JP2006015373A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い品質保証精度で生産効率を向上させるべき、その場計測を備えもつレーザ加工装置を得る。
【解決手段】 計測用照射光学系により、加工レーザ光１の被加工物３への照射点近傍に、計測レーザ光を被加工物３の表面と略平行な方向から照射する。本照射は遅延提供され、加工レーザ光１に対して計測レーザ光に遅延を与える。また干渉光学系により、加工レーザ光１による被加工物３の表面近傍の反応場の形態変化４ａ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。さらに、撮像装置により干渉光学系による干渉縞画像を撮像し、計算器により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反応場４ｂのデータを計算する。この手順に基き、レーザ加工装置により取得される反応場データと被加工物の加工品質データとの相関関係をあらかじめ取得して記憶したデータベースと、加工工程中でその場計測した反応場データとを比較する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、生産技術分野、光応用計測技術分野、レーザ加工技術分野への適用が見込まれ、より具体的には、レーザ加工の性能評価分野、レーザ加工における原子・分子挙動のシミュレーション分野、レーザ加工による部品の検査、生産分野への適用が期待されるレーザ加工装置に関する。

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。このため、金属や合成樹脂等の穿孔、切断、切削といった材料加工や、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。

レーザ加工反応場のその場計測装置として、非特許文献１では、加工レーザ光照射で興される、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。

また特許文献１では、エキシマレーザ加工に使用される装置に関し、被加工物近傍にCCDカメラを設置することにより集光レーザの位置や結像状況を測定し、かつ加工面観察を同時に行っている（参照；特許文献１）。
特開平５−２２８６７１号公報 R.Srinivasan「Ablation of polymethyl methacrylate films by pulsed(ns) ultraviolet and infrared(9.17μm)lasers:A comparative study by ultrafast imaging」,J.Appl.Phys.73(6),15,March(1993),P2743-2750

しかしながら、上記の装置・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で興される反応場は、加工途中に三次元的な変化をみせる。このため、二次元的な測定では、詳細で正確な情報は収集しきれなかった。

特許文献１の「エキシマレーザ加工機」では、被加工物近傍にCCDカメラを設置することにより、集光レーザの位置や結像状況を測定し、かつ加工面観察を同時に行っている。しかし、上記の装置と同様、二次元強度情報を取得するため、三次元的な変化をみせる被加工物の情報を詳細に収集することは、できなかった。

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。しかし、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。このため、加工途中における被加工物の形態や加工レーザ光照射でおこされる反応場のその場計測への要望がある。

請求項１記載の発明は、高い品質保証精度で生産効率を向上させるべきレーザ加工の生産現場でのその場計測を備えもつレーザ加工装置を提供することを目的とする。また生産現場における被加工物の検査工程や加工条件の調整作業を省いて生産効率を向上させることを主な目的として、被測定反応場を、三次元的な屈折率分布としたり、二次元的な屈折率分布としたり、二次元的な強度情報としてもよい。請求項１記載のレーザ加工装置において、反応場を構成する諸要素は光に対する屈折率に作用するため、反応場の三次元的な屈折率分布を測定し特徴量を抽出することにより、反応場の特性を把握することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、被加工物の品質を合否判定することにより、簡便な品質保証手段を提供することを目的とする。

請求項３記載の発明の加工装置では、経時変化などによりレーザ照射強度やレーザ光の集光状態などの加工条件が変わって、加工精度が劣化するときがある。その場合、合否判定のみでは部品生産の歩留まりが悪化し、生産コストが上がる。装置における加工条件を再調整しようとすると、条件を変更しながら加工した部品を繰返し測定・評価する必要があり、時間がかかって生産性が低下する。本発明では、前記品質保証手段を、加工終了後にその場計測した反応場データと被加工物の品質仕様との比較によって、レーザ加工の加工条件を調整する加工条件調整手段により構成する。このことにより、加工条件が変化した場合でも、その場で加工条件を調整することができる。本発明は、高い品質保証精度で生産効率を向上させることを目的とする。

従来反応場は、加工レーザを被加工物に照射した後、計測レーザを照射するタイミングによって大きく変化し、また加工レーザや計測レーザは発光にばらつきがある場合がある。このため、レーザ加工途中に反応場データをその場計測するとき、常に一定のタイミングで計測が行われるとは限らない。そこで、請求項４の発明では、請求項３記載のレーザ加工装置における加工条件の調整を自動化することにより、加工条件の修正時間を短縮し、レーザ加工による生産性を向上させることを目的とする。

請求項５記載の発明では、前記データベースにおいて、あらかじめ取得しておく前記三次元反応場データと前記か高品質データを、前記加工レーザ光に対して複数の遅延時間で取得しておき、その場計測を実施したときの遅延時間に最も近いときのデータと比較する。それにより、加工レーザと計測レーザの照射タイミングずれに起因するデータベースと、その場計測時との三次元反応場データのずれを除去する。それにより、装置による品質保証精度を向上させることを目的とする。

請求項６記載のレーザ加工装置では、被加工物への加工レーザ照射に対する計測レーザ照射の時間遅延ごとで前記三次元反応場データと前記加工品質データを取得する。そのとき取得する数が多いと、生産工程でその場計測データとデータベースとを比較するとき時間がかかり、また取得する数が少ないとデータベースにおける反応場とその場計測した反応場との間に、時間遅延に起因するずれが生じる。そこで、請求項６記載の発明は、前記遅延時間ごとで取得する前記三次元反応場データと前記加工品質データの取得数を、前記加工レーザと計測レーザそれぞれの繰り返し発光のタイミングばらつき（ジッタ）の和を、前記計測レーザのパルス幅で除したときの商の値とすることにより、取得数を適正化する。処理時間と加工品質の保証精度を、適正にすることを目的とする。

請求項７記載の発明は、反応場の三次元的な屈折率分布から反応場特性を把握することによって、請求項１記載のレーザ加工装置を実現することを目的とする。

従来、加工レーザは結晶などの固体を光により励起してレーザ発振させるものが多いが、その場合、経時変化により励起光の入射角度が変化したり発光効率が変化したりして被加工物への照射強度が変わるときがある。例えば、被加工物に加工レーザを対物レンズにより集光照射して、被加工物表面に穴を形成するような場合、対物レンズの焦点深度内に被加工物の表面があるとき照射強度が変化すると穴の深さが変化する。そして、穴の深さが変化すると被加工物の仕様を満たさなくなるという不具合につながる。そこで、請求項８記載の発明では、加工条件を加工レーザの照射強度とし、例えば、上記のような穴の深さの品質低下を、照射強度の調整により除去することを、目的とする。

例えば、被加工物に加工レーザを対物レンズにより集光照射して、被加工物表面に穴を形成するような場合、被加工物に加工レーザを集光照射するための対物レンズの光軸方向位置が、経時変化によりわずかにずれるときがある。その場合、被加工物上での加工レーザの集光スポット径が変化するため、加工される穴の直径が変化する。そして、穴の直径が変化すると被加工物の仕様を満たさなくなるという不具合につながる。そこで、請求項９記載の発明では、加工条件を、加工レーザを被加工物に集光照射するときの集光点と被加工物との相対的な位置関係とし、例えば、上記のような穴の直径の品質低下を、前記相対的な位置関係の調整により除去することを目的とする。

加工レーザでは、共振器を構成する対向ミラー間の距離等の調整により、パルス光におけるパルス幅を微小に変化させることができる。例えば、被加工物に加工レーザを照射して、被加工物表面に穴を形成するような場合、パルス幅が変化すると穴の深さや穴形状が変化する。そこで、請求項１０の発明では、加工条件を加工レーザのパルス幅とし、例えば、穴の深さや形状の品質を、共振器を構成する対向ミラー間の距離等によるパルス幅の調整により保証することを目的とする。

請求項１記載のレーザ加工装置において、前記データベース用のデータを取得するとき、装置により三次元反応場計測を行い、同じ加工品を別の計測装置まで搬送して、加工品質を計測するという作業を繰り返す必要があり、手間がかかる。本請求項１１の発明では、請求項１記載のレーザ加工装置構成に加えて、加工レーザ光の被加工物への照射点近傍に、計測レーザ光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２と、前記加工レーザ光による被加工物表面形状の変化により変調をう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２と、前記干渉光学系１による干渉縞画像を撮像するための撮像手段２と、前記干渉縞の位相から加工途中における被加工物の三次元表面形状を計算するための計算器２とを備え、前記反応場データを取得したときの加工終了後に被加工物の三次元形状を計測して、両者を関連づけてデータベースを構築する。同じ装置により、被加工物を移動させずにデータベースのためのデータを取得できるため、データベースの作製時間を短縮することができる。さらに、請求項１１の発明では、データベース用のデータの取得を同一装置を用いて効率化することにより、請求項１記載のレーザ加工装置におけるデータベース作製時間を短縮することを目的とする。

請求項１記載の発明は、加工レーザ光の被加工物への照射点近傍に、計測レーザ光を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、前記加工レーザ光に対して前記計測レーザ光に遅延を与える遅延提供手段と、前記加工レーザ光による被加工物表面近傍の反応場の変化により変調を受けた前記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、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、前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反応場データを計算するための計算器と、からなるレーザ加工装置において、前記レーザ加工装置により取得される反応場データと被加工物の加工品質データとの相関関係をあらかじめ取得して記憶したデータベースと、加工工程中でその場計測した前記反応場データと前記データベースとを比較することにより被加工物の加工品質を保証するための品質保証手段と、を構成に加えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記品質保証手段が、加工工程中でその場計測した反応場データと前記データベースとの比較により被加工物の合否判定を行うための合否判定手段であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記品質保証手段が、加工工程中でその場計測した反応場データと前記データベースとの比較によりレーザ加工の加工条件を調整する加工条件調整手段であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置において、前記データベースに前記反応場データ及び前記加工品質と関係付けた加工条件データを追加し、前記その場計測した反応場データと前記データベースとの比較により、加工条件を自動修正することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記データベースにおいてあらかじめ取得しておく前記反応場データと前記加工品質データを、前記加工レーザ光に対して複数の遅延時間で取得したことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５に記載のレーザ加工装置において、前記遅延時間ごとで取得する前記反応場データと前記加工品質データの取得数を、前記加工レーザと計測レーザのそれぞれの繰り返し発光のタイミングばらつき（ジッタ）の和を、前記計測レーザのパルス幅で除したときの商の値としたことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記反応場データが、三次元屈折率分布であることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項３または４に記載のレーザ加工装置において、前記加工条件が、前記加工レーザの照射強度であることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項３または４に記載のレーザ加工装置において、前記加工条件が、前記加工レーザを被加工物に集光照射するときの集光点と被加工物との相対的な位置関係であることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項３または４に記載のレーザ加工装置において、前記加工条件が、前記加工レーザのパルス幅であることを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置の装置構成において、加工レーザ光の被加工物への照射点近傍に、計測レーザ光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、前記加工レーザ光による被加工物表面形状の変化により変調をう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、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、干渉縞を結像させるための手段と、前記干渉縞の位相から加工途中における被加工物の表面形状を計算するための計算器と、を備え、前記データベースにおける加工品質データを、前記反応場データを取得したときの加工終了後に計測した被加工物の表面形状データにより構成したことを特徴とする。

本発明のレーザ加工装置によれば、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把握してデータベース化しておけば、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削除により、生産効率の向上につなげることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について図１ないし図１０を参照して説明する。なお、本発明は、同一出願人の先願発明である、特願２００４−７３９１１「レーザ加工その場計測装置及びレーザ加工装置」の改良発明である。本先願発明の特願２００４−７３９１１は、レーザ加工において、加工途中における被加工物表面近傍反応場の、三次元屈折率分布や被加工物表面の三次元形状を測定する装置に関するものである。

図１に、レーザ加工における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示す。図１において、加工レーザ光１であり、加工レーザ光を集光させるための対物レンズ２、被加工物（表面）３、レーザ加工による被加工物表面の変化領域４ａ、レーザ加工による反応場４ｂの広がり、を表している。被加工物表面に加工レーザ光が照射されたとき、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、雰囲気の密度勾配、プラズマやプラズマ発光等の要素にて構成され、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、反応場から加工特性や被加工物の品質に関する情報を予測することができる。

上記の先願発明では、加工レーザの被加工物への照射点、近傍に、計測レーザを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、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近屈折率分布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、前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反応場データを計算するための計算器とから構成した装置により、加工途中において被加工物表面近傍の反応場を定量測定する。このことによって、加工途中に高速に変化する反応場情報を取得する。
本先願発明によれば、被加工物における三次元的な変化の情報を詳細に取得することができる。このため、加工特性や加工品質の認識精度を向上させ得る。

本発明は、上記先願発明の特願２００４−７３９１１を、レーザ加工による生産現場で活用する場合に関し、前記装置により測定した反応場データと被加工物の形態などの加工品質との相関関係を表すデータを事前に取得してデータベースを構築しておき、前記装置によるレーザ加工を行う生産現場において、レーザ加工途中における反応場データを取得し、取得した反応場データを前記データベースと比較することにより、被加工物の加工品質をその場で把握する。そして加工品質が仕様を満たすかどうかを検査したり、加工品質を満たすよう加工条件を調整したりして、被加工物の加工品質を保証する。それにより、生産現場における被加工物の検査工程や加工条件の調整作業を省いて、生産効率を向上させる。

本発明のレーザ加工装置によれば、下記の作用効果が得られる。
本発明は、先願発明の特願２００４−７３９１１をレーザ加工による生産現場で活用する場合に関し、前記装置により測定した反応場データと被加工物の形態などの加工品質との相関関係を表すデータを事前に取得してデータベースを構築しておき、前記装置によるレーザ加工を行う生産現場において、レーザ加工途中における反応場データを取得し、取得した反応場データを前記データベースと比較することにより被加工物の加工品質をその場で把握する。
そして加工品質が仕様を満たすかどうかを検査したり、加工品質を満たすよう加工条件を調整したりして、被加工物の加工品質を保証する。それにより、生産現場における被加工物の検査工程や加工条件の調整作業を省けるため、生産効率を向上させることができる。

請求項１記載のレーザ加工装置において、被加工物の品質を合否判定することにより、レーザ加工による生産工程において検査工程を省くことができ、被加工物の品質保証を簡便に実施することができる。

前記品質保証手段を、加工終了後にその場計測した反応場データと被加工物の品質仕様との比較によって、レーザ加工の加工条件を調整する加工条件調整手段により構成することにより、加工条件が変化した場合でも、その場で加工条件を調整することができる。それにより、加工条件の再調整のためのデータ取得時間を省くことができるため、高い品質保証精度を保ったままレーザ加工の生産効率を向上させることができる。

請求項３記載のレーザ加工装置における加工条件の調整を自動化することにより、経時的な加工条件の変化を事前に防ぐことができ、また加工条件が変化してしまった場合でも、自動的に加工条件の調整を行うことができる。それにより加工条件の調整作業を省くことができるため、レーザ加工による生産性を向上させることを目的とする。

前記データベースにおいてあらかじめ取得しておく前記三次元反応場データと前記加工品質データを、前記加工レーザ光に対して複数の遅延時間で取得しておき、その場計測を実施したときの遅延時間に最も近いときのデータと比較する。それにより加工レーザと計測レーザの照射タイミングずれに起因するデータベースとその場計測時との三次元反応場データのずれを除去する。遅延時間の相違に起因する反応場データの誤差を除去でき、品質保証精度を向上させることができる。

前記遅延時間ごとで取得する前記三次元反応場データと前記加工品質データの取得数を、前記加工レーザと計測レーザそれぞれの繰り返し発光のタイミングばらつき（ジッタ）の和を前記計測レーザのパルス幅で除したときの商の値とする。このことにより取得数を適正にできるため、処理時間と加工品質の保証精度を適正化することができる。

請求項１記載のレーザ加工装置において、反応場を構成する諸要素は光に対する屈折率に作用するため、反応場の三次元的な屈折率分布を測定し、特徴量を抽出することにより反応場の特性を把握することができる。本発明は、反応場の三次元的な屈折率分布を測定し、その特徴量を抽出する。前記特徴量から反応場特性を把握することができる。それにより、請求項１記載のレーザ加工装置を実現することができる。

請求項３、４記載の加工条件を加工レーザの照射強度とし、照射強度を調整することにより、例えばレーザ加工による穴の深さの品質低下を除去する。それにより請求項３、４記載のレーザ加工装置を実現することができる。

請求項３、４記載の加工条件を、加工レーザを被加工物に集光照射するときの集光点と被加工物との相対的な位置関係とし、前記相対的な位置関係の調整により、例えばレーザ加工による穴の直径の品質低下を除去する。それにより請求項３、４記載のレーザ加工装置を実現することができる。

請求項３、４記載の加工条件を加工レーザのパルス幅とし、例えばレーザ加工による穴の深さや形状の品質を、共振器を構成する対向ミラー間の距離等によるパルス幅の調整により保証する。それにより請求項３、４記載のレーザ加工装置を実現することができる。

請求項１記載のレーザ加工装置構成に加えて、加工レーザ光の被加工物への照射点近傍に、計測レーザ光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２と、前記加工レーザ光による被加工物表面形状の変化により変調をう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２と、前記干渉光学系１による干渉縞画像を撮像するための撮像手段２と、干渉縞を結像させるための手段２と、前記干渉縞の位相から加工途中における被加工物の三次元表面形状を計算するための計算器２と、を備え、前記反応場データを取得したときの加工終了後に被加工物の三次元形状を計測して、両者を関連づけてデータベースを構築する。同じ装置により被加工物を移動させずにデータベースのためのデータを取得できるため、データベースの作製時間を短縮することができる。

図２に、本発明の一構成例を示す。図２において、YAGレーザ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。ピンホール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として作用するピンホールである。

YAGレーザ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、対物レンズ２にて被加工物としての被加工物３に集光照射される。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図示しないXYステージに搭載されており、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。

形態変化４ａおよび反応場４ｂは、図１にて説明したとおりである。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１１は、パルス光を発生させる。半導体励起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。

ピンホール１５は、半導体レーザ励起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として作用するピンホールである。半導体レーザ励起YAGレーザからの光は、コリメートされたのちビームスプリッタ１６により分岐される。ビームスプリッタ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。

一方ビームスプリッタ１６にて反射された光はミラー１９にて反射されたのち、ハーフミラー１８を透過する。ビームスプリッタ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、両者はハーフミラー１８にて重ね合わされる。物体光の光路長と参照光の光路長の差を、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。

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、２３を透過したのち，CCDカメラ２４に到達する。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、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。本撮像に、CCDカメラドライバ２５が作用する。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、その場合は拡大結像光学系とすればよい。
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、干渉縞画像は、コンピュータのモニター画面に表示される。

パルス発生器２８は、加工用YAGレーザのドライバ２９と計測用半導体レーザ励起YAGレーザのドライバ３０とに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、フレームグラバ２６に、画像取りこみの外部トリガー信号を供給するためのパルス発生器である。

各トリガー信号は、パルス発生器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できる。また、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。
被加工物に加工レーザ光を照射後、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、ナノ秒オーダであるとよい。

パルス発生器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することができる。CCDカメラドライバ２５、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カメラは画像取りこ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、CCDカメラの露光時間に合わせて、計測レーザに発光のトリガーを出力するようにする。

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に測定開始のコマンドを入力すれば、パーソナルコンピュータ２７からパルス発生器２８に駆動トリガーが入力され、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る。さらに、CCDカメラドライバ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２６に画像取りこみ信号が供給され、CCDカメラドライバ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、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、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後の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、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、被加工物に加工レーザが照射された後反応が進む様子が逐次モニタリングできる。

反応場より変調をう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、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において、画像モニター画面３１、および干渉縞３２を表す。干渉縞３２の強度分布は、（１）式にて表される。

各符号において、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、fx0は画像のｘ方向における干渉縞の空間キャリヤ周波数、fy0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。

干渉縞が加工レーザ光による反応場に変調された画像を収録し、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た結果のRe[c(x,y)]と虚部Im[c(x,y)]から、（２）式を用いて二次元位相差分布を求めることができる。

（２）式による位相角分布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。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、略軸対称の反応場、すなわち三次元反応場を求めることができる。
反応場は、加工レーザの照射点、すなわち加工点を中心に略球面波的に広がっていくが、加工レーザを被加工物に照射した後、所定時間、例えば50ns後における瞬間での加工点を中心とした反応場が、例えば三次元屈折率分布として計測される。

図４は、その一例を示したものである。図４における符号３３は、計測結果の三次元屈折率分布の加工点を含んだ加工レーザの光軸方向の一断面n(x,y)を、平面的に表示したものである。なお、表示色の濃さが屈折率の高さを表している。
以上のような装置を用いて、例えば、プラスチックに直径R、深さd（加工品質を表す特徴量として選択したもの）の穴を、レーザ加工する場合について説明する。

図５は、図４におけるY-Y'断面での屈折率分布をグラフにしたものである。図５において、屈折率が最大値をとる位置のY'からの距離Pを、反応場の特徴量として選択している。生産工程における加工を始める前に、生産される部品と同じ材質の被加工物のサンプル（部品として使用しないもの）を用いてi回その場計測を行い、i個のPiを取得する。そして、各Piを取得したときに得られる穴の直径Ri、深さdiを、三次元形状測定器などの別の測定器を用いて測定する。

図６に、三次元屈折率分布の計測結果例と計測結果における特徴量Piと穴の直径、深さのイメージを示す。なお、図６において、被加工物３４、加工された直径Ri（３５）を示しており、深さdiの穴であり、反応場の広がりが大きくなりPiの値が大きくなったとき、加工される穴の直径が大きくなり、深さが深くなっていることを示している。符号Piと符号Riとdi、それぞれの相関関係を生産工程における加工を始める前に取得しておき、データベースとしてパーソナルコンピュータに記憶する。

生産工程におけるレーザ加工の際、三次元屈折率分布n(x,y)をその場計測して特徴量Pを求め、データベースに記憶されたPiと比較し、最もよく一致したときのiに相当する穴の直径Ri、深さdiを求める。 直径Ri、深さdiが穴の仕様を満たす被加工物をOK品とし、満たさない被加工物をNG品として、合否判定することによって、被加工物の加工品質を保証する。図７にそれらの処理のフローを示す。

計測データにおける特徴量と加工品質との相関は、被加工物の材料等によって変わる場合がある。このため、いくつかの特徴量の中で最も相関が高い特徴量を選択してデータベースと比較したり、計測データと加工品質の相関が最もよくとれるいくつかの特徴量の組合せを用いると、検査や調整の精度を高めることができる。また、相関関係から回帰直線を求めるなどして、特徴量と加工品質との関係を数式化しておけば、計測データを数式に代入することにより、速い時間で合否判定を行うことができる。

第１の発明、第２の発明の実施例では、生産工程におけるレーザ加工の際、三次元屈折率分布n(x,y)をその場計測して特徴量Pを求め、データベースとの比較から穴の直径Ri、diを求めて合否判定を行った。本発明では、その場計測した特徴量Pを確認しながら穴の直径Ri、深さdiが仕様を満足するように加工条件を調整する。
例えば、加工条件として加工レーザの照射強度（第８の発明）と、加工レーザを被加工物に集光照射するときの、集光点と被加工物との相対的な位置関係（第９の発明）を選択した場合について説明する。

加工レーザは、結晶などの固体を光により励起してレーザ発振させるものが多いが、その場合、経時変化により励起光の入射角度が変化したり発光効率が変化したりして被加工物への照射強度が変わるときがある。被加工物に加工レーザを集光照射するための対物レンズの焦点深度内に被加工物の表面があるとき、照射強度が変化すると穴の深さが変化する。そのため、生産工程を一旦止めて、生産される部品と同じ材質の被加工物のサンプル（部品として使用しないもの）を用いてその場計測を行い、特徴量Pが仕様の穴の深さに相関のある特徴量Pになるよう加工レーザの照射強度を調整するためのNDフィルタの透過率を調整する。加工される穴の深さが仕様を満たすようになれば、サンプルを取り除いて、部品生産を再開すればよい。

また、被加工物に加工レーザを集光照射するための対物レンズの光軸方向位置が、経時変化によりわずかにずれるときがある。その場合、被加工物上での加工レーザの集光スポット径が変化するため、加工される穴の直径が変化する。そのため、その場合も生産工程を一旦止めて、生産される部品と同じ材質の被加工物のサンプル（部品として使用しないもの）を用いて、仕様の穴の直径に相関のある特徴量Pになるよう対物レンズの加工レーザ光軸方向における位置の調整、すなわちフォーカス調整する。対物レンズの位置調整は、対物レンズをその光軸方向に進退可能なステージに搭載しておけば、ステージの進退により行うことができる。加工される穴の直径が仕様を満たすようになれば、サンプルを取り除いて、部品生産を再開すればよい。

例えば、第３の発明の実施例において、透過率が回転方向に連続的に変化しており、回転させることによって透過率を連続的に変化させることのできる、NDフィルタを用いる。そして、NDフィルタにモータを取り付け、モータの駆動によりNDフィルタを回転可能にする。生産工程において、その場計測した特徴量Pが仕様の穴の深さに相関のある特徴量Pに対して大きい場合は、NDフィルタの透過率が小さくなる方向にNDフィルタを回転させて穴の深さが浅くなるようにし、逆の場合は、穴の深さが深くなるようにNDフィルタを回転させる。加工のたびに特徴量Pを測定し、それをNDフィルタの透過率にフィードバックしながら加工レーザの照射強度を常に調整することにより、照射強度の経時変化を自動的に防ぐことができ、また穴の深さが仕様を満たさなくなった場合も、仕様を満たすように照射強度を即座に自動的に調整することができる。

穴の直径の場合は、被加工物に加工レーザを集光照射するための対物レンズを対物レンズの光軸方向に進退可能なステージに搭載し、ステージにモータを取り付けてモータ駆動によりステージ進退できるようにしておく。生産工程において特徴量Pを加工のたびに測定し、測定結果を対物レンズの光軸方向における位置にフィードバックしながら加工レーザの集光スポット径を常に調整する。このことにより、集光スポット径の経時変化を自動的に防ぐことができ、また穴の直径が仕様を満たさなくなった場合も仕様を満たすように対物レンズの光軸方向位置を即座に自動的に調整することができる。
図８にそれらの処理のフローを示す。

図９に、構成例を示す。図９において、それぞれの加工レーザ光３６、３７は、計測レーザ光を分岐するためのビームスプリッタであり、それぞれのビームスプリッタで分岐された一部の光は、高速フォトダイオード３８に入射する。高速フォトダイオードで受光する光量は微小でよいので、それぞれのビームスプリッタの反射率が透過率に対して低めのものを用いたり、加工レーザ光３６から高速フォトダイオード３８、あるいは加工レーザ光３７から高速フォトダイオード３８の光路に、NDフィルタを設置したりすればよい。

高速フォトダイオードにより加工レーザ光と計測レーザ光とを受光して、オシロスコープ３９で出力を観測することにより、両者の時間遅延をモニターする。フォトダーオードとオシロスコープは、加工レーザと計測レーザのパルス幅を検出できるような応答速度をもつものである必要がある。上述したような実施例において、反応場の特徴量Piと穴の直径Ri、深さdiを取得するとき、時間遅延を変えながら何通りか取得しておき、データベースに時間遅延量と反応場データと加工品質データを関係づけて記憶する。
取得する数は、加工レーザと計測レーザのトリガーに対する発光のばらつき幅の和を計測レーザのパルス幅で除したときの商の数だけあるとよい（参照；第６の発明）が、加工品質を保証するのに適した取得数であれば任意でよい。加工工程において、反応場の特徴量Piをその場計測したとき、前記時間遅延量も同時に検出し、時間遅延量に最も近い反応場の特徴量Piと、その場計測した反応場の特徴量Pとを比較して、穴の直径Ri、深さdiを求める。それにより、加工レーザと計測レーザの照射タイミングずれに起因するデータベースと、その場計測時との三次元反応場データのずれを除去することができる。

加工レーザでは、レーザ発振のための共振器を構成する対向ミラー間の距離等の調整により、パルス光におけるパルス幅を変化させることができる。例えば、被加工物に加工レーザを照射して、被加工物表面に穴を形成するような場合、パルス幅が変化すると穴の深さや穴形状が変化する。
図６における穴の深さを加工品質とした場合、共振器の片方のミラーを光軸方向に進退可能なステージに搭載しておき、穴の深さとパルス幅に関係づけられた前記ステージの位置をデータベースに追加記憶しておく。その場計測した反応場データをデータベースと比較することにより穴の深さを求め、穴の深さ仕様を満足しない場合は前記ステージの位置を、仕様の穴の深さを満足するようなパルス幅の光の照射位置に合わせる。処理のフローは、図８における照射強度調整のパートをパルス幅調整とすればよい。

図１０に構成例を示す。図１０において図２と同じ番号をつけた部品は、図２の構成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にて集光されたのち広げられレンズ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。被加工物の加工点近傍では、反応場４ｂが生じるとともに形態変化４ａが生じる。

YAGレーザ４０は計測用の半導体レーザ励起YAGレーザであり、光路切替ミラー４１は半導体レーザ励起YAGレーザからの光の光路に着脱可能な光路切替ミラーである。光路切替ミラー４１が前記光路から外されたとき、半導体レーザ励起YAGレーザからの光は、NDフィルタ４２に向かい、光路切替ミラー４１が前記光路に設置されたとき、半導体レーザ励起YAGレーザからの光はミラー５７に向かう。光路切替ミラー４１が前記光路から外された場合、半導体レーザ励起YAGレーザ４０からの光はNDフィルタ４２を透過し、レンズ４３にて集光されたのち広げられ、レンズ４４でコリメートされる。ピンホール４５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４４でコリメートされた光はビームスプリッタ４６で分岐され、ビームスプリッタ４６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。被加工物で反射された物体光（１）は往ききた光路を逆行し、ビームスプリッタ４６を透過してミラー４８にて折り返される。往きの光路でビームスプリッタ４６を透過した光は参照光（１）として作用し、ミラー４７で反射されビームスプリッタ４６で反射されてミラー４８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（１）と参照光（１）は干渉して干渉縞を発生し、レンズ４９、ミラー５０、レンズ５１、レンズ５２を介してCCD５３の撮像面上で結像する。CCD５３にて撮像された干渉縞画像はCCDドライバ５４、フレームグラバ５５を介してパーソナルコンピュータ５６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（１）による干渉縞は、被加工物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。

一方光路切替ミラーを半導体レーザ励起YAGレーザからの光の光路に設置した場合、光路切替ミラー４１で反射された光は、ミラー５７にて折り返され、NDフィルタ５８を透過してレンズ５９にて集光されたのち広げられ、レンズ６０にてコリメートされる。ピンホール６１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６０にてコリメートされた光はビームスプリッタ６２で分岐され、ビームスプリッタ６２を透過した光は、加工レーザによる反応場４ｂを通過して物体光（２）として作用し、ミラー６３にて折り返され、ハーフミラー６４で反射される。ビームスプリッタ６２で反射された光は、参照光（２）として作用し、ミラー６５にて折り返されハーフミラー６４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物体光（２）と参照光（２）は、干渉して干渉縞を発生し、レンズ６６、ミラー６７、レンズ６８、レンズ６９を介してCCD７０の撮像面上で結像する。

CCD７０にて撮像された干渉縞画像は、CCDドライバ７１、フレームグラバ５５を介してパーソナルコンピュータ５６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（２）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。パルス発生器７２はパルス発生器であり、ドライバ７３、７４はそれぞれ加工用YAGレーザ、計測用半導体レーザ励起YAGレーザのドライバである。
物体光（１）、物体光（２）それぞれによる干渉縞の収録方法、干渉縞から物体光の位相角を計算する方法は請求項１の実施例記載と同様である。また物体光の位相角から三次元屈折率分布を求める方法は、請求項１の実施例記載と同様である。

位相角から加工面の三次元形状を求める場合、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、物体光の位相角を半分にしてから長さの単位に変換して形状を求める。
例えば、プラスチックに直径R、深さdの穴をレーザ加工し、レーザ加工途中の反応場をその場計測することにより生産工程において加工品質を保証する場合について、生産工程における加工を始める前に、生産される部品と同じ材質の被加工物のサンプル（部品として使用しないもの）を用いてi回その場計測を行い、i個のPiを取得する。

その場合、光路切替ミラーは半導体レーザ励起YAGレーザからの光路に設置された状態である。加工と反応場のその場計測が終了した後、光路切替ミラーを半導体レーザ励起YAGレーザからの光路から外し、加工点の三次元形状を求める。請求項１記載のレーザ加工装置では、いくつかのPiを取得したときに得られる穴の直径Ri、深さdiを、三次元形状測定器などの別の測定器を用いて測定したため、サンプルの搬送や測定器へのセッティング等の余分な作業があって時間がかかったが、本発明では、その場で三次元形状が得られるため、効率よくデータベースを作製できる。

本発明のレーザ加工装置の実施形態の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。 反応場布測定のための構成例を説明する図である。 反応場測定において収録する干渉縞の例を模式的に説明する図である。 反応場の三次元屈折率分布の測定結果例を模式的に説明する図である。 三次元屈折率分布測定結果における断面屈折率分布の例を模式的に説明する図である。 反応場データと加工品質データとの相関を模式的に説明するための図である。 反応場のその場計測データを用いて、加工品の検査を行う処理の流れを説明するための図である。 反応場のその場計測データを用いて、加工条件の調整を行う処理の流れを説明するための図である。 加工レーザと計測レーザ被加工物への照射タイミングを検出するための構成を説明するための図である。 従来のレーザ加工装置において給紙ユニットの識別回路を含んだ接続回路例であり、加工及び反応場計測を行ったその場で被加工物の三次元形状を測定する構成を説明するための図である。

符号の説明

１ 加工レーザ光
２ 対物レンズ
３ 被加工物
４ａ 形態変化
４ｂ 反応場
５ YAGレーザ
６，５８ NDフィルタ
７，１３ 集光レンズ
８，１４、２０、２２、２３、４９、５１、５２、５９、６０、６６、６８、６９ レンズ
９、１５、６１ ピンホール
１０、１７、１９、５０、５７、６３、６５、６７ ミラー
１１ 半導体レーザ励起YAGレーザ
１２ NDフィルタ
１６、６２ ビームスプリッタ
１８、６４ ハーフミラー
２４ CCDカメラ
２５ CCDカメラドライバ
２６ フレームグラバ
２７，５６ パーソナルコンピュータ
２８ パルス発生器
２９、３０ ドライバ
４１ 光路切替ミラー
５３、７０ CCD
５４ CCDドライバ
５５ フレームグラバ

Claims (11)

1. 加工レーザ光の被加工物への照射点近傍に、計測レーザ光を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、前記加工レーザ光に対して前記計測レーザ光に遅延を与える遅延提供手段と、前記加工レーザ光による被加工物表面近傍の反応場の変化により変調を受けた前記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、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、前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反応場データを計算するための計算器と、からなるレーザ加工装置において、
   前記レーザ加工装置により取得される反応場データと被加工物の加工品質データとの相関関係をあらかじめ取得して記憶したデータベースと、加工工程中でその場計測した前記反応場データと前記データベースとを比較することにより被加工物の加工品質を保証するための品質保証手段と、を構成に加えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記品質保証手段が、加工工程中でその場計測した反応場データと前記データベースとの比較により被加工物の合否判定を行うための合否判定手段であ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. 前記品質保証手段が、加工工程中でその場計測した反応場データと前記データベースとの比較によりレーザ加工の加工条件を調整する加工条件調整手段であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記データベースに前記反応場データ及び前記加工品質と関係付けた加工条件データを追加し、前記その場計測した反応場データと前記データベースとの比較により、加工条件を自動修正することを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記データベースにおいてあらかじめ取得しておく前記反応場データと前記加工品質データを、前記加工レーザ光に対して複数の遅延時間で取得したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
6. 前記遅延時間ごとで取得する前記反応場データと前記加工品質データの取得数を、前記加工レーザと計測レーザのそれぞれの繰り返し発光のタイミングばらつき（ジッタ）の和を、前記計測レーザのパルス幅で除したときの商の値としたことを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 前記反応場データが、三次元屈折率分布であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
8. 前記加工条件が、前記加工レーザの照射強度であることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ加工装置。
9. 前記加工条件が、前記加工レーザを被加工物に集光照射するときの集光点と被加工物との相対的な位置関係であることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ加工装置。
10. 前記加工条件が、前記加工レーザのパルス幅であることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ加工装置。
11. 請求項１記載の装置構成において、加工レーザ光の被加工物への照射点近傍に、計測レーザ光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、前記加工レーザ光による被加工物表面形状の変化により変調をう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、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、干渉縞を結像させるための手段と、前記干渉縞の位相から加工途中における被加工物の表面形状を計算するための計算器と、を備え、
    前記データベースにおける加工品質データを、前記反応場データを取得したときの加工終了後に計測した被加工物の表面形状データにより構成したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

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