JP7262081B2 - レーザ加工装置および光学調整方法 - Google Patents

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Description

本開示は、加工、穴開け、溶接、切断等に用いられるレーザ加工装置、および、そのレーザ加工装置から出射される複数の光のスポット位置を調整する光学調整方法に関する。
従来のレーザ光の位置合わせ技術としては、スリットを用いて行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
ここで、図１３、図１４を用いて、特許文献１のレーザ光の位置合わせ技術について説明する。図１３は、特許文献１に開示されたレーザ光の位置合わせ装置の外観を示す斜視図である。図１４は、図１３に示した位置合わせ装置の側断面図である。図１４には、レーザヘッド１０７から出射されるレーザ光１０８、スリット１０２が設けられた調整用ウエハ１００、およびレーザパワーメータ１０１の位置関係が示されている。
図１３において、調整用ウエハ１００上に設けられたスリット１０２は、支持軸１０３が回転することによって、図１３中の両矢印の方向に沿って移動する。
図１４に示すように、レーザヘッド１０７からはレーザ光１０８が出射される。このレーザ光１０８は、何も遮るものがなければ、光軸１０９に沿ってレーザパワーメータ１０１へ到達する。
この位置合わせ装置では、支持軸１０３、Ｚ方向駆動手段１０４、Ｒ方向駆動手段１０５を用いて調整用ウエハ１００およびレーザヘッド１０７それぞれの位置を移動させながら、レーザパワーメータ１０１の出力を観察し、スリット１０２の位置にレーザ光１０８の焦点位置を合わせることにより、レーザ光１０８を所望の位置へ調整することができる。
以上、特許文献１のレーザ光の位置合わせ技術について説明した。
また、従来、２次元受光素子を用いたビームプロファイラにより、平面内のレーザ光スポット位置座標を直接検出してレーザ光の位置調整を行うことも実現されている。２次元受光素子としては、例えば、撮像素子であるＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）素子などが挙げられる。
さらに、近年では、レーザ溶接装置に光断層計測（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）を組み合わせることにより、溶接工程をリアルタイムに観察する評価方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、その評価方法を実現するためには、加工用のレーザ光と測定光との精密な位置合わせが非常に重要である。すなわち、近年では、レーザ光のスポット位置の調整は、不可欠な技術となっている。
特開２００８－９３６８２号公報 特表２０１６－５３８１３４号公報
しかしながら、特許文献１の位置合わせ装置では、レーザ光１０８の焦点位置におけるスポット径が非常に小さくなった場合、それに合わせてスリット１０２のスリット幅を狭くする必要がある。スリット幅が狭くなると、調整初期の段階では、スリット１０２内にレーザ光１０８のスポット位置を迅速に捉えることが困難になる。よって、特許文献１の位置合わせ装置では、高精度かつ高速な位置合わせを実現することは難しい。
本開示の一態様の目的は、出力差が異なる複数のレーザ光のスポット位置の位置合わせを高精度かつ高速に実現することができるレーザ加工装置および光学調整方法を提供することである。
本開示の一態様に係るレーザ加工装置は、被加工物の表面の加工点に照射される加工光を出射するレーザ発振器と、前記加工点に照射される測定光を出射し、かつ、前記加工点で反射された前記測定光を検出する計測部と、前記加工光と前記測定光とを結合するミラーと、前記加工光および前記測定光を前記加工点に集光させるレンズと、前記計測部からの信号に基づいて所定の計測を行う計測処理部と、を有し、前記レーザ発振器および前記計測部は、それぞれ、前記被加工物の表面における前記加工光の照射位置と前記測定光の照射位置とのずれの調整用として、前記被加工物の表面に照射される加工用ガイド光および測定用ガイド光を出射し、前記加工用ガイド光および前記測定用ガイド光それぞれの波長は、前記レンズの倍率色収差による前記加工用ガイド光の照射位置と前記測定用ガイド光の照射位置とのずれ量と、前記レンズの倍率色収差による前記加工光の照射位置と前記測定光の照射位置とのずれ量とが等しくなる波長に設定される。
本開示の一態様に係る光学調整方法は、被加工物の表面に照射される加工光、測定光、加工用ガイド光、および測定用ガイド光を出射するレーザ加工装置が行う光学調整方法であって、１回目の光学調整では、前記加工用ガイド光および前記測定用ガイド光を用いずに、前記加工光の照射位置と前記測定光の照射位置とを合わせ、前記加工用ガイド光の照射位置と前記測定用ガイド光の照射位置とのずれ量を初回調整位置のずれ量として記録し、２回目以降の光学調整では、前記加工用ガイド光の照射位置と前記測定用ガイド光の照射位置とのずれ量が、前記初回調整位置のずれ量と同じになるように調整する。
本開示によれば、出力差が異なる複数のレーザ光のスポット位置の位置合わせを高精度かつ高速に実現することができる。
本開示の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を模式的に示す図 レンズによる加工光と測定光の倍率色収差の一例を示す図 加工用ガイド光および測定用ガイド光を用いて加工光および測定光それぞれの照射位置を調整する場合の例を模式的に示す図 本開示の実施の形態に係るガイド光の波長の選定方法の流れを示すフローチャート 本開示の実施の形態に係るガイド光に使用される波長の候補と照射位置との対応関係の算出例を示す図 本開示の実施の形態に係る加工光、測定光、加工用ガイド光、測定用ガイド光それぞれの照射位置の関係を模式的に示す図 本開示の実施の形態に係る加工用ガイド光および測定用ガイド光を用いて照射位置を調整した第１の例を模式的に示す図 本開示の実施の形態に係るガイド光を用いた光学調整方法の流れを示すフローチャート 本開示の実施の形態に係る加工用ガイド光および測定用ガイド光それぞれの初回調整位置を模式的に示す図 本開示の実施の形態に係る光学調整後の加工用ガイド光および測定用ガイド光の照射位置を模式的に示す図 本開示の実施の形態に係る加工用ガイド光および測定用ガイド光を用いて照射位置を調整した第２の例を模式的に示す図 本開示の実施の形態に係るガイド光による加工光および測定光の光学調整の光学シミュレーション結果を示す表 特許文献１に開示されたレーザ光の位置合わせ装置の斜視図 特許文献１に開示されたレーザ光の位置合わせ装置の側断面図
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。
＜レーザ加工装置の構成＞
本開示の実施の形態に係るレーザ加工装置１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態のレーザ加工装置１の構成を模式的に示す図である。
レーザ加工装置１は、加工ヘッド２、計測部３、計測処理部４、レーザ発振器５を有する。
計測部３は、例えば、ＯＣＴ測定用の光干渉計である。計測部３は、ＯＣＴ測定用のレーザ光である測定光６を出射する。出射された測定光６は、測定光導入口８から加工ヘッド２へ入力される。
レーザ発振器５は、レーザ加工用のレーザ光である加工光７を発振する。発振された加工光７は、加工光導入口９から加工ヘッド２へ入力される。
加工ヘッド２へ入力された加工光７は、第１ミラー１０およびレンズ１１を透過し、被加工物１２の表面の加工面１３に集光される。これにより、被加工物１２の加工点１４がレーザ加工される。この際、加工光７が照射された加工点１４は溶融し、溶融池１５が形成される。また、溶融池１５から溶融金属が蒸発し、蒸発時に生じる蒸気の圧力によってキーホール１６が形成される。
加工ヘッド２へ入力された測定光６は、コリメートレンズ１７で平行光に変換され、第２ミラー１８および第１ミラー１０で反射された後、レンズ１１を透過し、被加工物１２の表面の加工点１４に集光される。そして、測定光６は、キーホール１６の底面で反射され、伝播経路を遡って計測部３まで到達する。そして、計測部３は、キーホール１６で反射された測定光と、参照光との光路差によって生じる干渉に基づく光干渉強度信号を生成する。
計測処理部４は、上記光干渉強度信号に基づいて、キーホール１６の深さ、すなわち加工点１４の溶け込み深さを計測する。なお、溶け込み深さとは、被加工物１２の溶けた部分の最頂点と、加工面１３との間の距離を意味する。
加工光７の波長と測定光６の波長とは、互いに異なる。第１ミラー１０は、例えば、ダイクロイックミラーである。第１ミラー１０は、加工光７の波長の光を透過し、測定光６の波長の光を反射する特性を有する。
例えば、加工光７としてＹＡＧレーザまたはファイバレーザを用いた場合、加工光７の波長は、１０６４ｎｍである。また、例えば、測定光６としてＯＣＴ用光源を用いた場合、測定光６の波長は、１３００ｎｍである。
レーザ加工装置１では、加工光７として、高出力のレーザ光が使用される。そのため、被加工物１２の加工面１３からの反射光、加工ヘッド２を構成する光学部品における反射光や熱の吸収などにより、加工ヘッド２本体や加工ヘッド２を構成する光学部品の固定部などに温度変化が発生する。
この温度変化は、加工ヘッド２を構成する光学部品の固定状態（例えば、光学部品が固定されている位置）を変化させる。その結果、加工光７および測定光６それぞれのレンズ１１への入射角度が変化し、被加工物１２の加工面１３における加工光７および測定光６の到達位置（スポット位置ともいう。なお、以下では、照射位置という）にずれが発生する。
このような照射位置のずれを調整するために、第２ミラー１８には、２軸以上で測定光の角度を変化させることができる調整機構が設けられている。
本実施の形態では、照射位置のずれを調整するために、測定用ガイド光１９および加工用ガイド光２０を用いる。測定用ガイド光１９は、計測部３から出射され、測定光導入口８から加工ヘッド２へ入力される。加工用ガイド光２０は、レーザ発振器５から出射され、加工光導入口９から加工ヘッド２へ入力される。なお、以下の説明では、測定用ガイド光１９および加工用ガイド光２０をまとめて「ガイド光」ともいう。
＜ガイド光による光学調整の課題＞
次に、ガイド光を用いて加工光７の照射位置および測定光６の照射位置を調整する場合の課題について説明する。
一般的に、ガイド光としては、視認性などの理由により、赤色のガイド光が用いられることが多い。ここでは例として、加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９がともに、波長が６３５ｎｍである赤色のレーザ光である場合を例に挙げて説明する。
上述したとおり、加工光７の波長と測定光６の波長とは互いに異なる。そのため、加工光７および測定光６がレンズ１１を透過する際、加工光７および測定光６には色収差が発生する。
色収差とは、レンズ１１を含む一般的な光学材料が、光の波長により屈折率が異なる性質を有するために発生する収差である。色収差には、軸上色収差と、倍率色収差との二種類がある。軸上色収差は、光の波長によりレンズの焦点位置が異なる性質を指す。倍率色収差は光の波長により焦点面における像高が異なる性質を指す。
図２は、レンズ１１による加工光７と測定光６の倍率色収差を例示した図である。図２では、加工光７の照射位置である加工光照射位置２１が実線で示されており、測定光６の照射位置である測定光照射位置２２が破線で示されている。
図２に示すように、レンズ中心２３付近では、加工光照射位置２１と測定光照射位置２２とは一致しているが、レンズ中心２３から遠ざかるにつれて、加工光照射位置２１と測定光照射位置２２とのずれが大きくなっている。すなわち、図２に示すように、加工光照射位置２１が歪みのない格子状のパターンである場合、測定光照射位置２２は、歪んだ糸巻き状のパターンとなる。よって、被加工物１２の加工面１３において加工光７の照射位置に測定光６の照射位置を一致させる場合では、加工光７の照射位置によって測定光６の照射位置の調整量が異なることがわかる。
ここで、同じ波長の赤色の加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９を用いて、加工光７および測定光６それぞれの照射位置の調整をする場合について、図３を用いて説明する。図３は、同じ波長の赤色の加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９を用いて加工光７および測定光６それぞれの照射位置を調整する場合の例を模式的に示す図である。
なお、図３では、レンズ１１に入射する加工光７および加工用ガイド光２０それぞれの光軸は一致しているとする。また、図３では、レンズ１１に入射する測定光６および測定用ガイド光１９それぞれの光軸は一致しているとする。
図３に示すように、加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９それぞれの照射位置２４を一致させて光学調整を行った場合、レンズ１１に入射する加工光７および測定光６それぞれの光軸は一致する。なお、加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９それぞれの照射位置は、レーザ加工装置１の外部に設けられた図示しないレーザ位置検出センサ（２次元受光素子の一例）により検出される。
ここで、光学調整の調整誤差や加工ヘッド２を構成する光学部品の固定状態の変化などにより、レンズ１１に入射する加工光７および測定光６それぞれの光軸がレンズ１１の中心軸（図３に示すレンズ中心２３）に対して傾いたとする。この場合、図３に示すように、倍率色収差の影響により、加工光７の照射位置２５と測定光６の照射位置２６との間には、ずれが発生する。
例えば、加工光７の波長が１０７０ｎｍであり、測定光６の波長が１３１０ｎｍであるとする。また、例えば、レンズ１１が市販のものであり、その焦点距離が２５５ｍｍであり、加工光７および測定光６それぞれのレンズ１１への入射角が０．５ｄｅｇであるとする。その場合、倍率色収差により、加工光７の照射位置２５と測定光６の照射位置２６との間には、約０．０２５ｍｍのずれが発生する。
また、実際には、レンズ１１に入射する加工光７および加工用ガイド光２０それぞれの光軸、および、測定光６および測定用ガイド光１９それぞれの光軸には、誤差がある。そのため、加工光７の照射位置２５と、測定光６の照射位置２６とのずれはさらに大きくなる。
このような加工光７の照射位置２５と測定光６の照射位置２６のずれは、キーホール１６の測定精度を大きく悪化させる要因となる。したがって、上述した従来のガイド光による光学調整では、十分な調整精度を得られないという課題があった。
本実施の形態では、その課題を解決するために、ガイド光の波長を選定する。
＜ガイド光の波長の選定方法＞
次に、本実施の形態に係るガイド光の波長の選定方法について説明する。
本実施の形態では、加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９それぞれの波長として、レンズ１１の倍率色収差によって加工光７の照射位置と測定光６の照射位置との間に生じたずれの量と、レンズ１１の倍率色収差によって加工用ガイド光２０の照射位置と測定用ガイド光１９の照射位置との間に生じたずれの量とが等しくなる波長を選定する。
図４を用いて、本実施の形態に係るガイド光の波長の選定方法の流れについて説明する。図４は、本実施の形態に係るガイド光の波長の選定方法の流れを示すフローチャートである。なお、図４のフローチャートの各ステップは、例えば、レーザ加工装置１の設計者または光学調整を実施する作業者などにより実施される。
ステップＳ１０１において、加工光７および測定光６のそれぞれが特定の入射角でレンズ１１に入射した場合における、加工光７の照射位置２５と測定光６の照射位置２６とのずれ量を求める。
本実施の形態では、例として、市販のレンズであって、焦点距離が２５５ｍｍであるレンズ１１を用い、そのレンズ１１に対する加工光７および測定光６の入射角が０．５ｄｅｇである場合のずれ量（例えば、図６に示すずれ量２７）を光学シミュレーションにより求めた。その結果、ずれ量は、０．０２５ｍｍであった。
ステップＳ１０２において、特定の入射角でレンズ１１へ入射するガイド光に使用される波長の候補（以下、波長候補という）と、照射位置との対応関係を求める。
本実施の形態では、例えば図５に示すように、波長候補と照射位置との対応関係を求めた。図５において、横軸は波長（波長候補）を示し、縦軸は照射位置を示している。図５に示す波長候補は、市販のレーザの波長に基づいて選定した。また、波長候補は、ＣＣＤ(Charged Coupled Devices)やＣＭＯＳで測定可能な波長帯（例えば、３００ｎｍ～１１００ｎｍ）から選定した。また、各波長候補に対応する照射位置は、光学シミュレーションにより求めた。なお、図５には、加工光７の波長（１０７０ｎｍ）と測定光６の波長（１３１０ｎｍ）それぞれの照射位置も図示している。
ステップＳ１０３において、ステップＳ１０１で求めたずれ量と同じずれ量となる波長候補の組合せを求める。
本実施の形態では、図５において、例えば、照射位置のずれ量が０．０２５ｍｍとなる６５０ｎｍと７８５ｎｍとを波長候補の組合せとして選定した。
なお、本実施の形態では、加工光７および測定光６それぞれの光学調整の目標精度を±０．０１０ｍｍと設定した。そして、ステップＳ１０３では、ステップＳ１０１で求めたずれ量に対して±０．０１０ｍｍ以内であるずれ量を、ステップＳ１０１で求めたずれ量と同じずれ量とみなすことにより、波長候補の組合せを選定した。
以上のようにして選定された波長は、加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９に用いられる。例えば、選定された６５０ｎｍは、加工用ガイド光２０の波長として用いられ、選定された７８５ｎｍは、測定用ガイド光１９の波長として用いられる。なお、図５に示す１０７０ｎｍは、加工光７の波長として用いられ、１３１０ｎｍは、測定光６の波長として用いられる。
＜加工光、測定光、ガイド光それぞれの照射位置の関係＞
次に、上述したガイド光の波長の選定方法により選定された波長の加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９を使用した場合における、加工光７、測定光６、加工用ガイド光２０、および測定用ガイド光１９それぞれの照射位置の関係について説明する。
図６は、本実施の形態に係る加工光７、測定光６、加工用ガイド光２０、および測定用ガイド光１９それぞれの照射位置の関係を模式的に示す図である。
図６において、レンズ１１に入射する加工光７、測定光６、加工用ガイド光２０、および測定用ガイド光１９それぞれの光軸が一致している場合、加工光７の照射位置２５と測定光６の照射位置２６とは、レンズ１１の倍率色収差により、ずれ量２７だけずれる。
また、図６において、レンズ１１に入射する加工光７、測定光６、加工用ガイド光２０、および測定用ガイド光１９それぞれの光軸が一致している場合、加工用ガイド光２０の照射位置２８と測定用ガイド光１９の照射位置２９とは、レンズ１１の倍率色収差により、ずれ量３０だけずれる。
図６において、ずれ量２７およびずれ量３０それぞれの向きと大きさは、同じである。
また、レンズ１１に入射する各光の光軸の角度が変化した場合、ずれ量２７の向きと大きさは変化するが、ずれ量３０の向きと大きさは、ずれ量２７の向きと大きさと同じ関係を保つ。
図７は、本実施の形態に係る加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９を用いて照射位置を調整した第１の例を模式的に示す図である。
図７では、レンズ１１に入射する加工光７および加工用ガイド光２０それぞれの光軸は一致しているとする。また、図７では、レンズ１１に入射する測定光６および測定用ガイド光１９それぞれの光軸は一致しているとする。
図６に示した加工用ガイド光２０の照射位置２８に図６に示した測定用ガイド光１９の照射位置２９が一致するように、図１に示した第２ミラー１８の角度を調整する。これにより、測定用ガイド光１９および測定光６それぞれのレンズ１１への入射角を同時に変化させる。
このとき、図６に示したずれ量２７およびずれ量３０それぞれの向きと大きさは同じ関係が保たれる。よって、図６に示した加工光７の照射位置２５に図６に示した測定光６の照射位置２６が一致するように、測定光６の照射位置２６が変化する。
以上により、図７に示すように、加工用ガイド光２０の照射位置２８と測定用ガイド光１９の照射位置２９とが一致するとともに、加工光７の照射位置２５と測定光６の照射位置２６とが一致する。
このように本実施の形態では、上述したガイド光の波長の選定方法により選定された波長を有する加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９を使用することにより、レンズ１１の倍率色収差の影響を受けることなく、加工光７の照射位置と測定光６の照射位置とを一致させることができる。
＜ガイド光による光学調整方法＞
次に、図８を用いて、ガイド光を用いた光学調整方法について説明する。図８は、本実施の形態に係るガイド光を用いた光学調整方法の流れを示すフローチャートである。図８のフローチャートの各ステップは、光学調整を行う作業者等により実施されてもよい。または、図８のフローチャートの一部または全てのステップは、自動化を目的としてレーザ加工装置１により実施されてもよい。
なお、上述したガイド光の波長の選定方法が１度行われた後、以下に説明するガイド光を用いた光学調整方法が繰り返し行われる。
ステップＳ２０１において、今回の光学調整が１回目の光学調整であるか否かを判定する。
今回の光学調整が１回目の光学調整である場合（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、フローはステップＳ２０２へ進む。今回の光学調整が１回目の光学調整ではない場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）、フローはステップＳ２０４へ進む。
ステップＳ２０２において、ガイド光を用いずに、加工光７の照射位置２５と測定光６の照射位置２６とを合わせる。
ここで、ステップＳ２０２を行う理由について以下に説明する。
図７を用いて説明した、加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９を用いて照射位置を調整した第１の例では、レンズ１１に入射する加工光７および加工用ガイド光２０それぞれの光軸が一致しており、レンズ１１に入射する測定光６および測定用ガイド光１９それぞれの光軸が一致しているとしたが、実際には、ずれが生じている場合がある。
その場合、図７に示したように加工用ガイド光２０の照射位置２８と測定用ガイド光１９の照射位置２９とを一致させても、加工光７および測定光６それぞれの照射位置はずれてしまう。
そこで、１回目の光学調整では、ガイド光を用いずに加工光７と測定光６の照射位置の調整を行う。この方法の具体例について説明する。まず、光学調整用に用意した被加工物１２の加工面１３に加工光７を照射して加工面１３に微小穴を開ける。その後、第２ミラー１８の角度を調整しながら測定光６により微小穴の周辺を走査し、微小穴の中心部（または、最深部）を求める。そして、求めた微小穴の中心部を加工光７の中心位置として、測定光６の照射位置を調整する。なお、この方法は、加工光７および測定光６それぞれの照射位置を調整するための一例であり、これに限定されない。例えば、スリットおよびパワーメータを用いて照射位置を調整する方法（例えば、特許文献１参照）等を用いてもよい。
以上、ステップＳ２０２を行う理由について説明した。以下、図８のフローの説明に戻る。
ステップＳ２０３において、加工用ガイド光２０の初回調整位置と測定用ガイド光１９の初回調整位置とのずれ量を求め、記録する。初回調整位置とは、ステップＳ２０２における照射位置の位置合わせ（すなわち、１回目の光学調整）が行われたときの位置である。
ここで、図９を用いて、ステップＳ２０３の具体例について説明する。図９は、本実施の形態に係る加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９それぞれの初回調整位置を模式的に示す図である。
レンズ１１に入射する加工光７および加工用ガイド光２０それぞれの光軸がずれており、レンズ１１に入射する測定光６および測定用ガイド光１９それぞれの光軸がずれている場合では、ステップＳ２０２において加工光７の照射位置と測定光６の照射位置とを一致させても、図９に示すように、加工用ガイド光２０の照射位置２８と測定用ガイド光１９の照射位置２９との間には、ずれ量３０が生じている。
ステップＳ２０３では、図９に示したずれ量３０を求め、それを初回調整位置のずれ量として、レーザ加工装置１のメモリ（図示略）に記録する。記録された初回調整位置のずれ量は、ステップＳ２０４において使用される。
以上、ステップＳ２０３の具体例について説明した。以下、図８のフローの説明に戻る。
ステップＳ２０３が終了すると、１回目の光学調整は完了する。
ステップＳ２０４は、ステップＳ２０１において今回の光学調整が２回目以降であると判定された場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）に実施される。
ステップＳ２０４において、加工用ガイド光２０の照射位置および初回調整位置のずれ量に基づいて、測定用ガイド光１９の照射位置を調整する。
ここで、図１０を用いて、ステップＳ２０４の具体例について説明する。図１０は、本実施の形態に係る光学調整後の加工用ガイド光および測定用ガイド光の照射位置を模式的に示す図である。
２回目以降の光学調整では、レーザ加工装置１の使用による熱の影響により、加工ヘッド２を構成する光学部品の固定状態が変化する場合がある。光学部品の固定状態が変化すると、加工光７および加工用ガイド光２０それぞれのレンズ１１に対する入射角は同時に変化する。これにより、加工光７の照射位置および加工用ガイド光２０の照射位置はともに移動する。例えば、図９に示した加工用ガイド光２０の照射位置２８は、図１０に示すように、別の位置に移動する。その結果、加工光７の照射位置と測定光６の照射位置にはずれが生じる。
そこで、ステップＳ２０４では、図１０に示した加工用ガイド光２０の照射位置２８と図１０に示した測定用ガイド光１９の照射位置２９とのずれ量が、ステップＳ２０３で求めた初回調整位置のずれ量（例えば、図９に示したずれ量３０）と同じになるように、図１の第２ミラー１８を用いて測定用ガイド光１９の照射位置２９とのずれ量を調整する。
図１０に示した照射位置２８、２９それぞれの座標は、図９に示した照射位置２８、２９それぞれの座標とは異なっているが、ずれ量３０は同じであり、相対的な位置関係は一致している。
図１１は、本実施の形態に係る加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９を用いて照射位置を調整した第２の例を模式的に示す図である。
上述したとおり、加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９それぞれの波長として、レンズ１１の倍率色収差による加工光７の照射位置と測定光６の照射位置とのずれ量と、レンズ１１の倍率色収差による加工用ガイド光２０の照射位置と測定用ガイド光１９の照射位置とのずれ量とが等しくなる波長を使用している。
そのため、図１０に示したずれ量３０が図９に示したずれ量３０と同じである場合、図１１において、加工光７の照射位置と測定光６の照射位置とのずれ量は、図９に示したずれ量３０と一致する。よって、図１１に示すように、加工光７の照射位置２５と測定光６の照射位置２６とが一致する。
このように、ステップＳ２０４では、ガイド光のみを使用して加工光７および測定光６それぞれの照射位置を一致させることができる。
以上、ステップＳ２０４の具体例について説明した。
ステップＳ２０４が終了すると、光学調整は完了する。
以上のように、２回目以降の光学調整では、ガイド光のみを使用して光学調整を行うことができる。
＜効果＞
次に、図１２を用いて、本実施の形態の作用効果について説明する。図１２は、本実施の形態に係るガイド光による加工光および測定光の光学調整の光学シミュレーション結果を示す表である。
本実施の形態の光学シミュレーションでは、加工光７の波長を１０７０ｎｍに設定し、測定光６の波長を１３１０ｎｍに設定し、加工用ガイド光２０の波長を６５０ｎｍに設定し、測定用ガイド光１９の波長を７８５ｎｍに設定した。
上記加工用ガイド光２０の波長および測定用ガイド光１９の波長は、レンズ１１の倍率色収差による加工光７の照射位置と測定光６の照射位置とのずれ量と、レンズ１１の倍率色収差による加工用ガイド光２０の照射位置と測定用ガイド光１９の照射位置とのずれ量とが等しくなる波長である。
また、本実施の形態の光学シミュレーションでは、レンズ１１に入射する加工光７に対する加工用ガイド光２０の光軸の角度のずれを、０．１ｄｅｇに設定した。また、レンズ１１に入射する測定光６に対する測定用ガイド光１９の光軸の角度のずれを、－０．０５ｄｅｇに設定した。
また、本実施の形態では、レンズ中心２３（図２、図３、図６、図７参照）を通るＸ軸に対して光学シミュレーションを行った。加工光７のレンズ１１への入射角については、図８のステップＳ２０２の初期調整時では、０．５ｄｅｇに設定し、図８のステップＳ２０４のガイド光を用いた光学調整時では、１．０ｄｅｇ、１．５ｄｅｇ、２．０ｄｅｇに設定した。
そして、上述した各条件を基に、加工用ガイド光１９の照射位置と測定用ガイド光２０の照射位置とのずれ量を、初回調整位置のずれ量（すなわち、加工光のレンズへの入射角が０．５ｄｅｇであるときのガイド光の照射位置ずれ量ｘ＝－１．３１０）に合わせて０．００４ｍｍの誤差の範囲内で調整した。その結果、図１２に示すように、加工光７と測定光６の照射位置のずれ量は、０ｍｍ～０．００５ｍｍの範囲内で調整できた。
したがって、本実施の形態の光学シミュレーションでは、レンズ１１の倍率色収差の影響を受けずに、ガイド光のみを用いて高精度に加工光７および測定光６それぞれの照射位置を調整できることを確認できた。
また、本実施の形態では、ガイド光に低出力のレーザを使用することができるため、例えば、ビームプロファイラやエリアカメラ等の汎用のレーザ位置検出センサのみで調整が可能になる。よって、高速に光学調整を行うことができる。
また、本実施の形態では、ガイド光の波長を、ＣＣＤ(Charged Coupled Devices)やＣＭＯＳで測定可能な波長帯（例えば、３００ｎｍ～１１００ｎｍ）から選定しているため、安価な構成で光学調整を行うことができる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、出力差が異なる複数のレーザ光のスポット位置の位置合わせを、高精度かつ高速かつ安価に実現することができる。
なお、本実施の形態では、加工光７と測定光６との光学調整において、調整機構である第２ミラー１８を用いて測定光６の照射位置２６を調整する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、加工光７の光路に調整機構を設け、その調整機構により、加工光７の照射位置２５を調整してもよい。なお、本実施の形態で私用される調整機構は、手動式でもよいし、電気制御式であってもよい。
また、本実施の形態では、ガイド光を用いた加工光７と測定光６の光学調整においてレーザ加工装置１の外部に設けられたレーザ位置検出センサを用いている場合を例に挙げて説明したが、レーザ位置検出センサは、レーザ加工装置１に搭載されていてもよい。その場合、まず、レーザ加工装置１は、レーザ位置検出センサを所定の光学調整位置に移動させる。次に、レーザ加工装置１は、レーザ位置検出センサにより検出された加工用ガイド光２０および測定用ガイド光１９それぞれの照射位置に基づいて、加工光７の照射位置を調整する調整機構または測定光６の照射位置を調整する調整機構（例えば、第２ミラー１８）を制御する。このような構成にすることにより、例えば、連続稼働する生産ラインなどで定期的に光学調整を行う必要がある場合、レーザ加工装置１だけで自動で光学調整を行うことができる。したがって、光学調整に要する時間を大幅に短縮できる。
なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
本開示のレーザ加工装置および光学調整方法は、レーザ溶接機、レーザ表面処理装置などのレーザ光を用いた加工装置に対して加工レーザ光と光軸を共有する構成で組み込まれた計測光学系の光学調整を行う場合に適用することによって、加工光と測定光のスポット位置を高速・高精度に一致させる光学調整を実現できる。これにより、レーザ加工のリアルタイムモニタリング装置の性能を飛躍的に向上させることが可能であり、より高品質で付加価値の高いレーザ加工装置の提供を実現できる。また、加工に限らず多数の測定光源を有する計測器や、複数のレーザ光のスポット位置を調整する高出力レーザ光源の光学調整の用途にも適用できる。
１ レーザ加工装置
２ 加工ヘッド
３ 計測部
４ 計測処理部
５ レーザ発振器
６ 測定光
７ 加工光
８ 測定光導入口
９ 加工光導入口
１０ 第１ミラー
１１ レンズ
１２ 被加工物
１３ 加工面
１４ 加工点
１５ 溶融池
１６ キーホール
１７ コリメートレンズ
１８ 第２ミラー
１９ 測定用ガイド光
２０ 加工用ガイド光
２１ 加工光照射位置
２２ 測定光照射位置
２３ レンズ中心
２４ 加工用ガイド光および測定用ガイド光の照射位置
２５ 加工光の照射位置
２６ 測定光の照射位置
２７ 加工光の照射位置と測定光の照射位置とのずれ量
２８ 加工用ガイド光の照射位置
２９ 測定用ガイド光の照射位置
３０ 加工用ガイド光の照射位置と測定用ガイド光の照射位置とのずれ量
１００ 調整用ウエハ
１０１ レーザパワーメータ
１０２ スリット
１０３ 支持軸
１０４ Ｚ方向駆動手段
１０５ Ｒ方向駆動手段
１０６ レーザヘッドベース
１０７ レーザヘッド
１０８ レーザ光
１０９ 光軸

Claims (8)

  1. 被加工物の表面の加工点に照射される加工光を出射するレーザ発振器と、
    前記加工点に照射される測定光を出射し、かつ、前記加工点で反射された前記測定光を検出する計測部と、
    前記加工光と前記測定光とを結合するミラーと、
    前記加工光および前記測定光を前記加工点に集光させるレンズと、
    前記計測部からの信号に基づいて所定の計測を行う計測処理部と、を有し、
    前記レーザ発振器および前記計測部は、それぞれ、
    前記被加工物の表面における前記加工光の照射位置と前記測定光の照射位置とのずれの調整用として、前記被加工物の表面に照射される加工用ガイド光および測定用ガイド光を出射し、
    前記加工用ガイド光および前記測定用ガイド光それぞれの波長は、
    前記レンズの倍率色収差による前記加工用ガイド光の照射位置と前記測定用ガイド光の照射位置とのずれ量と、前記レンズの倍率色収差による前記加工光の照射位置と前記測定光の照射位置とのずれ量とが等しくなる波長に設定される、
    レーザ加工装置。
  2. 前記加工光の波長と前記測定光の波長とが互いに異なる、
    請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. 前記ミラーは、ダイクロイックミラーである、
    請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
  4. 前記計測部は、前記加工点で反射された前記測定光と、参照光との光路差によって生じる干渉に基づく光干渉強度信号を生成する光干渉計である、
    請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  5. 前記計測処理部は、前記光干渉強度信号に基づいて前記加工点に生じるキーホールの深さを算出する、
    請求項４に記載のレーザ加工装置。
  6. 前記加工光または前記測定光いずれかの照射位置を調整する調整機構をさらに有する、
    請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  7. 前記加工用ガイド光および前記測定用ガイド光それぞれの照射位置を検出する２次元受光素子をさらに有する、
    請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  8. 被加工物の表面に照射される加工光、測定光、加工用ガイド光、および測定用ガイド光を出射するレーザ加工装置が行う光学調整方法であって、
    １回目の光学調整では、
    前記加工用ガイド光および前記測定用ガイド光を用いずに、前記加工光の照射位置と前記測定光の照射位置とを合わせ、前記加工用ガイド光の照射位置と前記測定用ガイド光の照射位置とのずれ量を初回調整位置のずれ量として記録し、
    ２回目以降の光学調整では、
    前記加工用ガイド光の照射位置と前記測定用ガイド光の照射位置とのずれ量が、前記初回調整位置のずれ量と同じになるように調整する、
    光学調整方法。
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