CN1145540C - 激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明的激光加工装置具备：产生激光的激光振荡器(3)；具有形成将从所述激光振荡器(3)输出的所述激光(2)导向被加工物(1)的光路的电流计式反射镜(5a、5b)与fθ透镜(7)的光路系统；设置在所述激光振荡器与所述电流计式反射镜之间光路中的衍射型光学元件(11)。

Description

激光加工装置

技术领域

本发明涉及激光加工装置，特别地涉及使用于高速微细孔穴加工中的激光装置。

背景技术

以往一般的微细孔穴加工用激光加工装置如图11所示。图11表示的装置例如是以向放置在水平XY工作台14上的被加工物1照射脉冲状激光并且对于任意图案进行微细孔穴加工为目的的装置，包括产生脉冲状激光2的激光振荡器3、反射激光2并且导通光路的多枚光束反射镜4、根据控制装置10的指令使得激光2向任意角度反射的电流计式反射镜5(在该图中为2个电流计式反射镜5a、5b)、驱动电流计式反射镜5的电流计式扫描器6、将电流5提供的激光2的角度校正为与光路轴平行并且使得激光2垂直照射被加工物1的fθ透镜7、用于显示加工结果的CCD摄像机、安装有电流扫描器6、fθ透镜7以及CCD摄像机8并且为了调整被加工物1的距离而向Z方向移动的Z轴工作台9、控制该驱动系统的控制装置10。根据该激光加工装置，通过在被加工物1上垂直地高速定位激光2的位置的电流计式扫描器6、电流计式反射镜5、fθ透镜7与能够产生非常短时间的光束的脉冲振荡器3进行组合，与以500孔/秒的金属薄板用激光加工相比，能够进行更高速的加工。

对于采用上述这样的加工装置的微细孔穴的加工进行说明。按照控制装置10上所设定的频率与输出值，从激光振荡器3输出的脉冲状激光2由多枚光束反射镜4引导到安装在电流计式扫描器6上的电流计式反射镜5a、5b，通过电流计式扫描器6反射到保持任意角度的电流计式反射镜5a、5b并且入射到fθ透镜7。又，入射到fθ透镜7的激光2在被加工物1上聚成焦点。又，入射到fθ透镜7之前的激光2虽然具有不同的入射角，而通过fθ透镜7能够修正而使得垂直地照射被加工物1。

通过由控制装置10控制从激光振荡器3输出的激光2的振荡时刻与电流计式反射镜5a、5b的角度，能够加工成预先输入控制装置10的形状。此时以一个脉冲的激光照射加工一个孔穴，而当相对于被加工物1的材料质地激光输出不足等的情况下，采用在一个位置上反复照射多个脉冲开出较深孔穴的方法。通过电流计式反射镜5a、5b将激光2限制在能够进行扫描的范围内，故当结束一定形状的加工之后，利用XY工作台14将被加工物1移动到下一个扫描区域，再次驱动电流计式扫描器6进行加工。如上所述，高速地将激光导向任意位置而进行微细的孔穴加工。

根据上述的步骤，通过下述3种方法能够进行更加高速的加工，即为了提高每台加工装置单位时间的生产量而使得电流计式扫描器的驱动速度更高、使得脉冲激光振荡器的振荡频率更高并振荡产生高输出的激光、使得XY工作台的移动速度提高。

随着当前微细孔穴加工市场的迅速成长，所要求的加工速度在短期间内增大了数倍至数十倍。为此，希望能够开发更高速地进行驱动的电流计式扫描器、以更短时间产生脉冲状高输出的激光的激光振荡器，急需在短期内开发使得飞跃提高加工速度的技术并且使之产品化。然而，对于市场所要求的5倍、10倍、或更高地缩短加工时间，在提高激光加工装置的定位速度的方法中电路扫描器、XY工作台的能力已经接近极限，故很难实现市场要求。

又，在一台振荡器备有多个加工头并且使得从振荡器输出的激光透过半反射镜而分成多个等级的方法中，存在需要设计大型的光路、光路调整很复杂等的问题。

另一方面，衍射型光学元件(Diffractive Optical Element，以下记作DOE)是能够将透过设置在其表面的衍射光栅而入射的光衍射成所设计的分光数以及图案的光学元件，通常一次激光振荡仅能够对一个位置进行加工，而例如若将设计成3分光的DOE插入所述细微孔穴加工用激光加工装置的光路系统，则以一次激光振荡同时能够对三个位置进行加工。DOE也称为全息光学元件(HOE)。

当利用该DOE时，则设计成具有所要求的分光数与分光图案的DOE，将其使用于以往的光学系统能够较简单地提高加工速度，这与解决上述提高加工速度的问题紧密联系。

然而，当将DOE插入光路系统时，根据其插入位置，有时很难发挥设计所要求的作用。例如，当采用像复制光学系统时，为了有效地使用激光能量而采用掩模，当在掩模之前插入DOE，则掩模会对分光图案产生影响。例如，在电流计式反射镜之后、fθ透镜之前插入DOE时，激光倾斜地入射到DOE，由于折射率的变化，会对分光图案产生影响，因此，必须要设计考虑到了入射角度与入射区域的复杂的DOE以及必须要控制复杂的电流计式扫描器。例如，在fθ透镜之后插入DOE时，需要足够大小的能够覆盖电流计式反射镜的扫描区域的DOE，不仅制造成本提高，而且在加工时必须需要保护DOE表面不受粉尘、溅射等影响的手段，这样成本又进一步升高。

又，通过电流计式反射镜、fθ透镜的激光由于X、Y方向各自的电流计式反射镜与fθ透镜的距离的相差而偏离指令值与加工位置。为了修正上述情况，必要通过程序来校正位置。又，由于电流计式反射镜根据周围温度等反射角度会微小的变化，故最好在空调室中等使用加工装置，而夜间关闭空调，或者在没有空调的地方使用时，不得不经常进行校正值的修正。作为进行上述的校正、校正值的修正的方法是利用了CCD摄像机的自动校正。按照预先写入校正程序中的图案，以CCD摄像机确认开孔的坐标值，检测指令值与CCD摄像机所测定的孔的坐标值的位置偏差，按照扫描区域内的孔穴位置计算校正量并且在全部的扫描区域内校正偏差量。然而，对于具备了DOE的加工装置，激光在焦点上分支成图案，为了使得CCD摄像机能够识别，必须对于每个DOE图案进行程序的修正，对于每个加工装置必须要耗费修正程序的工夫。

又，对于在光路中具备DOE的加工装置，通过DOE的激光根据DOE的制造精度其强度会有某种程度的离散。最好偏差尽量小，而实际上由于DOE制造步骤上的问题以及副衍射光的影响，不可能没有偏差。因此，当利用DOE进行加工时，会以分光强度的偏差为比例地产生加工孔穴的偏差。

如此即使在同一位置上多次或者长时间连续地照射激光，由于孔穴直径与能量的强度成比例，故不能够使得加工孔穴均匀。

又，通过DOE的激光除了必要的图案之外，高次衍射光也作为噪声同时被产生。可以通过调整DOE的制造过程以及每个被加工物所设定的加工条件来某种程度地减少噪声，但不可能完全没有噪声。当分光数较少时，噪声的分光强度与必要图案的分光强度相比较小而加工时通常不会产生问题，而若分光数增加并且各自的的分光强度设计值变小，则由于DOE制作上的问题，当图案与噪声的分光强度为相近的数值时，会产生在要求图案之外的位置上进行不必要孔加工这样的问题。

本发明为了解决上述问题，目的在于提供一种在高速微细孔穴加工等时能够比以往的激光加工装置更加高速且正确地进行加工的激光加工装置。

发明内容

本发明提供的激光加工装置具备：产生激光的激光振荡器；具有形成将从所述激光振荡器输出的所述激光导向被加工物的光路的电流计式反射镜与fθ透镜的光路系统；设置在所述激光振荡器与所述电流计式反射镜之间光路中的衍射型光学元件，并且由所述衍射型光学元件分光后的激光通过所述电流计式反射镜、fθ透镜而集聚到所述被加工物，所述衍射型光学元件产生加工图案。

因此，能够获得以简单构造通过衍射型光学部件能够高速、正确地同时对于多点进行加工的激光加工装置。

又，本发明提供在所述光路中预定衍射型光学元件的位置上具备进行装卸的装卸机构的激光加工装置。

因此，在校正电流计式反射镜等时，能够在从光路中取出衍射型光学部件的状态下容易地进行校正，又，能够交换多种的衍射型光学部件并且能够分开使用，能够容易地对应于多种加工图案。

又，本发明提供一种具备调整设置在光路中的所述衍射型光学元件的状态的姿态调整装置的激光加工装置。

因此，能够调整衍射型光学元件的姿态使得激光能够垂直地入射，能够获得适当的折射角。

又，本发明提供一种激光装置，它通过调整设置在光路中的所述激光振荡器与所述衍射型光学部件之间的图像复制光学系统而能够控制被所述衍射型光学部件分光并由所述fθ透镜聚焦的激光在焦点位置上光束直径。

因此，对于具备衍射型光学元件的激光加工装置，通过设置在图像复制光学系统的掩模直径能够一律地调整焦点位置上被分光的各个激光的光束直径，能够容易获得对应于被加工物的材料以及所必要的加工孔径的加工结果。

附图说明

图1是本发明一实施形态的激光加工设备的构造概要图。

图2是图1所示的DOE与fθ透镜前后的主要部分的扩大图。

图3用于说明一般的加工方法。

图4表示本发明一实施形态的加工方法。

图5是用于说明本发明一实施形态的DOE的设置位置的概要图。

图6是用于说明DOE设置位置的比较例的概要图。

图7是用于说明DOE设置位置的其他比较例的概要图。

图8是本发明一实施形态的DOE装卸固定装置构造的概要图。

图9是本发明一实施形态的DOE姿态调整装置的构造的概要图。

图10是本发明一实施形态的光路构造的概要图。

图11是以往的一般的微细孔穴加工用激光加工装置的构造的概要图。

最佳实施形态

实施形态1

图1表示本发明第1实施形态的激光加工装置。在图1中，由激光振荡器3产生的激光2通过设置在振荡器3上的快门13而射出。激光2由设置在光路中的多枚光束反射镜4被导向固定在固定装置12上的DOE11。通过具备DOE11的衍射光栅激光2被分光成规定的图案。分光后的激光2由光束反射镜4导向固定在电流计式扫描器6上的电流计式反射镜5a、5b。由利用电流计式扫描器能够扫描任意角度的电流计式反射镜5a、5b所反射的激光2具有任意的入射角并且入射到fθ透镜7。校正入射到fθ透镜7的激光2使得能够垂直地入射到被加工物1，在出射的同时根据fθ透镜7具有的焦距而聚焦。根据这样的构造，能够在放置于焦点位置的被加工物1上加工任意的图案。

图2表示使用于该实施形态中的光路系统的主要部分的扩大图。在图2中，11是DOE，它插入在电流计式反射镜5a的振荡器侧。通过DOE11分光后的激光经过电流计式反射镜5a、5b以及fθ透镜7而集聚在被加工物1上。

此时，通常如图3所示，在某一点上加工之后的移动图案24部分之后进行下一次加工，而如图4所示，仅错开一个孔地进行移动，在进行过一次加工的位置上叠加图案24的一部分并进行加工。此后，移动图案24部分，反复地进行一部分重叠的加工。当采用这样的加工方法，则对于一次光束的照射，虽然由于分光强度的不均匀会引起孔穴直径不均匀的加工结果而会产生偏差，而通过移动一个孔的份额并部分地重叠来照射光束，则能够降低孔穴直径的不均匀性。

图5、图6、图7是用于说明DOE光路系统内设置位置的概要图。在光路中，DOE的插入位置会是各种情况，而如图5所示，最好在光路中在电路反射镜5a之前插入DOE11。例如，如图6所示，当在电流计式反射镜5b与fθ透镜7之间插入DOE11时，反射到电流计式反射镜5b的激光具有一定角度并且入射到DOE11，DOE11由于设计成使得激光垂直地入射，故当倾斜入射时，则折射率会发生变化，不能够得到规定的分光形状、分光强度。考虑到入射角度等的DOE11的设计需要非常高难度的计算，对于当前来说还是很困难。

又，例如图7所示，在光路中fθ透镜7之后插入DOE11时，必须大小上能够覆盖电流计式反射镜5b能够进行扫描的全部区域的激光的DOE11。再者，通过DOE11的激光由fθ透镜7聚焦，故很容易使得DOE11受到热影响，必须要具备冷却装置等可减少热影响的机能。

实施形态2

图8表示在第1实施形态所示的光路系统中能够容易地插入、交换DOE的装卸固定装置。图8的装卸固定装置具备能够利用交换横臂16自动地交换由台座部分15保管的DOE的功能。又，当调整光路以及在电流计式反射镜校准时没有使用DOE的情况下，能够在从光路中取出DOE的状态下进行加工。或者，例如根据作业人员的需要，也可以设置能够以手动进行交换的装卸机构。

DOE由于其自身形状不能够改变，预先准备设置了分光成某一定图案的衍射光栅的多种DOE，通过交换它们，能够加工成任意的图案，能够进行更加细致的加工。

又，当进行电流计式反射镜的自动校正时，为了使得CCD摄像机容易地识别加工结果，或者为了对于每个DOE图案不必修正程序，或者由于DOE的安装姿态等激光旋转地照射光轴中心并且加工结果相对于XY工作台坐标系会发生倾斜，CCD摄像机进行的识别以及程序修正除了X坐标校正、Y坐标校正之外必须要进行旋转校正，为了避免装置以及控制的复杂化，最好在CCD摄像机的视野范围内存在一个加工孔穴，因此，必须要没有被分支的激光，最好在校正时能够从光路中取走DOE。

实施形态3

图9表示能够容易地调整第1实施形态中所示的光路系统中的DOE的姿态的姿态调整装置。焦点位置上的分光图案的精度比DOE制作精度稍大，而由于DOE与焦点位置间的距离也会产生影响，故为了调整透镜所具有的焦距的误差等，姿态调整用固定装置17具有能够相对于光轴18上下方向地进行调整的机构。又，通过电流计式反射镜向被加工物照射激光，而由于电流计式反射镜的安装角度相对于加工工作台上的XY坐标系分光图案会发生倾斜。因此，姿态调整用固定装置17具有使得DOE11以光轴18为中心进行旋转的机构。又，为了获得最佳的衍射角，最好激光相对于DOE11垂直地入射。因此，具备能够进行调整使得姿态调整用固定装置17与光轴18垂直的机构。

图10是在第1实施形态所示的光路系统中在光路中的DOE11之前采用具备掩模调整机构的图像复制光学系统25的光路系统。根据该图像复制光学系统25，通过调整掩模19的口径20，根据掩模19与fθ透镜7之间的距离22同fθ透镜7的焦距23的比，调整焦点位置上的光束直径21的大小，由掩模19所决定的尺寸的光束直径能够复制到被加工物1。该实施形态是具有将由DOE11分光后的激光其焦点位置上各自的光束直径调整为任意大小的功能的光路系统的一例。

然而，在上述的说明中，仅对于在微细孔穴加工中使用激光加工装置的本发明情况进行了说明，当然，本发明也可以应用于其他的激光加工。

工业利用性

如上所述，本发明的激光加工装置例如能够用作于进行微细孔穴加工等要求高精度的工业用激光加工装置。

Claims (4)

1.一种激光加工装置，具备

产生激光的激光振荡器；

具有形成光路将所述激光振荡器输出的所述激光导向被加工物的电流计式反射镜与fθ透镜的光路系统；

设置在所述激光振荡器与所述电流计式反射镜之间光路中的衍射型光学元件，其特征在于，

由所述衍射型光学元件分光后的激光通过所述电流计式反射镜、fθ透镜而集聚到所述被加工物，

并且，所述衍射型光学元件产生加工图案。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

在所述光路中预定所述衍射型光学元件的位置上具备进行装卸的装卸机构。

3.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

具备调整设置在光路中的所述衍射型光学元件的姿态的姿态调整装置。

4.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

通过调整设置在光路中的所述激光振荡器与所述衍射型光学部件之间的图像复制光学系统，能够控制被所述衍射型光学部件衍射并由所述fθ透镜聚焦的激光在焦点位置上光束直径。

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