JP2008122202A - ビーム観察装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ビームプロファイラ(ビーム観察装置)により、レーザのビームプロファイルの測定だけではなく、強度の測定も可能とする。
【解決手段】レーザ加工装置3に設けられたビーム観察装置1には、レーザを分岐するビームスプリッタ17が備えられている。ビームスプリッタ17で分岐された一方の光がCCDカメラ15に入射され、他方がパワーディテクタ16に入射される。そして、CCDカメラ15によりレーザのビームプロファイルが計測され、レーザの照射形状が画像モニタ20に表示される。また、同時にパワーディテクタ16により、レーザの強度が測定され、出力測定モニタに出力値が表示される。
【選択図】図2
【解決手段】レーザ加工装置3に設けられたビーム観察装置1には、レーザを分岐するビームスプリッタ17が備えられている。ビームスプリッタ17で分岐された一方の光がCCDカメラ15に入射され、他方がパワーディテクタ16に入射される。そして、CCDカメラ15によりレーザのビームプロファイルが計測され、レーザの照射形状が画像モニタ20に表示される。また、同時にパワーディテクタ16により、レーザの強度が測定され、出力測定モニタに出力値が表示される。
【選択図】図2
Description
本発明は、レーザビームの空間的な光強度(ビームプロファイル)の測定と同時にパワーディテクタによるレーザ強度の測定を可能としたビーム観察装置(ビームプロファイラ)に関する。
一般に、レーザにより被加工対象物に各種加工(材料に溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質)を施すレーザ加工装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、非加工対象物の表面の薄膜に微細加工施し、薄膜のパターニングを可能とする技術の開発も行われている。
このようなレーザ加工装置では、特許文献1に示されるように、非加工対象物に対してレーザを結像もしくは集光する光学素子の高さ位置を所定の高さ位置(非加工対象物との距離)に調整する必要がある。すなわち、光学素子の結像や集光の焦点距離に基づいて、光学素子の高さ位置を調整する必要がある。
また、レーザの被加工対象物の被照射面に対する照射形状、すなわち、レーザのビームの断面形状は、例えば、円形や、その他の形状となっており、このようなビームの断面形状(照射形状)やビーム径やビームの断面(照射形状)におけるビーム強度の分布等の空間的なビーム形状や空間的な光強度の分布を測定する装置としてCCD、CMOSセンサ等の撮像素子を備えた撮像手段を有するビームプロファイラが知られており、レーザ加工装置においてもレーザのビームプロファイルとしてビーム断面形状の測定等に用いられている(特許文献2)。
また、非加工対象物の表面の薄膜に微細加工施し、薄膜のパターニングを可能とする技術の開発も行われている。
このようなレーザ加工装置では、特許文献1に示されるように、非加工対象物に対してレーザを結像もしくは集光する光学素子の高さ位置を所定の高さ位置(非加工対象物との距離)に調整する必要がある。すなわち、光学素子の結像や集光の焦点距離に基づいて、光学素子の高さ位置を調整する必要がある。
また、レーザの被加工対象物の被照射面に対する照射形状、すなわち、レーザのビームの断面形状は、例えば、円形や、その他の形状となっており、このようなビームの断面形状(照射形状)やビーム径やビームの断面(照射形状)におけるビーム強度の分布等の空間的なビーム形状や空間的な光強度の分布を測定する装置としてCCD、CMOSセンサ等の撮像素子を備えた撮像手段を有するビームプロファイラが知られており、レーザ加工装置においてもレーザのビームプロファイルとしてビーム断面形状の測定等に用いられている(特許文献2)。
ところで、レーザ加工装置においては、例えば、板状の被加工対象物に対して例えば対物用レンズを介して直角にレーザを照射するとともに、被加工対象物とレーザとを相対的に板状の被加工対象物の板面に沿った方向に相対移動することで、溶接、切断、溝掘り、穴あけ、薄膜へのパターニング等を行うことになる。ここで、パターン形成や溝掘り穴あけ等における深さの調整は、例えば、レーザの照射時間(もしくはレーザの照射位置の移動速度)を調整することにより行われる。
この際に、高精度で加工するには、レーザのビームプロファイルとして例えば被加工対象物表面における照射形状等のビームプロファイルが設定通りで、かつ、レーザの強度が設定通りである必要がある。
さらに、レーザを照射する際に、対物用レンズでレーザを被加工対象物の表面(場合によっては被加工対象物の内部)で結像もしくは集光する必要があり、対物用レンズの焦点位置が正確に合っている必要がある。
これらのことを正確に合わせるために、レーザ加工装置において、1つの装置で1回のレーザ照射により同時にレーザのビームプロファイルと、レーザ強度が測定でき、さらに、対物用光学素子(対物用レンズ)の焦点位置の測定もできる測定装置が求められていた。
この際に、高精度で加工するには、レーザのビームプロファイルとして例えば被加工対象物表面における照射形状等のビームプロファイルが設定通りで、かつ、レーザの強度が設定通りである必要がある。
さらに、レーザを照射する際に、対物用レンズでレーザを被加工対象物の表面(場合によっては被加工対象物の内部)で結像もしくは集光する必要があり、対物用レンズの焦点位置が正確に合っている必要がある。
これらのことを正確に合わせるために、レーザ加工装置において、1つの装置で1回のレーザ照射により同時にレーザのビームプロファイルと、レーザ強度が測定でき、さらに、対物用光学素子(対物用レンズ)の焦点位置の測定もできる測定装置が求められていた。
本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、レーザの強度とビームプロファイル(レーザビームの空間的強度分布を含むレーザビームの照射形状)とを同時に測定可能で、さらに、レーザ用の対物用光学素子の焦点位置の測定も可能なビーム観察装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、レーザビームの空間的な光強度を測定するビーム観察装置であって、前記レーザを分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタに分岐された一方のレーザが入射される撮像手段と、前記ビームスプリッタに分岐された他方のレーザが入射されるパワーディテクタとを備え、前記ビームスプリッタは、レーザの極一部を撮像手段に分岐し、レーザの大部分をパワーディテクタに分岐し、前記撮像手段によりレーザビームの空間的な光強度を測定し、前記パワーディテクタによりレーザ強度を測定することを特徴とする。
請求項1記載の発明においては、レーザのビームプロファイルとしてのレーザビームの空間的な光強度(レーザの照射形状)と、レーザ強度とを同時に測定することが可能となり、レーザの調整を行うためのビームプロファイルとレーザ強度の測定を容易にすることができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1記載のビーム観察装置において、ビームスプリッタに分岐される前のレーザが照射される測定基準面を有するとともに、レーザに対して透明性が高い観察用基板を備え、前記撮像手段の焦点を前記測定基準面に合わせた状態で撮像することを特徴とする。
請求項2に記載の発明によれば、撮像手段で撮像された測定基準面におけるレーザの照射形状(ビームプロファイル)を観察しならが、例えば、レーザの焦点を合わせる(結像させるかもしくは集光させる)ための対物用光学素子の測定基準面に対する距離を変化させ、ビームプロファイルとして測定基準面におけるレーザの照射形状を測定基準面で結像させた状態とする距離か、集光された照射形状が最も小さくなる距離を求める。
これにより、測定基準面に対する対物用光学素子の焦点距離が求められる。なお、対物用光学素子の焦点距離は、例えば、後述のように対物用光学素子をレーザが通過する際の温度変化等で対物用光学阻止が変形することで変化し、正確な焦点距離を求めるためには、測定する必要がある。したがって、請求項2のビーム観察装置によれば、レーザのプロファイルとレーザ強度とともに、レーザの焦点を合わせる対物用光学素子の焦点距離を求めることができる。
すなわち、実際にレーザを照射した場合に、対物光学装置としてのレンズまたはレンズハウジングが加工用のレーザにより加熱され、レンズやレンズハウジングの部分的な熱膨張(熱レンズ歪み)や、レンズ材料の温度変化に起因する屈折率の変化によりレンズの焦点距離が変動してしまうが、実際にレーザを照射してある程度時間経過した状態で、上述のように焦点距離を調整すれば、加工中の熱の影響で焦点距離が変動した状態と同様の状態で焦点距離を合わせることができる。また、加工処理中や前の被加工対象物の加工処理から次の被加工対象物の加工処理の間に上述のように焦点距離を調整することで、熱の影響を受けた焦点距離に対応することができる。
これにより、測定基準面に対する対物用光学素子の焦点距離が求められる。なお、対物用光学素子の焦点距離は、例えば、後述のように対物用光学素子をレーザが通過する際の温度変化等で対物用光学阻止が変形することで変化し、正確な焦点距離を求めるためには、測定する必要がある。したがって、請求項2のビーム観察装置によれば、レーザのプロファイルとレーザ強度とともに、レーザの焦点を合わせる対物用光学素子の焦点距離を求めることができる。
すなわち、実際にレーザを照射した場合に、対物光学装置としてのレンズまたはレンズハウジングが加工用のレーザにより加熱され、レンズやレンズハウジングの部分的な熱膨張(熱レンズ歪み)や、レンズ材料の温度変化に起因する屈折率の変化によりレンズの焦点距離が変動してしまうが、実際にレーザを照射してある程度時間経過した状態で、上述のように焦点距離を調整すれば、加工中の熱の影響で焦点距離が変動した状態と同様の状態で焦点距離を合わせることができる。また、加工処理中や前の被加工対象物の加工処理から次の被加工対象物の加工処理の間に上述のように焦点距離を調整することで、熱の影響を受けた焦点距離に対応することができる。
本発明のレーザ加工装置によれば、レーザのビームプロフィールと、強度を同時に測定可能で、さらに、レーザを被加工対象物上に結像若しくは集光する対物用光学素子の焦点距離も同時に求めることができる。
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明に係るビーム観察装置(ビームプロファイラ装置)1を搭載したレーザ加工装置3の概略構成を示すものである。
レーザ加工装置3は、前記ビーム観察装置1と、X−Yステージ装置4と、図示しないレーザの光源装置と、光源装置から照射されたレーザをX−Yステージ装置4にセットされた被加工対象物5上で結像もしくは集光させる対物用光学素子としての結像(集光)用レンズを備えた対物用光学装置6と、該対物用光学装置6を上下動自在に支持するとともに上下方向(Z軸上)に位置決めするZステージ装置7と、固定点からX−Yステージ装置4上の被加工対象物5等までのZ軸方向に沿った距離としての高さを計測する高さセンサ8とを備える。
図1は、本発明に係るビーム観察装置(ビームプロファイラ装置)1を搭載したレーザ加工装置3の概略構成を示すものである。
レーザ加工装置3は、前記ビーム観察装置1と、X−Yステージ装置4と、図示しないレーザの光源装置と、光源装置から照射されたレーザをX−Yステージ装置4にセットされた被加工対象物5上で結像もしくは集光させる対物用光学素子としての結像(集光)用レンズを備えた対物用光学装置6と、該対物用光学装置6を上下動自在に支持するとともに上下方向(Z軸上)に位置決めするZステージ装置7と、固定点からX−Yステージ装置4上の被加工対象物5等までのZ軸方向に沿った距離としての高さを計測する高さセンサ8とを備える。
光源装置は、例えば、レーザとして、YAGレーザ(波長、1064nm、532nm、355nm、266nm)、CO2レーザ(波長、1.06μm)、エキシマレーザ(波長、308nm、248nm)や、その他の気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、液体レーザ、ファイバーレーザ、薄膜ディスクレーザ等の少なくとも何れか1つを用いることできる。すなわち、被加工対象物の種類や、加工の種類に応じて好適なレーザを使用することができる。なお、レーザ加工装置は、溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質や、薄膜のパターニング、シート材の加工等の少なくとも1つに用いられる。たとえば、レーザ加工装置は、フラットパネルディスプレイのガラス基板や樹脂基板(フィルム)等の透明基板における薄膜のパターニングに用いられるものとしてもよい。
なお、レーザによる微細加工における好適なレーザは、157nm〜1200nmのレーザと、9μm〜11μmの赤外線レーザとである。
なお、レーザによる微細加工における好適なレーザは、157nm〜1200nmのレーザと、9μm〜11μmの赤外線レーザとである。
X−Yステージ装置4は、周知のもので、基本的に板状もしくはシート状の被加工対象物5がセットされるステージ41を有し、このステージ41をX軸方向およびそれに直交するY軸方向に移動させるものであり、ステージ41の移動をコントロール(制御)するX−Yステージ制御装置42を備える。
また、X−Yステージ装置4には、ステージ41を跨ぐように門形状に形成された固定部43が設けられ、この固定部43に、対物用光学装置6を備えたZステージ装置7と、高さセンサ8とが固定されている。
また、X−Yステージ装置4には、ステージ41を跨ぐように門形状に形成された固定部43が設けられ、この固定部43に、対物用光学装置6を備えたZステージ装置7と、高さセンサ8とが固定されている。
そして、対物用光学装置6および高さセンサ8は、ステージ41をX−Yステージ装置4における移動可能範囲内で移動させることで、ステージ41に固定される被加工対象物5の上面全体およびビーム観察装置1の後述の少なくとも測定基準面13の真上に配置可能となっている。
対物用光学装置6は、上述のようにレーザを被加工対象物5上で結像もしくは集光させる光学素子としてのレンズ(対物レンズ)もしくはレンズ群を備えた周知のものである。
Zステージ装置7は、対物用光学装置6をX軸方向およびY軸方向に直交するZ軸方向(加工用レーザの照射方向)に移動させるものであり、このZ軸方向の移動により対物用光学装置6(レンズ)と被加工対象物5との距離を調整し、結像もしくは集光用レンズによりレーザを被加工対象物5上に結像もしくは集光させる際に焦点を合わせるものである。すなわち、Zステージ装置7は、対物用光学素子を備える対物用光学装置6の焦点を被加工対象物5に合わせるためのレーザ焦点調整手段として機能するものである。
Zステージ装置7は、対物用光学装置6をX軸方向およびY軸方向に直交するZ軸方向(加工用レーザの照射方向)に移動させるものであり、このZ軸方向の移動により対物用光学装置6(レンズ)と被加工対象物5との距離を調整し、結像もしくは集光用レンズによりレーザを被加工対象物5上に結像もしくは集光させる際に焦点を合わせるものである。すなわち、Zステージ装置7は、対物用光学素子を備える対物用光学装置6の焦点を被加工対象物5に合わせるためのレーザ焦点調整手段として機能するものである。
したがって、レーザ加工装置3は、レーザを被加工対象物5で結像もしくは集光させるための対物用光学素子(対物用光学装置6)を介して前記被加工対象物5に前記レーザを照射し、かつ、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物5に合わせるためのレーザ焦点調整手段を有するものである。Zステージ装置7は、Zステージ制御装置71に制御されて、対物用光学装置6を移動させる。
高さセンサ8(オフアクシス高さセンサ)は、被加工対象物5の上面(レーザ照射面)のZ軸方向の位置を被接触で計測する周知のものであり、ここでは、被加工対象物5と後述の観察用基板14の測定基準面13のZ軸方向の位置(高さ)と、被加工対象物5の上面のZ軸方向の位置との差を算出するために用いられる。また、高さセンサ8には、測定されたZ軸方向の位置を表示する高さ測定モニタ81が接続されている。なお、高さセンサ8の測定値は、高さ測定モニタ81からZステージ制御装置71に出力され、Zステージ制御装置71において、高さセンサ8の測定値に基づいて対物用光学装置6を上下に移動させられるようになっている。
そして、このようなレーザ加工装置3で用いられるレーザのビーム観察装置1は、図1に示すように、X−Yステージ装置4のステージ41の被加工対象物5をセットする際に邪魔にならない一側縁部に固定され、ステージ41と一体にX軸方向およびY軸方向に移動可能となっている。なお、ビーム観察装置(ビームプロファイラ装置)1は、ステージ41に固定される測定部11と、測定結果をモニタするためにモニタ部12に二分された状態となっており、ステージ41に接続固定されるのは測定部11だけである。
なお、本発明におけるビーム観察装置1は、CCD素子やCMOSセンサ素子などの撮像素子でビームの空間的な形状や強度分布を撮像する広義のビームプロファイラに含まれるものと考えてもよい。
なお、本発明におけるビーム観察装置1は、CCD素子やCMOSセンサ素子などの撮像素子でビームの空間的な形状や強度分布を撮像する広義のビームプロファイラに含まれるものと考えてもよい。
そして、図2に示すようにビーム観察装置1の測定部11には、レーザが照射される測定基準面13を有する観察用基板14と、観察用基板14に照射されたレーザを後述のCCDカメラ15とレーザの出力を検出する後述のパワーディテクタ16とに分岐するビームスプリッタ17と、測定基準面13に照射されたレーザを撮像することにより、レーザの照射形状と照射形状内における強度分布を測定する前記CCDカメラ15と、レーザの出力の計測に用いられるパワーディテクタ16と、前記測定基準面13にCCDカメラ15の焦点を合わせるための光のパターンを照射する光パターン照射手段としてのスリット板19を備えたパターン照明18と、CCDカメラ用照明装置34とを備える。なお、CCDカメラ15に代えてCMOSセンサ等の他の撮像素子を用いたデジタルカメラを用いてもよい。
また、モニタ部12は、CCDカメラ15に接続され、CCDカメラ15で撮像された画像を表示する画像モニタ20と、パワーディテクタに接続されパワーディテクタ16で計測された信号に基づいてレーザ出力値を表示する出力測定モニタ21とを備える。ここで、画像モニタ20は、撮像手段としてのCCDカメラ15に撮像されたレーザの測定基準面13における照射形状を表示する表示手段である。
前記観察用基板14は、例えば、ガラスや石英等からなるが、使用されるレーザの波長によって材質が決定されるものであり、レーザに対して透明性の極めて高い基板が観察用基板14として用いられる。すなわち、観察用基板14としては、レーザに加工(損傷)させられることがなく、かつ、通過するレーザをできるだけ減衰させない材質のものが用いられることになり、レーザの波長によって決定される。
たとえば、エキシマレーザの場合には、石英板が観察用基板14として用いられる。 また、CO2レーザの場合は、ジンクセレン(ZnSe…Zinc Selenide:ジンクセレナイド)を好適に用いることができる。
以上のことからビーム観察装置1は、仮の被加工対象物としてレーザが照射される測定基準面13を有し、レーザの波長に対して透明性の高い観察用基板14を備える。
たとえば、エキシマレーザの場合には、石英板が観察用基板14として用いられる。 また、CO2レーザの場合は、ジンクセレン(ZnSe…Zinc Selenide:ジンクセレナイド)を好適に用いることができる。
以上のことからビーム観察装置1は、仮の被加工対象物としてレーザが照射される測定基準面13を有し、レーザの波長に対して透明性の高い観察用基板14を備える。
そして、観察用基板14は、基本的に厚さができるだけ一様な矩形状の板体であり、レーザが照射される上面が、できるだけ平面化された測定基準面13となっている。
測定基準面13は、その左右の半分より一方側、例えば、左側に、クロムの薄膜からなるテストパターン23が形成されている。テストパターン23は、CCDカメラのフォーカスを測定基準面に合わせるためのものであり、例えば、縦横の格子状に形成されている。すなわち、テストパターン23は、観察用基板14の測定基準面13に形成されて撮像手段としてのCCDカメラ15の焦点合わせに用いられる焦点合わせ用パターンである。
測定基準面13は、その左右の半分より一方側、例えば、左側に、クロムの薄膜からなるテストパターン23が形成されている。テストパターン23は、CCDカメラのフォーカスを測定基準面に合わせるためのものであり、例えば、縦横の格子状に形成されている。すなわち、テストパターン23は、観察用基板14の測定基準面13に形成されて撮像手段としてのCCDカメラ15の焦点合わせに用いられる焦点合わせ用パターンである。
また、観察用基板14は、前記左右方向に観察用基板を移動可能な観察用基板1軸移動機構(図示略)により支持されている。したがって、観察用基板14は、レーザが照射される位置、すなわち、CCDカメラ15により撮像される位置を、前記テストパターン23が形成された位置と、テストパターン23が形成されておらず、観察用基板14が平面状に露出した状態となった位置とで切り換え可能となっている。
前記ビームスプリッタ17は、基本的にレーザに対して透明性の極めて高い板体が用いられるが、レーザに対して斜めに配置され、空気とビームスプリッタ17との界面で、透過光と反射光に分離されることになる。そして、透過光がパワーディテクタ16に入射され、反射光がCCDカメラ15に入射されるようになっている。
この際に、CCDカメラ15に入射されるレーザの反射光ができるだけ小さい方が好ましく、パワーディテクタ16に入射される光はできるだけ大きい方が好ましい。
すなわち、CCDカメラ15の感度は出力の大きなレーザに対して極めて高く、レーザの出力のうちの極めて僅かな部分だけ入射されればよく、逆にレーザの出力の一部であっても出力が強すぎると、CCDカメラ15が破壊される可能性がある。
この際に、CCDカメラ15に入射されるレーザの反射光ができるだけ小さい方が好ましく、パワーディテクタ16に入射される光はできるだけ大きい方が好ましい。
すなわち、CCDカメラ15の感度は出力の大きなレーザに対して極めて高く、レーザの出力のうちの極めて僅かな部分だけ入射されればよく、逆にレーザの出力の一部であっても出力が強すぎると、CCDカメラ15が破壊される可能性がある。
一方、パワーディテクタ16では、正確にレーザの出力を測る上で、できるだけ減衰されていないレーザが入射されることが好ましい。
すなわち、ビームスプリッタ17は、レーザの極一部をCCDカメラ15に分岐し、レーザの大部分をパワーディテクタ16に分岐する。
また、CCDカメラ15に入射されるレーザの光は、極めて僅かで良いので、ビームスプリッタ17のレーザが照射される面に、周知の反射光を抑えるコーティングを施すことにより、反射光を小さくするようにしてもよい。
すなわち、ビームスプリッタ17は、レーザの極一部をCCDカメラ15に分岐し、レーザの大部分をパワーディテクタ16に分岐する。
また、CCDカメラ15に入射されるレーザの光は、極めて僅かで良いので、ビームスプリッタ17のレーザが照射される面に、周知の反射光を抑えるコーティングを施すことにより、反射光を小さくするようにしてもよい。
また、前記CCDカメラ15と、後述のパターン照明18とは、同一の鏡筒24内に配置されている。
そして、鏡筒24には、対物レンズ25が設けられ、ビームスプリッタ17で分岐されたレーザが対物レンズ25を介して鏡筒24内に入射する。また、CCDカメラ15は、対物レンズ25から入射するレーザの入射軸に対してオフセットされた位置に配置されており、対物レンズ25から配置された2つのミラー26,27により反射された光がCCDカメラ15にレンズ28を介して入射される。
そして、鏡筒24には、対物レンズ25が設けられ、ビームスプリッタ17で分岐されたレーザが対物レンズ25を介して鏡筒24内に入射する。また、CCDカメラ15は、対物レンズ25から入射するレーザの入射軸に対してオフセットされた位置に配置されており、対物レンズ25から配置された2つのミラー26,27により反射された光がCCDカメラ15にレンズ28を介して入射される。
なお、対物レンズ25の光軸上に配置されたミラー26は、透明な板体であり、入射したレーザを反射するとともに、後述のようにパターン照明18の光を透過するようになっており、ビームスプリッタもしくはダイクロックミラーなどと同様の構成となっている。
また、CCDカメラ15に入射するレーザは、上述のようにビームスプリッタ17により出力が小さいものとなっているが、さらに、フィルタ29(例えば、ニュートラルデンシディ(ND)フィルタ)が配置されており、入射するレーザをフィルタ29によりさらに減光して、CCDカメラ15を保護するようになっている。
また、鏡筒24内には、前記スリット板19を備えたパターン照明18が対物レンズ25の光軸上に配置されており、レンズ30(例えば、コリメートレンズ)を介してミラー26を透過して対物レンズ25により、観察用基板14の測定基準面13でスリット板19に形成されたスリットの形状(例えば、十字等)を結像するようになっている。
なお、パターン照明により照射される形状は、十字に限定されるものではなく、焦点合わせに使える形状ならばよい。したがって、パターンを形成するためのものは、スリットが形成されたスリット板19に限られるものではなく、金属マスクやガラスフォトマスク等のマスクにより光のパターンが形成可能なものでもよく、パターンを測定基準面13に投影して結像できればよい。
また、CCDカメラ15に入射するレーザは、上述のようにビームスプリッタ17により出力が小さいものとなっているが、さらに、フィルタ29(例えば、ニュートラルデンシディ(ND)フィルタ)が配置されており、入射するレーザをフィルタ29によりさらに減光して、CCDカメラ15を保護するようになっている。
また、鏡筒24内には、前記スリット板19を備えたパターン照明18が対物レンズ25の光軸上に配置されており、レンズ30(例えば、コリメートレンズ)を介してミラー26を透過して対物レンズ25により、観察用基板14の測定基準面13でスリット板19に形成されたスリットの形状(例えば、十字等)を結像するようになっている。
なお、パターン照明により照射される形状は、十字に限定されるものではなく、焦点合わせに使える形状ならばよい。したがって、パターンを形成するためのものは、スリットが形成されたスリット板19に限られるものではなく、金属マスクやガラスフォトマスク等のマスクにより光のパターンが形成可能なものでもよく、パターンを測定基準面13に投影して結像できればよい。
すなわち、パターン照明18と、CCDカメラ15とで、対物レンズ25を共用している。また、スリット板19は、パターン照明18とレンズ30との間で、これらの光軸に沿って移動自在とされており、スリット板19を移動させることにより、観察用基板14の測定基準面にスリット板19の形状を結像させることができる。すなわち、焦点を合わせることができる。なお、スリット板19は、鏡筒24の外部から操作により移動可能となっている。
以上のことから、CCDカメラ15は、観察用基板14の測定基準面13を通過するとともに減衰されたレーザが入射され、レーザの測定基準面13における照射形状を撮像する撮像手段となる。
また、スリット板19およびパターン照明18と、レンズ30、対物レンズ25、ミラーとして機能するビームスプリッタ17等の光学系部品とからCCDカメラ15の焦点合わせ用パターンとして、前記観察用基板14の測定基準面13に結像する光のパターンを照射する照明パターン照射手段が構成され、スリット板19を移動させる機構が照明パターン照射手段による光のパターンを前記測定基準面に結像させるように調整するパターン結像調整手段となる。
また、スリット板19およびパターン照明18と、レンズ30、対物レンズ25、ミラーとして機能するビームスプリッタ17等の光学系部品とからCCDカメラ15の焦点合わせ用パターンとして、前記観察用基板14の測定基準面13に結像する光のパターンを照射する照明パターン照射手段が構成され、スリット板19を移動させる機構が照明パターン照射手段による光のパターンを前記測定基準面に結像させるように調整するパターン結像調整手段となる。
また、CCDカメラ15やパターン照明18等が収容されている鏡筒24は、当該鏡筒24をビームスプリッタ17でCCDカメラ15に向かって分岐されたレーザの光軸方向に沿って移動自在とする1軸ステージを備えた焦点位置制御装置31により支持されている。
この焦点位置制御装置31が、撮像手段としてのCCDカメラ15の焦点を観察用基板14の測定基準面13に合わせるための撮像装置用焦点調整手段となる。
すなわち、CCDカメラ15をその光学系(対物レンズ25およびレンズ28等)を含めて入射されるレーザの光軸方向に沿って移動させることで、CCDカメラ15の焦点を観察用基板14の測定基準面13に合わせられるようになっている。
この焦点位置制御装置31が、撮像手段としてのCCDカメラ15の焦点を観察用基板14の測定基準面13に合わせるための撮像装置用焦点調整手段となる。
すなわち、CCDカメラ15をその光学系(対物レンズ25およびレンズ28等)を含めて入射されるレーザの光軸方向に沿って移動させることで、CCDカメラ15の焦点を観察用基板14の測定基準面13に合わせられるようになっている。
パワーディテクタ16には、ビームスプリッタ17で分岐されたレーザがミラー32およびレンズ33(例えば集光レンズ)を介して入射される。
また、パワーディテクタ16は、周知のレーザ用のものであり、照射されたレーザの出力を検出する。なお、使われるレーザがパルス状の場合には、周知のパルス状のレーザの出力を検出可能なディテクタを用いるものとしてもよい。
すなわち、パワーディテクタ16は、測定基準面13を通過したレーザの出力を検出する。また、ビームスプリッタ17は、測定基準面13を通過したレーザをCCDカメラ15と、パワーディテクタ16とに分岐する。
また、ビーム観察装置1には、CCDカメラ用照明装置34が内蔵されており、CCDカメラ用照明装置34の照明光がビームスプリッタ17およびミラー32(ダイクロックミラー)を透過して測定基準面13のテストパターン23に照射される。
また、パワーディテクタ16は、周知のレーザ用のものであり、照射されたレーザの出力を検出する。なお、使われるレーザがパルス状の場合には、周知のパルス状のレーザの出力を検出可能なディテクタを用いるものとしてもよい。
すなわち、パワーディテクタ16は、測定基準面13を通過したレーザの出力を検出する。また、ビームスプリッタ17は、測定基準面13を通過したレーザをCCDカメラ15と、パワーディテクタ16とに分岐する。
また、ビーム観察装置1には、CCDカメラ用照明装置34が内蔵されており、CCDカメラ用照明装置34の照明光がビームスプリッタ17およびミラー32(ダイクロックミラー)を透過して測定基準面13のテストパターン23に照射される。
以上のような、レーザ加工装置3において、ビーム観察装置1を用いて以下のようにレーザ加工装置3の対物用光学装置の焦点を合わせる。
まず、観察用基板14を観察用基板1軸移動機構により移動し、CCDカメラの撮像範囲の中央部に測定基準面13のテストパターン23が配置されるようにする。
次に、CCDカメラ15でテストパターン23を撮像し、撮像されたテストパターン23を画像モニタ20に表示し、画像モニタ20上のテストパターン23を見ながら焦点制御装置41を操作して鏡筒24を鏡筒24に入射されるレーザの光軸方向に移動させることで、CCDカメラ15の焦点を合わせる。
まず、観察用基板14を観察用基板1軸移動機構により移動し、CCDカメラの撮像範囲の中央部に測定基準面13のテストパターン23が配置されるようにする。
次に、CCDカメラ15でテストパターン23を撮像し、撮像されたテストパターン23を画像モニタ20に表示し、画像モニタ20上のテストパターン23を見ながら焦点制御装置41を操作して鏡筒24を鏡筒24に入射されるレーザの光軸方向に移動させることで、CCDカメラ15の焦点を合わせる。
CCDカメラ15の焦点が合った状態で、次いで、観察用基板14を移動して、観察用基板14のテストパターン23が形成されていない部分が、CCDカメラ15の撮影範囲となるようにする。なお、この際の観察用基板14の位置がレーザのプロファイリングを行う位置となる。
パターン照明18をオンとするとともにスリット板19を移動して、観察用基板14の測定基準面にスリット板19に形成された十字のスリット形状を投影するとともに、その焦点を合わせる。
パターン照明18をオンとするとともにスリット板19を移動して、観察用基板14の測定基準面にスリット板19に形成された十字のスリット形状を投影するとともに、その焦点を合わせる。
これにより、CCDカメラ15の撮像中に、パターン照明18をオンし、測定基準面13の投影されたスリットの画像モニタ20で確認することにより、CCDカメラ15の焦点が測定基準面13に合っているか否かを確認することができる。
また、基本的に測定基準面13を見て投影されたスリットの焦点が合っていれば、CCDカメラ15の焦点が合っていることになる。
また、基本的に測定基準面13を見て投影されたスリットの焦点が合っていれば、CCDカメラ15の焦点が合っていることになる。
次に、X―Yステージ装置4のステージ41をX−Yステージ制御装置42の操作により移動し、ビーム観察装置1の測定基準面13のCCDカメラ15の撮像範囲の中央となる部分に、対物用光学装置6を介して照射されるレーザが照射されるように調節する。そして、レーザを測定基準面13に照射する。
これにより、測定基準面13に焦点が合ったCCDカメラ15により、測定基準面13に照射されたレーザの照射形状と前記照射形状内のレーザの強度分布を示す画像が撮像され、画像モニタ20に表示される。
これにより、測定基準面13に焦点が合ったCCDカメラ15により、測定基準面13に照射されたレーザの照射形状と前記照射形状内のレーザの強度分布を示す画像が撮像され、画像モニタ20に表示される。
この画像モニタ20に表示された測定基準面13における照射形状および強度分布を見ながら対物用光学装置6をZステージ装置7により移動させることで、測定基準面13でレーザが結像もしくは集光されるように調節する。すなわち、レーザの対物用光学装置6による焦点を測定基準面13に合わせる。この際に、レーザの焦点が測定基準面13に合う対物用光学装置6の焦点位置(結像位置もしくは集光位置)が決定され、レーザの焦点が測定基準面13に合うことになる測定基準面13と対物用光学装置6の対物用レンズとの距離が決定されることになる。
一方、高さセンサ8によって、被加工対象物5の上面と、測定基準面13との高さ位置を測定し、被加工対象物5の上面と測定基準面13との高さ位置の差を求め、前述のように測定基準面13に対して焦点を合わせた対物用光学装置6の位置を前記高さ位置の差分だけ移動することにより被加工対象物5に対物用光学装置6の焦点を合わせることができる。
この際に、対物用光学装置6においては、レーザが照射されることでレンズやレンズハウジングの温度が変化するとともに、温度変化によりレンズの形状やレンズ材料の屈折率が変化することから、実際にレーザを照射すると、焦点位置がずれることになる。そこで、上述のように実際に焦点位置を測定して、レーザによる加工を行うことで、レーザによる加工精度を向上することができる。なお、レーザをある程度の時間出力してから対物用光学装置6の焦点位置を決定するようにしても良いし、加工作業の途中でも、焦点位置を計測して、対物用光学装置6の高さ位置を調整しなおすものとしてもよい。
この際に、対物用光学装置6においては、レーザが照射されることでレンズやレンズハウジングの温度が変化するとともに、温度変化によりレンズの形状やレンズ材料の屈折率が変化することから、実際にレーザを照射すると、焦点位置がずれることになる。そこで、上述のように実際に焦点位置を測定して、レーザによる加工を行うことで、レーザによる加工精度を向上することができる。なお、レーザをある程度の時間出力してから対物用光学装置6の焦点位置を決定するようにしても良いし、加工作業の途中でも、焦点位置を計測して、対物用光学装置6の高さ位置を調整しなおすものとしてもよい。
以上のように、ビーム観察装置1によれば、テストパターン23を撮像しながら焦点位置制御装置31を用いてCCDカメラ15の焦点を測定基準面13に合わせた状態で、測定基準面13にレーザを照射し、撮像されるとともに表示された測定基準面13におけるレーザの照射形状に基づき、Zステージ装置7を用いて対物用光学装置の焦点を測定基準面13に合わせることができる。
また、パワーディテクタ16において、レーザが照射された際に、レーザの強度を測定することが可能となる。これにより、レーザの強度が加工を行うのに適切な範囲内か否かを測定することができる。また、この際にも、レーザの出力が上述のレンズの変形や、光源装置の経年変化等により変化するので、実際の加工にあたって、その出力を測定することにより、出力が適切か否かの判定と、適切でなかった場合の光源装置の出力の調整を行うことができる。
以上のことから、本発明のビーム観察装置によれば、レーザ加工装置におけるレーザのビームプロファイルの測定、すなわち、上述の照射形状と強度分布の測定が可能なだけではなく、レーザの強度の測定および調整が可能となる。
さらに、対物用光学装置6の焦点位置(結像位置若しくは集光位置)の決定、すなわち、焦点合わせが行えるとともに、レーザの強度の測定および調整が可能となる。
さらに、対物用光学装置6の焦点位置(結像位置若しくは集光位置)の決定、すなわち、焦点合わせが行えるとともに、レーザの強度の測定および調整が可能となる。
上記例では、レーザ加工用装置として、加工時に、X−Yステージ装置4を用いて被加工対象物5をレーザに対して移動するレーザ加工装置を示したが、本発明のビーム観察装置1は、その他のレーザ加工装置にも適用可能であり、対物用光学装置6の焦点合わせ、レーザの強度調整を必要とするレーザ加工装置の全てに適用可能であり、例えば、被加工対象物5に対してレーザを移動するレーザ加工装置や、被加工対象物5とレーザの両方を移動可能としたレーザ加工装置にも適用可能である。
また、対物用光学装置6の焦点合わせに用いない場合には、観察用基板14を設けないものとしてもよい。また、測定基準面13にCCDカメラ15用のテストパターンを投影するためのスリット板19およびパターン照明18等からなる照明パターン照射手段およびパターン結像調整手段を備えないものとしてもよい。
また、鏡筒24内において、CCDカメラ15を対物レンズ25の光軸上に配置し、スリット板19およびパターン照明18を前記光軸からオフセットした位置に配置してもよい。また、上記例では、観察用基板14のレーザが入射される側の面(上面)を測定基準面13としたが、観察用基板14を通過したレーザが出射される側の面(下面)を測定基準面13としてもよい。
また、鏡筒24内において、CCDカメラ15を対物レンズ25の光軸上に配置し、スリット板19およびパターン照明18を前記光軸からオフセットした位置に配置してもよい。また、上記例では、観察用基板14のレーザが入射される側の面(上面)を測定基準面13としたが、観察用基板14を通過したレーザが出射される側の面(下面)を測定基準面13としてもよい。
また、テストパターンを投影するための照明パターン照射手段およびパターン結像調整手段をCCDカメラ15と同じ鏡筒24内に収容し、対物レンズ25をCCDカメラ15と共用するものとしたが、これら照明パターン照射手段およびパターン結像調整手段をCCDカメラ15用の鏡筒24の外に配置してもよい。
また、この場合に、照明パターン照射手段およびパターン結像調整手段がCCDカメラ15と完全に独立してテストパターンを測定基準面13に投影できるとともに、焦点を合わせることができるので、測定基準面13において投影されたテストパターンの焦点を合わせた後に、CCDカメラ15の焦点を合わせることが可能となり、測定基準面13に固定のテストパターン23を設ける必要がない。また、この場合に、測定基準面13に設けられたテストパターン23がレーザで損傷することがないので、上述のように観察用基板14を移動する必要がなく、ビーム観察装置1の構成を簡略化することができる。
また、この場合に、照明パターン照射手段およびパターン結像調整手段がCCDカメラ15と完全に独立してテストパターンを測定基準面13に投影できるとともに、焦点を合わせることができるので、測定基準面13において投影されたテストパターンの焦点を合わせた後に、CCDカメラ15の焦点を合わせることが可能となり、測定基準面13に固定のテストパターン23を設ける必要がない。また、この場合に、測定基準面13に設けられたテストパターン23がレーザで損傷することがないので、上述のように観察用基板14を移動する必要がなく、ビーム観察装置1の構成を簡略化することができる。
また、上記例では、鏡筒24を移動させることにより、CCDカメラ15の焦点を測定基準面13に合わせるようにしたが、対物レンズ25やレンズ28等の光学系部品を移動させることにより、CCDカメラ15の焦点を合わせるようにしてもよい。この場合に、光学系部品を移動させる手段が撮像装置用焦点調整手段となる。
また、測定基準面13における照射形状に基づいて対物用光学装置6の焦点を合わせる際に、予め焦点の合った照射形状を撮像して記憶しておき、記憶された照射形状と、撮像さている照射形状とを周知の画像認識手段で比較し、撮像された照射形状が記憶された照射形状に近づくように自動的にZステージ装置7により対物用光学装置6を移動させるようにすることで、焦点合わせを自動化するものとしてもよい。
また、測定基準面13における照射形状に基づいて対物用光学装置6の焦点を合わせる際に、予め焦点の合った照射形状を撮像して記憶しておき、記憶された照射形状と、撮像さている照射形状とを周知の画像認識手段で比較し、撮像された照射形状が記憶された照射形状に近づくように自動的にZステージ装置7により対物用光学装置6を移動させるようにすることで、焦点合わせを自動化するものとしてもよい。
1 ビーム観察装置
13 測定基準面
14 観察用基板
15 CCDカメラ(撮像手段)
16 パワーディテクタ
17 ビームスプリッタ
13 測定基準面
14 観察用基板
15 CCDカメラ(撮像手段)
16 パワーディテクタ
17 ビームスプリッタ
Claims (2)
- レーザビームの空間的な光強度を測定するビーム観察装置であって、
前記レーザを分岐するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタに分岐された一方のレーザが入射される撮像手段と、
前記ビームスプリッタに分岐された他方のレーザが入射されるパワーディテクタとを備え、
前記ビームスプリッタは、レーザの極一部を撮像手段に分岐し、レーザの大部分をパワーディテクタに分岐し、
前記撮像手段によりレーザビームの空間的な光強度を測定し、前記パワーディテクタによりレーザ強度を測定することを特徴とするビーム観察装置。 - ビームスプリッタに分岐される前のレーザが照射される測定基準面を有するとともに、レーザに対して透明性が高い観察用基板を備え、
前記撮像手段の焦点を前記測定基準面に合わせた状態で撮像することを特徴とする請求項1に記載のビーム観察装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006305668A JP2008122202A (ja) | 2006-11-10 | 2006-11-10 | ビーム観察装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006305668A JP2008122202A (ja) | 2006-11-10 | 2006-11-10 | ビーム観察装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2008122202A true JP2008122202A (ja) | 2008-05-29 |
Family
ID=39507110
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2006305668A Withdrawn JP2008122202A (ja) | 2006-11-10 | 2006-11-10 | ビーム観察装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2008122202A (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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JP2016061750A (ja) * | 2014-09-22 | 2016-04-25 | 日本特殊陶業株式会社 | レーザビーム評価装置 |
WO2020085224A1 (ja) * | 2018-10-24 | 2020-04-30 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 赤外線レーザのビームプロファイルの測定方法及び測定システム |
US10708537B2 (en) | 2018-07-28 | 2020-07-07 | Haas Laser Technologies, Inc. | System and method for reducing ghost images in a laser imaging system |
US10942275B2 (en) | 2018-07-28 | 2021-03-09 | Haas Laser Technologies, Inc. | System and method for improving signal-to-noise ratio in a laser imaging system |
-
2006
- 2006-11-10 JP JP2006305668A patent/JP2008122202A/ja not_active Withdrawn
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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