(57)【要約】【課題】本発明は加工や医療用等のレーザ装置に関するもので、安全かつ簡便に安定したレーザ光出力パワーが得られることである。【解決手段】ミキシングミラーをビームスプリッタとして兼用し、可視ガイド光反射面の裏面において反射したレーザ発振手段からのレーザ光パワーをパワーモニタで検出する。またレーザ発振手段への制御量をファジィ演算し調整するため、出力安定性や応答性に優れる。別にビームスプリッタを設ける必要がなく、小型化、低価格化が実現できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振手段と、可視ガイド光を出力するガイド光手段と、所望のレーザパワーを設定する設定手段と、前記レーザ発振手段からのレーザ光と前記ガイド光手段からのガイド光を合波するミキシングミラーと、前記ミキシングミラーの可視ガイド光反射面の裏面において反射した前記レーザ発振手段からのレーザ光パワーを検出するパワーモニタと、前記設定手段の出力と前記パワーモニタの出力を比較した結果から、前記レーザ発振手段に対する出力安定制御信号を送出する制御手段とを備えたレーザ装置。
【請求項２】
制御手段は、パワーモニタの検出値に基づいてレーザ発振手段への制御量をファジィ演算し調整する請求項１記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加工や医療分野において一定パワーのレーザ出力照射が要求されるレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種のレーザ装置は、図４に示されるような構成が一般的であった。１は封じ切りＣＯ２レーザ管を備えたレーザ発振手段であり、放電によって励起された光を平行に配置された全反射鏡１ａと部分反射鏡１ｂ間で共振させ、部分反射鏡１ｂから外部へレーザ光として導出する。このＣＯ２レーザ光は波長１０．６μｍの遠赤外光であり、投入電力（電流）またはパルス幅デューティ制御により０Ｗ〜数１０Ｗまで任意の出力パワーを外部に取り出すことが出来る。
【０００３】
２は例えば波長６３５ｎｍ赤色半導体レーザやＨｅ−Ｎｅレーザ管などからなる数ｍＷ程度の微弱パワー可視ガイド光を出力するガイド光手段である。ミキシングミラー３において光軸を合波し、導光手段４を介して先端部へレーザ光を導出する。５はシャッタであり、非照射時に誤って外部へレーザ光を出力させない構成である。このシャッタ５は表面が反射板となっており、閉じている時に出力確認のためレーザ発振手段１から出力させたレーザ光をシャッタ５で反射させ、パワーモニタ６で受光する。７は使用者が操作する設定手段であり、あらかじめ所望のレーザ照射パワーを設定しておき、レーザ入切操作を行う。８は制御手段である。設定手段７からレーザ照射指示が伝えられると、シャッタ５を閉じたまま装置内部で予備照射を行いこの時パワーモニタ６で検出されたレーザ出力と、使用者が設定手段７であらかじめ設定した所望のレーザ出力とを比較演算部８ａで比較し、その差が小さくなるよう投入電力制御部８ｂによってレーザ発振手段１に対する出力安定制御信号を送出するものであった（例えば特許文献１）。
【０００４】
あるいは図５のようにレーザ発振手段１におけるレーザ出力口と反対側の全反射鏡１ａを１ｂ同様の部分反射鏡１ｃに変え、数％のレーザ光パワーを反対側にも開口部を設け、さらにその外側にパワーモニタ６を配置する構成も考案されている。この場合、シャッタ５には反射板を設ける必要はなく、レーザ照射中に常時レーザ光出力を検出することができる（例えば特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−２０９７９０号公報
【特許文献２】
特開平６−３７３８１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来図４のような構成では、シャッタ閉制御中しかパワー検出が出来ず、実際のレーザ照射中のリアルタイムな出力安定制御ができない。可動部品であるシャッタを反射板とし、パワーモニタに受光させる構造なので入射位置ずれを起こしやすく、シャッタが正規位置以外でロックした場合、パワーモニタ以外の装置内部にレーザ光を誤照射してしまう危険性もある。
【０００７】
一方図５のようなレーザ発振手段の両方を部分反射鏡にしてレーザ光出力開口部を２箇所設ける構成では、光学部品の露出増加に伴う埃防止保護ないし光路の遮蔽管理領域が増え、安全上の課題が生じる上にレーザ発振手段１内部の光軸調整検査方法が困難化する。この構成は部分反射鏡１ｂからの光出力と部分反射鏡１ｃの光出力比率が常に一定であることを前提としているが、パワーモニタ６側の部分反射鏡１ｃ表面の汚れ等によりパワーモニタ６で初期状態より低めにパワー検出された場合、大出力パワーとなるような過大なフィードバック制御がかかってしまい、必要以上の照射となってしまう。
【０００８】
また光出力部が１箇所に限定されるレーザ発振手段においてはこのような構造には適用できない。
【０００９】
さらにレーザパワーの出力安定化に関しては、温度をはじめとする複数の要因が相互に関連しあう複雑系をなしており、従来の線形制御のみでは出力変動を速やかに抑制することが困難であった。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題に鑑み、安全かつ簡便に安定したレーザ光出力パワーが得られるレーザ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ装置は、レーザ発振手段と、可視ガイド光を出力するガイド光手段と、所望のレーザパワーを設定する設定手段と、前記レーザ発振手段からのレーザ光と前記ガイド光手段からのガイド光を合波するミキシングミラーと、前記ミキシングミラーの可視ガイド光反射面の裏面において反射した前記レーザ発振手段からのレーザ光パワーを検出するパワーモニタと、前記設定手段の出力と前記パワーモニタの出力を比較した結果から、前記レーザ発振手段に対する出力安定制御信号を送出する制御手段とを備えたものである。
【００１２】
また制御手段は、パワーモニタの検出値に基づいてレーザ発振手段への制御量をファジィ演算し調整するものである。
【００１３】
この構成によれば、レーザ発振手段からのレーザ光とガイド光手段からのガイド光を合波するミキシングミラーがビームスプリッタとして作用し、ガイド光手段の反対側に設けられたパワーモニタに、レーザ発振手段から出力されたレーザ光の一部がミキシングミラーで分岐入射する。このパワーモニタに入射するレーザ光は、常時ミキシングミラーを透過直進するレーザ光の一定比率（例えば２％）を維持する。
【００１４】
また制御手段は、パワーモニタの検出値に基づいてレーザ発振手段への制御量をファジィ演算し調整するために、非線形な挙動を示すレーザ出力変動に対し簡易な演算でリアルタイムに安定な出力を維持する制御を行うことができる。ファジィ演算による自動制御は、大規模かつ複雑な計算を必要とせず安価なワンチップマイクロコンピュータでも十分に応答性に優れたリアルタイム制御が実現できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１〜図３を用いて説明する。図１において１は例えば全金属製封じ切りＣＯ２レーザ管を備えたレーザ発振手段であり、放電によって励起された光を平行に配置された全反射鏡１ａと部分反射鏡１ｂ間で共振させ、部分反射鏡１ｂから外部へレーザ光として導出する。このＣＯ２レーザ光は波長１０．６μｍの遠赤外光であり、パルス幅デューティ制御により０Ｗ〜１０数Ｗまで任意の出力パワーを外部に取り出すことが出来る。レーザ発振手段１に印加するパルスデューティ比とレーザ光出力パワーの基本的な関係は、例えば図２のようになる。
【００１６】
図１において２は例えば波長６３５ｎｍ赤色半導体レーザやＨｅ−Ｎｅレーザ管などからなる数ｍＷ程度の微弱パワー可視ガイド光を出力するガイド光手段である。ミキシングミラー３において光軸を合波し、マニピュレータや光ファイバなどからなる導光手段４を介して先端部へレーザ光を導出する。導光手段４の先端部には集光レンズが設けてあり、対象物に焦点を合わせてレーザ照射出来る。ガイド光手段２及びミキシングミラー３は光軸調整合波し位置固定する機構を備えており、光軸調整後はレーザ発振手段１と一体の剛体に固定される。５はシャッタであり、非照射時に誤って外部へレーザ光を出力させない構成である。６はパワーモニタであり、レーザ発振手段１から出力されたレーザ光の一部を受光する。このパワーモニタ６は、熱型サーモパイル構造であり、ミキシングミラー３の可視ガイド光反射面の裏面において反射したレーザ発振手段１からのレーザ光パワーを検出する。ミキシングミラー３は例えばセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）からなり、表面にＡＲコートを施している。レーザ発振手段１からのＣＯ２レーザ光はここで９８％透過し２％反射する一方、ガイド光手段２からの可視光は全反射する。
【００１７】
７は使用者が操作する設定手段であり、あらかじめ所望のレーザ照射パワーを設定しておき、レーザ入切操作を行う。
【００１８】
８は制御手段である。レーザ本照射前にガイド光手段２に対しガイド光点灯の制御を行い、レーザ照射位置のエイミングを可能としている。シャッタ５を閉じたままの装置内部予備照射は実施しない。設定手段７にはレーザ照射パワー設定部以外にフットスイッチ（図示せず）が設けられており、使用者がこのフットスイッチを踏むことによりシャッタ５を開けることができる。使用者によるフットスイッチ踏み動作により、制御手段８はレーザ照射開始直後から時刻ｔにおけるパワーモニタ６からのパワー出力値Ｐ１（ｔ）を常時検出し、目標値である設定手段７の出力Ｐ０の偏差
Ｅ（ｔ）＝Ｐ１（ｔ）−Ｐ０
及びその時間微分値
Ｅ（ｔ）’＝ｄＥ（ｔ）／ｄｔ
を入力パラメータとして常に目標値通りのレーザ光が出力されるようレーザ発振手段１に対するパルスのデューティ比を逐次自動調整するファジィ制御を行う。
【００１９】
まず前件部として計測値である偏差Ｅ（ｔ）とＥ（ｔ）’を独立ファジィ変数とし、予め定めておいた台形状ないし三角形状のメンバーシップ関数（  横軸：入力計測値、縦軸：確からしさ０〜１    ）に従い、それぞれが
ＮＢ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｂｉｇ）
ＮＳ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｓｍａｌｌ）
ＺＲ（Ａｌｍｏｓｔ  Ｚｅｒｏ）
ＰＳ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｓｍａｌｌ）
ＰＢ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｂｉｇ）
のどの領域にどの程度属するかの評価値をＭＩＮ−ＭＡＸ演算法で導出する。同様に後件部としてフィードバック制御量つまりレーザ発振手段１に与えるパルスデューティ補正値Ｙを
ＮＢ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｂｉｇ）
ＮＭ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｍｉｄｉｕｍ）
ＮＳ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｓｍａｌｌ）
ＺＲ（Ｚｅｒｏ）
ＰＳ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｓｍａｌｌ）
ＰＭ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｍｉｄｉｕｍ）
ＰＢ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｂｉｇ）
に対応づける。ファジィ制御則は図３のように  例えば
Ｉｆ  Ｅ  ｉｓ  ＮＢ  ａｎｄ  Ｅ’  ｉｓ  ＮＭ  ｔｈｅｎ  Ｙ  ｉｓ  ＰＭ
として各入力Ｅ、Ｅ’組み合わせ時の出力Ｙを定めておく。これはマムダニの方法としてよく知られているファジィ制御の手順である。制御手段８としては、安価なワンチップマイクロコンピューターを用い、ソフトウェアによって逐次処理しても、高精度かつ応答性よく所望のレーザ光を安定して出力し続けることができる。これにより使用者の操作によりシャッタ５を開制御した後、光出力が無い状態からレーザ出力設定値になるまでオーバーシュートや振動なしに速やかな出力制御が行われ、例えば１００ｍｓ以内に目標値に到達安定する。その後の外乱すなわちレーザ発振手段１の熱膨張、光学部品の熱影響による変形や気体成分の変化、電極の磨耗などによる出力変動要因に対しても制御性に優れた安定制御を継続することができる。
【００２０】
一般的には封じ切りＣＯ２レーザの場合、冷却状態からのレーザ発振開始（コールドスタート）後、レーザ発振手段１全体が巨視的に見て熱平衡状態に達するまでの１０分〜２０分間は大きな基線の変動が生じることがわかっている。よってレーザ出力開始から所定時間経過するまで、制御手段８における可制御幅（フィードバック補正量の上下限）を徐々に狭めるような制限をかけることによって安全性を高めてもよい。また偏差Ｅ（ｔ）の積分項や別途温度検出手段を設け、入力条件に加えてもよい。また安定制御手段４によるフィードバック制御結果を再度制御手段８に戻し、パワーモニタ６の故障検出や感度自動補正ないしメンバーシップ関数のパラメータ自動更新を行ってもよい。例えばレーザ発振手段１への投入電力に相当するデューティ比を増加させてもパワーモニタ６から検出されるパワー検出値が変化しない場合、断線故障と判定し、異常報知を行ったりフィードバック制御を禁止してもよい。フィードバック制御はファジィ制御のみならず、ＰＩＤ制御やニューラルネットワーク、遺伝的アルゴリズム等他の方法と組み合わせてもよい。
【００２１】
レーザ発振手段１の媒質はＣＯ２ではなく、ＹＡＧや半導体でも構わない。
【００２２】
以上のように本実施の形態によると、ガイド光と合波させるミキシングミラーをパワー検出用のビームスプリッタとして兼用した構成としたため、以下のような多大な効果を有する。
【００２３】
（１）パワー検出位置ずれを起こしにくく、レーザ照射中のリアルタイムな出力安定制御ができる。
【００２４】
（２）露出する光学部品点数を最小限に抑制でき、埃防止保護ないし光路の遮蔽管理、装置の光軸調整作業が容易になる。
【００２５】
（３）パワーモニタに入射するレーザ光は外部へ出力されるレーザ光パワーに常に対応（比例）するため、より正確なパワー検出が出来る。誤検出による必要以上の照射が起きにくくなるなど安全性が向上する。
【００２６】
（４）別にビームスプリッタを設ける必要がなく、小型化、低価格化が実現できる。
【００２７】
さらにレーザパワーの出力安定化にファジィ制御を用いたため、不規則・非周期的なパワー変動に対しても迅速に追従する非線形制御が安価に行える。結果として極めて出力変動の少ないレーザ装置が提供できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、安全かつ簡便に安定したレーザ光出力パワーが得られるレーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ装置のブロック構成図
【図２】レーザ発振手段１に印加するパルスデューティ比とパワー出力の関係を示すグラフ
【図３】同実施の形態１の制御手段８におけるファジィ制御則を示した表を示す図
【図４】従来のレーザ装置のブロック構成図
【図５】従来の他のレーザ装置のブロック構成図
【符号の説明】
１  レーザ発振手段
２  ガイド光手段
３  ミキシングミラー
６  パワーモニタ
７  設定手段
８  制御手段
【図１】
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【図２】
2004342966.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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