JP6035030B2 - 光制御装置と光制御方法及びレーザ加工システムとレーザ加工システムによる加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、照射パターンと該照射パターン内の相対照射強度を任意に調整可能な光制御装置とその光制御方法及びレーザ加工システムとレーザ加工システムによる加工方法とに関する。

従来、レーザ光照射装置やレーザ光制御装置、レーザ加工システムは、アモルファスシリコンや多結晶シリコンから大粒径の結晶化シリコンを生成する半導体結晶化装置や、各種アニーリング装置、レーザアブレーション装置、レジスト露光装置、金属加工・溶接・切断装置等に幅広く用いられている。

例えば、下記特許文献１には、所望の逆ピーク状の光強度分布を所望する位置に安定的に形成することができ、且つ半導体膜に高い充填率で結晶粒を形成することのできる結晶化装置および結晶化方法を提供すること、アブレーションを発生させることなく結晶成長させることのできる結晶化装置および結晶化方法を提供することを目的とする発明であって、１８０度と実質的に異なる位相段差が第１間隔で並ぶパターンを有する光学変調素子と、この光学変調素子を介した光束を非干渉性の異なる二つの光束に分割するための光束分割素子と、第２間隔だけ互いに離間した二つの光強度分布の合成に対応する所定の逆ピーク状の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系とを備える光照射装置が開示されている。

また、下記特許文献２には、レーザ発振器と被加工物との間に、印加電圧の有無によって該レーザ発振器からのレーザ光線の偏光を異ならせる光学的スイッチと、該光学的スイッチからのレーザ光線の偏光如何によって該レーザ光線を屈折させまたは屈折させずに出力する複屈折性媒体とを介在させることにより、被加工物を加工する場合に該被加工物及びレーザ発振器の移動を極力簡単にすることが可能なレーザ加工システムが開示されている。

特開２００５−２４４１９５号公報 公開実用昭和５０−１５７５９８号公報

従来、光を被照射対象に照射する場合に、光の照射パターンを任意に変更したり、該照射パターン内における光の強度分布を任意に変更したりする光制御は実現されていない。一方、光を用いた加工等の技術展開が進みその応用技術が進歩するに伴い、さらに精密かつ自由度の高い光制御装置や、照射パターンやその相対強度を任意に制御可能なレーザ加工システムの実現が望まれていた。
複数の光束を重ね合わせて所望の強度分布を有する光照射パターンを具現する方法として、例えば複数の半透過ミラーを用いる方法が知られている。１枚の半透過ミラーを透過し反射する光量の比率は予め定まっている。例えば３０％の反射率を有する第１の半透過ミラーを用いた場合、３０％の光量は反射し、残りの７０％の光量は透過する。
このような第１の半透過ミラーの透過光束中にさらに５７％の反射率を有する第２の半透過ミラーを配置したと仮定すると、第２の半透過ミラーからの反射光量は最初の入射光の４０％となり、第２の半透過ミラーの透過光量は最初の入射光の３０％となる。
すなわち、第１の半透過ミラーの反射光量が入射光量の３０％となり、第２の半透過ミラーの反射光量が最初の入射光量の４０％となり、第２の半透過ミラーの透過光量は最初の入射光量の３０％となるので、順に３０％、４０％、３０％の強度分布を有する三つの光が得られるので、これらの光を適宜重ね合わせることにより光照射パターンを形成することができる。
上述した三つの光を順次隣接させた照射パターンにより形成した凸形状の光強度分布を有するレーザ光でレーザ加工を遂行すれば、両サイドの二つの光束により被加工物の加工エリアエッジ部分が加熱され、最も光強度が強い中央の光束での加工がスムースになり、加工速度が向上することが期待できる。
また、１本の光束でレーザ溶接する場合には、レーザ照射後、光束が消失した部分の金属等被加工物が急速に冷却されることで、クラックの発生を招来する場合がある。クラックの発生を防止するために、中央には比較的大きな光量の光束を配置し、その両サイドに比較的小さな光量の光束を配置する。これにより、レーザ照射時に、溶接箇所の周辺部位も含めた比較的広い面積を加熱することができるので、加工部分周辺の熱勾配をなだらかにすることができ、レーザ照射後に光束が消失したことに伴う冷却を比較的緩慢に進行させ、クラックの発生を抑制することが可能となる。
また、レーザ光の進行方向に平行に３本の光束を順次配置し、各々予備加熱、本加熱、後加熱の３段階を経る加工が可能なように、レーザ加工の加熱パターンを設定することもできる。これにより、レーザ溶接の溶接痕におけるクラックの発生等を抑制し、溶接表面の平滑化を実現することができる。上述のように、複数の光束を準備し、各光束の光量を調整するレーザ加工方法は、種々の用途や機能が期待されるものであって、今後さらなる応用展開が期待されている。
一方、半透過ミラーを用いた光束の強度分布形成は、半透過ミラーの反射率の組み合わせにより予め決定されていることから、任意に可変することが困難な固定された分布である。上述した三つの光束を用いる場合に、加工対象が例えばステンレスであれば、熱伝導性が比較的低いので、両サイドの光束の光強度は比較的小さくてもよい。しかし、アルミニウムや銅など熱伝導性が比較的高い材料を加工する場合には、レーザ光消失後の熱伝導による冷却も極めて短時間で進行するため、両サイドの光束の光強度を比較的大きくして周辺部位についても十分に加熱することで、急冷を防止してクラックの発生を抑制し良質な加工を実現する必要がある。
また、同一の素材を加工する場合であっても被加工物の厚さが異なる場合には、加工条件も異なることとなる。すなわち、加工対象たる被加工物に対応して、レーザの照射パターンや該パターン内の相対的光強度比を種々に調整して加工することが好ましく、中心のメイン光強度を含めた両サイドのサテライト光の相対的光強度を任意に調整可能とすることで、これまで加工が困難とされていた材料や形状についてもレーザ加工を可能とし、広範囲な材料や形状に適合可能なレーザ加工装置とできる。
上述の観点から、半透過ミラーを用いた光強度分布形成は、半透過ミラーの光反射率・光透過率が固定されており、反射率を微調整したり変更することが現実の加工現場においては困難である。すなわち、既に光路が形成されて光軸調整済みの半透過ミラーを、反射率が異なる他の半透過ミラーに差し替える作業は、光路中の半透過ミラーを一端取り外し新たに取り付ける作業となるので、半透過ミラーを含む光学系を再度調整設定することとなり、場合によっては数日以上の膨大な工数と時間とを要するだけでなく、安全性の観点からも好ましくない作業となる。

本発明は、上述した問題点に鑑み為された発明であって、被照射物への光照射パターンを任意に変更可能とし、または光照射パターン内の光強度分布を任意に制御可能な光制御装置とレーザ加工システム等を提供することを目的とする。

本発明の光制御装置は、直線偏光を含む入射光を集光または発散させるレンズと、レンズからの光の偏光方向を連続的に任意に変更する１／２波長板からなる偏光手段と、１／２波長板からの光を少なくとも二つに分割する複屈折素子とを備えることを特徴とする。

また、本発明の光制御装置は好ましくは、複屈折素子が、光学特性の異なる他の複屈折素子に差し替え可能なカートリッジであることを特徴とする。

また、本発明の光制御装置はさらに好ましくは、１／２波長板が光軸に対して回転可能かまたは光軸方向に傾斜可能であることを特徴とする。

また、本発明の光制御装置はさらに好ましくは、１／２波長板に代えて、ファラデ素子と磁石とを含む偏光手段を備えることを特徴とする。

また、本発明の光制御装置はさらに好ましくは、ファラデ素子と磁石との相対位置が、ファラデ素子に加わる磁力が変化するように、任意に相対移動可能であることを特徴とする。

また、本発明の光制御装置はさらに好ましくは、磁石が、供給電力を任意に可変することにより、ファラデ素子に加わる磁力を任意に変更できる電磁石であることを特徴とする。

また、本発明の光制御装置はさらに好ましくは、偏光手段と複屈折素子との組を光軸方向に複数組備えることを特徴とする。

また、本発明の光制御装置はさらに好ましくは、複数組の各複屈折素子において、光軸のシフト方向が互いに平行ではないことを特徴とする。

また、本発明の光制御装置はさらに好ましくは、光がレーザ光であることを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工システムは、レーザ光源と、レーザ光源からレーザ光を伝達する光ファイバと、光ファイバの出射光から直線偏光のみを抽出する偏光子と、上述の光制御装置とを備えることを特徴とする。

また、本発明の光制御方法は、上述のいずれかの光制御装置による光制御方法であって、出射される光のパターンが変わるように複屈折素子の光学特性を異ならしめる工程と、出射される光のパターン内の相対的光強度が変わるように偏光手段により偏光方向を変更する工程と、の少なくともいずれか一つを有することを特徴とする。

また、本発明の光制御方法は好ましくは、偏光手段が１／２波長板であり、偏光手段により偏光方向を変更する工程において、１／２波長板を光軸に対して回転することを特徴とする。

また、本発明の光制御方法は好ましくは、偏光手段がファラデ素子とファラデ素子に磁力を加える磁石とであり、偏光手段により偏光方向を変更する工程において、ファラデ素子に加わる磁力を変えることを特徴とする。

また、本発明の光制御方法はさらに好ましくは、複屈折素子の光学特性を異ならしめる工程において、複屈折素子による光軸のシフト方向が変わるように光軸に対して複屈折素子を回転することを特徴とする。

また、本発明の光制御方法はさらに好ましくは、複屈折素子の光学特性を異ならしめる工程において、複屈折素子のカートリッジを、屈折率と結晶材料と結晶方向と光軸方向の厚さとの少なくともいずれか一つが異なる他の複屈折素子のカートリッジへと交換することを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工システムによる加工方法は、上述のレーザ加工システムにより被加工物を加工する方法であって、出射される光のパターンが変わるように複屈折素子の光学特性を異ならしめる工程と、出射される光のパターン内の相対的光強度が変わるように偏光手段により偏光方向を変更する工程と、の少なくともいずれか一つと、光制御装置から出射されたレーザ光を被加工物に照射する工程とを有することを特徴とする。

被照射物への光照射パターンを任意に変更可能とし、または光照射パターン内の光強度分布を任意に制御可能な光制御装置とレーザ加工システム等を提供できる。

レーザ加工装置の全体構成の概要を説明するブロック図である。 （ａ）は光制御装置の第一の実施形態の構成概要を説明するブロック図であり、（ｂ）は、１／２波長板を、光軸に垂直な面内で、光軸に対して回転させた場合の第一の焦点と第二の焦点とにおける光強度の変化を説明する概念図である。 （ａ）は光制御装置の第二の実施形態の偏光部の構成概要を説明するブロック図であり、（ｂ）は第一の焦点と第二の焦点との光照射強度を同一にした場合について被加工物の加工状態との関係を説明する図である。 （ａ）は第三の実施形態の光制御装置の概要を説明する図であり、（ｂ）は第二の焦点と第三の焦点とが重なり合うように、第一の複屈折素子と第二の複屈折素子との光学特性及び厚さを同一とした場合の光強度プロファイルについて説明する図である。 第一の複屈折素子と第二の複屈折素子との屈折方向（光シフト方向）を平行ではないものとした場合の光照射パターンとその加工状態を説明する概念図である。 第四の実施形態にかかるレーザ加工システムの構成概要を説明する図である。 レーザ加工装置の動作概要について順次説明するフロー図である。

一方、実施形態で下記に説明する光制御装置やレーザ加工システムにより、任意の光強度分布を容易に実現し、光量分布を任意に変更することが可能となる。

（第一の実施形態）
図１は、レーザ加工システム１０００の全体構成の概要を説明するブロック図である。図１に示すようにレーザ加工システム１０００は、商用電源１０１０から電力供給を受けてレーザ光を生成して出力するレーザ発振器１０２０と、レーザ発振器１０２０で生成されたレーザ光を所望の加工位置近傍まで伝達する光ファイバ１０３０と、光ファイバ１０３０から伝達されたレーザ光を、被加工物の加工に適した光へと調整する光制御装置１０４０と、光制御装置１０４０から出射された光によりスクライブや溶接等所望の加工をされる被加工物１０５０を搭載するＸ−Ｙステージ１０６０とを備える。

レーザ発振器１０２０は、気体レーザ発振器であってもよく、半導体レーザ等の固体レーザ発振器であってもよく任意のレーザ光源で構成することができる。光制御装置１０４０は、被加工物１０５０の材質や形状・厚み・加工内容等に応じて、適切な加工が可能となるように出射する光の照射パターンを変更し、または照射パターン内の各光束の光強度を任意に調整して出力することが可能である。また好ましくは光制御装置１０４０が、光の照射パターンの変更と該照射パターン内の各光束の相対的な光強度とを共に任意に変更しまたは制御することが可能である。

図２（ａ）は、光制御装置１０４０の第一の実施形態の構成概要を説明するブロック図である。図２（ａ）においては、説明の便宜上レーザ光２５０の焦点位置にスクリーン２４０を配置した構成として示している。現実のレーザ加工システム１０００においては、スクリーン２４０に対応する位置には、被加工物１０５０が配置されるものとする。

図２（ａ）に示すように、集光レンズ２１０を通過したレーザ光は、１／２波長板２２０と、複屈折素子２３０とを順次通過し、第一のレーザ光２５１と第二のレーザ光２５２とに分割され、各々第一の焦点２５３と第二の焦点２５４とに集光される。すなわち、光制御装置１０４０に入射されたレーザ光２５０は、スクリーン２４０上に第一の焦点２５３と第二の焦点２５４とからなる光照射パターンを形成する。また、複屈折素子２３０は、光学特性の異なる他の複屈折素子に差し替えが可能なカートリッジとして形成されている。

集光レンズ２１０に入射される光は直線偏光を含む光であることが好ましく、１／２波長板２２０に入射される光は収束光または発散光であることが好ましい。また、集光レンズ２１０に替えて発散レンズを用いることもできる。

図２（ａ）から理解できるように、複屈折素子２３０の物性値で決まる第１のレーザ光２５１と第２のレーザ光２５２との光軸角度で屈折し、複屈折素子２３０の光軸方向の厚さＷが厚くなるのに比例し、前記２つの屈折角度の差で生じる光軸の間隔、つまり第一の焦点２５３と第二の焦点２５４との間隔、が大きくなる。すなわち、複屈折素子２３０を厚さの厚い他の複屈折素子にカートリッジ交換することで、光軸のシフト量（分離距離）を大きくして照射パターンを変更することが可能である。

また、複屈折素子２３０を、光軸に垂直な面内で光軸に対して回転させると、屈折方向が複屈折素子２３０の回転に対応して変わる。すなわち、図２（ａ）に示す例においては、第一の焦点２５３を中心にして、第二の焦点２５４のスクリーン２４０上の位置が、複屈折素子２３０の回転に対応して円を描くように移動する。このようにして、光制御装置１０４０は、光照射パターンを変更することも可能である。

また、複屈折素子２３０を、屈折率と結晶材料と結晶方向との少なくともいずれか一つが異なる他の複屈折素子へとカートリッジ交換することで、第一の焦点２５３と第二の焦点２５４との間隔だけでなく、スクリーン２４０上に形成される光照射パターンを任意のパターンに形成し、変更することが可能となる。複屈折素子２３０は、複屈折素材として公知の材料を用いることができるが、例えば方解石や水晶を用いてもよい。前記複屈折材料の形状は、入射面と出射面が略平行である平行平板型であってもよいし、入射面と出射面とが平行ではない台形型であってもよい。入射面および出射面での屈折角について、いわゆる常光と異常光のそれぞれの屈折率と入射角及び出射角との関係はスネルの法則に従う。

また、図２（ｂ）は、１／２波長板２２０を、光軸に垂直な面内で、光軸に対して回転させた場合の第一の焦点２５３と第二の焦点２５４とにおける光強度の相対的変化を説明する概念図である。

図２（ｂ）に示すように、１／２波長板２２０を回転しない初期状態（図２（ｂ）の上）においては、第一の焦点２５３（１）における光強度は比較的小さく、第二の焦点２５４（１）における光強度は比較的大きいものとする。また、１／２波長板２２０を２２．５°回転した状態（図２（ｂ）の中）においては、第一の焦点２５３（２）における光強度はやや大きくなり、第二の焦点２５４（２）における光強度はやや小さくなり、第一の焦点２５３（２）における光強度と、第二の焦点２５４（２）における光強度とがほぼ同一となる。

また、１／２波長板２２０を４５°回転した状態（図２（ｂ）の下）においては、第一の焦点２５３（２）における光強度はさらに大きくなり、第二の焦点２５４（２）における光強度はさらに小さくなり、第一の焦点２５３（２）における光強度と、第二の焦点２５４（２）における光強度とが当初０°の場合と逆転した関係となる。１／２波長板の回転角度の２倍、つまり偏光方向の回転角度、をθとすると、第一の焦点２５３の強度と第二の焦点２５４との強度分岐割合は（ｓｉｎ^２θ：ｃｏｓ^２θ）である。なお、１／２波長板２２０を回転させることに替えて、光軸方向に傾斜させることによっても同様の作用を生じさせることができる。

すなわち、光制御装置１０４０は、複屈折素子２３０を光学特性の異なる他の複屈折素子２３０にカートリッジ交換するか、または複屈折素子２３０を回転させることで、光照射パターンを任意に変更することが可能となる。また、光制御装置１０４０は、１／２波長板２２０を回転させることで、該光照射パターン内の各光束の相対的な光強度を任意の関係に調整することが可能である。

上述のように、第一の実施形態で説明した光制御装置１０４０は、複屈折素子２３０のカートリッジ差し替えと１／２波長板２２０の回転角度調整とにより、出射する光の照射パターンを任意に変更し、かつ、該光パターン内の各光束間の光強度比を任意に制御することが可能である。複屈折素子２３０のカートリッジ差し替え及び回転角度調整と、１／２波長板２２０の回転角度調整と、は共に実現可能な構成とすることが好ましいが、少なくともいずれか一方が可能なように光制御装置１０４０を構成しておくことで、被加工物１０５０に対応した出射光の適切な調整制御が可能となる。

なお、複屈折素子２３０は、そのＣ軸が光軸に対し４５°近傍の角度を有することが好ましい。これにより、光軸の分離角度が大きくなり効率的な光軸分離を遂行できる。また、複屈折素子２３０のカートリッジ差し替えについては、例えば同心円状に配置された光学特性が異なる複数の複屈折素子からなるレボルバー方式や、直線状に配置された光学特性が異なる複数の複屈折素子からなるスライド方式等、公知の種々のタイプの交換手法を含むものとする。

（第二の実施形態）
図３（ａ）は、上述した光制御装置１０４０における第二の実施形態の偏光部３２０の構成概要を説明するブロック図である。図３（ａ）に示すように、第二の実施形態においては、光制御装置１０４０の１／２波長板２２０に代えて、ファラデ素子３２１と磁石３２２，３２３とを含む偏光部３２０を備える。ファラデ素子３２１は磁界を付与することにより、１／２波長板２２０と同様の機能を発揮し、磁界の強度を変更することにより１／２波長板２２０を回転させた場合と同様に偏光特性を異ならせるものとできる。

すなわち、第二の実施形態においては、１／２波長板２２０を回転させる代わりに、ファラデ素子３２１に付与する磁界の強さを変更させるものとする。なお、図３（ａ）においては、集光レンズ２１０と複屈折素子２３０とについては、第一の実施形態と同一であるので記載を省略するとともに、説明の重複を避けるためその説明を省略する。

また、図３（ａ）において、磁石３２２，３２３はドーナッツ形状の磁石を側面視として示しているが、これに限定されるものではなく任意の形状・種類の磁石を用いることができる。但し、磁界の方向がレーザ光の進行方向と平行になるように、ファラデ素子３２１に磁力を加えることが、効率的な偏光方向の調整を可能とする観点からは好ましい。

図３（ａ）から理解できるように、磁石３２２，３２３とファラデ素子３２１とは、光軸方向に相対的に移動可能なように各々モータＭ１（３７２），Ｍ３（３７３），Ｍ２（３７１）と連結され、各モータを制御するモータ制御装置３６０を備える構成とされる。第二の実施形態においては、磁石３２２，３２３とファラデ素子３２１とが全て各々モータに連結される構成を示しているが、ファラデ素子３２１に付与される磁力を変更できるように、少なくともいずれか一つが移動可能なようにモータに接続されるだけでもよい。

図３（ｂ）は、第一の焦点２５３と第二の焦点２５４との光照射強度を同一にした場合について被加工物の加工状態との関係を説明する図である。図３（ｂ）に示すように、複屈折素子２３０の厚さＷを適切に調整して第一の焦点２５３と第二の焦点２５４との間隔を比較的狭くし、かつ、ファラデ素子３２１に加わる磁力を適宜調整して光強度を同一とする。この場合には、照射されるレーザ光がテーブルトップ型、すなわちピークが平らな状態となる。

このため、図３（ｂ）から理解できるように、被加工物のトレンチ底も平らな形状に形成することができ、種々の加工への応用展開が期待できる。また、第二の実施形態においては、磁石３２２，３２３を電磁石で構成してもよい。磁石３２２，３２３を電磁石で構成すれば、これらを移動させなくても、電磁石に供給する電力を制御することでファラデ素子３２１に加えられる磁力を制御することが可能となる。このため、モータ３７１，３７２，３７３とモータ制御装置３６０を備えなくてもよく、電磁石への供給電力量の調整により偏光方向を制御可能となるのでさらに好ましい。

なお、図３においては一対の磁石３２２，３２３でファラデ素子を光軸方向に挟み込む構造として示したが、ファラデ素子と磁石との配置関係は図３で示すものに限定されるものではなく、磁石を例えばファラデ素子の上部または下部または上下両方に配置する等、磁石の特性に応じて種々のバリエーションを採用できる。また、第一の実施形態でも説明したように、光強度分岐比は（ｓｉｎ^２θ：ｃｏｓ^２θ）で与えられる。ここで、Ｖをベルデ定数（°／ｃｍ／０ｅ）、Ｈを外部磁界強度（０ｅ）、Ｌを素子厚さ（ｃｍ）とすれば、偏光方向の回転角度θは、（Ｖ×Ｈ×Ｌ）で与えられる。

（第三の実施形態）
図４は、第三の実施形態の光制御装置１０４０（２）の概要を説明する図である。図４に示すように、第三の実施形態の光制御装置１０４０（２）は、集光レンズ４１０と、第一の１／２波長板４２０（１）と第一の複屈折素子４３０（１）と、第二の１／２波長板４２０（２）と第二の複屈折素子４３０（２）と、をレーザ光の入射側から順次備える。

すなわち、第三の実施形態の光制御装置１０４０（２）は、第一の実施形態で説明した１／２波長板と複屈折素子との組を二組備えている。このため、集光レンズ４１０を通過した光は、第一の複屈折素子４３０（１）でレーザ光４５１，４５２に分割された後、さらに第二の複屈折素子４３０（２）でレーザ光４５１は第一のレーザ光４５１１と第二のレーザ光４５１２とに分割され、レーザ光４５２は第三のレーザ光４５２１と第四のレーザ光４５２２とに分割されて、第一乃至第四の四つ焦点４５１１，４５１２，４５２１，４５２２の光照射パターンをスクリーン４４０上に形成する。

図４においては、第一の複屈折素子４３０（１）と第二の複屈折素子４３０（２）との屈折方向（光軸のシフト方向）が平行である例を示しており、これによりスクリーン４４０における光照射パターンは複数の焦点スポットが直線状に並ぶものとなる。図４（ｂ）は、第二の焦点４５１２と第三の焦点４５２１とが重なり合うように、第一の複屈折素子４３０（１）と第二の複屈折素子４３０（２）との光学特性及び厚さを同一とした場合の光強度プロファイルについて説明する図である。

図４（ｂ）から理解できるように、重ね合わされた第二，第三のレーザ光４５１２，４５２１と第四のレーザ光４５２２との間の距離Ｘと、第四のレーザ光４５２２の光強度ｈとは、各々独立に調整し制御することが可能である。例えば、間隔Ｘは第一の複屈折素子４３０（１）と第二の複屈折素子４３０（２）との光学特性を異なる屈折率のものに適宜カートリッジ交換することで変更し調整することが可能であり、光強度ｈは１／２波長板４２０（１）と１／２波長板４２０（２）の回転角度を適宜調整することで変更し調整することが可能である。また、図４（ｂ）に示すすべてのレーザ光の間隔と各レーザ光の光強度についても上述した同様の方法により調整し制御できる。同様に、本実施形態における各光束間の距離や照射パターンと相対的な光強度比とは、上述した各実施形態で説明したように各々適宜調整し設定することが可能である。

この場合に、第一の複屈折素子４３０（１）と第二の複屈折素子４３０（２）との各々のカートリッジ交換は、半透過ミラーの交換時のように光軸合わせや光路調整、光学系の再設定等は不要であり、極めて容易に遂行できる。

また、図４（ｂ）に示すように、第一のレーザ光４５１１と第四のレーザ光４５２２とにより、被加工物の加工領域両端が暖められるので、メイン光である重ね合わされた第二，第三のレーザ光４５１２，４５２１によるトレンチ形成が容易に進行し、シャープなエッジを形成することが可能になる等、レーザ加工において種々の好ましい応用展開ができることとなる。例えば、被加工物は光硬化樹脂やレジスト等であってもよく、良好な光照射加工を実現できることとなる。

図４においては１／２波長板４２０（１），４２０（２）を用いる例を示したが、これに替えて第二の実施形態で説明した偏光部３２０を用いてもよい。この場合に、１／２波長板４２０（１），４２０（２）を共に偏光部３２０としてもよいし、いずれか一方のみを偏光部３２０としてもよい。また、１／２波長板と複屈折素子との組は２組であることに限定されるものではなく３組以上備える構成としてもよい。

図５は、第一の複屈折素子４３０（１）と第二の複屈折素子４３０（２）との屈折方向（光軸シフト方向）を平行ではないものとした場合の光照射パターンとその加工状態とを説明する概念図である。

図５（ａ）に示すように、第一の複屈折素子４３０（１）と第二の複屈折素子４３０（２）との屈折方向（光軸シフト方向）を平行ではないものとすれば、スクリーン４４０における照射パターンを直線状ではなく２次元的に広がりを有するスポットパターンとして形成することも可能である。

図５（ａ）においては、第一の複屈折素子４３０（１）でレーザ光４５１とレーザ光４５２とに上下分割されたレーザ光は、第二の複屈折素子４３０（２）で各々左右に分割されて四角形状の第一乃至第四の焦点４５１１，４５１２，４５２１，４５２２からなる照射パターンを形成する。

図５（ｂ）は、第一の複屈折素子４３０（１）と第二の複屈折素子４３０（２）との厚さを調整する等により、四つの焦点を隣接した四角形状の照射パターンに形成した場合の被加工物の状態を説明する概念図である。図５（ｂ）から理解できるように、第一乃至第四の焦点４５１１，４５１２，４５２１，４５２２の光強度を同一に調整することで、レーザ光強度が面内で略均一な四角形状のビームを形成できることから、被加工物の加工領域エッジや底面のエッジをシャープに形成できる等種々の加工上のメリットが生まれその応用展開も期待できる。

（第四の実施形態）
図６は、第四の実施形態にかかるレーザ加工システム６０００の構成概要を説明する図である。図６に示すようにレーザ加工装置６０００は、ファイバレーザ６１０と、レーザ光を伝達する光ファイバ６２０と、レーザ光を光ファイバから出力する光出力端子６３０と、光出力端子６３０から出力されたレーザ光から直線偏光のみを抽出する偏光子６４０と、光制御装置６５０とを備え、また、出射されたレーザ光で被加工物６７０が加工される。

偏光子６４０を備えることにより、高い精度で直線偏光のみを抽出できるので、分離した光のその後の制御が安定して行える。すなわち、楕円偏光においても一定程度の光制御は可能であるが、より高精度かつ安定的な制御を実現するためには、直線偏光のみを抽出する偏光子６４０を備えることが好ましい。

レーザ加工システム６０００において、光制御装置６５０は上述した第一の実施形態乃至第三の実施形態の技術思想のいずれかを用いることができ、またはこれらを適宜組み合わせて採用することが可能であるので、ここでは説明を省略する。

レーザ加工システム６０００は、光ファイバ６２０を伝達されてくるレーザ光から直線偏光のみを抽出して光制御装置６５０へと入力するので、効率的な光制御を具現できる。

図７は、レーザ加工装置６０００の動作概要について順次説明するフロー図である。そこで、レーザ加工装置６０００を用いた加工動作について、図７に示す各ステップに基づいて以下に説明する。

（ステップＳ７１０）
ファイバレーザ６１０の電源を投入しレーザ発振させる。ファイバレーザは、レーザ光が外部に漏れ出る懸念が小さいので、比較的安全かつ容易に取り扱うことが可能である点で好ましいが、レーザ光源としてはファイバレーザに限定されるものではなく、任意のレーザ光源を使用することができる。

（ステップＳ７２０）
ファイバレーザ６１０の総出力を所望の出力値に設定する。加工対象及び加工方法により、必要とされるレーザ光の強度は種々に異なる。後述する工程において、照射パターンとパターン内の相対的強度比は調整することが可能であるが、トータルの出力（例えばワット数）は、加工対象等に応じてレーザ発振器で調整することが好ましい。

（ステップＳ７３０）
加工対称物への照射パターンが所望のパターンになっているか否かを判断する。所望の照射パターンになっていればステップＳ７４０へと進み、所望の照射パターンになっていなければステップＳ７７０へと進む。

（ステップＳ７４０）
照射パターン内の相対的な光強度が所望の関係になっているか否かを判断する。所望のパターン内強度比になっていればステップＳ７５０へと進み、所望のパターン内強度比になっていなければステップＳ７８０へと進む。

（ステップＳ７５０）
レーザ加工装置により加工対称物を加工する。

（ステップＳ７６０）
加工が終了するまで加工を継続し、加工が終了した場合にはこのフローを終了する。

（ステップＳ７７０）
複屈折素子のカートリッジを屈折特性の異なる他のカートリッジへと差し替える。または、複屈折素子を回転させる。または、複屈折素子の数を増大または減少させる。これにより、光軸の屈折角度や屈折方向及び屈折回数を変えることができるので、加工対称物への照射パターンも加工に応じて任意に異ならせることができる。

（ステップＳ７８０）
１／２波長板を回転させる。これにより、ステップＳ７７０で形成した照射パターン内における、相対的な光強度比を加工に応じて任意に調整することができる。

また、レーザ加工システム１０００，６０００と光制御装置１０４０，１０４０（２）とは、実施形態での説明に限定されるものではなく、本実施形態で説明する技術思想の範囲内かつ自明な範囲内で、適宜その構成や動作及び駆動方法等を変更することができる。また、各実施形態での説明において、説明の便宜上各実施形態ごとに個別説明をしたが、実施形態を適宜組み合わせて構成することも可能である。また、不完全な直線偏光ともいえる楕円偏光であっても、直線偏光成分を含むので本発明を適用可能である。また、１／２波長板は、透過方式に限定されることはなく、反射方式のものを用いて構成してもよい。

なお、上記実施例中、第一の複屈折素子、第二の複屈折素子の材質はルチル、ＹＶＯ４、方解石などの単結晶やヨウ素を添加延伸した高分子フィルムなどがあげられる。さらに、第一の複屈折素子、第二の複屈折素子の材質が同質であってもよく異種の材料であってもよい。

さらに、メタマテリアルなど複合材料により構成した新規な材料であっても、複屈折性を保有する材料であれば適応可能である。また、上記実施形態では１軸性結晶を用いているが、２軸性結晶であってもよい。

また、上記実施例中、１／２波長板の材質はルチル、ＹＶＯ４、方解石が使用可能である。

さらに、上記材質を使用する場合、透過する光の強度が強く、温度が上昇する場合がある。または周囲温度が上昇することで１／２波長板の温度が上昇する場合がある。これに備えて、温度変化により１／２波長の条件が変化しにくい設計を施した１／２波長板を使用することが望ましい。

さらに、意図した波長とごくわずかに透過する波長が変化する場合がある。この波長変化に対応するため、波長の不一致に影響が少ない設計を施した１／２波長板を使用することが望ましい。

また、集光レンズの材質として石英、ＢＫ７などの光学ガラスやＳｉＣやＳｉなどの結晶であってもよい。さらに集光レンズの種類として凸型に加工成型したレンズの他、フレネルレンズ、屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮ）、などを用いても良い。さらに、複数のレンズからなる多眼レンズであってもよい。集光レンズの焦点距離として１／２波長板や複屈折素子を配置可能なスペースがあればよく、一般には３０〜３００ｍｍの焦点距離のレンズが設計上選択される。

さらに、ファラデ素子の材質は鉛を含んだガラスやＢｉを置換したＹＩＧやこれにＴｂ、Ｈｏ、Ａｌなどを添加した材料が用いられる。さらに、光強度が強い場合、ＴＧＧ結晶などを採用することも設計上の一改良手段である。

つまり、ファラデ効果を示す材料であれば適応可能である。さらに、ファラデ効果の強さを制御するための磁石材料として、ＮｄＦＢ磁石やＳｍＣｏ磁石などの希土類磁石の他、フェライト磁石やアルニコなどの磁石を使用することも可能である。さらに、複雑な形状とするため、焼結磁石に限らず、ボンド磁石やラバー磁石などの材質も設計上の改良である。

実施例中では１／２波長板と複屈折素子との組合せは２組で４点の光束を制御する方法を例示したが、１／２波長板と複屈折素子とを３つ組合せ６点の光束で例えば６角形の形状とすることで、光束をドーナツ状に近い配置形状とすることも可能である。また、加工光は直交した直線偏光が出射されるために、加工材料が偏光依存性を持つ場合は加工対象物との間に１／４波長板を入れて円偏光にしてもよく、また、１／２波長板を入れて適切な偏光方向を選択してもよい。

また、複数の光束の強度分布を加工中に変化させることで加工形状を変化させる加工機や光量分布を傾斜させることで最適な分析精度を得る分析装置などへの応用も可能である。

各光学部品に誘電体多層膜に代表されるような反射防止膜を施し、各素子の入出射面で反射が発生しにくくすることは通常の光学機器で用いられている事柄であって、ここでも同様におこなうことが好ましい。さらに、各光学部品は多重反射を抑制するためわずかに光軸を傾けるかどの一般的な光学機器で用いる設計的配慮は同様に行うことが好ましい。

本実施形態で説明するレーザ加工システムと光制御装置とは、光強度の分布を有し、この分布の相対的な光強度比を制御することが望ましい種々の光装置や光装置を構成する光デバイス、光変調装置等に適用でき、例えばレーザ分析装置やレーザディスプレイなどに広く応用展開することができる。

１０００・・レーザ加工システム、１０１０・・商用電源、１０２０・・光制御装置、１０３０・・光ファイバ、１０４０・・光制御装置、１０５０・・被加工物、１０６０・・Ｘ−Ｙステージ。

Claims (13)

1. 直線偏光を含む入射したレーザ光を集光させる集光レンズと、
   前記集光レンズを通過した集束光の偏光方向を任意に変更する１／２波長板からなる偏光手段と、
   前記１／２波長板からのレーザ光を少なくとも二つの集束光に分割する複屈折素子とを備え、
   前記１／２波長板は、光軸に対して回転可能かまたは光軸方向に傾斜可能であり、
   前記複屈折素子は、光軸のシフト量が異なる他の複屈折素子に差し替え可能なカートリッジである
   ことを特徴とする光制御装置。
2. 直線偏光を含む入射したレーザ光を集光させる集光レンズと、
   前記集光レンズを通過した集束光の偏光方向を任意に変更するファラデ素子と磁石とを含む偏光手段と、
   前記偏光手段からのレーザ光を少なくとも二つの集束光に分割する複屈折素子とを備え、
   前記ファラデ素子に加わる前記磁石からの磁力は変更可能であり、
   前記複屈折素子は、光軸のシフト量が異なる他の複屈折素子に差し替え可能なカートリッジである
   ことを特徴とする光制御装置。
3. 請求項２に記載の光制御装置において、
   前記ファラデ素子と前記磁石との相対位置は、前記ファラデ素子に加わる磁力が変化するように、任意に相対移動可能である
   ことを特徴とする光制御装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の光制御装置において、
   前記磁石は、供給電力を任意に可変することにより、前記ファラデ素子に加わる磁力を任意に変更できる電磁石である
   ことを特徴とする光制御装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光制御装置において、
   前記複屈折素子は、光軸のシフト方向が変わるように光軸に対して回転可能である
   ことを特徴とする光制御装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光制御装置において、
   前記偏光手段と前記複屈折素子との組を光軸方向に複数組備える
   ことを特徴とする光制御装置。
7. 請求項６に記載の光制御装置において、
   前記複数組の各複屈折素子は、光軸のシフト方向が互いに平行ではない
   ことを特徴とする光制御装置。
8. レーザ光源と、
   前記レーザ光源からレーザ光を伝達する光ファイバと、
   前記光ファイバの出射光から直線偏光のみを抽出する偏光子と、
   請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光制御装置と、を備える
   ことを特徴とするレーザ加工システム。
9. 請求項１に記載の光制御装置による光制御方法であって、
   前記複屈折素子から出射される複数の集束光の相対的光強度が変わるように前記１／２波長板を光軸に対して回転して偏光方向を変更する工程を有する
   ことを特徴とする光制御方法。
10. 請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の光制御装置による光制御方法であって、
    前記複屈折素子から出射される複数の集束光の相対的光強度が変わるように前記ファラデ素子に加える磁力を変化させて偏光方向を変更する工程を有する
    ことを特徴とする光制御方法。
11. 請求項９または請求項１０に記載の光制御方法において、
    光軸に対して前記複屈折素子を回転して前記複屈折素子による光軸のシフト方向を変更する工程をさらに有する
    ことを特徴とする光制御方法。
12. 請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光制御方法において、
    前記複屈折素子のカートリッジを、屈折率と結晶材料と結晶方向と光軸方向の厚さとの少なくともいずれか一つが異なる他の複屈折素子のカートリッジへと交換して前記複屈折素子による光軸のシフト量を変更する工程をさらに有する
    ことを特徴とする光制御方法。
13. 請求項８に記載のレーザ加工システムにより被加工物を加工する方法であって、
    前記偏光手段による偏光方向を変更する工程と、前記複屈折素子による光軸のシフト方向を変更する工程と、前記複屈折素子による光軸のシフト量を変更する工程と、の少なくともいずれか一つと、
    前記光制御装置から出射されたレーザ光を前記被加工物に照射する工程とを有する
    ことを特徴とするレーザ加工システムによる加工方法。

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