JP7412925B2 - 光学装置、および、物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学装置、および、物品の製造方法に関する。

レーザ加工装置等における光走査装置は、対象物上の位置（ｘ、ｙ、ｚ）に方位（θｘ、θｙ）から光を集光して照射するように、並進光学系と、集光光学系と、偏向光学系とを含みうる。並進光学系は、当該方位を変更するため、後述の集光光学系に入射する光を並進（平行シフト）させる光学系である（特許文献１）。集光光学系は、対象物上に集光するため、光の焦点位置（ｚ）を変更する光学系である。偏向光学系（走査光学系ともいう）は、例えばミラー等の偏向光学素子を含み、光の照射位置（ｘ、ｙ）を変更する光学系である。これらの光学系のうち特許文献１の並進光学系は、第１反射面と第２反射面とを有する回転可能な反射部材を含む。また、第１反射面で反射された光を複数の反射面で順次反射して第２反射面に入射させる光学系を含む。さらに、反射部材の回転角度を変更することにより、第２反射面で反射されて反射部材を射出する光の光路を調整する調整部を含む。このような構成により、反射部材を射出する光の並進（平行シフト）を実現している。また、当該並進光学系を２組配置することにより、２軸方向において光を並進させることができる。反射部材を射出する光は、集光光学系（集光レンズ）に平行偏心して入射すると、当該偏心の量と集光光学系の焦点距離とによって決まる傾斜角で傾斜した集光光が集光光学系を射出する。当該集光光は、例えば、光加工装置において、物体に照射され、熱的または波動的な効果によって穴開け等の物体の加工に利用されうる。

特開２０１６－１０３００７号公報

上述のような光走査装置を用いた光加工装置においては、加工対象物の物体表面が凹凸形状や曲面形状である場合には、物体の表面位置とレーザ光の焦点位置とを正確に一致させることが困難であり、レーザ加工の精度が悪化しうる。

本発明は、レーザ光の焦点位置を調整可能な光学装置において、レーザ加工の精度を向上させることを例示的目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、対象物にレーザ光を照射して前記対象物を加工する光学装置であって、第１の複数のガルバノミラーを含み、前記第１の複数のガルバノミラーを駆動することにより２つの方向においてレーザ光が対象物に入射する入射角度を調整する第１ガルバノミラー光学系と、可動レンズを含み、前記可動レンズを駆動することにより焦点方向におけるレーザ光の焦点位置を調整する焦点位置調整機構と、第２の複数のガルバノミラーを含み、前記第２の複数のガルバノミラーを駆動することによりレーザ光の焦点方向に垂直な２つの方向においてレーザ光が対象物に入射する入射位置を調整する第２ガルバノミラー光学系と、前記第１ガルバノミラー光学系の第１の複数のガルバノミラーと、前記焦点位置調整機構の可動レンズと、前記第２ガルバノミラー光学系の第２の複数のガルバノミラーの駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１の複数のガルバノミラーの駆動量と前記可動レンズの駆動量に基づき、前記第１の複数のガルバノミラーと前記可動レンズの駆動による前記入射位置のずれ、を補正するように、前記第２の複数のガルバノミラーの駆動を制御する、ことを特徴とする光学装置。

本発明によれば、例えば、レーザ光の焦点位置を調整可能な光学装置において、レーザ加工の精度を向上させることができる。

本実施形態に係る光学装置の一部の構成例を示す図である。 反射部材の角度を変更する駆動部の構成例を示す図である。 光学装置の一部の他の構成例を示す図である。 並進光学系を含むレーザ加工装置の構成例を示す図である 本実施形態に係るレーザ加工装置の構成例を示す図である。 オートフォーカス動作のみが実施された場合のレーザ加工の状態の一例を示す図である。 オートフォーカスによる入射位置のずれ量の数値例を示す図である。 本実施形態に係る入射位置ずれの補正処理を示すフロー図である。 本実施形態に係るレーザ加工の状態の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、実施形態を説明するための全図を通して、原則として（断りのない限り）、同一の部材等には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

〔加工装置の実施形態〕
図１は、本実施形態に係る光学装置の一部の構成例を示す図である。本実施形態における光学装置は、出射する光の経路（光路）を制御可能であり、例えば、光線の並進（平行シフト）が可能である。本実施形態の光線平行シフト機構（並進光学系）は、レーザ光源５０からの光線５１を反射するミラー部材２（反射部材ともいう）を含む。なお、以下の説明では、各反射面が平面とみなせ、光路の並進を行う場合について例示する。ミラー部材２は、例えば、ガラスで構成され、光源５０からの光線５１を受ける第１反射面２ａと、その反対側の第２反射面２ｂとを有する。第１反射面２ａ及び第２反射面２ｂには、それぞれ高反射率を有するコーティングがされている。なお、ミラー部材２は、プリズム状に構成されていてもよいし、第１反射面２ａと第２反射面２ｂとがそれぞれ独立した構成であってもよい。

また、ミラー部材２は、光学装置を出射する光の光路を制御（変更）できるように角度可変に構成されている。ここで、図２は、反射部材（２）の角度を変更する駆動部（１）の構成例を示す図である。図示の如く、ミラー部材２は、（ガルバノ）モータ１（駆動部）の出力軸１ａに軸支されている。制御部６０は、モータ１に対して駆動信号を出力し、モータ１は、駆動信号に応じた駆動量だけ出力軸１ａを介してミラー部材２を回転させる。
このように、ミラー部材２は回転可能（角度可変）に構成されている。ここでは、ミラー部材２は、光源５０からの光線５１に対して略４５度に傾斜している。本明細書では、このようなミラー部材をガルバノミラー光学系という。なお、ミラー部材２が、光学装置を出射する光の光路を制御できるように構成されていればよく、この構成に限られるものではない。

図１にもどり、並進光学系は、ミラー部材２によって反射された光を複数の反射面で順次反射してミラー部材２に入射させる光学系８０を有する。光学系８０は、例えば、光線５１に関して線対称になるように固定配置された４個のミラー３，４，５，６（反射面）を含む。ミラー部材２の第１反射面２ａにより反射された光は、これらのミラー３，４，５，６により順次反射されて、ミラー部材２の第２反射面２ｂへと導かれる。最終的に第２反射面２ｂにより反射されてミラー部材２を射出する光は、光線５１の進行方向とは略同一の（略平行な）進行方向を有する。

この射出光の角度（進行方向）は、ミラー部材２の回転角度を変更しても変化しない。そのため、制御部６０によりミラー部材２の回転角度を制御することにより、第２反射面２ｂで反射されてミラー部材２を射出する光の経路を調整（並進または平行シフト）させることができる。

図３は、光学装置の一部の他の構成例を示す図である。本構成は、図１で示した構成を組み合わせたものであり、光源５０からの光線５１を受ける第１並進光学系６１と、第１並進光学系６１からの射出光を受ける第２並進光学系６２とを含む。第１並進光学系６１は、光源５０からの光線５１を反射する角度可変のミラー部材１３を有する。また、第１並進光学系６１は、ミラー１４－１，１４－２，１４－３，１４－４を有する。第２並進光学系６２は、第１並進光学系を射出した光線を反射する角度可変のミラー部材１５を有する。また、第２並進光学系６２は、ミラー１６－１，１６－２，１６－３，１６－４を有する。そして、第１並進光学系６１のミラー部材１３の回転軸６３と第２並進光学系６２のミラー部材１５の回転軸６４とは、非平行であるように、例えば直交するように配置されている。

第１並進光学系６１において、ミラー部材１３の第１反射面により反射された入射光は、ミラー１４－１，１４－２，１４－３，１４－４により順次反射されて、ミラー部材１３の第１反射面とは反対側の第２反射面へと導かれる。第２反射面により反射されてミラー部材１３を射出した光は、第２並進光学系６２のミラー部材１５に入射する。第２並進光学系６２において、ミラー部材１５の第１反射面により反射された入射光は、ミラー１６－１，１６－２，１６－３，１６－４により順次反射されて、ミラー部材１５の第１反射面とは反対側の第２反射面へと導かれる。最終的にミラー部材１５の第２反射面により反射されてミラー部材１５を射出した光は、光線５１の進行方向とは略同一の（略平行な）進行方向を有する。なお、図３に示すように、第１並進光学系６１の各ミラーでの反射により形成される光路がなす平面と、第２並進光学系６２の各ミラーでの反射により形成される光路がなす平面とが交差するような配置を採用してもよい。このように２つの並進光学系を交差するように配置することにより、光学装置の小型化を実現できる。

ここで、以上に説明した並進光学系と、当該並進光学系を射出した光を物体（対象物）に導く（照射する）光学系とを含む加工装置を説明する。図４は、並進光学系を含むレーザ加工装置の構成例を示す図である。図４に示すレーザ加工装置は、レーザ光源７１の後側（後段）に、図３を参照して説明した並進光学系１７を含む。その後側には、光線拡大光学系を含み、それにより光線の並進量・径を必要な量に拡大する。光線拡大光学系は、集光レンズ１８とコリメートレンズ１９から構成される。さらに、光線拡大光学系の後側には、集光光学系（集光レンズ２２）を含み、それにより、その焦点面に配置された物体２３にレーザ光を集光して照射する。また、光線拡大光学系と集光光学系との間に（ガルバノ）ミラー２０，２１（偏向光学系）を含み、その回転角度の調整により、物体２３上の目標とする入射位置（ｘ、ｙ）に光を照射する。つまり、（ガルバノ）ミラー２０，２１は、光の入射位置を調整する機構であるといえる。（ガルバノ）ミラー２０，２１は、レーザ光の焦点方向に垂直な方向においてレーザ光が物体２３に入射する入射位置を調整する。

以上の構成によれば、集光光学系に入射する光線を並進光学系１７により平行偏心させることができ、もって、集光光学系を射出して物体２３に入射する光線の角度（入射角度）を変更（または調整）することができる。つまり、並進光学系１７は、角度調整機構であるといえる。また、光線拡大光学系内の集光レンズ１８とコリメートレンズ１９の相対間隔を調整することで、物体２３に照射される焦点面の位置を変更することができる。その結果、テーパー状の穴の形成や斜めの断面を有する切断等を物体に行うことができる。

ここで、本実施形態に係る光学装置としてのレーザ加工装置１００について説明する。図５は、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成例を示す図である。図５に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ光源７１からの光線を、上述した並進光学系、光線拡大光学系、偏向光学系、集光光学系を含む光学装置を介して物体に照射することにより、レーザ加工を行う構成となっている。このレーザ光源７１として、例えば発振波長が１０３０ｎｍ、周波数１００ｋＨｚ、パルス幅３５０ｆｓ（フェムト秒）、出力１００μＪ／ｐｕｌｓｅのフェムト秒固体レーザなどを使用することができる。物体２３としては、例えば、ステンレス板（ＳＵＳ３０４）などを用いることができる。

そして、このレーザ加工装置１００は、レーザ光照射により物体２３からの反射光を結像させ、この結像光を光量測定手段となるフォトディテクタ２４（検出部）により検出する共焦点光学系を備える。なお、ここで、反射光とは、正反射光と散乱光を含む。レーザ光源７１より発せられた光線は、集光手段となる集光レンズ２５に入射され、この集光レンズ２５によって、第１のピンホールマスク２６のピンホール内に集光される。このピンホールを経た光線は、コリメートレンズ２７を経て、分岐用ミラー２８に入射する。分岐用ミラー２８を透過した光線は並進光学系、光線拡大光学系、偏向光学系、集光光学系を含む光学装置を介して物体２３に照射される。

物体２３からの反射光は、並進光学系、光線拡大光学系、偏向光学系、集光光学系を含む光学装置を経て、分岐用ミラー２８に戻る。分岐用ミラー２８に反射された光は、集光レンズ２９に入射され、この集光レンズ２９によって、第２のピンホールマスク３０のピンホール内に集光される。このピンホールを経た光線は、コリメートレンズ３１を経て、フォトディテクタ２４によって受光される。

この共焦点光学系において、第１のピンホールマスク２６、および、第２のピンホールマスク３０は、分岐用ミラー２８を介して共役な位置に配置されている。すなわち、分岐用ミラー２８から第１のピンホールマスク２６のピンホールまでの光学的距離と、分岐用ミラー２８から第２のピンホールマスク３０のピンホールまでの光学的距離とは、互いに等しい。

そして、物体２３は、集光光学系の光軸に対して垂直な平面内において移動可能なＸＹステージ３２上に、吸引保持機構（バキュームチャック）３３によって固定されて支持されている。ＸＹステージ３２は、Ｘ－Ｙ平面が集光光学系の光軸に対して垂直な平面となっており、Ｚ軸が集光光学系の光軸に平行な軸となっている。

また、光線拡大光学系に含まれる集光レンズ１８は、リニアステージ３４上に固定されている。制御部６０は、リニアステージ３４に対して駆動信号を出力し、リニアステージ３４は、駆動信号に応じた駆動量だけ集光レンズ１８を光軸方向に移動させる。これにより、物体２３に照射される焦点面の位置を変更することができる。つまり、リニアステージ３４は、焦点位置調整機構として機能する。また、焦点位置調整機構として、集光光学系に含まれる集光レンズ２２を光軸方向に移動する機構を用いてもよい。

ＸＹステージ３２は、コンピュータ装置３５により、ステージコントローラ３６を介して制御される。このコンピュータ装置３５は、共焦点光学系におけるフォトディテクタ２４による反射光量の測定結果（検出結果）に基づいて、焦点調節手段としてのリニアステージ３４の動作を、制御部６０を介して制御する。コンピュータ装置３５は、集光レンズ１８を光軸方向に移動させることにより合焦位置の検索を行う。合焦位置としては、フォトディテクタ２４によって検出される反射光量が極大となる位置とすることが好ましいが、例えば、閾値以上の反射光量が検出された位置を合焦位置としても良い。

すなわち、共焦点光学系におけるフォトディテクタ２４により検出される反射光量は、集光レンズ１８と物体２３との相対距離に対して、極大となる点があり、この極大点が、物体２３の表面に対する合焦位置である。そして、コンピュータ装置３５は、フォトディテクタ２４により検出される反射光量が極大となるように、制御部６０を介してリニアステージ３４のＺ軸を調整するので、オートフォーカス動作が実現される。オートフォーカス動作を、物体２３が変化する毎に実施することで、加工精度を向上することができる。また、このような構成とすることにより、レーザ加工装置１００では、ＸＹステージ３２をＺ方向に駆動させる必要がない。

なお、フォトディテクタ２４によって受光される光、すなわち、焦点位置を決定するための光は、物体２３の加工のための光と同じ強度であっても良いが、加工のための光よりも弱い方が好ましい。焦点位置を決定するための光が強いと、物体２３が加工されてしまい、加工された状態で検出された光に基づいて焦点位置を調整すると焦点位置がずれてしまう可能性があるためである。

しかしながら、オートフォーカス動作を用いてレーザ加工を行う場合、入射角度による入射位置のずれが生じうる。図６は、オートフォーカス動作のみが実施された場合のレーザ加工の状態の一例を示す図である。例えば、レーザ加工装置１００を用いて、円加工を行う場合、入射角度を変更すると入射位置がずれるため、円の大きさが入射角度に応じて変化してしまう。図６に示すように、入射角度が０°の場合の円を基準とすると、入射角度を＋方向に傾けた場合、加工される円は０°の場合よりも小さくなってしまう。一方、入射角度を－方向に傾けた場合、加工される円は０°の場合よりも大きくなってしまう。よって、加工精度が低下しうる。

そこで、本実施形態では、焦点位置調整機構による調整量、言い換えると、焦点位置調整機構の駆動量に基づき、入射角度による入射位置のずれに対する補正量を、コンピュータ装置３５に内蔵されている演算部３７により算出する。つまり、演算部３７は、焦点位置調整機構の駆動量と角度調整機構の駆動量に基づいて、入射位置のずれを補正するための補正量を算出する。そして、この補正量に基づいた指令値を制御部６０に送り、制御部６０からの補正された駆動信号で（ガルバノ）ミラー２０，２１を駆動させてレーザ加工を行う。即ち、本実施形態において、制御部は６０、焦点位置調整機構の駆動量に基づき、焦点位置が変化したことによる入射位置のずれを補正するように、入射位置調整機構の駆動を制御する。

焦点位置調整機構の駆動量、即ち、オートフォーカス動作による焦点位置の移動量をΔＺ、Ｘ方向の入射角度をθｘ、Ｙ方向の入射角度をθｙとすると、Ｘ方向の入射位置ずれ量ΔＸ、Ｙ方向の入射位置ずれ量ΔＹは、以下の式で導かれる。

図７は、オートフォーカスによる入射位置のずれ量の数値例を示す図である。本図は、上述の式を用いて、Ｘ方向の入射位置ずれ量ΔＸ、および、Ｙ方向の入射位置ずれ量ΔＹを算出した数値の一例である。図７（Ａ）は、焦点位置を＋１００ｕｍ移動させた場合のＸ方向の入射位置ずれ量ΔＸの一例を示している。図７（Ｂ）は、焦点位置を＋１００ｕｍ移動させた場合のＹ方向の入射位置ずれ量ΔＹの一例を示している。例えば、オートフォーカス動作により、焦点位置を＋１００ｕｍ移動させた場合、Ｘ方向の入射位置ずれ量ΔＸは、Ｘ方向の入射角度θｘが０度の場合は０ｕｍ、５度の場合は８．７５ｕｍ、１０度の場合は１７．６ｕｍとなる。同様に、Ｙ方向の入射位置ずれ量ΔＹは、Ｙ方向の入射角度θｙが０度の場合は０ｕｍ、５度の場合は８．７５ｕｍ、１０度の場合は１７．６ｕｍとなる。

したがって、上記入射角度による入射位置ずれ量ΔＸ、ΔＹを算出し、この位置ずれ量の符号を反転させた量が補正量である。このため、この補正量を加味した指令値を制御部６０に送り、制御部６０から補正された駆動信号で（ガルバノ）ミラー２０，２１を駆動させてレーザ加工を行うようにすれば良い。

図８は、本実施形態に係る入射位置ずれの補正処理を示すフロー図である。まず、制御部６０は、焦点位置が変更されたか否かを判定する（Ｓ８０１）。ここで、焦点位置が変更されていない場合（Ｎｏ）、制御部６０は、物体２３上の目標位置に応じた駆動信号を出力し、（ガルバノ）ミラー２０，２１を駆動させて（Ｓ８０２）レーザ加工を開始する（Ｓ８０５）。

一方、焦点位置が変更されている場合（Ｙｅｓ）、演算部３７は、上述の式に基づいて、補正量を算出する（Ｓ８０３）。そして、演算部３７は、この補正量に基づいた指令値を制御部６０に出力する。なお、このとき、例えば、コンピュータ装置３５に内蔵されているメモリなどの記憶部にずれ量に対応する補正量を記憶させておいても良い。この場合、コンピュータ装置３５は、記憶部に記憶された、ずれ量に対応する補正量に基づいて、指令値を制御部６０に出力する。また、演算部３７による算出と、記憶された補正量を併用しても良い。そして、制御部６０は、取得した指令値に基づいて、補正された駆動信号を出力し、（ガルバノ）ミラー２０，２１を駆動させて（Ｓ８０４）レーザ加工を開始する（Ｓ８０５）。

図９は、本実施形態に係るレーザ加工の状態の一例を示す図である。本実施形態によれば、入射角度に応じた入射位置の補正が施されているため、図６と同様円加工を行う場合でも、円の大きさが入射角度によって変化することを低減することができる。よって、円の大きさがいずれの入射角度の場合でも一定となり、精度の良い加工が実現できる。

以上のように、本実施形態に係る加工装置は、加工対象物の物体表面が凹凸形状や曲面形状である場合においても、物体の表面位置とレーザ光の焦点位置の誤差を低減することが可能となり、レーザ加工の精度を向上させることができる。

〔物品製造方法に係る実施形態〕
以上に説明した実施形態に係る加工装置は、物品製造方法に使用しうる。当該物品製造方法は、当該加工装置を用いて物体（対象物）の加工を行う工程と、当該工程で加工を行われた物体を処理する工程と、を含みうる。当該処理は、例えば、当該加工とは異なる加工、搬送、検査、選別、組立（組付）、および包装のうちの少なくともいずれか一つを含みうる。本実施形態の物品製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストのうちの少なくとも１つにおいて有利である。

〔その他の実施形態〕
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。上述の実施形態では、制御部６０とコンピュータ装置３５は別体としたが、制御部６０がコンピュータ装置３５の機能を実現しても良いし、コンピュータ装置３５が制御部６０の機能を実現しても良い。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１７ 並進光学系
２０，２１ （ガルバノ）ミラー
２３ 物体
２４ フォトディテクタ
３２ ステージ
３５ コンピュータ装置
３７ 演算部
５０，７１ レーザ光源
６０ 制御部
１００ レーザ加工装置

Claims (9)

1. 対象物にレーザ光を照射して前記対象物を加工する光学装置であって、
   第１の複数のガルバノミラーを含み、前記第１の複数のガルバノミラーを駆動することにより２つの方向においてレーザ光が対象物に入射する入射角度を調整する第１ガルバノミラー光学系と、
   可動レンズを含み、前記可動レンズを駆動することにより焦点方向におけるレーザ光の焦点位置を調整する焦点位置調整機構と、
   第２の複数のガルバノミラーを含み、前記第２の複数のガルバノミラーを駆動することによりレーザ光の焦点方向に垂直な２つの方向においてレーザ光が対象物に入射する入射位置を調整する第２ガルバノミラー光学系と、
   前記第１ガルバノミラー光学系の第１の複数のガルバノミラーと、前記焦点位置調整機構の可動レンズと、前記第２ガルバノミラー光学系の第２の複数のガルバノミラーの駆動を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第１の複数のガルバノミラーの駆動量と前記可動レンズの駆動量に基づき、前記第１の複数のガルバノミラーと前記可動レンズの駆動による前記入射位置のずれ、を補正するように、前記第２の複数のガルバノミラーの駆動を制御する、
   ことを特徴とする光学装置。
2. 前記焦点位置調整機構の可動レンズの駆動量に基づき、前記入射位置のずれを補正するための補正量を前記入射角度に応じて算出し、算出された補正量に用いて前記第２ガルバノミラー光学系の複数のガルバノミラーの駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記制御部は、前記焦点位置調整機構の可動レンズの駆動量と前記第１ガルバノミラー光学系の複数のガルバノミラーの駆動量に基づいて前記補正量を算出することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
4. 前記入射位置のずれ量に対応する前記補正量を記憶した記憶部を有することを特徴とする請求項２または３に記載の光学装置。
5. レーザ光が照射された対象物からの反射光を検出する検出部を備え、
   前記制御部は、前記検出部によって検出される前記反射光の光量に基づいて、前記焦点位置調整機構の可動レンズの駆動を制御することを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の光学装置。
6. 前記制御部は、検出される前記反射光の光量が極大となるように、前記焦点位置調整機構の可動レンズを駆動することを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
7. 前記検出部は、共焦点光学系を用いて光の検出を行うことを特徴とする請求項５または６に記載の光学装置。
8. 前記検出部により検出を行う際に用いられる光の光量は、前記対象物を加工する際に用いられる光の光量よりも少ないことを特徴とする請求項５ないし７のうちいずれか１項に記載の光学装置。
9. 請求項１ないし８のうちいずれか１項に記載の光学装置を用いて物体の加工を行う工程と、
   前記工程で前記加工を行われた前記物体の処理を行う工程と、を含むことを特徴とする物品製造方法。
   

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