(57)【要約】  【課題】  レーザヘッドが高出力のレーザ発振光線を出力する場合であっても、光学部品内で熱の吸収がなく、安全にかつ容易にレーザ光線のビーム形状および品質を変化させることなくレーザ光線の強度を減衰させてレーザ光線測定手段に導くレーザ光線測定装置を提供する。  【解決手段】  レーザ光線を放射するレーザヘッド10と、レーザヘッド10から放射された直線偏光のレーザ光線の一部を反射する第１の石英板12と、第１の石英板12で反射されたレーザ光線の一部を反射する第２の石英板14と、λ／２板18および偏光子20とにより構成されたレーザ光線減衰手段16と、ＣＣＤカメラなどで構成されたレーザ光線測定手段22とで構成され、レーザ光線減衰手段16によりレーザ光線のビーム形状および品質を変化させることなくレーザ光線の強度を減衰させてレーザ光線測定手段に導くように構成している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光線を放射するレーザ光線出力手段と、このレーザ光線出力手段から出力されたレーザ光線の形状を測定する測定手段と、前記レーザ光線出力手段と前記測定手段との間に、λ／２板と偏光子とよりなるレーザ光線減衰手段を配置したことを特徴とするレーザ光線測定装置。
【請求項２】
前記レーザ光線減衰手段を構成するλ／２板または偏光子のいずれか一方を前記レーザ光線の光軸に対して直交する面で回転するように駆動させる駆動手段を具備することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光線測定装置。
【請求項３】
前記レーザ光線出力手段と前記レーザ光線減衰手段を構成するλ／２板との間に複数個の石英板よりなるレーザ光線減衰素子を配したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ光線測定装置。
【請求項４】
前記レーザ光線の形状を測定する測定手段は、ＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のレーザ光線測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームの形状を変えずにレーザ光線を減衰させてビームプロファイルやビーム直径を正確に測定することができるレーザ光線測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マーキングや穴あけ加工を行う際に、所望の形状に加工するためには、被加工面におけるレーザビームのスポット径を所定の大きさに設定する必要がある。そのため、レーザ装置から放射されたレーザビームを例えばＣＣＤカメラ（撮像素子にＣＣＤ（Charge Coupled Device(電荷結合素子)）を備えるカメラ）で撮像し、その映像をもとにビーム径を測定することが行われている。
【０００３】
従来より、レーザ光線放射口から出力されるレーザ光線の光路上にプリズム等の分岐手段を設け、この分岐手段で分岐された一部のレーザ光線を検知手段で受光して測定する方法が提案されている。
【０００４】
この場合、レーザ光線は分岐手段で分岐されてもかなりの強度レベルであるので、その強度レベルに耐え得る大型の検知手段しか用いることができず、光学系の小型化が難しい。検知手段としてＣＣＤカメラを用いた場合、ある一定レベル以上の光量を受光すると、正確な電流が発生しなくなることが知られており、また、検知素子の飽和状態以上に光量を受光すると破損する恐れがある。例えば、ＣＣＤカメラの入射強度は０.５μW/cm2と低いので、１Ｗ/cm2のレーザ光線をそのまま受光すると、受光素子が破壊されてしまう恐れがある。
【０００５】
測定用のＣＣＤカメラなどの検知素子の破損を防ぐために、従来のレーザ光線測定装置においては、レーザ光線放射口と、レーザ光線検知手段との間にレーザ光線を減衰する光学フィルタを設け、この光学フィルタで減衰されたレーザ光線を電気信号に変換する技術が特許文献１に提案されている。
【０００６】
特許文献１で提案されている代表的なレーザ光線測定装置は、図５に示すように、レーザ光線放射ファイバ端部１から放射されたレーザ光線の出力光路101上の適切な位置および角度でプリズム２が配置されて、出力光路101上のレーザ光線を測定光路102に分岐している。プリズム２とフォトダイオード３との間に、減衰フィルタ６ａ、６ｂを測定光路102上に適切な位置および角度で配置する。検知手段としてのフォトダイオード３は、測定光路102上に適切な位置および角度で配置されており、プリズム２で測定光路102上に分岐されたレーザ光線を受光し、そのレーザ光線を電気信号に変換して測定手段に出力する。
【０００７】
プリズム２で測定光路102上に分岐されたレーザ光線は、減衰フィルタ６ａ、６ｂでその強度レベルが所定量だけ減衰された後にフォトダイオード３に入射する。したがって、プリズム２で分岐された測定光路102上のレーザ光線の強度レベルを低くすることができるので、フォトダイオード３におけるレーザ光線の受光量を減衰させることができる。
【０００８】
すなわち、減衰フィルタ６ａ、６ｂの減衰率を、フォトダイオード３がレーザ光線を受光しても飽和状態にならない程度とすることで、小型の受光素子であるフォトダイオード３を用いることが可能となる。
【０００９】
減衰フィルタ６ａはプリズム２で分岐されたレーザ光線の強度レベルを低くし、減衰フィルタ６ｂは減衰フィルタ６ａで減衰されたレーザ光線の強度レベルさらに低くすることができるので、フォトダイオード３におけるレーザ光線の受光量を減らすことができる。
【００１０】
すなわち、減衰フィルタ６ａ、６ｂ各々の減衰率を、減衰フィルタ６ｂから放射されたレーザ光線をフォトダイオード３が受光しても飽和状態にならない程度とすることで、小型の受光素子であるフォトダイオード３を用いることが可能となる。
【００１１】
これに関連してレーザ光線の強度レベルを1/3000〜1/107に減衰させる連続可変アッテネータモジュール（Ｃ-ＶＡＲＭ）という減衰吸収フィルタを使用する技術例が非特許文献１に紹介されている。
【００１２】
非特許文献１に紹介されている技術例では、図６に示すように、レーザヘッド200から放射されたレーザ光線を２枚の石英板201および202でその一部を反射させ、反射されたレーザ光線を２枚の楔形のフィルタ204および206に導き、楔形のフィルタ204および206を互いに図６において垂直方向に移動させることにより、フィルタの厚みを調整し、透過率を連続的に変化させている。なお、石英板201および202で反射されたレーザ光線の強度は、レーザヘッド200から放射されたレーザ光線に対して数％である。このように、減衰吸収フィルタ204および206を用いることにより、レーザ光線を減衰させた後にＣＣＤカメラ208に測定すべきレーザ光線が入力されるので、ＣＣＤカメラの撮像素子の破壊を防止できる。
【００１３】
非特許文献１に紹介されたＣ-ＶＡＲＭの減衰吸収フィルタが光学路に配置されているＣＣＤカメラにより、測定したレーザビームの直径と拡がり角、およびＴＥＭ00の理論値のレーザビームの直径と拡がり角とを求めたところ、図７に示すような結果を得た。図７は、横軸にレーザビームの光軸に沿ってＣＣＤカメラをある基点を基準とし、そこからの移動した距離(cm)を示し、縦軸にビームの直径(mm)を示すもので、θ1はＴＥＭ00の理論値のレーザビームの拡がり角を示し、θ2は非特許文献１に紹介されたＣＣＤカメラにより測定したレーザビームの拡がり角を示している。また、図７において、実際のビーム拡がり角θ2はＴＥＭ00の理論値のビーム拡がり角θ1よりも小さいので、ビーム品質のＭ1が1より小さいということを意味している。しかし、Ｍ1＜１は光の回折限界を超えた値であるから、現実にはありえない値である。従って、測定装置に何らかの問題があると考えられる。
【特許文献１】特開平７−２２５１５１号公報
【非特許文献１】コヒレント・ジャパン株式会社 アーバングループ1998年発行「COHERENT アーバングループ総合カタログ 1998/99年版」p.88〜89
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
発明者がこの問題を探求したところ、受光素子を保護するために設けられた減衰吸収フィルタの存在にあることを突きとめた。即ちレーザ光線が減衰吸収フィルタに吸収されることにより、減衰吸収フィルタに熱レンズ効果が発生する。この熱レンズ効果によりそこを通過するレーザ光線が絞られ、実際のビーム直径よりも小さい径のビームがＣＣＤカメラで測定される。その結果、理論値と測定結果とは異なるビーム直径となるということである。この現象は特許文献１の装置でも同様に生じ、したがって従来のレーザ光線測定装置ではビーム形状を正確に測定できないという問題があった。
【００１５】
本発明は、このような問題点を解消するために考えられたものであり、レーザヘッドが高出力のレーザ発振光線を出力する場合であっても、光学部品内における熱の吸収がなく、安全にかつ容易にレーザ光線のビーム形状および品質を変化させることなくレーザ光線の強度を減衰させてレーザ光線測定手段に導くレーザ光線測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明のレーザ光線測定装置は、レーザ光線を放射するレーザ光線出力手段と、このレーザ光線出力手段から出力されたレーザ光線の形状を測定する測定手段と、前記レーザ光線出力手段と前記測定手段との間に、λ／２板と偏光子とよりなるレーザ光線減衰手段を配置したものである。
【００１７】
さらに、前記レーザ光線減衰手段を構成するλ／２板または偏光子のいずれか一方を前記レーザ光線の光軸に対して直交する面で回転するように駆動させる駆動手段を具備することができる。
【００１８】
さらに、前記レーザ光線出力手段と前記レーザ光線減衰手段を構成するλ／２板との間に複数個の石英板よりなるレーザ光線減衰素子を配置することができる。
【００１９】
さらに、前記レーザ光線の形状を測定する測定手段には、ＣＣＤカメラを使用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のレーザ光線測定装置は、レーザ光線を放射するレーザ光線出力手段と、このレーザ光線出力手段から出力されたレーザ光線の形状を測定する測定手段と、前記レーザ光線出力手段と前記測定手段との間に、λ／２板と偏光子とよりなるレーザ光線減衰手段を配置したものであるので、レーザビームの形状および品質に何ら影響を与えることなくレーザビームの強度（パワー）を減衰させることができる。つまり、本発明によれば光学フィルタのようなレーザ光線を吸収する光学部品が存在しないので、熱レンズ効果を発生しない。これにより、ビームの形状を変えずにレーザ光線を減衰でき、正確なビームプロファイルやビーム直径を測定手段により測定することができる。なお、正確なビーム直径が測定できるので、ビーム品質を表すＭ2も正確に測定することができる。
【００２１】
本発明のレーザ光線測定装置は、前記レーザ光線減衰手段を構成するλ／２板または偏光素子のいずれか一方をレーザ光線の光軸に対して直交する面で回転するように駆動させる駆動手段を具備するものであり、レーザ光線減衰手段を構成するλ／２板または偏光素子のいずれか一方を回転させることにより、レーザ光線を可変減衰させることができる。そのため本発明によれば、ビームの形状を変化させずにＣＣＤカメラなどの受光素子の光学特性に合わせてレーザ光線の強度を自在に変化させることができる。
【００２２】
本発明のレーザ光線測定装置は、前記レーザ光線出力手段と前記レーザ光線減衰手段を構成するλ／２板との間に複数個の石英板よりなるレーザ光線減衰素子を配したものであるので、単純な光学部品でレーザビーム強度（パワー）を減衰させることができる。
【００２３】
本発明のレーザ光線測定装置において、前記レーザ光線の形状を測定する測定手段は、ＣＣＤカメラであることを特徴とするものであり、一般に入手可能な撮像装置により容易にレーザビームの形状を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレーザ光線測定装置の構成を示すブロック図である。
【００２５】
図１に示すように、本発明のレーザ光線測定装置は、レーザ光線を放射するレーザヘッド10と、レーザヘッド10から放射された直線偏光のレーザ光線の一部を反射する第１の石英板12と、この第１の石英板12で反射されたレーザ光線の一部をさらに反射する第２の石英板14と、λ／２板18および偏光ビームスプリッタとして機能する偏光子20とで構成されたレーザ光線減衰手段16と、ＣＣＤカメラなどで構成されたレーザ光線測定手段22とで構成されている。
【００２６】
レーザ光線減衰手段16を構成するλ／２板18は、例えばモータ24によりレーザ光線の直進方向（光軸）に対する垂直面で回転できる構成されており、その結果、レーザ光線の偏光面を回転することが可能である。
【００２７】
ここで、レーザ光線Ｌ1は、第１の石英板12によりその約４％が反射され、この反射光がさらに第２の石英板14でその約４％が反射されてレーザ光線減衰手段16に指向される。レーザヘッド10から放射されるレーザ光線Ｌ1は、２枚の石英板12、14により、約０.０４×約０.０４＝約０.１６％に減衰されることになる。従って、石英板12、14はレーザ光線を減衰させるレーザ光線減衰素子としても機能している。
【００２８】
また、λ／２板18を設けることにより、λ／２板18と偏光子20との間のレーザ光線の偏光面を変位するようになし、また、偏光子20は、λ／２板18の回転により放射されるレーザ光線Ｌ2の偏光面を変位させる。なお、第１の偏光光（Ｌ2）である水平偏光を透過させ、第２の偏光光である垂直偏光を折り曲げるように偏光子20の回転角度を調整した場合、λ／２板18を回転させることにより、レーザヘッド10から出力されたレーザ光線の直線偏光の偏光面を変化させ、偏光子20を通過させることで水平偏光成分は透過し、放射する垂直偏光のレーザ出力を連続的に変化させることができる。従って、レーザ光線減衰手段16は可変光減衰手段として機能する。なお、偏光子20としてはグランレーザプリズム、グランテーラープリズム、グラントムソンプリズム、偏光ビームスプリッタなどが使用可能である。
【００２９】
図１に示すように、本発明のレーザ光線測定装置は、さらに、ＣＣＤカメラ22に接続され、撮像された画像を記憶可能な形態、例えば、電気的に処理可能な物理量に変換して記憶するメモリを含んだ撮像処理回路26と、この撮像処理回路26に接続され、撮像されたレーザビームの形状（プロファイル）を表示するモニタ28とを備えている。
【００３０】
レーザ光線測定手段22をＣＣＤカメラで構成すると、入射するレーザ光量に比例した電荷量をＣＣＤに蓄積することによりビームの形状、即ちプロファイルが撮像・記憶される。つまり、撮像データを電気的データに変換して記憶することができる。そして、フレームメモリおよび画像メモリを結合させることにより、その撮像された撮像画像を走査して、撮像画像、即ちビームの形状（プロファイル）が電気的データとして記憶される。そして、撮像処理回路26に記憶された画像をモニタ28に表示出力する。
【００３１】
このように構成されたレーザ光線測定装置の動作について説明する。レーザヘッド10から出力されたレーザ光線Ｌ1（例えば波長1064nmとする）は、石英板12、14によって反射され、レーザヘッド10から放射された出力は約０.１６％に減衰されてレーザ光線減衰手段16に入射される。レーザ光線減衰手段16に内蔵されたλ／２板18を透過したレーザ光線Ｌ2は偏光子20に入射する。
【００３２】
ここで、偏光子20は、波長1064nmの光線に対応するように設計されており、λ／２板18を透過したレーザ光線Ｌ2の光軸上に、水平偏光の透過光量が最大となる角度に固定されている。そして、この偏光子20は、この実施形態では光強度制御手段の一素子として機能し、λ／２板18を透過してきたレーザ光線Ｌ2の偏光状態に応じて光強度を変化させる。
【００３３】
実際の測定に先立ち、λ／２板18を透過したレーザ光線の光軸Ｌ3上に、水平偏光の透過強度が最大となる角度に偏光子20を保持しておく。この偏光子20は、λ／２板18と協働して光強度制御手段として機能するので、λ／２板18を透過してきたレーザ光線（光軸はＬ2）の偏光面の角度に応じて、偏光子20を透過するレーザ光線の強度が変化する。偏光子20を透過することによって強度を変化させたレーザ光線（光軸はＬ3）はＣＣＤカメラ22に入射する。
【００３４】
そして、偏光子20によって強度が変化させられたレーザ光線（Ｌ3）がＣＣＤカメラ22に入射すると、入射したレーザ光量に比例した電荷量がＣＣＤに蓄積され、記憶される。つまり、撮像データが電気的データに変換されて記憶されることになる。ＣＣＤに蓄積され、記憶された電気的データをフレームメモリおよび画像メモリに結合させることにより、撮像された撮像画像を走査して、撮像画像、即ちビームの形状（プロファイル）が電気的データとして撮像処理回路26に記憶される。次に、撮像処理回路26に記憶された画像、即ちビームプロファイルをモニタ28に表示する。
【００３５】
次に、図１および図２（ａ）、（ｂ）を参照しながら、ＣＣＤカメラ22に入力されるレーザ光線の強度を調整する方法を説明する。ここではレーザヘッド10から放射されたレーザ光線を水平偏光とする例を説明するが、垂直偏光でも同様である。レーザヘッド10から出力されるレーザ光線は水平偏光であるとすると、第１の偏光である水平偏光を透過させ、第２の偏光である垂直偏光を分岐させるように、偏光子20の回転角度を調整しておく。偏光子20は、水平偏光を透過させ、垂直偏光を分岐させる。λ／２板18を図示しない操作手段を介してモータ24によって回転させると、偏光子20に入射するレーザ光線の偏光面が図２（ａ）のように回転する。レーザヘッド20から放射されたレーザ光線の偏光面をλ／２板18で回転させて、レーザ光線（光軸はＬ3）の出力が最大となるとき、そのときのλ／２板18の角度θを０°とする。λ／２板18からの偏光を偏光子20に通過させると、水平偏光成分は透過する。
【００３６】
図１に示されたレーザ光線測定装置において、λ／２板18の回転角度をθとし、レーザ光線減衰手段16に入力されるレーザ光線の強度をＦinとし、レーザ光線減衰手段16を構成する偏光子20を透過して出力されるレーザ光線（光軸はＬ3）の強度をＦoutとすると、
Ｆout＝Ｆin×cos2(２θ)
となる。すなわち、この装置では、図２（ｂ）に示すように、出力される光の強度Ｆoutが、λ／２板18の回転角度θに依存して変化する。
【００３７】
なお、実際には偏光子20には消光比が有限に生じるため、完全に上述の式と同じにはならず、ＣＣＤカメラ22によって観測されるレーザ光線の強度は若干の差異が生じていることが確認されている。発明者の測定によれば、レーザ光線（光軸はＬ2）を直線偏光光としたとき、偏光子20を透過した後のレーザ光線（光軸はＬ3）には水平偏光ばかりでなく、垂直偏光が約１％含まれていることがわかった。
【００３８】
図示しない操作手段によりモータ24に駆動信号を与えて、λ／２板18を角度θだけ回転させると、λ／２板18を透過したレーザ光線（光軸はＬ2）は、偏光面の角度が２θの直線偏光となる。偏光子20を透過して出力されるレーザ光線（光軸はＬ3）の強度Ｆoutは、λ／２板18の回転角度θに対応して連続的に変化する。このようにして、偏光子20から放射するレーザ光線（光軸はＬ3）の強度を、連続的に変化させることができる。なお、λ／２板18を回転させることに代え、偏光子20を回転させても同様な効果を奏することができる。従って、レーザ光線減衰手段16を可変光減衰手段として機能させるには、λ／２板18または偏光子20のいずれか一方を他方に対して回転変位させればよい。
【００３９】
本発明によるレーザ光線測定装置により測定したビーム拡がり角と、理論的なＴＥＭ00ビーム拡がり角を図３に示す。図３において、θ3はＴＥＭ00の理論値のレーザビームの拡がり角を示し、θ4はＣＣＤカメラ22により実測したレーザビームの拡がり角を示している。図３に示すように、本発明のレーザ光線測定装置によれば、ＴＥＭ00の理論値のビーム拡がり角θ3と、実測のビーム拡がり角θ4が一致していた。従って本発明は、ビーム直径が変わることなくレーザ出力を減衰でき、正確なビーム直径が測定できるものと言える。このことは、レーザビームの強度を減衰させるレーザ光線減衰手段16、即ちλ／２板18および偏光子20は熱レンズ効果を発生するものでなく、これらの光学素子により何らビーム径に変化を与えないことを示している。
【００４０】
ここで従来の吸収フィルタによるレーザビーム減衰手段と、上述した本発明の実施形態に係るレーザ光線減衰手段とを用いて、ＣＣＤカメラでビーム形状を撮像・測定した結果を図４（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ａ）に示すように、従来の吸収フィルタによるレーザビーム減衰手段を用いた場合には、熱レンズ効果によりビーム直径が小さく撮像されていることがわかる。しかし、本発明の実施形態に係るλ／２板18と偏光子20とを組合せたレーザ光線減衰手段16を用いる場合には、熱レンズ効果を発生するような光学素子を含まないので、そのレーザ光線減衰手段16を通過するレーザビームの形状に変化を与えることがない。そのため、図４（ｂ）に示すように、正確なビーム径を有する形状を測定することができる。このことは、図３に示すように理論値の広がり角と実測値の拡がり角が一致していることで理解される。
【００４１】
以上で説明した本発明の実施形態ではレーザ光源からのレーザ光線を水平偏光としたが、もちろん直線偏光を用いることもできる。またレーザ光源からのレーザ光線は特定の偏光状態とされていれば良く、λ／２板の手前に例えばλ／４板等の偏光子を挿入することで特定の円偏光、楕円偏光を用いることも可能である。また、レーザ光線減衰素子として機能する石英板は、図１に示した２枚に限らず、１枚、あるいは３枚以上用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ光線測定装置の構成を示すブロック図、
【図２】（ａ）λ／２板を回転したときの、垂直偏光と水平偏光の強度比を示す線図、（ｂ）λ／２板の回転角度θと水平偏光レーザ出力相対値の関係を示すグラフ、
【図３】本発明のレーザ光線測定装置でレーザ出力を減衰して測定したビーム拡がり角と測定位置の関係を示すグラフ、
【図４】（ａ）従来の吸収フィルタによるレーザビーム減衰手段を採用したレーザ光線測定装置でレーザ出力を減衰して測定したビーム形状の代用写真、（ｂ）本発明の実施形態に係るレーザ光線減衰手段を採用したレーザ光線測定装置でレーザ出力を減衰して測定したビーム形状の代用写真、
【図５】従来のレーザ光線測定装置の第１の構成例を示すブロック図、
【図６】従来のレーザ光線測定装置の第２の構成例を示すブロック図、
【図７】従来の第２の構成例によるレーザ光線測定装置でレーザ出力を減衰して測定したビーム拡がり角と測定位置の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１  レーザ光線放射ファイバ端
２  プリズム
３  フォトダイオード
６ａ、６ｂ  減衰フィルタ
10、200  レーザヘッド
12、14、201、202  石英板
16  レーザ光線減衰手段
18  λ／２波長板
20  偏光子
22、208   ＣＣＤカメラ(レーザ光線測定手段)
24  モータ
26  撮像処理回路
28  モニタ
101   出力光路
102   測定光路
204、206  吸収フィルタ
【図１】
2005214752.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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