JPH04244910A - 高さ検出装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高さ検出装置に係わり、
特にテレビカメラによる観察光学系を有するレーザ加工
光学系に取り付けられる高さ検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工光学系に取り付けられ、この
レーザ加工光学系の加工用対物レンズを通して加工試料
の高さを検出する高さ検出装置は、従来、図３に示すよ
うな構成となっていた。すなわち、レーザ加工光学系１
は、レーザ発振器２、ダイクロイックミラー３、加工用
対物レンズ４とから構成され、これに更に照明ランプ５
、ハーフミラー６、テレビカメラ７から構成される観察
光学系８が取り付けられている。この観察光学系８の光
軸上のテレビカメラ７とハーフミラー６の間の部分に高
さ検出装置９が挿入配置された構成となっている。

【０００３】この高さ検出装置９は、発光素子１０、受
光素子１１、光軸調整光学系１２から構成されている。 発光素子１０には一般的には半導体レーザ等の単一波長
で、直線偏光の光源が用いられている。この発光素子１
０から出射された光は光軸調整光学系１２によって、観
察光学系８の光軸に平行になるように挿入される。そし
て、この光はハーフミラー６によって曲げられ、加工用
対物レンズ４を通して加工試料１３に照射される。この
加工試料１３での反射光は同じ光路を反対にたどり、高
さ検出装置９に戻る。

【０００４】反射光は光軸調整光学系１２内の１／４波
長板１４を２回通過するので、入射光に対して９０°偏
光が回転しており、偏光板１５で入射光と分離されて、
受光素子１１に入る。反射光は加工用対物レンズ４に対
する加工試料１３の高さに応じて、光路に直交する方向
に移動する。

【０００５】受光素子１１には２分割のＰ１Ｎフォトダ
イオード等の光検出素子が用いられる。受光素子１１に
入った反射光は２つの受光面にまたがっているが、加工
試料１３の高さの変化に応じて、受光面上を移動し、２
つの受光面に対応する光検出素子から出力値が変化する
。この２つの光検出素子からの出力値の差あるいは比を
求めることによって加工試料１３の高さを検出すること
ができるようになっている。

【０００６】なお、受光素子１１として検出光の強度の
変化や、加工面の反射率の変化を補償するために４分割
のものが用いられることもあるが、高さ検出の動作原理
は２分割のものと同じである。また、光軸調整光学系１
２は、１／４波長板１４、偏光板１５の他にダイクロイ
ックミラー１６を備えた構造となっている。

【０００７】しかしながら、上述した従来の高さ検出装
置では、発光素子１０から出射された検出光が加工試料
１３で反射し、この反射光の動きを２分割の受光素子１
１で検出していたが、これでは専用の受光素子１１が必
要であるという問題がある。

【０００８】また、２分割の受光素子１１で反射光の位
置を検出する場合、通常２つの素子の中心に反射光があ
るとき、すなわち２つの素子からの出力値が等しくなる
ときを合焦点位置とする。しかしながら、検出光の機械
的なずれや、増幅回路における電気的オフセット等によ
って初期の調整から時間と共にずれを生じ、合焦点位置
にあっても２つの素子からの出力値が等しくない場合が
生じる。したがって、これを補正するために、出力値に
意識的にオフセットをかけて、正しい合焦点位置が検出
できるようにする。通常これを数日〜数週間に１度の割
りで行うが、一般的に受光素子１１の受光面積は１〜２
ｍｍ２　と小さく、検出光の光軸のずれが大きくなると
、出力値にオフセットをかけるだけでは、このずれを補
正できなくなる。このようなときには光軸の機械的な調
整が必要になり、これにはかなりの時間と習熟を要する
という問題があった。

【０００９】本発明の目的は上述した問題に鑑みなされ
たもので、部品点数の削減を図ることができ、調整に要
する時間、習熟度を低減させることのできる高さ検出装
置を提供するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
テレビカメラを備えた観察光学系を有するレーザ加工光
学系に取り付けられ、このレーザ加工光学系の加工用対
物レンズに対する加工試料の高さを検出する高さ検出装
置において、検出光を出射する発光素子と、この発光素
子から出射された検出光を前記観察光学系の光軸に平行
に合わせて前記した加工用対物レンズを通して加工試料
に照射する光軸調整光学系と、加工試料からの反射光を
検出する受光素子とから構成され、観察光学系のテレビ
カメラがこの受光素子の機能を兼ねた構成としたもので
ある。

【００１１】請求光２記載の発明は、光軸調整光学系を
、発光素子から出射された検出光を観察光学系の光軸に
平行に挿入するハーフミラーから成る構成としたもので
ある。

【００１２】

【作用】本発明によれば、高さ検出装置を構成する発光
素子、受光素子及び光軸調整光学系のうち、受光素子を
観察光学系のテレビカメラと共用させるようにしたこと
により、部品点数を減らすことができ、その分調整に要
する時間、習熟度を低減させることが可能となる。

【００１３】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１４】図１は本発明に係わる高さ検出装置の一実
施例を示すブロック図である。本実施例にあっても、従
来例と同様に、レーザ発振器２０、ダイクロイックミラ
ー２１、加工用対物レンズ２２から構成されるレーザ加
工光学系２３に、テレビカメラ２４、ハーフミラー２５
、照明ランプ２６から構成される観察光学系２７が取り
付けられている。ただし、実際に用いられるレーザ加工
光学系２３、観察光学系２７で必要なレーザビームのエ
キスパンダ、レーザビームの光軸調整機構、テレビカメ
ラ用リレーレンズ等は本発明を説明する上で直接関係が
ないので本図では省略してある。

【００１５】本実施例の高さ検出装置２８は、発光素子
２９、偏光板３０、１／４波長板３１から構成されてお
り、偏光板３０で発光素子２９から出射された検出光を
観察光学系２７の光軸に平行に挿入している。発光素子
２９は、半導体レーザ等の単一波長で直線偏光を有する
もので、また、偏光板３０は垂直偏光の光に対しては、
高反射率を有し、水平偏光の光に対しては透過性を有す
るものである。

【００１６】観察光学系２７の照明として無偏光のもの
を用いれば、このビームスプリッタを通して加工試料３
２をテレビカメラ２４で見ることができる。一方、発光
素子２９の偏光方向を垂直になるように取り付ければ、
発光素子２９から出た検出光は偏光板３０で全反射され
る。これによって検出光は観察光学系２７の光軸に平行
となるように挿入され、加工用対物レンズ２２を通して
加工試料３２に照射される。検出光の加工試料３２から
の反射光は、入射時と反対の経路をたどって１／４波長
板３１に至る。

【００１７】反射光はこの１／４波長板３１を２回通過
することになるので、入射時に対して偏光方向が９０°
回転する。したがって、偏光板３０に対して水平偏光と
なるので、これを透過してテレビカメラ２４へ入る。こ
のテレビカメラ２４に入った反射光はその撮像面上を焦
点位置に応じて移動する。発光素子２９である半導体レ
ーザは、レーザ発振器として加工機に一般的に用いられ
るＮｄ：ＹＡＧレーザを想定すると、その波長は１．０
６μｍである。したがってダイクロイックミラー２１、
ハーフミラー２５の波長特性の実現性を考慮すると、１
．０６μｍと可視光域からできるだけ離れていた方がよ
く、７８０ｎｍ前後が適当である。市販されている製品
もこの波長のものが多い。

【００１８】一方、テレビカメラ２４として一般的なＣ
ＣＤカメラを考えると、その波長特性は長波長側は１μ
ｍ程度まで感度があるので、７８０ｎｍの検出光は十分
検出することができる。

【００１９】このテレビカメラ２４に入った加工試料３
２からの反射光は、テレビカメラ２４に接続された画像
処理装置３３によって、その位置、動きが処理され、加
工試料３２の高さが検出される。一般的な工業用のテレ
ビカメラ２４の撮像面の寸法は１／２あるいは２／３イ
ンチであって、従来例で用いられるＰ１Ｎフォトダイオ
ード等の光検出素子に比べ、１桁大きい面積をもってい
る。したがって光軸が機械的にかなりずれてもデータ処
理のみで補正できる。また、画像処理装置３３で反射光
の位置をソフトウエアで処理できるので、機能上の自由
度も増す。例えば半導体レーザ光量の変化、加工試料３
２面の反射率の変化は、テレビカメラ２４に入る反射光
の強度にそのまま影響するが、これはソフトウエアで補
正することが可能である。なお、従来例でも可能である
が、専用の増幅回路、演算回路等のハードウエアが必要
であり、調整も必要となる。

【００２０】さらに、本発明では図１に示すように、従
来例に比べ、専用の受光素子、ダイクロイックミラーが
不要で、部品点検を減らすことができ、これによって調
整に要する時間もその分減少することができる。また、
画像処理装置３３では反射光の位置検出だけではなく、
発光素子２９を消灯させて、加工試料３２の像だけがテ
レビカメラ２４に入るようにすれば、いわゆるパターン
認識によって、加工点の位置検出も行わせることができ
る。

【００２１】図２は本発明の第２の実施例のブロック図
である。本実施例と先に挙げた第１の実施例の違いは、
高さ検出装置２８を構成する１／４波長板３１を省き、
偏光板３０をハーフミラー３４で置き換えた構成とした
点にある。

【００２２】この場合、ハーフミラー３４の発光素子２
９の波長に対する反射率を５０％とすると、加工試料３
２からの反射光の観察光学系２７のテレビカメラ２４に
入る量は、第１の実施例の場合の１／４になる。したが
って、加工試料３２面の反射率が低いと適用できない場
合があるが、部品点数を更に減少させることができ、こ
れによって調整がより容易になり、コストも低減できる
という種々の利点を有する。なお、図２においてその他
の構成は図１と同様であるのでその説明は省略する。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
さ検出装置を構成する発光素子、受光素子および光軸調
整光学系のうち、受光素子を観察光学系のテレビカメラ
と共用させるよう構成したことにより、従来に比べて部
品点数を減少させることができ、その分調整に要する時
間、習熟度を低減させることができるという優れた効果
を奏する。また、受光面積も大きくなるので、光軸の機
械的なずれにたいする余裕度が増加し、これによって安
定した動作を期待できるという効果も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる高さ検出装置の一実施例を示す
ブロック図である。

【図２】本発明に係わる高さ検出装置の他の実施例を示
すブロック図である。

【図３】従来の高さ検出装置の一例を示すブロック図で
ある。

【符号の説明】

２２　　加工用対物レンズ ２３　　レーザ加工光学系 ２４　　テレビカメラ ２７　　観察光学系 ２８　　高さ検出装置 ２９　　発光素子 ３０　　偏光板 ３１　　１／４波長板 ３２　　加工試料 ３４　　ハーフミラー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　テレビカメラを備えた観察光学系を有
   するレーザ加工光学系に取り付けられ、このレーザ加工
   光学系の加工用対物レンズに対する加工試料の高さを検
   出する高さ検出装置において、検出光を出射する発光素
   子と、この発光素子から出射された検出光を前記観察光
   学系の光軸に平行に合わせて前記加工用対物レンズを通
   して加工試料に照射する光軸調整光学系と、前記加工試
   料からの反射光を検出する受光素子とから構成され、前
   記観察光学系のテレビカメラがこの受光素子の機能を兼
   ねていることを特徴とする高さ検出装置。
2. 【請求項２】　　光軸調整光学系は、発光素子から出射
   された検出光を観察光学系の光軸に平行に挿入するハー
   フミラーから構成されて成ることを特徴とする請求項１
   記載の高さ検出装置。