JP2000321524A - 照明装置及びそれを用いた光加工機 - Google Patents

照明装置及びそれを用いた光加工機

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ光を用いてマスク面上のマスクパター
ンを加工物に高精度に加工することができる照明装置及
びそれを用いた光加工機を得ること。 【解決手段】 光源から射出した光束で被照射面を照明
する照明装置において、光軸を含む互いに直交する平面
を第１平面と第２平面としたとき、該第１平面はケーラ
ー照明をし、該第２平面はクリティカル照明をしてお
り、該第２平面内においてのみ屈折力を有し、かつ互い
に対向配置した第１，第２の光学素子を有し、該第１，
第２の光学素子はアフォーカル系を構成しており、該第
１，第２の光学素子を光軸方向に移動させて角倍率を変
えて、該被照射面の該第２平面内における照射範囲を可
変としていること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は照明装置及びそれを
用いた光加工機に関し、特にコヒーレント光を線状光束
として加工物に照射し、該加工物に例えば複数の開口を
配列した周期構造のパターンを微細加工し、インクジェ
ット方式のプリンタに使用するオリフィスプレートを製
造する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】エキシマレーザー等からのコヒーレント
光を利用した光加工は、他の化学反応応用加工や機械的
加工等と共に広い分野で利用されている。特に、近年の
技術革新により、材料、光学技術、生産技術等の要件が
整い、微細加工の分野でコヒーレント光を利用した光加
工法が盛んに用いられるようになってきた。
【０００３】光加工機として、オリフィスプレートの作
製をマスク投影方式を利用したレーザ加工にて行う光加
工機が種々と提案されている。この光加工機で用いられ
る照明光学系（照明装置）ではマスクを均一に照明する
ために全体がケーラー照明を用いたものが提案されてい
る。また線状光束でマスクを照明するためにマスクの長
手方向にケーラー照明系を構成し、幅方向にクリティカ
ル照明系を構成した照明光学系も種々と提案されてい
る。米国特許第４７３３９４４号では、２組の直交シリ
ンドリカルレンチキュラーを用いて、加工面での照明領
域を可変させる光学系を提案している。又、特開平８−
２５７７７０号公報では長手方向と幅方向に独立した光
学系を配置してマスクを照明する構成が提案されてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の照明装置では幅
方向にはレーザ光をそのまま集光している構成をとって
いた。この為マスクの幅方向の位置が変化すると加工現
象が変化するという問題があった。米国特許第４７３３
９４４号で提案されている、直交シリンドリカルレンチ
キュラーを用いた照明装置は照明範囲のアスペクト比
（長手方向と幅方向の比）が５０以上で最大９０程度と
なる領域での作用は考慮されていない。又、直交する２
方向での照明方法は同じであり、２組の直交シリンドリ
カルレンチキュラーレンズの間隔を変えて、被照射面上
の照明範囲をアスペクト比を変えずに変化させている。
米国特許第４７３３９４４号では、被照射面の水平方向
又は垂直方向の一方向のみの照明範囲を変化させること
ができなかった。即ち、アスペクト比を変化させること
ができなかった。
【０００５】本発明は、照明範囲のアスペクト比が５０
以上の照明領域において、照明領域を均一に、しかも一
方向のみの照明領域を変化させることができ、加工物を
容易かつ高精度に光加工することができる照明装置及び
それを用いた光加工機の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の照明装
置は、光源から射出した光束で被照射面を照明する照明
装置において、光軸を含む互いに直交する平面を第１平
面と第２平面としたとき、該第１平面はケーラー照明を
し、該第２平面はクリティカル照明をしており、該第２
平面内においてのみ屈折力を有し、かつ互いに対向配置
した第１，第２の光学素子を有し、該第１，第２の光学
素子はアフォーカル系を構成しており、該第１，第２の
光学素子を光軸方向に移動させて角倍率を変えて、該被
照射面の該第２平面内における照射範囲を可変としてい
ることを特徴としている。
【０００７】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記第１，第２の光学素子は複数のシリンドリカル
レンズをを一方向に配列したシリンドリカルレンズアレ
イより成っていることを特徴としている。
【０００８】請求項３の発明は請求項１の発明又は請求
項２の発明において、前記光学系は前記第１平面内にお
いてのみ屈折力を有する第３の光学素子を有しているこ
とを特徴としている。
【０００９】請求項４の発明は請求項１の発明，請求項
２の発明又は請求項３の発明において、前記第１，第２
の光学素子は前記第２平面内において基準状態でアフォ
ーカル系を構成していることを特徴としている。
【００１０】請求項５の発明は請求項１の発明から請求
項４の発明のいずれか１つにおいて、前記第１，第２の
光学素子は奇数個（３以上）のシリンドリカルレンズア
レイより成っていることを特徴としている。
【００１１】請求項６の発明は請求項１の発明から請求
項５の発明のいずれか１つにおいて、前記被照射面上の
照明範囲は前記第１平面と第２平面とで寸法が異なって
いることを特徴としている。
【００１２】請求項７の発明は請求項１の発明から請求
項６の発明のいずれか１つにおいて、前記被照射面の照
明範囲のアスペクト比は５０〜９０であることを特徴と
している。
【００１３】請求項８の発明の光加工機は請求項１の発
明から請求項７の発明のいずれか１つの照明装置を用い
て被照射面上に設けたマスクのパターンを照明し、該パ
ターンを投影レンズで加工物上に投影し、該加工物を該
パターンで加工することを特徴としている。
【００１４】請求項９の発明のオリフィスプレートの製
造方法は請求項８の光加工機を用いて前記マスク面上の
複数の開口を一方向に配列したパターンを基板上に転写
して該基板上に複数の小孔を穿孔して、オリフィスプレ
ートを製造したことを特徴としている。
【００１５】請求項１０のインクジェットプリンタは請
求項９の発明のオリフィスプレートの製造方法により製
造したオリフィスプレートを有していることを特徴とし
ている。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１は本発明の照明装置を用いた
光加工機の実施形態１の要部平面図（ＸＹ断面）であ
る。又、図２は図１の実施形態１の側面概略図である。
本実施形態は被加工物に平行溝（１つ１つの溝の長さを
極めて短い）をアブレーション加工（穿孔）するもので
ある。本実施形態では後述する投影レンズ１０の光軸を
Ｘ軸として、マスク９のマスクパターン９ａの並ぶ方向
をＹ軸（長手方向）とし、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向
をＺ軸（幅方向）として、図１にはＸＹ断面図（第１平
面）、図２にはＸＺ断面図（第２平面）を図示してい
る。
【００１７】図中、１はレーザ光源であり、例えばエキ
シマレーザーより成り、強出力のコヒーレント光を放射
している。２，３は各々ミラーであり、レーザ光源１か
らの光束を反射偏向させて、後述するマスク９の長手方
向であるＹ方向とレーザ光束の長手方向とを一致させて
いる。４は拡大光学系であり、ＸＹ断面とＸＺ断面とで
異なった屈折力を有し、入射光束の径を一方向にのみ拡
大して、ＸＹ断面とＸＺ断面での光束径を略同じにして
いる。５は第１の光学素子としての光束分割素子、６は
第２の光学素子としての光束分割素子であり、いずれも
ＸＺ断面内のみに屈折力を有するシリンドリカルレンズ
を複数、Ｚ方向に配列して、入射光をＸＺ断面内におい
て複数（図では奇数個，３個）の光束に分割している。
７は第３の光学素子としての光束分割素子であり、ＸＹ
断面内のみに屈折力を有するシリンドリカルレンズを複
数、Ｙ方向に配列しており、入射光をＸＹ断面内におい
て複数（図では奇数個，３個）の光束に分割している。
８はレンズ系であり、第３の光分割素子７からの光束で
マスク９を照明している。尚、各要素２〜８は照明装置
の一部を構成する光学系を構成している。又、各要素
５，６，７は光束分割手段の一部を構成している。
【００１８】マスク９にはオリフィスプレート等の被加
工物１１上に光加工するためのマスクパターン（パター
ン）９ａがＹ方向に設けられている。マスク９は不透明
なバックグランドにＺ方向に長い（但し、長さの絶対値
は極めて小さい）多数の透過スリットを紙面Ｙ方向に等
間隔に並べてマスクパターンを形成している。従ってマ
スクパターン９ａは一見するとＹ方向に伸びる直線のよ
うに見える。尚、マスク９はレンズ系８の焦点位置に設
置している。１０は投影レンズであり、マスク９のマス
クパターン９ａを被加工物１１の加工面上に結像してい
る。被加工物１１はその加工面上に与えられるマスクパ
ターン９ａの像により光加工を受ける。１０ａは投射レ
ンズ１０の絞り（入射瞳）であり、本実施形態の場合、
ＸＹ断面内において投射レンズ１０の入射瞳１０ａと第
３の光束分割素子７の複数の光源像から形成される後側
焦点７ｂとは共役となっている。
【００１９】次に本実施形態の光学的作用を図１のＸＹ
面内と図２のＸＺ面内に分けて説明する。図１のＸＹ面
内においては、レーザ光源１より射出する平行なレーザ
光はミラー２，３で反射した後に拡大光学系４に入射す
る。拡大光学系４では何の光学作用も受けずに第１，第
２，第３光学分割素子５，６，７に順次入射する。この
うち、第１，第２光束分割素子５，６では何の光学作用
も受けない。第３の光束分割素子７では、入射してきた
略平行な光束に対して、その後側焦点位置７ｂに複数の
光源像を形成する。レンズ系８は第３の光束分割素子７
による複数の光源像を投影レンズ１０の入射瞳１０ａに
投影する作用を持っている。
【００２０】本実施形態において第３の光束分割素子７
に入射した光束は、第３の光束分割素子７の焦点位置７
ｂに各々光源像を形成するが、このとき複数の光源像は
レンズ系８に対しては複数の物点となり、該複数の物点
から射出する光束がレンズ系８によって投射レンズ１０
の絞り（入射瞳）１０ａ内に複数の光源像として結像す
るように結像倍率を設定している。
【００２１】本実施形態では光束分割素子７を構成する
シリンドリカルレンズはどれも同じ焦点距離を有するレ
ンズで構成されているため、各シリンドリカルレンズの
中心から一定の位置から出射される光線は同じ角度をも
っているため、これらの光線群はマスク９では一点で重
なり合う。各シリンドリカルレンズの大きさを干渉しな
いように決定することにより、マスク９での強度が加算
平均されるようにしている。つまり、光強度の平坦化を
行っている。この平坦化の度合いは光束の分割個数に依
存し、必要な均一度に応じて決定している。このときの
分割個数は奇数であることが望ましい。これは、実際に
加工したときに加工物の形状が分割素子の中心部の光束
で左右されるためである。偶数個な場合、加工面から見
たときに垂直軸の両側からくる光線の強度バランスでそ
の加工物の形状が決まり、これが崩れると所望の形状が
得られなくなってしまう。そのため、分割素子の中心で
その形状の大枠を決めておくことは重要である。このよ
うに本実施形態におけるＸＹ断面内での照明系は所謂ケ
ーラー照明系を構成している。
【００２２】一方、図２のＸＺ断面内において、レーザ
光源１からのレーザ光束は、ミラー２，３で反射し拡大
光学系４に入射する。拡大光学系４によってＺ方向に光
束は拡大され、出射時ではＹ方向と略同じ大きさになる
ように倍率を調整している。拡大光学系４から出射され
た光束は第１の光束分割素子５において光束はＺ方向に
複数の光束に分割され、分割された光束は光束分割素子
５を構成しているシリンドリカルレンズの焦点位置に集
光する。
【００２３】本実施形態では各シリンドリカルレンズは
正の屈折作用を持ったものである。第１の光束分割素子
５から出た光束は次に第２の光束分割素子６へ入射す
る。このとき第１，第２の光束分割素子５，６を構成す
る各シリンドリカルレンズの基準配置は、アフォーカル
系を構成するようになっている。つまり、第１の光束分
割素子５のある高さにあるシリンドリカルレンズとアフ
ォーカル系を構成するように第２の光束分割素子６の中
に同じ高さのところにシリンドリカルレンズが配置され
ている。そして、その組み合わせが分割数だけあること
になる。第１の光束分割素子５を構成するシリンドリカ
ルレンズは正の屈折作用を持っているため、第２の光束
分割素子６を構成するシリンドリカルレンズも正の屈折
作用を持つものである。
【００２４】第１，第２の光束分割素子５，６でＺ方向
に複数の光束に分割されるが、第１，第２の光束分割素
子５，６の関係がアフォーカル系を構成するようになっ
ているため実際には分割しない状態と本質的には変わら
ない。しかし、アフォーカル系の状態を崩してやると光
束分割素子６から出射される光束はある角度持つように
なってくる。アフォーカル系の状態を崩す一方法は光束
分割素子５，６の間隔を変えてやることであるが光束分
割素子５，６のアフォーカル系を構成している１対のシ
リンドリカルレンズの中心軸の高さは間隔変化に対して
変化しない。つまり、中心軸を通る光線はなにも変化せ
ず、出射される。このときの第１，第２の光束分割素子
５，６による光束の分割数は図１で述べたように奇数個
が良い。このため、第１，第２の光束分割素子のシリン
ドリカルレンズも奇数個の３つとなっている。このよう
に第２の光束分割素子６から出射された光束は第３の光
束分割素子７を通過し、レンズ系８と通過しマスク９へ
至る。
【００２５】マスク９は図１のＹ方向の説明であったよ
うにレンズ系８の後側焦点位置に配置されている。この
ため、第２の光束分割素子６より出射された各光束で平
行な光線はレンズ系８によってマスク９で集光する。第
１，第２の光束分割素子５，６の間隔を変化させたと
き、マスク９のＺ方向の照明域の変化の様子を観察する
とマスク９の位置はレンズ系８の後側焦点位置にあるた
め、平行な光線である各アフォーカル系の中心光線は各
々平行な光線であるのでマスク９一点に集まり、かつ光
軸と平行でもあるからマスク９上で光軸と交わるといえ
る。第１，第２の光束分割素子５，６の間隔変化に対し
て中心軸は不動であるから、マスク９で重なる点も不動
である。しかし、第２の光束分割素子６から出射される
各光束は間隔変化に応じて角度を持つため、マスク９で
は照明範囲が変化することになる。つまり、マスク９で
のＺ方向の照明範囲は中心が不動で同時に第１，第２の
光束分割素子５，６の間隔変化によって照明域が対照的
に増減することになる。即ち、アスペクト比と照明域の
双方が変化する。ただ、この照明範囲の増減には制約が
ある。それは、この作用はＺ方向でマスク９に集光して
いた光束の集光位置をデフォーカスすることであるがマ
スク９はレンズ系８、投影レンズ１０の間にあり、デフ
ォーカスによってレンズ系８あるいは投影レンズ１０の
レンズ表面に集光点が移ることは良くない。それはこの
光学系が加工するためのシステムで高エネルギーレーザ
を使用しているため、集光点がレンズ表面近傍にあると
レンズを損傷することになるからである。このため、デ
フォーカスの範囲はそれらレンズ損傷を発生しないよう
にしている。マスク９から出射された光束は投影レンズ
１０を経て加工面１１に至る。
【００２６】本実施形態では、ＸＺ面内の光学系が所謂
クリティカル照明系を構成するようにしている。本実施
形態における光学系は、ＸＹ面内ではケーラー照明によ
ってマスクパターン９ａのある領域を均一に照明し、Ｘ
Ｚ面内では略クリティカル照明によってマスクパターン
９ａを強力なレーザ光で照明し、総合して極めて効率良
くマスク９を照明している。
【００２７】そしてマスク９で加工すべきパターンを与
えられたレーザ光は、投射レンズ１０を介して幾何学的
に被加工物１１上に結像し、該被加工物１１に所定倍率
にてマスクパターン９ａの形状の溝が穿たれるようにし
ている。
【００２８】本実施形態では以上のように、幅方向（Ｚ
方向）にも均一化するために幅方向にも光束を分割する
ために奇数個のシリンドリカルレンズを組み合わせた２
組のシリンドリカルレンズアレイ（第１，第２の光学素
子）を導入し、長手方向（Ｙ方向）にも１組のシリンド
リカルレンズアレイを用いることで照明範囲のアスペク
ト比が５０〜９０の照明を実現している。又、同時に幅
方向に関して集光位置を移動することで照明範囲を可変
としている。
【００２９】本発明ではＺ方向の光束分割素子として、
正の屈折力作用を有する１対のシリンドリカルレンズア
レイを用いているが、どちらが負の屈折作用のシリンド
リカルレンズアレイでも問題はない。又、実現されるア
フォーカル系の角倍率は任意であるが、必要以上に縮小
しガラスを破損するものでなければ良い。光束分割の開
口サイズ、レンズ系８の倍率は投影レンズ１０の入射瞳
サイズを超えない範囲であればどのようなものであって
もかまわない。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、照明範囲のアスペクト
比が５０以上の照明領域において、照明領域を均一に、
しかも照明領域の大きさを変化させることができ、加工
物を容易かつ高精度に光加工することができる照明装置
及びそれを用いた光加工機を達成することができる。
【００３１】この他本発明によれば、被照射面（マス
ク）での幅方向にも強度分布の平坦化が行われ、マスク
位置の変化によって加工形状が変化することができなく
なり、装置に関わる調整が減少し信頼性の高い照明装置
及びそれを用いた光加工機を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の要部平面図
【図２】 本発明の実施形態１の要部側面図
【符号の説明】
１ レーザ光源 ２，３ 反射ミラー ４ 拡大光学系 ５ 第１の光学素子 ６ 第２の光学素子 ７ 第３の光学素子 ８ レンズ系 ９ マスク １０ 投影レンズ １１ 加工面

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源から射出した光束で被照射面を照明
    する照明装置において、光軸を含む互いに直交する平面
    を第１平面と第２平面としたとき、該第１平面はケーラ
    ー照明をし、該第２平面はクリティカル照明をしてお
    り、該第２平面内においてのみ屈折力を有し、かつ互い
    に対向配置した第１，第２の光学素子を有し、該第１，
    第２の光学素子はアフォーカル系を構成しており、該第
    １，第２の光学素子を光軸方向に移動させて角倍率を変
    えて、該被照射面の該第２平面内における照射範囲を可
    変としていることを特徴とする照明装置。
  2. 【請求項２】 前記第１，第２の光学素子は複数のシリ
    ンドリカルレンズをを一方向に配列したシリンドリカル
    レンズアレイより成っていることを特徴とする請求項１
    の照明装置。
  3. 【請求項３】 前記光学系は前記第１平面内においての
    み屈折力を有する第３の光学素子を有していることを特
    徴とする請求項１又は２の照明装置。
  4. 【請求項４】 前記第１，第２の光学素子は前記第２平
    面内において基準状態でアフォーカル系を構成している
    ことを特徴とする請求項１，２又は３の照明装置。
  5. 【請求項５】 前記第１，第２の光学素子は奇数個（３
    以上）のシリンドリカルレンズアレイより成っているこ
    とを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の照明装
    置。
  6. 【請求項６】 前記被照射面上の照明範囲は前記第１平
    面と第２平面とで寸法が異なっていることを特徴とする
    請求項１から５のいずれか１項の照明装置。
  7. 【請求項７】 前記被照射面の照明範囲のアスペクト比
    は５０〜９０であることを特徴とする請求項１から６の
    いずれか１項の照明装置。
  8. 【請求項８】 請求項１から７のいずれか１項の照明装
    置を用いて被照射面上に設けたマスクのパターンを照明
    し、該パターンを投影レンズで加工物上に投影し、該加
    工物を該パターンで加工することを特徴とする光加工
    機。
  9. 【請求項９】 請求項８の光加工機を用いて前記マスク
    面上の複数の開口を一方向に配列したパターンを基板上
    に転写して該基板上に複数の小孔を穿孔して、オリフィ
    スプレートを製造したことを特徴とするオリフィスプレ
    ートの製造方法。
  10. 【請求項１０】 請求項９のオリフィスプレートの製造
    方法により製造したオリフィスプレートを有しているこ
    とを特徴とするインクジェットプリンタ。
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