JP2013101243A - Multi-focal optical system and laser processing device - Google Patents

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能徳 多幡
Mamoru Okamura
守 岡村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form a condensing point by sufficiently removing color aberration, and controlling spherical aberration.SOLUTION: A multi-focal optical system includes: an optical beam expansion lens system 34 and a condenser lens system 38. The optical beam expansion lens system is a combination lens system of a concave lens 10 and a set 20 (20-1 to 20-4) of division lenses, and the division lenses are respectively arranged at different positions from one another along an optical axis such that a coaxial optical system is configured. Since the set of the division lenses is moved along the optical axis, its distance from the concave lens can be adjusted.

Description

この発明は、光ビームを複数の位置に集光させる多焦点光学系、及びこの多焦点光学系を備えたレーザ加工装置に関する。   The present invention relates to a multifocal optical system that focuses a light beam at a plurality of positions, and a laser processing apparatus including the multifocal optical system.

近年、レーザ光ビームを照射し被加工物を加工するレーザ加工装置が、エレクトロニクスやフォトニクスを支える各種デバイスを製造する工程で盛んに利用されている。この種のレーザ加工装置の代表例は、被加工物を切断加工するレーザ加工装置である。   2. Description of the Related Art In recent years, laser processing apparatuses that process a workpiece by irradiating a laser beam have been actively used in processes for manufacturing various devices that support electronics and photonics. A typical example of this type of laser processing apparatus is a laser processing apparatus for cutting a workpiece.

このレーザ加工装置は、レンズ光学系によって板状の被加工物の内部にレーザ光ビームを集光させて、集光部分にクラック(crack)を形成させる。そして、被加工物に対してレーザ光ビームを相対的に移動させることによって被加工物の内部にクラック列を形成する。このようなクラック列が形成されるとクラック列を形成するそれぞれのクラックを起点にして厚さ方向に沿って割れ目が形成される。このように加工された被加工物に、応力を加えるとこの切断予定ライン(reserve for cutting line)に沿って切断される。   In this laser processing apparatus, a laser beam is condensed inside a plate-like workpiece by a lens optical system, and a crack is formed in a condensing portion. And a crack row is formed inside the workpiece by moving the laser beam relative to the workpiece. When such a crack row is formed, a crack is formed along the thickness direction starting from each crack forming the crack row. When stress is applied to the workpiece processed in this manner, the workpiece is cut along a reserve for cutting line.

被加工物を切断加工するレーザ加工装置は、これまでに複数提案されている(例えば、特許文献1〜7参照)。これらのレーザ加工装置による切断加工において、形成される上述のクラックの形態を決定する要因の一つは、当該加工装置が備えるレーザ光源の出力光ビームを被加工物に導くレンズ系の集光特性である。   A plurality of laser processing apparatuses for cutting a workpiece have been proposed so far (see, for example, Patent Documents 1 to 7). One of the factors that determine the form of the above-mentioned cracks formed in the cutting processing by these laser processing devices is that the condensing characteristic of the lens system that guides the output light beam of the laser light source provided in the processing device to the workpiece It is.

レーザ加工装置によって被加工物を切断するに当り、被加工物が薄い場合はレーザ光ビームを十分に集光できれば、いわゆる「切りしろ」と称される材料損失(カーフロス:kerf loss)領域の幅が狭く限定されて好適な切断が実現される。すなわち、被加工物が薄い場合は特許文献1に開示されたレーザ加工装置を利用することが好適である。しかしながら、被加工物が厚くなると切断予定ラインに沿って一列にクラックを並べて形成するだけでは応力を加えても深さ方向に沿った割れ目が生じ難く切断が困難になる。   When cutting a workpiece with a laser processing device, if the workpiece is thin, if the laser beam can be sufficiently focused, the width of a material loss (kerf loss) region called a “kerf loss” region Is narrowly limited and a suitable cutting is realized. That is, when the workpiece is thin, it is preferable to use the laser processing apparatus disclosed in Patent Document 1. However, when the workpiece becomes thicker, it is difficult to form a crack along the depth direction even if stress is applied only by forming cracks in a line along the planned cutting line.

そこで、複数のクラック列を切断予定ラインに沿って被加工物の厚み方向に並べて形成することによって、切断ラインを形成する手法が取られる。この手法の1つとして、レーザ光ビームを被加工物の厚み方向に沿って複数箇所に集光させ、レーザ光ビームを1回走査する手法がある。ただし、この手法で形成される切断ラインは、集光レンズ系に特段の工夫を施さなければ、被加工物の表面から浅い位置に形成されるクラック列の形状と深い位置に形成されるクラック列の形状とが異なり、カーフロス領域の幅が広くなる等の不都合が生じる。   Therefore, a method of forming a cutting line by forming a plurality of crack rows side by side along the planned cutting line in the thickness direction of the workpiece. As one of these methods, there is a method in which a laser beam is condensed at a plurality of locations along the thickness direction of the workpiece, and the laser beam is scanned once. However, the cutting line formed by this method is not limited to the condensing lens system, the shape of the crack line formed at a shallow position from the surface of the workpiece and the crack line formed at a deep position. Unlike the shape of the above, inconveniences such as an increase in the width of the kerfloss region occur.

また、レーザ光ビームの1回の走査ごとに被加工物の表面からの深さが異なる位置にクラック列が形成されるようにし、複数回レーザ光ビームを走査することによって切断ラインを形成する手法がある。この手法では、走査の回数に比例する時間を要する。   Also, a method of forming a cutting line by scanning a laser beam several times so that a crack row is formed at a position where the depth from the surface of the workpiece is different for each scan of the laser beam. There is. This method requires time proportional to the number of scans.

以上のことに鑑み、レーザ光源の出力光ビームを被加工物に導くレンズ系に特段の工夫を施し、被加工物の厚み方向に複数のクラック列が並ぶ切断ラインを、レーザ光ビームの1回の走査によって形成することを可能としたレーザ加工装置が開示されている。   In view of the above, a special contrivance is applied to the lens system that guides the output light beam of the laser light source to the workpiece, and a cutting line in which a plurality of crack rows are arranged in the thickness direction of the workpiece is formed once for the laser light beam. A laser processing apparatus that can be formed by scanning is disclosed.

例えば、レーザ光源の出力光ビームを被加工物に導くレンズ系を、互いに波長の異なる2つのレーザ光ビームを一つの対物レンズで被加工物内の深さの異なる位置にそれぞれ集光させる構成とし、レーザ光ビームの1回の走査で切断予定ラインに沿って被加工物の厚み方向に2列にクラックを形成するレーザ加工装置が開示されている(特許文献2参照)。   For example, a lens system that guides the output light beam of a laser light source to a workpiece is configured to condense two laser light beams having different wavelengths from each other at different depths in the workpiece using a single objective lens. A laser processing apparatus is disclosed in which cracks are formed in two rows in the thickness direction of a workpiece along a planned cutting line by a single scan of a laser beam (see Patent Document 2).

更に、焦点距離の異なる複数の部分レンズの複合体として形成された1枚のレンズを用いることによって、切断予定ラインに沿って被加工物の厚み方向の複数箇所に集光させる機能を持たせたレーザ加工装置も開示されている(特許文献3〜5参照)。このようなレンズ系を利用することによってレーザ光ビームの1回の走査で切断予定ラインに沿って被加工物の厚み方向に複数のクラック列が形成される。   Furthermore, by using a single lens formed as a composite of a plurality of partial lenses with different focal lengths, a function of condensing light at a plurality of locations in the thickness direction of the workpiece along the planned cutting line was provided. A laser processing apparatus is also disclosed (see Patent Documents 3 to 5). By using such a lens system, a plurality of crack rows are formed in the thickness direction of the workpiece along the line to be cut by one scanning of the laser beam.

特許文献2〜5に開示されたレーザ加工装置によれば、被加工物の表面から浅い位置に形成されるクラック列と深い位置に形成されるクラック列とはほぼ同一形状に形成される。   According to the laser processing apparatuses disclosed in Patent Documents 2 to 5, the crack row formed at a shallow position from the surface of the workpiece and the crack row formed at a deep position are formed in substantially the same shape.

また、サファイア等の透明誘電体材料基板を切断するレーザ加工装置であって、切断予定ラインからの逸脱が少なくカーフロス領域の幅が狭い精密なダイシングを達成するために、鋭利な損傷溝を刻む(スクライビングする)ことを特徴とするレーザ加工装置が開示されている(特許文献6参照)。このレーザ加工装置は、凹型シリンドリカルレンズと凸型シリンドリカルレンズを用いて非点収差光学系を形成し、この非点収差光学系によって4面体型集光スポットを形成できる多焦点光学系が利用されている。この多焦点光学系によって形成される4面体型集光スポットによって鋭利なV字型損傷溝(V字型クラック)が形成される。   Further, it is a laser processing apparatus for cutting a transparent dielectric material substrate such as sapphire, and in order to achieve precise dicing with a small deviation from the planned cutting line and a narrow width of the kerf region, a sharp damaged groove is formed ( A laser processing apparatus characterized by scribing) is disclosed (see Patent Document 6). In this laser processing apparatus, an astigmatism optical system is formed using a concave cylindrical lens and a convex cylindrical lens, and a multifocal optical system capable of forming a tetrahedral focusing spot by using the astigmatism optical system is used. Yes. A sharp V-shaped damaged groove (V-shaped crack) is formed by the tetrahedral focusing spot formed by this multifocal optical system.

更に、集光レンズ系の前段にレーザ光ビームを伝播方向の異なる複数の光ビームに分割させ、あるいは拡がり角の異なる複数の光ビームに分割させる光学系を配置し、この複数の光ビームを集光レンズ系によってそれぞれ異なる位置に集光させて、被加工物の内部に複数のクラックからなるクラック群を形成させるレーザ加工装置が開示されている(特許文献7参照)。このレーザ加工装置によれば、被加工物の表面から深さ方向に離れた平行な面上に複数のクラックが形成され、あるいは深さ方向に沿って並ぶ複数のクラックが形成される。そしてこれらのクラックは、意図的にその大きさ及び形状が互いに異なるように形成することが可能とされている。すなわち、所望の方向に沿った割れ目が形成されるように割れ目の形成方向を誘導できるクラック群を適宜形成することが可能とされている。   In addition, an optical system that divides the laser light beam into a plurality of light beams having different propagation directions or a plurality of light beams having different divergence angles is arranged at the front stage of the condenser lens system, and the plurality of light beams are collected. A laser processing apparatus is disclosed in which light is condensed at different positions by an optical lens system to form a group of cracks consisting of a plurality of cracks inside the workpiece (see Patent Document 7). According to this laser processing apparatus, a plurality of cracks are formed on a parallel surface separated in the depth direction from the surface of the workpiece, or a plurality of cracks arranged along the depth direction are formed. These cracks can be intentionally formed to have different sizes and shapes. That is, it is possible to appropriately form a crack group that can guide the formation direction of a crack so that a crack along a desired direction is formed.

以上説明した様に、レーザ光ビームによって被加工物の切断加工をするレーザ加工装置においては、レーザ光源の出力光ビームを被加工物に導くレンズ系を工夫することによって、好適な切断加工を実現させるためのクラックを形成している。   As described above, in a laser processing apparatus that cuts a workpiece with a laser beam, a suitable cutting process is realized by devising a lens system that guides the output light beam of a laser light source to the workpiece. Cracks are formed to make it happen.

更に、多焦点光学系は、上述のレーザ加工装置に利用される以外に、光ディスクに対する信号の記録再生を行う光学装置にも利用される(例えば特許文献8参照)。この光学装置は、多焦点光学系を用いることによって、厚みの異なる複数種の光ディスクのそれぞれに対して良好な信号の記録再生機能を実現しつつ、製造、検査のコスト低減が図られている。このように、多焦点光学系はレーザ加工装置以外にも複数の応用分野を有している。   Further, the multifocal optical system is used not only in the above-described laser processing apparatus but also in an optical apparatus that records and reproduces signals on and from an optical disk (see, for example, Patent Document 8). By using a multifocal optical system, this optical apparatus achieves a good signal recording / reproducing function for each of a plurality of types of optical disks having different thicknesses, while reducing manufacturing and inspection costs. Thus, the multifocal optical system has a plurality of application fields in addition to the laser processing apparatus.

特許第3683580号公報Japanese Patent No. 3683580 特開2004−337903号公報JP 2004-337903 A 特開平10−128569号公報JP-A-10-128569 特開2000−5892号公報JP 2000-5892 A 特開2010−167449号公報JP 2010-167449 A 特開2007−21548号公報JP 2007-21548 A 特開2011−56544号公報JP 2011-56544 A 特開2000−214383号公報JP 2000-214383 A

特許文献2に開示されたレーザ加工装置は、2つのレーザ光ビーム径をそれぞれ拡張する光学系と、2本の光ビームを1本化して1つの集光レンズに入力させる光学系とを備えている。そのため、レーザ光ビームを被加工物に入力するまでに要する光学系が複雑であり、また装置そのものが大型化する。   The laser processing apparatus disclosed in Patent Document 2 includes an optical system that expands two laser light beam diameters, and an optical system that combines two light beams into one condensing lens. Yes. Therefore, the optical system required until the laser beam is input to the workpiece is complicated, and the size of the apparatus itself is increased.

また、特許文献3〜5に開示された被加工物内の深さの異なる位置にそれぞれに集光させる構成のレーザ加工装置にあっては、集光レンズそのものが部分的に相異なる曲率を持つ屈折曲面を有する複雑な形状のレンズであるため、当該集光レンズの作製には特別な技術が必要とされる。また、集光レンズが複雑な形状であることから、色収差(chromatic aberration)補正を相異なる曲率を持つ屈折曲面を有する部分ごとに行う必要があり、このような複雑な形状のレンズに対して色収差補正を効果的に行うことは難しい。レーザ光といえどもその波長スペクトルは有限の波長帯域幅を有しており、微小領域に効果的に集光させるには、集光レンズの色収差を効果的に除去することが必要とされる。   Further, in the laser processing apparatus configured to collect light at different depths in the workpiece disclosed in Patent Documents 3 to 5, the condensing lens itself has partially different curvatures. Since the lens has a complicated shape having a refracting curved surface, a special technique is required for manufacturing the condenser lens. In addition, since the condensing lens has a complicated shape, it is necessary to correct chromatic aberration for each part having a curved surface with different curvatures. It is difficult to make corrections effectively. Even in the case of laser light, the wavelength spectrum has a finite wavelength bandwidth, and it is necessary to effectively remove the chromatic aberration of the condensing lens in order to effectively condense into a minute region.

また、特許文献3には、多焦点光学系を構成するレンズの1枚を複数の分割レンズに分割し、それぞれの分割レンズを共軸光学系となるように光軸に沿って異なる位置に配置する構成について言及されているが、球面収差を効果的に除去するための機能についての考慮はされていない。ここで、球面収差とは、レンズへ入力される光線の光軸からの距離に依存して集光位置(光軸と交差する位置)が異なる、いわゆる縦の球面収差(lateral spherical aberration)を意味する。   In Patent Document 3, one lens constituting a multifocal optical system is divided into a plurality of divided lenses, and each divided lens is arranged at a different position along the optical axis so as to be a coaxial optical system. However, the function for effectively removing the spherical aberration is not taken into consideration. Here, the spherical aberration means a so-called vertical spherical aberration in which the condensing position (position intersecting the optical axis) differs depending on the distance from the optical axis of the light beam input to the lens. To do.

多焦点光学系は、上述したようにレーザ加工以外にも光ディスクに対する信号の記録再生を行う光学装置等にも利用される。これら多焦点光学系が応用され利用される技術分野にあっては、共通して、所望の狭い領域に効果的に光ビームを集光させることが要請される。このためには、集光領域が広がる原因である色収差及び球面収差(以後、色収差及び球面収差の両者を意味する場合は単に収差ということもある)を効果的に除去することが必要となる。   As described above, the multifocal optical system is used not only for laser processing but also for an optical device for recording / reproducing signals on / from an optical disc. In the technical field where these multifocal optical systems are applied and used, it is common to condense a light beam effectively in a desired narrow region. For this purpose, it is necessary to effectively remove chromatic aberration and spherical aberration (hereinafter, both chromatic aberration and spherical aberration may be simply referred to as aberration) that cause the condensing region to expand.

更に、レーザ光ビームを、被加工物の内部に深さ方向に沿って複数の位置に集光させ、複数の集光点を同時に走査することによって切断ラインを形成するレーザ加工装置に装着される多焦点光学系は、表面から深い位置に集光するレーザ光ビームが、この集光位置に対してより近い位置に形成されるクラックによって散乱されないように集光されることが要請される。   Furthermore, the laser beam is focused on a plurality of positions along the depth direction inside the workpiece, and is mounted on a laser processing apparatus that forms a cutting line by simultaneously scanning a plurality of focused points. The multifocal optical system is required to be focused so that the laser beam condensed at a deep position from the surface is not scattered by a crack formed at a position closer to the focused position.

これは、被加工物の表面から浅い位置に形成されたクラックによって光が散乱されることによって、このクラックより深い位置に集光されるはずの光が集光しにくくなるからである。すなわち、浅い位置に形成されたクラックによる散乱を受けることによって、より深い位置に形成されるべきクラックが形成されず、あるいは予定より広くクラック領域が形成されるという不都合が生じるからである。   This is because light is scattered by a crack formed at a shallow position from the surface of the workpiece, so that light that should be collected at a position deeper than the crack is difficult to collect. That is, by receiving the scattering caused by the crack formed at the shallow position, the crack that should be formed at the deeper position is not formed, or the crack region is formed wider than planned.

以上説明したように、小型でかつ簡便な構成で収差が十分に除去された多焦点光学系であれば、加工装置のみならず上述した光ディスクに対する信号の記録再生を行う光学装置等の分野に広く利用可能となる。また、被加工物等の光ビームを入射させる対象物の表面から近い位置に形成される集光点を通過しない光ビームのみで、この集光位置に対してより深い位置に集光点が形成される多焦点光学系が実現されれば、切断等のレーザ加工を行う装置に利用して好適な多焦点光学系となる。   As described above, a multifocal optical system that has a small and simple configuration and sufficiently eliminates aberrations can be widely used not only in a processing apparatus but also in an optical apparatus that records and reproduces signals with respect to the optical disk described above. Be available. In addition, a condensing point is formed at a deeper position than the condensing position only by the light beam that does not pass through the condensing point formed near the surface of the object to which the light beam such as the workpiece is incident. If the multifocal optical system is realized, the multifocal optical system is suitable for use in an apparatus for performing laser processing such as cutting.

この発明者は、多焦点光学系を構成するレンズのうちの1枚を複数の分割レンズに分割し、それぞれの分割レンズを共軸光学系となるように光軸に沿って異なる位置に配置することで、上述の課題が解決することに思い至った。すなわち、この分割レンズは分割されてもそれぞれレンズとしての機能を果すので、これらの分割レンズを光軸に沿って異なる位置に共軸光学系をなすように配置すれば光軸上の異なる位置に集光点が形成される多焦点光学系が実現されることに注目した。   The inventor divides one of the lenses constituting the multifocal optical system into a plurality of divided lenses, and arranges the divided lenses at different positions along the optical axis so as to be a coaxial optical system. This led to the solution of the above-mentioned problems. That is, even if this split lens is divided, it functions as a lens. Therefore, if these split lenses are arranged at different positions along the optical axis so as to form a coaxial optical system, they are located at different positions on the optical axis. It was noted that a multifocal optical system in which a focal point is formed is realized.

更に、多焦点光学系を光ビーム拡張レンズ系と集光レンズ系とで構成し、光ビーム拡張レンズ系を構成するいずれかのレンズを2つ以上の分割レンズに分割することとすれば、この多焦点光学系の球面収差を効果的に除去することが可能であることを突き止めた。   Furthermore, if the multifocal optical system is composed of a light beam expansion lens system and a condenser lens system, and any of the lenses constituting the light beam expansion lens system is divided into two or more divided lenses, this It was found that the spherical aberration of the multifocal optical system can be effectively removed.

そこで、この発明の要旨によれば、以下の多焦点光学系及びこの多焦点光学系を備えるレーザ加工装置が提供される。   Therefore, according to the gist of the present invention, the following multifocal optical system and a laser processing apparatus including the multifocal optical system are provided.

第1発明の多焦点光学系は、光ビームが入力される側に配置されこの光ビームの直径を拡張する光ビーム拡張レンズ系と、光ビーム拡張レンズ系の後段にこの光ビーム拡張レンズ系の光軸を共有するように配置される集光レンズ系とを備えている。   The multifocal optical system according to the first aspect of the present invention includes a light beam expansion lens system that is arranged on the side where the light beam is input and expands the diameter of the light beam, and the light beam expansion lens system that is provided downstream of the light beam expansion lens system And a condensing lens system arranged so as to share the optical axis.

光ビーム拡張レンズ系は、光ビームが入力される側に配置される負の屈折力を有するレンズ系と、この負の屈折力を有するレンズ系の後段に配置される正の屈折力を有するレンズ系との組み合わせレンズ系である。負の屈折力を有するレンズ系から出力された光ビームは正の屈折力を有するレンズ系に入力されるように両レンズ群は配置されている。そして、光ビーム拡張レンズ系を構成するレンズのいずれかのレンズが2つ以上の分割レンズに分割されており、分割レンズのそれぞれは、光軸を共有するようにこの光軸に沿って互いに異なる位置に配置され分割レンズの組として構成されている。   The light beam expansion lens system includes a lens system having a negative refractive power disposed on the side to which the light beam is input, and a lens having a positive refractive power disposed downstream of the lens system having the negative refractive power. This is a combination lens system with this system. Both lens groups are arranged so that the light beam output from the lens system having negative refractive power is input to the lens system having positive refractive power. Any one of the lenses constituting the light beam expansion lens system is divided into two or more divided lenses, and each of the divided lenses is different from each other along the optical axis so as to share the optical axis. It is arranged at a position and configured as a set of split lenses.

ここで、負の屈折力を有するレンズ系は1枚の凹レンズとして構成することが可能であり、正の屈折力を有するレンズ系も1枚の凸レンズとして構成することが可能である。この凸レンズが2つ以上の分割レンズに分割されている。   Here, a lens system having negative refractive power can be configured as a single concave lens, and a lens system having positive refractive power can also be configured as a single convex lens. This convex lens is divided into two or more divided lenses.

また、分割レンズの組は、光軸に沿って移動させることが可能とされていることが好適である。   Further, it is preferable that the group of split lenses can be moved along the optical axis.

第2発明のレーザ加工装置の基本的構成は、上述の第1発明の多焦点光学系を備え、この多焦点光学系に光ビームを入力することによって光ビームを被加工物の内部に深さ方向に沿って複数の位置に集光点として形成させる構成とされている。すなわち、このレーザ加工装置は、被加工物の内部に深さ方向に沿って複数の位置に集光点を形成させ、この被加工物の切断予定ラインに沿って複数のこの集光点を同時に走査することによって切断ラインを形成する装置である。   The basic configuration of the laser processing apparatus of the second invention includes the multifocal optical system of the first invention described above, and by inputting the light beam to the multifocal optical system, the light beam is deepened into the workpiece. It is set as the structure formed as a condensing point in several positions along a direction. That is, this laser processing apparatus forms a condensing point at a plurality of positions along the depth direction inside the workpiece, and simultaneously applies a plurality of the condensing points along the planned cutting line of the workpiece. An apparatus for forming a cutting line by scanning.

第2発明のレーザ加工装置に搭載される多焦点光学系を構成する分割レンズの組は、被加工物の内部に深さ方向に沿って形成されるクラックの内、この被加工物の表面から深い位置に集光する光ビームが、この深い位置より表面に近い位置に形成されるクラックによって散乱されることがないように、このクラックを避けて通るように、互いに配置するのが好適である。   The group of split lenses constituting the multifocal optical system mounted on the laser processing apparatus of the second invention is the surface of the workpiece among the cracks formed along the depth direction in the workpiece. It is preferable to arrange them so that the light beams focused at a deep position are not scattered by a crack formed at a position closer to the surface than the deep position so as to avoid the crack. .

第1発明の多焦点光学系によれば、正の屈折力を有するレンズ系を構成するレンズのいずれかのレンズが2つ以上の分割レンズに分割され、これらの分割レンズは共軸光学系を構成するよう配置されている。従って、分割するレンズとして色消しレンズ等の色収差補正がされたレンズを利用することで、分割レンズはその色収差補正の効果を保持したまま集光レンズとしての機能が実現される。   According to the multifocal optical system of the first invention, any one of the lenses constituting the lens system having a positive refractive power is divided into two or more divided lenses, and these divided lenses have a coaxial optical system. Arranged to compose. Therefore, by using a lens that has been subjected to chromatic aberration correction, such as an achromatic lens, as the lens to be divided, the divided lens functions as a condenser lens while maintaining the effect of correcting the chromatic aberration.

すなわち、焦点距離が異なる複数の領域をつなぎ合わせて構成される集光レンズを形成するには、焦点距離が異なる複数のそれぞれの領域に対して色収差補正をする必要がある。これに対して、第1発明の多焦点光学系によれば分割する1枚のレンズに対して色収差補正をすればよいので、格段に容易に色収差補正がされた多焦点光学系が実現される。   That is, in order to form a condensing lens formed by connecting a plurality of regions having different focal lengths, it is necessary to correct chromatic aberration for each of the plurality of regions having different focal lengths. On the other hand, according to the multifocal optical system of the first invention, it is only necessary to correct chromatic aberration with respect to one lens to be divided, so that a multifocal optical system in which chromatic aberration correction is made remarkably easily is realized. .

また、分割レンズの組を、光軸に沿って移動して負の屈折力を有するレンズ系からの距離を調整することが可能な構成とすることによって、この第1発明の多焦点光学系において発生する球面収差の大きさを適宜調整することが可能となる。   In the multifocal optical system according to the first aspect of the present invention, the group of split lenses can be adjusted along the optical axis to adjust the distance from the lens system having negative refractive power. It is possible to appropriately adjust the magnitude of the generated spherical aberration.

第2発明のレーザ加工装置の基本的構成によれば、上述の特許文献2に開示されたレーザ加工装置のように2つのレーザ光を必要としないので、光ビームを被加工物に入力するまでに要する光学系が簡便となり、更に装置そのものを小型化することができる。   According to the basic configuration of the laser processing apparatus of the second invention, two laser beams are not required unlike the laser processing apparatus disclosed in Patent Document 2 described above, so that the light beam is input to the workpiece. The optical system required for this is simplified, and the apparatus itself can be miniaturized.

また、詳細は後述するが、第1発明の多焦点光学系をレーザ加工装置等に利用した場合、光ビーム拡張レンズ系を構成要素である正の屈折力を有するレンズ系を構成する分割レンズを光軸に沿って移動させて被加工物内の集光点の位置を微調整するという手法が実現できる。この手法によれば、集光点の集光特性を制御することが可能となる。すなわち、多焦点光学系を、光ビーム拡張レンズ系内で分割レンズの、負の屈折力を有するレンズ系に対する距離を調整可能とする構成とすることによって、被加工物の内部に形成される複数の集光点の集光性能を決める球面収差の補正が効果的に行える。   Although details will be described later, when the multifocal optical system of the first invention is used in a laser processing apparatus or the like, a split lens constituting a lens system having a positive refractive power, which is a constituent element of a light beam expansion lens system, is used. A technique of finely adjusting the position of the condensing point in the workpiece by moving along the optical axis can be realized. According to this method, it is possible to control the condensing characteristic of the condensing point. That is, the multifocal optical system is configured so that the distance of the split lens to the lens system having a negative refractive power can be adjusted in the light beam expansion lens system, so that a plurality of lenses formed inside the workpiece are formed. It is possible to effectively correct spherical aberration that determines the light condensing performance of the light condensing point.

更に、第2発明のレーザ加工装置に搭載される複数の分割レンズを、クラックによる散乱が回避されて集光されるように互いに配置することによって、このクラックより深い位置にも効果的に集光させることが可能となる。   Further, by arranging the plurality of divided lenses mounted on the laser processing apparatus of the second invention so as to be focused while avoiding scattering due to cracks, it is possible to effectively focus at a position deeper than this crack. It becomes possible to make it.

第1発明の多焦点光学系を、光軸を含む平面で切断して示す概略的断面構造図である。FIG. 2 is a schematic sectional view showing the multifocal optical system of the first invention cut along a plane including the optical axis. 第1発明の多焦点光学系を構成する光ビーム拡張レンズ系の概略的斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view of a light beam expansion lens system constituting the multifocal optical system of the first invention. レーザ加工装置の概略的構成図である。It is a schematic block diagram of a laser processing apparatus. 被加工物を示す図であり、(A)は光ビームが入射される側から見た被加工物の平面図であり、(B)は図4(A)のI-I線に沿った断面図であり、(C)は図4(A)のII-II線に沿った断面図であり、(D)は切断後の被加工物の光ビームが入射された側から見た平面図である。It is a diagram showing the workpiece, (A) is a plan view of the workpiece viewed from the side on which the light beam is incident, (B) is a cross-sectional view along the II line of FIG. 4 (A) FIG. 4C is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 4A, and FIG. 4D is a plan view of the workpiece after cutting viewed from the side on which the light beam is incident. 第2発明のレーザ加工装置を、当該装置が備える多焦点光学系の光軸を含む平面で切断して示す概略的断面構造図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional structure diagram showing the laser processing apparatus of the second invention cut along a plane including the optical axis of a multifocal optical system included in the apparatus. 第2発明のレーザ加工装置によって加工される被加工物を示す図であり、(A)は光ビームが入射される側から見た被加工物の平面図であり、(B)は図6(A)のI-I線に沿った断面図であり、(C)は図6(A)のII-II線に沿った断面図であり、(D)は切断後の被加工物の光ビームが入射された側から見た平面図である。It is a diagram showing a workpiece processed by the laser processing apparatus of the second invention, (A) is a plan view of the workpiece viewed from the side on which the light beam is incident, (B) is a diagram of FIG. (A) is a cross-sectional view taken along line II, (C) is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 6 (A), and (D) is an incident light beam of the workpiece after cutting. It is the top view seen from the done side. 光ビーム拡張レンズ系と集光レンズ系との間に挿入される遮光板の説明に供する図である。It is a figure where it uses for description of the light-shielding plate inserted between a light beam expansion lens system and a condensing lens system. 光ビーム拡張レンズ系及び集光レンズ系が共有する光軸に対して、光ビーム拡張レンズ系及び集光レンズ系を構成するそれぞれのレンズのレンズ面と被加工物の表面との関係を模式的に示す図である。The relationship between the lens surface of each lens and the surface of the workpiece that constitutes the light beam expansion lens system and the condenser lens system is schematically shown with respect to the optical axis shared by the light beam expansion lens system and the condenser lens system. FIG. 分割レンズの配置される位置の相違が球面収差に与える影響についての説明に供する図である。It is a figure where it uses for description about the influence which the difference in the position where a division | segmentation lens arrange | positions has on spherical aberration. 集光レンズ系及び被加工物の光ビーム入射面の少なくとも一方の位置調整をして集光点が被加工物の表面に形成されるように調整して被加工物内に集光点を形成した場合に発生する球面収差及び集光点の形状を示す図である。(A)は球面収差を示し、(B)は集光点の形状を示す。Adjust the position of at least one of the condensing lens system and the light beam incident surface of the workpiece, and adjust the condensing point to be formed on the surface of the workpiece to form a condensing point in the workpiece. It is a figure which shows the spherical aberration and the shape of a condensing point which generate | occur | produce in the case of doing. (A) shows spherical aberration, and (B) shows the shape of the focal point. 集光点が被加工物の表面に形成されるように調整した後、光ビーム拡張レンズ系を構成する凸レンズ位置を調整して集光点が被加工物内に集光点を形成した場合に発生する球面収差及び集光点の形状を示す図である。(A)は球面収差を示し、(B)は集光点の形状を示す。After adjusting the condensing point to be formed on the surface of the workpiece, adjust the position of the convex lens that constitutes the light beam expansion lens system, and the condensing point forms a condensing point in the workpiece It is a figure which shows the spherical aberration to generate | occur | produce and the shape of a condensing point. (A) shows spherical aberration, and (B) shows the shape of the focal point.

以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、この発明の多焦点光学系及びレーザ加工装置を示す各図は、この発明が理解できる程度に各構成部分を概略的に示してあるに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、各図において同様の構成要素については同一の番号を付して示し、これらの機能等に関してその重複する説明を省略することもある。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, each figure which shows the multifocal optical system and laser processing apparatus of this invention has shown each component schematically to such an extent that this invention can be understood, and this invention is not limited to the example of illustration. Absent. Moreover, in each figure, the same component is shown with the same number, and the overlapping description about these functions may be omitted.

<第1発明の多焦点光学系>
図1及び図2を参照して、第1発明の多焦点光学系の実施形態について説明する。図1に示すように、第1発明の多焦点光学系は光ビーム拡張レンズ系34と集光レンズ系38とを備えている。光ビーム拡張レンズ系34は、一般的な構成として、光ビーム32が入力される側に配置される負の屈折力を有するレンズ系と、この負の屈折力を有するレンズ系の後段に配置される正の屈折力を有するレンズ系とが配置されて構成される。負の屈折力を有するレンズ系から出力された光ビームは正の屈折力を有するレンズ系に入力される。
<Multifocal optical system of the first invention>
With reference to FIGS. 1 and 2, an embodiment of the multifocal optical system of the first invention will be described. As shown in FIG. 1, the multifocal optical system of the first invention includes a light beam expansion lens system 34 and a condensing lens system 38. As a general configuration, the light beam expanding lens system 34 is disposed at the rear stage of a lens system having a negative refractive power disposed on the side where the light beam 32 is input and the lens system having the negative refractive power. And a lens system having a positive refractive power. The light beam output from the lens system having negative refractive power is input to the lens system having positive refractive power.

そして、光ビーム拡張レンズ系34のいずれかのレンズが2つ以上の分割レンズに分割されており、分割レンズのそれぞれは、光軸を共有するようにこの光軸に沿って互いに異なる位置に配置されている。   Each lens of the light beam expansion lens system 34 is divided into two or more divided lenses, and each of the divided lenses is arranged at a different position along this optical axis so as to share the optical axis. Has been.

負の屈折力を有するレンズ系は1枚の凹レンズで構成することも可能であり、正の屈折力を有するレンズ系は1枚の凸レンズで構成することも可能である。ここでは、負の屈折力を有するレンズ系及び正の屈折力を有するレンズ系を、それぞれ1枚のレンズで構成される場合を一例として説明する。また、この凸レンズが2つ以上の分割レンズに分割されているものとする。   A lens system having negative refracting power can be constituted by a single concave lens, and a lens system having positive refracting power can also be constituted by a single convex lens. Here, a case where a lens system having negative refractive power and a lens system having positive refractive power are each constituted by one lens will be described as an example. Further, it is assumed that the convex lens is divided into two or more divided lenses.

従って、図1及び図2では、負の屈折力を有するレンズ系を凹レンズ10で構成し、正の屈折力を有するレンズ系を凸レンズ20で構成するものとして図示してある。また、集光レンズ系38も複数枚のレンズで構成される組み合わせレンズ系として形成されることが一般的であるが、図1及び図2では最も単純な構成である1枚の凸レンズによって構成される例を示してある。   Therefore, in FIGS. 1 and 2, the lens system having negative refractive power is configured as a concave lens 10, and the lens system having positive refractive power is configured as a convex lens 20. The condensing lens system 38 is also generally formed as a combination lens system including a plurality of lenses, but in FIG. 1 and FIG. 2, it is configured by a single convex lens, which is the simplest configuration. An example is shown.

光ビーム拡張レンズ系34はレーザ装置等から出力される光ビーム32が入力される側に配置され、光ビーム32の直径を拡張して光ビーム36を生成して出力する。また集光レンズ系38は光ビーム36が入力されるように光ビーム拡張レンズ系34の後段に、光ビーム拡張レンズ系34の光軸14を共有するように配置される。   The light beam expansion lens system 34 is disposed on the side where the light beam 32 output from the laser device or the like is input, and expands the diameter of the light beam 32 to generate and output the light beam 36. Further, the condenser lens system 38 is arranged at the rear stage of the light beam expansion lens system 34 so as to receive the light beam 36 so as to share the optical axis 14 of the light beam expansion lens system 34.

光ビーム拡張レンズ系34は、光ビーム32が入力される側に配置される凹レンズ10と、凹レンズ10の後段に配置される凸レンズ20との組み合わせレンズ系である。凸レンズ20には凹レンズ10から出力された光ビームが入力される。そして、この凸レンズ20は分割レンズ20-1〜20-4の4つに分割されている。図1では分割レンズ20-1〜20-4のうち、分割レンズ20-1と20-4について示してあるが、これは光軸を含む平面で切断した断面構造図であるために分割レンズ20-2及び20-3は表示できないためである。   The light beam expansion lens system 34 is a combination lens system of a concave lens 10 disposed on the side where the light beam 32 is input and a convex lens 20 disposed downstream of the concave lens 10. The light beam output from the concave lens 10 is input to the convex lens 20. The convex lens 20 is divided into four divided lenses 20-1 to 20-4. In FIG. 1, among the divided lenses 20-1 to 20-4, the divided lenses 20-1 and 20-4 are shown. However, since this is a sectional structural view cut along a plane including the optical axis, the divided lens 20 This is because -2 and 20-3 cannot be displayed.

もちろん、光ビーム拡張レンズ系34を構成する正の屈折力を有するレンズ系及び負の屈折力を有するレンズ系のそれぞれを複数枚のレンズからなる組み合わせレンズ系として形成する場合には、これらのレンズの内のいずれかのレンズを分割し分割レンズとすればよい。どのレンズを分割するかについては、製作が容易なレンズを選択すればよい。   Of course, when each of the lens system having a positive refractive power and the lens system having a negative refractive power constituting the light beam expanding lens system 34 is formed as a combined lens system including a plurality of lenses, these lenses are used. Any one of the lenses may be divided into divided lenses. As for which lens is divided, a lens that can be easily manufactured may be selected.

分割レンズ20-1〜20-4のそれぞれは、光軸14を共有する共軸光学系を構成するように光軸14に沿って互いに異なる位置に配置され、分割レンズの組として構成されている。分割レンズ20-1〜20-4から出力された光ビーム36は、集光レンズ系38に入力されて集光レンズ系38によって集光点F1〜F4に集光される(図1には集光点F1及びF4が示してある)。分割レンズ20-1〜20-4から出力された光ビーム36は、平行光ビームではなく、集光ビームあるいは拡散光ビームとなるように調整されている。そのため、分割レンズ20-1〜20-4のそれぞれから出力される光ビームは、集光レンズ系38によって光軸14上のそれぞれ異なる位置に集光される。ちなみに、光ビーム36が平行光ビームになるように調整されれば、分割レンズ20-1〜20-4のそれぞれから出力される光ビームは、集光レンズ系38によって光軸14上の同一の位置に集光される。 Each of the split lenses 20-1 to 20-4 is arranged at different positions along the optical axis 14 so as to constitute a coaxial optical system sharing the optical axis 14, and is configured as a set of split lenses. . The light beam 36 outputted from the split lens 20-1 to 20-4 is focused at the focal point F 1 to F 4 by the condenser lens system 38 is input to the condenser lens system 38 (FIG. 1 Indicates the condensing points F 1 and F 4 ). The light beam 36 output from the split lenses 20-1 to 20-4 is adjusted to be a condensed beam or a diffused light beam, not a parallel light beam. Therefore, the light beams output from each of the split lenses 20-1 to 20-4 are condensed at different positions on the optical axis 14 by the condenser lens system 38. By the way, if the light beam 36 is adjusted to be a parallel light beam, the light beam output from each of the split lenses 20-1 to 20-4 is the same on the optical axis 14 by the condenser lens system 38. Focused on the position.

光ビーム拡張レンズ系34を構成する凹レンズ10及び分割レンズ20-1〜20-4の形状とその配置関係を見易くするために、図2に光ビーム拡張レンズ系34の概略的斜視図を示す。   FIG. 2 shows a schematic perspective view of the light beam expansion lens system 34 in order to make it easy to see the shapes of the concave lens 10 and the split lenses 20-1 to 20-4 constituting the light beam expansion lens system 34 and their arrangement relationships.

図1及び図2には凸レンズ20が分割レンズ20-1〜20-4の4つに分割されている例を示してあるが、4分割に限定されることはなく2つあるいは3つ等の分割レンズとして分割してもよい。   FIGS. 1 and 2 show an example in which the convex lens 20 is divided into four divided lenses 20-1 to 20-4, but is not limited to four divided, such as two or three You may divide | segment as a division lens.

図2に示すように、凸レンズ20の中心を通る直交する2面で分割することによって分割レンズ20-1〜20-4が形成され、分割レンズ20-1〜20-4のそれぞれは光軸14を共有するように光軸14に沿って互いに異なる位置に配置されている。ここで、光軸14とは、仮想的に分割レンズ20-1〜20-4のそれぞれが分割前の凸レンズ20としての形状を持っているものとして、分割レンズ20-1〜20-4の分割前の凸レンズ20に相当するそれぞれの光軸を一致させて分割レンズ20-1〜20-4を配置させた場合の光軸を意味する。   As shown in FIG. 2, divided lenses 20-1 to 20-4 are formed by dividing two orthogonal surfaces passing through the center of the convex lens 20, and each of the divided lenses 20-1 to 20-4 has an optical axis 14. Are arranged at different positions along the optical axis 14 so as to share the same. Here, the optical axis 14 means that each of the divided lenses 20-1 to 20-4 has a shape as the convex lens 20 before the division, and the divided lenses 20-1 to 20-4 are divided. It means the optical axis when the divided lenses 20-1 to 20-4 are arranged with the respective optical axes corresponding to the front convex lens 20 matched.

凸レンズ20は部分的な欠損を生じても、レンズとしての機能は欠損が生じる前と集光される光量が減少する以外本質的な変化はない。従って、仮想的に分割レンズ20-1〜20-4のそれぞれが分割前の凸レンズ20としての形状を持っているものとして決定されるそれぞれの光軸を、ここでは分割レンズ20-1〜20-4のそれぞれの光軸と言うものとする。   Even if the convex lens 20 has a partial defect, its function as a lens is essentially the same as before the defect has occurred and the amount of collected light is reduced. Accordingly, the respective optical axes virtually determined as the divided lenses 20-1 to 20-4 having the shape as the convex lens 20 before the division, are here divided lenses 20-1 to 20-. Each of the optical axes of 4 shall be called.

分割する前の凸レンズ20を色消しレンズ等の色収差補正がされたレンズを利用することで、凸レンズ20の中心を通る直交する2面で分割されて形成される分割レンズ20-1〜20-4はその色収差補正の効果を保持したまま正の屈折力を有するレンズとしての機能が実現される。   The division lens 20-1 to 20-4 formed by dividing the convex lens 20 before division into two orthogonal surfaces passing through the center of the convex lens 20 by using a lens with chromatic aberration correction such as an achromatic lens. The lens functions as a lens having positive refractive power while maintaining the effect of correcting the chromatic aberration.

多焦点光学系を、光ビーム拡張レンズ系34と集光レンズ系38とを備えた構成とすることによって、この多焦点光学系をレーザ加工装置あるいは光ディスクに対する信号の記録再生を行う光学装置等に利用した場合、光ビーム拡張レンズ系34を構成する凸レンズ20の位置を調整することで、集光点を目的とする位置に形成されるように調整することができる。このことは、例えば、詳細は後述するが、集光位置が被加工物の表面、顕微鏡のスライドガラス面、あるいは光ディスク材の表面等、屈折率が変化する平面を通過した後段に設定されている場合、この屈折率が変化する平面によって発生する球面収差に容易に対応できることを意味している。   By configuring the multifocal optical system to include a light beam expansion lens system 34 and a condensing lens system 38, the multifocal optical system can be used as a laser processing apparatus or an optical apparatus that records and reproduces signals to and from an optical disk. When used, by adjusting the position of the convex lens 20 constituting the light beam expansion lens system 34, the condensing point can be adjusted to be formed at a target position. For example, this will be described in detail later, but the condensing position is set after the plane where the refractive index changes, such as the surface of the workpiece, the slide glass surface of the microscope, or the surface of the optical disk material. In this case, it means that it is possible to easily cope with the spherical aberration generated by the plane on which the refractive index changes.

<レーザ加工装置>
第2発明のレーザ加工装置の構成及びその動作についての理解に資するため、図3及び図4を参照して、被加工物の内部の一点に光ビームの集光点を形成させ、被加工物の切断予定ラインに沿ってこの集光点を走査することによってクラック列を形成するレーザ加工装置の基本的構成について説明する。すなわち、ここで説明するレーザ加工装置は、切断予定ラインに沿って被加工物の内部に一列にクラックを形成する機能を有しており、被加工物が薄い場合に利用して好適な装置である。
<Laser processing equipment>
In order to contribute to an understanding of the configuration and operation of the laser processing apparatus of the second invention, referring to FIGS. 3 and 4, a light beam condensing point is formed at one point inside the workpiece, and the workpiece is processed. A basic configuration of a laser processing apparatus for forming a crack row by scanning this condensing point along the scheduled cutting line will be described. In other words, the laser processing apparatus described here has a function of forming cracks in a row in the workpiece along the planned cutting line, and is a suitable apparatus for use when the workpiece is thin. is there.

一方、図5及び図6を参照して後に説明する第2発明のレーザ加工装置は、第1発明の多焦点光学系を利用することによって、光ビームを被加工物の内部に深さ方向に沿って複数の位置に集光させ、複数の集光点を同時に走査することによって複数のクラック列を形成する点に特徴があり、図3及び図4に示すレーザ加工装置は、この特徴以外については第2発明のレーザ加工装置とその基本構成は同様である。   On the other hand, the laser processing apparatus according to the second invention, which will be described later with reference to FIGS. 5 and 6, uses the multifocal optical system according to the first invention to cause the light beam to enter the inside of the workpiece in the depth direction. The laser processing apparatus shown in FIG. 3 and FIG. 4 is characterized in that it collects light at a plurality of positions along a plurality of points and forms a plurality of crack rows by simultaneously scanning a plurality of light condensing points. The basic configuration of the laser processing apparatus of the second invention is the same.

図3に示すように、レーザ加工装置は、被加工物40の内部のFで示す位置に光ビームを集光させることによって、被加工物の切断予定ラインに沿ってFで示す位置を中心とする局所的領域にクラックを形成する。被加工物40はガラス板あるいはシリコン基板等の板状の形状物である。   As shown in FIG. 3, the laser processing apparatus focuses the light beam at a position indicated by F inside the work piece 40, thereby centering the position indicated by F along the planned cutting line of the work piece. Cracks are formed in the local area where The workpiece 40 is a plate-shaped object such as a glass plate or a silicon substrate.

被加工物40はワークステージ46に固定され、このワークステージ46が被加工物の光ビーム入射面42の上下方向をz軸方向として、x軸方向、y軸方向(図示を省略してあるが、x軸方向と直交する方向)、及びz軸方向の各方向に移動可能とされている。ワークステージ46をz軸方向にスライドさせてその位置調整を行うことによって、被加工物の光ビーム入射面42を基準として光ビームの集光位置(Fで示す位置)を適宜設定することができる。また。ワークステージ46をx軸方向あるいはy軸方向に移動させることによって、被加工物40に設定された切断予定ラインに沿ってクラック列が形成される。   The work piece 40 is fixed to a work stage 46. The work stage 46 has the vertical direction of the light beam incident surface 42 of the work piece as the z axis direction, and the x axis direction and the y axis direction (not shown) , A direction orthogonal to the x-axis direction) and a z-axis direction. By adjusting the position by sliding the work stage 46 in the z-axis direction, the light beam condensing position (position indicated by F) can be set as appropriate with reference to the light beam incident surface 42 of the workpiece. . Also. By moving the work stage 46 in the x-axis direction or the y-axis direction, a crack row is formed along the scheduled cutting line set in the workpiece 40.

図3に示すように、レーザ加工装置は、レーザ光源30、光ビーム拡張レンズ系26、及び集光レンズ系38を備えている。レーザ光源30は光ビーム32を出力する。光ビーム拡張レンズ系26は、レーザ光源30から出力される光ビーム32をその出力直径を拡張して光ビーム36を生成して出力する。集光レンズ系38は入力された光ビーム36を集光ビームに形成する。   As shown in FIG. 3, the laser processing apparatus includes a laser light source 30, a light beam expansion lens system 26, and a condenser lens system 38. The laser light source 30 outputs a light beam 32. The light beam expansion lens system 26 expands the output diameter of the light beam 32 output from the laser light source 30, and generates and outputs a light beam 36. The condensing lens system 38 forms the input light beam 36 into a condensing beam.

集光レンズ系38から出力される光ビームは、被加工物の光ビーム入射面42からこの被加工物40に入力されて、被加工物40内(Fで示す位置)に集光される。   The light beam output from the condenser lens system 38 is input to the workpiece 40 from the light beam incident surface 42 of the workpiece, and is condensed in the workpiece 40 (position indicated by F).

光ビーム拡張レンズ系26は、凹レンズ22と凸レンズ24との組み合わせレンズ系である。凹レンズ22及び凸レンズ24はそれぞれ複数のレンズを組み合わせた組み合わせレンズ系として形成することも可能である。   The light beam expansion lens system 26 is a combination lens system of a concave lens 22 and a convex lens 24. The concave lens 22 and the convex lens 24 can each be formed as a combined lens system in which a plurality of lenses are combined.

凹レンズ22は、レーザ光源30から出力される光ビーム32を拡散光ビームに変換して出力する。凸レンズ24には凹レンズ22から出力された光ビームが入力され、平行光ビーム、集光ビーム、あるいは拡散光ビームのいずれかの形状となるように調整された光ビーム36を出力する。光ビーム36は、集光レンズ系38によってFと示す位置に集光される。   The concave lens 22 converts the light beam 32 output from the laser light source 30 into a diffused light beam and outputs it. The light beam output from the concave lens 22 is input to the convex lens 24, and a light beam 36 adjusted so as to have any one of a parallel light beam, a condensed beam, and a diffused light beam is output. The light beam 36 is condensed at a position indicated by F by the condenser lens system 38.

集光レンズ系38から出力される光ビームを被加工物40に入力し、光ビーム入射面42から一定の深さDの位置(Fで示す位置)に集光させるには、例えば、まず光ビーム36の集光点が被加工物の光ビーム入射面42に一致するように、被加工物40が搭載されたワークステージ46をz軸方向に位置調整する。そして、nDだけ光ビーム入射面42をz軸方向に沿って上昇させればよい。ここで、nは被加工物40の屈折率である。   In order to input the light beam output from the condensing lens system 38 to the workpiece 40 and condense it from the light beam incident surface 42 to a position of a certain depth D (position indicated by F), for example, first, light The position of the work stage 46 on which the workpiece 40 is mounted is adjusted in the z-axis direction so that the focal point of the beam 36 coincides with the light beam incident surface 42 of the workpiece. Then, the light beam incident surface 42 may be raised along the z-axis direction by nD. Here, n is the refractive index of the workpiece 40.

このように、集光点が光ビーム入射面42下Dの位置に形成されるように設定したら、被加工物40の切断予定ラインに沿ってこの集光点が走査されるように、被加工物40をワークステージ46によってx軸方向あるいはy軸方向に移動させる。レーザ光源30から光ビーム32が出力される構成とし、このように集光点を走査すれば、被加工物40の切断予定ライン(図3では図示を省略してある)に沿って一列にクラックが並べて形成される。   In this way, once the condensing point is set to be formed at the position D below the light beam incident surface 42, the work piece is scanned so that the condensing point is scanned along the cutting planned line of the workpiece 40. The object 40 is moved in the x-axis direction or the y-axis direction by the work stage 46. When the light beam 32 is output from the laser light source 30 and the condensing point is scanned in this way, cracks are formed in a line along the planned cutting line of the workpiece 40 (not shown in FIG. 3). Are formed side by side.

図4(A)〜(D)を参照して、被加工物40を切断する工程について具体的に説明する。図4(A)は光ビーム入射面42側から見た被加工物40の平面図であり、図4(B)は図4(A)のI-I線に沿った断面図であり、図4(C)は図4(A)のII-II線に沿った断面図であり、図4(D)は切断後の被加工物の光ビーム入射面42側から見た平面図である。   With reference to FIGS. 4A to 4D, the process of cutting the workpiece 40 will be specifically described. 4A is a plan view of the workpiece 40 viewed from the light beam incident surface 42 side, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line II in FIG. FIG. 4C is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 4A, and FIG. 4D is a plan view of the workpiece after cutting viewed from the light beam incident surface 42 side.

図4(A)に示すように、被加工物の光ビーム入射面42には、2点破線44-1と44-2とによって規定された切断予定ライン44が設定されている。2点破線44-1と44-2との間隔が、被加工物40に対する切断予定ラインの幅を意味している。従って、Fと示した、集光レンズ系38による光ビームの集光点が2点破線44-1と44-2とによって規定された切断予定ライン44のほぼ中央に形成されるように、被加工物40の位置を図3に示すx軸方向あるいはy軸方向に移動させて調整し、かつ被加工物の光ビーム入射面42に形成されるようにz軸方向を調整する。そして、光ビーム36の集光点が光ビーム入射面42下の予め決められた位置に形成されるようにz軸方向に光ビーム入射面42の位置調整を施す。   As shown in FIG. 4 (A), a scheduled cutting line 44 defined by two-dot broken lines 44-1 and 44-2 is set on the light beam incident surface 42 of the workpiece. The interval between the two-dot broken lines 44-1 and 44-2 means the width of the planned cutting line for the workpiece 40. Accordingly, the condensing point of the light beam by the condensing lens system 38, which is indicated by F, is formed so as to be formed approximately at the center of the planned cutting line 44 defined by the two-dot broken lines 44-1 and 44-2. The position of the workpiece 40 is adjusted by moving it in the x-axis direction or the y-axis direction shown in FIG. 3, and the z-axis direction is adjusted so as to be formed on the light beam incident surface 42 of the workpiece. Then, the position of the light beam incident surface 42 is adjusted in the z-axis direction so that the condensing point of the light beam 36 is formed at a predetermined position below the light beam incident surface 42.

このように被加工物40の位置を調整した後、光ビームが切断予定ライン44に沿って走査されるように、被加工物40に対して光ビームを相対的に移動させる。これによって、図4(B)及び(C)に示すように、被加工物40の切断予定ラインに沿って光ビーム入射面42下の予め決められた位置に一列にクラックCが並べて形成される。集光点Fを中心としてその周囲の局所的範囲にクラックが形成されるので、図4(B)及び(C)においては、集光点Fを中心として星型に囲ってクラックが形成される局所を示してある。この集光点Fを中心として星型に囲まれた領域が被加工物40の物質構造破壊域あるいは改質領域に相当するので、便宜的にこの領域をクラックCと示すこととする。   After adjusting the position of the workpiece 40 in this way, the light beam is moved relative to the workpiece 40 so that the light beam is scanned along the scheduled cutting line 44. As a result, as shown in FIGS. 4B and 4C, cracks C are formed in a line at predetermined positions below the light beam incident surface 42 along the planned cutting line of the workpiece 40. . Since cracks are formed in the local range around the condensing point F, in FIGS. 4 (B) and (C), cracks are formed surrounding the condensing point F in a star shape. Local is shown. Since the region surrounded by the star shape with the condensing point F as the center corresponds to the material structure destruction region or the modified region of the workpiece 40, this region is referred to as a crack C for convenience.

クラックCが形成されるとこの領域は瞬間的に被加工物の構成物質が瞬間的に膨張する。このことによってクラックCから局部的破断領域C'が伸び出して形成される。クラックCは光ビーム入射面42から等しい深さで一列に並んで形成されるので、図4(B)及び(C)に示すように、局部的破断領域C'は被加工物の厚さの方向に沿って形成され易い。   When the crack C is formed, the material constituting the workpiece is instantaneously expanded in this region. As a result, a local fracture region C ′ extends from the crack C and is formed. Since the cracks C are formed in a line at equal depth from the light beam incident surface 42, as shown in FIGS. 4B and 4C, the local fracture region C ′ is the thickness of the work piece. It is easy to form along the direction.

光ビーム入射面42から等しい深さで一列に並んで、図4(B)及び(C)に示すクラックCの列が形成されると、比較的小さな力で被加工物40を2点破線44-1と44-2で画された切断予定ラインに沿って、図4(D)に示すように被加工物40-1及び40-2に分割することができる。このように、光ビームを被加工物40内に集光させることによってクラックCが形成されれば、被加工物40を切断予定ライン44に沿って切断することが可能となる。   When the rows of cracks C shown in FIGS. 4 (B) and 4 (C) are formed in a line at equal depth from the light beam incident surface 42, the work piece 40 is moved to a two-dot broken line 44 with a relatively small force. As shown in FIG. 4D, the workpieces 40-1 and 40-2 can be divided along the planned cutting lines defined by -1 and 44-2. Thus, if the crack C is formed by condensing the light beam in the workpiece 40, the workpiece 40 can be cut along the planned cutting line 44.

<第2発明のレーザ加工装置>
図5〜図7を参照して、第2発明のレーザ加工装置の実施形態について説明する。第2発明のレーザ加工装置は、図1及び図2に示す第1発明の多焦点光学系を利用することによって被加工物の内部に深さ方向に沿って複数の位置に集光点を形成させ、この加工物の切断予定ラインに沿って複数の集光点を同時に走査することによって切断ラインを形成する装置である。すなわち、第2発明のレーザ加工装置は、複数の集光点を同時に走査することによって切断ラインを形成する点に特徴がある。
<Laser processing apparatus of the second invention>
With reference to FIGS. 5 to 7, an embodiment of the laser machining apparatus of the second invention will be described. The laser processing apparatus of the second invention forms condensing points at a plurality of positions along the depth direction inside the workpiece by using the multifocal optical system of the first invention shown in FIGS. 1 and 2. And a cutting line is formed by simultaneously scanning a plurality of condensing points along the planned cutting line of the workpiece. That is, the laser processing apparatus of the second invention is characterized in that a cutting line is formed by simultaneously scanning a plurality of condensing points.

図5に示すように、第2発明のレーザ加工装置は、レーザ光源30、光ビーム拡張レンズ系34、集光レンズ系38を備えている。この構成は、基本的に上述の図3を参照して説明したレーザ加工装置と共通する。ただし、図3を参照して説明したレーザ加工装置が備える光ビーム拡張レンズ系26が凹レンズ22と凸レンズ24との組み合わせレンズ系であったのに対して、第2発明のレーザ加工装置の備える光ビーム拡張レンズ系34は、凹レンズ10と、凹レンズ10の後段に配置される凸レンズ20との組み合わせレンズ系である。そして、この凸レンズ20は分割レンズ20-1〜20-4に分割されている。   As shown in FIG. 5, the laser processing apparatus of the second invention includes a laser light source 30, a light beam expansion lens system 34, and a condensing lens system 38. This configuration is basically the same as the laser processing apparatus described with reference to FIG. However, the light beam expansion lens system 26 included in the laser processing apparatus described with reference to FIG. 3 is a combination lens system of the concave lens 22 and the convex lens 24, whereas the light included in the laser processing apparatus of the second invention. The beam expansion lens system 34 is a combined lens system of the concave lens 10 and the convex lens 20 disposed at the subsequent stage of the concave lens 10. The convex lens 20 is divided into divided lenses 20-1 to 20-4.

光ビーム拡張レンズ系34は、図5に示すように、鏡筒52に凹レンズ10が取り付けられ、鏡筒56に凸レンズ20(分割レンズ20-1〜20-4)が取り付けられている。そして、鏡筒52に鏡筒56の一部分が挿入されて光軸14に沿って移動可能な形状に形成されている。鏡筒52には鏡筒56を固定するための鏡筒固定ネジ54が取り付けられている。鏡筒56の鏡筒52に対する位置関係を調整した後、この鏡筒固定ネジ54を締め付けることで鏡筒56を鏡筒52に固定することが可能である。   In the light beam expanding lens system 34, as shown in FIG. 5, the concave lens 10 is attached to the lens barrel 52, and the convex lens 20 (divided lenses 20-1 to 20-4) is attached to the lens barrel 56. Then, a part of the lens barrel 56 is inserted into the lens barrel 52 so as to be movable along the optical axis 14. A barrel fixing screw 54 for fixing the barrel 56 is attached to the barrel 52. After adjusting the positional relationship of the lens barrel 56 with respect to the lens barrel 52, the lens barrel 56 can be fixed to the lens barrel 52 by tightening the lens barrel fixing screw 54.

図5には、光ビーム拡張レンズ系34が凹レンズ10と凸レンズ20(分割レンズ20-1〜20-4)で構成されている例を示してあるが、このようなレンズの組み合わせに限定されることはない。凹レンズ10及び凸レンズ20を複数枚の組み合わせレンズ系として形成することも可能である。この場合、凸レンズ20を構成する複数枚のレンズの内どのレンズを分割するかは任意である。分割するレンズとして、できるだけその口径が大きいレンズを選択すれば加工しやすい。   FIG. 5 shows an example in which the light beam expansion lens system 34 is configured by the concave lens 10 and the convex lens 20 (divided lenses 20-1 to 20-4), but is limited to such a combination of lenses. There is nothing. It is also possible to form the concave lens 10 and the convex lens 20 as a plurality of combination lens systems. In this case, which lens of the plurality of lenses constituting the convex lens 20 is divided is arbitrary. If a lens having a large aperture as much as possible is selected as a lens to be divided, it is easy to process.

また、集光レンズ系38は、鏡筒70に凹レンズ72-1、凸レンズ72-2及び72-3の合計3枚の集光レンズ群72が取り付けられて構成されている。ここでは、集光レンズ系38を3枚のレンズからなる組み合わせレンズ系としてあるが、集光レンズ系38をどのようなレンズを何枚組み合わせて構成するかは、任意である。   Further, the condensing lens system 38 is configured by attaching a total of three condensing lens groups 72 including a concave lens 72-1, convex lenses 72-2 and 72-3 to a lens barrel 70. Here, the condensing lens system 38 is a combination lens system composed of three lenses, but what kind of lenses are used to compose the condensing lens system 38 is arbitrary.

第2発明のレーザ加工装置は、第1発明の多焦点光学系を備えて構成されるレーザ加工装置であり、図1を参照して説明したように、集光レンズ系38から出力される光ビームは光軸14上のそれぞれ異なる位置に集光される。すなわち、集光レンズ系38から出力される光ビームは、被加工物の光ビーム入射面42からこの被加工物40に入力されて、被加工物40内の複数の位置に集光される。このように、光ビームが複数の位置に集光されるために、分割レンズ20-1〜20-4のそれぞれから出力される光ビーム36は、平行光ビームではなく、集光ビームあるいは拡散光ビームとなるように調整されている。   The laser processing apparatus of the second invention is a laser processing apparatus configured to include the multifocal optical system of the first invention. As described with reference to FIG. 1, the light output from the condenser lens system 38 The beams are focused at different positions on the optical axis 14. That is, the light beam output from the condenser lens system 38 is input to the workpiece 40 from the light beam incident surface 42 of the workpiece, and is condensed at a plurality of positions in the workpiece 40. As described above, since the light beam is condensed at a plurality of positions, the light beam 36 output from each of the split lenses 20-1 to 20-4 is not a parallel light beam but a condensed beam or diffused light. It is adjusted to be a beam.

集光レンズ系38から出力される光ビームを被加工物40に入力し、光ビーム入射面42から一定の深さの複数の位置にそれぞれに集光させるには、例えば、集光レンズ系38の後ろ側主点から最も離れた位置に形成される集光点が被加工物の光ビーム入射面42に一致するように、被加工物40が搭載されたワークステージをz軸方向に位置調整する。続いてこの集光点を、形成したい光ビーム入射面42下Dの位置に設定すべく、凸レンズ20(分割レンズ20-1〜20-4)を光軸14に沿ってz軸方向に動かして凹レンズ10からの距離を調整すればよい。図5では、ワークステージ及び被加工物40内に形成される集光点Dの位置については図示を省略してある。   In order to input the light beam output from the condensing lens system 38 to the workpiece 40 and condense it at a plurality of positions at a certain depth from the light beam incident surface 42, for example, the condensing lens system 38 The work stage on which the work piece 40 is mounted is adjusted in the z-axis direction so that the focal point formed at the position farthest from the back principal point of the workpiece coincides with the light beam incident surface 42 of the work piece To do. Subsequently, the convex lens 20 (divided lenses 20-1 to 20-4) is moved along the optical axis 14 in the z-axis direction so as to set the condensing point at a position below the light beam incident surface 42 to be formed. The distance from the concave lens 10 may be adjusted. In FIG. 5, illustration of the position of the condensing point D formed in the work stage and the workpiece 40 is omitted.

集光レンズ系38の後ろ側主点から最も離れた位置に形成される集光点が光ビーム入射面42下Dの位置に形成されるように設定したら、被加工物40の切断予定ラインに沿ってこれらの複数の集光点を同時に走査されるように、被加工物40をx軸方向あるいはy軸方向(x軸方向と直交する方向)に移動させる。レーザ光源30から光ビームが出力される構成とし、このように集光点を走査すれば、光ビームの1回の走査で被加工物40の切断予定ラインに沿って被加工物の厚み方向に複数列にクラックが並べて形成される。   If the condensing point formed at the position farthest from the back principal point of the condensing lens system 38 is set to be formed at the position D below the light beam incident surface 42, the cutting line of the workpiece 40 will be cut. The workpiece 40 is moved in the x-axis direction or the y-axis direction (a direction perpendicular to the x-axis direction) so that the plurality of condensing points are simultaneously scanned along. If the light beam is output from the laser light source 30 and the condensing point is scanned in this way, the light beam is scanned in the thickness direction of the workpiece along the planned cutting line of the workpiece 40 by one scanning of the light beam. Cracks are formed side by side in a plurality of rows.

図6(A)〜(D)を参照して、被加工物40を切断する工程について具体的に説明する。図6(A)は光ビーム入射面42側から見た被加工物の平面図であり、図6(B)は図6(A)のI-I線に沿った断面図であり、図6(C)は図6(A)のII-II線に沿った断面図であり、図6(D)は切断後の被加工物の光ビーム入射面42側から見た平面図である。   With reference to FIGS. 6 (A) to (D), the process of cutting the workpiece 40 will be specifically described. 6 (A) is a plan view of the workpiece viewed from the light beam incident surface 42 side, and FIG. 6 (B) is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 6 (A). ) Is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 6 (A), and FIG. 6 (D) is a plan view as viewed from the light beam incident surface 42 side of the workpiece after cutting.

図6(A)に示すように、被加工物の光ビーム入射面42には、2点破線44-1と44-2とによって規定された切断予定ライン44が設定されている。上述のように被加工物40の位置を調整した後、光ビームが切断予定ライン44に沿って走査されるように、被加工物40に対して光ビームを相対的に移動させる。こうすることによって、図6(B)及び(C)に示すように、被加工物40の切断予定ライン44に沿って光ビーム入射面42下の予め決められた位置に複数列にクラックが並べて形成される。   As shown in FIG. 6 (A), a scheduled cutting line 44 defined by two-dot broken lines 44-1 and 44-2 is set on the light beam incident surface 42 of the workpiece. After adjusting the position of the workpiece 40 as described above, the light beam is moved relative to the workpiece 40 so that the light beam is scanned along the scheduled cutting line 44. By doing so, as shown in FIGS. 6B and 6C, cracks are arranged in a plurality of rows at predetermined positions below the light beam incident surface 42 along the planned cutting line 44 of the workpiece 40. It is formed.

図6(A)〜(D)に示す例では、凸レンズ20は2つに等分割された分割レンズ20-1と20-2として形成されている多焦点光学系を備えたレーザ加工装置による加工例を示している。あるいは、凸レンズ20は4つに等分割された分割レンズ20-1〜20-4として形成されている多焦点光学系と、後述する遮光板を更に備えたレーザ加工装置によって、この遮光板で集光点が2箇所に形成されるように調整された状態で加工された加工例を示している。   In the example shown in FIGS. 6A to 6D, the convex lens 20 is processed by a laser processing apparatus having a multifocal optical system formed as divided lenses 20-1 and 20-2 which are equally divided into two. An example is shown. Alternatively, the convex lens 20 is collected on this light shielding plate by a multifocal optical system formed as divided lenses 20-1 to 20-4 equally divided into four and a laser processing apparatus further provided with a light shielding plate described later. The example of a process processed in the state adjusted so that a light spot may be formed in two places is shown.

図6(B)及び(C)に示すように、被加工物40の深さ方向に沿った2箇所に集光点が形成されている。それぞれの集光点を中心として、その周囲の局所的範囲にクラックが形成されるので、図6(B)及び(C)においては、集光点F1、F2を中心として星型に囲ってクラックが形成される局所を示してある。集光点F1、F2をそれぞれ中心として星型に囲まれた領域が被加工物40の物質構造破壊域あるいは改質領域に相当するので、便宜的にこれらの領域をクラックC1、C2と示すこととする。 As shown in FIGS. 6B and 6C, condensing points are formed at two locations along the depth direction of the workpiece 40. Since cracks are formed in the local area around each condensing point, in FIGS. 6 (B) and 6 (C), the concentrating points F 1 and F 2 are surrounded by a star shape. The local area where cracks are formed is shown. Since the region surrounded by the star shape with the condensing points F 1 and F 2 as the centers corresponds to the material structure destruction region or the modified region of the workpiece 40, these regions are referred to as cracks C 1 and C for convenience. It shall be shown as 2 .

クラックC1、C2が形成されるとこの領域は被加工物40の構成物質が瞬間的に膨張する。このことによってクラックC1、C2から局部的破断領域C'が伸び出して形成される。クラックC1、C2は光ビーム入射面42からそれぞれ等しい深さで一列に並んで形成されるので、図6(B)及び(C)に示すように、局部的破断領域C'は被加工物40の厚さの方向に沿って形成され易い。 When the cracks C 1 and C 2 are formed, the constituent material of the workpiece 40 is instantaneously expanded in this region. As a result, a local fracture region C ′ extends from the cracks C 1 and C 2 . Since the cracks C 1 and C 2 are formed in a row at equal depths from the light beam incident surface 42, as shown in FIGS. 6 (B) and 6 (C), the local fracture region C ′ is processed. It is easy to form along the thickness direction of the object 40.

光ビーム入射面42からそれぞれ等しい深さで一列に並んで、図6(B)及び(C)に示すクラックC1、C2の列が形成されると、比較的小さな力で被加工物40を2点破線44-1と44-2で画された切断予定ライン44に沿って、図6(D)に示すように被加工物40-1及び40-2に分割することができる。このように、光ビームを被加工物40内に集光させることによってクラックC1、C2が形成されれば、被加工物40が厚い素材である場合でも、切断予定ライン44に沿って切断することが可能となる。 When the rows of cracks C 1 and C 2 shown in FIGS. 6B and 6C are formed in a row at equal depths from the light beam incident surface 42, the workpiece 40 is formed with a relatively small force. Can be divided into workpieces 40-1 and 40-2 as shown in FIG. 6 (D) along the planned cutting line 44 defined by the two-dot broken lines 44-1 and 44-2. In this way, if the cracks C 1 and C 2 are formed by condensing the light beam in the workpiece 40, the workpiece 40 is cut along the planned cutting line 44 even if the workpiece 40 is a thick material. It becomes possible to do.

上述したように、第2発明のレーザ加工装置が備える多焦点光学系の光ビーム拡張レンズ系34を構成する凸レンズ20が分割レンズ20-1〜20-4の4つに分割されている場合であっても、被加工物40の深さ方向に沿った2箇所に集光点を形成することが可能である。このように、集光点の個数を調整するために、第2発明のレーザ加工装置は、光ビーム拡張レンズ系34と集光レンズ系38との間に遮光板60が挿入される。   As described above, when the convex lens 20 constituting the light beam expansion lens system 34 of the multifocal optical system provided in the laser processing apparatus of the second invention is divided into four divided lenses 20-1 to 20-4. Even if it exists, it is possible to form a condensing point in two places along the depth direction of the workpiece 40. As described above, in order to adjust the number of the condensing points, the light processing plate 60 is inserted between the light beam expanding lens system 34 and the condensing lens system 38 in the laser processing apparatus of the second invention.

<遮光板>
図7(A)〜(C)を参照して、遮光板60について説明する。図7(A)〜(C)に示すように、遮光板60は、上述の分割レンズ20-1〜20-4のいずれかを通過した光ビームを選択的に透過させるように、円形のプレートを扇形にくり貫いて形成される。例えば、図7(A)に示す遮光板は分割レンズ20-1〜20-4のいずれか一つを通過した光ビームを選択的に透過させるように、円形プレートを頂角が90度である扇型にくり貫いて形成されている。同様に図7(B)に示す遮光板は分割レンズ20-1〜20-4のいずれか二つを通過した光ビームを選択的に透過させるように、図7(C)に示す遮光板は分割レンズ20-1〜20-4のいずれか三つを通過した光ビームを選択的に透過させるように、それぞれ頂角が180度及び270度である扇型にくり貫いて形成されている。
<Shading plate>
With reference to FIGS. 7A to 7C, the light shielding plate 60 will be described. As shown in FIGS. 7A to 7C, the light shielding plate 60 is a circular plate so as to selectively transmit the light beam that has passed through any of the above-described split lenses 20-1 to 20-4. Is formed in a fan shape. For example, the light shielding plate shown in FIG. 7A has a vertical angle of 90 degrees on the circular plate so as to selectively transmit the light beam that has passed through any one of the split lenses 20-1 to 20-4. It is formed in a fan shape. Similarly, the light shielding plate shown in FIG. 7 (B) is configured to selectively transmit the light beam that has passed through any two of the split lenses 20-1 to 20-4. In order to selectively transmit the light beam that has passed through any three of the divided lenses 20-1 to 20-4, the light beams are formed in a fan shape having apex angles of 180 degrees and 270 degrees, respectively.

光ビーム拡張レンズ系34と集光レンズ系38との間に、図7(A)に示す遮光板を挿入すれば、被加工物40内の1箇所に集光点を形成することが可能である。同様に、図7(B)に示す遮光板を挿入すれば被加工物40内の深さ方向に沿った2箇所に集光点を形成することが可能であり、図7(C)に示す遮光板を挿入すれば被加工物40内の深さ方向に沿った3箇所に集光点を形成することが可能である。また、光ビーム拡張レンズ系34と集光レンズ系38との間に遮光板60を挿入しなければ、被加工物40内の深さ方向に沿った4箇所に集光点を形成することが可能である。   If a light shielding plate shown in FIG. 7 (A) is inserted between the light beam expansion lens system 34 and the condensing lens system 38, a condensing point can be formed at one place in the workpiece 40. is there. Similarly, if the light shielding plate shown in FIG. 7 (B) is inserted, it is possible to form condensing points at two locations along the depth direction in the workpiece 40, as shown in FIG. 7 (C). If a light shielding plate is inserted, it is possible to form condensing points at three locations along the depth direction in the workpiece 40. If the light shielding plate 60 is not inserted between the light beam expansion lens system 34 and the condensing lens system 38, condensing points may be formed at four locations along the depth direction in the workpiece 40. Is possible.

以上説明した様に、遮光板60のくり貫き部分(貫通部)の形状は、光ビーム拡張レンズ系34を構成する凸レンズ20を幾つの分割レンズに分割するかによって決定される。上述のように、凸レンズ20を4つの分割レンズ20-1〜20-4に分割して構成する場合には、最小面積のくり貫き部分の形状を頂角が90度である扇型とすればよい。   As described above, the shape of the hollow portion (penetrating portion) of the light shielding plate 60 is determined by how many divided lenses the convex lens 20 constituting the light beam expansion lens system 34 is divided into. As described above, when the convex lens 20 is divided into four divided lenses 20-1 to 20-4, the shape of the cut-out portion of the minimum area is a fan shape with an apex angle of 90 degrees. Good.

一般に、Nを2以上の整数として、凸レンズ20をN個の分割レンズ20-1〜20-Nに分割して構成する場合には、最小面積のくり貫き部分の形状を頂角が360/N度である扇型とすればよい。このように(N-1)種類の遮光板を用意して適宜選択して利用することによって、遮光板60を光ビーム拡張レンズ系34と集光レンズ系38との間に挿入しない場合を含めて、1枚ないし複数枚の遮光板を選択して挿入することによって、被加工物40内の深さ方向に沿った1〜N箇所を任意に選択して集光点を形成することが可能である。   Generally, when N is an integer of 2 or more and the convex lens 20 is divided into N divided lenses 20-1 to 20-N, the shape of the cut-out portion of the smallest area is 360 / N What is necessary is just to use the fan type which is degree. In this way, by preparing (N-1) types of light shielding plates and selecting and using them appropriately, the light shielding plate 60 is not inserted between the light beam expansion lens system 34 and the condenser lens system 38. By selecting and inserting one or more light shielding plates, it is possible to arbitrarily select 1 to N locations along the depth direction in the workpiece 40 to form a condensing point It is.

遮光板60のくり貫き部分は、上述したように円形プレートを扇形にくり貫いて形成することができるが、くり貫く部分の形状は扇形に限定されることはない。例えば、円形プレートの中心から一定距離の円周上に小さな円形のくり貫き部分を1つ又は複数個を等間隔に並べて形成する等、くり貫き部分の形状は任意に決定できる。   The cut-out portion of the light shielding plate 60 can be formed by punching the circular plate into a fan shape as described above, but the shape of the cut-through portion is not limited to the fan shape. For example, the shape of the cut-out portion can be arbitrarily determined, for example, by forming one or more small circular cut-out portions at equal intervals on the circumference at a constant distance from the center of the circular plate.

<レーザ加工装置が備える多焦点光学系の収差>
上述したように、光ビーム拡張レンズ系34を構成する正の屈折力を有するレンズ系(凸レンズ20-1〜20-4)を光軸方向に沿って移動させて負の屈折力を有するレンズ系(凹レンズ10)に対する距離を調整することで、集光点が被加工物40の内部の目的とする位置に形成されるように調整することができる。このような調整手法をとることによって、被加工物40内に形成される集光点の形状を規定する球面収差の程度を任意に制御することが可能となる。この点につき図8〜図11を参照して説明する。
<Aberration of multifocal optical system provided in laser processing apparatus>
As described above, the lens system having the negative refractive power by moving the lens system (convex lenses 20-1 to 20-4) constituting the light beam expanding lens system 34 along the optical axis direction. By adjusting the distance to the (concave lens 10), it is possible to adjust so that the focal point is formed at a target position inside the workpiece 40. By adopting such an adjustment method, it is possible to arbitrarily control the degree of spherical aberration that defines the shape of the focal point formed in the workpiece 40. This point will be described with reference to FIGS.

まず、図8を参照して、光ビーム拡張レンズ系34、集光レンズ系38、及び被加工物の光ビーム入射面42によって発生する球面収差について説明する。これらの光学系及び光ビームの入射面42でそれぞれ発生する球面収差がそれぞれ互いに打ち消しあうように加算されれば、被加工物内40内の集光点Fのボケ(収差による光強度分布の広がり)の大きさが小さくなる。被加工物40内の集光点Fのボケの大きさを小さくすることによって、カーフロス領域の幅が狭い好適な切断が実現される。   First, spherical aberration generated by the light beam expansion lens system 34, the condensing lens system 38, and the light beam incident surface 42 of the workpiece will be described with reference to FIG. If the spherical aberrations generated on the optical system and the light incident surface 42 are added so as to cancel each other, the focal point F in the workpiece 40 is blurred (the spread of the light intensity distribution due to the aberration). ) Becomes smaller. By reducing the size of the focal point F in the workpiece 40, suitable cutting with a narrow width of the kerfloss region is realized.

光ビーム拡張レンズ系34及び集光レンズ系38が共有する光軸100に対して、光ビーム拡張レンズ系34及び集光レンズ系38を構成するそれぞれのレンズのレンズ面と被加工物の光ビーム入射面42との関係は、図8に示すように模式的に示すことができる。図8では、光ビームの光線102の通過点を追跡するように示してある。すなわち、光ビーム拡張レンズ系34を構成するレンズ群の光ビームの入射端に配置されるレンズのレンズ面S1の通過点をP1で示し、光ビーム拡張レンズ系34を構成するレンズ群の任意のレンズのレンズ面Siを代表しこのレンズ面の通過点をPiで示してある(iは2以上の整数である)。 With respect to the optical axis 100 shared by the light beam expansion lens system 34 and the condensing lens system 38, the lens surface of each lens constituting the light beam expansion lens system 34 and the condensing lens system 38 and the light beam of the workpiece The relationship with the incident surface 42 can be schematically shown as shown in FIG. In FIG. 8, the passing point of the light beam 102 of the light beam is shown to be tracked. That indicates a passing point of the light beam expansion lens system of the lens disposed on the incident end of the light beam 34 lens group constituting the lens surface S 1 at P 1, the lens group constituting the light beam expander lens system 34 Representing the lens surface S i of an arbitrary lens, the passing point of this lens surface is indicated by P i (i is an integer of 2 or more).

また、集光レンズ系38を構成するレンズ群の任意のレンズのレンズ面を代表しこのレンズ面Sjの通過点をPjで示し、これより後段に配置されるレンズのレンズ面Skの通過点をPkで示してある(j及びkはそれぞれ3以上の整数であり、かつ、j<kある)。そして、被加工物の光ビーム入射面42の通過点をPnで示してある(nは4以上の整数である)。 Further, a passing point on behalf of the lens surface of any lens of the lens group constituting the condenser lens system 38 the lens surface S j shown in P j, of the lens surface S k of lenses arranged thereto from downstream The passing point is indicated by P k (j and k are each an integer of 3 or more and j <k). A passing point of the workpiece on the light beam incident surface 42 is indicated by P n (n is an integer of 4 or more).

屈折面であるレンズ表面及び被加工物の光ビーム入射面のそれぞれに入射する光ビームの光線を識別するために、入射面に対応させて付した面番号をハイフンで区切って示してある。例えば、光ビーム拡張レンズ系34を構成するレンズ群の光ビームの入射端に配置されるレンズのレンズ面S1への入射光ビームの光線を102-1と示し、またこのレンズ面から数えてj番目の屈折面Sjへの入射光ビームの光線を102-jと示してある。 In order to identify the light beam incident on the lens surface, which is a refractive surface, and the light beam incident surface of the workpiece, the surface numbers assigned to the incident surfaces are separated by hyphens. For example, the light beam of the incident light beam on the lens surface S 1 of the lens disposed at the incident end of the light beam of the lens group constituting the light beam expansion lens system 34 is denoted by 102-1 and counted from this lens surface. the ray of the incident light beam to the j-th refractive surface S j is indicated with 102-j.

光ビームが屈折面を通過するごとに球面収差が発生する。この球面収差は、屈折面の形状及びこの屈折面を挟む両側の屈折率に依存する。凹レンズ及び凸レンズはそれぞれ2枚の屈折面に囲まれて形成されており、1枚目の屈折面は空気とレンズの構成材(一般に光学ガラス)との境界面であり、2枚目の屈折面はレンズの構成材と空気との境界面である。単一のレンズあるいはレンズ系は、複数の屈折面によって規定されていることになる。従って、単一のレンズあるいはレンズ系等の光学系で発生する球面収差は、これらの光学系を規定する屈折面のそれぞれで発生する球面収差の総和として現れる。   Spherical aberration occurs every time the light beam passes through the refracting surface. This spherical aberration depends on the shape of the refracting surface and the refractive indexes on both sides of the refracting surface. The concave lens and the convex lens are each surrounded by two refracting surfaces. The first refracting surface is a boundary surface between air and the lens component (generally optical glass), and the second refracting surface. Is the interface between the lens component and air. A single lens or lens system is defined by a plurality of refractive surfaces. Therefore, spherical aberration that occurs in an optical system such as a single lens or lens system appears as the sum of spherical aberrations that occur on each of the refractive surfaces that define these optical systems.

一般に、負の屈折力をもつレンズ系で発生する球面収差の値と、正の屈折力を持つレンズ系で発生する球面収差の値とは、互いにその絶対値はほぼ等しく符号が正負反対である。すなわち、凹レンズを規定する2枚の屈折面あるいは負の屈折力をもつ組み合わせレンズ系を規定する偶数枚の屈折面のそれぞれで発生する球面収差の総和と、凸レンズを規定する2枚の屈折面あるいは正の屈折力をもつ組み合わせレンズ系を規定する偶数枚の屈折面のそれぞれで発生する球面収差の総和とは互いに相殺する関係にある。   In general, the value of spherical aberration generated in a lens system having negative refractive power and the value of spherical aberration generated in a lens system having positive refractive power are almost equal to each other and their signs are opposite to each other. . That is, the sum of spherical aberrations occurring on each of the two refracting surfaces defining the concave lens or the even number of refracting surfaces defining the combined lens system having negative refractive power, and the two refracting surfaces defining the convex lens, or The total sum of spherical aberrations occurring on each of the even number of refracting surfaces defining the combination lens system having a positive refractive power is in a mutually canceling relationship.

屈折面Sj及びSkを含む集光レンズ系38は、正の屈折力を有するレンズ系である。また、被加工物の光ビーム入射面42(屈折面を示す一連の識別符号ではSnに相当する)は平面であれば、負の屈折力を有するレンズ系として扱うことができる。これは、被加工物の光ビーム入射面42に集光ビームが垂直に入射されると、この集光ビームの光線は光ビーム入射面42によって屈折し集光の度合いが弱まる(平行光束に近づく)からである。すなわち、被加工物の光ビーム入射面42に入射する集光ビームは、凹レンズに入射されたことによって受ける効果に相当する効果が、被加工物の光ビーム入射面42によってもたらされるからである。 The condensing lens system 38 including the refracting surfaces S j and S k is a lens system having a positive refractive power. Further, (corresponding to S n is a set of the identification code indicating the refractive surface) light beam entrance surface 42 of the workpiece if the plane can be treated as a lens system having a negative refractive power. This is because when the condensed beam is vertically incident on the light beam incident surface 42 of the workpiece, the light beam of the condensed beam is refracted by the light beam incident surface 42 and the degree of condensing is reduced (approaching the parallel light flux). ) That is, the light beam incident surface 42 of the workpiece has an effect equivalent to the effect received by being incident on the concave lens by the light beam incident surface 42 of the workpiece.

また、上述したように、集光レンズ系38から出力され被加工物40の内部で複数箇所に集光点を形成させるようにするため、光ビーム拡張レンズ系34から出力された光ビーム36は集光ビームあるいは拡散光ビームとなるように調整されている。すなわち、被加工物の光ビーム入射面42が平面あるいは凹面である場合は光ビーム拡張レンズ系34から出力された光ビーム36を集光ビームに調整されており、被加工物の光ビーム入射面42が凸面である場合は光ビーム拡張レンズ系34から出力された光ビーム36を集光ビームあるいは拡散光ビームとなるように調整されている。   Further, as described above, the light beam 36 output from the light beam expansion lens system 34 is output from the condensing lens system 38 to form a condensing point at a plurality of locations inside the workpiece 40. It is adjusted to be a condensed beam or a diffused light beam. That is, when the light beam incident surface 42 of the workpiece is a flat surface or a concave surface, the light beam 36 output from the light beam expansion lens system 34 is adjusted to a condensed beam, and the light beam incident surface of the workpiece is adjusted. When 42 is a convex surface, the light beam 36 output from the light beam expansion lens system 34 is adjusted to be a condensed beam or a diffused light beam.

言い換えると、被加工物の光ビーム入射面42が平面あるいは凹面である場合は、レーザ加工装置が備える多焦点光学系の球面収差を論ずるに当っては、この光ビーム入射面42は負の屈折力を有するレンズ系であると見なすことができるので、この光ビーム入射面42で発生する球面収差を相殺するには、光ビーム拡張レンズ系34を正の屈折力を有するレンズ系として機能させるのが好適である。一方、被加工物の光ビーム入射面42が凸面である場合は、この曲率が十分小さい場合は負の屈折力を有するレンズ系と見なせ、この曲率が十分大きければ正の屈折力を有するレンズ系と見なせるため、被加工物の光ビーム入射面42の極率の大きさに応じて、光ビーム拡張レンズ系34を正または負の屈折力を有するレンズ系として機能させることが好適である。   In other words, when the light beam incident surface 42 of the workpiece is flat or concave, the light beam incident surface 42 is negatively refracted when discussing the spherical aberration of the multifocal optical system provided in the laser processing apparatus. In order to cancel the spherical aberration generated on the light beam incident surface 42, the light beam expansion lens system 34 is made to function as a lens system having a positive refractive power. Is preferred. On the other hand, when the light beam incident surface 42 of the workpiece is a convex surface, if this curvature is sufficiently small, it can be regarded as a lens system having negative refractive power, and if this curvature is sufficiently large, a lens having positive refractive power Since it can be regarded as a system, it is preferable that the light beam expansion lens system 34 functions as a lens system having a positive or negative refractive power in accordance with the magnitude of the polarities of the light beam incident surface 42 of the workpiece.

また、光ビーム拡張レンズ系34、集光レンズ系38、及び被加工物の光ビーム入射面42を光ビームが通過することで発生する球面収差の値は、凸レンズ20(分割レンズ20-1〜20-4の組)を光軸14に沿って動かして、凹レンズ10からの距離を変化させることによっても変化する。   Further, the value of the spherical aberration generated when the light beam passes through the light beam expansion lens system 34, the condensing lens system 38, and the light beam incident surface 42 of the workpiece is the convex lens 20 (divided lenses 20-1 to 20). It is also changed by moving the group 20-4 along the optical axis 14 and changing the distance from the concave lens 10.

この性質を積極的に利用して集光点の位置を調整する手法について説明する前に、図9を参照して、分割レンズ20-1〜20-4の配置される位置の相違が発生する球面収差に与える影響について吟味しておく。図9に示すように、光ビーム拡張レンズ系34を構成する凸レンズ20は分割レンズ20-1〜20-4に4分割されてそれぞれ光軸14を共有するように光軸14に沿って異なる位置に配置されている。   Before describing the method of adjusting the position of the condensing point by actively using this property, referring to FIG. 9, there is a difference in the positions where the split lenses 20-1 to 20-4 are arranged. Let us examine the effect on spherical aberration. As shown in FIG. 9, the convex lens 20 constituting the light beam expansion lens system 34 is divided into four divided lenses 20-1 to 20-4 and each has a different position along the optical axis 14 so as to share the optical axis 14. Is arranged.

図9には、光ビーム拡張レンズ系34を構成するレンズ群の凸レンズ面を規定する屈折面Sq及びSq+1、及び屈折面Sq'及びSq+1'を代表して示してある。例えば、屈折面Sq及びSq+1で規定される分割レンズを20-4とし、屈折面Sq'及びSq+1'で規定される分割レンズを20-1とした場合、分割レンズ20-4と分割レンズ20-1とは異なる位置に配置されているので、屈折面Sq及びSq+1、及び屈折面Sq'及びSq+1'に起因して発生する球面収差のそれぞれが、被加工物40内に形成される集光点の形状に与える効果は異なる。 FIG. 9 shows representatively the refracting surfaces S q and S q + 1 and the refracting surfaces S q ′ and S q + 1 ′ that define the convex lens surfaces of the lens group constituting the light beam expansion lens system 34. is there. For example, when the dividing lens defined by the refracting surfaces S q and S q + 1 is 20-4 and the dividing lens defined by the refracting surfaces S q ′ and S q + 1 ′ is 20-1, the dividing lens is Since the lens 20-4 and the split lens 20-1 are arranged at different positions, the spherical aberration caused by the refracting surfaces S q and S q + 1 and the refracting surfaces S q ′ and S q + 1 ′. Each has a different effect on the shape of the focal point formed in the workpiece 40.

しかしながら、分割レンズ間の配置間隔は、被加工物40内に形成される複数の集光点の隣り合う間隔とほぼ等しく、数μメートルから数十ミクロンメートル程度である。これに対して、光ビーム拡張レンズ系34と集光レンズ系38、及び被加工物の光ビーム入射面42の配置間隔は、少なくとも数ミリメートル程度であるので、分割レンズ間の配置間隔に比べて十分大きい。すなわち、屈折面Sq及びSq+1と屈折面Sq'及びSq+1'とが互いに光軸に対して異なる位置に配置されていることに起因して発生する球面収差の差は、光ビーム拡張レンズ系34及び集光レンズ系38から発生する球面収差の総和に比べて十分小さく無視できる程度である。 However, the arrangement interval between the divided lenses is substantially equal to the interval between the plurality of condensing points formed in the workpiece 40, and is about several μm to several tens of micrometers. On the other hand, the arrangement interval of the light beam expansion lens system 34 and the condensing lens system 38, and the light beam incident surface 42 of the workpiece is at least about several millimeters. Big enough. That is, the difference in spherical aberration caused by the refractive surfaces S q and S q + 1 and the refractive surfaces S q ′ and S q + 1 ′ being arranged at different positions with respect to the optical axis is The spherical aberration generated from the light beam expansion lens system 34 and the condensing lens system 38 is sufficiently small and negligible.

凸レンズ20の凹レンズ10からの距離を変化させることによって発生する球面収差の値を調整できるという性質を積極的に利用して被加工物40の内部に集光点を形成するに当り、以下に提示する第1あるいは第2の手法を適宜適用すれば、球面収差の大きさが制御可能となることを、第1と第2のシミュレーション結果を比較することによって説明する。   The following is presented when forming a condensing point inside the workpiece 40 by actively utilizing the property that the value of the spherical aberration generated by changing the distance of the convex lens 20 from the concave lens 10 can be adjusted. By applying the first or second method as appropriate, the magnitude of the spherical aberration can be controlled by comparing the first and second simulation results.

第1の手法は、集光レンズ系及び被加工物の光ビーム入射面の少なくとも一方の位置調整をして集光点が被加工物内の所望の位置に形成されるように調整するという手法である。第2の手法は、集光点が被加工物の光ビーム入射面を基準として決められた任意の位置に形成されるように集光レンズ系及び被加工物の光ビーム入射面の少なくとも一方の位置調整をし、その後で凸レンズを動かしてこの集光点が被加工物内の所望の位置に形成されるように微調整するという手法である。   The first method is a method of adjusting the position of at least one of the condensing lens system and the light beam incident surface of the workpiece so that the focal point is formed at a desired position in the workpiece. It is. In the second method, at least one of the condensing lens system and the light beam incident surface of the workpiece is formed so that the focal point is formed at an arbitrary position determined with reference to the light beam incident surface of the workpiece. This is a technique in which the position is adjusted, and then the convex lens is moved to finely adjust the focal point to be formed at a desired position in the workpiece.

第1のシミュレーション結果は、第1の手法を用いた場合に得られる集光点に対する球面収差の大きさについての結果である。第2のシミュレーション結果は、被加工物の光ビーム入射面42を基準として決められた任意の位置を光ビーム入射面42そのものの位置として設定して第2の手法を用いた場合に得られる、集光点に対する球面収差の大きさについて得られた結果である。   The first simulation result is a result of the magnitude of spherical aberration with respect to the focal point obtained when the first method is used. The second simulation result is obtained when the second method is used by setting an arbitrary position determined based on the light beam incident surface 42 of the workpiece as the position of the light beam incident surface 42 itself. It is the result obtained about the magnitude | size of the spherical aberration with respect to a condensing point.

図10(A)及び(B)、図11(A)及び(B)は、それぞれ第1及び第2のシミュレーション結果を示す図であり、被加工物40内に形成される集光点の形状を決める要因である球面収差及びこの集光点の形状を示す図である。   FIGS. 10 (A) and (B), FIGS. 11 (A) and (B) are diagrams showing the first and second simulation results, respectively, and the shape of the focal point formed in the workpiece 40. It is a figure which shows the spherical aberration and the shape of this condensing point which are the factors which determine this.

すなわち、図10(A)及び(B)は、集光レンズ系38及び被加工物の光ビーム入射面42の少なくとも一方の位置調整をして光ビームの集光点が被加工物の光ビーム入射面42に形成されるように調整した場合に発生する球面収差及び集光点の大きさについて示している。また、図11(A)及び(B)は、集光レンズ系38及び被加工物の光ビーム入射面42の少なくとも一方の位置調整をして光ビームの集光点が被加工物の光ビーム入射面42に形成されるように調整した後、凸レンズ20を光軸14に沿って動かして集光点が形成される位置を微調整して被加工物の光ビーム入射面42下500μmの位置に形成された場合に発生する球面収差及び集光点の大きさについて示している。   That is, FIGS. 10 (A) and 10 (B) show that the position of at least one of the condensing lens system 38 and the light beam incident surface 42 of the workpiece is adjusted so that the light beam condensing point is the light beam of the workpiece It shows the spherical aberration and the size of the condensing point that occur when adjusted to be formed on the incident surface. 11 (A) and 11 (B) show that the position of at least one of the condenser lens system 38 and the light beam incident surface 42 of the work piece is adjusted so that the light beam condensing point is the light beam of the work piece. After adjusting so as to be formed on the incident surface 42, the convex lens 20 is moved along the optical axis 14 to finely adjust the position where the condensing point is formed, and the position of 500 μm below the light beam incident surface 42 of the workpiece. The spherical aberration and the size of the condensing point that occur when the lens is formed are shown.

なお、ここでは、凸レンズ20は分割されていない単一のレンズであるものとしてシミュレーション評価を行った。上述したように、分割レンズ間の配置間隔は、光ビーム拡張レンズ系34と集光レンズ系38、及び被加工物の光ビーム入射面42の配置間隔に比べて十分小さいので、凸レンズ20を単一のレンズであると仮定してシミュレーションを行っても、結果に本質的な影響は生じない。   Here, the simulation evaluation was performed assuming that the convex lens 20 is a single lens that is not divided. As described above, the arrangement interval between the divided lenses is sufficiently smaller than the arrangement interval of the light beam expansion lens system 34, the condensing lens system 38, and the light beam incident surface 42 of the workpiece. Even if the simulation is performed assuming that the lens is a single lens, the result has no substantial effect.

また、このシミュレーションでは、以下のように仮定した。レーザ光源30から出力される光ビーム32は、TE00基本モードのガウス光束であると仮定した。すなわち、強度分布がガウス関数で与えられ、かつ略平行な光ビームであるとした。光ビームの半径をこの光ビームの中心の光強度がe-2(eは自然対数の底である)に減少する位置の中心からの距離と定義し、光ビーム32の直径を3mmと仮定した。 In this simulation, the following assumptions were made. The light beam 32 output from the laser light source 30 was assumed to be a Gaussian light beam of TE 00 fundamental mode. That is, the intensity distribution is given by a Gaussian function and is a substantially parallel light beam. The radius of the light beam is defined as the distance from the center where the light intensity at the center of this light beam decreases to e -2 (e is the base of natural logarithm), and the diameter of the light beam 32 is assumed to be 3 mm .

光ビーム拡張レンズ系34を、アフォーカル系のレンズ系であるとし、レーザ光源30から出力される光ビーム32が光ビーム拡張レンズ系34によって、その直径が7mmの光ビーム(光ビーム36)に整形され、集光レンズ系38に入力されるものと仮定した。第2発明のレーザ加工装置においては、光ビーム拡張レンズ系34から出力される光ビームは集光ビームあるいは拡散光ビームのいずれかの形状であるが、これらの光ビームは極めて平行光ビームに近い形状であるので、光ビーム拡張レンズ系34をアフォーカル系のレンズ系であると仮定しても、シミュレーション結果に本質的な影響は生じない。   The light beam expansion lens system 34 is an afocal lens system, and the light beam 32 output from the laser light source 30 is converted into a light beam (light beam 36) having a diameter of 7 mm by the light beam expansion lens system 34. It was assumed that it was shaped and input to the condenser lens system 38. In the laser processing apparatus according to the second aspect of the invention, the light beam output from the light beam expansion lens system 34 has either a condensed beam or a diffused light beam, but these light beams are very close to parallel light beams. Because of the shape, even if it is assumed that the light beam expansion lens system 34 is an afocal lens system, there is no substantial influence on the simulation result.

また、集光レンズ系38をレンズ開口比(NA: Numerical Aperture)が0.35で倍率が20倍である対物レンズであると仮定した。更に、被加工物40を屈折率が1.45である石英ガラス製の平行平板であると仮定した。従って、被加工物の光ビーム入射面42は平面である。   The condenser lens system 38 was assumed to be an objective lens having a numerical aperture (NA) of 0.35 and a magnification of 20 times. Furthermore, the workpiece 40 was assumed to be a parallel plate made of quartz glass having a refractive index of 1.45. Accordingly, the light beam incident surface 42 of the workpiece is a flat surface.

図10(A)及び図11(A)において、縦軸は集光レンズ系38から出力される光ビームを構成する光線の光軸からの距離をmm単位で目盛って示してあり、横軸は光ビームを構成する光線と光軸との交点である集光位置を示している。すなわち、横軸は光ビームを構成する光線の光軸からの距離に依存して集光位置が異なるいわゆる球面収差を示している。   In FIGS. 10 (A) and 11 (A), the vertical axis indicates the distance from the optical axis of the light beam constituting the light beam output from the condenser lens system 38 in units of mm, and the horizontal axis Indicates the condensing position, which is the intersection of the light beam constituting the light beam and the optical axis. That is, the horizontal axis indicates so-called spherical aberration in which the condensing position varies depending on the distance from the optical axis of the light beam constituting the light beam.

図10(B)及び図11(B)は被加工物の光ビーム入射面42から500μmの位置に形成される集光点の光強度分布の広がり大きさを示している。図10(B)及び図11(B)に示す集光点は、光強度の等しいところを連ねた等強度線で示してあり、最も外側の円で示す等強度線は、集光点の中心の光強度を1とした場合に光強度がe-2となる等強度線である。 10 (B) and 11 (B) show the spread magnitude of the light intensity distribution at the focal point formed at a position of 500 μm from the light beam incident surface 42 of the workpiece. The condensing points shown in FIG. 10 (B) and FIG. 11 (B) are shown by isointensity lines that are connected at the same light intensity, and the isointensity line shown by the outermost circle is the center of the condensing point. This is an isointensity line in which the light intensity is e −2 when the light intensity is 1.

図10(A)に示す球面収差は光軸からの距離1.75mmで最大で、その大きさは8μmである。一方、図11(A)に示す球面収差は最大でもその大きさは3.1μmである。また、図10(B)に示す集光点の大きさと図11(B)に示す集光点の大きさとを比較すると、明らかに図11(B)に示す集光点の大きさが小さい。これらのシミュレーション結果から、凸レンズ20を光軸14に沿って動かして凹レンズ10からの距離を調整してこの集光点が被加工物40内の所望の位置に形成されるように調整するという手法をとることによって、被加工物40内に形成される集光点に対する球面収差の大きさを効果的に低減することが可能となることが示された。   The spherical aberration shown in FIG. 10 (A) is maximum at a distance of 1.75 mm from the optical axis, and its magnitude is 8 μm. On the other hand, the spherical aberration shown in FIG. 11A is 3.1 μm at the maximum. Further, when the size of the condensing point shown in FIG. 10 (B) is compared with the size of the condensing point shown in FIG. 11 (B), the size of the condensing point shown in FIG. 11 (B) is clearly small. From these simulation results, the method of adjusting the distance from the concave lens 10 by moving the convex lens 20 along the optical axis 14 and adjusting the focal point to be formed at a desired position in the workpiece 40. It has been shown that it is possible to effectively reduce the magnitude of spherical aberration with respect to the focal point formed in the workpiece 40 by taking

第2発明のレーザ加工装置において、上述したように、凸レンズ20(分割レンズ20-1〜20-4の組)の位置を調整して集光点を被加工物40内の所望の位置に形成されるように調整する第2の手法をとれば、第1の手法をとった場合に比べて球面収差を小さくできる。これは、集光点を被加工物40内に第1の手法によって形成する場合、光ビーム拡張レンズ系34と集光レンズ系38とで構成される集光光学系で発生する球面収差を、被加工物の光ビーム入射面42の形状及び集光点が形成される位置に対応させて調整することができないのに対して、第2の手法によれば集光光学系で発生する球面収差を調整できることに起因している。   In the laser processing apparatus of the second invention, as described above, the position of the convex lens 20 (a set of the divided lenses 20-1 to 20-4) is adjusted to form a condensing point at a desired position in the workpiece 40. By adopting the second method of adjusting as described above, the spherical aberration can be reduced as compared with the case of using the first method. This is because, when the condensing point is formed in the work piece 40 by the first method, spherical aberration generated in the condensing optical system constituted by the light beam expansion lens system 34 and the condensing lens system 38, Spherical aberration that occurs in the condensing optical system according to the second method, while it cannot be adjusted according to the shape of the light beam incident surface 42 of the workpiece and the position where the condensing point is formed This is due to being able to adjust.

ただし被加工物40内に形成される集光点の大きさは必ずしも最小になるように調整することが必要とされるとは限らない。例えば、被加工物の物理的な性質等によって、カーフロス領域の幅を広く設定したほうが好都合である場合もあり得る。このような場合には、上述したように、集光点のいずれか一つが被加工物の光ビーム入射面42を基準として決められた任意の位置に形成されるように集光レンズ系38の位置を調整し、その後で凸レンズ20を動かしてこの集光点が被加工物40内の所望の位置に形成されるように微調整するという手法をとればよい。このような手法をとれば、光ビーム入射面42を基準として決められた任意の位置を適宜設定することで、被加工物40内に形成される集光点の大きさを任意に設定することが可能となる。   However, it is not always necessary to adjust the size of the focal point formed in the workpiece 40 so as to be minimized. For example, depending on the physical properties of the workpiece, it may be advantageous to set the width of the kerfloss region wider. In such a case, as described above, the condensing lens system 38 is configured such that any one of the condensing points is formed at an arbitrary position determined with reference to the light beam incident surface 42 of the workpiece. A method may be used in which the position is adjusted and then the convex lens 20 is moved and finely adjusted so that the focal point is formed at a desired position in the workpiece 40. If such a technique is taken, the size of the condensing point formed in the workpiece 40 can be arbitrarily set by appropriately setting an arbitrary position determined based on the light beam incident surface 42. Is possible.

このように、被加工物40内に形成される集光点の大きさを自在に決定できるという効果は、第2発明のレーザ加工装置が備える多焦点光学系の分割レンズ20-1〜20-4の組が、光軸に沿って凹レンズ10からの距離を調整することが可能とされていることによって得られるものである。   As described above, the effect that the size of the condensing point formed in the workpiece 40 can be freely determined is that the split lenses 20-1 to 20- of the multifocal optical system included in the laser processing apparatus of the second invention. The group of 4 is obtained by being able to adjust the distance from the concave lens 10 along the optical axis.

10、22、72-1:凹レンズ
14、100:光軸
20、24、72-2、72-3:凸レンズ
20-1〜20-4:分割レンズ
26、34:光ビーム拡張レンズ系
30:レーザ光源
32、36:光ビーム
38:集光レンズ系
40、40-1、40-2:被加工物
42:被加工物の光ビーム入射面
44:切断予定ライン
46:ワークステージ
52、56、70:鏡筒
54:鏡筒固定ネジ
60:遮光板
72:集光レンズ群
102:レーザ光ビームの光線
10, 22, 72-1: Concave lens
14, 100: Optical axis
20, 24, 72-2, 72-3: Convex lens
20-1 to 20-4: Split lens
26, 34: Light beam expansion lens system
30: Laser light source
32, 36: Light beam
38: Condensing lens system
40, 40-1, 40-2: Workpiece
42: Light beam entrance surface of workpiece
44: Cutting line
46: Work stage
52, 56, 70: Tube
54: Tube fixing screw
60: Shading plate
72: Condensing lens group
102: Laser beam

Claims (9)

光ビームが入力される側に配置され、当該光ビームの直径を拡張する光ビーム拡張レンズ系と、
該光ビーム拡張レンズ系の後段に、当該光ビーム拡張レンズ系と光軸を共有するように配置される集光レンズ系と
を備える多焦点光学系であって、
前記光ビーム拡張レンズ系は、前記光ビームが入力される側に配置される負の屈折力を有するレンズ系と、当該負の屈折力を有するレンズ系の後段に配置される正の屈折力を有するレンズ系との組み合わせレンズ系であり、
前記光ビーム拡張レンズ系を構成するレンズのいずれかのレンズが2つ以上の分割レンズに分割されており、
該分割レンズのそれぞれは、前記光軸を共有するように当該光軸に沿って互いに異なる位置に配置され分割レンズの組として構成されている
ことを特徴とする多焦点光学系。
A light beam expansion lens system which is arranged on the side where the light beam is input and expands the diameter of the light beam;
A multifocal optical system comprising a condenser lens system disposed so as to share an optical axis with the optical beam expansion lens system, following the optical beam expansion lens system,
The light beam expanding lens system has a negative refracting power lens system disposed on the light beam input side, and a positive refracting power disposed downstream of the negative refracting lens system. A combination lens system with a lens system,
Any of the lenses constituting the light beam expansion lens system is divided into two or more split lenses,
Each of the split lenses is configured as a set of split lenses arranged at different positions along the optical axis so as to share the optical axis.
前記負の屈折力を有するレンズ系は1枚の凹レンズであり、前記正の屈折力を有するレンズ系は1枚の凸レンズであり、
該凸レンズが2つ以上の分割レンズに分割されている
ことを特徴とする請求項1に記載の多焦点光学系。
The lens system having negative refractive power is one concave lens, and the lens system having positive refractive power is one convex lens,
2. The multifocal optical system according to claim 1, wherein the convex lens is divided into two or more divided lenses.
前記分割レンズの組は、前記光軸に沿って移動させることが可能とされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の多焦点光学系。   3. The multifocal optical system according to claim 1, wherein the group of the divided lenses can be moved along the optical axis. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の多焦点光学系を備え、
該多焦点光学系に光ビームを入力し、被加工物の内部に深さ方向に沿って複数の位置に集光点を形成し、当該被加工物の切断予定ラインに沿って複数の前記集光点を同時に走査することによって、切断ラインを当該被加工物に形成するレーザ加工装置。
The multifocal optical system according to any one of claims 1 to 3,
A light beam is input to the multifocal optical system, condensing points are formed at a plurality of positions along the depth direction inside the workpiece, and a plurality of the collecting points are formed along a cutting line of the workpiece. A laser processing apparatus that forms a cutting line on the workpiece by simultaneously scanning light spots.
前記分割レンズの組は、
前記被加工物の内部に深さ方向に沿って形成された集光点に対応して形成されるクラックの内、当該被加工物の表面から深い位置に集光する光ビームの光路が、当該深い位置より表面に近い位置に形成される当該クラックを避けて通るように、互いに配置されていること
を特徴とする請求項4に記載のレーザ加工装置。
The group of split lenses is
Among the cracks formed corresponding to the condensing points formed along the depth direction in the workpiece, an optical path of a light beam that is condensed at a deep position from the surface of the workpiece is 5. The laser processing apparatus according to claim 4, wherein the laser processing apparatuses are arranged so as to avoid the crack formed at a position closer to the surface than a deep position.
前記光ビーム拡張レンズ系と前記集光レンズ系との間に、該光ビーム拡張レンズ系から出力される光ビームの一部を遮断して前記被加工物内に集光される集光点の個数を制限する遮光板が挿入されていることを特徴とする請求項4又は5に記載のレーザ加工装置。   Between the light beam expansion lens system and the condensing lens system, a part of the light beam output from the light beam expansion lens system is cut off and a condensing point that is condensed into the workpiece is collected. 6. The laser processing apparatus according to claim 4, wherein a light shielding plate for limiting the number is inserted. 表面が平面である前記被加工物を加工するレーザ加工装置であって、
前記光ビーム拡張レンズ系によって、前記光ビームが集光ビームとして拡張されて、前記集光レンズ系に入力される位置関係となるように、前記光ビーム拡張レンズ系と前記集光レンズ系とが配置されている
ことを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
A laser processing apparatus for processing the workpiece having a flat surface,
The light beam expanding lens system and the condensing lens system are arranged such that the light beam is expanded as a condensing beam by the light beam expanding lens system and is in a positional relationship input to the condensing lens system. The laser processing apparatus according to claim 4, wherein the laser processing apparatus is arranged.
表面が前記光ビームの入力側に凹面である前記被加工物を加工するレーザ加工装置であって、
前記光ビーム拡張レンズ系によって、前記光ビームが、集光ビームとして拡張されて、前記集光レンズ系に入力される位置関係となるように、前記光ビーム拡張レンズ系と前記集光レンズ系とが配置されている
ことを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
A laser processing apparatus for processing the workpiece whose surface is concave on the input side of the light beam,
The light beam expanding lens system and the condensing lens system are arranged such that the light beam is expanded as a condensing beam by the light beam expanding lens system and is in a positional relationship inputted to the condensing lens system. The laser processing apparatus according to claim 4, wherein the laser processing apparatus is arranged.
表面が前記光ビームの入力側に凸面である被加工物を加工するレーザ加工装置であって、
前記光ビーム拡張レンズ系によって、前記光ビームが、集光ビームあるいは拡散光ビームのいずれかの形状に拡張されて、前記集光レンズ系に入力される位置関係となるように、前記光ビーム拡張レンズ系と前記集光レンズ系とが配置されている
ことを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
A laser processing apparatus for processing a workpiece whose surface is convex on the input side of the light beam,
The light beam expansion lens system expands the light beam so that the light beam is expanded into either a condensed light beam or a diffused light beam and has a positional relationship inputted to the condensing lens system. The laser processing apparatus according to claim 4, wherein a lens system and the condenser lens system are disposed.
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