JPS6280618A - レ−ザビ−ムの微調整の方法および装置 - 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〕 本発明は、レーザ加工装置において、集束されるレーザ
ビームの微調整、特にビーム偏向の位置関係のキャリブ
レーションの方法および装＠に関する。

〔従来の技術〕

レーザ加工におけるビーム偏向位置関係の微調整はかな
シ骨が折れ、かつコストのかかる作業である。この目的
のために通常、テストパターンがレーザビームによって
加工物に加工され、このパターンが測定され、それに応
じてパラメータの設定が修正される。この全作業は、加
工されたテストパターンが理想のパターンと十分に正確
に一致するまで、場合によっては何回も繰返し行われる
。

これと対照される電子走査システムにおける偏向位置関
係の調整は次の手順で行われる。すなわち、定義された
キャリブレーション用パターンをイメージ面に差込み、
座標がわかっているこのパターン上の個々の点を、一応
規定されている走査ビームで「走査」し、必要に応じて
ビーム偏向のデータを基準座標に合わせる。この方法で
はシステムの自動キャリブレーションが可能である。

このような自動キャリブレーションあるいは微調整方法
はレーザ加工機では有利であり望ましいが、レーザ加工
機では加工される材料がイメージ面、つまり焦点面にあ
る関係上、そこにキャリブレーション用パターンを適用
できないという明白な理由によシ今日に至るまで開発さ
れていない。さらに、レーザの強度をキャリブレーショ
ンの間に認められる程度に低下させること、つまり減衰
させることは、それがどんな方法であっても、ビームが
以降の実際の作用状態を表わすものではなくなってしま
うので、適当ではない。ビーム強度を低下させると、熱
的影響によって、ビームのパラメータの変化、そして偏
向位置関係の誤差が生じうる。したがって、実際の作用
状態に可能な限り近づけた状態でキャリブレーションを
行いうるようにすることが重要である。

テストパターンの要素としてクラッチ、孔、カッティン
グブレードあるいは類似のものを用いる従来の方法は、
ビーム強度が最高の状態では材料の加工変質が避けられ
ないので、全く不適当である。

次の特許、すなわち、米国特許第４，５３９，４８１号
（ＥＰ−Ａ０８０６５１）、米国特許第３，４８５，９
９６（ＦＡ−Ａ　１　ｓ　ｓ　１３４７　）およびドイ
ツ特許ＤＥ−Ａ−λ５５９．９２５が現在の技術を示し
ている。

米国特許第４，５３１ａ４８１号はレーザ加工装置の基
準システムの調整方法を開示している。

この方法では、各探索運動の間において連続波のレーザ
ビームが加工片の縁を通過する。それにより、基準シス
テムに対する加工物の位置が定まシ、それからしかるべ
く修正される。したがって、この方法は加工物の位置を
決めるものであシ、ビームの位置関係やパラメータを修
正ないし調整するものではない。

米国特許第３．４８５．９９６号は、加工物が補助光源
によって走査されるレーザ溶接装置を開示している。溶
接されるべき加工物の位置がこの走査方法で検出される
たびに、レーザビームが出射される。

ドイツ特許ＤＥ−２，５５９，９２５は、顕微鏡の１つ
の対物レンズの光軸にレーザビームの中心合わせを調整
する装置を開示している。レーザ装置と、ビーム集束光
学系に関して中心合わせされる経緯線のための別個の調
節機構が、レーザビームを光軸に中心合わせするために
設けられておシ、経緯線に対するレーザビームの調整の
偏向が行われる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の主たる目的は、集束されているレーザビームの
、ビーム強度が最高の状態での微調整ないしキャリブレ
ーションを簡単で自動化可能な方法と装置を提供するこ
とである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的によシ十分に特許請求の範囲に記載されてい
るとおシの本発明による装置と方法によって達成される
。

本発明の基本思想によれば、実質的にレーザビームを吸
収しない材料でなる媒質壁がレーザビームの焦点面に置
かれ、やけりレーザ光を僅かしか吸収しないようなマー
クが媒質壁に取付けられておシ、このマークが入射する
レーザ光の一部を偏向させ、その一部のレーザ光が適宜
な検出器で捕えられる。この方法においては、レーザビ
ームの強度が最高の状態下でも材料の好ましくない加工
変質がなく、キャリブレーションが実際の作用状態の下
での行われうる。

本発明による装置は主としてそして第１に、ビーム偏向
の位置関係の調整を目的としているものであるが、ビー
ム集束、ビーム品質評価などにも用いられ５る。

本発明の上記の目的や利点については、図面を用いての
以降の実施例の説明により、この分野における当業者に
はよシ明らかとなろう。

〔実施例〕

第１図によれば、本発明による装置の望ましい実施例は
、４つの側壁ｌ、底板２およびカバー３を有する１つの
直方体のハウジングＧからなっている。両面が互に平行
で実質的に透明な板４が底板２とカバー３のほぼ中間に
それらと平行にハウジングＧ内に配置されている。孔あ
きマスク５と６が板４の両側忙あシ、また、板４の下面
７には４個のレーザ検出器（光電トランスデユーサ）８
が取付けられている。これら検出器８は１図示していな
い信号導体によって、検出器８で発生された信号を評価
する１つの電子回路９（第４図）に接続されている。透
明な板４の上面１０の上には、この場合第２図で示され
ているような十字形の光散乱マーク１１が取付けられて
いる。カバー３は開口のある板で、カバー３の開口孔１
２と２板の孔あきマスク５゜６の孔１３は、それぞれに
常にマーク１１の上側か下側にあって、入射レーザビー
ムの進行方向に揃って位置してい石。このようにして、
各マク１１の直ぐ近傍だけがレーザ光で照射されうろこ
ととなる。

実際に用いるときは、この装置はンーザ加工機の中のビ
ーム経路に、透明な板４のマーク１１のついた表面１０
がレーザビーム２０の焦点面に位置するように、おかれ
る。開口ダイヤフラムとして働くこの装置のカバー３は
、カバー３の材料がビームによる加工変質を受けないよ
うにこのように焦点面よシも上側に十分離れて位置して
いる。

調整作業を実行するために、レーザビーム２０が個々の
マーク１１の上に来るように案内される。マーク１１が
ない所、すなわち開口ダイヤフラム３とマスク５，６に
ある孔１２．１３できまる領域の中でのマーク１１の近
傍では、レーザビームは障害なしに透明な板４を通過し
て、吸収器（ビームシンク）の形をなしてまたそのよう
に働くハウジングＧの底板２に当る。この底板２は焦点
面から十分に離れて位置しているので、底板２の材料も
また加工変質を受けることがなく、単にビームで加熱さ
れるだけである。

この加熱は問題にされる程のものでなく、必要ならば適
宜な冷却手段によって簡単に対処できる。

レーザビーム２０がマーク１１に当ると、入射光のわず
かの部分が偏向される。この偏光された光は直接に（第
１図のビーム２１）あるいは板４の底面と上面７．ＩＯ
での何回かの反射を経て（第１図のビーム２２）レーザ
検出器８に至シ、そこで検出器８は評価のための電子装
置９に対して適宜な電気信号を出力する。マーク１１で
偏光される光の量は、レーザ検出器８が損傷することが
ないように充分にわずかである。

そこで、レーザビーム偏光の位置関係のキャリブレーシ
ョンは、従来の電子線走査システムで用いられているの
と類似の方法、すなわち、個々のマーク１１を走査し、
必要によシ既知のマーク位置は偏向データを合わせると
いうことで、自動的に行われうる。この方法は、関係す
るパラメータが多く、それらの幾つかは相互に無関係で
あることから、かなシ複雑であるが、それ自体現在の技
術の一部である。

第３図はまた本発明が基づく基本原理を示している。集
束されたレーザビーム２０は、ここでは焦点面に位置し
た板状のものとなっている透明な媒体壁４の上側面１０
に当り、比較的に小径の集束スポットを作る。レーザビ
ーム２０の一部は、図では膏状として示されているマー
クＩＩＫ当る。そこで′このマーク１１は、それに当っ
た光の部分をレーザ検出器８へと偏向させ、そこでレー
ザ検出器８はこれに対応する電気信号を発生する。偏光
させられた光の部分は図では番号２１で、また偏向なし
に媒体壁を通過する光の部分は番号２４で示されている
。

媒体壁とマークは種々の形態をと）５る。そしてそれら
はすべて本発明の理想から外れるものでない。媒体壁は
用いられるレーザ光に対して可能な限シ最低の吸収度を
有することが重要である。したがって、それは透明であ
るか、あるいは鏡面反射性でなければならない。実用上
の理由によシ透明な媒体壁の方がよシ適している。マー
クも、実質上非吸収性と認められるものでなければなら
ない。そうでなければ、集束されたレーザビームによる
マークの材料の好ましない加工変質が避けられない。マ
ークはそれに当った光の部分を、それがレーザ検出器で
受けられるように、何らかの形態で偏向させなければな
らない。その偏向は、例えば分散、屈折、回折、あるい
は指向性反射といった種々の形態でなされうる。実用上
の理由で、分散が望ましい。

マークの数と形、そしてそれらの配置は、行われるべき
キャリブレーションのモードや精度に依存する。多くの
場合、例えば、第２図のように９個のマークを配置する
ことがふされしい。

レーザ検出器は原理上１個で十分ではあるが、幾つかの
検出器を設けるのが望ましい。そしてそれらは、すべて
の検出器がすべてのマスクに対してはソ同じ感度を有す
るように、はソ第２図に示すように配置されるのが望ま
しい。換言するならば、すべての検出器の出力電気信号
を加算すれば、レーザビームが１つのマークに当ったと
きの加算された信号時、ビームが他のいかなるマークに
当った場合の加算された信号とも等しくなるべきことに
なる。

第４図は装置の電子装置部を示している。４個のレーザ
検出器８（例えば前段に光学フィルターがついたシリコ
ンフォトダイオード）が互に並列に接続され、この並列
組合わせされたものが、１つの評価電子回路９に接続さ
れている０この電子回路９は先ず（図の９ａ部で）検出
器の信号を処理し、それからそれらをレーザ加工機のキ
ャリブレーションのために評価する。評価回路９は通常
レーザ加工機全体の電子的制御の１つの部分をなすが、
信号を直接、処理する初段処理部９ａが通常の評価回路
から分離されていてもよい。この場合、初段処理部９ａ
が検出器の信号（例えば加算されたもの）を所定の期待
値に関連して評価した上で表示のおよび／またはビーム
偏向位置関係を通常のフィードバック制御システムで制
御するために用いられうる信号（例えば差）を発生する
。

第５ａ〜５ｃ　、６ａ〜６ｃ　、７ａ〜７ｃ図はマーク
と媒体壁の種々の可能な実施例を示している。第５ａ、
６ａ、７ａ図では媒体壁４０は実質的に反射性、第５ｂ
　、６ｂ　、？ｂ図では媒体壁４０は実質的に透明であ
る。第ｓｃ、ｃｔｃ。

７ｃ図はそれぞれ異った可能なマークを備えた媒体壁の
上面図で、マークから偏向されて出る光の方向も示して
いる。第５３，５ｂ図では、マーク１１０は、例えばエ
ツチングで媒体壁の表面の一部分な粗面化したもので、
この部分が散乱効果を有している。第６ａ　、６ｂ図で
はマークは光を偏向させるような骨組（ｒｉｂｂｉｎｇ
　。

格子構造）の部分１１１でなっている。Ｋ　７　ａ　＋
７ｂ図ではマークは、それぞれ、方向性ある反射、回折
によって第７ｃ図のように光を偏向させるような凸形面
１１２、凹形面１１３でなっている。

第８ａ〜８ｄ図はレーザ検出器の種々の可能な配置を示
している。第８ａ図では検出器８１は実質的に透明な媒
体壁４ｏの１つの端面部４１に位置している。マーク１
１０で散乱された光は媒体壁表面での何回かの全反射に
よって検出器８１に到達づる。第８ｂ図では検出器８２
は透明な媒体壁４ｏの下面４２に直に位置している。そ
のような配置は第８ｄ図でも同じであるが、第８ｄ図の
場合は用いられるレーザ光の波長に合わせである光学的
フィルターディスク８３が検出器８２と媒体壁４００間
に挿入されている。第８ｃ図では媒体壁４ｏは実質的に
反射性であるので、検出器８４は媒体壁４ｏの上方に位
置している。

第９ａ　、９ｂ図は、レーザ検出器８ｏの方へ偏向され
なかったレーザ光を吸収するためのビームシンクの２つ
の可能な実施例を示している。

第９ａ図では媒体壁４ｏを通過した光は、第１図の実施
例と類似し必要にょシ冷却される吸収板２に当る。第９
ｂ図では光は鏡５ｏで偏向され、独自に設けられたビー
ムシンク５１の方に進む。明らかに、本発明の範囲内に
おいてこれら以外の変形も考えられ、可能である。

第１０ａ、１０ｂ、ｌｌａ、ｌｌｂ、１１（。

１２図は、本発明で用いられる特質を有するマークとし
ての上記以外に可能な実施例を示してイル。第１０ａ、
Ｊｏｂ図では、光導体２１０の一端が媒体壁４ｏに挿入
されている・この場合、媒体壁４０は透明でも反射性で
もよい。光導体２１０の他端はレーザ検出器８ｏの方へ
向けられている。第１０ｂ図は光導体２１０の直径とレ
ーザビームの集束スポット２５の直径の大きさの関係を
示している。第１，１ａ−１００図では、光導体２１１
は媒体壁４ｏの上に載っている。光導体２１１の表面の
一部分が粗面化されている。レーザビームがこの粗面化
されたゾーン２１２に当れば、光は導体２１１に貫入し
、レーザー検出器８０に伝わる。第１１ｃ図に示す実施
例では、媒体壁４０の上に載っている光導体２１１は直
線状ではなく、螺旋形である。

このように、媒体壁の全面は、多くの個々の粗面化され
たゾーンを有する１本の光導体でカバーされる。第１２
図は、例えば媒体壁材料の屈折率を変える拡散方法を用
いて、媒体壁材料内に直接に作られた光導体２１３を示
している。

第１３ａ　〜１３ｆ図は、マーク１１，３１０〜３１４
の種々の形を示している。マークが可能な限り尖鋭な縁
を有していることが重要テある。なお、マークの大きさ
を、集束スポットの全体がマスクの面にかかるように十
分に大きくすることが有利である。そうすれば、検出器
の信号の最大値の集束スポットの直径に依存することが
なく、このことは測定技術（例えば固定検出器ダイナミ
クス）の上で確かに有利なことである。例えば、５０〜
２００単位の集束スポット直径に対して単８００単位の
マークの幅とすればよいことがわかっている。さらに、
マークの幅が広ければ、極端に幅が狭い場合よりも容易
に尖鋭な境界をエツチングで作れる。

透明な媒体壁の厚さは、レーザ検出器の配置、マークの
散乱特性、およびマークに当るレーザビームの最適デー
タに依存して決まる。例えば８〜１２厘翼の厚さが適当
である。第１図で示されている孔あきマスク５，６、お
よび開口ダイヤフラム３は、派生的に散乱せしめられた
光に対しての遮断板となる。

本発明による装置の実施例としてはなお、結合光学系（
ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｏｐｔｉｃｓ　）の分野の技術
を用いたものがありうる。この場合は、マーク（複数）
とンーザ検出器（複数）とは１つの結合された光学系回
路として構成されることになる。

本発明の実施例として上記以外の種々のものが、本発明
の範囲あるいは本質的特徴から外れることなしに作られ
うろことが当業者によって理解されるであろう。つまり
、ここに開示した実施例は全く説明のためのものであり
、制限的なものでない。本発萌の範囲は上記の説明では
なく特許請求の範囲に示されており、どんな変更も、そ
れが関係ある特許請求の範囲の記述部分の意味に該当し
、その範囲に入るものはすべて本発明に含まれるものと
されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の１つの実施例の第２図のＩ
−Ｉ矢視の断面図、第２図は第１図の装置の上面図、第
３図は本発明の作用原理を説明する部分略図、第４図は
装置の電子装置部の基本回路図、第５ａ〜１３ｆ図は本
発明の種種の実施例での部分図である。 ３・・・・・・カバー（開口ダイヤフラム）５．６・・
・・・・孔あきマスク ８・・・・・・光電変換手段（検出器）９・・・・・・
電子回路部 １０・・・媒体壁 １１・・・マーク ２０．２１，２２．２４・・・・・・レーザビーム４０
・・・媒体壁 ５１・・・ビームシンク ８０．８１．８２・・・・・・検出器 ８３・・・光学的フィルター ８４・・・検出器 １１０．１１１，１１２，１１３　　・・・・・・マー
ク３１０．３１１，３１２，３１３，３１４　　・・・
・・・マーク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ装置から発せられて焦点面に集束されるレー
   ザビームの微調整を評価する装置、特にビーム偏向の位
   置関係のキャリブレーション装置であつて、 実質的に前記ビームのレーザ光を吸収しない材料でなり
   、レーザ光の散乱、屈折、回折あるいは偏向のために配
   置された複数のマークを有してレーザビームの焦点面に
   置かれる媒体壁と、 散乱、屈折、回折あるいは偏光を受けたレーザ光を選択
   的に受光し、この受光された光を電気信号に変換する光
   電変換手段を有するレーザビームの微調整装置。 ２、光電変換手段からの信号を受信し、それを評価する
   電子装置をさらに包含している、特許請求の範囲第１項
   に記載の装置。 ３、媒体壁が実質的にレーザ光に対して透明で、平らで
   ある、特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ４、媒体壁が実質的にレーザ光に対して反射性で、平ら
   である、特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ５、媒体壁とは距離をおいて媒体壁とレーザ装置の間に
   位置し、マークの直ぐ近傍に当る以外のすべてのレーザ
   光を実質的に遮断する開口ダイヤフラムをさらに包含し
   ている、特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ６、マークの近傍において媒体壁で反射あるいは透過さ
   れたレーザ光を消散させるビームシンクをさらに包含し
   ている、特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ７、急変で、対応するレーザビームの寸法よりは大きい
   、焦点面に平行な方向の寸法を少くとも１つ有する縁を
   前記マークが備えている、特許請求の範囲第１項に記載
   の装置。 ８、前記光電変換手段が、前記マークによつて散乱、屈
   折、回折あるいは偏向を受けたレーザ光を受光するレー
   ザ検出器を少なくとも１つ包含している、特許請求の範
   囲第１項に記載の装置。 ９、前記光電変換手段が、前記マークによつて散乱、屈
   折、回折あるいは偏光を受けたレーザ光を受光する少な
   くとも１つのレーザ検出器と、前記媒体壁と前記の少な
   くとも１つのレーザ検出器の間に配置されて前記レーザ
   光を濾光するための少なくとも１つの光学的フィルター
   を包含している、特許請求の範囲第１項に記載の装置。 １０、媒体壁上のマークの位置に対応する開口を有して
   前記媒体壁に近接して前記媒体壁とレーザ装置の間に位
   置している第１の孔あきマスクと、媒体壁上のマークの
   位置に対応する開口を有して前記媒体壁に近接する第２
   の孔あきマスクを有し、媒体壁は第２の孔あきマスクと
   レーザ装置の間に位置している、特許請求の範囲第１項
   記載の装置。 １１、マークがレーザビームを散乱させる、特許請求の
   範囲第４項に記載の装置。 １２、マークがレーザビームを散乱させる、特許請求の
   範囲第３項に記載の装置。 １３、媒体壁上のマークに対応した位置に開口を有して
   前記媒体壁に近接して前記媒体壁とレーザ装置の間に位
   置している孔あきマスクをさらに包含している、特許請
   求の範囲第１１項に記載の装置。 １４、第１の孔あきマスク、媒体壁および第２の孔あき
   マスクが、マークによつて偏向されなかつたレーザ光が
   第１のマスク、媒体壁、および第２のマスクを通過する
   ように配置されている、特許請求の範囲第１０項に記載
   の装置。 １５、前記光電変換手段が複数のレーザ検出器を包含し
   ており、それらレーザ検出器は、レーザビームが前記マ
   ークの１つに当つたときに、前記検出器のすべてがその
   マークに当つて偏向された光を、レーザビームが他のい
   ずれのマークに当つたときの検出器のすべてが受光する
   量と実質的に等しい量受光するように配置されている、
   特許請求の範囲第１４項に記載の装置。 １６、マークの直ぐ近傍に当る以外のすべてのレーザ光
   を実質的に遮断する開口ダイヤフラムと、マークの近傍
   で媒体壁を透過した光を消散させるビームシンクをさら
   に包含している、特許請求の範囲第１０項に記載の装置
   。 １７、前記光電変換手段が複数のレーザ検出器を包含し
   ており、それらレーザ検出器は、レーザビームが前記の
   マークの１つに当つたときに、前記検出器のすべてがそ
   のマークに当つて偏光された光を、レーザビームが他の
   いずれのマークに当つたときの検出器のすべてが受光す
   る量と実質的に等しい量受光するように配置されている
   、特許請求の範囲第１３項に記載の装置。 １８、マークのすぐ近傍に当る以外のすべてのレーザ光
   を実質的に遮断する開口ダイヤフラムと、マークによつ
   て散乱されなかつた光を消散させるビームシンクをさら
   に包含している、特許請求の範囲第１３項に記載の装置
   。 １９、開口ダイヤフラム、第１の孔あきマスク、媒体壁
   、第２の孔あきマスクおよびビームシンクが実質的に閉
   じた１つのハウジングを形成するように設置されている
   、特許請求の範囲第１６項に記載の装置。 ２０、開口ダイヤフラム、孔あきマスク、媒体壁および
   ビームシンクが実質的に閉じた１つのハウジングを形成
   するように配置されている、特許請求の範囲第１８項に
   記載の装置。 ２１、レーザ装置から発せられて焦点面に集束されるレ
   ーザビームの微調整を評価する方法、特にビーム偏向の
   位置関係のキヤリブリーシヨンを行う方法であつて、 レーザ光を散乱、屈折、回折あるいは偏向させる複数の
   マークを有する実質的に非吸収性の媒体壁をレーザビー
   ムの焦点面に配置するステップと、 前記マスクに当るレーザ光の一部を偏向させるステップ
   と、 この偏光された光を少くとも１つの検出器で受光させ、
   前記検出器でそれに応答した電気信号を発生させるステ
   ップを包含する、レーザビームの微調整の方法。 ２２、前記の少なくとも１つの検出器で発生した電気信
   号を電子装置によつて評価するステップをさらに包含す
   る、特許請求の範囲第２１項に記載の方法。 ２３、前記電子装置での前記電気信号の評価結果に応じ
   てレーザビームのビーム偏向位置関係を調整するステッ
   プをさらに包含する、特許請求の範囲第２２項に記載の
   方法。