JP7394299B2 - オートフォーカス光学系及び加工光学装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係るレーザー加工装置を示すブロック図である。
次に、AF装置30について、図2を参照して説明する。図2は、AF装置を示すブロック図である。なお、図2では、簡単のため、ダイクロイックミラー23等の光学素子の図示を省略する。
AF装置30のオートフォーカス光学系38は、AF用レーザー光L2の第2光路上であって、加工用レーザー光L1の第1光路との共有光路とは独立した位置に配置される。本実施形態では、オートフォーカス光学系38は、ダイクロイックミラー23とハーフミラー36との間に配置される。
次に、AF特性の変化を抑制するための条件について説明する。
まず、対物レンズ24のレンズ瞳位置24AにおけるAF用レーザー光L2の光束径とAF用レーザー光L2との関係について説明する。
d1によらず、h3が一定であるためには、式(1)においてd1の項がゼロになればよい。式(1)におけるd1の項は、d1d2φ1φ2-d1φ1=d1φ1(d2φ2-1)である。よって、d1によらず、h3が一定となる条件は、下記の式(2)により表される。
第2レンズ群38Bの焦点距離をf2として式(2)を変形すると、下記の式(3)が得られる。
式(3)から、d1によらず、h3が一定となる条件は、第2レンズ群38Bの後側焦点位置と対物レンズ24のレンズ瞳位置24Aとが一致することであることがわかる。
式(4)から、第1レンズ群38Aのパワーは、正負のいずれでもよい(凸レンズ系及び凹レンズ系のいずれでもよい)ことがわかる。
ここで、x2は、第2レンズ群38Bの焦点位置から像点P2までの距離である。第2レンズ群38Bの焦点位置は対物レンズ24のレンズ瞳位置24Aと共役となる位置に置かれる。また、x1は、第1レンズ群38Aによって投影される光源位置P1と第2レンズ群38Bの前側焦点位置の距離であり、P1の移動量と第1レンズ群38Aの移動量は等しい。
制御部50は、式(6)から加工深さDpに応じた第1レンズ群38Aの移動量dg1を算出し、移動量dg1に応じて第1レンズ群38Aを第2の光路に沿って移動させる。なお、実際の第1レンズ群38Aの移動量dg1は、式(6)により算出した値を含む範囲内の値としてもよい(実施例4参照)。
次に、ディテクタ42側に戻るAF用レーザー光L2の光束径とAF用レーザー光L2との関係について説明する。
ここで、kは比例定数である。式(7)から、結像レンズ40に入射する光束径が大きいほどAF信号の出力が大きくなる。また、式(7)から、結像レンズ40の焦点距離fTLが小さいほどAF信号の出力が大きくなる。加工深さによらず、一定のAF信号を得るためにはディテクタ光路TLに入射する光束径を一定にする必要がある。
式(8)を式(7)に代入すると、下記の式(9)が得られる。
=kδ0(fTL/fobj)2(hTL/fTL)
=kδ0(fTL/fobj 2)hTL …(9)
式(9)から、AF信号は、fTLに比例し、1/fobj 2に比例し、hTLに比例することがわかる(AF∝fTL、AF∝(1/fobj 2)、AF∝hTL)。
式(9)及び式(10)から、下記の式(11)が得られる。
=kδ0(fTL/fobj 2)(hp 2/hTL) …(11)
式(11)から、対物レンズ24のレンズ瞳位置24Aにおける入射光の高さhpが変化すると、AF特性が変化することがわかる。このことは、従来のAF光学系において、加工深さが深くなったときに、対物レンズに対する光束径が小さくなり(入射光の高さが低くなり)、フォーカス感度が低下することと対応している。
=kδ0(fTL/fobj 2)(hp 2/hTL)
=kδ0NAobj 2(fTL/hTL) …(12)
式(12)から、対物レンズ24の開口数NAobjが大きいほど、AF信号が増大することがわかる。
式(9)から、AF信号は、1/fobj 2に比例するので、対物レンズ24の倍率が高いほど(焦点距離fobjが短いほど)、AF信号の出力が大きくなり、フォーカス引き込み範囲が狭くなる。
なお、AF用光源32の大きさもAF特性に影響を及ぼす。AF用光源32が大きい場合には、ディテクタ42に投影される光源像は、全体の包絡線で表される。そして、AF用光源32の大きさに相当する部分は、合焦の前後であまり変化しない。その結果、AF用光源32が大きい場合には、合焦位置付近でAF特性カーブがなだらかに変化し、フォーカス引き込み範囲を広げる作用を持つ。
上記の実施形態では、オートフォーカス光学系38を構成するレンズ群のうちの1つ(第1レンズ群38A)のみを移動させたが、オートフォーカス光学系38を構成する複数のレンズ群を移動させるようにしてもよい。
上記の実施形態及び変形例では、オートフォーカス光学系(38及び38-1)を構成するレンズ群の一部又は全部を移動群としたが、移動群を設けない態様も可能である。
次に、上記のオートフォーカス光学系(38、38-1及び60)の具体的な実施例(パラメータ)について説明する。
上記実施形態に係るオートフォーカス光学系38において、第2レンズ群(固定群)の38Bの後側焦点位置と対物レンズ24のレンズ瞳位置24Aとの間の距離(以下、Δdという。)が長くなると、加工深さの変更によるAF特性カーブの変化が大きくなる。このため、距離Δdは、一例で50mm以下とすることが好ましく、ゼロであること(第2レンズ群の38Bの後側焦点位置とレンズ瞳位置24Aとが概略一致すること)がより好ましい。
上記実施形態に係るオートフォーカス光学系38において、第2レンズ群38Bと対物レンズ24のレンズ瞳位置24Aとの間の距離(図4のd2)が短すぎると、レンズの配置が困難になる。また、距離d2が長すぎると、第2レンズ群38Bの径が大きくなる。そして、第2レンズ群38Bの焦点距離f2が長くなるため、第1レンズ群38Aの移動量が大きくなる。このため、距離d2は、一例で50~250mmとすることが好ましい。
上記実施形態に係るオートフォーカス光学系38において、第2レンズ群38Bの焦点距離f2が長すぎると、第1レンズ群38Aの移動量が大きくなりすぎる。焦点距離f2が短すぎると、第2レンズ群38Bを構成するレンズの焦点距離が短くなりすぎて、第2レンズ群38Bの構成が困難になる。このため、第2レンズ群38Bの焦点距離f2は、一例で10~40mmとすることが好ましい。
上記実施形態に係るオートフォーカス光学系38において、第1レンズ群38Aの移動量dg1、第2レンズ群38Bの焦点距離f2及び加工深さDpの関係(式(6))において、実際の移動量dg1にはマージンをもたせることができる。具体的には、移動量dg1は、一例で0.8(f2 2/fobj 2)(Dp/Np)<dg1<1.2(f2 2/fobj 2)(Dp/Np)の範囲とすることができる。
変形例2に係る焦点距離可変レンズ62を含むオートフォーカス光学系60では、焦点距離可変レンズ62の共役点と対物レンズ24のレンズ瞳位置24Aとの間の距離D3が長すぎると、加工深さの変更によるAF特性カーブの変化が大きくなる。このため、距離D3は、一例で50mm以下であることが好ましく、ゼロであること(焦点距離可変レンズ62の共役点とレンズ瞳位置24Aが概略一致すること)がより好ましい。
Claims (4)
- 被加工物の内部に加工用レーザー光を対物レンズを介して集光させる加工光学装置に用いられるオートフォーカス光学系であって、
前記オートフォーカス光学系は、前記対物レンズと前記被加工物との距離を所定の関係に保つために用いられる光学系であり、
前記加工用レーザー光とは異なるAF用レーザー光を前記対物レンズを介して前記被加工物の被測定面に集光させるためのフォーカス機構を備え、
前記フォーカス機構は、前記加工用レーザー光の集光位置と前記AF用レーザー光の集光位置との相対間隔を前記対物レンズの光軸方向に調整可能であり、
前記相対間隔の変化によらず、前記対物レンズのレンズ瞳位置における前記AF用レーザー光の光束径が略一定である、
オートフォーカス光学系。 - 前記フォーカス機構は、
前記AF用レーザー光の光路に沿って移動可能な第1レンズ群と、
前記第1レンズ群よりも前記対物レンズに近い側に配置された第2レンズ群であって、前記第2レンズ群の後側焦点位置が前記対物レンズのレンズ瞳位置と共役な位置に配置された第2レンズ群と、
前記第1レンズ群を移動させることにより、前記AF用レーザー光の集光点の位置を調整する駆動部と、
を備える請求項1記載のオートフォーカス光学系。 - 前記フォーカス機構は、前記対物レンズのレンズ瞳位置と共役な位置に配置された焦点距離可変レンズと、
前記焦点距離可変レンズの焦点距離を変化させることにより、前記AF用レーザー光の集光点の位置を調整する制御部と、
を備える請求項1記載のオートフォーカス光学系。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載のオートフォーカス光学系と、
前記オートフォーカス光学系から導光された光を前記被加工物の被測定面に集光させる対物レンズと、
前記対物レンズを低倍率の対物レンズに変更する場合に、前記対物レンズと前記オートフォーカス光学系との間に挿入されるビームエキスパンダと、
を備える加工光学装置。
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