JP2006227198A - レーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 レーザ加工装置において、被加工物の破壊や加工不良につながる微小ミラーアレイの偏向動作の劣化を精度よく容易に検出することができるようにする。
【解決手段】 レーザ光源１から出射されたレーザビーム２をＤＭＤ４に照射し、ＤＭＤ４上の可動ミラー面の傾斜角に応じて試料９へ向かうレーザビーム２Ａと試料９から離れる方向に向かうレーザビーム２Ｂとに分割する。そしてレーザビーム２Ｂをリレー光学系１０、減衰フィルタ１１を介して第２撮像素子１２の撮像面上に投影し、画像データ１０３を取得し、第２画像処理部１３で画像処理することによりオフ状態ミラーを特定する。そしてコントローラ１４によりデータ１０２の情報と比較して偏向動作が不良となっている可動ミラー面の有無を検出する。
【選択図】 図１
【解決手段】 レーザ光源１から出射されたレーザビーム２をＤＭＤ４に照射し、ＤＭＤ４上の可動ミラー面の傾斜角に応じて試料９へ向かうレーザビーム２Ａと試料９から離れる方向に向かうレーザビーム２Ｂとに分割する。そしてレーザビーム２Ｂをリレー光学系１０、減衰フィルタ１１を介して第２撮像素子１２の撮像面上に投影し、画像データ１０３を取得し、第２画像処理部１３で画像処理することによりオフ状態ミラーを特定する。そしてコントローラ１４によりデータ１０２の情報と比較して偏向動作が不良となっている可動ミラー面の有無を検出する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、微小ミラーアレイを用いたレーザ加工装置に関する。
従来、レーザ加工装置において、被加工物に照射するレーザビームを複数の微小ミラーによりスイッチングして、レーザビームが照射される範囲、パターンを可変して加工を行うようにした装置が知られている。
このようなレーザ加工装置では、微小面積を有する微小ミラー面に高出力のレーザビームが照射されるため、微小ミラーアレイ素子が経時劣化しやすく、ひとたび微小ミラーアレイ素子が劣化すると、例えば微小ミラー面の傾きが狂ってレーザビームの照射位置がずれ、加工領域での加工不良を起こしたり、加工が不要な領域や加工済の領域を破壊したりするという問題があった。
このような問題を解決するために、例えば特許文献１には、微小ミラーアレイ素子の１つであるデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）が劣化した場合に、ＤＭＤあるいはレーザ光の入射側に設けられたマスクを移動することにより、劣化していないＤＭＤ上に光ビーム照射領域を移動できるようにした露光装置が記載されている。
また、劣化状態測定手段の例として、光ビーム出射時間累積カウンタにより劣化状態を推定するもの、被描画媒体に相当する位置で光パワーを測定して光パワーの低下から劣化状態を検出するもの、描画領域ごとに設けた光検出器で散乱光を測定してその増大の変化により劣化状態を検出するものが記載されている。
特開２００４−１９１６６０号公報（第４−８頁、図７、１０、１３）
このようなレーザ加工装置では、微小面積を有する微小ミラー面に高出力のレーザビームが照射されるため、微小ミラーアレイ素子が経時劣化しやすく、ひとたび微小ミラーアレイ素子が劣化すると、例えば微小ミラー面の傾きが狂ってレーザビームの照射位置がずれ、加工領域での加工不良を起こしたり、加工が不要な領域や加工済の領域を破壊したりするという問題があった。
このような問題を解決するために、例えば特許文献１には、微小ミラーアレイ素子の１つであるデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）が劣化した場合に、ＤＭＤあるいはレーザ光の入射側に設けられたマスクを移動することにより、劣化していないＤＭＤ上に光ビーム照射領域を移動できるようにした露光装置が記載されている。
また、劣化状態測定手段の例として、光ビーム出射時間累積カウンタにより劣化状態を推定するもの、被描画媒体に相当する位置で光パワーを測定して光パワーの低下から劣化状態を検出するもの、描画領域ごとに設けた光検出器で散乱光を測定してその増大の変化により劣化状態を検出するものが記載されている。
しかしながら、上記のような従来の微小ミラーアレイを用いたレーザ加工装置には以下のような問題があった。
特許文献１に記載された技術では、微小ミラーアレイの移動により劣化領域の使用を回避することができるものの、いずれの劣化状態測定手段も、微小ミラーアレイの動作状態の劣化を検出できるものではなかった。
例えば、光ビーム出射時間累積カウンタの場合、光照射時間と寿命との関係などから寿命を統計的に推測するに過ぎないから、安全側で用いるためには実寿命よりかなり早く寿命に達したと判定する必要があり、過剰品質になりやすいという問題がある。
また、描画媒体に相当する位置での光パワーを測定する手段では、加工機能と直接関係する光パワーを測定するので、より直接的な劣化を検出しやすいものの、全体の光パワーを測定する場合、個々のレーザビームが所定位置に来ているかどうかまでは知ることができないという問題がある。また各レーザビームの光パワーを照射位置ごとに測定する場合、全照射位置にわたって微小領域の光パワーを計測しなければならず手間と時間とがかかるという問題がある。また、加工と並行して測定することができないため効率が悪いという問題がある。
特許文献１に記載された技術では、微小ミラーアレイの移動により劣化領域の使用を回避することができるものの、いずれの劣化状態測定手段も、微小ミラーアレイの動作状態の劣化を検出できるものではなかった。
例えば、光ビーム出射時間累積カウンタの場合、光照射時間と寿命との関係などから寿命を統計的に推測するに過ぎないから、安全側で用いるためには実寿命よりかなり早く寿命に達したと判定する必要があり、過剰品質になりやすいという問題がある。
また、描画媒体に相当する位置での光パワーを測定する手段では、加工機能と直接関係する光パワーを測定するので、より直接的な劣化を検出しやすいものの、全体の光パワーを測定する場合、個々のレーザビームが所定位置に来ているかどうかまでは知ることができないという問題がある。また各レーザビームの光パワーを照射位置ごとに測定する場合、全照射位置にわたって微小領域の光パワーを計測しなければならず手間と時間とがかかるという問題がある。また、加工と並行して測定することができないため効率が悪いという問題がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、被加工物の破壊や加工不良につながる微小ミラーアレイの偏向動作の劣化を精度よく容易に検出することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は、光源部から出射されたレーザビームをビーム断面内で複数に分割して選択的に偏向することにより被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、傾斜角が複数に切り替え可能な複数の可動反射面を有し、該複数の可動反射面に入射する前記光源部から出射されたレーザビームを前記各可動反射面の傾斜角に応じてそれぞれ被加工物に向かう第１の方向または被加工物から離れる第２の方向に偏向できるようにした微小ミラーアレイと、前記第１の方向に偏向されたレーザビームを前記被加工物上に導く投射光学系と、前記微小ミラーアレイを撮像する撮像素子と、前記微小ミラーアレイにより前記第１および第２の方向に偏向されたレーザビームの少なくともいずれかを前記撮像素子に入射させる検出光学系と、前記検出光学系を通して前記撮像素子により撮像された画像から前記微小ミラーアレイの偏向動作状態を検出する偏向動作検出手段とを備えた構成とする。
このような構成によれば、光源から出射されたレーザビームが、微小ミラーアレイに入射され、微小ミラーアレイの各可動反射面の傾斜角を選択的に切り替えることにより、２つの傾斜角に応じて被加工物に向かう第１の方向または被加工物から離れる第２の方向にレーザビームが偏向される。
そして第１の方向へ偏向されたレーザビームが投射光学系により被加工物上に導かれ、選択的に偏向されたレーザビームの配列パターンに応じて被加工物が加工される。
一方、微小ミラーアレイにより偏向されたレーザビームは、第１および第２の方向に偏向されたレーザビームの少なくともいずれかが検出光学系により撮像素子に入射される。そして、入射光となったレーザビームが撮像素子により撮像され、画像データが取得される。
そして、その画像データに基づいて偏向動作検出手段により微小ミラーアレイの偏向動作状態が検出される。
例えば、画像データをレーザビームが到来すべき照射領域に区切って、それぞれ２値化処理するなどの画像処理を行う。そして、各照射領域におけるレーザビームの到来の有無を検出することにより、微小ミラーアレイの偏向動作状態として、偏向動作のオン、オフ状態を判定する。そして、それらの状態と微小ミラーアレイの駆動を制御する制御信号とを比較することにより、偏向動作が正常に行われたかどうかが検出される。
このように、撮像素子が取得するレーザビームの画像により、微小ミラーアレイの偏向動作を第１および第２の方向に偏向されたレーザビームの少なくともいずれかについて直接的に検出して、その劣化状態を判定することができる。
このような構成によれば、光源から出射されたレーザビームが、微小ミラーアレイに入射され、微小ミラーアレイの各可動反射面の傾斜角を選択的に切り替えることにより、２つの傾斜角に応じて被加工物に向かう第１の方向または被加工物から離れる第２の方向にレーザビームが偏向される。
そして第１の方向へ偏向されたレーザビームが投射光学系により被加工物上に導かれ、選択的に偏向されたレーザビームの配列パターンに応じて被加工物が加工される。
一方、微小ミラーアレイにより偏向されたレーザビームは、第１および第２の方向に偏向されたレーザビームの少なくともいずれかが検出光学系により撮像素子に入射される。そして、入射光となったレーザビームが撮像素子により撮像され、画像データが取得される。
そして、その画像データに基づいて偏向動作検出手段により微小ミラーアレイの偏向動作状態が検出される。
例えば、画像データをレーザビームが到来すべき照射領域に区切って、それぞれ２値化処理するなどの画像処理を行う。そして、各照射領域におけるレーザビームの到来の有無を検出することにより、微小ミラーアレイの偏向動作状態として、偏向動作のオン、オフ状態を判定する。そして、それらの状態と微小ミラーアレイの駆動を制御する制御信号とを比較することにより、偏向動作が正常に行われたかどうかが検出される。
このように、撮像素子が取得するレーザビームの画像により、微小ミラーアレイの偏向動作を第１および第２の方向に偏向されたレーザビームの少なくともいずれかについて直接的に検出して、その劣化状態を判定することができる。
本発明のレーザ加工装置では、前記光源部から出射されたレーザビームの前記微小ミラーアレイに対する照射領域を移動するための移動手段を備え、前記偏向動作検出手段により検出された前記微小ミラーアレイの偏向動作状態の情報に応じて前記移動手段を駆動することにより前記照射領域を移動できるようにした構成とする。
この場合、偏向動作検出手段により検出された微小ミラーアレイの偏向動作状態の情報に応じて移動手段を駆動することにより、微小ミラーアレイに対するレーザビームの照射領域を移動することができる。そのため、偏向動作状態の異常または異常の可能性が検出された場合に、他の照射領域に移動することができる。したがって、微小ミラーアレイの一部が劣化しても、劣化していない他の部分を用いて加工を行うことができる。
この場合、偏向動作検出手段により検出された微小ミラーアレイの偏向動作状態の情報に応じて移動手段を駆動することにより、微小ミラーアレイに対するレーザビームの照射領域を移動することができる。そのため、偏向動作状態の異常または異常の可能性が検出された場合に、他の照射領域に移動することができる。したがって、微小ミラーアレイの一部が劣化しても、劣化していない他の部分を用いて加工を行うことができる。
また、本発明のレーザ加工装置では、前記検出光学系が、前記第２の方向へ偏向されるレーザビームを前記撮像素子に導く構成とすることが好ましい。
この場合、第２の方向へ偏向されるレーザビームを撮像素子に導くので、各レーザビームが被加工物上以外の所定位置に照射されているかどうかが検出され、被加工物上に到達してはならないレーザビームが被加工物上に到達している可能性の有無を判定することができる。そのため、レーザビームが被加工物上に誤照射される可能性のある偏向動作状態を検出することができる。
第２の方向へ偏向されるレーザビームは、加工に用いられないレーザビームなので、加工中であっても加工のためのレーザビームに影響を与えることなく偏向動作検出を行うことができるものである。
この場合、第２の方向へ偏向されるレーザビームを撮像素子に導くので、各レーザビームが被加工物上以外の所定位置に照射されているかどうかが検出され、被加工物上に到達してはならないレーザビームが被加工物上に到達している可能性の有無を判定することができる。そのため、レーザビームが被加工物上に誤照射される可能性のある偏向動作状態を検出することができる。
第２の方向へ偏向されるレーザビームは、加工に用いられないレーザビームなので、加工中であっても加工のためのレーザビームに影響を与えることなく偏向動作検出を行うことができるものである。
また、本発明のレーザ加工装置では、前記検出光学系が、前記第１の方向へ偏向されるレーザビームを前記撮像素子に導く構成とすることが好ましい。
この場合、第１の方向へ偏向されるレーザビームを撮像素子に導くので、レーザビームが被加工物上の所定位置に照射されているかどうかが検出され、加工領域において被加工物が正しく加工されるかどうかを直接的に判定することができる。そのため、レーザビームが加工領域に誤照射されるような偏向動作の劣化を検出することができる。
この場合、第１の方向へ偏向されるレーザビームを撮像素子に導くので、レーザビームが被加工物上の所定位置に照射されているかどうかが検出され、加工領域において被加工物が正しく加工されるかどうかを直接的に判定することができる。そのため、レーザビームが加工領域に誤照射されるような偏向動作の劣化を検出することができる。
また、本発明のレーザ加工装置では、前記投射光学系が、前記投射光学系が、前記第１の方向へ偏向された反射ビーム群を被加工物上に投射するとともに前記被加工物により反射された光を集光する対物レンズを備え、前記検出光学系の一部が前記対物レンズからの光の光路を兼ねる構成とすることが好ましい。
この場合、検出光学系の一部が対物レンズからの光の光路を兼ねるので、投射光学系を通るレーザビームのうち対物レンズを透過して被加工物上に投射され、その反射光のうち対物レンズにより集光される光を撮像素子に導くことができる。そのため、撮像素子が共通化され、部品点数が低減できるとともに、光路の占有スペースを低減することができる。
また、このような検出光学系によれば、被加工物を適宜照明することにより、その反射光を対物レンズで集光して撮像素子に導くことができる。そのため、レーザビームの照射位置と被加工物の画像とを重ね合わせた画像データを取得することができるので、レーザビームの照射位置を高精度の検出することができる。また、一般にレーザ加工装置には対物レンズを通した反射光により被加工物を観察するための撮像素子が備えられている場合が多いので、そのような場合には撮像素子を兼用することができて好都合である。
この場合、検出光学系の一部が対物レンズからの光の光路を兼ねるので、投射光学系を通るレーザビームのうち対物レンズを透過して被加工物上に投射され、その反射光のうち対物レンズにより集光される光を撮像素子に導くことができる。そのため、撮像素子が共通化され、部品点数が低減できるとともに、光路の占有スペースを低減することができる。
また、このような検出光学系によれば、被加工物を適宜照明することにより、その反射光を対物レンズで集光して撮像素子に導くことができる。そのため、レーザビームの照射位置と被加工物の画像とを重ね合わせた画像データを取得することができるので、レーザビームの照射位置を高精度の検出することができる。また、一般にレーザ加工装置には対物レンズを通した反射光により被加工物を観察するための撮像素子が備えられている場合が多いので、そのような場合には撮像素子を兼用することができて好都合である。
また、本発明のレーザ加工装置では、前記レーザビームの光出力を加工時と非加工時とで切替制御する発光制御手段を備え、非加工時に、加工時の光出力より低出力で前記レーザビームを発光する予備発光を行い、前記偏向動作検出手段が、前記予備発光時に前記撮像素子により撮像された画像に基づいて前記微小ミラーアレイの偏向動作を検出するようにした構成とすることが好ましい。
この場合、発光制御手段により、加工時より低出力の予備発光を行って微小ミラーアレイの偏向動作を検出することができるので、被加工物にレーザビームが到達したとしても、そのレーザビームによって被加工物が加工されたり破壊されたりしない状態で、偏向動作の検出を行うことができる。そのため、被加工物に影響することなく偏向動作不良を検出できるから、加工不良や被加工物の破壊を確実に防止することができる。
この場合、発光制御手段により、加工時より低出力の予備発光を行って微小ミラーアレイの偏向動作を検出することができるので、被加工物にレーザビームが到達したとしても、そのレーザビームによって被加工物が加工されたり破壊されたりしない状態で、偏向動作の検出を行うことができる。そのため、被加工物に影響することなく偏向動作不良を検出できるから、加工不良や被加工物の破壊を確実に防止することができる。
また、本発明のレーザ加工装置では、前記光源部が、被加工物を加工するための加工用レーザビームを形成する加工ビーム光源部と、前記微小ミラーアレイの偏向動作を検出するための検出用レーザビームを形成する検出ビーム光源部とからなり、前記検出光学系が、前記加工用レーザビームと前記検出用レーザビームとの光路を分岐し、これらレーザビームのうち実質的に前記検出用レーザビームのみを前記撮像素子に導く光分岐素子を備える構成とすることが好ましい。
この場合、加工用レーザビームを形成する加工ビーム光源部と、偏向動作を検出するための検出用レーザビーム光源部とを設け、検出光学系の光分岐素子により、これらレーザビームのうち実質的に検出用レーザビームのみを撮像素子に導くので、検出用レーザビームの光学特性、例えば光出力、波長、偏光特性などを撮像素子に対して最適化することができ、Ｓ／Ｎ比を向上することができより高精度の偏向動作検出を行うことができる。
また、例えば高出力を要する加工用レーザビームにより検出用レーザビームを兼用する場合などに必要となる減衰フィルタのような部材を省略して簡素な構成とすることができる。
光分岐素子としては、加工用レーザビームと検出用レーザビームとの間の光学特性の相違に応じて、例えば、ダイクロイックハーフミラー、ダイクロイックミラー、偏光ビームスプリッタなどの光学素子を採用することができる。
この場合、加工用レーザビームを形成する加工ビーム光源部と、偏向動作を検出するための検出用レーザビーム光源部とを設け、検出光学系の光分岐素子により、これらレーザビームのうち実質的に検出用レーザビームのみを撮像素子に導くので、検出用レーザビームの光学特性、例えば光出力、波長、偏光特性などを撮像素子に対して最適化することができ、Ｓ／Ｎ比を向上することができより高精度の偏向動作検出を行うことができる。
また、例えば高出力を要する加工用レーザビームにより検出用レーザビームを兼用する場合などに必要となる減衰フィルタのような部材を省略して簡素な構成とすることができる。
光分岐素子としては、加工用レーザビームと検出用レーザビームとの間の光学特性の相違に応じて、例えば、ダイクロイックハーフミラー、ダイクロイックミラー、偏光ビームスプリッタなどの光学素子を採用することができる。
ここで、実質的に検出用レーザビームのみを撮像素子に導くとは、加工用レーザビームが撮像素子に全く到達しない場合を含むことは言うまでもないが、加工用レーザビームが撮像素子に到達したとしても、例えば除去困難なノイズなどが発生することなくノイズが生じたとしても検出用レーザビームによる画像の誤検出が生じない程度であることを意味する。
また、本発明のうち、加工ビーム光源部、検出ビーム光源部および光分岐素子を含むレーザ加工装置では、前記加工用レーザビームが、前記微小ミラーアレイの前記傾斜角の１つに応じて前記第１の方向に偏向され、前記投射光学系の光軸上を進むように前記微小ミラーアレイに入射されるとともに、前記検出用レーザビームが、前記加工用レーザビームを前記第２の方向に偏向する前記傾斜角の他に応じて、前記投射光学系の光軸上を進むように前記微小ミラーアレイに入射される構成とすることが好ましい。
この場合、加工用レーザビームが第２の方向に偏向される傾斜角の他に切り替えられた可動反射面に入射した検出用レーザビームが投射光学系の光軸上、すなわち、加工用レーザビームのうち第１の方向に偏向されたレーザビームが進む方向に偏向される。そのため、投射光学系の光路に光分岐素子を配置することにより、加工用レーザビームが第２の方向に進む可動反射面の情報を含む検出用レーザビームを撮像素子に導くことができる。
また、加工用レーザビームと検出用レーザビームとを異なる方向から微小ミラーアレイに入射させる構成となるので、それらレーザビームを合波しなくてよいので、簡素な構成とすることができる。
この場合、加工用レーザビームが第２の方向に偏向される傾斜角の他に切り替えられた可動反射面に入射した検出用レーザビームが投射光学系の光軸上、すなわち、加工用レーザビームのうち第１の方向に偏向されたレーザビームが進む方向に偏向される。そのため、投射光学系の光路に光分岐素子を配置することにより、加工用レーザビームが第２の方向に進む可動反射面の情報を含む検出用レーザビームを撮像素子に導くことができる。
また、加工用レーザビームと検出用レーザビームとを異なる方向から微小ミラーアレイに入射させる構成となるので、それらレーザビームを合波しなくてよいので、簡素な構成とすることができる。
本発明のレーザ加工装置によれば、微小ミラーアレイの偏向動作を、第１および第２の方向に偏向されたレーザビームの少なくともいずれかを直接的に検出して、その劣化状態を判定することができるので、被加工物の破壊や加工不良につながる微小ミラーアレイの偏向動作の劣化状態を精度よく容易に検出することができるという効果を奏する。
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式的な構成説明図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の微小ミラーアレイの断面方向の構成および動作について説明するための断面説明図である。図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の微小ミラーアレイを反射面側から見た様子を示す模式的な平面説明図である。図３（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の動作を説明するために被加工物上の画像の一例を示す平面説明図である。図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の撮像素子により得られる画像の一例について説明するための模式説明図である。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式的な構成説明図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の微小ミラーアレイの断面方向の構成および動作について説明するための断面説明図である。図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の微小ミラーアレイを反射面側から見た様子を示す模式的な平面説明図である。図３（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の動作を説明するために被加工物上の画像の一例を示す平面説明図である。図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の撮像素子により得られる画像の一例について説明するための模式説明図である。
本実施形態のレーザ加工装置５０は、図１に示すように、試料９（被加工物）上に所定パターンを形成した所定の光出力と波長とを有するレーザビーム２Ａを投影し、その光エネルギーにより試料９の表面を加工するための装置である。光エネルギーによる加工は、例えば、加熱、溶融、気化、切断、露光記録などが挙げられる。
レーザ加工装置５０の概略構成は、レーザ光源１（光源部）、照明光学系３、デジタルマイクロミラーデバイス４（微小ミラーアレイ）、集光レンズ５、対物レンズ７、リレー光学系１０、減衰フィルタ１１、第２撮像素子１２（撮像素子）、第２画像処理部１３（偏向動作検出手段）、コントローラ１４（発光制御手段）および２軸変位アクチュエータ１６（移動手段）からなる。
以下では、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device）は、ＤＭＤと略称する。
レーザ加工装置５０の概略構成は、レーザ光源１（光源部）、照明光学系３、デジタルマイクロミラーデバイス４（微小ミラーアレイ）、集光レンズ５、対物レンズ７、リレー光学系１０、減衰フィルタ１１、第２撮像素子１２（撮像素子）、第２画像処理部１３（偏向動作検出手段）、コントローラ１４（発光制御手段）および２軸変位アクチュエータ１６（移動手段）からなる。
以下では、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device）は、ＤＭＤと略称する。
レーザ光源１は、試料９を加工するためのレーザビーム２を発生するものである。レーザビーム２の光出力、波長は、試料９の加工部分の材質の光吸収の波長特性に応じて、加工効率が良好となる光出力、発振波長に設定される。レーザビーム２の点灯、消灯、変調などの発光制御は、後述するコントローラ１４が生成する制御信号１０１により行われるようになっている。
例えば、液晶基板などガラス基板上にマスクされたフォトレジスト膜の加工の場合、レーザ光源１として、ＹＡＧレーザ（基本波長λ１＝１．０６４μｍ）を用い、第２、第３、第４高調波（それぞれ波長λ２＝５３２ｎｍ、λ３＝３５５ｎｍ、λ４＝２６６ｎｍ）をパルス幅が数ｎｓｅｃ程度、ピーク出力が数ＭＷ程度のパルス発振させるものを好適に採用することができる。
例えば、液晶基板などガラス基板上にマスクされたフォトレジスト膜の加工の場合、レーザ光源１として、ＹＡＧレーザ（基本波長λ１＝１．０６４μｍ）を用い、第２、第３、第４高調波（それぞれ波長λ２＝５３２ｎｍ、λ３＝３５５ｎｍ、λ４＝２６６ｎｍ）をパルス幅が数ｎｓｅｃ程度、ピーク出力が数ＭＷ程度のパルス発振させるものを好適に採用することができる。
照明光学系３は、レーザ光源１により形成されたレーザビーム２を断面強度分布が均一化された略平行光束とする光学系からなり、レーザビーム２の光路上に配置される。このような照明光学系３の構成としては、例えば、フライアイレンズ、回折素子、非球面レンズや、カレイド型ロッドを用いたものなどの種々の構成が知られているので、必要に応じてどの構成を採用してもよい。
ＤＭＤ４は、可動ミラー配列面４ｂ上に、それぞれの傾斜角が独立に切替可能とされた複数の可動ミラー面４ａ（図２参照）が略隙間なく２次元的に配列された微小ミラーアレイである。
各可動ミラー面４ａの傾斜角の切り替えは、後述する第１画像処理部１９により生成される制御信号１０６により行われる。制御信号１０６によりオン状態が選択されると、可動ミラー面４ａは、可動ミラー配列面４ｂに対して傾斜角φＡだけ傾斜されたオン状態ミラー４Ａとなる。また制御信号１０６によりオフ状態が選択されると、同じく傾斜角がφＢだけ傾斜されたオフ状態ミラー４Ｂとなる。
そして、オン状態ミラー４Ａではレーザビーム２が被加工物に向かう第１の方向にレーザビーム２Ａとして偏向され、オフ状態ミラー４Ｂではレーザビーム２が被加工物から離れる第２の方向にレーザビーム２Ｂとして偏向されるようになっている。
本実施形態では、図２に示すように、第１の方向が可動ミラー配列面４ｂの法線方向になっており、第２の方向が可動ミラー配列面４ｂの法線に対して角度θｏだけ傾斜した方向となっている場合の例で説明する。
ここで、レーザビーム２の入射方向は、第１の方向とは異なる方向であるとする。また傾斜角φＡ、φＢは、可動ミラー配列面４ｂを挟んでそれぞれ反対向きに傾斜する傾斜角である。よって次式が成立する。
θｉ＝２・φＡ （１）
θｏ＝θｉ＋２・φＢ （２）
ここで、角度θｉは、可動ミラー配列面４ｂに対するレーザビーム２の入射角であり、０°以外の角度とする。
各可動ミラー面４ａの傾斜角の切り替えは、後述する第１画像処理部１９により生成される制御信号１０６により行われる。制御信号１０６によりオン状態が選択されると、可動ミラー面４ａは、可動ミラー配列面４ｂに対して傾斜角φＡだけ傾斜されたオン状態ミラー４Ａとなる。また制御信号１０６によりオフ状態が選択されると、同じく傾斜角がφＢだけ傾斜されたオフ状態ミラー４Ｂとなる。
そして、オン状態ミラー４Ａではレーザビーム２が被加工物に向かう第１の方向にレーザビーム２Ａとして偏向され、オフ状態ミラー４Ｂではレーザビーム２が被加工物から離れる第２の方向にレーザビーム２Ｂとして偏向されるようになっている。
本実施形態では、図２に示すように、第１の方向が可動ミラー配列面４ｂの法線方向になっており、第２の方向が可動ミラー配列面４ｂの法線に対して角度θｏだけ傾斜した方向となっている場合の例で説明する。
ここで、レーザビーム２の入射方向は、第１の方向とは異なる方向であるとする。また傾斜角φＡ、φＢは、可動ミラー配列面４ｂを挟んでそれぞれ反対向きに傾斜する傾斜角である。よって次式が成立する。
θｉ＝２・φＡ （１）
θｏ＝θｉ＋２・φＢ （２）
ここで、角度θｉは、可動ミラー配列面４ｂに対するレーザビーム２の入射角であり、０°以外の角度とする。
可動ミラー配列面４ｂの大きさは照明光学系３により断面強度分布が均一化されたレーザビーム２の光束径よりも十分大きく、また各可動ミラー面４ａはレーザビーム２の光束径よりも十分小さく構成される。
ＤＭＤ４は、例えばプロジェクタなどに用いられているのと同様の構成を採用できる。すなわち、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により、大きさが１０μｍ角程度で表面に金属膜が蒸着されるなどして高効率の反射面とされた可動ミラー面４ａが、例えば８００×６００個程度アレイ状に配列され、それぞれが可動ミラー配列面４ｂに対して±１２°程度の傾斜角（φＡ＝φＢ＝１２°）で傾斜可能とされたものなどが採用できる。
レーザビーム２の光束断面の大きさ、形状、および可動ミラー配列面４ｂの大きさは、加工種類や被加工物などに応じて適宜の形状、大きさとすることができるが、一例として、レーザビーム２が光束径φ３ｍｍの円形断面を有し、可動ミラー配列面４ｂの大きさが８ｍｍ×６ｍｍ程度の構成を採用することができる。
レーザビーム２の光束断面の大きさ、形状、および可動ミラー配列面４ｂの大きさは、加工種類や被加工物などに応じて適宜の形状、大きさとすることができるが、一例として、レーザビーム２が光束径φ３ｍｍの円形断面を有し、可動ミラー配列面４ｂの大きさが８ｍｍ×６ｍｍ程度の構成を採用することができる。
集光レンズ５と対物レンズ７とは、ＤＭＤ４に照射されたレーザビーム２のうち、レーザビーム２Ａを、試料９上に投射するための投射光学系を構成するものであり、可動ミラー配列面４ｂと試料９の加工面とが共役の関係となるように設けられる。また、可動ミラー配列面４ｂと試料９の加工面とが光軸に対して略垂直としてもよい。加工面は光軸に対して傾いていても加工された部分が許容される範囲であればよく、可動ミラー配列面４ｂも１つのミラー面のサイズと投射光学系のＮＡで決まる焦点深度内となる傾きであれば許容される。
このような投射光学系を構成するには、例えば、対物レンズ７として像側が無限遠設計とされた光学系を採用して物体側焦点位置が試料９上となる位置に配置し、集光レンズ５として、対物レンズ７と同様に無限遠設計されたレンズを物体側焦点位置が可動ミラー面４ａ上となる位置に配置すればよい。
すなわち、この投射光学系により、オン状態ミラー４Ａで反射されたレーザビーム２Ａが試料９上に投射され、オン状態ミラー４Ａの配置に対応する適宜倍率の画像パターンが試料９上に形成されるようになっている。
このような投射光学系を構成するには、例えば、対物レンズ７として像側が無限遠設計とされた光学系を採用して物体側焦点位置が試料９上となる位置に配置し、集光レンズ５として、対物レンズ７と同様に無限遠設計されたレンズを物体側焦点位置が可動ミラー面４ａ上となる位置に配置すればよい。
すなわち、この投射光学系により、オン状態ミラー４Ａで反射されたレーザビーム２Ａが試料９上に投射され、オン状態ミラー４Ａの配置に対応する適宜倍率の画像パターンが試料９上に形成されるようになっている。
一方、試料９の近傍には、試料９上を可視光により照明するための可視光照明部８、８が設けられている。可視光照明部８としては、例えば、可視光の比較的長波長域から赤外域に波長が分布するハロゲンランプなどを採用することができる。
また、集光レンズ５と対物レンズ７との中間部の光路上には、レーザビーム２Ａの波長光を略１００％透過し、可視光照明部８の可視波長域の光を略１００％反射する波長選択ミラー６が配置されている。
このため、可視光照明部８により照射された照明光が試料９で散乱反射されて照明反射光２０が形成されると、照明反射光２０が対物レンズ７により集光され、投射光学系の光路を逆進して波長選択ミラー６に達し、波長選択ミラー６により反射されて投射光学系から分岐されるようになっている。
また、集光レンズ５と対物レンズ７との中間部の光路上には、レーザビーム２Ａの波長光を略１００％透過し、可視光照明部８の可視波長域の光を略１００％反射する波長選択ミラー６が配置されている。
このため、可視光照明部８により照射された照明光が試料９で散乱反射されて照明反射光２０が形成されると、照明反射光２０が対物レンズ７により集光され、投射光学系の光路を逆進して波長選択ミラー６に達し、波長選択ミラー６により反射されて投射光学系から分岐されるようになっている。
波長選択ミラー６により分岐された照明反射光２０の光路上には、光路に沿う順に、撮像光学系１７、第１撮像素子１８が配置されている。
撮像光学系１７は、入射光の像を所定の結像面に結像するため光学系であり、例えば無限遠に物体面が設定された光学系が採用される。本実施形態の場合、照明反射光２０が入射光となるので、試料９の画像が結像面に結像されるようになっている。
第１撮像素子１８は、撮像光学系１７の結像面に撮像面が配置された、例えばＣＣＤなどからなる撮像素子である。そして、第１画像処理部１９と電気的に接続され、撮像光学系１７により投影された像を光電変換し、画像データ１０５として第１画像処理部１９に送出できるようになっている。
撮像光学系１７は、入射光の像を所定の結像面に結像するため光学系であり、例えば無限遠に物体面が設定された光学系が採用される。本実施形態の場合、照明反射光２０が入射光となるので、試料９の画像が結像面に結像されるようになっている。
第１撮像素子１８は、撮像光学系１７の結像面に撮像面が配置された、例えばＣＣＤなどからなる撮像素子である。そして、第１画像処理部１９と電気的に接続され、撮像光学系１７により投影された像を光電変換し、画像データ１０５として第１画像処理部１９に送出できるようになっている。
第１画像処理部１９は、第１撮像素子１８から送出された画像データ１０５に基づいて、試料９上の加工が必要な部位の位置を算出し、その部位に対応する可動ミラー面４ａをアレイ配列中から選択してオン状態ミラー４Ａとし、それ以外の部位に対応する可動ミラー面４ａをオフ状態ミラー４Ｂとするための制御信号１０６を生成するためのものである。
第１画像処理部１９は、コントローラ１４と電気的に接続され、制御信号１０６に対応して、ＤＭＤ４の各可動ミラー面４ａのオン・オフ状態を表すデータ１０２をコントローラ１４に送出できるようになっている。
第１画像処理部１９は、コントローラ１４と電気的に接続され、制御信号１０６に対応して、ＤＭＤ４の各可動ミラー面４ａのオン・オフ状態を表すデータ１０２をコントローラ１４に送出できるようになっている。
第１画像処理部１９の画像処理は、試料９の画像から加工が必要な部位を算出できればどのような画像処理を用いてもよい。例えば、加工された部位と加工不良や未加工の部位との輝度差に対応する閾値を設定して、試料９上の画像を２値化し、予め設定された加工すべき部位の形状と比較することにより、加工が必要な加工不良や未加工の部位の位置を算出するといった画像処理を採用することができる。
例えば、２値化後の画像が、図３（ｂ）に示すように斜線で示す範囲に分布し、パターン２２ａ、２２ｂが得られるとする。ここで、見やすさのためレーザビーム２の照射範囲を正方形として図示している。実際の照射範囲の形状は、例えば円形や矩形など他の形状であってもよい。
一方、この画像上の任意の領域は、可動ミラー面４ａ…のアレイ状の配列に対応して、オン状態ミラー４Ａによりレーザビーム２Ａがそれぞれ到達する碁盤目状の投影領域２１…に分割されている。例えば、各領域の中心座標と、各投影領域２１にレーザビーム２Ａを導く可動ミラー面４ａの面番号とがそれぞれ対応づけられた配列データとして記憶されている。
一方、加工すべき部位の情報もまた、投影領域２１ごとに与えられており、例えば、画像のない領域２３ａ、２３ｂが、加工すべき領域であるかどうかが第１画像処理部１９に記憶されている。
したがって、各投影領域２１に対する画像分布と加工すべき部位かどうかの情報とを比較判定することにより、加工不良や未加工の部位が判定される。領域２３ａ、２３ｂが加工すべき部位であるにもかかわらず未加工の領域であると判定されれば、領域２３ａ、２３ｂに対応する可動ミラー面４ａ、４ａの傾斜角を切り替えて、オン状態ミラー４Ａ、４Ａにするような制御信号１０６が生成される。
この例では、領域２３ａ、２３ｂに対応する可動ミラー面４ａは、図３（ａ）においてそれぞれ可動ミラー面４Ｃ、４Ｄとなっている。
一方、この画像上の任意の領域は、可動ミラー面４ａ…のアレイ状の配列に対応して、オン状態ミラー４Ａによりレーザビーム２Ａがそれぞれ到達する碁盤目状の投影領域２１…に分割されている。例えば、各領域の中心座標と、各投影領域２１にレーザビーム２Ａを導く可動ミラー面４ａの面番号とがそれぞれ対応づけられた配列データとして記憶されている。
一方、加工すべき部位の情報もまた、投影領域２１ごとに与えられており、例えば、画像のない領域２３ａ、２３ｂが、加工すべき領域であるかどうかが第１画像処理部１９に記憶されている。
したがって、各投影領域２１に対する画像分布と加工すべき部位かどうかの情報とを比較判定することにより、加工不良や未加工の部位が判定される。領域２３ａ、２３ｂが加工すべき部位であるにもかかわらず未加工の領域であると判定されれば、領域２３ａ、２３ｂに対応する可動ミラー面４ａ、４ａの傾斜角を切り替えて、オン状態ミラー４Ａ、４Ａにするような制御信号１０６が生成される。
この例では、領域２３ａ、２３ｂに対応する可動ミラー面４ａは、図３（ａ）においてそれぞれ可動ミラー面４Ｃ、４Ｄとなっている。
リレー光学系１０は、レーザビーム２Ｂを、第２撮像素子１２の感度に合わせて適宜の光量に減衰させる減衰フィルタ１１を介して第２撮像素子１２上に投影するための光学系であり、可動ミラー面４ａと第２撮像素子１２の撮像面とが共役の関係となるように設けられる。
減衰フィルタ１１は、例えば、アルミなどの金属膜をガラスに蒸着した反射型減衰フィルタや、誘電体を積層蒸着した誘電体多層膜を用いた減衰フィルタなどを好適に採用できる。
リレー光学系１０と減衰フィルタ１１とは、本実施形態の検出光学系を構成している。
減衰フィルタ１１は、例えば、アルミなどの金属膜をガラスに蒸着した反射型減衰フィルタや、誘電体を積層蒸着した誘電体多層膜を用いた減衰フィルタなどを好適に採用できる。
リレー光学系１０と減衰フィルタ１１とは、本実施形態の検出光学系を構成している。
第２撮像素子１２は、リレー光学系１０の像面に撮像面が配置された、例えばＣＣＤなどからなる撮像素子である。そして、第２画像処理部１３と電気的に接続され、リレー光学系１０により投影された像を光電変換し、画像データ１０３として第２画像処理部１３に送出できるようになっている。
第２画像処理部１３は、第２撮像素子１２から送出された画像データ１０３に基づいて、各可動ミラー面４ａのうちオフ状態ミラー４Ｂとなっているものを特定して、データ１０４を生成し、電気的に接続されたコントローラ１４に送出するものである。
オフ状態ミラー４Ｂを特定するための画像処理は、例えば、オフ状態ミラー４Ｂにより反射されてリレー光学系１０、減衰フィルタ１１を透過したレーザビーム２Ｂの輝度よりわずかに低い閾値を設定して、第２撮像素子１２により撮像された画像を２値化し、閾値以上の領域をＤＭＤ４上の可動ミラー面４ａの配列位置と関係づけるといった画像処理を採用することができる。
オフ状態ミラー４Ｂを特定するための画像処理は、例えば、オフ状態ミラー４Ｂにより反射されてリレー光学系１０、減衰フィルタ１１を透過したレーザビーム２Ｂの輝度よりわずかに低い閾値を設定して、第２撮像素子１２により撮像された画像を２値化し、閾値以上の領域をＤＭＤ４上の可動ミラー面４ａの配列位置と関係づけるといった画像処理を採用することができる。
例えば、図３（ｂ）のパターン２２ａ、２２ｂに対応する加工が行われている場合には、正常な加工時には、それ以外の領域で可動ミラー面４ａがオフ状態ミラー４Ｂとなっているから、第２撮像素子１２ではパターン２２ａ、２２ｂを反転したパターン４４（図４（ａ）参照）が得られる。逆にパターン４４が得られると、パターン４４に対応する位置の可動ミラー面４ａがオフ状態ミラー４Ｂであると判定される。
コントローラ１４は、レーザ加工装置５０の全体制御を行うための制御部であり、第１画像処理部１９、第２画像処理部１３、レーザ光源１、アクチュエータドライバ１５にそれぞれ電気的に接続されている。
コントローラ１４の主要な制御は、発光制御、偏向動作検出制御、および照射領域移動制御からなる。
コントローラ１４の主要な制御は、発光制御、偏向動作検出制御、および照射領域移動制御からなる。
発光制御は、試料９を加工するために必要なレーザパワー（光出力）で点灯する加工モードと、試料９にレーザビーム２が到達しても試料９に変化を起こさない程度の低出力で発光する事前発光モードとが切り替えられるようになっている。
加工モードでは、例えばピーク出力がＰ２で発振周期が数ｎｓｅｃ程度のパルス発振を行うように発光制御される。
事前発光モードでは、例えばピーク出力がＰ１で同様なパルス発振を行うように発光制御される。
加工モードでは、例えばピーク出力がＰ２で発振周期が数ｎｓｅｃ程度のパルス発振を行うように発光制御される。
事前発光モードでは、例えばピーク出力がＰ１で同様なパルス発振を行うように発光制御される。
偏向動作検出制御は、本実施形態では、データ１０２とデータ１０４とを比較して、ＤＭＤ４の偏向動作状態を判定し、偏向動作不良を検出した場合に照射領域移動制御を行う制御である。このため本実施形態のコントローラ１４は、偏向動作検出手段を兼ねている。
照射領域移動制御は、アクチュエータドライバ１５を介して２軸変位アクチュエータ１６を駆動し、ＤＭＤ４を可動ミラー配列面４ｂの面内に沿って２次元移動する制御である。
２軸変位アクチュエータ１６は、ＤＭＤ４を可動ミラー配列面４ｂに沿う平面内で、可動ミラー面４ａの傾斜角をレーザビーム２に対して変えないように移動するための移動手段であり、アクチュエータドライバ１５から移動制御信号１１４を受信することにより２軸方向に駆動されるものである。移動方向の最小移動量は、少なくとも可動ミラー面４ａの１個分の単位を正確に移動できるように設定される。
アクチュエータの種類は適宜のものを採用できる。例えば、ボールねじ送り機構やリニアモータなどにより１軸方向に駆動されるアクチュエータを組み合わせた機構を採用することができる。
２軸変位アクチュエータ１６は、ＤＭＤ４を可動ミラー配列面４ｂに沿う平面内で、可動ミラー面４ａの傾斜角をレーザビーム２に対して変えないように移動するための移動手段であり、アクチュエータドライバ１５から移動制御信号１１４を受信することにより２軸方向に駆動されるものである。移動方向の最小移動量は、少なくとも可動ミラー面４ａの１個分の単位を正確に移動できるように設定される。
アクチュエータの種類は適宜のものを採用できる。例えば、ボールねじ送り機構やリニアモータなどにより１軸方向に駆動されるアクチュエータを組み合わせた機構を採用することができる。
アクチュエータドライバ１５は、コントローラ１４からの制御信号１００に応じて、２軸変位アクチュエータ１６を駆動するための移動制御信号１１４を生成するドライバである。
本実施形態のレーザ加工装置５０の動作について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置のレーザパワーの制御について説明するためのグラフである。横軸は時間を表し、縦軸はレーザパワーを表す。
レーザ加工装置５０により加工を行うには、不図示の電源スイッチを投入して適宜の初期化を行い、試料９をセットする。
ＤＭＤ４は、初期化されると、各可動ミラー面４ａの傾斜角が図２に示すφＢにセットされ、オフ状態ミラー４Ｂに設定される。
可視光照明部８が点灯されると、図１に示すように、照明光が試料９により反射され、可視光からなる照明反射光２０が対物レンズ７により集光される。そして、波長選択ミラー６で略１００％反射されて、撮像光学系１７に入射され、第１撮像素子１８の撮像面に試料９の像が結像される。
第１撮像素子１８から画像データ１０５が第１画像処理部１９に送出され、試料９の画像から、加工すべき部位の情報が得られる。
図５は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置のレーザパワーの制御について説明するためのグラフである。横軸は時間を表し、縦軸はレーザパワーを表す。
レーザ加工装置５０により加工を行うには、不図示の電源スイッチを投入して適宜の初期化を行い、試料９をセットする。
ＤＭＤ４は、初期化されると、各可動ミラー面４ａの傾斜角が図２に示すφＢにセットされ、オフ状態ミラー４Ｂに設定される。
可視光照明部８が点灯されると、図１に示すように、照明光が試料９により反射され、可視光からなる照明反射光２０が対物レンズ７により集光される。そして、波長選択ミラー６で略１００％反射されて、撮像光学系１７に入射され、第１撮像素子１８の撮像面に試料９の像が結像される。
第１撮像素子１８から画像データ１０５が第１画像処理部１９に送出され、試料９の画像から、加工すべき部位の情報が得られる。
図３（ｂ）に示すパターン２２ａ、２２ｂの画像が得られ、第１画像処理部１９に記憶されている情報から、領域２３ａ、２３ｂが加工不良部と判定されたとする。
例えば、試料９が電子回路を形成するためにガラス基板上にマスクされたフォトレジスト膜である場合には、加工不良部は、回路パターンのショート部やはみ出してしまった不要なパターンとなっている。そこで、加工不良部を加熱・昇華するなどの加工を行って、パターン２２ａ、２２ｂのショート部や不要なパターンを消滅させる必要がある。
そこで、第１画像処理部１９は、領域２３ａ、２３ｂにレーザビーム２Ａを照射するために、これらの領域に対応する可動ミラー面４ａをオン状態ミラー４Ａとするような制御信号１０６をＤＭＤ４に送出する。そして、オン状態ミラー４Ａの設定情報をデータ１０２として、コントローラ１４に送出する。
以下、オン状態ミラー４Ａとされる可動ミラー面４ａは、図３（ａ）における可動ミラー面４Ｃ、４Ｄであるとして説明する。
例えば、試料９が電子回路を形成するためにガラス基板上にマスクされたフォトレジスト膜である場合には、加工不良部は、回路パターンのショート部やはみ出してしまった不要なパターンとなっている。そこで、加工不良部を加熱・昇華するなどの加工を行って、パターン２２ａ、２２ｂのショート部や不要なパターンを消滅させる必要がある。
そこで、第１画像処理部１９は、領域２３ａ、２３ｂにレーザビーム２Ａを照射するために、これらの領域に対応する可動ミラー面４ａをオン状態ミラー４Ａとするような制御信号１０６をＤＭＤ４に送出する。そして、オン状態ミラー４Ａの設定情報をデータ１０２として、コントローラ１４に送出する。
以下、オン状態ミラー４Ａとされる可動ミラー面４ａは、図３（ａ）における可動ミラー面４Ｃ、４Ｄであるとして説明する。
ＤＭＤ４は、制御信号１０６を受けると可動ミラー面４Ｃ、４Ｄを傾斜角φＡにセットし、オン状態ミラー４Ａとする。ここで可動ミラー面４Ｃが寿命に達しており、動作不良を起こし正しい傾斜角に制御されないものとする。
一方、レーザ光源１は、コントローラ１４によりレーザビーム２を点灯するが、図５に曲線２００で示すように、時刻Ｔ２以前では、事前発光モードとされるのでピーク出力Ｐ１で点灯される。
レーザビーム２は、照明光学系３により断面強度が均一となるように整形されてＤＭＤ４に照射される。例えば、図３（ａ）に示す照射領域２４Ａに照射される。
そして、各可動ミラー面４ａの傾斜角に応じてレーザビーム２Ａ、２Ｂに分割される。本例では、可動ミラー面４Ｃは動作不良を起こし、オフ状態ミラー４Ｂとなっている。
可動ミラー面４Ｄは、正常に動作するので、オン状態ミラー４Ａにセットされている。
レーザビーム２は、照明光学系３により断面強度が均一となるように整形されてＤＭＤ４に照射される。例えば、図３（ａ）に示す照射領域２４Ａに照射される。
そして、各可動ミラー面４ａの傾斜角に応じてレーザビーム２Ａ、２Ｂに分割される。本例では、可動ミラー面４Ｃは動作不良を起こし、オフ状態ミラー４Ｂとなっている。
可動ミラー面４Ｄは、正常に動作するので、オン状態ミラー４Ａにセットされている。
したがって、可動ミラー面４Ｄにより偏向されたレーザビーム２Ａは、集光レンズ５により集光され、波長選択ミラー６を略１００％透過して、対物レンズ７により集光され、試料９上に到達し、図３（ｂ）の領域２３ｂに照射される。ただし、事前発光モードのレーザパワーは、試料９に変化を与えるピーク出力Ｐ０より低いピーク出力Ｐ１とされているので、試料９が加工されたりダメージを受けたりすることはない。
一方、オフ状態ミラー４Ｂにより反射されたレーザビーム２Ｂは、リレー光学系１０、減衰フィルタ１１を透過して第２撮像素子１２上に投影され、例えば、図４（ｂ）に示すパターン４５のような像が撮像され、画像データ１０３として第２画像処理部１３に送出される。
第２画像処理部１３は、この画像を画像処理して、オフ状態ミラー４Ｂとなっている可動ミラー面４ａを特定し、データ１０４としてコントローラ１４に送出する。
コントローラ１４では、データ１０２とデータ１０４とを比較することにより、オン状態ミラー４Ａになっているべき領域４６に相当する可動ミラー面４Ｃが動作不良を起こしていると判定される（偏向動作検出制御）。
第２画像処理部１３は、この画像を画像処理して、オフ状態ミラー４Ｂとなっている可動ミラー面４ａを特定し、データ１０４としてコントローラ１４に送出する。
コントローラ１４では、データ１０２とデータ１０４とを比較することにより、オン状態ミラー４Ａになっているべき領域４６に相当する可動ミラー面４Ｃが動作不良を起こしていると判定される（偏向動作検出制御）。
このような判定の結果、コントローラ１４は、照射領域移動制御を行う。すなわち、制御信号１００をアクチュエータドライバ１５に送出して、２軸変位アクチュエータ１６を２次元移動させ、ＤＭＤ４に対するレーザビーム２の照射領域２４Ａを移動する。
移動方向、移動量は、検出された動作不良部分が除かれればどのように設定してもよい。例えば、図３（ａ）のように、ｘ方向に可動ミラー面４ａの２個分だけ移動した照射領域２４Ｂを採用してもよいし、同じくｙ方向に２個分だけ移動した照射領域２４Ｃとしてもよいし、ｘ、ｙ方向にそれぞれ２個分ずつ移動した照射領域２４Ｄとしてもよい。
そして、上記の工程を繰り返し、オフ状態ミラー４Ｂの状態が正常となると、事前発光動作を終了し、コントローラ１４は、レーザ光源１に制御信号１０１を送出し、ピーク出力Ｐ２で発光させる加工モードの発光制御を行い、加工工程を開始する。
加工工程では、図３（ｂ）の領域２３ａ、２３ｂが加熱・昇華され、パターン２２ａ、２２ｂが正常に修復される。
移動方向、移動量は、検出された動作不良部分が除かれればどのように設定してもよい。例えば、図３（ａ）のように、ｘ方向に可動ミラー面４ａの２個分だけ移動した照射領域２４Ｂを採用してもよいし、同じくｙ方向に２個分だけ移動した照射領域２４Ｃとしてもよいし、ｘ、ｙ方向にそれぞれ２個分ずつ移動した照射領域２４Ｄとしてもよい。
そして、上記の工程を繰り返し、オフ状態ミラー４Ｂの状態が正常となると、事前発光動作を終了し、コントローラ１４は、レーザ光源１に制御信号１０１を送出し、ピーク出力Ｐ２で発光させる加工モードの発光制御を行い、加工工程を開始する。
加工工程では、図３（ｂ）の領域２３ａ、２３ｂが加熱・昇華され、パターン２２ａ、２２ｂが正常に修復される。
このように本実施形態のレーザ加工装置５０によれば、事前発光モードにおいてレーザビーム２Ｂによる画像を撮像することにより、可動ミラー面４ａの偏向動作状態を検出し、オフ状態ミラー４Ｂとなるべき可動ミラー面４ａが劣化していないかどうか判定することができる。そして、劣化していると判定された場合、正常な偏向動作状態となるまで照射領域を移動させることができる。そして、その後に加工モードに入るので、被加工物の破壊につながるような加工上の不具合を防止することができる。
なお、本実施形態では、オフ状態ミラー４Ｂとなるべき可動ミラー面４ａの偏向動作状態を直接的に検出しているので、オフ状態ミラー４Ｂとなるべき可動ミラー面４ａが検出されなければ、その可動ミラー面４ａにより加工すべきでない部位が誤って破壊されることはない。そして、偏向動作の劣化により傾斜角がオン状態ミラー４Ａの角度に固定されてしまう場合には、オフ状態ミラー４Ｂ以外の可動ミラー面４ａはオン状態ミラー４Ａとなるので、加工が正常に行われるかどうかを検出しているのと同等となっている。したがって、可動ミラー面４ａの偏向動作を直接的に検出しない場合に比べて、加工の信頼性が向上しているものである。
しかしながら、偏向動作の劣化により可動ミラー面４ａが傾斜角φＡ、φＢ以外の角度を取る場合には、オン状態ミラー４Ａとなるべき可動ミラー面４ａが正確に加工すべき部位に照射されないため加工不良となる可能性がある。
そこで、加工後に試料９の画像を取得し、もし加工が正常に行われていないときは、オン状態ミラー４Ａとなるべき可動ミラー面４ａに不良が発生したと判定して、照射領域移動制御を行って再加工を試みるようにする。
しかしながら、偏向動作の劣化により可動ミラー面４ａが傾斜角φＡ、φＢ以外の角度を取る場合には、オン状態ミラー４Ａとなるべき可動ミラー面４ａが正確に加工すべき部位に照射されないため加工不良となる可能性がある。
そこで、加工後に試料９の画像を取得し、もし加工が正常に行われていないときは、オン状態ミラー４Ａとなるべき可動ミラー面４ａに不良が発生したと判定して、照射領域移動制御を行って再加工を試みるようにする。
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式的な構成説明図である。図７は、本発明の第２の実施形態の光分岐素子の分光特性について説明するための模式的なグラフである。横軸は波長を、縦軸は反射率を表す。
本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式的な構成説明図である。図７は、本発明の第２の実施形態の光分岐素子の分光特性について説明するための模式的なグラフである。横軸は波長を、縦軸は反射率を表す。
本実施形態のレーザ加工装置５１は、照明反射光２０を撮像する撮像素子と、レーザビーム２Ｂを撮像する撮像素子とを共通化できるように検出光学系を構成したものである。すなわち、図６に示すように、第１の実施形態のレーザ加工装置５０の波長選択ミラー６に代えて波長選択ミラー３１を備え、第１撮像素子１８、第１画像処理部１９に代えて撮像素子２５、画像処理部２６を備え、リレー光学系１０、減衰フィルタ１１に代えて結像レンズ２８、ミラー２９、減衰フィルタ３０、バンドパスフィルタ３２を備え、第２撮像素子１２と第２画像処理部１３とを削除したものである。
以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
波長選択ミラー３１は、照明反射光２０を撮像光学系１７に導くための光分岐素子であり、図７に示す曲線２０２のように、レーザ光源１の波長域である比較的短波長域の光、すなわちＹＡＧレーザの第２、３、４高調波（図示の波長λ２，λ３、λ４に対応）などの可視域から紫外域にかけての短波長域の光を透過し、可視光照明部８の比較的長波長の可視波長域の光を反射するような波長選択性を有する半透過膜を備える。
このような波長選択ミラー３１は、例えば、誘電体多層膜をガラスなどの基板に蒸着したものを採用することができる。
ここで、図７（ａ）の曲線２０２ではいわゆるショートパスの特性となっている。また、曲線２０２ａ（二点鎖線）に示すようなマルチバンドパス特性としてもよい。また、ＹＡＧレーザの高調波のみを透過するようなバンドパス特性としてもよい（図７（ｂ））。この場合、Ｓ／Ｎ比をより向上することができるという利点がある。
このような波長選択ミラー３１は、例えば、誘電体多層膜をガラスなどの基板に蒸着したものを採用することができる。
ここで、図７（ａ）の曲線２０２ではいわゆるショートパスの特性となっている。また、曲線２０２ａ（二点鎖線）に示すようなマルチバンドパス特性としてもよい。また、ＹＡＧレーザの高調波のみを透過するようなバンドパス特性としてもよい（図７（ｂ））。この場合、Ｓ／Ｎ比をより向上することができるという利点がある。
撮像素子２５は、撮像光学系１７の結像面に撮像面が配置された、例えばＣＣＤなどからなる撮像素子である。そして画像処理部２６と電気的に接続され、撮像光学系１７により投影された像を光電変換し、画像データ１０８としてコントローラ１４に送出できるようになっている。
本実施形態では、撮像光学系１７にレーザビーム２Ｂと照明反射光２０とが入射できるようになっているので、撮像素子２５としては、レーザビーム２Ｂと照明反射光２０とにそれぞれ感度を有する素子が採用される。
本実施形態では、撮像光学系１７にレーザビーム２Ｂと照明反射光２０とが入射できるようになっているので、撮像素子２５としては、レーザビーム２Ｂと照明反射光２０とにそれぞれ感度を有する素子が採用される。
画像処理部２６は、第１の実施形態の第１画像処理部１９の画像処理と第２画像処理部１３の画像処理とを行うことができ、画像データ１０７が照明反射光２０の画像であるかレーザビーム２Ｂの画像であるかに応じてそれぞれの画像処理を切り替えられるようになっている。そして、ＤＭＤ４とコントローラ２７とに電気的に接続されている。
すなわち、画像データ１０７が照明反射光２０の画像である場合、試料９上の加工が必要な部位の位置を算出し、制御信号１０６をＤＭＤ４に送出する。
また、画像データ１０７がレーザビーム２Ｂの画像である場合、各可動ミラー面４ａのうちオフ状態ミラー４Ｂとなっているものを特定して、データ１０８を生成し、コントローラ１４に送出する。
すなわち、画像データ１０７が照明反射光２０の画像である場合、試料９上の加工が必要な部位の位置を算出し、制御信号１０６をＤＭＤ４に送出する。
また、画像データ１０７がレーザビーム２Ｂの画像である場合、各可動ミラー面４ａのうちオフ状態ミラー４Ｂとなっているものを特定して、データ１０８を生成し、コントローラ１４に送出する。
結像レンズ２８は、可動ミラー面４ａと撮像素子２５の撮像面とを共役の関係とするための光学素子である。
ミラー２９は、レーザビーム２Ｂの光路を折り曲げて波長選択ミラー３１に入射させ撮像光学系１７に導くためのものである。
ミラー２９と波長選択ミラー３１との間には、レーザビーム２Ｂの光量を撮像素子２５の感度に対して最適化するための減衰フィルタ３０が配置されている。減衰フィルタ３０としては、第１の実施形態の減衰フィルタ１１と同様の構成のフィルタを採用することができる。
ミラー２９は、レーザビーム２Ｂの光路を折り曲げて波長選択ミラー３１に入射させ撮像光学系１７に導くためのものである。
ミラー２９と波長選択ミラー３１との間には、レーザビーム２Ｂの光量を撮像素子２５の感度に対して最適化するための減衰フィルタ３０が配置されている。減衰フィルタ３０としては、第１の実施形態の減衰フィルタ１１と同様の構成のフィルタを採用することができる。
バンドパスフィルタ３２は、撮像光学系１７に入射する光を波長により選別するための手段であり、レーザビーム２Ｂの波長光を透過させ、照明反射光２０を略吸収または反射するような波長特性を有するフィルタから構成される。そして、撮像光学系１７の入射口に進退可能に設けられている。
バンドパスフィルタ３２の進退は、適宜のアクチュエータなどからなる進退手段（不図示）により行われ、その進退を制御する制御信号が画像処理部２６に送出されるようになっている。そのため、画像処理部２６では、この制御信号とレーザ光源１の点灯の有無とを検知することにより、画像データ１０７がレーザビーム２Ｂの画像であるか、照明反射光２０の画像であるかが判別できるようになっている。
バンドパスフィルタ３２の進退は、適宜のアクチュエータなどからなる進退手段（不図示）により行われ、その進退を制御する制御信号が画像処理部２６に送出されるようになっている。そのため、画像処理部２６では、この制御信号とレーザ光源１の点灯の有無とを検知することにより、画像データ１０７がレーザビーム２Ｂの画像であるか、照明反射光２０の画像であるかが判別できるようになっている。
本実施形態では、結像レンズ２８、ミラー２９、波長選択ミラー３１、バンドパスフィルタ３２、撮像光学系１７は、検出光学系を構成している。
本実施形態のレーザ加工装置５１によれば、ＤＭＤ４に入射されたレーザビーム２が、可動ミラー面４ａにより反射され、レーザビーム２Ａは、集光レンズ５により集光され、波長選択ミラー３１を透過して、対物レンズ７により試料９上の適宜位置に投射されて試料９を加工できるようになっている。
また、レーザビーム２Ｂは、結像レンズ２８により集光され、ミラー２９で反射され、減衰フィルタ３０により光量が減衰された状態で波長選択ミラー３１を透過し、バンドパスフィルタ３２を透過して撮像光学系１７に入射する。そして、撮像素子２５により撮像され、レーザビーム２Ｂの画像が画像データ１０７として画像処理部２６に送出される。
画像処理部２６は、画像データ１０７からオフ状態ミラー４Ｂの情報をデータ１０８として、コントローラ１４に送出する。
また、レーザビーム２Ｂは、結像レンズ２８により集光され、ミラー２９で反射され、減衰フィルタ３０により光量が減衰された状態で波長選択ミラー３１を透過し、バンドパスフィルタ３２を透過して撮像光学系１７に入射する。そして、撮像素子２５により撮像され、レーザビーム２Ｂの画像が画像データ１０７として画像処理部２６に送出される。
画像処理部２６は、画像データ１０７からオフ状態ミラー４Ｂの情報をデータ１０８として、コントローラ１４に送出する。
一方、照明反射光２０は、対物レンズ７により集光され、波長選択ミラー３１により反射されて、撮像光学系１７に向かう。
バンドパスフィルタ３２が光路中に進出している場合、照明反射光２０は、バンドパスフィルタ３２で反射または吸収されるので、撮像素子２５では、実質的にレーザビーム２Ｂによる像のみが撮像される。
レーザビーム２の発光が停止されるとともにバンドパスフィルタ３２が光路中から退避している場合、照明反射光２０は撮像光学系１７に入射され、撮像素子２５により照明反射光２０の像が撮像される。したがって試料９の像が画像データ１０７として画像処理部２６に送られる。そして、画像処理部２６により、試料９上の加工が必要な部位の位置を算出し、その情報をデータ１０８としてコントローラ１４に送出する。
バンドパスフィルタ３２が光路中に進出している場合、照明反射光２０は、バンドパスフィルタ３２で反射または吸収されるので、撮像素子２５では、実質的にレーザビーム２Ｂによる像のみが撮像される。
レーザビーム２の発光が停止されるとともにバンドパスフィルタ３２が光路中から退避している場合、照明反射光２０は撮像光学系１７に入射され、撮像素子２５により照明反射光２０の像が撮像される。したがって試料９の像が画像データ１０７として画像処理部２６に送られる。そして、画像処理部２６により、試料９上の加工が必要な部位の位置を算出し、その情報をデータ１０８としてコントローラ１４に送出する。
コントローラ１４は、偏向動作検出制御を行い、データ１０８によりオフ状態ミラー４Ｂの分布から正常な偏向動作がなされていると判断されれば、加工工程を開始する。また、オフ状態ミラー４Ｂの分布に異常が検出されれば、照射領域移動制御を行い、アクチュエータドライバ１５を介して２軸変位アクチュエータ１６を駆動し、ＤＭＤ４を移動し、加工可能となるまで、これらの制御を繰り返す。
本実施形態のレーザ加工装置５１によれば、試料９上の画像とレーザビーム２Ｂの画像とを取得する手段として撮像光学系１７、撮像素子２５を兼用する構成とするので、簡素かつ安価な装置とすることができるという利点がある。
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式的な構成説明図である。
本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式的な構成説明図である。
本実施形態のレーザ加工装置５２は、光源部として、被加工物を加工するためのレーザビーム２（加工用レーザビーム）を形成するレーザ光源１（加工ビーム光源部）に加えて、微小ミラーアレイの偏向動作を検出するための検出用レーザビームを形成する検出ビーム光源部とを設けた構成を有するものである。すなわち、図８に示すように、第２の実施形態のレーザ加工装置５１に参照レーザ光源３４（検出ビーム光源部）、合波手段３５を追加し、波長選択ミラー３１、バンドパスフィルタ３２、撮像素子２５、コントローラ１４に代えて、波長選択ミラー３７（光分岐素子）、色フィルタ３８、撮像素子３９、コントローラ４１（発光制御手段）を設け、結像レンズ２８、ミラー２９、減衰フィルタ３０を削除したものである。
このような構成により、レーザビーム２に代えて、可視域の参照レーザビーム４０（検出用レーザビーム）を用いてオン状態ミラー４Ａの動作を検出することによりＤＭＤ４の偏向動作を検出できるようになっている。そして、検出光学系は、照明反射光２０を撮像する撮像素子と参照レーザビーム４０を撮像する撮像素子とが共通化できるように構成されている。
このような構成により、レーザビーム２に代えて、可視域の参照レーザビーム４０（検出用レーザビーム）を用いてオン状態ミラー４Ａの動作を検出することによりＤＭＤ４の偏向動作を検出できるようになっている。そして、検出光学系は、照明反射光２０を撮像する撮像素子と参照レーザビーム４０を撮像する撮像素子とが共通化できるように構成されている。
ただし、本実施形態では、試料９が参照レーザビーム４０を反射する被加工物であるとする。通常のレーザ加工の用途では、このような条件は満たされているものである。
なお、図８では、波長選択ミラー３７により反射される光路の方向が図６とは反対向きに描かれているが、これは模式図の作図上の都合によるものであり、反射光が撮像光学系に入射できれば本質的には図６と同じでもよいし異なっていてもよい。紙面垂直方向に９０°異なるミラーが配置されていて試料観察時と動作判定時とで移動切り替えしたり、ミラー面を９０°回転させたりしてもよい。
以下、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
なお、図８では、波長選択ミラー３７により反射される光路の方向が図６とは反対向きに描かれているが、これは模式図の作図上の都合によるものであり、反射光が撮像光学系に入射できれば本質的には図６と同じでもよいし異なっていてもよい。紙面垂直方向に９０°異なるミラーが配置されていて試料観察時と動作判定時とで移動切り替えしたり、ミラー面を９０°回転させたりしてもよい。
以下、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
参照レーザ光源３４は、ＤＭＤ４の偏向動作を検出するために、試料９を加工したり損傷を与えたりしない程度の低出力で発光できるようにした可視波長域のレーザ光源である。例えば、波長６５０ｎｍのレーザダイオード（ＬＤ）をコリメートしたレーザ光源などを採用することができる。このような構成とすることで、低出力発光が可能、かつ安価なレーザ光源とすることができる。
合波手段３５は、参照レーザ光源３４から出射された参照レーザビーム４０をレーザビーム２の光路に合波して照明光学系３の光軸上に入射させるためのものである。例えば、参照レーザビーム４０を反射し、レーザビーム２を透過させるダイクロイックハーフミラーやダイクロイックミラーを採用することができる。
レーザビーム２と合波された参照レーザビーム４０は、レーザビーム２と同様の光路を進み、可動ミラー面４ａに照射され、オン状態ミラー４Ａで反射されたレーザビームが参照レーザビーム４０Ａとして、投射光学系に入射するようになっている。
レーザビーム２と合波された参照レーザビーム４０は、レーザビーム２と同様の光路を進み、可動ミラー面４ａに照射され、オン状態ミラー４Ａで反射されたレーザビームが参照レーザビーム４０Ａとして、投射光学系に入射するようになっている。
波長選択ミラー３７は、参照レーザビーム４０Ａおよび照明反射光２０の波長域を含む可視波長域の光の一部を反射し、レーザビーム２の波長域の光を透過させるための光分岐素子である。例えば、前者を反射率５０％、透過率５０％で反射・透過させ、後者を略１００％透過させるような分光特性を有するハーフミラーを採用することができる。
色フィルタ３８は、波長選択ミラー３７によりレーザビーム２Ａが多少反射されたとしても、参照レーザビーム４０Ａとレーザビーム２Ａとの分離を確実に行うことができるように、参照レーザビーム４０Ａの波長域の光のみを透過させるようにした光学的干渉フィルタである。そして、第２の実施形態のバンドパスフィルタ３２と同様に光路への進退が可能とされている。
色フィルタ３８は、波長選択ミラー３７によりレーザビーム２Ａが多少反射されたとしても、参照レーザビーム４０Ａとレーザビーム２Ａとの分離を確実に行うことができるように、参照レーザビーム４０Ａの波長域の光のみを透過させるようにした光学的干渉フィルタである。そして、第２の実施形態のバンドパスフィルタ３２と同様に光路への進退が可能とされている。
撮像素子３９は、撮像素子２５と同様の、例えばＣＣＤなどからなる撮像素子であり、画像処理部２６と電気的に接続され、撮像光学系１７により投影された像を光電変換するためのものである。
ただし、本実施形態では、撮像光学系１７に参照レーザビーム４０Ａと照明反射光２０とが入射できるようになっているので、参照レーザビーム４０Ａと照明反射光２０とにそれぞれ感度を有するものが採用される。つまり、可視波長域のみに感度を有する撮像素子を採用することができる。したがって、波長選択ミラー３７、色フィルタ３８、撮像光学系１７、表示制御部３９、画像処理部２６から構成される撮像部３６は、試料９を可視光照明して試料９の表面を観察するために用いられる構成をそのまま採用することができる。
そして、光電変換されたデータは画像データ１１０として、参照レーザビーム４０Ａの画像か照明反射光２０の画像かを区別できる状態で画像処理部２６に送出できるようになっている。
ただし、本実施形態では、撮像光学系１７に参照レーザビーム４０Ａと照明反射光２０とが入射できるようになっているので、参照レーザビーム４０Ａと照明反射光２０とにそれぞれ感度を有するものが採用される。つまり、可視波長域のみに感度を有する撮像素子を採用することができる。したがって、波長選択ミラー３７、色フィルタ３８、撮像光学系１７、表示制御部３９、画像処理部２６から構成される撮像部３６は、試料９を可視光照明して試料９の表面を観察するために用いられる構成をそのまま採用することができる。
そして、光電変換されたデータは画像データ１１０として、参照レーザビーム４０Ａの画像か照明反射光２０の画像かを区別できる状態で画像処理部２６に送出できるようになっている。
画像処理部２６は、第２の実施形態と同様の構成を採用することができるが、画像処理部２６から送出される画像データ１１０が参照レーザビーム４０Ａの画像であるとき、その画像がオン状態ミラー４Ａの画像であるとして偏向動作を判定して、データ１０８を送出する点が異なっている。
コントローラ４１は、コントローラ１４と同様に動作するもので、発光制御、偏向動作検出制御、照射領域移動制御を行うことができる。ただし、発光制御としては、制御信号１１３を参照レーザ光源３４に送出することにより、参照レーザ光源３４の点灯・消灯・変調制御も行えるようになっている。
コントローラ４１は、コントローラ１４と同様に動作するもので、発光制御、偏向動作検出制御、照射領域移動制御を行うことができる。ただし、発光制御としては、制御信号１１３を参照レーザ光源３４に送出することにより、参照レーザ光源３４の点灯・消灯・変調制御も行えるようになっている。
本実施形態のレーザ加工装置５２によれば、レーザビーム２は、レーザビーム２Ａとして、投射光学系に入射され、波長選択ミラー３７を透過して試料９に導かれるので、試料９の加工を行うことができる。
一方、参照レーザ光源３４から出射された参照レーザビーム４０は、合波手段３５によりレーザビーム２と同軸上に合波され、照明光学系３により可動ミラー面４ａ上に照射される。そして、オン状態ミラー４Ａにより反射された参照レーザビーム４０Ａが、集光レンズ５に入射され、波長選択ミラー３７で一部、例えば５０％が透過して、対物レンズ７により試料９上に投射される。そして、試料９からの反射光が対物レンズ７により集光され光路を逆進し、波長選択ミラー３７で一部、例えば５０％が反射され、色フィルタ３８を透過して撮像光学系１７に入射され、撮像素子３９の撮像面上に結像される。
また、可視光照明部８による照明反射光２０は、対物レンズ７で集光され、参照レーザビーム４０Ａと同様に撮像素子３９の撮像面上に結像される。
このような構成によれば、オン状態ミラー４Ａで反射された参照レーザビーム４０Ａを撮像素子３９により撮像して、画像データ１１０を画像処理部２６に送出するので、画像処理部２６では、参照レーザビーム４０Ａが加工すべき部位にあるかどうかを照明反射光２０の画像と比較することにより、直接的に判定することができる。そのため、可動ミラー面４ａの加工にかかわる偏向動作の状態を確実に判定することができる。
なお偏向動作が不良と判定されれば、第２の実施形態と同様に２軸変位アクチュエータ１６を駆動して、ＤＭＤ４を移動する。
なお偏向動作が不良と判定されれば、第２の実施形態と同様に２軸変位アクチュエータ１６を駆動して、ＤＭＤ４を移動する。
このような偏向動作検出の際、参照レーザビーム４０Ａは、試料９を加工したり損傷を与えたりしない低出力とされるので、加工中に点灯しても加工に影響を与えない。また、参照レーザビーム４０Ａは、波長選択ミラー３７により、実際の加工に用いられるレーザビーム２Ａと分離されるので、レーザビーム２Ａの点灯状態によらず参照レーザビーム４０Ａの画像を取得できる。
そのため、参照レーザ光源３４を加工中に点灯し、参照レーザビーム４０Ａの画像を撮像素子３９により取得することが可能となり、事前発光モードと加工モードとを分けなくてもよいので、迅速な加工が可能となる。
また、加工中も常に偏向動作を監視することが可能となる。そのため、加工の信頼性を向上することができる。
そのため、参照レーザ光源３４を加工中に点灯し、参照レーザビーム４０Ａの画像を撮像素子３９により取得することが可能となり、事前発光モードと加工モードとを分けなくてもよいので、迅速な加工が可能となる。
また、加工中も常に偏向動作を監視することが可能となる。そのため、加工の信頼性を向上することができる。
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
図９は、本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式的な構成説明図である。図１０は、本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置の動作について説明するための微小ミラーアレイの断面説明図である。
本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
図９は、本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式的な構成説明図である。図１０は、本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置の動作について説明するための微小ミラーアレイの断面説明図である。
本実施形態のレーザ加工装置５３は、第３の実施形態と同様に検出ビーム光源を備えるが、検出用レーザビームによりオフ状態ミラー４Ｂの偏向動作状態を検出する点が異なる。つまり、第２の実施形態のレーザビーム２に代えて、可視域の参照レーザビーム４０を用いてオフ状態ミラー４Ｂの動作を検出することによりＤＭＤ４の偏向動作を検出する構成としたものである。そして、検出光学系は、照明反射光２０を撮像する撮像素子と参照レーザビーム４０を撮像する撮像素子とが共通化できるように構成されている。
すなわち、レーザ加工装置５３は、図９に示すように、第２の実施形態のレーザ加工装置５１に参照レーザ光源３４を追加し、波長選択ミラー３１、撮像素子２５、コントローラ１４に代えて、波長選択ミラー４３（光分岐素子）、撮像素子３９、コントローラ４１を設け、結像レンズ２８、ミラー２９、減衰フィルタ３０を削除したものである。
ただし、本実施形態では、試料９が参照レーザビーム４０を反射する被加工物であるとする。通常のレーザ加工の用途では、このような条件は容易に満たされる。
以下、第２、第３の実施形態と異なる点を中心に説明する。
すなわち、レーザ加工装置５３は、図９に示すように、第２の実施形態のレーザ加工装置５１に参照レーザ光源３４を追加し、波長選択ミラー３１、撮像素子２５、コントローラ１４に代えて、波長選択ミラー４３（光分岐素子）、撮像素子３９、コントローラ４１を設け、結像レンズ２８、ミラー２９、減衰フィルタ３０を削除したものである。
ただし、本実施形態では、試料９が参照レーザビーム４０を反射する被加工物であるとする。通常のレーザ加工の用途では、このような条件は容易に満たされる。
以下、第２、第３の実施形態と異なる点を中心に説明する。
参照レーザ光源３４は、参照レーザビーム４０をＤＭＤ４上のレーザビーム２が照射されるのと略同一領域に照射し、可動ミラー面４ａのうち、オフ状態ミラー４Ｂにより反射された参照レーザビーム４０Ｂがレーザビーム２Ａと同軸上を進むように入射角を設定する。
例えば、図１０に示すように、オン状態ミラー４Ａが可動ミラー配列面４ｂに対して傾斜角φＡだけ傾斜され、可動ミラー配列面４ｂに対して入射角θｉで入射したレーザビーム２を可動ミラー配列面４ｂの法線方向に反射し、オフ状態ミラー４Ｂが可動ミラー配列面４ｂに対して傾斜角φＢ（０°を除く）だけ傾斜される場合、上記の式（１）とともに次式を満足させればよい。
θＩ＝２・φＢ （３）
ここで、角度θＩは、参照レーザビーム４０の可動ミラー配列面４ｂに対する入射角である。
例えば、図１０に示すように、オン状態ミラー４Ａが可動ミラー配列面４ｂに対して傾斜角φＡだけ傾斜され、可動ミラー配列面４ｂに対して入射角θｉで入射したレーザビーム２を可動ミラー配列面４ｂの法線方向に反射し、オフ状態ミラー４Ｂが可動ミラー配列面４ｂに対して傾斜角φＢ（０°を除く）だけ傾斜される場合、上記の式（１）とともに次式を満足させればよい。
θＩ＝２・φＢ （３）
ここで、角度θＩは、参照レーザビーム４０の可動ミラー配列面４ｂに対する入射角である。
このとき、入射角θＩが大きくなると、参照レーザビーム４０が可動ミラー配列面４ｂ上で楕円状に照射され、各可動ミラー面４ａに対する参照レーザビーム４０の強度分布の不均一度が高くなる。そのため、本実施形態では、参照レーザ光源３４と可動ミラー配列面４ｂとの間に、参照レーザビーム４０のビーム断面を楕円状として可動ミラー配列面４ｂ上で円状に照射されるようなアナモフィックプリズム４２を設けている。ここで、参照レーザビーム４０の形状をＤＭＤミラー面と同形状とする光学素子を含む構成としてもよい。
このようにすることにより、各オフ状態ミラー４Ｂで反射される参照レーザビーム４０Ｂの光出力が一定となるので、オフ状態ミラー４Ｂの画像を高精度に得ることができるという利点がある。
ただし、入射角θＩが比較的小さく、参照レーザビーム４０の強度分布の不均一度があまり高くない場合は、アナモフィックプリズム４２を省略してもよい。
このようにすることにより、各オフ状態ミラー４Ｂで反射される参照レーザビーム４０Ｂの光出力が一定となるので、オフ状態ミラー４Ｂの画像を高精度に得ることができるという利点がある。
ただし、入射角θＩが比較的小さく、参照レーザビーム４０の強度分布の不均一度があまり高くない場合は、アナモフィックプリズム４２を省略してもよい。
波長選択ミラー４３は、参照レーザビーム４０Ａおよび照明反射光２０の波長域を含む可視波長域の光の一部を反射し、レーザビーム２の波長域の光を透過させるための光分岐素子である。例えば、前者を反射率５０％、透過率５０％で反射・透過させ、後者を略１００％透過させるような分光特性を有するダイクロイックミラーを採用することができる。
本実施形態のレーザ加工装置５３によれば、レーザビーム２は、レーザビーム２Ａとして、投射光学系に入射され、波長選択ミラー４３を透過して試料９に導かれるので、試料９の加工を行うことができる。
一方、参照レーザ光源３４から出射された参照レーザビーム４０は、アナモフィックプリズム４２により楕円断面のレーザビームに変換され、可動ミラー配列面４ｂ状に略円状に照射される。そして、オフ状態ミラー４Ｂにより反射され、レーザビーム２Ａと同軸上を進む。
オフ状態ミラー４Ｂは、集光レンズ５に入射され、波長選択ミラー４３で一部、例えば５０％が透過して、対物レンズ７により試料９上に投射される。そして、試料９からの反射光が対物レンズ７により集光され光路を逆進し、波長選択ミラー４３で一部、例えば５０％が反射され、バンドパスフィルタ３２を透過して撮像光学系１７に入射され、撮像素子３９の撮像面上に結像される。
オフ状態ミラー４Ｂは、集光レンズ５に入射され、波長選択ミラー４３で一部、例えば５０％が透過して、対物レンズ７により試料９上に投射される。そして、試料９からの反射光が対物レンズ７により集光され光路を逆進し、波長選択ミラー４３で一部、例えば５０％が反射され、バンドパスフィルタ３２を透過して撮像光学系１７に入射され、撮像素子３９の撮像面上に結像される。
また、可視光照明部８による照明反射光２０は、対物レンズ７で集光され、参照レーザビーム４０Ｂと同様に撮像素子３９の撮像面上に結像される。
このような構成によれば、オフ状態ミラー４Ｂで反射された参照レーザビーム４０Ｂを撮像素子３９により撮像して、画像データ１０７を画像処理部２６に送出するので、画像処理部２６では、オフ状態ミラー４Ｂとなるべき可動ミラー面４ａが動作不良を起こすことにより、加工領域に到来してはならないレーザビームが到達する恐れがないかどうか、参照レーザビーム４０Ｂの画像を照明反射光２０の画像と比較することにより判定することができる。そのため、加工領域を破損する恐れのある可動ミラー面４ａの偏向動作不良を判定することができる。
なお偏向動作が不良と判定されれば、第２の実施形態と同様に２軸変位アクチュエータ１６を駆動して、ＤＭＤ４を移動する。
なお偏向動作が不良と判定されれば、第２の実施形態と同様に２軸変位アクチュエータ１６を駆動して、ＤＭＤ４を移動する。
このような偏向動作検出の際、参照レーザビーム４０Ｂは、試料９を加工したり損傷を与えない低出力とされるので、参照レーザビーム４０Ｂが試料９上で加工されてはならない領域に照射されても加工されたり破損される恐れはない。また、参照レーザビーム４０Ｂは、波長選択ミラー４３、バンドパスフィルタ３２により、実際の加工に用いられるレーザビーム２Ａと分離されるので、レーザビーム２Ａの点灯状態によらず参照レーザビーム４０Ｂの画像を取得できる。
そのため、参照レーザ光源３４を加工中に点灯し、参照レーザビーム４０Ｂの画像を撮像素子３９により取得することが可能となり、事前発光モードと加工モードとを分けなくてもよいので、迅速な加工が可能となる。
また、加工中も常に偏向動作を監視することが可能となる。そのため、加工の信頼性を向上することができる。
そのため、参照レーザ光源３４を加工中に点灯し、参照レーザビーム４０Ｂの画像を撮像素子３９により取得することが可能となり、事前発光モードと加工モードとを分けなくてもよいので、迅速な加工が可能となる。
また、加工中も常に偏向動作を監視することが可能となる。そのため、加工の信頼性を向上することができる。
なお、上記の説明では、可視光照明部８による試料９の画像を画像処理することにより、加工すべき部位を自動的に判別する例で説明したが、照明反射光２０の画像をモニタなどに出力できるようにして、操作者がモニタ画面を確認しながら、コントローラに加工すべき部位を指示するような構成としてもよい。
また、上記の説明では、可視光照明部８を点灯制御することにより照明反射光２０の照射を制御した例で説明したが、可視光照明部８と試料９との間に、シャッタ機構を設けて照明反射光２０の照射を制御してもよい。
また、上記の説明では、可動ミラー配列面４ｂの法線方向が第１の方向である例で説明したが、第１の方向はこれに限定されないことはいうまでもない。
また、上記の説明では、微小ミラーアレイとして、オン状態ミラーとオフ状態ミラーとがいずれも初期状態に対して傾斜する場合の例で説明したが、いずれか一方の状態が初期状態の傾斜角と同じであってもよい。
また、上記の第２の実施形態の説明では、レーザビーム２Ｂの光路上に減衰フィルタ３０を配置した例で説明したが、バンドパスフィルタ３２のフィルタ特性により光出力を減衰できる場合には、減衰フィルタ３０を省略してもよい。
また、上記の各実施形態の説明では、オフ状態ミラー４Ｂとなるべき可動ミラー面４ａの偏向動作状態またはオン状態ミラー４Ａとなるべき可動ミラー面４ａの偏向動作状態を検出する例で説明したが、上記を組み合わせて両方の偏向動作状態を検出するようにしてもよい。そうすれば加工不良や被加工物の破壊をより確実に防止することができる。
また、上記の説明では、撮像素子に入射する光を波長特性により規制する場合、光学的フィルタを用いた例で説明したが、撮像素子がフルカラー画像を取得できる場合には、撮像データを波長成分に応じて画像処理により電子的にフィルタリングしてもよい。その場合、光学的フィルタを省略できるので、簡素な構成とすることができる。
また、上記の説明では、コントローラが偏向動作検出手段を兼ねる例で説明したが、第２〜４の実施形態の構成のように、画像処理部のみで偏向動作状態を検出できる場合には、画像処理部を偏向動作検出手段として用いてもよい。
また、上記の説明では、微小ミラーアレイの劣化を検出する場合の例で説明したが、本発明では、可動反射面により反射されたレーザビームの像を撮像しているので、レーザビームの像に影響する他の劣化、例えば、可動反射面の反射率や他の光学部品の部分的な透過率の低下として現われる劣化も検出することができる。例えば、ほこりが付着した面に高出力のレーザビームが照射される際に発生する光学部品表面の焼けなどが生じている場合、加工に先立ってそのような劣化を検出することが可能となり、加工不良などの発生を防止することができる。
また、上記の説明では、円形のレーザビームがＤＭＤ面に入射するとしたが、照明光学系３から射出しＤＭＤ４に入射する光の形状が、ＤＭＤ面の使用する領域の形状と略同形状となるによう構成されていてもよい。さらに、その照射光の大きさがＤＭＤ面の一回のレーザ加工に使用する領域とほぼ同じ大きさであることが望ましい。
ＤＭＤ面の使用する領域の形状と略同形状で、かつ、使用する領域とほぼ同じ大きさであることにより、不要な光の照射を減らすことができ、耐用回数を上げることができる。
そのために、特に図示しないが、例えば、照明光学系３が複数の光学素子で構成されている場合、その内部、射出端等にスリットを設ける構成を採用することができる。
また、射出端の形状がＤＭＤ面の使用する領域と同形状とする光学素子を設ける構成を採用してもよい。
特にＤＭＤ面の使用領域の形状が矩形の場合は、同じ矩形形状のカライド型ロットを含む構成を採用することにより、スリットを省略でき、表面反射を起こす面数を減らすことができるので、より低コストでよりロスを少なくＤＭＤ面の使用する領域へ照射できる。
ＤＭＤ面の使用する領域の形状と略同形状で、かつ、使用する領域とほぼ同じ大きさであることにより、不要な光の照射を減らすことができ、耐用回数を上げることができる。
そのために、特に図示しないが、例えば、照明光学系３が複数の光学素子で構成されている場合、その内部、射出端等にスリットを設ける構成を採用することができる。
また、射出端の形状がＤＭＤ面の使用する領域と同形状とする光学素子を設ける構成を採用してもよい。
特にＤＭＤ面の使用領域の形状が矩形の場合は、同じ矩形形状のカライド型ロットを含む構成を採用することにより、スリットを省略でき、表面反射を起こす面数を減らすことができるので、より低コストでよりロスを少なくＤＭＤ面の使用する領域へ照射できる。
１ レーザ光源（光源部）
２、２Ａ、２Ｂ レーザビーム
４ ＤＭＤ（微小ミラーアレイ）
４ａ 可動ミラー面（可動反射面）
４Ａ オン状態ミラー
４Ｂ オフ状態ミラー
５ 集光レンズ（投射光学系）
６、３１ 波長選択ミラー
７ 対物レンズ（投射光学系）
９ 試料
１０ リレー光学系（検出光学系）
１２ 第２撮像素子（撮像素子）
１３ 第２画像処理部（偏向動作検出手段）
１４、４１ コントローラ（露光制御手段）
１６ ２軸変位アクチュエータ（移動手段）
１７ 撮像光学系（検出光学系）
２０ 照明反射光
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ 照射領域
２５ 撮像素子
２８ 結像レンズ（検出光学系）
３４ 参照レーザ光源（検出ビーム光源）
３７、４３ 波長選択ミラー（光分岐素子）
４０、４０Ａ 参照レーザビーム（検出用ビーム光源）
５０、５１、５２、５３ レーザ加工装置
２、２Ａ、２Ｂ レーザビーム
４ ＤＭＤ（微小ミラーアレイ）
４ａ 可動ミラー面（可動反射面）
４Ａ オン状態ミラー
４Ｂ オフ状態ミラー
５ 集光レンズ（投射光学系）
６、３１ 波長選択ミラー
７ 対物レンズ（投射光学系）
９ 試料
１０ リレー光学系（検出光学系）
１２ 第２撮像素子（撮像素子）
１３ 第２画像処理部（偏向動作検出手段）
１４、４１ コントローラ（露光制御手段）
１６ ２軸変位アクチュエータ（移動手段）
１７ 撮像光学系（検出光学系）
２０ 照明反射光
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ 照射領域
２５ 撮像素子
２８ 結像レンズ（検出光学系）
３４ 参照レーザ光源（検出ビーム光源）
３７、４３ 波長選択ミラー（光分岐素子）
４０、４０Ａ 参照レーザビーム（検出用ビーム光源）
５０、５１、５２、５３ レーザ加工装置
Claims (8)
- 光源部から出射されたレーザビームをビーム断面内で複数に分割して選択的に偏向することにより被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、
傾斜角が複数に切り替え可能な複数の可動反射面を有し、該複数の可動反射面に入射する前記光源部から出射されたレーザビームを前記各可動反射面の傾斜角に応じてそれぞれ被加工物に向かう第１の方向または被加工物から離れる第２の方向に偏向できるようにした微小ミラーアレイと、
前記第１の方向に偏向されたレーザビームを前記被加工物上に導く投射光学系と、
前記微小ミラーアレイを撮像する撮像素子と、
前記微小ミラーアレイにより前記第１および第２の方向に偏向されたレーザビームの少なくともいずれかを前記撮像素子に入射させる検出光学系と、
前記検出光学系を通して前記撮像素子により撮像された画像から前記微小ミラーアレイの偏向動作状態を検出する偏向動作検出手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記光源部から出射されたレーザビームの前記微小ミラーアレイに対する照射領域を移動するための移動手段を備え、
前記偏向動作検出手段により検出された前記微小ミラーアレイの偏向動作状態の情報に応じて前記移動手段を駆動することにより前記照射領域を移動できるように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。 - 前記検出光学系が、前記第２の方向へ偏向されるレーザビームを前記撮像素子に導く構成とされたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
- 前記検出光学系が、前記第１の方向へ偏向されるレーザビームを前記撮像素子に導く構成とされたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
- 前記投射光学系が、
前記第１の方向へ偏向された反射ビーム群を被加工物上に投射するとともに前記被加工物により反射された光を集光する対物レンズを備え、
前記検出光学系の一部が前記対物レンズからの光の光路を兼ねる構成としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工装置。 - 前記レーザビームの光出力を加工時と非加工時とで切替制御する発光制御手段を備え、
非加工時に、加工時の光出力より低出力で前記レーザビームを発光する予備発光を行い、
前記偏向動作検出手段が、前記予備発光時に前記撮像素子により撮像された画像に基づいて前記微小ミラーアレイの偏向動作を検出するようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工装置。 - 前記光源部が、
被加工物を加工するための加工用レーザビームを形成する加工ビーム光源部と、
前記微小ミラーアレイの偏向動作を検出するための検出用レーザビームを形成する検出ビーム光源部とからなり、
前記検出光学系が、
前記加工用レーザビームと前記検出用レーザビームとの光路を分岐し、これらレーザビームのうち実質的に前記検出用レーザビームのみを前記撮像素子に導く光分岐素子を備える構成としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ加工装置。 - 前記加工用レーザビームが、
前記微小ミラーアレイの前記傾斜角の１つに応じて前記第１の方向に偏向され、前記投射光学系の光軸上を進むように前記微小ミラーアレイに入射されるとともに、
前記検出用レーザビームが、
前記加工用レーザビームを前記第２の方向に偏向する前記傾斜角の他に応じて、前記投射光学系の光軸上を進むように前記微小ミラーアレイに入射されることを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005039476A JP2006227198A (ja) | 2005-02-16 | 2005-02-16 | レーザ加工装置 |
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| JP2005039476A JP2006227198A (ja) | 2005-02-16 | 2005-02-16 | レーザ加工装置 |
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|---|---|
| JP2006227198A true JP2006227198A (ja) | 2006-08-31 |
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|---|---|---|---|
| JP2005039476A Pending JP2006227198A (ja) | 2005-02-16 | 2005-02-16 | レーザ加工装置 |
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- 2005-02-16 JP JP2005039476A patent/JP2006227198A/ja active Pending
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