(57)【要約】レーザ発振器（１０）と光ファイバ（３０）との間に調芯機構（２０）を有している。レーザ発振器（１０）から出射されたレーザ光（１１）は、調芯機構（２０）を介して光ファイバ（３０）の出射端（３２）から出射される。レーザ光評価装置（２００）は、ＣＣＤカメラ（１００）を有しており、レーザ光（１１）の一部をＣＣＤカメラ（１００）の受光面で受光し、光強度分布を取得する。この光強度分布に基づいて、調芯機構（２０）によりレーザ発振器（１０）と光ファイバ（３０）との間の調芯を行う。
2018105453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光評価装置を用いてレーザ発振器と光ファイバとの間で調芯する方法であって、
前記レーザ発振器と前記光ファイバとの間に調芯機構が設けられ、
前記レーザ光評価装置は、前記光ファイバから出射されたレーザ光を受光面上で受光する受光部を有し、
前記レーザ発振器から出射されて前記調芯機構を介して前記光ファイバで導波されたレーザ光を前記受光部の前記受光面上で受光するステップと、
前記受光部の前記受光面上で受光されたレーザ光の光強度分布に基づいて、前記調芯機構により前記レーザ発振器と前記光ファイバとの間の調芯を行うステップと、を備える、調芯方法。
【請求項２】
前記受光面上での前記光強度分布から導出される、前記光ファイバから出射されたレーザ光の開口数が最小となるように、前記レーザ発振器と前記光ファイバとの間の調芯を行う、請求項１に記載の調芯方法。
【請求項３】
前記光ファイバはダブルクラッドファイバであり、
前記受光面上での前記光強度分布に現れる２次ピークの位置に基づいて前記レーザ発振器と前記光ファイバとの間の調芯を行う、請求項１に記載の調芯方法。
【請求項４】
前記レーザ光評価装置は、
前記レーザ光の一部を前記受光部に向けて偏向するミラーユニットと、
前記ミラーユニットで偏向された前記レーザ光を、該レーザ光の放射角分布が位置分布に変換されるように整形するｆθレンズと、
前記ｆθレンズで整形された前記レーザ光の進行方向を変化させるフィールドレンズと、
前記フィールドレンズを通過した前記レーザ光を減光する減光フィルタと、
前記減光フィルタを通過した前記レーザ光を、前記受光面に集光する結像レンズと、を有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の調芯方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置等におけるレーザ発振器と光ファイバとの間の調芯方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体レーザや固体レーザ等のレーザ発振器からの出射光を光ファイバで導波して、ワークの溶接や加工を行うレーザ加工装置が、従来、知られている。【０００３】
レーザ発振器と光ファイバとの結合効率を高めて、加工に用いるレーザ光の出力を確保するために、通常、レーザ発振器と光ファイバとの間で調芯が行われる。【０００４】
従来、レーザ発振器からの出射光を、集光レンズ等の光学部材を介して光ファイバの一方の端面に入射させ、他方から出射された光の出力をパワーメータや受光素子等で測定し、この出力が最大となるように集光レンズの位置等を調整して、調芯を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−１６７７５４号公報
【発明の概要】
【０００６】
近年、加工精度に対する要求が厳しくなっており、ワークに照射されるレーザビームの形状制御が重要になってきている。
【０００７】
しかし、レーザビームのパワーが最大となる集光レンズの位置と、レーザビームの形状が最良となる集光レンズの位置とは必ずしも一致しない。そのため、前者の位置で集光レンズを固定して調芯を終えると、所望のレーザビーム形状が得られないおそれがあった。また、その結果、調芯作業のやり直し等が発生し、作業効率が低下するおそれがあった。
【０００８】
本発明の一態様はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、レーザビームの光強度分布のモニター結果に基づいて調芯を行う方法を提供することにある。
【０００９】
上記の目的を達成するために、この発明の一態様では、調芯で用いる受光部の受光面上での光強度分布に基づいてレーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行うようにした。
【００１０】
具体的には、本発明の一態様に係る調芯方法は、レーザ光評価装置を用いてレーザ発振器と光ファイバとの間で調芯する方法であって、レーザ発振器と光ファイバとの間に調芯機構が設けられ、レーザ光評価装置は、光ファイバから出射されたレーザ光を受光面上で受光する受光部を有し、レーザ発振器から出射されて調芯機構を介して光ファイバで導波されたレーザ光を受光部の受光面上で受光するステップと、受光部の受光面上で受光されたレーザ光の光強度分布に基づいて、調芯機構によりレーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行うステップと、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この方法によれば、受光面上で受光されたレーザ光の光強度分布に基づいてレーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行うため、調芯精度が向上するとともに、最終的に出力されるレーザ光の形状を良好なものとすることができる。
【００１２】
受光面上での光強度分布から導出される、光ファイバから出射されたレーザ光の開口数が最小となるように、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行う、のが好ましい。
【００１３】
この方法によれば、受光面上の光強度分布から導出される開口数が最小となるように、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行うため、最終的に出力されるレーザ光のスポット径を所望の大きさに絞ることができる。
【００１４】
光ファイバはダブルクラッドファイバであり、受光面上での光強度分布に現れる２次ピークの位置に基づいて、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行う、のが好ましい。
【００１５】
この方法によれば、レーザ発振器とダブルクラッドファイバとの間の調芯精度が向上するとともに、最終的に出力されるレーザ光の形状を良好なものとすることができる。
【００１６】
上記のレーザ光評価装置は、レーザ光の一部を受光部に向けて偏向するミラーユニットと、ミラーユニットで偏向されたレーザ光を、該レーザ光の放射角分布が位置分布に変換されるように整形するｆθレンズと、ｆθレンズで整形されたレーザ光の進行方向を変化させるフィールドレンズと、フィールドレンズを通過したレーザ光を減光する減光フィルタと、減光フィルタを通過したレーザ光を、受光面に集光する結像レンズと、を有している、のが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、レーザ光の放射角分布を受光面上での光強度分布に変換でき、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を簡便に行える。
【００１８】
以上説明したように、本発明の一態様によれば、レーザ発振器と光ファイバとの調芯精度を向上させ、最終的に出力されるレーザ光の形状を良好なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態１におけるレーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行うための各種装置の配置を示す図である。
【図２】ミラーユニットの分光特性を示す図である。
【図３】ｆθレンズの機能を説明する概略図である。
【図４】フィールドレンズの機能を説明する概略図である。
【図５】結像レンズの機能を説明する概略図である。
【図６Ａ】レーザ発振器の光軸に直交する方向から見た、調芯機構の概要を示す図である。
【図６Ｂ】レーザ発振器の光軸方向から見た、調芯機構の概要を示す図である。
【図７】調芯機構内の集光レンズ位置に対するレーザ光パワー及び開口数の変化を示す図である。
【図８】ＣＣＤカメラ上でのレーザ光強度分布を示す概略図である。
【図９】ミラーユニットの別の分光特性を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態２に係る、ＣＣＤカメラ上でのレーザ光強度分布を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
【００２１】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るレーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行うための各種装置の配置を示す。レーザ発振器１０と、光ファイバ３０と、調芯機構２０とが配置される。レーザ発振器１０は、レーザ光１１を出射する。光ファイバ３０は、レーザ発振器１０から出射されるレーザ光１１を導波する。調芯機構２０は、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行うためのものである。さらに、レーザ光評価装置２００が、光ファイバ３０の出射端３２から出射されたレーザ光を受け取り、その特性を評価するように配置される。なお、本実施形態において、光ファイバ３０はシングルクラッドファイバである。
【００２２】
また、調芯機構２０は、通常、レーザ発振器１０の筐体（図示せず）内に配置される。
【００２３】
レーザ光評価装置２００は、ミラーユニット４０と、積分球５０と、集光部６０と、を備えている。ミラーユニット４０は、光ファイバ３０の出射端３２から出射されたレーザ光１１の一部を偏向し、残りを透過する。積分球５０は、ミラーユニット４０を透過したレーザ光１２を吸収・冷却するダンパ部である。集光部６０は、ミラーユニット４０によって偏向されたレーザ光１３をＣＣＤカメラ１００の受光面に集光する。
【００２４】
さらに、レーザ光評価装置２００は、ＣＣＤカメラ１００と、画像処理部１１０と、モニター１２０と、を備えている。ＣＣＤカメラ１００は、受光面としてのＣＣＤセンサ（図示せず）を有する受光部であり、レーザ光１３を受光し、画像信号を生成する。画像処理部１１０は、ＣＣＤカメラ１００からの画像信号を処理する。モニター１２０は、画像処理部１１０で画像処理された画像を表示する。
【００２５】
集光部６０は、ｆθレンズ６１と、フィールドレンズ６２と、を有している。ｆθレンズ６１は、ミラーユニット４０によって偏向されたレーザ光１３をその放射角に対応した高さのスポットに変換する等距離射影レンズである。フィールドレンズ６２は、ｆθレンズ６１の焦点距離に対応した位置に配置され、ｆθレンズ６１を通過したレーザ光１３を集光する。さらに、集光部６０は、減光フィルタ６３と、結像レンズ６４と、を有している。減光フィルタ６３は、フィールドレンズ６２を通過したレーザ光１３を減光する。結像レンズ６４は、減光フィルタ６３を通過したレーザ光１３をＣＣＤカメラ１００の受光面に集光する。
【００２６】
ミラーユニット４０は、レーザ光１３から集光部６０とＣＣＤカメラ１００を保護するために、図２に示すような分光特性を有しており、レーザ光１１の大部分を透過させる。
【００２７】
ミラーユニット４０は、熱レンズ対策として低ＯＨ基材からなるミラーである。
【００２８】
また、ミラーユニット４０は、高出力から低出力までのレーザ光１１に対応するため、交換可能なように構成されている。本実施形態では、レーザ光１１が高出力、例えば、ｋＷクラスの出力の場合に対応する、高透過かつ低反射のミラーを使用している。
【００２９】
ミラーユニット４０で偏向されたレーザ光１３は、ｆθレンズ６１に入射する。ｆθレンズ６１は、入射したレーザ光１３をその放射角に対応した高さのスポットに変換する機能、言い換えると、レーザ光１３の放射角分布を位置分布に変換する機能を有している。
【００３０】
図３に示すように、ｆθレンズ６１に角度θで入射したレーザ光１３は、式（１）の関係を満足するように集光される。
【００３１】
ｙ=ｆ×θ  ・・・（１）
ここで、
ｙ：  ｆθレンズ６１の焦点位置での像高  ｆ：  ｆθレンズ６１の焦点距離
θ：  レーザ光１３の放射角
である。
【００３２】
ｆθレンズ６１が上記の特性を持つことから、ｆθレンズ６１を通過後のレーザ光１３の光強度分布を観察すると、レーザ光１３の特性を求めることができる。例えば、光強度分布のピークの半値となる高さから、ｆθレンズ６１に入射したレーザ光１３の入射角の半値を容易に求めることができる。
【００３３】
なお、図３では、レンズ３枚でｆθレンズ６１を構成する例を示したが、それ以上またはそれ以下の枚数のレンズを使用してもよい。
【００３４】
ｆθレンズ６１を通過したレーザ光１３は、ｆθレンズ６１の焦点位置近傍に配置されたフィールドレンズ６２に入射する。図４に示すように、フィールドレンズ６２は、ｆθレンズ６１を通過したレーザ光１３の進行方向を変えて結像レンズ６４へ入射させる。フィールドレンズ６２が無い場合、ｆθレンズ６１を通過したレーザ光１３は拡がり続け、像の周辺の光は、結像レンズ６４に入ることなく進んでいくことになる。
【００３５】
なお、図４では、減光フィルタ６３の図示を省略している。また、図４では、レンズ１枚でフィールドレンズ６２を構成する例を示したが、それ以上の枚数のレンズを使用してもよい。
【００３６】
フィールドレンズ６２を通過したレーザ光１３は、減光フィルタ６３に入射する。減光フィルタ６３は、ＣＣＤカメラ１００上の光強度を調整するために、入射したレーザ光１３を減衰させる機能を有する。「ＣＣＤカメラ１００上」とは、より詳しくは、「ＣＣＤカメラ１００のＣＣＤセンサ上」のことである。
【００３７】
減光フィルタ６３を通過したレーザ光１３は、結像レンズ６４に入射する。図５に示すように、ｆθレンズ６１を通過した後のレーザ光１３を、ＣＣＤカメラ１００のセンサーサイズに合うように、結像レンズ６４によって、所定の倍率で縮小する。
【００３８】
なお、図５では、レンズ６枚で結像レンズ６４を構成する例を示したが、それ以上またはそれ以下の枚数のレンズを使用してもよい。
【００３９】
結像レンズ６４を通過したレーザ光１３は、ＣＣＤカメラ１００に入射する。ＣＣＤカメラ１００は、ＣＣＤカメラ１００のＣＣＤセンサが結像レンズ６４の焦点距離に対応した位置に来るように配置されている。
【００４０】
次に、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯方法について説明する。
【００４１】
ＣＣＤカメラ１００上の光強度分布は、画像処理部１１０で処理されて、モニター１２０に画像として表示される。この光強度分布を観測しながら、調芯機構２０によってレーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行う。以下、具体的な調整方法について説明する。
【００４２】
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、調芯機構２０は、集光レンズ２１とレンズ位置調整ネジ２２〜２４から構成されている。レンズ位置調整ネジ２２〜２４は、集光レンズ２１をＸ，Ｙ，Ｚ方向へそれぞれ移動させるための調整ネジである。
【００４３】
レーザ発振器１０から出射したレーザ光１１は、調芯機構２０内の集光レンズ２１によって、集光されて光ファイバ３０の入射端３１に入射する。集光レンズ２１によって集光されるレーザ光１１が、入射端３１に入射するように、レンズ位置調整ネジ２２〜２４を用いて、集光レンズ２１の位置を調整する。これによりレーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯が行われる。
【００４４】
一般的な調芯方法では、光ファイバ３０の出射端３２から出射されるレーザ光１１の出力を観測し、この出力が最大となるように、集光レンズ２１の位置を調整している。
【００４５】
しかし、図７に示すように、この一般的な調整方法では、集光レンズ２１と光ファイバ３０の入射端３１と間の位置ズレに対する感度が低い。また、レーザ光の出力が最大となる集光レンズ２１の位置近傍では、集光レンズ２１の位置変動に対するレーザ光の出力の変動がきわめて小さい。このことにより集光レンズ２１と光ファイバ３０との間の位置調整精度が低くなっていた。
【００４６】
これは、主に、光ファイバ３０のコア径よりも、集光レンズ２１で集光されるレーザ光１１のスポットサイズが小さいことに起因する。
【００４７】
光ファイバ３０の入射端３１に入射するレーザ光１１のスポットサイズが、光ファイバ３０のコア径と同等以上であると、一部のレーザ光が、光ファイバ３０のコアに入射されず、ロスを生じてしまう。また、コアからはみ出てクラッドにレーザ光が入射した場合、入射端３１の端面が損傷するおそれもあった。
【００４８】
よって、例えば、光ファイバ３０のコア径よりも、集光レンズ２１で集光されるレーザ光１１のスポットサイズを小さくすることで、これらの問題が発生しないようにしていた。
【００４９】
しかし、この場合、光ファイバ３０の入射端３１に入射するレーザ光１１の光軸が、光ファイバ３０の光軸とズレを生じていても、レーザ光１１の全量が光ファイバ３０を通過する。これにより、光ファイバ３０の出射端３２から出力されるレーザ光１１は、空間的に見て非対称な形状となる可能性があった。そのため、最終的にワークに照射されるレーザ光の形状に偏りを生じたりするおそれがあった。
【００５０】
そこで、本実施形態では、ＣＣＤカメラ１００上のレーザ光１３の光強度分布から導出されるレーザ光１３の開口数（以下、ＮＡという）を集光レンズ２１の位置調整時の指標にすることで、上記の問題を解決している。
【００５１】
図７に示すように、ＮＡは集光レンズ２１の位置変動に敏感に反応するため、レーザ光１１の出力を調整の指標とする場合よりも調芯の精度が向上する。
【００５２】
ここで、ＣＣＤカメラ１００上のレーザ光１３の光強度分布から、ＮＡを導出する方法について説明する。
【００５３】
図８は、ＣＣＤカメラ１００上でのレーザ光１３の光強度分布を示す。この分布から、Ｘ方向及びＹ方向の強度プロファイルを取得する。
【００５４】
まず、各々のプロファイルにおいて、強度が最大となるＸ方向の位置座標ｘ０及びＹ方向の少なくとも一方の位置座標ｙ０を求める。さらに、最大強度の１／ｅ２となる強度でのＸ方向の位置座標ｘ１及びＹ方向の少なくとも一方の位置座標ｙ１を求める。
【００５５】
ｘ０とｘ１との差をｘとし、ｙ０とｙ１との差をｙとすると、ｘ、ｙはそれぞれ式（２）、（３）の関係を満たす。
【００５６】
ｘ＝ｆ’×θ  ・・・（２）
ｙ＝ｆ’×θ  ・・・（３）
ここで、
ｆ’：  集光部６０の光学系より決定されるパラメータ
である。なお、θは、式（１）に示したのと同じく、レーザ光１３の放射角である。
【００５７】
また、
ＮＡ＝ｓｉｎθ  ・・・（４）
であるから、上記の式（２）または式（３）を式（４）に代入して、
ＮＡ＝ｓｉｎ（ｘ／ｆ’）  ・・・（５）
ＮＡ＝ｓｉｎ（ｙ／ｆ’）  ・・・（６）
が導かれる。
【００５８】
上記の式（５）、（６）からわかるように、ＣＣＤカメラ１００上の光強度分布から直接的にＮＡを求めることができる。Ｘ方向の強度プロファイルのみからＮＡを求めても、Ｙ方向の強度プロファイルのみからＮＡを求めてもよい。
【００５９】
なお、両方の強度プロファイルからＮＡをそれぞれ導出することで、ＮＡの導出精度、ひいては、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯精度が向上する。
【００６０】
いずれの場合も、得られたＮＡが最小となるように、レンズ位置調整ネジ２２〜２４を用いて、集光レンズ２１の位置を調整し、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行うことで、最終的に得られるレーザ光の出力を確保しつつ、その形状を良好なものとすることができる。
【００６１】
また、レーザ光１１が低出力の場合には、図１に示したミラーユニット４０として、図９に示す分光特性を有するミラーを用いるとよい。低出力とは、例えば、数十ｍＷ〜Ｗクラスの出力という。
【００６２】
この場合は、図１において、ミラーユニット４０に入射するレーザ光１１の大部分は反射してｆθレンズ６１に入射し、残りの一部が積分球５０に入射する。
【００６３】
（実施形態２）
図１０は、本発明の実施形態２に係る、ＣＣＤカメラ１００上でのレーザ光の光強度分布を示す。実施形態１との違いは、光ファイバ３０としてダブルクラッドファイバを用いること、及び集光レンズ２１の位置調整指標として、ＣＣＤカメラ１００上の光強度分布に現れる２次ピーク位置を用いる点である。
【００６４】
図１０に示すように、光ファイバ３０がダブルクラッドファイバである場合、ＣＣＤカメラ１００上の光強度分布において、強度が最大となる位置Ｐ１以外に、２次ピークが現れる位置Ｐ２が発生することがある。図１０の例では、Ｘ方向に２つの位置Ｐ２があり、Ｙ方向に２つの位置Ｐ２がある。
【００６５】
この２次ピークは、コアを囲む第１クラッドと、第１クラッドを囲む第２クラッドとの界面で、第１クラッド内を導波するレーザ光が一部反射されることにより生じる。
【００６６】
例えば、Ｘ方向の２つの位置Ｐ２を導出し、その２つの位置Ｐ２の中間点が、画像上の中心に来るように集光レンズ２１の位置を調整する。このことで、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行うことができる。同様に、Ｙ方向の２つの位置Ｐ２を利用して調芯を行うこととしてもよい。また、Ｘ方向の２つの位置Ｐ２及びＹ方向の２つの位置Ｐ２を利用して調芯を行うこととしてもよい。
【００６７】
（その他の実施形態）
レーザ発振器１０が、例えば、特開２０１６−７３９８３号公報や特開２０１６−１１２６０９号公報に開示された、複数の波長成分を有するレーザ光を出射する構成であると、各々の波長毎に、図１に示すＣＣＤカメラ１００上でのレーザ光の焦点が異なってくる。
【００６８】
このような場合には、レーザ光の中心波長に対する結像レンズ６４の焦点位置にＣＣＤカメラ１００を配置することで、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行うことができる。
【００６９】
また、結像レンズ６４をレーザ光１３の光軸方向に移動可能な構成にすると、レーザ光１３に含まれる異なる波長成分に対して、ＣＣＤカメラ１００の受光面上での焦点を各々合わせることが可能となる。例えば、結像レンズ６４をレーザ光１３の光軸方向に移動して、波長成分毎にＣＣＤカメラ１００の受光面上での焦点を合わせた上で、取得した複数の光強度分布からそれぞれＮＡを求めて、調芯を行ってもよい。
【００７０】
なお、実施形態１において、光ファイバ３０をシングルクラッドファイバとしたが、ダブルクラッドファイバでもよい。
【００７１】
レーザ光１３を受光するカメラとして、ＣＣＤカメラ１００の代わりに、ＣＭＯＳイメージセンサ等の他の２次元光センサを搭載するカメラを用いてもよい。
【００７２】
また、各実施形態において、光ファイバ３０の出射端３２から出射されたレーザ光１１を用いて調芯を行っているが、例えば、出射端３２に、コリメータレンズや集光レンズ及び保護ガラス等を搭載したレーザ出射ユニット（図示せず）を取り付け、レーザ出射ユニットから出射されたレーザ光１１を用いて、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の一態様の調芯方法は、最終的に得られるレーザ光の出力を確保しつつ、その形状を良好なものとすることができ、有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１０        レーザ発振器
２０        調芯機構
２１        集光レンズ
２２〜２４  レンズ位置調整ネジ
３０        光ファイバ
４０        ミラーユニット
５０        積分球
６０        集光部
６１        ｆθレンズ
６２        フィールドレンズ
６３        減光フィルタ
６４        結像レンズ
１００      ＣＣＤカメラ（受光部）
１１０      画像処理部
１２０      モニター
２００      レーザ光評価装置
Ｐ２        ２次ピーク位置
【図１】
2018105453.tif 000003
【図２】
2018105453.tif 000004
【図３】
2018105453.tif 000005
【図４】
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【図５】
2018105453.tif 000007
【図６Ａ】
2018105453.tif 000008
【図６Ｂ】
2018105453.tif 000009
【図７】
2018105453.tif 000010
【図８】
2018105453.tif 000011
【図９】
2018105453.tif 000012
【図１０】
2018105453.tif 000013
【国際調査報告】
2018105453.tif 000014
2018105453.tif 000015
2018105453.tif 000016
2018105453.tif 000017