JPS58103622A - 光フアイバ−出射エネルギ−監視装置 - Google Patents

光フアイバ−出射エネルギ−監視装置

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JPS58103622A
JPS58103622A JP20327281A JP20327281A JPS58103622A JP S58103622 A JPS58103622 A JP S58103622A JP 20327281 A JP20327281 A JP 20327281A JP 20327281 A JP20327281 A JP 20327281A JP S58103622 A JPS58103622 A JP S58103622A
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JP
Japan
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energy
optical fiber
light
emitted
optical
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JP20327281A
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Hiromasa Ishiwatari
石渡 裕政
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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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】 本発明は先導波路として光ファイバーを用いるレーザー
加工装置またはレーザー手術装置等において光ファイバ
ーの出射端から出射される光エネルギーの一部を測定す
る仁とによって出射光エネルギーの総量を監視する装置
に関し、その目的とするところは加工中または手術中で
あっても監視を中断することなしに常時監視を行うこと
ができるものを提供することにある。
COlレーザー光を用いるレーザー加工装置またはレー
ザー手術装置は、加工部位または手術部位にレーザー光
を導く方法として、普通は複数のミラーから成るミラー
関節前導波路を用いるが、ミラー関節型導波路は操作性
やミラー角度の振動によるズレなどが問題であり、゛こ
tL谷の交点蓚°解決するために導波路として光ファイ
バーを用いることが検討されている。
第1図に光ファイバーを先導波路として、用いるレーザ
ー加工装置またはレーザー手術装置の先導波路および集
光部分を示す。レーザー光源(1)で発生した光ビーム
(5)は第1の集光レンズ(2)で光ビーム(6)のよ
−うに集光されて光ファイバー(3)の入射端に入射す
る。光ファイバー(萄の内部を導波した光は光ファイバ
ー(3)の出射端から光ビーム(ηのように出射し、@
2の集光レンズ(4)によって焦点位置(8)に小さな
焦点を結ぶので、この焦点位置く荀に被加工物または被
手術物を置いて高書度の光エネルギーによって加工また
は手術を行う。゛レーザー加工またはレーザー手術にお
いては、焦点近傍に集められたエネルギーを直接利用す
るので出射エネルギー量を監視することが必要であるが
、従来はレーザー発振管に流れる電流を測定して間接的
に出射エネルギーを監視するか、あるいはレーザー゛光
源の出口近(番ζ光軸に対して46度のミラーを設け、
レーザー光を90度曲げてレーザー光検出器に導き測定
する。何れの方法の場合においてもレーザー光源から出
射される光エネルギーの監視であって、実際に焦点に集
光される光エネルギーの監視にはなっていない。光ファ
イバーを導波路として用いる場合には、該光ファイバー
の入射端、出射端での反射損失とその経年変化および該
光)1イバ一内部での光の損失とその経年変化などのた
めに該光ファイバーへの入射エネルギーの大きさがわか
っても、出射エネルギーの監視にはならない。極端な場
合の例として、光ファイバーが・途中で折れた場合には
、入射エネルギーの如何にかかわらず出射エネルギーは
零になり、監視できないことは明らかである。また、レ
ーザー光源の出口近くにミラーを設けてレーザー光を9
0度曲げて光検出器で測定する方法の場合には、前記ミ
ラーをレーザー光路上に配置しなければならないために
、レーザー出力を監視している間は加工または手術を行
うことができないし、逆に加工または手術を行っている
時にはミラーをレーザー光路から外すためにレーザー出
力の測定が行えず、従って出力エネルギーの監視ができ
ないと云う欠点がある。
そ仁で本発明は、光ファイバーと、この光ファイバーか
ら出射される光エネルギーを集光する集光レンズと、こ
の集光レンズと前記光ファイバーの出射端の間で集光レ
ンズに入射する円錐形状の光束の外側に配置されて前記
光ファイバーから出射される光エネルギーを受光検出す
る光エネルギー検出素子と、乙の光エネルギー検出素子
からの信号を変換増幅する変換増幅手段と、この変換増
幅手段出力をエネルギー値として表示するエネルギー表
示手段とを設け、前記検出素子を前記円錐吠の光束を取
り巻くリング形状としてリング形状の受光面全体に入射
された光エネルギーに比例した出力を発生するよう構成
すると共に前記光エネルギー検出素子を電気抵抗が温度
警ζよって変化する抵抗体で構成して、光ファイバーか
ら出射される光エネルギーを直接監視し、かつ加工中で
あっても監視を中断することなく行えるようにしたもの
である。
本発明の説明に入る前に、光ファイバーから出射される
光の性質について説明する。
光ファイバーから出射される光エネルギーは光フアイバ
ー出射端から放射状に出射される。第2図(a)は上記
光ファイバーから出射される光エネルギーの分布の一定
を示したもので、横軸は光ファイバーの光軸を基準とし
た角度、縦軸はエネルギーである。第2図(b)は光フ
ァイバーからの出射光が放射状に出射されることを説明
する図で、(旬は光ファイバー、  (9a)は光ファ
イバー(・)の出射端、輪は光ファイバー(9)の光軸
を示す。光ファイp< −(@)からの出射光は、この
ように光軸曽の近傍では角度の増加と共に急激に減少す
るが、ある角度以上では減少がゆるやかになり、第2図
(畠)のように裾が拡がった形である。今、仮りに全出
射エネルギーの90%が角度θ1で定める範囲の中番こ
あり、ss、5%が角度θ2で定める範囲の中にあると
する。上記光ファイバー(・)から出射される光エネル
ギーを集光するため番ζ集光レンズを光軸−に一致させ
て設ける時、全出射エネルギーの警O%を利用するか、
95%を利用するかによって、集光レンズのレンズ口径
に相当大きな差が生じる。
−例トL/1” el= 15@、 #、=H1@、光
ファイバーO)の出射端(9a)から集光レンズまでの
距離を4Cmとすると、90%を利用する場合のレンズ
口径は約1cm’、96%の利用の場合には約item
−となるOレンズ口径は操作性0重量、コストなどの制
約から一定値内に制限しなければならないので、上記の
場合、レンズ口径を1cm*と定めれば、全出射エネル
ギーの105%が有効に使われずに捨てられることにな
る。しかし、レンズ口径をたとえ2cm’としても6%
は有効に使われないし、原理的にはレンズ口径を更に太
キ(シていっても、全出射エネルギーを100%利用す
ることは不可能である。
本発明では、このように集光レンズのレンズ口径の外に
分布して、加工や手術に使われずに捨てられるエネルギ
ーを利用して出射エネルギーの監視を行うものであって
、以下、本発明のご実施例を第3図〜第す図に基づいて
説明する。
エネルギー監視装置の具体的配置図で、曽は光ファイバ
ー、 (lla)は光ファイバー(ロ)の出射端、@は
集光レンズ、osは光ファイバー(ハ)から集光レンズ
(2)に入射する光の光路の出射角廉大を示す線。
(2)は集光レンズ(至)によって集光される光の光路
を示す線、(2)は光ファイバー輪から出射し集光レン
ズ(2)に入射する光を連ぎらず、かつ光ファイバー(
2)から出射されるエネルギーの一部を検出するための
光エネルギー検出素子、(2)は前記集光レンズ(2)
を固定するレンズホルダー、(2)は筒状筐体で、光フ
ァイバー(2)と集光レンズ(ロ)および前記光エネル
ギー検出素子(2)を収容している。(2)は前記光エ
ネルギー検出素子(至)からの信号を変換し増幅する変
換増幅手段、@はエネルギー表示手段である。
光ファイバー(ハ)の出射端(l1g)から出射した光
の大部分は集光レンズ(2)によって集光され焦点位置
に焦点を結ぶ。一方、前記光ファイバー曽から出射した
光のうち、光路(2)よりも広い角度で出射した光は前
記°光エネルギー検出素子(2)に入射し、吸収されて
熱に変換され、温度上昇に対応する電気信号となる。前
記光ファイバー(2)から出射する全エネルギーに対し
て光エネルギー検出素子曽に入射するエネルギーの割合
は既知であるから、前記光エネルギー検出素子からの信
号を変換増幅手段(至)によって全出射エネルギーある
いは集光レンズ斡に入射するエネルギー値に換算し、エ
ネルギー表示手段−に表示して焦点に集光されるエネル
ギー値の監視を常時行うことが可能であり、しかもエネ
ルギー監視のための実質的なエネルギー損失かまった(
ないと云うもう一つの特長がある。
光エネルギー検出素子(2)の一実施例を第4図(a)
(b)に示す。曽は電気抵抗が温度によって変化する抵
抗体、(2)はこの抵抗体−を収容する容器、@は抵抗
体−のリード線で、前記変換増幅手段(至)の入力に接
′続される。輔は光ファイバー(ハ)から出射される光
を透過させるウィンド材である。
抵抗体曽は熱容量の小さな基板の1警ζ金属また、はサ
ーミスタ材料が形成されるか、・あやいは細い白金抵抗
線などを同じ形状の面状に配設して形成され、その表面
は入射光の吸収を良くするよう処理されるか、または光
を良(吸収する材料が薄くコーティングされている。抵
抗体−はリング状をなしているので、リード線(2)で
観測される抵抗値変化はこのリング状面積全体に入射す
る光エネルギーの総和を表現しており、これが光エネル
ギー検出素子(至)の一つの特徴となっている。即ち、
光ファイバーcAl)から出射されるエネルギーは密度
が均一ではなく、斑点状に分布している場合が多く、従
って、一点でのエネルギー測定や局部的なエネルギー一
定lζよって全エネルギーを推定する乙とには大きな問
題があるが、本発明のように全円周にわたってリング状
面積に入射する光の和を求めるだけで誤差少なく目的を
達成することが可能となる。
光ファイバー(ロ)から出射して抵抗体(2)に入射し
た光は殆んど吸収されて熱となり抵抗体(2)の温度を
上昇させ・る。抵抗体■はその抵抗値が温度によって変
化する材料で構成されているから、リード線(2)で観
測される抵抗値は入射エネルギーに応じて変化する。こ
の抵鉢値変化を変換増幅手段−によって電圧に変換し、
増幅した後、エネルギー表示手段(至)に導いて光エネ
ルギーを表示する。
116図は本発明になる光エネルギー監視装置を用いた
一応用例を示し、fss図と同じ構成要素には同じ符号
が付けられている。
嚇は比較回路、@は基準電圧発生回路、曽は制御警報装
置、@は出射光エネルギーを設定するための出力設定手
段である。今、光ファイバー(ロ)から出力設定手段−
によって設定されたエネルギーが出射されているとする
。光エネルギー検出素子(2)は仁の出射エネルギーに
対応した出力信号を発生し、変換増幅手段(至)はこれ
を変換増幅した後、比較回路−に入力する。基準電圧発
生回路−には出力設定手段(2)の設定位置に対応した
電圧が生じており、この基準電圧Vlと前記変換増幅手
段(2)の出力電圧VSとが比較回路−で比較される。
もし、何らかの原因で前記光ファイバー(2)が破断し
、その結果、光ファイバー(2)の出射端(’l1g)
から光エネルギーが出射されなくなると、光エネルギー
検出素子(2)に生じる信号がなくなり、比較回路−は
ξれを検出して異常信号を出力し、制御警報装置11H
Iを駆動してレーザー光源の電源を断にしたり、警報を
発して異常状態を操作者に通報する。このようにするこ
とにより、出射エネルギーの監視のみならず、光ファイ
バーaυの破断、特性変化などの監視を容易に行うこと
ができる。
以上説明のように本発明によると、光ファイバーからの
出射エネルギーを直接的に、精度よ(、常時監視するこ
とができると云う大きな特徴を有し、かつこれを実施す
るために実質的に光エネルギーを全く損失しないメリッ
トがある。よって、レーザー加工装置およびレーザー手
術装置の全てに適用可能である。更に、エネルギー検出
素子として熱電変換菓子を用いるので、特にYAGレー
ザ−、CO,レーザなと赤外線領域のレーザー加工装置
1乎術装置に効果的である。
【図面の簡単な説明】
動1図は光ファイバーを用いるレーザー加工装置または
レーザー手術装置の光導波路および集光部分の説明図、
第2図は光ファイバーからの出射エネルギー分布説明図
、gS図は本発明に□よる光フアイバー出射エネルギー
監視装置の構成図、第4図は光エネルギー検出素子の要
部断藺図とそのA−A線に沿った断面図、第6図は応用
例を示す構成図である。 ob・・・光ファイバー、■・・・集光レンズ、oa・
・・光エネルギー検出素子、 Be・・・レンズホルダ
ー、(ロ)・・・筒状筐体、−・・・変換増幅手段、(
2)・・・エネルギー表示手段、曽・・・抵抗体、@・
・・容器、@・・・リード線、@・・・ウィンド材、−
・・・比較回路、(2)・・・基準電圧発生回路、(2
)・・・制御警報装置、@・・・出力設定手段代理人 
森本義弘 第1図 第2図 I。 ふ 第3図 第4図 第J図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 光ファイバーと、この光ファイバーから出射され
    る光エネルギーを集光する集光レンズと、この集光レン
    ズと前記光ファイバーの出射端の間で集光レンズに入射
    する円錐形状の光束の外側に配設されて前記光ファイバ
    ーから出射される光エネルギーを受光検出する光エネル
    ギー検出素子と、この光エネルギー検出素子からの信号
    を変換増幅する変換増幅手段と、この変換増幅手段出力
    をエネルギー値として表示するエネルギー表示手段とを
    設け、前記光エネルギー検出素子を前記円錐状の光束を
    取り巻(リング形状としてリング形状の受光面全体に入
    射された光エネルギーに比例した出力を発生するよう構
    成すると共に前記光エネルギー検出素子を電気抵抗が温
    度によって変化する抵抗体で構成した光フアイバー出射
    エネルギー監視装置。 1゛変変換幅手段、の出力を基準電圧と比咬して光ファ
    イバーの破断、特性劣化を検出し、異常発生時に警報装
    置を作動させるよう構成した特許請求の範囲第1項記載
    の光フアイバー出射エネルギー監視装置。
JP20327281A 1981-12-15 1981-12-15 光フアイバ−出射エネルギ−監視装置 Pending JPS58103622A (ja)

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US06/444,331 US4556875A (en) 1981-12-15 1982-11-24 Irradiated power monitoring system for optical fiber
DE19823246290 DE3246290A1 (de) 1981-12-15 1982-12-14 Strahlungsenergie-ueberwachungssystem fuer eine optische faser

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