JPH10328859A

JPH10328859A - 光加工機及び加工物

Info

Publication number: JPH10328859A
Application number: JP9146718A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Tachikawa; 仁立川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 1998-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】光加工機において、光学素子毎にレーザ光の状
態の調整を行なうことができる光加工機を提供する。【解決手段】コヒーレント光を光源とする光加工機に
おいて、コヒーレント光の加工時の光軸外に、光加工機
を構成する光学素子を調整するための光計測器２０,２
１が設置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料に、物理的ま
たは化学的加工を施すための光加工機及びこの加工機に
より加工された加工物に関する。

【０００２】

【従来の技術】エキシマレーザなどに代表される、コヒ
ーレント光を利用した光加工は、他の化学反応や機械的
加工に比して、エネルギー効率が非常に悪いことから、
当初は利用範囲がごく限定されたものであり、工業的期
待は小さいものであった。

【０００３】しかし、近年の記述革新や社会変化によ
り、製品ニーズ、材料、光学技術、生産技術などの要件
が整い、特に微細加工の分野で、工業利用も盛んになっ
てきた。

【０００４】図８はマイクロマシン加工などに用いられ
る光学系を示した図である。

【０００５】図８に示すように、レンズの結像関係を多
用した方式の光加工機においては、各光学素子の光軸調
整や、ピント位置調整は、要求精度が高い。また、寸法
がカメラなどにくらべ大きいため、鏡筒など機構部品の
加工精度などが得られない。従って、光学調整は非常に
難しいものとなっている。

【０００６】このような光軸などの調整は、従来はヘリ
ウムネオンレーザなど、安価でコヒーレンスの良いレー
ザを光源として用いて行っていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エキシ
マレーザなどの加工用レーザの多くは、調整用のレーザ
と、波長もモードも異なるので、調整用レーザのみでは
微妙な調整は困難であり、また、多くの場合、調整用レ
ーザでは、結像性能のテストには使用できず、加工時に
多くのテスト品や損品を生ずる結果となっていた。

【０００８】また、加工製品の種類（段取り）変更によ
り、光量パターンの微妙な調整も必要な場合があること
や、温度変化、レーザガスの変化、光学部品の部分的劣
化、不慮の事故などにより、再調整が頻繁に行われる例
も多い。

【０００９】これらの調整を効率よく行うためには、加
工に使用しているレーザ自体の、エネルギや強度分布を
光学素子ごとに調整することが望まれる。

【００１０】ところが、従来例にみられるように、光学
素子や、加工治具は非常にコンパクトに密接して配置さ
れているため、これらの光学素子の間に、計測器を設置
するのは不可能な場合が多く、共役点など、測定に理想
的な場所での計測が不可能な場合も多い。

【００１１】従って、本発明は上述した課題に鑑みてな
されたものであり、その目的は、光加工機において、光
学素子毎にレーザ光の状態の調整を行なうことができる
光加工機を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するために、本発明に係わる光加工機は、コ
ヒーレント光を光源とする光加工機において、前記コヒ
ーレント光の加工時の光軸外に、前記光加工機を構成す
る光学素子を調整するための光計測器が設置されている
ことを特徴としている。

【００１３】また、この発明に係わる光加工機におい
て、加工用光学素子を設置する基準面と、前記光計測器
を設置する基準面とは、別の面であり、前記２つの基準
面間は、光学素子を用いた光学結合手段により光学的に
結合されていることを特徴としている。

【００１４】また、この発明に係わる光加工機におい
て、前記光学結合手段に、光ファイバを用いることを特
徴としている。

【００１５】また、この発明に係わる光加工機におい
て、前記光計測器が、光量分布測定装置であることを特
徴としている。

【００１６】また、この発明に係わる光加工機におい
て、前記光計測器が、コヒーレント光の広がり角測定装
置であることを特徴としている。

【００１７】また、この発明に係わる光加工機におい
て、前記光計測器が、光パルスのエネルギーを測定する
装置であることを特徴としている。

【００１８】また、この発明に係わる光加工機におい
て、前記光計測器が、分光器であることを特徴としてい
る。

【００１９】また、この発明に係わる光加工機におい
て、加工用光学素子を設置する基準面と、前記コヒーレ
ント光を発する光源を設置する基準面とは、別の面であ
り、前記２つの基準面間は、光学素子を用いた光学結合
手段により光学的に結合されていることを特徴としてい
る。

【００２０】また、本発明に係わる加工物は、請求項１
乃至８のいずれか１項に記載の光加工機で加工されたこ
とを特徴としている。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００２２】（第１の実施形態）図１は第１の実施形態
に係わる光加工機の構成を示す側面図であり、図２は図
１を上方から見た平面図である。

【００２３】図１及び図２において、１は光源であるエ
キシマレーザ、２は全光学系を設置する除振台、３は加
工光学系を設置する台、４はレーザから作業者を守る光
路カバー、５はレーザ光路を上向き折り曲げる跳ね上げ
ミラー、６は光路を水平向きにするとともに、エキシマ
レーザ光以外の波長は透過するダイクロックミラー、７
は光量調整用フィルタ、８はレーザパタンを整形する光
学系、９は光路を後述する光計測器２１の方向に向ける
可動ミラー、１０はレーザパタンをマスク上に形成する
照明レンズ、１１は加工パタンにレーザを切り出すマス
ク、１２はマスクを縦、横、光軸方向に移動させる３軸
ステージ、１３はレーザ波長のみを下向きに反射し、そ
れ以外の可視光などを透過させるダイクロックミラー、
１４はマスク像を投影する結像レンズ、１５は加工対象
である材料、１６は材料の位置、姿勢を任意に調整でき
る７軸程度のステージ、１７は移動可能な顕微鏡カメ
ラ、１８は観察用レンズ、１９は観察用カメラ、２０は
折り曲げミラー、２１は光計測器、２２は光軸調整用ヘ
リウムネオンレーザである。

【００２４】エキシマレーザ１から射出したほぼコヒー
レントな紫外線レーザ光は、跳ね上げミラー５により、
進行方向を上方に向けられる。ダイクロックミラー６で
再び地面に並行に進行方向をもどされたレーザ光は、フ
ィルター７で加工に適したエネルギーに調整された後、
整形光学系８でレーザ光強度の面分布の均一化、大きさ
の調整、広がり角度の調整などが施される。

【００２５】レーザ光強度の面分布を均一にする方法
は、従来からよく知られた、フライアイレンズによる手
法やプリズム分割による手法が用いられる場合が多い
が、これらのどちらを用いてもよい。

【００２６】その後、照明レンズ１０によりマスク１１
は均一に照明され、レーザ光はこのマスク１１により、
穴加工なら穴の形、ギア加工ならギア切断の形に切り出
される。ダイクロックミラー１３で反射され下向きに方
向を変えられたレーザ光は、結像レンズ１４によりマス
ク１１と共役の位置に置かれた材料１５上に結像され、
マスク１１の縮小像どおりに加工が施される。

【００２７】どのように加工されたかを確認するため、
測定対象１５の像は、ダイクロックミラー１３を透かし
て、結像レンズ１４と対で設計された観察レンズ１８で
結像され、観察用カメラ１９で撮影される。

【００２８】通常は、このように材料加工が行われる
が、初めての加工を行う場合や、経時変化した系を修正
するために、調整が必要になった時は、各種光計測器を
用いると、調整が容易になる。

【００２９】通常必要とされる、主な調整項目は、１）各光学素子前後でのレーザエネルギ流量２）各光学素子射出後のレーザの断面形状と、強度の均
一性３）整形光学系入射前後でのレーザの広がり角度であり、補助的に４）レーザパルスの発振時間形状と尖頭パワー５）レーザの波長６）レーザパルス間のエネルギばらつきなども検査される場合がある。

【００３０】本実施形態では、取り外し可能なミラー９
を光軸上に手動にて置けるように構成されている。この
ミラー９を調整時に測定必要部位の測定に適した場所に
取り付け、レーザを下方に向かわせる。レーザは折り曲
げミラー２０によって再び折り曲げられ、光計測器２１
に導かれる。ミラー９は、必要な測定項目に応じて、フ
ィルター７、整形光学系８、照明レンズ１０、マスク１
１などの光学素子の前後の適切な位置に設置される。ま
た、ミラー９の設置位置に応じて、その真下に来るよう
に折り曲げミラー２０が移動され、それにともなって光
計測器２１も移動される。

【００３１】光計測器２１をエネルギ計、紫外線カメラ
や後述する他の実施形態の測定器などに適宜変更するこ
とにより、上記１）〜６）の調整や検査が行われる。

【００３２】なお、測定位置は、台３に、ミラー９で反
射されたレーザ光を折り曲げミラー２０側に通過させる
ための穴を数多く開けるなどして、必要数だけ設けるこ
とが可能である。

【００３３】本実施形態の特有の効果として以下の点を
あげることができる。

【００３４】１）跳ね上げミラー５とダイクロックミラ
ー６がねじれた光軸に設定されているため、レーザビー
ムの断面の縦横が９０°回転される。通常、エキシマレ
ーザは縦方向に長い断面パタンで発振する製品が多い
が、この方式だと９０°回転し、横方向が長くなるた
め、レンズ系の高さを低くでき、安定したレンズ鏡筒形
状に製作できる。

【００３５】２）６がダイクロックミラーであるため、
光軸を粗調するヘリウムネオンレーザ２２がエキシマレ
ーザと同軸に打ち込める。

【００３６】通常、光軸調整用レーザは、加工用レーザ
に一体に取り付けられているが、本実施形態では、これ
らが別体であり、加工用レンズのみを独立に調整できる
ため、調整不良の原因が、レーザ側にあるのか光学系側
にあるのかを検討することが容易になる。

【００３７】３）跳ね上げミラー５を外すと、レーザの
光軸高さが、除振台２の上面に位置するため、光学系を
使わないレーザ実験を簡便に行える。たとえば、光学部
品のレーザ耐久や、材料の化学変化などの検討に使用し
やすい。

【００３８】４）可動な顕微鏡カメラ１７が設けられて
いるため、観察用レンズ１８では見ることのできない微
小な加工パタンを、光路を妨げる事なく、測定、観察す
ることが可能である５）観察用レンズ１８が結像用レン
ズ１４と対に設計されているため、エキシマレーザの波
長でのみ収差補正されている通常の結像レンズ１４を用
いて、材料１５の観察を、カメラ１９で収差なく可視光
にて観察できる。

【００３９】（第２の実施形態）図３は本発明の第２の
実施形態に係わる光加工機の構成を示す側面図であり、
光ファイバを用いて光計測器に光を導くようにしたもの
である。

【００４０】図３において、２０１は減光フィルタ、２
０２は紫外線用光ファイバ束、２０３は紫外線テレビカ
メラである。

【００４１】第１の実施形態の可動ミラー９と同様に設
置された光ファイバ束２０２の先端に、減光フィルタ２
０１で減光されたレーザ光が入射する。光ファイバ束２
０２内を伝送されたレーザ光はその断面強度分布を保存
したまま、直接結合した紫外線テレビカメラ２０３に入
射される。入射したレーザ光の断面強度分布は図示され
ていない画像処理装置で分析され、作業者に断面強度パ
タンを教示する。

【００４２】本実施形態の特有の効果として、以下の点
をあげることができる。

【００４３】１）光ファイバ束はミラーと異なり入射方
向角度の許容範囲が広いため、ミラーが不用意な方向に
設置されたために生じる、作業者への危険を軽減でき
る。

【００４４】（第３の実施形態）図４は、本発明の第３
の実施形態を示した図あり、光計測器を、光量分布測定
装置とした例を示している。その他の光加工機の光学系
及び可動ミラー９は、第１の実施形態と同様である。

【００４５】図４において、３０１は１次元撮像素子、
３０２は撮像素子３０１を駆動するモータ、３０３は画
像処理装置、３０４は制御用パーソナルコンピュータで
ある。

【００４６】第１の実施形態と同様に、光計測器である
１次元撮像素子３０１に入射したレーザ光は、光電変換
され、画像処理装置３０３内の図示されていないメモリ
に蓄積される。１次元撮像素子は、１回の取り込みでは
全レーザパタンを取り込めないため、必要回数駆動モー
タ３０２で移動され、レーザパタンを順次とりこんでい
く。

【００４７】全レーザパタンを取り込み後、画像処理装
置３０３は記憶されたレーザパタンを解析し、エネルギ
分布を求め、パーソナルコンピュータ３０４へ伝送す
る。

【００４８】パーソナルコンピュータ３０４は、エネル
ギ分布を分析し、加工に適さない場合、エキシマレーザ
１に指示してエネルギーを調整するか、調整の及ばない
範囲である場合、作業者に教示する。

【００４９】本実施形態の特有の効果として、以下の点
をあげることができる。

【００５０】１）１次元撮像素子は、通常のテレビカメ
ラより幅広く撮像できるため、縮小光学系などを設けな
くても、レーザの全パタンを測定することが可能であ
る。

【００５１】２）レーザ１の本体には、通常、総エネル
ギの制御機能しかないため、加工上最も重要である単位
面積当たりのエネルギの分布が正常かどうか検討するこ
とはできない。本実施形態のように、エネルギ分布を計
って、レーザ本体を制御することにより、安定な加工条
件を維持することが可能である。

【００５２】（第４の実施形態）図５は、本発明の第４
の実施形態を示した図であり、光計測器を、コヒーレン
ト光の広がり角測定装置とした例を示している。その他
の光加工機の光学系及び可動ミラー９は、第１の実施形
態と同様である。

【００５３】図５において、４０１はｆθレンズ、４０
２は紫外線テレビカメラ、４０３は画像処理装置、４０
４は制御用パーソナルコンピュータである。

【００５４】第１の実施形態と同様に、光計測器である
計測系に入射したレーザビームはｆθレンズ４０１でフ
ーリエ変換されて、広がり角度に比例した大きさのパタ
ンで紫外線カメラ４０２に結像される。広がり角θの計
算は、よく知られているように、 θ＝Ｄ／ｆで計算される。ただしｆはｆθレンズの焦点距離、Ｄは
広がり角を求めたい方向の、フーリエ変換パタンのカメ
ラ上での幅である。この値を画像処理装置４０３が求め
パーソナルコンピュータ４０４が表示する。

【００５５】第４の実施形態の特有の効果として、以下
の点をあげることができる。

【００５６】１）通常、大パワーレーザの広がり角は、
レーザ射出点近傍と、十分遠方までレーザが飛行した時
との２つのレーザ焼き付け形状の大きさの差で求める場
合が多い。

【００５７】これは、この手法の方が簡易であること
や、フーリエ変換レンズを使うより広がり角が小さく測
定されるため、レーザ製造業者の性能競争に有利である
などの理由による。

【００５８】しかしながら、レーザ加工装置の照明範囲
や照度分布を設計する上で必要な数値は、フーリエ変換
レンズで求めた値のほうが近いことは自明であり、本実
施形態のような装置が有用である。

【００５９】（第５の実施形態）図６は、本発明の第５
の実施形態を示した図であり、光計測器を、光パルスの
エネルギーを測定する装置とした例を示している。その
他の光加工機の光学系及び可動ミラー９は、第１の実施
形態と同様である。

【００６０】図６において、５０１は減光フィルタ、５
０２は単位面積にレーザ光を切り出す絞り板、５０３は
レーザ波長のみを通す干渉膜付きの窓、５０４は紫外線
増感した、絞り５０２より面積の十分大きなシリコンフ
ォトダイオードであり、立ち上がり時間は１μ秒程度の
ものが用いられる。５０５はフィルタ付き電流電圧変換
回路、５０６はピークホールド回路、５０７はＡ／Ｄ変
換器、５０８は制御用パーソナルコンピュータである。

【００６１】第１の実施形態と同様に、光計測器である
計測系に入射したレーザビームは、減光フィルタ５０１
で素子を痛めない光量に調整され、絞り５０２で必要な
大きさまで範囲をせばめられる。干渉膜つき窓５０３で
蛍光など、レーザと同相な成分を除去された光がシリコ
ンフォトダイオード５０４に入射する。フォトダイオー
ド５０４の立ち上がり周波数特性は、レーザのパルス幅
より、十分遅いものであるため、フォトダイオード５０
４の出力にあらわれる電荷は、入射した全フォトン数に
比例したものとなる。この電流を、適当なフィルタ付き
電流電圧変換回路５０５で電圧に変換すれば、その電圧
波形のピーク値もまた、入射した全フォトン数に比例し
たものとなる。そのピーク値をピークホールド回路５０
６で保持し、ＡＤ変換回路５０７でデジタル化し、パー
ソナルコンピュータ５０８に入力することによって、光
パルスの相対的変化が、パルス間のような短い時間の変
化でも、日々の変化など長期間の場合でも計測すること
が可能となる。

【００６２】本実施形態の特有の効果として、以下の点
をあげることができる。

【００６３】１）通常用いられる熱電効果を利用したセ
ンサと比べて、センサが安価なフォトダイオードである
ため、装置コストが低い。また遅いフォトダイオードで
あっても、熱電現象よりは早いため、早い繰り返しのパ
ルスレーザであっても使用できる。

【００６４】２）通常用いられる、光電効果を用いた光
電管より、はるかに安価で安定かつ、長寿命であるフォ
トダイオードであるため、装置コストが低い。また光電
管のように、パルスの時間波形をとらえるのではなく、
電荷の総量を測定するため、安定でかつ簡易な電子回路
を製作できる。通常の加工用エキシマレーザのようなパ
ルスレーザの場合、大規模な改修を行わない限り、パル
スの時間波形は不変であり、時間波形自体を測定する必
要は通常ありえないため、１パルス内のエネルギ量を計
測することで十分である。

【００６５】（第６の実施形態）図７は、本発明の第７
の実施形態を示した図であり、光計測器を、光パルスの
波長を測定する分光器とした例を示している。その他の
光加工機の光学系及び光ファイバ２０２は、第２の実施
形態と同様である。

【００６６】図７において、６０２はファブリペロ干渉
計、６０３はシリンドリカルタイプｆθレンズ、６０４
は分光像を部分的に切り出すスリット、６０５は１次元
ＰＳＤ（ポジションセンシングデバイス）、６０６はＡ
Ｄ変換器、６０７はパーソナルコンピュータである。

【００６７】第２の実施形態と同様に、光ファイバ２０
２を通して光計測器である分光計測系に入射したレーザ
ビームは、光ファイバ２０２の出射端で指向性をなくさ
れたあと、ファブリペロ干渉計６０２で、波長に対応し
た角分布に分光され、ｆθレンズ６０３で分光像として
ＰＳＤ６０５に結像される。分光像の重心位置に比例し
た電圧が、ＰＳＤ６０５より出力され、ＡＤ変換器６０
６でデジタル化され、パーソナルコンピュータ６０７で
波長が計算される。パーソナルコンピュータ６０７は、
波長が設定値よりずれた場合、警告を発するか、また
は、図示されていない波長調整装置に、波長修正を指示
する。

【００６８】本実施形態の特有の効果として、以下の点
をあげることができる。

【００６９】１）ファブリペロ干渉では光を効率的かつ
安定に散乱させる必要があるが、本実施形態では散乱に
光ファイバ出射端での広がり自体を利用しているため、
高価な蝿の目レンズや散乱素子を設けることなく、安定
した散乱角度を得ることができる。

【００７０】２）ｆθレンズにシリンドリカルレンズを
用いており、ファブリペロ干渉像が同心円ではなく、線
状になるため、２次元画像センサでなく、安価な１次元
ＰＳＤを用いることができる。

【００７１】３）ＰＳＤの前にスリットを設けてあるた
め、ファブリペロ干渉に見られる複数の干渉像の中から
任意の１つを選んで分析することが可能である。

【００７２】４）受光素子にＰＳＤを用いているため、
高価な画像処理を行うことなく、分光像の重心位置を測
定することが可能である。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光計測器が光軸外に設置可能な構造であるため、光加工
機の光学素子の間隔が狭くても、必要な光計測装置が設
置できて、必要な光計測が可能となり、光加工機の調整
が簡易になるため、光加工製品の低価格化や品質向上に
寄与する。

【００７４】また、光加工機の、光パルスのエネルギ測
定が光軸外で行えるため、光加工機の光学素子の間隔が
狭くても、光パルスのエネルギ測定装置が設置できるよ
うになり、光のパルスエネルギが適宜行えるため、光加
工機の調整が簡易になる。

【００７５】また、光加工機の、光の波長測定が光軸外
で行えるため、光加工機の光学素子の間隔が狭くても、
光の波長測定装置である分光器が設置できるようにな
り、光の波長測定が適宜行えるため、光加工機の調整が
簡易になる。

【００７６】また、安定した光加工機により製造された
安定な品質の加工品を製作することができる。

【００７７】

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係わる光加工機の構成を示す
側面図である。

【図２】図１を上方から見た平面図である。

【図３】本発明の第２の実施形態に係わる光加工機の構
成を示す側面図である。

【図４】本発明の第３の実施形態を示した図ある。

【図５】本発明の第４の実施形態を示した図である。

【図６】本発明の第５の実施形態を示した図である。

【図７】本発明の第７の実施形態を示した図である。

【図８】従来の光加工機を示す図である。

【符号の説明】

１エキシマレーザ２除振台３加工光学系設置台４光路カバー５跳ね上げミラー６ダイクロックミラー７光量調整用フィルタ８整形光学系９可動ミラー１０照明レンズ１１マスク１２３軸ステージ１３ダイクロックミラー１４結像レンズ１５加工対象材料１６７軸ステージ１７顕微鏡カメラ１８観察用レンズ１９観察用カメラ２０折り曲げミラー２１光計測器２２ヘリウムネオンレーザ２０１減光フィルタ２０２紫外線用光ファイバ束２０３紫外線テレビカメラ３０１１次元撮像素子３０２モータ３０３画像処理装置３０４パーソナルコンピュータ４０１ｆθレンズ４０２紫外線テレビカメラ４０３画像処理装置４０４パーソナルコンピュータ５０１減光フィルタ５０２絞り板５０３干渉膜付きの窓５０４フォトダイオード５０５電流電圧変換回路５０６ピークホールド回路５０７ＡＤ変換器５０８パーソナルコンピュータ６０２ファブリペロ干渉計６０３ｆθレンズ６０４スリット６０５ＰＳＤ６０６ＡＤ変換器６０７パーソナルコンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コヒーレント光を光源とする光加工機に
おいて、前記コヒーレント光の加工時の光軸外に、前記光加工機
を構成する光学素子を調整するための光計測器が設置さ
れていることを特徴とする光加工機。
【請求項２】加工用光学素子を設置する基準面と、前
記光計測器を設置する基準面とは、別の面であり、前記
２つの基準面間は、光学素子を用いた光学結合手段によ
り光学的に結合されていることを特徴とする請求項１に
記載の光加工機。
【請求項３】前記光学結合手段に、光ファイバを用い
ることを特徴とする請求項１に記載の光加工機。
【請求項４】前記光計測器が、光量分布測定装置であ
ることを特徴とする請求項１に記載の光加工機。
【請求項５】前記光計測器が、コヒーレント光の広が
り角測定装置であることを特徴とする請求項１に記載の
光加工機。
【請求項６】前記光計測器が、光パルスのエネルギー
を測定する装置であることを特徴とする請求項１に記載
の光加工機。
【請求項７】前記光計測器が、分光器であることを特
徴とする請求項１に記載の光加工機。
【請求項８】加工用光学素子を設置する基準面と、前
記コヒーレント光を発する光源を設置する基準面とは、
別の面であり、前記２つの基準面間は、光学素子を用い
た光学結合手段により光学的に結合されていることを特
徴とする請求項１に記載の光加工機。
【請求項９】請求項１乃至８のいずれか１項に記載の
光加工機で加工されたことを特徴とする加工物。