CN108340071B - 光斑形状检测装置 - Google Patents

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Abstract

提供光斑形状检测装置，在短时间内高效地对从激光振荡器照射的激光光线的准确的光斑形状进行检测。光斑形状检测装置(1)对从激光振荡器(30)振荡出的激光光线(LB1)的光斑形状进行检测，其中，该光斑形状检测装置具有：聚光透镜(31)，其对激光振荡器所振荡的激光光线进行会聚；旋转体(镜保持器6)，其将对通过了聚光透镜的激光光线进行反射的多个镜(6a’～6q’)配设在同心圆上；驱动源(电动机7)，其使旋转体按照规定的周期进行旋转；分束器(32)，其对由旋转体的多个镜反射的激光光线的返回光(LB2)进行分支；拍摄组件(33)，其配设在返回光借助分束器而分支的方向上，对返回光的光斑形状进行拍摄；以及显示单元(m)，其使由拍摄组件拍摄的图像与多个镜相关联地进行显示。

Description

光斑形状检测装置
技术领域
本发明涉及光斑形状检测装置，能够对激光光线的准确的光斑形状进行检测。
背景技术
由分割预定线划分而在正面上形成有IC、LSI、LED等多个器件的晶片被激光加工装置分割成各个器件，分割得到的各个器件被应用在移动电话、个人计算机、液晶电视、照明设备等电器设备中，其中，该激光加工装置对分割预定线照射对于晶片具有吸收性的波长的激光光线并执行烧蚀加工(例如，参照专利文献1。)。
并且，还提出了如下的激光加工的技术：将对于晶片具有透过性的波长的激光光线的聚光点定位在分割预定线的内部而进行照射，形成改质层并施加外力从而将晶片分割成各个器件，该技术已经在激光加工装置的领域中得到实际应用(例如，参照专利文献2。)。
并且，由于由构成所述激光加工装置的激光振荡器振荡出的激光光线的光斑形状会给加工品质带来影响，所以为了确保激光加工时的品质，需要使用照射在晶片上的激光光线的光斑形状来进行评价，或者根据利用光斑形状计算出的光束直径来计算作为用于评价激光光线的指标的M2因子而进行评价，以往也提出了几种检测光斑形状的装置(例如，参照专利文献3～5。)。另外，M2因子是本技术领域人员通常已知的指标值，其表示将激光光线会聚并缩小到衍射极限时的光束直径是将理想的高斯光束缩小到衍射极限时的光束直径的几倍。因此，该指标值由相对于理想的高斯光束的1以上的比值来表示，与理想的高斯光束一致的情况下的M2因子为1。
专利文献1：日本特开平10-305420号公报
专利文献2：日本特许第3408805号公报
专利文献3：日本特开2013-022634号公报
专利文献4：日本特开2013-151002号公报
专利文献5：日本特许第5726999号公报
为了对上述那样的光斑形状进行检测而进行评价，需要进行多个点处的光斑形状的检测，或者需要进行基于光斑的直径等而掌握的M2因子的评价，光斑形状的检测需要比较多的时间，作业性较差，并且在要检测的光斑形状的再现性方面也存在问题，在确保评价的准确性方面存在课题。
发明内容
本发明是鉴于上述事实而完成的，其主要的技术课题在于，提供光斑形状检测装置，在短时间内高效地对从激光振荡器照射的激光光线的准确的光斑形状进行检测。
为了解决上述主要的技术课题，根据本发明，提供光斑形状检测装置，其对从激光振荡器振荡出的激光光线的光斑形状进行检测，其中，该光斑形状检测装置包含：聚光透镜，其对激光振荡器所振荡的激光光线进行会聚；旋转体，其将对通过了该聚光透镜的激光光线进行反射的多个镜配设在同心圆上；驱动源，其使该旋转体按照规定的周期进行旋转；分束器，其对该旋转体的该多个镜所反射的激光光线的返回光进行分支；拍摄组件，其配设在该返回光借助该分束器而分支的方向上，对该返回光的光斑形状进行拍摄；以及显示组件，其对由该拍摄组件拍摄的图像与该多个镜相关联地进行显示，该多个镜按照如下方式配设在该旋转体上：当使该旋转体向规定的方向旋转时，由该多个镜依次进行反射的激光光线的返回光的聚光点逐渐接近该拍摄组件的拍摄位置，并达到该拍摄位置，并从该拍摄位置逐渐远离。
也可以构成为使该拍摄组件的快门与该旋转体的各镜反射激光光线的反射时期同步地进行动作。并且，也可以通过使对各镜照射激光光线并发生反射的时间最长而调整该拍摄组件的快门的打开时间，从而对由该拍摄组件捕捉的该激光光线的返回光的明亮度进行调整。此外，也可以在该聚光透镜的前方配设衰减滤波器。
本发明的光斑形状检测装置包含：聚光透镜，其对激光振荡器所振荡的激光光线进行会聚；旋转体，其将对通过了该聚光透镜的激光光线进行反射的多个镜配设在同心圆上；驱动源，其使该旋转体按照规定的周期进行旋转；分束器，其对该旋转体的该多个镜所反射的激光光线的返回光进行分支；拍摄组件，其配设在该返回光借助该分束器而分支的方向上，对该返回光的光斑形状进行拍摄；以及显示组件，其对由该拍摄组件拍摄的图像与该多个镜相关联地进行显示，该多个镜按照如下方式配设在该旋转体上：当使该旋转体向规定的方向旋转时，由该多个镜依次进行反射的激光光线的返回光的聚光点逐渐接近该拍摄组件的拍摄位置，并达到该拍摄位置，并从该拍摄位置逐渐远离，由此，能够容易地对形成于激光光线的聚光点附近区域的光斑形状进行检测并显示在显示组件上。更具体来说，例如，在构成旋转体的镜的数量为17个且构成为能够进行每秒50帧的拍摄的情况下，能够以0.34秒对夹着聚光点的区域的光斑形状进行拍摄并显示在显示组件上，进而，只要使用所拍摄到的光斑形状来确定光斑直径，则能够容易地实施M2因子等光束轮廓的评价。
附图说明
图1是示出光斑形状检测装置的整体立体图的图。
图2是用于对图1所示的光斑形状检测装置的光学系统单元进行说明的框图。
图3是示出图1所示的光斑形状检测装置的编码器的概略的概略图。
图4是示出通过图1所示的光斑形状检测装置检测到的光斑直径与镜的配设位置之间的关联的曲线图。
标号说明
1：光斑形状检测器；2：基台；3、4：支承架；5：镜保持器旋转轴；51a：前端部；51b：后端部；52：带齿滑轮；6：镜保持器；6a～6q：反射孔；6a’～6q’：镜；7：电动机；8：电动机旋转轴；82：带齿滑轮；9：编码器；91：旋转轮；91a～91q：缝；92：触发产生器；93：发光元件；94：受光元件；m：显示单元(显示组件)；V：带齿带。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式的光斑形状检测装置进行更详细地说明。
在图1和2中示出了光斑形状检测装置的一个实施方式。本实施方式的光斑形状检测装置1具有：基台2，其载置光斑形状检测装置1的主要部分；圆柱状的旋转体(以下，称为“镜保持器6”。)，其将分别内置有镜的多个反射孔6a～6q(在本实施方式中为17个)配设在同心圆上；旋转轴5，其成为该镜保持器6的中心轴，贯穿于该镜保持器6；以及支承架3、4，它们竖立设置在该基台2上，将该旋转轴5的前端部51a、后端部51b支承为自由旋转。另外，虽然在图1中未示出，但本实施方式的光斑形状检测装置具有：作为驱动源的电动机，其按照规定的周期对该镜保持器6进行旋转驱动；以及编码器，其附设在该电动机上，下面进行详细地叙述。
在镜保持器6上绕逆时针方向具有沿轴向穿孔而得的多个反射孔6a～6q，该反射孔6a～6q在以旋转轴5为中心的同一圆周上按照规定的间隔配设。在各反射孔6a～6q的内部，如在图2中示出其概要的那样，内置有用于反射从外部入射的激光光线的镜6a’～6q’，各镜6a’～6q’按照距离镜保持器6的一个端面61的箭头X所示的方向上的距离不同的方式定位并固定。下面对各镜6a’～6q’的配设位置和基于该位置的作用进行详述。另外，在图1中未示出反射孔6k～6p，反射孔6k～6p位于图中的支承架3的背后，按照与其他反射孔同样的间隔配设在镜保持器6上。
如图2所示，在贯穿于该镜保持器6的中心的旋转轴5的支承架4侧的后端部51b和为了对该镜保持器6进行旋转驱动而配设的电动机7的旋转轴8的前端部81，分别固定有按照相同齿数形成的带齿滑轮52、82，在该带齿滑轮52、82上架设有带齿带V。通过该带齿滑轮52、82和带齿带V将该电动机7的旋转传递给镜保持器6的旋转轴5而不会产生打滑，通过后述的控制单元20来控制该电动机7的旋转速度，从而能够对镜保持器6的旋转周期进行准确地控制。
在本实施方式的光斑形状检测装置1中，除上述的结构之外，还配设有通过图2具体示出的、用于检测光斑形状的光学系统单元40。该光学系统单元40例如具有：作为评价对象的激光振荡器30；聚光透镜31，其对由激光振荡器30振荡的激光光线LB1进行会聚；分束器32，其将穿过了该聚光透镜31的激光光线LB1照射到形成有反射孔6a～6q的镜保持器6的圆周上，对由配设在反射孔6a～6q的内部的镜6a’～6q’反射的返回光LB2进行反射而朝向下方变更光路；以及拍摄单元(拍摄组件)33，其配设在由该分束器32反射的返回光LB2的光路上，该拍摄单元33内置有对返回光LB2的光斑形状进行拍摄的拍摄元件33a。另外，在支承架3上形成有使激光光线LB1穿过分束器32并导入到镜保持器6侧的未图示的开口部。并且，虽然在图1中未示出，但如在图2的光学单元中以虚线示出的那样，在该激光振荡器30与聚光透镜31之间也可以具有输出调整单元，该输出调整单元用于将激光光线LB1调整为适合于通过拍摄单元33对光斑直径进行拍摄的输出，作为该输出调整单元，可以配设光衰减滤波器34。
这里，参照图2和3对附带地配设在对镜保持器6进行旋转驱动的电动机7上的编码器9进行说明。如图2和3所示，本实施方式的编码器9具有：旋转轮91，其配设在电动机7的旋转轴8上；以及触发产生器92，其按照夹着该旋转轮91的外周部的方式构成。在该触发产生器92中，如图所示那样隔着该旋转轮91例如具有发出红外光(IR)的发光元件93和接受该红外光的受光元件94。当该旋转轮91旋转并且从发光元件93发出的红外光穿过在旋转轮91的外周按照均等的间隔形成的缝91a～91q而被受光元件94接受时，编码器9输出图2的下方所示的触发信号S，并将信号发送给控制单元20。这里，配设于旋转轮91的缝91a～91q的开口宽度被设定为91i最窄，离91i越远则开口宽度越宽。即，触发信号S的信号宽度(导通的长度)为91f～91l最小(短)，91a、91q侧最大(长)。进行控制以便当该触发信号S被发送到控制单元20时，拍摄单元33的快门(未图示的。)与触发信号S同步地打开。另外，在本实施方式中，通过对电动机7的旋转速度进行调整，从顺时针方向来看，通过缝91f～91l将快门导通的时间设定为1msec、通过缝91c～91e、91m～91o将导通的时间设定为2msec、通过缝91p～91b将导通的时间设定为5msec。
控制单元20由计算机构成，其具有：中央运算处理装置(CPU)，其根据控制程序来进行运算处理；只读存储器(ROM)，其对控制程序等进行储存；能够读写的随机存取存储器(RAM)，其用于暂时储存所检测出的检测值和运算结果等；以及输入接口和输出接口(省略了详细的图示)。对控制单元20不仅输入来自该触发产生器92的信号，还输入从拍摄单元33发送的拍摄数据等，该拍摄数据被存储在随机存取存储器(RAM)中，并适当地显示在设置于该光斑形状检测单元1的附近的显示单元(显示组件)m上。
对配设在镜保持器6的反射孔6a～6q内的镜6a’～6q’的配设位置进行说明。在反射孔6a～6q内各配设有一个反射激光光线的镜，镜6a’～6q’的配设位置被配设成在图2的箭头X所示的方向上处于不同的位置。为了方便说明，图示的镜保持器6是在从侧面对配设在镜保持器6内的镜的位置进行观察的状态下透视而示出的，从图中可明显看出，镜6a’按照距离镜保持器6的一个端面61的距离最短的方式配设在一个端面61侧，按照镜6b’、镜6c’…远离一个端面61的方式配设，镜6q’配设在反射孔的最深的位置。
对各镜6a’～6q’的配置位置进行更具体地说明。如上述那样，由激光振荡器30振荡的激光光线LB1经由聚光透镜31会聚后由该镜6a’～6q’进行反射，变成返回光LB2而由分束器32进行反射并被导入到拍摄单元33。这里，镜6i’在镜保持器6的图中箭头X的方向上位于中间位置，按照由该镜6i’反射的返回光LB2在拍摄单元33的拍摄元件33a上形成聚光点P的方式，即，按照由拍摄单元33拍摄到的光斑形状最小的方式设定其位置。构成为：随着镜的位置(反射位置)从镜6i’向镜保持器6的一个端面61侧移动，该聚光点P向拍摄元件33a的下方侧移动，随着镜的位置从镜6i’向远离镜保持器6的一个端面61的那一侧移动，该聚光点P向拍摄元件33a的上方侧移动。并且，以镜6i’为中心，镜6f’～6l’在箭头X方向上看按照1mm的间隔配置，镜6c’～6f’、6l’～6o’按照5mm的间隔配置，镜6a’～6c’、6o’～6q’按照20mm的间隔配置，设定成能够在作为激光光线的衍射极限的光斑直径最小的区域附近对光斑形状进行更细致地拍摄。
本实施方式的光斑形状检测装置1大致按照以上那样构成，以下参照图2对其作用进行说明。
作业者为了评价激光光线的品质，准备了作为评价对象的激光振荡器30，将该激光振荡器30设置在规定的载置台(未图示。)上而实施照射方向的调整。接着，当为了开始光斑形状的检测而对控制单元20进行作业开始的指示时，电动机7开始旋转，经由带齿滑轮82、带齿带V和带齿滑轮52来传递旋转驱动力，使镜保持器6按照规定的旋转周期旋转。
在镜保持器6的旋转周期稳定于规定的值的状态下，从激光振荡器30按照规定的输出振荡出例如635nm波长的激光光线，并向聚光透镜31照射。此外，编码器9的旋转轮91与电动机的旋转轴8一起进行旋转，从而如上述那样输出触发信号S。基于该缝91a～91q而产生的触发信号S被设定为与激光光线LB1入射到各反射孔6a～6q的时机同步地导通。例如，当按照激光光线LB1被镜6a’反射的时机，基于缝91a而产生的触发信号S为导通时，仅在导通的期间打开拍摄单元33的快门(未图示的。)，对照射在拍摄元件33a上的返回光LB2的光斑形状进行记录并发送存储到控制单元20中。当镜保持器6进一步旋转，从而由镜6b’反射的返回光LB2到达拍摄单元33时，根据基于缝91b而产生的触发信号S来打开拍摄单元33的快门，对形成在拍摄元件33a上的光斑形状进行拍摄，拍摄数据被发送给控制单元20。以下，同样，在由镜6c’～6q’反射的返回光LB2到达拍摄单元33时，根据基于缝91c～91q而产生的触发信号S来打开拍摄单元33的快门，将通过各镜6c’～6q’的反射而形成在拍摄元件33a上的光斑形状记录到控制单元20中。
另外，由于聚光点P的位置越接近拍摄元件33a则拍摄元件33a接受的光线的光密度越高，所以通过缝91a～91q而生成的触发信号S的导通时间被设定为较短，聚光点P离拍摄元件33a越远则该导通时间越被设定为相对较长，对曝光时间进行调整以便防止拍摄元件33a损伤，并对要拍摄的光斑形状进行适当地拍摄。由于基于该缝91a～91q的导通时间仅在激光光线LB1在各镜6a’～6q’上发生反射的时间内有效，所以使由反射孔6a～6q的孔形状和镜保持器6的旋转周期确定的各镜6a’～6q’的反射时间最长，通过调整快门打开的时间(即快门速度)来调整由拍摄单元33拍摄的光斑形状的明亮度。
如以上那样，当对由各镜6a’～6q’反射的返回光LB2的光斑形状进行拍摄并记录到控制单元20中时，使拍摄到的光斑形状与各反射孔6a～6q相关联地显示在与控制单元20连接的显示单元m上(参照图2。)。
在使拍摄到的光斑形状与各反射孔6a～6q相关联地显示在显示单元m上的同时，根据存储于控制单元20的光斑形状来计算由拍摄单元33捕捉到的光斑形状的光斑直径。在光斑直径的计算中，使用根据拍摄单元33拍摄到的图像而确定的D4σ。该D4σ由强度分布的标准偏差σ的4倍规定，作为确定激光光线的光束直径的方法，按照ISO的国际标准规格来进行规定，由于详细内容是公知的，所以这里省略了其说明。在利用D4σ计算出由各镜6a’～6q’反射的返回光的光斑直径之后，使这些光斑直径与各镜6a’～6q’相关联地存储到控制单元20中。
在图4中，纵轴表示由上述的各镜6a’～6q’反射的返回光LB2在拍摄元件33a上形成的光斑的光斑直径d(μm)，横轴表示当计算出该光斑直径时对激光光线进行了反射的镜的位置(mm)，标出与各镜的配设位置对应的光斑直径，并用实线L1来表示将各点连接起来的线。该镜的位置被规定为：以预先设定为在拍摄元件33a上形成聚光点P的镜6i’的位置为基准点(0)，将聚光点P形成在比拍摄元件33a靠下方(参照图2)侧的那一侧的位置设为负值，将聚光点P形成在上方的那一侧的位置设为正值。这里，在图4中还一起示出了设想从激光振荡器30照射理想的高斯光束的情况下所形成的光斑直径的值并连接而得的虚线L2。假设本实施方式的激光振荡器30能够照射理想的高斯光束，则将所照射的激光光线缩小到衍射极限的情况下的光斑直径d0如在虚线L2上光斑直径最小的点P0所示的那样、为42.00μm。与此相对，实际测量出的将激光振荡器30的激光光线缩小到衍射极限时的光斑直径d如图中点P1所示的那样为50.00μm，根据这些点P0、P1所示出的光斑直径来计算M2因子。
另外，一般的M2因子通过运算式：M2＝θ·d/θ0·d0求出，其中θ0为理想的高斯光束的扩展角，θ为实际测量出的激光光线的扩展角，但在θ与θ0之间的差较小的情况下，可视为θ/θ0≈1而通过M2＝d/d0来进行运算，在θ不能被视为θ0的情况下，只要求出扩展角θ、θ0并代入到求出M2因子的上述运算式中即可。以上，可理解为M2因子越是接近1的值，则评价为从激光振荡器30振荡出的激光光线的品质越高。
基于本发明而构成的上述实施方式如上述那样配设了多个镜，该多个镜通过将对旋转体照射的激光光线反射从而使聚光点位置发生变化，通过驱动源来使该旋转体进行旋转，从而能够在短时间内容易地拍摄到聚光点附近的光斑形状，并能够将所拍摄到的图像显示在显示装置上。并且，能够根据检测到的光斑形状来容易地评价激光振荡器。
本发明并不限定于上述的实施方式，只要包含在本发明的技术范围内便能够设想各种变形例。在上述的实施方式中，根据由拍摄单元33拍摄到的光斑形状来计算光斑直径，求出M2因子并进行激光光线的评价，但并不限于必须求出M2因子。也可以不计算M2因子而对显示在显示单元m上的光斑形状进行观察来评价激光光线的品质。在该情况下，能够根据拍摄到的光斑形状是理想的激光光线的情况下所形成的形状来实施激光光线的评价。
在本实施方式的编码器9中，将旋转轮91配设在电动机7的旋转轴8上，但并不限定于此，也可以将该旋转轮91配设在镜保持器6的旋转轴5上。此外，在本实施方式中，使用D4σ来计算光斑直径，但并不限定于此，例如，也可以按照通常使用的其他光束直径的定义(10/90、20/80刀口、1/e2、D86等)来进行计算。

Claims (5)

1.一种光斑形状检测装置，其对从激光振荡器振荡出的激光光线的光斑形状进行检测，其中，该光斑形状检测装置包含：
聚光透镜，其对激光振荡器所振荡的激光光线进行会聚；
旋转体，其将对通过了该聚光透镜的激光光线进行反射的多个镜配设在同心圆上；
驱动源，其使该旋转体按照规定的周期进行旋转；
分束器，其对该旋转体的该多个镜所反射的激光光线的返回光进行分支；
拍摄组件，其配设在该返回光借助该分束器而分支的方向上，对该返回光的光斑形状进行拍摄；以及
显示组件，其对由该拍摄组件拍摄的图像与该多个镜相关联地进行显示，
该多个镜按照如下方式配设在该旋转体上：当使该旋转体向规定的方向旋转时，由该多个镜依次进行反射的激光光线的返回光的聚光点逐渐接近该拍摄组件的拍摄位置，并达到该拍摄位置，并从该拍摄位置逐渐远离。
2.根据权利要求1所述的光斑形状检测装置，其中，
该光斑形状检测装置构成为使该拍摄组件的快门与该旋转体的各镜反射激光光线的反射时期同步地进行动作。
3.根据权利要求1所述的光斑形状检测装置，其中，
通过使对各镜照射激光光线并发生反射的时间最长而调整该拍摄组件的快门的打开时间，从而对由该拍摄组件捕捉的该激光光线的返回光的明亮度进行调整。
4.根据权利要求2所述的光斑形状检测装置，其中，
通过使对各镜照射激光光线并发生反射的时间最长而调整该拍摄组件的快门的打开时间，从而对由该拍摄组件捕捉的该激光光线的返回光的明亮度进行调整。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的光斑形状检测装置，其中，
在该聚光透镜的前方配设有衰减滤波器。
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