JP2014020789A - 光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高出力レーザの光量を測定するために光束の中心の光を受光すると、光の強度が大きいため、熱レンズ効果が生じ、波面が乱れることと、光量の損失が大きいことと、光束の位置の変化を測定できないという不具合があった。
【解決手段】高出力レーザ加工装置用光検出装置において集束光の光束の周辺部の光を検出することで、光量、光束中心位置及び位置の変化量、光束の形状、特定の波長の光量、加工対象物からの反射光を検出するため、光束の周辺部の受光器が複数個であり、前記受光器が回転対称の位置に配置していて、受光器の側に電子回路がある光検出装置
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザ加工装置などの高出力レーザ光源からの光の強度および光束中心位置を測定する装置に関する。

従来、光源からの光の強度を検出するための装置として図７で示すような装置が用いられている。電球などの光源211から出射された光212はレンズ213で略平行な光に制御され空中を伝搬する。途中、光量の一部を反射その他の光を透過させるハーフミラー214を光路中に配置し、前記光源からの光の一部を反射させる。反射した光はフォトセルなどの受光器215で受光し、電気信号に変換された後、出力される。電気信号を電流計や電圧計などで測定し、光の強度を測定する。

レーザ溶接装置などの数百Wを超える強い強度の光が物体に照射されると過熱されその輻射熱によりフォトセル等の半導体デバイスは温度ドリフトが大きく、高精度な光量測定が困難であった。そこで、上記課題を克服すべく文献１のように光ファイバで光源からの光を結合・伝搬させることで高温になる光源や加工対象物と受光デバイスとの距離を離し、温度ドリフトなどの悪影響の少ない高精度な装置が考案されている。

また、文献１によると複数の光ファイバを結束し、一部の光を受光器へ導き光の強度を検出する方法が説明されている。過熱する危険性が高い、光源や加工対象物付近と受光器とは光ファイバで接続していているため、熱による性能劣化は防げる可能性が高いが、ファイバ中を伝わる高出力レーザの影響により光ファイバを伝送途中で損失が増えることや梗塞の位置が変化するなどの悪影響がある。

レーザ加工装置においては加工対象物に照射される光量が重要であり、途中の光ファイバによる劣化が変動すると実効的に加工対象物への照射光量が変動し、実使用上問題となる。

特開平５-３１２６３７公報

平成21年度戦略的基盤技術高度支援事業「レーザ溶接数値化アルゴリズムでのインライン判定システムの開発」 研究会開発成果等報告書

しかし、図7で示す構成の場合、高出力レーザがハーフミラーを透過する際、ハーフミラー内部で温度上昇が生じ、ガラスの温度が上昇すると屈折率が高くなる性質があるため、光強度が強い光束の中心部が当たったハーフミラーの温度が高くなり、光束の周辺部では光強度が比較的弱いため、ハーフミラーの温度上昇が低い。これにより光束の周辺部に比べ、光束が照射された部分で屈折率が高くなり中央に光が集められる傾向がある。これが熱レンズ効果と呼ばれる現象であるが、出射端近くで、熱レンズ効果が生じると、集光レンズで集光する焦点位置よりも手前で光が集光されるため、加工対象物上に光が集光せず、効率的な加工を阻む要因となっている。また、図7のような構成にするためには集光装置内部に機構を設けなければならず、従来使用していた集光系ごと交換する必要があり導入するには膨大なコストが掛かる。

また、文献１においても複数本の光ファイバの束を透過するため、光源からの出射パターンとは異なり加工対象物へ光を集光照射した場合、回折限界程度の微小なスポットにならず、加工品質を大きく劣化させる

本発明は、高出力レーザ加工装置の光量を測定する装置において、高出力レーザ加工装置の出力部で光を検出でき、実使用上の光量に近いため、加工品質を補正する際、正確に補正が可能である。また、高出力レーザ加工装置に完成した後であっても組み込むことができるため、低コストで段階的な装置の導入が可能となる。

レーザ加工装置の光量を検出する装置において、光束の周辺部の光を検出する受光器が集束光の一部を検出し、前記受光器が複数であり、前記受光器より出力される電流信号を増幅する電子回路とからなる光検出装置。

前記受光器が回転対称の位置に配置した光検出装置

前記受光器が集束光の焦点側に受光面が配置している光検出装置

前記受光器が集束光の焦点側と反対側に受光面が配置した光検出装置

前記受光器の受光面が集束光の焦点側に向いている受光器の出力信号と受光面が集束光の焦点と反対側に向いている受光器の出力信号との信号を加算または減算または積算または除算し、信号処理する光検出装置

前記受光器の受光面の前面に波長選択フィルタを配置した光検出装置

上記方法により、従来の光強度の測定方法では光強度が強くなった場合、加工対象物の直前で光強度を測定することが極めて困難であった。そこで、今回我々は光強度が強い光束中心付近に光学部品を途中の光路中に配置せず、加工対象物に照射する直前での光強度を測定する方法を考案した。

レーザ加工装置の一例としてレーザ溶接機を図6に示す。

レーザ溶接機のレーザ光源201より出た光は光ファイバ202を伝わり、反対側の出射端より出射し、レンズ203で平行光を生成する。つまりレンズ203の焦点の位置に光ファイバ202の先端を配置するよう位置調整する。レンズ203を透過した平行光束をハーフミラー204を介して集光レンズ205に与え、前記集光レンズで溶接対象物206へ集束し、溶接する。前記集光レンズ205が溶接対象物206上で焦点を結ぶよう設定されているため、図示しない周囲からの照明により溶接対象物表面が照らされ、その反射光は集光レンズで透過し、略平行光になった後、ハーフミラー204で反射し、CCDカメラ207に導かれる。CCDカメラで前記溶接対象物のレーザが照射する場所を観察できる。本発明の光検出装置は溶接対象物前と集光レンズとの間に配置し、溶接対象物への出射光量や光束の位置を検出する装置である。

前記課題を解決するため、本発明の第１形態の実施例を図1、2および3を用いて説明する。

図示しない高出力レーザ光源からの光１は平行光束となり、集光レンズ２を透過した後、焦点6で集光する。焦点付近に加工したい物質を配置すると加工または溶接ができる。前記集光レンズ2の前後を透過する光束の光の強度分布は図2で示す形状を一般にもつ。光束の強度分布は中心が強く最大強度であり、周辺に従い、強度が弱まる。この強度分布形状は、ガウス分布を示すことが一般に知られている。これから、光束の中心部の光強度は強いが、周辺部の光強度は相対的に弱い。この強度分布は前記集光レンズ2の透過前の平行光束の部分でも、透過後の集束光の部分でも相対的に同様である。集束光の周辺部に配置した受光器４ａおよび4bで受光する。受光した光の強度に応じた大きさで受光器より電気信号が出力され、電子回路基板3上に設計製作された増幅器5aおよび5bで増幅される。前記受光器４aおよび4b、前記増幅器5aおよび5bは同一の電子回路基板上に固定されている。

受光器はフォトダイオード、フォトトランジスタ、太陽電池、フォトセルなどの光信号に応じて電気信号に変換する素子であれば何でもよい。また、材質はシリコンの他、ゲルマニウムやガリウムヒ素結晶などが使用可能である。しかし、各材料は波長依存性を持つ。従って、検出したい波長の光に応じて、材料を選択する必要がある。

集束光の周辺部の光を受光器で検出することにより光束光強度の強い部分に影響することなく光の量を検出ができ、光の損失が生じにくい。また、前記受光器4a、4bおよび前記電子回路基板3に円形の穴をあけ、集束光の光軸とを一致させる。前記受光器4aおよび4bの2つの受光器の出力信号の差を比較すると中心の位置が推測できる。さらに、光源で出力する光量の強さを変化させた場合や経時変化、高出力レーザ加工装置の温度変化などの要因により光の光軸位置が変化することも検出できる。

次に、光軸の変化について検出する方法についてさらに詳細に述べる。図３は光軸方向を紙面垂直にした場合の受光器の配置の様子を示した図である。図3（a）では受光器を180度対称の位置に配置する。光軸が中心にあるとき受光器4aと受光器4bの出力信号は等しい。しかし、光軸が受光器4aと受光器４ｂの中心より図中右方向に光軸が変化した場合、受光器4aの出力信号が大きくなり受光器4bの出力信号が小さくなる。受光器4aの出力信号と受光器４ｂの出力信号との差信号により左右方向の中心位置の変化の方向と大きさが検出できる。

しかしながら、図３（ａ）の上下方向に移動した場合、受光器4a、４ｂの出力信号はともに減少し、位置の変化量は検出できるが方向はわからない。そこで図３（ｃ）のように上下方向にも受光器を配置した９０度回転対象の位置に受光器を配置する。これにより図３（ａ）の左右方向と同様に、上下方向の受光器を用いて、移動の方向と大きさを検出できる。

図3（ｂ）では受光器を120度の回転対象の位置に配置する。それぞれの受光器を受光器4e、受光器4f、受光器4gとする。前記受光器４e、４f、４gの出力信号の差信号で光軸中心の方向と移動の大きさを検知できる。具体的に説明する。光軸が図３（ｂ）の上方向に移動した場合、受光器4eの出力信号は大きくなり、4f、4gの出力信号は同じ量だけ出力信号が減少する。また、光軸位置が受光器4eと受光器4fの間の方向に変化した場合、受光器4eと4fの出力信号は大きくなり、受光器4gの出力信号は小さくなる。さらに、受光器4eと4fの出力信号の大きさの比は受光器4eと4fの角度の比に相当する。これにより2つの受光器の中間の方向においても移動方向と大きさが検知できる。

第2の実施例を図4を用いて説明する。

受光器の受光面を前記焦点６側に向けることで、加工対象物からの反射光を検出できる。図4に示すように、出射光量と光軸の移動方向を検出する受光器101および102の電子回路基板106および108に対し反対側に受光器103および104を配置すると、溶接や切断を行う加工対象物からの反射光を検出できる前記受光器101および102の出力電気信号を電子回路105及び107で増幅する。反射光の分布は出射光および加工対象物の条件が同じであるならば加工対象物の反射面と光軸との成す角度により、反射強度が変化する。出射光量と反射光量の大きさおよび分布をデータ処理することにより光軸角度、反射光量の大きさ、加工不良の推定などが可能となる。

第3の実施例を図5を用いて説明する。

反射光または出射光を検出する受光器101または103の前面にカラーフィルタ111および112を装着する。前記受光器101および103は電子回路基板106に実装され、前記受光器101および103の出力電気信号を電子回路105により増幅する。前記カラーフィルタ111および112は特定の波長の光のみ透過させるフィルタである。出射側の光を検出する受光器の前面にカラーフィルタ111を配置すると、光源から出射する光の内、所定の波長以外の光を除去することができる。具体的には誘導放出される光や励起光源の光、レーザ発振にともなう非線形光や溶接光を除去して検出したい波長の光の量と光軸位置を検出することができる。

一方、反射光を検出する受光器の前面にカラーフィルタ１12を配置する。これにより特定の反射光のみが選択的に検出できる。具体的にはレーザ溶接装置において溶接不良により発生する赤外域での光量変化や時間シフトなどの情報から、溶接不良を検出できる。このように溶接不良が波長シフトにより検出できることは文献平成21年度戦略的基盤技術高度支援事業「レーザ溶接数値化アルゴリズムでのインライン判定システムの開発」 研究会開発成果等報告書などより明らかである。これら出射光と反射光との波長シフトの量と大きさ、時間遅延などの情報から分析することが可能である。

1 レーザ光
2 集光レンズ
3 電子回路基板
4a,4b,4c,4d,4e,4f,4g、101、102、103、104 受光器
5、106、108 電子回路基板
6 集光レンズの焦点
201 レーザ光源
202 光ファイバ
203 コリメートレンズ
204 ハーフミラー
205 集光レンズ
206 溶接対象物
207 CCDカメラ

本発明の主要構成断面図（実施例１） 本発明の光束の強度分布の説明図 本発明の詳細な受光器の配置図 本発明の他の実施例の構成図（実施例２） 本発明の他の実施例の構成図（実施例３） 本発明を応用する高出力レーザ加工装置の概念図 従来装置の例

Claims (6)

1. レーザ加工装置の光量を検出する装置において、光束の周辺部の光を検出する受光器が集束光の一部を検出し、前記受光器が複数であり、前記受光器より出力される電流信号を増幅する電子回路とからなることを特徴とする光検出装置
   
2. 前記受光器が回転対称の位置に配置することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の光検出装置
   
3. 前記受光器が集束光の焦点側に受光面が配置していることを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項記載の光検出装置
   
4. 前記受光器が集束光の焦点側と反対側に受光面が配置していることを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項記載の光検出装置
   
5. 前記受光器の受光面が集束光の焦点側に向いている受光器の出力信号と受光面が集束光の焦点と反対側に向いている受光器の出力信号との信号を加算または減算または積算または除算することを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項または第３項または第4項記載の光検出装置
   
6. 前記受光器の受光面の前面に波長選択フィルタを配置したこと特徴とする特許請求の範囲第1項、2項、5項記載の光検出装置