JPS60200219A - 偏向光学系を介して導かれるレーザ光線の変位を補償する装置 - Google Patents

偏向光学系を介して導かれるレーザ光線の変位を補償する装置

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JPS60200219A
JPS60200219A JP60032969A JP3296985A JPS60200219A JP S60200219 A JPS60200219 A JP S60200219A JP 60032969 A JP60032969 A JP 60032969A JP 3296985 A JP3296985 A JP 3296985A JP S60200219 A JPS60200219 A JP S60200219A
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laser
laser beam
deflection
mirror
machine
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ゲアハルト・ミユラー
ゲアハルト・ホーベルク
ペーター・グレフエ
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Carl Zeiss AG
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/042—Automatically aligning the laser beam
    • B23K26/043—Automatically aligning the laser beam along the beam path, i.e. alignment of laser beam axis relative to laser beam apparatus
    • G—PHYSICS
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
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    • G—PHYSICS
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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】 産業上の利用分野 本発明は、部内光学系を介して導かするレーザ光線の変
位を補償する装置に関する。
従来技術 レーザ光線を導くためには、可撓性のグラスファイバの
形式の光導波体が使用されるか、あるいは偏向光学系（
一般に鏡）を有する伝送系が使用されろ。特に、高出力
Ｃ０２レーザによる材料加工には、専ら上記後者のタイ
プの伝送系が使用さｔている。なぜなら、ＣＯ２レーザ
の波長領域においてほとんど損失なく伝送を行う光ファ
イバは従来存在しなかったからである。
公知のレーザ加工機の大多数は、例えば薄板などの平ら
な加工物を切断したシあるいは溶接するために用いられ
る。これらのレーザ加工機においては、レーザは、その
光導波糸および集束糸と共に固定配置されており、加工
物は、レーザ光線を集束させろカッティングヘラＰの下
で所望の輪郭に応じて２つの方向に水平に動かされる。
この種の機械は、例えば米国特許第４４０３１３４号明
細書に記載されている。
しかしまた、例えばＰイツ連邦共和国特許出願公開第３
２２６４４８号公報から、従来の工作機械のタイプのレ
ーザ加工装置も公知である。これらのレーザ加工装置に
おいては、カッティングヘッド自身を多数の座標で動か
すことができる。この装置では、レーザ発生器は、本来
の加工機に隣接して設けられており、レーザ発生器の光
線は、可動な機械部分に設けられた鏡を介して加工機の
軸線に沿って導かれる。
発明が解決しようとする問題点 レーザ発生器が本来の加工機に対して別個に隣接して設
けられている場合、機械の光導波糸ヘレーザ光線を正確
に入力結合するのが困難になる。というのは、例えば基
台部の振動や温度変化等によって生じる発生器と機械と
の間の相対運動によってレーザ光線が変位しまうからで
ある。その際焦点の位置は変化するの〒、加工誤差が生
じる。レーザ光線の変位が大きくなると、レーザ光線が
その集束光学系のフレームに当り、数キロワットの出力
の高出力レーザの場合には集束光学系を必然的に破壊し
てしまう。
情報メモリディスクを読出すレーザ装置において、レー
ザ光線の焦点を所定のトラックに対して半径方向に追従
制御する制御装置を設けることは公知である（ドイツ連
邦共和国特許第２６３０３８１号明細書）。しかし、非
常に少い出力で動作するそのようなレーザ装置用の制御
装置は、可視的にあらかじめマークさ扛たデータトラッ
クからの焦点のずれを評価する。レーザ加工装置に対し
ては、上記のように動作する制御装置を使用することは
できない。レーザ加工装置においては、例えばドイツ連
邦共和国特許出願公開第３１３牛５５６号公報に記載さ
扛ているように、作業工程中での再校正によって焦点位
置の変位ケ修正することで満足していた本発明の課題は
、レーザ発生器と光導波糸との間のインタフェース部分
における相対運動な自動的に修正できろような、偏向光
学系を介して導かれ加工機内に入力結合さｎるレーザ光
線に対する制御装置を提供することである。
問題点を解決するための手段 上記の課題は、本発明によりば次のようにして解決され
る。即ち、少くとも２つの偏向素子の位置ないし角度状
態が制御回路によって制御可能であり、また位置光電検
出器が前記偏向素子に対応して設けられており前記位置
光電検出器には、光の進行方向に見て前記制御可能な偏
向素゛子の前方で出力結合さｔた部分光線ビームが照射
され、前記位置光電検出器の出力信号は前記制御回路に
供給されることにより解決される。
本発明は次のような認識に基いている。即ち、例えば加
工機に固定された鏡素子を介しての十分正確な光導波は
、通例、レーザ光線がその位置変位及び角度偏位を修正
して常に同じ位置で機械の光導波糸へ入力結合されれば
、容易に保証されるということである。そうした位置修
正は、光導波系の入力側の前に設けられた制御可能な少
くとも２つの光線偏向素子によって保証される。それら
のうちの第１の光線偏向素子は、光線の半径方向への位
置変位を補償するために用いられ、また第２の光線偏向
素子は、角度誤差の補償のために用いられる。その際第
２の光線偏向素子は、ず扛の補償の際に第１の光線偏向
素子によって発生された角度誤差も付加的に補償する。
閉ループ制御回路間の望ましくない結合に基く制御振動
を防止するために、制御信号を発生する前に両方のす扛
を分離するのが有利である。これは、第２の光位置検出
器の前方にコリメータを前置接続することにより達成さ
れる。なぜなら、フリメータ装置においては、焦点の位
置は角度誤差のみに影響さｔ、位置変位の影響は受けな
いからである。
高出力の作業レーザの光線路に出力結合素子を直接挿入
することには問題があるのマ、作業レーザの光線に対し
て平行かつ非同軸に補助レーザ光線を導き、この補助レ
ーザ光線路に出力結合素子を設けるのが効果的である。
この補助レーザは、例えば、作業レーザの不可視の焦点
をマーキングするために用いらｎろパイロットレーザで
ある。
実施例 次に本発明の実施例を図面を用いて詳しく説明する。
第１図に示す原理図において、参照番号ｌを付した破線
で囲ん〒示す領域は加工または測定機〒あって、光導波
糸を有している。また参照番号２は、機械工とは別個に
設けられた高出力ｃｏ２レーザ牛のケーシングを示す。
保護管３はケーシング２と機械１を、レーザ光線が機械
ｌへ入力結合される個所ｆ連結さねている。
レーザ４のケーシン〆２の領域においてレーザ牛の光線
は、方向転換用反射鏡５を介し、さらにケーシング２の
出力側に調節鏡６の形式で設けられた光線偏向器を介し
て導か扛る。光線偏向器６の偏向角度は、鏡面７をその
保持部材８に接続している圧電曲げ素子９によって小さ
い角度範囲で調節できる。第５図に示すように、圧電曲
げ素子９は４つの個別に制御可能な圧電素子で構成され
ている。相互に対向配置さｎている素子ないし素子対が
？対方向に制御されると、曲げ素子はノ９イメタル片の
ように屈曲し、鏡面７の法線が、照射される光線に基い
て小さな角度で調節される。調節される角度の値および
方向は、圧電素子に印加さ扛る電圧に依存する。
反射鏡７で反射したレーザ光線は、保護管３を通って第
２の調節鏡１２に照射される。第２の調節鏡１２は、測
定ないし加工機１の光導波系の入力側に設けらｔている
。第２の調節鏡１２は、調節鏡６と同じ構造を有してい
る。
機械ｌ内の光導波系は、実質的に、機械の個々の調節可
能な軸に対して設けら扛た平面鏡１６．１７により構成
されている。平面鏡１６゜１７は、矢印で示すように、
可動の機械部分上に固定されている。１８はもう１個の
鏡を表わす。鏡１８を介して光線は、第２図に示す、高
さを調節可能なレーザ加工ヘッドに対して垂直方向に向
けられる。
このレーザ加工ヘッド２５は、２つの平面鏡２１．２２
と１つの放物面鏡２３を有している。放物面鏡２３によ
って光線は、加工すべき加工物２牛上に集束される。鏡
２１．２２および２３は、それらに後続の光学系と共に
、それらに照射される光線の軸線を中心として回転可能
である。鏡２２．２３の回転によシ、レーザ光線が加工
物２４上に照射される角度を自由に設定調整することが
できる。さらにヘッド２５全体の回転により、レーザ光
線の偏波方向を設定調整することがｆきる。この偏波方
向は、最善の作業結果が得られるように、切削方向に一
致させなければならない。
冒頭で既に述べたように、基台部における振動や、別個
に設けられたレーザ発生器２と機械ｌとの間の熱的運動
が原因ｆ、レーザ焦点がその設定位置から変位してしま
うことがある。こうした変位を防止するために、機械ｌ
の光導波系の入力側にビームスシリツタ１０が設けられ
ている。ビームスシリツタｌＯは、レーザ光線の僅かな
部分を位置光電検出器ｌｌ上へ反射する。検出器１１は
、第４図に示すようないわゆる象限形検出器である。第
４図に示すよう罠。
検出器１１の感光面は個々の象限に分割されている。こ
ｔらの象限は、感光面へ反射された光線部分が正確に中
央に照射される場合にのみ同一信号を送出する。
検出器１１の出力側は、制御回路１９と接続さｎている
。制御回路１９において、例えば２つの演算増幅器２０
＆、２０ｂにより、対角線上に対向して存在する象限か
らの信号の差が増幅されろ。そのようにして得られた調
節信号によシ、調節鏡６は旋回さする。調節鏡６と機械
１への入力結合点（その近傍に検出器１１が設けられて
いる）との間の空間的間隔がかなり大きいので、調節鏡
６の旋回によシ既にレーザ光線の空間的位置を、Ｘ方向
およびＸ方向において小さな角度だけ良好に修正できる
。従って、このように構成された閉ループ制御回路は、
レーザ発生器のケーシング２と機械１との位置変位にか
かわりなくレーザ牛の光線が常に同じ位置ｆ機械ｌ内へ
入力結合されるようにする。
光線の位置変位を既述のように修正する他に、さらに、
光線が機械１内へ入力結合される角度状態を一定に維持
する必要がある。というのは、そうした角度状態の変動
は同様に焦点の位置に影響を及ぼし、しかもその影響は
、入力結合点と焦点との間の光学路が長けｔば長いほど
一層強くなるからである。
第２の調節鏡とこれに接続、された第２の光電ｆ見て調
節鏡１２の型刃に設けらｔたビームスグリツタ１３から
、レーザ光線の一部分が照射される。検出器１５は検出
器１１と同じ構造を有し、かつその出力側は、同様にし
て制御回路Ｍ　ｎ　ｌｙ　鋺婢代れている。制御１回路
１９　（２つの別個の演算増幅器２Ｑｃ、２０ｄによっ
て略示さ牡ている）において、調節鏡１２による角度θ
、ψ↑のレーザ光線の角度調節を行うための調節信号が
発生さｎる。
ビームスシリツタ１３と象限形検出器１５の間にはコリ
メータ１４が設けらｔてｔ・る。コリメータ装置は、検
出器１５がレーザ光線の角度変化に対してのみ感応する
よう圧する。なぜなら検出器１５によって検出さｎた焦
点位置％家、コリメータ装置においては、光線がＸ方向
？ｊＬＳしＸ方向にずｔても変化しないからである。
こうした手段によシ、２つの閉ループ制御回路１Ｏ−１
１−２０ａ、２０ｂ−６と１３−１冬−１５−２０ｃ、
２０ａ−１２は相互に減結合サレ、コレら２つの閉ルー
プ制御回路の干渉に基づく調整振動は前もって防止され
る。
第３図に、本発明の別の実施例を示す。この実施例にお
いても高出力の作業レーザ１０４力１使用さｎている。
作業レーザ１０４は、別個のケーシング１０２内におい
て、測定または加工機１０１に隣接する図示さ扛ていな
い固有の振動減衰材上に設けらｎており、測定または加
工機１０１の光導波系ヘレーザ光線は入力結合さ扛る。
２つの制御可能な調節鏡１０６および１１２は、それら
を介して導かｎる作業レーザ１０４の光線のずれや角度
変化を修正するために用いらする。しかし、第１図に示
した実施例の場合のように、レーザ光線の位置および角
度状態を監視するために、作業レーザの光線部分をビー
ムスプリッタを介して反射して検出することはしない。
そうｆはなくて、同様にケーシング１０２内に設けられ
た付加的な・ぞイロットレーザ１１６が使用さｎる。パ
イロットレーザ１１６の光線は、作業レーザ１０４の光
線に対して平行にずらされて、同様に調節鏡１０６およ
び１１２を介して導かれる。
調節鏡１１２の前方の、機械１０１の光導波糸の入力側
に設けられたビームスプリッタ１１０は、光線の位置変
位を修正するための調節信号を発生するために、パイロ
ットレーザ１１６の光線の一部を象限形検出器１１１へ
反射するロ／ξイロット光線の残りの部分は、調節鏡１
１２によって方向変換されて、固定の鏡１１３へ照射さ
れる。固定の鏡１１３の後方にはコリメータ１１４が設
けられており、コリメータ１１牛の後方には角度誤差を
検出するための第２の象限形検出器１１５が設けられて
いる。
２つの検出器１１１，１１５は、電子制御回路１１９に
接続されている。この電子制御回路１１９において検出
器１１１，１１５からの信号は、調節鏡の位置決めのた
めの調節電圧を発生するために処理される。第１図およ
び第２図を用いて既に説明したような、機械１０１内に
おける作業レーザ１０牛の光線のさらに先の経過に対す
る光導波系はここｆは図示されていなしＳｏ 調節信号を発生するためにパイロットレーザ１１６を用
いることによシ、作業レーザ１０４の光線路に伝送光学
系（ビームスシリツタ）を設けずに済む。このことは、
高い出力密度を有する赤外線レーザの場合に特に重要↑
ある。なぜなら、例えばＯＯ２レーザの波長領域におい
て十分良好な透明度を有するビームスプリッタを実現す
ることは困難だからである。
第１図および第３図に示した２つの実施例においては、
作業レーザ光の位置変位は、レーザの近傍に設けられた
調節鏡を介しての角度調節によシ補償される。その際に
生じた角度誤差は別の偶然の角度誤差と共に、測定ない
し加工機の入力側に設けられた第２の調節鏡によって修
正される。しかし、回転動作をする調節鏡６゜１０６の
代りに、並進運動をする偏向素子を用いて光線の位置変
位を修正することも可能であシ、それは本発明の範囲を
逸離するもの〒はな℃ゝ０ 発明の効果 本発明によれば別個に設けられたレーザと、そのレーザ
光線が供給される加工機との間の相互位置設定を正確に
維持することに対する要求は低くなり、従って機械的お
よび熱的な安定化に対する費用を低減できる。このこと
は多数の機械に１つのレーザ発生器から光線を供給する
場合にレーザ光の案内のために安価な装置費用でよ、い
のマ特に有利フある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、加工ないし測定機内へ入力結合されるレーザ
光線路を付加して示す本発明の第１実施例の原理図、第
２図は、第１図に示す機械のカッティングヘッド内にお
ける光線経過を示す斜視略図、第３図は、加工ないし測
定機内へ入力結合されるレーザ光線路を付加して示す本
発明の第２実施例の原理図、第牛図は、第１図および第
３図に示す光位置検出器の平面略図、第５図は、第１図
および第３図に示す調節鏡の略図を表わす。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、少くとも２つの偏向素子（６，１２；１０６．１１
    ２）の位置ないし角度状態が制御回路（１９；１１９）
    によって制御可能ｆあり、また位置光電検出器（１１，
    ，１５；Ｉｌｌ、、１１５）が前記偏向素子に対応して
    設けられており、この位置光電検出器には、光の進行方
    向に見て前記制御可能な偏向素子の前方で出力結合され
    た部分光線ビームが照射され、位置光電検出器の出力信
    号は前記制御回路に供給さすることを特徴とする、偏向
    光学系ケ介して導かれるレーザ光線の変位を補償する装
    置。 ２、角度状態を制御可能な２つの偏向素子が設けられて
    おり、光の進行方向に見て、第２の偏向素子（１２，１
    １２）の前方に対応して設けられた位置光電検出器（１
    ５，１１５）に、フリメータ（１４，１１４）が設けら
    れている、特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、　偏向素子として鏡が用いられている、特許　□請
    求の範囲第１項または第２項記載の装置。 ４、部分光線ビームへの出力結合が補助レーザ（１１６
    ）の光線路に設けらｔたビームスプリッタ（１１０，１
    １３）によつ【行われる、特許請求の範囲第１項から第
    ３項までのいずれかに記載の装置。 ５、補助レーザ（１１６）の光線が、作業レーザ（１０
    ４）の光線に対して平行にずらして導かれる、特許請求
    の範囲第４項記載の装置６、測定ないし加工機（１）の
    外部に設けられたレーザ発生器（２）から放射されて、
    前記測定ないし加工機の調節可能な軸（２６，２７）に
    沿って導かれるレーザ光線の位置監視のために用いられ
    る、特許請求の範囲第１項から第５項までのいずれかに
    記載の装置。
JP60032969A 1984-02-24 1985-02-22 偏向光学系を介して導かれるレーザ光線の変位を補償する装置 Pending JPS60200219A (ja)

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Publications (1)

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US (1) US4618759A (ja)
EP (1) EP0154866B1 (ja)
JP (1) JPS60200219A (ja)
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