CN102138097B - 像差修正方法、使用其的激光加工方法、激光照射方法和像差修正装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及像差修正方法、使用其的激光加工方法、激光照射方法、像差修正装置和像差修正程序。本发明的一个实施方式所涉及的像差修正方法中，在将激光聚光于具有光透过性的介质(60)内部的激光照射装置(1)的像差修正方法中，以使激光的聚光点位于在所述介质内部所产生的像差范围之间的方式，修正激光的像差。若将介质(60)的折射率设为n，将自介质(60)的入射面至透镜(50)的焦点为止的深度设为d，将通过介质(60)而产生的像差设为Δs，则该像差范围为自介质(60)的入射面起n×d以上且n×d+Δs以下。

Description

像差修正方法、使用其的激光加工方法、激光照射方法和像差修正装置

技术领域

本发明涉及修正激光照射装置的像差的像差修正方法、使用该像差修正方法的激光加工方法、使用该像差修正方法的激光照射方法、像差修正装置和像差修正程序。 

背景技术

激光照射装置用于激光加工装置或显微镜等的各种光学装置中。在使用该激光照射装置的激光加工装置中，具备空间光调制器(以下称为SLM)。下述专利文献1～5中公开有具备SLM的激光加工装置。 

专利文献1以及2中所记载的激光加工装置使用SLM，控制激光对加工对象物的照射位置，专利文献3中所记载的激光加工装置使用SLM控制激光。另外，专利文献4中所记载的激光加工装置具备测量激光的波阵面的畸变的单元，并使用SLM修正测量出的波阵面畸变。然而，在该方法中，需要测量波阵面的畸变的单元，光学系统变得复杂，因而存在无法适用于激光加工等无法测量波阵面的畸变的应用中的问题。 

另外，在专利文献5中，记载有在将激光聚光在透明介质中时会产生像差，加工点在深度方向上变长的问题，专利文献5中所记载的激光加工装置积极地利用因介质的色散等产生的色像差或因衍射元件中的波长造成的光程变化，调整光源波长的每个波长的强度，从而进行加工位置的控制。 

另外，在专利文献6中记述有如下方法：利用SLM等的波阵面控制元件对入射光赋予已知的像差的相反的相位分布，从而修正像差。此处，在非专利文献1中，在近轴近似下解析性地求出因将平行平面基板插入光学系统中而产生的球面像差。将激光聚光在透明介质中等同于将平行平面基板插入光学系统中，因而通过将非专利文献1中记 载的结果作为专利文献6的方法中的已知的像差进行处理，可以对因将激光聚光在透明介质中而产生的球面像差进行修正。然而，在该方法中存在如下问题：由于像差的相反的相位分布的相位范围超出波阵面控制元件的性能而变得较大，因而无法适用于相对于介质的激光照射位置较深的情况。进而，也存在无法求出准确的激光照射位置的问题。 

专利文献 

专利文献1：日本特开2006-68762号公报 

专利文献2：日本特开2006-119427号公报 

专利文献3：日本特开2002-207202号公报 

专利文献4：日本特开2006-113185号公报 

专利文献5：日本特开2005-224841号公报 

专利文献6：国际公开第2003/036368号小册子 

非专利文献 

非专利文献1：久保田广、“光学”、岩波书店、1967年、p.128-127、p.300-301 

发明内容

发明所要解决的问题 

然而，对于激光加工装置期望可进行更微细的加工。例如，在形成光学波导等的改质层时，期望聚光点尽量小。然而，若加工位置变深，则聚光区域会因像差而扩展，因而难以维持良好的加工状态。 

因此，本发明的目的在于，提供一种即使相对于介质的激光照射位置较深，也可以提高激光的聚光程度的像差修正方法、使用该像差修正方法的激光加工方法、使用该像差修正方法的激光照射方法、像差修正装置和像差修正程序。 

解决问题的技术手段 

本申请发明者们反复锐意研究，结果发现：当相对于介质的激光照射位置变深时，用于修正激光的波阵面的PV(peak to valley)值(所谓PV值，是波阵面像差的最大值与最小值的差，相当于相位调制量的大小)变大，超出空间光调制器等的控制波阵面的元件的性能，因而 将无法充分地修正像差。在能够控制波阵面的空间光调制器中，存在对独立的像素施加电压的相位调制型的空间光调制器以及通过致动器使膜镜变形的可变镜等。一般而言，能够通过对独立的像素施加电压的相位调制型的空间光调制器而物理意义上地赋予的相位调制范围为2π～6π左右。将该范围称为物理意义上的相位调制范围。然而，通过使用相位折叠技术(Phase wrap ping)，能够将有效的相位调制范围扩大至数十波长左右。将通过相位折叠技术而扩大的有效的相位调制范围称为有效相位调制范围。所谓相位折叠技术，是利用相位0与2nπ(n为整数)为同值，而将具有超出物理意义上的相位调制范围的值的相位分布在物理意义上的相位调制范围内折叠的技术。然而，在用于修正激光的波阵面中，若空间光调制器中的邻接的像素间的相位调制量的差超出物理意义上的相位调制范围，将无法适用相位折叠技术。因此，若空间光调制器中的邻接的像素间的相位调制量的差超出物理意义上的相位调制范围，则无法充分地再现用于修正像差的波阵面，聚光程度降低，难以进行良好的加工。在可变镜等的其它空间光调制器中，物理意义上的相位调制范围比对独立的像素施加电压的相位调制型的空间光调制器大，但是，即使如此，能够调制的相位范围仍存在极限，因而若激光照射位置较深，将无法充分地修正像差。再者，在可变镜的情况下，仅可以调制在空间上连续的相位分布，无法适用相位折叠技术，因而物理意义上的相位调制范围等于有效相位调制范围。 

而且，本申请发明者们发现：若以修正后的激光的聚光点的光轴方向的位置位于修正前的近轴光线的聚光点的光轴方向的位置和修正前的最外缘光线的聚光点的光轴方向的位置之间的范围，即位于在介质内部存在纵像差的范围之间的方式，修正激光的像差，则赋予用于像差修正的波阵面调制的PV值降低。用于像差修正的波阵面调制的PV值降低的结果为，即使在聚光位置较深的情况下，空间光调制器中的邻接的像素间的相位调制量的差也变小，从而可以适用相位折叠技术。以后，将用于应用相位折叠前的像差修正的波阵面调制图案称为修正波阵面，将其中应用了相位折叠的图案称为像差修正相位图案。 

因此，本发明的像差修正方法的特征在于，是将激光聚光在具有光透过性的介质内部的激光照射装置的像差修正方法，以激光的聚光 点位于在介质内部所产生的像差范围之间的方式修正激光的像差。此处，所谓激光的聚光点位于在介质内部所产生的像差范围之间，是指位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间。 

根据该像差修正方法，以激光的聚光点位于在介质内部所产生的像差范围之间的方式，即以位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间的方式，修正激光的像差，因而可以降低波阵面的PV值。其结果，即使使用相位调制量存在限制的空间光调制器，也可以通过使用于像差修正的相位调制量降低而减轻空间光调制器的负担，可以实现高精度的波阵面控制。其结果，即使相对于介质的激光照射位置较深，也可以提高激光的聚光程度，可以维持良好的加工状态。 

上述激光照射装置具备用于将激光聚光在介质内部的聚光单元，若将介质的折射率定义为n，将假设介质的折射率n等于聚光单元气氛介质的折射率时的自介质的入射面至聚光单元的焦点为止的深度(以下称为介质移动量)定义为d，且将通过介质而产生的纵像差的最大值定义为Δs，则上述纵像差范围大致为自介质的入射面起n×d以上且n×d+Δs以下，在上述像差修正方法中，以激光的聚光点位于自介质的入射面起大于n×d且小于n×d+Δs的范围的方式，修正激光的像差。 

另外，上述激光照射装置具备用于将激光聚光在介质内部的聚光透镜以及用于修正激光的像差的空间光调制器，上述像差修正方法中，与聚光透镜的入射部对应的空间光调制器上的任意像素中的相位调制量和邻接于上述像素的像素中的相位调制量的相位差为能够适用相位折叠技术的相位范围以下。 

根据该构成，邻接的像素间的相位差变小，因而可以在物理意义上的相位调制范围存在极限的空间光调制器中实现相位折叠，可以实现高精度的波阵面控制。 

另外，上述像差修正方法中，以修正波阵面的相位值具有极大点以及极小点的方式，设定上述激光的聚光点。 

如此，通过以修正波阵面的相位值具有极大点以及极小点的方式设定聚光点，可以降低修正波阵面的PV值。 

本发明的激光加工方法的特征在于，是激光加工装置的激光加工方法，该激光加工装置具备：生成激光的光源；用于调制来自光源的 激光的相位的空间光调制器；以及用于使来自空间光调制器的激光聚光在加工对象物内部的加工位置的聚光透镜；设定加工对象物内部的加工位置；以加工位置位于未修正像差时在加工对象物内部存在纵像差的范围之间的方式设定加工对象物的相对移动量；以激光聚光在加工位置的方式计算出修正波阵面，并显示在空间光调制器中；以加工对象物与聚光透镜的距离成为相对移动量的方式相对地移动聚光位置；将来自光源的激光朝向加工对象物中的加工位置照射。 

根据该激光加工方法，以该加工位置位于未修正像差时加工对象物内部存在纵像差的范围之间的方式设定加工位置，通过空间光调制器而修正激光的像差，以使激光的聚光点位于该加工位置上，因而可以降低波阵面的PV值。其结果，即使使用相位调制量存在限制的空间光调制器，也可以通过降低用于像差修正的相位调制量而减轻空间光调制器的负担，实现高精度的波阵面控制。其结果，即使相对于加工对象物的激光照射位置较深，也可以提高激光的聚光程度，可以维持良好的加工状态。 

另外，本发明的激光照射方法的特征在于，是介质内激光聚光装置的激光照射方法，该介质内激光聚光装置具备：生成激光的光源；用于调制来自光源的激光的相位的空间光调制器；以及用于使来自空间光调制器的激光聚光在介质内部的规定的聚光位置的聚光透镜；设定介质内部的聚光位置；以聚光位置位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间的方式设定介质的相对移动量；以激光聚光在聚光位置的方式计算出修正波阵面，并显示在空间光调制器中；以介质与聚光透镜的距离成为相对移动量的方式相对地移动聚光位置；将来自光源的激光朝向介质中的聚光位置照射。 

根据该激光照射方法，以该聚光位置位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间的方式设定聚光位置，通过空间光调制器而修正激光的像差，使得激光的聚光点位于该聚光位置上，因而可以降低波阵面的PV值。其结果，即使使用相位调制量存在限制的空间光调制器，也可以通过降低用于像差修正的相位调制量而减轻空间光调制器的负担，可以实现高精度的波阵面控制。其结果，即使相对于介质 的激光照射位置较深，也可以提高激光的聚光程度，可以维持良好的聚光状态。 

另外，本发明的其它的像差修正方法的特征在于，是将激光聚光在具有光透过性的介质内部的激光照射装置的像差修正方法，具备：(a)第1修正波阵面生成步骤，求出与介质内部的多个加工位置分别对应的多个修正波阵面以及自与介质内部的多个加工位置分别对应的多个介质表面至没有介质时的聚光点的位置为止的距离(介质移动量)，该修正波阵面用于修正激光的像差以使激光的聚光点位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间；(b)第1多项式近似步骤，进行自多个介质表面至没有介质时的聚光点的位置为止的距离的高次多项式近似，从而求出第1高次多项式；(c)第2多项式近似步骤，分别进行多个修正波阵面的高次多项式近似，从而求出多个第2高次多项式；(d)第3多项式近似步骤，分别进行由多个第2高次多项式中的相同次数项的系数构成的多个系数列的高次多项式近似，从而求出以加工位置为参数的多个第3高次多项式；(e)存储步骤，存储第1高次多项式中的多个次数项的系数以及多个第3高次多项式中的多个次数项的系数；以及(f)第2修正波阵面生成步骤，使用第1高次多项式中的多个次数项的系数、第1高次多项式、多个第3高次多项式中的多个次数项的系数、以及多个第3高次多项式，求出相当于多个第2高次多项式的任意的加工位置的第2高次多项式，并使用该第2高次多项式，求出该任意的加工位置的修正波阵面。 

另外，本发明的像差修正装置的特征在于，是用于将激光聚光在具有光透过性的介质内部的激光照射装置的像差修正装置，具备：(a)第1修正波阵面生成单元，求出与介质内部的多个加工位置分别对应的多个修正波阵面以及自与介质内部的多个加工位置分别对应的多个介质表面至没有介质时的聚光点的位置为止的距离(介质移动量)，该修正波阵面用于修正激光的像差以使激光的聚光点位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间；(b)第1多项式近似单元，进行自多个介质表面至没有介质时的聚光点的位置为止的距离的高次多项式近似，从而求出第1高次多项式；(c)第2多项式近似单元，分别进行多个修正波阵面的高次多项式近似，从而求出多个第2高次多项 式；(d)第3多项式近似单元，分别进行由多个第2高次多项式中的相同次数项的系数构成的多个系数列的高次多项式近似，从而求出以加工位置为参数的多个第3高次多项式；(e)存储单元，存储第1高次多项式中的多个次数项的系数以及多个第3高次多项式中的多个次数项的系数；以及(f)第2修正波阵面生成单元，使用第1高次多项式中的多个次数项的系数、第1高次多项式、多个第3高次多项式中的多个次数项的系数、以及多个第3高次多项式，求出相当于多个第2高次多项式的任意的加工位置的第2高次多项式，并使用该第2高次多项式，求出该任意的加工位置的修正波阵面。 

另外，本发明的像差修正程序的特征在于，是用于将激光聚光在具有光透过性的介质内部的激光照射装置的像差修正程序，使计算机起到作为以下单元的作用：(a)第1修正波阵面生成单元，求出与介质内部的多个加工位置分别对应的多个该修正波阵面以及自与介质内部的多个加工位置分别对应的多个介质表面至没有介质时的聚光点的位置为止的距离(介质移动量)，该修正波阵面用于修正激光的像差以使激光的聚光点位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间；(b)第1多项式近似单元，进行自多个介质表面至没有介质时的聚光点的位置为止的距离的高次多项式近似，从而求出第1高次多项式；(c)第2多项式近似单元，分别进行多个修正波阵面的高次多项式近似，从而求出多个第2高次多项式；(d)第3多项式近似单元，分别进行由多个第2高次多项式中的相同次数项的系数构成的多个系数列的高次多项式近似，从而求出以加工位置为参数的多个第3高次多项式；(e)存储单元，存储第1高次多项式中的多个次数项的系数以及多个第3高次多项式中的多个次数项的系数；以及(f)第2修正波阵面生成单元，使用第1高次多项式中的多个次数项的系数、第1高次多项式、多个第3高次多项式中的多个次数项的系数、以及多个第3高次多项式，求出相当于多个第2高次多项式的任意的加工位置的第2高次多项式，并使用该第2高次多项式，求出该任意的加工位置的修正波阵面。 

根据该其它像差修正方法、本发明的像差修正装置以及像差修正程序，预先求出用于修正激光的像差以使激光的聚光点位于未修正像 差时在介质内部存在纵像差的范围之间的修正波阵面，使用通过该修正波阵面的高次多项式近似的近似式，求出任意的加工位置的修正波阵面，因而该任意的加工位置的修正波阵面可以修正激光的像差，以使激光的聚光点位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间，可以降低波阵面的PV值。其结果，即使使用相位调制量存在限制的空间光调制器，也可以通过降低用于像差修正的相位调制量而减轻空间光调制器的负担，实现高精度的波阵面控制。其结果，即使相对于介质的激光照射位置较深，也可以提高激光的聚光程度，可以维持良好的加工状态。 

此处，像差的形状以及大小根据聚光位置而不同，因而在变更加工的深度(加工位置)的加工中，每次均需要重新求出修正波阵面，其计算时间较大。例如，为了以激光的聚光点位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间的方式求出修正波阵面，需要通过对于多个参数进行多重探索而导出适当的值，需要极大的计算时间。其结果，在一边改变加工深度一边进行加工的情况下，因加工中的探索处理而导致加工速率的下降。 

然而，根据该其它像差修正方法、本发明的像差修正装置以及像差修正程序，预先求出多个相对于加工位置的修正波阵面，并进行该修正波阵面的高次多项式近似，因而仅通过该近似式进行运算而可以求出适当的修正波阵面。其结果，可以缩短在变更加工深度时重新求出修正波阵面的时间，可以减少加工速率的下降。另外，对于与通过上述探索处理而实际求出的加工位置不同的任意的加工位置，也可以求出适当的修正波阵面。 

另外，本发明的另一其它像差修正方法的特征在于，是将照射光聚光在具有光透过性的介质内部的光照射装置的像差修正方法，以照射光的聚光点位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间的方式修正照射光的像差。 

根据该像差修正方法，以照射光的聚光点位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间的方式修正照射光的像差，因而可以降低波阵面的PV值。其结果，即使使用相位调制量存在限制的空间光调制器，也可以通过降低用于像差修正的相位调制量而减轻空间光调制 器的负担，实现高精度的波阵面控制。其结果，即使相对于介质的光照射位置较深，也可以提高照射光的聚光程度，可以维持良好的加工状态。 

发明的效果 

根据本发明，即使相对于介质的激光照射位置较深，也可以提高激光的聚光程度。 

附图说明

图1是表示第1实施方式所涉及的激光加工装置(激光照射装置、激光聚光装置)的构成的图。 

图2是表示在聚光光学系统中插入有平行平面的情况下的激光的光程的图。 

图3是表示聚光点位于平行平面内部的情况下的激光的光程的图。 

图4是表示图3所示的聚光光学系统中的修正波阵面的相位调制量的图。 

图5是表示用于说明本发明的第1实施方式的像差修正方法、激光加工方法以及激光照射方法的激光的光程的图。 

图6是表示图5所示的聚光光学系统中的修正波阵面的相位调制量的图。 

图7是表示本发明的第1实施方式的像差修正方法、激光加工方法以及激光照射方法的顺序的流程图。 

图8是表示使用第1实施方式的像差修正方法的加工对象物中的聚光状态的测量结果。 

图9是表示第2实施方式的激光加工装置(激光照射装置、激光聚光装置)以及本发明的实施方式的像差修正装置的构成的图。 

图10是表示通过第1修正波阵面生成单元而生成的多个修正波阵面的相位调制量的图。 

图11是表示通过第2多项式近似单元而求出的多个第2高次多项式的图。 

图12是将由图11所示的多个第2高次多项式中的相同次数项的系数构成的多个系数列进行图表化的图。 

图13是表示通过第3多项式近似单元而求出的多个第3高次多项式的图。 

图14是表示图13所示的多个第3高次多项式中的多个次数项的系数以及第1高次多项式中的系数列，即存储在存储单元中的系数数据组的图。 

图15是表示本发明的第2实施方式所涉及的像差修正方法的流程图。 

图16是与记录媒体一起表示本发明的实施方式所涉及的像差修正程序的构成的图。 

图17是表示用于执行记录媒体中所记录的程序的计算机的硬件构成的图。 

图18是用于执行记录媒体中所存储的程序的计算机的立体图。 

图19是表示本发明的变形例所涉及的像差修正装置以及激光加工装置的构成的图。 

图20是表示本发明的变形例所涉及的像差修正装置以及激光加工装置的构成的图。 

图21是表示第2实施方式的像差修正方法的修正波阵面的相位调制量的图。 

图22是表示使用图21所示的修正波阵面的加工对象物中的聚光状态的测量结果的图。 

图23是在现有的激光加工后切断的加工对象物60的切断面的观察结果。 

图24是使用第1实施方式的像差修正方法的激光加工后切断的加工对象物60的切断面的观察结果。 

图25是使用第2实施方式的像差修正方法的激光加工后切断的加工对象物60的切断面的观察结果。 

图26是表示使用本发明的像差修正方法的光照射装置的一例的图。 

符号的说明 

1、1A激光加工装置(激光照射装置、激光聚光装置) 

1B光照射装置(显微镜) 

10、10B光源 

20、20B、24B、26B、28B透镜 

30、22B镜 

40空间光调制器(SLM) 

50物镜(聚光单元、聚光透镜) 

60加工对象物(介质) 

70测量系统 

70B照相机(影像传感器) 

80控制部 

90、90A、90B像差修正装置 

91第1修正波阵面生成部(第1修正波阵面生成单元) 

92第1多项式近似部(第1多项式近似单元) 

93第2多项式近似部(第2多项式近似单元) 

94第3多项式近似部(第3多项式近似单元) 

95存储部(存储单元) 

96第2修正波阵面生成部(第2修正波阵面生成单元) 

100记录媒体 

200计算机 

202读取装置 

206存储器 

208显示装置 

210鼠标 

212键盘 

214通信装置 

220计算机数据信号 

P100像差修正程序 

P10第1修正波阵面生成模块 

P20第1多项式近似模块 

P30第2多项式近似模块 

P40第3多项式近似模块 

P50存储模块 

P60第2修正波阵面生成模块 

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。再者，在各个附图中，对于相同或相当的部分标注相同的符号。 

[第1实施方式] 

首先，在说明本发明的第1实施方式所涉及的像差修正方法、激光加工方法以及激光照射方法之前，表示使用该像差修正方法的激光加工装置(激光照射装置、激光聚光装置)。 

图1是表示第1实施方式所涉及的激光加工装置(激光照射装置、激光聚光装置)的构成的图。图1所示的激光加工装置1具备：光源10、透镜20、镜30、空间光调制器(以下称为SLM)40、物镜(聚光单元、聚光透镜)50。再者，在图1中表示有加工对象物60、以及用于测量该加工对象物60中的激光的聚光状态的测量系统70。 

光源10输出激光。透镜20例如为准直透镜，将来自光源10的激光转换为平行光。镜30使来自透镜20的激光朝向SLM 40反射，并且使来自SLM 40的激光朝向物镜50反射。SLM 40例如为LCOS-SLM(Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator)，对来自镜30的激光的相位进行调制。物镜50将来自镜30的激光聚光，并朝向加工对象物60出射。 

在本实施方式中，能够通过测量系统70而测量加工对象物60中的激光的聚光状态。测量系统70具有CCD照相机以及物镜。 

其次，对现有的球面像差修正方法的概念进行说明。 

图2是表示在聚光光学系统中插入有平行平面时的激光的光程的图。如图2所示，在由聚光透镜50得到的聚光光学系统中插入有平行平面状的具有光透过性的介质60时，焦点自O起向O′仅偏移δ。该焦点偏移的值δ根据入射至聚光透镜50的光的入射高度H而改变。如此，聚光点位置根据入射光而不同，从而产生球面像差。此时，自近轴光线的聚光位置起的光轴方向的偏移量成为表现为纵像差的球面像差(longitudinal spherical aberration)，在最外缘光线时像差变得最大。此 时的纵像差的最大值Δs使用非专利文献1的第14-2节中记载的第(14-4)式，而由下述(1)式表示。 

[数1] 

$\mathrm{\Δs}=\frac{(n^{\′2}-n^2){\mathrm{nd}}^{\′}}{2n^{\′3}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}^2...\left(1\right)$

n：聚光光学系统中的气氛介质的折射率 

n′：介质60的折射率 

d′：介质60的厚度 

θ_max：激光相对于介质60的入射角θ，即该激光的最外缘光线的入射角(＝arctan(NA)) 

再者，纵像差(longitudinal aberration)有时也表现为纵方向像差或纵光线像差(longitudinal ray aberration)、纵方向误差(longitudinalerror)。 

图3是表示聚光点位于平行平面内部时的激光的光程的图。如图3所示，在取决于聚光透镜50的焦点O位于平行平面状的具有光透过性的介质60内部时，焦点自O向O′仅偏移δ。该焦点偏移的值δ根据入射至聚光透镜50的光的入射高度H而改变，因而会产生球面像差。此时的纵像差的最大值Δs将非专利文献1的第14-2节中记载的第(14-3)式变形，而由下述(2)式表示。 

[数2] 

$\mathrm{\Δs}=-\frac{(n^{\′2}-1)}{2n^{\′3}}{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_{\max }d...\left(2\right)$

n′：介质60的折射率 

d：介质移动量 

θ_max：激光相对于介质60的入射角θ，即该激光的最外缘光线的入射角 

此处，若将聚光透镜50的焦点距离设为f，则根据上述(2)式的球面像差Δs，波阵面像差E(h)使用非专利文献1的第28-1节中记载的第(28-6)式，而由下述(3)式表示。 

[数3] 

$E\left(h\right)=\frac{1}{f^2}\underset{0}{\overset{h}{\∫}}\left(\mathrm{\Δs}\right)\mathrm{hdh}...\left(3\right)$

根据专利文献6，在修正上述(2)式的球面像差Δs的情况下，可以将聚光前的波阵面，即入射至聚光透镜50的波阵面设为与上述(3)式的波阵面像差E(h)相反的波阵面。在第1实施方式的激光加工装置1中，可以将在与上述(3)式的波阵面像差E(h)相反的波阵面中应用相位折叠的波阵面设为SLM 40的像差修正相位图案。此时，纵像差的最大值Δs由自近轴光线起的聚光位置的偏移量表示，因而修正后的聚光点成为与修正前的近轴光线的聚光位置大致一致。然而，由于近似地求出像差，因而无法求出准确的聚光位置。 

例如，在透镜50的焦点距离为f＝4mm、加工对象物60的折射率为n′＝1.49、数值孔径为NA＝0.8、激光波长为660nm且将介质移动量设为d＝0.9mm的情况下，修正后的聚光深度近似地成为介质移动量d×折射率n′，成为自介质表面起1.34mm的位置。此时的修正波阵面成为如图4所示的修正图案，修正波阵面的相位调制量成为600弧度(radian)以上。 

由激光加工装置1得到的加工位置O′变得越深，则该球面像差Δs变得越大，因而修正波阵面的相位调制量变得庞大，SLM 40的分辨率不足，变得难以修正像差。 

如此，在解析性地求出波阵面像差后，对波阵面控制元件赋予其相反的相位分布，在将相对于各入射高度的光线的聚光点返回介质移动量d×折射率n′的位置的修正中，即在使相对于各入射高度的光线的聚光点对准加工对象物60内部产生的纵像差范围中最聚光透镜50侧的修正中，难以修正像差。 

因此，在本发明的第1实施方式所涉及的像差修正方法、激光加工方法以及激光照射方法中，以激光的聚光点位于在加工对象物60内部所产生的像差范围之间的方式，即以位于未修正像差时在加工对象物60内部存在纵像差的范围之间的方式，修正激光的像差。换而言之，以激光的聚光点位于未修正像差时的光轴上的光线的纵深方向的聚光位置与未修正像差时的最外缘光线的纵深方向的聚光位置之间的范围之间的方式，修正激光的像差。因此，在第1实施方式的像差修正方法、激光加工方法以及激光照射方法中，由各光线的光程长度差而计算出修正波阵面。即不是如专利文献6所记载的那样求出像差并赋予 其相反的相位分布，而是假设入射至聚光透镜50的光线全部聚光在一点，通过反向光线追踪而计算出修正波阵面。此时，通过将介质移动量d设为适当的值，从而减小修正波阵面的PV值，可以进行物理或有效相位调制范围受到限定的空间光调制器中的较深位置上的像差修正。进而，能够决定准确的聚光深度。 

图5是表示用于说明本发明的第1实施方式所涉及的像差修正方法、激光加工方法以及激光照射方法的激光的光程的图。如图5所示，若将波阵面修正前的光线的对加工对象物60的入射角设为θ、将波阵面修正后的光线的对加工对象物60的入射角设为θ₁、将折射角设为θ₂，则光轴的高度h₁、h₂、h分别由下述(4)式、(5)式、(6)式表示。再者，图5中由于进行波阵面修正，因而激光的朝向加工对象物60的光程与波阵面修正前的光程不同。 

[数4] 

h₁＝(fcosθ-d)tanθ₁   …(4) 

[数5] 

h₂＝(d+Δ)tanθ₂       …(5) 

[数6] 

h＝fsinθ              …(6) 

此处，θ₁与θ₂通过斯奈尔定律而唯一关联，若赋予θ₁则可以求出θ₂，反之，若赋予θ₂则也可以求出θ₁。另外，若h＝h₁+h₂，则通过上述(4)～(6)式，入射角θ、θ₁、θ₂被唯一关联。在赋予某规定的θ₁或θ₂时，将上述(4)式以及(5)式代入h＝h₁+h₂，并解出上述(6)，从而能够容易地决定θ。然而，在赋予某规定的θ时，难以解析性地求出θ₁与θ₂。为求出相对于某规定的θ的θ₁与θ₂时，可以进行探索。例如，可以使θ₁或θ₂的值逐渐变化，求出每次的θ，直至获得成为所期望的θ的θ₁或θ₂为止，使θ₁或θ₂变化而进行探索。 

另一方面，由加工对象物60产生的光程差OPD(optical pathdifference)由下述(7)式表示。 

[数7] 

$\mathrm{OPD}=\frac{(f\×\cos \mathrm{\θ}-d)}{\cos {\mathrm{\θ}}_1}+\frac{n(d+\mathrm{\Δ})}{\cos {\mathrm{\θ}}_2}-f-(n-1)\×d-\mathrm{\Δ}...\left(7\right)$

再者，该(7)式中的「-f-(n-1)×d-Δ」为常数项，是为防止OPD的值变得过大而附加的项。 

将波阵面修正后的焦点偏移的值Δ设为适当的值，以使由上述(7)式所求出的修正波阵面的PV值减少，从而可以降低用于修正球面像差的相位调制量。此处，适当的焦点偏移的值Δ例如通过上述探索而求出。即可以将焦点偏移的值Δ设定为初始值n×d-d，使其逐渐变化，求出每次的OPD(θ)，直至θ_max≥θ≥-θ_max的范围内的OPD(θ)成为所期望的形状为止而使Δ逐渐变化。再者，d+Δ是所期望的聚光深度，为固定值，因而探索时以使该值固定的方式使Δ与d变化。由于聚光深度d+Δ为固定值，因而只要决定了Δ，则通过自聚光深度减去Δ而也可以决定介质移动量d。作为固定值的聚光深度(加工位置)d+Δ以后表述为D。 

具体而言，以与聚光透镜50的入射部对应的SLM 40上的任意像素中的相位调制量和邻接于该像素的像素中的相位调制量的相位差成为物理意义上的相位调制量以下的方式，决定聚光点位移量Δ以及移动量d。再者，该修正后的激光的位移量Δ满足0＜Δ＜Δs。 

由此，由于邻接的像素间的相位差变小，因此能够减轻在物理意义上的相位调制量上存在极限的SLM 40的负担。 

由此，若将加工对象物60的折射率设为n，将介质移动量设为d，将由加工对象物60产生的纵像差的最大值设为Δs，则激光的聚光点位于自介质的入射面起大于n×d且小于n×d+Δs的位置，即位于n×d以上且n×d+Δs以下的纵像差范围之间。 

再者，上述中以与聚光透镜50的入射部对应的SLM 40上的任意像素中的相位调制量和邻接于该像素的像素中的相位调制量的相位差成为物理意义上的相位调制量以下的方式决定聚光点位移量Δ，但是，该探索条件较为模糊，Δ的解可有多个。为了使探索的结束判定容易，也可以根据更具体的探索条件进行决定。例如，也可以以θ_max≥θ≥-θ_max的范围内的OPD(θ)的PV值成为最小的方式决定Δ。或者，也可以以θ_max≥θ≥-θ_max的范围内的OPD(θ)的微分值的绝对值成为最小的方式决定Δ。再者，例子中所举出的2个条件均包括于最初的SLM 40上的任意像素中的相位调制量与邻接于该像素的像素中的相位调制量 的相位差成为物理意义上的相位调制量以下的条件中或者为大致相等的条件。再者，作为探索条件，此外也可以考虑“OPD(θ)的RMS(Root Mean Square)值成为最小”以及“介质移动量d由将聚光深度D作为变量的规定的函数表示”等各种的条件。 

例如，在聚光透镜50的焦点距离为f＝4mm、加工对象物60的折射率为n＝1.49、激光波长为660nm、数值孔径为NA＝0.8且将介质移动量设为d＝0.81mm时，以OPD(θ)的PV值成为最小的方式进行探索时的Δ成为0.53mm，另外，修正波阵面成为如图6所示的修正图案，修正波阵面的相位调制量减少至70弧度(radian)左右。此时的聚光深度为D＝1.34mm，尽管实现了与利用现有方法的情况相同的聚光深度，但是由于相位调制量较少，因而可以充分地修正像差。 

根据图6，该修正波阵面的相位值在位置0mm上，即在光轴位置上具有极大点。另外，在位置2mm以及-2mm附近具有极小点。如此，通过以修正波阵面的相位值具有极大点以及极小点的方式设定聚光点，可以降低修正波阵面的PV值。 

图7是表示第1实施方式的像差修正方法、激光加工方法以及激光照射方法的顺序的流程图。首先，将聚光点设定在加工对象物60的表面上，将该位置设为加工原点(步骤S01)。其次，设定加工对象物60内部的加工位置(深度)(步骤S02)。 

其次，根据上述探索条件，设定加工对象物60的移动量d以及聚光点位移量Δ。由此，设定加工对象物60的移动量d以及聚光点位移量Δ，以使加工位置位于未修正像差时在加工对象物60内部存在纵像差的范围(自加工对象物60的入射面起大于n×d且小于n×d+Δs的范围)之间(步骤S03)。再者，进行设定以使移动量d以及位移量Δ成为空间光调制器的最大调制量(空间光调制器的物理意义上的相位调制范围)以下。 

其次，以激光聚光在步骤S02以及S03中所设定的加工位置的方式计算出修正波阵面，并显示在SLM 40中(步骤S04)。其次，将加工对象物60移动仅移动量d(步骤S05)。其次，照射激光而开始加工。这样，通过SLM 40的修正波阵面，将激光聚光在所设定的加工位置上(步骤S06)。 

其次，在加工结束时，停止激光照射(步骤S07)。在存在其它加工位置时返回步骤S02，不存在时则结束该加工对象物60的加工(步骤S08)。 

再者，在步骤S05中，可以使由SLM 40以及聚光透镜50构成的聚光光学系统与加工对象物60的相对位置变化，因而可以代替加工对象物60的移动而使聚光透镜50移动，也可以使两者均移动。再者，在使聚光透镜50移动的情况下，在聚光透镜50的入射瞳与SLM 40存在成像关系时，有必要以聚光光学系统为单位，即与SLM 40一起移动。 

另外，在步骤S01中，通过暂时将加工用激光聚光在加工对象物60的表面上而决定加工原点，但是也可以使用其它的单元，例如使用自动调焦装置等决定聚光透镜与加工对象物的相对位置。 

进而，在上述的例子中使用对独立的像素施加电压的相位调制型的空间光调制器来控制波阵面形状，但是，也可以使用可变镜等其它的空间光调制器。在使用可变镜等的相位调制范围不限定在2π等的较小范围内的空间光调制器时，能够按照原本的形态表现修正波阵面，因而能够省略相位折叠处理。 

根据第1实施方式的像差修正方法、激光加工方法以及激光照射方法，以激光的聚光点位于介质60内部所产生的像差范围之间的方式，即以位于未修正像差时的介质60内部的纵像差范围之间的方式，修正激光的像差，因而能够降低波阵面的PV值。其结果，即使使用相位调制量存在限制的SLM 40，也可以通过降低修正波阵面的PV值而减轻SLM 40的负担，从而可以实现高精度的波阵面控制。其结果，即使相对于介质60的激光照射位置较深，也可以提高激光的聚光程度，从而可以维持良好的加工状态。 

如此，由于将聚光激光的介质(例如，加工对象物等)60内的聚光位置移动至可以降低修正波阵面的PV值的位置，因而可以利用简易的方法减轻SLM 40的负担，并可以实现高精度的波阵面控制。 

另外，根据第1实施方式的像差修正方法、激光加工方法以及激光照射方法，与聚光透镜50的入射部对应的SLM 40上的任意像素中的相位调制量和邻接于该像素的像素中的相位调制量的相位差成为能 够在SLM 40中应用相位折叠技术的相位范围以下。因此，可以减轻物理意义上的相位调制范围存在极限的SLM 40的负担，实现高精度的波阵面控制。 

而且，如专利文献6所述以近似求出像差的发明中，无法求出准确的聚光位置，但是，本发明中能够求出准确的聚光位置。 

在图8中表示加工对象物60中的聚光状态的测量结果。图8(a)是修正前的聚光状态的测量结果，图8(b)是第1实施方式的修正后的聚光状态的测量结果。如图8所示，可知：尽管实现了与使用现有方法的情况相同的聚光位置(1.34mm)，但是，由于修正波阵面的PV值较小，因而可以充分地修正像差。 

另外，在图23以及图24中表示在激光加工后切断的加工对象物60的切断面的观察结果。在图23以及图24中的激光加工中，自方向Z照射激光，并且沿着方向Y对加工对象物60扫描激光，形成三层的改质层60a、60b、60c。图23是在激光加工中未使用本发明的第1实施方式的像差修正方法时的切断面，即是如图8(a)所示使用未充分地修正像差的激光的激光加工后的切断面。另一方面，图24是在激光加工中使用本发明的第1实施方式的像差修正方法时的切断面，即是如图8(b)所示使用充分地修正像差了的激光的激光加工后的切断面。根据图23可知：由于在激光加工中像差修正不充分，因而改质层60a、60b、60c并不一样，激光加工不充分。另一方面，根据图24可知：在激光加工中充分地进行像差修正，因而改质层60a、60b、60c为一样，激光加工充分地进行。 

使用第1实施方式的像差修正方法、激光加工方法以及激光照射方法的激光加工装置1可以优选地应用于玻璃以及硅、蓝宝石基板等的具有透过率较高的波段的物质的内部加工中。特别是在形成光学波导或非晶化、龟裂产生等的改质层时，即使加工位置较深，也可以通过空间光调制器修正像差，减小聚光点，从而可以维持良好的加工状态。 

[第2实施方式] 

在上述的第1实施方式的像差修正方法、激光加工方法以及激光照射方法中，若图5所示的加工位置O′改变则球面像差Δs会改变，因 而每当变更加工位置O′时均需要重新求出基于上述(7)式的修正波阵面，且该计算时间较长。 

具体而言，如上所述，上述(7)式中的θ₁、θ₂、Δ难以直接求出，因而通过使Δ的值逐渐变化并反复计算修正波阵面的探索而求出。进而，在使Δ变化的各次的探索中，需要利用上述探索方法求出上述(7)式中的θ或θ₁与θ₂的值。即会造成二重探索，需要极大的计算时间。 

其结果，在一边改变加工的深度一边进行加工的情况下，存在因加工中的探索处理而导致加工速率的降低的情况。 

因此，本申请发明者们发现如下像差修正方法：使用第1实施方式的像差修正方法，即使用上述探索预先求出相位调制量较小的像差修正波阵面，并使用进行该像差修正波阵面的多项式近似的近似式，求出任意加工位置的修正波阵面，从而谋求时间缩短。以下，说明谋求时间缩短的本发明的第2实施方式所涉及的像差修正方法。 

首先，在说明本发明的第2实施方式所涉及的像差修正方法之前，表示使用该像差修正方法的激光加工装置(激光照射装置、激光聚光装置)。 

图9是表示第2实施方式所涉及的激光加工装置(激光照射装置、激光聚光装置)的构成的图。图9所示的激光加工装置1A在构成上与激光加工装置1不同在于，在第1实施方式的激光加工装置1中还具备控制部80与本发明的实施方式所涉及的像差修正装置90。激光加工装置1A的其它构成与激光加工装置1相同。 

控制部80自像差修正装置90接收修正波阵面信息，控制SLM 40的相位调制量。 

像差修正装置90例如为计算机，通过执行后述的像差修正程序，从而起到作为第1修正波阵面生成部91、第1多项式近似部92、第2多项式近似部93、第3多项式近似部94、存储部95、以及第2修正波阵面生成部96的作用。 

第1修正波阵面生成部91接收由物镜50所决定的数值孔径NA和焦点距离f、以及由加工对象物60的介质所决定的折射率n。另外，第1修正波阵面生成部91接收在改变加工的深度的加工中预先预测的加工的深度的范围内以及该范围附近的多个加工位置(聚光的深度) D₁、D₂、…D_p、…D_P。这些聚光深度的个数和间隔设定成后述的多项式近似可以以充分的精度进行。第1修正波阵面生成部91按照第1实施方式的像差修正方法，通过使用上述(7)式以及上述(4)～(6)式等的探索，从而求出与多个加工位置D₁、D₂、…D_p、…D_P分别对应的多个修正波阵面以及多个介质移动量d₁、d₂、…d_p、…d_P。即第1修正波阵面生成部91以激光的聚光点位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间且修正波阵面的相位调制量成为最小的方式，求出与多个加工位置D₁、D₂、…D_p、…D_P分别对应的多个修正波阵面和多个介质移动量。在探索时的探索条件中，应用对1个加工位置唯一决定修正波阵面和介质移动量那样的条件，例如应用“以修正波阵面的PV值成为最小的方式”。图10表示以与矢径位置x相关的方式绘制以上述方式求出的多个修正波阵面的相位调制量Φ_1x、Φ_2x、…Φ_px、…Φ_Px的图。 

通过以上的操作，可以获得相对于多个加工位置D₁、D₂、…D_p、…D_P的介质移动量d₁、d₂、…d_p、…d_P、自点O起至加工位置为止的距离Δ₁、Δ₂、…Δ_p、…Δ_P以及修正波阵面Φ_1x、Φ_2x、…Φ_px、…Φ_Px。 

第1多项式近似部92利用以所期望的聚光深度为变量的M次幂多项式对介质移动量的数据组d₁、d₂、…d_p、…d_P进行近似，求出1个第1高次多项式(下式(8))。 

[数8] 

d＝c₁*D+c₂*D²…+c_m*D^m  …+c_M*D^M              …(8) 

此处，D为所期望的聚光深度，D＝d+Δ。 

第2多项式近似部93将图10所示的多个修正波阵面的相位调制量Φ_1x、Φ_2x、…Φ_px、…Φ_Px分别利用以矢径位置x为变量的Q次幂多项式进行近似，如图11所示，求出多个第2高次多项式。在图12中表示将由该第2高次多项式中的相同次数项的系数构成的多个系数列a_1p、a_2p、…a_qp、…a_Qp，即将第1次项的系数列a_1p～第Q次项的系数列a_Qp分别相对于介质移动量d_p而图表化的图。 

第3多项式近似部94将图12所示的多个第2高次多项式中的第1次项的系数列a_1p～第Q次项a_Qp分别利用以移动量d为变量的K次幂多项式进行近似，如图13所示求出多个第3高次多项式。 

存储部95将图13所示的多个第3高次多项式中的多个次数项的系数，即多个第1次项～第Q次项的系数b₁₁～b_1Q、b₂₁～b_2Q、…b_k1～b_kQ、…b_K1～b_KQ、以及第1高次多项式中的系数列c₁、c₂、…c_q、…、c_Q如图14所示作为系数数据组而存储。 

使用通过以上的操作而存储的系数数据组，可以生成相对于任意位置的聚光深度的修正波阵面。其次，说明其生成方法。 

第2修正波阵面生成部96使用系数数据组中的系数c₁～c_Q以及第1多项式，求出相对于任意的聚光深度D的介质移动量d，进而使用系数数据组中的系数b₁₁～b_1Q、b₂₁～b_2Q、…b_k1～b_kQ、…b_K1～b_KQ、以及图13所示的多个第3高次多项式，求出相对于任意的聚光深度D的第2高次多项式的第1次项系数A₁～第Q次项系数A_Q，即求出相当于图11所示的多个第2高次多项式的任意的加工位置D的第2高次多项式(下式(9))。 

[数9] 

Φ′_px＝A₁*x+A₂*x²…+A_q*x^q…+A_Q*x^Q    …(9) 

第2修正波阵面生成部96使用该上述(9)式的第2高次多项式，求出任意的加工位置d_n+Δ的修正波阵面。 

上述中，对于第1～第3多项式使用由1次至规定的次数为止的乘幂项构成的多项式，但是，也可以使用其它构成的多项式。例如，也可以在第1～第3多项式中增加0次的乘幂项。另外，也可以在第2多项式中使用由偶数次的乘幂项构成的多项式。进而，也可以使用不是乘幂函数，而是包括其它的函数，例如任尼克多项式或高斯函数、劳伦兹函数等的多项式。另外，在第2以及第3多项式中将介质移动量d作为变量而使用，但是，也可以将聚光深度(加工位置)D、或聚光点位移量Δ作为变量而使用。另外，在探索条件为“介质移动量d由以聚光深度D为变量的规定的函数表示”的情况下，也可以使用该函数来代替上述(8)式，从而省略第1多项式近似步骤。 

其次，说明本实施方式的像差修正装置90的动作，并且说明本发明的第2实施方式的像差修正方法。图15是表示本发明的第2实施方式的像差修正方法的流程图。 

首先，输入由物镜50所决定的数值孔径NA和焦点距离f、以及由加工对象物所决定的折射率n，在改变加工的深度的加工中，当输入预先预测的加工的深度的范围内以及该范围附近的多个加工位置(聚光的深度)D₁、D₂、…D_p、…D_P时，通过第1修正波阵面生成部91，按照第1实施方式的像差修正方法，通过使用上述(7)式以及上述(4)～(6)式的探索，求出与多个聚光深度D₁、D₂、…D_p、…D_P分别对应的多个修正波阵面Φ_1x、Φ_2x、…Φ_px、…Φ_Px和多个介质移动量d₁、d₂、…d_p、…d_P。即以激光的聚光点位于未修正像差时在介质内部存在纵像差的范围之间且修正波阵面的PV值成为最小的方式，求出与多个聚光深度D₁、D₂、…D_p、…D_P分别对应的多个修正波阵面Φ_1x、Φ_2x、…Φ_px、…Φ_Px(S11：第1修正波阵面生成步骤)。 

其次，通过第1多项式近似部92，进行多个介质移动量d₁、d₂、…d_p、…d_P的幂多项式近似，如上述(8)式所示，求出1个第1高次多项式(S12：第1多项式近似步骤)。 

其次，通过第2多项式近似部93，分别进行图10所示的多个修正波阵面的相位调制量Φ_1x、Φ_2x、…Φ_px、…Φ_Px的幂多项式近似，如图11所示，求出多个第2高次多项式。获得由该第1高次多项式中的相同次数项的系数构成的多个系数列a_1p、a_2p、…a_qp、…a_Qp，即获得第1次项的系数列a_1p～第Q次项的系数列a_Qp(S13：第2多项式近似步骤)。 

其次，通过第3多项式近似部94，分别进行图12所示的多个第2高次多项式中的第1次项的系数列a_1p～第Q次项的系数列a_Qp的幂多项式近似，如图13所示，求出以移动量d为变量的多个第3高次多项式(S14：第3多项式近似步骤)。该多个第3高次多项式中的多个次数项的系数，即多个第1次项～第Q次项的系数b₁₁～b_1Q、b₂₁～b_2Q、…b_k1～b_kQ、…b_K1～b_KQ以及第1高次多项式中的1项至M项为止的系数c₁、c₂、…c_q、…、c_M如图14所示，作为系数数据组而被存储在存储部95中(S15：存储步骤)。 

在由所存储的系数数据组而计算修正波阵面时，在第2修正波阵面生成部96中，求出相对于所期望的聚光深度D的介质移动量和第2多项式的系数后，计算出修正波阵面。首先，使用系数数据组中的系数c₁、c₂、…c_q、…、c_M以及第1多项式，求出相对于任意的聚光深度 D的介质移动量d。其次，使用介质移动量d、系数数据组中的系数b₁₁～b_1Q、b₂₁～b_2Q、…b_k1～b_kQ、…b_K1～b_KQ以及图13所示的多个第3高次多项式，求出任意的聚光深度D的第2高次多项式的第1次项系数a_1p～第Q次项系数a_Qp，即以(9)式的形式求出相当于图11所示的多个第2高次多项式的任意的聚光深度D的第2高次多项式。其后，使用该(9)式的第2高次多项式，求出任意的聚光深度D的修正波阵面(S16：修正波阵面生成步骤)。 

再者，在改变加工深度时，可以进行步骤S16而生成对应于该深度的修正波阵面。 

在上述的第1修正波阵面生成步骤S11中的探索中，使用“以修正波阵面的PV值成为最小的方式”的条件，但是，也可以使用其它条件。然而，有必要为对1个加工位置唯一决定修正波阵面和介质移动量并且邻接的像素之间的相位差成为物理意义上的相位调制量以下的条件。 

其次，对用于使计算机作为像差修正装置90动作的像差修正程序进行说明。图16是与记录媒体一起表示本发明的实施方式所涉及的像差修正程序的构成的图。 

如图16所示，像差修正程序P100存储在记录媒体100中而提供。作为记录媒体100，可以例示软盘、CD-ROM、DVD、或ROM等的记录媒体、或者半导体存储器等。 

图17是表示用于执行记录媒体中所记录的程序的计算机的硬件构成的图，图18是用于执行记录媒体中所存储的程序的计算机的立体图。 

如图17所示，计算机200具备软盘驱动装置、CD-ROM驱动装置、DVD驱动装置等的读取装置202；使操作系统常驻的操作用存储器(RAM)204；对存储在记录媒体100中的程序进行存储的存储器206；所谓显示器的显示装置208；作为输入装置的鼠标210和键盘212；用于进行数据等的收发的通信装置214；以及控制程序的执行的CPU216。计算机200在将记录媒体100插入至读取装置202时，由读取装置202对存储在记录媒体100中的像差修正程序P100进行存取，通过该像差修正程序P100，从而可以作为像差修正装置90进行动作。 

如图18所示，像差修正程序P100也可以作为与载波重叠的计算 机数据信号220而经由网络提供。在此情况下，计算机200将通过通信装置214而接收的像差修正程序P100存储在存储器206中，从而可以执行该像差修正程序P100。 

如图16所示，像差修正程序P100具备第1修正波阵面生成模块P10、第1多项式近似模块P20、第2多项式近似模块P30、第2多项式近似模块P40、存储模块P50以及第2修正波阵面生成模块P60。 

第1修正波阵面生成模块P10、第1多项式近似模块P20、第2多项式近似模块P30、第2多项式近似模块P40、存储模块P50以及第2修正波阵面生成模块P60使计算机实现的功能分别与上述第1修正波阵面生成部91、第1多项式近似部92、第2多项式近似部93、第2多项式近似部94、存储部95以及第2修正波阵面生成部96中的对应要素相同。 

再者，在本实施方式中，表示了起到作为像差修正装置90的作用的计算机一体地具备在激光加工装置的内部的方式，但是，起到作为像差修正装置90的作用的计算机也可以以与激光加工装置1A为不同的个体的方式设置在外部，并在计算机与激光加工装置之间交换修正波阵面信息(图19)。 

另外，也可以在激光加工装置1A的内部和外部分别具备计算机90A、90B，通过该二台计算机90A、90B而实现像差修正装置90。例如，也可以通过外部计算机90A而实现像差修正装置90的一部分的第1修正波阵面生成部91、第1多项式近似部92、第2多项式近似部93、第3多项式近似部94以及存储部95A，通过内部计算机90B而实现其它的存储部95B以及第2修正波阵面生成部96。由此，外部计算机90A与内部计算机90B之间，即与激光加工装置1A之间经由存储媒体或通信路径等而交换系数数据组，将外部计算机90A的存储部95A的内容复制至内部计算机90B的存储部95B中(图20)。 

如此，在第2实施方式的像差修正方法、本实施方式的像差修正装置90以及像差修正程序中，也具有与第1实施方式的像差修正方法同样的优点。即在第2实施方式的像差修正方法、本实施方式的像差修正装置以及像差修正程序中，如上所述，也预先求出用于修正激光的像差以使激光的聚光点位于未修正像差时的介质内部的纵像差范围 之间的修正波阵面，并使用由该修正波阵面的高次多项式近似得到的近似式而求出任意的加工位置的修正波阵面，因此该任意的加工位置的修正波阵面可以修正激光的像差以使激光的聚光点位于未修正像差时的介质内部的纵像差范围之间，可以降低波阵面的PV值。其结果，即使使用相位调制量存在限制的空间光调制器，也可以通过使用于像差修正的相位调制量降低，从而减轻空间光调制器的负担，可以实现高精度的波阵面控制。其结果，即使相对于介质的激光照射位置较深，也可以提高激光的聚光程度，可以维持良好的加工状态。 

例如，在透镜50的数值孔径为NA＝0.55、焦点距离为f＝3.6mm、加工对象物60的折射率为n＝1.49且将介质移动量设为d＝0.637mm、将焦点偏移设为Δ＝0.361mm时，即将聚光位置设为D＝0.998mm时，修正波阵面成为如图21所示的修正图案，修正波阵面的相位调制量减少至14弧度(radian)左右。 

在图22中表示使用该修正图案的加工对象物60中的聚光状态的测量结果。图22中是对将波长660nm的激光聚光在丙烯酸内部时的聚光部进行观测的结果。图22(a)是修正前的聚光状态的测量结果，图22(b)是第2实施方式的修正后的聚光状态的测量结果。可知：由于如图21所示相位调制量较少，因而如图22(b)所示像差被充分地修正。 

另外，在图23以及图25中表示激光加工后切断的加工对象物60的切断面的观察结果。在图23以及图25中的激光加工中，自方向Z照射激光，并且沿着方向Y对加工对象物60扫描激光，形成三层的改质层60a、60b、60c。图23是如上所述在激光加工中未使用本发明的第2实施方式的像差修正方法时的切断面，即是如图22(a)所示使用未充分地修正像差的激光的激光加工后的切断面。另一方面，图25是在激光加工中使用本发明的第2实施方式的像差修正方法时的切断面，即是如图22(b)所示使用充分地修正像差了的激光的激光加工后的切断面。根据图23可知：如上所述，由于激光加工中像差修正不充分，因而改质层60a、60b、60c并不一样，激光加工不充分。另一方面，根据图25可知：由于激光加工中像差修正充分地进行，因而改质层60a、60b、60c为一样，激光加工充分地进行。另外，作为第2实施例的结 果的图25的加工痕，与作为第1实施例的结果的图24的加工痕类似，可以确认两实施例具有同等的效果。 

进而，根据第2实施方式的像差修正方法、本实施方式的像差修正装置以及像差修正程序，预先求出相对于多个加工位置的修正波阵面，进行该修正波阵面的高次多项式近似，因而可以仅通过由该近似式进行运算而求出适当的修正波阵面。其结果，可以缩短在变更加工的深度时重新求出修正波阵面的时间，可以减少加工速率的降低。另外，对于与通过上述的探索处理而实际求出的加工位置不同的任意加工位置，也可以求出适当的修正波阵面。 

再者，本发明并不限定于上述的本实施方式，可以进行各种变形。例如，在本实施方式中，使用对独立的像素施加电压的相位调制型且反射型的SLM 40，但是，即使在使用对独立的像素施加电压的相位调制型且透过型的SLM的情况下，也可以获得同样的优点。另外，即使使用可变镜的情况下，也可以获得同样的优点。 

另外，也可以在SLM 40与物镜50之间配置由1片或2片以上的透镜构成的中继透镜系统，使得SLM 40的调制面与物镜50的入射光瞳面成为大致成像关系。由此，由SLM 40调制的波阵面在物镜50中不会引起菲涅耳衍射地进行传播，可以进行良好的像差修正。另外，在SLM 40的调制面大于物镜50的光瞳面的情况时下，若成像系统也兼有缩小系统，则可以有效地利用激光的光量，并且可以充分地利用SLM 40的有效区域。 

另外，在本实施方式中，例示了单点加工，但是，本发明的思想也可以应用于具有多个加工点且其呈三维分布的多点加工中。例如，在2点加工中，将在聚光位置不同的二个菲涅耳透镜图案中考虑到各自的加工深度的修正波阵面以相位彼此合计。若将所得到的二点的图案的相位分别设为Φ_A、Φ_B，则通过自exp(Φ_A)+exp(Φ_B)仅取出相位，从而获得空间光调制器的全息图案。如此，空间光调制器在三维加工中具有优点。即通过调制入射光，从而在纵深方向或在面内均可以生成位置不同的大量的聚光点，与反复进行单点加工的加工相比，可以提高加工的生产量(throughput)。 

在该多点加工中，也与本实施方式相同，分别聚光在不同的加工 深度，因而也分别求出与各个加工位置相应的修正波阵面。此时，进行使用上述(7)式以及上述(4)～(6)式等的探索，以激光的聚光点位于介质内部所产生的纵像差范围之间且修正波阵面的相位调制量成为最小的方式求出修正波阵面，但是，探索处理需要极大的时间。因此，在该多点加工中，通过应用使用上述像差修正装置90的像差修正方法，也可以缩短在变更加工的深度时重新求出修正波阵面的时间，可以减少加工速率的降低。 

再者，在该多点加工中，也可以使用菲涅耳波带片图案(具备0或π的二值者)来代替上述菲涅耳透镜图案。另外，在将在菲涅耳透镜图案中考虑到各自的加工深度的修正波阵面以相位彼此合计时，也可以将相同深度的平面内生成多点的例如光栅图案或任意的CGH图案的相位合计在其中。 

另外，在本实施方式中，对激光加工装置中的像差修正方法进行了说明，但是，该像差修正方法可以应用于各种光学系统装置中。例如，在显微镜等的激光照射装置中，也可以应用本发明的像差修正方法以及激光照射方法。在各种显微镜中，特别适用于激光扫描显微镜中。以下，表示激光扫描显微镜的一例作为本发明所涉及的激光照射装置以及激光照射方法。 

例如，激光扫描显微镜不仅沿着垂直于光轴方向的方向而且沿着光轴方向扫描激光的聚光位置。即激光扫描显微镜不仅在测定对象物的表面，也在内部生成聚光点。此时因像差导致聚光点扩散，峰值强度降低，分辨率与像对比度降低。若在该激光扫描显微镜中应用本实施方式的像差修正方法以及激光照射方法，则可以使用相位调制量存在限制的SLM，提高测定对象物的内部的激光的聚光程度，即使在较深的位置也可以对分辨率和像对比度较高的像进行测量。作为激光扫描显微镜的一种的共焦显微镜或多光子激发激光扫描显微镜(Multi-Photon Laser-Scanning Microscope)中，若照射光的聚光位置上的峰值强度降低，则测定光强度会锐减，因而像差修正的效果较大。另外，在如激光扫描显微镜那样扫描聚光光束而获得像的摄像装置中，有时使用SLD(Super-Luminescent diode)等的波段较窄且空间相干性较高的类似于激光的光源，对于这样的光源，也可以应用在此所述的 像差修正法以及激光照射方法。 

另外，本发明的像差修正方法也可以适用于除上述的激光扫描显微镜以外的其它各种的显微镜中，例如，也可以适用于较广地照明测定对象并利用影像传感器进行检测的显微镜等的摄像装置中。在这种显微镜中，作为光源并不限定于激光，有时使用非相干光。如此，在使用非相干光的显微镜(光照射装置)中，也可以应用本发明的像差修正方法。以下，表示这种显微镜的一例作为本发明所涉及的光照射装置。 

图26是表示本发明的实施方式所涉及的光照射装置，即较广地照明测定对象并利用影像传感器进行摄像的显微镜的一例。图26所示的显微镜1B具备光源10B、聚光透镜20B、镜22B、物镜50、中继透镜24B、26B、棱镜30、空间光调制器40、成像用透镜28B以及照相机(影像传感器)70B。再者，在该实施方式的光照射装置中，假定放入有水的容器中的生物组织作为测定对象的试料(介质)60B。 

光源10B例如为白炽灯等的照明。来自光源10B的光通过聚光透镜20B而转换为平行光，并被镜22B反射而较广地照明试料60B。自试料60B发出的透过以及前方散射光入射至物镜50，自物镜50所射出的光经由中继透镜24B、26B以及棱镜30而引导至SLM 40上。由SLM 40所反射的光经由棱镜30以及成像用透镜28B而向照相机70B引导，在照相机70B的面上形成试料60B的像。再者，在该实施方式中，以物镜50的入射光瞳面与SLM 40成为共轭关系的方式，在物镜50与SLM 40之间设置有中继透镜24B、26B。另外，各透镜50、24B、26B、28B以试料60B与照相机70B的面成为成像关系的方式配置。 

在该实施方式的光照射装置中，可以考虑将试料60B视为点的集合，而各点成为2次光源。即将试料60B视为2次的点光源的集合。如此，在作为2次点光源的集合的试料60B与照相机70B之间应用本发明的像差修正方法。 

自各2次点光源发出球面波的光，通过物镜50而转换为大致平面波的光。此处，由于试料60B在水中，因而自各2次点光源所射出的光具有因空气与水之间的折射率失配而导致的球面像差，自物镜50所射出的光成为具备以上述(7)式所表示的波阵面像差的平面波。因此， 通过成像用透镜28B而在照相机70B上成像时会受到像差的影响，从而像的空间分辨率与对比度降低。 

自该物镜50所射出的光，即具备波阵面像差的平面波的光通过中继透镜24B、26B而传达至SLM 40上。此时，可以通过对SLM 40施加以上述(7)式所表示的相位调制而去除像差。由此，射出SLM 40的光成为波阵面像差被去除的大致完全的平面波的光。其结果，在通过成像用透镜28B而在照相机70B上成像时，进行无像差的成像，从而可以提高像的分辨率与对比度。 

在第1以及第2实施方式的激光加工装置中，在棱镜30上方存在光源，光自上方朝下方传播，但是，在该实施方式的光照射装置中，光的传播方向为相反，在物镜50下方存在光源，光自下方朝上方传播。在古典光学的范围中，光传播相对于时间反转而不变，因而只要为相同的构成，不论光的传播方向如何，均可以进行像差修正，这是不言而喻的。然而，在第1以及第2实施方式的激光加工装置中，聚光点存在于光轴上，但是，在该实施方式的光照射装置中，光源10B也存在于光轴上以外，因而对其影响进行研究讨论。 

可以考虑试料60B中存在的2个发光点，即位于光轴上的发光点A与不位于光轴上的发光点B。自发光点A发出的光由于发光点A位于光轴上因而仅受到球面像差的影响，可以通过本发明的像差修正而良好地去除像差。另一方面，对于自发光点B发出的光，由于发光点B不位于光轴上，因而不仅具备球面像差而且也具备其它像差。然而，在通常的显微镜中观察视野较窄。只要发光点B包含在该观察视野中，则自光轴起的偏移量较小，球面像差以外的像差充分地小。因此，对于自发光点B所发出的光，也可以通过本发明的像差修正而良好地去除像差。 

在该实施方式的光照射装置中，表示了透过照明的情况，但是，也可以将本发明的像差修正方法应用于落射照明的情况中。另外，在该实施方式的光照射装置中，使用中继透镜24B、26B，但是，也可以将其省略。在此情况下，优选使SLM 40与物镜50接近。另外，在该实施方式的光照射装置中，使用白炽灯作为光源10B，但是，对于光源10B，也可以使用其它的白色光源或激光、SLD、LED等。进而， 也可以将在白色光源中使用带通滤波器而限制了波段的光用作照明光。 

另外，在本实施方式中，使用折射率在空间上一样的加工对象物的例子而说明了实施例，但是，在可以将折射率视为大致一样的情况下，也可以应用本发明。例如，在表面或背面施加有反射防止膜等的薄膜的透明基板的情况下，由于薄膜层较薄，因此薄膜中所产生的像差较小，因而能够忽视该像差。或者，在将相同的薄玻璃粘结并层叠的情况下，玻璃层与粘结层在纵深方向上交替地配置，但是，粘结层的厚度较薄并且与玻璃的折射率差较小，粘结层中所产生的像差较小，因而可以忽视该像差。进而，在上述实施例中，使用聚光在加工对象物的内部的情况进行了说明，但是，本发明也可以适用于背面附近的聚光的情况。例如，在液晶面板的制造过程中，有时通过自表面入射的激光而切断施加在玻璃基板的背面的配线图案，本发明也可以适用于这样的情况中。 

产业上的可利用性 

本发明可以应用于激光加工或激光照射等中相对于介质的激光照射位置较深而要求较高的激光的聚光程度的用途中。 

Claims (10)

1.一种像差修正方法，其特征在于，

是将激光聚光于具有光透过性的介质内部的激光照射装置的像差修正方法，该激光照射装置具备用于将激光聚光于所述介质内部的聚光单元以及用于修正所述激光的像差的空间光调制器，

在所述像差修正方法中，

设定所述介质内部的聚光位置，

以所述激光的聚光点位于在所述介质内部所产生的像差范围之间的方式，设定所述介质的相对移动量，

以所述激光聚光在所述聚光位置上的方式计算出修正波阵面，并显示在所述空间光调制器中，

以使所述介质与所述聚光单元的距离成为所述相对移动量的方式，相对地移动所述聚光位置，

将所述激光朝向所述介质中的聚光位置照射。

2.如权利要求1所述的像差修正方法，其特征在于，

所述修正波阵面是用于应用相位折叠前的像差修正的波阵面调制图案，

所谓相位折叠技术，是利用相位0与2mπ为同值，而将具有超出物理意义上的相位调制范围的值的相位分布在物理意义上的相位调制范围内折叠的技术，其中，m为整数。

3.如权利要求1或者2所述的像差修正方法，其特征在于，

在将所述介质的折射率定义为n，将假设所述介质的折射率n等于所述聚光单元气氛介质的折射率时的自所述介质的入射面至所述聚光单元的焦点为止的深度定义为d，将通过所述介质而产生的纵像差的最大值定义为△s时，

设定所述介质的所述相对移动量的步骤包括以所述激光的聚光点位于自所述介质的入射面起大于n×d且小于n×d+Δs的范围内的方式设定所述激光的聚光点。

4.如权利要求1或者2所述的像差修正方法，其特征在于，

所述激光照射装置具备作为所述聚光单元的用于将激光聚光于所述介质内部的聚光透镜，

设定所述介质的所述相对移动量的步骤包括以与所述聚光透镜的入射部对应的所述空间光调制器上的任意像素中的相位调制量和与所述像素邻接的像素中的相位调制量的相位差为能够应用相位折叠技术的相位范围以下的方式设定所述激光的聚光点，

所谓相位折叠技术，是利用相位0与2mπ为同值，而将具有超出物理意义上的相位调制范围的值的相位分布在物理意义上的相位调制范围内折叠的技术，其中，m为整数。

5.如权利要求1所述的像差修正方法，其特征在于，

设定所述介质的所述相对移动量的步骤包括以使所述修正波阵面的相位值具有极大点以及极小点的方式设定所述激光的聚光点。

6.一种激光加工方法，其特征在于，

是激光加工装置的激光加工方法，

该激光加工装置具备：

生成激光的光源；

用于调制来自所述光源的激光的相位的空间光调制器；以及

用于将来自所述空间光调制器的激光聚光在加工对象物内部的加工位置上的聚光透镜，

在所述激光加工方法中，

设定所述加工对象物内部的所述加工位置，

以使所述加工位置位于未修正像差时在所述加工对象物内部存在纵像差的范围之间的方式，设定所述加工对象物的相对移动量，

以所述激光聚光在所述加工位置上的方式计算出修正波阵面，并显示在所述空间光调制器中，

以使所述加工对象物与所述聚光透镜的距离成为所述相对移动量的方式，相对地移动所述聚光位置，

将来自所述光源的激光朝向所述加工对象物中的加工位置照射。

7.一种激光照射方法，其特征在于，

是介质内激光聚光装置的激光照射方法，

该介质内激光聚光装置具备：

生成激光的光源；

用于调制来自所述光源的激光的相位的空间光调制器；以及

用于使来自所述空间光调制器的激光聚光在介质内部的规定的聚光位置上的聚光透镜，

在所述激光照射方法中，

设定所述介质内部的所述聚光位置，

以使所述聚光位置位于未修正像差时在所述介质内部存在纵像差的范围之间的方式，设定所述介质的相对移动量，

以所述激光聚光在所述聚光位置上的方式计算出修正波阵面，并显示在所述空间光调制器中，

以使所述介质与所述聚光透镜的距离成为所述相对移动量的方式，相对地移动所述聚光位置，

将来自所述光源的激光朝向所述介质中的聚光位置照射。

8.一种像差修正方法，其特征在于，

是将激光聚光于具有光透过性的介质内部的激光照射装置的像差修正方法，

包括：

第1修正波阵面生成步骤，求出与所述介质内部的多个加工位置分别对应的多个修正波阵面、以及自与所述介质内部的多个加工位置分别对应的多个介质表面至没有介质时的聚光点的位置为止的距离，该修正波阵面用于修正所述激光的像差，以使所述激光的聚光点位于未修正像差时在所述介质内部存在纵像差的范围之间；

第1多项式近似步骤，通过进行自所述多个介质表面至没有介质时的聚光点的位置为止的距离的高次多项式近似，从而求出第1高次多项式；

第2多项式近似步骤，通过分别进行所述多个修正波阵面的高次多项式近似，从而求出多个第2高次多项式；

第3多项式近似步骤，通过分别进行由所述多个第2高次多项式中的相同次数项的系数构成的多个系数列的高次多项式近似，从而求出将加工位置作为参数的多个第3高次多项式；

存储步骤，存储所述第1高次多项式中的多个次数项的系数以及所述多个第3高次多项式中的多个次数项的系数；以及

第2修正波阵面生成步骤，使用所述第1高次多项式中的多个次数项的系数、所述第1高次多项式、所述多个第3高次多项式中的多个次数项的系数以及所述多个第3高次多项式，求出相当于所述多个第2高次多项式的任意的加工位置的第2高次多项式，并使用该第2高次多项式，求出该任意的加工位置的修正波阵面。

9.一种像差修正装置，其特征在于，

是用于将激光聚光于具有光透过性的介质内部的激光照射装置的像差修正装置，

具备：

第1修正波阵面生成单元，求出与所述介质内部的多个加工位置分别对应的多个修正波阵面、以及自与所述介质内部的多个加工位置分别对应的多个介质表面至没有介质时的聚光点的位置为止的距离，该修正波阵面用于修正所述激光的像差，以使所述激光的聚光点位于未修正像差时在所述介质内部存在纵像差的范围之间；

第1多项式近似单元，通过进行自所述多个介质表面至没有介质时的聚光点的位置为止的距离的高次多项式近似，从而求出第1高次多项式；

第2多项式近似单元，通过分别进行所述多个修正波阵面的高次多项式近似，从而求出多个第2高次多项式；

第3多项式近似单元，通过分别进行由所述多个第2高次多项式中的相同次数项的系数构成的多个系数列的高次多项式近似，从而求出将加工位置作为参数的多个第3高次多项式；

存储单元，存储所述第1高次多项式中的多个次数项的系数以及所述多个第3高次多项式中的多个次数项的系数；以及

第2修正波阵面生成单元，使用所述第1高次多项式中的多个次数项的系数、所述第1高次多项式、所述多个第3高次多项式中的多个次数项的系数以及所述多个第3高次多项式，求出相当于所述多个第2高次多项式的任意的加工位置的第2高次多项式，并使用该第2高次多项式，求出该任意的加工位置的修正波阵面。

10.一种像差修正方法，其特征在于，

是将照射光聚光于具有光透过性的介质内部的光照射装置的像差修正方法，该光照射装置具备用于将照射光聚光于所述介质内部的聚光单元以及用于修正所述照射光的像差的空间光调制器，

在所述像差修正方法中，

设定所述介质内部的聚光位置，

以所述照射光的聚光点位于未修正像差时在所述介质内部存在纵像差的范围之间的方式，设定所述介质的相对移动量，

以所述照射光聚光在所述聚光位置上的方式计算出修正波阵面，并显示在所述空间光调制器中，

以使所述介质与所述聚光单元的距离成为所述相对移动量的方式，相对地移动所述聚光位置，

将所述照射光朝向所述介质中的聚光位置照射。