CN112496527B - 光学设备以及物品制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了光学设备以及物品制造方法。在能够调整激光的焦点位置的光学设备中，提高了激光处理的精度。一种通过用激光照射对象来处理对象的光学设备，包括：焦点位置调整机构，被配置成调整激光的焦点位置；入射位置调整机构，被配置成在与激光的焦点方向垂直的方向上调整入射在对象上的激光的入射位置；以及控制单元，被配置成控制焦点位置调整机构和入射位置调整机构的驱动，其中，控制单元基于焦点位置调整机构的驱动量来控制入射位置调整机构的驱动，以校正由于焦点位置的改变而引起的入射位置的移位。

Description

光学设备以及物品制造方法
技术领域
本发明涉及光学设备以及生产物品的方法。
背景技术
激光处理设备等中的光学扫描设备可以包括平移光学系统、会聚光学系统和偏转光学系统，以使得光从方位角(θx，θy)被会聚并辐射到对象上的位置(x，y，z)。平移光学系统是对入射在稍后将描述的会聚光学系统上的光进行平移(平行移位)以改变方位角的光学系统(日本专利公开No.2016-103007)。会聚光学系统是改变光的焦点位置(z)以将光会聚在对象上的光学系统。偏转光学系统(也被称为“扫描光学系统”)例如是包括诸如镜之类的偏转光学元件并改变光的照射位置(x，y)的光学系统。在这些光学系统当中，日本专利公开No.2016-103007的平移光学系统包括具有第一反射面和第二反射面的可旋转反射构件。此外，包括由第一反射面反射的光被多个反射面顺次地反射并入射在第二反射面上的光学系统。此外，包括调整单元，该调整单元通过改变反射构件的旋转角度来调整由第二反射面反射并从反射构件发射的光的光路。利用这样的配置，实现了从反射构件发射的光的平移(平行移位)。此外，可以使用两个平移光学系统组在沿着两个轴的方向上平移光。如果从反射构件发射的光在相对于平行偏心的同时进入会聚光学系统(会聚透镜)，那么以根据偏心量和会聚光学系统的焦距的倾斜角倾斜的会聚光从会聚光学系统被发射。例如，如果在光学处理设备中对象可以被用会聚光照射，那么由于热或波效应，会聚光可以被用于处理诸如钻孔之类的物体。
在使用如上所述的光学扫描设备的光学处理设备中，当要处理的物体的表面具有凹凸形状或弯曲表面形状时，可能难以精确地对准激光的焦点位置与物体上的表面位置并且激光处理的精度可能退化。
发明内容
本发明提高了能够调整激光的焦点位置的光学设备中的激光处理的精度。
为了解决上述问题，本发明是一种通过用激光照射对象来处理对象的光学设备，该光学设备包括：焦点位置调整机构，该焦点位置调整机构调整激光的焦点位置；入射位置调整机构，该入射位置调整机构在与激光的焦点方向垂直的方向上调整入射在对象上的激光的入射位置；以及控制单元，该控制单元控制焦点位置调整机构和入射位置调整机构的驱动，其中，控制单元基于焦点位置调整机构的驱动量来控制入射位置调整机构的驱动，以校正由于焦点位置的改变而引起的入射位置的移位。
通过以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的更多特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出根据实施例的光学设备的一部分的配置的示例的图。
图2是示出改变反射构件的角度的驱动单元的配置的示例的图。
图3是示出光学设备的一部分的配置的另一个示例的图。
图4是示出包括平移光学系统的激光处理设备的配置的示例的图。
图5是示出根据实施例的激光处理设备的配置的示例的图。
图6是示出当仅执行自动对焦操作时的激光处理的状态的示例的图。
图7A和图7B是示出由于自动对焦而引起的入射位置的移位量的数值示例的图。
图8是用于描述根据实施例的校正入射位置移位的处理的流程图。
图9是示出根据实施例的激光处理的状态的示例的图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施例。在用于说明实施例的所有附图中，作为一般规则(除非另有说明)，相同的构件等由相同的附图标记表示，并且将省略其重复描述。
[处理设备的实施例]
图1是示出根据实施例的光学设备的一部分的配置的示例的图。实施例中的光学设备可以控制发射的光的路径(光路)，并且例如平移(平行移位)光线。实施例中的光线平行移位机构(平移光学系统)包括镜构件2(也被称为“反射构件”)，该镜构件2被配置成反射来自激光光源50的光线51。在下面的描述中，将例示每个反射面可以被视为平面并且光路被平移的情况。镜构件2例如由玻璃制成，并具有接收来自光源50的光线51的第一反射面2a和在相对侧的第二反射面2b。第一反射面2a和第二反射面2b各自被具有高反射率的涂层覆盖。镜构件2可以以棱镜形状形成，或者第一反射面2a和第二反射面2b可以彼此独立地形成。
而且，其角度可以被改变的镜构件2被配置成使得从光学设备发射的光的光路可以被控制(改变)。这里，图2是示出改变反射构件2的角度的驱动单元1的配置的示例的图。如图2中所示，镜构件2由(流电)马达1(驱动单元)的输出轴1a枢转地支撑。控制单元60向马达1输出驱动信号，并且马达1经由输出轴1a以与驱动信号对应的驱动量旋转镜构件2。以这种方式，镜构件2被配置成可旋转的(使得其角度可以被改变)。这里，镜构件2相对于来自光源50的光线51倾斜大约45度。在本说明书中，这样的镜构件被称为“流电镜光学系统”。镜构件2可以被配置成控制从光学设备发射的光的光路，但是本发明不限于这种配置。
再次参考图1，平移光学系统具有光学系统80，在该光学系统80中由镜构件2反射的光顺次地被多个反射面反射并入射在镜构件2上。光学系统80例如包括四个镜3、4、5和6(反射面)，这四个镜3、4、5和6被固定地布置为相对于光线51线对称。由镜构件2的第一反射面2a反射的光顺次地被镜3、4、5和6反射，并被引导至镜构件2的第二反射面2b。最终由第二反射面2b反射并从镜构件2发射的光具有与光线51行进的方向基本上相同(基本上平行)的行进方向。
即使镜构件2的旋转角度被改变，发射的光的角度(行进方向)也不改变。为此，可以通过使用控制单元60控制镜构件2的旋转角度来调整(平移或平行移位)由第二反射面2b反射并从镜构件2发射的光的路径。
图3是示出光学设备的一部分的配置的另一个示例的图。该配置是图1中所示的配置的组合，并且包括接收来自光源50的光线51的第一平移光学系统61和接收来自第一平移光学系统61的发射的光的第二平移光学系统62。第一平移光学系统61具有其角度可以被改变并且反射来自光源50的光线51的镜构件13。此外，第一平移光学系统61具有镜14-1、14-2、14-3和14-4。第二平移光学系统62具有其角度可以被改变并且反射从第一平移光学系统发射的光线的镜构件15。此外，第二平移光学系统62具有镜16-1、16-2、16-3和16-4。而且，第一平移光学系统61的镜构件13的旋转轴63和第二平移光学系统62的镜构件15的旋转轴64被布置为不平行，例如，彼此正交。
在第一平移光学系统61中，由镜构件13的第一反射面反射的入射光顺次地被镜14-1、14-2、14-3和14-4反射，并被引导到镜构件13的与第一反射面相对的第二反射面。由第二反射面反射并从镜构件13发射的光入射在第二平移光学系统62的镜构件15上。在第二平移光学系统62中，由镜构件15的第一反射面反射的入射光顺次地被镜16-1、16-2、16-3和16-4反射，并被引导到镜构件15的与第一反射面相对的第二反射面。最终由镜构件15的第二反射面反射并从镜构件15发射的光具有与光线51行进的方向基本上相同(基本上平行)的行进方向。如图3中所示，可以采用其中由通过第一平移光学系统61的每个镜的反射形成的光路所形成的平面与由通过第二平移光学系统62的每个镜的反射形成的光路所形成的平面相交的布置。通过布置两个平移光学系统使得它们以这种方式彼此相交，可以减小光学设备的尺寸。
下面将描述包括上述的平移光学系统和将从平移光学系统发射的光引导(辐射)到物体(对象)的光学系统的处理设备。图4是示出包括平移光学系统的激光处理设备的配置的示例的图。图4中所示的激光处理设备在激光光源71的后侧(后级)包括参考图3描述的平移光学系统17。在其后侧包括光线扩展光学系统，该光线扩展光学系统将光线的平移量和直径增大到所需的量。光线扩展光学系统包括会聚透镜18和准直透镜19。此外，在光线扩展光学系统的后侧包括会聚光学系统(会聚透镜22)，因此激光被会聚并辐射到布置在其焦平面上的物体23。此外，在光线扩展光学系统和会聚光学系统之间包括(流电)镜20和21(偏转光学系统)，并且通过旋转角度的调整来用光照射物体23上的用作目标的入射位置(x，y)。即，可以说(流电)镜20和21是用于调整光的入射位置的机构。(流电)镜20和21在与激光的焦点方向垂直的方向上调整激光入射在物体23上的入射位置。
根据上述配置，可以使用平移光学系统17使入射在会聚光学系统上的光线相对于平行偏心。因此，可以改变(或调整)从会聚光学系统发射并入射在物体23上的光线的角度(入射角)。即，可以说平移光学系统17是角度调整机构。此外，可以通过调整光线扩展光学系统中的会聚透镜18与准直透镜19之间的相对间隔来改变物体23上的焦平面上的照射位置。因此，可以执行物体的切割等以使得它具有锥形孔和倾斜截面的形状。
下面将描述作为根据实施例的光学设备的激光处理设备100。图5是示出根据实施例的激光处理设备100的配置的示例的图。如图5中所示，激光处理设备100具有如下配置：通过经由上述包括平移光学系统、光线扩展光学系统、偏转光学系统和会聚光学系统的光学设备用来自激光光源71的光线照射物体来执行激光处理。作为激光光源71，例如，可以使用具有1030nm的振荡波长、100kHz的频率和350飞秒(fs)的脉冲宽度以及100μJ/脉冲的输出的飞秒固态激光器等。作为物体23，例如，可以使用(SUS304的)不锈钢板等。
而且，激光处理设备100可以包括共焦光学系统，在该共焦光学系统中通过激光的照射形成来自物体23的反射光的图像，以及作为光量测量部件的光电检测器24(检测单元)检测这个图像形成光。这里，反射光包括镜面反射光和散射光。从激光光源71发射的光线入射在作为会聚部件的会聚透镜25上，并通过会聚透镜25被会聚在第一针孔掩模26的针孔中。穿过针孔的光线穿过准直透镜27并入射在分支镜28上。经由包括平移光学系统、光线扩展光学系统、偏转光学系统和会聚光学系统的光学设备用透射通过分支镜28的光线照射物体23。
从物体23反射的光经由包括平移光学系统、光线扩展光学系统、偏转光学系统和会聚光学系统的光学设备返回到分支镜28。由分支镜28反射的光入射在会聚透镜29上，并通过会聚透镜29被会聚在第二针孔掩模30的针孔中。穿过针孔的光线通过准直透镜31被光电检测器24接收。
在这个共焦光学系统中，第一针孔掩模26和第二针孔掩模30经由分支镜28布置在共轭位置处。即，从分支镜28到第一针孔掩模26的针孔的光学距离等于从分支镜28到第二针孔掩模30的针孔的光学距离。
而且，物体23由抽吸保持机构(真空卡盘)33固定和支撑在XY台32上，该XY台32在与会聚光学系统的光轴垂直的平面内可移动。在XY台32中，X-Y平面是与会聚光学系统的光轴垂直的平面，并且Z轴是与会聚光学系统的光轴平行的轴。
此外，包括在光线扩展光学系统中的会聚透镜18被固定在线性台34上。控制单元60将驱动信号输出到线性台34，并且线性台34以与驱动信号对应的驱动量使会聚透镜18在光轴方向上移动。因此，可以改变要照射在物体23上的焦平面的位置。即，线性台34用作焦点位置调整机构。此外，作为焦点位置调整机构，可以使用用于在光轴方向上移动会聚光学系统所包括的会聚透镜22的机构。
使用计算机设备35通过台控制器36来控制XY台32。计算机设备35基于使用共焦光学系统中的光电检测器24的反射光的量的测量结果(检测结果)来通过控制单元60控制作为焦点调整部件的线性台34的操作。计算机设备35通过使会聚透镜18在光轴方向上移动来检索焦点对准位置。虽然期望焦点对准位置是要由光电检测器24检测到的反射光的量被最大化的位置，但是，例如期望检测到反射光的量等于或大于阈值的位置是焦点对准位置。
即，存在这样的点，其中由共焦光学系统中的光电检测器24检测到的反射光的量相对于会聚透镜18与物体23之间的相对距离被最大化，这个最大点是相对于物体23的表面的焦点对准位置。此外，由于计算机设备35通过控制单元60调整线性台34的Z轴，使得由光电检测器24检测到的反射光的量被最大化，因此实现了自动对焦操作。可以通过每次物体23被改变时执行自动对焦操作来提高处理精度。此外，利用这样的配置，在激光处理设备100中，不需要在Z方向上驱动XY台32。
虽然期望由光电检测器24接收的光-即，用于确定焦点位置的光具有与用于处理物体23的光相同的强度，但是期望该光比用于执行处理的光弱。这是因为，如果用于确定焦点位置的光强，那么物体23被处理，并且如果基于在经处理的状态下检测到的光来调整焦点位置，那么焦点位置可能移位。
但是，当使用自动对焦操作执行激光处理时，可能发生由于入射角而引起的入射位置的移位。图6是示出当仅执行自动对焦操作时的激光处理的状态的示例的图。例如，当使用激光处理设备100执行圆处理时，如果改变入射角，那么入射位置被移位。因此，圆的大小根据入射角而改变。如图6中所示，如果入射角为0度时的圆被用作基准，那么当入射角在+方向上倾斜时要被处理的圆小于当入射角为0度时要被处理的圆。另一方面，当入射角在-方向上倾斜时要被处理的圆大于当入射角为0度时要被处理的圆。因此，处理精度可能减小。
因此，在实施例中，计算机设备35中内置的计算单元37基于使用焦点位置调整机构的调整量，换句话说，焦点位置调整机构的驱动量来计算用于由于入射角而引起的入射位置的移位的校正量。即，计算单元37基于焦点位置调整机构的驱动量和角度调整机构的驱动量来计算用于校正入射位置的移位的校正量。此外，通过将基于校正量的指令值发送到控制单元60并使用来自控制单元60的校正的驱动信号驱动(流电)镜20和21来执行激光处理。即，在实施例中，控制单元60基于焦点位置调整机构的驱动量来控制入射位置调整机构的驱动，以校正由于焦点位置的改变而引起的入射位置的移位。
如果假设焦点位置调整机构的驱动量-即，通过自动对焦操作的焦点位置的移动量为ΔZ，X方向上的入射角为θx，并且Y方向上的入射角为θy，那么X方向上的入射位置移位量ΔX和Y方向上的入射位置移位量ΔY由以下表达式表示。
[表达式1]
ΔX＝ΔZ×tan(θx)
ΔY＝Δzxtan(θy)
图7A和图7B是示出由于自动对焦而引起的入射位置的移位量的数值示例的图。图7A和图7B是通过使用上述表达式来计算X方向上的入射位置移位量ΔX和Y方向上的入射位置移位量ΔY而获得的数值的示例。图7A示出了当焦点位置被移动+100μm时X方向上的入射位置移位量ΔX的示例。图7B示出了当焦点位置被移动+100μm时Y方向上的入射位置移位量ΔY的示例。例如，当焦点位置通过自动对焦操作被移动+100μm时，当X方向上的入射角θx为0度时X方向上的入射位置移位量ΔX为0μm，当X方向的入射角θx为5度时X方向上的入射位置移位量ΔX为8.75μm，并且当X方向的入射角θx为10度时X方向上的入射位置移位量ΔX为17.6μm。类似地，如果Y方向上的入射角θy为0度，那么Y方向上的入射位置移位量ΔY为0μm，如果Y方向上的入射角θy为5度，那么Y方向上的入射位置移位量ΔY为8.75μm，并且如果Y方向上的入射角θy为10度，那么Y方向上的入射位置移位量ΔY为17.6μm。
因此，计算由于上述入射角而引起的入射位置移位量ΔX和ΔY，并且通过反转这个位置移位量的符号而获得的量是校正量。为此，可以通过将考虑了校正量的指令值发送到控制单元60并且使用来自控制单元60的校正的驱动信号驱动(流电)镜20和21来执行激光处理。
图8是用于描述根据实施例的校正入射位置移位的处理的流程图。首先，控制单元60确定焦点位置是否被改变(S801)。这里，当确定焦点位置没有改变时(否)，控制单元60输出与物体23上的目标位置对应的驱动信号并驱动(流电)镜20和21(S802)，并且开始激光处理(S805)。
另一方面，当确定焦点位置已改变时(是)，计算单元37基于前述表达式计算校正量(S803)。此外，计算单元37将基于校正量的指令值输出到控制单元60。此时，例如，与移位量对应的校正量可以被存储在计算机设备35中内置的诸如存储器之类的存储单元中。在这种情况下，计算机设备35基于存储在存储单元中的与移位量对应的校正量将指令值输出到控制单元60。此外，可以一起使用通过计算单元37的计算和存储的校正量。而且，控制单元60基于获取的指令值输出校正的驱动信号并驱动(流电)镜20和21(S804)，并且开始激光处理(S805)。
图9是示出根据实施例的激光处理的状态的示例的图。根据实施例，由于执行了与入射角对应的入射位置的校正，因此即使当如图6中那样执行圆处理时，也可以减小由于入射角而引起的圆的大小的改变。因此，不管入射角如何，圆的大小是恒定的，并且可以实现高度精确的处理。
如上所述，即使当要处理的物体的物体表面为凹凸形状或弯曲表面形状时，根据实施例的处理设备也可以减小物体的表面位置与激光的焦点位置之间的误差，并且可以提高激光处理的精度。
[与物品制造方法相关联的实施例]
根据上述实施例的处理设备可以被用于生产物品的方法。生产物品的方法可以包括使用处理设备处理物体(对象)并处理在这个操作中被处理的物体。处理可以包括例如与该处理不同的处理、运输、检查、分类、组装(装配)和封装中的至少一个。与常规方法相比，实施例中的生产物品的方法在物品的性能、质量、生产率和生产成本中的至少一个方面是有利的。
[其它实施例]
虽然在上述实施例中控制单元60和计算机设备35是分离的主体，但是控制单元60可以实现计算机设备35的功能，或者计算机设备35可以实现控制单元60的功能。
本发明的(一个或多个)实施例还可以通过读出并执行记录在存储介质(也可以被更完整地称为“非瞬态计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)以执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个实施例的功能和/或包括用于执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个实施例的功能一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))的系统或装置的计算机来实现，以及通过例如从存储介质读出并执行计算机可执行指令以执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个实施例的功能和/或控制一个或多个电路以执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个实施例的功能而通过由系统或装置的计算机执行的方法来实现。计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU))，并且可以包括单独计算机或单独处理器的网络，以读出并执行计算机可执行指令。计算机可执行指令可以例如从网络或存储介质提供到计算机。存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储装置、光盘(诸如紧凑盘(CD)、数字多功能盘(DVD)或蓝光盘(BD)TM)、闪存设备、存储卡等中的一个或多个。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。
本申请要求于2019年8月26日提交的日本专利申请No.2019-154010的优先权，该日本专利申请通过引用整体并入本文。

Claims (9)

1.一种通过用激光照射对象来处理所述对象的光学设备，其特征在于，包括：
第一流电镜光学系统，包括两个流电镜并且被配置成通过驱动所述两个流电镜来在两个方向上调整入射在对象上的激光的入射角；
焦点位置调整机构，包括可移动的透镜并且被配置成通过驱动所述可移动的透镜来在焦点方向上调整激光的焦点位置；
第二流电镜光学系统，包括另外两个流电镜并且被配置成通过驱动所述另外两个流电镜来在与激光的焦点方向垂直的两个方向上调整入射在对象上的激光的入射位置；以及
控制单元，被配置成控制第一流电镜光学系统的两个流电镜、所述可移动的透镜以及第二流电镜光学系统的两个流电镜的驱动，
其中，来自第一流电镜光学系统的激光通过第一流电镜光学系统在相对于所述可移动的透镜的光轴偏心的位置处入射在所述可移动的透镜上并且在倾斜入射的情况下入射在对象上，使得入射位置由于焦点位置的改变而移位，并且
其中，控制单元基于所述可移动的透镜的驱动量来控制第二流电镜光学系统的两个流电镜的驱动，以便校正由于由所述可移动的透镜的驱动导致的焦点位置的改变而引起的倾斜入射在对象上的激光的入射位置的移位。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，控制单元基于所述可移动的透镜的驱动量根据所述入射角来计算用于校正入射位置的移位的校正量，并使用计算出的校正量来控制第二流电镜光学系统的两个流电镜的驱动。
3.根据权利要求2所述的光学设备，其中，控制单元基于所述可移动的透镜的驱动量和第一流电镜光学系统的两个流电镜的驱动量来计算所述校正量。
4.根据权利要求2所述的光学设备，包括：
存储单元，被配置成存储与入射位置的移位量对应的校正量。
5.根据权利要求1所述的光学设备，包括：
检测单元，被配置成检测来自用激光照射的对象的反射光，
其中，控制单元基于要由检测单元检测的反射光的光量来控制所述可移动的透镜的驱动。
6.根据权利要求5所述的光学设备，其中，控制单元驱动所述可移动的透镜，以使得要检测的反射光的光量被最大化。
7.根据权利要求5所述的光学设备，其中，检测单元使用共焦光学系统来检测光。
8.根据权利要求5所述的光学设备，其中，在通过检测单元执行检测时使用的光量小于在处理对象时使用的光量。
9.一种物品制造方法，其特征在于，包括：
使用光学设备处理对象，所述光学设备通过用激光照射所述对象来处理所述对象；以及
加工在步骤中经历了所述处理的对象，
其中，光学设备包括：
第一流电镜光学系统，包括两个流电镜并且被配置成通过驱动所述两个流电镜来在两个方向上调整入射在对象上的激光的入射角；
焦点位置调整机构，包括可移动的透镜并且被配置成通过驱动所述可移动的透镜来在焦点方向上调整激光的焦点位置；
第二流电镜光学系统，包括另外两个流电镜并且被配置成通过驱动所述另外两个流电镜来在与激光的焦点方向垂直的两个方向上调整入射在对象上的激光的入射位置；以及
控制单元，被配置成控制第一流电镜光学系统的两个流电镜、所述可移动的透镜以及第二流电镜光学系统的两个流电镜的驱动，
其中，来自第一流电镜光学系统的激光通过第一流电镜光学系统在相对于所述可移动的透镜的光轴偏心的位置处入射在所述可移动的透镜上并且在倾斜入射的情况下入射在对象上，使得入射位置由于焦点位置的改变而移位，并且
其中，控制单元基于所述可移动的透镜的驱动量来控制第二流电镜光学系统的两个流电镜的驱动，以便校正由于由所述可移动的透镜的驱动导致的焦点位置的改变而引起的倾斜入射在对象上的激光的入射位置的移位。
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