JP2002219591A

JP2002219591A - レーザ光照射装置

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Publication number: JP2002219591A
Application number: JP2001012680A
Authority: JP
Inventors: Shigehiko Mukai; 成彦向井; Masaki Yoda; 正樹依田; Yuji Sano; 雄二佐野; Satoshi Okada; 敏岡田; Hisashi Hozumi; 久士穂積; Tomoyuki Ito; 智之伊藤; Yoshiaki Ono; 芳明小野; Tatsuki Ogisu; 達樹荻須; Keiichi Hirota; 圭一廣田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2002-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】非連続出力型のレーザ光を光ファイバーで伝送
して被照射面に照射する際に、常に光ファイバー出射端
の像を被照射面に結像した状態で照射することができる
レーザ光照射装置を提供する。【解決手段】パルス状または強度変調のかかった主たる
レーザ光２を発生する主たるレーザ装置１と、前記主た
るレーザ光１を照射すべき対象１４の近傍へ導く光ファ
イバー５と、この光ファイバー５の出射端面の像を前記
被照射対象１４の表面に結像させる出射光学系１３と、
この出射光学系１３から出射されるレーザ光２の焦点位
置をレーザ光の進行方向に変化させる焦点位置駆動機構
１５と、前記被照射対象表面と前記焦点位置のあいだの
距離に関するデータを取得しこの距離データを演算処理
して出射光学系１３の焦点を被照射対象１４表面に一致
させるべく焦点位置駆動機構１５を制御する測定制御手
段（６，７，８，２１，２４，２６，２７等）とを備え
た構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パルス状または強
度変調のかかったレーザ光を発振するレーザ装置から原
子炉炉内構造物等の被照射対象物までのレーザ光伝送に
光ファイバーを用いたレーザ光照射装置に係り、特に照
射点でのビーム径の大きさを厳密に管理することのでき
るレーザ光照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光を遠隔に伝送する技術として光
ファイバーによる伝送技術がある。特にレーザ加工の分
野ではパルス状または強度変調のかかった大出力のレー
ザ光を伝送する必要があり、このために光ファイバーの
コア径が大きいステップインデックス型のマルチモード
光ファイバーが用いられている。

【０００３】このマルチモード光ファイバーは大出力の
レーザ光を伝送するには適しているが、一度ファイバー
に入射した光がファイバーから出射するとき、コアの部
分からコアとクラッディングの屈折率差で決まる開口数
の影響で広がりながら出射するビームとなる。

【０００４】一方、レーザ切断やレーザ衝撃硬化加工で
は、加工点におけるビーム径を通常、ファイバーのコア
径と同程度またはそれ以下に集光する必要がある。その
ため集光用レンズを用いてファイバー出射端の像を被照
射対象に縮小投影しなければいけない。

【０００５】一般的な大出力用光ファイバーは開口数が
０．２４程度であり、またレーザー衝撃硬化処理を行う
場合には縮小率２分の１程度が処理条件になる。この結
果、被照射側から見た入射の開口数はファイバー出射側
の開口数を縮小率で除した値、すなわち０．４８とな
る。このように大きい開口数で集光を行うため、焦点深
度が浅く、照射のスポット径は焦点の位置ズレに対して
敏感になる。このために、スポット径を小さくしたまま
被照射体表面に照射するには、常に結像位置が被照射体
表面にあるように制御しながら照射しなければならな
い。

【０００６】照射するレーザ光が安定な連続光である場
合には、特公昭５９−４４１５１号公報に開示されてい
る技術が適用可能である。これは、被照射体表面で反射
されたレーザ光が伝送用光ファイバーに再入射し、光フ
ァイバー入射端側に逆に伝送されるが、被照射体表面と
ファイバー出射端とが結像関係にあるとき、戻り光の強
度が最大になることを利用したものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した方法では、伝
送すべきレーザ光がパルスであったり、変調がかかって
いる場合には、戻り光の強度も変化するため、戻り光の
強度変化を利用して焦点位置を知ることは困難である。

【０００８】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、非連続出力型のレーザ光を光ファイバーで伝
送して被照射面に照射する際に、常に光ファイバー出射
端の像を被照射面に結像した状態で照射することができ
るレーザ光照射装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明のレーザ
光照射装置は、パルス状または強度変調のかかった主た
るレーザ光を発生する主たるレーザ装置と、前記主たる
レーザ光を照射すべき対象の近傍へ導く光ファイバー
と、この光ファイバーの出射端面の像を前記被照射対象
の表面に結像させる出射光学系と、この出射光学系から
出射されるレーザ光の焦点位置をレーザ光の進行方向に
変化させる焦点位置駆動機構と、前記被照射対象表面と
前記焦点位置のあいだの距離に関するデータを取得しこ
の距離データを演算処理して前記出射光学系の焦点を被
照射対象表面に一致させるべく前記焦点位置駆動機構を
制御する測定制御手段とを備えた構成とする。

【００１０】本発明によれば、非連続光出力の主たるレ
ーザ光を照射する際にも、照射位置のズレを常時測定し
て、常に焦点を合わせるように焦点位置駆動機構をフー
ドバック制御することで、あらかじめ被照射対象物の表
面形状を測定することなしに、レーザ光を照射すること
ができる。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１のレーザ光照
射装置において、測定制御手段は被照射対象の照射すべ
き範囲の表面形状を測定する表面形状測定手段を備え、
前記表面形状に関する情報と現在の照射位置の情報をも
とに距離データを算出する構成とする。

【００１２】本発明によれば、あらかじめ表面形状を測
定したうえで、その表面形状に倣って焦点位置駆動機構
を動作させることができるため、非連続光出力の主たる
レーザ光を照射する際にも、常に照射ビーム径が一定の
大きさの条件で被照射面に主たるレーザ光を照射するこ
とができる。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１のレーザ光照
射装置において、測定制御手段は、主たるレーザ装置か
ら出射される主たるレーザ光の波長と異なる波長のガイ
ドレーザ光を発振するガイドレーザ装置と、波長によっ
て反射率の異なる波長分離ミラーとを備え光ファイバー
の入射側に設けられたガイドレーザ光入射光学系と、こ
のガイドレーザ光入射光学系の前記ガイドレーザ装置と
前記波長分離ミラーとの間に設けられた半透過ミラーと
この半透過ミラーの反射側に設けられガイドレーザ光の
波長のみを選択し検出する波長選択フィルターおよび光
検出器とを備えた反射光強度検出装置と、焦点位置駆動
機構を揺動させるとともに前記反射光強度検出装置から
の光強度変化情報を演算処理して焦点位置を算出する制
御装置とを備えた構成とする。

【００１４】本発明によれば、連続出力の安定なガイド
レーザ光の反射戻り光を焦点測定に使用するため、非連
続光出力の主たるレーザ光を照射する際にも、安定に、
焦点ズレを補正しながら、被照射材料に照射することが
できる。

【００１５】請求項４の発明は、請求項１のレーザ光照
射装置において、焦点位置駆動機構は、微小な範囲を高
速で揺動させる焦点揺動機構と、大きな範囲を駆動する
焦点駆動機構とを備えた構成とする。

【００１６】本発明によれば、焦点形成位置を小さく高
速で揺動させる焦点揺動機構と、大きく変動させる焦点
駆動機構を設けているため、制御が簡単になるとともに
焦点位置あわせ速度の向上も図ることができる。

【００１７】請求項５の発明は請求項４のレーザ光照射
装置において、出射光学系は光ファイバー出射端から離
して設けられた正の焦点距離を持つレンズまたは組合せ
レンズを有し、焦点揺動機構は、電気歪効果を利用した
アクチュエータまたは電磁気力を利用したアクチュエー
タを有してアクチュエータによって光ファイバ出射端と
出射光学系全体を揺動するようにした構成とする。本発
明によれば、焦点揺動に高速で位置決め精度が高いアク
チュエータを用いるため、焦点測定と焦点合わせの精度
と速度の向上を図ることができる。

【００１８】請求項６の発明は、請求項３のレーザ光照
射装置において、主たるレーザ光はパルス状であり、測
定制御手段は、前記主たるレーザ光の照射のタイミング
が出射光学系の焦点が被照射対象表面に合ったときに一
致するように出射光学系を揺動させる構成とする。本発
明によれば、焦点ズレの無い状態の時にのみ主たるレー
ザ光を照射することが可能になるため正確な照射条件で
主たるレーザ光を照射することができる。

【００１９】請求項７の発明は、請求項３のレーザ光照
射装置において、主たるレーザ光はパルス状または時間
的に強度が変化する変調強度であり、制御装置は、前記
主たるレーザ光の強度が一定強度以上の間またはパルス
レーザ照射中の間、反射光強度検出装置からの信号に不
感処理を施すゲート機能を備えた構成とする。本発明に
よれば、主たるレーザ光の照射によって発生するプラズ
マ発光やプルーム発光の影響を避けることができるた
め、焦点位置測定の信頼性が向上する。

【００２０】請求項８の発明は、請求項１のレーザ光照
射装置において、ガイドレーザ入射光学系および反射光
強度検出装置は、主たるレーザ光の波長の上および下の
波長のものが各１設けられている構成とする。

【００２１】本発明によれば、集光レンズの色収差によ
り、主たるレーザ光と２つのガイドレーザ光の焦点形成
位置が異なる事を利用して、主たるレーザ光の焦点測定
が可能になるため、測定精度と信頼性を向上することが
できる。

【００２２】請求項９の発明は、請求項１のレーザ光照
射装置において、測定制御手段は、被照射対象の表面形
状を測定する手段または出射光学系の焦点位置のズレを
測定する手段として、超音波距離計または接触式変位計
または電磁気式距離計を備えた構成とする。

【００２３】本発明によれば、超音波式変位計または接
触式変位計または電磁気式変位計によって出射光学系と
被照射対象表面の距離を直接測定するため、焦点位置を
調整する制御装置を簡略にすることができ、装置の信頼
性を高めることができる。

【００２４】請求項１０の発明は、請求項１のレーザ光
照射装置において、測定制御手段は、被照射対象の表面
形状を測定する手段または出射光学系の焦点位置のズレ
を測定する手段として、光ファイバーの入射側に設けら
れ主たるレーザ光の波長と異なる波長のガイドレーザ光
を発振するガイドレーザ装置と、波長によって反射率の
異なる波長分離ミラーとを備えたガイドレーザ光入射光
学系と、出射光学系から出射される光の進行方向と異な
った角度から照射点のガイドレーザ光による画像を撮影
するカメラまたは光位置検出器と、前記カメラで撮影し
た画像または前記光位置検出器の出力値から出射光学系
の焦点の位置ズレ量を計算する計算機とを備えた構成と
する。

【００２５】本発明によれば、光学的に三角測量により
距離を測定することができるため、焦点位置を調整する
制御装置を簡略にすることができ、装置の信頼性を高め
ることができる。

【００２６】請求項１１の発明は、請求項２のレーザ光
照射装置において、測定制御手段は、複数の方向から被
照射対象の表面の画像を撮影する撮像手段と、前記画像
を解析して表面形状を数値化する画像処理装置とを備え
た構成とする。本発明によれば、一度の撮影で、その撮
影範囲の被照射対象の表面形状を測定することができる
ため、主レーザ光照射までの時間を短くすることができ
る。

【００２７】請求項１２の発明は、請求項１のレーザ光
照射装置において、焦点位置が許容限度内になっている
ときにのみ開く光学シャッターを主たるレーザ装置と光
ファイバー入射端の間に備えた構成とする。本発明によ
れば、焦点位置が許容限度内にあるときのみ照射するた
め、所定外の条件での照射を避けることができる。

【００２８】請求項１３の発明は、請求項１のレーザ光
照射装置において、出射光学系および焦点位置駆動機構
を支持して原子炉炉内構造物にアクセスさせる遠隔機器
と、この遠隔機器の動作を遠隔制御する遠隔制御装置と
を備えた構成とする。

【００２９】本発明によれば、主たるレーザ光による原
子炉炉内構造物の検査、補修、予防保全工事等を光ファ
イバーで行うことができ、しかも、照射スポットの大き
さを一定の条件に管理できるため、信頼性の高い検査、
補修、予防保全等をおこなうことができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】図１から図７を参照して本発明の
レーザ光照射装置の第１の実施の形態を説明する。本実
施の形態は、パルスレーザ光を光ファイバーを経由して
伝送し、原子炉炉内構造物表面に集光照射することによ
り発生するプラズマ圧力で、材料表面近傍に圧縮応力を
生成して、応力腐食割れに対する耐久性を向上させるレ
ーザピーニング施工を行うためのレーザ光照射装置であ
る。

【００３１】図１において符号１は、パルス発振レーザ
の１種であるジャイアントパルス第２高調波出力を持つ
ＹＡＧレーザ装置である。符号２はＹＡＧレーザ装置１
から出力されるパルス状のＹＡＧレーザ光である。ＹＡ
Ｇレーザ光２は、ビーム形状制限用の円形アパーチャ３
を通り、円形のビームとして切り出される。切り出され
たＹＡＧレーザ光２は、光ファイバー入射光学系である
集光レンズ４を介してコア直径１．２ｍｍのステップイ
ンデックス型の光ファイバー５のコア上に縮小して導入
される。

【００３２】集光レンズ４の手前には、波長５３２ｎｍ
のＹＡＧレーザ光を透過し、波長６３３ｎｍのＨｅＮｅ
レーザ光および波長４４１ｎｍのＨｅＣｄレーザ光を反
射するコーティングを施した波長分離ミラーである誘電
体多層膜のダイクロイックミラー６を設置してある。一
方、連続光出力を有するガイドレーザ装置として、波長
６３３ｎｍで発振するＨｅＮｅレーザ装置７および波長
４４１ｎｍで発振するＨｅＣｄレーザ装置８が、主レー
ザであるＹＡＧレーザ装置１の近傍に設置されている。

【００３３】ＨｅＮｅレーザ装置７から出射されるＨｅ
Ｎｅレーザ光９およびＨｅＣｄレーザ装置８から出力さ
れるＨｅＣｄレーザ光１０は、波長４４１ｎｍの光を反
射し波長６３３ｎｍの光を透過するコーティングを施し
た波長分離ミラーである誘電体多層膜のダイクロイック
ミラー１１によりひとつの光軸上に合成されてガイドレ
ーザ光１２となる。この合成されたガイドレーザ光１２
は、ダイクロイックミラー６によりＹＡＧレーザ光２の
光軸と重なるように合成され、集光レンズ４により光フ
ァイバー５に導入される。

【００３４】光ファイバー５の出射端には１枚の全反射
ミラー１３ａと２枚の凸レンズ１３ｂ、１３ｃで構成さ
れた出射光学系１３が設置されている。この出射光学系
１３により光ファイバー５の出射端面の像を施工対象で
ある原子炉の炉内構造物１４の表面に結像させるように
なっている。また、この出射光学系１３は縮小倍率２分
の１で製作されており、焦点ズレのない状態では、結像
したレーザビームのスポット径は直径０．６ｍｍにな
る。

【００３５】凸レンズ１３ｂには電気歪効果を利用して
高速で微小な範囲を直線駆動できるピエゾアクチュエー
タ１５が取り付けられており、このピエゾアクチュエー
タ１５にはこれをドライブするピエゾドライバー１６が
電気接続されている。これによりピエゾドライバー１６
に入力した信号により、凸レンズ１３ｂの位置を変更修
正し、結果として凸レンズ１３ｃに対しての結像位置を
変化させる構成となっている。

【００３６】これらの出射光学系１３は炉内構造物１４
の任意の位置に遠隔でアクセスできる遠隔機器１７に取
り付けられている。この遠隔機器１７は電動モータ等で
駆動されており、遠隔制御装置１８の指令により、施工
対象である炉内構造物１４の近傍に出射光学系１３部分
を位置決めし、施工対象面と出射光学系１３の距離を調
整するようになっている。

【００３７】ところで、炉内構造物１４の表面に照射さ
れたガイドレーザ光１２は照射面表面にて散乱反射され
る。この散乱反射されたＨｅＮｅレーザ光９およびＨｅ
Ｃｄレーザ光１０の反射光は、それぞれ戻り光１９、２
０として一部が出射光学系１３を介して光ファイバー５
の出射端に導入される。

【００３８】この戻り光１９、２０を分けて検出するた
めの構成は次のようになっている。すなわち、ダイクロ
イックミラー６とダイクロイックミラー１１の間にクロ
ムをコーティングした半透過ミラー２１が設置されてい
る。戻り光１９および戻り光２０の一部は半透過ミラー
２１により一部反射されるが、この反射方向にさらに、
波長４４１ｎｍの光を反射し波長６３３ｎｍの光を透過
するコーティングを施した波長分離ミラーである誘電体
多層膜のダイクロイックミラー２２を設置している。

【００３９】ダイクロイックミラー２２で光反射される
方向には波長４４１ｎｍの光のみ透過するＨｅＣｄ干渉
フィルタ２３および光検出器であるフォトダイオード２
４が設置されている。一方、ダイクロイックミラー２２
を透過する方向には、波長６３３ｎｍの光のみ透過する
ＨｅＮｅ干渉フィルター２５およびフォトダイオード２
６が設置されている。フォトダイオード２４およびフォ
トダイオード２６からの出力線は制御装置２７に接続さ
れている。

【００４０】制御装置２７には、ピエゾドライバー１６
をサイン波で駆動する発振器２８と、フォトダイオード
２４、２６の出力から発振器２８の発振周波数の光強度
変化成分だけを取り出すフィルター２９、３１と、発振
器２８の発振周波数の２倍の周波数の成分のみフォトダ
イオード２４、２６の出力から取り出すフィルター３
０、３２が備えられている。

【００４１】フィルター２９、３１には、それぞれから
出力される信号と発振器２８の発振波形との位相差を測
定する位相差検出器３３、３５がそれぞれ接続されてい
る。また、フィルター３０、３２には、それぞれから出
力される強度を検出する二乗検波器３４、３６がそれぞ
れ接続されている。

【００４２】さらに、位相差検出器３３、３５からの位
相差情報および二乗検波器３４、３６からの２倍波強度
から焦点ズレ位置情報を演算処理する計算機３７が接続
されており、この計算機３７により焦点位置のズレ量を
評価した情報は遠隔制御装置１８に伝えられるように接
続されている。計算機３７はまた、焦点ズレ量が設定の
範囲を超えたときにＹＡＧレーザ光２の光路上のシャッ
タ３９を制御するシャッタードライバー３８にも接続さ
れている。

【００４３】また、ＹＡＧレーザ装置１はパルス発振に
同期した信号を有する同期出力４０を出力するが、この
同期出力４０は計算機３７に取り入れられるように接続
されている。以上のような構成の本発明の第１の実施の
形態のレーザ光照射装置の動作および効果を次に説明す
る。

【００４４】照射する光はＹＡＧレーザ装置１において
パルス発振され、ここから出射されるパルス状のＹＡＧ
レーザ光２は円形アパーチャ３と集光レンズ４で構成さ
れる入射光学系により光ファイバー５に導入される。導
入されたレーザ光２は光ファイバー５の出射端より出力
され、凸レンズ１３ｂ、１３ｃおよび全反射ミラー１３
ａで構成される出射光学系１３により再度集光される。

【００４５】この出射光学系１３は遠隔機器１７に取り
付けられており、被照射対象である炉内構造物１４に対
して任意の位置に設置され、被照射対象の任意の範囲を
走査し照射することができる。また、この遠隔機器１７
には出射光学系１３と被照射対象間の距離を変化させる
ことのできる動作軸を備えており、焦点位置駆動機構と
しての動作もおこなう。

【００４６】一方、焦点位置のズレを測定する手段とし
て、本実施の形態では、図１中、ダイクロイックミラー
６，ＨｅＮｅレーザ装置７，ＨｅＣｄレーザ装置８，ダ
イクロイックミラー１１で構成されたガイドレーザ光１
２の入射光学系と、ピエゾアクチュエータ１５とピエゾ
ドライバー１６で構成された焦点揺動機構と、戻り光１
９、２０を分別して検出するための半透過ミラー２１以
降フォトダイオード２４、２６までの反射光検出系と、
これから演算処理して焦点ズレ量を測定する制御装置２
７が用いられる。

【００４７】この焦点ズレを測定する手段を用いて測定
した焦点のズレ量を遠隔制御装置１８に送り、遠隔機器
１７を駆動して、常に焦点が外れない状態にフィードバ
ック制御する。

【００４８】このように動作させることで、ＹＡＧレー
ザ光２を、被照射体である炉内構造物１４の表面上に、
光ファイバー５の出射端の像を結像させた状態で照射す
ることが可能になる。

【００４９】上記のような焦点ズレ量の測定において、
ＨｅＮｅレーザ光のみをガイドレーザとして適用した場
合の動作は次のようになる。すなわち、ＨｅＮｅレーザ
装置７から出射されるＨｅＮｅレーザ光９は入射光学系
を介して光ファイバー５に入射する。光ファイバー５の
出射端から出射するＨｅＮｅレーザ光９は出射光学系１
３を介して被照射対象である炉内構造物１４に照射され
る。この照射面でＨｅＮｅレーザ光９は散乱反射する
が、その反射光の一部は出射光学系１３を介して光ファ
イバー５の出射端面に再度入射して戻り光１９となる。
この戻り光１９は、光ファイバー５の入射端に戻り、入
射光学系を介して、反射光検出系に設けられたフォトダ
イオード２６に入射する。

【００５０】このフォトダイオード２６で捕らえられる
戻り光１９の強度と焦点ズレとの関係について図２を用
いて説明する。図２の横軸は被照射体である炉内構造物
１４表面と結像面との位置関係である焦点ズレ量を示
す。すなわち、この焦点ズレ量がゼロのとき、被照射体
表面位置に結像面があることを示す。これが正の方向に
ずれているときは結像面の手前に被照射体が位置し、負
の場合は逆に被照射体の手前に結像面が位置することに
なる。

【００５１】図２の縦軸は戻り光の強度を示す。図中、
符号４１は戻り光１９の強度を示し、符号４２はＹＡＧ
レーザ光２の戻り光の強度を示す。戻り光１９の強度
は、光ファイバー５の出射端面の像が被照射体である炉
内構造物１４表面上に結像する位置関係のとき最大にな
る。すなわち、この戻り光１９の強度が最大になる点を
探すことが焦点ズレ量をゼロにすることになる。

【００５２】この最大点を調べるのは、焦点位置を微小
揺動させることによって行う。すなわち、制御装置２７
に設けられた発振器２８の信号により、ピエゾドライバ
ー１６を介してピエゾアクチュエータ１５を駆動する。
その結果、凸レンズ１３ｂが揺動し、結果として結像位
置も揺動変化する。

【００５３】ところで、制御速度が遅い場合には特にピ
エゾアクチュエータ１５による焦点位置の微小揺動は必
ずしも必要でなく、遠隔装置１７に取り付けられた出射
光学系１３と被照射対象間の距離を変化させる動作軸に
よって微小揺動を行ってもよいが、本実施の形態では、
正確かつ高速に動作させることが可能なピエゾアクチュ
エータ１５を揺動機構に別個に設けているため、制御速
度を速くできる効果と焦点ズレの測定精度を向上させる
効果、および制御を簡便にする効果がある。

【００５４】さて、この結像位置の揺動によって戻り光
１９の強度も変化を受けるが、この戻り光１９の強度変
化の発振器２８の周波数と同じ基本波成分と２倍波成分
に着目して焦点位置ズレの検出を行う。

【００５５】この目的で、フォトダイオード２６からの
信号は基本波のフィルター３１と２倍波のフィルター３
２とに分岐して入れられる。基本波のフィルター３１か
らの出力は、さらに、発振器２８の信号と比較して、位
相差を検出する位相差検出器３５に入力される。また、
２倍波のフィルター３２から出力された信号は、さら
に、二乗検波器３６をとおり２倍波成分の強度として出
力される。

【００５６】この戻り光１９の強度の変化と結像位置揺
動の変化の位相関係について図３を用いて説明する。図
３の横軸は揺動の中心位置を示し、縦軸は位相差検出器
３５からの出力である位相差を示す。揺動の中心位置が
ゼロの点では、ちょうど光ファイバー５の出射端と被照
射体表面との関係が結像関係にあるとき、すなわち、焦
点ズレ量がゼロである点を中心に揺動している状態を示
す。中心からずれている場合には、ずれている方向に応
じてこの位相差は正または負に変化する。すなわち、こ
の位相差情報により焦点ズレがどの程度か知ることがで
きる。

【００５７】揺動中心位置と戻り光１９の基本波成分の
強度との関係を図４（ａ）に示す。図４（ａ）の横軸は
揺動中心の位置であり、ゼロのときに光ファイバー５の
出射端面と被照射体の表面の関係が結像関係になってい
ることを示す。図４（ａ）の縦軸は、戻り光１９の基本
波成分強度であり、この様に、揺動中心がちょうど焦点
の合っている状態近傍になると、基本波成分の強度がゼ
ロに近づくため、発振器２８との位相差情報を得るのが
困難になり、大きく焦点ズレが発生した場合との区別が
困難となる。

【００５８】図４（ｂ）に揺動中心位置と二乗検波器３
６の出力強度との関係を示す。この図からわかるよう
に、基本波成分の場合と逆に、2倍波成分の強度は揺動
中心位置がゼロのとき、すなわち、ちょうど焦点が合っ
ているときに、最大になる。計算機３７では、これらの
情報を位相差情報と補完的に分析することによって、正
確に焦点ズレを把握する。計算機３７で把握された焦点
ズレ量の信号は遠隔制御装置１８に送られ、遠隔機器１
７を駆動して、常に焦点が外れない状態にフィードバッ
ク制御する。

【００５９】以上のように動作するため、すなわち、安
定なガイドレーザ光１２の反射戻り光を焦点測定に使用
するため、非連続光出力のＹＡＧレーザ光２を照射する
際にも、安定に、焦点ズレを補正しながら、被照射材料
に照射することができる。

【００６０】また、正確かつ高速に動作させることが可
能なピエゾアクチュエータ１５を揺動機構に設けている
ため、制御速度を速くできる効果と焦点ズレの測定精度
を向上させる効果、および制御を簡便にする効果があ
る。

【００６１】本実施の形態では、出射光学系１３は基本
的に常に、焦点ズレが無い状態を中心に微小に揺動して
いる。この揺動幅が、焦点深度の範囲内であれば特に問
題無いが、揺動幅を小さくすることは、戻り光強度の変
調深度が浅くなるため、焦点測定の精度を低下させる場
合がある。

【００６２】これに対して、本実施の形態では、ＹＡＧ
レーザ装置１のパルス発振のタイミングと出射光学系１
３が揺動中心位置を横切るタイミングとを同期させるよ
うにしている。すなわち、ＹＡＧレーザ装置１のパルス
発振の繰り返し周波数の整数倍に発振器２８の周波数を
合せている。このときＹＡＧレーザ装置１からの同期信
号は制御装置２７内の計算機３７に取り込まれ、このタ
イミングに発振器２８のゼロクロスのタイミングが合う
ように、計算機３７は発振器２８の位相を制御すように
している。

【００６３】このように動作するため、常に焦点の揺動
の中心位置においてＹＡＧレーザ装置１はパルス発振す
るので、揺動幅を大きくした場合においても、焦点ズレ
の無い状態でＹＡＧレーザ光２を照射することができ
る。

【００６４】被照射体にＹＡＧレーザ光２を照射したと
き、強いプラズマ光が照射点で発生するが、このプラズ
マ光は戻り光１９と同様に光ファイバー５に入射し、最
終的にはフォトダイオード２６まで到達する。その結
果、制御装置２７には、戻り光以外のノイズ光として取
り込まれるが、計算機３７には、ＹＡＧレーザ装置１の
パルス発振の瞬間のみ、信号をマスクして不感にするゲ
ート機能を備えている。

【００６５】これにより、プラズマ発光の影響を避け、
焦点合わせの精度を向上させるとともに、誤動作が起き
にくくできるので、装置の信頼性を向上させることがで
きる。同様の機能として、ダイクロイックミラー２２か
ら計算機３７までの間に同期出力４０からの同期信号で
動作する光学シャッターまたは電気的ゲート回路を設け
てもよい。

【００６６】本実施の形態においては、ガイドレーザ光
１２の光源にはＨｅＮｅレーザ装置７の他にＨｅＣｄレ
ーザ装置８を同時に用いている。ガイドレーザ光１２を
１つだけにして適用した場合にも、焦点距離測定等は可
能であるが、その場合には、出射光学系１３の色収差を
十分に低減して、ガイドレーザ光１２での焦点測定と実
際に照射すべきＹＡＧレーザ光２の焦点測定の色収差に
よる影響を避けるようにする必要がある。また色収差の
問題を回避しても、単色のガイドレーザ光のみを使用す
る場合には、ちょうど焦点ズレの無い状態のときに位相
差による位置ズレ評価が最も困難になるという問題があ
る。

【００６７】このため本実施の形態では、照射すべきＹ
ＡＧレーザ光２の波長に対して概ね１００ｎｍ波長の長
い光を発振するＨｅＮｅレーザ装置７と逆に概ね１００
ｎｍ波長の短い光を発振するＨｅＣｄレーザ装置８を用
い、さらに、あえて色収差のある出射光学系１３を用い
ている。

【００６８】この作用について図５、図６および図７を
参照して次に説明する。図５は横軸を焦点ズレ量とし、
縦軸を戻り光の強度で表してある。焦点ズレ量がゼロの
点は、照射すべきＹＡＧレーザ光２において出射光学系
１３により光ファイバー５の出射端と被照射体である原
子炉の炉内構造物１４表面が結像関係にある場合であ
る。図５中、符号４３はＹＡＧレーザ光の戻り光強度を
表している。符号４４はＨｅＮｅレーザ光９の戻り光１
９の強度である。また、符号４５はＨｅＣｄレーザ光１
０の戻り光強度である。

【００６９】このように出射光学系１３の色収差によ
り、照射すべき波長において焦点ズレが無い状態では、
戻り光強度の最大値を得る焦点ズレ量は、ＨｅＮｅレー
ザ光波長ではプラス側に、ＨｅＣｄレーザ光波長ではマ
イナス側にずれている。

【００７０】このことから、戻り光の強度変化と発振器
２８の出力との位相差は図６のようになる。図６の横軸
は出射光学系１３の揺動の中心位置であり、０の点は、
照射すべきＹＡＧレーザ光２において出射光学系１３に
より光ファイバー５の出射端と被照射体である炉内構造
物１４表面が結像関係にある点を中心にして揺動してい
る場合である。符号４６はＨｅＮｅ戻り光１９の位相差
であり、位相差検出器３５からの出力にあたる。また、
符号４７はＨｅＣｄ戻り光２０の発振器２８出力に対す
る位相差であり、位相差検出器３３からの出力にあた
る。

【００７１】この図から明らかなように、ＹＡＧレーザ
光２の焦点位置ズレがゼロであるときにおいても、Ｈｅ
Ｎｅレーザ光の波長およびＨｅＣｄレーザ光の波長にお
いては、焦点ズレ量がゼロではないので、それぞれ位相
差が正、および負になっている。すなわち、計算機３７
は、ＨｅＮｅの位相差およびＨｅＣｄレーザ光の位相差
がそれぞれ正になっている場合、焦点位置が正にずれて
いると判断し、逆にそれぞれの位相差が負にある場合、
焦点位置が負にずれているものと判断する。

【００７２】図７に、ＨｅＮｅレーザ光の戻り光１９お
よびＨｅＣｄレーザ光の戻り光２０の揺動周波数の基本
波成分における強度と揺動中心位置の関係を示す。符号
４８はＨｅＮｅレーザ光の戻り光基本波強度を示し、符
号４９はＨｅＣｄレーザ光の戻り光基本波強度を示して
いる。この図からわかるように、焦点位置にズレが無い
場合、すなわち揺動中心がゼロの場合においても、Ｈｅ
Ｎｅレーザ光およびＨｅＣｄレーザ光の位相差は、それ
ぞれ、正および負の点にあるため、それぞれの基本波成
分の強度も最弱の状態ではないので、安定した位置ズレ
信号を得ることができる。

【００７３】ふたつのガイドレーザ光はこのように作用
するため、ひとつのガイドレーザ光を使用しているとき
と比較して、より安定して焦点のズレを測定できるの
で、照射面の品質を一定にすることができる。

【００７４】また本実施の形態においては、常に光ファ
イバー５の出射端の像を被照射体である炉内構造物１４
の表面に結像した状態、すなわち、焦点ズレの無い状態
でＹＡＧレーザ光２を照射しつづけることができるが、
急激な振動などにより瞬間的に制御が追いつかず、焦点
ズレの発生することがありうる。本実施の形態では、焦
点ズレが許容の範囲を超えていることを計算機３７が検
知した場合には、瞬時に、シャッタードライバー３８を
経由して、シャッター３９を閉にする動作を行うように
なっている。このように作用するため、常に、焦点のズ
レの無い状態でのみ照射することができ、照射面の品質
を一定にすることができる。

【００７５】さらに本実施の形態においては、出射光学
系１３は遠隔機器１７に取り付けられているため、炉内
構造物１４の任意の位置においてＹＡＧレーザ光２を照
射することができる。またこのとき、照射するレーザ光
の特性を変えることにより、炉内構造物１４の切断や溶
融や応力改善等の加工をおこなうことができる。

【００７６】これらの各種加工に対して重要な加工パラ
メータとして照射点のスポットの大きさがあげられる
が、レーザピーニングによる応力改善を目的とする場合
には、ＹＡＧレーザ光２の特性は、パルス発振の繰返し
速度は１秒あたり１２０パルスであり、パルス幅が半値
全幅で概ね７ｎｓ、パルスエネルギーが概ね２００ｍＪ
とするのがよい。応力改善の条件としての照射スポット
の直径は０．６ｍｍから、１．２ｍｍまでが好適な範囲
である。

【００７７】本実施の形態では光ファイバー５はコア直
径１．２ｍｍを用いており、出射光学系１３の縮小率は
２分の１としてあるので、焦点ズレの無い状態で、スポ
ット径は直径０．６ｍｍになっている。焦点ズレがある
ような位置関係になった場合、照射面でのスポット径は
大きくなるが、本実施の形態では上述のように作用して
いるため、常に光ファイバー５の出射端面の像を炉内構
造物１４の表面上に焦点ズレ無く結像させた状態に調整
しながら照射することができる。

【００７８】本実施の形態のレーザ光照射装置は以上の
ように動作するため、レーザ光による原子炉炉内構造物
の補修、予防保全工事を光ファイバーを用いたレーザ光
で行うことができる。しかも、照射スポットの大きさを
一定の条件に管理できるため、信頼性の高い原子炉炉内
構造物の補修、予防保全を行うことができる。

【００７９】なお、この第１の実施の形態のレーザ光照
射装置におけるピエゾアクチュエータ１５とピエゾドラ
イバー１６の代りにボイスコイルやガルバノメータ等の
電磁気アクチュエータを採用してもよい。

【００８０】次に本発明の第２の実施の形態のレーザ光
照射装置の構成および作用効果を図８を参照して説明す
る。本実施の形態のレーザ光照射装置は、迅速に被照射
材６２に照射用レーザ光５２の焦点を合わせて照射する
ことができるように、表面形状計測センサ５７により収
集した被照射材６２の表面形状計測データから、最適な
焦点位置になるように制御装置５８によって焦点位置駆
動機構５５を制御する。

【００８１】符号５１は被照射材６２に照射するレーザ
光を発生させるレーザ装置であり、このレーザ装置５１
によって発振した照射用レーザ光５２を、集光レンズ５
３、光ファイバー５４を介して、焦点位置駆動機構５５
に設けられた集光レンズ５６へ伝送し、集光レンズ５６
から被照射材６２に照射する。

【００８２】焦点位置駆動機構５５は、集光レンズ５６
を取付けた集光レンズ取付け治具６４をＺ軸駆動用アク
チュエータ６０で上下方向（Ｚ軸方向）に駆動させて被
照射材６２に焦点を合わせる調整ができる構成としてい
る。なお、この集光レンズ取付け治具６４は、上下方向
のみ移動可能で水平方向は固定してある。

【００８３】照射用レーザ光５２による被照射材６２の
照射は、被照射材６２を被照射材支持台６３に取付けた
状態で行う。被照射材支持台６３はＸＹステージ６６に
取付けられ、被照射材６２を水平方向（Ｘ軸方向および
Ｙ軸方向）に移動させる。被照射材６２の任意の位置、
エリアへの照射は、ＸＹステージ６６付きの被照射材支
持台６３を水平方向に移動させることによって行う。

【００８４】被照射材６２と集光レンズ５６とのあいだ
の距離計測は、集光レンズ取付け治具６４に取付けられ
た表面形状計測センサ５７を用いて行う。表面形状計測
センサ５７は、被照射材６２表面の凸凹形状を定量的に
計測するもので、スキャン式レーザ距離計を用い、この
スキャン式レーザ距離計で検出した距離データを信号処
理器５９で定量的な凸凹形状データに変換し、制御装置
５８へ入力する構成としている。

【００８５】制御装置５８は、ＸＹステージドライバ６
５を介してＸＹステージ６６を移動制御し、また、信号
処理器５９から出力される被照射材６２の表面形状計測
データから集光レンズ取付け治具６４のＺ軸方向の移動
量を算出し、被照射材６２への焦点距離が最適になるよ
うに焦点位置駆動機構用ドライバ６１およびＺ軸駆動用
アクチュエータ６０を介して集光レンズ取付け治具６４
の位置制御を行う。

【００８６】この第２の実施の形態によれば、レーザ照
射前にあらかじめ表面形状計測センサ５７を用いて被照
射材６２の表面の凸凹形状のデータを収集しておくこと
によって、制御装置５８でその凸凹形状に沿って自動的
に焦点位置駆動機構５５を駆動しながら連続的な照射処
理が可能となり、非連続光出力のレーザ光を照射する際
にも、常に照射ビーム径が一定の大きさの条件で被照射
面にレーザ光を照射することができる。また、レーザ光
の照射と表面形状計測センサの形状計測を行うタイミン
グを調整することによって、連続的な照射処理を行うこ
とができる。

【００８７】次に本発明のレーザ光照射装置の第３の実
施の形態を図９を参照して説明する。この実施の形態
は、被照射材６２の表面形状を測定する手段として接触
式変位計７７を用いたものである。

【００８８】図中符号７１は、被照射材６２に照射する
ＹＡＧレーザ光７２を発生させるＹＡＧレーザ装置であ
る。ＹＡＧレーザ装置７１によって発振したＹＡＧレー
ザ光７２を、集光レンズ７３、ステップインデックス型
光ファイバー７４を介して、焦点位置駆動機構５５に設
けられた集光レンズ７６へ伝送し、集光レンズ７６から
被照射材６２に照射する。

【００８９】焦点位置駆動機構５５は、集光レンズ７６
を取付けた集光レンズ取付け治具６４をＺ軸駆動用アク
チュエータ６０で上下方向（Ｚ軸方向）に駆動させて被
照射材６２に焦点を合わせる調整ができる構成としてい
る。なお、この集光レンズ取付け治具６４は、上下方向
のみ移動可能で水平方向は固定してある。

【００９０】ＹＡＧレーザ光７２による被照射材６２の
照射は、被照射材６２を被照射材支持台６３に取付けた
状態で行う。被照射材支持台６３はＸＹステージ６６に
取付けられ、被照射材６２を水平方向（Ｘ軸方向および
Ｙ軸方向）に移動させる。被照射材６２上の任意の位
置、エリアへの照射は、制御装置５８からＸＹステージ
ドライバ６５を介した移動制御でＸＹステージ６６を水
平方向に移動させることによって行う。

【００９１】接触式変位計７７は、集光レンズ７６を取
付けてＺ軸（上下）方向に移動する集光レンズ取付け治
具６４に取り付けられている。接触式変位計７７で検出
した距離データは、信号処理器７９を介して、制御装置
５８に入力される。

【００９２】制御装置５８は、被照射材６２を取付けら
れた被照射材支持台６３を載置し水平方向に移動するＸ
Ｙステージ６６を移動制御し、また、接触式変位計７７
から照射位置までの距離データを取り込んで集光レンズ
取付け治具６４の位置制御を行う。照射する前に予め、
ＸＹステージ６６を水平移動させて接触式変位計７７に
よって距離データを収集することによって、被照射材６
２の表面形状を求める。予め求めた被照射材６２の表面
形状を用いることによって、制御装置５８は、ＸＹステ
ージドライバ６５を介してＸＹステージ６６を移動制御
し、被照射材６２への焦点距離が最適になるように集光
レンズ取付け治具６４の位置制御を自動的に行う。

【００９３】この第３の実施の形態によれば、接触式変
位計７７を採用した表面形状計測センサを用いてレーザ
光照射前にあらかじめ被照射材６２の表面の凸凹形状の
データを収集しておくことによって、制御装置５８でそ
の凸凹形状に沿って自動的に焦点位置駆動機構５５を駆
動しながら連続的な照射処理が可能となり、非連続光出
力のレーザ光を照射する際にも、常に照射ビーム径が一
定の大きさの条件で被照射面にレーザ光を照射すること
ができる。

【００９４】また、集光レンズ７６と接触式変位計７７
の位置関係は一定であるので、照射処理と被照射材６２
の表面形状の測定を並行して行い、連続的に逐次測定し
た表面形状位置に合わせた照射処理を行うこともでき
る。

【００９５】次に本発明のレーザ光照射装置の第４の実
施の形態を図１０を参照して説明する。この実施の形態
は、被照射材６２の表面形状を測定する手段として超音
波距離計８１を用いたものである。

【００９６】超音波距離計８１は、集光レンズ７６を取
付けてＺ軸（上下）方向に移動する集光レンズ取付け治
具６４に取付けられている。超音波距離計８１で検出し
た距離データは、信号処理器８２を介して、制御装置５
８に入力される。その他の構成は前記第３の実施の形態
と同じである。

【００９７】制御装置５８は、被照射材６２を取付けら
れた被照射材支持台６３を載置し水平方向に移動するＸ
Ｙステージ６６を移動制御し、また、超音波距離計８１
から照射位置までの距離データを取り込んで集光レンズ
取付け治具６４の位置制御を行う。照射する前に予め、
ＸＹステージ６６を水平移動させて超音波距離計８１に
よって距離データを収集することによって、被照射材６
２の表面形状を求める。予め求めた被照射材６２の表面
形状を用いることによって、制御装置５８は、ＸＹステ
ージドライバ６５を介してＸＹステージ６６を移動制御
し、被照射材６２への焦点距離が最適になるように集光
レンズ取付け治具６４の位置制御を自動的に行う。

【００９８】この第４の実施の形態によれば、超音波距
離計８１を採用した表面形状計測センサを用いてレーザ
光照射前にあらかじめ被照射材６２の表面の凸凹形状の
データを収集しておくことによって、制御装置５８でそ
の凸凹形状に沿って自動的に焦点位置駆動機構５５を駆
動しながら連続的な照射処理が可能となり、非連続光出
力のレーザ光を照射する際にも、常に照射ビーム径が一
定の大きさの条件で被照射面にレーザ光を照射すること
ができる。

【００９９】また、集光レンズ７６と超音波距離計８１
の位置関係は一定であるので、照射処理と被照射材６２
の表面形状の測定を並行して行い、連続的に逐次測定し
た表面形状位置に合わせた照射処理を行うこともでき
る。

【０１００】次に本発明のレーザ光照射装置の第５の実
施の形態を図１１を参照して説明する。この実施の形態
においては、被照射材６２の表面形状を測定する手段と
して、可視光のガイドレーザ光９１をＹＡＧレーザ光７
２と同じ伝送経路を通って被照射材６２に照射し、カメ
ラ８６、フィルター８７および画像信号処理装置８８を
用いて被照射材６２の表面形状を測定する。ガイドレー
ザ光９１は、ガイドレーザ装置８９で発振され、反射ミ
ラー９０と誘電体多層膜からなるダイロイックミラー９
２によってＹＡＧレーザ光７２の伝送路に導かれる。

【０１０１】ＹＡＧレーザ光７２を発振し伝送し被照射
材６２に照射するための構成と、集光レンズ取付け治具
６４を上下方向に駆動するための構成と、ＸＹステージ
６６を水平面内で移動させるための構成は、前記第３の
実施の形態および第４の実施の形態と同じである。

【０１０２】フィルタ８７を取付けたカメラ８６は、集
光レンズ７６を取付けてＺ軸（上下）方向に移動する集
光レンズ取付け治具６４に取り付けられている。カメラ
８６は、選択した波長の光のみを通過するフィルタ８７
を取付けており、ガイドレーザ光９１のみを撮影した画
像信号を出力する。カメラ８６で撮像した画像信号は、
画像信号処理装置８８に入力され、三角測量の原理に基
づいて照射位置までの距離を求める。そして画像信号処
理装置８８で求められた照射位置までの距離データは制
御装置５８に入力される。

【０１０３】制御装置５８は、被照射材６２を取付けら
れた被照射材支持台６３を載置し水平方向に移動するＸ
Ｙステージ６６を移動制御し、また、画像信号処理装置
８８で求められた照射位置までの距離データを取り込ん
で集光レンズ取付け治具６４の位置制御を行う。照射す
る前に予め、ＸＹステージ６６を水平移動させて画像信
号処理装置８８によって距離データを収集することによ
って、被照射材６２の表面形状を求める。予め求めた被
照射材６２の表面形状を用いることによって、制御装置
５８は、ＸＹステージドライバ６５を介してＸＹステー
ジ６６を移動制御し、被照射材６２への焦点距離が最適
になるように集光レンズ取付け治具６４の位置制御を自
動的に行う。

【０１０４】この第５の実施の形態によれば、レーザ光
照射前にあらかじめ、カメラ８６、フィルタ８７および
画像信号処理装置８８を用いて被照射材６２の表面の凸
凹形状のデータを収集しておくことによって、制御装置
５８でその凸凹形状に沿って自動的に焦点位置駆動機構
５５を駆動しながら連続的な照射処理が可能となり、非
連続光出力のレーザ光を照射する際にも、常に照射ビー
ム径が一定の大きさの条件で被照射面にレーザ光を照射
することができる。

【０１０５】また、画像信号処理装置８８による被照射
材６２の表面の凸凹形状データの導出は高速（１／３０
秒以下）で行うことが可能であるため、オンラインでの
連続的な照射処理が可能となる。

【０１０６】次に本発明のレーザ光照射装置の第６の実
施の形態を図１２を参照して説明する。この実施の形態
は、被照射材６２の表面形状を測定する手段として、ス
テレオカメラ９６ａ、９６ｂと照射レーザ光の反射光の
影響を防ぐフィルター９７と画像処理器９８を用いたも
のである。

【０１０７】ＹＡＧレーザ光７２を発振し伝送し被照射
材６２に照射するための構成と、集光レンズ取付け治具
６４を上下方向に駆動するための構成と、ＸＹステージ
６６を水平面内で移動させるための構成は、前記第３の
実施の形態から第５の実施の形態までと同じである。

【０１０８】ステレオカメラ９６ａ、９６ｂは、集光レ
ンズ７６を取付けてＺ軸（上下）方向に移動する集光レ
ンズ取付け治具６４に取り付けられている。ステレオカ
メラ９６ａ、９６ｂで撮影した画像信号は、画像処理器
９８で、左右の画像の対応付けと左右の画像の視差値の
距離への変換処理を行い、被照射材６２の表面の凸凹形
状データを導出する。

【０１０９】制御装置５８は、被照射材６２を取付けら
れた被照射材支持台６３を載置し水平方向に移動するＸ
Ｙステージ６６を移動制御し、また、画像処理器９８で
導出した照射位置までの距離データを取り込んで集光レ
ンズ取付け治具６４の位置制御を行う。照射する前に予
め、ＸＹステージ６６を水平移動させてステレオカメラ
９６ａ、９６ｂで画像を撮影し、画像処理器９８で距離
データを導出することによって、被照射材６２の表面形
状を求めておく。予め求めた被照射材６２の表面形状を
用いることによって、制御装置５８は、ＸＹステージド
ライバ６５を介してＸＹステージ６６を移動制御し、被
照射材６２への焦点距離が最適になるように集光レンズ
取付け治具６４の位置制御を自動的に行う。

【０１１０】この第６の実施の形態によれば、照射前に
あらかじめステレオカメラ９６ａ、９６ｂで画像を撮影
し、画像処理器９８で距離データを導出し、被照射材６
２の表面の凸凹形状データを収集しておくことによっ
て、制御装置５８でその凸凹形状に沿って自動的に焦点
位置駆動機構５５を駆動しながら連続的な照射処理が可
能となり、非連続光出力のレーザ光を照射する際にも、
常に照射ビーム径が一定の大きさの条件で被照射面にレ
ーザ光を照射することができる。

【０１１１】

【発明の効果】本発明のレーザ光照射装置によれば、非
連続出力型のレーザ光を光ファイバーで伝送して被照射
面に照射する際に、常に光ファイバー出射端の像を被照
射面に結像した状態で照射することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態のレーザ光照射装置
を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）のｂ部拡大
図。

【図２】本発明の第１の実施の形態のレーザ光照射装置
における出射光学系の焦点位置のズレ量に対するＨｅＮ
ｅガイドレーザの戻り光強度の関係を示す曲線図。

【図３】本発明の第１の実施の形態のレーザ光照射装置
における焦点位置の揺動の中心位置に対する焦点位置の
揺動の位相とＨｅＮｅガイドレーザ光の揺動の位相との
差を示す曲線図。

【図４】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態のレーザ
光照射装置における焦点位置の揺動の中心位置に対する
ＨｅＮｅガイドレーザの戻り光の揺動周波数成分の強度
を示す図、（ｂ）は同上の２倍波成分の強度を示す図。

【図５】本発明の第１の実施の形態のレーザ光照射装置
における焦点のズレ量に対するＹＡＧレーザ光、ＨｅＮ
ｅガイドレーザ光およびＨｅＣｄガイドレーザ光の戻り
光強度を示す図。

【図６】本発明の第１の実施の形態のレーザ光照射装置
における焦点位置の揺動の中心位置に対する焦点位置の
揺動の位相とＨｅＮｅガイドレーザ光およびＨｅＣｄガ
イドレーザの揺動の位相との差を示す曲線図。

【図７】本発明の第１の実施の形態のレーザ光照射装置
における焦点位置の揺動の中心位置に対するＨｅＮｅガ
イドレーザおよびＨｅＣｄガイドレーザの戻り光の揺動
周波数成分の強度を示す図。

【図８】本発明の第２の実施の形態のレーザ光照射装置
を示す図。

【図９】本発明の第３の実施の形態のレーザ光照射装置
を示す図。

【図１０】本発明の第４の実施の形態のレーザ光照射装
置を示す図。

【図１１】本発明の第５の実施の形態のレーザ光照射装
置を示す図。

【図１２】本発明の第６の実施の形態のレーザ光照射装
置を示す図。

【符号の説明】

１…ＹＡＧレーザ装置、２…ＹＡＧレーザ光、３…円形
アパーチャ、４…集光レンズ、５…光ファイバー、６…
ダイクロイックミラー、７…ＨｅＮｅレーザ装置、８…
ＨｅＣｄレーザ装置、９…ＨｅＮｅレーザ光、１０…Ｈ
ｅＣｄレーザ光、１１…ダイクロイックミラー、１２…
ガイドレーザ光、１３…出射光学系、１３ａ…全反射ミ
ラー、１３ｂ，１３ｃ…凸レンズ、１４…炉内構造物、
１５…ピエゾアクチュエータ、１６…ピエゾドライバ
ー、１７…遠隔機器、１８…遠隔制御装置、１９，２０
…戻り光、２１…半透過ミラー、２２…ダイクロイック
ミラー、２３…ＨｅＣｄ干渉フィルター、２４…フォト
ダイオード、２５…ＨｅＮｅ干渉フィルター、２６…フ
ォトダイオード、２７…制御装置、２８…発振器、２
９，３０，３１，３２…フィルター、３３，３５…位相
差検出器、３４，３６…二乗検波器、３７…計算機、３
８…シャッタードライバー、３９…シャッター、４０…
同期出力、４２，４３…ＹＡＧレーザ光の戻り光強度、
４１，４４…ＨｅＮｅレーザ光の戻り光強度、４５…Ｈ
ｅＣｄレーザ光戻り光強度、４６…ＨｅＮｅ戻り光の位
相差、４７…ＨｅＣｄ戻り光の位相差、４８…ＨｅＮｅ
戻り光基本波強度、４９…ＨｅＣｄ戻り光基本波強度、
５１…レーザ装置、５２…照射用レーザ光、５３…集光
レンズ、５４…光ファイバー、５５…焦点位置駆動機
構、５６…集光レンズ、５７…表面形状計測センサ、５
８…制御装置、５９…信号処理器、６０…Ｚ軸駆動用ア
クチュエータ、６１…焦点位置駆動機構用ドライバ、６
２…被照射材、６３…被照射材支持台、６４…集光レン
ズ取付け治具、６５…ＸＹステージドライバ、６６…Ｘ
Ｙステージ、７１…ＹＡＧレーザ装置、７２…ＹＡＧレ
ーザ光、７３…集光レンズ、７４…ステップインデック
ス型光ファイバー、７６…集光レンズ、７７…接触式変
位計、７９…信号処理器、８１…超音波距離計、８２…
信号処理器、８６…カメラ、８７…フィルター、８８…
画像信号処理装置、８９…ガイドレーザ装置、９０…反
射ミラー、９１…ガイドレーザ光、９２…ダイクロイッ
クミラー、９６ａ，９６ｂ…ステレオカメラ、９７…フ
ィルター、９８…画像処理器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｇ２１Ｄ 1/00 Ｘ (72)発明者佐野雄二神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者岡田敏神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者穂積久士神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者伊藤智之神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者小野芳明神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者荻須達樹神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者廣田圭一東京都府中市晴見町２丁目24番地の１東芝アイティー・コントロールシステム株式会社内Ｆターム(参考） 4E068 AH00 CA11 CB01 CC06 CE08 DA06 5F072 AA01 AA03 AB02 JJ20 KK12 KK15 KK30 MM07 MM08 MM09 MM19 QQ02 SS06 YY06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス状または強度変調のかかった主た
るレーザ光を発生する主たるレーザ装置と、前記主たる
レーザ光を照射すべき対象の近傍へ導く光ファイバー
と、この光ファイバーの出射端面の像を前記被照射対象
の表面に結像させる出射光学系と、この出射光学系から
出射されるレーザ光の焦点位置をレーザ光の進行方向に
変化させる焦点位置駆動機構と、前記被照射対象表面と
前記焦点位置のあいだの距離に関するデータを取得しこ
の距離データを演算処理して前記出射光学系の焦点を被
照射対象表面に一致させるべく前記焦点位置駆動機構を
制御する測定制御手段とを備えたことを特徴とするレー
ザ光照射装置。
【請求項２】測定制御手段は被照射対象の照射すべき
範囲の表面形状を測定する表面形状測定手段を備え、前
記表面形状に関する情報と現在の照射位置の情報をもと
に距離データを算出することを特徴とする請求項１記載
のレーザ光照射装置。
【請求項３】測定制御手段は、主たるレーザ装置から
出射される主たるレーザ光の波長と異なる波長のガイド
レーザ光を発振するガイドレーザ装置と、波長によって
反射率の異なる波長分離ミラーとを備え光ファイバーの
入射側に設けられたガイドレーザ光入射光学系と、この
ガイドレーザ光入射光学系の前記ガイドレーザ装置と前
記波長分離ミラーとの間に設けられた半透過ミラーとこ
の半透過ミラーの反射側に設けられガイドレーザ光の波
長のみを選択し検出する波長選択フィルターおよび光検
出器とを備えた反射光強度検出装置と、焦点位置駆動機
構を揺動させるとともに前記反射光強度検出装置からの
光強度変化情報を演算処理して焦点位置を算出する制御
装置とを備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ
光照射装置。
【請求項４】焦点位置駆動機構は、微小な範囲を高速
で揺動させる焦点揺動機構と、大きな範囲を駆動する焦
点駆動機構とを備えたことを特徴とする請求項１記載の
レーザ光照射装置。
【請求項５】出射光学系は光ファイバー出射端から離
して設けられた正の焦点距離を持つレンズまたは組合せ
レンズを有し、焦点揺動機構は、電気歪効果を利用した
アクチュエータまたは電磁気力を利用したアクチュエー
タを有してアクチュエータによって光ファイバ出射端と
出射光学系全体を揺動するようにしたことを特徴とする
請求項４記載のレーザ光照射装置。
【請求項６】主たるレーザ光はパルス状であり、測定
制御手段は、前記主たるレーザ光の照射のタイミングが
出射光学系の焦点が被照射対象表面に合ったときに一致
するように出射光学系を揺動させることを特徴とする請
求項３記載のレーザ光照射装置。
【請求項７】主たるレーザ光はパルス状または時間的
に強度が変化する変調強度型であり、制御装置は、前記
主たるレーザ光の強度が一定強度以上の間またはパルス
レーザ照射中の間、反射光強度検出装置からの信号に不
感処理を施すゲート機能を備えたことを特徴とする請求
項３記載のレーザ光照射装置。
【請求項８】ガイドレーザ入射光学系および反射光強
度検出装置は、主たるレーザ光の波長の上および下の波
長のものが各１設けられていることを特徴とする請求項
３記載のレーザ光照射装置。
【請求項９】測定制御手段は、被照射対象の表面形状
を測定する手段または出射光学系の焦点位置のズレを測
定する手段として、超音波距離計または接触式変位計ま
たは電磁気式距離計を備えたことを特徴とする請求項１
記載のレーザ光照射装置。
【請求項１０】測定制御手段は、被照射対象の表面形
状を測定する手段または出射光学系の焦点位置のズレを
測定する手段として、光ファイバーの入射側に設けられ
主たるレーザ光の波長と異なる波長のガイドレーザ光を
発振するガイドレーザ装置と、波長によって反射率の異
なる波長分離ミラーとを備えたガイドレーザ光入射光学
系と、出射光学系から出射される光の進行方向と異なっ
た角度から照射点のガイドレーザ光による画像を撮影す
るカメラまたは光位置検出器と、前記カメラで撮影した
画像または前記光位置検出器の出力値から出射光学系の
焦点の位置ズレ量を計算する計算機とを備えたことを特
徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
【請求項１１】測定制御手段は、複数の方向から被照
射対象の表面の画像を撮影する撮像手段と、前記画像を
解析して表面形状を数値化する画像処理装置とを備えた
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
【請求項１２】焦点位置が許容限度内になっていると
きにのみ開く光学シャッターを主たるレーザ装置と光フ
ァイバー入射端の間に備えたことを特徴とする請求項１
記載のレーザ光照射装置。
【請求項１３】出射光学系および焦点位置駆動機構を
支持して原子炉炉内構造物にアクセスさせる遠隔機器
と、この遠隔機器の動作を遠隔制御する遠隔制御装置と
を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射
装置。