JPH03257407A - ビームの注入を制御する装置と方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一般的に、レーザ・ビームを光ファイバの注
入側の端に注入する光学系、更に具体的に云えば、放出
されたビームを用いて材料処理が行なわれるファイバの
遠い方の遠端に伝達する為、高エネルギのレーザ・ビー
ムが光ファイバの注入側の端に注入される様なレーザ材
料処理装置に関する。

発明の背景 レーザによる材料処理は従来公知であり、この明細書で
は、連続波又はパルス形のレーザ・ビームを使って、切
削、溶接、穿孔及びはんだ付けの様な材料処理を行なう
場合を指す言葉として使う。

この様なレーザ・ビームの平均エネルギは大体１ワツト
と云う小さい値から何首ワットまでに及ぶことがあり、
特定のエネルギは行なわれる特定の処理に基づいて選ば
れる。従来、レーザ源から工作物の近辺まで光ファイバ
によってレーザ・ビームを伝達することが知られている
。その中を通って伝達する為に、光ファイバにこの様な
エネルギのレーザ・ビームを注入する装置と方法が米国
特許第４，５６４．７３６号、同第４．　６７６、　５
８６号及び同第４．６８１．３９６号に記載されている
。必要があれば、これらの米国特許を参照されたい。

上に引用した米国特許に記載されているが、ファイバの
注入側の端にレーザ・ビームを注入することは、１つ又
は更に多くのレンズによって、ファイバの調製した入力
側にビームを集束することによって行なわれる。集束さ
れたビーム・コーンの寸法、ファイバの端に集束された
ビームのスポット寸法、及びファイバの端の調製に対す
る具体的な必要条件が、上に引用した米国特許に記載さ
れている。その中を通って伝達する為に、光ファイバに
レーザ・ビームを旨く注入する為には、こう云う必要条
件に合うことが必要である。この必要条件の中には、集
束されるレーザ・ビームをファイバの端と正しく整合さ
せる必要性も含まれている。ビームとファイバの端が整
合外れになれば、ファイバを介してのビームの伝達が効
率が悪くなったり、或いは全く行なわれなかったりする
。更に、レーザ・ビームが十分なエネルギを持つ場合、
整合外れにより、ファイバの端が損傷され、その為ファ
イバの交換又はファイバの端の修理が必要になる。

従来、単芯光ファイバを集束されるレーザ・ビムと整合
させると云う様に、光学部品を整合させる種々の方式が
知られている。この様な光学的な整合方法は、カメラ、
顕微鏡、低エネルギの整合用レーザ、損傷を与えない低
いエネルギ・レベルで運転するエネルギ・レーザの赤外
線観察を使うか、或いはこれらの方式を組合せたものが
ある。

この様な光学的な整合方法に共通の特性は、時間がか＼
す、熟練した光学技術者が取扱うことを必要とし、その
技術者の主観的な評価に基づくことである。即ち、光学
技術者は、上に列記した整合方法の１つを使った観測に
基づいて、部品が整合した時を、自分の技彌に基づいて
主観的に判断する。この様な光学的な整合方法が時間が
か＼ると云うこと＼、それを実施するには熟練した光学
技術者を必要とすることは、し〜ザによる材料処理を実
行する製造の現場では問題である。公知の光学方法によ
って正確な整合が得られることは認められているが、こ
の様な光学的な方法に類似した方法として、ファイバの
位置ぎめが出来る自動化した方法を提供することが望ま
しい。

更に、処理作業の間、光ファイバの伝達効率を高める為
、光ファイバの注入側の端とのビームの整合に調節を要
することがある。然し、材料処理の動作サイクル全体の
間、自動化して実時間で光ビームの注入側の端とビーム
の整合を行なう公知の装置はない。公知の装置を用いる
時、ビームが出て来るファイバの出力端の近くに光セン
サを配置する。゛出力ビーム強度の低下が起れば、注入
側の端に於けるビームの整合状態を検査する。普通、こ
の監視は熟練した光学技術者によって行なわれている。

技術者が時宜を得た形で応答しないと、光ファイバが損
傷を受けることがあり、その為光ファイバの時間がか＼
ってコストのか＼る修理及び／又は交換が必要になる。

技術者が、運転停止を必要とする程の損傷を防ぐ位の時
間内に応答したとしても、ビームと光ファイバの注入側
の端を再び整合させるのに要する時間の間、装置の運転
効率は最適とは云えない。

従って、この発明の主な目的は、上に述べた問題及び欠
点のない様な、レーザ・ビームの注入の為に光ファイバ
の自動化した位置ぎめを行なう装置と方法を提供するこ
とである。

発明の要約 この発明では、光ファイバの入力側、即ち、注入側の端
を、レーザ・ビームを注入する為の最適の位置に位置ぎ
めする装置と方法を提供する。ファイバをファイバ保持
手段に取付けて、自動化した位置ぎめを達成する為に、
互いに直交するＸｙ−２座標方向にファイバの端を調節
自在に動かす。ファイバをこの様に取付けた時、レーザ
・ビー４の軸線、及びこのファイバの端に接スルファイ
バの端部の縦軸線は２方向と平行である。

更にこの発明は、光ファイバの端と軸方向に整合した赤
外線観察装置を含み、この観察装置は電荷結合装置（Ｃ
ＣＤ）カメラの様なカメラに結合する。カメラからの出
力を高速視覚処理装置に結合し、この処理装置をモニタ
及びｘ−ｙ−ｚステージ制御装置に結合する。ｘ−ｙ−
ｚステージ制御装置が、ｘ−ｙ−ｚステージを含むファ
イバ保持手段に結合される。

動作について説明すると、この発明は、最適の集束され
たスポット寸法が保たれる様にすると共に、集束された
スポットが光ファイバの端の上で中心合せされる様にす
る。具体的に云うと、最適のスポット寸法及び位置が装
置のメモリに記憶され、初期のビームの整合が決定され
る。材料処理作業の間、ｘ−ｙ−ｚステージ制御装置が
、現在の集束されたスポット寸法及び焦点スポットの位
置に関する高速視覚モニタからの入力を受取る。

現在のスポット寸法及び位置を予定の最適のスポット寸
法及び位置と比較する。偏差があれば、制御装置が制御
信号を発生し、それがｘ−ｙ−ｚステージに送られる。

制御信号は、ｘ−ｙ−ｚステージが光ファイバの注入側
の端を高エネルギ・ビムと再び整合して最適の注入を行
なう様にする。

材料処理作業の間、この発明の装置は略実時間で動作し
、光ファイバの端を最適値に保つ。この自動化した整合
により、光ファイバの注入側の端の損傷を防止するのが
容易になると共に、光ファイバの伝達効率が高くなる。

更に、この発明の装置は熟練した光学技術者による連続
的な監視を必１ 要とせず、整合の取り直しが必要になれば、それが時期
を得て比較的に敏速に行なわれる様にする。

この発明の上記並びにその他の目的、及びその他の特徴
及び利点は、以下図面について詳しく説明する所から明
らかになろう。

発明の詳細な説明 この発明は、ファイバの端が最適位置に保たれる様に、
高エネルギのレーザ・ビームを含むレーザ・ビームを注
入する為に、光ファイバの注入側の端の自動化した位置
ぎめを行なう装置と方法を対象とする。以下説明するこ
の発明の部分は、コンピュータ形プロセスとして構成す
ることが出来る。コンピュータ形の構成のプロセスを利
用して、データを解釈すると共に、装置の種々の物理的
な要素を制御する。更に、この発明の方法は最適及び現
在の動作パラメータを判定する為に、ある科学的な式を
利用する。この方法は、全体として見ると、高エネルギ
の光ファイバ注入及び整合装置の物理的な要素の制御を
対象とするものである。

第１図について説明すると、この発明の装置１２ ００が示されている。装置は、コリメートされたレーザ
・ビーム１０４を発生して放出するレーザ源１０２を含
む。レーザ源１０２は固体ネオジミウム−イツトリウム
・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザ源であっ
てもよいし、或いはパルス・モード又は連続波モードで
動作して、近赤外線又は可視スペクトル範囲内の波長を
持つビムを放出する任意のレーザ源であってよい。この
他の適当な固体レーザ源としては、例えば、ＮＤ：硝子
、ＮＤ：ＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット
）　、ＮＤ　：ＧＳＧＧ　（ガドリニウム・スカンジウ
ム・ガリウム・ガーネット）、ルビー・レーザ及びアレ
キサンドライト・レーザがある。

ＮＤ　：　ＹＡＧ及びＮＤ：硝子レーザは近赤外線の１
．０６ミクロンの波長を持ち、ルビー・レーデは可視ス
ペクトルの６８０ナノメータの波長を持っている。この
発明を実施するには何等特定の１つのレーザ源に制限さ
れない。

コリメートされたビーム１０４を集束レンズ１０６が遮
る。集束レンズ１０６は、レーザ・ビムを光ファイバ１
０８に注入する為に集束する１個の平凸レンズとして示
されている。重要なことは、光ファイバ１０８に注入す
る為にレーザ・ビムを集束する任意のレンズ装置をこの
集束作用を実施するのに用いることが出来ることである
。

集束レンズ１０６から放出されたビーム１１０を鏡１１
２が遮る。鏡１１２は、入射ビームの軸線に対して４５
°の角度に配置された時、最大の反射を生ずる特性を持
つ鏡であることが好ましく、ビームは１．０６ミクロン
の波長を有する。周知の様に、鏡１１２は誘電体材料で
被覆することが出来る。誘電体被覆の反射率は、入射ビ
ーム角度が今述べた角度からずれるに従って低下する。

鏡１１２、特に鏡の後面は、鏡の前面を透過したビムの
一部分の反射を少なくする為に、レーザ・ビームの波長
に従って選ばれた反射防止被覆で被覆することが出来る
。更に、この発明は、４５゜と云う所定の角度で最大の
反射率を持つ様な被覆を使う場合に制限されない。こ＼
で述べた角度は、第１図に示す実施例で鏡の好ましい取
付は方の場合である。

鏡１１２から反射された光１１４が光ファイバ１０８に
入射する。周知の様に、光ファイバ１０８は石英の芯を
有する。石英芯がシリコーン又は硝子で被覆されており
、機械的な保護の為に、ナイロンの遮蔽体又はジャケッ
トを有する。ビーム１１４が、光ファイバの石英芯の直
径より小さい直径を持つスポットに集束される。集束さ
れたスポットのスポット寸法（Ｓ　Ｓ）は次の様に定義
される。

ｓ　ｓ　＝ＢＱ　（ｆ／Ｄ）　　　　　　　　　　　（
１）こ＼でＢＱは高エネルギ・レーザ源のビームの品質
、ｆはレンズ１０６の焦点距離、Ｄは集束レンズ１０６
に於けるコリメートされたビーム１０４の直径である。

公知の様に、レーザ・ビームの品質は、ビームの直径と
ビームの発散との積であり、典型的にはｍｍ−ｍｒａｄ
で表わされる。ビームの品質はどんなビーム拡大過程で
も一定にとマまる。この為、ビームを拡大することはビ
ームの発散を減少する５ のに役立つと共に、集束されたスポット寸法を減少する
のに役立つ。更に、集束レンズの焦点距離が増加するに
つれて、スポット寸法が増加する。

所定のファイバ芯の直径に対して、ビームの発散の最小
植には理論的並びに実用的な限界の両方があるから、上
に述べたスポット寸法の判断基準に違反せずに越えては
ならない最大のレンズの焦点距離がある。レンズの焦点
距離を長くすることにはこの様な制約があるが、ビーム
の人口コーン角度を最小にする為に、焦点距離を長くし
たいと云う相反する希望がある。

式（１）から明らかな様に、光ファイバの芯に集束する
ことが出来るスポットの寸法は、集束するビームの品質
に関係する。集束されるスポット寸法はビームの品質に
直接的に関係する。更に、スポット寸法が小さくなるに
つれて、達威し得る、集束されたスポットのエネルギ密
度が増加する。

エネルギ密度の増加は、それによって材料処理作業を更
に敏速に行なうことが出来、場合によっては更に正確に
行なうことが出来るので、望ましい１に とである。従って、目的は、集束されるスポット直径を
最小にし、こうして集束されるスポットのエネルギ密度
を最大にすることである。

更に第１図に示されている様に、この発明はファイバ端
視覚装置１１６を含む。装置１１６は赤外線観察装置１
１８を持ち、これは例えばＦＪＷインダストリーズ社か
らモデル８４４９として商業的に入手し得る赤外線観察
装置であってよい。

赤外線観察装置がカメラ１２０に結合される。カメラ１
２０は例えば電荷結合装置（ＣＣＤ）又は電荷注入装置
（ＣＩ　Ｄ）であってよい。ゼネラル・エレクトリック
・カンパニイから商業的に入手し得るＧＥ　２５０９、
又はカリフォルニア州のジャプリン・エレクトロニクス
社によって製造されるモデルＪＥ３２６２Ｍミニカラー
・カメラの様なカメラを利用することも出来る。ジャプ
リン・エレクトロニクス社のカメラは十分な波長感度を
持っていて、ＦＪＷ及びＧＥの赤外線観察装置カメラの
組合せの代りに使うことが出来る。ジャプリン・エレク
トロニクス社のミニカメラは、色情報を提供する点で、
例えば、Ｈｅ−Ｎｅレザが赤に見え、ＮＤ　：　ＹＡＧ
が緑に見えると云う点で、用途によってはその方が好ま
しいことがある。更にジャプリン・エレクトロニクス社
のカメラを使う時、ファイバの面に同時に入射する幾つ
かの波長のレーザを容易に識別することが出来る。

ダイオード・レーザ１２２が赤外線観察装置の直ぐ上に
取付けられている。ダイオード１２２は、例えばＨｅ　
−Ｎ　ｅレーザ・ダイオード、又はファイバの注入側の
端を溢光させる、即ち照射するのに適したその他の任意
のダイオードであってよい。

高速視覚処理装置１２４が視覚装置１１６に結合される
。高速視覚処理装置は、マサチューセッツ州のデータ・
トランスレーション社からモデル＃ＤＴ２２５５として
商業的に人手し得る様な処理装置であってよい。データ
・トランスレーション社の視覚処理装置は実時間のデー
タ収集情報を提供する。

視覚処理装置の１−っの出力がモニタ１２６に結合され
る。視覚処理装置からの別の出力がｘ−ｙ２ステージ制
御装置１２８に結合される。モニタはソニーのモデルＰ
ＶＭ２０３０カラーーモニタの様な商業的に入手し得る
モニタであってよい。

ｘ−ｙ−ｚステージ制御装置は、例えばアップル・マツ
キントラシュ■ＣＸの様なマイクロプロセッサを基本と
した装置であってよい。ｘ−ｙ−ｚステージ制御装置の
出力が、光ファイバ保持器の一部分を構成するミニエイ
チュアｘ−ｙ−ｚステージ１３０に結合される。モータ
駆動のミニエイチュアｘ−ｙ−ｚステージを含む光ファ
イバ保持器は、米国特許第４，８４０．４５０号に記載
されている様な保持器であってよい。

簡単に云うと、材料処理作業の間、ビーム１０４が源１
０２から放出され、集束レンズ１０６がそれを遮る。集
束されたビームは、鏡１１２によって反射された後、光
ファイバ１０８の注入側の端に注入される。ダイオード
１２２が光ファイバの注入側の端を照射し、赤外線観察
装置１１８が集束されたスポットと光ファイバの注入側
の端を観察する。視覚装置１１６によって発生される信
９ 号が高速視覚処理装置１２４によって処理される。

第１図に示す場合、モニタ１２６が処理済み信号から像
１３２を発生する。第１図に示す様に、この像は光ファ
イバの周縁１３４と、集束されたスポットの像１３６と
を示す。集束されたスポット１３６が、例示の為にだけ
であるが、中心外れとして示されている。集束されたス
ポット１３６は光ファイバ１０８の中心に保たれること
が好ましい。ｘ−ｙ−ｚステージ制御装置が、高速視覚
処理装置によって発生された信号をも受取る。制御装置
１２８が発生する制御信号がｘ−ｙ−ｚステジ１３０に
伝達され、これは、集束されたスポットが光ファイバ１
０８の中心位置に保たれる様に、そしてスポット寸法が
最適寸法に保たれる様に、光ファイバの注入側の端を位
置ぎめする様に作用する。

次に第２Ａ図乃至第２Ｃ図には、装置１００の動作を制
御する方法２００が示されている。第２Ａ図乃至第２Ｃ
図に示す方法のある工程は、人間のオペレータ、並びに
／又はコンピュータによっ０ て制御される機構が行なってもよいことを承知されたい
。更に、この発明を実施するのは、こ＼に示した特定の
部品を用いた場合だけに制限されない。むしろこの発明
の方法は、こ＼で説明する高エネルギの光ファイバ注入
及び整合装置と、それと同等の任意の装置の制御の為に
利用することが出来る。

この明細書で云う「装置のユーザ」とは、例えば人間で
あるオペレータ並びに／又はコンピュタを指すことがあ
る。完全な自動化を容易にする為、第２Ａ図乃至第２Ｃ
図に示すことごとくの工程をコンピュータで構成するこ
とが考えられる。

第２Ａ図について説明すると、開始ブロック２０２で示
す様に動作を開始した後、装置のユーザが注入レンズの
焦点距離、レーザ・ビームの品質、及びビームの直径を
ブロック２０４で示す様に人力する。注入レンズの焦点
距離は、焦点レンズと共に供給される動作仕様から得ら
れる。レーザ・ビームの品質は行なわれる特定の作業に
関係する。

ビーム直径はレーザ源と共に供給される動作仕様から入
手し得る。

この発明の方法は、この後、ブロック２０６に示す様に
、式（１）を使って集束されたスポット寸法を計算する
ことによって進められる。こうして計算された焦点スポ
ット寸法が最適のスポット寸法であり、その値が装置の
メモリに記憶される。

その後、装置は、赤外線観察装置を用いて、ブロック２
０８に示す様に、ファイバの注入側の端の位置を突止め
る。ファイバの注入側の端の位置を突止めることが、光
ファイバの端をダイオード１２２で照射することによっ
て容易になる。具体的に云うと、ダイオード１２２が光
ビームを放出し、その一部分が光ファイバの注入側の端
に入射する。

ダイオード１２２は、残りの作業全体の間、ファイバの
注入側の端を溢光、即ち照射する。赤外線観察装置がフ
ァイバの注入側の端から反射されたビームを検出し、カ
メラ１２０が反射ビームを表わす像信号を発生する。視
覚処理装置が像信号を解釈して、光ファイバの位置に関
するデータを発生する。こうして発生された位置データ
がｘ−ｙ−ｚステージ制御装置に送られる。視覚処理装
置はモニタ１２６にもデータを供給し、このモニタがフ
ァイバの端の像を発生する。

自動焦点及びズーム・レンズを赤外線観察装置に取付け
ることが考えられる。自動焦点及びズーム・レンズをコ
ンピュータで制御して、モニタに於けるファイバの端の
像が出来るだけ大きくなり、ファイバの端の周縁全体も
モニタに示される様にする。画素強度及び／又は画素カ
ラー装置の様な公知の縁検出装置を利用して、この作業
を容易にすることが出来る。例えば、米国特許第４，７
６４．６５５号に記載されている装置を使うことが出来
る。

ブロック２１０で示す様に、この方法は次に、レーザ源
１０２からのＨｅ−Ｎｅ整合レーザを注入する。その時
、整合レーザが光ファイバに注入されると、ｘ−ｙ−ｚ
ステージ制御装置１２８が制御信号をｘ−ｙ−ｚステー
ジに送って、ブロック２１２で示す様に、ファイバの端
に於ける整合ビームの最も小さい焦点スポットの直径が
得られ３ る様に、光ファイバが位置ぎめされる。続きブロックｒ
ＡＪと記したブロック２１４で示す様に、この方法は第
２Ｂ図に示す工程に続く。具体的に云うと、ブロック２
１６で示す様にこの方法の続きとして、ファイバの注入
側の端に於ける整合レーザの中心合せをする。最も小さ
い焦点スポットを得ること及び整合レーザの中心合せは
、公知の作像技術を用いて行なわれる作業である。具体
的に云うと、ビームが光ファイバの注入側の端に入射す
る位置は、溢光ビームだけが光ファイバに入射する場所
よりも、強度が一層大きい光を反射する。赤外線観察装
置及びカメラを利用して強度差を検出することにより、
焦点スポットの寸法及び位置を決定する。この情報を使
って、ｘ−ｙ−ｚステージ制御装置は光ファイバの端の
位置を制御して、焦点スポットを中心合せし、可能な最
も小さい焦点スポットの直径を達成することが出来る。

−旦整合レーザの焦点スポットが最適になったら、レー
ザ源を作動して、低エネルギ・ビームを放出させ、この
低エネルギ・ビームが、ブロック４ ２１８で示す様に光ファイバに入射する。この場合も、
低エネルギ・ビームを用いて、制御装置はｘ−ｙ−ｚス
テージを調節して、ブロック２２０で示す様に、ファイ
バの注入側の端で最も小さい焦点スポットの直径が得ら
れる様にする。低エネルギのビームを集束して得られた
スポットが、この後ブロック２２２で示す様にファイバ
の端上て中心合せされる。その後、ブロック２２４で示
す様に、現在のアドレス即ち、ｘ−ｙ−ｚステージの位
置が装置のメモリに記憶される。

初期整合過程は、コンピュータ形プロセスだけによって
行なうことが考えられる。この初期の整合を行なう時、
例えばｘ−ｙ−ｚステージの位置に対して焦点スポット
の面積を表わす信号を求めることにより、最小のスポッ
ト寸法を決定する。

最適のｘ−ｙ−ｚステージの位置は、スポット面積が最
小値になる所として確定する。この信号は、例えばｘ−
ｙ−ｚステージの位置を増分的に変え、スポット寸法を
記録することによって得られる。

同様に、光ファイバに集束されたスポットの中心位置は
、米国特許第４，７６４．６５５号に記載されている様
な中心合せ及びファイバ周縁アルゴリズムによって決定
することが出来る。人間であるオペレータが初期の整合
を行なう場合、モニタ１２６によって発生された像をユ
ーザが利用することが出来る。ユーザがｘ−ｙ−ｚステ
ージの移動を制御して、初期の整合を達成する。

第２Ｂ図に示す動作は、続きの符号ｒＢＪを付したブロ
ック２２６で示す様に、第２Ｃ図に示す動作に続く。第
２Ｃ図に示す一連の動作は、材料処理作業中のｘ−ｙ−
ｚステージ制御装置１２８の動作をも示している。具体
的に云うと、−旦整合レーザ及び低エネルギ・レーザに
対する整合過程が完了すると、レーザ源からの高エネル
ギ・ビムをファイバの注入側の端に注入する。高エネル
ギ・ビームを用いる時、装置のコンピュータは最も小さ
い焦点スポットを達成しており、この焦点スポットを光
ファイバの注入側の端で中心合せしている。整合レーザ
及び低エネルギ・レーザを用いてそれまでに整合してい
るから、集束されたスポットは中心合せされている筈で
あり、スポット寸法は工程２０６で計算された最適のス
ポット寸法に略等しい筈である。

判定ブロック２２８で示す様に、制御装置は現在の集束
されたスポット寸法が最適のスポット寸法に等しいかど
うかを決定する。この比較は、視覚処理装置の信号から
現在のスポット寸法を決定し、その後、記憶されている
最適のスポット寸法と現在のスポット信号との間の差が
あれば、それを決定することによって行なわれる。これ
らの信号の間に差があれば、ブロック２３０で示す様に
、制御装置が２軸ステージを動かして、最適のスポット
寸法に等しいスポット寸法を得る。現在のスポット寸法
を最適のスポット寸法に等しいか、或いは２軸ステージ
の位置を調節した後に、−旦現在のスポット寸法が最適
のスポット寸法に等しくなれば、次に装置は、ブロック
２３２で示す様に、集束されたスポットがファイバの注
入側の端で中心合せされているかどうかを決定する。こ
の決定は、視覚処理装置から出力される信号によって行
７ なわれる。集束されたスポットが中心合せされていなけ
れば、この方法を続けて、制御装置が制御信号を送って
、ブロック２３４で示す様に、Ｘｙ軸ステージを移動し
、集束されたスポットの中心合せを行なう。

所望の整合状態を保つことを容易にする為、コンピュー
タを用いて構成されたプロセスでは、最適の動作パラメ
ータが達成されるまで、ｘ−ｙ２ステージの位置を増分
的に調節する。具体的に云うと、最適のスポット寸法が
Ｏ８Ｓに等しく、現在のスポット寸法がＯ８Ｓより大き
い値であれば、制御装置は２軸ステージを鏡からある増
分的な距離だけ移動させる。この増分的な調節をした時
、現在のスポット寸法が更に増加すれば、制御装置はＺ
軸ステージを鏡に向けて増分的な距離だけ移動させる。

現在のスポット寸法が最適のスポット」法に略等しくな
るまで、２軸ステージを増分的に調節する。

集束されたスポットが中心外れであれば、制御装置はＸ
軸ステージ及び／又はｙ軸ステージによ８ す、ビームに対する注入側の端の位置を増分的に調節す
る。集束されたスポットが中心合せされるまで、この調
節が続けられる。象限を限定すること等により、どの軸
のステージを調節するかを決定するいろいろな方法を利
用することが出来る。

現在の焦点スポットの位置が中心外れであれば、焦点ス
ポットが在る象限によって決まる予定の制御信号がｘ−
ｙ軸ステージに送られる。焦点スポットが中心合せされ
るまで、この過程を繰返す。

この他のいろいろな方法が考えられ、利用することが出
来る。

一旦集束されたスポットが中心合せされたら、又は集束
されたスポットが初めから中心合せされていたら、制御
装置は次にブロック２３６で示す様に、集束されたスポ
ット寸法が光ファイバの直径の９０％より大きいか又は
それに等しいかを決定する。集束されたスポット寸法が
ファイバの直径の９０％に等しいか又はそれより大きい
場合、ブロック２３８で示す様に、制御装置はレーザ緊
急停止を実行し、動作を中止する。この状態は、レーザ
・ビームの品質が劣化しっ＼あり、損傷を防ぐ為に動作
を終わらせなければならないことを示している。他方、
集束されたスポット寸法がファイバの直径の９０％未満
であれば、装置は、ブロック２４０で示す様に、割込み
信号を受取ったかどうかを決定する。−船釣に割込み信
号は、旦動作が完了した時、装置のユーザから出される
ものである。割込み信号を受取っていなければ、この方
法を続けて、ブロック２２２から始まる前述の動作に戻
る。割込み信号を受取っていれば、ブロック２４２で示
す様に、動作を停止する。

この発明の方法及び装置は、最適の焦点スポットが保た
れ且つ光ファイバの端上で中心合せされていることを含
めて、多くの利点がある。更に、この発明の装置は、光
ファイバの注入側の端の損傷を防ＩＬするのを容易にし
、光ファイバの伝達効率を高める。この発明は、レーザ
の動作パラメタ範囲全体にわたって、ファイバの注入の
整合状態を保つことにより、レーザの指向の不安定性を
も補償する。更にこの発明の装置は熟練した光学技術者
による連続的な監視を必要とせず、整合の取り直しが必
要になれば、それは時宜を得て比較的敏速に行なわれる
様にし、更にレーザ・ビームの品質が劣化した為に、レ
ーザ源の閃光灯を交換する必要があることをオペレータ
に警告するのに利用することが出来る。

この発明の装置の別の実施例が第３図に示されている。

具体的に云うと、装置３００がコリメートされたビーム
３０４を放出するレーザ源３０２を含む。集束レンズ３
０６がコリメートされたビムを遮り、光ファイバ３１０
の注入側の端にビム３０８を集束する。光ファイバ３１
０は、光ファイバ保持器の一部分を構成するｘ−ｙ−ｚ
ステージ３１２と係合した状態に保たれている。光ファ
イバ束で構成されたコヒーレント視覚束３１４が、光フ
ァイバ３１０の注入側の端に集束されたスポットを観察
することが出来る様に配置されている。レーザ・ダイオ
ード３１６が視覚束に取付けられている。視覚束３１４
は入力側３１８及び出力端３２０を有する。入力側３１
８では、光１ ファイバが、光ファイバ３１０に集束されたスポットを
表わす光信号を受取る。出力端３２０では、視覚束３１
４が光信号３２４をビーム分割器３２２に対して放出す
る。ビーム分割器３２２がビム３２４を分割し、第１の
分割ビーム３２６及び第２の分割ビーム３２８が夫々視
覚装置３３０及びカメラ３３２に送られる。視覚装置３
３０はフィルタ３３４、赤外線観察装置３３６及びＣＣ
Ｄカメラ３３８を有する。フィルタ３３４は、光学視覚
束の光信号からの雑音を最小限に抑えるのに役立つ１．
０６ミクロンのスパイク・フィルタである。ＣＣＤカメ
ラ３３２及び３３８が高速視覚処理装置３４０に結合さ
れる。視覚処理装置がＸｙ−ｚステージ制御装置３４２
に結合され、これがｘ−ｙ−ｚステージ３１２に結合さ
れている。

第３図に示したある特定の部品は、ＣＣＤカメラ、高速
視覚処理装置、ｘ−ｙ−ｚステージ制御装置、レーザ源
、ｘ−ｙ−ｚステージを含む光ファイバ保持器、及びレ
ーザ・ダイオードを含めて、第■図に示す部品に対応す
る。従って、第１図に２ ついて前に述べた商品としての部品を第３図に示した装
置でも利用することが出来る。

この発明を特定の実施例について説明したが、当業者に
は種々の変更が考えられよう。従って、この発明は特許
請求の範囲の記載のみで限定されることを承知されたい
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の自動化した高エネルギ・ファイバ注
入及び整合装置の略図、 第２Ａ図乃至第２Ｃ図は第１図に示した装置の動作方法
を示すフローチャート、 第３図はこの発明の自動化した光ファイバ注入及び整合
装置の別の実施例を示す略図である。 主な符号の説明 １０６：集束レンズ ｔ０８：光ファイバ １１６；視覚装置 １２８：ｘ−ｙ−ｚステージ制御装置 １３０：ファイバ保持器 手続補正書防式）

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．光ファイバに対する高エネルギ・ビームの注入を制
   御する装置に於て、 該光ファイバの注入側の端の焦点スポットを表わす信号
   を発生する手段と、 焦点スポットを表わす信号に応じて、前記光ファイバの
   注入側の端の位置を調節する手段とを有し、該調節する
   手段は材料処理作業の間、光ファイバの注入側の端の調
   節を自動化して行なう装置。
2. ２．前記信号を発生する手段が、電荷結合カメラに結合
   された赤外線観察装置で構成される請求項１記載の装置
   。
3. ３．前記電荷結合カメラが高速視覚処理装置に結合され
   ており、該視覚処理装置は、表示モニタに光ファイバの
   注入側の端及び焦点スポットを表示する為の第１の像信
   号を発生すると共に、前記調節する手段で用いる第２の
   像信号を発生する請求項２記載の装置。
4. ４．前記調節する手段が、前記高速視覚処理装置に結合
   された制御装置、及び該制御装置に結合された光ファイ
   バ保持器で構成されており、該保持器は光ファイバ及び
   ｘ−ｙ−ｚ軸ステージに係合する手段を有し、前記制御
   装置から出された制御信号を利用して前記ｘ−ｙ−ｚ軸
   ステージの位置ぎめを制御する請求項３記載の装置。
5. ５．前記信号を発生する手段が、入力側の端及び出力側
   の端を持つコヒーレント光ファイバ束及びビーム分割器
   で構成されており、前記光ファイバ束の入力側の端が前
   記光ファイバの注入側の端を観察する様に位置ぎめされ
   ており、前記光ファイバ束の出力側の端が前記ビーム分
   割器と整合しており、該ビーム分割器の第１の出力が視
   覚装置と整合し、前記ビーム分割器の第２の出力がカメ
   ラと整合し、該視覚装置及びカメラが高速視覚処理装置
   に結合されている請求項１記載の装置。
6. ６．前記視覚装置が電荷結合形カラー・ミニカメラに結
   合された１．０６ミクロン・フィルタを有する請求項５
   記載の装置。
7. ７．前記視覚装置が赤外線観察装置に結合された１．０
   ６ミクロン・フィルタと、該赤外線観察装置に結合され
   た電荷結合カメラで構成される請求項５記載の装置。
8. ８．前記調節する手段が、前記高速視覚処理装置に結合
   された制御装置、及び該制御装置に結合された光ファイ
   バ保持器で構成され、該保持器は光ファイバ及びｘ−ｙ
   −ｚ軸ステージに係合する手段を有し、この為前記制御
   装置からの信号が該ｘ−ｙ−ｚ軸ステージの位置ぎめを
   制御する請求項７記載の装置。
9. ９．光ファイバに対する高エネルギ・ビームの注入を制
   御する装置に於て、 光ファイバの注入側の端の焦点スポットを表わす信号を
   発生する視覚装置を有し、該視覚装置は前記光ファイバ
   の注入側の端と軸方向に整合した赤外線観察装置、及び
   該赤外線観察装置に結合された電荷結合形カメラを含ん
   でおり、更に、前記視覚装置に結合された高速視覚処理
   装置と、該高速視覚処理装置に結合されたｘ−ｙ−ｚス
   テージ制御装置と、 該ｘ−ｙ−ｚステージ制御装置に結合された光ファイバ
   保持器とを有し、該保持器は前記光ファイバ及びｘ−ｙ
   −ｚ軸ステージに係合する手段を含んでいる装置。
10. １０．前記視覚装置がレーザ・ダイオードを有する請求
    項９記載の装置。
11. １１．前記レーザ・ダイオードがＨｅ−Ｎｅレーザ・ダ
    イオードである請求項１０記載の装置。
12. １２．前記赤外線観察装置が、光ファイバの注入側の端
    を照射する溢光ビームを発生する手段を含む請求項９記
    載の装置。
13. １３．前記ｘ−ｙ−ｚステージ制御装置がマイクロプロ
    セッサを基本とした装置である請求項９記載の装置。
14. １４．ビームが光ファイバの注入側の端に焦点スポット
    を形成する様になっていて、該ファイバ及びビームがｚ
    軸に沿って軸方向に整合している様に、光ファイバの注
    入側の端に対する高エネルギ・ビームの注入を制御する
    方法に於て、 ビームをファイバの端に集束するのに使われる集束レン
    ズの焦点距離（ｆ）、レーザ・ビームの品質（ＢＱ）及
    びビーム直径（Ｄ）を決定し、最適スポット寸法（ｓｓ
    ）を計算し、 現在の焦点スポットの寸法を最適のスポット寸法と比較
    し、 現在の焦点スポットの寸法と最適の焦点スポットの寸法
    の間に差が存在する時、現在の焦点スポットの寸法及び
    最適の焦点スポットの寸法が略等しくなるまで、光ファ
    イバの注入側の端の位置をｚ軸に沿って調節する工程を
    含む方法。
15. １５．最適の焦点スポットの寸法を計算することが、次
    の式 ｓｓ＝ＢＱ（ｆ／Ｄ） を用いる工程を含む請求項１４記載の方法。
16. １６．更に、現在の焦点スポットがファイバの注入側の
    端で中心合せされているかどうかを決定し、現在の焦点
    スポットが中心合せされていなければ、光ファイバの注
    入側の端の位置をｘ−ｙ軸に沿って調節する工程を含む
    請求項１４記載の方法。
17. １７．更に、焦点スポットの寸法をファイバの直径と比
    較し、 焦点スポットの寸法がファイバの直径の９０％より大き
    いか又はそれに等しくなった場合に、ビームの注入を停
    止する工程を含む請求項１４記載の方法。
18. １８．光ファイバの位置の調節が実時間で行なわれる請
    求項１４記載の方法。
19. １９．レーザ・ビームの品質が劣化した時、ユーザ警告
    信号を発生する請求項１４記載の方法。