JPH07335962A

JPH07335962A - 光ビーム走査装置

Info

Publication number: JPH07335962A
Application number: JP12998994A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Usui; 健臼井; Ryuji Tatsumi; 龍司辰巳
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-06-13
Filing date: 1994-06-13
Publication date: 1995-12-22
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: JP2723043B2

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構成で高精度の走査角度検出を行い、
高精度・高安定度の光ビーム走査装置を提供する。【構成】レーザ光源４から出射された入射光ビーム１
０１を反射して走査光ビーム１０２として走査するとと
もに、ガルバノメータ１により回転駆動される回転ミラ
ー２と、前記入射光ビームおよび走査光ビーム１０２の
光軸を遮らない位置に設置される固定ミラー３と、前記
回転ミラー２に対して前記入射光ビーム１０１とは異な
る方向から補助光ビーム１０３を照射する補助光源５
と、前記補助光ビーム１０３を前記回転ミラー２および
前記固定ミラー３に複数回反射させた後、その角度検出
光１０４として検出することで、前記回転ミラー２の回
転角度を検出する一次元位置検出器６とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビームを利用し
て種々の加工および計測を行うレーザ加工装置またはレ
ーザ応用機器等で用いられるガルバノメータを用いた光
ビーム走査装置に関し、特に、高分解能、高安定性を必
要とする光ビーム走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームを利用したレーザ加工装置
や計測器は、その利用目的から、一般的に、被加工物や
被測定物の位置を移動するか、または、光ビームを所定
位置に走査するかのいずれかの手段を備えている。

【０００３】一般的には、処理速度の観点から移動部分
が小型かつ軽量であって高速移動が可能な光ビームを移
動する方法が多く採用されており、特に、より一層の高
速動作が可能なガルバノメータを用いた光ビーム走査装
置が広く用いられている。

【０００４】このようなガルバノメータを用いた光ビー
ム走査装置は、ガルバノメータの回転軸上に反射ミラー
を取り付け、位置制御信号に基づいてガルバノメータを
駆動させることにより、その反射ミラーを微少回転させ
るという構成を有しており、光ビームをその反射ミラー
に入射させることで、反射された光ビームの出射角度を
偏向走査させている。ここで、出射角度の変化をそのま
ま利用するだけでなく、ｆθレンズと組み合わせて位置
の変化に変換した上で利用する方法も多く採用されてい
る。

【０００５】このガルバノメータを用いた光ビーム走査
装置では、可動部がガルバノメータ内部のロータと回転
軸部分および光ビームを反射させるミラーのみであり、
それらの慣性モーメントが極めて小さいことから、例え
ば、レーザトリマやレーザマーキング装置等のような集
光位置を高速で移動させなければならないような用途に
も適用できるという特徴がある。

【０００６】ここで、このような光ビーム走査装置によ
る光ビームの走査を高い位置精度で行うためには、何ら
かの方法でガルバノメータのロータの回転角度を検出し
てフィードバック制御することが必要不可欠である。

【０００７】従来、この高精度走査用に使用される光ビ
ーム走査装置では、ガルバノメータの角度検出手段とし
てキャパシタンスブリッジ法が用いられていた。この検
出方法は、ＬＡＳＥＲ＆ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（ＬＡ
ＳＥＲ＆ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ出版１９９２年２月
発行）第１５頁から第１７頁に開示されている。このキ
ャパシタンスブリッジ法は、ガルバノメータの回転軸に
取り付けられた２組の可動電極と固定電極対の間の静電
容量がその回転軸の回転にともなって差動的に変化する
ように構成されており、その変化をブリッジ形式の検出
回路で差動検出することで、ガルバノメータの回転角度
を検出している。

【０００８】しかしながら、このキャパシタンスブリッ
ジ法では、微弱な変化を拡大して検出できるので感度を
あげることができる反面、周囲温度の変化に影響を受け
やすいという問題点があった。最近のガルバノメータで
は、ガルバノメータ自体の温度安定化や構造の改善等に
より諸特性がかなり改善されてはいるが、経時変化等に
よる劣化など長期的な安定度や絶対的な位置精度および
分解能に関しては、まだ、多くの問題点を抱えている。

【０００９】また、他の角度検出方法として、回転モー
タなどで使用されているロータリエンコーダを用いる方
法も考えられる。しかし、この方法では角度検出のため
に回転軸上に多数の検出用エレメント（光学式のもので
はスリット）を形成したコード板を取り付ける必要があ
り、これにより回転部の慣性モーメントが増加し、動作
速度が遅くなるという問題点があった。さらに、最近の
光ビーム走査装置に要求される制御精度は、１回転を数
十万個以上に分割する程度の分解能に相当し、このよう
な高分割のコード板は容易に実現できず、例え、実現で
きたとしても、かなり高価なものとなってしまい、実用
的ではないという問題点もあった。

【００１０】また、特開昭５８−１５５９７２号公報に
は、光学的手段によりガルバノメータの回転軸上に取り
付けられた回転ミラーの角度を直接検出する方法が開示
されている。この方法について、図１０および図１１を
参照して説明する。

【００１１】図１０および図１１に示すように、ガルバ
ノメータ１の回転軸上に回転ミラー２が取り付けられ、
レーザ光源４からの入射光ビーム１０１がこの回転ミラ
ー２で反射される。そして、前記ガルバノメータ１によ
り前記回転ミラー２が所望の角度に駆動制御されること
で、この回転ミラー２に反射した走査光ビーム１０２が
所望の方向に走査される。

【００１２】ここで、補助光源５からの補助光ビーム１
０５を前記入射光ビーム１０１とは異なった方向および
角度から前記回転ミラー２に入射し、そこで反射された
角度検出光ビーム１０６を一次元位置検出器６で検出す
ることで、前記回転ミラー２の回転角度を検出してい
る。この一次元位置検出器６は、多数の光検出素子を直
線状に並べたもので、どの光検出素子に光ビームが入射
したかに基づいて、位置を検出するものであり、高精度
用のものでは１０００以上の光検出素子を集積したもの
も作られている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前述の特開昭５８−１
５５９７２号公報に開示された角度検出手段では、可動
部に付加物がないので、走査速度を低下させることなく
安定した角度検出を行うことができる。しかしながら、
一次元位置検出器には製造上の制約として、集積化でき
る光検出素子の数やその素子の設置間隔等には限界があ
り、高精度の光ビーム走査装置において実用上必要とさ
れる高分解能を実現できるレベルには達していない。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の光ビーム走査装置は、レーザ光源から出
射されたレーザ光を反射するとともに、ガルバノメータ
により回転駆動される回転ミラーと、前記レーザ光の光
軸を遮らない位置に設置される固定ミラーと、前記回転
ミラーに対して前記レーザ光とは異なる方向から補助光
ビームを照射する補助光源と、前記補助光ビームを前記
回転ミラーと前記固定ミラーとの間でその回転ミラーに
対して複数回反射させた後、その反射光を検出すること
で、前記回転ミラーの回転角度を検出する角度検出手段
とを有する。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

【００１６】図１は、本発明の第１の実施例の主要部の
構成を示す斜視図であり、図２は、本実施例の構成およ
び光路の詳細を示す図である。

【００１７】回転ミラー２は、ガルバノメータ１の回転
軸上に取り付けられ、レーザ光源４から出射された入射
光ビーム１０１を反射するとともに、前記ガルバノメー
タ１により回転駆動される。

【００１８】固定ミラー３は、前記回転ミラー２の前記
入射光ビーム１０１の照射面とは反対の面に対向して固
設され補助光源５から出射された補助光ビーム１０３を
反射する。

【００１９】補助光源５は、前記回転ミラー２の前記入
射光ビーム１０１の照射面とは反対の面に補助光ビーム
１０３を入射する。この補助光源５としては、レーザダ
イオードや高輝度のＬＥＤまたはヘリウムネオンレーザ
等を使用することができる。

【００２０】一次元位置検出器６は、前記回転ミラー２
および前記固定ミラー３に複数回反射された前記補助光
ビーム１０３を検出することで、前記回転ミラー２の回
転角度を検出する。具体的には、この一次元位置検出器
６は、多数の光検出素子を直線状に配置し集積したもの
であり、前記光検出素子として各素子での光検出レベル
を順送りに外部に取り出すＣＣＤ（電荷結合デバイス）
タイプのものを使用できる。そして、光検出レベルの出
力信号から、どの位置に配置された光検出素子に光ビー
ムが入射したか、または、出力信号のピークがどの光検
出素子に相当するかを検出し、その検出結果に基づいて
光ビームの入射位置が決定される。

【００２１】駆動回路７は、前記一次元位置検出器６で
検出された前記回転ミラー２の回転角度に基づいて前記
ガルバノメータ１の駆動を制御する。

【００２２】次に、第１の実施例の動作について図面を
参照して説明する。

【００２３】レーザ光源４から出射された入射光ビーム
１０１を回転ミラー２に入射させ、その回転ミラー２の
表面の鏡面で反射された後、走査光ビーム１０２として
出射される。ここで、前記回転ミラー２は、駆動回路７
による制御で駆動するガルバノメータ１により所望の角
度に制御されているので、前記走査光ビーム１０２は、
所望の方向に走査される。つまり、前記回転ミラー２の
回転角度をθとすると、前記走査光ビーム１０２の出射
方向は２θだけ偏向されることになる。

【００２４】一方、補助光源５から出射された補助光ビ
ーム１０３を前記ガルバノメータ１の回転軸に垂直な方
向から、前記回転ミラー２の前記入射光ビーム１０１の
照射面の裏面に入射する。ここで、入射された補助光ビ
ーム１０３は、前記回転ミラー２の裏面および固定ミラ
ー３との間を交互に複数回反射された後、角度検出光ビ
ーム１０４として一次元位置検出器６に入射される。こ
こで、図２では、補助光ビーム１０３を前記回転ミラー
２の裏面に３回、固定ミラー３に２回それぞれ反射させ
た後、前記一次元位置検出器６に入射させている。

【００２５】そして、前記一次元位置検出器６に集積配
置された多数の光検出素子が前記角度検出光ビーム１０
４を検出し、その検出結果に基づいて、前記回転ミラー
２の回転角度が検出される。この検出された前記回転ミ
ラー２の回転角度に基づいて、駆動回路７が前記ガルバ
ノメータ１をフィードバック制御することで、前記走査
光ビーム１０２の走査精度を向上させることができる。

【００２６】ここで、補助光ビーム１０３が回転ミラー
２に反射する回数をＮ回とすると、一次元位置検出器６
に向けて出射される角度検出光ビーム１０４の偏向角
は、前記回転ミラー２の回転角度の２Ｎ倍になる。

【００２７】前述特開昭５８−１５５９７２号公報に記
載された方法では、回転ミラー２に１回しか補助光ビー
ム１０３を反射させないので、Ｎ＝１であり、前記回転
ミラー２の回転角度をθとすると、前記角度検出光ビー
ム１０４の偏向角は２θにしかならない。しかしなが
ら、図１に示した実施例では、前記回転ミラー２に前記
補助光を３回反射させているので、この場合Ｎ＝３であ
り、前記回転ミラー２の回転角度をθとすると、前記角
度検出光ビーム１０４の偏向角は６θとなる。つまり、
前記回転ミラー２の回転角度の検出精度が３倍になった
ことになる。

【００２８】そして、この高精度の角度検出を前記駆動
回路７にフィードバックすることで、前記走査光ビーム
１０２の走査角度の制御精度を１／３まで改善すること
ができる。

【００２９】また、本実施例では、前記回転ミラー２に
前記補助光ビーム１０３を反射させる回数が３回の例を
示したが、この反射回数は、この数に限定されるもので
はなく、装置の構成上可能な限り、回数を増やすことに
より、その反射回数に比例して角度検出の分解能を向上
させることができることは言うまでもない。

【００３０】さらに、前記固定ミラー３を取り付け角度
の異なる複数の反射ミラーにより構成することで偏向角
の検出範囲を拡大することも可能である。

【００３１】次に、本発明の第２の実施例について図面
を参照して説明する。

【００３２】図３は、本発明の第２の実施例の主要部の
構成を示す斜視図であり、図４は、その光路の詳細を示
す図である。

【００３３】本実施例は、回転ミラー２に入射される補
助光ビーム１０３の入射方向が異なる以外は前述の第１
の実施例の構成と同様であるため、重複部分の説明は省
略する。

【００３４】図３に示すように、補助光ビーム１０３は
ガルバノメータ１の回転軸に沿う斜め方向から回転ミラ
ー２の裏面に入射されており、前記回転ミラー２の裏面
と固定ミラー３との間で、交互に複数回反射された後、
一次元位置検出器６に入射する構成となっている。

【００３５】この構成においても、前述の第１の実施例
と同様に、前記補助光ビーム１０３が前記回転ミラー２
の裏面に反射する回数に比例してその回転ミラー２の回
転角度の検出分解能を向上させることができることは言
うまでもないが、さらに、この構成では、前記回転ミラ
ー２の回転によって生じる補助光ビーム１０３の反射位
置の移動が少ないので、この補助光ビーム１０３が前記
回転ミラー２の裏面に反射する回数をより多く設定でき
る。

【００３６】ただし、本実施例では、回転ミラー２に対
する補助光ビーム１０３の入射方向をガルバノメータ１
の回転軸を中心とした斜め方向としたので、前記回転ミ
ラー２の振り角の範囲が小さい場合では直線状に光検出
素子を集積配置した一次元位置検出器６を使用しても問
題は生じないが、前記振り角の範囲が大きくなった場合
には、幾何学的に前記振り角と検出された角度との比例
関係が崩れてしまい、正確な検出が行えないという問題
点が生じる。そこで、円弧状に光検出素子を集積配置し
た位置検出器を使用するか、または、円錐状ミラーを付
加する等の光学的手段で光検出素子を直線状に配置した
一次元位置検出器６を使用できるように角度検出光ビー
ム１０４を変換することが必要となる。

【００３７】次に、本発明の第３の実施例について図面
を参照して説明する。

【００３８】図５は、本発明の第３の実施例の主要部の
構成を示す斜視図であり、図６は、その光路の詳細を示
す図である。

【００３９】本実施例は、回転ミラー２と固定ミラー３
とが常に補助光ビーム１０３の入射方向に開いた状態で
あるように前記固定ミラー３を設置する点以外は、前述
の第１の実施例の構成と同様であるため、重複部分の説
明は省略する。

【００４０】図６に示すように、補助光源５から回転ミ
ラー２の裏面に入射された補助光ビーム１０３は、その
回転ミラー２の裏面と固定ミラー３との間で、交互に複
数回反射されるが、この場合、前記回転ミラー２と固定
ミラー３とが、前記補助光ビーム１０３の入射方向に開
いて設置されているために、複数回反射された前記補助
光ビーム１０３は、その入射側と同じ側に出射され、前
記補助光源５と同じ側に配置された一次元位置検出器６
に入射される。

【００４１】本実施例でも、前述の第１の実施例と同様
に補助光ビーム１０３が回転ミラー２の裏面に反射した
回数に比例して、前記回転ミラー２の回転角度の検出分
解能を改善できるが、さらに、補助光ビーム１０３の光
路がほぼ同じ経路を往復するようになっているため、前
記回転ミラー２の裏面での反射回数を約２倍にすること
ができ、その分だけより検出分解能を向上させることが
できる。

【００４２】さらに、一次元位置検出器６で直線状に集
積配置された光検出素子を折り返して使用する構成も可
能であって、この場合には、実際に集積された光検出素
子数以上に高密度集積された場合の位置検出器と同レベ
ルの高分解能を実現できる。

【００４３】次に、一次元位置検出器の検出可能範囲以
上に光ビームを走査した場合について図面を参照して説
明する。

【００４４】図７は、回転ミラーの回転角と一次元位置
検出器で検出される偏向角との関係を示した図であり、
回転ミラーの回転に伴って補助光ビームの反射点が移動
し、この回転ミラーで反射できる回数が変化するために
偏向角の検出信号が不連続となる。

【００４５】図７において、各斜線部分は回転ミラーで
の補助光ビームの反射回数の相違に対応しており、各斜
線の傾斜角は、前記反射回数が相違していることから異
なっている。したがって、このままの角度検出手段で
は、ガルバノメータの角度制御に使用することはできな
い。

【００４６】しかし、図８に示すように、分解能がそれ
ほど高くない角度検出部８（例えば、従来の技術の欄で
説明したキャパシタンスブリッジ法等）を併用し、この
角度検出部８で測定されたおおよその回転ミラー２の回
転角の値に基づいて、反射回数算出部９において、現在
の補助光ビームの回転ミラー２に対する反射回数を判定
する。次に、演算部１０において、一次元位置検出器６
で得られた偏向角の検出信号を前記回転ミラー２での反
射回数で除した値から真の走査光ビーム１０２の偏向角
を逆算すれば上記問題点は解決できる。

【００４７】また、図９に示すように、反射回数設定部
１１において、予め走査光ビーム１０２の走査範囲のい
ずれかの端における回転ミラー２での反射回数を設定し
ておく。そして、不連続点検出器１２において、一次元
位置検出器６における検出値が不連続に変化する点を検
出し、検出の結果、その方向に値が変化したかを検出し
て、その検出結果に基づいて、反射回数変更部１３にお
いて、予め前記反射回数設定部１１に設定されていた反
射回数を増減する。以降、前記不連続点が検出される毎
に、この反射回数変更部１３で反射回数が増減される。
次に、演算部１０において、一次元位置検出器６で得ら
れた偏向角の検出信号を前記反射回数変更部１３によっ
て新たに設定された反射回数で除した値から真の走査光
ビーム１０２の偏向角を逆算する方法もある。

【００４８】これらは、回転ミラーの回転角度の検出範
囲をいくつかの範囲に分割して、角度検出を行えること
を意味しており、したがって、集積された光検出素子が
少ない場合であっても、広範囲の角度検出を行えるとと
もに、高分解能を実現できる。

【００４９】以上説明した各実施例では、回転ミラーに
反射した角度検出光ビームを一次元位置検出器に直接入
射する構成としたが、ｆθレンズ等を用いて前記角度検
出光ビームを前記一次元位置検出器上に集光するような
構成とした方が分解能を向上させるという点ではより好
ましい。

【００５０】また、回転ミラーの表・裏面を形成する反
射膜としては、波長選択性のない金属被膜のミラーであ
ってもよいが、一般的には、レーザ光源の発振波長と補
助光源の波長とは異なるので、各々の波長に対応する誘
電体多層膜を形成したものが好ましい。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光ビーム
走査装置は、回転ミラーの回転角を簡単な構成で高精度
に検出できる角度検出手段を備えるために、高分解能・
高安定度の光ビーム走査装置を容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のの主要部の構成を示す
斜視図。

【図２】第１の実施例の構成および光路の詳細を示す
図。

【図３】本発明の第２の実施例の主要部の構成を示す斜
視図。

【図４】第２の実施例の光路の詳細を示す図。

【図５】本発明の第３の実施例の主要部の構成を示す斜
視図。

【図６】第３の実施例の光路の詳細を示す図。

【図７】回転ミラーの回転角と一次元位置検出器で検出
される偏向角との関係を示した図。

【図８】一次元位置検出器の検出可能範囲以上に光ビー
ムを走査した場合の偏向角を算出する手段の構成を示す
ブロック図。

【図９】一次元位置検出器の検出可能範囲以上に光ビー
ムを走査した場合の偏向角を算出する手段の構成を示す
ブロック図。

【図１０】従来の光ビーム走査装置の主要部の構成を示
す斜視図。

【図１１】従来の光ビーム走査装置の光路の詳細および
構成を示す図。

【符号の説明】

１ガルバノメータ２回転ミラー３固定ミラー４レーザ光源５補助光源６一次元位置検出器７駆動回路８角度検出部９反射回数算出部１０演算部１１反射回数設定部１２不連続点検出器１３反射回数変更部１０１入射光ビーム１０２走査光ビーム１０３、１０５補助光ビーム１０４、１０６角度検出光ビーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源から出射されたレーザ光を反
射するとともに、ガルバノメータにより回転駆動される
回転ミラーと、前記レーザ光の光軸を遮らない位置に設置される固定ミ
ラーと、前記回転ミラーに対して前記レーザ光とは異なる方向か
ら補助光ビームを照射する補助光源と、前記補助光ビームを前記回転ミラーと前記固定ミラーと
の間でその回転ミラーに対して複数回反射させた後、そ
の反射光を検出することで、前記回転ミラーの回転角度
を検出する第１の角度検出手段とを有することを特徴と
する光ビーム走査装置。
【請求項２】前記補助光ビームを前記回転ミラーと前
記固定ミラーとの間でその回転ミラーに対して複数回反
射させた後、その反射光を一次元位置検出手段で検出す
ることを特徴とする前記請求項１に記載の光ビーム走査
装置。
【請求項３】前記固定ミラーは、前記回転ミラーの前
記レーザ光が照射される面の裏面に対向して設置され、前記補助光源は、前記裏面に補助光ビームを照射するこ
とを特徴とする前記請求項１に記載の光ビーム走査装
置。
【請求項４】前記固定ミラーは、前記回転ミラーおよ
びこの固定ミラーに複数回反射した後の前記補助光ビー
ムが前記補助光源が配置される位置と同じ側に出射され
るように設置され、前記一次元位置検出器は、前記回転ミラーに対して前記
補助光源が設置される位置と同じ側に配置されることを
特徴とする前記請求項１に記載の光ビーム走査装置。
【請求項５】前記固定ミラーは、取り付け角度の異な
る複数の反射ミラーを備えることを特徴とする前記請求
項１に記載の光ビーム走査装置。
【請求項６】前記回転ミラーに対する前記補助光ビー
ムの反射回数を検出する第２の角度検出手段と、検出された前記反射回数で前記第１の角度検出手段によ
り検出される前記補助光ビームの偏向角を除算すること
で前記回転ミラーの回転角を算出する手段とを有するこ
とを特徴とする前記請求項１に記載の光ビーム走査装
置。
【請求項７】予めレーザ光の走査範囲の端における前
記回転ミラーにおける前記補助光ビームの反射回数が設
定され、前記一次元位置検出器における検出値が不連続
に変化することが検出される毎に予め設定された前記反
射回数を変更する手段と、予め設定された前記反射回数または変更された前記反射
回数で前記第１の角度検出手段により検出される前記補
助光ビームの偏向角を除算することで前記回転ミラーの
回転角を算出する手段とを有することを特徴とする前記
請求項１に記載の光ビーム走査装置。