JPH09182985A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 どのような形状の加工においても加工終点を
確実に検出して高精度な加工を行う。 【解決手段】 ワーク７を加工するレーザ光１５の光軸
と同軸に光軸を設定したＣＣＤカメラ１１を用い、レー
ザ加工の開始前に、ＣＣＤカメラ１１の合焦位置をワー
ク７の加工終点面に合わせておく。レーザ加工中にＣＣ
Ｄカメラから得られる画像をモニターし、モニター画像
から合焦した加工面の画像が得られたとき、所望の位置
まで加工が進んだと判断して加工を終了させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザを用いてそ
のレーザ光のエネルギーにより被加工物に所望の深さの
孔や溝を掘るといった加工を行うためのレーザ加工装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高分子材料やセラミックス材料に対し
て、エキシマレーザ等によって得られる紫外域のレーザ
光を用いて微細加工を施すことが行われている。

【０００３】例えばＫｒＦエキシマレーザは波長２４８
ｎｍの紫外線を発生し、ＡｒＦエキシマレーザは波長１
９３ｎｍの真空紫外線を発生するが、これらの光子エネ
ルギーは原子の結合エネルギーに相当する。また、エキ
シマレーザは数ナノ秒のパルス幅で瞬間的に極めて大き
なエネルギーを発生することができる。このようなレー
ザ光を高分子材料等でできた被加工物のワークに照射す
ると、アブレーション（光化学反応）によってワークを
構成する材料の分子間結合が切断され、材料が蒸発、飛
散することで加工が行われる。このアブレーションを利
用するレーザ加工は、炭酸ガスレーザなど赤外域のレー
ザ光を用いるレーザ加工と違って、ワークに熱的影響を
及ぼすことなく加工をすることができるという利点を有
する。

【０００４】レーザ加工装置によってワークに所定の深
さの加工を行う場合には、レーザのエネルギーと加工速
度（エネルギー密度／時間）との関係からその加工深さ
に必要なエネルギーを計算し、その計算結果をもとにし
てレーザ光の照射時間が決定される。また、加工後にそ
の加工部分を顕微鏡で観察したり、種々の計測工具で測
定してデータを取得し、そのデータに基づいてそれ以後
の加工時におけるレーザのエネルギーを修正することも
行われていた。

【０００５】レーザ加工中に加工面の深さを測定するに
は、加工面に測定用の光線をレーザ加工装置の光学系の
光軸とは異なる斜め方向から照射し、反射光を受光セン
サーで受光して、その受光位置の変化から加工面の深さ
を求めるといった方法がとられていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ加工にお
けるレーザ照射時間の管理は、レーザ光が理想的に発せ
られ、それによってワークに理論通りの加工が行われる
ということを前提としており、レーザ自体の不安定性、
加工面でのレーザ光の反射、アブレーションによって飛
散した加工残査物によるレーザ光の遮断といった予測困
難な要因による加工速度の変化に対応することはできな
かった。

【０００７】また、斜め入射の測定光による加工面の深
さ測定は、加工面が広い面積を持っている場合には、測
定光を加工面に照射してその反射光を受光センサーで検
出することができるが、例えば深さが直径の数倍もある
ような細い穴を加工している場合には、斜め入射する測
定光が穴の底まで到達できず、受光センサーは反射光を
検出することができないため測定を行うことができな
い。本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてな
されてもので、どのような形状の加工においても加工終
点を確実に検出して高精度な加工を行うことのできるレ
ーザ加工装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、レーザ加工
装置のレーザ光軸と同軸に光軸を設定した観察光学系を
用い、レーザ加工の開始前に、観察光学系の合焦位置を
ワークの加工終点面、すなわちワークが加工され最終的
に加工面が形成されるべき位置に合わせておく。そし
て、レーザ加工中に観察光学系から得られる画像をモニ
ターし、モニター画像から合焦した加工面の画像が得ら
れたとき、所望の位置まで加工が進んだと判断して加工
を終了することによって前記目的を達成する。

【０００９】すなわち、本発明は、紫外域のパルスレー
ザ光を対物レンズを介して被加工物に照射して被加工物
に所望の加工を行うためのレーザ光学系と、レーザ光学
系の対物レンズを介して被加工物を観察するための観察
光学系と、観察光学系の合焦位置を被加工物の加工終点
位置の近傍に合わせる手段とを備えることを特徴とす
る。

【００１０】観察光学系の合焦位置における被加工物の
画像が得られたとき、すなわち観察光学系で加工面のピ
ントのあった画像が得られたとき、制御手段によってパ
ルスレーザ光の照射を停止させる。画像処理に要する時
間を考慮すると、観察光学系の合焦位置は、被加工物の
加工終点位置よりわずかに対物レンズ側の位置に合わせ
るのが好ましい。

【００１１】所望の深さ以上に加工が進むのを防止する
ためには、被加工物の加工が終点に近づいたときレーザ
加工用パルスレーザの繰り返し周波数を低減させるなど
して加工速度を減少させる手段を有するのが好ましい。

【００１２】本発明の観察光学系は、加工用のパルスレ
ーザ光を照射する光学系と対物レンズを共用するので、
限られた条件のもとでしか加工面を検出できない斜め入
射光学系とは異なり、どのような条件においても加工面
を検出することができる。すなわち、加工領域がどんな
に狭くとも、観察光学系の対物レンズをレーザ光学系と
共用しているので、加工部分の底面を観察できないとい
うことはないので、レーザ光によって加工が可能な形状
である限り、どのような形状の加工においても加工面を
観察しながら所望の深さまで正確に加工を行うことがで
きる。

【００１３】また、予め観察光学系の合焦位置を加工終
点に相当する深さ位置に設定しておき、ワークの加工が
進んで加工面にピントが合ったとき加工を終了するよう
にしたので、加工中に実時間で加工面の深さをモニター
でき、レーザの出力変動やワークの材質の不均一性等の
要因によってワークの加工速度が変化してもそれに影響
されることなくワークに正確な深さの加工を行うことが
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明によるレーザ加工
装置の一例の概略図である。

【００１５】まず、レーザ光学系について説明する。こ
こでは、レーザ光源１として波長２４８ｎｍの紫外線パ
ルス光を繰り返し周波数２００Ｈｚで発生するＫｒＦエ
キシマレーザを用いる。１パルスあたりのエネルギーは
４００ｍＪとする。レーザ光源１から出射されたレーザ
光１５は、レーザのエネルギーを所望の値に減衰させる
ためのアッテネータ２、レーザ光束の空間強度プロファ
イルを均一化するためのホモジナイザー３、ワーク上に
所望の加工を行うための投影パターンが形成されたマス
ク４を順に透過して進む。マスク４を透過したレーザ光
１５は、ダイクロイックミラー５で反射して光路を折り
曲げられ、対物レンズ６によって被加工物のワーク７に
照射される。ダイクロイックミラー５は、レーザ光１５
の波長だけを反射するように表面処理されている。ここ
での例では、ダイクロイックミラー５は波長２４８ｎｍ
の紫外線を全反射し、その他の波長の光は全て透過す
る。ワーク７とマスク４は、対物レンズ６に対して互い
に共役な位置に配置されており、ワーク７上にはマスク
４の像が結像される。ワーク７は、ワーク保持台８上に
固定されている。

【００１６】次に、観察光学系について説明する。観察
照明光源１０から出射された照明光１６は、ハーフミラ
ー９で反射され、ダイクロイックミラー５を透過して対
物レンズ６を通り、ワーク７を照明する。ワーク７で反
射された照明光（以下、反射光と呼ぶ）は、逆の経路で
対物レンズ６を通り、ダイクロイックミラー５を透過す
る。ダイクロイックミラー５を透過した反射光は、ハー
フミラーを透過し、ＣＣＤカメラ１１に入射する。

【００１７】ＣＣＤカメラ１１はＣＣＤカメラ駆動装置
１２に固定されており、ＣＣＤカメラ駆動装置１２によ
って任意の高さに移動することが可能であり、ワーク７
の加工面との共役関係を任意に変更することができる。
ＣＣＤカメラ１１の出力信号である画像信号は、画像処
理装置１３に入力される。

【００１８】画像処理装置１３は、図２に示すように、
ウインドウ回路１７、微分回路１８、ピーク検出回路１
９等を含む。ウインドウ回路１７は、ＣＣＤカメラ１１
によって撮像された画像信号から、予め設定された位置
の画像を切り出す。微分回路１８は、ウインドウ回路１
７で切り出された画像信号を微分し、隣接画素間の変化
を抽出した微分信号を発生する。ピーク検出回路１９
は、加工が進むに従って時間と共に変化する微分信号の
振幅が最大になる瞬間を検出する。画像処理装置１３
は、ピーク検出回路１９がピークを検出したとき、ある
いは微分信号の振幅が予め定められた値になったとき制
御装置２０に出力を発生する。

【００１９】制御装置２０は、キーボード等の入力装置
２１及び画像処理装置１３からの信号入力を受けて、レ
ーザ光源１、ＣＣＤカメラ駆動機構１２及び画像処理装
置１３の動作を制御する。図１に示したレーザ加工装置
によってワークに所望の深さの穴掘り加工を行う場合の
動作について、以下に説明する。

【００２０】まず、未加工のワーク７をワーク保持台８
に載せ、ＣＣＤカメラ１１の撮像面とワーク７の表面が
対物レンズ６に対して光学的に共役な位置になるよう
に、ＣＣＤカメラ１１の高さを変える。これは、ＣＣＤ
カメラ１１で撮像したワーク７の表面の画像を画像処理
装置１３で処理し、ＣＣＤカメラ１１から出力される時
系列の画像信号の時間微分あるいは画素間の空間微分が
最大となるように、制御装置２０からＣＣＤカメラ駆動
装置に駆動信号を送出することにより行われる。

【００２１】図３（ａ）は、このときの観察光学系の状
態を示したものであり、対物レンズ６の焦点距離をｆ、
ＣＣＤカメラ１１と対物レンズ６の間の距離をａ１、対
物レンズ６とワーク７の表面の間の距離をｂ１とする
と、次式（１）が成立する。 １／ｆ＝１／ａ１＋１／ｂ１ （１） いまワーク７に表面からの穴の深さ（ｂ２−ｂ１）の穴
掘り加工を行うものとして、次に、予め加工後の穴の底
面となるべき深さの位置（加工終点）とＣＣＤカメラ１
１の撮像面が対物レンズ６に対して光学的に共役な位置
になるように、ＣＣＤ駆動装置１２によってＣＣＤカメ
ラ１１の高さを変える。

【００２２】図３（ｂ）は、ＣＣＤカメラ１１の高さ設
定が終了した状態を示す説明図であり、ＣＣＤカメラ１
１と対物レンズ６の間の距離をａ２、対物レンズ６とワ
ーク７の表面の間の距離をｂ２とすると、次式（２）が
成立する。 １／ｆ＝１／ａ２＋１／ｂ２ （２） 図３（ａ）の状態から図３（ｂ）の状態、すなわち、対
物レンズ６を移動することなくワーク７側の焦点の位置
をワーク表面から深さ（ｂ２−ｂ１）だけ下げるために
は、ＣＣＤカメラ１１の位置を（ａ１−ａ２）だけ対物
レンズ６側に移動させればよいことになる。実際には、
入力装置２１により、穴の深さ（ｂ２−ｂ１）を入力す
ると、制御装置２０はＣＣＤカメラ１１を移動すべき距
離（ａ１−ａ２）を計算し、その計算結果に基づいてＣ
ＣＤカメラ駆動装置１２にＣＣＤカメラ１１の高さ位置
を変更する信号を出力することによって、図３（ｂ）の
状態が実現される。

【００２３】観察光学系の調整時に対物レンズ６は動か
さないので、観察光学系が図３（ｂ）のような結像関係
にある状態でもレーザ光学系のマスク４とワーク７の共
役関係は維持されている。そして、この状態で制御装置
２０はレーザ光源１に信号を送り、レーザ光源１は繰り
返し周波数２００Ｈｚでパルス発光を開始し、レーザ加
工が開始される。レーザ加工開始時、ＣＣＤカメラ１１
からは、図５（ａ）に示すように全く焦点の合っていな
い画像が得られる。

【００２４】図４（ａ）は、加工途中の時刻Ｔ１におけ
るワーク７と観察光学系の状態を模式的に示すものであ
る。ワーク７にはレーザ光の照射によって穴２５が形成
されているが、穴の深さは最終的に必要な深さには達し
ていない。このときＣＣＤカメラ１１からは、図５
（ｂ）に示すような観察像５１が得られる。この観察像
５１によると、穴２５の存在は分かるがまだ完全には焦
点が合っていない状態である。この画像に対して画像処
理装置１３のウインドウ回路１７は、画像処理すべきデ
ータ数を制限して処理の高速化を図るために観察像５１
の近辺の画像、すなわち穴２５の底面のエッジ領域を含
む画像のみを切り出す。ウインドウ回路１７を用いるこ
とにより、観察像のどの位置に注目するかは画像処置装
置１３内のウインドウ回路１７で設定できるので、ワー
ク７上のレーザ光が照射される範囲の中で任意の位置を
選択してその部分の深さのみに着目した加工を行うこと
もできる。

【００２５】図６（ａ）は、ウインドウ回路１７から出
力される信号を模式的に示したものであり、この信号は
観察像５１の強度を所定の方向に沿って見たラインプロ
ファイルに相当する。図６（ｂ）はウインドウ回路１７
の出力に対して微分処理を行う微分回路１８の出力を模
式的に示したものである。時刻Ｔ１における微分回路１
８の出力はＰｄ１である。

【００２６】図４（ｂ）は、時刻Ｔｆに所望の加工位置
まで穴掘り加工が進んだときの、ワーク７と観察光学系
の状態を模式的に示したものである。このときＣＣＤカ
メラ１１の焦点はワーク７に形成された穴２５の底面に
合致しており、図５（ｃ）に示すように穴の底面の輪郭
がはっきりした観察像５２が得られる。時刻Ｔ２におけ
る画像処理装置１３のウインドウ回路１７の出力信号
は、図６（ａ）に示すように、穴２５の底面のエッジ部
に相当する急峻な立ち上がり部及び立ち下がり部を有す
る。それに対応して微分波形の振幅が最大になり、図６
（ｂ）に示すように、微分回路１８の出力Ｐｆも大きな
値を示す。

【００２７】もし、この状態から更に時刻Ｔ２まで加工
を進めたとすると、図６に示すように、画像処理装置１
３のウインドウ回路１７の出力はエッジの傾きがなだら
かになり、その微分波形の振幅も減少する。つまり、時
刻Ｔ１、Ｔｆ、Ｔ２の３時点での微分回路出力の振幅を
各々Ｐｄ１、Ｐｆ、Ｐｄ２とすると、Ｐｆ＞ＰｄかつＰ
ｆ＞Ｐｄ１という関係になる。ピーク検出回路１９は、
レーザ加工中に微分回路１８から出力される微分信号の
振幅を常時比較し、微分信号がピークに達したことを検
出したら制御装置２０に信号を出力する。制御装置２０
は、画像処理装置１３からピーク検出信号を受けた時、
所望の加工深さまでワーク７の加工が進んだものとして
レーザ光源１の発振を停止させ、ワーク７の加工を終了
させる。

【００２８】上記の条件式によって加工深さを認識する
ためには、所望の加工深さよりもわずかに加工深さが深
くならないとピーク検出回路１９が微分信号のピークＰ
ｆを検出できない。従って、実際には、ウインドウ回路
出力の微分波形が最大振幅Ｐｆとなるのは、レーザ加工
が所望の深さに到達する直前でなければならない。その
ためにＣＣＤカメラ１１の合焦位置は、所望の加工深さ
（ｂ２−ｂ１）よりもわずかに浅い上方の位置（対物レ
ンズ６側）に合わせる必要がある。

【００２９】ピーク検出回路１９が微分信号のピークＰ
ｆを検出してからレーザの照射を停止するまでの時間を
Ｔｓ（秒）、レーザの加工速度をＤ（μｍ／秒）とする
と、Ｐｆを検出してからレーザを停止するまでに（Ｔｓ
×Ｄ）μｍだけ加工が進むことになる。Ｔｓには画像処
理装置１３での画像処理に要する時間も含まれる。よっ
て、予め（Ｔｓ×Ｄ）μｍだけ、所望の加工位置よりも
手前に焦点が合うようにする。つまり、対物レンズ６か
ら〔ｂ２−（Ｔｓ×Ｄ）〕μｍの位置に焦点が合うよう
にＣＣＤカメラ１１の位置を設定すればよいことにな
る。その時のＣＣＤカメラ１１と対物レンズ６の距離を
ａ３とすると、次式が成り立つ。 １／ｆ＝１／｛ｂ２−（Ｔｓ×Ｄ）｝＋１／ａ３ もちろん、（Ｔｓ×Ｄ）μｍは理想的な加工が行われる
として計算される理論値であるが、加工量が非常に小さ
いので全加工量と比較すると、ここで発生する誤差によ
る加工誤差量は無視することができるほど微小である。

【００３０】所望の加工終点で確実に加工を終了させる
他の方法として、加工終点に近づいたときレーザ加工の
加工速度を減少させる方法がある。加工速度を減少させ
る方法としては、レーザ光源１を制御したり光路中に減
光器を挿入してレーザ光強度を減衰させる方法、及びレ
ーザパルスの繰り返し周波数を低減させる方法が考えら
れるが、レーザ光源の安定性及び調整可能な加工速度の
範囲を考慮するとパルスの繰り返し周波数を低減させる
方法の方が好ましい。この場合には、ＣＣＤカメラ１１
の合焦位置を加工終点、すなわち加工深さ（ｂ２−ｂ
１）に極めて近い位置に設定することができ、加工状態
をその最終段階までモニターしながら加工の制御を行う
ことができるため、前述のようにＣＣＤカメラ１１の合
焦位置を加工終点より（Ｔｓ×Ｄ）μｍだけ手前に設定
する場合よりも加工精度を高めることができる。

【００３１】加工速度を減少させるタイミングは、微分
回路出力がピークとなる前に所定のレベル、例えば図６
に示したＰｄ１に達したときとする。微分回路出力がど
のレベルになったとき加工速度を減少すべきかは、加工
時間や加工精度等を考慮して実験的に決めることができ
る。画像処理装置１３は、微分回路１８の出力が合焦状
態を示すピークＰｆ値より小さい予め設定されたレベル
に達したら、制御装置２０に出力信号を発生し、制御装
置２０はその信号を受けてレーザ光源１のパルス繰り返
し周波数を通常時の２００Ｈｚから例えば１０Ｈｚに低
減させる。すると、この場合には加工速度が２０分の１
に低下するため、観察光学系での画像処理やレーザ光源
１の制御に時間的余裕ができ、ピーク検出回路１９が微
分回路１８の出力ピークを検出した時点、すなわち加工
を終了させたい時点で高精度に加工を終了させることが
可能となる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、予め所望の加工深さの
直前の深さに観察光学系の合焦位置を設定しておき、所
望の加工深さの直前の面で加工面の観察像がＣＣＤカメ
ラの撮像面に焦点を結ぶ瞬間を検出してレーザ光の照射
を止めることで、ワークへの所望の深さの加工を高精度
に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ加工装置の一例を示す概略
図。

【図２】画像処理装置の内部回路の説明図。

【図３】ＣＣＤカメラの合焦位置設定の説明図。

【図４】加工中のワークと観察光学系の関係を示す説明
図。

【図５】ＣＣＤカメラで撮像された像の説明図。

【図６】画像処理装置の出力信号の説明図。

【符号の説明】

１…レーザ光源、２…アッテネータ、３…ホモジナイザ
ー、４…マスク、５…ダイクロイックミラー、６…対物
レンズ、７…ワーク、８…ワーク保持台、９…ハーフミ
ラー、１０…観察照明光源、１１…ＣＣＤカメラ、１２
…ＣＣＤカメラ駆動装置、１３…画像処理装置、１５…
レーザ光軸、１６…照明光、１７…ウインドウ回路、１
８…微分回路、１９…ピーク検出回路、２０…制御装
置、２１…入力装置、２５…穴

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 紫外域のパルスレーザ光を対物レンズを
   介して被加工物に照射して前記被加工物に所望の加工を
   行うためのレーザ光学系と、前記対物レンズを介して前
   記被加工物を観察するための観察光学系と、前記観察光
   学系の合焦位置を前記被加工物の加工終点位置の近傍に
   合わせる手段とを備えることを特徴とするレーザ加工装
   置。
2. 【請求項２】 前記観察光学系の合焦位置を前記被加工
   物の加工終点位置よりわずかに前記対物レンズ側の位置
   に合わせることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工
   装置。
3. 【請求項３】 前記観察光学系の合焦位置における前記
   被加工物の画像が得られたとき、前記パルスレーザ光の
   照射を停止させる制御手段を備えることを特徴とする請
   求項１又は２記載のレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 前記被加工物の加工が終点に近づいたと
   き前記被加工物の加工速度を減少させる手段を有するこ
   とを特徴とする請求項１、２又は３記載のレーザ加工装
   置。
5. 【請求項５】 前記加工速度を減少させる手段は、前記
   パルスレーザの繰り返し周波数を低減させることを特徴
   とする請求項４記載のレーザ加工装置。