JPS6360090A - 光ビ−ムの焦点位置検出装置 - 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、例えばＣ０２レーザ加工機におけるレーザビ
ームの焦点位置検出等において有用な光ビームの焦点位
置検出装置に関する。

〔従来技術〕

レーザ発振器にて発振されたＣＯ２レーザのレーザビー
ムを、集束レンズにて集束して被加工物上に照射し、被
加工物の切断、穴明は等の加工を行うＣ０２レーザ加工
機は、高エネルギによる加工であり、被加工物に接触す
ることなく前記の加工が可能であるから、従来の工作機
械において加工が困難であったセラミック等の硬脆性材
料又はゴム。

段ボール等の軟性材料の加工が精度良く、しかも容易に
行えるという優れた特性を有しており、近年注目を浴び
るようになって来たに のようなＣ０２レーザ加工機においては、被加工物上に
照射されるレーザビームのスボノｌ−径を小さくし、加
工部でのエネルギー密度を高めるために、前記集束レン
ズにて集束されるレーザビームの焦点上に被加工物を位
置させて加工を行うことが、加工精度の向、ヒ及び加工
時間の短縮に有用であり、このためには前記レーザビー
ムの焦点の位置を検出することが重要である。

レーザビームの焦点位置を検出するために従来は、前記
！Ｌ東レンズに対向させて、例えば赤外線用のＣＯＤ　
（以下単にＣＣＤという）を配し、該ＣＣＤをレーザビ
ームの光軸方向に移動させつつ、該ＣＣＯにてこれに照
射されるレーザビームのスポット像を撮像し、該スポッ
ト像が最小となる時のＣＣＤの位置がレーザビームの焦
点位置であるとしていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、近年その加工能力向上のためＣ０２レーザ加
工機は高出力化する傾向にあり、高出力のＣ０２レーザ
加工機において、そのレーザビームの焦点位置検出を前
述した如く行おうとすると、該レーザビームのエネルギ
により、ＣＣＤが加熱されて損傷される虞があり、そこ
で該レーザビームの一部を吸収させるために、集束レン
ズとＣＣＤとの間にフィルタを設けると、該フィルタが
加熱されて損傷される虞があって、いずれにしても高エ
ネルギのレーザビームの焦点位置を正確に検出すること
ができないという雑煮があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、光ビ
ーム、特に高エネルギのレーザビームの焦点位１を精度
良く検出できる光ビームの焦点位置検出装置を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る光ビームの焦点位置検出装置は、回転中に
その回転軸方向に移動する回転板を、光ビームの光軸と
その回転軸とを平行とし、光ビームの焦点がその移動範
囲内にあるように配し、その一面上に光ビームを照射し
ている状態でこの回転板を一回転させ、回転中又は回転
後に光ビームが照射された面を二次元撮像装置にて撮像
して、この撮像結果に基づいて光ビームの焦点位置を算
出するものである。

〔作用〕

本発明においては、回転板上に照射される光ビームのス
ポット部分が光を発する一方、このスポットの大きさは
、光ビームの焦点位置に回転板が位置する時に最小とな
るから、前記スポット部分から発せられる光を二次元撮
像装置にて捉え、その撮像結果に基づいて、スポットが
最小となる時の回転板の光ビームの光軸方向位置に、該
光ビームの焦点が位置するとして、光ビームの焦点位置
が検出される。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述する
。第１図は本発明に係る光ビームの焦点位置検出装置（
以下本発明装置という）の構成を示す模式図である０図
において１は、セラミック等の耐熱性材料を用いてなり
、薄肉円板状をなす回転板であり、該回転板１は、モー
タ２の回転軸の上端部にその上面を水平として固着され
た円板状のターンテーブル３の上面に、これと同心をな
して、性成自在に取付けられている。

前記モータ２は、有底円筒状をなすモータ台４の底板上
面の中央部に、その回転軸を鉛直上方に向けて固着され
ており、該モータ台４下面の外周寄り位置には、１個の
送りネジ挿入孔４ａと１個又は複数個の案内孔４ｂとが
夫々鉛直に形成されている。送りネジ挿入孔４ａに螺設
された雌ネジには、基台６上面の適宜位置にその回転軸
を鉛直上方に向けて固着されたモータ５にて回転駆動さ
れる送りネジ５ａが蝮合されており、案内孔４ｂには、
各案内孔４ｂの位置及び形状と対応するように前記基台
６から鉛直上方に向けて立設された案内杆６ｂが嵌合さ
れている。

前記モータ２は駆動回路７ａに接続されており、該駆動
回路７ａの出力信号に応じて一回転し、前記回転板１を
ターンテーブル３と共に水平面内において一回転させる
。該モータ２には、ロータリエンコーダ等を用いてなる
回転角検出器２ａが装着されており、該回転角検出器２
ａは回転板１の基準位置からの回転角に応じた信号αを
後述する画像信号処理部１０へ入力する。

また前記モータ５は、前記駆動回路７ａと同期して動作
する駆動回路７ｂに接続されており、該駆動回路７ｂの
出力信号に応じて所定量正転した後、同量逆転するよう
になしである。一方モーク５が正転又は逆転すると、前
記送りネジ５ａの作用により、回転板１は、案内杆６ｂ
に案内されてその上面を水平に保ったまま、モータ台４
と共にモータ５の回転量に応じた距離だけ上昇又は下降
するから、駆動回路７ａ及び同７ｂからモータ２及び同
５へ夫々前記信号が出力されると、回転板ｌは、駆動回
路７ａからの信号に応じて一回転する間に、駆動回路７
ｂからの信号に応じて、駆動回路７ｂからの信号に応′
じて、基台６に対して最も下降した位置である第１図に
示す基準位置から、所定ユ上昇した後同囲下降する。モ
ーフ台４と基台６との間には、例えばディジクルスケー
ルを用いてなる変位検出５６ａが介装されており、該変
位検出器６ａは、前述の上下動に伴うモーフ台４、換言
すれば回転板１の基台６に対する相対変位に応じた信号
Ｐを後述する画像信号処理部１０へ入力する。

さて例えば５１２　Ｘ　５１２の画素数を有するＣＣＤ
（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　　旦ｅｖｉｃｅ　＋
電荷結合素子）８ａ、該ＣＣ０８ａの感光面上に対象物
の像を結像させるための撮像レンズ８ｂ及びＣＣＤ　８
ａと撮像レンズ８ｂとを互いに対向させ、適長離隔させ
て保持する外箱８０等にて構成された二次元撮像装置８
は、その１最像中心と前記回転板１の回転中心とを一致
させ、回転板１の上面全部をその４Ｈ１像視野内に含む
ように、回転板１の上面から適長離隔されて、前記モ一
り台４の適宜位置に立設された支柱４Ｃの上部に下方に
向けて固着されている。

前記撮像レンズ８ｂは、赤外線の波長域を含む所定の波
長域の光を透過させるフィルタ機能を有しており、図示
しないシャンクが開放されると、該撮像レンズ８ｂを透
過した光のみがＣＣＤ　８ａの各画素上に照射され、Ｃ
ＣＤ　３ａは、トリガ発生回路９から与えられるトリガ
信号に同期して、その各画素上に照射された光の強さに
応じた信号を画像信号処理部１０へ入力する。

画像信号処理部１０は、Ａ／Ｄ変換器１１．ビデオメモ
リ１２．演算部１３及びＲＡＭ　１３ａ等からなり、前
記ＣＣＤ　８ａから与えられる画像信号は、まずＡ／Ｄ
変換器１１において、所定のしきい値を基準として明暗
２値化された後、明部を表す“１”と暗部を表す“０”
とからなる２値画像データとして、ビデオメモリ１２の
該当するアドレスに格納される。

画像信号処理部１０の演算部１３には、前記トリガ発生
回路９から発せられるトリガ信号が与えられており、演
算部１３は、このトリガ信号が与えられてから所定時間
経過後に、ビデオメモリ１２に格納されている２値画像
データを読込み、この画像データと、ＲＡＭ　１３ａに
格納されているデータとから後述する演算を行って、レ
ーザビーム１５の焦点位置を算出し、その結果を表示部
１４に出力する。

前記回転角検出器２ａ及び変位検出器６ａから画像信号
処理部１０へ入力される信号α及び同Ｐは、該処理部１
０に所定のサンプリング周期にて同時に取り込まれ、Ｒ
ＡＭ　１３ａに互いに対応づけて格納される。

さて、以上の如く構成された本発明装置にて、ＣＯ２レ
ーザ加工機におけるレーザビームの焦点位置を検出する
場合の、本発明装置の動作について次に説明する。

Ｃ０２レーザ加工機においては、図示しないレーザ発振
器にて発振されたＣＯ□レーザのレーザビーム１５が、
その光路に配した反射鏡にて屈折される等して、第１図
に２点鎖線にて示す加工ヘッド１Ｇまで導かれ、該加工
ヘッド１６の先端部近傍に設けである堵束レンズ１７に
て、該レンズ１７前方の焦点Ｆに集束される。

本発明装置を用いてこの焦点Ｆの位置を検出する場合に
は、集束レンズ１７透過後のレーザビーム１５が、前記
回転板１の上面の一部にこれと直交する方向から照射さ
れるように、基台６を集束レンズ１７からレーザビーム
１５の光軸方向に所定距離７！１だけ離隔させて配置す
る。このとき前記距離１１の値を、集束レンズ１７本来
の焦点距離及び回転板ｌが前述の基準位置にあるときの
、この」二面と基台６との間の距離７！２とを考慮に入
れて設定すれば、レーザビーム１５の焦点Ｆを少なくと
もモータ５の回転による回転板１の上下動のストローク
内に位置せしめることは容易である。またレーザビーム
１５の照射位置は、回転板ｌの回転中心をその照射域内
に含まなければ、回転板１の上面のどのような位置であ
ってもよいが、焦点位置の算出精度を高めるためには、
回転Ｆｉ１の外周近傍とするのが望ましい。

さてこのように回転板１を配置せしめた後、ＣＯ２レー
ザ加工機のレーザ発振器を動作させると、該発振器にて
発振されたレーザビーム１５は、加工ヘッド１６内を進
行し、集束レンズ１７を透過して、回転板１の上面に照
射される。次いで駆動回路７ａ。

７ｂを動作させ、これらから夫々の信号を出力させると
、前述した如くモータ２及びモータ５が同期駆動され、
回転板１はその上面にレーザビーム１５を照射された状
態で一回転するとともに、その−回転中に、例えば第１
図に破線にて示す位置まで上動した後下動して、その基
準位置に復帰する。

回転板１のこの動作の間、回転角検出器２０及び変位検
出器６ａは、回転板１の回転開始時からの回転角に応し
た信号α及びその前記基準位置からの上下方向変位に応
じた信号Ｐを夫々出力しており、これらは前述した如く
画像信号処理部ｌＯに適宜のサンプリング周期にて取込
まれ、ＲＡＭ　１３ａに互いに対応づけて格納される。

回転板１の動作が終了した後、レーザビーム１５の照射
を停止し、次いで二次元撮像装置８のシャンクを所定時
間開放して、咳撮像装置８にて回転板１の上面全部を撮
像する。

さて、回転板１の前述の動作の間、該回転板１は、その
上面に照射されるレーザビーム１５にて形成されるスポ
ットの部分が加熱されるから、該ビーム１５の照射終了
後しばらくの間、回転板１のレーザビーム１５が照射さ
れた部分が、赤外線を主とする光を発光する。この光は
二次元撮像装置８のシャフタが開放されると、前記撮像
レンズ８ｂを透過してＣＣＤ　８ａに達し、回転板ｌの
前述の動作に応じて、該回転板１上に形成されるレーザ
ビーム１５のスポットの軌跡が、ＣＣＤ　Ｂａ上に結像
される。この時点においてトリガ発生回路９からＣＣＤ
　８ａにトリガ信号が与えられ、ＣＣＤ　８ａは画像信
号処理部１０に、前記！Ｉｔ跡に対応する画像信号を出
力する。

第２図は、二次元撮像装置８による撮像結果の一例を示
す模式図である。前述した如く回転板１は、一回転する
間に一回上下動し、またその上下動のストローク内にレ
ーザビーム１５の焦点Ｆが位置するように配されている
から、該回転板ｌは、一回転する間に２回、前記焦点Ｆ
の位置を通過する。一方回転板１上に形成されるレーザ
ビーム１５のスボ７）径は、回転板１が焦点Ｆの位置に
ある場合に最小となり、焦点Ｆから離隔する従って増大
する。従って二次元撮像装置８のＣＣＤ　８ａ上に結像
される像は、回転Ｆｉｌの回転中心に対応する撮像中心
Ｏ点を中心とし、前記回転中心からレーザビーム１５の
照射位置までの距離に相当する半径の円をなす第２図に
一点鎖線にて示す如き該ビーム１５の光軸中心の軌跡上
に、前記スポット径に相当する幅を付加して形成される
、第２図に白抜きして示す如き形状をなす。そして第２
図にＳとして示す回転板１の回転開始位置に相当する位
置から、この像の幅が最小となる部分Ａ、　　Ｂまでの
中心角θａ、θｂが、回ｔＩ：板ｌが上下動して焦点Ｆ
の位置を通過する時の該回転板１の回転角を示す。

さて第２図に白抜きして示すレーザビーム１５の軌跡に
相当する部分はその他の部分に比較して明るく（最１象
されるから、ＣＣＤ　３ａからの画像信号は、Ａ／Ｄ変
換器１１にてレーザビーム１５の軌跡に相当する部分が
明部を表す“１”に、その他の部分が暗部を表す“０″
に夫々２値化され、ビデオメモリ１２の該当するアドレ
スに格納される。

ビデオメモリ１２への画像データの格納終了後、演算部
１３はその動作を開始する。演算部１３はビデオメモリ
１２から画像データを読込み、これらの画像データから
前記中心角Ｏａ及び同θｂを例えば次の手順に従って算
出する。演算部１３は、前記点Ｏと点Ｓとを結ぶ放射線
から始め適宜の間隔の放射線に沿って、ビデオメモ１月
２に格納されている画像データを読込み、これらの画像
データ中の１”なる画像データの数を計数して、該放射
線上における明部の幅Ｘｉを求める。例えば第２図にお
ける時計廻りに各放射線上における明部の幅Ｘｉを順次
求めると、このＸｉＯ値は徐々に減少し、Ａ点を通過し
た後、逆に徐々に増大する。演算部１３は、明部の幅Ｘ
ｉが最小となると、その放射線の前後の２本の放射線間
を更に綱かく分割する多数の放射線に沿って、各放射線
上における明部の幅Ｘｉを求め、これらの内最小のＸｉ
が求められた放射線上に前記Ａ点が存在するとして、こ
の放射線の方向から、前記中心角θａを算出する。

次いで演算部１３は同様の手順により中心角θｂを算出
した後、ＲＡＭ　１３ａに格納されている回転板１の回
転角αのデータを読み込む。そして前記中心角θａに近
い２個のデータαａｌ、　αａ２を探し、これらと、こ
れらに夫々対応されてＲＡＭ　１３ａ内に格納されてい
る１転Ｆｉ１の変位Ｐのデータ”’ｌ＋　　Ｐａ２と、
前記中心角θａとから内挿法により、中心角θａに対応
する回転板１の変位Ｐａを算出する。

αａ２−αａ１ 勿論前記回転角αのデータ中に、中心角θａと等しいデ
ータαａが存在する場合には、このデータαａと対応さ
れてＲＡＭ　１３ａに格納されている変位ＰのデータＰ
ａをそのまま用いればよい。

中心角θｂに対応する回転板１の変位ｐｂも同様に算出
され、次いで演算部１３はＰａとｐｂとの平均値Ｐ「を
算出する。前記Ｐａ及びｐｂＯ値は共に、回転板ｌが焦
点Ｆと同一高さ位置となっている時の変位検出器６ａの
出力に相当するから、これらは本来等しい値となるべき
であるが、前記中心角θａ又は同θｂを求める際の誤差
等により実際は若干異なり、本実施例においては、これ
らの平均値Ｐｆによって、回転板１が焦点Ｆと同一高さ
位置となっている時の該回転板１の変位を代表させる。

そしてこの値は、回転板１が前記基準位置におる時の該
回転板１の上面と、焦点Ｆとの間の距離であるから、？
′Ａ算部１３はこのＰ［の値と、回転板ｌの上面と基台
６との間の距Ｎ１２と、基台６と築東レンズ１７との間
の離隔距離１１とからレーザビーム１５の焦点Ｆの位置
を集束レンズ１７から該焦点Ｆまでの距離りとして次式
により算出し、これを表示部１４に出力して、表示部１
４にてＬの値を表示させる。

Ｌ＝１＋　−（７！２＋ｐｒ　） なお本実施例においては、焦点位置に相当する点Ａ及び
点Ｂの両方について中心角θａと及び同θｂを算出して
いるが、これらのいずれか一方だけを算出してもよく、
また中心角θａ及び同θｂの算出結果からこれらに対応
する回転板１の変位Ｐａ及び同ｐｂを算出する際に、本
実施例においては、回転板１を回転及び上下動させた時
に、回転角検出器２ａ及び変位検出器６ａとから予め採
取したデータと中心角θａ及び同θｂとを対照して、変
位Ｐａ及び同ｐｂを算出しているが、モータ２及び同５
にパルスモータを用いる等して、回転板１の回転角αと
その変位Ｐとに正確な対応関係を与え、これが動作の都
度はとんど変化しないようにした場合には、前記中心角
θａ及び同θｂの算出結果から、前記対応関係に基づい
て変位Ｐａ及び同Ｐｂを算出するようにしてもよく、こ
の場合には、回転角検出器２ａ及び変位検出器６ａは不
要である。

また本実施例においては、回転板１が一回転する間に一
回上下動するように構成しているが、回転ｔｅｌが一回
転する間に一回の上動又は下動を行うように構成しても
よく、この場合には二次元撮像装置８の撮像結果に出現
する像の幅が最小となる部分は、−個所だけとなること
は言うまでもない。

また前述の場合には、本発明装置の可動部を第３図に示
す如く構成してもよい。第３図において回転板１は、回
転軸２０上端に固着されたターンテーブル３上に取付け
てあり、該回転軸２ｏの下端部及び中央部の外周には夫
々送りネジ２０ａとスプライン２０ｂが形成されている
。そして回転軸２ｏは基台６の底面に形成された送りネ
ジ挿入孔２０ｃに前記送りネジ２０ａを蛯合せしめて、
軸受２０ｄ　、２０ｅにより基台６上に支持されており
、前記スプライン２０ｂには、上下方向位置を固定され
た平歯車２Ｏｆが嵌合され、該平歯車２Ｏｆには、モー
タ２にて回転される他の平歯車２０ｇが噛合されている
。そしてモータ２が回転すると、その回転力は平歯車２
０ｇ。

２Ｏｆ及びスプライン２０ｂを介して回転軸２ｏに伝達
され、該回転軸２０が回転され、ターンテーブル３と共
に回転板１が回転されると同時に、送りネジ２０ａの作
用により回転板１が上動又は下動されるから、このよう
な構成によりモータ５が不要となる。

また本実施例においては、回転板１の上面全部を撮像す
べく二次元撮像装置８を配設しているが、該撮像装置８
は回転板１の上面の一部を撮像すべく配設してもよく、
例えばレーザビーム１５ノ照射位置をその撮像中心に一
致させ、これを含む回転板１の上面の一部を撮像すべく
二次元撮像装置８を配し、回転板１が前述の如く一回転
する間に、咳撮像装置８にて多数回の撮像を行うと、そ
の撮像結果は第４図に示す如くなり、本図中に白抜きし
て示す如き像が撮像され、その撮像中心に位置する明部
の先端は、その時点における回転板１上のレーザビーム
１５のスポットに相当し、このスポット径に相当する横
方向の幅Ｗを有するから各撮像時点において、演算部１
３にてこの幅Ｗを算出するようにし、その算出結果をそ
の時点における回転角検出器２Ｉｌｌ又は変位検出器６
ａの出力データと対応させて記憶しておく。そして回転
板１の動作が終了し、撮像が終了した後、前記幅Ｗの算
出結果中の最小値を求め、これと対応させて記憶されて
いる回転角検出器２ａ又は変位検出”Ｊ５６ａの出力デ
ータから、レーザビーム１５の焦点Ｆの位置を算出する
ことが出来る。

更に本実施例においては、焦点位置を算出する手段たる
画像信号処理部ｌＯにて算出されたレーザビーム１５の
焦点位置を、表示部１４に表示させるように構成してい
るが、焦点位置の算出結果をＣ０２レーザ加工機の制御
部に出力し、該加工機にて切断、穴明は等の加工を行う
際に、被加工物を前記算出結果に基づいて自動的にレー
ザビーム１５の焦点位置に位置させることも可能である
。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明装置によれば、回転板上に照射
される光ビームにて該回転板が加熱されて、該回転板上
に形成される像を二次元撮像装置にて撮像するから、該
撮像装置が光ビームのエネルギにより損傷される虞がな
（、高エネルギの光ビームにおいてもその焦点位置を精
度良く検出することができる等優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すものであり、第１図は本発
明装置の構成を示す模式図、第２図は二次元撮像装置の
撮像結果を示す模式図、第３図は本発明装置の可動部の
他の実施例を示す模式的断面図、第４図は二次元撮像装
置の他の撮像結果を示す模式図である。 ■・・・回転板　　８・・・二次元撮像装置１０・・・
画像信号処理部 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 代理人　　大　　岩　　増　　雄 ６　　　ｚＯ山 手続補正書く自発） 昭和　％１　　）（、３日 １、事件の表示　　　特願昭　６１−２０４２３５号３
、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　　　　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号名
　称　　（６０１）三菱電機株式会社代表者志岐守哉 ４、代理人 住　所　　　　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号４
　　　・　トノ ５、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄 ６、補正の内容 （１）明細書の第７頁３行目から４行目に「駆動回路７
ｂからの信号に応じて、」とあるのを削除する。 （２）明細書の第１３頁２行目の「離隔する」と「従っ
て」との間に「に」を加入する゛。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転に伴いその軸方向に移動する回転板と、 該回転板の一面に臨ませて設けられ、該一 面の一部又は全部を撮像する二次元撮像装置と、 焦点上に集束する光ビームを前記一面上に 照射した場合の前記二次元撮像装置の撮像結果に基づい
   て、該光ビームの焦点位置を算出する手段と を具備することを特徴とする光ビームの焦点位置検出装
   置。