CN103093767A - 聚焦装置和激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦装置和激光加工设备。用于激光加工设备的聚焦装置，包括：物镜，该物镜发出加工激光束；位移传感器，该位移传感器发出测量光并利用测量光的反射光测量物体的位移或到物体的距离；漫反射器，该漫反射器设置在一位置中，从工件的表面被规则地反射的测量光被入射至位置；以及聚焦部，该聚焦部基于位移传感器的测量结果使物镜聚焦，其中，当测量光从工件的表面被规则地反射时，聚焦部基于第一测量结果使物镜聚焦，第一测量结果是在从工件的表面被规则地反射的测量光从漫反射器被漫反射之后由位移传感器利用从工件的表面反射的第一反射光测得的。

Description

聚焦装置和激光加工设备

技术领域

本发明涉及一种聚焦装置（focusing device，调焦装置）和激光加工设备，特别是涉及一种配备有自动聚焦功能的聚焦装置和激光加工设备。

背景技术

在对薄膜光电板执行激光加工的情况中，因为发出加工激光束的物镜与加工表面之间的距离由于玻璃衬底（薄膜在该玻璃衬底上被蒸发）的弯曲而变化，所以，激光束的焦点位置必须沿着加工表面。因此，激光加工设备通常配备有根据加工表面的竖直变化而自动地使物镜聚焦的自动聚焦功能。

通常用位移传感器来控制该自动聚焦功能。位移传感器用探测光（该探测光是测量激光束）照射工件（例如薄膜光电板），并利用从工件反射的光测量工件的位移或到工件的距离（例如，见日本未审查专利公开第2005-111534号）。

由位移传感器所执行的测量方法分成规则地反射方法和漫反射方法，在规则地反射方法中，使用从所测物体规则地反射的光，在漫反射方法中，使用从所测物体漫反射的光。因此，基于工件的加工表面是规则反射表面或是漫反射表面，必须转换由位移传感器所执行的测量方法，或必须交换位移传感器。

发明内容

本发明已被设计为解决上述问题，并且本发明的一个目的是，不管工件的加工表面的反射状态如何都能够执行自动聚焦，而无需转换由位移传感器所执行的测量方法或无需交换位移传感器。

根据本发明的一个方面，一种用于激光加工设备的聚焦装置包括：物镜，该物镜发出加工激光束；位移传感器，该位移传感器发出测量光并利用测量光的反射光测量物体的位移或到物体的距离；漫反射器，该漫反射器设置在一位置中，从工件的表面被规则地反射的测量光入射至该位置；以及聚焦部，该聚焦部基于位移传感器的测量结果使物镜聚焦，其中，当测量光从工件的表面被规则地反射时，聚焦部基于第一测量结果使物镜聚焦，第一测量结果是在从工件的表面被规则地反射的测量光从漫反射器被漫反射之后由位移传感器利用从工件的表面反射的第一反射光测得的。

在本发明的一个方面的激光加工设备中，基于第一测量结果使物镜聚焦，当测量光从工件的表面被规则地反射时，该第一测量结果是在从工件的表面被规则地反射的测量光从漫反射器被漫反射之后由位移传感器利用从工件的表面反射的第一反射光测得的。

因此，即使工件的表面（加工表面）是规则反射表面，也可基于由位移传感利器用漫反射光测得的测量结果来使物镜聚焦。结果，不管工件的表面（加工表面）的反射状态如何，都能够执行自动聚焦，而无需转换由位移传感器所执行的测量方法或无需交换位移传感器。

例如，用金属块构或陶瓷块造漫反射器，在所述金属块中，在表面上执行梨皮镀或喷砂。漫反射器形成为任何形状，例如板形和球形。例如，用误差放大器和电动机驱动器构造聚焦部。

当测量光从工件的表面被漫反射时，聚焦部可基于第二测量结果使物镜聚焦，该第二测量结果是由位移传感器利用从工件的表面漫反射的第二反射光测得的。

因此，不管工件的表面（加工表面）的反射状态如何，都能够执行自动聚焦，而无需转换由位移传感器所执行的测量方法或无需交换位移传感器。

聚焦部可基于工件的表面的反射状态来选择在规则反射表面或漫反射表面中的哪一个上使物镜聚焦。

因此，可基于工件的表面（加工表面）的反射状态来适当地执行自动聚焦。

当位移传感器的测量结果超出预定范围时，聚焦部可在使物镜聚焦所在的规则反射表面和漫反射表面之间转换。

因此，可根据工件的表面（加工表面）的反射状态而自动地转换聚焦方法。

在聚焦装置中，可设置有至少两组位移传感器和漫反射器，并且漫反射器可设置在同一组的位移传感器与物镜之间并位于物镜附近。

因此，可缩短位移传感器与漫反射器之间的距离。

在聚焦装置中，物镜可设置在第一位移传感器与第二位移传感器之间，并且，第一位移传感器与第二位移传感器之间的相对方向相对于彼此正交的第一加工方向和第二加工方向倾斜地设置。

因此，利用两组位移传感器和漫反射器，可在四个加工方向（例如，X+方向、X-方向、Y+方向和Y-方向）上预测工件的表面（加工表面）的位移。

在聚焦装置中，第一位移传感器相对于物镜的第一相对方向可设置为预定的第一加工方向，并且，第二位移传感器相对于物镜的第二相对方向可设置为与第一加工方向正交的第二加工方向。

因此，利用两组位移传感器和漫反射器，可在四个加工方向（例如，X+方向、X-方向、Y+方向和Y-方向）上测量工件的表面（加工表面）的位移。

在聚焦装置中，可设置有至少四组位移传感器和漫反射器，物镜可设置在第一位移传感器与第二位移传感器之间、以及第三位移传感器与第四位移传感器之间，并且第一位移传感器与第二位移传感器之间的相对方向可正交于第三位移传感器与第四位移传感器之间的相对方向。

因此，可在四个加工方向（例如，X+方向、X-方向、Y+方向和Y-方向）上更准确地预测工件的表面（加工表面）的位移。

在聚焦装置中，漫反射器中的每一个均可设置在附接至物镜周边的构件中。

因此，可构造简单的且紧凑的聚焦装置。

在聚焦装置中，位移传感器的测量点可在工件的加工方向上设置在物镜的焦点位置的前方。

因此，可预测工件的表面（加工表面）的位移。

聚焦装置可进一步包括移动机构，该移动机构使位移传感器、漫反射器和物镜在与工件垂直的方向上整体地移动，其中位移传感器、漫反射器和物镜彼此连接。

因此，可减小物镜的焦点位置的误差，并可简化聚焦方法。

例如，用电动机、检流计（galvanometer）和螺杆等构造该移动机构。

聚焦装置可进一步包括行进距离检测器，该行进距离检测器检测物镜在垂直于工件的方向上的行进距离，其中，聚焦部基于行进距离检测器的检测结果使物镜聚焦。

因此，可减小物镜的焦点位置的误差。

例如，用旋转编码器、线性编码器和静电电容型传感器来构造该行进距离检测器。

在聚焦装置中，物镜可包括多个透镜，并且聚焦部可通过调节物镜的透镜之间的距离而使物镜聚焦。物镜可具有固定焦点，并且可组合另一透镜（在该另一透镜中调节焦点）以构造物镜。

因此，可调节焦点位置而无需移动物镜。

聚焦装置可进一步包括移动机构，该移动机构使位移传感器和漫反射器相对于工件整体地平移，其中位移传感器和漫反射器彼此连接。

因此，可调节工件的位移的测量点与激光加工点之间的距离。

例如，用各种执行机构构造该移动机构。

在聚焦装置中，位移传感器与漫反射器之间的相对方向可相对于彼此正交的第一加工方向和第二加工方向倾斜地设置。

因此，利用一组位移传感器和漫反射器，可在四个加工方向（例如，X+方向、X-方向、Y+方向和Y-方向）上预测工件的表面（加工表面）的位移。

在聚焦装置中，可设置有至少两组位移传感器和漫反射器，每组中的位移传感器和漫反射器连接，第一组的位移传感器和漫反射器之间的相对方向可设置为预定的第一加工方向，并且第二组的位移传感器和漫反射器之间的相对方向可设置为与第一加工方向正交的第二加工方向。

因此，可在四个加工方向（例如，X+方向、X-方向、Y+方向和Y-方向）上更准确地预测工件的表面（加工表面）的位移。

聚焦装置可进一步包括旋转机构，该旋转机构使位移传感器和漫反射器平行于工件围绕物镜整体地旋转，其中位移传感器和漫反射器彼此连接。

因此，可任意地设置预测工件的表面（加工表面）的位移的方向。

例如，用电动机和旋转齿轮构造该旋转机构。

聚焦装置可进一步包括移动机构，该移动机构使位移传感器和漫反射器相对于工件整体地平移。

因此，可任意地设置预测工件的表面（加工表面）的位移的方向，并可调节工件的位移的测量点与激光加工点之间的距离。

例如，用各种执行机构构造该移动机构。

根据本发明的另一方面，激光加工设备包括聚焦装置。

因此，不管工件的表面（加工表面）的反射状态如何，都能够执行自动聚焦，而无需转换位移传感器所执行的测量方法或无需交换位移传感器。

根据本发明的一个方面或另一方面，不管工件的加工表面的反射状态如何，都能够执行自动聚焦，而无需转换位移传感器所执行的测量方法或无需交换位移传感器地。

附图说明

图1是示出了根据本发明的一个实施方式的激光加工设备的透视图；

图2是示意性地示出了薄膜光电板（该薄膜光电板是工件的一个实例）的结构实例的视图；

图3是示出了安装于激光加工设备上的聚焦装置的结构实例的框图；

图4是示出了工件的加工表面是漫反射表面的情况中的聚焦方法的视图；

图5是示出了工件的加工表面是漫反射表面的情况中的聚焦方法的视图；

图6是示出了工件的加工表面是规则反射表面的情况中的聚焦方法的视图；

图7是示出了工件的加工表面是规则反射表面的情况中的聚焦方法的视图；

图8是示出了安装于激光加工设备上的第一变型的聚焦装置的框图；

图9是示出了安装于激光加工设备上的第二变型的聚焦装置的框图；

图10A和10B是示出了将漫反射表面和规则反射表面混合的情况的实例的视图，其中图10A是示出了当从上面观察薄膜光电板时被放置在衬底支架上的薄膜光电板的示意图，图10B是示意性地示出了被放置在衬底支架上的薄膜光电板的截面的视图；

图11是示出了用于检测工件的加工表面的反射状态的方法的视图；

图12是示出了用于检测工件的加工表面的反射状态的方法的视图；

图13是示出了用于安装位移传感器和漫反射板的方法的第一实施方式的视图；

图14是示出了用于安装位移传感器和漫反射板的方法的第一实施方式的视图；

图15是示出了用于安装位移传感器和漫反射板的方法的第一实施方式的变型的视图；

图16是示出了加工单元的结构实例的框图；

图17是示出了用于安装位移传感器和漫反射板的方法的第二实施方式的视图；

图18是示出了用于安装位移传感器和漫反射板的方法的第二实施方式的第一变型的视图；

图19是示出了用于安装位移传感器和漫反射板的方法的第二实施方式的第二变型的视图；

图20是示出了用于安装位移传感器和漫反射板的方法的第二实施方式的第三变型的视图；

图21是示出了用于安装位移传感器和漫反射板的方法的第二实施方式的第四变型的视图；

图22是示出了聚焦方法的变型的视图；

图23是示出了聚焦方法的变型的视图；以及

图24是示出了聚焦方法的变型的视图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的优选实施方式。按以下顺序进行描述。

1.实施方式的激光加工设备

2.用于安装位移传感器和漫反射板的方法的实例

3.变型

1.实施方式的激光加工设备

[激光加工设备101的结构实例]

图1是示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的激光加工设备101的外部视图。

在下文中，在激光加工设备101的纵向方向上，在图1左方看到的一侧称为前侧，并且相反侧称为后侧。在下文中，在激光加工设备101的横向方向上，在图1前方看到的一侧称为右侧，并且相反侧称为左侧。

在下文中，激光加工设备101的水平方向（横向方向）称为X方向，并且左至右的方向称为正向。在下文中，X方向的正向称为X+方向，并且负向称为X-方向。在下文中，激光加工设备101的深度方向称为Y方向，并且前至后的方向称为正向。在下文中，Y方向的正向称为Y+方向，并且负向称为Y-方向。在下文中，激光加工设备101的竖直方向称为Z方向，并且向上的方向称为正向。在下文中，Z方向的正向称为Z+方向，并且负向称为Z-方向。X方向、Y方向和Z方向彼此正交。

激光加工设备101利用激光束对工件102执行各种类型的加工。激光加工设备101包括底座111、Y轴驱动部112、工作台113、台架114、以及加工头115a至115f。

Y轴驱动部112设置在底座111上以便在Y方向上延伸，并且Y轴驱动部112使放置有工件102的工作台113在Y方向上移动。工作台113在Y方向上移动，由此，在其中用激光束加工工件102的位置在Y方向上行进。换句话说，工件102的加工方向是Y方向。

在沿底座111的Y方向从中心稍微收回的位置中，提供双壳体型台架114，以在底座111上方在X方向上交叉。在台架114的梁的前表面中设置有加工头115a至115f。

加工头115a至115f中的每一个均用激光束照射工件102，以执行工件102的加工。加工头115a至115f中的每一个均可通过驱动系统（未示出）而沿着台架114的梁在X方向上移动。加工头115a至115f在X方向上移动，由此，在其中用激光束加工工件102的位置在X方向上行进。换句话说，工件102的加工方向是X方向。

加工头115a至115f中的每一个均可通过驱动系统（未示出）在Z方向上移动。

在下文中，当不需要将加工头115a至115f彼此区分开时，简单地称为加工头115。在图1中通过实例示出了加工头115a至115f，但是，并不特别地限制加工头的数量。

[工件102的结构实例]

图2示出了一个实例，但是并不特别地限制工件102的类型。特别地，图2示意性地示出了在其中使用CIGS（铜铟镓二硒）的薄膜光电板151的结构实例。

薄膜光电板151具有四层结构，该四层结构包括玻璃衬底151A、背面电极层151B、发电层151C、和透明电极层151D。例如，通过用激光束从透明电极层151D的侧面照射薄膜光电板151，来对薄膜光电板151进行加工。例如，背面电极层151B是由Mo等制成的金属层。背面电极层151B规则地反射激光束。例如，发电层151C包括由CIGS等制成的光吸收层、以及由ZnS或InS等制成的缓冲层。发电层151C使激光束漫反射。例如，透明电极层151D由ZnO等制成。透明电极层151D使激光束漫反射。

因此，在传统的位移传感器中，必须用漫反射方法测量从玻璃衬底151A、发电层151C和透明电极层151D的位移或到玻璃衬底151A、发电层151C和透明电极层151D的距离，并且必须用规则地反射方法测量从背面电极层151B的位移或到背面电极层151B的距离。

薄膜光电板（该薄膜光电板是激光加工设备101的加工目标）的结构并不限于图2中的实例。例如，可将如下的薄膜光电板认为是激光加工设备101的加工目标，即，在该薄膜光电板中，相反地设置背面电极层151B和透明电极层151D，并通过用激光束从玻璃衬底151A的侧面照射薄膜光电板来对该薄膜光电板进行加工。

[聚焦装置201的结构实例]

图3是示出了安装在激光加工设备101的加工头115上的聚焦装置201的结构实例的框图。

聚焦装置201包括位移传感器211、漫反射板212、误差放大器（EA）213、电动机驱动器214、Z轴驱动电动机215、Z轴驱动螺杆216、和物镜217。

位移传感器211用探测光（测量光）测量所测物体的位移或到所测物体的距离，所述探测光是具有预定波长（例如，650nm）的测量激光束。位移传感器211包括激光束源231、光接收透镜232、线性传感器233、和信号处理器234。

激光束源231发出探测光（测量光），该探测光是具有预定波长（例如，650nm）的测量激光束。用从激光束源231发出的通过透镜等（未示出）的探测光从倾斜方向照射加工表面（该加工表面是工件102的表面），所述透镜等与激光束源231一起组成泛光照明部。

从激光束源231发出的探测光的入射角θ设置为相对于工件102的加工表面在0度到90度的范围内。

光接收透镜232接收从激光束源231发出的探测光的反射光，并且光接收透镜232在线性传感器233上形成所接收的反射光的图像。

例如，用CCD图像传感器或CMOS图像传感器构造线性传感器233，在所述CCD图像传感器或所述CMOS图像传感器中，光接收元件被一维地阵列。线性传感器233的每个光接收元件检测通过光接收透镜232入射至光接收元件的探测光的反射光的光量。线性传感器233向信号处理器234提供表示每个光接收元件的光接收量的检测信号。

信号处理器234基于线性传感器233中的探测光的反射光的图像形成位置（光接收量变得最大的位置）或光接收量的分布来检测所测物体的位移或到所测物体的距离。信号处理器234对误差放大器213提供表示检测结果的测量信号。下面将描述这样的情况：信号处理器234输出表示到所测物体的距离的测量信号。

漫反射板212被安装在这样的位置中，即，当从激光束源231发出的探测光从工件102的加工表面被规则地反射时，所规则地反射的探测光入射至该位置。漫反射板212使通过工件102的加工表面入射的探测光漫反射。

漫反射板212可朝着这样的方向定向，即，在该方向上，从工件102的加工表面被规则地反射的探测光一定入射至漫反射板212。例如，漫反射板212设置在这样的方向上，即，在该方向上，从工件102的加工表面被规则地反射的探测光垂直地入射至漫反射板212。

漫反射板212由除了镜面反射材料之外的任何材料制成。例如，用金属块或陶瓷块构造漫反射器，在所述金属块中，在表面上执行梨皮镀或喷砂。然而，为了使由漫反射板212漫反射的探测光尽可能多地入射至位移传感器211的光接收透镜232以便增强位移传感器211的光接收灵敏度，优选地，使用对探测光的波长具有高反射率的材料作为漫反射板212，或对漫反射板212执行涂覆。

表示从位移传感器211输出的测量信号的目标值的焦距设置值被输入至误差放大器213。例如，将焦距设置值设置为测量信号的值，当对物镜217在工件102的加工表面上进行聚焦时，从位移传感器211输出该测量信号。误差放大器213放大误差信号，该误差信号是从位移传感器211提供的测量信号值与焦距设置值之间的差，并且误差放大器213向电动机驱动器214提供放大的误差信号。因此，误差信号反映物镜217的焦点位置与工件102的加工表面之间的偏离（误差）。

为了消除由误差信号表示的误差以对物镜217在工件102的加工表面上进行聚焦，电动机驱动器214驱动Z轴驱动电动机215以使物镜217在Z方向上移动，从而对物镜217聚焦。

用设置在Z轴驱动电动机215与物镜217之间的Z轴驱动螺杆216将Z轴驱动电动机215与物镜217连接。Z轴驱动电动机215在旋转方向上的运动通过Z轴驱动螺杆216被传递至物镜217，以使物镜217在该方向（Z方向）上移动，该方向用箭头A表示并且与工件102的加工表面垂直。因此，物镜217的焦点位置在Z方向上移动。

激光加工束LB入射至物镜217，并且物镜217在工件102的加工表面上形成图像。

[用聚焦装置201执行的聚焦方法]

将参考图4至图7描述用聚焦装置201执行的聚焦方法。

（用于漫反射表面的聚焦方法）

将参考图4和图5描述工件102的加工表面是漫反射表面的情况中的聚焦方法。

在工件102的加工表面是漫反射表面的情况中，从激光束源231发出的探测光在箭头A的方向上行进，并从工件102的加工表面漫反射。探测光的一部分在位移传感器211的方向上被漫反射，如箭头B1至B4所示。如箭头B2和B3所示，入射至光接收透镜232的反射光在线性传感器233上形成图像。

另一方面，如箭头B5至B7所示，探测光的一部分从工件102的加工表面在漫反射板212的方向上被漫反射，并进一步地从漫反射板212被漫反射。因为从漫反射板212漫反射的反射光通过二次漫反射被大幅度减弱，所以该反射光几乎不会再从工件102的加工表面漫反射以入射至位移传感器211的光接收透镜232。

因此，与通常的漫反射方法相似，位移传感器211利用从工件102的加工表面漫反射的第一次反射的光执行测量。

图5示意性地示出了位移传感器211、漫反射板212和物镜217之间的位置关系。

在对物镜217在工件102的加工表面上聚焦的状态（在下文中称为聚焦状态）中，假设h1是从工件102的加工表面到位移传感器211（位移传感器211的探测光的出射端口）的高度，WD是物镜217与工件102的加工表面之间的距离（工件距离），并且d1是从位移传感器211发出的探测光入射至工件102的加工表面的距离。还假设θ是从位移传感器211发出的探测光相对于工件102的加工表面的入射角。在这一点上，以下等式（1）有效。

h1=d1×cosθ···（1）

使用等式（1），用以下等式（2）表示距离d1。

d1=h1/cosθ···（2）

在这一点上，因为位移传感器211利用从工件102的加工表面漫反射的反射光执行测量，所以位移传感器211的长度测量距离是距离d1。因此，位移传感器211向误差放大器213提供表示距离d1的测量信号来作为测量结果。

另一方面，表示聚焦状态中的距离d1的测量信号的值作为焦距设置值被输入至误差放大器213。简单地说，焦距设置值被设置为距离d1。因此，从误差放大器213输出的误差信号的值是零。

在工件102在Z方向（向下的方向）上从聚焦状态移动距离δ的情况中，用以下等式（3）表示探测光入射至工件102的加工表面的距离d1’。

d1’=(h1+δ)/cosθ···（3）

因此，用以下等式（4）表示工件102的运动前距离d1和工件102的运动后距离d1’之间的差。

d1’-d1=δ/cosθ···（4）

在这一点上，位移传感器211向误差放大器213提供表示距离d1’的测量信号来作为测量结果。因此，从误差放大器213输出的误差信号的值是表示等式（4）的右侧中的δ/cosθ的值。

在这一点上，因为入射角θ是众所周知的设计值，所以电动机驱动器214可基于误差信号的值而获得工件102的加工表面的在Z方向上的位移δ。电动机驱动器214驱动Z轴驱动电动机215以使物镜217向下移动距离δ，由此可使物镜217在工件102的加工表面上聚焦。

（用于规则反射表面的聚焦方法）

将参考图6和图7描述工件102的加工表面是规则反射表面的情况中的聚焦方法。

在工件102的加工表面是规则反射表面的情况中，从激光束源231发出的探测光在箭头A的方向上行进，并且探测光从工件102的加工表面被规则地反射并在箭头B的方向上行进。在箭头B的方向上行进的探测光入射至漫反射板212，并从漫反射板212被漫反射。

在从漫反射板212被漫反射的探测光中，在箭头C1和C2的方向上行进的探测光再次从工件102的加工表面被规则地反射，并且该探测光在箭头D1和D2的方向上行进，并入射至光接收透镜232。因此，探测光的被从漫反射板212漫反射的一部分入射至光接收透镜232，并在线性传感器233上形成图像。位移传感器211用反射光的一部分执行测量，该部分是在从漫反射板212被漫反射之后从工件102的加工表面被规则地反射的。

与图5类似，图7示意性地示出了位移传感器211、漫反射板212和物镜217之间的位置关系。

在这一点上，假设d2是在聚焦状态中从工件102的加工表面被规则地反射的探测光入射至漫反射板212的距离。假设h2是从工件102的加工表面到探测光入射至漫反射板212的位置的高度。

因为从工件102的加工表面规则地反射的探测光的反射角等于入射角θ，所以以下等式（5）有效。

h2=d2×cosθ···（5）

因此，用以下等式（6）表示从位移传感器211输出的探测光通过工件102的加工表面入射至漫反射板212的距离。

d1+d2=(h1+h2)/cosθ···（6）

在这一点上，因为位移传感器211利用反射光（该反射光是在从漫反射板212被漫反射之后从工件102的加工表面被规则地反射的）执行测量，所以位移传感器211的长度测量距离是距离d1+d2。因此，位移传感器211向误差放大器213提供表示距离d1+d2的测量信号来作为测量结果。

另一方面，表示聚焦状态中的距离d1+d2的测量信号的值作为焦距设置值被输入至误差放大器213。简单地说，焦距设置值被设置为距离d1+d2。因此，从误差放大器213输出的误差信号的值是零。

与图5中的实例相似，在工件102在Z方向（向下的方向）上从聚焦状态移动距离δ的情况中，用以下等式（7）表示探测光通过工件102的加工表面入射至漫反射板212的距离d1’+d2’。

d1’+d2’=(h1+h2+2δ)/cosθ···（7）

因此，用以下等式（8）表示工件102的运动前距离d1+d2与工件102的运动后距离d1’+d2’之间的差。

d1’+d2’-(d1+d2)=2δ/cosθ···（8）

因此，位移传感器211向误差放大器213提供表示距离d1’+d2’的测量信号来作为测量结果。因此，从误差放大器213输出的误差信号的值是表示等式（8）的右侧中的2δ/cosθ的值。

在这一点上，因为入射角θ是众所周知的设计值，所以电动机驱动器214可基于误差信号的值而获得工件102的加工表面的在Z方向上的位移δ。电动机驱动器214驱动Z轴驱动电动机215以使物镜217向下移动距离δ，由此可使物镜217在工件102的加工表面上聚焦。

基于工件102的加工表面的反射状态，聚焦装置201通过来自外部的指令或设置或者以下述自动的方式来选择使物镜217在规则反射表面或漫反射表面中的哪一个上聚焦。也就是说，基于工件102的加工表面的反射状态，聚焦装置201选择用于规则反射表面的聚焦方法和用于漫反射表面的聚焦方法中的一种方法来使物镜217聚焦。

因此，不管工件的加工表面是规则反射表面或是漫反射表面，都可执行自动聚焦，而无需转换由位移传感器211所执行的测量方法或无需交换位移传感器211。不必执行许多工作，例如各种调节和设置（这些工作在转换由位移传感器211所执行的测量方法或交换位移传感器211中是必须的）。

为了易于理解，距离δ在图7中被大幅度地示出，从而使得探测光入射至漫反射板212的位置在工件102的运动之前和之后被大幅度地偏移。然而，实际上距离δ非常小，并且，在工件102的运动之前和之后，探测光入射至漫反射板212的位置的变化非常小。

入射角θ和反射角δ由于工件102的倾斜而变化，并且探测光入射至漫反射板212的位置变化。然而，工件102的倾斜的变化非常小，并且，在工件102倾斜之前和之后，探测光入射至漫反射板212的位置的变化非常小。

在位移传感器211中，基于反射光的光接收量的分布来执行测量，该反射光从工件102的加工表面反射，以在从漫反射板212在所有方向上漫反射之后返回至位移传感器211。因此，可忽略探测光入射至漫反射板212的位置的变化，因为该位置的变化对位移传感器211的测量结果的影响很小。

因为入射角θ是固定值，所以，cosθ是常数。因此，例如，位移传感器211可能输出这样的值，在该值中，用测量结果乘以常数cosθ。因此，在工件102的加工表面是漫反射表面的情况中，位移传感器211输出表示高度h1或h1+δ的测量信号，并且误差放大器213输出表示位移δ的误差信号。因此，在工件102的加工表面是规则反射表面的情况中，位移传感器211输出表示高度h1+h2或h1+h2+2δ的测量信号，并且误差放大器213输出表示位移δ×2的误差信号。

例如，误差放大器213可能输出这样的值，在该值中，用焦距设置值与测量信号的值之间的差乘以常数cosθ。因此，在工件102的加工表面是漫反射表面的情况中，误差放大器213输出表示位移δ的误差信号。在工件102的加工表面是规则反射表面的情况中，误差放大器213输出表示位移δ×2的误差信号。

在下文中，工件102的加工表面的在Z方向上的位移简单地称为工件102的位移。

[聚焦装置的第一变型]

例如，当执行Z轴驱动电动机215的高速操作以提高自动聚焦的响应速度时，因为Z轴驱动电动机215上的负载在操作的起始之时增加，所以有时会产生Z轴驱动电动机215的失步（step-out）。例如，在由脉冲电动机构造的Z轴驱动电动机215执行开环控制的情况中，在由电动机驱动器214识别的物镜217的在Z方向上的位置与当产生Z轴驱动电动机215的失步时的实际位置之间产生偏离。每当执行自动聚焦时，该偏离均被累积，最终使得物镜217在工件102的加工表面上不聚焦，这会导致加工质量变差。

为了防止该现象，例如，可想到执行初始化工作来定期重置所累积的误差。然而，初始化工作对用户来说比较麻烦。当激光加工设备101连续操作时，无法执行初始化工作。

图8示出了可防止该现象的产生的聚焦装置301。

聚焦装置301与图3中的聚焦装置201的不同之处在于增加了连接件311。

用设置于位移传感器211、漫反射板212和物镜217之间的连接件311将位移传感器211、漫反射板212和物镜217彼此连接。用设置于连接件311与Z轴驱动电动机215之间的Z轴驱动螺杆216将连接件311与Z轴驱动电动机215连接。Z轴驱动电动机215的在旋转方向上的运动通过Z轴驱动螺杆216被传递至连接件311，以使连接件311在该方向（Z方向）上运动，该方向用箭头A表示并且与工件102的加工表面垂直。结果，使与连接件311连接的位移传感器211、漫反射板212和物镜217整体地在Z方向上移动。

不管是否产生Z轴驱动电动机215的失步，并且不管工件102的加工表面是漫反射表面或是规则反射表面，位移传感器211的测量信号的值都等于焦距设置值，并且连接件311的在Z方向上的位置被调整成使得从误差放大器213输出的误差信号的值变成零，这允许使物镜217在工件102的加工表面上聚焦。

因此，即使产生Z轴驱动电动机215的失步，也可使物镜217在工件102的加工表面上聚焦。

不必根据工件102的加工表面的反射状态改变用于控制电动机驱动器214的方法。虽然误差信号的值根据工件102的加工表面的漫反射表面和规则反射表面之间的差异而变成等式（4）的δ/cosθ或等式（8）的2δ/cosθ，但是，电动机驱动器214可调节物镜217的在Z方向上的位置，使得不管误差信号的值是多少均使误差信号的值变成零。

[聚焦装置的第二变型]

与图8中的聚焦装置301类似，在图9中的聚焦装置351中，采取克服Z轴驱动电动机215的失步的对策。

聚焦装置351与图8中的聚焦装置301的不同之处在于：提供支架361，而不是连接件311；提供电动机驱动器362，而不是电动机驱动器214；以及增加旋转编码器363。

在聚焦装置351中，位移传感器211和漫反射板212被固定至支架361，并且，在自动聚焦的过程中，仅有物镜217在Z方向上移动。

基于由旋转编码器363计数的Z轴驱动电动机215的旋转次数，电动机驱动器362检测物镜217的在Z方向上的行进距离，并检测物镜217的在Z方向上的位置。因此，即使产生Z轴驱动电动机215的失步，电动机驱动器362也可基于Z轴驱动电动机215的实际旋转次数而正确地检测物镜217的在Z方向上的位置。

因此，即使产生Z轴驱动电动机215的失步而使得无法将物镜217移动至目标位置，也可检测到误差，并在下一次自动聚焦中校准。因此，防止了物镜217的在Z方向上的位置偏离的累积。

在Z轴驱动电动机215由线性电动机构造的情况中，例如，提供线性编码器，而不是旋转编码器363。

在Z轴驱动电动机215由音圈电动机构造以便以高速驱动物镜217的情况中，例如，用线性编码器或静电电容型传感器来检测物镜217的位置，而不是用旋转编码器363来检测。

在用可高速操作的检流计在Z方向上驱动物镜217的情况中，例如，用配备有编码器的数字检流计来检测物镜217的位置，而不是用旋转编码器363来检测。

在聚焦装置351中，与图8中的聚焦装置301相比，仅物镜217在Z方向上移动，使得可减小自动聚焦Z方向驱动机构上的负载。因此，可提高驱动机构的响应速度，并可提高自动聚焦的响应速度。另外，能够实现使驱动机构的尺寸变小，并可实现使激光加工设备101的尺寸变小且成本降低。

[混合漫反射表面和规则反射表面的情况中的聚焦方法]

下面将参考图10A至图12描述混合漫反射表面和规则反射表面的情况中的聚焦方法。

图10A和图10B示出了这样的情况来作为混合漫反射表面和规则反射表面的情况的一个实例，在该情况中，由使用CIGS的薄膜光电板401构造的工件102被放置在衬底支架402上。图10A是示出了当从上面观察薄膜光电板401时被放置在衬底支架402上的薄膜光电板401的示意图，并且图10B是示意性地示出了被放置在衬底支架402上的薄膜光电板401的截面的视图。

在图10A和10B的实例中，薄膜光电板401处于在执行激光加工的P1处理之前的状态中，并且背面电极层401B（其是由Mo等制成的金属层）被堆叠在玻璃衬底401A上。如上所述，背面电极层401B规则地反射激光束。

另一方面，衬底支架402由铝（该铝被执行黑色耐热铝处理）制成，并且衬底支架402漫反射激光束。

在下文中，为了易于理解，假设薄膜光电板401的背面电极层401B的表面位于与衬底支架402的表面相同的水平处。

例如，在使加工头115在箭头A的方向上移动的同时对薄膜光电板401的背面电极层401B进行加工的情况中，当加工头115在衬底支架402上出来时，对衬底支架402的表面执行自动聚焦。然后，当加工头115在薄膜光电板401上出来时，对薄膜光电板401的背面电极层401B的表面执行自动聚焦。

在这一点上，在对背面电极层401B进行加工的情况中，因为背面电极层401B是规则反射表面，所以输入至误差放大器213的焦距设置值被设置为距离d1+d2，如以上参考图7描述的。

另一方面，在对衬底支架402的表面执行自动聚焦的情况中，因为衬底支架402的表面是漫反射表面，所以，即使使物镜217在衬底支架402的表面上聚焦，位移传感器211的长度测量距离也是比焦距设置值短距离d2的距离d1。

因此，在与图8中的聚焦装置301相似地使位移传感器211、漫反射板212和物镜217在Z方向上整体地移动的情况中，因为执行控制使得位移传感器211的长度测量距离变成d1+d2，所以物镜217在Z+方向上移动距离d2×cosθ。

在与图9中的聚焦装置351相似地仅使物镜217在Z方向上移动的情况中，物镜217在Z+方向上移动距离d2×cosθ/2。

通常，从工件102的加工表面规则地反射的探测光入射至漫反射板212的距离d2比工件102的在Z方向上的位移大得多。因此，在以上情况中的每种情况中，物镜217在衬底支架402上的行进距离均比一般自动聚焦的行进距离大。

那么，因此在对薄膜光电板401的背面电极层401B的表面执行自动聚焦的情况中，物镜217的行进距离被延长，以减小自动聚焦的响应速度。

一些商业上可获得的位移传感器具有设置长度测量范围并输出超出长度测量范围的误差信号的功能。因此，可想象到，将位移传感器211的长度测量范围设置为焦距设置值±α，当位移传感器211输出表示长度测量距离比长度测量范围大的误差信号时停止自动聚焦，并且使物镜217的在Z方向上的运动停止或使物镜217返回至运动前的位置。

α被设置为比薄膜光电板401的在Z方向上的位移的假设范围大且比距离d2小的值。

因此，在图10A和10B的实例中，在中断对衬底支架402的表面执行的自动聚焦以对薄膜光电板401的背面电极层401B的表面执行自动聚焦的情况中，物镜217的行进距离被缩短，以提高自动聚焦的反应速度。

在这一点上，衬底支架402不是加工目标，但是，仅有一种类型的漫反射表面（薄膜光电板401的背面电极层401B）是加工目标的反射状态。另一方面，还可想到，在加工过程中，将加工表面的反射状态从漫反射表面转换成规则反射表面，或从规则反射表面转换成漫反射表面。

在此情况中，例如，在位移传感器211输出表示长度测量距离超出长度测量范围的误差信号的情况中，可作出加工表面的反射状态改变的判断。在作出加工表面的反射状态改变的判断的情况中，可转换物镜217在规则反射表面上聚焦还是在漫反射表面上聚焦。也就是说，可将用于漫反射表面的聚焦方法转换成用于规则反射表面的聚焦方法，或可将用于规则反射表面的聚焦方法转换成用于漫反射表面的聚焦方法。

例如，在与图8中的聚焦装置301相似地使位移传感器211、漫反射板212和物镜217在Z方向上整体地移动的情况中，可根据加工表面的反射状态来将输入至误差放大器213的焦距设置值转换成用于漫反射表面的值（距离d1）或用于规则反射表面的值（距离d1+d2）。

在与图9中的聚焦装置351相似地仅使物镜217在Z方向上移动的情况中，例如，除了转换焦距设置值之外，还可根据加工表面的反射状态来转换用于获得电动机驱动器214的工件102的位移的方法。也就是说，在加工表面是漫反射表面的情况中，可基于等式（4）的右侧来获得位移δ，并且在加工表面是规则反射表面的情况中，可基于等式（8）的右侧来获得位移δ。

在位移传感器211未配备有设置长度测量范围的功能的情况中，例如，可基于在入射至漫反射板的探测光的强度来检测工件102的加工表面的反射状态。

图11和图12部分地示出了聚焦装置451的结构实例，该聚焦装置基于入射至漫反射板的探测光的强度来检测工件102的加工表面的反射状态。图11示出了工件102的加工表面是规则反射表面的情况，并且图12示出了工件102的加工表面是漫反射表面的情况。

聚焦装置451与图3中的聚焦装置201的不同之处在于：提供漫反射板461，而不是漫反射板212；以及提供光传感器462和放大比较器463。

在漫反射板461的中心中形成有针孔461A。漫反射板461被设置成，在使从位移传感器211的激光束源231发出的探测光从工件102的加工表面规则地反射的情况中，使得被规则地反射的探测光的一部分入射至针孔461A。

光传感器462检测通过针孔461A的探测光的光量，并向放大比较器463提供表示检测值的检测信号。在放大来自光传感器462的检测信号之后，放大比较器463将放大的检测信号的值与预定阈值进行比较，从而判断工件102的加工表面是规则反射表面或是漫反射表面。

例如，当工件102的加工表面是规则反射表面时，如图11所示，使从激光束源231发出以在箭头A的方向上行进的探测光从工件102的加工表面被规则地反射，被规则地反射的探测光的大部分在箭头B的方向上行进，并且，被规则地反射的探测光的一部分入射至漫反射板461的针孔461A。因此，由光传感器462检测到的探测光的光量增加。

另一方面，当工件102的加工表面是漫反射表面时，如图12所示，使从激光束源231发出以在箭头A的方向上行进的探测光从工件102的加工表面被漫反射，被漫反射的探测光的仅一部分在箭头B的方向上行进，并且被漫反射的探测光的在箭头B的方向上行进的所述一部分的一部分入射至漫反射板461的针孔461A。因此，由光传感器462检测到的探测光的光量减小。

因此，当放大的检测信号的值大于或等于阈值时，放大比较器463判断工件102的加工表面是规则反射表面，并且当放大的检测信号的值小于阈值时，放大比较器463判断工件102的加工表面是漫反射表面。放大比较器463向位移传感器211和电动机驱动器214提供表示判断结果的信号。

因此，自动地检测工件102的加工表面的反射状态，并且可基于检测结果来如上所述地自动转换使物镜217聚焦的方法。

2.用于安装位移传感器和漫反射板的方法的实例

下面将描述用于安装位移传感器211和漫反射板212的方法的一个实例。

除非另外指出，否则假设激光加工设备101的加工方向是四个方向，即，X+方向、X-方向、Y+方向和Y-方向。

[用于安装位移传感器211和漫反射板212的方法的第一实施方式]

将参考图13至图15描述用于安装位移传感器211和漫反射板212的方法的第一实施方式。

期望位移传感器211的测量点（即，用从激光束源231发出的探测光照射工件102的加工表面的位置）尽可能地靠近激光加工点（即，用从物镜217输出的激光束照射工件102的加工表面的位置）。然而，当使测量点非常靠近激光加工点时，在执行激光加工时产生的激光等离子体的干扰会影响探测光，并且可能使测量精度变差。因此，期望测量点与激光加工点隔开预定距离（例如，5至10mm）或更大，以便不被激光等离子体的干扰所影响。

在这一点上，通过将测量点设置至在加工方向上在激光加工点前方偏移的位置，可预测待加工的工件102的位移，并且可基于预测结果来执行自动聚焦。因此，即使存在对位移传感器211或控制系统的响应速度的限制、即使加工速度提高、或者即使工件102的在Z轴方向上的位移增加，物镜217的焦点位置也可正确地遵循工件102的位移。

图13和图14示出了用于安装位移传感器211和漫反射板212的方法的一个实例，其中，测量点被设置至在加工方向上与激光加工点偏移的位置。图13是示出了当从上方观察位移传感器211和漫反射板212时位移传感器211与漫反射板212之间的位置关系的视图，并且图14是示出了当在侧面观察位移传感器211和漫反射板212时位移传感器211与漫反射板212之间的位置关系的视图。在图13中，假设左至右的方向是X+方向，并假设向上的方向是Y+方向。

在图13的实例中，提供四组位移传感器211和漫反射板212。为了易于理解，在图14中未示出位移传感器211c。

在下文中，当不需要将位移传感器211a至211d彼此区分开时，位移传感器211a至211d简单地称为位移传感器211。在下文中，当不需要将漫反射板212a至212d彼此区分开时，漫反射板212a至212d简单地称为漫反射板212。在下文中，当不需要将测量点MPa至MPd彼此区分开时，测量点MPa至MPd简单地称为测量点MP。对于其他实施方式来说，同样是这样。

在X方向上相对于物镜217对称地设置位移传感器211a和位移传感器211b。换句话说，将物镜217设置在位移传感器211a与位移传感器211b之间，并将位移传感器211a与位移传感器211b之间的相对方向设置为X方向。将位移传感器211a相对于物镜217的方向设置为X-方向，并将位移传感器211b相对于物镜217的方向设置为X+方向。

在Y方向上相对于物镜217对称地设置位移传感器211c和位移传感器211d。换句话说，将物镜217设置在位移传感器211c与位移传感器211d之间，并将位移传感器211c与位移传感器211d之间的相对方向设置为Y方向。将位移传感器211c相对于物镜217的方向设置为Y-方向，并将位移传感器211d相对于物镜217的方向设置为Y+方向。

漫反射块501安装在物镜217的下部中。漫反射块501的截面具有八角形板形状，并在漫反射块501的下部中以90度的间隔设置四个矩形表面，每个矩形表面均向下倾斜地定向。在矩形表面中，八角形的一条边用作上端，且下表面具有正方形形状。在四个矩形表面中分别设置漫反射板212a至212d。

漫反射板212a设置在位移传感器211a与物镜217之间，以相对于X-方向朝着向下倾斜的方向定向。漫反射板212b设置在位移传感器211b与物镜217之间，以相对于X+方向朝着向下倾斜的方向定向。漫反射板212a和漫反射板212b在X方向上相对于物镜217对称地设置。

漫反射板212c设置在位移传感器211c与物镜217之间，以相对于Y-方向朝着向下倾斜的方向定向。漫反射板212d设置在位移传感器211d与物镜217之间，以相对于Y+方向朝着向下倾斜的方向定向。漫反射板212c和漫反射板212d在Y方向上相对于物镜217对称地设置。

例如，漫反射板212a至212d可通过将相对于探测光具有高反射率的陶瓷板粘结至漫反射块501来形成。可替换地，漫反射块501由铝制成和制造，并且漫反射板212a至212d可通过喷砂处理或耐热铝处理而在漫反射块501的表面上形成。

从位移传感器211a输出的探测光在X+方向和向下倾斜的方向上行进，如图14中的箭头Aa所指示的，并且用探测光照射位移传感器211a与物镜217之间的测量点MPa。在工件102的加工表面是规则反射表面的情况中，在测量点MPa处反射的探测光入射至漫反射板212a的反射点RPa，并在反射点RPa处被漫反射。因此，可通过位移传感器211a和漫反射板212a的组合，在测量点MPa处测量工件102的位移，所述测量点MPa在X-方向上从激光加工点FP（该激光加工点是物镜217的焦点）偏移。在加工方向是X-方向的情况中，可用位移传感器211b和漫反射板212b的组合预测工件102的位移。

类似地，可通过位移传感器211b和漫反射板212b的组合在测量点MPb处测量工件102的位移，所述测量点MPb在X+方向上从激光加工点FP偏移。因此，在加工方向是X+方向的情况中，可用位移传感器211b和漫反射板212b的组合来预测工件102的位移。

可通过位移传感器211c和漫反射板212c的组合在测量点MPc处测量工件102的位移，所述测量点MPc在Y-方向上从激光加工点FP偏移。因此，在加工方向是Y-方向的情况中，可用位移传感器211c和漫反射板212c的组合来预测工件102的位移。

可通过位移传感器211d和漫反射板212d的组合在测量点MPd处测量工件102的位移，所述测量点MPd在Y+方向上从激光加工点FP偏移。因此，在加工方向是Y+方向的情况中，可用位移传感器211d和漫反射板212d的组合来预测工件102的位移。

因此，在第一实施方式中，即使加工方向是X+方向、X-方向、Y+方向和Y-方向中的任何一个，也可预测工件102的位移。

通过将漫反射块501安装在物镜217上，图1中的加工头115的结构可被简化并且尺寸减小。漫反射块501具有易于加工的形状，使得可以低成本制造耐用的漫反射块501。

通过缩短位移传感器211与漫反射板212（位移传感器211与漫反射板212组成所述组）之间的距离来缩短每个位移传感器211的长度测量距离，使得可增加由每个位移传感器211所接收的被漫反射的光的光量。结果，提高了每个位移传感器211的测量精度。

在预测工件102的位移的情况中，有时测量点MP超出工件102之外且在工件102的边缘附近，并且不能测量位移。因此，例如，可转换所使用的位移传感器211。

例如，在加工方向是X+方向的同时用位移传感器211b测量工件102的位移的情况中，测量点MPb超出工件102之外且在工件102的右端（X+方向上的端部）处的边缘附近。在此情况中，在测量点MPb超出工件102之外之前，可转换所使用的位移传感器211a。

可替换，不是转换所使用的位移传感器211，而是例如，在测量点MP超出工件102之外之前立即储存所测值，并且在测量点MP超出工件102之外的同时可用所储存的所测值来执行自动聚焦。

在图1中，用线性编码器等实时地检测包括Y轴驱动部112和工作台113的Y轴机台的位置以及安装于X轴机台上的加工头115的位置，使得可正确地识别测量点MP在哪个位置超出工件102之外，以严格地执行控制。

当不需要预测工件102的加工表面的位移时，例如，可设置两个位移传感器211（这两个位移传感器在图13中的位移传感器211a至211d中基于物镜217而彼此成直角地设置）和与位移传感器211相对应的漫反射板212。也就是说，可提供以下组合中的一个：位移传感器211a和位移传感器211c的组合、位移传感器211a和位移传感器211d的组合、位移传感器211b和位移传感器211c的组合、以及位移传感器211b和位移传感器211d的组合，并可提供与位移传感器211相对应的漫反射板212。

例如，在仅提供位移传感器211a和位移传感器211c的情况中，当加工方向是X+方向或X+方向时，用位移传感器211a测量工件102的位移，并且当加工方向是Y+方向或Y-方向时，用位移传感器211c测量工件102的位移。

因此，可减小位移传感器211和漫反射板212的组的数量，并可减小加工头115的尺寸。

因为在第一实施方式中可使测量点MP尽可能地靠近激光加工点FP，所以由于无法预测工件102的位移将导致一些影响。

如图15中的变型所示，设置位移传感器211和漫反射板212，并且可利用两组位移传感器211和漫反射板212来预测工件102的位移。

特别地，在图15中的变型中，从图13中的第一实施方式去除位移传感器211c、位移传感器211d、漫反射板212c和漫反射板212d。相对于X方向和Y方向倾斜地设置位移传感器211a与位移传感器211b之间的相对方向。结果，测量点MPa相对于物镜217（激光加工点FP）安装在X-方向与Y-方向之间的方向上，并且测量点MPb相对于物镜217（激光加工点FP）安装在X+方向与Y+方向之间的方向上。

因此，使用两个位移传感器211，可在所有加工方向（即，X+方向、X-方向、Y+方向和Y-方向）上预测工件102的位移。特别地，在加工方向是X+方向或Y+方向的情况中，用位移传感器211b在测量点MPb处预测工件102的位移，并且在加工方向是X-方向或Y-方向的情况中，用位移传感器211a在测量点MPa处预测工件102的位移。

因为基于激光加工点FP而相对于X方向和Y方向倾斜地设置测量点MPa和测量点MPb，所以，在从实际执行激光加工的位置偏离的同时测量位移。然而，测量位置的偏离非常小，使得可忽略由于偏离而引起的位移的所测值的误差。

在此情况中，在当沿着工件102的端部执行激光加工时预测位移的情况中，有时测量点MP会超出工件102之外。例如，在沿着工件102的X+方向上的端部在Y+方向上执行激光加工的情况中，位移传感器211b的测量点MPb超出工件102之外。

在这种情况中，无法预测位移，但是可使用其他位移传感器211。例如，在以上实例中，可用位移传感器211a（而不是用位移传感器211b）在测量点MPa处测量工件102的位移。

可任意地设置测量点MPa与测量点MPb之间的相对方向，只要该相对方向相对于X方向和Y方向倾斜即可。然而，期望将相对方向设置为相对于X方向和Y方向为45度或接近45度的方向。

不必始终相对于激光加工点FP对称地设置测量点MPa和测量点MPb。例如，测量点MPa与激光加工点FP之间的距离可能不同于测量点MPb与激光加工点FP之间的距离，或者激光加工点FP和测量点MPa之间的相对方向可与激光加工点FP和测量点MPb之间的相对方向完全相反。

[用于安装位移传感器211和漫反射板212的方法的第二实施方式]

将参考图16至图20描述用于安装位移传感器211和漫反射板212的方法的第二实施方式。

图16示出了测量单元601和移动机构驱动系统602的结构实例，所述移动机构驱动系统可调节激光加工点FP与测量点MP之间的距离（在下文中称为预测距离）。

测量单元601包括位移传感器211、漫反射板212、连接件611和移动机构612。位移传感器211和漫反射板212通过连接件611而以预定间距连接。物镜217设置在位移传感器211与漫反射板212之间，并且位移传感器211、物镜217和漫反射板212设置为在加工方向上阵列。

用移动机构驱动系统602驱动移动机构612，以使位移传感器211、漫反射板212和连接件611在箭头A的方向上（即，加工方向或与加工方向相反的方向）整体地移动。当在保持位移传感器211与漫反射板212之间的间距的同时使位移传感器211和漫反射板212在箭头A的方向上移动时，测量点MP在箭头A的方向上移动，以调节测量点MP与激光加工点FP之间的预测距离L。

移动机构驱动系统602获得多份信息（例如，加工速度和位移传感器211的响应时间），并基于所获得的多份信息来计算预测距离L的适当的值。移动机构驱动系统602驱动移动机构612以使测量单元601在箭头A的方向上移动，并且该移动机构驱动系统将预测距离L调节至适当的距离。

例如，假设V（mm/s）是加工速度，测量加工L/V（s）之后的位置处的工件102的位移。因此，例如，假设T1（s）是位移传感器211的内部处理所必需的时间，并假设T2（s）是基于位移传感器211的测量结果来控制自动聚焦的时间，移动机构驱动系统602设置预测距离，使得获得L/V≥T1+T2。

因此，可根据加工速度和处理速度适当地设置预测距离L，并可更准确地执行自动聚焦。结果，改进了工件102的加工质量。

图17示出了用于安装测量单元601的方法的一个实例。在图17的实例中，提供四个测量单元601a至601d。

在测量单元601a中，物镜217设置在位移传感器211a与漫反射板212a之间。测量单元601a被安装成使得从位移传感器211a到漫反射板212a的相对方向变成X+方向。位移传感器211a的测量点MPa设置为在X+方向上从激光加工点FP偏离的位置。

在测量单元601b中，物镜217设置在位移传感器211b与漫反射板212b之间。测量单元601b被安装成使得从位移传感器211b到漫反射板212b的相对方向变成X-方向。位移传感器211b的测量点MPb设置为在X-方向上从激光加工点FP偏离的位置。

在测量单元601c中，物镜217设置在位移传感器211c与漫反射板212c之间。测量单元601c被安装成使得从位移传感器211c到漫反射板212c的相对方向变成Y+方向。位移传感器211c的测量点MPc设置为在Y+方向上从激光加工点FP偏离的位置。

在测量单元601d中，物镜217设置在位移传感器211d与漫反射板212d之间。测量单元601d被安装成使得从位移传感器211d到漫反射板212d的相对方向变成Y-方向。位移传感器211d的测量点MPd设置为在Y-方向上从激光加工点FP偏离的位置。

为了易于理解，测量点MPa至MPd相对于激光加工点FP倾斜地示出。然而，实际上，测量点MPa、测量点MPb和激光加工点FP设置在X方向上以基本上以直线阵列，并且测量点MPc、测量点MPd和激光加工点FP设置在Y方向上以基本上以直线阵列。

加工系统控制系统651控制由图1中的激光加工设备101执行的整个激光加工。例如，加工系统控制系统651向移动机构驱动系统602发出调节测量点MPa至MPd的位置的指令。例如，加工系统控制系统651向XY机台控制器652发出控制加工方向和加工速度的指令。例如，加工系统控制系统651向AF方向控制器653发出转换所使用的位移传感器211的指令。

例如，XY机台控制器652通过控制Y轴驱动部112和加工头115的X方向驱动系统来控制加工方向和加工速度。

例如，AF方向控制器653被设置在图3中的位移传感器211和误差放大器213之间。AF方向控制器653根据加工方向转换开关654的接触，以选择向误差放大器213提供测量信号的位移传感器211。例如，在加工方向是X+方向的情况中选择位移传感器211a，在加工方向是X-方向的情况中选择位移传感器211b，在加工方向是Y+方向的情况中选择位移传感器211c，并且在加工方向是Y-方向的情况中选择位移传感器211d。

因此，即使加工方向是X+方向、X-方向、Y+方向和Y-方向中的任何一个，也可预测工件102的位移，并可适当地设置待预测的位置。

如图18所示，通过利用可调节测量点MP的位置的事实，可将测量单元601的数量减少至两个。

在图18中，在保留测量单元601a和测量单元601c的同时，从图17中的实例去除测量单元601b和测量单元601d。

例如，在加工方向是X+方向的情况中，移动机构驱动系统602驱动移动机构612a，以将测量单元601a设置至用实线表示的位置，使得测量点MPa在X+方向上从激光加工点FP偏离（例如，测量点MPa1）。AF方向控制器653通过开关654选择位移传感器211a。

在加工方向是X-方向的情况中，移动机构驱动系统602驱动移动机构612a，以将测量单元601a设置至用虚线表示的位置，使得测量点MPa在X-方向上从激光加工点FP偏离（例如，测量点MPa2）。AF方向控制器653通过开关654选择位移传感器211a。

在加工方向是Y+方向的情况中，移动机构驱动系统602驱动移动机构612c，以将测量单元601c设置至用实线表示的位置，使得测量点MPc在Y+方向上从激光加工点FP偏离（例如，测量点MPc1）。AF方向控制器653通过开关654选择位移传感器211c。

在加工方向是Y-方向的情况中，移动机构驱动系统602驱动移动机构612c，以将测量单元601c设置至用虚线表示的位置，使得测量点MPc在Y-方向上从激光加工点FP偏离（例如，测量点MPc2）。AF方向控制器653通过开关654选择位移传感器211c。

即使将测量单元601的数量减少至两个，也可在所有加工方向（即，X+方向、X-方向、Y+方向和Y-方向）上预测工件102的位移。

可替换地，在保留测量单元601b和测量单元601d的同时，可去除测量单元601a和测量单元601c。

与图15中的变型类似，相对于X方向和Y方向倾斜地设置测量点MP与激光加工点FP之间的相对方向。因此，如图19所示，可将测量单元601的数量减少至一个。

特别地，在测量单元601中，将物镜217设置在位移传感器211与漫反射板212之间，并相对于X方向和Y方向倾斜地设置从位移传感器211到漫反射板212的相对方向。位移传感器211相对于物镜217（激光加工点FP）设置在X-方向与Y-方向之间的方向上，并且漫反射板212相对于物镜217（激光加工点FP）设置在X+方向和Y+方向之间的方向上。

例如，在加工方向是X+方向或Y+方向的情况中，移动机构驱动系统602驱动移动机构612，以将测量单元601设置至用实线表示的位置，使得测量点MP在X+方向和Y+方向上从激光加工点FP偏离（例如，测量点MP1）。

另一方面，在加工方向是X-方向或Y-方向的情况中，移动机构驱动系统602驱动移动机构612，以将测量单元601设置至用虚线表示的位置，使得测量点MP在X-方向和Y-方向上从激光加工点FP偏离（例如，测量点MP2）。

即使将测量单元601的数量减少至一个，也可在所有加工方向（即，X+方向、X-方向、Y+方向和Y-方向）上预测工件102的位移。可去除AF方向控制器653和开关654。

可任意地设置位移传感器211与漫反射板212之间的相对方向，只要该相对方向相对于X方向和Y方向倾斜即可。例如，如图20所示，可将位移传感器211与漫反射板212之间的相对方向设置在将图19中的实例旋转180度的方向上。

然而，期望将位移传感器211与漫反射板212之间的相对方向设置为相对于X方向和Y方向为45度或接近45度的方向。

在测量点MP超出工件102之外的情况中，与图15中的变型类似，可使用在测量点MP超出工件102之外之前立即储存的所测值，或者，可将测量单元601移动至测量点MP不超出工件102之外的位置。

如图21所示，提供使测量单元601围绕激光加工点FP平行于工件102的加工表面旋转的旋转机构，并且可使测量点MP围绕激光加工点FP旋转。

例如，用电动机701和旋转齿轮702构造该旋转机构。旋转齿轮702的中心中设置有开口702A，以使加工激光束入射至物镜217。

当驱动电动机701以旋转旋转齿轮702时，测量单元601在箭头A的方向上围绕物镜217旋转，并且测量点MP围绕激光加工点FP旋转。

因此，即使加工方向设置为除了X方向和Y方向以外的方向，也可根据加工方向设置预测工件102的位移的方向。

在图21的实例中，可去除移动机构驱动系统602和移动机构612，以去除调节预测距离L的功能。

可用任何机构来旋转测量单元601。例如，可用空心电动机（hollowmotor）来旋转测量单元601。

3.变型

下面将描述本发明的实施方式的变型。

在图1中的激光加工设备101中，通过实例的方式固定台架114。例如，去除图1中的Y轴驱动部112，并可将台架114构造为在Y方向上被驱动（移动台架型机台）。

在以上描述中，通过实例的方式使用板状漫反射板212。可替换地，可使用具有除了板形以外的形状（例如，球形）的漫反射器。

例如，可将误差放大器213的功能包含在位移传感器211中。

例如，基于测量结果，位移传感器211的信号处理器234可计算工件102的位移δ，并输出表示位移δ的测量信号。在此情况中，例如，基于工件102的加工表面的反射状态的检测结果，信号处理器234可自动地在基于等式（4）计算用于漫反射表面的位移δ的方法与基于等式（8）计算用于规则反射表面的位移δ的方法之间转换。

例如，位移传感器211的信号处理器234可基于长度测量距离是否落在长度测量范围内来检测工件102的加工表面的反射状态。例如，在设置用于规则反射表面的长度测量范围的情况中，当长度测量距离超出长度测量范围时，检测到工件102的加工表面从规则反射表面变成漫反射表面。在设置用于漫反射表面的长度测量范围的情况中，当长度测量距离超出长度测量范围时，检测到工件102的加工表面从漫反射表面变成规则反射表面。

在以上描述中，通过实例的方式，由物镜217的在Z方向上的位置使物镜217聚焦。例如，本发明还可应用于这样的情况：物镜217由多个透镜构造，并且通过透镜之间的距离来调节焦点位置。

可使用二维图像传感器来代替线性传感器233。

在以上描述中，通过实例的方式，利用从工件102的加工表面被规则地反射或漫反射的探测光使物镜217在加工表面上聚焦。可替换地，可利用从除了加工表面以外的表面被规则地反射或漫反射的探测光使物镜217在加工表面上聚焦。

例如，如图22中的箭头A1所指示的，将讨论这样的情况：通过用激光束从玻璃衬底801的一侧照射规则反射薄膜802（例如，Mo薄膜等）来执行加工。在此情况中，如上所述，可用从玻璃衬底801的表面801a被漫反射的探测光使物镜在玻璃衬底801的表面801a上聚焦。在这一点上，将焦点位置设置为从玻璃衬底801的表面801a偏离到比表面801a深一厚度的位置，该厚度是玻璃衬底801的厚度。因此，利用从玻璃衬底801的表面801a被漫反射的探测光，可使物镜在规则反射薄膜802的表面802a上聚焦，该表面802a是实际的加工表面。

例如，对于如图23中的箭头A2所指示地通过用激光束从透明或半透明的薄膜衬底811（例如，柔性片，诸如PI片、PET片和COC片）的一侧照射规则反射薄膜812来执行加工的情况，同样是这样。也就是说，利用从薄膜衬底811的表面811a被漫反射的探测光，可使物镜在规则反射薄膜812的表面812a上聚焦，该表面812a是实际的加工表面。

如图24所示，本发明可应用于这样的情况：利用从加工表面被反射的探测光使物镜不但在工件102的表面上聚焦，而且在加工表面上聚焦，该加工表面比工件102的所述表面深。

特别地，例如，将探测光设置为相对于薄膜衬底821具有良好的透射率的波长，并且涂覆薄膜衬底821的表面821a，使得几乎不漫反射探测光。因此，如箭头A3所指示的，从薄膜衬底821的一侧入射的探测光透射通过薄膜衬底821，并从规则反射薄膜822的表面822a被规则地反射。可利用从规则反射薄膜822的表面822a被规则地反射的探测光使物镜在规则反射薄膜822的表面822a上聚焦。

例如，在图13和图14的第一实施方式中的相对于X方向和Y方向倾斜地执行激光加工的情况中，可在设置有漫反射块501的漫反射板212的表面之间的倒三角形表面中设置漫反射板。

除了激光加工设备以外，本发明还可应用于执行自动聚焦的设备。

本发明不限于以上实施方式，而是可以在不背离本发明的范围的前提下进行各种改变。

Claims (19)

1.一种用于激光加工设备的聚焦装置，包括：

物镜，所述物镜发出加工激光束；

位移传感器，所述位移传感器发出测量光并利用所述测量光的反射光测量物体的位移或到所述物体的距离；

漫反射器，所述漫反射器设置在一位置中，从工件的表面被规则地反射的所述测量光被入射至所述位置；以及

聚焦部，所述聚焦部基于所述位移传感器的测量结果使使所述物镜聚焦，其中，当所述测量光从所述工件的表面被规则地反射时，所述聚焦部基于第一测量结果使使所述物镜聚焦，所述第一测量结果是在从所述工件的表面被规则地反射的所述测量光从所述漫反射器被漫反射之后由所述位移传感器利用从所述工件的表面反射的第一反射光测得的。

2.根据权利要求1所述的聚焦装置，其中，当所述测量光从所述工件的表面被漫反射时，所述聚焦部基于第二测量结果使所述物镜聚焦，所述第二测量结果是由所述位移传感器利用从所述工件的表面被漫反射的第二反射光测得的。

3.根据权利要求2所述的聚焦装置，其中，所述聚焦部基于所述工件的表面的反射状态来选择在规则反射表面或漫反射表面中的哪一个上使所述物镜聚焦。

4.根据权利要求3所述的聚焦装置，其中，当所述位移传感器的测量结果超出预定范围时，所述聚焦部在所述物镜所聚焦的所述规则反射表面和所述漫反射表面之间转换。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的聚焦装置，其中，设置有至少两组位移传感器和漫反射器，并且所述漫反射器设置在同一组的所述位移传感器与物镜之间并位于所述物镜附近。

6.根据权利要求5所述的聚焦装置，其中，所述物镜设置在第一位移传感器与第二位移传感器之间，并且，所述第一位移传感器与所述第二位移传感器之间的相对方向相对于彼此正交的第一加工方向和第二加工方向倾斜地设置。

7.根据权利要求5所述的聚焦装置，其中，第一位移传感器相对于所述物镜的第一相对方向被设置为预定的第一加工方向，并且第二位移传感器相对于所述物镜的第二相对方向被设置为与所述第一加工方向正交的第二加工方向。

8.根据权利要求5所述的聚焦装置，其中，设置有至少四组位移传感器和漫反射器，所述物镜设置在第一位移传感器与第二位移传感器之间、以及第三位移传感器与第四位移传感器之间，并且所述第一位移传感器与所述第二位移传感器之间的相对方向正交于所述第三位移传感器与所述第四位移传感器之间的相对方向。

9.根据权利要求5所述的聚焦装置，其中，所述漫反射器中的每一个均设置在附接至所述物镜周边的构件中。

10.根据权利要求1所述的聚焦装置，其中，所述位移传感器的测量点在所述工件的加工方向上设置在所述物镜的焦点位置的前方。

11.根据权利要求1所述的聚焦装置，进一步包括移动机构，所述移动机构使所述位移传感器、所述漫反射器和所述物镜在与所述工件垂直的方向上整体地移动，其中所述位移传感器、所述漫反射器和所述物镜彼此连接。

12.根据权利要求1所述的聚焦装置，进一步包括行进距离检测器，所述行进距离检测器检测所述物镜在垂直于所述工件的方向上的行进距离，其中所述聚焦部基于所述行进距离检测器的检测结果使所述物镜聚焦。

13.根据权利要求1所述的聚焦装置，其中，所述物镜包括多个透镜，并且所述聚焦部通过调节所述物镜的透镜之间的距离而使所述物镜聚焦。

14.根据权利要求1至4中任一项所述的聚焦装置，进一步包括移动机构，所述移动机构使所述位移传感器和所述漫反射器相对于所述工件整体地平移，其中所述位移传感器和所述漫反射器彼此连接。

15.根据权利要求14所述的聚焦装置，其中，所述位移传感器与所述漫反射器之间的相对方向相对于彼此正交的第一加工方向和第二加工方向倾斜地设置。

16.根据权利要求14所述的聚焦装置，其中，设置有至少两组位移传感器和漫反射器，每组中的所述位移传感器和所述漫反射器连接，第一组的所述位移传感器与所述漫反射器之间的相对方向设置为预定的第一加工方向，并且第二组的所述位移传感器与所述漫反射器之间的相对方向设置为与所述第一加工方向正交的第二加工方向。

17.根据权利要求1至4中任一项所述的聚焦装置，进一步包括旋转机构，所述旋转机构使所述位移传感器和所述漫反射器平行于所述工件围绕所述物镜整体地旋转，其中所述位移传感器和所述漫反射器彼此连接。

18.根据权利要求17所述的聚焦装置，进一步包括移动机构，所述移动机构使所述位移传感器和所述漫反射器相对于所述工件整体地平移。

19.一种激光加工设备，包括根据权利要求1至18中任一项所述的聚焦装置。

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