JPH10274559A

JPH10274559A - レーザービームの特性用装置

Info

Publication number: JPH10274559A
Application number: JP10056477A
Authority: JP
Inventors: Emanuele Stucchi; スタッキエマニュエレ
Original assignee: Laser Point SRL; CISE Centro Informazioni Studi e Esperienze SpA
Current assignee: Laser Point SRL; CISE Centro Informazioni Studi e Esperienze SpA
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 1998-10-13
Also published as: EP0863388A1; IT1290575B1; US5909274A; ITMI970504A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】レーザービームの伝播火線を実時間で測定す
るレーザービームの特性付け装置を提供すること。【解決手段】入力レーザービーム101の集束用のレン
ズ20と検出器40とから構成されており、このレンズ20と
検出器40との間に、集束されたレーザービームをその伝
播軸に沿った複数の異なる点で順次遮断するため、集束
されたレーザービームのための遮断手段100が挿入され
ている。この遮断手段は、各位置の一つにおいて、集束
されたビームの漸増する（または漸減する）部分を実質
的に全体（または零）遮断の状態から出発して実質的に
零（または全体）遮断の状態まで通過させることが出来
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザービーム特
性を描写するための装置に関し、特に、伝搬するレーザ
ービームの火線を実時間で測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザービームの伝搬法則によると、ビ
ームの最小直径及びそのビーム発散が知られている場合
には、空間でのレーザービームの評価は正確におこなわ
れる。ISO規格11146によると、レーザービームの直径の
測定は、ビームの伝搬軸にに対して直交する少なくとも
十枚の平面で行われなければならない。それらの平面
は、焦点面から測定された"レイリー間隔"と呼ばれる距
離内にある五つの平面、及び二つの"レイリー間隔"の外
側にある五つの平面から選ばれる。選択された点の各一
つにおいてビームの直径の評価は、先に述べた規格に従
って、次に挙げる方法の一つによって行う必要がある。

【０００３】−"セカンドモーメント"：直径はd(z)=4o
(Z)の関係式で得られる。ここでo(z)は、ビームの伝搬
軸上の位置zにおけるレーザービームの強度分布のセカ
ンドモーメントである。 −"可変開口部"：入射エネルギーの86.4%を伝送するビ
ームの中央に位置する開口部の一つに対応する直径であ
る。 −"ムービングスリット"：直径は、エネルギーがピーク
エネルギーの13.6%である位置の間の距離の二倍で与え
られる。 −"ナイフエッジ"：直径は、エネルギーがピークエネル
ギーの13.6%及び86.4%である位置の間の距離の二倍で与
えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】現在パワーレーザー等
に使用されている装置では、ビームの一つの特性を測定
するにも非常に時間がかかり、伝搬する火線を実時間で
測定することは困難である。さらに、これらの装置で
は、伝搬軸に沿った異なる位置に位置決めするために、
光学的構成要素の移動を含む。

【０００５】最も広く使用されている評価方法は、"セ
カンドモーメント"法、及び"ナイフエッジ"法である。
現在の装置では、瞬時にレーザービームの伝搬カーブを
判断するのは、極めて困難であり、それ故、システム操
作の間、ラインではそれらは使用される事はなく、ビー
ムのパラメーターを周期的にチェックするのに使用され
るのにとどまっている。

【０００６】切断または溶接などのフライングオプティ
クスシステムにおいて、ビームが異なった光路を伝搬す
る際生じた変形を補正するためにスポット位置を実時間
で修正できるようにするには、レーザービームの特性の
連続的かつ瞬時の測定を行うことができる、現存する装
置よりもさらに柔軟な測定装置が必要とされる。

【０００７】現在、二つの方法に基づき、作業位置にお
ける焦点の特性を修正することのできる装置がある。こ
れらの装置は、ビームを伝送する光学的構成要素の光学
的特性を操作しており、例えば、反射ミラー（受信用光
学的構成要素）の曲面のカーブの半径を変更したり、ま
たは、作業平面に対するレンズの位置を制御したりして
いる。

【０００８】これらの方法は共に、レーザービームの理
論的伝搬カーブに基づくアルゴリズムを計算することに
より、または経験則により、焦点の特性の修正を実現し
ている。これらは、フライングオプティクスシステム
内でのビームパスにそって測定され更にその後の記録さ
れた直径を補間している。これらの方法は確かに効果的
ではあるが、レーザー源の光学的構成要素及び／または
作業位置へビームを伝送する光源外のオプティカルライ
ンなどの光学的構成要素の劣化効果による経時変化に対
する、実際のビームの現実特性には結びついていない。

【０００９】

【発明が解決しようとするための手段】上に説明した技
術の状況に鑑みて、本工業的発明の目的は、レーザービ
ームの伝播火線を実時間で測定するレーザービーム特性
付け装置を提供することである。

【００１０】本工業用発明では、国際規格ISO 11146で
定義されている"ナイフエッジ"法によるレーザービーム
特性付け装置を使用して、上記の目的を達成していて、
この装置には、１枚の入射レーザービーム焦点調整レン
ズと１台の検出器とを含み、この装置の特徴は、焦点調
整済みレーザービームをレーザービームの伝ぱ軸に沿っ
た複数の異なる装置で継続的に遮断するために、当該レ
ンズと当該検出器との間に、焦点調整済みレーザービー
ムを遮断する手段が設けられていることであり、この装
置は、事実上全体を遮断する（又は全く遮断しない）状
態から事実上全く遮断しない（又は全体を遮断する）状
態にまで渡って、当該位置の各々の箇所を通過する焦点
調整済みレーザービームの量を漸増（又は漸減）させる
のに適切なものである。

【００１１】当該遮断手段の好ましい形は、レーザービ
ームの伝ぱ方向と平行な回転軸の回りを回転する円板を
含み、当該回転円板の周辺部に対応させてレーザービー
ムを遮断するようになっていて、この周辺部には、ナイ
フのそれぞれの対により境界を定められているＶ形溝が
円周方向に連続的に設けられていて、当該ナイフの対
が、当該円板の回転軸と直交する、それぞれの平面の上
に一対ずつ設けられ、その数がビームの伝ぱ方向に沿っ
た測定箇所の数以上になっていて、かつ当該検出器が、
当該ナイフの対を通過する、レーザービームの一部分の
光パワーを測定するのに適しているものである。

【００１２】次に示す発明では、例えば、切断及び溶接
に使用するレーザシステムなどの、フライイング光学素
子を使用するレーザシステムにおいて、作業面上にある
ビームの焦点の位置及び寸法を継続的かつ実時間に検知
できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】この発明についての、ここに示す
もの以外を含めた特徴及び長所が、次に示す、この発明
の、一部の実施態様の詳細説明により一層明確になって
いて、この詳細説明が非限定的実例として添付図面に図
解されている。図１において、この発明に従ったレーザ
ービーム１０１を特性付ける装置が示されている。この
装置は、既知の種類のレーザ源（図示していない）で発
生して、多分減衰している入射レーザービーム１０１の
焦点調整に適切なレンズ２０と検出器４０とを含む。当
該検出器４０とレンズ２０との間に挿入されているもの
が、レーザービーム１０１の伝ぱ方向２１と平行な軸２
２の回りに回転する円板１００である。

【００１４】図２には、回転円板１００が示されてい
る；この円板の周辺部には、ナイフ１−１１の対により
境界を定められている"Ｖ"形溝が円周方向に連続的に設
けられていて、レーザービーム１０１を検出器４０に衝
突させる目的を果たしている。図３には、回転円板１０
０に作られた11対のナイフ１−１１の中の１対を拡大し
た図が示されている。特に、互いに直交している二つの
ナイフ１３と１４及びこれらの間を通過しているレーザ
ービーム１０１に気付くようになっている。図４に図解
してあるナイフ１−１１の対は、同一面上にあるのでは
なく、回転円板１００の回転軸と直交している複数の平
行面上にある。

【００１５】すべてのナイフは、回転円板を機械加工し
て、この回転円板と一体に作ることもできるし、検討中
の回転円板１００におけるように、すべてのナイフを、
円板の周辺部に作った適切なくぼみに差し込むこともで
きる。後者の方法の場合、回転円板の回転軸２２と直交
している任意の面上の、回転円板本体の内側に、すべて
のナイフを位置決めすることができるので、回転円板に
ある程度までの適応性を持たせている。

【００１６】図１を参照すると、円盤100が回転すると
き、レンズ20により焦点を合わせたレーザービーム101
は、最初は円盤100自体により完全に遮断され続いてナ
イフ14（図３）により遮断される。回転が進むにつれ、
ナイフ14はレーザービーム101を部分的にのみを遮断し
はじめる。ビームの残余の部分は検出器40上に投射され
る。検出器40が発生する電気信号は投射光エネルギに等
しく、図５に線50-51で示すように立ち上がりはじめ
る。その尖頭値の13.6%の、図５の51の点から、86.4%の
図の52の点まで達するに必要な時間がレーザー光直径の
測定値を示し、これは測定時間(t1-t0）に比例する。

【００１７】こうして得られた測定値がナイフ14に直交
する方向（図３のX軸方向）に沿うビームの直径に当た
る。回転を続けると、ビーム101がはじめて何の妨害に
も遭わずに検出器に達し、続いて第二のナイフ13により
遮られる。この場合、検出器が発生する信号の、点53で
示された尖頭値の86.4%から、点54で示された13.6％の
点まで達するに必要な時間が、レーザー光直径の、今回
はナイフ13に直交する方向（図３のＹ軸方向）に沿う測
定値を示し、これは測定時間(t3-t2）に比例する。

【００１８】ナイフ13と14とは互いに直交するので、ナ
イフの対1-11の各通過の際に、レーザービーム101の直
径の測定値が、レーザービーム101の伝播軸21に沿った
特定点ＺにおいてＸとＹの方向に得られる。こうして本
装置は、一回転毎に、ISO 11146規格に規定された通り
の「ナイフ・エッジ」法により伝播軸21に沿うレーザー
ビーム101の直径を、ナイフ対1-11の数に等しい数だけ
の前記軸に沿う点で、測定すると理解される。各ナイフ
対1-11が測定したレーザービーム直径の測定値がレーザ
ービーム自体の伝播軸21に沿うその位置とともに解れ
ば、レーザービーム自体の焦線曲線の判定が出来る。

【００１９】ナイフ対の円盤軸に沿った径方向と縦方向
双方の位置および数は、測定の解像度と装置に求められ
る性能との関数として最適化する。実際問題として、装
置の反応速度を重視したいなら少数のナイフ対1-11数が
必要で、、逆に焦点位置個別化の精度を重視するなら多
数の対が必要になる。。

【００２０】図６と図７はそれぞれ、前記に図示した装
置の第一と第二の応用を示す。図６はフライイング光学
系と組み合わせた本装置を示す。光分配器50は主レーザ
ービーム103からその一部を抽出した上、レンズ20を用
いて、回転円盤100上に送る。円盤上にはナイフ13、14
を持つ開口部があり、解析を行うためレーザービームを
遮断する。検出器40は電気信号を仕上げ装置60に送り、
仕上げ装置60はアクチュエータ70の制御のためのフィー
ドバック出力を生じる。このアクチュエータ70は作業面
90上のレーザービームの特性を最適化する。このように
して、例えば、焦点光学系（レンズ80により図式化）に
より作業片上に焦点を結ばせたビームの光点102の寸法
を一定に保つ作業工程、フライイング光学系内のビーム
経路の変動があっても焦点面の位置が一定に保たれる作
業工程、を実現することが可能になる。

【００２１】図７は、例えば、レーザービームの品質係
数Ｋまたはその逆元Ｍ2などの、特性評価のためのレー
ザービーム特性測定用のシステムの計画を示す。光分配
器50は主ビーム103を吸収器120に向かって、また入力ビ
ーム力の小部分101を試験装置に向かって偏向させる。
試験装置は、レンズ20、ナイフ対13、14のついた開口部
を持ちビームを遮るための円盤100、検出器40および電
子式仕上げ装置60を含む。表示装置900を用いて、回転
円盤100のナイフ13、14がレーザービームをその伝播方
向に直交して遮る面に相当して測定したレーザービーム
の直径の傾向を伝播軸に沿って目で見られるようにする
ことが出来る。

【００２２】解析すべきレーザービームのレイリー間隔
が解っているときは、その値の範囲内に五対のナイフ対
が入り、その値の二倍のその外側に等数が入るように円
盤を構築して、ビームの光学的パラメータおよび品質係
数Kの値の測定値をISO 11146規格にしたがって得られる
ようにすることもまた出来る。互いに異なるレイリー間
隔を有するレーザービームの特性をISO 11146 規格にし
たがって測定するため同一装置を使いたいときは、ビー
ムの伝播軸に沿って円盤を所定値の一段以上動かしてレ
ーザービームの見本を抽出することが出来る。前設定
は、所定のレーザービームについて、レイリー間隔内で
最小５点、間隔外で最小５点の必要見本抽出が二つのレ
イリー間隔で出来るようにおこなう。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明に従った装置を図解で説明し
ている。

【図２】図１に示す装置に使用されている回転円板の正
面図である。

【図３】図２に示す回転円板にあるナイフの一対を拡大
した正面図である。

【図４】回転円板の直径方向断面の一部であり、回転円
板の軸に沿った、ナイフの対の位置を示している。

【図５】図１に示す装置に使用されている検出器が発す
る電気信号を示す；

【図６】この発明に従った装置の最先適用を図解で説明
している。

【図７】この発明に従った装置の第２適用を図解で説明
している。

【符号の説明】

１３，１４ナイフ対２０集束用レンズ２１伝播方向２２回転軸４０検出器５０，８０，１２０
光学手段６０仕上げ装置９０作業片１００遮断手段又は円盤１０１，１０３
レーザービーム９００表示装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射レーザービーム(101)の集束用レンズ
(20)とその検出器(40)との間に、焦点を合わせたレーザ
ービームをその伝播軸に沿った複数の異なる位置で順次
に遮断するための集束されたレーザービーム用の遮断手
段(100)が挿入されており、前記遮断手段は前記位置の
それぞれの一つにおいて、集束されたレーザービームの
漸増する（または漸減する）部分を実質的に全体（また
は零）遮断の状態から出発して実質的に零（または全
体）遮断の状態までにすることが出来ることを特徴とす
る、入射レーザービーム(101)の集束用レンズ(20)と検
出器(40)とを含む、ISO 11146 規格により定義される
「ナイフエッジ」法にしたがうレーザービームの特性装
置。
【請求項２】前記遮断手段が、円盤(100)の周縁に対応
するレーザービーム(101)を遮るように、レーザービー
ム(101)の伝播方向(21)に平行な回転軸(22)のまわりに
回転する円盤(100)を含み、その周縁上には、それぞれ
のナイフ対(13、14)により境界を定められた一連の周辺
溝が作られており、前記ナイフ対(13、14)はそれぞれ円
盤(100)の回転軸(22)に直交する平面内にあり、その数
は少なくともビームの伝播方向(21)に沿った点の数に等
しく、前記検出器(40)はレーザービーム(101)の前記ナ
イフ対(13、14)を通過する部分の光パワー測定に適する
ことを特徴とする請求項１の装置。
【請求項３】前記ナイフ対(13、14)のそれぞれの一つの
ナイフが互いに直交することを特徴とする請求項２の装
置。
【請求項４】前記ナイフ対(13、14)の数が、ISO 11146
規格に規定されたビームの伝播軸に沿う測定点の数に少
なくとも等しいことを特徴とする請求項３の装置。
【請求項５】前記ナイフ対(13、14)が前記円盤(100)周縁
の適切な機械加工により前記円盤(100)と一体に作られ
ていることを特徴とする請求項４の装置。
【請求項６】前記ナイフ対(13、14)が、前記円盤(100)の
周縁に、それらが円盤(100)内の任意の一つの平面内に
配置されるように作られた適切な凹部に、挿入されてい
ることを特徴とする請求項４の装置。
【請求項７】先行請求項のいづれか一つのレーザービー
ム特性測定装置と、前記装置から信号を受け、作業片(9
0)の表面上にレーザービームによりスポットの幅が一定
に保たれるかまたは焦点面と作業片の表面との間の距離
が一定に保たれるようその光学手段(80)用の制御信号を
生成する仕上げ装置(60)と、を含むことを特徴とする、
レーザー光源、レーザービーム(103)の焦点を作業片(9
0)に合わせるための光学手段(80)を含むレーザー作業用
装置。
【請求項８】レーザービーム(103)の伝播火線の個別化
に必要なパラメータを評価するために、請求項１から５
までのいずれか一つのレーザービーム特性測定用装置
と、仕上げ装置(60)と、前記仕上げ装置により制御され
る表示装置(900)とを含むことを特徴とする入射光パワ
ーを減衰させるに適した光学手段（50、120）を含むレ
ーザービーム(103)特性測定用装置。
【請求項９】前記円盤をレーザービームの伝播方向に動
かし得ることを特徴とする請求項２から８までのいずれ
かの装置。