JPS58181492A - 干渉性のある光ビ−ムの焦点合せの方法および装置 - 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】 念に従う、１つの対愛物の表面に干渉性のある光ビーム
（レーザービーム）を焦点合せする方法とその装置に関
する。

エネルギー密度の高い干渉性のある光ビームすなわちレ
ーザービームをもって加工を行う光学的加工装置におい
ては、加工用の光ビームは、できるだけ小さいスポット
に光エネルギーを集中するために、被工作物の表面に正
確に焦点合せすることが重要である。

レーザービームを焦点合せする問題については従来様々
の方面から知られている。た々えば独国特許ＤＥ−Ａ−
３０　２１　６２２　、　ＤＢ−Ａ−３０　３６　３４
３　、　ＤＢ−Ａ−２４　５３　３６４　、　ＤＥ−Ａ
−２ｏ　３４　３４ｔ　、　］）］ＥーＡー３０４４４
１６　、　ＤＢ−Ａ−２６　５２　８１４　、米国特許
（ＪＳＰ−３６　８９１５９　、　［ＪＳＰ−３８　９
３　１２９　、　ＵＳＰ−４２　４２　１５２　；そし
てＦ．　Ｍ．Ｍｏｔｔｉｅｒ　、　ＳＰＩＥ　２２０　
、　９５１００（１９８０）に見られるとおりである。

これら刊行物に開示されたすべての方法はしかしながら
それぞれに欠点があり、それらを実用に供し加工機械に
応用するについては限界があり、また制約が伴うのが実
情である。

真に実用ｌこ供しうる焦点合せの方、去の最も重装な要
求は、 ａ）蘭学な構成であること、 ｂ）外乱を与えるような光の源がないこと、Ｃ）平面状
表面にでも非平面状表面にも操作可能であること、 ｄ）照射スポットの直径を実際上最小にできること（被
加工物の位置を適正にＡ整するたけてはなく） ｅ）測定装置構成部分やレーザービームの特性値の小さ
な変化に影響されないこと、 ｆ）調整がきわどいものでないこと、およびｇ）焦点合
せの調整を被加工物に加工を与えることなく行えること
、 である。

本発明の目的は上述せる安来のすへてを満足する、レー
サービームを焦点合せする方法および装置を提供するこ
とである。

本発明によると、レーサービームの強度は、焦点合せの
間、焦点合せさせられる対象物がビームによって同時（
こ加工されないように低減されている。換言すれば、ビ
Ｊムはまず焦点合せさせられそして次にそのエネルキー
が形状の加工操作を行なえる所迄高められる。ビームを
焦点合せするため１こ、対象物の表面から後方散乱ない
しは反射された光のスペックリンク（斑点分布）が観察
される。ビームの焦点はこの斑点分布の粗さを基にして
調整される。本発明の色々な実施例によれば、調整は観
察される最大の粗さもしくは粗さにおける変化に基づか
れる。

後方散乱された尤の観察は光学的焦点合せ装置を介して
行なわれるかまたは光学的焦点合せ装置とは横に離れて
行なわれる。

その方法を実現する装置は反射された尤を受光する受光
器と反射された光における斑点分布の粗さに関係する電
気的出力信号を発生するための評価回路を含む。出力信
号によって焦点を調整するための自動制御装置が利用さ
れうる。受光器は争−のフォトダイオード、−線状に配
置されたフォトダイオードまたはフォトダイオードの２
次元配列のようなマトリックスまたはそのような類似の
ものである。

本発明による方法とそれに応する装置については別項の
特許請求の範囲に示している。有利な実施例およびその
変形・応用についてはその従属各項に示している。

本発明はそれ故いわゆるスペックル写真（ｓｐｅｃｋｌ
ｅｓ）として言及されている物理的現象に基くもので、
この現象に関する詳細な説明はたとえば次の文献にある
。

Ｒ，に、　Ｅｒｆ　：　　　　”　５ｐｅｃｋｌｅ　Ｍ
ｅｔｒｏｌｏｇｙ”　（スペックルの計１技術）　−Ａ
ｃａｄｅｍｉｃｐｒｅａｓ　　（１９７８） Ｊ、　　Ｃ，Ｄａｉｎｔｙ　　　：　　　　　　　”Ｌ
ａ５ｅｒ　　　５ｐｅｃｋｌｅ　　　ａｎｄ　　　Ｒｅ
ｌａｔｅｄＰｈｅｎｏｍｅｎａ”　（レーサースペック
ルと関連現象）　−ＳｐｒｉｎｇｅｒＰｒｅｓｓ　（１
９７５） Ｋ、Ａ、５ｔｅｔｓｏｎ　：　　ｌｌＡ　Ｒｅｖｉｅｗ
　ｏｆ　５ｐｅｃｋｌｅ　Ｐｈｏｔｏｇ−ｒａｐｈｙ　
ａｎｄ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ”（スペックル
写真と干渉計のべ 望）　−０ｐｔ、Ｅｎｇ、　１４．４８２（１９７５）
Ｊ、Ｃ，Ｄａｉｎｔｙ　　：　　　　”Ｔｈｅ　　５ｔ
ａｔｉｓｔｉｃｓ　　ｏｆ　　５ｐｅｃｋｌｅＰ　ａ　
ｔ　ｔ　ｅ　ｒ　ｎ　ｓ　”　（ヌベノクルパターンの
統計的処理）・・・Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎ　０ｐｔｉｃ
ｓ、　Ｖｏｌ、　１４．　ｐｐ　３−４６（１９７６） 従来までに仰られたパスペノクル″現像の主な応用は試
験対象物の表面の特性の判定や変形、変位の計測を目的
とするものであった。レーサービームの焦点合せに関連
しての「スペックル」法については末だ発表されたもの
がない。

以下本発明の好ましい実施例について図面を用いてより
詳しく説明する。

第１図に示す本発明による光学系の最も蘭学な構成にお
いては、加工すべき対象物すなわち被加工物ｌの表面１
ａは光学的焦点合せ装置２によって干渉性のある光ビー
ム、いわゆるレーザービーム３を照射され、対象物表面
１ａから後方散乱された光４が光学的焦点合せ装置２か
ら横方向にすらされて配置されているスクリーン５上に
捕捉される０ 第２図に示す実施例ではレーサービーム３は半透明のミ
ラー６および光学的焦点合せ装置２によって対象物ｌの
表面１ａに到達し、後方散乱された光４は同じ経路を戻
ってからミラー６を通りそしてスクリーン５に至る。

スクリーン５の上で観察される、対象物１上の照射スポ
ットによって後方散乱された尤４の強度分布は明るいス
ポット、暗いスポットが統計的に分布した１種の斑点分
布を示す。この斑点分布は一般に英語でスペックル（ｓ
ｐｅｃｋｌｅ）とかスペックリンク（５ｐｅｃｋｌ　ｉ
ｎｇ）と言われるものであるが、実際上、常にある光学
的粗さを有する対象物１の表面１ａによって決定される
。この粗さは、光学的なノイズを生じるよう、照射丸の
波の位相を統計的にそして空間的に変調する。斑点分布
における個々の明るいスポット、暗いスポットの大きさ
、すなわち斑点の粗さあるいは萌かさは対象物表面の照
射スポットの寸法に関係ッ、照射された表面の面積を小
さくするにつれて大きく（粗い斑点に）なる。

本発明は焦点合せの表示器上じてスペックル講義を使用
することによるこの呪像を利用したものである。照射ス
ポットの小ささは焦点合せと直接に関係する（理想的焦
点合せ：コ最小の照射スポットの直径に対応する）故に
、本究明においてはスクリーン５上で斑点分布もしくは
スペックルを観察しつつ、その斑点分布が最も粗くなる
までビームの焦点が調整される。当然のことながら、こ
の調整中、レーサービーム３の強１矩ないし出力は、光
ビーム３によって被加工物表面１ａにおいて望まぬ加工
が行われないよう、しかるべく低減させられている。

可視光線が用いられる時、ヌクリーン５上でスペックル
を直接に目視できるのでよいが、光電変換装置によって
、観察し、あわせてその際発生される電気信号の連続的
評価を行うことがより一般的で、有利である。第３図は
それを行うに適した装置の模式的説明図である。

第３図に於て、レーザービーム３は前の例吉同様光学的
焦点合せ装置２によって被加工物１の表面１ａに照射さ
れ、そこから後方散乱される。後方散乱された光４はテ
レビジョンカメラ７で受光されるが、そのテレビジョン
カメラ７はテレビジョンモニター８および評価装置９に
接続されている。テレビジョンカメラ７は市販の型式の
ものであるがその対物レンズを取外し、後方散乱光が直
接テレビ撮像管に当るようにしである。対物レンズを全
くすくする代りに、それは対物レンズを竿に極度に焦点
ズレした場合においては有利であろう。

テレビジョンカメラ７は照射をうけたスポットによって
発生されたスペックル模様を線状に走査し対応するビデ
オ信号を生成するが、これにはまた通常の同期パルスを
含んでいろ。テレビジョンカメラ７で捕えられたスペッ
クル像は、光学的観察のためにテレビジョンモニター８
において表示されろ。

評価装置９はテレビジョンカメラ７によって発生される
ビデオ信号によって表されろように被工作物表面１ａの
粗さを分析して対応する出力信号を発生するが、その信
号は表示器１ｏにおいて適当な方法により表示される。

表示器１０は、光学的性質のものとが、その音響出力が
出力信号に関係する音響表示器である。

スペックル像の粗さの尺度としてはたとえば像の走査線
当りの明−暗移行の数がとり上げられる。

ツレ故、レーザービーム３を焦点合せするために　、そ
の移行の数をはかり、これを最小数にするように光学的
焦点合せ装置２（あるいは被加工物１）を移動させるだ
けでよい。

理想的には、焦点合せのレンズ２０セツトは評価装置９
からの出力信号に応答する適当で便宜的な焦点合せ制御
システム１１によって行なわれろ。

たとえば、焦点合せ制御システム１１ば、評価装置９か
らもつとも低い出力信号をうろように焦点合せレンズを
配置調整する特徴のない型のものである。

上述のような方法でビデオ信号を評価するについては、
先づテレビジョンカメラ７の出力信号から適当な方法で
同期・ξルスが取除かれ、次に信号のビデオ部分の振巾
がたとえば、シュミットトリガ−により基準レベルと比
較される。この基準レベルは１つあるいはそれ以上の画
面走査線におけろ信号の平均値から得られ、連続的に更
新されろ。

シュミットトリガ−でその際作られろ矩形波信号はたと
えば積分されて公称周波数を表わす対応する電圧に変換
され、ヤの最小値の電圧は焦点合せの最良状態に一致す
る。換言すると、−走査線当りの移行の数が減少し、粗
さが増していることを表わしている時、評価装置９から
の出力信号の電工レベルはまた減少するだろう。上述の
評価における精度と外乱に耐える確実性は、ツユミツト
トリガーに達する前に適当な伝送技術（たとえばバンド
パスもしくは微分回路）によって信号を再成形すること
によって高められる。

上記においては光電方式のスペックルの観察および評価
の蘭学な技術法の１つだけが説明されたが、スペックル
像の解析はその他多くの方法で行いうることは明らかで
ある。テレヒジョ／用撮像管あるいは一般的に２次元の
平面的受光器配列よりむしろたとえば一直線状のフォト
クイオード列、もしくは極端な場合においてただ１つの
フォトタイオードによって拳−の線像に沿ってスペック
ル像を走査することはすでに可能である。

要するに、焦点合せの状態によって変化する後方散乱さ
れた光の空間的強度の変調が何等かの方法で数歌化され
場合によってはそれが表示されればよい。他の変形例に
おいてさらに、スペックル模様が最も粗くなるまで焦点
を変え続けるよりむしろいくつかの焦点配置でスペック
ル模様の粗さの変化を観察したり、たとえば測定した領
域にわたる平均値を計算することによって最適の焦点セ
ット位置から決定することは可能である。焦点はその時
手動的もしくは自動的にセントされうる。

より便利なそして何よりもより正確なスペックルの観察
ということを別にすれば、光電方式のスペックルの評価
はレーザービームの波長がスペクトルの可視域にあるこ
とを要しないという点て目視観察に比しての他の利点を
有する。さらに評価装置９は焦点制御装置１１と接続し
て、全自動の焦点合せ用のための閉じた制御ループを形
成せしめうろことも付記されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明による焦点合せのための光
学装置の概略構成の２つの例の各々の基本的な図、第３
図は本発明による装置の１実施例のブロック図である。 に対象物 １ａ：（対象物）表面 ２：光学的焦点合せ装置 ３：レーザービーム ４：後方散乱光 ５ニスクリーン ６：（半透明）ミラー ７：テレビジョンカメラ（光検知器） ８：テレビジョンモニター ９：（電子式）評価装置 １０：表示器 ｌＩ：焦点制御装置 持ＪＴ出願人　りルタータ　　　アタチェンケ＊ｔ″ル
シｐフトｉ Ｚ ニＥＥｉ：３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｔｌ＋　　対象物の表面に干渉性のある光ヒームを焦点
   合せする方法に於て、該干渉性のある光ヒームを該対象
   物の表面に照射し、該対象物の表面から後方散乱された
   たてスペックリンクを観察し、そして該観察されたスペ
   ックリンクにおける斑点分布の粗さを基にして該干渉性
   のある光ビームの焦点を調整することを特徴とする干渉
   性のある光ヒームの焦点合せの方法。 （２）該斑点分布の粗さが最大になるように該焦点か調
   整さ、Ｉすることを特徴とする特許１清求の範囲第１項
   に記載の方法。 （３１ｊ！１．焦点位置は該斑点分布の粗さの変化に従
   って調整されて決定されることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の方法。 （４）該後方散乱された尤は該光ヒームのための光学的
   焦点合せ装置から横に離れた位置において観察されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （５）該後方散乱された光は該光ヒームのための光学的
   焦点合せ装置を介して観察されることを特徴とする　　
   　　　　　　特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （６）　　該後方散乱された光は受光器によって走査さ
   れ、対応する電気信号に変換され、そしてこの該電気信
   号に応じて自動的に該光ビームの焦点が調整されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （７）該可渉性のある光ビームは該対象物の表面に加工
   操作するように用いられ、そしてその強度は焦点合せす
   る間加工が行なわれないように低減されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （８）干渉性のある光ビームを照射された対象物の表面
   から後方散乱された尤を受ける受光器と、該受光器によ
   って受光される後方散乱された光の斑点分布の粗さを決
   定する手段と、決定された粗さに従って該光♂焦点を調
   整可能になら２゛しめる手段からなることを特徴とする
   対象物の表面に干渉性のある光ビームを焦点合せするた
   めの装置。 （９）該可能ならしめる手段は決定された粗さを表示す
   る表示器を含んでいることを特徴とする特許請求の範囲
   第８項に記載の装置。 ００）　　該可能ならしめる手段は最大粗さにするよう
   にビーム焦点合せ光学系を調整して決定された最大粗さ
   に応答する焦点制御系を含んでいることを特徴とする特
   許請求の範囲第８項に記載の装置。 旧）該受光器が嗅−のフォトダイオードであることを特
   徴とする特許請求の範囲第８項に記載の装置。 （１２該受光器が複数のフォトダイオードが１列に並ん
   たものであることを特徴とする特許請求の範囲第８項に
   記載の装置。 （１３）該受光器が多数のフォトダイオードを２次元的
   に配列したものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第８項に記載の装置。 ０４）　　該受光器がビデオカメラを含んでいることを
   特徴とする特許請求の範囲第１３項に記載の装置。