の光反射板２４(1) を抜けた直後
では、まだ相当の直進性が維持されており、透過光の中
では光軸方向の光が最も大きな割合を占めている。

【０４００】上記のようにして第１の光反射板２４(1)
を抜けた各方向の光は、第２の光反射板２４(2) に入射
する。第２の光反射板２４(2) も、入射した各方向の光
をランダムな角度で分散させて後方に通す。これによ
り、第１の光反射板２４(1) を抜けた透過光よりも、第
２の光反射板２４(2) を抜けた透過光のほうが全体的に
広範囲に拡散し、その分だけ光軸方向の光の割合も低下
している。

【０４１０】以下同様にして、レーザ光ＬＢの拡散光が
第３の光反射板２４(3) 、第４の光反射板２４(4) 、…
…を順次通過し、その度に拡散の度合いを増す。その結
果、最後尾の光拡散板２４(N) から抜け出た光は、光軸
方向と直交する面内でほぼ一様な光密度または光強度分
布でもって、第１保持体２０の細径筒部２０ｆの光通路
内に入る。

【０４２０】つまり、ビームスプリッタ６０からの指向
性の鋭いビーム状のレーザ光ＬＢが複数の光拡散板２４
(1) ，２４(2) 、……２４(N) を順次通過することで、
指向性が徐々にくずれ、遂には（最後尾の光拡散板２４
(N) を出た時には）光通路内でほぼ一様な光強度分布の
拡散光ＬＢ’となる。

【０４３０】この拡散光ＬＢ’が、第１保持体２０の光
通路から第２保持体３６の光通路に入り、ＮＤフィルタ
４８および赤外透過フィルタ４６を通って光電変換素子
４４に入射する。この際、ＮＤフィルタ４８は拡散光Ｌ
Ｂ’の光強度を所定の減衰率で減衰させる。赤外透過フ
ィルタ４６は、拡散光ＬＢ’から可視光成分をノイズと
して除去（遮断）する。光電変換素子４４は、その受光
面全体にほぼ一様な光強度分布を有する拡散光ＬＢ’を
受光する。

【０４４０】このように、本レーザ出力検出装置では、
入射レーザ光ＬＢが複数の光拡散板２４(1) 〜２４(N)
によって光電変換素子４４の受光面よりも幾らか大きな
断面積のほぼ一様な拡散光ＬＢ’に変換され、この拡散
光ＬＢ’が光電変換素子４４の受光面全体にほぼ一様な
光強度で入射するので、一定の検出感度でレーザ光ＬＢ
が光電変換素子４４に受光される。

【０４５０】これにより、たとえばレーザ発振部におけ
る光学系のアライメントずれ等に起因して検出対象のレ
ーザ光ＬＢの光軸がずれても、そのレーザ出力が変わら
なければ光電変換素子４４の出力より以前と同じレーザ
出力検出値が得られる。

【０４６０】また、レーザ光ＬＢのビームパターンの変
形によってレーザ出力が変化したときは、それに追随し
てレーザ出力検出値も変化する。常に、現時のレーザ光
ＬＢのレーザ出力値を高い精度で表すレーザ出力検出値
が得られる。

【０４７０】したがって、たとえば図４に示すようなレ
ーザ加工装置において、ビームスプリッタ１１２および
レーザ出力検出部１１４に本実施例のレーザ出力検出装
置を適用した場合は、レーザ出力測定回路１１６より精
度の高いレーザ出力測定値ＤＰが制御部１１８に与えら
れることにより、信頼性の高いレーザ出力モニタ情報が
得られるとともに、高精度なフィードバック方式のレー
ザ出力制御が行われることになる。

【０４８０】また、本実施例のレーザ出力測定装置で
は、各光拡散板２４が一定の光吸収率を有し、複数の拡
散板２４(1) 〜２４(N) 全体で１枚または数枚分の減衰
板に相当する減衰率が得られる。このため、ＮＤフィル
タ４８が必要最小限の枚数（図示の例では１枚）で済む
という利点もある。

【０４９０】以上、本発明の好適な実施例を説明した
が、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形・変更が可
能である。

【０５００】たとえば、光拡散板２４(1) 〜２４(N) の
材質、寸法および枚数は、種々の選択が可能である。光
拡散板間の間隔も、種々の値が選択可能であり、位置に
応じて異なった値にすることも可能である。

【０５１０】最後尾の光拡散板２４(N) と光電変換素子
４４との間の光通路の大きさおよび距離についても種々
の寸法が選択可能である。上記実施例では、この光通路
を光拡散板２４よりは小さく光電変換素子４４の受光面
よりは幾らか大きな断面積とした。しかし、この光通路
の面積を、光電変換素子４４の受光面と同じまたはそれ
以下とすることも可能である。

【０５２０】また、上記実施例では、複数の光拡散板２
４(1) 〜２４(N) を非熱伝導性の第１保持体２０で保持
し、光電変換素子４４、光学フィルタ４６，４８を熱伝
導性の第２保持体３６で保持して温調した。しかし、両
保持体２０，３６を同一または一体的な保持体とし、光
拡散板２４(1) 〜２４(N) も一緒に温調する構成とする
ことも可能であり、あるいは全ての部品または素子に対
して温調を行わない構成とすることも可能である。

【０５３０】上記した実施例ではレーザ発振部の反射ミ
ラー（１０８）より後方に漏れたレーザ光ＬＢを検出対
象としたが、上記実施例におけるミラー６０をビームス
プリッタに代えて、図４に示すように出力ミラー（１０
６）より出射された本来のレーザ光ＬＢを該ビームスプ
リッタ６０に通し、そこで反射した一部（たとえば１
％）のレーザ光ＬＢを検出することも可能である。

【０５４０】また、検出対象となるレーザ光はＹＡＧレ
ーザ光に限らず、ＣＯ2 レーザ光や半導体レーザ光等の
他のレーザ光でも可能である。

【０５５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ出
力検出装置によれば、検査対象のビーム状のレーザ光を
一定間隔で一列に配置された複数の光拡散板に通して、
比較的大きな断面積を有し、かつほぼ一様な光強度分布
を有する拡散光に変換し、この拡散光を光電変換素子に
受光させるようにしたので、レーザ光の光軸ずれ等に影
響されることなく、レーザ出力を高い精度で検出するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるレーザ出力検出装置
の全体の構成を示す一部断面側面図である。

【図２】実施例におけるレーザ出力検出装置の全体の構
成を示す横断面図である。

【図３】実施例におけるレーザ出力検出装置の要部の構
成を示す分解斜視図である。

【図４】一般的なレーザ加工装置の構成を示すブロック
図である。

【図５】従来技術における問題点を説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１０ 取付基板 １２ 垂直支持板 １６ 本体 ２０ 第１保持体 ２４(1) 〜２４(N) 光拡散板 ２６ リング状カラー部材 ２８ Ｏリング ３６ 第２保持体 ４４ 光電変換素子 ４６ 赤外透過フィルタ ４８ ＮＤフィルタ ６０ ミラー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光の出力を検出するレーザ出力検
   出装置において、 前記レーザ光を所定の方向に案内するレーザ光案内手段
   と、 前記所定の方向に所定の間隔を置いて一列に配置され、
   各々が入射光を後方に拡散させて通す複数の光拡散板
   と、 前記複数の光拡散板をその周囲が遮光されるようにして
   保持する保持部材と、 最後尾の前記光拡散板を通った光を受光して前記レーザ
   光の出力に対応した電気信号を出力する光電変換素子と
   を具備することを特徴とするレーザ出力検出装置。
2. 【請求項２】 最後尾の前記光拡散板と前記光電変換素
   子との間に前記光拡散板よりは小さく前記光電変換素子
   の受光面よりは大きな断面積を有する光通路を備えたこ
   とを特徴とする請求項１に記載のレーザ出力検出装置。
3. 【請求項３】 前記光通路内に入射光の光強度を所定の
   減衰率で減衰させる第１の光学フィルタを設けたことを
   特徴とする請求項２に記載のレーザ出力検出装置。
4. 【請求項４】 前記光通路内に前記レーザ光の波長を有
   する光を透過し可視光を遮断する第２の光学フィルタを
   設けたことを特徴とする請求項２または３に記載のレー
   ザ出力検出装置。