JPS6138774Y2 - - Google Patents

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JPS6138774Y2
JPS6138774Y2 JP1982110668U JP11066882U JPS6138774Y2 JP S6138774 Y2 JPS6138774 Y2 JP S6138774Y2 JP 1982110668 U JP1982110668 U JP 1982110668U JP 11066882 U JP11066882 U JP 11066882U JP S6138774 Y2 JPS6138774 Y2 JP S6138774Y2
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workpiece
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Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、自動焦点機能を備えたレーザ加工機
に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] The present invention relates to a laser processing machine equipped with an automatic focusing function.

近年、レーザは機械加工の様々な分野で応用が
行われるようになつたが、特に微細加工や高精度
加工に於ては使用される集光レンズの焦点距離が
短くなるので、焦点合わせの制御技術が大きな問
題となつてきている。例えばYAGレーザを用い
て1〜5μm巾程度の加工を行うのに使用される
集光レンズの焦点深度はわずかに1〜2μmであ
り、従来のレーザ加工機のように人間がモニター
上でピント合わせを行う手動焦点式では間に合わ
なくなつてきている。従つて被加工物上にレーザ
を常に正しく集光する為の自動焦点の手段を備え
たレーザ加工機が必要となる。
In recent years, lasers have come to be applied in various fields of machining, but especially in micro-machining and high-precision machining, the focal length of the condensing lens used becomes short, so it is difficult to control focusing. Technology is becoming a big issue. For example, the depth of focus of the condensing lens used to process 1 to 5 μm width using a YAG laser is only 1 to 2 μm. It is becoming increasingly difficult to keep up with manual focusing methods. Therefore, there is a need for a laser processing machine equipped with automatic focusing means to always correctly focus the laser beam onto the workpiece.

従来、自動焦点式のものとしては、例えば
YAGレーザ加工機に位置決め自動焦点等に用い
るべくHe−Neレーザを別途設けて参照すること
がおこなわれているが、この場合、レーザ装置が
2台必要となり、また光学系も複雑となる欠点が
ある。さらに他の例として、加工用のYAGレー
ザのレーザ光の被加工面での反射を利用すること
がおこなわれている。しかし、この場合、被加工
面がレーザ加工されて状態が変化している最中な
ので、正確な焦点合せを行うことが困難である。
Conventionally, automatic focusing types include, for example:
A He-Ne laser is installed separately in a YAG laser processing machine for use in positioning and automatic focusing, etc., but in this case, two laser devices are required and the optical system is complicated. be. As yet another example, the reflection of laser light from a YAG laser for processing on the surface to be processed is utilized. However, in this case, since the surface to be processed is undergoing laser processing and its state is changing, it is difficult to perform accurate focusing.

本考案は、上記事情に鑑みてなされたものであ
つて、端的にいえば、本来加工の目的で設置され
たレーザ装置から出射されるレーザ光を2つに分
割し、一方は従来の加工用として被加工物上の加
工位置に集光し、他方は自動焦点の為の検出用と
して前記加工位置と同一焦点面上の他の位置に集
光し、前記検出用のレーザ光の反射を利用して前
記加工用のレーザ光の自動焦点を行うようにした
レーザ加工機を提供するものである。
The present invention was developed in view of the above circumstances, and to put it simply, the laser beam emitted from a laser device originally installed for the purpose of processing is divided into two, and one is used for conventional processing. The other laser beam is focused on the processing position on the workpiece as a laser beam, and the other is focused on another position on the same focal plane as the processing position for detection for automatic focusing, and the reflection of the laser beam for detection is used. The present invention provides a laser processing machine that automatically focuses the laser beam for processing.

本考案のレーザ加工機によれば、レーザ装置が
1台ですみ、またレーザ加工される直前の被加工
物表面から反射光を自動焦点に利用する事が可能
なので加工の現象に邪魔される事なく正確な焦点
合わせができるようになる。
According to the laser processing machine of the present invention, only one laser device is required, and since it is possible to use the reflected light from the surface of the workpiece immediately before laser processing for automatic focusing, there is no need for interference from processing phenomena. This allows for accurate focusing without any problems.

以下、本考案の詳細を図に沿つて説明する。た
だし、これにより本考案が限定されるものではな
い。
The details of the present invention will be explained below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited thereby.

第1図は本考案の一実施例の原理図である。 FIG. 1 is a diagram showing the principle of an embodiment of the present invention.

1はレーザ発振器、2はコリメータである。コ
リメータ2から出射するレーザビーム3は平行光
となるものとする。4はビームスプリツタであ
り、レーザビーム3はビームスプリツタ4によつ
て2つのレーザビームすなわち加工ビーム3aと
検出ビーム3bとに分割される。
1 is a laser oscillator, and 2 is a collimator. It is assumed that the laser beam 3 emitted from the collimator 2 becomes parallel light. 4 is a beam splitter, and the laser beam 3 is split by the beam splitter 4 into two laser beams, namely a processing beam 3a and a detection beam 3b.

5は集光レンズであり、前記加工ビーム3aを
被加工物6の表面付近の所定位置に集光させる。
Reference numeral 5 denotes a condensing lens, which condenses the processing beam 3a at a predetermined position near the surface of the workpiece 6.

9はその集光点である。 9 is its focal point.

一方、検出ビーム3bは、NDフイルター等の
レーザパワー制御手段10でエネルギを減衰さ
れ、全反射ミラー11,12及びビームスプリツ
タ13からなる光学系を通過して、減衰された検
出ビーム3cとなる。減衰された検出ビーム3c
は、ビームスプリツタ4を通過した後、集光レン
ズ5に入射するが、加工ビーム3aとはわずかに
角度を持つて入射するように全反射ミラー11,
12及びビームスプリツタ13が設置されている
ので、集光レンズ5により前記焦光点9の近傍の
点4に集光される。集光点9及び集光点14は、
ビーム3a,3cが平行光である為、集光レンズ
5の焦点距離位置の同一平面上に存在する。そこ
で集光点9をレーザ加工に、集光点14を自動焦
点用に利用する事が可能である。
On the other hand, the detection beam 3b has its energy attenuated by a laser power control means 10 such as an ND filter, passes through an optical system consisting of total reflection mirrors 11 and 12, and a beam splitter 13, and becomes an attenuated detection beam 3c. . Attenuated detection beam 3c
After passing through the beam splitter 4, it enters the condenser lens 5, but the total reflection mirror 11,
12 and a beam splitter 13 are installed, the light is focused by the condenser lens 5 onto a point 4 near the focal point 9. The focal point 9 and the focal point 14 are
Since the beams 3a and 3c are parallel lights, they exist on the same plane at the focal length position of the condenser lens 5. Therefore, it is possible to use the focusing point 9 for laser processing and the focusing point 14 for automatic focusing.

7,8は被加工物保持ステージであり、7はビ
ーム3aの光軸方向、8は光軸に対して垂直方向
に駆動される。
7 and 8 are workpiece holding stages, 7 is driven in the optical axis direction of the beam 3a, and 8 is driven in a direction perpendicular to the optical axis.

減衰された検出ビーム3cは、集光点14付近
に存在する被加工物6の表面で反射し、再び集光
レンズ5に入射する。もし被加工物6の表面がち
ようど集光点14の位置にあれば、集光レンズ5
から出た反射光3dは平行光となる。
The attenuated detection beam 3c is reflected by the surface of the workpiece 6 near the condensing point 14 and enters the condensing lens 5 again. If the surface of the workpiece 6 is at the position of the condensing point 14, the condensing lens 5
The reflected light 3d emitted from the light becomes parallel light.

15は結像レンズである。反射光3dが平行光
であればレンズの焦点位置に結像するが、被加工
物6の表面が集光点14の位置からわずかに前後
にずれておれば反射光3dが平行光にならないの
で、レンズの集点位置からわずかに前後にずれた
位置に結像する。ところが、それら結像位置と結
像レンズ15の中間にビームスプリツタ16が設
置されて結像する光を2つに分割するので、像は
17,18の2箇所に形成される。結像レンズ1
5およびビームスプリツタ16が結像光学系を構
成する。
15 is an imaging lens. If the reflected light 3d is parallel light, it will form an image at the focal point of the lens, but if the surface of the workpiece 6 is slightly shifted back and forth from the focal point 14, the reflected light 3d will not become parallel light. , the image is formed at a position slightly shifted back and forth from the focal point of the lens. However, since a beam splitter 16 is installed between these imaging positions and the imaging lens 15 to split the imaging light into two, images are formed at two locations 17 and 18. Imaging lens 1
5 and beam splitter 16 constitute an imaging optical system.

19,20は光強度検出素子であり、それぞれ
結像位置の前後に一定の距離を保つて設置され
る。21,22は光強度検出素子の直前に設置さ
れたピンホールである。前述したように被加工物
6の表面の位置によつて結像位置が変わるので、
ピンホール21,22を通過して光強度検出素子
19,20に入射する光量も変化し、その結果光
強度検出素子19,20の出力も変化する。第2
図は被加工物6の表面の位置と光強度検出素子1
9,20の出力の関係を示したものであり、25
は光強度検出素子19の出力、26は光強度検出
素子20の出力である。
Reference numerals 19 and 20 indicate light intensity detection elements, which are installed at a constant distance before and after the imaging position, respectively. 21 and 22 are pinholes installed just in front of the light intensity detection element. As mentioned above, since the imaging position changes depending on the position of the surface of the workpiece 6,
The amount of light passing through the pinholes 21 and 22 and entering the light intensity detection elements 19 and 20 also changes, and as a result, the outputs of the light intensity detection elements 19 and 20 also change. Second
The figure shows the position of the surface of the workpiece 6 and the light intensity detection element 1.
This shows the relationship between the outputs of 9 and 20, and 25
is the output of the light intensity detection element 19, and 26 is the output of the light intensity detection element 20.

23は差動増巾器で、前記出力25と26の差
を出力する。第3図は、被加工物6の表面の位置
と差動増巾器23の出力27の関係を示したもの
である。
A differential amplifier 23 outputs the difference between the outputs 25 and 26. FIG. 3 shows the relationship between the position of the surface of the workpiece 6 and the output 27 of the differential amplifier 23.

24は、ステージ7,8の移動制御部である。
差動増巾器23からの出力27に基いてステージ
7を前後に駆動し、出力27を0に保とうとす
る。そこで、被加工面は常に集光レンズ5の焦点
位置に維持されることになる。
24 is a movement control section for stages 7 and 8.
The stage 7 is driven back and forth based on the output 27 from the differential amplifier 23 in an attempt to keep the output 27 at zero. Therefore, the surface to be processed is always maintained at the focal position of the condenser lens 5.

次に動作を説明する。 Next, the operation will be explained.

第4図はビーム加工の模式図である。集光レン
ズ5により集光点9及び集光点14が形成されて
いるが、集光点14はエネルギが小さい為にレー
ザ加工をするには至らない。ステージ8は図の左
方向に移動しており、レーザ加工は被加工物6の
左から右へと進行している。被加工物6の表面に
起伏が存在するものとすると、被加工物6が移動
するのに伴い、集光点14は被加工物6からはず
れ、それにより光強度検出素子19,20の出力
が変化する。光強度検出素子19,20の出力
は、差動増巾器23および移動制御部24を介し
てステージ7にフイードバツクされているので、
被加工物6は集光レンズ5の焦点面を絶えずトレ
ースすることとなる。
FIG. 4 is a schematic diagram of beam processing. A condensing point 9 and a condensing point 14 are formed by the condensing lens 5, but the condensing point 14 cannot be subjected to laser processing because the energy is small. The stage 8 is moving to the left in the figure, and the laser processing is progressing from the left to the right of the workpiece 6. Assuming that there are undulations on the surface of the workpiece 6, as the workpiece 6 moves, the condensing point 14 moves away from the workpiece 6, which causes the outputs of the light intensity detection elements 19 and 20 to change. Change. Since the outputs of the light intensity detection elements 19 and 20 are fed back to the stage 7 via the differential amplifier 23 and the movement control section 24,
The workpiece 6 constantly traces the focal plane of the condenser lens 5.

被加工物の表面で検出ビームが反射されること
が本考案の前提条件となるが、レーザ加工の対象
となる被加工物はほとんどの場合、適度な反射率
を持つており、実際上、何ら問題はない。又加工
ポイントのわずか手前のポイントの状態を検出し
ながら焦点方向の補正をかけられるから、かなり
急激な表面の段差等にも良く追従する事ができ
る。
A prerequisite for this invention is that the detection beam is reflected by the surface of the workpiece, but most workpieces targeted for laser processing have a moderate reflectance, so in practice No problem. In addition, since the focal direction can be corrected while detecting the state of a point just in front of the processing point, it is possible to follow very sharp surface steps etc. well.

以上の説明から理解されるように、本考案は、
レーザビームを加工ビームと検出ビームとに分割
するビーム分割手段、前記加工ビームを所定位置
に集光させる集光レンズ、前記検出ビームのエネ
ルギを小さくするパワー制御手段、エネルギを小
さくした検出ビームを前記集光レンズに前記加工
ビームとわずかに異る方向から入射させて前記所
定位置とわずかに異る位置に集光させる光学系、
被加工物を前記所定位置近傍にかつ加工ビームの
光軸方向及び光軸と垂直方向の相対移動可能に保
持する被加工物保持ステージ、被加工物上に入射
した検出ビームの反射光を集光すると共に2つに
分割し2つの像に結像させる結像光学系、被加工
物が前記所定位置にある場合の前記2つの像の一
方の位置よりわずかに前方の位置と他方の位置よ
りわずかに後方の位置とに各々配設される2つの
光強度検出素子、それら2つの光強度検出素子の
出力の差を出力する差動増巾器およびその差動増
幅器の出力に応じて前記被加工物保持ステージの
前記相対移動を制御する移動制御手段を具備して
なる自動焦点レーザ加工機を提供するものであつ
て、これにより自動焦点が正確になされるように
なるので、より精密なレーザ加工が可能となる。
また、光源には加工用のレーザ発振器が1つあれ
が良く、光学系も平行光線部を使用しており、構
成が簡単である。そこで、従来のレーザ加工機に
少し手を加えるだけで実施できる利点もある。
As understood from the above explanation, the present invention is
a beam splitting means for splitting the laser beam into a processing beam and a detection beam; a condensing lens for focusing the processing beam on a predetermined position; a power control means for reducing the energy of the detection beam; an optical system that causes the beam to enter a condensing lens from a direction slightly different from that of the processing beam and converges the beam at a position slightly different from the predetermined position;
A workpiece holding stage that holds the workpiece near the predetermined position and movable relative to the optical axis direction of the processing beam and in a direction perpendicular to the optical axis, and condenses the reflected light of the detection beam incident on the workpiece. and an imaging optical system that divides the workpiece into two and forms two images, a position slightly in front of one of the two images when the workpiece is at the predetermined position, and a position slightly in front of the other position. and a differential amplifier that outputs the difference between the outputs of the two light intensity detection elements, and a differential amplifier that outputs the difference between the outputs of the two light intensity detection elements, and the processing target according to the output of the differential amplifier. The present invention provides an automatic focusing laser processing machine equipped with a movement control means for controlling the relative movement of the object holding stage, which enables accurate automatic focusing, thereby achieving more precise laser processing. becomes possible.
In addition, the light source only requires one laser oscillator for processing, and the optical system uses a parallel beam section, so the structure is simple. Therefore, it has the advantage that it can be implemented with just a few modifications to a conventional laser processing machine.

本考案の装置は、レーザによるトリミング、ス
クライビング、カツテイング、穴あけ等の各種の
加工に適用できる。
The device of the present invention can be applied to various types of processing such as laser trimming, scribing, cutting, and drilling.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本考案の自動焦点レーザ加工機の一実
施例の模式的構成説明図、第2図は第1図に示す
装置における光強度検出素子の出力特性図、第3
図は第1図に示す装置における差動増巾器の出力
特性図、第4図は第1図に示す装置の動作を説明
するための要部斜視図である。 3……レーザビーム、3a……加工ビーム、3
b……検出ビーム、3c……減衰された検出ビー
ム、3d……反射光、3e……加工ビームの反射
光、4……スプリツトミラー、5……集光レン
ズ、6……被加工物、7,8……被加工物保持ス
テージ、9……加工ビームの集光点、10……レ
ーザパワー制御手段、11,12……全反射ミラ
ー、13……ビームスプリツタ、14……検出ビ
ームの集光点、15……結像レンズ、16……ビ
ームスプリツタ、17,18……検出ビームの反
射光の結像位置、19,20……光強度検出素
子、21,22……ピンホール、23……差動増
巾器、24……移動制御部、30……自動焦点レ
ーザ加工機。
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of an embodiment of the automatic focusing laser processing machine of the present invention, FIG. 2 is an output characteristic diagram of the light intensity detection element in the apparatus shown in FIG. 1, and FIG.
This figure is an output characteristic diagram of the differential amplifier in the apparatus shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a perspective view of a main part for explaining the operation of the apparatus shown in FIG. 1. 3... Laser beam, 3a... Processing beam, 3
b...Detection beam, 3c...Attenuated detection beam, 3d...Reflected light, 3e...Reflected light of processing beam, 4...Split mirror, 5...Condensing lens, 6...Workpiece , 7, 8... Workpiece holding stage, 9... Focusing point of processing beam, 10... Laser power control means, 11, 12... Total reflection mirror, 13... Beam splitter, 14... Detection Beam condensing point, 15...imaging lens, 16...beam splitter, 17, 18...imaging position of reflected light of detection beam, 19,20...light intensity detection element, 21, 22... Pinhole, 23...Differential amplifier, 24...Movement control unit, 30...Auto-focus laser processing machine.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] レーザビームを加工ビームと検出ビームとに分
割するビーム分割手段、前記加工ビームを所定位
置に集光させる集光レンズ、前記検出ビームのエ
ネルギを小さくするパワー制御手段、エネルギを
小さくした検出ビームを前記集光レンズに前記加
工ビームとわずかに異る方向から入射させて前記
所定位置とわずかに異る位置に集光させる光学
系、被加工物を前記所定位置近傍にかつ加工ビー
ムの光軸方向及び光軸と垂直方向の相対移動可能
に保持する被加工物保持ステージ、被加工物上に
入射した検出ビームの反射光を集光すると共に2
つに分割し2つの像に結像させる結像光学系、被
加工物が前記所定位置にある場合の前記2つの像
の一方の位置よりわずかに前方の位置と他方の位
置よりわずかに後方の位置とに各々配設される2
つの光強度検出素子、それら2つの光強度検出素
子の出力の差を出力する差動増巾器およびその差
動増幅器の出力に応じて前記被加工物保持ステー
ジの前記相対移動を制御する移動制御手段を具備
し、これにより自動的に被加工物の位置を加工ビ
ームの集光位置に保ちうるようにしてなる自動集
光レーザ加工機。
a beam splitting means for splitting the laser beam into a processing beam and a detection beam; a condensing lens for focusing the processing beam on a predetermined position; a power control means for reducing the energy of the detection beam; an optical system that causes the beam to enter the condenser lens from a direction slightly different from that of the processing beam and converges the beam at a position slightly different from the predetermined position; A workpiece holding stage that holds the workpiece so as to be movable relative to the optical axis in a direction perpendicular to the optical axis.
An imaging optical system that divides the image into two images, one slightly in front of one of the two images when the workpiece is at the predetermined position, and one slightly behind the other. 2 each arranged in the position
a differential amplifier that outputs the difference between the outputs of the two light intensity detection elements, and a movement control that controls the relative movement of the workpiece holding stage according to the output of the differential amplifier. An automatic focusing laser processing machine comprising means for automatically maintaining the position of a workpiece at a focusing position of a processing beam.
JP1982110668U 1982-07-20 1982-07-20 Automatic focus laser processing machine Granted JPS5916786U (en)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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JPS5916786U JPS5916786U (en) 1984-02-01
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