JP2004279087A

JP2004279087A - Laser light irradiation device

Info

Publication number: JP2004279087A
Application number: JP2003067903A
Authority: JP
Inventors: Takuya Uehara; 拓也上原; Shigehiko Mukai; 成彦向井; Katsuhiko Sato; 勝彦佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP4130599B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser light irradiation device capable of detecting accurately a focal point by utilizing return light from an irradiation object without being influenced by light disturbance. <P>SOLUTION: This device is constituted so that a vibration lens 5 (condensing lens) in an irradiation head 4 for applying laser light 2 oscillated from a laser device 1 which is a light source toward the irradiation object 3 is vibrated with a fine amplitude in the optical axis direction by a piezo actuator 7 (vibration mechanism). When detecting return light 13 from the irradiation object 3 by a photodiode 16, the intensity thereof is detected by a return light intensity detection device 17. Then, synchronous detection of the return light intensity is performed by an operation device 18, and the focal point is detected from a response characteristic acquired when the vibration lens 5 is vibrated. A DC motor 8 (driving mechanism) is driven and controlled so as to adjust so that the vibration center on the imaging position by the piezo actuator 7 is on the agreeing focal point position by providing the DC motor 8 for operating the whole irradiation head 4 in the optical axis direction. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源としてレーザ装置を用い、そのレーザ装置のレーザ光を照射ヘッドにより照射対象に対して照射したときの戻り光の強度変化を計測することで焦点ずれを検知すると共に、照射対象と照射ヘッドとの距離または角度を計測する機能を備えたレーザ光照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光源からの光を集光した際の焦点と照射対象との位置関係を検出する方法として、非点収差法やナイフエッジ法などが知られている。この非点収差法およびナイフエッジ法では、照射対象からの戻り光の像を受光素子に映し、その戻り光の像の形状に基づいて現在の焦点位置からどちらに集光レンズを動かすと合焦点位置になるかを検知することができる。
【０００３】
また、このような方法を用いた距離計側システムでは、可動型の集光レンズを動かすことにより合焦点位置を探査し、合焦点状態にしたときの可動レンズ位置から照射対象までの距離を算出している。
【０００４】
いずれの方法においても戻り光の像の形状を利用するため、光ファイバなどのような伝送送路を用いることができず、受光素子を照射ヘッド内に搭載する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のシステムでは、レーザ光を照射対象に照射したときの戻り光とは別の光が照射ヘッド内の受光素子に入射した場合にそれを区別することができない。このため、焦点近傍に例えばレーザ溶接によるプラズマなどの高強度の発光や他のレーザによる散乱等の外乱光が存在すると、これらの外乱光によって合焦点位置を誤認してしまい、その結果、距離計測などの精度も著しく低下するなどの問題があった。
【０００６】
また、受光素子を照射ヘッド内に搭載しなければならないため、その分だけ照射ヘッドの寸法が大きくなり、寸法制約のある部位で使用することが困難となる。さらに、受光素子は半導体でできているため、例えば原子炉などの放射線環境では、その受光素子を搭載した照射ヘッドを用いることができないなどの問題があった。
【０００７】
本発明は上記のような点に鑑みなされたもので、光の外乱の影響を受けずに、照射対象からの戻り光を利用して焦点位置を正しく検知でき、また、照射対象まで距離や角度の計測を高精度に行うことのできるレーザ光照射装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るレーザ光照射装置は、レーザ光を集光して照射対象に照射するための集光レンズを有する照射ヘッドと、この照射ヘッド内の上記集光レンズを光軸方向に微細振幅で振動させる振動機構と、上記照射ヘッドから上記照射対象に対してレーザ光を照射したときの戻り光を検知する受光素子と、この受光素子にて検知された戻り光の強度を検出する光強度検出手段と、この光強度検出手段によって検出された戻り光強度を同期検波し、上記振動機構によって上記集光レンズの振動させたときの応答特性から焦点位置を検出する制御手段とを具備して構成される。
【０００９】
このような構成のレーザ光照射装置によれば、光源から発振されたレーザ光は、例えば光ファイバなどの伝送路を介して照射ヘッドに与えられ、照射ヘッド内の集光レンズによって集光された後、照射対象に照射される。また、照射対象からの戻り光は、例えばフォトダイオードからなる受光素子にて検知され、その戻り光の強度が光強度検出手段にて検知される。そして、例えばパーソナルコンピュータからなる制御手段によって、上記光強度検出手段によって検出された戻り光強度が同期検波され、上記振動機構によって上記集光レンズの振動させたときの応答特性から焦点位置が検出される。
【００１０】
このように、戻り光の強度波形と振動機構の応答特性との関係から焦点位置を検知することで、他の光源などからの不連続な外乱に対して強い焦点検知が可能となる。
【００１１】
また、本発明の請求項２では、上記請求項１記載のレーザ光照射装置において、上記照射ヘッドを光軸方向に動作させる駆動機構を備え、上記制御手段は、上記振動機構による結像位置の振動中心を合焦点位置に調整するべく上記駆動機構を駆動制御することを特徴とするものである。
【００１２】
このような構成のレーザ光照射装置によれば、駆動機構によって上記照射ヘッドを光軸方向に動作させて、結像位置振動中心を合焦点位置に調整することができる。
【００１３】
また、本発明の請求項３では、上記請求項１記載のレーザ光照射装置において、上記照射ヘッドを光軸方向に動作させる駆動機構と、この駆動機構による上記照射ヘッドの変位量を検出する変位量検出手段とを備え、上記制御手段は、上記変位量検出手段によって検出される上記照射ヘッドの変位量と上記集光レンズの結像距離の情報とに基づいて、上記照射ヘッドから上記照射対象までの距離を測定することを特徴とするものである。
【００１４】
このような構成のレーザ光照射装置によれば、焦点調整時において、駆動機構によって駆動される照射ヘッドの変位量と集光レンズの結像距離の情報とに基づいて照射ヘッドから照射対象までの距離が算出される。
【００１５】
また、本発明の請求項４では、上記請求項１記載のレーザ光照射装置において、上記振動機構による上記集光レンズの振幅を検出する振幅検出手段を備え、上記制御手段は、上記振幅検出手段によって検出される上記集光レンズの振幅と上記集光レンズの結像距離の情報とに基づいて、上記照射ヘッドから上記照射対象までの距離を測定することを特徴とするものである。
【００１６】
このような構成のレーザ光照射装置によれば、焦点調整時において、振動機構によって振動される照射ヘッド内の集光レンズの振幅とその集光レンズの結像距離の情報とに基づいて照射ヘッドから照射対象までの距離が算出される。
【００１７】
また、本発明の請求項５に係るレーザ光照射装置は、波長の異なる複数のレーザ光を集光して照射対象に照射するための集光レンズを有する照射ヘッドと、この照射ヘッド内の上記集光レンズを光軸方向に微細振幅で振動させる振動機構と、上記照射ヘッドから上記照射対象に対してレーザ光を照射したときの戻り光を波長毎に分離する分離手段と、この分離手段によって分離された各戻り光をそれぞれ検知する複数の受光素子と、これらの受光素子にて検知された各戻り光の強度をそれぞれ検出する複数の光強度検出手段と、これらの光強度検出手段によって検出された各戻り光の強度を同期検波し、上記振動機構によって上記集光レンズの振動させたときの応答特性から得られる複数の焦点位置に基づいて、上記照射ヘッドに対する上記照射対象の角度を３次元計測する制御手段とを具備して構成される。
【００１８】
このような構成のレーザ光照射装置によれば、複数の光源から発振されたレーザ光は、例えば光ファイバなどからなる複数本の伝送路を介して照射ヘッドに与えられ、照射ヘッド内の集光レンズによって集光された後、照射対象に照射される。また、これらのレーザ装置に対応した照射対象からの戻り光は、例えばフォトダイオードからなる複数の受光素子にて検知され、各戻り光の強度がそれぞれに対応した光強度検出手段にて検知される。そして、例えばパーソナルコンピュータからなる制御手段によって、上記各光強度検出手段によって検出された各戻り光の強度が同期検波され、上記振動機構によって上記集光レンズの振動させたときの応答特性から得られる複数の焦点位置に基づいて、上記照射ヘッドに対する上記照射対象の角度が３次元計測される。
【００１９】
このように、波長の異なる複数のレーザ光を用いて、これらの戻り光の強度波形と振動機構の応答特性との関係から焦点位置を検知することで、他の光源などからの不連続な外乱に対して強い角度検知が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
まず、図１乃至図７を参照しながら、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２２】
図１は本発明の第１の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図である。このレーザ光照射装置は、例えば放射線環境など、検査員が直接検査できない場所にて、レーザ光を利用して構造物内の表面検査等を行う場合に用いられるものである。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態におけるレーザ光照射装置は、ＨｅＮｅレーザ装置１を光源として有する。このＨｅＮｅレーザ装置１から発振される波長５９４ｎｍのレーザ光２は、入射光学装置である入射レンズ１１により集光されて光ファイバ１０に入射され、この光ファイバ１０を通って照射ヘッド４に伝送される。照射ヘッド４内には、振動レンズ５およびコリメートレンズ６が備えられている。また、集光レンズである振動レンズ５には、振動機構としてのピエゾアクチュエータ７が取り付けられている。このピエゾアクチュエータ７は、振動レンズ５を微細振幅で振動させるためのものであり、ピエゾアクチュエータドライバ２０によって駆動される。
【００２４】
ＨｅＮｅレーザ装置１から光ファイバ１０を介して照射ヘッド４まで伝送されたレーザ光２は、その照射ヘッド４内に設けられたコリメートレンズ６を介してコリメートされた後に振動レンズ５を介して集光されて照射対象３に照射される。この照射対象３は、例えば放射線環境などに設置された構造物であり、その構造物表面にレーザ光２が照射ヘッド４内の光学系レンズを介して照射されることになる。その際、照射ヘッド４内に設けられた振動レンズ５は、ピエゾアクチュエータ７およびピエゾアクチュエータドライバ２０からなる振動機構によって一定周期で振動している。
【００２５】
ここで、第１の実施形態では、ピエゾアクチュエータ７を含む照射ヘッド４全体を光軸方向に動作させるための駆動機構として、ＤＣモータ８とそのＤＣモータ８を駆動するモータドライバ１９が設けられており、この駆動機構によりレーザ照射装置本体９に対する光ファイバ１０の端面像が結像される位置を調整する可能としている。
【００２６】
また、照射対象３からの戻り光１３は照射時と同じ伝送経路を通って入射側に伝送される。その伝送経路上には、ＨｅＮｅレーザ装置１からの入射光と照射対象３から散乱される戻り光１３を分離可能なハーフミラー１２が設置されている。このハーフミラー１２の反射方向には、戻り光を集光するための戻り光集光レンズ１４、外乱を排除するための分光装置であるバンドパスフィルタ１５、受光素子として用いられるフォトダイオード１６、フォトダイオード１６にて検知される戻り光１３の強度を検出する戻り光強度検出装置１７、そして、この戻り光強度検出装置１７から出力される信号を演算処理して焦点調整制御などを行う演算装置１８が設置されている。
【００２７】
なお、演算装置１８としては、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）が用いられる。
【００２８】
このような構成において、光源であるＨｅＮｅレーザ装置１から発振される波長５９４ｎｍのレーザ光２は、入射レンズ１１を介して集光されて光ファイバ１０に入射され、この光ファイバ１０を通って照射ヘッド４に伝送される。そして、このレーザ光２は、照射ヘッド４内に設けられたコリメートレンズ６を介してコリメートされた後に振動レンズ５を介して集光されて照射対象３に照射される。
【００２９】
レーザ光２が照射対象３に対して照射されると、そのレーザ光２が照射対象３の表面で乱反射して光ファイバ１０を通って入射側に戻り光１３として戻ってくる。このときの戻り光１３は、入射側に設けられたハーフミラー１２によって戻り光集光レンズ１４に導かれる。この光集光レンズ１４にて集光された戻り光１３は、バンドパスフィルタ１５にて波長５９４±５ｎｍの信号のみ選択的に受光素子であるフォトダイオード１６に与えられ、戻り光強度検出装置１７により±１０．０Ｖの電圧信号に変換されて演算装置１８に送られる。
【００３０】
演算装置１８では、戻り光強度検出装置１７からの光強度信号を同期検波演算処理すると共に、その結果を用いてＤＣモータ８を駆動するためのＰＩＤ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御のための演算を行うことにより駆動指令をモータドライバ１９に送信する。モータドライバ１９は、この駆動指令に従ってＤＣモータ８を駆動する。このＤＣモータ８の駆動に伴い照射ヘッド４が動作することで、振動レンズ５の振動動作に伴う結像位置が合焦点位置に調整される。
【００３１】
このように構成された本実施形態の作用について、図２乃至図７を用いて説明する。
【００３２】
図２は本装置における焦点位置に対するＨｅＮｅレーザ光の戻り光強度の関係を示す曲線図であり、図中の２１ａは本装置にて得られる戻り光強度曲線を表している。図３乃至図５は本装置における振動レンズ応答と戻り光強度変化との関係を示す曲線図であり、図中の２１ｂ〜２１ｄは戻り光強度曲線、２２は振動レンズ応答曲線を表している。
【００３３】
また、図６は本装置におけるＨｅＮｅレーザ光の焦点の中心位置に対して振動レンズ応答の基本波と戻り光強度変化を同期検波演算した結果を示す曲線図であり、図中の２３は戻り光基本波成分を表している。図７は本装置におけるＨｅＮｅレーザ光の焦点の中心位置に対して振動レンズ応答の２倍波と戻り光強度変化を同期検波演算した結果を示す曲線図であり、図中の２４ａは戻り光２倍波成分、２４ｂは戻り光２倍波成分（レンズ振幅小の場合）、２４ｃは戻り光２倍波成分（レンズ振幅大の場合）をそれぞれ表している。
【００３４】
フォトダイオード１６と戻り光強度検出装置１７によって検出される戻り光１３の光強度は、図２の戻り光強度曲線２１ａに示すように、戻り光集光レンズ１４によって光ファイバ１０の端面像が結像される位置と照射対象３とが一致した状態、つまり、合焦点状態であるときに最大値をとる。これに対し、焦点位置が照射ヘッド４の側に近くても、逆に遠くても強度レベルは減少する。このことから、振動機構であるピエゾアクチュエータ７によって照射ヘッド４内の振動レンズ５を振動させて結像位置も振動させることにより、戻り光強度にピエゾアクチュエータ７による加振に応じた変化を与えることができる。
【００３５】
この様子を図３乃至図５に示す。
【００３６】
すなわち、例えば結像位置の振動中心が照射対象３より照射ヘッド４の側に振動の幅以上に近い場合（つまり焦点が近い場合）には、図２の最大値より左側の単調増加の範囲で振動することになる。よって、戻り光強度変化は、図３の戻り光強度曲線２１ｂのように振動レンズ応答曲線２２と同じ振動数で位相も一致した曲線として得られる。
【００３７】
一方、結像位置の振動中心が照射対象３より振動の幅以上に遠い場合（つまり焦点が遠い場合）には、図２の最大値より右側の単調減少の範囲で振動することになる。よって、戻り光強度変化は、図４の戻り光強度曲線２１ｃのように振動レンズ応答曲線２２に対して振動数は同じで、位相が１８０度ずれた曲線として得られる。また、結像位置振動中心と合焦点位置が一致している場合には、振動レンズ５の振動１周期の間に図２の最大値を２度通過することになる。よって、戻り光強度変化は、図５の戻り光強度曲線２１ｄのように振動レンズ応答曲線２２の２倍の振動数を持つ曲線として得られる。
【００３８】
このように、戻り光強度の応答から振動レンズ５の応答成分を同期検波し、その結果をもって結像位置振動中心と合焦点位置とのずれ量を検知することができる。
【００３９】
ここで、ピエゾアクチュエータ７によって振動レンズ５を振動数ｆで振動させたときの応答を調和振動として１次近似した波形を基本波と呼び、以下のように定義する。
【００４０】
基本波：Ｆ_１（ｔ）＝ｓｉｎ（２×π×ｆ×（ｔ−δ））
ｆ：振動レンズ振動数
ｔ：時間
δ：位相遅れ
また、基本波の２倍の周期を持ち、基本波が０クロスする時間に最大値をとる関数を２倍波と呼び、以下のように定義する。
【００４１】
２倍波：Ｆ_２（ｔ）＝ｃｏｓ（２×（２×π×ｆ×（ｔ−δ））
まず、戻り光強度検出装置１７からの信号を演算装置１８でハイパスフィルタをかけて変動成分（ＡＣ成分）のみを抽出し、次にｆより十分高い周波数成分を取り除くためにローパスフィルタをかけ、さらに抽出された戻り光強度信号の振幅を揃える。
【００４２】
ここで、第１の実施形態では、ＰＣ等からなる演算装置１８により戻り光強度同期検波を行うことで、戻り光強度から基本波成分と２倍波成分の応答を求める。この場合、焦点の振動中心位置に対する基本波成分と２倍波成分の応答は、図６の２３および図７の２４ａのように得られる。これによると、戻り光基本波成分が０で、かつ、２倍波成分が最大となる条件から結像位置振動中心が合焦点となるには、照射ヘッド４をどちらの方向にどの程度動かせば良いかを検知することができる。そこで、この検知結果に基づいて演算装置１８からモータドライバ１９に対して上記駆動指令を出してＤＣモータ８を駆動制御することにより、結像位置振動中心が合焦点となるように調整する。
【００４３】
モータドライバ１９はＤＣモータ８を駆動するためのものであり、ＤＣモータ８を駆動するためのＰＩＤ制御の演算は同期検波演算と共に演算装置１８によって行われる。バンドパスフィルタ１５はフォトダイオード１６にて検知された光の波長を制限することにより光の外乱を抑え、戻り光強度計測のＳ／Ｎを向上させるのに役立つ。
【００４４】
以上のように第１の実施形態によれば、振動レンズ応答波と戻り光強度波形との比較結果に基づいて焦点が照射対象の表面上に一致する合焦点位置を検知するようにしたことで、照射ヘッド外に設けた受光素子へ入射する他の光源からの不連続な外乱に対して強い焦点検知が可能となる。
【００４５】
また、本装置では、受光素子（フォトダイオード）が照射ヘッドに搭載されていないので、照射ヘッドのサイズを小型化できると共に、原子炉などの放射線環境においても適用することができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００４７】
図８は本発明の第２の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図である。なお、図８において、図１（第１の実施形態）と同一部分には同一符号が付してある。
【００４８】
第２の実施形態におけるレーザ光照射装置は、上記第１の実施形態の構成に加え、駆動機構による照射ヘッド４の変位量を検出するための照射ヘッド変位計測用リニアセンサ２５と、そのリニアセンサ２５を駆動するための変位計測用リニアセンサドライバ２６とを備えている。
【００４９】
このような構成において、光源であるＨｅＮｅレーザ装置１から発振される波長５９４ｎｍのレーザ光２は、入射光学装置である入射レンズ１１を介して集光されて光ファイバ１０に入射され、この光ファイバ１０を通って照射ヘッド４に伝送される。そして、このレーザ光２は、照射ヘッド４内に設けられたコリメートレンズ６を介してコリメートされた後に振動レンズ５を介して集光されて照射対象３に照射される。
【００５０】
一方、照射対象３からの戻り光１３は照射時と同じ伝送経路を通り入射側に伝送され、その伝送経路上に設置されたハーフミラー１２によって戻り光集光レンズ１４に送られる。そして、バンドパスフィルタ１５を介して所定の帯域の信号のみ通過して受光素子であるフォトダイオード１６にて検知される。戻り光強度検出装置１７では、このようにしてフォトダイオード１６にて検知された戻り光１３の強度を検出することにより、その信号を演算装置１８に出力する。演算装置１８では、この戻り光強度に基づいて所定の演算処理を行って上記第１の実施形態で説明したような焦点調整制御を行う。
【００５１】
ここで、照射ヘッド４内に設けられた振動レンズ５が停止している場合、光ファイバ１０の端面像が結像される位置は、照射ヘッド４からの結像距離（これをワークディスタンスまたはＷＤと呼ぶ）として、集光レンズを含む照射ヘッド４の設計により決まっている。
【００５２】
したがって、上記第１の実施形態で説明した方法により、ＤＣモータ８を駆動制御して結像位置振動中心が合焦点位置となるように調整したときに、レーザ照射装置本体９に対する照射ヘッド４の相対位置を照射ヘッド変位計測用リニアセンサ２５によって検知すれば、そのときの照射ヘッド４の変位量と結像距離（ＷＤ）の情報に基づいて、照射ヘッド４から照射対象３のレーザ照射点までの距離を計測することができる。演算装置１８には、このような距離計測のための演算処理を行う機能が備えられている。
【００５３】
このように、第２の実施形態によれば、焦点調整時における照射ヘッドの位置を検知する機構を備えることで、外乱光などの影響を受けずに、照射ヘッドから照射対象のレーザ照射点までの距離を正確に計測することができる。
【００５４】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００５５】
図９は本発明の第３の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図である。なお、図９において、図８（第２の実施形態）と同一部分には同一符号が付してある。
【００５６】
第３の実施形態におけるレーザ光照射装置は、上記第２の実施形態の構成に加え、集光レンズである振動レンズ５の振幅を検出するための振幅検出用リニアセンサ２７と、そのリニアセンサのための振幅検出用リニアセンサドライバ２８とを備えている。
【００５７】
このような構成において、光源であるＨｅＮｅレーザ装置１から発振される波長５９４ｎｍのレーザ光２は、入射光学装置である入射レンズ１１を介して集光されて光ファイバ１０に入射され、この光ファイバ１０を通って照射ヘッド４に伝送される。そして、このレーザ光２は、照射ヘッド４内に設けられたコリメートレンズ６を介してコリメートされた後に振動レンズ５を介して集光されて照射対象３に照射される。
【００５８】
一方、照射対象３からの戻り光１３は照射時と同じ伝送経路を通り入射側に伝送され、その伝送路上に設置されたハーフミラー１２によって戻り光集光レンズ１４側に送られる。そして、バンドパスフィルタ１５を介して所定の帯域の信号のみ通過して受光素子であるフォトダイオード１６にて検知される。戻り光強度検出装置１７では、このようにしてフォトダイオード１６にて検知された戻り光１３の強度を検出することにより、その信号を演算装置１８に出力する。演算装置１８では、この戻り光信号強度に基づいて所定の演算処理を行って上記第１の実施形態で説明したような焦点調整制御を行う。
【００５９】
ここで、図７の２４ａ、２４ｂ、２４ｃの曲線が示すように戻り光１３の２倍波成分が０から正の値を持つようになる結像位置振動中心の位置は、照射ヘッド４内に設けられた振動レンズ５の振幅によって異なる。
【００６０】
第３の実施形態では、このような点に着目し、振幅検出用リニアセンサ２７と振幅検出用リニアセンサドライバ２８とピエゾアクチュエータドライバ２０を用いて、焦点調整時における振動レンズ５の振幅をフィードバック制御し、戻り光強度の同期検波により２倍波成分が０から正の値に変わるときの振動レンズ５の振幅と照射ヘッド変位計測用リニアセンサ２５にて検知される照射ヘッド４の変位情報、そして、結像距離（ＷＤ）の情報を演算装置１８によって換算することで、照射ヘッド４から照射対象３のレーザ照射点までの距離を計測する。演算装置１８には、このような距離計測のための演算処理を行う機能が備えられている。
【００６１】
このように、第３の実施形態によれば、焦点調整時における照射ヘッド内の集光レンズの振幅を検知する機構を備えることで、外乱光などの影響を受けずに、照射ヘッドから照射対象のレーザ照射点までの距離を正確に計測することができる。
【００６２】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００６３】
第４の実施形態では、レーザ光の波長が異なる複数のレーザ装置を用いて、照射ヘッドに対する照射対象の角度を３次元計測することを特徴としたものである。
【００６４】
図１０は本発明の第４の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図である。なお、図１０において、図８（第２の実施形態）と同一部分には同一符号が付してある。
【００６５】
第４の実施形態におけるレーザ光照射装置は、上記第２の実施形態の構成に加え、波長と異なる３種類の半導体レーザ装置１ａ、１ｂ、１ｃを備えている。レーザ装置１ａは上記第１乃至第３の実施形態で示したＨｅＮｅレーザ装置１であり、５９４ｎｍの波長を有するレーザ光２ａを発振する。このレーザ装置１ａの他に、レーザ装置１ｂとレーザ装置１ｃが追加されている。ここでは、レーザ装置１ｂは４８８ｎｍの波長を有するレーザ光２ｂを発振し、レーザ装置１ｂは５３２ｎｍの波長を有するレーザ光２ｃを発振する。
【００６６】
また、これらのレーザ装置１ａ、１ｂ、１ｃに対応して３本の光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃが伝送経路として照射ヘッド４まで延出され、さらに、これらの光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを通って入射側にフィードバックする戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃを波長分離するための光学系として４８８ｎｍ分離用のダイクロイックミラー２９ａと５３２ｎｍ分離用のダイクロイックミラー２９ｂが設けられている。
【００６７】
また、このダイクロイックミラー２９ａ、２９ｂを介して波長分離される戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃに対応させて、３組の戻り光集光レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、バンドパスフィルタ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、フォトダイオード１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、戻り光強度検出装置１７ａ、１７ｂ、１７ｃがそれぞれ設けられた構成になっている。
【００６８】
バンドパスフィルタ１５ａは５９４±５ｎｍ、バンドパスフィルタ１５ｂは４８８±５ｎｍ、バンドパスフィルタ１５ｃは５３２±５ｎｍの信号を通す。フォトダイオード１６ａ、１６ｂ、１６ｃは受光素子であって、これらバンドパスフィルタ１５ａ、１５ｂ、１５ｃを通過した戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃを検知する。戻り光強度検出装置１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、フォトダイオード１６ａ、１６ｂ、１６ｃによって検知された戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃの強度を検出して、その信号を演算装置１８に出力する。
【００６９】
このような構成において、レーザ装置１ａ、１ｂ、１ｃから照射されたレーザ光２ａ、２ｂ、２ｃは、それぞれに対応した光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを介して照射ヘッド４に伝送され、この照射ヘッド４内のコリメートレンズ６を介してコリメートされた後に振動レンズ５を介して集光されて照射対象３に照射される。レーザ光２ａ、２ｂ、２ｃが照射対象３に対して照射すると、これらのが照射対象３の表面上で乱反射して光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを通って入射側に戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃとして戻ってくる。
【００７０】
ここで、これらの戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃの波長を４８８ｎｍ、５３２ｎｍ、５９４ｎｍに分けて戻り光強度を計測し、それぞれについて同期検波することにより、上記第２の実施形態で説明したような方法を用いて３本の光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの端面像の合焦点距離をそれぞれ計測することができる。これらの光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの端面像の中心は１本の直線上になく、それぞれに異なる点に結像し、その３点は照射対象３上で必ず平面を形成することになる。したがって、この３点の合焦点距離の計測結果を用いれば、照射ヘッド４に対する照射対象３の角度を３次元計測することができる。演算装置１８には、このような角度計測のための演算処理を行う機能が備えられている。
【００７１】
このように、第３の実施形態によれば、波長の異なる複数のレーザ装置を備えることで、外乱などの影響を受けずに、それぞれの戻り光による合焦点距離の計測結果を用いて照射ヘッドに対する照射対象の角度を３次元計測することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、戻り光の強度波形と振動機構の応答特性との関係から焦点位置を検知する構成としたため、他の光源などからの不連続な外乱に対して強い焦点検知が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図。
【図２】上記レーザ光照射装置における焦点位置に対するＨｅＮｅレーザ光の戻り光強度の関係を示す曲線図。
【図３】上記レーザ光照射装置における振動レンズ応答と戻り光強度変化との関係を示す曲線図であり、焦点が近い場合の曲線図。
【図４】上記レーザ光照射装置における振動レンズ応答と戻り光強度変化との関係を示す曲線図であり、焦点が遠い場合の曲線図。
【図５】上記レーザ光照射装置における振動レンズ応答と戻り光強度変化との関係を示す曲線図であり、結像位置振動中心と合焦点位置が一致した場合の曲線図。
【図６】上記レーザ光照射装置におけるＨｅＮｅレーザ光の焦点の中心位置に対して振動レンズ応答の基本波と戻り光強度変化を同期検波演算した結果を示す曲線図。
【図７】上記レーザ光照射装置におけるＨｅＮｅレーザ光の焦点の中心位置に対して振動レンズ応答の２倍波と戻り光強度変化を同期検波演算した結果を示す曲線図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図。
【符号の説明】
１…レーザ装置、２…レーザ光、３…照射対象、４…照射ヘッド、５…振動レンズ、６…コリメートレンズ、７…ピエゾアクチュエータ、８…ＤＣモータ、９…レーザ照射装置本体、１０…光ファイバ、１１…入射レンズ、１２…ハーフミラー、１３…戻り光、１４…戻り光集光レンズ、１５…バンドパスフィルタ、１６…フォトダイオード、１７…戻り光強度検出装置、１８…演算装置、１９…モータドライバ、２０…ピエゾアクチュエータドライバ、２１ａ〜２１ｄ…戻り光強度曲線、２２…振動レンズ応答曲線、２３…戻り光基本波成分、２４ａ〜２４ｃ…戻り光２倍波成分、２５…照射ヘッド変位計測用リニアセンサ、２６…変位計測用リニアセンサドライバ、２７…振幅検出用リニアセンサ、２８…振幅検出用リニアセンサドライバ、２９ａ，２９ｂ…ダイクロイックミラー。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention uses a laser device as a light source, detects a focus shift by measuring a change in the intensity of return light when the laser beam of the laser device is irradiated to the irradiation target by an irradiation head, and detects a focus shift. The present invention relates to a laser beam irradiation device having a function of measuring a distance or an angle to an irradiation head.
[0002]
[Prior art]
Generally, as a method of detecting a positional relationship between a focal point when light from a light source is condensed and an irradiation target, an astigmatism method, a knife edge method, and the like are known. In the astigmatism method and the knife-edge method, the image of the returned light from the irradiation target is projected on the light receiving element, and the focusing lens is moved from either the current focal position to the focal point based on the shape of the returned light image. The position can be detected.
[0003]
In the rangefinder-side system using such a method, the focus position is searched by moving the movable condenser lens, and the distance from the movable lens position to the irradiation target in the focused state is calculated. are doing.
[0004]
In either method, since the shape of the image of the return light is used, a transmission path such as an optical fiber cannot be used, and it is necessary to mount a light receiving element in the irradiation head.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned conventional system, when light other than the return light when the laser light is irradiated to the irradiation target enters the light receiving element in the irradiation head, it cannot be distinguished. For this reason, if there is disturbance light such as high-intensity light emission such as plasma by laser welding or scattering by other lasers near the focal point, these disturbance lights misidentify the focal point position. As a result, distance measurement is performed. However, there has been a problem that the accuracy of the method has been remarkably reduced.
[0006]
In addition, since the light receiving element must be mounted in the irradiation head, the size of the irradiation head is correspondingly increased, and it is difficult to use the light receiving element in a part having dimensional restrictions. Further, since the light receiving element is made of a semiconductor, there is a problem that, for example, in a radiation environment such as a nuclear reactor, an irradiation head equipped with the light receiving element cannot be used.
[0007]
The present invention has been made in view of the above points, and can accurately detect a focal position using return light from an irradiation target without being affected by disturbance of light, and can detect a distance and an angle to the irradiation target. It is an object of the present invention to provide a laser beam irradiation device capable of performing measurement with high accuracy.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A laser light irradiation apparatus according to claim 1 of the present invention comprises: an irradiation head having a condenser lens for condensing laser light and irradiating the irradiation target with an irradiation target; A vibration mechanism that vibrates at a fine amplitude, a light receiving element that detects return light when the irradiation head irradiates the irradiation target with laser light, and detects an intensity of the return light detected by the light receiving element. A light intensity detecting means for detecting the return light intensity detected by the light intensity detecting means, and a control means for detecting a focus position from a response characteristic when the condensing lens is vibrated by the vibration mechanism. It is configured with.
[0009]
According to the laser light irradiation apparatus having such a configuration, the laser light oscillated from the light source is supplied to the irradiation head via a transmission path such as an optical fiber, and is collected by the condenser lens in the irradiation head. Then, the irradiation target is irradiated. The return light from the irradiation target is detected by a light receiving element formed of, for example, a photodiode, and the intensity of the return light is detected by a light intensity detection unit. The return light intensity detected by the light intensity detection means is synchronously detected by control means such as a personal computer, and the focus position is detected from the response characteristics when the condensing lens is vibrated by the vibration mechanism. You.
[0010]
As described above, by detecting the focus position from the relationship between the intensity waveform of the return light and the response characteristics of the vibration mechanism, it is possible to perform strong focus detection with respect to discontinuous disturbance from another light source or the like.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the laser light irradiation apparatus according to the first aspect, a driving mechanism for operating the irradiation head in an optical axis direction is provided, and the control unit controls an image forming position by the vibration mechanism. The invention is characterized in that the drive mechanism is driven and controlled to adjust the vibration center to the focal point.
[0012]
According to the laser light irradiation device having such a configuration, the irradiation head can be operated in the optical axis direction by the drive mechanism to adjust the center of vibration of the imaging position to the focal point position.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, in the laser light irradiation apparatus according to the first aspect, a driving mechanism for operating the irradiation head in an optical axis direction, and a displacement detecting a displacement amount of the irradiation head by the driving mechanism. An amount detection unit, wherein the control unit is configured to control the irradiation head from the irradiation head based on information on a displacement amount of the irradiation head detected by the displacement amount detection unit and information on an imaging distance of the condenser lens. It is characterized by measuring the distance to the vehicle.
[0014]
According to the laser beam irradiation apparatus having such a configuration, at the time of focus adjustment, the distance from the irradiation head to the irradiation target is determined based on the displacement amount of the irradiation head driven by the driving mechanism and the information on the imaging distance of the condenser lens. The distance is calculated.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the laser light irradiation apparatus according to the first aspect, an amplitude detecting means for detecting an amplitude of the condensing lens by the vibrating mechanism is provided, and the control means is provided with the amplitude detecting means. The distance from the irradiation head to the irradiation target is measured based on the amplitude of the condenser lens detected by the method and information on the imaging distance of the condenser lens.
[0016]
According to the laser beam irradiation apparatus having such a configuration, at the time of focus adjustment, the irradiation head is controlled based on the amplitude of the condenser lens in the irradiation head vibrated by the vibration mechanism and information on the image forming distance of the condenser lens. Is calculated from the distance to the irradiation target.
[0017]
Further, a laser light irradiation device according to claim 5 of the present invention includes an irradiation head having a condenser lens for condensing a plurality of laser lights having different wavelengths and irradiating the irradiation target with the laser light, A vibration mechanism for vibrating the condenser lens with a fine amplitude in the optical axis direction, separation means for separating return light when the irradiation head is irradiated with laser light from the irradiation head for each wavelength, and separation means A plurality of light receiving elements for detecting each separated return light, a plurality of light intensity detection means for detecting the intensity of each return light detected by these light reception elements, and detection by these light intensity detection means The synchronous detection of the intensity of each returned light is performed, and based on a plurality of focal positions obtained from response characteristics when the condensing lens is vibrated by the vibration mechanism, Constituted by a control means for three-dimensional measurement of the angle of the target elevation.
[0018]
According to the laser light irradiation apparatus having such a configuration, the laser light oscillated from the plurality of light sources is provided to the irradiation head through a plurality of transmission paths made of, for example, optical fibers, and is collected in the irradiation head. After being condensed by the lens, the light is irradiated to the irradiation target. In addition, return light from an irradiation target corresponding to these laser devices is detected by a plurality of light receiving elements including, for example, photodiodes, and the intensity of each return light is detected by a corresponding light intensity detection unit. . Then, the intensity of each return light detected by each of the light intensity detecting means is synchronously detected by a control means comprising, for example, a personal computer, and is obtained from a response characteristic when the condensing lens is vibrated by the vibration mechanism. An angle of the irradiation target with respect to the irradiation head is three-dimensionally measured based on the plurality of focal positions.
[0019]
As described above, by using a plurality of laser beams having different wavelengths and detecting the focal position from the relationship between the intensity waveform of the returned light and the response characteristics of the vibration mechanism, discontinuous disturbance from another light source or the like can be obtained. Strong angle detection is possible.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
(1st Embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0022]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser beam irradiation device according to a first embodiment of the present invention. This laser beam irradiation apparatus is used when performing a surface inspection or the like in a structure using a laser beam in a place where an inspector cannot directly inspect, for example, a radiation environment.
[0023]
As shown in FIG. 1, the laser light irradiation device according to the present embodiment has a HeNe laser device 1 as a light source. A laser beam 2 having a wavelength of 594 nm oscillated from the HeNe laser device 1 is condensed by an incident lens 11 which is an incident optical device, is incident on an optical fiber 10, and is transmitted to the irradiation head 4 through the optical fiber 10. You. A vibration lens 5 and a collimating lens 6 are provided in the irradiation head 4. Further, a piezo actuator 7 as a vibration mechanism is attached to the vibration lens 5 which is a condenser lens. The piezo actuator 7 is for oscillating the vibrating lens 5 with a minute amplitude, and is driven by a piezo actuator driver 20.
[0024]
The laser light 2 transmitted from the HeNe laser device 1 to the irradiation head 4 via the optical fiber 10 is collimated via a collimating lens 6 provided in the irradiation head 4 and then condensed via a vibrating lens 5. Then, the irradiation target 3 is irradiated. The irradiation target 3 is, for example, a structure installed in a radiation environment or the like, and the surface of the structure is irradiated with the laser beam 2 via an optical system lens in the irradiation head 4. At this time, the vibration lens 5 provided in the irradiation head 4 is vibrated at a constant cycle by a vibration mechanism including the piezo actuator 7 and the piezo actuator driver 20.
[0025]
Here, in the first embodiment, a DC motor 8 and a motor driver 19 for driving the DC motor 8 are provided as a drive mechanism for operating the entire irradiation head 4 including the piezo actuator 7 in the optical axis direction. The position where the end face image of the optical fiber 10 is formed on the laser irradiation device main body 9 can be adjusted by this driving mechanism.
[0026]
Further, the return light 13 from the irradiation target 3 is transmitted to the incident side through the same transmission path as at the time of irradiation. A half mirror 12 capable of separating incident light from the HeNe laser device 1 and return light 13 scattered from the irradiation target 3 is provided on the transmission path. The reflection direction of the half mirror 12 includes a return light condensing lens 14 for condensing return light, a bandpass filter 15 which is a spectroscopic device for eliminating disturbance, a photodiode 16 used as a light receiving element, A return light intensity detecting device 17 for detecting the intensity of the return light 13 detected by the diode 16, and an arithmetic device 18 for performing arithmetic processing on a signal output from the return light intensity detecting device 17 to perform focus adjustment control and the like. Is installed.
[0027]
In addition, as the arithmetic unit 18, for example, a personal computer (PC) is used.
[0028]
In such a configuration, the laser light 2 having a wavelength of 594 nm oscillated from the HeNe laser device 1 as a light source is condensed via the incident lens 11 and is incident on the optical fiber 10, and is irradiated through the optical fiber 10. The data is transmitted to the head 4. Then, the laser light 2 is collimated via a collimating lens 6 provided in the irradiation head 4, and then condensed via a vibrating lens 5 to be irradiated on the irradiation target 3.
[0029]
When the irradiation target 3 is irradiated with the laser light 2, the laser light 2 is irregularly reflected on the surface of the irradiation target 3, returns to the incident side through the optical fiber 10, and returns as the light 13. The return light 13 at this time is guided to the return light condenser lens 14 by the half mirror 12 provided on the incident side. The return light 13 condensed by the light condensing lens 14 is selectively supplied to the photodiode 16 as a light receiving element by the band pass filter 15 only for a signal having a wavelength of 594 ± 5 nm. Is converted into a voltage signal of ± 10.0 V and sent to the arithmetic unit 18.
[0030]
The arithmetic unit 18 performs synchronous detection arithmetic processing on the light intensity signal from the return light intensity detection unit 17 and uses the result to perform arithmetic for PID (proportional integration and differential) control for driving the DC motor 8. By doing so, a drive command is transmitted to the motor driver 19. The motor driver 19 drives the DC motor 8 according to the drive command. By operating the irradiation head 4 in accordance with the driving of the DC motor 8, the image forming position associated with the vibration operation of the vibration lens 5 is adjusted to the focal point position.
[0031]
The operation of the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIGS.
[0032]
FIG. 2 is a curve diagram showing the relationship between the focal position and the return light intensity of the HeNe laser beam in the present apparatus, and 21a in the figure represents a return light intensity curve obtained by the present apparatus. 3 to 5 are curve diagrams showing the relationship between the response of the vibrating lens and the change in the intensity of the returning light in the present apparatus. In the drawings, 21b to 21d represent the returning light intensity curves, and 22 represents the vibrating lens response curves.
[0033]
FIG. 6 is a curve diagram showing the result of synchronous detection calculation of the fundamental wave of the response of the vibrating lens and the change of the intensity of the return light with respect to the center position of the focal point of the HeNe laser light in the present apparatus. This represents a fundamental wave component. FIG. 7 is a curve diagram showing the result of synchronous detection calculation of the second harmonic of the vibrating lens response and the change in the intensity of the return light with respect to the center position of the focal point of the HeNe laser light in this apparatus. A harmonic component, 24b represents a return light second harmonic component (when the lens amplitude is small), and 24c represents a return light second harmonic component (when the lens amplitude is large).
[0034]
The light intensity of the return light 13 detected by the photodiode 16 and the return light intensity detecting device 17 is such that the end face image of the optical fiber 10 is formed by the return light focusing lens 14 as shown by the return light intensity curve 21a in FIG. It takes the maximum value when the position to be imaged coincides with the irradiation target 3, that is, in the focused state. On the other hand, even if the focal position is close to the irradiation head 4 side or conversely, the intensity level decreases. From this, by vibrating the vibrating lens 5 in the irradiation head 4 by the piezo actuator 7 which is a vibrating mechanism and also oscillating the image forming position, the return light intensity is changed according to the vibration by the piezo actuator 7. Can be.
[0035]
This situation is shown in FIGS.
[0036]
That is, for example, when the vibration center of the imaging position is closer to the irradiation head 4 than the irradiation target 3 by the width of the vibration or more (that is, when the focal point is close), the monotonically increasing range on the left side of the maximum value in FIG. It will vibrate. Therefore, the change in the return light intensity is obtained as a return light intensity curve 21b in FIG.
[0037]
On the other hand, when the vibration center of the imaging position is farther than the width of the vibration from the irradiation target 3 (that is, when the focus is far), the vibration is performed in a monotonically decreasing range on the right side of the maximum value in FIG. Therefore, the return light intensity change is obtained as a return light intensity curve 21c in FIG. 4 in which the vibration frequency is the same as that of the vibrating lens response curve 22, and the phase is shifted by 180 degrees. When the center of vibration of the imaging position and the focal point coincide with each other, the maximum value in FIG. Therefore, the return light intensity change is obtained as a curve having twice the frequency of the vibrating lens response curve 22 like the return light intensity curve 21d in FIG.
[0038]
As described above, the response component of the vibrating lens 5 is synchronously detected from the response of the return light intensity, and the shift amount between the center of vibration of the imaging position and the focal point can be detected based on the result.
[0039]
Here, a waveform obtained by linearly approximating the response when the oscillating lens 5 is vibrated at the frequency f by the piezo actuator 7 as harmonic vibration is called a fundamental wave, and is defined as follows.
[0040]
Fundamental wave: F ₁ (T) = sin (2 × π × f × (t−δ))
f: vibrating lens frequency
t: time
δ: phase delay
Further, a function having a period twice as long as the fundamental wave and having a maximum value at a time when the fundamental wave crosses zero is called a second harmonic, and is defined as follows.
[0041]
2nd harmonic: F ₂ (T) = cos (2 × (2 × π × f × (t−δ))
First, a signal from the return light intensity detecting device 17 is subjected to a high-pass filter by an arithmetic device 18 to extract only a fluctuation component (AC component), and then a low-pass filter is applied to remove a frequency component sufficiently higher than f. The amplitudes of the extracted return light intensity signals are made uniform.
[0042]
Here, in the first embodiment, the response of the fundamental wave component and the second harmonic component is obtained from the return light intensity by performing return light intensity synchronous detection by the arithmetic unit 18 including a PC or the like. In this case, the response of the fundamental wave component and the second harmonic component to the vibration center position of the focal point is obtained as indicated by 23 in FIG. 6 and 24a in FIG. According to this, from the condition that the return light fundamental wave component is 0 and the second harmonic wave component is maximum, in which direction and how much the irradiation head 4 should be moved so that the center of vibration of the imaging position becomes the focal point. Can be detected. Then, based on the detection result, the arithmetic unit 18 issues the above-mentioned drive command to the motor driver 19 to control the drive of the DC motor 8, so that the center of vibration of the imaging position is adjusted to be the focal point.
[0043]
The motor driver 19 is for driving the DC motor 8, and the calculation of PID control for driving the DC motor 8 is performed by the calculation device 18 together with the synchronous detection calculation. The band-pass filter 15 suppresses disturbance of light by limiting the wavelength of the light detected by the photodiode 16, and is useful for improving the S / N of the return light intensity measurement.
[0044]
As described above, according to the first embodiment, the in-focus position where the focus coincides with the surface of the irradiation target is detected based on the comparison result between the vibration lens response wave and the return light intensity waveform. This makes it possible to perform strong focus detection with respect to discontinuous disturbance from another light source incident on the light receiving element provided outside the irradiation head.
[0045]
Further, in this apparatus, since the light receiving element (photodiode) is not mounted on the irradiation head, the size of the irradiation head can be reduced, and the apparatus can be applied to a radiation environment such as a nuclear reactor.
[0046]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0047]
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a laser beam irradiation device according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 8, the same parts as those in FIG. 1 (first embodiment) are denoted by the same reference numerals.
[0048]
The laser beam irradiation device according to the second embodiment has an irradiation head displacement measuring linear sensor 25 for detecting a displacement amount of the irradiation head 4 by a driving mechanism in addition to the configuration of the first embodiment, and a linear sensor thereof. And a linear sensor driver 26 for displacement measurement for driving the actuator 25.
[0049]
In such a configuration, a laser beam 2 having a wavelength of 594 nm oscillated from a HeNe laser device 1 as a light source is condensed via an incident lens 11 as an incident optical device and is incident on an optical fiber 10. The light is transmitted through 10 to the irradiation head 4. Then, the laser light 2 is collimated via a collimating lens 6 provided in the irradiation head 4, and then condensed via a vibrating lens 5 to be irradiated on the irradiation target 3.
[0050]
On the other hand, the return light 13 from the irradiation target 3 is transmitted to the incident side through the same transmission path as the irradiation, and is sent to the return light condenser lens 14 by the half mirror 12 installed on the transmission path. Then, only a signal in a predetermined band passes through the band pass filter 15 and is detected by the photodiode 16 as a light receiving element. The return light intensity detector 17 detects the intensity of the return light 13 detected by the photodiode 16 in this manner, and outputs the signal to the arithmetic unit 18. The arithmetic unit 18 performs a predetermined arithmetic process based on the intensity of the return light, and performs the focus adjustment control as described in the first embodiment.
[0051]
Here, when the vibrating lens 5 provided in the irradiation head 4 is stopped, the position where the end face image of the optical fiber 10 is formed is determined by the image formation distance from the irradiation head 4 (this is the work distance or WD). ) Is determined by the design of the irradiation head 4 including the condenser lens.
[0052]
Therefore, when the driving of the DC motor 8 is adjusted by the method described in the first embodiment so that the center of vibration of the imaging position becomes the focal point, the irradiation head 4 with respect to the laser irradiation device main body 9 is adjusted. If the relative position is detected by the irradiation head displacement measurement linear sensor 25, the distance from the irradiation head 4 to the laser irradiation point of the irradiation target 3 is determined based on the information on the displacement amount of the irradiation head 4 and the imaging distance (WD) at that time. Can be measured. The arithmetic unit 18 has a function of performing arithmetic processing for such distance measurement.
[0053]
As described above, according to the second embodiment, by providing a mechanism for detecting the position of the irradiation head at the time of focus adjustment, the irradiation head can be moved from the irradiation head to the laser irradiation point to be irradiated without being affected by disturbance light or the like. Distance can be accurately measured.
[0054]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
[0055]
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a laser beam irradiation device according to a third embodiment of the present invention. In FIG. 9, the same parts as those in FIG. 8 (the second embodiment) are denoted by the same reference numerals.
[0056]
The laser beam irradiation device according to the third embodiment includes, in addition to the configuration of the second embodiment, an amplitude detection linear sensor 27 for detecting the amplitude of the vibrating lens 5 which is a condenser lens, And a linear sensor driver 28 for amplitude detection.
[0057]
In such a configuration, a laser beam 2 having a wavelength of 594 nm oscillated from a HeNe laser device 1 as a light source is condensed via an incident lens 11 as an incident optical device and is incident on an optical fiber 10. The light is transmitted through 10 to the irradiation head 4. Then, the laser light 2 is collimated via a collimating lens 6 provided in the irradiation head 4, and then condensed via a vibrating lens 5 to be irradiated on the irradiation target 3.
[0058]
On the other hand, the return light 13 from the irradiation target 3 is transmitted to the incident side through the same transmission path as the irradiation, and is sent to the return light condenser lens 14 side by the half mirror 12 installed on the transmission path. Then, only a signal in a predetermined band passes through the band pass filter 15 and is detected by the photodiode 16 as a light receiving element. The return light intensity detector 17 detects the intensity of the return light 13 detected by the photodiode 16 in this manner, and outputs the signal to the arithmetic unit 18. The arithmetic unit 18 performs a predetermined arithmetic process based on the intensity of the return light signal, and performs the focus adjustment control as described in the first embodiment.
[0059]
Here, as shown by the curves 24a, 24b, and 24c in FIG. 7, the position of the imaging position oscillation center at which the second harmonic component of the return light 13 has a positive value from 0 is located in the irradiation head 4. It depends on the amplitude of the vibration lens 5 provided.
[0060]
In the third embodiment, attention is paid to such a point, and the amplitude of the vibrating lens 5 at the time of focus adjustment is feedback-controlled by using the amplitude detection linear sensor 27, the amplitude detection linear sensor driver 28, and the piezo actuator driver 20. The amplitude of the vibrating lens 5 when the second harmonic component changes from 0 to a positive value by the synchronous detection of the return light intensity, the displacement information of the irradiation head 4 detected by the irradiation head displacement measurement linear sensor 25, and The distance from the irradiation head 4 to the laser irradiation point of the irradiation target 3 is measured by converting the information of the imaging distance (WD) by the arithmetic unit 18. The arithmetic unit 18 has a function of performing arithmetic processing for such distance measurement.
[0061]
As described above, according to the third embodiment, by providing the mechanism for detecting the amplitude of the condensing lens in the irradiation head at the time of focus adjustment, the irradiation target can be irradiated from the irradiation head without being affected by disturbance light or the like. The distance to the laser irradiation point can be accurately measured.
[0062]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
[0063]
The fourth embodiment is characterized in that a plurality of laser devices having different laser light wavelengths are used to three-dimensionally measure the angle of an irradiation target with respect to an irradiation head.
[0064]
FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a laser beam irradiation device according to a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 10, the same portions as those in FIG. 8 (the second embodiment) are denoted by the same reference numerals.
[0065]
The laser beam irradiation device according to the fourth embodiment includes three types of semiconductor laser devices 1a, 1b, and 1c having different wavelengths, in addition to the configuration of the second embodiment. The laser device 1a is the HeNe laser device 1 described in the first to third embodiments, and oscillates a laser beam 2a having a wavelength of 594 nm. In addition to the laser device 1a, a laser device 1b and a laser device 1c are added. Here, the laser device 1b oscillates a laser beam 2b having a wavelength of 488 nm, and the laser device 1b oscillates a laser beam 2c having a wavelength of 532 nm.
[0066]
In addition, three optical fibers 10a, 10b, and 10c corresponding to these laser devices 1a, 1b, and 1c extend to the irradiation head 4 as a transmission path, and further pass through these optical fibers 10a, 10b, and 10c. A dichroic mirror 29a for separation of 488 nm and a dichroic mirror 29b for separation of 532 nm are provided as an optical system for separating the wavelengths of the return lights 13a, 13b, 13c fed back to the incident side.
[0067]
In addition, three sets of return light focusing lenses 14a, 14b, 14c, band-pass filters 15a, 15b, 15c, corresponding to the return lights 13a, 13b, 13c wavelength-separated via the dichroic mirrors 29a, 29b, The configuration is such that photodiodes 16a, 16b, 16c and return light intensity detectors 17a, 17b, 17c are provided, respectively.
[0068]
The bandpass filter 15a passes a signal of 594 ± 5 nm, the bandpass filter 15b passes a signal of 488 ± 5 nm, and the bandpass filter 15c passes a signal of 532 ± 5 nm. The photodiodes 16a, 16b, and 16c are light receiving elements, and detect return lights 13a, 13b, and 13c that have passed through these band-pass filters 15a, 15b, and 15c. The return light intensity detectors 17a, 17b, and 17c detect the intensity of the return lights 13a, 13b, and 13c detected by the photodiodes 16a, 16b, and 16c, and output the signals to the arithmetic unit 18.
[0069]
In such a configuration, the laser beams 2a, 2b, and 2c emitted from the laser devices 1a, 1b, and 1c are transmitted to the irradiation head 4 via the corresponding optical fibers 10a, 10b, and 10c. After being collimated through the collimating lens 6 in the lens 4, the light is condensed through the vibrating lens 5 and irradiated to the irradiation target 3. When the laser beams 2a, 2b, and 2c irradiate the irradiation target 3, they are irregularly reflected on the surface of the irradiation target 3 and return to the incident side through the optical fibers 10a, 10b, and 10c, and the light 13a, 13b, and 13c Come back as.
[0070]
Here, the wavelengths of these return lights 13a, 13b, and 13c are divided into 488 nm, 532 nm, and 594 nm, the return light intensities are measured, and synchronous detection is performed on each of them to obtain a method as described in the second embodiment. Can be used to measure the focal lengths of the end images of the three optical fibers 10a, 10b, and 10c, respectively. The centers of the end images of these optical fibers 10a, 10b, and 10c are not on one straight line, but are imaged at different points, and the three points always form a plane on the irradiation target 3. Therefore, the three-dimensional measurement of the angle of the irradiation target 3 with respect to the irradiation head 4 can be performed by using the measurement results of the three focal points. The arithmetic unit 18 has a function of performing arithmetic processing for such angle measurement.
[0071]
As described above, according to the third embodiment, by providing a plurality of laser devices having different wavelengths, the irradiation head can be used without being affected by disturbance or the like, by using the measurement result of the focal length of each return light. Can be three-dimensionally measured.
[0072]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the focus position is detected from the relationship between the intensity waveform of the return light and the response characteristics of the vibration mechanism, it is resistant to discontinuous disturbance from other light sources or the like. Focus detection becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser beam irradiation device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a curve diagram showing a relationship between a focal position and a return light intensity of HeNe laser light in the laser light irradiation device.
FIG. 3 is a curve diagram showing a relationship between a vibration lens response and a change in return light intensity in the laser beam irradiation device, and is a curve diagram when a focal point is close.
FIG. 4 is a curve diagram showing a relationship between a response of a vibrating lens and a change in intensity of return light in the laser beam irradiation apparatus, and is a curve diagram in a case where a focal point is far away.
FIG. 5 is a curve diagram showing the relationship between the response of the vibrating lens and the change in the intensity of the return light in the laser beam irradiation apparatus, where the center of vibration of the imaging position coincides with the focal point.
FIG. 6 is a curve diagram showing a result of synchronous detection calculation of a fundamental wave of a vibrating lens response and a change in return light intensity with respect to a center position of a focal point of HeNe laser light in the laser light irradiation device.
FIG. 7 is a curve diagram showing a result of synchronous detection calculation of a second harmonic of a vibrating lens response and a change in return light intensity with respect to a center position of a focal point of HeNe laser light in the laser light irradiation device.
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a laser beam irradiation device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a laser beam irradiation device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a laser beam irradiation device according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser apparatus, 2 ... Laser light, 3 ... Irradiation object, 4 ... Irradiation head, 5 ... Vibration lens, 6 ... Collimate lens, 7 ... Piezo actuator, 8 ... DC motor, 9 ... Laser irradiation apparatus main body, 10 ... Light Fiber, 11 incident lens, 12 half mirror, 13 return light, 14 return light condensing lens, 15 bandpass filter, 16 photodiode, 17 return light intensity detection device, 18 operation device, 19 ... Motor driver, 20 ... Piezo actuator driver, 21a-21d ... Return light intensity curve, 22 ... Vibration lens response curve, 23 ... Return light fundamental wave component, 24a-24c ... Return light second harmonic component, 25 ... Irradiation head displacement Linear sensor for measurement, 26: Linear sensor driver for displacement measurement, 27: Linear sensor for amplitude detection, 28: Linear sensor driver for amplitude detection , 29a, 29b ... dichroic mirror.

Claims

An irradiation head having a condenser lens for condensing the laser light and irradiating the irradiation target,
A vibration mechanism for vibrating the condenser lens in the irradiation head with a fine amplitude in the optical axis direction,
A light receiving element for detecting return light when the irradiation target is irradiated with laser light from the irradiation head,
Light intensity detecting means for detecting the intensity of the return light detected by the light receiving element,
Control means for synchronously detecting the return light intensity detected by the light intensity detection means, and detecting a focal position from a response characteristic when the condensing lens is vibrated by the vibration mechanism. Laser light irradiation device.

A driving mechanism for operating the irradiation head in the optical axis direction,
2. The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein said control means drives and controls said driving mechanism so as to adjust a vibration center of an image forming position by said vibration mechanism to a focal point position.

A drive mechanism for operating the irradiation head in the optical axis direction,
A displacement amount detecting means for detecting a displacement amount of the irradiation head by the driving mechanism,
The control unit measures a distance from the irradiation head to the irradiation target based on the displacement amount of the irradiation head detected by the displacement amount detection unit and information on an imaging distance of the condenser lens. The laser beam irradiation device according to claim 1, wherein:

An amplitude detector for detecting the amplitude of the condenser lens by the vibration mechanism,
The control unit measures the distance from the irradiation head to the irradiation target based on the amplitude of the condenser lens detected by the amplitude detection unit and information on the imaging distance of the condenser lens. The laser beam irradiation device according to claim 1, wherein

An irradiation head having a condensing lens for condensing a plurality of laser lights having different wavelengths and irradiating the irradiation target,
A vibration mechanism for vibrating the condenser lens in the irradiation head with a fine amplitude in the optical axis direction,
Separation means for separating return light when irradiating the irradiation target with laser light from the irradiation head for each wavelength,
A plurality of light receiving elements for detecting each return light separated by the separation means,
A plurality of light intensity detecting means for respectively detecting the intensity of each return light detected by these light receiving elements,
The intensity of each return light detected by these light intensity detecting means is synchronously detected, and based on a plurality of focal positions obtained from response characteristics when the condensing lens is vibrated by the vibration mechanism, the irradiation head is used. Control means for three-dimensionally measuring the angle of the irradiation object with respect to the laser beam irradiation apparatus.