JP4130599B2

JP4130599B2 - レーザ光照射装置

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Publication number: JP4130599B2
Application number: JP2003067903A
Authority: JP
Inventors: 拓也上原; 成彦向井; 勝彦佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP2004279087A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源としてレーザ装置を用い、そのレーザ装置のレーザ光を照射ヘッドにより照射対象に対して照射したときの戻り光の強度変化を計測することで焦点ずれを検知すると共に、照射対象と照射ヘッドとの距離または角度を計測する機能を備えたレーザ光照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光源からの光を集光した際の焦点と照射対象との位置関係を検出する方法として、非点収差法やナイフエッジ法などが知られている。この非点収差法およびナイフエッジ法では、照射対象からの戻り光の像を受光素子に映し、その戻り光の像の形状に基づいて現在の焦点位置からどちらに集光レンズを動かすと合焦点位置になるかを検知することができる。
【０００３】
また、このような方法を用いた距離計側システムでは、可動型の集光レンズを動かすことにより合焦点位置を探査し、合焦点状態にしたときの可動レンズ位置から照射対象までの距離を算出している。
【０００４】
いずれの方法においても戻り光の像の形状を利用するため、光ファイバなどのような伝送送路を用いることができず、受光素子を照射ヘッド内に搭載する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のシステムでは、レーザ光を照射対象に照射したときの戻り光とは別の光が照射ヘッド内の受光素子に入射した場合にそれを区別することができない。このため、焦点近傍に例えばレーザ溶接によるプラズマなどの高強度の発光や他のレーザによる散乱等の外乱光が存在すると、これらの外乱光によって合焦点位置を誤認してしまい、その結果、距離計測などの精度も著しく低下するなどの問題があった。
【０００６】
また、受光素子を照射ヘッド内に搭載しなければならないため、その分だけ照射ヘッドの寸法が大きくなり、寸法制約のある部位で使用することが困難となる。さらに、受光素子は半導体でできているため、例えば原子炉などの放射線環境では、その受光素子を搭載した照射ヘッドを用いることができないなどの問題があった。
【０００７】
本発明は上記のような点に鑑みなされたもので、光の外乱の影響を受けずに、照射対象からの戻り光を利用して焦点位置を正しく検知でき、また、照射対象まで距離や角度の計測を高精度に行うことのできるレーザ光照射装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るレーザ光照射装置は、レーザ光を発生するレーザ光源と、このレーザ光源から発生したレーザ光を入射側から照射対象に導くとともに、この照射対象に照射したレーザ光の戻り光を上記入射側に伝送する光ファイバと、この光ファイバから受けたレーザ光を集光して上記照射対象に照射するための集光レンズを有する照射ヘッドと、この照射ヘッド内に設けられて上記集光レンズを光軸方向に微細振幅で振動させる振動機構と、上記照射ヘッドから上記照射対象に照射したレーザ光の戻り光を検知する受光素子と、この受光素子と上記光ファイバとの間に設けられ、上記戻り光のうち上記レーザ光源から発生したレーザ光の波長に対応する信号のみを選択的に上記受光素子に与えるバンドパスフィルタと、この受光素子で検知された戻り光の強度を検出する光強度検出手段と、上記照射ヘッドを光軸方向に動作させる駆動機構と、この光強度検出手段によって検出された戻り光強度と上記振動機構の振動とを対応させて焦点位置を検出する制御手段とを備え、上記受光素子、バンドパスフィルタ及び光強度検出手段は、上記照射ヘッドとは別体でかつ離れた位置に配置されており、かつ、上記制御手段は、上記振動機構による結像位置の振動中心を合焦点位置に調整するべく上記駆動機構を駆動制御することを特徴とする。
【０００９】
このような構成のレーザ光照射装置によれば、光源から発振されたレーザ光は、例えば光ファイバなどの伝送路を介して照射ヘッドに与えられ、照射ヘッド内の集光レンズによって集光された後、照射対象に照射される。また、照射対象からの戻り光は、バンドパスフィルタを通して、例えばフォトダイオードからなる受光素子に与えられた後、その戻り光の強度が光強度検出手段にて検知される。そして、例えばパーソナルコンピュータからなる制御手段によって、上記光強度検出手段によって検出された戻り光強度が同期検波され、上記振動機構によって上記集光レンズの振動させたときの応答特性から焦点位置が検出される。
【００１０】
このように、戻り光の強度波形と振動機構の応答特性との関係から焦点位置を検知することで、他の光源などからの不連続な外乱に対して強い焦点検知が可能となる。
また、上記駆動機構によって上記照射ヘッドを光軸方向に動作させて、結像位置振動中心を合焦点位置に調整することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
まず、図１乃至図７を参照しながら、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２２】
図１は本発明の第１の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図である。このレーザ光照射装置は、例えば放射線環境など、検査員が直接検査できない場所にて、レーザ光を利用して構造物内の表面検査等を行う場合に用いられるものである。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態におけるレーザ光照射装置は、ＨｅＮｅレーザ装置１を光源として有する。このＨｅＮｅレーザ装置１から発振される波長５９４ｎｍのレーザ光２は、入射光学装置である入射レンズ１１により集光されて光ファイバ１０に入射され、この光ファイバ１０を通って照射ヘッド４に伝送される。照射ヘッド４内には、振動レンズ５およびコリメートレンズ６が備えられている。また、集光レンズである振動レンズ５には、振動機構としてのピエゾアクチュエータ７が取り付けられている。このピエゾアクチュエータ７は、振動レンズ５を微細振幅で振動させるためのものであり、ピエゾアクチュエータドライバ２０によって駆動される。
【００２４】
ＨｅＮｅレーザ装置１から光ファイバ１０を介して照射ヘッド４まで伝送されたレーザ光２は、その照射ヘッド４内に設けられたコリメートレンズ６を介してコリメートされた後に振動レンズ５を介して集光されて照射対象３に照射される。この照射対象３は、例えば放射線環境などに設置された構造物であり、その構造物表面にレーザ光２が照射ヘッド４内の光学系レンズを介して照射されることになる。その際、照射ヘッド４内に設けられた振動レンズ５は、ピエゾアクチュエータ７およびピエゾアクチュエータドライバ２０からなる振動機構によって一定周期で振動している。
【００２５】
ここで、第１の実施形態では、ピエゾアクチュエータ７を含む照射ヘッド４全体を光軸方向に動作させるための駆動機構として、ＤＣモータ８とそのＤＣモータ８を駆動するモータドライバ１９が設けられており、この駆動機構によりレーザ照射装置本体９に対する光ファイバ１０の端面像が結像される位置を調整する可能としている。
【００２６】
また、照射対象３からの戻り光１３は照射時と同じ伝送経路を通って入射側に伝送される。その伝送経路上には、ＨｅＮｅレーザ装置１からの入射光と照射対象３から散乱される戻り光１３を分離可能なハーフミラー１２が設置されている。このハーフミラー１２の反射方向には、戻り光を集光するための戻り光集光レンズ１４、外乱を排除するための分光装置であるバンドパスフィルタ１５、受光素子として用いられるフォトダイオード１６、フォトダイオード１６にて検知される戻り光１３の強度を検出する戻り光強度検出装置１７、そして、この戻り光強度検出装置１７から出力される信号を演算処理して焦点調整制御などを行う演算装置１８が設置されている。
【００２７】
なお、演算装置１８としては、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）が用いられる。
【００２８】
このような構成において、光源であるＨｅＮｅレーザ装置１から発振される波長５９４ｎｍのレーザ光２は、入射レンズ１１を介して集光されて光ファイバ１０に入射され、この光ファイバ１０を通って照射ヘッド４に伝送される。そして、このレーザ光２は、照射ヘッド４内に設けられたコリメートレンズ６を介してコリメートされた後に振動レンズ５を介して集光されて照射対象３に照射される。
【００２９】
レーザ光２が照射対象３に対して照射されると、そのレーザ光２が照射対象３の表面で乱反射して光ファイバ１０を通って入射側に戻り光１３として戻ってくる。このときの戻り光１３は、入射側に設けられたハーフミラー１２によって戻り光集光レンズ１４に導かれる。この光集光レンズ１４にて集光された戻り光１３は、バンドパスフィルタ１５にて波長５９４±５ｎｍの信号のみ選択的に受光素子であるフォトダイオード１６に与えられ、戻り光強度検出装置１７により±１０．０Ｖの電圧信号に変換されて演算装置１８に送られる。
【００３０】
演算装置１８では、戻り光強度検出装置１７からの光強度信号を同期検波演算処理すると共に、その結果を用いてＤＣモータ８を駆動するためのＰＩＤ（proportional integration and differential）制御のための演算を行うことにより駆動指令をモータドライバ１９に送信する。モータドライバ１９は、この駆動指令に従ってＤＣモータ８を駆動する。このＤＣモータ８の駆動に伴い照射ヘッド４が動作することで、振動レンズ５の振動動作に伴う結像位置が合焦点位置に調整される。
【００３１】
このように構成された本実施形態の作用について、図２乃至図７を用いて説明する。
【００３２】
図２は本装置における焦点位置に対するＨｅＮｅレーザ光の戻り光強度の関係を示す曲線図であり、図中の２１ａは本装置にて得られる戻り光強度曲線を表している。図３乃至図５は本装置における振動レンズ応答と戻り光強度変化との関係を示す曲線図であり、図中の２１ｂ〜２１ｄは戻り光強度曲線、２２は振動レンズ応答曲線を表している。
【００３３】
また、図６は本装置におけるＨｅＮｅレーザ光の焦点の中心位置に対して振動レンズ応答の基本波と戻り光強度変化を同期検波演算した結果を示す曲線図であり、図中の２３は戻り光基本波成分を表している。図７は本装置におけるＨｅＮｅレーザ光の焦点の中心位置に対して振動レンズ応答の２倍波と戻り光強度変化を同期検波演算した結果を示す曲線図であり、図中の２４ａは戻り光２倍波成分、２４ｂは戻り光２倍波成分（レンズ振幅小の場合）、２４ｃは戻り光２倍波成分（レンズ振幅大の場合）をそれぞれ表している。
【００３４】
フォトダイオード１６と戻り光強度検出装置１７によって検出される戻り光１３の光強度は、図２の戻り光強度曲線２１ａに示すように、戻り光集光レンズ１４によって光ファイバ１０の端面像が結像される位置と照射対象３とが一致した状態、つまり、合焦点状態であるときに最大値をとる。これに対し、焦点位置が照射ヘッド４の側に近くても、逆に遠くても強度レベルは減少する。このことから、振動機構であるピエゾアクチュエータ７によって照射ヘッド４内の振動レンズ５を振動させて結像位置も振動させることにより、戻り光強度にピエゾアクチュエータ７による加振に応じた変化を与えることができる。
【００３５】
この様子を図３乃至図５に示す。
【００３６】
すなわち、例えば結像位置の振動中心が照射対象３より照射ヘッド４の側に振動の幅以上に近い場合（つまり焦点が近い場合）には、図２の最大値より左側の単調増加の範囲で振動することになる。よって、戻り光強度変化は、図３の戻り光強度曲線２１ｂのように振動レンズ応答曲線２２と同じ振動数で位相も一致した曲線として得られる。
【００３７】
一方、結像位置の振動中心が照射対象３より振動の幅以上に遠い場合（つまり焦点が遠い場合）には、図２の最大値より右側の単調減少の範囲で振動することになる。よって、戻り光強度変化は、図４の戻り光強度曲線２１ｃのように振動レンズ応答曲線２２に対して振動数は同じで、位相が１８０度ずれた曲線として得られる。また、結像位置振動中心と合焦点位置が一致している場合には、振動レンズ５の振動１周期の間に図２の最大値を２度通過することになる。よって、戻り光強度変化は、図５の戻り光強度曲線２１ｄのように振動レンズ応答曲線２２の２倍の振動数を持つ曲線として得られる。
【００３８】
このように、戻り光強度の応答から振動レンズ５の応答成分を同期検波し、その結果をもって結像位置振動中心と合焦点位置とのずれ量を検知することができる。
【００３９】
ここで、ピエゾアクチュエータ７によって振動レンズ５を振動数ｆで振動させたときの応答を調和振動として１次近似した波形を基本波と呼び、以下のように定義する。
【００４０】
基本波：Ｆ_１（ｔ）＝ｓｉｎ（２×π×ｆ×（ｔ-δ））
ｆ：振動レンズ振動数
ｔ：時間
δ：位相遅れ
また、基本波の２倍の周期を持ち、基本波が０クロスする時間に最大値をとる関数を２倍波と呼び、以下のように定義する。
【００４１】
２倍波：Ｆ_２（ｔ）＝ｃｏｓ（２×（２×π×ｆ×（ｔ-δ））
まず、戻り光強度検出装置１７からの信号を演算装置１８でハイパスフィルタをかけて変動成分（ＡＣ成分）のみを抽出し、次にｆより十分高い周波数成分を取り除くためにローパスフィルタをかけ、さらに抽出された戻り光強度信号の振幅を揃える。
【００４２】
ここで、第１の実施形態では、ＰＣ等からなる演算装置１８により戻り光強度同期検波を行うことで、戻り光強度から基本波成分と２倍波成分の応答を求める。この場合、焦点の振動中心位置に対する基本波成分と２倍波成分の応答は、図６の２３および図７の２４ａのように得られる。これによると、戻り光基本波成分が０で、かつ、２倍波成分が最大となる条件から結像位置振動中心が合焦点となるには、照射ヘッド４をどちらの方向にどの程度動かせば良いかを検知することができる。そこで、この検知結果に基づいて演算装置１８からモータドライバ１９に対して上記駆動指令を出してＤＣモータ８を駆動制御することにより、結像位置振動中心が合焦点となるように調整する。
【００４３】
モータドライバ１９はＤＣモータ８を駆動するためのものであり、ＤＣモータ８を駆動するためのＰＩＤ制御の演算は同期検波演算と共に演算装置１８によって行われる。バンドパスフィルタ１５はフォトダイオード１６にて検知された光の波長を制限することにより光の外乱を抑え、戻り光強度計測のＳ／Ｎを向上させるのに役立つ。
【００４４】
以上のように第１の実施形態によれば、振動レンズ応答波と戻り光強度波形との比較結果に基づいて焦点が照射対象の表面上に一致する合焦点位置を検知するようにしたことで、照射ヘッド外に設けた受光素子へ入射する他の光源からの不連続な外乱に対して強い焦点検知が可能となる。
【００４５】
また、本装置では、受光素子（フォトダイオード）が照射ヘッドに搭載されていないので、照射ヘッドのサイズを小型化できると共に、原子炉などの放射線環境においても適用することができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００４７】
図８は本発明の第２の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図である。なお、図８において、図１（第１の実施形態）と同一部分には同一符号が付してある。
【００４８】
第２の実施形態におけるレーザ光照射装置は、上記第１の実施形態の構成に加え、駆動機構による照射ヘッド４の変位量を検出するための照射ヘッド変位計測用リニアセンサ２５と、そのリニアセンサ２５を駆動するための変位計測用リニアセンサドライバ２６とを備えている。
【００４９】
このような構成において、光源であるＨｅＮｅレーザ装置１から発振される波長５９４ｎｍのレーザ光２は、入射光学装置である入射レンズ１１を介して集光されて光ファイバ１０に入射され、この光ファイバ１０を通って照射ヘッド４に伝送される。そして、このレーザ光２は、照射ヘッド４内に設けられたコリメートレンズ６を介してコリメートされた後に振動レンズ５を介して集光されて照射対象３に照射される。
【００５０】
一方、照射対象３からの戻り光１３は照射時と同じ伝送経路を通り入射側に伝送され、その伝送経路上に設置されたハーフミラー１２によって戻り光集光レンズ１４に送られる。そして、バンドパスフィルタ１５を介して所定の帯域の信号のみ通過して受光素子であるフォトダイオード１６にて検知される。戻り光強度検出装置１７では、このようにしてフォトダイオード１６にて検知された戻り光１３の強度を検出することにより、その信号を演算装置１８に出力する。演算装置１８では、この戻り光強度に基づいて所定の演算処理を行って上記第１の実施形態で説明したような焦点調整制御を行う。
【００５１】
ここで、照射ヘッド４内に設けられた振動レンズ５が停止している場合、光ファイバ１０の端面像が結像される位置は、照射ヘッド４からの結像距離（これをワークディスタンスまたはＷＤと呼ぶ）として、集光レンズを含む照射ヘッド４の設計により決まっている。
【００５２】
したがって、上記第１の実施形態で説明した方法により、ＤＣモータ８を駆動制御して結像位置振動中心が合焦点位置となるように調整したときに、レーザ照射装置本体９に対する照射ヘッド４の相対位置を照射ヘッド変位計測用リニアセンサ２５によって検知すれば、そのときの照射ヘッド４の変位量と結像距離（ＷＤ）の情報に基づいて、照射ヘッド４から照射対象３のレーザ照射点までの距離を計測することができる。演算装置１８には、このような距離計測のための演算処理を行う機能が備えられている。
【００５３】
このように、第２の実施形態によれば、焦点調整時における照射ヘッドの位置を検知する機構を備えることで、外乱光などの影響を受けずに、照射ヘッドから照射対象のレーザ照射点までの距離を正確に計測することができる。
【００５４】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００５５】
図９は本発明の第３の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図である。なお、図９において、図８（第２の実施形態）と同一部分には同一符号が付してある。
【００５６】
第３の実施形態におけるレーザ光照射装置は、上記第２の実施形態の構成に加え、集光レンズである振動レンズ５の振幅を検出するための振幅検出用リニアセンサ２７と、そのリニアセンサのための振幅検出用リニアセンサドライバ２８とを備えている。
【００５７】
このような構成において、光源であるＨｅＮｅレーザ装置１から発振される波長５９４ｎｍのレーザ光２は、入射光学装置である入射レンズ１１を介して集光されて光ファイバ１０に入射され、この光ファイバ１０を通って照射ヘッド４に伝送される。そして、このレーザ光２は、照射ヘッド４内に設けられたコリメートレンズ６を介してコリメートされた後に振動レンズ５を介して集光されて照射対象３に照射される。
【００５８】
一方、照射対象３からの戻り光１３は照射時と同じ伝送経路を通り入射側に伝送され、その伝送路上に設置されたハーフミラー１２によって戻り光集光レンズ１４側に送られる。そして、バンドパスフィルタ１５を介して所定の帯域の信号のみ通過して受光素子であるフォトダイオード１６にて検知される。戻り光強度検出装置１７では、このようにしてフォトダイオード１６にて検知された戻り光１３の強度を検出することにより、その信号を演算装置１８に出力する。演算装置１８では、この戻り光信号強度に基づいて所定の演算処理を行って上記第１の実施形態で説明したような焦点調整制御を行う。
【００５９】
ここで、図７の２４ａ、２４ｂ、２４ｃの曲線が示すように戻り光１３の２倍波成分が０から正の値を持つようになる結像位置振動中心の位置は、照射ヘッド４内に設けられた振動レンズ５の振幅によって異なる。
【００６０】
第３の実施形態では、このような点に着目し、振幅検出用リニアセンサ２７と振幅検出用リニアセンサドライバ２８とピエゾアクチュエータドライバ２０を用いて、焦点調整時における振動レンズ５の振幅をフィードバック制御し、戻り光強度の同期検波により２倍波成分が０から正の値に変わるときの振動レンズ５の振幅と照射ヘッド変位計測用リニアセンサ２５にて検知される照射ヘッド４の変位情報、そして、結像距離（ＷＤ）の情報を演算装置１８によって換算することで、照射ヘッド４から照射対象３のレーザ照射点までの距離を計測する。演算装置１８には、このような距離計測のための演算処理を行う機能が備えられている。
【００６１】
このように、第３の実施形態によれば、焦点調整時における照射ヘッド内の集光レンズの振幅を検知する機構を備えることで、外乱光などの影響を受けずに、照射ヘッドから照射対象のレーザ照射点までの距離を正確に計測することができる。
【００６２】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００６３】
第４の実施形態では、レーザ光の波長が異なる複数のレーザ装置を用いて、照射ヘッドに対する照射対象の角度を３次元計測することを特徴としたものである。
【００６４】
図１０は本発明の第４の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図である。なお、図１０において、図８（第２の実施形態）と同一部分には同一符号が付してある。
【００６５】
第４の実施形態におけるレーザ光照射装置は、上記第２の実施形態の構成に加え、波長と異なる３種類の半導体レーザ装置１ａ、１ｂ、１ｃを備えている。レーザ装置１ａは上記第１乃至第３の実施形態で示したＨｅＮｅレーザ装置１であり、５９４ｎｍの波長を有するレーザ光２ａを発振する。このレーザ装置１ａの他に、レーザ装置１ｂとレーザ装置１ｃが追加されている。ここでは、レーザ装置１ｂは４８８ｎｍの波長を有するレーザ光２ｂを発振し、レーザ装置１ｂは５３２ｎｍの波長を有するレーザ光２ｃを発振する。
【００６６】
また、これらのレーザ装置１ａ、１ｂ、１ｃに対応して３本の光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃが伝送経路として照射ヘッド４まで延出され、さらに、これらの光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを通って入射側にフィードバックする戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃを波長分離するための光学系として４８８ｎｍ分離用のダイクロイックミラー２９ａと５３２ｎｍ分離用のダイクロイックミラー２９ｂが設けられている。
【００６７】
また、このダイクロイックミラー２９ａ、２９ｂを介して波長分離される戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃに対応させて、３組の戻り光集光レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、バンドパスフィルタ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、フォトダイオード１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、戻り光強度検出装置１７ａ、１７ｂ、１７ｃがそれぞれ設けられた構成になっている。
【００６８】
バンドパスフィルタ１５ａは５９４±５ｎｍ、バンドパスフィルタ１５ｂは４８８±５ｎｍ、バンドパスフィルタ１５ｃは５３２±５ｎｍの信号を通す。フォトダイオード１６ａ、１６ｂ、１６ｃは受光素子であって、これらバンドパスフィルタ１５ａ、１５ｂ、１５ｃを通過した戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃを検知する。戻り光強度検出装置１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、フォトダイオード１６ａ、１６ｂ、１６ｃによって検知された戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃの強度を検出して、その信号を演算装置１８に出力する。
【００６９】
このような構成において、レーザ装置１ａ、１ｂ、１ｃから照射されたレーザ光２ａ、２ｂ、２ｃは、それぞれに対応した光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを介して照射ヘッド４に伝送され、この照射ヘッド４内のコリメートレンズ６を介してコリメートされた後に振動レンズ５を介して集光されて照射対象３に照射される。レーザ光２ａ、２ｂ、２ｃが照射対象３に対して照射すると、これらのが照射対象３の表面上で乱反射して光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを通って入射側に戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃとして戻ってくる。
【００７０】
ここで、これらの戻り光１３ａ、１３ｂ、１３ｃの波長を４８８ｎｍ、５３２ｎｍ、５９４ｎｍに分けて戻り光強度を計測し、それぞれについて同期検波することにより、上記第２の実施形態で説明したような方法を用いて３本の光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの端面像の合焦点距離をそれぞれ計測することができる。これらの光ファイバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの端面像の中心は１本の直線上になく、それぞれに異なる点に結像し、その３点は照射対象３上で必ず平面を形成することになる。したがって、この３点の合焦点距離の計測結果を用いれば、照射ヘッド４に対する照射対象３の角度を３次元計測することができる。演算装置１８には、このような角度計測のための演算処理を行う機能が備えられている。
【００７１】
このように、第３の実施形態によれば、波長の異なる複数のレーザ装置を備えることで、外乱などの影響を受けずに、それぞれの戻り光による合焦点距離の計測結果を用いて照射ヘッドに対する照射対象の角度を３次元計測することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、戻り光の強度波形と振動機構の応答特性との関係から焦点位置を検知する構成としたため、他の光源などからの不連続な外乱に対して強い焦点検知が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図。
【図２】上記レーザ光照射装置における焦点位置に対するＨｅＮｅレーザ光の戻り光強度の関係を示す曲線図。
【図３】上記レーザ光照射装置における振動レンズ応答と戻り光強度変化との関係を示す曲線図であり、焦点が近い場合の曲線図。
【図４】上記レーザ光照射装置における振動レンズ応答と戻り光強度変化との関係を示す曲線図であり、焦点が遠い場合の曲線図。
【図５】上記レーザ光照射装置における振動レンズ応答と戻り光強度変化との関係を示す曲線図であり、結像位置振動中心と合焦点位置が一致した場合の曲線図。
【図６】上記レーザ光照射装置におけるＨｅＮｅレーザ光の焦点の中心位置に対して振動レンズ応答の基本波と戻り光強度変化を同期検波演算した結果を示す曲線図。
【図７】上記レーザ光照射装置におけるＨｅＮｅレーザ光の焦点の中心位置に対して振動レンズ応答の２倍波と戻り光強度変化を同期検波演算した結果を示す曲線図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係るレーザ光照射装置の概略構成を示す図。
【符号の説明】
１…レーザ装置、２…レーザ光、３…照射対象、４…照射ヘッド、５…振動レンズ、６…コリメートレンズ、７…ピエゾアクチュエータ、８…ＤＣモータ、９…レーザ照射装置本体、１０…光ファイバ、１１…入射レンズ、１２…ハーフミラー、１３…戻り光、１４…戻り光集光レンズ、１５…バンドパスフィルタ、１６…フォトダイオード、１７…戻り光強度検出装置、１８…演算装置、１９…モータドライバ、２０…ピエゾアクチュエータドライバ、２１ａ〜２１ｄ…戻り光強度曲線、２２…振動レンズ応答曲線、２３…戻り光基本波成分、２４ａ〜２４ｃ…戻り光２倍波成分、２５…照射ヘッド変位計測用リニアセンサ、２６…変位計測用リニアセンサドライバ、２７…振幅検出用リニアセンサ、２８…振幅検出用リニアセンサドライバ、２９ａ，２９ｂ…ダイクロイックミラー。

Claims

レーザ光を発生するレーザ光源と、
このレーザ光源から発生したレーザ光を入射側から照射対象に導くとともに、この照射対象に照射したレーザ光の戻り光を上記入射側に伝送する光ファイバと、
この光ファイバから受けたレーザ光を集光して上記照射対象に照射するための集光レンズを有する照射ヘッドと、
この照射ヘッド内に設けられて上記集光レンズを光軸方向に微細振幅で振動させる振動機構と、
上記照射ヘッドから上記照射対象に照射したレーザ光の戻り光を検知する受光素子と、
この受光素子と上記光ファイバとの間に設けられ、上記戻り光のうち上記レーザ光源から発生したレーザ光の波長に対応する信号のみを選択的に上記受光素子に与えるバンドパスフィルタと、
この受光素子で検知された戻り光の強度を検出する光強度検出手段と、
上記照射ヘッドを光軸方向に動作させる駆動機構と、
この光強度検出手段によって検出された戻り光強度と上記振動機構の振動とを対応させて焦点位置を検出する制御手段とを備え、
上記受光素子、バンドパスフィルタ及び光強度検出手段は、上記照射ヘッドとは別体でかつ離れた位置に配置されており、かつ、上記制御手段は、上記振動機構による結像位置の振動中心を合焦点位置に調整するべく上記駆動機構を駆動制御することを特徴とするレーザ光照射装置。