KR20200117857A

KR20200117857A - 초고속도 촬상 장치

Info

Publication number: KR20200117857A
Application number: KR1020200034876A
Authority: KR
Inventors: 게이지 노마루; 유사쿠 이토
Original assignee: 가부시기가이샤 디스코
Priority date: 2019-04-03
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2020-10-14
Also published as: JP2020170089A; CN111812939A; US11032456B2; TW202037997A; DE102020204372A1; TWI820325B; JP7290449B2; US20200322510A1

Abstract

본 발명은 더욱 높은 분해능으로 촬상할 수 있는 초고속도 촬상 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
초고속도 촬상 장치의 촬상 유닛은, 척 테이블에 지지된 피가공물에 대향하는 대물 렌즈와, 대물 렌즈로부터 연장되는 제1 광로에 배치된 빔 스플리터와, 빔 스플리터로부터 연장되는 제2 광로에 배치된 화상 처리 유닛과, 빔 스플리터로부터 연장되는 제3 광로에 배치된 조명 유닛을 포함한다. 조명 유닛은, 브로드밴드 펄스 광원과, 브로드밴드 펄스 광원으로부터 출사된 1 펄스의 광을 복수의 파장에 분광하며 시간차를 발생시키는 분광기를 포함한다. 화상 처리 유닛은, 시간차를 갖고서 척 테이블에 지지된 피가공물에 조사된 복귀광을 파장마다 각도를 바꾸어 분광하는 회절 격자와, 회절 격자에 의해 분광된 복귀광을 파장에 대응한 각도마다의 영역에서 분해 사진과 같이 촬상하는 이미지 센서를 포함한다.

Description

초고속도 촬상 장치{VERY-HIGH-SPEED IMAGING APPARATUS}

본 발명은 지지 유닛에 지지된 피가공물을 고속도로 연속하여 촬상하는 초고속도 촬상 장치에 관한 것이다.

IC, LSI 등의 복수의 디바이스가 교차하는 복수의 분할 예정 라인에 의해 구획되어 표면에 형성된 피가공물은, 절삭 블레이드를 구비한 다이싱 장치, 레이저 집광기를 구비한 레이저 가공 장치 등에 의해 개개의 디바이스 칩으로 분할되고, 분할된 디바이스 칩은 휴대 전화, 퍼스널 컴퓨터 등의 전기 기기에 이용된다.

또한, 절삭 장치에 있어서, 절삭 블레이드와 피가공물을, 소위 하이 스피드 카메라로 연속적으로 촬상하여, 절삭 가공이 실시되고 있는 동안의 메커니즘을 검증하는 것이 시도되고 있다. 여기서, 절삭 블레이드의 회전수가, 예컨대, 30,000 rpm 정도이며, 하이 스피드 카메라의 촬상 코마수가, 예컨대 45,000/초인 경우에는, 절삭 블레이드가 1 회전하는 동안의 모습을 90 코마 정도의 화상으로 담을 수 있기 때문에, 절삭 블레이드에 의한 절삭 가공의 모습을 검증하는 것은 충분히 가능하다.

한편, 예컨대, 레이저 광선을 조사함으로써 가공을 실시하여 가공흔을 형성하는 경우(예컨대, 특허문헌 1을 참조)의 메커니즘을 검증하거나, 파괴 시험 등을 실시하여 크랙을 생기게 할 때에, 그 크랙이 어떻게 전파되어 형성되는지에 대해서 그 메커니즘을 검증하거나 하는 경우, 상기한 종래 일반적으로 알려진 하이 스피드 카메라의 분해능이, 고작 수만 코마/초 정도이기 때문에, 그 메커니즘을 충분히 검증할 수 없어, 더욱 높은 분해능으로 촬상할 수 있는 초고속도 촬상 장치가 요구되고 있다.

일본 특허 공개 제2014-221483호 공보

따라서, 본 발명의 목적은 더욱 높은 분해능으로 촬상할 수 있는 초고속도 촬상 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 초고속도 촬상 장치로서, 피가공물을 지지하는 척 테이블과, 상기 척 테이블에 지지된 피가공물을 촬상하는 촬상 유닛을 구비하고, 상기 촬상 유닛은, 상기 척 테이블에 지지된 피가공물에 대향하는 대물 렌즈와, 상기 대물 렌즈로부터 연장되는 제1 광로에 배치된 빔 스플리터와, 상기 빔 스플리터로부터 연장되는 제2 광로에 배치된 화상 처리 유닛과, 상기 빔 스플리터로부터 연장되는 제3 광로에 배치된 조명 유닛을 포함하고, 상기 조명 유닛은, 브로드밴드 펄스 광원과, 상기 브로드밴드 펄스 광원으로부터 출사된 1 펄스의 광을 복수의 파장으로 분광하며 시간차를 발생시키는 분광기를 포함하고, 상기 화상 처리 유닛은, 시간차를 갖고서 상기 척 테이블에 지지된 피가공물에 조사된 복귀광을 파장마다 각도를 바꾸어 분광하는 회절 격자와, 상기 회절 격자에 의해 분광된 복귀광을 파장에 대응한 각도마다의 영역에서 분해 사진과 같이 촬상하는 이미지 센서를 포함하는 초고속도 촬상 장치가 제공된다.

바람직하게는, 초고속도 촬상 장치는, 상기 이미지 센서에 의해 촬상된 화상을 기억하는 기억 수단과, 상기 기억 수단에 기억된 화상을 표시하는 표시 수단을 더 구비한다.

바람직하게는, 상기 회절 격자는, 제1 회절 격자와, 제2 회절 격자를 포함하고, 상기 제1 회절 격자에 의해 복귀광을 파장마다 각도를 바꾸어 분광하고, 상기 제2 회절 격자는, 상기 제1 회절 격자에 의해 분광된 복귀광을 평행하게 하여 상기 이미지 센서에 유도한다. 바람직하게는, 상기 회절 격자는, 반사 미러에서 미리 정해진 각도를 갖고서 반사된 복귀광을 파장마다 각도를 바꾸어 분광해서, 콜리메이션 렌즈를 통하여 상기 이미지 센서에 유도한다.

바람직하게는, 상기 분광기는, 상기 브로드밴드 펄스 광원으로부터의 1 펄스의 광을 복수의 파장마다 각도를 바꾸어 분광하는 회절 격자와, 상기 회절 격자가 분광한 파장마다 광로 길이가 달라 시간차를 발생시키는 지연 라인과, 상기 지연 라인에 의해 파장마다 지연된 광을 합파(合波)하는 합파기를 포함한다.

본 발명에 따르면, 예컨대, 10 ㎱의 시간차를 갖고서 피가공물에 조사된 복귀광을 파장마다 각도를 바꾸어 분광하고, 상기 분광된 복귀광을 파장에 대응한 각도마다의 영역에서 분해 사진과 같이 촬상하도록 할 수 있기 때문에, 10 ㎱/1초, 즉, 1/1억의 분해능의 초고속도 화상을 용이하게 취득하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시형태의 초고속도 촬상 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 초고속도 촬상 장치에 배치되는 촬상 유닛의 블록도이다.
도 3은 초고속도 촬상 장치의 척 테이블에 지지된 피가공물의 평면도이다.
도 4는 도 2에 나타내는 촬상 유닛에 배치되는 화상 처리 유닛의 다른 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2에 나타내는 촬상 유닛에 배치되는 조명 유닛의 다른 실시형태를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태의 초고속도 촬상 장치에 대해서, 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 실시형태의 초고속도 촬상 장치(1)의 사시도를 나타내고 있다. 초고속도 촬상 장치(1)는, 피가공물(10)을 지지하는 지지 유닛(20)과, 지지 유닛(20)을 이동시키는 이동 기구(30)와, 피가공물(10)을 촬상하는 촬상 유닛(40)과, 얼라인먼트 유닛(50)을 구비하고 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 피가공물(10)에 대하여 레이저 광선(LB)를 조사할 때의 메커니즘을 검증하도록, 지지 유닛(20)에 지지되는 피가공물(10)에 레이저 광선(LB)을 조사하는 레이저 광선 조사 유닛(60)도 배치되어 있다.

지지 유닛(20)은, 도면 중에 화살표(X)로 나타내는 X축 방향으로 이동 가능하게 베이스(2)에 배치되는 직사각 형상의 X축 방향 가동판(21)과, 도면 중에 화살표(Y)로 나타내는 Y축 방향으로 이동 가능하게 X축 방향 가동판(21)에 배치되는 직사각 형상의 Y축 방향 가동판(22)과, Y축 방향 가동판(22)의 상면에 고정된 원통형의 지주(23)와, 지주(23)의 상단에 고정된 직사각 형상의 커버판(26)을 포함한다. 커버판(26)에는, 커버판(26) 상에 형성된 긴 구멍(26a)을 통하여 상방으로 연장되는 원 형상의 척 테이블(24)이 배치되어 있다. 척 테이블(24)은 피가공물(10)을 지지하며, 도시하지 않는 회전 구동 수단에 의해 회전 가능하게 구성되어 있다. 척 테이블(24)의 상면에는, 다공질 재료로 형성되어 실질상 수평으로 연장되는 원 형상의 흡착 척(도시는 생략)이 배치되어 있다. 또한, 도 1에서는, 척 테이블(24)의 상면에 중앙에 피가공물(10)을 접착한 원 형상의 플레이트(12)를 배치하고, 플레이트(12)를 통해 피가공물(10)이 척 테이블(24)에 지지되어 있다.

이동 기구(30)는, 베이스(2) 상에 배치되어, 지지 유닛(20)을 X축 방향으로 이동시키는 X축 방향 이동 기구(31)와, 지지 유닛(20)을 Y축 방향으로 이동시키는 Y축 방향 이동 기구(32)를 구비하고 있다. X축 방향 이동 기구(31)는, 펄스 모터(33)의 회전 운동을, 볼나사(34)를 통해 직선 운동으로 변환하여 X축 방향 가동판(21)에 전달하고, 베이스(2) 상의 안내 레일(2a, 2a)을 따라 X축 방향 가동판(21)을 X축 방향으로 진퇴시킨다. Y축 방향 이동 기구(32)는, 펄스 모터(35)의 회전 운동을, 볼나사(36)를 통해 직선 운동으로 변환하여 Y축 방향 가동판(22)에 전달하고, X축 방향 가동판(21) 상의 안내 레일(21a, 21a)을 따라 Y축 방향 가동판(22)을 Y축 방향으로 진퇴시킨다. 또한, 도시는 생략하지만, X축 방향 이동 기구(31), Y축 방향 이동 기구(32) 및 척 테이블(24)에는, 위치 검출 수단이 배치되어 있어, 척 테이블(24)의 X축 방향의 위치, Y축 방향의 위치, 둘레 방향의 회전 위치가 정확하게 검출된다. 척 테이블(24)의 위치는, 후술하는 제어 유닛(100)에 전달되고, 제어 유닛(100)으로부터 지시되는 지시 신호에 기초하여, X축 방향 이동 기구(31), Y축 방향 이동 기구(32) 및 도시하지 않는 척 테이블(24)의 회전 구동 수단이 구동되어, 임의의 좌표 위치 및 회전 각도에 척 테이블(24)을 위치시키는 것이 가능하다.

이동 기구(30)의 측방에는, 프레임체(4)가 세워서 설치된다. 프레임체(4)는, 베이스(2) 상에 배치되는 수직벽부(4a) 및 수직벽부(4a)의 상단부로부터 수평 방향으로 연장되는 수평벽부(4b)를 구비하고 있다. 프레임체(4)의 수평벽부(4b)의 내부에는, 촬상 유닛(40)의 광학계가 내장되어 있다. 도 1과 함께, 도 2에 나타내는 촬상 유닛(40)의 블록도를 참조하면서, 촬상 유닛(40)의 개략 구성에 대해서 설명한다.

촬상 유닛(40)은, 지지 유닛(20)에 지지된 피가공물(10)에 대향하는 촬상기(41)에 내장된 대물 렌즈(411)와, 대물 렌즈(411)로부터 연장되는 제1 광로(R1)에 배치된 빔 스플리터(42)와, 빔 스플리터(42)로부터 한쪽으로 연장되는 제2 광로(R2)에 배치된 화상 처리 유닛(43A)과, 빔 스플리터(42)로부터 다른 한쪽으로 연장되는 제3 광로(R3)에 배치된 조명 유닛(44A)을 포함한다.

조명 유닛(44A)은, 브로드밴드 펄스 광원(441)과, 브로드밴드 펄스 광원(441)으로부터 출력된 1 펄스의 광을 복수의 파장으로 분광하며 시간차를 발생시키는 분광기(442A)를 구비한다. 브로드밴드 펄스 광원(441)은, 광대역의 펄스형 광을 발진시키는 것이 가능한 광원이고, 예컨대, 펄스 레이저 발진기, Super Continuoum 광원, 플래시 램프 등으로 구성하는 것이 가능하다.

브로드밴드 펄스 광원(441)은, 예컨대, 이하와 같은 조건으로 광을 조사할 수 있게 되어 있다.

파장: 400 ㎚∼900 ㎚

출력: 100 W

반복 주파수: 1 K㎐∼1 ㎒

펄스 폭: 100 ㎱∼100 ㎰

분광기(442A)는, 일례로서, 도 2에 나타내는 FBG(Fiber Bragg Grating)에 의해 실현된다. FBG는, 광 파이버 내의 정해진 위치에 복수의 회절 격자를 정해진 간격으로 새김으로써 반사부(442a)를 형성하고, 반사부(442a)에 있어서 입사된 광의 특정한 파장 성분의 광만을 반사시킬 수 있다. 이러한 정해진 파장의 광을 반사시키는 반사부(442a)를, 광 파이버 내에 정해진 거리를 두고 복수 개 배치하고, 브로드밴드 펄스 광원(441)으로부터 발진된 광(L1)을, 복수의 파장의 광으로 분광하며, 파장에 따라 분광된 각 광에 상기 정해진 거리에 따른 시간차를 발생시켜 출력한다. 보다 구체적으로는, 브로드밴드 펄스 광원(441)으로부터 발진된 400 ㎚∼900 ㎚의 파장을 포함하는 광대역의 광(백색광)인 펄스광(L1)을, 광 파이버(443)를 통해 FBG에 의해 구성되는 분광기(442A)에 도입하고, 분광기(442A)에 의해, 상기 광(L1)을 50 ㎚ 간격의 파장(400 ㎚, 450 ㎚···850 ㎚, 900 ㎚)으로 분광하고, 각각의 파장에 따라, 10 ㎱의 시간차를 발생시킨 분광(P1∼P11)을 포함하는 광(L2)으로 한다. 분광기(442A)에 의해 분광된 광(L2)은, 분광기(442A)에 접속된 광 파이버(444)에 유도되어, 단부(444a)로부터 외부에 출력된다.

광 파이버(444)의 단부(444a)로부터 출력된 광(L2)은, 콜리메이션 렌즈(445)를 통해 평행광(L3)이 되어, 집광 렌즈(446)에 의해 집광되며, 빔 스플리터(42)에 유도된다. 상기한 바와 같이, 평행광(L3)은, 파장에 따라, 10 ㎱의 시간차를 발생시킨 분광(P1∼P11)으로 구성된다. 도면에서는 설명의 형편상, P1, P2, P9, P10 및 P11만을 표시하고 있지만, 실제는, P3∼P8도 포함되어 있다. 빔 스플리터(42)에 유도된 평행광(L3)은, 빔 스플리터(42)의 사면(42a)에서 정해진 비율로 반사되어, 빔 스플리터(42) 및 대물 렌즈(411)를 포함하는 제1 광로(R1)측에 유도되어, 대물 렌즈(411)를 통해 조명광(L4)으로서 피가공물(10)에 조사된다.

조명광(L4)이 조사된 피가공물(10)에서 반사된 복귀광(L5)은, 대물 렌즈(411)로 평행광이 되어, 빔 스플리터(42)로 되돌아가, 빔 스플리터(42)의 사면(42a)을 투과하여 집광 렌즈(447)에 의해 집광된 복귀광(L6)이 되어, 화상 처리 유닛(43A)에 유도된다. 또한, 빔 스플리터(42)로부터 연장되는 화상 처리 유닛(43A)이 배치된 광로를 제2 광로(R2)로 한다.

화상 처리 유닛(43A)은, 피가공물(10)로부터 반사되어 전달된 복귀광(L6)에 의해 피가공물(10)을 촬상하는 수단이고, 보다 구체적으로는, 복귀광(L6)을 분광하는 제1 회절 격자(431) 및 제2 회절 격자(432)를 구비한다. 제1 회절 격자(431)는, 복귀광(L6)을 파장마다 각도가 바뀌어 분광된 복귀광(L7)으로 하는 것이고, 제2 회절 격자(432)는, 복귀광(L7)을 파장마다 각도가 조정되어 평행하게 조정된 복귀광(L8)으로 하는 것이다. 복귀광(L8)은, 집광 렌즈(433) 및 콜리메이션 렌즈(434)에 의해, 그 확산 범위가 조정된 복귀광(L9)으로서 이미지 센서(435)에 유도된다. 이미지 센서(435)는, 제어 유닛(100)에 접속된다.

제어 유닛(100)은, 컴퓨터에 의해 구성되고, 제어 프로그램에 따라 연산 처리하는 중앙 연산 처리 장치(CPU)와, 제어 프로그램 등을 저장하는 리드 온리 메모리(ROM)와, 촬상한 화상 정보 등을 일시적으로 저장하기 위한 기록 및 판독 가능한 랜덤 액세스 메모리(RAM)와, 입력 인터페이스 및 출력 인터페이스를 구비하고 있다(상세에 대한 도시는 생략). 이미지 센서(435)에 의해 촬상된 화상 정보는, 제어 유닛(100)의 메모리(RAM)에 의해 구성되는 기억 수단(110)에 기억되며, 제어 유닛(100)의 출력 인터페이스를 통해 접속된 표시 수단(70)에 출력할 수 있다. 화상 처리 유닛(43A)을 이와 같이 구성함으로써, 이미지 센서(435)는, 피가공물(10)에서 반사되어 전송된 복귀광(L9)에 기초하여 피가공물(10)을 10 ㎱의 시간 간격으로 분해 사진과 같이 촬상할 수 있다. 또한, 제어 유닛(100)에는, 초고속도 촬상 장치(1)에 배치되는 각종 센서나, 여러 가지의 작동부, 예컨대, X축 방향 이동 기구(31), Y축 방향 이동 기구(32), 레이저 광선 조사 유닛(60) 등도 접속되어, 제어 유닛(100)에 의해 제어된다.

도 1로 되돌아가서 설명을 계속하면, 프레임체(4)의 수평벽부(4b)의 내부에는, 또한, 레이저 광선 조사 유닛(60)의 광학계(도시는 생략함)가 내장되어 있다. 수평벽부(4b)의 선단부 하면에는, 레이저 광선 조사 유닛(60)의 일부를 구성하는 집광기(62)가 배치되고, 집광기(62)의 내부에는, 도시하지 않는 집광 렌즈 등이 내장되어 있다. 레이저 광선 조사 유닛(60)에는, 레이저 발진기(도시는 생략함)가 배치되고, 상기 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 광선(LB)은 집광기(62)에 의해 집광되어, 지지 유닛(20)에 유지되는 피가공물(10)의 정해진 조사 위치에 조사된다.

얼라인먼트 유닛(50)은, 수평벽부(4b)의 선단부 하면에 있어서, 촬상 유닛(40)의 촬상기(41)의 X축 방향으로 인접하는 위치에 배치된다. 얼라인먼트 유닛(50)은, 가시광선을 조사하는 조명 유닛과, 가시광선에 의해 촬상하는 촬상 소자(CCD)를 구비하고 있다. 얼라인먼트 유닛(50)에 의해 피가공물(10)을 촬상함으로써, 촬상기(41)에 의해 촬상하는 위치와, 척 테이블(24)에 지지된 피가공물(10)의 촬상해야 하는 위치의 위치 맞춤이 정밀하게 행해진다.

본 실시형태의 초고속도 촬상 장치(1)는, 대략 상기한 바와 같은 구성을 구비하고 있고, 이 초고속도 촬상 장치(1)를 이용하여, 지지 유닛(20)에 지지된 피가공물(10)에 대하여 레이저 광선(LB)을 조사하여 가공흔을 형성하는 프로세스를, 초고속도 촬상 장치(1)에 의해 분해 사진과 같이 촬상하는 순서에 대해서 설명한다.

먼저, 도 1에 기초하여 설명한 바와 같이, 직사각형의 플레이트형으로 형성된, 예컨대 실리콘(Si)을 포함하는 피가공물(10)을 원형의 플레이트(12)의 중앙에 접착한 것을 준비하고, 척 테이블(24)에 배치하여, 도시하지 않는 흡인 수단을 작동시킴으로써 흡인 지지시킨다.

상기한 바와 같이 지지 유닛(20)의 척 테이블(24)에 피가공물(10)을 지지하였다면, X축 방향 이동 기구(31), Y축 방향 이동 기구(32)를 작동시켜, 척 테이블(24)을 이동시키고, 피가공물(10)을 얼라인먼트 유닛(50)의 바로 아래에 위치시켜, 레이저 광선(LB)을 조사하는 조사 위치의 위치를 검출한다. 또한, 조사 위치에는, 소망의 마킹이 실시되어 있는 것이 바람직하다.

얼라인먼트 유닛(50)에 의해 조사 위치의 검출이 행해졌다면, 이동 기구(30)를 작동시켜, 피가공물(10)의 조사 위치를, 대물 렌즈(411)를 구비한 촬상기(41)의 바로 아래에 위치시킨다. 도 3에 대물 렌즈(411)측에서 본 피가공물(10)을 나타내고, 레이저 광선 조사 유닛(60)에 의해 조사되는 레이저 광선(LB)의 조사위치(Q)와, 대물 렌즈(411)에 의해 초점이 맞추어져 촬상되는 영역(A)을 점선으로 나타낸다.

피가공물(10)을 촬상기(41)의 바로 아래에 위치시켰다면, 도 2에 나타내는 촬상 유닛(40)의 조명 유닛(44A)을 작동시킨다. 조명 유닛(44A)을 작동시킴으로써, 브로드밴드 펄스 광원(441)으로부터 광 파이버(443)를 통해, 펄스 폭이 100 ㎱인 광대역의 광(L1)이 분광기(442A)에 도입된다. 분광기(442A)는, 분광기(442A)에 도입된 광(L1)을 50 ㎚ 간격의 파장(400 ㎚, 450 ㎚···800 ㎚, 850 ㎚, 900 ㎚)의 광으로 분광하며, 분광된 각 광에 대하여 10 ㎱의 시간차를 발생시킨 광(L2)으로 하여, 광 파이버(444)를 통해 출력한다. 광 파이버(444)의 단부(444a)로부터 조사된 광(L2)은, 콜리메이션 렌즈(445)에 의해 평행광이 되어, 10 ㎱의 시간차로 파장이 400 ㎚, 450 ㎚···800 ㎚, 850 ㎚, 900 ㎚인 분광(P1)∼분광(P11)[평행광(L3)]으로서 출력된다. 또한, 브로드밴드 펄스 광원(441)으로부터는, 정해진 주파수에 따라, 광대역의 펄스형의 백색의 광(L1)이 반복 조사되어, 각 펄스형의 광(L1)에 대응하여, 각 광(L1)이 분광기(442)에 의해 상기한 바와 같이 분광된다.

상기한 평행광(L3)은, 집광 렌즈(446)를 거쳐 빔 스플리터(42)에 도입되고, 사면(42a)에서 정해진 비율로 반사되어, 척 테이블(24)측으로 광로가 변경되어 광(L4)이 된다. 빔 스플리터(42)에 의해 광로가 변경된 광(L4)은, 대물 렌즈(411)를 거쳐 피가공물(10)에 유도된다. 이에 맞추어, 피가공물(10)의 조사 위치(Q)에 대하여, 레이저 광선 조사 유닛(60)으로부터 가공용의 레이저 광선(LB)이 조사된다.

레이저 광선(LB)이 조사된 조사 위치(Q)를 포함하는 영역(A)(도 3을 참조) 및 영역(A)의 주변 영역을 포함하는 범위에서 반사된 복귀광(L5)을, 대물 렌즈(411)에서 평행광으로 하여 빔 스플리터(42)에 유도하여, 빔 스플리터(42)를 투과시킨다. 빔 스플리터(42)를 투과한 복귀광(L5)은, 집광 렌즈(447)에서 집광된 복귀광(L6)이 되어, 화상 처리 유닛(43A)에 유도된다.

화상 처리 유닛(43A)에 도입된 복귀광(L6)은, 먼저, 제1 회절 격자(431)에 유도된다. 제1 회절 격자(431)에는, 회절 격자로서 기능하는 중심부(431a)와, 회절 격자로서 기능하지 않도록 마스크 처리가 실시된 마스크부(431b)가 형성되어 있고, 레이저 광선(LB)이 조사된 영역(A)을, 보다 좁은 조사 위치(Q) 근방으로만 제한하는 1차원 마스크로서의 기능을 구비하고 있다. 제1 회절 격자(431)에 유도된 복귀광(L6)은, 도 2에 나타내는 바와 같이 분광되어, 파장마다 각도를 바꾸어 확산을 갖는 복귀광(L7)이 된다.

제1 회절 격자(431)에서 분광된 복귀광(L7)은, 제2 회절 격자(432)에 유도되어 각 파장의 분광(P1∼P11)이 평행한 복귀광(L8)이 된다. 제2 회절 격자(432)에서 반사되어 평행이 된 복귀광(L8)은, 집광 렌즈(433), 콜리메이션 렌즈(434)에서, 이미지 센서(435)의 촬상 영역에 맞도록 확산 범위가 조정되어, 이미지 센서(435)에 유도된다.

이미지 센서(435)에는, 10 ㎱의 시간 간격으로 피가공물(10) 상에 조사된 분광(P1∼P11)에 의해 피가공물(10)에 레이저 광선(LB)이 조사되었을 때의 프로세스가, 제1 회절 격자(431), 제2 회절 격자(432)에 의해 각도가 바뀐 상태로 화상 정보로서 전달된다.

이미지 센서(435)로 촬상된 상기 화상 정보는, 제어 유닛(100)에 배치된 기억 수단(110)에서 기억되며, 제어 유닛(100)에 접속된 표시 수단(70)에 출력되어, 도 2에 나타내는 바와 같이, 분광(P1∼P11)에 대응하여 연속적으로 표시된다. 분광(P1∼P11)은, 10 ㎱마다 피가공물(10)의 조사 위치(Q)를 포함하는 영역(A)을 포착한 것이며, 합계 100 ㎱의 시간 동안의 변화를, 10 ㎱ 간격으로 분해 사진과 같이 촬상하여 화상 정보로서 출력하고 있다. 즉, 이 화상 처리 유닛(43A)에서 포착되는 분해 화상의 분해능은 10 ㎱/초이기 때문에, 1/1억의 분해능의 초고속도 화상이고, 피가공물(10)이, 레이저 광선(LB)으로 고속으로 가공될 때의 메커니즘을 정확하게 검증할 수 있다. 또한, 브로드밴드 펄스 광원(441)의 반복 주파수와, 분광기(442A)에 의해 분광(P1∼P11)에 생기는 시간 간격을 적절하게 조정함으로써, 더욱 연속적으로 피가공물(10)이 가공될 때의 메커니즘을 검증하는 것도 가능하다.

본 발명에 따르면, 상기한 실시형태에 한정되지 않고, 여러 가지의 변형예가 제공된다. 도 2에 나타내는 촬상 유닛(40)에 배치된 화상 처리 유닛(43A)에서는, 제1 회절 격자(431) 및 제2 회절 격자(432)에 의해, 피가공물(10)에 조사되어 반사된 복귀광을 파장마다 각도를 바꾸어 분광하도록 하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 도 4에 나타내는 다른 화상 처리 유닛(43B)을 채용할 수도 있다. 또한, 도 4에 나타내는 화상 처리 유닛(43B)을 채용한 촬상 유닛(40)은, 도 4에 나타내는 다른 화상 처리 유닛(43B)을 제외하고, 도 2에 나타내는 촬상 유닛(40)과 동일한 구성이기 때문에 그 설명을 생략한다. 도 4에 나타내는 화상 처리 유닛(43B)에서는, 도 2에 나타내는 제1 회절 격자(431) 및 제2 회절 격자(432) 대신에, 반사 미러(45) 및 제3 회절 격자(46)가 배치되어 있다. 반사 미러(45)는, 화상 처리 유닛(43B)에 도입되는 50 ㎚ 간격의 파장(400 ㎚, 450 ㎚···850 ㎚, 900 ㎚)으로 분광된 분광(P1∼P11)을 포함하는 복귀광(L6)을 반사해서 그 광로 방향을 조정하여 복귀광(L7')으로 한다. 또한, 반사 미러(45)에도 반사 미러로서 기능하는 중심부(45a)와 반사 미러로서 기능하지 않도록 마스크 처리된 마스크부(45b)가 형성되어 있고, 레이저 광선(LB)이 조사된 영역(A)에 대하여, 보다 좁은 영역으로 촬상 영역을 제한하는 1차원 마스크로서의 기능을 갖는다.

복귀광(L7')은, 제3 회절 격자(46)에 유도되고, 제3 회절 격자(46)에 유도된 복귀광(L7')은, 도 4에 나타내는 바와 같이 분광되어, 파장마다 각도를 바꾸어 확산을 갖는 복귀광(L8')이 된다. 복귀광(L8')은, 콜리메이션 렌즈(434)에 의해 평행광이 되어, 이미지 센서(435)에 유도되어, 화상 정보로서 포착된다. 이미지 센서(435)에 유도된 화상 정보는, 상기한 실시형태와 마찬가지로, 제어 유닛(100)에 전달되어, 제어 유닛(100)에 배치된 기억 수단(110)에서 기억되며, 제어 유닛(100)에 접속된 표시 수단(70)에 출력되어 분광(P1∼P11)에 대응하여, 도 2에 나타내는 바와 같은 10 ㎱ 간격으로 분해 사진과 같이 촬상한 화상 정보가 된다.

또한, 본 발명은 상기한 실시형태의 조명 유닛(44A) 대신에, 도 5에 나타내는 다른 조명 유닛(44B)을 채용할 수 있다. 도 5를 참조하면서, 다른 조명 유닛(44B)에 대해서 설명한다.

도 5에 나타내는 조명 유닛(44B)에도, 조명 유닛(44A)과 동일한 브로드밴드 펄스 광원(441)이 배치된다. 브로드밴드 펄스 광원(441)으로부터 조사되는 광대역의 광(L1)은, 광 파이버(443)를 통해, 분광기(442B)에 도입된다. 분광기(442B)에 도입된 광(L1)은, 분광기(442B)에 배치된 콜리메이션 렌즈(448)에 의해 평행광이 되어, 제4 회절 격자(47)에 유도된다. 제4 회절 격자(47)에 유도된 광(L1)은, 제4 회절 격자(47)에 의해 파장에 따라 각도가 바뀌어 50 ㎚ 간격의 파장(400 ㎚, 450 ㎚···850 ㎚, 900 ㎚)으로 분광된 분광(P1∼P11)을 포함하는 광(L10)이 되고, 광(L10)이 반사 미러(48)에 유도된다. 또한, 도 5에서는, 파장마다의 광축만을 나타내고 있지만, 실제로는, 파장에 따라 연속적으로 각도가 변경된 광이 되어 조사된다.

반사 미러(48)에 의해 반사된 광(L10)은, 콜리메이션 렌즈(449)에 의해 평행한 광(L11)이 되어, 제4 회절 격자(47)가 분광한 파장마다 광로 길이가 달라 시간차를 발생시키는 지연 라인(49)의 도입부(49A)에 도입된다. 지연 라인(49)은, 길이가 다른 11개의 광 파이버(49a∼49k)에 의해 구성되고, 광 파이버(49a∼49k)의 각각에, 제4 회절 격자(47)에 의해 50 ㎚ 간격의 파장마다 각도가 바뀌어 파장(400 ㎚, 450 ㎚···850 ㎚, 900 ㎚)의 분광(P1∼P11)이 도입된다. 지연 라인(49)에 도입된 분광(P1∼P11)은, 지연 라인(49)을 구성하는 광 파이버(49a∼49k)를 통하여, 합파기(80)에 도입된다.

지연 라인(49)을 구성하는 광 파이버(49a∼49k)는, 광 파이버(49a)가 가장 짧고, 광 파이버(49b), 광 파이버(49c···)가 됨에 따라 순서대로 길어져, 광 파이버(49k)가 가장 길어지도록 설정되어 있다. 이때, 인접하는 각 광 파이버의 길이의 차는, 도입부(49A)에 동시에 입사된 광이 10 ㎱의 시간 간격을 갖고서 합파기(80)에 닿도록 설정된다. 합파기(80)에 도입된 분광(P1∼P11)은, 합파기(80)에서 합파되고, 광 파이버(444)의 단부(444a)로부터 광(L2)으로서 출력되어, 촬상 유닛(40)의 콜리메이션 렌즈(445)에 유도된다. 또한, 상기한 합파기(80)는, 주지의 파이버 커플러, 적분 로드(integration rod) 등에 의해 구성할 수 있다. 이 조명 유닛(44B)에 의해서도, 도 2에 기초하여 설명한 조명 유닛(44A)과 완전히 동일한 기능을 발휘할 수 있다.

상기한 실시형태에서는, 피가공물(10)에 레이저 광선 조사 유닛(60)으로부터 조사되는 레이저 광선(LB)을 조사하여 가공흔을 형성하는 프로세스를 촬상하도록, 초고속도 촬상 유닛(1)에 레이저 광선 조사 유닛(60)을 배치하였지만, 본 발명에서는, 반드시 초고속도 촬상 유닛(1)에 레이저 광선 조사 유닛(60)을 배치할 필요는 없고, 초고속도 촬상 유닛(1)과는 별도로, 레이저 광선 조사 유닛(60)을 준비하여도 좋다. 또한, 초고속도 촬상 장치(1)에 지지된 피가공물(10)에 대하여 가공을 실시하는 수단으로서, 반드시 레이저 광선 조사 유닛(60)을 구비할 필요는 없고, 크랙의 발생 프로세스를 촬상하기 위해, 피가공물(10)에 대하여 충격을 부여하는 장치여도 좋고, 가공 프로세스를 촬상하기 위해 배치되는 수단은, 특정한 수단에 한정되는 것이 아니다.

1: 초고속도 촬상 장치 2: 베이스
4: 프레임체 10: 피가공물
12: 플레이트 20: 지지 유닛
24: 척 테이블 30: 이동 기구
31: X축 방향 이동 기구 32: Y축 방향 이동 기구
40: 촬상 유닛 41: 촬상기
411: 대물 렌즈 42: 빔 스플리터
43A, 43B: 화상 처리 유닛 431: 제1 회절 격자
432: 제2 회절 격자 44A, 44B: 조명 유닛
441: 브로드밴드 펄스 광원 442A, 442B: 분광기
45: 반사 미러 46: 제3 회절 격자
47: 제4 회절 격자 49: 지연 라인
50: 얼라인먼트 유닛 60: 레이저 광선 조사 유닛
62: 집광기 80: 합파기
R1: 제1 광로 R2: 제2 광로
R3: 제3 광로

Claims

초고속도 촬상 장치에 있어서,
피가공물을 지지하는 척 테이블과,
상기 척 테이블에 지지된 피가공물을 촬상하는 촬상 유닛
을 구비하고,
상기 촬상 유닛은,
상기 척 테이블에 지지된 피가공물에 대향하는 대물 렌즈와,
상기 대물 렌즈로부터 연장되는 제1 광로에 배치된 빔 스플리터와,
상기 빔 스플리터로부터 연장되는 제2 광로에 배치된 화상 처리 유닛과,
상기 빔 스플리터로부터 연장되는 제3 광로에 배치된 조명 유닛을 포함하고,
상기 조명 유닛은, 브로드밴드 펄스 광원과, 상기 브로드밴드 펄스 광원으로부터 출사된 1 펄스의 광을 복수의 파장으로 분광하며 시간차를 발생시키는 분광기를 포함하고,
상기 화상 처리 유닛은,
시간차를 갖고서 상기 척 테이블에 지지된 피가공물에 조사된 복귀광을 파장마다 각도를 바꾸어 분광하는 회절 격자와,
상기 회절 격자에 의해 분광된 복귀광을 파장에 대응한 각도마다의 영역에서 분해 사진과 같이 촬상하는 이미지 센서를 포함하는, 초고속도 촬상 장치.
제1항에 있어서,
상기 이미지 센서에 의해 촬상된 화상을 기억하는 기억 수단과,
상기 기억 수단에 기억된 화상을 표시하는 표시 수단을 더 구비하는, 초고속도 촬상 장치.
제1항에 있어서, 상기 회절 격자는, 제1 회절 격자와, 제2 회절 격자를 포함하고, 상기 제1 회절 격자에 의해 복귀광을 파장마다 각도를 바꾸어 분광하고,
상기 제2 회절 격자는, 상기 제1 회절 격자에 의해 분광된 복귀광을 평행광으로 하여 상기 이미지 센서에 유도하는, 초고속도 촬상 장치.
제1항에 있어서, 상기 회절 격자는 반사 미러에서 미리 정해진 각도를 갖고서 반사된 복귀광을 파장마다 각도를 바꾸어 분광해서, 콜리메이션 렌즈를 통하여 상기 이미지 센서에 유도하는, 초고속도 촬상 장치.
제1항에 있어서, 상기 분광기는, 상기 브로드밴드 펄스 광원으로부터의 1 펄스의 광을 복수의 파장마다 각도를 바꾸어 분광하는 회절 격자와, 상기 회절 격자가 분광한 파장마다 광로 길이가 달라 시간차를 발생시키는 지연 라인과, 상기 지연 라인에 의해 파장마다 지연된 광을 합파(合波)하는 합파기를 포함하는, 초고속도 촬상 장치.