JP5119728B2 - レーザ加工装置の較正方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置の較正方法及びレーザ加工装置に関し、特に液晶や有機ＥＬなどのフラットパネルディスプレイに用いられるＴＦＴ基板等などの加工対象物上に形成されたデバイスパターンや配線パターンにおける欠陥を、レーザ光を用いて修正する際に用いられるレーザ加工装置の較正方法及びレーザ加工装置に関する。

従来、液晶や有機ＥＬなどのフラットパネルディスプレイに使われるＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板はガラス基板上に微細なデバイスパターンを形成することにより作成される。このようなデバイスパターンや配線パターンを形成するときに、ガラス基板上に塵埃や水滴が付着したままプロセス処理が行われることなどにより、パターンに欠陥が生じることがある。このような欠陥が生じたＴＦＴ基板は、不良デバイスとなり、歩留まりを低下させる。
従って、製造ラインの歩留まりを高い水準で安定させるために、欠陥修正装置（リペア装置とも呼ばれる）を用いてパターンの修復を行ってから次プロセスに流すことが行われている。

例えば隣接するパターン同士が電気的に接続されてしまう、いわゆる短絡による欠陥に対しては、欠陥修正装置において、ザッピングによりレーザ光を照射してパターン間の不要な部分を焼き切ることでパターン修復が行われる。また、パターン配線の一部が欠損する、いわゆる断線による欠陥に対しては、欠陥修正装置において、レーザＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition;化学気相成長法）法により金属材料ガス雰囲気の中でレーザ光を照射し、欠損箇所の再配線を行うことでパターンの修復が行われる。このように、欠陥修正装置には、レーザ加工を要するレーザ加工装置が用いられる。
例えば、下記特許文献１には、パターン欠陥にレーザ光を照射して修正する際に、レーザ照射領域と実パターン画像を取得し、それらを画像処理することによって基準点を取得してパターン合わせを行うことで、基板上のパターン欠陥を自動で修正することのできるパターン修正装置が記載されている。

また、特許文献２には、電子部品を搭載するプリント基板等への穴あけ等のレーザ加工に用いられるレーザ加工装置のレーザ位置決め装置において、レーザ加工の精度を高めることのできる制御装置が記載されている。このレーザ位置決め装置に用いられる制御装置は、基板上の目標位置にレーザ光を指向するための指令値を、最適に決定することができるように構成されている。

特開２００６−１１９５７５号公報 ＷＯ２００３／０８０２８３

このような欠陥修正装置をはじめとするレーザ加工装置においては、ＸＹ方向に加工用レーザを走査するためのガルバノミラーや、加工用レーザの開口形状と開口角度を調整するための可変スリットであるＸＹ−θスリットを搭載したものがある。ガルバノミラーやＸＹ−θスリットは、制御機構が備えられており、その制御機構に入力される入力信号に従って制御される。レーザ加工を行うためには、ガルバノミラーの制御機構への入力信号と実際にレーザ光が照射される位置の関係式の較正や、ＸＹ−θスリットの制御機構への入力信号と実際のレーザ光照射領域の面積、形状、角度の変換係数の較正を予め行っておく必要がある。

ところで、較正作業は実際にレーザ加工を行うことにより成されるので、実際のパターンが形成された基板等の加工対象物を用いて較正作業を行うことはできず、従来は較正用に加工対象物を別途容易しておくことが必要であった。このため、レーザ加工の直前にレーザ加工装置の較正が行われることがなかった。

また、レーザ加工を行う前に、ガルバノミラーによる加工対象物上のレーザ光の走査状態を把握し、どこが加工されるのかを確認したいという要求もあった。

また、較正作業は通常２点、或いは３点の位置での計測結果から行われるが、計測点以外での精度が低いことが多いので、較正の高精度化が望まれる場合は、細かく領域を区切って、局所的に較正を行う方法が使われていた。

本発明は、上述の点に鑑み、加工対象物に加工痕を形成することなくレーザ加工装置の較正を高精度に行うことのできる、レーザ加工装置の較正方法及びレーザ加工装置を提供する。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のレーザ加工装置の較正方法は、レーザ光を発振するレーザ光源と、通常光から成り、レーザ光と光軸が共通であるガイド光を出射するガイド光源と、レーザ光及びガイド光を加工対象物上に照射する為の、共通の光軸上に備えられた、制御機構を有する光走査手段とを備えるレーザ加工装置において、光走査手段の制御機構への光照射指定位置の入力を変更することにより、加工対象物上の３点以上の異なる位置にガイド光を照射させる工程と、加工対象物上にガイド光が照射される毎に、ガイド光の照射状態を加工対象物直上に備えられた観察用カメラにより画像として取得する工程と、画像内のガイド光照射中心位置を画像処理により測定する工程と、制御機構へ入力した光照射指定位置と、光照射指定位置に対応する画像から測定したガイド光照射中心位置より、光走査手段の較正の為の変換係数を統計的に求める工程とを有することを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工装置の較正方法は、上述の較正方法において、さらに、可変スリットの制御機構へのスリット形状に関する入力を変更することにより、加工対象物上に異なるビーム形状のガイド光を照射させる工程と、加工対象物上にガイド光が照射される毎に、ガイド光の照射状態を加工対象物直上に備えられた観察用カメラにより画像として取得する工程と、画像内のガイド光照射形状を画像処理により測定する工程と、制御機構へ入力したスリット形状と、スリット形状に対応する画像から測定したガイド光照射形状より、可変スリットの較正の為の変換係数を求める工程とを有することを特徴とする。また、レーザ光とガイド光の光軸ずれを補正する工程を有する。

本発明のレーザ加工装置の較正方法では、通常光であるガイド光により光走査手段及び可変スリットの較正が行われるため、加工対象物上に加工痕を残さない。

本発明のレーザ加工装置は、加工対象物上にレーザ光により加工を施すレーザ加工装置であって、レーザ光を発振するレーザ光源と、可視光から成り、レーザ光と光軸が共通であるガイド光を出射するガイド光源と、レーザ光及びガイド光を加工対象物上に照射する為の、共通の光軸上に備えられた光走査手段と、設定された入力値に基づいて光走査手段を制御する第１の制御機構と、レーザ光及びガイド光のビーム形状を調整する為の、共通の光軸上に備えられた可変スリットと、設定された入力値に基づいて前記可変スリットを制御する第２の制御機構とを備え、光走査手段の第１の制御機構への光照射指定位置の入力を変更することにより、加工対象物上の３点以上の異なる位置にガイド光を照射させ、加工対象物上にガイド光が照射される毎に、ガイド光の照射状態を加工対象物直上に備えられた観察用カメラにより画像として取得し、画像内のガイド光照射中心位置を画像処理により測定し、第１の制御機構へ入力した光照射指定位置と、光照射指定位置に対応する画像から測定したガイド光照射中心位置より、光走査手段の較正の為の変換係数を統計的に求め、該変換係数を用いて前記光走査手段の較正を行い、また、可変スリットの制御機構へのスリット形状に関する入力を変更することにより、加工対象物上に異なるビーム形状のガイド光を照射させ、加工対象物上にガイド光が照射される毎に、ガイド光の照射状態を加工対象物直上に備えられた観察用カメラにより画像として取得し、画像内のガイド光照射形状を画像処理により測定し、第２の制御機構へ入力した前記スリット形状と、前記スリット形状に対応する画像から測定したガイド光照射形状より、可変スリットの較正の為の変換係数を求め、該変換係数を用いて可変スリットの較正を行い、さらに、レーザ光と前記ガイド光の光軸ずれを補正する。

本発明のレーザ加工装置では、ガイド光とレーザ光は光軸が共通であるから、ガイド光とレーザ光はそれぞれ加工対象物の同一部分に照射される。

本発明のレーザ加工装置によれば、加工対象物上に加工痕を残すことなく光走査手段の較正を可能にする。

本発明のレーザ加工装置の較正方法によれば、ガイド光を用いて光走査手段及び可変ミラーの較正が行われるので、加工対象物上に加工痕を残すことなく、高精度な較正が行われる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す。本実施形態におけるレーザ加工装置１は、例えば液晶ディスプレイのＴＦＴ基板上のパターン欠陥を修正する為に用いられるものである。
本実施形態のレーザ加工装置１は、加工用のレーザ光Ｌを発振するレーザ光源２と、レーザ光ではない通常光からなるガイド光Ｇを出射するガイド光源７の二つの光源を有する。 加工用レーザ光源２は、例えばザッピング加工用レーザ光源、あるいはＣＶＤ修正用レーザ光源として用いられる。レ−ザ光源２から出射されたレーザ光Ｌの光軸上には、加工時間を開閉により制御するシャッタ３、光路を変更させる為の第１の全反射ミラー４、レーザの光量を調整するアッテネータ５、さらに光路を変更させる為の第２の全反射ミラー６、及び第１のハーフミラー９、例えばダイクロイックミラーが配置される。一方、ガイド光源７から出射された通常光であるガイド光Ｇの光軸上には、集光レンズ８及び上記第１のハーフミラー９が配置される。

第１のハーフミラー９を透過した後のガイド光Ｇと、上記第２の全反射ミラー６で反射し、さらに第１のハーフミラー９で反射した後のレーザ光Ｌは、共通の光軸となるように、すなわち光軸が一致するように構成される。

この共通の光軸上に、加工範囲を制限するためにレーザ光Ｌのビーム形状を整形する可変スリットである、ＸＹ−θスリット１０、第３の全反射ミラー１１、結像レンズ１２が配置される。さらに、共通の光軸上に、レーザ光ＬをＸＹ方向に走査させるガルバノミラー１３と、第２のハーフミラー１４、例えばダイクロイックミラーと、対物レンズ１５が配置される。対物レンズ１５の下には、加工対象物１６、例えば加工対象物である基板と、加工対象物が固定されてＸＹ方向に移動可能なＸＹステージ２３が配置される。

ここで、ＸＹ−θスリット１０は、図２に示すように、短辺の長さがＸで、長辺の長さがＹである長方形の開口２８を有し、長方形の開口２３は角度θの傾きを持つ。また、光走査手段であるガルバノミラー１３は、２次元に角度可変なミラーである。

上記ガイド光源７としては、例えばＬＥＤ等からなる可視光が用いられ、中でも上述したレーザ光Ｌと同程度の波長の通常光を出射する光源が用いられるのが好ましく、例えば緑色の波長光を出射する光源が挙げられる。

このレーザ加工装置１では、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌが、シャッタ３及び第１の全反射ミラー４を経てアッテネータ５に入射される。光量が調整されたレーザ光Ｌは、第２の全反射ミラー６、第１のハーフミラー９を経てＸＹ−θスリット１０に入り加工範囲を制限する形状に整形される。整形されたレーザ光Ｌは、第３の全反射ミラー１１、結像レンズ１２、ガルバノミラー１３、第２のハーフミラー１４及び対物レンズ１５を経て、ＸＹステージ２３上の加工対象物１６上に照射され、加工対象物１６に対して所要の加工が施される。レーザ光Ｌは、ガルバノミラー１３によって、例えばＴＦＴ基板等の加工対象物１６上をＸＹ方向に走査されることになる。

ＸＹステージ２３は、加工対象物１６上の加工部分を対物レンズ１５の視野範囲内に移動するように駆動される。これに対して、ガルバノミラー１３でのレーザ光Ｌの走査は、加工対象物１６上の対物レンズ１５の視野範囲内にてＸＹ方向に行われる。

一方、ガイド光源７からガイド光Ｇを出射したときには、このガイド光Ｇも、レーザ光Ｌと同様に、ＸＹ−θスリット１０によりビーム形状に整形され、ガルバノミラー１３により加工対象物１６上で走査される。

ここで、ＸＹ−θスリット１０とガルバノミラー１３は夫々制御機構（図示せず）を有し、入力信号に応じて動作が制御されるようになっている。ＸＹ−θスリット１０では、入力信号に応じて、開口２８の短辺、長辺の長さ及び角度が制御され、ガルバノミラー１３では、入力信号に応じて、加工対象物１６上へ照射されるレーザ光Ｌの照射位置が制御される。また、図示を省略するが、本例のレーザ加工装置１では、制御用計算機が具備され、各素子の動作状態を自由に制御することができる。

また、上述のレーザ加工装置１は、加工対象物１６直上に、観察用カメラとなるＣＣＤカメラ２５及び、光学レンズ１９，２０等の光学素子を有するＣＣＤ観察系１７と、照明２４及び光学レンズ２１等の光学素子を有する観察用照明系１８が配置されている。観察照明系１８には、ハーフミラー２２が備えられており、照明２４から出射される照明光は、ハーフミラー２２を介し、加工対象物１６上を照らす。

このＣＣＤ観察系１７及び観察用照明系１８により、加工対象物１６上に照射されたレーザ光Ｌによる加工対象物１６上の加工痕や、ガイド光Ｇによる照射像の画像が取得される。加工痕の画像を取得したい場合は、観察用照明系１８に設けられた照明２４を点灯し、ガイド光Ｇによる照射像の画像を取得したい場合は、照明２４を消灯することにより、各々の画像をＣＣＤカメラ２５で明瞭に取得することができる。

本実施形態では、以上のような構成を有するレーザ加工装置１において、ＸＹ−θスリット１０及びガルバノミラー１３の較正が行われた後、レーザ光Ｌの照射により、加工対象物１６上に加工が施される。

本実施形態に係るレーザ加工装置１では、ガイド光Ｇの光軸と、レーザ光Ｌの光軸が同じになるようにガイド光源７が設置されているので、後述するようにガイド光Ｇをガルバノミラー１３やＸＹ−θレンズ１０の較正に用いれば、加工対象物１６上に加工痕を残すことなく、較正を行うことができる。さらに、レーザ加工を行う前に可視光であるガイド光Ｇをガルバノミラー１３で走査することにより、どこが加工されるのか事前に確認することができる。すなわち、加工対象物１６上に加工痕を残さないガイド光Ｇを用いて、ガルバノミラー１３によるレーザ光Ｇの走査状態を把握することができる。
このレーザ加工装置１は、例えば、加工対象物１６上に形成された配線パターンの欠陥を修正するためのレーザＣＶＤ法やザッピング法を用いた欠陥修正装置等に適用される。

次に、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の較正方法について、図１に示すレーザ加工装置１を用いて説明する。本実施形態では、レーザ加工装置１におけるＸＹ−θスリット１０及びガルバノミラー１３の較正方法を示す。また、本実施形態の較正作業は、特に、レーザ加工用のレーザ光Ｌと同一の光路を有するように構成されたガイド光源７から出射されるガイド光Ｇを用いて行われる。

先ず、ＸＹ−θスリット１０の較正方法について説明する。レーザ加工装置１におけるＸＹ−θスリット１０は、図２に示すように、短辺の長さがＸで、長辺の長さがＹである長方形の開口２８を有し、Ｘ，Ｙの長さはそれぞれ、入力値ｓ_ｘ，ｓ_ｙにより適宜設定できる。また、長方形の開口２８の傾き角度も、ＸＹ−θスリット１０を矢印θで示す方向への回転角度を決定する入力値ｓ_θにより任意に設定できる。ここで、短辺の長さＸを開口Ｘ、長辺の長さＹを開口Ｙ、長方形の開口の傾き角度を開口角度θとする。入力値ｓ_ｘ，ｓ_ｙ，ｓ_θは、ＸＹ−θスリット１０の制御機構に入力される。

開口Ｘの入力値がｓ_ｘ、開口Ｙの入力値がｓ_ｙ、開口角度θの入力値がｓ_θに設定されたＸＹ−θスリット１０は、その入力値ｓ_ｘ、ｓ_ｙ、ｓ_θによる入力信号により制御される。そして、ガイド光源７から、ガイド光Ｇを出射させる。ＸＹ−θスリット１０をガイド光Ｇが通過することで、ガイド光Ｇのビーム形状は長方形に形成され加工対象物１６上に照射される。そのときのガイド光Ｇによって照射された加工対象物１６上の照射像の例を図３に示す。ガイド光Ｇは可視光が用いられているので、加工対象物１６上の照射像２６ａ部分は、明るく見える。したがって、照射像２６ａは、観察用照明系１８の照明２４を消灯させて、ＣＣＤ観察系１７に設けられたＣＣＤカメラ２５で取り込むことにより観察される。加工対象物１６上における照射像２６ａの測定において、短辺長ｍ_ｘ、長辺長ｍ_ｙ、角度ｍ_θの測定値が得られたとすると、ＸＹ−θスリット１０の入力値ｓ_ｘ、ｓ_ｙ、ｓ_θと、照射像２６ａの実際の測定値ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_θは、数１の一次の関係式で示される。

本例では、数１で示す関係式の定数ｃ_ｘ０、ｃ_ｘ１、ｃ_ｙ０、ｃ_ｙ１、ｃ_θ０、ｃ_θ１を求めることで、ＸＹ−θスリット１０の較正を行う。すなわち、求められたｃ_ｘ０、ｃ_ｘ１、ｃ_ｙ０、ｃ_ｙ１、ｃ_θ０、ｃ_θ１をＸＹ−θスリット１０の制御機構に反映させることにより、制御機構に対する入力値ｓ_ｘ、ｓ_ｙ、ｓ_θと実際の測定値ｍ_ｘ、ｍ_ｙ、ｍ_θが精度よく一致するように、ＸＹ−θスリット１０の較正の最適化が自動的になされる。

以下の手順により、定数ｃ_ｘ０、ｃ_ｘ１、ｃ_ｙ０、ｃ_ｙ１、ｃ_θ０、ｃ_θ１を求める。
まず、観察用照明系１８の照明２４を消灯する。次いで、ＸＹ−θスリット１０の開口Ｘの入力値ｓ_ｘ、開口Ｙの入力値ｓ_ｙ、開口角度θの入力値ｓ_θを設定する。ここでは、それぞれの入力値ｓ_ｘ、ｓ_ｙ、ｓ_θを数２の値に設定する。

本例においては、ｓ_ｘ ^１＜ｓ_ｙ ^１とし、ｓ_ｘとｓ_ｙを異なる値とする。

この場合、開口Ｘの入力値ｓ_ｘ及び開口Ｙの入力値ｓ_ｙの設定を先に行い、次に開口角度θの入力値ｓ_θを設定することができる。

続いて、観察用照明系１８の照明２４を消灯した状態で、ガイド光源７を点灯させ、加工対象物１６上にガイド光Ｇを照射する。このとき、ガイド光Ｇは、ＬＥＤ等からなる通常光であるから、加工対象物１６上に加工痕を残さない。そして、ガイド光Ｇが照射されている加工対象物１６の表面状態を、加工対象物１６直上に構成されたＣＣＤカメラ２５により、画像として取り込む。そのときの画像の例を図３に示す。そして、図３に示す画像の画像処理を行い、長方形に照射されたガイド光の短辺長ｍ_ｘ、長辺長ｍ_ｙ、角度ｍ_θの測定値を算出する。画像処理方法としては、粒子解析法、パターンマッチング法、ホフ解析法などを用いる。そして、画像処理により算出された測定値ｍ_ｘ、ｍ_ｙ、ｍ_θを数３に示す。

次に、ＸＹ−θスリット１０の制御機構に対して、新たな開口Ｘ、開口Ｙ、開口角度θの入力値ｓ_ｘ、ｓ_ｙ、ｓ_θを設定し、入力する。この新たな入力値を、数４に示す。

続いて再び、観察用照明系１７の照明２４を消灯した状態で再びガイド光Ｇを点灯させて、加工対象物１６上にガイド光Ｇを照射する。そして、前述と同様に加工対象物１６の表面状態をＣＣＤカメラ２５により画像として取り込み、画像処理を行う。このときの照射されたガイド光Ｇの短辺長ｍ_ｘ、長辺長ｍ_ｙ、角度ｍ_θの測定値を数５に示す。

以上の結果を、前述の一次の関係式数１に代入することにより各定数は、数６により求めることができる。

このようにして求められた定数により、ＸＹ−θスリット１０の較正が行われる。これらの較正作業は、ＸＹ−θスリット１０に設けられた制御機構により自動的に行われる。また、本例の較正方法は、通常光からなるガイド光Ｇを用いて行うため、加工対象物１６上に直接照射しても加工痕を残すことが無いので、実際の加工対象物１６を用いて、較正を行うことができる。

次に、ガルバノミラー１３の較正方法を説明する。ガルバノミラー１３は、その制御機構に入力された入力値に基づいて、加工対象物１６上への照射位置を走査する。ガルバノミラー１３の制御機構に対する入力値は、ガルバノミラー１３によって走査される光の照射位置を指定するもので、この入力した照射指定位置の座標（Ｇ_ｘ、Ｇ_ｙ）と、加工対象物１６上における照射像の中心座標（Ｐ_ｘ，Ｐ_ｙ）の関係は、アフィン変換行列Ａを用いて数７に示すように表される。

アフィン変換とは、平行移動と一次変換を組み合わせたものであり、入力値Ｇに、アフィン変換行列Ａを作用させることにより、形状の平行移動、拡大・縮小、回転等がなされる。本例における、アフィン変換行列を数８に示す。

このアフィン変換行列Ａの要素である定数ａ_ｘ１，ａ_ｘ２，ａ_ｘ３，ａ_ｙ１，ａ_ｙ２，ａ_ｙ３を求めることが、ガルバノミラー１３の較正となる。本例では、このガルバノミラー１３の較正を統計的に行うために、最小自乗法を適用した計算方法を用いて、アフィン変換行列Ａの最小自乗推定値を求める。以下、アフィン変化行列Ａの最小自乗推定値及びその要素を数９と示す。

以下の手順により、アフィン変換行列Ａの最小自乗推定値の要素を求める。
先ず、観察用照明系１８の照明２４を消灯する。次いで、ガルバノミラー１３の制御機構に対して照射指定位置の座標（ｇ_ｘ，ｇ_ｙ）を設定して入力し、ガイド光Ｇを点灯して、加工対象物１６上に照射する。ガイド光Ｇを照射したときの加工対象物１６の表面状態を、照明２４を消灯した状態でＣＣＤカメラ２５に取得する。このときＣＣＤカメラ２５に取得された画像の例を図４Ａに示す。本例においては、ガイド光Ｇには通常光が用いられているため、照射位置は明るく照射される。また、入力する照射指定位置の座標に対して、実際に測定される照射位置の座標はわずかにずれる。ここで、入力した照射指定位置の座標（ｇ_ｘ，ｇ_ｙ）に対する照射像２６の中心位置の座標を（ｐ_ｘ，ｐ_ｙ）とする。図４Ｂは、照射指定位置の座標の入力と、照射像２６の中心位置の座標の測定を５回、それぞれ直線状に無い５箇所で行ったときのＣＣＤカメラ２５に取得される夫々のガイド光Ｇの照射像の一例を示す。このように、照射指定位置の座標（ｇ_ｘ ^１、ｇ_ｙ ^１）〜（ｇ_ｘ ^５、ｇ_ｙ ^５）に対応したガイド光Ｇの照射像２６の画像により、中心位置の座標（ｐ_ｘ ^１，ｐ_ｙ ^１）〜（ｐ_ｘ ^５，ｐ_ｙ ^５）を画像処理により測定する。画像処理方法としては、粒子解析法、パターンマッチング法、ホフ解析法などを用いる。

この一連の行為をＮ回行ったとし、ｉ回目の制御機構に対する照射指定位置の座標、即ち、入力値を（ｇ_ｘ ^ｉ，ｇ_ｙ ^ｉ）、照射像２６の中心位置の座標、即ち、測定値を（ｐ_ｘ ^ｉ，ｐ_ｙ ^ｉ）とする。本例おいては、較正作業を統計的に行う為、入力値に対する測定値の観測は３回以上行う。ここで、アフィン変換行列Ａのｘ成分Ａ_ｘとｉ回目の入力値Ｇ^ｉを数１０に示す。

アフィン変換行列Ａのｘ成分Ａ_ｘとｉ回目の入力値Ｇ^ｉが数１０で示されるとき、既定関数J_ｘを数１１で表すことができる。

数１１で示された規定関数J_ｘにおいて、Ａ_ｘに関して微分して０とおくと数１２の正規方程式が求められる。

このように、Ａ_ｘの最小自乗推定値が計算できる。ここで、Ａ_ｘ ^Ｔを転置行列とする。この正規方程式を展開すると数１３の行列式が得られる。

数１３において、両辺に逆行列を作用させることにより、Ａ_ｘの最小自乗推定値の要素である定数は数１４のように求められる。

同様にして、Ａ_ｙの最小自乗推定値の要素である定数も数１５の行列式により求めることができる。

以上のようにして、アフィン変換行列Ａの最小自乗推定値における定数が求められる。求められた定数により、ガルバノミラー１３の較正が行われる。すなわち、本例ではガルバノミラー１３の制御機構において、入力値と実際の測定値との座標間の較正が行われるので、加工対象物１６上の正確な位置での加工が可能となる。これらの較正作業は、ガルバノミラー１３に設けられた制御機構により、自動的に行われる。また、本例の較正方法は、通常光からなるガイド光を用いて行うため加工対象物１６上に直接照射しても加工痕を残すことが無いので、実際に加工する被加工を用いて較正作業を行うことができる。また、３箇所以上の位置での観測結果から統計的に較正が行われるため、較正の高精度化が測られる。

本例では、ＸＹ−θスリット１０及びガルバノミラー１３の較正作業が自動的に行われたレーザ加工装置１において、レーザ光源２から出射されるレーザ光Ｌにより、実際に加工対象物１６の加工が行われる。このようなＸＹ−θスリット１０及びガルバノミラー１３を備えるレーザ加工装置１では、ＸＹ−θスリット１０及びガルバノミラー１３の制御機構への入力値に対し十分な位置精度を持ってレーザ光Ｌを照射できるため、高精度のレーザ加工が可能となる。また、ＸＹ−θスリット１０及びガルバノミラー１３の較正が、ガイド光Ｇの照射で行われるため、加工対象物１６上に加工痕を残すことなく較正ができる。このため、別途較正作業用の加工対象物を準備する必要がなく、また、レーザ加工処理の直前に較正作業を行うことができる。さらには、実際にレーザ加工を行うことが無いので、何回でも較正作業を繰り返すことが可能である。

第１の実施形態においては、ガイド光Ｇを用いたレーザ加工装置１の較正方法を示したが、第１の実施形態で示したＸＹ−θスリット１０及びガルバノミラー１３の較正方法は、レーザ光Ｌを用いた場合も同様に行うことができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の較正方法として、レーザ光を用いた例を、図１に示すレーザ加工装置１を用いて説明する。本実施形態に係る較正方法においては、実際に加工を行う加工対象物の代わりに、別途用意した加工対象物１６を用いて行う。

先ず、ＸＹ−θスリット１０の較正方法を説明する。本実施形態においては、レーザ光源２から出射されるレーザ光Ｌを用いて、ＸＹ−θスリット１０の較正作業を行う。数１の関係式を用いた較正方法に係る計算方法については、第１の実施形態と同様であるから重複説明を省略する。従って、本実施形態において、数１における定数を求める手順について説明する。
まず、観察用照明系１８の照明２４を点灯する。次いで、ＸＹ−θスリット１０の制御機構に対する開口Ｘの入力値ｓ_ｘ、開口Ｙの入力値ｓ_ｙ、開口角度θの入力値ｓ_θを設定し、入力する。ここでは、それぞれの入力値ｓ_ｘ、ｓ_ｙ、ｓ_θを数１６の値に設定する。

本例においては、ｓ_ｘ ^１＜ｓ_ｙ ^１とし、ｓ_ｘとｓ_ｙを異なる値とする。

この場合、開口Ｘの入力値ｓ_ｘ及び開口Ｙの入力値ｓ_ｙの設定を先に行い、次に開口角度θの入力値ｓ_θを設定することができる。

続いて、レーザ光源２からレーザ光Ｌを発振させ、レーザ光Ｌを加工対象物１６上に照射する。このとき、レーザ光Ｌは、加工対象物１６上に加工痕を残す。この加工対象物１６上の加工痕をＣＣＤ観察系１８に構成されたＣＣＤカメラ２５により、画像として取り込む。このとき、加工痕の画像が明瞭に取得できる為に、観察照明系１８の照明２４が点灯された状態で、画像が取り込まれる。そのときの画像の例を図５に示す。ＸＹ−θスリット１０の制御機構に入力した入力値に従って、加工対象物１６上に任意の加工痕２７ａが形成される。取り込まれた画像において、画像処理を行い、長方形の形状で照射されたレーザ光Ｌの短辺長ｍ_ｘ、長辺長ｍ_ｙ、角度ｍ_θの測定値を算出する。画像処理方法としては、粒子解析法、パターンマッチング法、ホフ解析法などを用いる。

そして、画像処理により算出された加工痕２７ａの短辺長ｍ_ｘ、長辺長ｍ_ｙ、角度ｍ_θの測定値をそれぞれ数１７に示す。

次に、ＸＹステージ２３を駆動させて、加工対象物１６の未加工部分が対物レンズ１５の視野範囲内に来るようにする。そして、ＸＹ−θスリット１０の制御機構に対して、新たな開口Ｘ、開口Ｙ、開口角度θの入力値ｓ_ｘ、ｓ_ｙ、ｓ_θを設定して入力する。この新たな入力値をそれぞれ数１８に示す。

続いて再び、レーザ光源２からレーザ光Ｌを発振させて、加工対象物１６上にレーザ光Ｌを照射する。そして、前述と同様に加工対象物１６上の加工痕２７ａをＣＣＤカメラ２５により画像として取り込み、画像処理を行う。このときの加工痕２７ａの短辺長ｍ_ｘ、長辺長ｍ_ｙ、角度ｍ_θの測定値を、それぞれ数１９に示す。

以上の結果を、数１に示す一次の関係式に代入することにより各定数は、数６を用いて、第１の実施形態と同様に求めることができる。このようにして求められた定数により、ＸＹ−θスリット１０の較正が行われる。これらの較正作業は、ＸＹ−θスリット１０に設けられた制御機構により自動的に行われる。

次にガルバノミラー１３の較正方法を説明する。本例においても、第１の実施形態と同様に、アフィン変換行列を用いて、ガルバノミラー１３の較正を行う。ガルバノミラー１３の較正方法における計算方法は、第１の実施形態と同様であるから重複説明を省略する。
従って、本実施形態においては、較正作業にレーザ光Ｌを用いた場合のアフィン変換行列Ａを求める手順について説明する。

先ず、ガルバノミラー１３の制御機構に対して入力する照射指定位置の座標（ｇ_ｘ，ｇ_ｙ）を設定して入力し、レーザ光源２からレーザ光Ｌを発振させて、加工対象物１６上にレーザ光Ｌを照射する。すると、加工対象物１６上のレーザ光Ｌが照射された部分は、加工痕が残る。そこで、照明２４を点灯させて、ＣＣＤ観察系１８に備えられたＣＣＤカメラ２５によって、加工痕２７ｂの画像を取り込む。このとき、ＣＣＤカメラ２５に取得された画像の例を図６Ａに示す。この加工痕２７ｂの中心位置の座標を（ｐ_ｘ，ｐ_ｙ）とする。

続いて、ガルバノミラー１３の制御機構に対して、別の照射指定位置の座標を入力してレーザ光Ｌを加工対象物１６上に照射し、上述と同様にして、加工対象物１６の加工痕２７ｂの中心位置の座標を測定する。そして、この一連の行為を複数回繰り返す。図６Ｂに、それぞれ異なる照射指定位置の座標（ｐ_ｘ ^１，ｐ_ｙ ^１）〜（ｐ_ｘ ^５，ｐ_ｙ ^５）を入力した場合にＣＣＤカメラ２５に取得された、それぞれの画像を示す。図６Ｂに示すように、それぞれの画像において、加工痕２７ｂの中心位置の座標（ｇ_ｘ ^１，ｇ_ｙ ^１）〜（ｇ_ｘ ^５，ｇ_ｙ ^５）を画像処理により測定する。

この一連の行為をＮ回行ったとし、ｉ回目の制御機構に対する照射指定位置の座標、即ち、入力値を（ｇ_ｘ ^ｉ，ｇ_ｙ ^ｉ）、加工痕２７ｂの中心位置の座標、即ち、測定値を（ｐ_ｘ ^ｉ，ｐ_ｙ ^ｉ）とする。本例の較正作業においては、入力値に対する測定値の観測は３回以上行う。これらの入力値、測定値より、レーザ光Ｌを用いたときのアフィン変換行列Ａの最小自乗推定値の要素である定数が求められる。
アフィン変換行列の最小自乗推定値の計算方法については、第１の実施形態と同様であるから重複説明を省略する。従って、アフィン変換行列Ａ_ｘ及びＡ_ｙの最小自乗推定値は、それぞれ数１３，１４を用いて、第１の実施形態と同様に求めることができる。

以上のようにして、アフィン変換行列Ａにおける最小自乗推定値の要素である定数が、数１４及び数１５のように求められる。本実施形態においては、ガルバノミラー１３の制御機構において、入力値と実際の加工痕２７ｂの測定値との座標間の較正がおこなわれるので、加工処理が正確な位置で成される。これらの較正作業は、ガルバノミラー１３に設けられた制御機構により自動的に行われる。また、本例のガルバノミラー１３の較正作業は、３箇所以上の位置での測定結果から統計的に行われるため、較正の高精度化が測られる。

本実施形態においては、ＸＹ−θスリット１０及びガルバノミラー１３の較正を、ガイド光源２を有するレーザ加工装置１を用いて行ったが、本例の較正方法は、ガイド光源２を構成しないレーザ加工装置にも適用できる。

ところで、第１の実施形態において、ガイド光源２は、ガイド光Ｇが加工用レーザのレーザ光Ｌと光軸が一致するように設置されるが、実際にはわずかに光軸のずれが生じることがある。このような場合は、第１の実施形態で詳述したように、ガイド光源７を用いてガルバノミラー１３の較正を行っても、実際にレーザ光Ｌにより加工を行うと、微妙に加工位置のずれを生じてしまう。
従って、この場合は、レーザ光Ｌの光軸とガイド光Ｇの光軸のずれに対する較正をガルバノミラー１３において行っておくことが好ましい。

ここで、本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置の較正方法として、レーザ光とガイド光の光軸を合わせる較正方法について説明する。本実施形態に係る較正方法は、図１に示すレーザ装置１を用いて説明する。

先ず、ガイド光Ｇを用いてガルバノミラー１３の較正をする。この、ガイド光Ｇを用いたガルバノミラー１３の較正方法は、第１の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。ガルバノミラー１３の較正において、ガイド光Ｇを用いた場合のアフィン変換行列の最小自乗推定値を

とする。
次に、レーザ光Ｌを用いたガルバノミラー１３の較正をする。この、レーザ光Ｌを用いたガルバノミラー１３の較正方法は、第２の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。レーザ光Ｌを用いた場合のアフィン変換行列の最小自乗推定値を

とする。

ガイド光Ｇを用いてガルバノミラー１３の較正を行っても、実際にレーザ光Ｌにより加工を行うと、微妙に加工位置のずれを生じるのは、実際の加工痕を用いた較正で求まったアフィン変換行列Ａ´の最小自乗推定値に対し、ガイド光Ｇを用いた較正で求まったアフィン変換行列Ａの最小自乗推定値が完全に一致しないからである。従って、レーザ光Ｌを用いた場合のアフィン変換行列Ａ´の最小自乗推定値と、ガイド光Ｇを用いた場合のアフィン変換行列Ａの最小自乗推定値の関係において、レーザ光Ｌとガイド光Ｇの光軸が微小で、且つ、そのズレ量が一定である場合には、例えば、以下の数１９で表されるアフィン変換行列Ｑを一度求めておくことが好ましい。

数１９で求められたアフィン変換行列Ｑをガイド光Ｇのアフィン変換行列Ａの最小自乗推定値に作用させることにより、レーザ光Ｌのアフィン変換行列Ａ´の最小自乗推定値が得られるので、レーザ光Ｌとガイド光Ｇのわずかな光軸のずれが較正される。従って、ガイド光Ｇを用いて行ったガルバノミラー１３の較正に加え、レーザ光Ｌとガイド光Ｇの光軸の較正であるアフィン変換行列Ｑがガルバノミラー１３の制御機構に加味されるため、より高精度な較正を行うことができる。そして、このアフィン変換行列Ｑを一度求めておけば、２回目の較正からは、ガイド光Ｇを用いた較正で求められたアフィン変換行列Ａに対して、数１で示した演算により、光軸のずれを補正したアフィン変換行列Ａ´を求めることが可能となる。

本発明に係るレーザ加工装置の較正方法によれば、ガルバノミラーの較正において、３点以上の多くの測定点を用いて、最小自乗法などの統計的な手法を用いてアフィン変換行列を決定するため、測定誤差の影響を受けにくく、領域分割の必要もない。特に、精度が欲しい領域では、その領域での測定点を増やすことで対応できる。また、ガイド光を用いてレーザ加工装置の較正を行う場合は、加工用レーザによる実際の加工痕が無くても較正を行うことが可能である。

また、ＸＹ−θスリットやガルバノミラーを精度良く較正しておき、ガイド光の点灯状態を制御する機構を有する構成とすれば、例えば加工用のレーザ光源に入力した発振制御信号をガイド光源に入力し、レーザ光の代替として、ガイド光を被加工に照射することができる。レーザ光の代替として、ガイド光を照射できることにより、レーザ加工を行うまえに、ガルバノミラーの走査状態を把握したり、どこが加工されるのかを確認したりすることができる。従って、パラメータ設定ミスなどによる加工の失敗を防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置に用いられるＸＹ−θスリットの概略構成図である。 被加工上にＸＹ−θスリットを介してガイド光が照射されたときのＣＣＤカメラに取り込まれた画像である。 Ａ，Ｂ 加工対象物上にガイド光がガルバノミラーにより走査されたときの照射像をＣＣＤカメラに取り込んだときの画像である。 加工対象物上にＸＹ−θスリットを介してレーザ光が照射されたときのＣＣＤカメラに取り込まれた加工痕の画像である。 Ａ，Ｂ 加工対象物上にレーザ光がガルバノミラーにより走査されたときの加工痕をＣＣＤカメラに取り込んだときの画像である。

符号の説明

１・・レーザ加工装置、２・・レーザ光源、７・・ガイド光源、１０・・ＸＹ−θレンズ、１３・・ガルバノミラー、１５・・対物レンズ、１６・・加工対象物、１７・・観察照明系、１８・・ＣＣＤ観察系、２３・・ＸＹステージ、２４・・照明、２５・・ＣＣＤカメラ、２６ａ，２６ｂ・・照射像、２７ａ，２７ｂ・・加工痕

Claims (6)

1. レーザ光を発振するレーザ光源と、
   可視光から成り、前記レーザ光と光軸が共通であるガイド光を出射するガイド光源と、
   前記レーザ光及びガイド光を加工対象物上に照射する為の、前記共通の光軸上に備えられた光走査手段と、
   設定された入力値に基づいて前記光走査手段を制御する第１の制御機構と、
   前記レーザ光及びガイド光のビーム形状を調整する為の、前記共通の光軸上に備えられた可変スリットと、
   設定された入力値に基づいて前記可変スリットを制御する第２の制御機構と、
   を備えるレーザ加工装置において、
   前記光走査手段の第１の制御機構への光照射指定位置の入力を変更することにより、前記加工対象物上の３点以上の異なる位置に前記ガイド光を照射させる工程と、
   前記加工対象物上に前記ガイド光が照射される毎に、前記ガイド光の照射状態を加工対象物直上に備えられた観察用カメラにより画像として取得する工程と、
   前記画像内のガイド光照射中心位置を画像処理により測定する工程と、
   前記第１の制御機構へ入力した光照射指定位置と、前記光照射指定位置に対応する画像から測定したガイド光照射中心位置より、前記光走査手段の較正の為の変換係数を統計的に求め、該変換係数を用いて前記光走査手段の較正を行う工程とを有し、
   また、前記可変スリットの制御機構へのスリット形状に関する入力を変更することにより、前記加工対象物上に異なるビーム形状の前記ガイド光を照射させる工程と、
   前記加工対象物上に前記ガイド光が照射される毎に、前記ガイド光の照射状態を加工対象物直上に備えられた観察用カメラにより画像として取得する工程と、
   前記画像内のガイド光照射形状を画像処理により測定する工程と、
   前記第２の制御機構へ入力した前記スリット形状と、前記スリット形状に対応する画像から測定したガイド光照射形状より、前記可変スリットの較正の為の変換係数を求め、該変換係数を用いて前記可変スリットの較正を行う工程とを有し、
   さらに、前記レーザ光と前記ガイド光の光軸ずれを補正する工程を有する
   ことを特徴とするレーザ加工装置の較正方法。
2. 前記光走査手段の較正の為の変換係数はアフィン変換行列で示され、前記アフィン変換行列の各成分を求めることにより、前記光走査手段の較正の為の変換係数を求める
   請求項１に記載のレーザ加工装置の較正方法。
3. 前記レーザ光と前記ガイド光の光軸ずれを補正する工程では、
   前記光走査手段の第１の制御機構への光照射指定位置の入力を変更することにより、前記加工対象物上の３点以上の異なる位置に前記レーザ光を照射させる工程と、
   前記加工対象物上に前記レーザ光が照射される毎に、前記レーザ光の照射状態を加工対象物直上に備えられた観察用カメラにより画像として取得する工程と、
   前記画像内のレーザ光照射中心位置を画像処理により測定する工程と、
   前記第１の制御機構へ入力した光照射指定位置と、前記光照射指定位置に対応する画像から測定したレーザ光照射中心位置より、前記光走査手段の較正の為の変換係数を統計的に求める工程と、
   前記ガイド光を用いた前記光走査手段の較正の為の変換係数と、前記レーザ光を用いた前記光走査手段の較正の為の変換係数との差を補正する工程とを有する
   請求項２に記載のレーザ加工装置の較正方法。
4. 加工対象物上にレーザ光により加工を施すレーザ加工装置であって、
   前記レーザ光を発振するレーザ光源と、
   可視光から成り、前記レーザ光と光軸が共通であるガイド光を出射するガイド光源と、
   前記レーザ光及びガイド光を前記加工対象物上に照射する為の、前記共通の光軸上に備
   えられた光走査手段と、
   設定された入力値に基づいて前記光走査手段を制御する第１の制御機構と、
   前記レーザ光及びガイド光のビーム形状を調整する為の、前記共通の光軸上に備えられた可変スリットと、
   設定された入力値に基づいて前記可変スリットを制御する第２の制御機構とを備え、
   前記光走査手段の第１の制御機構への光照射指定位置の入力を変更することにより、前記加工対象物上の３点以上の異なる位置に前記ガイド光を照射させ、
   前記加工対象物上に前記ガイド光が照射される毎に、前記ガイド光の照射状態を加工対象物直上に備えられた観察用カメラにより画像として取得し、
   前記画像内のガイド光照射中心位置を画像処理により測定し、
   前記第１の制御機構へ入力した光照射指定位置と、前記光照射指定位置に対応する画像から測定したガイド光照射中心位置より、前記光走査手段の較正の為の変換係数を統計的に求め、該変換係数を用いて前記光走査手段の較正を行い、
   また、前記可変スリットの制御機構へのスリット形状に関する入力を変更することにより、前記加工対象物上に異なるビーム形状の前記ガイド光を照射させ、
   前記加工対象物上に前記ガイド光が照射される毎に、前記ガイド光の照射状態を加工対象物直上に備えられた観察用カメラにより画像として取得し、
   前記画像内のガイド光照射形状を画像処理により測定し、
   前記第２の制御機構へ入力した前記スリット形状と、前記スリット形状に対応する画像から測定したガイド光照射形状より、前記可変スリットの較正の為の変換係数を求め、該変換係数を用いて前記可変スリットの較正を行い、
   さらに、前記レーザ光と前記ガイド光の光軸ずれを補正する
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
5. 前記加工対象物の直上には、観察用カメラ及び観察用照明が構成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記光走査手段に対する、前記レーザ光及びガイド光の入射側に、前記レーザ光及びガ
   イド光のビーム形状を調整する為の制御機構を有する可変スリットを備える
   ことを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。

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