JP7386511B2

JP7386511B2 - レーザ処理装置

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Publication number: JP7386511B2
Application number: JP2019167652A
Authority: JP
Inventors: 真樹小市; 慎二田中
Original assignee: Kataoka Corp
Current assignee: Kataoka Corp
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2023-11-27
Anticipated expiration: 2039-09-13
Also published as: JP2021041455A

Description

本発明は、被処理物にレーザを照射して所望の処理を施すレーザ処理装置に関する。

レーザ処理装置の一種として、液晶ディスプレイモジュールや有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイモジュール等に生ずる不良（または、欠陥）箇所にレーザを照射してその修復を行うレーザリペア装置を挙げることができる（例えば、下記特許文献を参照）。

レーザリペア装置にあっては、被処理物上の不良箇所に精確に処理用のレーザの焦点を合わせることが要求される。レーザの焦点が僅かでもずれると、不良箇所を適切に修正できないばかりか、不良箇所に近接する正常な素子または回路を損傷させることにもなりかねない。

被処理物に対してレーザの焦点を操作するためには、レーザを集光する対物レンズを有した照射ユニットを、ねじ送り機構やピエゾモータ（超音波モータ）その他の調節機構を介して、レーザ光軸と平行または略平行なＺ軸方向に移動させる。

その上で、照射ユニットから被処理物までの離間距離を精密に計測可能なレーザ変位計（例えば、下記非特許文献を参照）を照射ユニットに付設しておき、当該変位計により計測される距離が対物レンズの焦点距離と合致するよう、照射ユニットの位置をＺ軸方向に沿って調節するフィードバック制御を実行することが考えられる。これにより、レーザを照射する処理の最中に振動等の外乱がレーザ処理装置に加わったとしても、被処理物上の目標位置にレーザの焦点を合わせ続けることが可能となる。

特開２００５－２７４７０９号公報

"レーザ変位計｜キーエンス（登録商標）"、［ｏｎｌｉｎｅ］、令和１年、［令和１年６月２６日検索］、インターネット＜https://www.keyence.co.jp/products/measure/laser-positioning/＞

近時では、被処理物である液晶ディスプレイ等の大形化が顕著となっている。大形の被処理物は、部分的にまたは全体的に撓み変形することがどうしても避けられない。

対物レンズを含む処理用のレーザを伝送する光学系の外部にレーザ変位計を付設する場合、対物レンズより出射する処理用のレーザが被処理物に当たる位置と、変位計より出射する変位計測用のレーザが被処理物に当たる位置とが合致せず、互いにずれている。それ故、変位計が計測する照射ユニットから被処理物までの離間距離が、対物レンズから被処理物における処理用のレーザを照射するべき位置までの距離に、常に等しいことが保証されない。被処理物の撓み変形の度合い如何により、両者の乖離は増大する。

本発明は、レーザ処理装置の対物レンズから処理用のレーザを照射するべき被処理物上の目標位置までの距離を精度よく計測することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、対物レンズを介して処理用のレーザを被処理物に照射して所望の処理を施すレーザ処理装置であって、前記対物レンズを介して変位計測用のレーザを被処理物上の目標位置に向けて照射し、反射したレーザを受光素子により受光することを通じて、対物レンズから被処理物上の目標位置までの距離を計測する変位計測機構と、前記変位計測用のレーザの偏光方向をある範囲内で任意に変化させることができ、その偏光方向の調整を通じて、変位計測用のレーザが被処理物における目標位置が属する層（または、面）以外の層（または、面）で反射して受光素子に入射するノイズの量を減少させる偏光素子とを具備するレーザ処理装置を構成した。

並びに、本発明では、対物レンズを介して処理用のレーザを被処理物に照射して所望の処理を施すレーザ処理装置であって、前記対物レンズを介して変位計測用のレーザを被処理物上の目標位置に向けて照射し、反射したレーザを受光素子により受光することを通じて、対物レンズから被処理物上の目標位置までの距離を計測する変位計測機構を具備し、前記変位計測機構は、前記対物レンズに入射する前記変位計測用のレーザを前記対物レンズの光軸から当該光軸と直交または略直交する方向に沿って一方側に偏らせる光束オフセット手段を有し、前記受光素子における、被処理物の目標位置に当たって反射したレーザを受光した位置に基づいて、対物レンズから被処理物上の目標位置までの距離を計測するレーザ処理装置を構成した。

本発明に係るレーザ処理装置は、前記対物レンズに入射する前記処理用のレーザの光軸の向きを操作し、被処理物に対して処理用のレーザを照射する位置を前記目標位置を含む一定領域内で変位させるガルバノスキャナを具備することがある。

本発明に係るレーザ処理装置は、液晶ディスプレイモジュールに生ずる不良箇所にレーザを照射するレーザリペア装置として好適に用いることができる。

本発明によれば、レーザ処理装置の対物レンズから処理用のレーザを照射するべき被処理物上の目標位置までの距離を精度よく計測できる。

本発明の一実施形態のレーザ処理装置の全体構成を示す図。同実施形態のレーザ処理装置が処理する対象物の一例である液晶ディスプレイの構造を示す図。同実施形態のレーザ処理装置のレーザ処理用の光学系及び観測用の光学系の提要を示す図。同実施形態のレーザ処理装置の光軸方向の変位計測用の光学系の提要を示す図。同実施形態のレーザ処理装置の光軸方向の変位計測用の光学系による計測の仕組みを説明する図。同実施形態のレーザ処理装置の光軸方向の変位計測用の光学系が照射するレーザ光及びその反射光を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態のレーザ処理装置は、被処理物たる液晶ディスプレイモジュール４に生ずる不良箇所にレーザＬ１を照射してこれを修正するレーザリペア装置である。

図１に、本レーザ処理装置の全体概要を示す。本レーザ処理装置は、処理用のレーザＬ１を液晶ディスプレイモジュール４上の所望の位置に照射するための光学系１と、対物レンズ１９から液晶ディスプレイモジュール４上の対物レンズ１９の光軸Ａが指向する位置までの距離を計測するための光学系２と、液晶ディスプレイモジュール４上の対物レンズ１９の光軸Ａが指向する目標位置及びその周辺の領域を観測するための光学系３とを具備する。

以後、説明の便宜上、液晶ディスプレイモジュール４が拡張する面と平行または略平行な方向をＸ軸方向及びＹ軸方向と定義し、液晶ディスプレイモジュール４が拡張する面に直交または略直交する方向をＺ軸方向と定義する。Ｚ軸は、Ｘ軸及びＹ軸の各々と直交する。かつ、Ｚ軸は、液晶ディスプレイモジュール４に相対する対物レンズ１９の光軸Ａが伸びる方向と平行または略平行である。

レーザ処理用の光学系１は、レーザ発振器１１、ガルバノスキャナ１２、１３、テレセントリックレンズ１４、チューブレンズ１５、デュアルバンドミラー１６、１７、ダイクロイックミラー１８、及び対物レンズ１９を備えている。

本実施形態にあって、レーザ発振器１１は、処理用のレーザＬ１として、複数の波長のレーザ、例えば波長５３２ｎｍのレーザＬ１及び波長１０６４ｎｍのレーザＬ１の二種類のレーザを選択的に出力して供給することができる。何れの波長のレーザＬ１を出力するかは、液晶ディスプレイモジュール４に対して施すべき処理の内容に依存する。

ガルバノスキャナ１２、１３は、対物レンズ１９に入射するレーザＬ１の光軸の向きを操作することで、対物レンズ１９から出射し液晶ディスプレイモジュール４に照射するレーザＬ１の照射位置を、対物レンズ１９の光軸Ａが液晶ディスプレイモジュール４に対して交わる目標位置を含む一定領域内で、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に変位させる。Ｙ軸ガルバノスキャナ１３は、液晶ディスプレイモジュール４上のレーザＬ１の照射位置をＸ軸方向に変位させ、Ｘ軸ガルバノスキャナ１２は、液晶ディスプレイモジュール４上のレーザＬ１の照射位置をＸ軸方向に変位させる。これらガルバノスキャナ１２、１３は、既知のそれと同様、レーザＬ１を反射するガルバノミラーをサーボモータまたはステッピングモータ等により回動させるものである。

テレセントリックレンズ１４は、ガルバノスキャナ１２、１３により操作されたレーザＬ１の光軸の向きを、その入射角如何を問わず当該レンズ１４の光軸に平行または略平行となるように調整する。テレセントリックレンズ１４から出射したレーザＬ１は、当該レーザＬ１の伝送経路上の仮想的な面Ｐの上に集光する。ガルバノスキャナ１２、１３は、この仮想的な面Ｐの上でレーザＬ１が集光する位置を変位させる。テレセントリックレンズ１４から出射したレーザＬ１は、チューブレンズ１５を通過することで平行光線（平行光束）となる。その上で、結像レンズであるチューブレンズ１５と、集光レンズである対物レンズ１９との組み合わせにより、無限遠補正光学系を作出する。

チューブレンズ１５から出射したレーザＬ１は、デュアルバンドミラー１６、１７で反射される。デュアルバンドミラー１６、１７は、レーザ発振器１１が出力する、例えば波長５３２ｎｍのレーザＬ１及び波長１０６４ｎｍのレーザＬ１を高効率で反射する。

さらに、レーザＬ１は、ダイクロイックミラー１８により反射される。このダイクロイックミラー１８は、レーザ発振器１１が出力する、例えば波長５３２ｎｍのレーザＬ１及び波長１０６４ｎｍのレーザＬ１を高効率で反射する一方、それ以外の波長の光Ｌ２、Ｉを高効率で透過する。

ダイクロイックミラー１８で反射されたレーザＬ１は、対物レンズ１９に入射する。対物レンズ１９は、その光軸Ａと液晶ディスプレイモジュール４とが交わる目標位置または目標位置を含む一定領域内の所望の位置に、レーザＬ１の仮想面Ｐにおける像を結像する。かくして、対物レンズ１９から出射する処理用のレーザＬ１が、液晶ディスプレイモジュール４上の所望の位置に照射されることとなる。

変位計測用の光学系２は、レーザ発振器２１、ビーム整形レンズ２２、光束オフセット手段たるピックオフミラー２３、ビームスプリッタ（または、ハーフミラー）２４、偏光素子たる１／２波長板２５、ホットミラー２６、チューブレンズ２７、ホットミラー２８、コールドミラー２９、ダイクロイックミラー１８、対物レンズ１９、及び受光素子たるカメラセンサ２０を備えている。

レーザ発振器２１は、変位計測用のレーザＬ２として、例えば波長７８０ｎｍのレーザを出力して供給する半導体レーザ（ダイオードレーザ）である。変位計測用のレーザＬ２の波長は、処理用のレーザＬ１の波長とは異なる。レーザ発振器２１が出力するレーザＬ２は、直線偏光または略直線偏光である。

ビーム整形レンズ２２は、シリンドリカルレンズやコリメートレンズ等を含み、レーザ発振器２１が出力するレーザビームＬ２の投影形状（スポット形状）を所望の形状に整形する。ビーム成形レンズ２２がコリメートレンズを含む場合、そのコリメートレンズを通過したレーザＬ２は平行光線となる。

ピックオフミラー２３は、レーザＬ２の光束の一部を反射しつつ、残部を反射せずに削ぎ落とす。ピックオフミラー２３は、例えば、その光軸の方向に沿って見たときに円板状をなすミラーを約半分に切断して半月板状としたＤ型ミラーである。変位計測用のレーザＬ２の伝送経路上にピックオフミラー２３を配置する理由、ピックオフミラー２３の役割については、後述する。

ビームスプリッタ２４は、レーザＬ２の伝送経路の上流側から下流側に向かう、液晶ディスプレイモジュール４に照射するべきレーザＬ２を高効率で透過しつつ、伝送経路の下流側から上流側に向かう、液晶ディスプレイモジュール４に当たって反射したレーザＬ２を高効率で反射する。

１／２波長板２５は、これを通過するレーザＬ２の偏光方向を変化させる。１／２波長板２５は、その光軸と直交する所定の光学軸を有しており、１／２波長板２５に入射するレーザＬ２の偏光方向を、当該光学軸に対称となる方向に変化させる。つまり、１／２波長板２５の光学軸とレーザＬ２の偏光方向とがなす角度である変位角（１／２波長板２５の光学軸とレーザＬ２の偏光方向とが一致するときの変位角を０°とする）について、１／２波長板２５に入射するレーザＬ２の偏光方向の変位角がθであるとすると、１／２波長板２５から出射するレーザＬ２の偏光方向の変位角は－θとなる。この１／２波長板２５は、その光軸を中心に回転させることができるように支持させてある。変位計測用のレーザＬ２の伝送経路上に１／２波長板２５を配置する理由、１／２波長板２５の役割については、後述する。

１／２波長板２５の下流にあり、チューブレンズ２７を挟んで対向するホットミラー２６、２８は、レーザ発振器２１が出力する、例えば波長７８０ｎｍのレーザＬ２を高効率で反射する。

ホットミラー２６、２８で反射されたレーザＬ２は、チューブレンズ２７を通過する。詳細には、ミラー２６で反射されたレーザＬ２が上流側からチューブレンズ２７に入射すると、そのレーザＬ２は略平行光となって下流側に出射し、ミラー２８へと向かう。並びに、ミラー２８で反射されたレーザＬ２が下流側からチューブレンズ２７に入射すると、そのレーザＬ２は上流側に出射してミラー２６へと向かい、最終的にカメラセンサ２０の受光面で結像する。

ホットミラー２８の下流にあるコールドミラー２９は、ホットミラー２８とは逆に、レーザ発振器２１が出力する、例えば波長７８０ｎｍのレーザＬ２を高効率で透過する。

ダイクロイックミラー１８及び対物レンズ１９は、レーザ処理用の光学系１におけるそれと共通である。変位計測用のレーザＬ２の波長は、処理用のレーザＬ１の波長とは異なっており、ダイクロイックミラー１８は、変位計測用のレーザＬ２を高効率で透過する。

ダイクロイックミラー１８を通過したレーザＬ２は、対物レンズ１９に入射する。このレーザＬ２の光軸は、対物レンズ１９の光軸Ａに一致または略一致する。そして、対物レンズ１９は、その光軸Ａと液晶ディスプレイモジュール４とが交わる目標位置にレーザＬ２を集光する。それは即ち、変位計測用のレーザＬ２が液晶ディスプレイモジュール４に照射される位置が、処理用のレーザＬ１が液晶ディスプレイモジュール４に照射される位置に合致しまたは極近接することを意味する。

レーザ発振器２１が出力する変位計測用のレーザＬ２は、ビーム整形レンズ２２、ピックオフミラー２３、ビームスプリッタ２４、１／２波長板２５、ホットミラー２６、チューブレンズ２７、ホットミラー２８、コールドミラー２９、ダイクロイックミラー１８を経由した後、対物レンズ１９から出射して液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置に照射される。

さらに、液晶ディスプレイモジュール４に当たって跳ね返るレーザＬ２の反射光が、対物レンズ１９に入射し、ダイクロイックミラー１８、コールドミラー２９、ホットミラー２８、チューブレンズ２７、ホットミラー２６、１／２波長板２５を経由して遡り、ビームスプリッタ２４に至る。レーザＬ２の伝送経路の下流側から入射するこのレーザＬ２の反射光は、ビームスプリッタ２４を透過せず、ビームスプリッタ２４により高効率で反射される。

ビームスプリッタ２４で反射されたレーザＬ２の反射光は、カメラセンサ２０に入射する。カメラセンサ２０は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｇ－ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の固体撮像素子を含み、例えば波長７８０ｎｍのレーザＬ２の反射光を受光して検出する。しかして、カメラセンサ２０が、液晶ディスプレイモジュール４で反射したレーザＬ２の反射光を受光することを通じて、対物レンズ１９から液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置までの距離を計測することができる。その計測の仕組みについては、後述する。

観測用の光学系３は、落射照明光源３１、アイリス（虹彩絞り）３２、コリメートレンズ３３、ビームスプリッタ（または、ハーフミラー）３４、コールドミラー３５、チューブレンズ３６、コールドミラー２９、ダイクロイックミラー１８、対物レンズ１９、コールドミラー３７、偏光板３８及びカメラセンサ３９を備えている。加えて、図３に示すように、本実施形態のレーザ処理装置には、観測用の光学系３の構成要素として、偏光板３０が付随したバックライト３００を追加的に配設している。

落射照明光源３１は、液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置及びその周辺の領域を照明する可視光波長の落射光Ｉを出力し供給する光源であり、例えばＬＥＤ（ＬｉｇｔｈＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）を用いた照明装置である。

アイリス３２は、落射光Ｉの光量を増減調整する。コリメートレンズ３３は、アイリス３２を通過した落射光Ｉを平行光線化する。

ビームスプリッタ３４は、落射光Ｉの伝送経路の上流側から下流側に向かう、液晶ディスプレイモジュール４に照射するべき落射光Ｉを高効率で透過しつつ、伝送経路の下流側から上流側に向かう、液晶ディスプレイモジュール４に当たって反射した落射光Ｉを高効率で反射する。

ビームスプリッタ３４の下流にあり、チューブレンズ３６を挟んで対向するコールドミラー３５、２９は、落射照明光源３１が出力する可視光波長の光Ｉを高効率で反射する。

コールドミラー２９は、変位計測用の光学系２におけるそれと共通である。並びに、ダイクロイックミラー１８及び対物レンズ１９は、レーザ処理用の光学系１におけるそれと共通である。ダイクロイックミラー１８は、落射光Ｉを高効率で透過する。

ダイクロイックミラー１８を通過した落射光Ｉは、対物レンズ１９に入射する。この落射光Ｉの光軸は、対物レンズ１９の光軸Ａに一致または略一致する。そして、対物レンズ１９は、その光軸Ａと液晶ディスプレイモジュール４とが交わる目標位置に落射光Ｉを集光する。

落射照明光源３１が出力する落射光Ｉは、アイリス３２、コリメートレンズ３３、ビームスプリッタ３４、コールドミラー３５、チューブレンズ３６、コールドミラー２９、ダイクロイックミラー１８を経由した後、対物レンズ１９から出射して液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置に照射され、目標位置及びその周辺の領域を照明する。

また、図３に示しているように、バックライト３００は、液晶ディスプレイモジュール４における対物レンズ１９が臨む側の面と反対側の面に相対している。バックライト３００は、一般的な液晶ディスプレイのバックライトと同様、可視光波長の光を面発光する光源であり、反対側から液晶ディスプレイモジュール４を照明する。

液晶ディスプレイモジュール４に当たって跳ね返った落射光Ｉの反射光や、バックライト３００から放たれ偏光板３０及び液晶ディスプレイモジュール４を透過した透過光は、対物レンズ１９に入射し、ダイクロイックミラー１８、コールドミラー２９、チューブレンズ３６、コールドミラー３５を経由して遡り、ビームスプリッタ３４に至る。落射光Ｉの伝送経路の下流側から入射するこの反射光または透過光は、ビームスプリッタ３４を透過せず、ビームスプリッタ３４により高効率で反射される。

ビームスプリッタ３４で反射された反射光または透過光は、コールドミラー３７により反射され、さらには偏光板３８を通過して、カメラセンサ３９に入射する。カメラセンサ３９は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を含み、可視光波長の反射光または透過光を受光して検出し、以て液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置及びその周辺の領域を撮像した高精細な画像を得ることができる。

なお、図示しないが、本実施形態のレーザ処理装置は、対物レンズ１９の光軸Ａを液晶ディスプレイモジュール４に対し相対的にＸ軸方向及びＹ軸方向に変位させることのできるＸＹ軸調節機構や、対物レンズ１９を液晶ディスプレイモジュール４に対し相対的にＺ軸方向に変位させることのできるＺ軸調節機構を具備している。ＸＹ軸調節機構は、例えば、対物レンズ１９を含むユニットをＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って移動させるＸＹステージ、あるいは、液晶ディスプレイモジュール４を支持する支持体をＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って移動させるＸＹステージ等である。Ｚ軸調節機構は、例えば、対物レンズ１９を含むユニットをＺ軸方向に沿って移動させるねじ送り機構またはピエゾモータステージ等である。

被処理物たる液晶ディスプレイモジュール４に関して補足する。本実施形態では、液晶ディスプレイモジュール４として、いわゆるＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）方式やＶＡ（ＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式のものを想定している。図２に示すように、この種の液晶ディスプレイモジュール４は、当該ディスプレイのユーザに近い正面（ユーザから見て手前方）から、偏光板４１、ガラス基板４２、カラーフィルタ４３、透明導電膜からなる共通電極４４、配向膜４５、液晶層４６、配向膜４７、ＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）及び透明導電膜からなる画素電極及び配線を含むＴＦＴアレイ４８、ガラス基板４９、偏光板４０、バックライト４００の順に積層された構造をなしている。不良箇所の修復を目的として処理用のレーザＬ１を照射する対象となるのは、ＴＦＴアレイ４８の層である。

図３に、光学系３による液晶ディスプレイモジュール４の観測、及び光学系１によるレーザ処理の模様を示す。但し、簡明化のため、図３では、光学系３の一部の構成要素の図示を省略している。レーザ処理は、偏光板４１、４０及びバックライト４００を装着していない液晶ディスプレイモジュール４に対して行う。レーザ処理装置の対物レンズ１９は、後に偏光板４０及びバックライト４００が装着される側である液晶ディスプレイモジュール４の背面に臨む。そして、対物レンズ１９より出射する処理用のレーザＬ１を、ガラス基板４９を透過させてＴＦＴアレイ４８に照射することで、短絡している配線を切断したり、切断している配線を溶接したり、混入した異物を除去したり、ＴＦＴまたは画素電極等を焼き潰したりして、液晶ディスプレイモジュール４に発生した不良の画素、例えば、常にバックライト４００の光を透過させる（光ったままに見える）輝点欠陥や、常にバックライト４００の光を遮断する（光らない）黒点欠陥、バックライト４００の光の透過量が変化しない欠陥等を修繕する。

また、対物レンズ１９より出射する落射光Ｉを液晶ディスプレイモジュール４に照射し、その反射光を対物レンズ１９に入射させてカメラセンサ３９で受光することにより、液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置及びその周辺領域を撮像する。これにより、現在対物レンズ１９の光軸Ａが指向している目標位置を知得して、ＸＹ軸調節機構を介して対物レンズ１９を含むユニットを液晶ディスプレイモジュール４に対し相対的に変位させ、対物レンズ１９の光軸ＡをレーザＬ１を照射するべき所望のＸＹ位置に合わせるフィードバック制御を実行することが可能となる。加えて、液晶ディスプレイモジュール４に生じている不良箇所を発見したり、レーザＬ１を照射して行った処理の成否を確認したりすることもできる。

レーザ処理装置が備えるバックライト３００を点灯させ、液晶ディスプレイモジュール４を透過した透過光を対物レンズ１９に入射させてカメラセンサ３９で受光することにより、液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置及びその周辺領域を撮像することもあり得る。このとき、偏光板３０が偏光板４０（または、偏光板４１）を代替し、偏光板３８が偏光板４１（または、偏光板４０）を代替することで、偏光板４０、４１及びバックライト４００を装着した完成品の液晶ディスプレイモジュール４を光学的に具現でき、特に不良箇所の発見に役立つ。

処理用のレーザＬ１を照射して液晶ディスプレイモジュール４の不良箇所を適切に修正するためには、対物レンズ１９から出射するレーザＬ１の焦点を精確にＴＦＴアレイ４８の層に合わせる必要がある。その前提として、対物レンズ１９から液晶ディスプレイモジュール４（のＴＦＴアレイ４８）までの距離を精度よく計測することが求められる。

図４に、光学系２による対物レンズ１９とＴＦＴアレイ４８とのＺ軸方向に沿った離間距離の計測の模様を示す。但し、簡明化のため、図４では、光学系２の一部の構成要素の図示を省略している。既に述べた通り、レーザ処理装置の対物レンズ１９は、液晶ディスプレイモジュール４の背面に臨んでおり、当該対物レンズ１９より出射する変位計測用のレーザＬ２を、ガラス基板４９を透過させて液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置（特に、ＴＦＴアレイ４８）に照射する。

変位計測用のレーザＬ２は、レーザ発振器２１より供給されるが、その伝送の過程でピックオフミラー２３に当たり、一部の光束Ｌ２１のみがピックオフミラー２３により反射されて対物レンズ１９ひいては液晶ディスプレイモジュール４へと向かい、残りの光束は反射されずに削ぎ落とされて対物レンズ１９に向かわない。その帰結として、対物レンズ１９に入射する光束Ｌ２１が、対物レンズ１９の光軸Ａから当該光軸Ａと直交または略直交するＸ軸方向に沿って一方側に偏る。対物レンズ１９の光軸ＡからＸ軸方向に沿って他方側には、光束Ｌ２１が殆どまたは全く入射しない。図４では、対物レンズ１９の光軸Ａを一点鎖線で表し、光束Ｌ２１を実線で表している。

対物レンズ１９より出射し、液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置に当たって跳ね返るレーザＬ２の反射光の光束Ｌ２２は、再び対物レンズ１９に入射し、ビームスプリッタ２４で反射される。カメラセンサ２０は、この反射光の光束Ｌ２２を受光する。図４では、光束Ｌ２２を破線で表している。

図５に、対物レンズ１９から液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置（特に、ＴＦＴアレイ４８）までのＺ軸方向に沿った離間距離と、カメラセンサ２０において反射光Ｌ２２を受光するＸ軸方向に沿った受光位置Ｒとの関係を示している。カメラセンサ２０が反射光Ｌ２２を受光する位置Ｒは、対物レンズ１９からの離間距離に比例または略比例して線形的に変化する。

従って、受光位置Ｒに基づき、現在の対物レンズ１９から液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置までの精密な距離を推定することができる。そして、Ｚ軸調節機構を介して対物レンズ１９を含むユニットを液晶ディスプレイモジュール４に対し相対的に変位させ、対物レンズ１９より出射する処理用のレーザＬ１の焦点を照射するべき所望の層のＺ位置に合わせるフィードバック制御を実行することが可能となる。

だが、液晶ディスプレイモジュール４に対して照射した変位計測用のレーザＬ２の光束Ｌ２１の全てが、液晶ディスプレイモジュール４における同一の層で反射するわけではない。図６に示しているように、理想的には、レーザＬ２の光束Ｌ２１の全てが、処理用のレーザＬ１を照射するべきＴＦＴアレイ４８の層で反射し、そのＴＦＴアレイ４８の層で反射した光束Ｌ２２１のみをカメラセンサ２０で受光できることが望ましい。しかしながら、実際には、レーザＬ２の光束Ｌ２１の一部Ｌ２１０が、ＴＦＴアレイ４８の層で反射せずにＴＦＴアレイ４８以外の層、特に液晶層４６を通過した先の界面で反射し、その反射光Ｌ２２２をカメラセンサ２０で受光することが起こり得る。反射光２２２は、対物レンズ１９から液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置までのＺ軸方向に沿った距離を計測するにあたり、ノイズとなる。

上記のようなノイズ光Ｌ２２２を低減する目的で、本実施形態では、変位計測用の光学系２に、レーザＬ２の偏光方向を変化させることを可能とする偏光素子として、１／２波長板２５を配置している。１／２波長板２５をその光軸回りに回動操作すれば、当該１／２波長板２５を通過して液晶ディスプレイモジュール４へと向かうレーザＬ２の光束Ｌ２１の偏光方向をある範囲内で任意に変化させることができる。

図６に示しているように、液晶ディスプレイモジュール４の各層に対する入射角が０°でない光束Ｌ２１、即ち光軸Ａに対して平行でなく傾いている光束Ｌ２１の各層での反射率は、当該光束Ｌ２１が含むｐ偏光成分とｓ偏光成分とで相異なる。一般に、入射角が臨界角以上でない限り、ｐ偏光成分の反射率は、ｓ偏光成分の反射率よりも小さくなる。対物レンズ１９から出射して液晶ディスプレイモジュール４に照射されるレーザＬ２の光束Ｌ２１がｓ偏光であり、液晶層４６が通過する光の偏光方向をその光軸回りに９０°旋回させる状態にあると仮定すると、液晶層４６に入射した光束Ｌ２１０は配向膜４５に至るまでにｓ偏光からｐ偏光へと遷移し、液晶層４６と配向膜４５との界面における反射率が低下して、同界面で反射する反射光Ｌ２２０の強度が小さくなる。これは、カメラセンサ２０に入射するノイズ光Ｌ２２２が低減することを意味する。入射角が反射界面に係るブリュースター角に近い光束Ｌ２１ほど、ノイズとなる反射光Ｌ２２０、Ｌ２２２が弱まる。

従って、１／２波長板２５をその光軸回りに回動操作し、レーザＬ２の光束Ｌ２１の偏光方向を調節することにより、カメラセンサ２０に入射する反射光Ｌ２２のＳ／Ｎ比を高めることが可能となる。Ｓ／Ｎ比の改善は、対物レンズ１９から液晶ディスプレイモジュール４上の目標位置までの距離の計測の精度の一層の向上に資する。

本実施形態では、対物レンズ１９を介して処理用のレーザＬ１を被処理物４に照射して所望の処理を施すレーザ処理装置であって、前記対物レンズ１９を介して変位計測用のレーザＬ２（Ｌ２１）を被処理物４上の目標位置に向けて照射し、反射したレーザＬ２（Ｌ２２）を受光素子２０により受光することを通じて、対物レンズ１９から被処理物４上の目標位置までの距離を計測する変位計測機構と、前記変位計測用のレーザＬ２（Ｌ２１）の偏光方向をある範囲内で任意に変化させることができ、その偏光方向の調整を通じて、変位計測用のレーザＬ２（Ｌ２１）が被処理物４における目標位置が属する層（または、面）４８以外の層（または、面）で反射して受光素子２０に入射するノイズＬ２２２の量を減少させる偏光素子２５とを具備するレーザ処理装置を構成した。

並びに、本実施形態では、対物レンズ１９を介して処理用のレーザＬ１を被処理物４に照射して所望の処理を施すレーザ処理装置であって、前記対物レンズ１９を介して変位計測用のレーザＬ２（Ｌ２１）を被処理物４上の目標位置に向けて照射し、反射したレーザＬ２（Ｌ２２）を受光素子２０により受光することを通じて、対物レンズ１９から被処理物４上の目標位置までの距離を計測する変位計測機構を具備し、前記変位計測機構は、前記対物レンズ１９に入射する前記変位計測用のレーザＬ２（Ｌ２１）を前記対物レンズ１９の光軸Ａから当該光軸Ａと直交または略直交する方向に沿って一方側に偏らせる光束オフセット手段２３を有し、前記受光素子２０における、被処理物４の目標位置に当たって反射したレーザＬ２（Ｌ２２）を受光した位置に基づいて、対物レンズ１９から被処理物４上の目標位置までの距離を計測するレーザ処理装置を構成した。

本実施形態によれば、レーザ処理装置の対物レンズ１９から処理用のレーザＬ１を照射するべき被処理物４上の目標位置までの距離を精度よく計測することができる。そして、対物レンズ１９を通じて被処理物４に照射するレーザ光Ｌの照射位置を精確に被処理物４上の目標位置に合わせることが可能となる。

また、本実施形態では、レーザ処理用の光学系１にガルバノスキャナ１２、１３を採用しており、被処理物４に対して処理用のレーザ１を照射する位置を微細かつ高速に制御することができる。ガルバノスキャナ１２、１３は、変位計測用のレーザＬ２の伝送経路上には存在せず、対物レンズ１９から被処理物４上の目標位置までの離間距離の計測に影響を及ぼさない。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、偏光素子として１／２波長板２５を採用していたが、これに代えて、またはこれとともに、偏光素子として既知の偏光板を採用することができる。偏光板もまた、その光軸回りに回動操作することにより、当該偏光板を通過するレーザＬ２の偏光方向を任意に変化させることが可能である。

また、上記実施形態では、光束オフセット手段としてピックオフミラー２３を採用していたが、これに代えて、またはこれとともに、レーザＬ２の光束の一部を遮蔽するスリット等を採用することができる。あるいは、対物レンズ１９に向けて伝搬するレーザＬ２の伝送経路上に配置したミラー、光ファイバ等の光学素子の光軸を、対物レンズ１９の光軸Ａからずらして配置することにより、光束オフセット手段を構成してもよい。

上記実施形態では、処理用のレーザＬ１を照射するべき層であるＴＦＴアレイ４８の下方に液晶層４６が存在し、変位計測用のレーザＬ２及びその（ノイズでない）反射光Ｌ２２１は液晶層４６を通過しないことを想定していた。だが、ＴＦＴアレイ４８の上方に液晶層４６が存在し、変位計測用のレーザＬ２が液晶層４６を通過した上でＴＦＴアレイ４８に当たり、その反射光が再度液晶層４６を通過した後に対物レンズ１９に入射、受光素子たるカメラセンサ２０に受光される態様もとり得る。

本発明に係るレーザ処理装置は、プラズマディスプレイモジュール、有機ＥＬディスプレイモジュール、無機ＥＬディスプレイモジュール、マイクロＬＥＤディスプレイモジュール、透明導電膜基板またはカラーフィルタ等に生ずる不良箇所にレーザＬ１を照射するレーザリペア装置としても好適に用いることができる。要するに、被処理物４は、液晶ディスプレイモジュールに限定されない。

さらに言えば、本発明に係るレーザ処理装置の用途は、レーザリペア装置に限定されない。

その他、各部の具体的な構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、被処理物にレーザを照射して所望の処理を施すレーザ処理装置に適用できる。

１２、１３…ガルバノスキャナ
１９…対物レンズ
２３…光束オフセット手段（ピックオフミラー）
２５…偏光素子（１／２波長板）
２０…受光素子（カメラセンサ）
４…被処理物
Ａ…対物レンズの光軸
Ｌ１…処理用のレーザ
Ｌ２…変位計測用のレーザ
Ｌ２２、Ｌ２２１…反射光
Ｌ２２２…ノイズ

Claims

対物レンズを介して処理用のレーザを被処理物に照射して所望の処理を施すレーザ処理装置であって、
前記対物レンズを介して変位計測用のレーザを被処理物上の目標位置に向けて照射し、反射したレーザを受光素子により受光することを通じて、対物レンズから被処理物上の目標位置までの距離を計測する変位計測機構と、
前記変位計測用のレーザの偏光方向をある範囲内で任意に変化させることができ、その偏光方向の調整を通じて、変位計測用のレーザが被処理物における目標位置が属する層以外の層で反射して受光素子に入射するノイズの量を減少させる偏光素子と
を具備するレーザ処理装置。
前記変位計測機構は、前記対物レンズに入射する前記変位計測用のレーザを前記対物レンズの光軸から当該光軸と直交または略直交する方向に沿って一方側に偏らせる光束オフセット手段を有し、
前記受光素子における、被処理物の目標位置に当たって反射したレーザを受光した位置に基づいて、対物レンズから被処理物上の目標位置までの距離を計測する請求項１記載のレーザ処理装置。
前記対物レンズに入射する前記処理用のレーザの光軸の向きを操作し、被処理物に対して処理用のレーザを照射する位置を前記目標位置を含む一定領域内で変位させるガルバノスキャナを具備する請求項１または２記載のレーザ処理装置。
液晶ディスプレイモジュールに生ずる不良箇所に処理用のレーザを照射するレーザリペア装置である請求項１、２または３記載のレーザ処理装置。