JPS6360086A - 光ビ−ムの焦点位置検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばＣＯ２レーザ加工機におけるレーザビ
ームの焦点位置検出等において有用な光ビームの焦点位
置検出装置に関する。

〔従来技術〕

レーザ発振器にて発振されたＣ０２レーザのレーザビー
ムを、集束レンズにて集束して被加工物上に照射し、被
加工物の切断、穴明は等の加工を行うＣＯ２レーザ加工
機は、高エネルギによる加工であり、被加工物に接触す
ることなく前記の加工が可能であるから、従来の工作機
械において加工が困難であったセラミック等の硬脆性材
料又はゴム。

段ボール等の軟性材料の加工が精度良く、しかも容易に
行えるという優れた特性を有しており、近年注目を浴び
るようになって来た。

このようなＣ０２レーザ加工機においては、被加工物上
に照射されるレーザビームのスポ７）径を小さくし、加
工部でのエネルギー密度を高めるために、前記集束レン
ズにて集束されるレーザビームの焦点上に被加工物を位
置させて加工を行うことが、加工精度の向上及び加工時
間の短縮に有用であり、このためには前記レーザビーム
の焦点の位置を検出することが重要である。

レーザビームの焦点位置を検出するために従来は、前記
集束レンズに対向させて、例えば赤外線用ＣＣＤ　　（
以下、単にＣＣＤという）を配し、該ＣＣＤをレーザビ
ームの光軸方向に移動させつつ、該ＣＣＤにてこれに照
射されるレーザビームのスポット像を撮像し、該スポッ
ト像が最小となる時のＣＣＤの位置がレーザビームの焦
点位置であるとしていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、近年その加工能力向上のためＣ０２レーザ加
工機は高出力化する傾向あり、高出力のＣＯ２レーザ加
工機において、そのレーザビームの焦点位置検出を前述
した如く行おうとすると、該レーザビームのエネルギに
より、ＣＣＤが加熱されて損傷される虞があり、そこで
該レーザビームの一部を吸収させるために、集束レンズ
とＣＣＤとの間にフィルタを設けると、該フィルタが加
熱されて損傷される虞があって、いずれにしても高エネ
ルギのレーザビームの焦点位置を正確に検出することが
できないという難点があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、光ビ
ーム、特に高エネルギのレーザビームの焦点位置を精度
良く検出できる光ビームの焦点位置検出装置を堤供する
ことを目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明に係る光ビームの焦点位置検出装置は、内部に多
数の微粒子を浮遊させて収容する微粒子収容箱を、これ
に入射される光ビームの焦点がこの内部に位置するよう
に置き、この光ビームを、その光軸方向と異なる方向か
ら二次元撮像装置にて撮像して、この撮像結果に基づい
て光ビームの焦点位置を算出するものである。

〔作用〕

本発明においては、微粒子収容箱内に入射する光ビーム
が該収容箱内に浮遊する微粒子にて散乱されて形成され
る光ビームの像又は、光ビームにより加熱されて前記微
粒子が発光して形成される光ビームの像が、前記二次元
撮像装置にて撮像され、撮像画像の集束点が焦点として
算出される。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述する
。第１図は本発明に係る光ビームの焦点位置検出装置（
以下本発明装置という）の構成を示す模式図である０図
において１は微粒子収容箱であり、これは例えば直方体
殻状をなし、その互いに対向する２面の中央には、光ビ
ームの導入孔２及び導出孔３が夫々形成され、これらは
例えば石英ガラス製の封止窓２ａ、３ａにて夫々封止さ
れている。また微粒子収容箱１の前記導入孔２及び導出
孔３が形成されている面と対向しない一面中央には、撮
像装置取付孔４が形成されており、該取付孔４は、これ
に性成自在に嵌装される二次元撮像装置５の撮像レンズ
５ｂ等にて封止されるようになっている。このように構
成された微粒子収容箱ｌには、微細な金属粉等の多数の
微粒子６がその内部に浮遊した状態で収容されている。

前記二次元撮像装置５は、ｎＸｍの画素数を有するＣＯ
Ｄ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　　旦ｅｖｉｃｅ、
電荷結合素子）５ａ、該ＣＣ０５ａの感光面上に対象物
の像を結像させるための撮像レンズ５ｂ及びＣＣＤ　５
ａと撮像レンズ５ｂとを互いに対向させ、適長離隔させ
て保持する外箱５０等にて構成されており、その撮像中
心と微粒子収容箱１の中心とが一致するように、Ｉｌｌ
レンズ５ｂを微粒子収容箱１の内部に臨ませて、外箱５
ｃの一部を撮像装置取付孔４に嵌合させて取付けである
。

前記撮像レンズ５ｂは、二次元撮像装置５の撮像対象で
ある後述するレーザビーム１０の波長を含む所定の波長
域の光を透過させるフィルタ機能を有しており、前記Ｃ
Ｃ０５ａは、図示しないシャ・７りが開放され、撮像レ
ンズ５ｂを透過してその各画素上に光が照射されると、
この光の強さに応した電荷をｉ４ａして、トリガ発生回
路７から与えられるトリガ信号に同期して、各画素にお
ける電荷に応じたレベルを有する画像信号を、レーザビ
ーム１０の光軸と直交する方向を主走査方向とし、光軸
方向を副走査方向として順次画像信号処理部８に出力す
る。

画像信号処理部８はＡ／Ｄ変換器８ａとビデオメモリ８
ｂと演算部８ｃとからなり、前記ＣＣＤ　５ａから与え
られる画像信号は、まずＡ／Ｄ変換器８ａにおいて所定
のしきい値を基準として明暗２値化された後、ビデオメ
モリ８ｂに明部を表す“１”と暗部を表す“０”とから
なる２値画像データとして格納される。画像信号処理部
８の演算部８ｃには、前記トリガ発生回路７から発せら
れるトリガ信号が与えられており、演算部８ｃは、この
トリガ信号が与えられてから所定時間経過後に、ビデオ
メモリ８ｂに格納された２値画像データを読込み、この
画像データから後述する演算を行って、その結果を表示
部９に出力する。

さて、以上の如く構成された本発明装置比てＣＯ２レー
ザ加工機におけるレーザビームの焦点位置を検出する場
合の、本発明装置の動作について次に説明する。

Ｃ０２レーザ加工機においては、図示しないレーザ発振
器にて発振されたＣ０２レーザのレーザビーム１０は反
射鏡にて屈折される等して、第１図に２点鎖線にて示す
加工へラド１１まで導かれ、該加工へラド１１の先端部
近傍に設けである集束レンズ１２にて、該レンズ１２前
方の焦点Ｆに集束される。

本発明装置を用いて、この焦点Ｆの位置を検出する場合
には、微粒子収容箱１の導入孔２及び導出孔３の中心軸
をレーザビーム１０の光軸に一致させ、撮像装置取付孔
４の中心軸が前記集束レンズ１２からレーザビーム１０
の光軸方向に所定のＮ隔距離！！１だけ離隔するように
、微粒子収容箱１を位置させる。このとき前記所定距離
！！、の値を集束レンズ１２本来の焦点距離に略等しい
値に設定すれば、レーザビーム１０の焦点Ｆが少なくと
も微粒子収容箱ｌの内部に位置するようになし得る。

さてこのような微粒子収容箱１を位置させた後、レーザ
発振器を動作させると、該発振器にて発振されたレーザ
ビーム１０は導入孔２の封止窓２ａを通して微粒子収容
箱１内に入射され、該収容ＷＩｌ内に浮遊している微粒
子６にてその一部が散乱されて、撮像レンズ５ｂ及びレ
ーザの発振と同時に開放される図示しないシャフタを通
してＣＣＤ　５ａに達し、該ＣＣＤ　５ａの感光面上に
レーザビーム１０の像が結像される。この時点において
トリガ発生回路７からＣＣＤ　５ａにトリガ信号が与え
られ、ＣＣＤ　５ａは画像信号処理部８に、レーザビー
ム１０の像に対応する画像信号を出力する。第２図は二
次元撮像装置５のｔＩｌ像結果の一例を示す模式図であ
る。第２［ｉＪにハツチングを施して示すレーザビーム
１０の像に相当する部分は、その他の部分に比較して明
るく撮像されるから、ＣＣＤ　５ａから出力される画像
信号を、画像信号処理部８のＡ／Ｄ変換器８ａにおいて
明暗２値化すると、レーザビーム１０の像に相当する部
分が明部を表す“１”に、その他の部分が暗部を表す“
０”に夫々２値化され、ビデオメモリ８ｂの該当するア
ドレスに格納されることになる。

さて、このようにビデオメモリ８ｂに２値画像データが
格納された後、演算部８Ｃはその動作を開始する。第３
図は演算部８Ｃの処理内容を示すフローチャートである
。

演算部８ｃは、ますカウンタｉを１とし、レーザビーム
ＩＯの像の最小幅を格納するレジスタに二次元撮像装置
５における主走査方向、即ら第２図における横方向に並
ぶＣＣＤ　５ａの画素数ｍをＸｍ１ｎとして格納し、次
いでｉ番目の主走査線上に並ぶｍ個の画像データをビデ
オメモリ８ｂから読込む。そしてこの画像データ中の“
１”なる画像データの数を計数して、前記主走査線上に
おける明部の幅、即ちレーザビームＩＯの像の幅Ｘｉを
求める。

次いでこのＸｉを前記Ｘｍ１ｎの値と比較し、ＸｉがＸ
１ｎよりも小である場合には、前記レジスタにこのＸｉ
　Ｏ値をＸｉｍｉｎとして格納すると共に、他のレジス
タにその時のカウンタｉの値を■として格納した後、ま
たＸｉがＸａ＋ｉｎ以上である場合には、前記両レジス
タの内容を変更することなく、夫々次の段階に進み、カ
ウンタｉの値を二次元撮像装置５における副走査方向、
即ち第２図における縦方向に並ぶＣＣ０５ａの画素数ｎ
と比較し、ｉがｎに等しくない場合には、カウンタｉに
１を加えた後、画像データの読込みの段階まで戻り、ｉ
がｎと等しくなるまで前述の動作を繰返す。

以上の動作の繰返しの結果、演算部８ｃのでレジスタに
は、撮像装置５の各主走査線に沿って調べたｎ通りのレ
ーザビームｌＯの像の幅Ｘｉの最小値がＸｍ１ｎとして
、また前記最小値が何番目の主走査線上において検出さ
れたかがＩとして夫々格納されることになる。

さてｉがｎに等しくなった後、演算部８ｃはレジスタに
格納されている■の値がら（ｎ＋１）／２を減じて、レ
ーザビームｌＯの像の集束点の位置、即ちレーザビーム
１０の焦点位置の二次元撮像装置５の撮像中心からのず
れ量Ｙを算出し、次いでこのＹの値に二次元擺像装Ｍ５
における撮像倍率等によって定まる所定値を乗じて、微
粒子収容箱１の中心に対する、レーザビーム１０の焦点
Ｆの位置の、レーザビームｌＯの光軸方向へのずれｆｉ
ｔ　１２（第１図参照）を算出し、更に該ずれｉｊ！２
に前記離隔距離２．を加え、レーザビーム１０の焦点位
置を焦点Ｆの集束レンズ１２からの距離りとして算出し
、これを表示部９に出力し、表示部９においてその値を
表示させる。

なお本実施例においては、微粒子収容箱１の光ビームの
導入孔２及び導出孔３を夫々封止窓２ａ、３ａにて封止
して、該収容箱ｌの内部に微粒子６を封入せしめるよう
に構成しているが、前記封止窓２ａ。

３ａの代わりに、微粒子封入箱１内にレーザビーム１０
を入射させる時にのみ開放するシャンクを設けてもよく
、微粒子６を微粒子収容箱１内に封入せしめる必要はな
い。

また本実施例においては、二次元撮像装置５と微粒子収
容箱１とを別個に構成しているが、第４図に示す如く微
粒子収容箱１の内部を２室に分割し、隔壁に撮像レンズ
５ｂを配して、該レンズ５ｂと対向する一室の内壁にＣ
ＣＤ　５ａを配設し、他室に微粒子６を浮遊させて収容
して、微粒子収容箱ｌと二次元撮像装置５とを一体的に
構成してもよい。

また本実施例においては、二次元撮像装置５にてレーザ
ビーム１０をその光軸方向と直交する方向から撮像して
いるが、光軸に対して傾斜した方向から撮像してもよい
ことは言うまでもない。ただしその場合においては、演
算部８ｃにおいてレーザビームｌＯの像の集束点の位置
を求めた後、これを光軸方向に換算することが必要であ
る。

また本実施例においては、微粒子６にて散乱されるレー
ザビーム１０の散乱光を透過させるために撮像レンズ５
ｂとしてレーザビーム１００波長を含む所定の波長域の
光を透過させるフィルタ機能を有するものを用いている
が、レーザビーム１ｏが微粒子収容箱ｌ内に入射すると
、該収容箱１内のレーザビームｌＯが照射された微粒子
６は、加熱されて可視光を発光するから、撮像装置５と
して通宝の光学レンズと可視光用ＣＣＯとにて構成され
たものを用いてもレーザビーム１０の像を撮像すること
は可能であり、このような撮像装置を用いるとコストの
低減が図れる。

更に本実施例においては、焦点位置を算出する手段たる
画像信号処理部８にて算出されたレーザビーム１０の焦
点位置を、表示部９に表示させるように構成しているが
、焦点位置の算出結果をｃｏ２レーザ加工機の制御部に
出力し、該加工機にて切断、穴明は等の加工を行う際に
、被加工物を前記Ｗ−出結果に基づいて自動的にレーザ
ビーム１０の焦点位置に位置させることも可能である。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明装置によれば、微粒子収容箱内
の微粒子による散乱光又は該微粒子の発光する光が二次
元撮像装置に入光するので、該撮像装置が光ビームのエ
ネルギにてｍ／３１５されることがなく、高エネルギの
光ビームにおいてもその焦点位置を精度良く検出するこ
とができる等優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すものであり、第１図は本発
明装置の構成を示す模式図、第２図は二次元撮像装置の
撮像結果の一例を示す模式図、第３図は演算部の演算内
容を示すフローチャート、第４図は本発明装置の他の実
施例を示す模式図である。 １・・・微粒子収容箱　　５・・・二次元撮像装置８・
・・焦点位置を算出する手段（画像信号処理部）なお各
図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内部に多数の微粒子を浮遊させて収容してあり、焦
   点上に集束する光ビームを、該焦点がその内部に位置す
   るように入射せしめるべく配置された微粒子収容箱と、 該微粒子収容箱の内部に臨ませて設けられ、前記光ビー
   ムをその光軸方向と異なる方向から撮像する二次元撮像
   装置と、 該二次元撮像装置の撮像結果に基づいて、 前記光ビームの焦点位置を算出する手段と を具備することを特徴とする光ビームの焦点位置検出装
   置。