JP7343376B2 - レーザ加工装置 - Google Patents
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Description
しかし、レーザ加工光学系に焦点距離可変光学系が組み込まれた場合、ワークに対するレーザ加工光学系の合焦位置が変動してしまう。これにより、ワーク表面の所望部位にレーザ光を正確に集光させることが困難になり、レーザ加工の精度が低下してしまう。
レーザ発振器は、信号処理部から入力された同期パルス信号に基づいてパルスレーザ光を発振することにより、当該パルスレーザ光を合焦タイミングに合わせて出射することができる。このとき、焦点距離可変光学系を介してワークに照射されるパルスレーザ光は、ワークの表面で合焦するため、ワーク表面の所望部位にレーザ光を正確に集光させることができる。
したがって、本発明のレーザ加工装置によれば、焦点距離可変光学系を用いつつ、高精度なレーザ加工を行うことができる。
なお、本発明のレーザ加工装置が焦点距離可変光学系を用いることの利点は、観察光学系を構築した際に再フォーカス動作の頻度を低減できることだけでなく、ワークの表面に段差等がある場合、ワークの位置調整なしに、ワークの表面にパルスレーザ光が合焦できることがある。
このような構成によれば、レーザ加工用マスクの開口部の形状がワークの表面に良好に結像し、開口部の形状通りの領域がレーザ加工される。
前記信号処理部は、前記光検出信号の前記ピークを前記合焦タイミングとして検出し、当該合焦タイミングに同期した前記同期パルス信号を出力することが好ましい。
このような構成では、共焦点法によって合焦タイミングを検出しているため、他の焦点検出方式を用いて合焦タイミングを検出する場合よりも、ワーク表面の傾斜や粗さ等の表面性状による影響を受け難く、合焦タイミングの検出精度を向上できる。
このような構成では、ワークの観察を行いながら当該ワークに対してレーザ加工を行うことができる。また、焦点距離可変光学系の合焦位置が変動しても、撮像素子に入射する像の倍率は一定になるため、視野の変動がなく良好な観察が可能である。
図1に示すように、レーザ加工装置1は、ワークWを観察するための観察光学系2と、ワークWの表面をレーザ加工するためのレーザ加工光学系3と、レーザ加工のタイミングを検出するためのタイミング検出光学系4とを備えており、各光学系は、液体共振式レンズ12を含む焦点距離可変光学系10を共有している。ワークWの表面は、焦点距離可変光学系10を通る光軸Aに交差して配置されている。
また、レーザ加工装置1は、液体共振式レンズ12の動作を制御するレンズ制御部5と、制御部6とをさらに備えている(図2参照)。
まず、焦点距離可変光学系10について説明する。
図1に示すように、焦点距離可変光学系10は、対物レンズ11、液体共振式レンズ12、および、リレーレンズ13,14を有しており、これらは光軸A上に配置されている。
対物レンズ11は、既存の凸レンズあるいはレンズ群で構成される。
液体共振式レンズ12は、シリコーンなどの液体が充填された円筒形のケースと、圧電材料で形成された円筒状の振動部材とを有している。この振動部材は、ケース内の液体に浸漬された状態で外部のレンズ制御部5に信号線を介して接続されており、当該レンズ制御部5から入力される駆動信号Cfに応じて振動する。駆動信号Cfは、例えば正弦波状の交流信号であり、駆動信号Cfの周波数が共振周波数に調整されると、液体共振式レンズ12の内部の液体に定在波が生じ、液体共振式レンズ12の屈折率が周期的に変化する。
ワークWにおける焦点距離可変光学系10の合焦位置Pfは、対物レンズ11の焦点距離を基本としつつ、液体共振式レンズ12の屈折率の変化と共に周期的に変化する。
次に、観察光学系2について説明する。
観察光学系2は、前述の焦点距離可変光学系10の他、観察照明用光源21と、ライトガイド22と、照明光学系23と、ビームスプリッタ24~26と、結像レンズ27と、カメラ28とを有している。
ライトガイド22は、光ファイバなどから構成され、観察照明用光源21から出射した照明光Liを照明光学系23に伝送する。
照明光学系23は、コレクタレンズ231およびコンデンサレンズ232などを有しており、ライトガイド22から伝搬された照明光Liを適宜調整する。
ビームスプリッタ25は、光軸A上において液体共振式レンズ12の像側に配置されている。ビームスプリッタ25は、ワークWの表面で反射されて焦点距離可変光学系10を通過した反射光Lrを反射することにより、当該反射光Lrをビームスプリッタ26に導く。
なお、ビームスプリッタ24,25は、焦点距離可変光学系10の光軸Aに沿った光を透過する。
次に、レーザ加工光学系3について説明する。
レーザ加工光学系3は、前述の焦点距離可変光学系10の他、レーザヘッド31と、レーザ用結像レンズ32とを有している。
レーザ発振器311は、ワークWの加工目的に適した波長のパルスレーザ光Lpを発振する。また、レーザ発振器311は、後述する同期パルス信号Syncによって、パルスレーザ光Lpを発振するタイミングを制御されている。
レーザ用結像レンズ32は、光軸A上において、焦点距離可変光学系10とレーザヘッド31との間に配置されており、焦点距離可変光学系10のリレーレンズ14と共に無限遠補正光学系を構成する。
ここで、レーザ加工用マスク312は、レーザ用結像レンズ32の後側焦点に配置されている。すなわち、レーザ加工用マスク312は、光軸A上において、焦点距離可変光学系10の合焦位置Pfに対して共役関係を成す位置に配置されている。
レーザ加工光学系3におけるパルスレーザ光Lpの挙動については、後述で説明する。
次にタイミング検出光学系4について説明する。
タイミング検出光学系4は、レーザ発振器311がパルスレーザ光Lpを発振するタイミングを検出するための光学系であって、前述の焦点距離可変光学系10の他、位置検出用光源41と、導光部42と、コリメートレンズ43と、光検出器44とを有している。
導光部42は、ファイバスプリッタ421および光ファイバ422~424を有する。ファイバスプリッタ421は、光ファイバ422~424のそれぞれの一端部が接合される光路を有しており、光ファイバ422から入射される光を光ファイバ423に導き、光ファイバ423から入射される光を光ファイバ424に導くように構成されている。
また、光ファイバ424の他端部は、光検出器44に接続されている。このため、光ファイバ423の端面423eに入射された検出光Lmは、導光部42を伝送され、光検出器44に入射される。
ここで、光ファイバ423の端面423eは、コリメートレンズ43の後側焦点に配置されている。すなわち、光ファイバ423の端面423eは、光軸A上において、焦点距離可変光学系10の合焦位置Pfに対して共役関係を成す位置に配置されている。
また、コリメートレンズ43は、ワークWの表面で反射されて焦点距離可変光学系10を通過した検出光Lmを集光する。
よって、光検出器44に入射される検出光Lmは、合焦位置PfがワークWの表面に一致しているときに極大化する。すなわち、光検出器44が出力する光検出信号Intは、合焦位置PfがワークWの表面に一致したときにピークを示す。
図2に示す制御部6は、例えばCPU(Central Processing Unit)およびメモリを有するコンピュータ等により構成される。制御部6は、所定のソフトウェアを実行することで所期の機能が実現されるものであり、レンズ制御部5の設定を行うレンズ設定部61と、入力される各種信号の処理を行う信号処理部62と、画像処理部63とを有する。
なお、液体共振式レンズ12は、周囲温度の変化等により共振変化数が変化する。このため、レンズ設定部61は、フィードバック制御により駆動信号Cfの周波数をリアルタイムに変化させ、液体共振式レンズ12の安定した動作を実現する。
次に、本実施形態におけるレーザ加工動作について説明する。
図3に示すように、液体共振式レンズ12の動作中、焦点距離可変光学系10の合焦位置Pfは、駆動信号Cfに同期して周期的に変化する。なお、図3には、光軸A上の合焦位置Pfの変化範囲におけるワークWの表面位置(ワーク位置Pw)を例示している。
光検出信号Intは、合焦位置Pfがワーク位置Pwに一致したタイミング(合焦タイミングT)でピークを示し、駆動信号Cfの1周期当たりに2回のピークを示す。
同期パルス信号Syncは、光検出信号Intが閾値Vt以上の間、ハイレベルであり、光検出信号Intが閾値Vtより小さい間、ローレベルである。
ここで、レーザ加工用マスク312は、焦点距離可変光学系10の合焦位置Pfに対して共役関係を成す位置に配置されている。
よって、レーザ加工用マスク312を通過するパルスレーザ光Lpの形状は、合焦タイミングTにおける焦点距離可変光学系10の合焦位置Pf、すなわちワークWの表面で結像される。このため、レーザ加工用マスク312の開口部312Aの形状がワークWの表面に良好に結像し、開口部312Aの形状通りの領域がレーザ加工される。
前述したように、本実施形態のレーザ加工装置1では、焦点距離可変光学系10を介してワークWに照射されるパルスレーザ光LpがワークWの表面で合焦するため、ワークWの表面の所望部位にパルスレーザ光Lpを正確に集光させることができる。これにより、焦点距離可変光学系10を利用しつつ、高精度なレーザ加工を行うことができる。
さらに、本実施形態の焦点距離可変光学系10は、対物レンズ11の射出瞳と液体共振式レンズ12の主点位置とが共役関係になるように構成されているため、焦点距離可変光学系10の合焦位置Pfが変動しても、撮像素子281に入射する像の倍率は一定になる。このため、視野の変動がなく良好な観察が可能である。
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は、本発明に含まれる。
例えば、ダブルピンホール法を利用する場合、合焦位置Pfと共役関係を成す集光位置の前後にそれぞれ光検出器を設け、各光検出器から出力される光検出信号に基づいて演算を行うことにより、合焦タイミングTを求めることができる。信号処理部62は、このように求めた合焦タイミングTに同期した同期パルス信号Syncを出力してもよい。
前記各実施形態では、駆動信号Cfを正弦波とし、合焦位置Pfを正弦波振動させたが、これは三角波、鋸歯状波、矩形波その他の波形であってもよい。
Claims (4)
- 入力される駆動信号に応じて合焦位置が周期的に変化する焦点距離可変光学系と、
前記焦点距離可変光学系を介してワークに検出光を照射する光源と、
前記ワークで反射された前記検出光を受光して光検出信号を出力する光検出器と、
入力される前記光検出信号に基づき、前記検出光が前記ワークの表面で合焦した合焦タイミングに同期した同期パルス信号を出力する信号処理部と、
入力される前記同期パルス信号に基づいてパルスレーザ光を発振し、前記焦点距離可変光学系を介して前記ワークに前記パルスレーザ光を照射するレーザ発振器と、を備える
ことを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項1に記載のレーザ加工装置であって、
前記焦点距離可変光学系と前記レーザ発振器との間において、前記焦点距離可変光学系の前記合焦位置に対して共役関係を成す位置に配置され、前記パルスレーザ光が通過する開口部が形成されたレーザ加工用マスクをさらに備える
ことを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項1または請求項2に記載のレーザ加工装置であって、
前記光検出器は、前記焦点距離可変光学系の合焦位置が前記ワークの表面に一致したときに前記光検出信号がピークになるように配置され、
前記信号処理部は、前記光検出信号の前記ピークを前記合焦タイミングとして検出し、当該合焦タイミングに同期した前記同期パルス信号を出力する
ことを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
前記焦点距離可変光学系を通して前記ワークを撮像する撮像素子をさらに備え、
前記焦点距離可変光学系は、
入力される前記駆動信号に応じて屈折率が周期的に変化する液体共振式レンズと、
前記液体共振式レンズと同じ光軸上に配置された対物レンズと、
前記対物レンズの射出瞳と前記液体共振式レンズの主点位置とを共役にするよう配置された複数のリレーレンズと、を有する
ことを特徴とするレーザ加工装置。
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