JP2012148302A - 調整装置、レーザ加工装置および調整方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】空間変調手段(DMD)によって任意のキャリブレーションパターンの形状に成形されたレーザ光を感光体に照射し、前記レーザ光が照射された前記感光体の画像を撮像し、前記撮像された画像のレーザ痕の形状と前記キャリブレーションパターンの形状とのズレ値を算出し、前記算出されたズレ値に基づいて、前記レーザ光の被加工物上での形状が入力パターンの形状と一致するように補正するための変換パラメータを算出し、前記算出された変換パラメータに基づいて、前記入力パターンに従った前記被加工物へのレーザ光の照射を調整する。
【選択図】図1
Description
すなわち、本発明の一態様によれば、本発明の調整装置は、レーザ光源から出射されたレーザ光を被加工物が載置されたステージ上へ導くための光学系と、前記レーザ光源から前記被加工物への光路上に設けられ、前記レーザ光を所望の入力パターンで前記被加工物に照射するために複数個の配列された微小可動素子から構成された空間変調手段と、前記空間変調手段によって前記入力パターンの形状に成形された前記レーザ光を前記被加工物に照射する照射手段とを備えたレーザ加工装置を制御する調整装置である。そして、本発明の調整装置は、前記空間変調手段によって任意のキャリブレーションパターンの形状に成形された前記レーザ光を感光体に照射するキャリブレーションパターン照射手段と、前記キャリブレーションパターン照射手段によって前記レーザ光が照射された前記感光体の画像を撮像する被加工物撮像手段と、前記被加工物撮像手段によって撮像された画像のレーザ痕の形状と前記キャリブレーションパターンの形状とのズレ値を算出するズレ値算出手段と、前記ズレ値算出手段によって算出されたズレ値に基づいて、前記レーザ光の前記被加工物上での形状が前記入力パターンの形状と一致するように補正するための変換パラメータを算出する変換パラメータ算出手段と、前記パラメータ算出手段によって算出された変換パラメータに基づいて、前記入力パターンに従った前記被加工物へのレーザ光の照射を調整する調整手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明によれば、空間変調素子により任意形状のキャリブレーションパターンを投影可能であるため、照射対象領域にキャリブレーションパターンの形状をゆがめるような構成物が存在する場合であっても、それを避けるようなパターン配置で空間変調素子に設定することが可能である。
なお、通常「キャリブレーション」という語は「調整」を含む意味に使われることもあるが、以下の説明においては「キャリブレーション」には「調整」が含まれないものとする。また、特に断らない限り、「調整」とは「キャリブレーションの結果に基づく調整」を意味するものとする。
図1は、本発明を実施するためのレーザ加工装置の構成を示す図である。
本発明が適用される調整装置は、図1に示すようなレーザ加工装置100を制御する装置である。
図1において、レーザ加工装置100は、ステージ101の上に載置された被加工物102の表面を撮像するカメラ112、被加工物102の表面に対し照明光を照射する照明用光源111、被加工物102の表面に対しレーザ光を照射するレーザ光源103、レーザ光源103から出射されたレーザ光を任意の空間形状に変形させる空間変調素子(DMD)106、レーザ加工装置100全体を制御するための制御PC113、任意の位置でレーザ加工が可能なように加工位置を制御するステージ制御部118、制御PC113を操作するための入力部114、カメラ112から撮像された画像を処理する画像処理部116、画像処理部116で処理された画像、またはカメラ112で撮像された被加工物102の表面の画像をライブ画像として表示する表示部115、任意形状にDMD106を調整可能な領域設定部117、後述する変換パラメータを算出する変換パラメータ算出部120、変換パラメータ算出部120で算出された変換パラメータや任意のキャリブレーションパターンを記憶する記憶部119を備える。
DMD106は、微小ミラー(微小可動素子)が2次元アレイ状に配列された空間変調素子である。微小ミラーの傾斜角は、少なくとも2種類に切り替え可能である。傾斜角が第1と第2の角度であるときの微小ミラーの状態を、それぞれ以下では「オン状態」と「オフ状態」という。
被加工物102の撮像に照明光が必要な場合は、照明用光源111からの照明光がレンズ122を介してハーフミラー109で反射され、対物レンズ110を介して被加工物102の表面に照射される。なお、カメラ112の代わりに、CMOS(Complementary Mental-Oxide Semiconductor:相補型金属酸化物半導体)カメラ等の撮像装置を用いてもよい。
そして、上述のようなレーザ加工装置100は、次のような処理を実行する。
図2に示すように、キャリブレーションパターンは、面積の異なる数点の図形から構成される。例えば、図2の(1)に示したキャリブレーションパターンの例は、4点の円から構成されている。
図3は、入力パターンから出力パターンへの変形例を示す図である。
説明の便宜上、以下ではカメラ112により撮像される画像の横方向の座標軸をx軸、縦方向の座標軸をy軸と呼ぶ。そして、画像の大きさは任意であるが、本実施の形態では、x方向に640画素、y方向に480画素であるとする。また、この大きさを「640×480画素」と表記する。画像内の各画素の位置は、x座標とy座標の組(x,y)により表される。すなわち、図3における照射パターン310の左上隅と右下隅の座標はそれぞれ、(0,0)と(639,479)である。
まず、照明用光源111からの照明光による照明のもとで、レーザ光を照射しない状態で、被加工物102をカメラ112が撮像する。そして、画像処理部116が、撮像された画像を取り込んで表示部115に出力する。
本実施の形態では、レーザ加工装置100に存在するずれや歪みに起因する上記のような照射パターンの変形を、一種の変換の結果であると見なし、その変換を数学的にモデル化している。
まず、キャリブレーション方法について説明する。
すなわち、領域設定部117によりONされるミラー位置をミラー座標値、レーザ光源103により感光体表面に焼き付けられる上記ミラー位置に対応した位置を照射座標値とする。
まず、第1のステップとして、数点のミラー座標値とそれに対応する数点の照射座標値を求める。
ステップS401において、感光体表面に焼き付けられたパターン画像に対し画像処理部116は、白をパターン、黒を背景とした2値化を実行する。2値化の方法としては、浮動二値化処理など、周知の方法を用いればよい。領域設定部117に与えられた2値画像も、白をパターン、黒を背景として作成される。
次に、ステップS404において、各パターンの重心位置を算出し、ステップS405において、各パターンの面積を算出する。そして、ステップS406において、ステップS405で算出した面積の大きさでソートすることにより、領域設定部117に与えられた2値画像上の数点のパターンと、感光体表面に焼き付けられた数点のパターンをおのおの対応させる。例えば、領域設定部117に与えられた2値画像上の数点のパターンのうち、面積が最大のパターンと、感光体表面に焼き付けられた数点のパターンのうち、面積が最大のパターンは対応するものとみなす。
次に、第2のステップとして、数点のミラー座標値とそれに対応する数点の照射座標値をもとにアフィン変換行列を求める。
となる。
図5は、第1の実施の形態における変換パラメータとしての変換行列Tの算出手順を示すフローチャートである。
次に、ステップS403において、制御PC113は、キャリブレーションパターンのデータから座標を取得する。例えば、図2の(1)のキャリブレーションパターンの場合、制御PC113は、画像処理部116で実行する画像認識処理により、キャリブレーションパターンから4つの円を認識し、認識した4つの円の中心(すなわち重心)の座標をそれぞれ算出して取得する。これら4つの座標を、座標a、b、c、dとする。
図6は、調整方法を説明するための図である。
図6に示す照射パターン310とDMD転送用データ320は、図3に示したものと同様である。また、図6は、図3と同様の変換行列Tを用いて説明する図である。
本実施の形態によれば、実際に加工に用いるレーザ光とDMD106との間でキャリブレーションを実行するので、従来のガイド光とのキャリブレーションに比較して高精度なレーザ加工が可能となる。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態は、第1の実施の形態で実行した処理の後に、欠陥修正のための加工で用いるレーザ光照射の予定位置を、表示部115に表示する実施の形態である。
すなわち、第1の実施の形態のようにして調整されたレーザ光の照射前に、被加工物102の表面をカメラ112により撮像する。そして、撮像された画像上に、例えば図7の(1)のようにパターン701が形成された被加工物102の画像にレーザ光が照射される領域702を重畳させた状態で表示部115上に表示する。ここで、レーザ光の照射予定の領域702は、図7の(2)のように外枠でもよいし、(3)のように塗りつぶしてもよいし、(4)のように半透明で重畳させてもよい。
次に、本発明を適用した第3の実施の形態を説明する。
第3の実施の形態は、第1の実施の形態の構成に、ガイド光として利用するための光源が追加されている。
図8は、第3の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成を示す図である。
すなわち、レーザ光が入力パターンの形状で被加工物102に照射されることを確認するために、ガイド光とレーザ光が辿る同じ光路を構成する光学系を介して、被加工物102に照射されるガイド光を、キャリブレーションパターンの形状に成形させて感光体に照射し、ガイド光が照射された感光体の画像を撮像する。そして、撮像された画像のガイド光痕の形状とレーザ痕の形状とのズレ値を算出し、第1の実施の形態と同様にして算出したレーザ痕の形状とキャリブレーションパターンの形状とのズレ値と、ガイド光痕の形状とレーザ痕の形状とのズレ値とに基づいて、変換パラメータを算出する。
まず、DMD106にキャリブレーションパターンを調整した状態で、ガイド光(白)とレーザ光(黒)で被加工物102の表面に対し光を照射した画像をそれぞれ取得する(図9の(5))。
次に、本発明を適用した第4の実施の形態を説明する。
(第4の実施の形態)
上述した第3の実施の形態のように、ガイド光を用いる構成の場合、DMD106上での回折角の影響によってガイド光とレーザ加工形状に位置ずれが生じる。そのため、オペレータが表示部115などで加工位置を確認する際、ガイド光が実際の加工位置よりずれて見えることがある。
(第5の実施の形態)
図10は、第5の実施の形態を説明するための図である。
まず、背景を検出する手段により、背景部分を検出する。この背景を検出する手段とは、例えば、ぼかしフィルターによりパターン1001を消去した背景画像(図10の(4))と、キャプチャ画像(図10の(5))とを差分することにより浮きでるパターン1001以外の領域(図10の(6)の黒色の4つの矩形領域)を検出する手法が上げられる。
すなわち、レーザ光源103から照射される前記レーザ光が、前記感光体として回路パターンが形成された被加工物102の表面のうち前記回路パターン部分以外の部分に照射されるように、キャプチャ画像から得られる表面の情報に基づいて前記キャリブレーションパターンを作成する。例えば、前記表面の情報としての回路パターンまたは欠陥を避けるようにキャリブレーションパターンを作成する。
(第6の実施の形態)
本発明を適用した第6の実施の形態は、一度、キャリブレーションが実行された後、再度キャリブレーションを実行する実施の形態である。または、ガイド光でキャリブレーションを実行した後、レーザでキャリブレーションを実行する実施の形態である。
レーザ光の光量分布の均一性が失われると、DMD106のミラーを全部ONの状態で被加工物102に対してレーザ光を全面照射した場合(図11の(1))、被加工物102の表面には加工ムラが発生する(図11の(2))。
(第7の実施の形態)
上述の第1乃至第6の実施の形態としては、キャリブレーションパターンを構成する図形の点数を、4点として説明してきたが、4点ではなく、2点として、変換行列を求めてもよい。また、一般的に、N点として、アフィン変換行列や擬似アフィン変換行列や射影変換行列を求めてもよい。
また、空間変調素子により任意形状のキャリブレーションパターンを投影可能であるため、照射対象領域にキャリブレーションパターンの形状をゆがめるような構成物が存在する場合であっても、それを避けるようなパターン配置で空間変調素子に設定することが可能である。
101 ステージ
102 被加工物
103 レーザ光源
105、121 ミラー
106 DMD(空間変調素子)
107、109、802 ハーフミラー
108 結像レンズ
110 対物レンズ
111 照明用光源
112 カメラ
113 制御PC
114 入力部
115 表示部
116 画像処理部
117 領域設定部
118 ステージ制御部
119 記憶部
120 変換パラメータ算出部
122、123 レンズ
310 照射パターン
320、621 DMD転送用データ
330、631 ライブ(Live)画像
701 パターン
702 領域
801 LED光源
1001 パターン
1002(1002A、1002B、1002C、1002D) 領域
Claims (9)
- レーザ光源から出射されたレーザ光を被加工物が載置されたステージ上へ導くための光学系と、前記レーザ光源から前記被加工物への光路上に設けられ、前記レーザ光を所望の入力パターンで前記被加工物に照射するために複数個の配列された微小可動素子から構成された空間変調手段と、前記空間変調手段によって前記入力パターンの形状に成形された前記レーザ光を前記被加工物に照射する照射手段とを備えたレーザ加工装置を制御する調整装置であって、
前記空間変調手段によって任意のキャリブレーションパターンの形状に成形された前記レーザ光を感光体に照射するキャリブレーションパターン照射手段と、
前記キャリブレーションパターン照射手段によって前記レーザ光が照射された前記感光体の画像を撮像する被加工物撮像手段と、
前記被加工物撮像手段によって撮像された画像のレーザ痕の形状と前記キャリブレーションパターンの形状とのズレ値を算出するズレ値算出手段と、
前記ズレ値算出手段によって算出されたズレ値に基づいて、前記レーザ光の前記被加工物上での形状が前記入力パターンの形状と一致するように補正するための変換パラメータを算出する変換パラメータ算出手段と、
前記パラメータ算出手段によって算出された変換パラメータに基づいて、前記入力パターンに従った前記被加工物へのレーザ光の照射を調整する調整手段と、
を備えることを特徴とする調整装置。 - 前記キャリブレーションパターン照射手段は、前記レーザ光が前記入力パターンの形状で前記被加工物に照射されることを確認するために前記光学系を介して前記被加工物に照射されるガイド光を、前記空間変調手段によって前記キャリブレーションパターンの形状に成形させて前記感光体に照射し、
前記被加工物撮像手段は、前記キャリブレーションパターン照射手段によって前記ガイド光が照射された前記感光体の画像を撮像し、
前記ズレ値算出手段は、前記被加工物撮像手段によって撮像された画像のガイド光痕の形状と前記レーザ痕の形状とのズレ値を算出し、
前記変換パラメータ算出手段は、前記レーザ痕の形状と前記キャリブレーションパターンの形状とのズレ値および前記ガイド光痕の形状と前記レーザ痕の形状とのズレ値とに基づいて、前記変換パラメータを算出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の調整装置。 - 前記キャリブレーションパターン照射手段により照射される前記レーザ光が、前記感光体として回路パターンが形成された被加工物の表面のうち前記回路パターン部分以外の部分に照射されるように、前記表面の情報に基づいて前記キャリブレーションパターンを作成するキャリブレーションパターン作成手段、
をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の調整装置。 - 前記キャリブレーションパターン作成手段は、前記表面の情報としての回路パターンまたは欠陥を避けるようにキャリブレーションパターンを作成することを特徴とする請求項3に記載の調整装置。
- 前記被加工物撮像手段によって撮像した前記被加工物の画像に、前記調整手段によって調整されたレーザ光が照射される領域を重畳して表示する表示手段、
をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の調整装置。 - レーザ光源から出射されたレーザ光を被加工物が載置されたステージ上へ導くための光学系と、
前記レーザ光源から前記被加工物への光路上に設けられ、前記レーザ光を所望の入力パターンで前記被加工物に照射するために複数個の配列された微小可動素子から構成された空間変調手段と、
前記空間変調手段によって前記入力パターンの形状に成形された前記レーザ光を感光体に照射する試射手段と、
前記試射手段によって前記レーザ光が照射された前記感光体の画像を撮像する被加工物撮像手段と、
前記被加工物撮像手段によって撮像された画像のレーザ痕の形状と前記入力パターンの形状とのズレ値を算出するズレ値算出手段と、
前記ズレ値算出手段によって算出されたズレ値に基づいて、前記レーザ光の前記被加工物上での形状が前記入力パターンの形状と一致するように補正するための変換パラメータを算出する変換パラメータ算出手段と、
前記パラメータ算出手段によって算出された変換パラメータに基づいて、前記入力パターンに従った前記被加工物へのレーザ光の照射を調整する調整手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記試射手段は、前記レーザ光が前記入力パターンの形状で前記被加工物に照射されることを確認するために前記光学系を介して前記被加工物に照射されるガイド光を、前記空間変調手段によって前記入力パターンの形状に成形させて前記感光体に照射し、
前記被加工物撮像手段は、前記試射手段によって前記ガイド光が照射された前記感光体の画像を撮像し、
前記ズレ値算出手段は、前記被加工物撮像手段によって撮像された画像のガイド光痕の形状と前記レーザ痕の形状とのズレ値を算出し、
前記変換パラメータ算出手段は、前記レーザ痕の形状と前記入力パターンの形状とのズレ値および前記ガイド光痕の形状と前記レーザ痕の形状とのズレ値とに基づいて、前記変換パラメータを算出する、
ことを特徴とする請求項6に記載のレーザ加工装置。 - 前記調整手段によって調整され、前記入力パターンの形状に成形された前記レーザ光を前記被加工物に照射する照射手段、
を備えることを特徴とする請求項6または7に記載のレーザ加工装置。 - レーザ光源から出射されたレーザ光を被加工物が載置されたステージ上へ導くための光学系と、前記レーザ光源から前記被加工物への光路上に設けられ、前記レーザ光を所望の入力パターンで前記被加工物に照射するために複数個の配列された微小可動素子から構成された空間変調手段と、前記空間変調手段によって前記入力パターンの形状に成形された前記レーザ光を前記被加工物に照射する照射手段とを備えたレーザ加工装置を制御する調整装置のコンピュータが、
前記空間変調手段によって任意のキャリブレーションパターンの形状に成形された前記レーザ光を感光体に照射し、
前記レーザ光が照射された前記感光体の画像を撮像し、
前記撮像された画像のレーザ痕の形状と前記キャリブレーションパターンの形状とのズレ値を算出し、
前記算出されたズレ値に基づいて、前記レーザ光の前記被加工物上での形状が前記入力パターンの形状と一致するように補正するための変換パラメータを算出し、
前記算出された変換パラメータに基づいて、前記入力パターンに従った前記被加工物へのレーザ光の照射を調整する、
ことを特徴とする調整方法。
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