JP2005262220A - レーザ加工その場計測装置、その場計測方法、及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工途中における反応場の二次元的な強度情報や被加工物表面形状のみでなく、レーザ加工途中において更に詳細かつ正確な情報を収集することを可能にすることであり、また、このような詳細かつ正確な情報を収集し得るレーザ加工におけるその場計測装置、その場計測方法、及びこれらを適用したレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】加工レーザ光を被加工物表面に照射して加工を行うレーザ加工装置において、該加工レーザ光を被加工物表面に照射したときの、該被加工物表面の加工点近傍の反応場における三次元情報、又は三次元情報と二次元情報を取得する反応場情報取得手段を有することである。
【選択図】図２

Description

この発明は、レーザ加工中の被加工物に関する情報を正確、且つ詳細に収集することができるレーザ加工におけるその場計測装置、及びその場計測方法、並びにその場計測装置を備えるレーザ加工装置に関するものであり、生産技術、光応用計測技術、レーザ加工技術、レーザ加工の性能評価、及びレーザ加工反応のシミュレーション等の分野において応用することができる。

レーザ光は非常に短い時間にエネルギーを微小領域に正確に集中できるため、金属や合成樹脂等の穿孔、切断、切削などの材料加工や、レーザ光により飛散させた微粒子を堆積させる薄膜生成や、微粒子生成といった様々な加工プロセスに応用されており、最近ではフェムト秒パルスレーザなどの超短パルスレ−ザのナノテクノロジーへの応用展開も多くなっている。
レーザ加工においては、実際の加工作業に先だって試験加工を行い、照射時間、照射光強度、照射周波数等の加工条件と加工品特性との関係を求め、適切な条件のもとで加工作業が行われる。また、新規加工プロセスを開発する場合においても、加工条件と加工品特性との関係を把握することは重要なアプローチとなる。加工条件と加工特性との関係を把握する場合、従来は加工後の加工品を評価装置まで搬送してから評価することが行われてきたが、加工途中での特性を把握できれば、より詳細で正確な情報収集ができるため、加工途中における被加工物の形態や加工レーザ光照射により生じる反応場のその場計測への要望がある。

それらの測定結果は、上述のような加工条件と加工品特性との関係の把握試験や、レーザ加工におけるプロセス過程のシミュレーションへの情報フィードバックに有効に活用される。また、加工途中における被加工物の形態や加工反応場のその場計測データと、加工により得られる加工品質との相関関係を予め取得してデータベース化しておくことにより、レーザ加工による生産現場においてその場計測データを取得し、データベースに記憶した情報と比較することによって、被加工物を検査したり、加工品質を保証するよう加工条件を調整したりすることができる。また、検査工程や加工条件の調整のための時間を削減することにより、生産効率の向上にもつなげることができる。

レーザ加工において、加工レーザ光と被加工物とレーザ加工による被加工物表面形態や反応場の変化の様子を図１に示す。この図１において、１は加工レーザ光、２は該加工レーザ光を集光させるための対物レンズ、３は被加工物（表面）、４ａはレーザ加工による被加工物表面の変化領域、４ｂはレーザ加工による反応場の広がりを表している。被加工物表面３に加工レーザ光１が照射されたとき、被加工物表面が除去されて、被加工物表面近傍に反応場が広がっていく様子が示されている。反応場は、温度勾配、空気密度勾配、プラズマやプラズマ発光等の要素で構成され、被加工物に施された加工状態の情報を含んでいる。そのため反応場から被加工物の加工品質に関する情報を予測することができる。

レーザ加工のその場計測装置としては、特開平５−２２８６７１号公報（エキシマレーザ加工機）に記載されたものがある。これはエキシマレーザ加工に使用される装置であり、被加工物近傍にＣＣＤカメラを設置することにより、加工レーザの集光状況や被加工物表面の形態をＣＣＤカメラで二次元的な強度情報として観測しているものである。
また、R.Srinivasan「Ablation of Polymethyl methacrylate films by pulsed(ns) ultraviolet and infared(9.17μm)lasers：A comparative stude by ultrafast imaging」,J.Appl.Phys．73(6)，15,March(1993)，P2743-2750 では、加工レーザ光照射により生じる被加工物近傍での反応場の二次元的な強度情報が、ＣＣＤカメラにより検出されている。即ち、加工レーザ光の被加工物への照射点（加工点近傍）に、計測レーザ光を該被加工物表面と略平行な方向から照射し、該加工点近傍の反応場を通過した計測レーザ光を結像させてＣＣＤカメラで撮像することにより、上記反応場により変調を受けた計測レーザ光の強度分布をモニタリングしている。
しかしながら、これらの装置や方法では二次元的な強度情報のみの取得であって、実際の被加工物の形態や加工レーザ光照射により生じる反応場は、加工途中に三次元の変化をみせるため、二次元的な測定ではレーザ加工における詳細かつ正確な情報は収集しきれないものである。

また、レーザ加工途中における被加工物表面の三次元形状を測定する装置に関する従来技術としては、H.Furutani，H.Masuhara他「Laser-Induced Decomposition and Ablation Dynamics Studied by Nanosecond Interferometry.１」J.Phys.Chem.A(1997），P5742-5747 があり、これには次のような事項が記載されている。
加工レーザの被加工物への照射点、すなわち加工点近傍に、計測レーザを被加工物表面と略垂直な方向から照射する計測用照射光学系と、前記加工レーザと計測レーザとのタイミングを調整する手段と、前記加工レーザによる被加工物表面形状の変化により変調を受けた計測レーザと参照光との干渉縞を発生させるための干渉光学系と、前記干渉光学系による干渉縞画像を撮像するための撮像手段と、干渉縞を撮像面上で結像させる結像光学系とから成る装置を用いて、干渉縞の強度分布を検知することによりレーザ加工途中における被加工物表面の三次元形状を把握する。
しかしながら、この従来技術では、加工点の強度情報や加工レーザ光照射により生じる反応場の情報が得られない。

また、文献「フーリエ変換と光応用計測」光技術コンタクト Vol.36，No.2(1998)には、単一の干渉画像を収録して被測定物の表面形状を求める公知の方法であって、干渉縞の空間的な強度分布から形状を求める、いわゆる空間変調干渉法に関する事項が記載されている。
特開平５−２２８６７１号公報 R.Srinivasan「Ablation of Polymethyl methacrylate films by pulsed(ns) ultraviolet and infared(9.17μm)lasers：A comparative stude by ultrafast imaging」,J.Appl.Phys．73(6)，15,March(1993)，P2743-2750 H.Furutani，H.Masuhara他「Laser-Induced Decomposition and Ablation Dynamics Studied by Nanosecond Interferometry.１」J.Phys.Chem.A(1997），P5742-5747 「フーリエ変換と光応用計測」光技術コンタクト Vol.36，No.2(1998)

本発明の課題は、レーザ加工途中における反応場の二次元的な強度情報や被加工物表面形状のみでなく、レーザ加工途中において更に詳細かつ正確な情報を収集することを可能にすることであり、また、このような詳細かつ正確な情報を収集し得るレーザ加工におけるその場計測装置、その場計測方法、及びこれらを適用したレーザ加工装置を提供することである。

上記課題に対する解決手段は、加工レーザ光を被加工物表面に照射したとき、該被加工物表面の加工点近傍に生じる反応場に対して計測レーザ光を照射して、この反応場の三次元屈折率分布情報を取得することを基本とするものである。

〔解決手段１〕（請求項１に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段１は、加工レーザ光を被加工物表面に照射して加工を行うレーザ加工装置を前提として、
該加工レーザ光を被加工物表面に照射したときの、該被加工物表面の加工点近傍の反応場における三次元情報、又は三次元情報と二次元情報を取得する反応場情報取得手段を有することである。
〔作 用〕
レーザ加工途中において、被加工物形態や加工レーザ光照射により発生する反応場は三次元の変化をみせるが、従来では二次元的な強度情報のみを取得しているため、これらの情報を詳細かつ正確に収集することができなかった。
この解決手段１によれば、レーザ加工途中における反応場変化の三次元情報、又は三次元情報と二次元情報を取得することができるので、レーザ加工途中において、より詳細かつ正確な情報を収集することができる。

〔実施態様１〕（請求項２に対応）
実施態様１は、上記解決手段１のレーザ加工装置において、被加工物表面の三次元情報と二次元情報を取得する加工物表面情報取得手段を有することである。
〔作 用〕
この実施態様１では、レーザ加工途中における反応場変化の三次元情報、又は三次元情報と二次元情報と共に、レーザ加工途中における被加工物の表面変化の三次元情報と二次元情報を取得することができるので、レーザ加工途中において、さらに詳細かつ正確な情報を収集することができる。

〔実施態様２〕（請求項３に対応）
実施態様２は、上記解決手段１又は実施態様１のレーザ加工装置において、反応場情報取得手段により取得された三次元情報は、反応場の三次元屈折率分布情報であり、二次元情報は反応場の二次元強度分布情報であることである。
〔作 用〕
この実施態様２では、レーザ加工途中における反応場の三次元屈折率分布情報と二次元強度分布情報を取得することができるので、レーザ加工途中において、より詳細かつ正確な情報を収集することができる。

〔実施態様３〕（請求項４に対応）
実施態様３は、上記実施態様１又は実施態様２のレーザ加工装置において、加工物表面情報取得手段により取得された三次元情報は、被加工面の三次元形状情報であり、二次元情報は被加工面の加工点の二次元強度分布情報であることである。
〔作 用〕
この実施態様３では、レーザ加工途中における被加工物表面の三次元形状情報と二次元強度分布情報を取得することができるので、レーザ加工途中において、さらに詳細かつ正確な情報を収集することができる。

〔実施態様４〕（請求項５に対応）
実施態様４は、上記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様３のいずれかに記載のレーザ加工装置において、反応場情報取得手段と加工レーザ光とを、該加工レーザ光の光軸周りに相対的に回転させるための回転手段を有することである。
〔作 用〕
前記解決手段１又は実施態様１〜実施態様３の装置では、反応場の三次元屈折率分布が加工レーザ光の光軸に対して軸対象であることを前提にして、三次元屈折率分布を求めているが、場合によっては、加工レーザ光の光軸と垂直な面内における加工レーザ光の空間強度分布の非対称性の影響により、三次元屈折率分布が該光軸に対して非対称なことがあり、この非対称性は測定される三次元屈折率分布に誤差を与えることになる。
この実施態様４では、反応場情報取得手段と加工レーザ光の空間強度分布との光軸周りでの相対的な位置関係を変化させながら反応場情報を取得するので、光軸周りの異なる方向から反応場情報を取得することができる。

〔実施態様５〕（請求項６に対応）
実施態様５は、前記実施態様４のレーザ加工装置において、回転手段は、加工レーザ光の光軸と直交する平面内で、該加工レーザ光の強度分布を該光軸周りに回転させることである。
〔作 用〕
前記実施態様４の装置において、反応場情報取得手段を加工レーザ光の光軸周りに回転させると構成が複雑になる。この実施態様５では、加工レーザ光の光軸と垂直な面内における加工レーザ光の空間強度分布をその光軸周りに回転させる手段を備えることにより、加工レーザ光の空間強度分布と反応場情報取得手段との光軸周りでの相対的な位置関係を変化させるので、簡単な構成によって光軸周りの異なる方向から反応場情報を取得することができる。

〔実施態様６〕（請求項７に対応）
実施態様６は、上記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様３のいずれかに記載のレーザ加工装置において、反応場情報取得手段は計測レーザ光による干渉を利用したことである。
〔作 用〕
前記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様３のいずれかの装置において、計測レーザ光による干渉を利用して、反応場を通過した計測光の参照光に対する二次元位相差分布を求める。そして、この二次元位相差分布を三次元屈折率分布に変換する。

〔実施態様７〕（請求項８に対応）
実施態様７は、上記実施態様６のレーザ加工装置において、反応場情報取得手段は計測レーザ光を分割し、一方を被加工物表面と略平行な方向から反応場に照射して物体光とし、他方を参照光として、該物体光と参照光をそれぞれ干渉させる干渉手段を有することである。
〔作 用〕
前記実施態様６の作用と同じである。

〔実施態様８〕（請求項９に対応）
実施態様８は、上記実施態様６のレーザ加工装置において、反応場情報取得手段は計測レーザ光を複数の群に分割し、この各群の計測レーザ光を更に分割し、これらの一方を被加工物表面と略平行で異なる方向から反応場に照射して上記各群の物体光とし、他方を上記各群の参照光として、上記各群の物体光と参照光とをそれぞれ干渉させる干渉手段を有することである。
〔作 用〕
加工レーザ光の光軸周りでの相対的な位置関係が加工レーザ光の空間強度分布と異なるような複数の位置に複数の反応場情報取得手段を設置し、加工レーザ光の光軸周りにおける複数の方向から各反応場情報を取得するので、反応場の非対称性の影響を低減することができる。

〔実施態様９〕（請求項１０に対応）
実施態様９は、上記実施態様６〜実施態様８のいずれかのレーザ加工装置において、反応場情報取得手段は、加工レーザ光を分割して計測レーザ光とする分割手段と、該計測レーザ光を加工レーザ光に対して遅延させる遅延手段を有することである。
〔作 用〕
加工レーザ光と計測レーザ光で異なる光源を用いると製作コストが高くなる。この実施態様９では、加工レーザ光の一部を分離して計測レーザ光とし、この計測レーザ光に加工レーザ光に対する所定の遅延を与えているので、加工レーザ光と計測レーザ光の光源を共有化することができる。

〔実施態様１０〕（請求項１１に対応）
実施態様１０は、前記実施態様６〜実施態様９のいずれかのレーザ加工装置において、反応場情報取得手段は、計測レーザ光と加工レーザ光の偏光方向を異なる方向とする偏光方向設定手段を有することである。
〔作 用〕
加工レーザ光による加工点からの散乱光が計測レーザ光検出手段にて検出されると、それがノイズとなる。従来では、加工レーザ光からの散乱光をカットするために、加工レーザ光と計測レーザ光の波長を変えたり、波長帯域フィルタを用いていたが、コストが高くなっていた。この実施態様１０では、加工レーザ光と計測レーザ光を異なる偏光方向とし、計測レーザ光のみを通過させる偏光手段を、加工点から上記検出手段までの間に設置して、計測レーザ光のみを検出することにより、上記ノイズを低コストで低減することができる。

〔実施態様１１〕（請求項１２に対応）
実施態様１１は、前記実施態様９のレーザ加工装置において、遅延手段は大幅遅延手段と小幅遅延手段を有し、該大幅遅延手段と小幅遅延手段を切り替える切り替え手段を有することである。
〔作 用〕
遅延手段が大幅遅延手段と小幅遅延手段から成り、該大幅遅延手段と小幅遅延手段を切り替えることにより、同一装置にて大幅な遅延と小幅な遅延を提供することができる。

〔実施態様１２〕（請求項１３に対応）
実施態様１２は、前記実施態様９のレーザ加工装置において、遅延手段は大幅遅延手段と小幅遅延手段を有し、該大幅遅延手段と小幅遅延手段を併用することである。
〔作 用〕
小幅遅延手段の提供可能な最大時間幅を大幅遅延手段の時間分解能以下にすることにより、小幅遅延と大幅遅延を関連づけることができる。

〔実施態様１３〕（請求項１４に対応）
実施態様１３は、前記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様８のいずれかのレーザ加工装置において、遅延手段は、計測レーザ光に光学的な遅延を与える光学的遅延手段と、電気的方法で上記計測レーザ光の照射タイミングと加工レーザ光の照射タイミングを調整するタイミング調整手段を有することである。
〔作 用〕
電気的遅延手段は広いレンジで遅延を提供できるが、時間分解能が高いものは高価である。そのためこの実施態様１３では、電気的遅延手段の時間分解能以下の遅延を光学的遅延手段により補足している。

〔実施態様１４〕（請求項１５に対応）
実施態様１４は、加工レーザ光を被加工物表面に照射して加工を行うレーザ加工装置を前提として、次の(イ)〜(ヘ)から成るその場計測装置を備えることである。
(イ) 上記被加工物表面における加工点近傍に、計測レーザ光を該被加工物表面と略平行な方向から照射する計測用照射光学系
(ロ) 上記加工レーザ光と計測レーザ光との照射タイミングを調整するタイミング調整手段
(ハ) 上記加工レーザ光による被加工物表面近傍の屈折率分布の変化により変調を受けた計測レーザ光と参照光との干渉縞を発生させるための干渉光学系
(ニ) 上記干渉光学系による干渉縞画像を撮像するための撮像手段
(ホ) 上記干渉縞を撮像面の位置で結像させるための結像手段
(ヘ) 上記干渉縞の位相から加工途中における被加工物表面近傍の三次元屈折率分布を計算するための計算器

〔作 用〕
レーザ加工途中において、被加工物形態や加工レーザ光照射により発生する反応場は三次元の変化をみせるが、従来では二次元的な強度情報のみを取得しているため、これらの情報を詳細かつ正確に収集することができなかった。
この実施態様１４では、被加工物表面と略平行な方向から計測レーザ光を反応場に照射し、この反応場において変調を受けた計測レーザ光と参照光により干渉縞を発生させてこれを撮像し、この干渉縞の位相から加工途中におけるの反応場の三次元屈折率分布を算出することにより、レーザ加工途中の反応場変化を三次元的に求めることができる。

〔実施態様１５〕（請求項１６に対応）
実施態様１５は、実施態様１４のレーザ加工装置において、計測用照射光学系が、被加工物表面と略平行な面内で２つ以上の異なる方向から計測レーザ光を上記加工点近傍に照射する光学系であり、干渉光学系が２つ以上の異なる方向から照射した各計測レーザ光と参照光とをそれぞれ干渉させる光学系であり、撮像手段が各計測レーザ光による干渉縞を撮像する手段であり、結像手段が各干渉縞を各撮像面の位置で結像させる手段であり、計算器が各干渉縞の位相をもとに２つ以上の異なる方向から観測した被加工物表面近傍の三次元屈折率分布を求めるための計算器であることである。

〔作 用〕
前記実施態様１４では、求められる三次元屈折率分布が、計測レーザ光の照射方向と略垂直な方向における任意の軸に対して軸対称であることを前提としているが、被加工物に照射する加工レーザ光の空間強度分布がその光軸に対して軸対称でない場合や、加工レーザ光の照射領域における被加工物の状態が加工レーザ光の光軸に対して軸対称でない場合など、実際には上記の前提が成り立たない場合がある。
この実施態様１５では、被加工物表面と略平行な方向から計測レーザ光を２つ以上の異なる方向から反応場に照射し、この反応場において変調を受けた各計測レーザ光と参照光によりそれぞれ干渉縞を発生させてこれを撮像し、これらの干渉縞から各計測レーザ光の二次元位相差分布を求める。求められた位相差分布の比較により三次元屈折率分布の軸対称性をチェックすることができ、また、この位相差分布を平均化することにより、三次元屈折率分布の非軸対称性により生じる誤差を低減することができる。

〔解決手段２〕（請求項１７に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段２は、加工レーザ光を被加工物表面に照射して行うレーザ加工におけるその場計測装置を前提として、次の(ト)〜(ヲ)から成ることである。
(ト) 上記被加工物表面における加工点近傍に、計測レーザ光を該被加工物表面と略平行な方向から照射する計測用照射光学系
(チ) 上記加工レーザ光に対する計測レーザ光の照射タイミングを調整するタイミング調整手段
(リ) 上記加工レーザ光による被加工物表面近傍の屈折率分布の変化により変調を受けた計測レーザ光と参照光との干渉縞を発生させるための干渉光学系
(ヌ) 上記干渉光学系による干渉縞画像を撮像するための撮像手段
(ル) 上記干渉縞を撮像面の位置に結像させるための結像手段
(ヲ) 上記干渉縞の位相から加工途中における上記被加工物表面近傍の三次元屈折率分布を計算するための計算器
〔作 用〕
前記実施態様１４の作用と同じである。

〔解決手段３〕（請求項１８に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段３は、加工レーザ光を被加工物表面に照射して行うレーザ加工におけるその場計測方法を前提として、次の(ワ)〜(レ)から成ることである。
(ワ) 上記被加工物表面における加工点近傍に、計測レーザ光を該被加工物表面と略平行な方向から照射すること
(カ) 上記加工レーザ光に対する計測レーザ光の照射タイミングを調整すること
(ヨ) 上記加工レーザ光による被加工物表面近傍の屈折率分布の変化により変調を受けた計測レーザ光と参照光との干渉縞を発生させること
(タ) 上記干渉縞を撮像面上に結像させて干渉縞画像を撮像すること
(レ) 上記撮像された干渉縞の位相から加工途中における上記被加工物表面近傍の三次元屈折率分布を計算すること
〔作 用〕
前記実施態様１４の作用と同じである。

本発明によれば、レーザ加工途中における加工状態をその場で計測・評価できるため、加工条件と加工特性との関係に関する情報をより詳細かつ正確に収集することができ、このような関係の把握試験や、レーザ加工におけるプロセス過程のシミュレーションへの情報フィードバックに有効に活用することができる。また、加工途中における被加工物の形態や加工反応場のその場計測データと、加工により得られる加工品質との相関関係を予め取得してデータベース化しておけば、生産工程においてその場計測データを取得し、データベースに記憶した情報と比較することによって被加工物を検査したり、加工品質を保証するよう加工条件を調整したりすることができる。また、検査工程や加工条件の調整のための時間を削減することができるので、生産効率も向上させることができる。

そして、本発明の効果を主な請求項毎に整理すると、次ぎのとおりである。
(１) 請求項１に係る発明
レーザ加工途中における反応場変化の三次元情報、又は三次元情報と二次元情報を取得することにより、レーザ加工途中において、より詳細かつ正確な情報を収集することができ、レーザ加工プロセスにおける被加工物の変化をより正確かつ詳細に認識することができる。
(２) 請求項２に係る発明
レーザ加工途中における反応場変化の三次元情報、又は三次元情報と二次元情報と共に、レーザ加工途中における被加工物の表面変化の三次元情報と二次元情報を取得することにより、レーザ加工途中において、さらに詳細かつ正確な情報を収集することができ、レーザ加工プロセスにおける被加工物の変化をさらに正確かつ詳細に認識することができる。

(３) 請求項３に係る発明
レーザ加工途中における反応場の三次元屈折率分布情報と二次元強度分布情報を取得することにより、レーザ加工途中において、より詳細かつ正確な情報を収集することができ、レーザ加工プロセスにおける被加工物の変化をより正確かつ詳細に認識することができる。
(４) 請求項４に係る発明
レーザ加工途中における被加工物表面の三次元形状情報と二次元強度分布情報を取得することにより、レーザ加工途中において、さらに詳細かつ正確な情報を収集することができ、レーザ加工プロセスにおける被加工物の変化をさらに正確かつ詳細に認識することができる。

(５) 請求項５に係る発明
反応場情報取得手段と加工レーザ光の空間強度分布との光軸周りでの相対的な位置関係を変化させながら反応場情報を取得するので、光軸周りの異なる方向から反応場情報を取得することができるため、それらの情報を用いて非対称性の影響を低減することができ、レーザ加工プロセスにおける被加工物の変化をより正確かつ詳細に認識することができる。
(６) 請求項６に係る発明
加工レーザ光の光軸と垂直な面内における加工レーザ光の空間強度分布をその光軸周りに回転させる手段を備えることにより、加工レーザ光の空間強度分布と反応場情報取得手段との光軸周りでの相対的な位置関係を変化させる。これにより、簡単な構成によって光軸周りの異なる方向から反応場情報を取得することができるため、非対称性の影響を低減することができ、レーザ加工プロセスにおける被加工物の変化をより正確かつ詳細に認識することができる。

(７) 請求項７及び請求項８に係る発明
請求項１〜請求項４に記載の装置において、計測レーザ光による干渉を利用して、反応場を通過した計測光の参照光に対する二次元位相差分布を求める。そして、この二次元位相差分布を三次元屈折率分布に変換することにより、レーザ加工途中において、より詳細かつ正確な情報を収集することができ、レーザ加工プロセスにおける被加工物の変化をより正確かつ詳細に認識することができる。
(８) 請求項９に係る発明
加工レーザ光の光軸周りでの相対的な位置関係が加工レーザ光の空間強度分布と異なるような複数の位置に複数の反応場情報取得手段を設置し、加工レーザ光の光軸周りにおける複数の方向から各反応場情報を取得することにより、反応場の非対称性の影響を低減し、レーザ加工プロセスにおける被加工物の変化をより正確かつ詳細に認識することができる。

(９) 請求項１０に係る発明
加工レーザ光の一部を分離して計測レーザ光とし、この計測レーザ光に加工レーザ光に対する所定の遅延を与えることにより、加工レーザ光と計測レーザ光の光源を共有化することができるため、装置の製作コストを下げることができる。
(１０) 請求項１１に係る発明
加工レーザ光と計測レーザ光とで異なる偏光方向とし、計測レーザ光のみを通過させる偏光手段を、加工点から上記検出手段までの間に設置して、計測レーザ光のみを検出することにより、上記加工レーザ光に起因するノイズを低コストで低減することができる。これにより、レーザ加工プロセスにおける被加工物の変化をより正確かつ詳細に認識することができる。

(１１) 請求項１２に係る発明
遅延手段が大幅遅延手段と小幅遅延手段から成り、該大幅遅延手段と小幅遅延手段を切り替えることにより、同一装置にて大幅な遅延と小幅な遅延を提供することができる。これにより、遅延時間のダイナミックレンジを拡大させることができる。
(１２) 請求項１３に係る発明
小幅遅延手段の提供可能な最大時間幅を大幅遅延手段の時間分解能以下にすることにより、小幅遅延と大幅遅延を関連づけることができ、これにより高時間分解能で広いダイナミックレンジの遅延時間を提供することができる。
(１３) 請求項１４に係る発明
電気的遅延手段の時間分解能以下の遅延を光学的遅延手段により補足することにより、高時間分解能で広いダイナミックレンジの遅延時間を低コストで提供することができる。

(１４) 請求項１５、請求項１７及び請求項１８に係る発明
被加工物表面と略平行な方向から計測レーザ光を反応場に照射し、この反応場において変調を受けた計測レーザ光と参照光により干渉縞を発生させてこれを撮像し、この干渉縞の位相から加工途中におけるの反応場の三次元屈折率分布を算出することにより、レーザ加工途中の反応場変化を三次元的に求めることができる。これにより、レーザ加工途中において、より詳細かつ正確な情報を収集することができ、レーザ加工プロセスにおける被加工物の変化をより正確かつ詳細に認識することができる。
(１５) 請求項１６に係る発明
被加工物表面と略平行で２つ以上の異なる方向から計測レーザ光を反応場に照射し、この反応場において変調を受けた各計測レーザ光と参照光によりそれぞれ干渉縞を発生させてこれを撮像し、これらの干渉縞から各計測レーザ光の二次元位相差分布を求める。求められた位相差分布の比較により三次元屈折率分布の軸対称性をチェックすることができ、また、この位相差分布を平均化することにより、三次元屈折率分布の非軸対称性により生じる誤差を低減することができる。これにより、レーザ加工途中における反応場の非対称性の影響を低減した三次元屈折率分布の取得を実施することができる。

レーザ加工途中における反応場の二次元的な強度情報や被加工物表面形状のみでなく、レーザ加工途中においてさらに詳細かつ正確な情報を収集するという目的を、被加工物表面の加工点近傍の反応場に対して、計測レーザ光を該被加工物表面と略平行な方向から照射して、この反応場における三次元屈折率分布情報を取得することにより実現した。

本発明の実施例１（請求項１,３,７,８,１５,１７,１８に対応）について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、反応場において１方向から計測レーザ光を照射して三次元屈折率分布測定のための構成例示し、図３は反応場の三次元屈折率分布測定において収録する干渉縞を示す。
図２において、５は加工レーザ光源として用いられるＹＡＧレーザで、パルス光を発生させる。ＹＡＧレーザ５からの光は、加工レーザ光強度を調整するためのＮＤフィルタ６を透過して集光レンズ７にて集光されたのち広げられ、レンズ８によりコリメートされる。９はＹＡＧレーザからの光の空間分布を整えるための空間フィルターとして作用するピンホールである。ＹＡＧレーザ５からの光はコリメートされた後、ミラー１０にて折り返され（反射され）、対物レンズ２にて被加工物３に集光照射される。該被加工物３は被加工物表面と平行な方向に被加工物を移動させるためのＸＹステージ（図示しない）に搭載されており、該ＸＹステージを駆動することで被加工物表面上における加工レーザ光の照射位置が変えられるようになっている。４ａ及び４ｂは図１にて説明したとおり、レーザ加工による被加工物表面の変化領域、及びレーザ加工による反応場の広がりを表している。

１１は計測レーザ光源として用いられる半導体レーザ励起ＹＡＧレーザで、パルス光を発生させる。該半導体レーザ励起ＹＡＧレーザ１１からの光は、計測レーザ光強度を調整するためのＮＤフィルタ１２を透過し、集光レンズ１３にて集光されたのち広げられ、レンズ１４にてコリメートされる。１５は半導体レーザ励起ＹＡＧレーザ１１からの光の空間分布を整えるための空間フィルターとして作用するピンホールである。該半導体レーザ励起ＹＡＧレーザ１１からの光は、コリメートされたのちビームスプリッター１６により分岐される。該ビームスプリッター１６を透過した光は、加工レーザの照射により生成された被加工物表面近傍の反応場により変調されたのち、ミラー１７にて折り返され、ハーフミラー１８にて反射される。一方、上記ビームスプリッター１６にて反射された光はミラー１９にて反射された後、上記ハーフミラー１８を透過する。上記ビームスプリッター１６にて分岐された光のうち、反応場により変調を受けた光は物体光となり、変調を受けていない光は参照光となって、両者は上記ハーフミラー１８にて重ね合わされる。

該物体光の光路長と参照光の光路長の差を、上記半導体レーザ励起ＹＡＧレーザ１１のコヒーレンス長以下とし、両者の光軸をほぼ一致させれば両者は干渉して干渉縞が発生する。上記物体光と参照光はレンズ２０を透過し、ミラー２１にて折り返されて、レンズ２２、レンズ２３を透過したのちＣＣＤカメラ２４に到達する。これらのレンズ２０、２２、２３は、被加工物近傍の像を所定倍率でＣＣＤカメラ２４の撮像面上で結像させるための結像光学系として作用し、上記物体光と参照光との干渉により生じた干渉縞はＣＣＤカメラ２４にて撮像される。２５はＣＣＤカメラドライバである。結像光学系の倍率について、微細加工を行う場合は反応場も微小領域内に広がるため、拡大結像光学系とすればよい。上記ＣＣＤカメラ２４にて撮像された干渉縞画像は、フレームグラバ２６を介してパーソナルコンピュータ２７のメモリに転送され画像データとして処理される。また、この干渉縞画像はコンピュータのモニタ画面に表示される。

２８はパルス発生器であり、上記加工用ＹＡＧレーザ５のドライバ２９と計測用半導体レーザ励起ＹＡＧレーザ１１のドライバ３０に対して発光の外部トリガー信号を供給し、またＣＣＤカメラドライバ２５とフレームグラバ２６に対して画像取りこみの外部トリガー信号を供給する。各トリガー信号はパルス発生器２８の異なるチャンネルから出力され、チャンネル間のタイミングを調整することで各機器駆動のタイミングを調整することができる。また、該パルス発生器２８はコンピュータ２７と接続されており、トリガー信号出力をプログラム制御することができる。上記被加工物３に加工レーザ光を照射後、該被加工物表面で反応がおきる速度はナノ秒オーダで高速であるため、加工レーザへの外部トリガーに対する計測レーザへの外部トリガーの遅延時間はナノ秒オーダとしたほうがよい。上記パルス発生器２８の応答周波数が対応できない場合は、加工レーザの光路長に対して計測レーザの光路長を長くして、両者に光学的な遅延を与えてもよい。その場合は、両レーザドライバ２９，３０に同じタイミングで外部トリガーをかければよい。加工レーザに対する計測レーザの遅延時間は、両レーザ光を受光できる位置に高速フォトダイオードなどの受光素子を設置して、その出力によりモニターしてもよい。

上記ＣＣＤカメラドライバ２５とフレームグラバ２６へのトリガー信号のタイミングについて、ＣＣＤカメラ２４は画像取り込みの外部トリガー信号入力の所定時間後に露光を行うため、該ＣＣＤカメラ２４の露光時間に合わせて、計測レーザ１１に発光のトリガーを出力するようにする。上記フレームグラバ２６へは、計測レーザ光による像が撮像されたＣＣＤ画像をキャプチャできるように、ＣＣＤカメラ２４へのトリガー信号よりわずかに遅れてトリガー信号を出力すればよい。測定の際は、パーソナルコンピュータ２７に測定開始のコマンドを入力すれば、パルス発生器２８からＣＣＤカメラドライバ２５に画像取りこみトリガー信号が供給され、該ＣＣＤカメラドライバ２５へのトリガー信号から所定時間、例えば１０ｍｓ、後にパルス発生器２８からフレームグラバー２６に画像取りこみ信号が供給され、ＣＣＤカメラドライバ２５へのトリガー信号から所定時間、例えば３０ｍｓ、後に加工用ＹＡＧレーザドライバ２９にパルス発生器２８から発光トリガー信号が供給され、該加工用ＹＡＧレーザドライバ２９へのトリガー信号からナノ秒オーダの遅延、例えば５０ｎｓ、後に計測用半導体レーザ励起ＹＡＧレーザドライバ３０にパルス発生器２８から発光トリガー信号が供給される。それにより加工レーザ光照射から５０ｎｓ後において、被加工物表面近傍の反応場により変調を受けた物体光による干渉縞画像をコパーソナルコンピュータ２７のメモリに収録することができる。加工用ＹＡＧレーザドライバ２９へのトリガー信号に対する計測用半導体レーザ励起ＹＡＧレーザドライバ３０への遅延時間は、任意に調整できるようにしておけば、被加工物３に加工レーザが照射された後、反応が進む様子を逐次モニタリングすることができる。

反応場より変調を受けた物体光の二次元的な位相差分布を、収録した干渉縞から求める方法については、例えばフーリエ変換法の原理を用いる。すなわち、測定を始める前に、参照光用のミラー（図２におけるミラー１９）を微小量傾けて、図３に示すような画面に対して略４５度傾いた密な干渉縞を生成しておく。図３における３１は画像モニター画面を表し、３２は干渉縞を表す。図３に示すような干渉縞を加工レーザ光による反応場により変調された画像として収録し、二次元フーリエ変換したのち干渉縞の傾き成分を除去したものを逆フーリエ変換して、得られる複素振幅の位相情報を長さの単位に変換することによって、変調を受けた物体光の二次元位相差分布を求めることができる。干渉縞を画面に対して略４５度傾けるのは、画像のＸ，Ｙ両方向に干渉縞変調の感度をもたせるためであるが、Ｘ，Ｙ両方向に干渉縞変調の感度をもたせることができれば、４５度でなくてもよい。二次元位相差分布が求まれば、それをアーベル変換等で軸対称変換することにより略軸対称の屈折率分布、すなわち三次元屈折率分布を求めることができる。

なお、図２に示す構成では、計測レーザ光にパルス光源を用いて時間分解能の高い測定を行っているが、ＣＷ光源を用いた場合でもＣＣＤカメラに高速カメラを用いることにより測定の時間分解能を上げたり、ＣＷ光源からの光を回転チョッパー等の外部パルス変調器を用いることにより測定の時間分解能を上げたりすれば、パルス光源を使用する場合と同様の効果が得られる。

本発明の実施例２（請求項９,１６に対応）について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、加工レーザ光の光軸と垂直な面内であって、反応場において直交する２方向から計測レーザ光を照射して、それぞれの方向から三次元屈折率分布を求めるための構成を示し、図５は、図４における加工点近傍の加工レーザ光と計測レーザ光との関係を示している。
図４に示された被加工物近傍の様子は、紙面と垂直な方向から加工レーザ光が被加工物に入射し、それにより広がる反応場４を紙面と垂直な方向から観察したものである。図を簡単にして分かり易くするために、加工レーザ光用の光学系と被加工物は図示していない。また、図２に示されている構成と共通する部品には、図２と同じ符号を用いている。図５は、図４における加工点近傍の様子を示したものであり、対物レンズ２からの加工レーザ光１が被加工物３に入射して反応場４が広がっており、第１計測レーザ光とそれに直交する方向からの第２計測レーザ光が上記反応場４に入射している。

図４において、計測レーザ光源１１から出射されレンズ１４によりコリメートされた光を、ビームスプリッタ３３により分岐する。該ビームスプリッタ３３を透過した光は第１計測レーザ光となり、前記実施例１（図２参照）に記載したように、干渉光学系において第１計測レーザ光と参照光とが干渉して干渉縞が発生し、ＣＣＤカメラ２４にて撮像されて干渉縞画像がパーソナルコンピュータ２７のメモリに収録される。

一方、上記ビームスプリッター３３で反射された光は、ミラー３４で折り返され（反射され）、ビームスプリッタ３５で分岐される。該ビームスプリッタ３５を透過した光はミラー３６で折り返され、被加工面と略平行な平面内で上記第１計測レーザ光と略垂直な方向から反応場４に光を照射する第２計測レーザ光となる。また、上記ビームスプリッタ３５で反射された光はミラー３７で折り返され参照光となり、該参照光と上記反応場４を通過した第２計測レーザ光とはハーフミラー３８で重ね合わされて、両者は干渉して干渉縞を発生する。上記第２計測レーザ光による干渉縞はミラー３９にて折り返されたのち、レンズ４０、レンズ４１及びレンズ４２を介してＣＣＤカメラ４３の撮像面上で結像する。４４はＣＣＤカメラ４３のドライバである。ＣＣＤカメラ４３により撮像された第２計測レーザ光による干渉縞画像は、フレームグラバ４５を介してパーソナルコンピュータ２７のメモリに転送され、画像データとして処理される。上記各レンズ４０〜４２から構成された結像光学系は、上記レンズ２０、２２及び２３で構成された結像光学系とほぼ同じ結像倍率にしておくと処理が容易になる。

加工レーザ光の照射タイミングに同期した干渉縞画像の収録方法は前記実施例１の場合と同様であり、２つの干渉光学系と撮像手段により直交する２方向から観察した２つの干渉縞が同時に取得され、直交する２方向から観察した反応場４の三次元屈折率分布が測定される。該反応場４が加工レーザ光の光軸に対して軸対称であれば、この実施例２（図４及び図５）の構成にて得られる２つの三次元屈折率分布はほぼ同じとなるが、加工レーザ光における空間強度分布の非軸対称性等の影響により反応場４が軸対称でない場合は、上記２つの三次元屈折率分布は異なる結果となる。この２つの三次元屈折率分布が異なる場合は、偏心を除去するように加工レーザ光用の光学系を調整したり、加工レーザ光源から出射される光の空間分布を空間フィルターで整えたりして、この２つの三次元屈折率分布が同様の値となるように、加工レーザ光の軸対称性を改善すればよい。また、この２つの三次元屈折率分布について、反応場の略同じ位置に相当する画素での測定値の平均をとることにより、三次元屈折率分布の非軸対称性による測定値の相違を低減することができる。

図４においては、直交する２方向から計測レーザ光を照射したが、両者は直交していなくてもよいし、２つ以上の方向から計測レーザ光を照射して２つ以上の三次元屈折率分布を求めてもよい。この計測レーザ光の数を増やすほど正確な三次元屈折率分布の測定値が得られる。

次に、本発明の実施例３（請求項５,６に対応）について、図２及び図６を参照しながら説明する。図６はイメージローテーションプリズムとその作用を示すものである。
この実施例３は、前記実施例１（図２参照）の装置においてイメージローテーションプリズム４６を利用することにより、反応場の三次元屈折率分布を複数の方向から測定し得るものである。
イメージローテーションプリズム４６を加工レーザ光用光学系の光路内、例えば前記実施例１の構成におけるレンズ８とミラー１０の間、に設置する。このイメージローテーションプリズム４６は、光軸４７の回りに回転させるとプリズムを通過した像を該光軸回りに回転させることができるため、加工レーザ光用光学系の光路内に該プリズムを設置して、それを光軸回りに回転させると、加工レーザ光の光軸と直交する面内での空間強度分布をその光軸回りに回転させることができる。そのために、該イメージローテーションプリズム４６を所定角度ずつ回転させ、その度に三次元屈折率分布の測定を行えば、前記実施例２（図４参照）の構成において、被加工面と略平行な方向で２つ以上の方向から計測レーザ光を反応場に照射して測定を行うのと同等の効果を得ることができる。

前記実施例２及び実施例３（図４〜図６参照）の装置では、得られた位相分布の比較により三次元屈折率分布の軸対称性をチェックしたり、また、得られた位相分布を平均化することによって、三次元屈折率分布の非軸対称性により生じる測定値の誤差を低減したが、反応場に照射する計測レーザ光の方向ごとに、二次元位相差分布を測定しておき、これらにＸ線ＣＴなどで用いられるＣＴアルゴリズムを適用することによって、一連の二次元位相差分布から反応場の三次元屈折率分布を直接的に求めることができる。

次に、前記実施例１〜実施例３（図２〜図６参照）において収録した干渉縞から、物体光の二次元的な位相差分布を求める方法について説明する。
参照光用のミラーを微小量傾けて生成した干渉縞の強度分布は下の(１)式にて表される。

Ｉ(ｘ,ｙ)は干渉縞強度分布、ａ(ｘ,ｙ)は干渉縞のバックグラウンド強度分布、ｂ(ｘ,ｙ)は干渉縞の振幅分布、ｆ_Ｘ０は画像のｘ方向における干渉縞の空間キャリヤ周波数、ｆ_Ｙ０は画像のｙ方向における干渉縞の空間キャリヤ周波数、φ(ｘ,ｙ)は物体光に対応した干渉縞の位相分布である。

干渉縞を収録し、フーリエ変換法により得られる干渉縞の複素振幅分布の実部Ｒｅ｛ｃ(ｘ,ｙ)｝と虚部Ｉｍ｛ｃ(ｘ,ｙ)｝を用いて、また(２)式、(３)式を用いて二次元位相差分布と振幅分布を求める。

振幅値の二乗にて強度が得られる。(２)式、(３)式を計算することにより被加工物表面近傍における三次元屈折率分布と二次元強度分布を同じ位置（同じＣＣＤ画素）で同時に取得することができる。

本発明の実施例４について、図２に示された実施例１の構成に基づいて説明する。
この実施例４は、前記実施例１における加工レーザ光の光路中にメカニカルシャッターを設置することにより、出力が安定した加工レーザ光の照射によって生じる反応場の干渉縞画像を取得するものである。
メカニカルシャッターを、加工レーザ用光学系の光路内、例えば図２におけるＮＤフィルタ６とレンズ７の間、に設置する。該メカニカルシャッターは、シャッタードライバに外部トリガー信号を供給することにより開閉制御が可能である。測定の際は、メカニカルシャッターが閉じた状態で加工用レーザ５を繰返し発光させて出力を安定させる。出力が十分安定したらパーソナルコンピュータ２７に測定開始のコマンドを入力し、パルス発生器２８からＣＣＤカメラドライバ２５に画像取り込みトリガー信号を供給して、ＣＣＤカメラドライバ２５へのトリガー信号から所定時間、例えば１０ｍｓ、後にパルス発生器２８からフレームグラバー２６に画像取りこみ信号を供給し、同時にパルス発生器２８からメカニカルシャッタードライバにシャッターを開く信号を供給する。

シャッターが開いている時間は、加工用レーザ光源５の繰返し周期より短く設定しておき、単一パルス光のみが被加工物３に照射されるようにしておく。その後、ＣＣＤカメラドライバ２５へのトリガー信号から所定時間、例えば３０ｍｓ、後に加工用ＹＡＧレーザドライバ２９にパルス発生器２８から発光トリガー信号を供給し、この加工用ＹＡＧレーザドライバへのトリガー信号からナノ秒オーダの遅延、例えば５０ｎｓ、後に計測用半導体レーザ励起ＹＡＧレーザドライバ３０にパルス発生器から発光トリガー信号を供給する。これにより、出力を安定させたうえで加工レーザ光の照射から５０ｎｓ後において、被加工物表面近傍での反応場により変調を受けた物体光による干渉縞画像を取得することができる。

本発明の実施例５（請求項１,３,７,８に対応）について、図２及び図７を参照しながら説明する。図７は、前記実施例１（図２参照）における加工点近傍の様子を示したものである。
この実施例５は、前記実施例１の装置において、被加工物の表面形態情報を取得することができるものであり、図７によれば、ミラー１０により折り返され（反射され）対物レンズ２により集光された加工レーザ光が、被加工物３に入射している様子が示されている。このミラー１０を誘電体多層膜ミラーとすれば微量の光は透過するため、該ミラー１０の上方に図に示すように結像レンズ４８とＣＣＤカメラ４９を設置しておけば、被加工物３の加工点の様子をＣＣＤ画像にてモニターすることができる。被加工物３からの反射光が弱い場合は、上方からハロゲンランプ等別の光源から落射照明すれば、上記誘電体多層膜ミラー１０は波長選択性があり、加工用レーザ光の波長以外の光は透過効率が高いため、加工点の像の明るさを向上させることもできる。これにより、前記実施例１の装置で得られる情報に加えて、加工途中における被加工物の表面形態情報を取得することができる。

本発明の実施例６（請求項２〜４に対応）について、図８を参照しながら説明する。図８は、被加工物表面の三次元形状を測定するための構成を示す。
図８に示された構成において、図２の示された前記実施例１ものと同じ部品には同じ符号を付けており、これらは前記実施例１のものと同様に作用するものである。加工用のＹＡＧレーザ光源５からの光は、ＮＤフィルタ６を透過してレンズ７にて集光された後、広げられ、レンズ８にてコリメートされる。ピンホール９は空間フィルタとして作用する。コリメートされた光はミラー１０にて折り返され（反射され）、対物レンズ２により集光されて被加工物３に照射される。この被加工物３の加工点近傍では、反応場４ｂが生じるとともに形態変化４ａが生じる。
１１は計測用の半導体レーザ励起ＹＡＧレーザで、この半導体レーザ励起ＹＡＧレーザ１１からの光は、ＮＤフィルタ１２を通過してレンズ１３にて集光されたのち広げられ、レンズ１４にてコリメートされる。１５は空間フィルタとして作用するピンホールである。レンズ１４にてコリメートされた光はビームスプリッタ５０にて分岐され、該ビームスプリッタ５０にて反射された光は被加工物面に照射されて、該被加工物３で反射された光は往きの光路を逆行してビームスプリッタ５０を透過してミラー５２で折り返される。一方、往きの光路でビームスプリッタ５０を透過した光はミラー５１で反射され、該ビームスプリッタ５０にて反射されてミラー５２で折り返される。上記被加工物３で反射された光は物体光となり、ミラー５１で反射された光は参照光となる。

物体光路長と参照光路長を半導体レーザ励起ＹＡＧレーザ１１のコヒーレンス長以下に設定しておき、上記物体光と参照光の光軸をほぼ一致させれば両者は干渉して干渉縞を発生する。この干渉縞はレンズ２０、ミラー２１、レンズ２２及びレンズ２３を介してＣＣＤカメラ２４の撮像面上で結像する。このＣＣＤカメラ２４にて撮像された干渉縞画像は、ＣＣＤドライバ２５、フレームグラバ２６を介してパーソナルコンピュータ２７のメモリに転送され、干渉縞画像として処理される。収録した干渉縞画像からレーザ加工途中における被加工面形状と二次元強度分布が同時に測定される。干渉縞画像の収録方法、物体光の強度情報、位相情報の計算方法は、前記実施例１（図２参照）のものと同様であるが、位相情報から加工面形状を求める場合は、物体光は被加工面で反射されて位相差が倍になっているため、物体光の位相情報を半分にしてから長さの単位に変換して形状を求める。

本発明の実施例７（請求項１０に対応）について、図９を参照しながら説明する。図９は、加工用レーザ光源と計測用レーザ光源を共通化した構成例を示す。
この実施例７は、加工用レーザ光源と計測用レーザ光源を共通化して、計測レーザ光の加工レーザ光に対する遅延を光学的に与えるものである。図９に示されているように、加工用のＹＡＧレーザ光源５からの光の一部をビームサンプラー５３にて取り出す。取り出された光はＮＤフィルター５４を透過し、ハーフミラー５５を透過してミラー５６にて折り返され（反射され）、さらにミラー５７、ミラー５６及びハーフミラー５５によって反射され計測レーザ光となる。計測用光学系の構成及び作用は、前記実施例１（図２参照）のものと同様である。該ハーフミラー５５を透過した光に作用するミラー５６とミラー５７にて構成された光学系は、加工レーザ光に対する計測レーザ光の光学遅延を与える遅延光学系であり、その光路長分だけ光学遅延が加えられ、それに応じた時間遅延が加工レーザ光と計測レーザ光との間に生じる。上記ミラー５７を略光軸方向に可動にすれば遅延量が可変となる。

このミラー５７の代わりにコーナーキューブやリトロリフレクタを用いれば、反射光線の方向が入射光線に対して正確に反転するため扱い易い。例えば、ビームサンプラー５３とＮＤフィルタ６との間と、ハーフミラー５５とＮＤフィルタ１２との間にそれぞれハーフミラーを設置し、加工用レーザ光と計測レーザ光をそれぞれ取り出せるようにして、取り出した光を高速フォトダーオード等の受光素子で検出して出力のタイミングをモニターすれば、遅延量を正確に把握できる。図９に示されているような構成にて、加工レーザ光源と計測レーザ光源を共通にすることができ、２台のレーザ光源を用いないため装置にかかるコストを低減することができる。

本発明の実施例８（請求項１２に対応）について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、加工用レーザ光源と計測用レーザ光源を共通化した構成例を示す。
この実施例８は、加工用レーザ光源と計測用レーザ光源を共通化して、計測レーザ光の加工レーザ光に対する遅延を光学的に与える点において、前記実施例７と共通するものである。図１０に示されているように、光路切替ミラー５８はハーフミラー５５からミラー５６までの光路内に着脱可能なミラーであり（ハーフミラーではない）、この光路切替ミラー５８が設置されたとき、ビームサンプラー５３にて取り出された光はミラー５８にて折り返され（反射され）、カップリングレンズ５９により光ファイバ６０に導光される。この光ファイバ６０に導光された光はカップリングレンズ６１によりコリメートされて取り出され、上記ハーフミラー５５からミラー５６までの光路内に設置された着脱可能な光路切替ミラー６２（ハーフミラーではない）により折り返されて、該ハーフミラー５５にて反射されて計測レーザ光となる。上記両光路切替ミラー５８、６２が光路内に設置されないときは、上記ビームサンプラー５３にて取り出された光は、前記実施例７（図９参照）のものと同様に振舞って、計測レーザ光となる。上記光ファイバ６０は、束ねることによって光ファイバの設置面積に対して大きな光路長が得られる。

図１０に示されている構成において、加工レーザ光に対する計測レーザ光の遅延量を大きくとりたいとき、例えば１μｓの時間遅延をとりたいときは、加工レーザ光に対する計測レーザ光の光路長差は約３０ｍになるため、光路内に両光路切替ミラー５８、６２をそれぞれ設置し、長さ約３０ｍの光ファイバを通過させた光を計測レーザ光として用いればよい。加工レーザ光に対する計測レーザ光の遅延量を小さくとりたいとき、例えば５ｎｓの時間遅延をとりたいときは、光路から上記両光路切替ミラー５８、６２を外し、ミラー５６とミラー５７にて構成される遅延光学系の光路長を約１.５ｍになるようにしておいて、そこを通過させた光を計測レーザ光として用いればよい。ＦＣコネクターのような標準規格の接続部品を介することにより、光ファイバのカップリングレンズへの取り付けを容易にしておいて、光ファイバ６０を交換し易くすると、様々な長さの光ファイバを装置にセットすることができ、遅延量設定のバリエーションを上げることができる。

本発明の実施例９（請求項１３に対応）について、図１１を参照しながら説明する。図１１は、加工用レーザ光源と計測用レーザ光源を共通化した構成例を示す。
この実施例９は、加工用レーザ光源と計測用レーザ光源を共通化して、計測レーザ光の加工レーザ光に対する遅延を光学的に与える点において、前記実施例７や実施例８と共通するものである。図１１に示されているように、ビームサンプラー５３にて取り出された光はミラー６３で折り返され（反射され）、カップリングレンズ６４を介して光ファイバ６５に導光される。この光ファイバ６５を通過した光は、カップリングレンズ６６にてコリメートされミラー６７にて折り返され、ミラー５６にて反射される。該ミラー５６にて反射された光は、光学系光軸方向に進退可能なステージ（図示しない）に搭載されたリトロリフレクタ６８により往きの方向の逆方向に折り返され、上記ミラー５６にて反射され、さらにハーフミラー５５で反射されて計測レーザ光となる。上記リトロリフレクタ６８を搭載したステージを移動することにより、該リトロリフレクタ６８の位置を図の矢印方向に変化させることによって、遅延量を変えることができる。

例えば、光ファイバ６５の長さを３ｍ刻みで１０本（３ｍ、６ｍ、９ｍ、１２ｍ、１５ｍ、１８ｍ、２１ｍ、２４ｍ、２７ｍ、３０ｍ）用意しておけば、この光ファイバ６５により最大３０ｍの光学遅延、時間にすると１μｓまでの時間遅延を、加工レーザ光と計測レーザ光との間に与えられる。その場合、光ファイバ６５の交換による時間遅延の分解能は１００ｎｓ（光ファイバ長さ３ｍで与えられる時間遅延量）になり、該光ファイバ６５の交換だけでは１００ｎｓ以下の時間分解能は与えられない。そこで、リトロリフレクタ６８で反射される遅延光学系の光路長を最大３ｍとしておく。そうすると、３ｍ以下の光学遅延、すなわち１００ｎｓ以下の光学遅延はリトロリフレクタ６８の光軸方向への移動にて与えることができる。その場合の遅延の分解能はステージの位置決め分解能で決まり、位置決め分解能をμｍオーダにしておけば、十分高い遅延分解能となる。遅延光学系に、光ファイバを用いるものと反射素子を用いるものとを併用し、光ファイバの長さの最小単位以下の光学遅延を、反射素子を用いた遅延光学系で提供可能にすることにより、加工レーザ光と計測レーザ光との間の遅延を、高い時間分解能をもって広い範囲で調整することができる。

本発明の実施例１０（請求項１４に対応）について、図１２を参照しながら説明する。図１２は、加工用レーザ光源と計測用レーザ光源を用いた場合の構成例を示す。
この実施例１０は、加工用レーザ光源と計測用レーザ光源をそれぞれ用いる場合において、計測レーザ光の加工レーザ光に対する遅延を高い時間分解能で与えるものである。
図１２に示されているように、ミラー６８は計測用の光源１１からの光を折り返して（反射して）取り出すためのものであり、このミラー６８にて取り出された光はミラー６９で折り返され、リトロリフレクタ７０で反射されて、ミラー７１とミラー７２を介した後、被加工物３に光を照射する計測レーザ光となる。上記リトロリフレクタ７０を図の矢印方向に移動させることにより、計測レーザ光の光路が伸びるため、光路長３０ｃｍ当たり１ｎｓの時間遅延を与えることができる。パルス発生器２８による時間遅延の分解能以下での調整を光学的な方法で補間することで、高い時間分解能をもって広いレンジの時間遅延を与えることができる。

加工レーザ光と計測レーザ光について別々の光源を用いて、両レーザ光の被加工物への照射のタイミングを調整する場合には、測定に際して、加工レーザ光と計測レーザ光との間の照射タイミングの時間差はナノ秒オーダが要求される。パルス発生器等の電気的方法によりそのような時間差を与えようとすると、高速で高価なパルス発生器が必要となり、装置のコストが高くなる。この実施例では、ナノ秒オーダの照射タイミングについては光路長の伸縮により調整することができるので、装置の製作コストを低減することが可能である。

本発明の実施例１１（請求項１１に対応）について、図２及び図９を参照しながら説明する。
この実施例１１は、前記実施例１又は実施例７等において、偏光素子を設けて計測レーザ光が加工レーザ光の影響を受けないようにすることにより、詳細で正確な情報を収集し得るものである。
前記実施例１（図２参照）に適用する場合は、例えばＮＤフィルタ６とレンズ７の間と、ＮＤフィルタ１２とレンズ１３との間に、それぞれ偏光プリズムや偏光板等の偏光方向を選択する素子や１／２波長板等の偏光方向を回転させる素子を設置して、両レーザ光源５,１１からの光の偏光方向を異なる方向としておく。そして、例えばレンズ２２とレンズ２３の間に、計測レーザ光の偏光方向に略一致した光を透過させるように透過偏光方向を設定した偏光プリズムや偏光板等の偏光素子を設置する。これにより、加工レーザ光の散乱光を低減して計測レーザ光を選択して抽出することができる。前記実施例７（図９参照）に適用する場合でも同様であるが、ビームサンプラー５３に偏光ビームスプリッタを用いて加工レーザ光と計測レーザ光の偏光方向を直交分離してもよい。

本発明の実施例１２（請求項２〜４に対応）について、図１３を参照しながら説明する。図１３は、反応場の三次元屈折率分布と被加工物表面の三次元形状を同時に測定するための構成例を示す。
この実施例１２は、被加工物の加工点近傍と加工レーザ光による反応場のそれぞれに計測レーザ光を照射することにより、被加工物表面の三次元形状と反応場の三次元屈折率分布とを同時に測定し得るものである。
図１３に示されているように、加工用の光学系とその作用は実施例６（図８参照）のものと同様である。また、計測用の半導体レーザ励起ＹＡＧレーザ７３からの光はビームスプリッタ７４にて分岐され、このビームスプリッタ７４を透過した光はＮＤフィルタ７５を透過し、レンズ７６にて集光されたのち広げられ、レンズ７７でコリメートされる。７８は空間フィルタとして作用するピンホールである。

このレンズ７７でコリメートされた光はビームスプリッタ７９で分岐され、このビームスプリッタ７９で反射された光は被加工物３の加工点近傍に照射される。この被加工物３で反射された物体光Ａは往きの光路を逆行し、上記ビームスプリッタ７９を透過してミラー８１にて折り返される。往きの光路で上記ビームスプリッタ７９を透過した光は参照光Ａとして作用し、ミラー８０で反射され上記ビームスプリッタ７９で反射されて、ミラー８１で折り返される。物体光路長と参照光路長が光源のコヒーレンス長以下であれば、物体光Ａと参照光Ａは干渉して干渉縞を発生し、レンズ８２、ミラー８３、レンズ８４及びレンズ８５を介して、ＣＣＤカメラ８６の撮像面上で結像する。このＣＣＤカメラ８６にて撮像された干渉縞画像は、ＣＣＤドライバ８７とフレームグラバ８８を介してパーソナルコンピュータ８９のメモリに転送され、画像データとして処理される。物体光Ａによる干渉縞は、被加工物３のレーザ加工途中における三次元形状測定に用いられる。

一方、上記ビームスプリッタ７４で反射された光はミラー９０にて折り返され、ＮＤフィルタ９１を透過してレンズ９２にて集光されたのち広げられ、レンズ９３にてコリメートされる。９４は空間フィルタとして作用するピンホールである。上記レンズ９３にてコリメートされた光はビームスプリッタ９５で分岐され、このビームスプリッタ９５を透過した光は加工レーザ光による反応場４を通過して物体光Ｂとして作用し、ミラー９６にて折り返され、ハーフミラー９７で反射される。また、上記ビームスプリッタ９５で反射された光は参照光Ｂとして作用し、ミラー９８にて折り返され上記ハーフミラー９７を透過する。物体光路長と参照光路長が光源のコヒーレンス長以下であれば、上記物体光Ｂと参照光Ｂは干渉して干渉縞を発生し、レンズ９９、ミラー１００、レンズ１０１及びレンズ１０２を介してＣＣＤカメラ１０３の撮像面上で結像する。このＣＣＤカメラ１０３にて撮像された干渉縞画像は、ＣＣＤドライバ１０４とフレームグラバ８８を介してパーソナルコンピュータ８９のメモリに転送され、画像データとして処理される。物体光Ｂによる干渉縞は、レーザ加工途中における反応場の三次元屈折率分布測定に用いられる。１０５はパルス発生器であり、１０６及び１０７はそれぞれ加工用ＹＡＧレーザ５のドライバ、及び計測用半導体レーザ励起ＹＡＧレーザ７３のドライバである。上記物体光Ａ、物体光Ｂそれぞれによる干渉縞の収録方法、干渉縞から三次元形状、及び三次元屈折率分布を計算する方法は、前記実施例１（図２参照）において説明されたものと同様である。

以上のような各実施例として説明した装置は、生産現場におけるレーザ加工工程で活用することができる。その場合、レーザ加工途中でその場計測される三次元屈折率分布などのデータと、穴の直径や深さなどの被加工物の加工品質との相関を表すデータをあらかじめ取得しておいて、データベースとして装置に記憶しておく。そして、レーザ加工工程でその場計測したデータをそのようなデータベースと比較することによって、被加工物の加工品質を保証するよう合否判定を行ったり、加工レーザの照射強度などの加工条件を調整したりすることができる。

は、レーザ加工における反応場の様子を模式的に説明する図である。 は、本発明の実施例１を模式的に示す図であり、反応場の三次元屈折率分布を測定するための構成例を説明している。 は、反応場の三次元屈折率分布測定において収録する干渉縞の様子を模式的に説明する図である。 は、実施例２を模式的に示す図であり、加工レーザ光の光軸と垂直な面内で反応場に直交する２方向から計測レーザ光を照射して、それぞれの方向から三次元屈折率分布を求めるための構成例を説明している。 は、図４の装置における加工点近傍の加工レーザ光と計測レーザ光との関係を説明する図である。 は、実施例３におけるイメージローテーションプリズムと、その作用を説明するための図である。 は、実施例５を模式的に示す図であり、反応場の三次元屈折率分布測定において、加工点の形態を観察するための構成を説明するための図である。 は、実施例６を模式的に示す図であり、レーザ加工途中における被加工物表面の三次元形状を測定するための構成を説明する図である。 は、実施例７を模式的に示す図であり、加工用レーザ光源と計測用レーザ光源を共通化した場合の構成例を説明する図である。 は、実施例８を模式的に示す図であり、加工用レーザ光源と計測用レーザ光源を共通化した場合の加工レーザ光に対する計測レーザ光の時間遅延を提供するための構成を説明する図である。 は、実施例９を模式的に示す図であり、１台のレーザ光源を用いた場合に、加工レーザ光に対する計測レーザ光の時間遅延を、高い時間分解能で広いレンジで提供するための構成を説明する図である。 は、実施例１０を模式的に示す図であり、２台のレーザ光源を用いた場合に、加工レーザ光に対する計測レーザ光の時間遅延を、高い時間分解能で広いレンジで提供するための構成を説明する図である。 は、実施例１２を模式的に示す図であり、レーザ加工途中における反応場の三次元屈折率分布と被加工物表面の三次元形状を同時に測定するための構成例を説明するための図である。

符号の説明

１‥‥加工レーザ光 ３‥‥被加工物（表面）
４‥‥反応場 ４ａ‥‥変化領域
４ｂ‥‥反応場（の広がり） ５‥‥加工レーザ光源
１０,１７,１９,２１‥‥ミラー １１,７３‥‥計測レーザ光源
１６,３３,３５‥‥ビームスプリッター
１８,３８‥‥ハーフミラー ２４,４３,４９‥‥ＣＣＤカメラ(撮像手段)
２６,４５,８８‥‥フレームグラバ
２７,８９‥‥コンピュータ
２８,１０５‥‥パルス発生器（タイミング調整手段）
３４,３６,３７,５１,５２,５６,５７,６３,６７,６８,６９‥‥ミラー
４６‥‥イメージローテーションプリズム（回転手段）
５０,７４,７９,９５‥‥ビームスプリッター
５３‥‥ビームサンプラー
５５,９７‥‥ハーフミラー ５８,６２‥‥光路切替ミラー
５９,６１,６４,６６‥‥カップリングレンズ
６０,６５‥‥光ファイバ
６８,７０‥‥リトロリフレクタ
７１,７２,８０,８１,８３,９０,９６,９８‥‥ミラー
８６,１０３‥‥ＣＣＤカメラ（撮像手段）

Claims (18)

1. 加工レーザ光を被加工物表面に照射して加工を行うレーザ加工装置において、
   該加工レーザ光を被加工物表面に照射したときの、該被加工物表面の加工点近傍の反応場における三次元情報、又は三次元情報と二次元情報を取得する反応場情報取得手段を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 上記被加工物表面の三次元情報と二次元情報を取得する加工物表面情報取得手段を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 上記反応場情報取得手段により取得された上記三次元情報は、上記反応場の三次元屈折率分布情報であり、上記二次元情報は上記反応場の二次元強度分布情報であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 上記加工物表面情報取得手段により取得された上記三次元情報は、被加工面の三次元形状情報であり、上記二次元情報は被加工面の加工点の二次元強度分布情報であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 上記反応場情報取得手段と上記加工レーザ光とを、該加工レーザ光の光軸周りに相対的に回転させるための回転手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
6. 上記回転手段は、上記加工レーザ光の光軸と直交する平面内で、該加工レーザ光の強度分布を該光軸周りに回転させることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 上記反応場情報取得手段は、計測レーザ光による干渉を利用したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
8. 上記反応場情報取得手段は上記計測レーザ光を分割し、一方を上記被加工物表面と略平行な方向から上記反応場に照射して物体光とし、他方を参照光として、該物体光と参照光をそれぞれ干渉させる干渉手段を有することを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. 上記反応場情報取得手段は上記計測レーザ光を複数の群に分割し、この各群の計測レーザ光を更に分割し、これらの一方を上記被加工物表面と略平行で異なる方向から上記反応場に照射して上記各群の物体光とし、他方を上記各群の参照光として、上記各群の物体光と参照光とをそれぞれ干渉させる干渉手段を有することを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工装置。
10. 上記反応場情報取得手段は、上記加工レーザ光を分割して計測レーザ光とする分割手段と、該計測レーザ光を加工レーザ光に対して遅延させる遅延手段を有することを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれかに記載のレーザ加工装置。
11. 上記反応場情報取得手段は、上記計測レーザ光と上記加工レーザ光の偏光方向を異なる方向とする偏光方向設定手段を有することを特徴とする請求項７〜請求項１０のいずれかに記載のレーザ加工装置。
12. 上記遅延手段は、大幅遅延手段と小幅遅延手段を有し、該大幅遅延手段と小幅遅延手段を切り替える切り替え手段を有することを特徴とする請求項１０に記載のレーザ加工装置。
13. 上記遅延手段は、大幅遅延手段と小幅遅延手段を有し、該大幅遅延手段と小幅遅延手段を併用することを特徴とする請求項１０に記載のレーザ加工装置。
14. 上記遅延手段は、上記計測レーザ光に光学的な遅延を与える光学的遅延手段と、電気的方法で上記計測レーザ光の照射タイミングと上記加工レーザ光の照射タイミングを調整するタイミング調整手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載のレーザ加工装置。
15. 加工レーザ光を被加工物表面に照射して加工を行うレーザ加工装置において、
    上記被加工物表面における加工点近傍に、計測レーザ光を該被加工物表面と略平行な方向から照射する計測用照射光学系と、
    上記加工レーザ光と計測レーザ光との照射タイミングを調整するタイミング調整手段と、
    上記加工レーザ光による被加工物表面近傍の屈折率分布の変化により変調を受けた計測レーザ光と参照光との干渉縞を発生させるための干渉光学系と、
    上記干渉光学系による干渉縞画像を撮像するための撮像手段と、
    上記干渉縞を撮像面の位置で結像させるための結像手段と、
    上記干渉縞の位相から加工途中における被加工物表面近傍の三次元屈折率分布を計算するための計算器と、
    から成るレーザ加工におけるその場計測装置を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
16. 上記計測用照射光学系が、被加工物表面と略平行な面内で２つ以上の異なる方向から計測レーザ光を上記加工点近傍に照射する光学系であり、
    上記干渉光学系が、２つ以上の異なる方向から照射した各計測レーザ光と参照光とをそれぞれ干渉させる光学系であり、
    上記撮像手段が各計測レーザ光による干渉縞を撮像する手段であり、
    上記結像手段が各干渉縞を各撮像面の位置で結像させる手段であり、
    上記計算器が各干渉縞の位相をもとに２つ以上の異なる方向から観測した被加工物表面近傍の三次元屈折率分布を求めるための計算器である、
    ことを特徴とする請求項１５に記載のレーザ加工装置。
17. 加工レーザ光を被加工物表面に照射して行うレーザ加工におけるその場計測装置であって、
    上記被加工物表面における加工点近傍に、計測レーザ光を該被加工物表面と略平行な方向から照射する計測用照射光学系と、
    上記加工レーザ光に対する計測レーザ光の照射タイミングを調整するタイミング調整手段と、
    上記加工レーザ光による被加工物表面近傍の屈折率分布の変化により変調を受けた計測レーザ光と参照光との干渉縞を発生させるための干渉光学系と、
    上記干渉光学系による干渉縞画像を撮像するための撮像手段と、
    上記干渉縞を撮像面の位置に結像させるための結像手段と、
    上記干渉縞の位相から加工途中における上記被加工物表面近傍の三次元屈折率分布を計算するための計算器と、
    から成ることを特徴とするレーザ加工におけるその場計測装置。
18. 加工レーザ光を被加工物表面に照射して行うレーザ加工におけるその場計測方法であって、
    上記被加工物表面における加工点近傍に、計測レーザ光を該被加工物表面と略平行な方向から照射し、
    上記加工レーザ光に対する計測レーザ光の照射タイミングを調整し、
    上記加工レーザ光による被加工物表面近傍の屈折率分布の変化により変調を受けた計測レーザ光と参照光との干渉縞を発生させ、
    上記干渉縞を撮像面上に結像させて干渉縞画像を撮像し、
    上記撮像された干渉縞の位相から加工途中における上記被加工物表面近傍の三次元屈折率分布を計算する、
    ことを特徴とするレーザ加工におけるその場計測方法。

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