JP2008272806A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小ミラーアレイを有する空間変調素子を用いたレーザ加工装置において、構成部品の部品加工や組立効率を向上できるようにする。
【解決手段】レーザ加工装置１００は、レーザ光源５０と、一定方向に整列された回動軸を中心としてそれぞれ回動可能に設けられた複数の微小ミラーが回動軸と交差する方向に延びる４つの辺で囲まれた矩形領域内で４つの辺の互いに直交する２辺が延びる方向に配列された微小ミラーアレイからなる空間変調素子６と、微小ミラーアレイと被加工面１１ａとが共役になるように配置された照射光学系８とを備え、レーザ光源５０から微小ミラーアレイで反射し照射光学系８を経て被加工面１１ａに至る光軸Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４、Ｐ_５が同一の平面上にあるようにした構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。例えば、微小ミラーアレイからなる空間変調素子を用いて、液晶基板、半導体基板やプリント基板等の欠陥のレーザ加工（リペア加工）を行うレーザ加工装置に関する。

従来、例えば、液晶表示デバイス（ＬＣＤ）の製造工程などでは、フォトリソグラフィ処理工程で処理されるガラス基板に対して各種検査が行われる。この検査の結果、ガラス基板上に形成されたレジストパターンやエッチングパターンに欠陥部が検出されると、レーザ加工装置を用いて、欠陥部にレーザ光を照射して欠陥部を除去するレーザ加工、いわゆるリペア加工を施す場合が多い。
このようなレーザ加工装置として、特許文献１には、ガラス基板上の欠陥部を撮像して取得された欠陥画像データから欠陥部の形状データを抽出し、この形状データに従ってＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）ユニットの各微小ミラーを高速に角度制御し、これら微小ミラーで反射したレーザ光の断面形状を欠陥部の形状に略一致させて欠陥部に照射するリペア装置が記載されている。
特開２００５−１０３５８１号公報（図１）

しかしながら、上記のような従来の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に記載の技術では、ＤＭＤユニットを用いることにより、欠陥部の形状に応じて空間変調されたレーザ光を照射するため、効率よくレーザ加工できるが、ＤＭＤでは、微小ミラーを高速に回動するために、微小ミラーの対角線方向に回動軸を設定したデバイスが一般的となっている。
この場合、反射光を被加工面に向けて反射するオン状態の微小ミラーの入射面、すなわち、ＤＭＤに入射するまでの光軸、ＤＭＤで反射されてから被加工面に向かう光軸、および微小ミラーの法線を含む平面は、微小ミラーの回動軸に直交しなければならないので、微小ミラーが配列されたＤＭＤユニットの矩形領域の４つの辺、または長辺および短辺の方向に対して、それぞれの光軸が捩れの位置関係にあるレイアウトを採用しなければならない。
このようなレイアウトでは、被加工面に矩形状の加工可能領域を設定し、ＤＭＤユニットをこの加工可能領域の配置に合わせて配置すると従来の構成では、光源やミラーなどを配置するメカレイアウトがきわめて複雑となり、部品加工や組立が複雑になる。その結果、部品加工費や組立工数が増大し、コストのアップの要因となるという問題がある。

このような微小ミラーが配列されたＤＭＤユニットの矩形領域の４つの辺の方向に対してそれぞれの光軸が捩れの位置関係にあるレーザ加工装置の主要部のメカレイアウトの一例について、図１２、図１３（ａ）、（ｂ）を参照して簡単に説明する。図１２は、レーザ加工装置の主要部の構成を示す斜視図である。図１３（ａ）、（ｂ）は、図１２のＡ視正面図およびＢ視側面図である。
レーザ加工装置２００は、図１２に示すように、筐体２０１に、投影レンズ２０４、ミラー２０５、２０７、空間変調素子２０６、半透鏡２０９、対物レンズ２０８、および撮像ユニット２１０などが一体に設けられている。
これにより、投影レンズ２０４に入射したレーザ光は、光軸Ｑ_１、Ｑ_２、Ｑ_３、Ｑ_４、Ｑ_５のように屈曲された光路を経て、被加工物に照射され、一方、被加工物は、光軸Ｑ_５上に配置された撮像ユニット２１０によって撮像される。
空間変調素子２０６は、図１２に示すように、長辺方向がＢ矢視方向、短辺方向がＡ矢視方向に配置され、それに合わせて、光軸Ｑ_３、Ｑ_４，Ｑ_５が同一平面上に配置されている。ところが、空間変調素子２０６は、ＤＭＤを用いるため、例えば、長辺方向に対して４５°に延びる方向を回転軸としているので、このような光学レイアウトを実現するために、空間変調素子２０６に入射する光軸Ｑ_２を空間変調素子２０６の長辺および短辺に対して交差する斜入射方向に配置するようにしている。すなわち、図１２のＡ視方向において、光軸Ｑ_３に対して角度ａ（図１３（ａ）参照）、同じくＢ視方向において、光軸Ｑ_３に対して角度ｂ（図１３（ｂ）参照）だけそれぞれ傾斜させて、光軸Ｑ_３、Ｑ_４、Ｑ_５を含む平面に対して、光軸Ｑ_１、Ｑ_２が捩れの位置となるように配置している。
このため、投影レンズ２０４、ミラー２０５などの、空間変調素子２０６に入射前の光学系の配置が、きわめて複雑となり、筐体２０１の形状も複雑となり、光軸Ｑ_１，Ｑ_２上に配置される部材が、斜めに傾斜するため、コンパクトなユニットを構成できな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、一定方向に整列された回動軸を中心としてそれぞれ回動可能に設けられた複数の微小ミラーが回動軸と交差する方向に延びる４つの辺で囲まれた矩形領域に配列された微小ミラーアレイを有する空間変調素子を用いたレーザ加工装置において、構成部品の部品加工や組立効率を向上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、レーザ光源と、一定方向に整列された回動軸を中心としてそれぞれ回動可能に設けられた複数の微小ミラーが前記回動軸と交差する方向に延びる４つの辺で囲まれた矩形領域内で前記４つの辺の互いに直交する２辺が延びる方向に配列された微小ミラーアレイによって前記レーザ光源から照射されるレーザ光を空間変調する空間変調素子と、前記微小ミラーアレイと前記被加工面とが共役になるように配置された照射光学系とを備え、前記レーザ光源から前記微小ミラーアレイで反射し前記照射光学系を経て前記被加工面に至る第１の光軸が同一の平面上にあるようにした構成とする。
この発明によれば、レーザ光源から微小ミラーアレイで反射し照射光学系を経て被加工面に至る第１の光軸が同一の平面上にあるようにした構成とするので、この光学系を構成する光学素子や光学デバイスなどの光学部品を一平面上に配列することができ、光路の折り曲げ、部品配置、取付が容易となり、一平面に交差する方向への部材の突出を抑えてコンパクト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、第１の光軸上の光学部品を一平面上に配列することができるので、光路の折り曲げや部品配置が容易となり、光学部品の保持部材などを含む各構成部品の部品加工や組立効率を向上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を示す光軸を含む断面における模式説明図である。図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の主要部の外観を示す模式的な正面図である。図２（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の主要部の外観を示す模式的な側面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の空間変調素子の光軸を含む断面における模式的な断面図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の空間変調素子の模式的な平面図である。図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の空間素子近傍の正面視の模式図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ視平面図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の空間変調素子の基準面と入射面との位置関係を示す模式的な斜視図である。図７は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の制御ユニットの概略構成を示す機能ブロック図である。
なお、図中のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために各図共通の位置関係に設けたもので、鉛直方向がＺ軸、水平面がＸＹ平面であり、Ｙ軸負方向からＹ軸正方向に向かう方向が、正面視の方向に一致されている（以下、他の図でも同様）。
また、図中の光束を示す線は、試料のある１点にレーザ光を照射する場合を模式的に描いたものである。

本実施形態のレーザ加工装置１００は、レーザ光でリペア加工を行う装置である。例えばＬＣＤ（液晶ディスプレイ）のガラス基板や半導体ウエハ基板など、フォトリソグラフィ処理工程で基板上に回路パターンなどが形成された被加工物において、例えば配線部分のショート、フォトレジストのはみ出し等の欠陥部が検出された場合に欠陥部を除去するといったリペア加工に好適に用いることができるものである。
レーザ加工装置１００の概略構成は、図１、２に示すように、レーザ光源５０、加工ヘッド２０、加工ヘッド移動機構３１、載置台２１、制御ユニット２２、表示部３０、およびユーザインタフェース（図７参照）からなり、被加工物である基板１１は、加工時には、加工ヘッド２０の下方に設置された載置台２１上に被加工面１１ａを上側に向けて水平に載置される。

レーザ光源５０は、リペア加工用の光源である。本実施形態では、レーザ発振器１、結合レンズ２、およびファイバ３からなる構成を採用している。
レーザ発振器１は、基板１１上の欠陥を除去できるように、波長、出力が設定されたレーザ光を発振するもので、例えば、パルス発振可能なＹＡＧレーザなどを好適に採用することができる。発振波長は、リペア対象に応じて複数の発振波長を切り換えられるようになっている。
レーザ発振器１は、制御ユニット２２に電気的に接続され、制御ユニット２２からの制御信号に応じて発振が制御されるようになっている。
結合レンズ２は、レーザ発振器１から出射されるレーザ光をファイバ３に光結合するための光学素子である。
ファイバ３は、結合レンズ２により、ファイバ端面３ａに光結合されたレーザ光を内部で伝搬させて加工ヘッド２０内に導き、レーザ光６０として、ファイバ端面３ｂから出射するものである。レーザ光６０は、ファイバ３の内部を伝搬してから出射されるので、レーザ発振器１のレーザ光がガウシアン分布であっても、光量分布が均一化された拡散光となっている。
なお、図１は模式図のため、レーザ発振器１をＺ方向に沿って配置しているが、レーザ発振器１の配置位置・姿勢は、これに限定されるものではなく、ファイバ３を適宜配回すことにより適宜の配置位置・姿勢に設定することができる。また、ファイバのモードを安定させるためのモードスクランブラを組み込んでもよい。
また、レーザ光の均一化手段は、このようにファイバ３を用いることなく、他の光学素子、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のホモジナイザなどを用いた構成としてもよい。

加工ヘッド２０は、適宜の駆動手段を備える加工ヘッド移動機構３１（図２（ｂ）参照）によって、載置台２１に対してＸＹＺ軸方向に相対移動可能に保持された筐体２０ａ内に、投影レンズ４、空間変調素子６、照射光学系８、観察用光源１６、観察用結像レンズ１２、撮像素子１３などの光学素子、デバイスなどを保持してなる。
本実施形態では、相対移動は、加工ヘッド移動機構３１によって加工ヘッド２０を被加工面１１ａに平行なＸ軸方向および被加工面１１ａに直交する方向（Ｚ軸方向）に移動し、載置台２１によって、基板１１をＹ軸方向に移動する場合の例で説明するが、例えば、加工ヘッド２０がＺ軸方向に移動して載置台２１がＸＹ方向に移動したり、載置台２１が固定され加工ヘッド２０がＸＹＺ軸方向に移動したり、というように適宜の組合せの相対移動を採用することができる。

投影レンズ４は、筐体２０ａに固定されたファイバ３のファイバ端面３ｂと空間変調素子６の後述する基準面Ｍとを共役な関係とする配置とされ、ファイバ端面３ｂの像を空間変調素子６の変調領域全体を照射できるように投影倍率が設定されたレンズまたはレンズ群である。
本実施形態では、投影レンズ４の光軸Ｐ_１は、ＺＸ平面において、Ｘ軸正方向から負方向に向かうにつれて、Ｚ軸正方向から負方向に向かう斜め方向に設定されている。

空間変調素子６は、投影レンズ４から投射されたレーザ光６１を空間変調するもので、微小ミラーアレイであるＤＭＤからなる。すなわち、空間変調素子６は、図３に示すように、基準面Ｍに対して、回動軸Ｒを中心として、角度±αだけ傾斜できる複数の微小ミラー６ａが、図４に示すように、長辺Ｗ×短辺Ｈの矩形状の変調領域内に、長辺および短辺に延びる方向を配列方向として２次元的に配列されている。
各微小ミラー６ａの回動軸Ｒは、図４に示すように、基準面Ｍ内で、変調領域の長辺に対して角度θ_１（ただし、θ_１＞０°）、短辺に対して角度θ_２（ただし、θ_２＞０°、かつ、θ_１＋θ_２＝９０°）だけ傾斜されている。
本実施形態では、一例として、α＝１２°、θ_１＝θ_２＝４５°であるようなＤＭＤを採用している。
なお、本実施形態では、空間変調素子６は長辺Ｗ×短辺Ｈの矩形状としたが、正方形でもよく、その場合は、４つの辺のうち、互いに直交する２辺の一方を長辺、他方を短辺と便宜上名付けることにすれば、下記の説明が同様に成り立つ。

空間変調素子６の各微小ミラー６ａは、制御ユニット２２からの制御信号に応じて発生する静電電界によって、オン状態では、例えば、基準面Ｍから＋１２°回転され、オフ状態では、基準面Ｍから−１２°回転される。以下では、オン状態の微小ミラー６ａによって反射された光をオン光（図３のＬ_ＯＮ）、オフ状態の微小ミラー６ａによって反射された光をオフ光（図３のＬ_ＯＦＦ）と称する。
各微小ミラー６ａの位置は、長辺方向の列番号ｍ、短辺方向の行番号ｎ（ｍ、ｎは、０以上の整数）として、（ｍ，ｎ）で表すことができる。

空間変調素子６の配置位置は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、基準面ＭをＺ軸負方向側に向けて、ＸＹ平面に平行な平面に整列させるとともに、基準面Ｍにおいて、変調領域の長辺方向を、光軸Ｐ_１を含む、ＺＸ平面に平行な平面と角度θだけ傾斜させた配置としている。角度θは、微小ミラー６ａの回動軸Ｒに直交する角度であり、本実施形態では、θ＝４５°である。
本実施形態では、レーザ光６１の光路上にミラー５を配置して、レーザ光６１の光軸Ｐ_１を光軸Ｐ_２の方向に反射し、レーザ光６１が、空間変調素子６の基準面Ｍの法線に対して角度２αで入射する配置としている。このため、オン光６２は、基準面Ｍの法線に沿う光軸Ｐ_３に沿って反射される。
このように空間変調素子６を、回動軸Ｒの方向に応じて角度θだけ回転した配置とすることで、図６に示すように、光軸Ｐ_１、Ｐ_２を含む、ＺＸ平面に平行な平面が、ミラー５で反射されて微小ミラー６ａに入射するレーザ光６１の軸上光の入射面Ｓと一致する。そのため、光軸Ｐ_１、Ｐ_２、および微小ミラー６ａで反射されるオン光６２の光軸Ｐ_３とは、同一平面上に位置することになる。

照射光学系８は、空間変調素子６で空間変調され、一定方向に向けて反射されたオン光６２による像を、基板１１の被加工面１１ａ上に倍率βで結像する結像光学系を構成する光学素子群であり、空間変調素子６側に結像レンズ８Ａが、基板１１側に対物レンズ８Ｂがそれぞれ配置されている。
本実施形態では、対物レンズ８Ｂは、倍率が異なる複数個がレボルバ機構によって切り替え可能に保持されている。そのため、レボルバ機構を回転させて対物レンズ８Ｂを切り替えることで、照射光学系８の倍率βを変更できるようになっている。以下では、特に断らない限り、対物レンズ８Ｂは、照射光学系８を構成するために選択されたレンズを指すものとする。
また本実施形態では、結像レンズ８Ａの光軸Ｐ_４は、Ｘ軸方向に平行に配置され、対物レンズ８Ｂの光軸Ｐ_５は、Ｚ軸方向に平行に配置されている。
このため、空間変調素子６と、結像レンズ８Ａとの間には、オン光６２を反射して、光軸Ｐ_４に沿って入射させるミラー７が設けられている。そして、結像レンズ８Ａと対物レンズ８Ｂとの間には、結像レンズ８Ａを透過した光を反射して、光軸Ｐ_５に沿って入射させる半透鏡９が設けられている。
このようにして、光軸Ｐ_４、Ｐ_５は、光軸Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３と同一平面上に位置している。すなわち、レーザ光源１からオン状態の微小ミラー６ａで反射し照射光学系８を経て被加工面１１ａに至る第１の光軸を構成する光軸Ｐ_１〜Ｐ_５は、すべて同一平面上に位置している。
また、ミラー７、半透鏡９は、いずれもＹ軸回りにのみ傾斜されている。

照射光学系８の投影倍率βは、被加工面１１ａ上での必要な加工精度に応じて適宜設定することができる。例えば、変調領域全体のＷ×Ｈの大きさの画像が、被加工面１１ａ上で、Ｗ’×Ｈ’となるような倍率とする。
なお、結像レンズ８ＡのＮＡは、オフ光６３として反射された光が、入射しない大きさとされる。

観察用光源１６は、被加工面１１ａ上の加工可能領域内を照明するための観察用光７０を発生する光源であり、半透鏡９と対物レンズ８Ｂとの間の光路の側方に設けられている。
半透鏡９と対物レンズ８Ｂとの間の光路上において観察用光源１６に対向する位置には、半透鏡９で反射されたオン光６２を透過し、観察用光７０を対物レンズ８Ｂに向けて反射する半透鏡１４が設けられている。そして、観察用光源１６と半透鏡１４との間には、観察用光７０を適宜径の照明光束に集光する集光レンズ１５が設けられている。なお、集光レンズ１５の光軸Ｐ_６は、第１の光軸が位置する平面上にあってもよいし、交差する位置にあってもよい。
観察用光源１６としては、例えば、可視光を発生するキセノンランプやＬＥＤなど適宜の光源を採用することができる。

観察用結像レンズ１２（撮像光学系）は、半透鏡９の上方側に、対物レンズ８Ｂの光軸Ｐ_５と同軸に配置され、観察用光７０によって照明された被加工面１１ａから反射され、対物レンズ８Ｂによって集光された光を撮像素子１３（撮像部）の撮像面上に結像するための光学素子である。このため、光軸Ｐ_５は、被加工面から撮像光学系を経て撮像部に至る第２の光軸を兼ねている。

撮像素子１３は、撮像面上に結像された画像を光電変換するもので、例えば、ＣＣＤなどからなる。本実施形態では、長辺ｗ×短辺ｈの撮像面の長辺に沿う配列方向にｘ個、短辺に沿う配列方向にｙ個の合計ｘ×ｙ個の受光画素（光電変換要素）が配列されたものを採用している。
そして、撮像素子１３の光軸Ｐ_５回りの回転位置は、撮像面の長辺および短辺が、被加工面１１ａ上の加工可能領域の長辺および短辺の方向と平行となるように調整されている。
ただし、本実施形態では、後述するように画像処理部４４が、加工データを算出する際、撮像素子１３と被加工面１１ａ上の加工可能領域との位置関係を補正する画像処理を行えるようになっているため、撮像素子１３の光軸Ｐ_５回りの回転位置の調整精度は、撮像面の長辺および短辺が、被加工面１１ａ上の加工可能領域の長辺および短辺と補正処理が可能な範囲で略平行になっていればよい。
なお、本実施形態では、撮像素子１３は長辺ｗ×短辺ｈの矩形状としたが、正方形でもよく、その場合は、４つの辺のうち、互いに直交する２辺の一方を長辺、他方を短辺と便宜上名付けることにすれば、下記の説明が同様に成り立つ。

撮像素子１３が、加工可能領域に対してこのような位置関係に配置されているため、対物レンズ８Ｂ、観察用結像レンズ１２で構成される結像光学系の倍率を適宜設定することで、撮像面上に投影された加工可能領域の長辺または短辺がそれぞれ撮像面の長辺または短辺と一致、もしくは実質的に一致させることができる。特に、加工可能領域と撮像面との縦横比が一致する場合には、それぞれの長辺および短辺をともに、一致、もしくは実質的に一致させることが可能となる。この場合、撮像素子１３の各受光画素、加工可能領域に対応する各微小ミラー６ａの各座標の原点や配列方向が一致するように配置することが好ましい。
撮像素子１３で光電変換された画像信号は、撮像素子１３に電気的に接続された制御ユニット２２に送出される。

制御ユニット２２は、レーザ加工装置１００の動作を制御するためのもので、図７に示すように、画像取込部４０、データ記憶部４３、空間変調素子駆動部４１、装置制御部４２、画像処理部４４、および補正データ記憶部４７からなる。
制御ユニット２２の装置構成は、本実施形態では、ＣＰＵ、メモリ、入出力部、外部記憶装置などで構成されたコンピュータと適宜のハードウェアとの組合せからなる。データ記憶部４３、補正データ記憶部４７は、このコンピュータのメモリや外部記憶装置を用いて実現している。また、他の構成は、それぞれの制御機能、処理機能に対応して作成されたプログラムをＣＰＵで実行することにより実現している。

画像取込部４０は、撮像素子１３で取得された画像信号を取り込んで被加工面１１ａの２次元画像を得るものである。取り込まれた２次元画像は、モニタなどからなる表示部３０に送出されて表示されるとともに、画像データ１５０として、画像メモリからなるデータ記憶部４３に送出されて記憶されるようになっている。
空間変調素子駆動部４１は、画像処理部４４で生成された加工データに基づいて、空間変調素子６の各微小ミラー６ａのオン／オフ状態を制御するものである。

装置制御部４２は、例えば、操作パネル、キーボード、マウスなどの適宜の操作入力手段を備えるユーザインタフェース３２からの操作入力に基づいて、レーザ加工装置１００の動作を制御するものであり、画像取込部４０、空間変調素子駆動部４１、加工ヘッド移動機構３１、レーザ発振器１、観察用光源１６に電気的に接続され、それぞれの動作や動作タイミングを制御できるようになっている。

画像処理部４４は、データ記憶部４３に記憶された画像データ１５０を呼び出して適宜の画像処理を施すものであり、本実施形態では、欠陥抽出部４５と加工データ生成部４６とを備える。
欠陥抽出部４５は、画像データ１５０に対して欠陥抽出処理を行い、加工形状情報を欠陥画像データ１５１として、加工データ生成部４６に送出するものである。
この欠陥抽出処理は、周知のいかなる欠陥抽出アルゴリズムを用いてもよい。例えば、取得された画像データと、あらかじめ記憶された正常な被加工面１１ａのパターン画像データとの輝度の差分をとり、その差分データをあるしきい値で２値化したデータから欠陥を抽出することができる。
加工データ生成部４６は、欠陥抽出部４５から送出された加工形状情報に対応して、被加工面１１ａにオン光６２を照射できるように、空間変調素子６の各微小ミラー６ａのオン／オフを制御する加工データ１５２（変調データ）を生成するものである。

加工データ１５２を生成する際、本実施形態では、撮像面の、加工可能領域に対する光軸Ｐ_５回りの回転位置がずれて、それぞれの長辺および短辺が平行になっていない場合でも、その回転ずれ量を、補正データ記憶部４７に記憶しておくことにより、撮像素子１３が取得した欠陥画像データ１５１を回転変換し、回転位置の補正処理ができるようになっている。したがって、加工データ生成部４６は、撮像部が取得した像を、第２の光軸を中心として回転変換する座標変換手段を構成している。

ここで、倍率、回転、位置ずれのキャリブレーション方法の一例について説明する。
載置台２１に、位置設定用の基板１１を載置し、加工データ１５２として、不図示のＬＥＤなどの参照用光源に切り替えて、位置設定用のパターン、例えば、加工可能領域の外周を示す矩形や、加工可能領域の中心位置に対応する十字などの幾何学的なパターンを設定して、位置設定用の基板１１の被加工面１１ａに位置設定用パターンを照射する。
次に、撮像素子１３で被加工面１１ａを撮像し、位置設定用のパターンが照射された被加工面１１ａの画像を取得する。そして、画像処理部４４によって、この画像の撮像面上の位置座標を解析し、撮像素子１３の撮像面の加工可能領域に対する位置ずれを検出し、撮像素子１３の回転量を算出する。

次に、レーザ加工装置１００の動作について説明する。
レーザ加工装置１００で、レーザ加工を行うには、まず、載置台２１上に被加工物として、基板１１を載置する。
次に、加工ヘッド移動機構３１によって、加工ヘッド２０を移動して、最初の加工位置に設定し、被加工面１１ａの加工可能領域の画像を取得する。すなわち、観察用光源１６を点灯し、観察用光７０を発生させる。観察用光７０は、半透鏡１４で一部が反射され、この反射光が対物レンズ８Ｂで集光されて被加工面１１ａ上の加工可能領域を照明する。
被加工面１１ａで反射された反射光は、対物レンズ８Ｂで集光され、一部が、半透鏡１４を透過する。そして、半透鏡９により、さらに一部が透過されて、観察用結像レンズ１２に導かれる。観察用結像レンズ１２に入射した光は、撮像素子１３の撮像面に結像される。
撮像素子１３は、結像された被加工面１１ａの画像を光電変換し、画像取込部４０に送出する。
画像取込部４０では、送出された画像信号を、必要に応じて、ノイズ除去、輝度補正などの処理を施して表示部３０に表示する。また、装置制御部４２の制御信号に応じて、適宜のタイミングにおける画像信号を、画像データ１５０に変換し、データ記憶部４３に記憶する。このようにして、被加工面１１ａの加工可能領域の画像が取得される。

次に、画像処理部４４では、データ記憶部４３に記憶された画像データ１５０を欠陥抽出部４５に読み出して欠陥抽出を行う。そして、抽出された欠陥の種類や大きさなどを判定し、リペア加工すべき欠陥と判断された場合に、欠陥画像データ１５１として加工データ生成部４６に送出する。
加工データ生成部４６では、欠陥画像データ１５１の回転位置の補正処理を行う必要がある場合には、まず補正データ記憶部４７から補正データを読み出して、欠陥画像データ１５１の回転移動を行う。
この状態では、欠陥画像データ１５１における２次元の配列方向と、加工可能領域の長辺および短辺の方向とが一致している。
また、被加工面１１ａの加工可能領域と空間変調素子６の変調領域とは、照射光学系８によって、共役の関係とされており、照射光学系８の投影倍率がβであるため、加工可能領域上の位置座標を１／β倍することで、空間変調素子６の変調領域上の位置に対応させることができる。
このようにして、加工データ生成部４６では、欠陥画像データ１５１から、欠陥画像データ１５１で表される被加工面１１ａ上の各位置に、オン光６２を照射するためオン状態に制御すべき微小ミラー６ａを決定し、それらの微小ミラー６ａをオン状態とし、他の微小ミラー６ａをオフ状態とするように空間変調素子６を駆動する加工データ１５２を生成する。例えば、各微小ミラー６ａの位置（ｍ，ｎ）に対応して、オン状態が１、オフ状態が０の数値が対応する表データとして、加工データ１５２が生成される。
生成された加工データ１５２は、空間変調素子駆動部４１に送出する。

空間変調素子駆動部４１は、装置制御部４２の制御信号と送出された加工データ１５２とに基づいて、空間変調素子６の各微小ミラー６ａの回動角を制御する。
次に、装置制御部４２は、レーザ発振器１に対して、レーザ光を発振させる制御信号を送出し、基板１１に応じて予め選択された照射条件に基づいて、レーザ発振器１からレーザ光を発振させる。レーザ光の照射条件としては、例えば、波長、光出力、発振パルス幅などが挙げられる。
発振されたレーザ光は、結合レンズ２でファイバ３のファイバ端面３ａに光結合され、ファイバ端面３ｂから、光強度分布が略均一化された発散光であるレーザ光６０として出射される。

レーザ光６０は、投影レンズ４によって、光軸Ｐ_１に沿って進み、ミラー５で反射されて光軸Ｐ_２に沿って進んで、空間変調素子６上に投影される。そして、空間変調素子６上の各微小ミラー６ａで反射される。
傾斜角がオフ状態とされた微小ミラー６ａで反射されるオフ光６３（図６参照）は、結像レンズ８ＡのＮＡの範囲外に反射される。
傾斜角がオン状態とされた微小ミラー６ａで反射されたオン光６２は、光軸Ｐ_３に沿って進み、ミラー７で反射されて光軸Ｐ_４に沿って進み、結像レンズ８Ａに入射し、集光されて、半透鏡９に到達し、半透鏡９で反射される。
半透鏡９で反射されたオン光６２は、光軸Ｐ_５に沿って進み、対物レンズ８Ｂによって被加工面１１ａ上に結像される。
このようにして、加工データ１５２に基づくオン光６２よる変調領域の画像が、被加工面１１ａ上に投影される。その結果、オン光６２が、被加工面１１ａの欠陥に照射され、欠陥が除去される。

以上で１回のレーザ加工を終了する。
この加工後、撮像素子１３により再度被加工面１１ａの画像を取得し、必要に応じて、上記を繰り返して、未除去部があれば再度レーザ加工したり、あるいは、加工可能領域を移動して他の部分のレーザ加工をしたりする。

このようなレーザ加工装置１００によれば、光軸Ｐ_１〜Ｐ_５が同一平面上にあるので、光路上の光学素子や光学デバイスなどの光学部品を一平面上に配列することができ、光路の折り曲げ、部品配置、取付が容易となり、光学部品の保持部材などを含む各構成部品の部品加工や組立効率を向上することができる。
例えば、各光学部品の光軸傾き調整は、すべて１軸回り（本実施形態では、Ｙ軸回り）の調整のみとなり、調整が容易となる。また、光軸傾きの精度に影響する部品加工も、１軸回りの精度のみを高精度に加工すればよいので、加工が容易となる。
また、光軸Ｐ_１〜Ｐ_５が整列する平面に交差する方向に延ばして、構成部品を配置しなくてもよいので、光軸Ｐ_１〜Ｐ_５が整列する平面に交差する方向において、加工ヘッド２０からの構成部材の突出を抑えることができ、光軸Ｐ_１〜Ｐ_５が整列する平面の法線方向における加工ヘッド２０の厚さを低減することができる。そのため、装置構成をコンパクトなものとすることができる。

［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８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を示す光軸を含む断面における模式説明図である。図９（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の主要部の外観を示す模式的な正面図である。図９（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の主要部の外観を示す模式的な平面図である。図１０は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の制御ユニットの概略構成を示す機能ブロック図である。

本実施形態のレーザ加工装置１１０は、上記第１の実施形態のレーザ加工装置１００の加工ヘッド２０に代えて、第１光学ブロック２５、回転機構２６（回転保持機構）、および第２光学ブロックからなる加工ヘッド２４を備え、制御ユニット２２に代えて、制御ユニット２３を備えるものである。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

第１光学ブロック２５は、上記第１の実施形態の加工ヘッド２０のうち、投影レンズ４、ミラー５、空間変調素子６、ミラー７、結像レンズ８Ａ、半透鏡９、撮像素子１３、および観察用結像レンズ１２を、上記第１の実施形態と同様の位置関係に配置して筐体２５ａ（保持部材）に固定したものである。
回転機構２６は、第１光学ブロック２５をその下端側で光軸Ｐ_５回りに回転可能に保持するものである。本実施形態では、回転角が制御可能なモータなどを備えることで、ユーザインタフェース３２からの操作により回転できるようになっている。
第２光学ブロック２７は、上記第１の実施形態の加工ヘッド２０のうち、半透鏡１４、対物レンズ８Ｂ、集光レンズ１５、および観察用光源１６を上記第１の実施形態と同様の位置関係に配置して第２光学ブロックと異なる筐体２７ａに固定したもので、筐体２７ａの上面側に回転機構２６を保持してなる。そして、加工ヘッド移動機構３１によって、載置台２１に対して３軸方向に相対移動可能に保持されている。

制御ユニット２３は、図１０に示すように、上記第１の実施形態の制御ユニット２２の画像処理部４４に代えて、画像処理部４４に回転量算出部４８を追加した画像処理部４４Ａを備え、さらに、装置制御部４２が、回転機構２６に電気的に接続され、回転機構２６の回転角を制御できるようになっている。
回転量算出部４８は、欠陥抽出部４５からの欠陥画像データ１５１を解析して、欠陥の大きさや延在方向に応じて、最適となる撮像面の光軸Ｐ_５回りの回転角を設定するためのものである。本実施形態では、欠陥画像データ１５１の欠陥部分を囲む矩形を求め、この矩形の長辺および短辺が、それぞれ撮像面の長辺および短辺に平行となる回転角を算出するようにしている。ただし、欠陥部分を囲む矩形は、任意方向を向いた矩形でもよいし、例えば、各辺がＸ軸、Ｙ軸に平行な矩形に限定してもよい。
回転量算出部４８で算出された回転角は、装置制御部４２に送出され、回転する必要がある場合には、回転角に応じた制御信号が、装置制御部４２から回転機構２６に送出されるようになっている。

次に、レーザ加工装置１１０の作用について説明する。
図１１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２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動作説明図である。
レーザ加工装置１１０によれば、回転機構２６によって、第２光学ブロック２７に対して、第１光学ブロック２５が光軸Ｐ_５回りに回転されても、常に、光軸Ｐ_１〜Ｐ_５が、同一平面上に位置する。このため、レーザ加工は、上記第１の実施形態と全く同様に行うことができる。
本実施形態では、さらに、回転機構２６を駆動することにより、基板１１に対する撮像素子１３を光軸Ｐ_５回りに回転し、被加工面１１ａ上の撮像領域、およびそれと対応した加工可能領域を回転させることができる。
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば、基板１１の長辺方向がＹ軸方向、短辺方向がＸ軸方向に配置されている場合を考える。
この場合に、図１１（ａ）に示すように、第１光学ブロック２５を、図示時計回りに、φ_１＝４５°回転させることで、撮像素子１３の長辺方向と、基板１１の長辺方向とが平行となるように設定することができる。また、第１光学ブロック２５を、図示反時計回りに、φ_２＝４５°回転させることで、撮像素子１３の短辺方向と、基板１１の長辺方向とが平行となるように設定することができる。
また、もし、基板１１の載置精度が悪く、所定位置に対して回転して載置された場合でも、ずれ量に合わせて、第１光学ブロック２５を回転することで、基板１１のずれ量を補正した状態で、レーザ加工を行うことができるため、高精度のレーザ加工を行うことができる。このずれ量は、例えば、画像処理部４４Ａによって、画像データ１５０に含まれる正常画像部分のパターンの方向性を検出することによって求めることができる。また、表示部３０に表示される画像において、画像計測を行って求めてもよい。
リペア加工する基板１１は、矩形状で、矩形の長辺、短辺に沿う方向に回路パターンなどが延ばされることが多いため、このような配置を選択することで、例えば、欠陥抽出に用いる正常画像パターンは、予め縦横を入れ替えた２種類を用意するか、１種類を必要に応じて９０°回転して用いることができるため、任意の回転角に応じて正常画像パターンを回転変換してから、欠陥抽出演算を行う場合に比べて、演算処理を迅速に行うことができる。

また、本実施形態では、画像処理部４４Ａが回転量算出部４８を備えるため、次のようにして、第１光学ブロック２５の回転量を、被加工面１１ａ上の欠陥の大きさや方向によって決定することもできる。
図１０に示すように、欠陥抽出部４５から欠陥画像データ１５１が回転量算出部４８に送出されると、回転量算出部４８では、欠陥画像データ１５１を画像処理して、欠陥部分を含む矩形を算出する。そして、この矩形の長辺および短辺の方向から、その長辺および短辺が、撮像素子１３の長辺および短辺とそれぞれ平行となる回転角を算出する。
例えば、図１１（ａ）に示すように、欠陥３００を囲む矩形Ｔ_１から、回転角φ_１を算出し、第１光学ブロック２５をφ_１回転する。また、図１１（ｂ）に示すように、欠陥３０１を囲む矩形Ｔ_２から、回転角φ_２を算出し、第１光学ブロック２５をφ_１回転する。
このように、欠陥の形状に応じて、撮像素子１３の回転方向を調整することで、欠陥を撮像素子１３の撮像範囲に効率的よく納めることができるので、高倍率で撮像することが可能となり、高精度のレーザ加工が可能となる。また、撮像面を有効に用いて、近接した複数の欠陥を効率的に撮像し、同時にレーザ加工することもできるため、レーザ加工の効率を向上することができる。

第１光学ブロックの回転量は、このように回転量算出部４８によって、自動的に算出するだけでなく、操作者が、表示部３０に表示される欠陥の画像を参照しつつユーザインタフェース３２を通して、手動で指示してもよい。

なお、上記の説明では、空間変調素子の変調データを生成するために、被加工面の画像を撮像する撮像部を備える場合の例で説明したが、例えば、被加工物に対応して、加工形状がデータで与えられているような場合には、このような撮像部を有しない構成としてもよい。

また、上記の説明では、撮像部で取得された画像に画像処理を施して、被加工面の欠陥抽出を行い、抽出された欠陥の情報に基づいて、欠陥部分を除去するための変調データを算出し、空間変調素子の変調制御を行うようにした場合の例で説明したが、本発明では、被加工物をデータに基づいて形状加工する装置であれば、加工対象は欠陥には限定されない。
このように、加工対象が欠陥でない場合には、被加工面の欠陥を抽出する画像処理部を有しない構成としてもよい。

また、上記の第２の実施形態の説明では、回転機構２６が、装置制御部４２によって回転駆動される場合の例で説明したが、回転機構２６は、機械的な回転ステージ等で構成して、手動で回転できるようにしてもよい。この場合、回転機構２６と装置制御部４２とは電気的に接続する必要はない。また、回転量算出部４８は、回転ずれ量を検出して、表示部３０にずれ量を表示するように変更してもよい。ただし、回転ずれ量を画像処理部４４で検出する必要がない場合には、制御ユニット２３に代えて、第１の実施形態の制御ユニット２２を用いる構成としてもよい。

また、上記第２の実施形態は、例えば、照射光学系８の途中にズーム変倍部を設けるなどして、照射光学系８の倍率が撮像光学系の倍率より高く設定され、表示部３０に表示された視野内に空間変調素子６で決まる矩形の照射領域がある場合にも有効である。この場合、照射光学系８の倍率が高く、空間変調素子６の広い面積を使えるので、エネルギーロスが少なく、欠陥が縦長か横長かといった形状に合わせて修正を行うことできる。

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を示す光軸を含む断面における模式説明図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の主要部の外観を示す模式的な正面図および側面図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の空間変調素子の光軸を含む断面における模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の空間変調素子の模式的な平面図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の空間素子近傍の正面視の模式図およびそのＣ視平面図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の空間変調素子の基準面と入射面との位置関係を示す模式的な斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の制御ユニットの概略構成を示す機能ブロック図である。 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を示す光軸を含む断面における模式説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の主要部の外観を示す模式的な正面図および平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の制御ユニットの概略構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第２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動作説明図である。 レーザ加工装置の主要部の構成の一例を示す斜視図である。 図１２のＡ視正面図およびＢ視側面図である。

符号の説明

４ 投影レンズ
６ 空間変調素子
６ａ 微小ミラー
８ 照射光学系
８Ａ 結像レンズ
８Ｂ 対物レンズ
１１ 基板
１１ａ 被加工面
１２ 観察用結像レンズ（撮像光学系）
１３ 撮像素子（撮像部）
２０、２４ 加工ヘッド
２０ａ、２７ａ 筐体
２２、２３ 制御ユニット
２５ 第１光学ブロック
２５ａ 筐体（保持部材）
２６ 回転機構（回転保持機構）
２７ 第２光学ブロック
３１ 加工ヘッド移動機構
４０ 画像取込部
４４ 画像処理部
４５ 欠陥抽出部
４６ 加工データ生成部（座標変換手段）
４７ 補正データ記憶部
４８ 回転量算出部
５０ レーザ光源
６２ オン光
１００、１１０ レーザ加工装置
１５０ 画像データ
１５２ 加工データ（変調データ）
Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４、Ｐ_５ 光軸

Claims (6)

1. レーザ光源と、
   一定方向に整列された回動軸を中心としてそれぞれ回動可能に設けられた複数の微小ミラーが前記回動軸と交差する方向に延びる４つの辺で囲まれた矩形領域内で前記４つの辺の互いに直交する２辺が延びる方向に配列された微小ミラーアレイによって前記レーザ光源から照射されるレーザ光を空間変調する空間変調素子と、
   前記微小ミラーアレイと前記被加工面とが共役になるように配置された照射光学系とを備え、
   前記レーザ光源から前記微小ミラーアレイで反射し前記照射光学系を経て前記被加工面に至る第１の光軸が同一の平面上にあるようにしたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記被加工面を撮像するため、前記照射光学系と一部同軸に構成された撮像光学系と、
   該撮像光学系で投影される像を取得する撮像部とを備え、
   前記第１の光軸と、前記被加工面から前記撮像光学系を経て前記撮像部に至る第２の光軸とが同一の平面上に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. 前記撮像部で取得された画像に画像処理を施して、前記被加工面の欠陥抽出を行い、抽出された欠陥の情報に基づいて、欠陥部分を除去するために前記空間変調素子を駆動する変調データを生成する画像処理部を備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記撮像部は、光電変換要素が、４つの辺で囲まれた矩形領域内で前記４つの辺の互いに直交する２辺が延びる方向にそれぞれ配列された撮像素子を有し、
   該撮像素子の矩形領域の前記互いに直交する２辺の方向は、前記照射光学系によって前記被加工面に投影される前記空間変調素子の矩形領域の前記互いに直交する２辺の方向に合致する位置関係に配置されることを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記画像処理部は、前記撮像部が取得した像を、前記第２の光軸を中心として回転変換する座標変換手段を備え、
   該座標変換手段は、前記撮像部が取得した像を、前記照射光学系によって前記被加工面に投影される前記空間変調素子の矩形領域の前記互いに直交する２辺の方向の前記第２の光軸に対する回転量に合わせて回転させることを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
6. 前記レーザ光源、前記空間変調素子、および前記照射光学系を一体に保持する保持部材と、
   該保持部材を、前記第１の光軸のうち、前記被加工面に入射する光軸部分を回転中心軸として回転可能に保持する回転保持機構とを備える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。

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