JP2009075028A - レーザビーム安定特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光源の立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間などを測定する。
【解決手段】受光形状の変化を検知しうる受光センサ（１）と、受光センサ（１）により検知した受光形状の変化のデータを取得しうるデータ取得部（２）と、得られたデータを基にレーザ光源（Ｌ）の立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間および安定後ビーム径を求める解析部（３）と、安定時間および安定後ビーム径を求めた後に安定確認信号Ｃを出力するか又はレーザ光源（Ｌ）の立上り後の安定時間経過後であって且つビーム径が安定後ビーム径から許容範囲内に収まっている時に安定確認信号（Ｃ）を出力する安定確認信号出力部（４）とを具備する。
【効果】安定確認信号（Ｃ）が出力された後、レーザビーム（Ｂ）を実用に供すれば、レーザビーム（Ｂ）を適正に利用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビーム安定特性測定装置に関し、さらに詳しくは、レーザ光源の立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間などを測定することが出来るレーザビーム安定特性測定装置に関する。

従来、レーザ光源の立上り時のレーザビームを外部へ出力せずにパワーの立上り波形を測定し、立上り波形がしきい閾を越えた時に、レーザビームを外部へ出力し、加工に供するレーザ加工制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−５３５６４号公報

レーザ光源の立上り時には、パワーが不安定（パワーが変動する）であるだけでなく、ビーム形状も不安定（ビーム形状が変動する）である。そして、例えばＡＰＣ（Auto Power Control）によってパワーが速やかに安定になっても、まだビーム形状が不安定であることがある。
しかし、上記従来のレーザ加工制御装置では、パワーの安定性について考慮されているだけで、ビーム形状の安定性については考慮されていなかった。
そこで、本発明の目的は、レーザ光源の立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間などを測定することが出来るレーザビーム安定特性測定装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、レーザ光源（Ｌ）から出射されたレーザビーム（Ｂ）の受光形状の変化を検知しうる受光センサ（１）と、前記受光センサ（１）により検知した受光形状の変化のデータをレーザ光源（Ｌ）の立上り後の測定時間継続的に取得しうるデータ取得手段（２）と、得られたデータを基にレーザ光源（Ｌ）の立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間および安定後ビーム形状パラメータを求める解析手段（３）とを具備したことを特徴とするレーザビーム安定特性測定装置を提供する。
上記第１の観点によるレーザビーム安定特性測定装置では、ビーム形状が不安定状態から安定状態に移行する期間を含むように設定した測定時間中にビーム形状の変化のデータを収集し、そのデータを解析するので、レーザ光源（Ｌ）の立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間および安定後ビーム形状パラメータを求めることが出来る。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点によるレーザビーム安定特性測定装置において、レーザ光源（Ｌ）の立上り後の安定時間経過後であって且つビーム形状パラメータが前記安定後ビーム形状パラメータから許容範囲内に収まっている時に安定確認信号を出力する安定確認信号出力手段（４）を具備したことを特徴とするレーザビーム安定特性測定装置を提供する。
レーザ光源（Ｌ）の立上り後の安定時間経過後に直ちに安定確認信号を出力すると、安定時間経過後でもまだビーム形状が安定してない場合に支障を生じる。また、単にビーム形状パラメータが安定後ビーム形状パラメータから許容範囲内に収まっている時に安定確認信号を出力すると、不安定期間中にたまたまビーム形状パラメータが安定後ビーム形状パラメータから許容範囲内に入った時に安定確認信号を出力してしまうことになる。
そこで、上記第２の観点によるレーザビーム安定特性測定装置では、レーザ光源（Ｌ）の立上り後の安定時間経過後であって且つビーム形状パラメータが前記安定後ビーム形状パラメータから許容範囲内に収まっている時に安定確認信号を出力する。このように２重にチェックしているので、安定確認信号を出力する信頼性を高めることが出来る。なお、安定確認信号が出力された後にレーザビームを実用に供するようにすれば、レーザビームを適正に利用できる。

第３の観点では、本発明は、前記第１または第２の観点によるレーザビーム安定特性測定装置において、前記解析手段（３）は、前記ビーム形状パラメータを更新しないでレーザ光源（Ｌ）の稼働時間が更新時間を経過したときはビーム形状パラメータを新たに求めて更新することを特徴とするレーザビーム安定特性測定装置（１００）を提供する。
上記第３の観点によるレーザビーム安定特性測定装置（１００）では、レーザ光源（Ｌ）を立ち上げてからビーム形状パラメータを更新しないままで連続稼働時間（電源のオフを挟んでは稼働時間を合算しない）または累積稼働時間（電源のオフを挟んでも稼働時間を合算する）が更新時間になると、ビーム形状パラメータを再測定し、それを新たな安定後ビーム形状パラメータとする。これにより、安定後ビーム形状パラメータを自動的に更新できる。

第４の観点では、本発明は、前記第１から前記第３のいずれかの観点によるレーザビーム安定特性測定装置において、前記ビーム形状パラメータが、ビーム径であることを特徴とするレーザビーム安定特性測定装置を提供する。
上記第４の観点によるレーザビーム安定特性測定装置では、ビーム径の変動をもってビーム形状の安定性の指標とする。

第５の観点では、本発明は、前記第１から前記第３のいずれかの観点によるレーザビーム安定特性測定装置において、前記ビーム形状パラメータが、ビーム形状を分割した各部分の受光パワーであることを特徴とするレーザビーム安定特性測定装置を提供する。
上記第５の観点によるレーザビーム安定特性測定装置では、ビーム形状を分割した各部分の受光パワーの変動をもってビーム形状の安定性の指標とする。

本発明のレーザビーム安定特性測定装置によれば、レーザ光源（Ｌ）の立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間などを求めることが出来る。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係るレーザビーム特性測定装置１００を示す説明図である。
このレーザビーム特性測定装置１００は、受光形状の変化を検知しうる受光センサ１と、受光センサ１により検知した受光形状の変化のデータをレーザ光源Ｌの立上り後の測定時間継続的に取得しうるデータ取得部２と、得られたデータを基にレーザ光源Ｌの立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間および安定後ビーム径を求める解析部３と、測定時間経過時に安定確認信号Ｃを出力するか又はレーザ光源Ｌの立上り後の安定時間経過後であって且つビーム径が安定後ビーム径から許容範囲内に収まっている時に安定確認信号Ｃを出力する安定確認信号出力部４と、測定時間経過時に安定確認信号Ｃを出力する通常モードとレーザ光源Ｌの立上り後の安定時間経過後であって且つビーム径が安定後ビーム径から許容範囲内に収まっている時に安定確認信号Ｃを出力する測定モードの切り替えを行うためのモード切替スイッチ５と、測定対象のレーザ光源Ｌから出射されたレーザビームＢの一部を受光センサ１へ導くスプリッタ６とを具備する。

図２の（ａ）に示すように、受光センサ１は、例えば１万画素の１／３インチＣＣＤであり、受光パワーが変化しなくても受光形状の変化を検知しうる。
図２の（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ビーム形状Ｐは「ｖ方向に長い楕円形」「円形」「ｈ方向に長い楕円形」のように変化する。
ビーム形状Ｐのｈ方向の直径をｈ方向ビーム径φh(t)とし、ｖ方向の直径をｖ方向ビーム径φv(t)とする。

図３は、レーザ光源Ｌの立上り（時刻ｔ０）からのｈ方向ビーム径φh(t)およびｖ方向ビーム径φv(t)の変動を例示するグラフである。
ビーム径φh(t)およびφv(t)は、時刻ｔ２になると安定するので、時刻ｔ０から時刻ｔ２までを「安定時間」とすればよい。
また、時刻ｔ２を挟む時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間のデータがあれば時刻ｔ２を求められるので、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間を含むように「測定時間」を設定すればよい。

図４は、実施例１に係るレーザビーム安定特性測定処理を示すフロー図である。
ステップＳ１では、解析部３は、レーザ光源Ｌから立上り信号Ｒが来るまで待機し、立上り信号Ｒが来たらステップＳ２へ進む。なお、レーザ光源Ｌからの立上り信号Ｒによりレーザ光源Ｌの立上りを判定するのではなく、受光センサ１でレーザビームＢを受光したか否かによってレーザ光源Ｌの立上りを判定してもよい。

ステップＳ２では、解析部３は、内蔵するタイマーをリセット＆スタートする。タイマー値は、図３における時刻ｔ０からの経過時間である。

ステップＳ３では、解析部３は、モード切替スイッチ５の状態からモードを判定し、測定モードならステップＳ４へ進み、通常モードならステップＳ２２へ進む。

ステップＳ４，Ｓ５では、解析部３は、タイマー値が測定時間内の間、例えば１秒間隔で継続的にビーム形状データを取得するように、データ取得部２に指令する。指令に従って、データ取得部２はビーム形状データを取得する。

ステップＳ６では、解析部３は、得られたデータを基にレーザ光源Ｌの立上りからビーム形状が安定する（ビーム径φh(t)，φｖ(t)の変動が閾値以下になる）までの安定時間Ｔｗおよび安定後ビーム径Φｈ，Φｖ（安定時間Ｔｗ時のビーム径φh(t)，φｖ(t)）を算出し、記録する。例えば図３においては、時刻ｔ０から時刻ｔ２までを安定時間Ｔｗとする。また、時刻ｔ２におけるｈ方向ビーム径φｈ(t2)を安定後ｈ方向ビーム径Φｈとし、ｖ方向ビーム径φｖ(t2)を安定後ｖ方向ビーム径Φｖとする。

ステップＳ７では、解析部３は、安定確認信号Ｃを出力するように、安定確認信号出力部４に指令する。指令に従って、安定確認信号出力部４は安定確認信号Ｃを出力する。

ステップＳ９では、解析部３は、タイマー値が更新時間（例えば２４時間）の倍数になるまで待機し、更新時間の倍数になったらステップＳ１１へ進む。

ステップＳ１１では、解析部３は、ビーム形状データを取得するように、データ取得部２に指令する。指令に従って、データ取得部２はビーム形状データを取得する。

ステップＳ１２では、解析部３は、得られたデータからビーム径φh(t)，φｖ(t)を求め、それらにより安定後ビーム径Φｈ，Φｖを更新する。そして、ステップＳ９に戻る。

ステップＳ２２では、解析部３は、記録していた安定時間Ｔｗおよび安定後ビーム径Φｈ，Φｖを読み出す。
ステップＳ２３では、解析部３は、タイマー値が安定時間Ｔｗになるまで待機し、安定時間ＴｗになったらステップＳ２４へ進む。

ステップＳ２４では、解析部３は、ビーム形状データを取得するようにデータ取得部２に指令する。指令に従って、データ取得部２はビーム形状データを取得する。
ステップＳ２５では、解析部３は、得られたデータを基に現在のビーム径φh(t)，φv(t)を算出する。
ステップＳ２６では、ｈ方向ビーム径φh(t)が安定後ｈ方向ビーム径Φｈから許容範囲内であり且つｖ方向ビーム径φv(t)が安定後ｖ方向ビーム径Φｖから許容範囲内であればステップＳ７へ進み、そうでなければステップＳ２４に戻る。

実施例１のレーザビーム安定特性測定装置１００によれば次の効果が得られる。
（１）測定モードで起動すれば、レーザ光源Ｌの立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間Ｔｗおよび安定後ビーム径Φｈ，Φｖを求めることが出来る。そして、測定時間後に安定確認信号Ｃを出力するので、その安定確認信号Ｃが出力された後、レーザビームＢを実用に供すれば、レーザビームＢを適正に利用できる。
（２）通常モードで起動すれば、測定時間よりも短い安定時間後に安定確認信号Ｃを出力するので、その安定確認信号Ｃが出力された後、レーザビームＢを実用に供すれば、レーザビームＢを早く適正に利用できる。
（３）通常モードで起動したとき、安定時間Ｔｗの経過だけでなく、ビーム径φh(t)，φｖ(t)が安定後ビーム径Φｈ，Φｖから許容範囲内に収まっているかをチェックするので、安定確認信号Ｃを出力する信頼性を高めることが出来る。
（４）安定後ビーム径Φｈ，Φｖを自動的に更新できるので、レーザ光源Ｌの経時変化に自動的に対応できる。

図５の（ａ）に示すように、正方形の４つの光検出器を配列した受光センサ１を用いてもよい。受光センサ１は、その中心がビーム形状Ｐの中心に合致し、その外辺がビーム形状Ｐの直径が伸縮する方向（ｈ方向およびｖ方向）に対して４５度になるように設置されている。
図５の（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ビーム形状Ｐが変化すると、４つの光検出器の受光割合が変化する。よって、４つの光検出器で検出されるパワーψ1(t)，ψ2(t)，ψ3(t)，ψ4(t)の変化を基にビーム形状Ｐの変化を検知することが出来る。

図６は、実施例２に係るレーザビーム安定特性測定処理を示すフロー図である。
ステップＳ１〜Ｓ５は、実施例１と同様である。

ステップＳ６’では、解析部３は、得られたデータを基にレーザ光源Ｌの立上りからビーム形状が安定する（パワーψ1(t)，ψ2(t)，ψ3(t)，ψ4(t)の変動が閾値以下になる）までの安定時間Ｔｗおよび安定後パワーΨ１，Ψ２，Ψ３，Ψ４（安定時間Ｔｗ時のパワーψ1(t)，ψ2(t)，ψ3(t)，ψ4(t)）を算出し、記録する。

ステップＳ７〜Ｓ１１は、実施例１と同様である。

ステップＳ１２’では、解析部３は、得られたデータからパワーψ1(t)，ψ2(t)，ψ3(t)，ψ4(t)を求め、それらにより安定後Ψ１，Ψ２，Ψ３，Ψ４を更新する。そして、ステップＳ９に戻る。

ステップＳ２２’では、解析部３は、記録していた安定時間Ｔｗおよび安定後パワーΨ１，Ψ２，Ψ３，Ψ４を読み出す。
ステップＳ２３では、解析部３は、タイマー値が安定時間Ｔｗになるまで待機し、安定時間ＴｗになったらステップＳ２４へ進む。

ステップＳ２４では、解析部３は、ビーム形状データを取得するようにデータ取得部２に指令する。指令に従って、データ取得部２はビーム形状データを取得する。
ステップＳ２５’では、解析部３は、得られたデータを基に現在のパワーψ1(t)，ψ2(t)，ψ3(t)，ψ4(t)を算出する。
ステップＳ２６’では、パワーψ1(t)が安定後パワーΨ１から許容範囲内であり且つパワーψ2(t)が安定後パワーΨ２から許容範囲内であり且つパワーψ3(t)が安定後パワーΨ３から許容範囲内であり且つパワーψ4(t)が安定後パワーΨ４から許容範囲内であればステップＳ７へ進み、そうでなければステップＳ２４に戻る。

実施例２のレーザビーム安定特性測定装置によれば、受光センサ１のコストを低減できる。

なお、受光センサ１の中心がビーム形状Ｐの中心に合致せず、受光センサ１の外辺がビーム形状Ｐの直径が伸縮する方向（ｈ方向およびｖ方向）に対して平行になるように受光センサ１を設置してもよい。

図７は、実施例３に係るレーザビーム特性測定装置２００を示す説明図である。
このレーザビーム特性測定装置２００は、受光形状の変化を検知しうる受光センサ１と、受光センサ１により検知した受光形状の変化のデータをレーザ光源Ｌの立上り後の測定時間継続的に取得しうるデータ取得部２と、得られたデータを基にレーザ光源Ｌの立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間および安定後ビーム径を求める解析部３と、測定時間経過時に安定確認信号Ｃを出力するか又はレーザ光源Ｌの立上り後の安定時間経過後であって且つビーム径が安定後ビーム径から許容範囲内に収まっている時に安定確認信号Ｃを出力する安定確認信号出力部４と、測定時間経過時に安定確認信号Ｃを出力する通常モードとレーザ光源Ｌの立上り後の安定時間経過後であって且つビーム径が安定後ビーム径から許容範囲内に収まっている時に安定確認信号Ｃを出力する測定モードの切り替えを行うためのモード切替スイッチ５と、測定対象のレーザ光源Ｌから出射されたレーザビームＢの光路へ入ってレーザビームＢを受光センサ１へ反射するためのミラー７と、レーザ光源Ｌの立上り前から安定確認信号Ｃが出力されるまでの間はミラー７をレーザビームＢの光路へ入れると共に安定確認信号Ｃが出力された後はミラー７をレーザビームＢの光路から外すようにミラー７を移動する自動ステージ８とを具備する。

図８は、ミラー７をレーザビームＢの光路から外した状態のレーザビーム特性測定装置２００であり、レーザビームＢは外部へ出力されている。

図９は、実施例３に係るレーザビーム安定特性測定処理を示すフロー図である。
ステップＳ１〜Ｓ７は、実施例１と同様である。
なお、ステップＳ７で、安定確認信号Ｃを出力すると、自動ステージ８は、ミラー７をレーザビームＢの光路から外すようにミラー７を移動する。

ステップＳ８では、稼働時間が更新時間を経過したか否かを区別するために、測定実行フラグをクリアする。測定実行フラグは、解析部３に内蔵され、電源オフでも状態を保持する。

ステップＳ９では、解析部３は、タイマー値が更新時間（例えば２４時間）になるまで待機し、更新時間になったらステップＳ１０へ進む。
ステップＳ１０では、測定実行フラグを立てる。そして、処理を終了する。

ステップＳ２１では、測定実行フラグが立っていればステップＳ４へ進み、測定実行フラグがクリアされていればステップＳ２２へ進む。
つまり、前回の稼働時間（連続稼働時間）が更新時間より長いなら、通常モードであっても、強制的に測定モードの処理が実施される。

ステップＳ２２〜Ｓ２６は、実施例１と同様である。

実施例３のレーザビーム安定特性測定装置２００によれば次の効果が得られる。
（１）測定モードで起動すれば、レーザ光源Ｌの立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間Ｔｗおよび安定後ビーム径Φｈ，Φｖを求めることが出来る。そして、測定時間後にレーザビームＢが外部へ出力されるので、レーザビームＢを適正に利用できる。
（２）通常モードで起動すれば、測定時間よりも短い安定時間後にレーザビームＢが外部へ出力されるので、レーザビームＢを早く適正に利用できる。
（３）通常モードで起動したとき、安定時間Ｔｗの経過だけでなく、ビーム径φh(t)，φｖ(t)が安定後ビーム径Φｈ，Φｖから許容範囲内に収まっているかをチェックするので、レーザビームＢが外部へ出力される信頼性を高めることが出来る。
（４）安定後ビーム径Φｈ，Φｖを自動的に更新できるので、レーザ光源Ｌの経時変化に自動的に対応できる。

図９の代わりに、図１０のレーザビーム安定特性測定処理としてもよい。

図１０のステップＳ１は、実施例１と同様である。
ステップＳ２’では、解析部３は、内蔵するタイマーをリセット＆スタートする。タイマー値は、図３における時刻ｔ０からの経過時間である。また、内蔵する累積稼働時間タイマーをリスタートする（保持値をリセットせず、保持値からの計時をスタートする）。なお、累積稼働時間タイマーは、電源オフでも計時値を保持する。

ステップＳ４〜Ｓ６は、実施例１と同様である。
ステップＳ６’では、累積稼働時間タイマーをクリアし、０から計時をスタートする。

ステップＳ７は、実施例１と同様である。そして、処理を終了する。
なお、ステップＳ７で、安定確認信号Ｃを出力すると、自動ステージ８は、ミラー７をレーザビームＢの光路から外すようにミラー７を移動する。

ステップＳ２１’では、累積稼働時間タイマーが更新時間以上であればステップＳ４へ進み、そうでなければステップＳ２２へ進む。
つまり、累積稼働時間が更新時間以上になると、通常モードであっても、強制的に測定モードの処理が実施される。

ステップＳ２２〜Ｓ２６は、実施例１と同様である。

実施例２と実施例３とを組合せてもよい。また、実施例２と実施例４とを組合せてもよい。

本発明のレーザビーム安定特性測定装置は、レーザ装置に組み込んで利用できる。また、レーザ装置とは独立の装置としても利用できる。

実施例１に係るレーザビーム安定特性測定装置を示すブロック図である。 実施例１に係る受光センサを示す正面図である。 レーザ光源の立上り時のビーム径の変動を示すグラフである。 実施例１に係るレーザビーム安定特性測定処理を示すフロー図である。 実施例２に係る受光センサを示す正面図である。 実施例２に係るレーザビーム安定特性測定処理を示すフロー図である。 実施例３に係るレーザビーム安定特性測定装置を示すブロック図である。 実施例３に係るレーザビーム安定特性測定装置を示す別のブロック図である。 実施例３に係るレーザビーム安定特性測定処理を示すフロー図である。 実施例４に係るレーザビーム安定特性測定処理を示すフロー図である。

符号の説明

１ 受光センサ
２ データ取得部
３ 解析部
４ 安定確認信号出力部
５ モード切替スイッチ
６ スプリッタ
７ ミラー
８ 自動ステージ
１００，２００ レーザビーム安定特性測定装置
Ｌ レーザ光源
Ｂ レーザビーム

Claims (5)

1. レーザ光源（Ｌ）から出射されたレーザビーム（Ｂ）の受光形状の変化を検知しうる受光センサ（１）と、前記受光センサ（１）により検知した受光形状の変化のデータをレーザ光源（Ｌ）の立上り後の測定時間継続的に取得しうるデータ取得手段（２）と、得られたデータを基にレーザ光源（Ｌ）の立上りからビーム形状が安定するまでの安定時間および安定後ビーム形状パラメータを求める解析手段（３）とを具備したことを特徴とするレーザビーム安定特性測定装置。
2. 請求項１に記載のレーザビーム安定特性測定装置において、レーザ光源（Ｌ）の立上り後の安定時間経過後であって且つビーム形状パラメータが前記安定後ビーム形状パラメータから許容範囲内に収まっている時に安定確認信号を出力する安定確認信号出力手段（４）を具備したことを特徴とするレーザビーム安定特性測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザビーム安定特性測定装置において、前記解析手段（３）は、前記ビーム形状パラメータを更新しないでレーザ光源（Ｌ）の稼働時間が更新時間を経過したときはビーム形状パラメータを新たに求めて更新することを特徴とするレーザビーム安定特性測定装置（１００）。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザビーム安定特性測定装置において、前記ビーム形状パラメータが、ビーム径であることを特徴とするレーザビーム安定特性測定装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザビーム安定特性測定装置において、前記ビーム形状パラメータが、ビーム形状を分割した各部分の受光パワーであることを特徴とするレーザビーム安定特性測定装置。

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