JP3944615B2 - レーザアシストによる加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はレーザアシストによる加工装置に関し、詳しくは、高性能の光学レンズを必要とする応用分野〔カメラ、計測装置、レーザプリンタ等〕や大口径の光学素子を必要とするプロジェクタ、大型レーザ装置及びリソグラフィー装置に必要とされるレンズ、ミラー等を高精度で製作するためのレーザアシストによる加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、精密加工用として使用されるレーザ加工装置などでは、微小なスポットにレーザを集光させるために高精度の光学レンズや反射ミラー等が必要である。一般に、この種の光学素子〔以下、光学レンズと称す〕は、光学ガラスで組成されるものと、光学プラスチックで組成されるものとに大別される。
【０００３】
これらいずれか一方で組成される光学レンズでは、その光学面〔以下、レンズ面と称す〕の形状が、レーザ光の集光特性に大きく影響する。即ち、前記光学レンズに入射するレーザが平行波面を具備していたとしても、その光学レンズが波面収差を有している場合、レーザ光の集光スポット径が増大し、結果として集光強度が低下する。
【０００４】
そのため、上述した光学レンズでは、ポイントに集光したレーザが最小のスポット径を持つようなレンズ面を形成する必要がある。そこで、本出願人は、短波長の紫外線レーザを加工対象物の表面に照射することによりその表面をエッチングして高精度な非球面加工を実現したレンズ面の形成方法を先に提案している（特開平８−２００７７号公報）。
【０００５】
このレンズ面の形成方法は、光学ガラスからなる母体の表面に光学素子用樹脂をコーティングした光学レンズのレンズ面の反射波面を干渉計により測定し、その干渉計による反射波面をコンピュータシステムによりモニタリングしながら、そのコンピュータシステムからのモニタリング情報に基づいて前記レンズ面に対して短波長紫外線レーザを走査させることにより、そのレンズ面を前記短波長紫外線レーザにより非接触でエッチングして最適な反射波面となる形状に表面加工するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したレンズ面の形成方法では、紫外線レーザによるエッチング量が大きくなると、デブリス（飛散物）の再付着等で光学レンズのレンズ面が大きく荒れる可能性が大きく、その結果、光学レンズの透明性が損なわれる可能性が生じてきた。
【０００７】
そこで、本出願人は前述したレンズ面の形成方法におけるレーザ加工を改善するために本発明を提案し、その目的とするところは、紫外線レーザの照射により生じるデブリス（飛散物）の再付着を可能なかぎり抑制することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、加工対象物の被加工面にメインレーザを照射して前記被加工面をエッチングする第１のレーザ発振器と、前記メインレーザの照射部位にアシストレーザを照射して前記メインレーザの照射部位を含む部位を局部的に加熱する第２のレーザ発振器と、前記被加工面上にメインレーザを照射すると共にアシストレーザを照射するように最適制御すると共に、前記メインレーザ及びアシストレーザと加工対象物とを相対的に移動させる駆動機構を位置制御する制御器とを具備し、アシストレーザによる局部的な加熱によりメインレーザの照射によるエネルギー不足を補足し、メインレーザの照射によるエッチングで発生するデブリス（飛散物）が再付着することを抑制することを特徴とする。
【０００９】
尚、前記メインレーザとしては短波長の紫外線レーザ、アシストレーザとしては長波長の炭酸ガスレーザが好適である。
【００１０】
具体的に、本発明が適用される加工対象物としては、光学ガラスからなる母体の表面に光学素子用樹脂をコーティングした光学面、又は、光学ガラス又は石英ガラスからなる母体の光学面を被加工面とし、その光学面を前記紫外線レーザ及び炭酸ガスレーザの照射により最適な透過波面又は反射波面となる形状に加工する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１乃至図４に示して説明する。
【００１２】
本発明のレーザアシストによる加工装置は、図１に示すように加工対象物１の被加工面２にメインレーザとして短波長の紫外線レーザＭＬを照射する第１のレーザ発振器３と、その紫外線レーザＭＬの照射部位にアシストレーザとして長波長の炭酸ガスレーザＡＬを照射して紫外線レーザＭＬの照射部位を含む部位を局部的に加熱する第２のレーザ発振器４と、二つのレーザ発振器３，４に接続され、紫外線レーザＭＬのメイン照射と炭酸ガスレーザＡＬのアシスト照射を最適制御すると共に、位置決め載置された加工対象物１をモータ等の駆動源（図示せず）によりＸＹ方向に移動可能とする駆動機構５（以下、ＸＹテーブルと称す）を位置制御する制御器６とを具備する。
【００１３】
尚、前述したレーザ発振器３，４の前方には、紫外線レーザＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬを加工対象物１の被加工面２上でスポット状に集光させるための集束レンズ７，８がそれぞれ配置され、更にその前方に紫外線レーザＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬを被加工面２上に方向転換させるための反射ミラー９，１０を配置する。
【００１４】
この実施形態で適用する加工対象物１の被加工面２は、光学ガラスからなる母体の表面に光学素子用樹脂をコーティングした光学面、又は、光学ガラス又は石英ガラスからなる母体の光学面が好適である。具体的に、加工対象物１としては、例えばＢＫ７等の光学ガラスからなる母体の表面に、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート等の光学素子用樹脂を例えばその膜厚が数ミクロンから数ミリ程度となるようにコーティングした光学レンズがある。その他、光学ガラス又は石英ガラスからなる母体自体の光学レンズであってもよい。
【００１５】
短波長の紫外線レーザＭＬをメイン照射する第１のレーザ発振器３は、例えば１１０〜２２０ｎｍの短波長を有する紫外線レーザＭＬを光源とするもので、その紫外線レーザＭＬとしては、光学素子用樹脂をコーティングした場合には１９３ｎｍの短波長のＡｒＦからなるエキシマレーザが好適であり、また、石英ガラスの場合には、１５３ｎｍの短波長のフッ素レーザが好適であり、その他水素レーザ等が使用可能である。また、長波長の炭酸ガスレーザＡＬをアシスト照射する第２のレーザ発振器４は、例えば１０μｍ程度の長波長を有する炭酸ガスレーザＡＬを光源とすることが好適である。尚、アシストレーザとしては、前述の炭酸ガスレーザ以外にも、例えば、熱を発生させるレーザであればよい。
【００１６】
このレーザアシストによる加工装置では、レーザ発振器３，４から紫外線レーザＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬを集束レンズ７，８及び反射ミラー９，１０を介してＸＹテーブル５上の加工対象物１に向けて照射する。この時、制御器６により被加工面２上に紫外線レーザＭＬをメイン照射すると共に炭酸ガスレーザＡＬをアシスト照射するように制御すると共に、紫外線レーザＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬが被加工面２の全面に移動するようにＸＹテーブル５を駆動制御する。
【００１７】
前述した短波長の紫外線レーザＭＬのメイン照射により被加工面２を非接触でエッチングする。被加工面２が光学素子用樹脂の場合には高分子材料のＣ−Ｃ結合が破壊されてポリマーからモノマーへの分解が生じ、また、石英ガラスの場合にはＳｉＯ₂ が飛散し、エッチング後の表面がスムーズな加工が実現される。
【００１８】
この時、前述した紫外線レーザＭＬによるエッチング量が大きくなってもデブリス（飛散物）が被加工面２に再付着して透明性が損なわれることはない。即ち、本発明では、この紫外線レーザＭＬのメイン照射と共にその紫外線レーザＭＬの照射部位に炭酸ガスレーザＡＬをアシスト照射することにより、紫外線レーザＭＬの照射部位を含む部位を局部的に加熱し、紫外線レーザＭＬの照射によるエネルギー不足を炭酸ガスレーザＡＬの照射により補足し、紫外線レーザＭＬの照射によるエッチングで発生するデブリス（飛散物）が再付着することを抑制し、被加工面２の透明性が確保できる。
【００１９】
以下では、紫外線レーザＭＬとしてＡｒＦエキシマレーザを、アシストレーザとして低出力（例えば１０〜４０ｍＪ／ｃｍ² ）の小型炭酸ガスレーザを使用し、基板にアクリル樹脂を用いて大きさ３ｍｍ角の平凸シリンドリカルレンズを試作した。尚、前述したアクリル樹脂以外に、ポリカーボネートやポリオリフィン樹脂など有機高分子でも同様の効果が得られる。
【００２０】
図２（ａ）は紫外線レーザＭＬと炭酸ガスレーザＡＬとを併用した加工時における被加工面２の形状プロファイルを示し、同図（ｂ）は紫外線レーザＭＬのみを使用した加工時における被加工面２の形状プロファイルを示す。この両者を比較してみると、紫外線レーザＭＬのみを使用した加工〔同図（ｂ）参照〕ではその被加工面２が荒れて良好な面加工が困難であるのに対して、紫外線レーザＭＬと炭酸ガスレーザＡＬとを併用した加工〔同図（ａ）参照〕ではスムーズな被加工面２が得られて良好な面加工が実現できる。
【００２１】
また、図３（ａ）は紫外線レーザＭＬと炭酸ガスレーザＡＬとを併用した加工時における被加工面２の形状プロファイルを示し、同図（ｂ）は紫外線レーザＭＬのみを使用した加工時における被加工面２の形状プロファイルを示す。但し、両者はガラスの被加工面２を定点で穴加工した場合を示し、この両者を比較してみると、紫外線レーザＭＬのみを使用した加工〔同図（ｂ）参照〕ではデブリス（飛散物）が再付着して穴周辺に盛り上がり（図中ｍ部分）ができて良好な穴加工が困難であるのに対して、紫外線レーザＭＬと炭酸ガスレーザＡＬとを併用した加工〔同図（ａ）参照〕では穴周辺の盛り上がりがなくて良好な穴加工が実現できる。
【００２２】
ここで、本発明では炭酸ガスレーザＡＬを併用することにより、その炭酸ガスレーザＡＬにより被加工面２を局部的に加熱するようにしている。これに対して、図４は加工対象物１の全体を軟化点以下（加熱温度８０℃）で加熱した場合における被加工面２の形状プロファイルを示すが、この場合には被加工面２を全体的に加熱するために炭酸ガスレーザＡＬを併用した場合と比較して被加工面２の荒れを防止する大きな効果を得ることが困難であって好適ではない。
【００２３】
尚、精密加工用レーザ装置などで使用され、均等なレーザを集光させるための光学レンズのレンズ面を被加工面２としてレーザ加工するに際しては、被加工面２の透過波面又は反射波面をモニタリングしながら、そのモニタリング情報に基づいて被加工面２を紫外線レーザＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬの照射により非接触でエッチングして最適な透過波面又は反射波面となる形状に加工すれば、最適な透過波面又は反射波面をリアルタイムで目標設定することができる点で好適である。
【００２４】
この被加工面２をモニタリングするためには被加工面２と対向させて干渉計を配置する。この干渉計は制御器６に接続され、例えば赤色光〔６３３ｎｍ〕又は緑色光〔５４３ｎｍ〕のＨｅ−Ｎｅレーザ等の光源を含む光学系及びＣＣＤカメラを具備し、光源から発せられた測定レーザを被加工面２で透過又は反射させて干渉計に内蔵している平面参照板からの反射光と干渉させてＣＣＤカメラで撮像する。このＣＣＤカメラからの撮像信号を制御器６で画像処理し、被加工面２での透過波面又は反射波面をモニタリングする。このモニタリングは、制御器６のディスプレイ装置に画面表示することが可能である。
【００２５】
以上の実施形態では、加工対象物１をＸＹステージ５上に載置してその加工対象物１を移動させるようにしたが、本発明はこれに限定されることなく、加工対象物１を固定した状態で反射ミラー９，１０を移動させて紫外線レーザＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬを走査するようにしてもよい。更に、本発明は、精密加工用レーザ装置などで使用され、均等なレーザを集光させるための光学レンズ以外の各種の光学レンズに適用可能であるのは勿論である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、短波長の紫外線レーザ等のメインレーザを照射することにより加工対象物の被加工面をエッチングし、そのメインレーザの照射と共に長波長の炭酸ガスレーザ等のアシストレーザを照射することによりメインレーザの照射部位を局部的に加熱するようにしたから、メインレーザによる被加工面のエッチング量が大きくなっても、アシストレーザによる補足でもってデブリスの再付着を抑制することができて被加工面での透明性などの点で良好な加工が実現でき、高品質の加工対象物を製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるレーザアシストによる加工装置を示す概略構成図
【図２】（ａ）は紫外線レーザと炭酸ガスレーザとを併用してアクリル樹脂をコーティングした被加工面を加工した時の形状プロファイルを示す特性図
（ｂ）は紫外線レーザのみを使用してアクリル樹脂をコーティングした被加工面を加工した時の形状プロファイルを示す特性図
【図３】（ａ）は紫外線レーザと炭酸ガスレーザとを併用してガラスの被加工面を穴加工した時の形状プロファイルを示す特性図
（ｂ）は紫外線レーザのみを使用してガラスの被加工面を穴加工した時の形状プロファイルを示す特性図
【図４】加工対象物を軟化点以下（加熱温度８０℃）で加熱した場合における被加工面の形状プロファイルを示す特性図
【符号の説明】
１ 加工対象物
２ 被加工面
３ 第１のレーザ発振器
４ 第２のレーザ発振器
５ 駆動機構（ＸＹテーブル）
６ 制御器
ＭＬ メインレーザ（紫外線レーザ）
ＡＬ アシストレーザ（炭酸ガスレーザ）

Claims (3)

1. 加工対象物の被加工面にメインレーザを照射して前記被加工面をエッチングする第１のレーザ発振器と、前記メインレーザの照射部位にアシストレーザを照射して前記メインレーザの照射部位を含む部位を局部的に加熱することにより前記メインレーザの照射によるエネルギー不足を補足する第２のレーザ発振器と、前記被加工面上にメインレーザを照射すると共にアシストレーザを照射するように最適制御すると共に、前記メインレーザ及びアシストレーザと加工対象物とを相対的に移動させる駆動機構を位置制御する制御器とを具備したことを特徴とするレーザアシストによる加工装置。
2. 前記メインレーザとして短波長の紫外線レーザ、アシストレーザとして長波長の炭酸ガスレーザをそれぞれ使用したことを特徴とする請求項１記載のレーザアシストによる加工装置。
3. 請求項１又は２記載の被加工面は、光学ガラスからなる母体の表面に光学素子用樹脂をコーティングした光学面、又は、光学ガラス又は石英ガラスからなる母体の光学面であり、前記光学面を最適な透過波面又は反射波面となる形状に加工することを特徴とするレーザアシストによる加工装置。

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