特開 2023-63097 対物光学系の球面収差調整方法、対物光学系及びレーザ加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023063097

(43)【公開日】2023-05-09

(54)【発明の名称】対物光学系の球面収差調整方法、対物光学系及びレーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/00 20060101AFI20230427BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20230427BHJP

   G02B 21/02 20060101ALI20230427BHJP

【ＦＩ】

G02B13/00

B23K26/064 A

G02B21/02 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021173390

(22)【出願日】2021-10-22

(71)【出願人】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(74)【代理人】

【識別番号】100170069

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 一樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128635

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100140992

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲政

(72)【発明者】

【氏名】梶谷 和男

【テーマコード（参考）】

2H087

4E168

【Ｆターム（参考）】

2H087KA09

2H087LA01

2H087NA01

2H087PA05

2H087PA06

2H087PA17

2H087PB05

2H087PB06

2H087QA03

2H087QA06

2H087QA17

2H087QA21

2H087QA25

2H087QA32

2H087QA37

2H087QA41

2H087QA45

2H087RA45

4E168AE01

4E168CB07

4E168CB15

4E168DA02

4E168DA24

4E168EA11

4E168JA12

(57)【要約】

【課題】 媒質の深さ方向に集光点を移動させた場合に、媒質内の集光点を回折限界に維持することが可能な対物光学系の球面収差調整方法、対物光学系及びレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 対物レンズ（１０４）と、対物レンズに対して媒質の反対側に配置されたディオプタ調節光学系（１０２Ａ、１０２Ｂ）とを備える対物光学系（１００Ａ、１００Ｂ）の球面収差調整方法において、ディオプタ調節光学系によりレーザ光の光束の発散度又は収れん度を変化させ、対物光学系の回折限界を保ったまま媒質内における集光点の深さを変化させる。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対物レンズと、前記対物レンズに対して媒質の反対側に配置されたディオプタ調節光学系とを備える対物光学系の球面収差調整方法において、
前記ディオプタ調節光学系によりレーザ光の光束の発散度又は収れん度を変化させ、前記対物光学系の回折限界を保ったまま前記媒質内における集光点の深さを変化させる、対物光学系の球面収差調整方法。

【請求項2】

前記媒質の表面から前記媒質内における集光点までの距離が短くなるほど、前記ディオプタ調節光学系に与える正のパワーを大きくし、前記媒質の表面から前記媒質内における集光点までの距離が長くなるほど、前記ディオプタ調節光学系に与える負のパワーの絶対値を大きくする、請求項１に記載の対物光学系の球面収差調整方法。

【請求項3】

前記媒質の屈折率が１．７以上である、請求項１又は２に記載の対物光学系の球面収差調整方法。

【請求項4】

対物レンズと、
前記対物レンズに対して媒質の反対側に配置されたディオプタ調節光学系であって、レーザ光の光束の発散度又は収れん度を変化させ、回折限界を保ったまま前記媒質内における集光点の深さを変化させるディオプタ調節光学系と、
を備える対物光学系。

【請求項5】

前記ディオプタ調節光学系は、焦点距離可変レンズ、透過型空間光変調器、デフォーマブルミラー及び反射型空間光変調器のうちの１つを含む、請求項４に記載の対物光学系。

【請求項6】

前記対物レンズの開口数は０．６～０．９である、請求項４又は５に記載の対物光学系。

【請求項7】

前記ディオプタ調節光学系と前記対物レンズとの間に配置された光学系であって、前記ディオプタ調節光学系が前記対物レンズと共役になるようにリレーする光学系を備える、請求項４から６のいずれか１項に記載の対物光学系。

【請求項8】

前記対物レンズ内の一部のレンズを光軸方向に移動させて、前記対物レンズの球面収差を調整する球面収差調整機構を備える、請求項４から７のいずれか１項に記載の対物光学系。

【請求項9】

請求項４から８のいずれか１項に記載の対物光学系であって、前記レーザ光を前記媒質内の集光点に集光させる対物光学系を備えるレーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は対物光学系の球面収差調整方法、対物光学系及びレーザ加工装置に係り、特に媒質の内部に集光点を形成するレーザ加工用の集光レンズ又は顕微鏡対物レンズ等の対物光学系に適用可能な球面収差補正の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工では加工対象物の表面近傍ではなく内部に集光させて内部にレーザ加工領域を発生させる手法がある。レーザ加工用の集光レンズの集光性能を確保するためには、加工対象物内の集光点において回折限界まで絞る必要がある。また、レーザ顕微鏡では観察対象の標本の内部にピントを合わせて観察することがある。顕微鏡対物レンズの分解能についても、レーザ加工用の集光レンズの場合と同様に、標本内の合焦点において回折限界まで絞る必要がある。

【0003】

レーザ加工用の集光レンズ及び顕微鏡対物レンズでは、集光点及び合焦点との間の光線の向きが異なるのみであるため、以下の説明では、集光レンズ及び対物レンズを単に対物レンズと記載し、光が透過する加工対象物及び観察対象の標本を媒質又は透明媒質と記載する場合がある。

【0004】

レーザ加工装置において媒質内で収束される光線は、透過する媒質の厚み（集光点の深さ）の変化に伴って球面収差が変化する。このため、媒質内において集光点を変更する場合、光線が透過する媒質の厚みの変化に起因する球面収差を調節するため、対物レンズ内部に球面収差調節機構を設けることがある。例えば、特許文献１には、顕微鏡対物レンズにおいて、カバーガラスの厚み変動によって発生する球面収差を補正する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平５－１１９２６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、媒質内において集光点を変更した場合、光線が透過する媒質の厚みの変化に起因する球面収差に加えて、対物レンズ側でも球面収差が発生する。このため、対物レンズにおいて集光性能又は分解能を確保するためには、対物レンズ側で発生する球面収差を解消する必要がある。

【0007】

本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、媒質の深さ方向に集光点を移動させた場合に、媒質内の集光点を回折限界に維持することが可能な対物光学系の球面収差調整方法、対物光学系及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、対物レンズと、対物レンズに対して媒質の反対側に配置されたディオプタ調節光学系とを備える対物光学系の球面収差調整方法において、ディオプタ調節光学系によりレーザ光の光束の発散度又は収れん度を変化させ、対物光学系の回折限界を保ったまま媒質内における集光点の深さを変化させる。

【0009】

本発明の第２の態様は、第１の態様において、媒質の表面から媒質内における集光点までの距離が短くなるほど、ディオプタ調節光学系に与える正のパワーを大きくし、媒質の表面から媒質内における集光点までの距離が長くなるほど、ディオプタ調節光学系に与える負のパワーの絶対値を大きくする。

【0010】

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、媒質の屈折率が１．７以上である。

【0011】

本発明の第４の態様に係る対物光学系は、対物レンズと、対物レンズに対して媒質の反対側に配置されたディオプタ調節光学系であって、レーザ光の光束の発散度又は収れん度を変化させ、回折限界を保ったまま媒質内における集光点の深さを変化させるディオプタ調節光学系とを備える。

【0012】

本発明の第５の態様に係る対物光学系は、第４の態様において、ディオプタ調節光学系は、焦点距離可変レンズ、透過型空間光変調器、デフォーマブルミラー及び反射型空間光変調器のうちの１つを含む。

【0013】

本発明の第６の態様に係る対物光学系は、第４又は第５の態様において、対物レンズの開口数は０．６～０．９である。

【0014】

本発明の第７の態様に係る対物光学系は、第４から第６の態様のいずれかにおいて、ディオプタ調節光学系と対物レンズとの間に配置された光学系であって、ディオプタ調節光学系が対物レンズと共役になるようにリレーする光学系を備える。

【0015】

本発明の第８の態様に係る対物光学系は、第４から第７の態様のいずれかにおいて、対物レンズ内の一部のレンズを光軸方向に移動させて、対物レンズの球面収差を調整する球面収差調整機構を備える。

【0016】

本発明の第９の態様に係るレーザ加工装置は、第４から第８のいずれかの対物光学系であって、レーザ光を媒質内の集光点に集光させる対物光学系を備える。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、媒質内での集光点の深さを回折限界に保ったまま変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る対物光学系の例を示す側面図である。

【図2】図２は、集光点の深さの変更の例を説明するための側面図である。

【図3】図３は、集光点の深さの変更に起因する球面収差の例を示す図である。

【図4】図４は、対物レンズと媒質との間の距離を変化させた場合の光線図である。

【図5】図５は、対物レンズと媒質との間の距離を変化させた場合に発生する球面収差の例を示す図である。

【図6】図６は、球面収差の調整の例を説明するための図である。

【図7】図７は、球面収差の調整の調整結果を示す図である。

【図8】図８は、実施例１において集光点の深さを変化させたときの球面収差を計算した結果を示すグラフである。

【図9】図９は、図８に示した例（ａ１）～例（ａ５）の光線図である。

【図10】図１０は、実施例１に係る対物レンズを示す断面図である。

【図11】図１１は、実施例１に係る対物レンズのレンズデータを示す表である。

【図12】図１２は、ディオプタ変換素子に与えるパワーと対物レンズから媒質の表面までの距離との対応関係を示す表である。

【図13】図１３は、ディオプタ変換素子に正負のパワーを与えたときに発生する球面収差を示すグラフである。

【図14】図１４は、図１２及び図１３に示した例（ｂ１）～例（ｂ５）の光線図である。

【図15】図１５は、実施例１に係る球面収差の調整結果を示すグラフである。

【図16】図１６は、図１５に示した例（ｃ１）～例（ｃ５）の光線図である。

【図17】図１７は、図１５に示した例（ｃ１）～例（ｃ５）におけるストレール比を示す表である。

【図18】図１８は、実施例２において集光点の深さを変化させたときの球面収差を計算した結果を示すグラフである。

【図19】図１９は、図１８に示した例（ｄ１）～例（ｄ５）の光線図である。

【図20】図２０は、実施例２に係る対物レンズを示す断面図である。

【図21】図２１は、実施例２に係る対物レンズのレンズデータを示す表である。

【図22】図２２は、ディオプタ変換素子に与えるパワーと対物レンズから媒質の表面までの距離との対応関係を示す表である。

【図23】図２３は、ディオプタ変換素子に正負のパワーを与えたときに発生する球面収差を示すグラフである。

【図24】図２４は、図２２及び図２３に示した例（ｅ１）～（ｅ５）の光線図である。

【図25】図２５は、実施例２に係る球面収差の調整結果を示すグラフである。

【図26】図２６は、図２５に示した例（ｆ１）～例（ｆ５）の光線図である。

【図27】図２７は、図２５に示した例（ｆ１）～例（ｆ５）におけるストレール比を示す表である。

【図28】図２８は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の概略を示した構成図である。

【図29】図２９は、制御装置の構成を示したブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、添付図面に従って本発明に係る対物光学系の球面収差調整方法、対物光学系及びレーザ加工装置の実施の形態について説明する。

【0020】

［対物光学系］
図１は、本発明の一実施形態に係る対物光学系の例を示す側面図である。

【0021】

図１に示す対物光学系（１００Ａ及び１００Ｂ）は、レーザ光ＬＢを透過する媒質（レーザ加工の加工対象物）Ｗの内部の集光点（Ｆ０～Ｆ３）にレーザ光ＬＢを集光させるものである。

【0022】

図１（ａ）に示す対物光学系１００Ａは、透過型のディオプタ変換素子１０２Ａ及び対物レンズ１０４を含んでいる。一方、図１（ｂ）に示す対物光学系１００Ｂは、反射型のディオプタ変換素子１０２Ｂ及び対物レンズ１０４を含んでいる。なお、図１（ｂ）の符号１０６は、光路の中継（折り曲げ）のために設けられたミラー（例えば、全反射ミラー）である。

【0023】

いずれの例においても、ディオプタ変換素子（１０２Ａ及び１０２Ｂ）は、対物レンズ１０４の入射光束側（媒質Ｗの反対側）に配置されている。ディオプタ変換素子（１０２Ａ及び１０２Ｂ）は、正又は負の屈折パワーを持たせることで、レーザ光ＬＢを収束又は発散させ、レーザ光ＬＢの収れん度又は発散度を変化させることが可能となっている。これにより、回折限界を保ったまま媒質Ｗ内の集光点（Ｆ０～Ｆ３）の深さ方向の位置を光軸方向に沿って変更することが可能となっている。

【0024】

ここで、ディオプタ変換素子（１０２Ａ及び１０２Ｂ）は、ディオプタ調節光学系の一例であり、連続的に正負のパワーを可変させることが可能となっている。パワーの調節機能を静止した場合には、ディオプタ変換素子（１０２Ａ及び１０２Ｂ）は光学的に凸レンズ又は凹レンズと同等である。

【0025】

透過型のディオプタ変換素子１０２Ａとしては、例えば、焦点距離可変レンズ、又は透過型の空間光変調器（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal on Silicon）を用いることが可能である。また、反射型のディオプタ変換素子１０２Ｂとしては、例えば、デフォーマブルミラー又は反射型の空間光変調器（ＬＣＯＳ）を用いることが可能である。

【0026】

対物レンズ１０４は、媒質Ｗ内の集光点（Ｆ０～Ｆ３）にレーザ光ＬＢを集光させるものである。

【0027】

本実施形態では、ディオプタ変換素子（１０２Ａ及び１０２Ｂ）により、媒質Ｗ内の集光点（Ｆ０～Ｆ３）の深さを変更可能となっている。図１（ａ）に示すように、ディオプタ変換素子１０２Ａのパワーを０にした場合の集光点をＦ０とする。ディオプタ変換素子１０２Ａの入射側に凹レンズのパワーを持たせた場合の集光点Ｆ１は、ディオプタ変換素子１０２Ａのパワーを０にした場合の集光点Ｆ０よりも媒質Ｗの表面Ｗａから遠い（深い）位置になる。一方、ディオプタ変換素子１０２Ａの入射側に凸レンズのパワーを持たせた場合の集光点Ｆ２は、ディオプタ変換素子１０２Ａのパワーを０にした場合の集光点Ｆ０よりも媒質Ｗの表面Ｗａに近い（浅い）位置になる。

【0028】

上述のように、媒質Ｗ内での集光点（Ｆ０～Ｆ３）の深さを変更すると、球面収差が発生する。対物レンズ１０４は、正弦条件を満たして球面収差及びコマ収差を小さくするよう設計されている。このような対物レンズ１０４を用いる場合、集光点（Ｆ０～Ｆ３）を光軸方向にずらすために入射する光束の発光点位置を変えると球面収差が発生する。

【0029】

本実施形態では、集光点（Ｆ０～Ｆ３）の深さの変化に伴って媒質Ｗ内で発生する球面収差と、対物レンズ１０４で発生する球面収差を相殺させることで、回折限界までの集光性能を保ったまま媒質Ｗ内での集光点移動を達成する。

【0030】

なお、図１では、ディオプタ変換素子（１０２Ａ及び１０２Ｂ）と対物レンズ１０４との間には光学素子は配置されていないが、本発明はこれに限定されない。ディオプタ変換素子（１０２Ａ及び１０２Ｂ）と対物レンズ１０４との間に、レーザ光ＬＢの中継のための光学系（リレー光学系）を設けてもよい。この場合、ディオプタ変換素子（１０２Ａ及び１０２Ｂ）と対物レンズ１０４のレンズ瞳とが光学的に共役になるようにすればよい。

【0031】

（集光点の深さ変更）
次に、透過型のディオプタ変換素子１０２Ａを備える対物光学系１００Ａの場合を例にとって、集光点の深さの変更について説明する。図２は、集光点の深さの変更の例を説明するための側面図である。

【0032】

図２（ａ）に示すように、ディオプタ変換素子１０２Ａのパワーを０にした場合、レーザ光ＬＢの光線は、ディオプタ変換素子１０２Ａによって曲げられることなく直進する。ここで、対物レンズ１０４は、媒質Ｗ内の所定の深さ位置の集光点Ｆ０に球面収差が補正された状態で集光するように設計されている。

【0033】

図２（ａ）において、対物レンズ１０４から媒質Ｗの表面Ｗａまでの距離ＷＤをＷＤ＝ＷＤ１とし、媒質Ｗの表面Ｗａから集光点Ｆ０までの距離（集光点の深さ）ｄをｄ＝ｄ１とする。

【0034】

図２（ｂ）に示すように、ディオプタ変換素子１０２Ａの入射側に凹レンズのパワーを持たせた場合、レーザ光ＬＢがディオプタ変換素子１０２Ａによって曲げられる。この場合、媒質Ｗの表面Ｗａから集光点Ｆ０までの距離ｄをｄ１とするためには、対物レンズ１０４から媒質Ｗの表面Ｗａまでの距離ＷＤをＷＤ１よりも長いＷＤ２にする（ＷＤ２＞ＷＤ１）。

【0035】

上記のように、ディオプタ変換素子１０２Ａの入射側に凹レンズのパワーを持たせた場合には、図３に示すように、対物レンズ１０４側では負の球面収差が発生する。

【0036】

（球面収差の調整）
次に、球面収差の調整について説明する。

【0037】

図４（ａ）は、媒質Ｗの表面Ｗａから集光点Ｆ０までの距離ｄ１の位置で球面収差が最小になるように設計された対物レンズ１０４（図２（ａ）参照）を用いたときの光線図である。

【0038】

図４（ｂ）に示すように、対物レンズ１０４を媒質Ｗに近づけると、媒質Ｗの表面Ｗａから集光点Ｆまでの距離ｄ２はｄ１よりも長くなる。

【0039】

上記のように、対物レンズ１０４を媒質Ｗに近づけた場合には、図５に示すように、対物レンズ１０４側では正の球面収差が発生する。

【0040】

本実施形態では、図３に示す負の球面収差と、図５に示す正の球面収差とを相殺することにより、対物光学系１００Ａの球面収差の調整を行う。図６は、球面収差の調整の例を説明するための図である。

【0041】

図６に示す例では、ディオプタ変換素子１０２Ａの入射側に凹レンズのパワーを持たせている。この場合、媒質Ｗの表面Ｗａから集光点Ｆ０までの距離ｄをｄ１とするためには、対物レンズ１０４から媒質Ｗの表面Ｗａまでの距離ＷＤをＷＤ１よりも長くする必要があるが（図２（ｂ）参照）、図６に示す例では、対物レンズ１０４から媒質Ｗの表面Ｗａまでの距離ＷＤがＷＤ１で一定になっており、媒質Ｗ内の集光点Ｆ０の深さｄがｄ＝ｄ１となるように、ディオプタ変換素子１０２Ａが調整されている。

【0042】

図７は、球面収差の調整の調整結果を示す図である。図７に示すように、ディオプタ変換素子１０２Ａにパワーを持たせて集光点の深さを変更したことに起因する球面収差（図３）と、対物レンズ１０４を媒質Ｗに近づけたことに起因する球面収差（図５）とが相殺することがわかる。

【0043】

上記のように、本実施形態によれば、媒質Ｗ内で発生する球面収差と、対物レンズ１０４で発生する球面収差を相殺させることで、回折限界までの集光性能を保ったまま媒質Ｗ内での集光点移動を達成することができる。

【0044】

ここで、媒質Ｗの屈折率が１．７以上の場合には、媒質Ｗ内における集光点の深さによって発生する球面収差と、対物レンズ１０４で発生する球面収差が相殺し、ストレール比０．８以上の無収差と言える集光性能を確保することができる（実施例１及び実施例２参照）。

【0045】

ここで、ストレール比とは、無収差光学系の像面における集光割合を１００％としたときの、収差のある光学系における集光割合の比率をいう。一般に、ストレール比が８０％の場合を回折限界といい、ストレール比が８０％を超えている場合には、対物光学系１００Ａは、十分な集光性能を有しているとされる。

【0046】

さらに、媒質の屈折率が３以上の場合には、対物レンズ１０４と媒質Ｗとの間の距離を変えずに集光点の深さを変えることができる。オートフォーカスは媒質Ｗの表面Ｗａの反射を測るものであるが、媒質の屈折率が３以上の場合、対物レンズ１０４と媒質Ｗとの間の距離を変える必要がないので、オートフォーカスの条件を変更することなく、媒質Ｗ内での集光点の深さを変更できる。

【0047】

また、対物レンズ１０４としては、球面収差調整機構を持つ対物レンズである補正環付き対物レンズ（例えば、特許文献１参照）を用いることも可能である。補正環付き対物レンズでは、対物レンズ１０４を構成する複数のレンズのうち少なくとも１群のレンズを光軸方向に沿って移動させて面間隔を調整することにより、球面収差を調節することが可能となっている。これにより、媒質Ｗ内で球面収差が補正される深さの調節ができるため表面付近から深い方へ範囲を広げることができる。

【0048】

ここで、対物レンズ１０４の焦点距離をｆ、開口数をＮＡ（Numerical Aperture）、媒質Ｗの屈折率（絶対屈折率）をｎとしたときに、下記の条件式（１）を満たすことが好ましい。ｆ・ＮＡ／ｎの値が０．１より小さいと十分なＮＡを確保できず、１．４より大きいと対物レンズ１０４の設計が難しくなる。

【0049】

【数1】

【0050】

さらに、下記の条件式（２）を満たすことが好ましい。

【0051】

【数2】

【0052】

上記の条件式を満たすことにより、対物レンズ１０４と媒質Ｗとの距離を適切にとることが可能な対物レンズ１０４を設計することができる。

【0053】

また、対物レンズ１０４の開口数（ＮＡ）は、０．６以上０．９未満であることが好ましい。この開口数の数値範囲は、下記の理由に基づくものである。すなわち、対物レンズ１０４の開口数が０．６未満の場合、レーザ光ＬＢを収束させてエネルギー密度を十分に高めることができなくなり、媒質Ｗ内の加工に必要なエネルギーを得ることが困難となる。一方、対物レンズ１０４の開口数が０．９以上の場合、対物レンズ１０４の光学設計上の困難さから媒質Ｗの表面Ｗａまでの距離ＷＤを長くとることができなくなる。なお、必要とされる距離ＷＤの目安はおおよそ１ｍｍ以上である。

【0054】

［実施例１］
実施例１では、レーザ光ＬＢの波長を１０６４ｎｍ、対物レンズ１０４の開口数（ＮＡ）を０．６５、媒質Ｗの屈折率を３．５５とする。そして、媒質Ｗ内における集光点の深さｄがｄ＝０．５ｍｍの場合に球面収差が最小となるように設計された対物レンズ１０４を用いる。

【0055】

図８は、実施例１において、集光点の深さｄを変化させたときの球面収差を計算した結果を示すグラフである。図９は、図８に示した例（ａ１）～例（ａ５）の光線図である。

【0056】

図８に示すように、集光点の深さｄが０．５ｍｍ（例（ａ３））より短くなると負の球面収差が発生し（例（ａ１）及び例（ａ２））、反対に集光点の深さｄが０．５ｍｍより大きくなると正の球面収差が発生することが分かる（例（ａ４）及び例（ａ５））。

【0057】

図１０は、実施例１に係る対物レンズを示す断面図である。実施例１に係る対物レンズ１０４は、波長１０６４ｎｍ、ＮＡ０．６５、焦点距離３．６ｍｍである。

【0058】

図１０に示すように、対物レンズ１０４は、５枚のレンズ１０４Ａ～１０４Ｅを含んでいる。対物レンズ１０４に含まれるレンズは、レーザ光ＬＢの入射側（上流側）から順に１０４Ａ～１０４Ｅとする。

【0059】

また、ディオプタ変換素子１０２Ａは、対物レンズ１０４の最上流側の面（レンズ１０４Ａの面Ｓ１）からの距離Ｌ１がＬ１＝８．４ｍｍの位置に配置している。

【0060】

実施例１に係る対物レンズ１０４のレンズデータを図１１に示す。図１１に示す表には、５枚のレンズ１０４Ａ～１０４Ｅの面Ｓ１～Ｓ１０の曲率半径、下流側の次の面との間の間隔（面間隔）及びレンズ１０４Ａ～１０４Ｅの屈折率が示されている。

【0061】

実施例１に係る対物レンズ１０４は、平行光のレーザ光ＬＢを入射させたとき屈折率３．５５の媒質Ｗの表面Ｗａから０．５ｍｍの位置で球面収差が最小になるように設計されている。

【0062】

図１２は、ディオプタ変換素子１０２Ａに正負のパワーを与えたときに、集光点の深さｄをｄ＝０．５ｍｍとするための対物レンズ１０４から媒質Ｗの表面Ｗａまでの距離ＷＤの変化を示す表である。図１３は、ディオプタ変換素子１０２Ａに正負のパワーを与えたときに発生する球面収差を示すグラフであり、図１４は、図１２及び図１３に示した例（ｂ１）～例（ｂ５）の光線図である。

【0063】

例（ｂ１）では、ディオプタ変換素子１０２Ａに＋７．１Ｄの正パワーを与えている。正パワー＋７．１Ｄを焦点距離に変換すると、下記のようになる。

【0064】

【数3】

【0065】

すなわち、例（ｂ１）では、ディオプタ変換素子１０２Ａは焦点距離約１４１ｍｍの正レンズとなる。この場合、図１３（例（ｂ１））に示すように、球面収差はプラス側に出る。そして、図１２に示すように、集光点の深さｄをｄ＝０．５ｍｍとするための対物レンズ１０４から媒質Ｗの表面Ｗａまでの距離ＷＤは、ディオプタ変換素子１０２Ａにパワーを与えない例（ｂ３）（ＷＤ＝２．８５ｍｍ）と比べて２．７５ｍｍと短くなる。

【0066】

例（ｂ３）では、ディオプタ変換素子１０２Ａのパワーがゼロであり、パワーゼロを焦点距離に変換すると無限大となる。この場合、対物レンズ１０４に平行光を入射させるのと同じである。そして、図１３（例（ｂ３））に示すように、球面収差は最小である。また、上述のように、例（ｂ３）の場合、ＷＤ＝２．８５である（図１２参照）。

【0067】

例（ｂ５）では、ディオプタ変換素子１０２Ａに－８．４Ｄの負パワーを与えている。負パワー－８．４Ｄを焦点距離に変換すると、下記のようになる。

【0068】

【数4】

【0069】

すなわち、例（ｂ５）では、ディオプタ変換素子１０２Ａは焦点距離約１１９ｍｍの負レンズとなる。この場合、図１３（例（ｂ５））に示すように、球面収差はマイナス側に出る。そして、図１２に示すように、距離ＷＤは、例（ｂ３）（ＷＤ＝２．８５ｍｍ）と比べて２．９５ｍｍと長くなる。

【0070】

上記のように、図１２に示す例では、ディオプタ変換素子１０２Ａに与えるパワーが大きくなるほど、距離ＷＤが短くなっている。

【0071】

図１５は、実施例１に係る球面収差の調整結果を示すグラフであり、図１６は、図１５に示した例（ｃ１）～例（ｃ５）の光線図である。

【0072】

図１５に示す例では、ディオプタ変換素子１０２Ａのパワーゼロの例（ｃ３）よりも集光点の深さが浅くなるほど（媒質Ｗの表面からの距離が短くなるほど）、ディオプタ変換素子１０２Ａに与える正のパワーを大きくする。一方、例（ｃ３）の場合よりも集光点の深さが深くなるほど（媒質Ｗの表面からの距離が長くなるほど）、ディオプタ変換素子１０２Ａに与える負のパワーの絶対値を大きくする。これにより、図１５に示すように、図８に示した媒質Ｗ内で発生する球面収差と、図１３に示した対物レンズ１０４で発生する球面収差が相殺される。

【0073】

なお、図１３では距離ＷＤを変化させたが、図１５ではディオプタ変換素子１０２ＡのパワーをゼロにしたときのＷＤ＝２．８５ｍｍに固定して媒質Ｗ内での集光点の位置ｄを計算している。

【0074】

図１６に示すように、例（ｃ１）では、ＷＤ＝２．８５ｍｍでｄ＝０．１４５ｍｍであり、例（ｃ３）では、ディオプタ変換素子１０２ＡのパワーがゼロでＷＤ＝２．８５ｍｍでｄ＝０．５ｍｍである。そして、例（ｃ５）では、ＷＤ＝２．８５ｍｍでｄ＝０．８５５ｍｍとなる。

【0075】

図１７は、例（ｃ１）～例（ｃ５）におけるストレール比を示す表である。実施例１では、例（ｃ１）～例（ｃ５）のいずれの例においても、球面収差が相殺されて小さくなっており、ストレール比は０．９９となっている。すなわち、例（ｃ１）～例（ｃ５）のいずれの例においても、対物光学系１００Ａは、十分に回折限界といわれる０．８を越えており、十分な集光性能を有することがわかる。

【0076】

［実施例２］
実施例２では、レーザ光ＬＢの波長を１０６４ｎｍ、対物レンズ１０４のＮＡを０．８３、媒質Ｗの屈折率３．５５とする。そして、媒質Ｗ内における集光点の深さｄがｄ＝０．５ｍｍの場合に球面収差が最小となるように設計された対物レンズを用いる。

【0077】

図１８は、実施例２において、集光点の深さｄを変化させたときの球面収差を計算した結果を示すグラフである。図１９は、図１８に示した例（ｄ１）～例（ｄ５）の光線図である。

【0078】

図１８に示すように、集光点の深さｄが０．５ｍｍ（例（ｄ３））より小さくなると負の球面収差が発生し（例（ｄ１）及び例（ｄ２））、反対に０．５ｍｍより大きくなると正の球面収差が発生することが分かる（例（ｄ４）及び例（ｄ５））。

【0079】

図２０は、実施例２に係る対物レンズを示す断面図である。実施例２に係る対物レンズ１０４は、波長１０６４ｎｍ、ＮＡ０．８３、焦点距離１．８ｍｍである。

【0080】

図２０に示すように、対物レンズ１０４は、６枚のレンズ１０４Ａ～１０４Ｆを含んでいる。対物レンズ１０４に含まれるレンズは、レーザ光ＬＢの入射側（上流側）から順に１０４Ａ～１０４Ｆとする。

【0081】

また、ディオプタ変換素子１０２Ａは、対物レンズ１０４の最上流側の面（レンズ１０４Ａの面Ｓ１）からの距離Ｌ１がＬ１＝８．４ｍｍの位置に配置している。

【0082】

実施例２に係る対物レンズ１０４のレンズデータを図２１に示す。図２１に示す表には、６枚のレンズ１０４Ａ～１０４Ｆの面Ｓ１～Ｓ１２の曲率半径、下流側の次の面との間の間隔（面間隔）及びレンズ１０４Ａ～１０４Ｆの屈折率が示されている。

【0083】

実施例２に係る対物レンズ１０４は、平行光のレーザ光ＬＢを入射させたとき屈折率３．５５の媒質Ｗの表面Ｗａから０．５ｍｍの位置で球面収差が最小になるように設計されている。

【0084】

図２２は、ディオプタ変換素子１０２Ａに正負のパワーを与えたときに、集光点の深さｄをｄ＝０．５ｍｍとするための対物レンズ１０４から媒質Ｗの表面Ｗａまでの距離ＷＤの変化を示す表である。図２３は、ディオプタ変換素子１０２Ａに正負のパワーを与えたときに発生する球面収差を示すグラフであり、図２４は、図２２及び図２３に示した例（ｅ１）～（ｅ５）の光線図である。

【0085】

例（ｅ１）では、ディオプタ変換素子１０２Ａに＋１５．６Ｄの正パワーを与えている。正パワー＋１５．６Ｄを焦点距離に変換すると、下記の式のようになる。

【0086】

【数5】

【0087】

すなわち、例（ｅ１）では、ディオプタ変換素子１０２Ａは焦点距離約６４ｍｍの正レンズとなる。この場合、図２３（例（ｅ１））に示すように、球面収差はプラス側に出る。そして、図２２に示すように、集光点の深さｄをｄ＝０．５ｍｍとするための対物レンズ１０４から媒質Ｗの表面Ｗａまでの距離ＷＤは、ディオプタ変換素子１０２Ａにパワーを与えない例（ｅ３）（ＷＤ＝１．５ｍｍ）と比べて１．４４ｍｍと短くなる。

【0088】

例（ｅ３）では、ディオプタ変換素子１０２Ａのパワーがゼロであり、パワーゼロを焦点距離に変換すると無限大となる。この場合、対物レンズ１０４に平行光を入射させるのと同じである。そして、図１３（例（ｅ３））に示すように、球面収差は最小である。また、上述のように、例（ｅ３）の場合、ＷＤ＝１．５である（図２２参照）。

【0089】

例（ｅ５）では、ディオプタ変換素子１０２Ａに－２２．７Ｄの負パワーを与えている。負パワー－２２．７Ｄを焦点距離に変換すると、下記のようになる。

【0090】

【数6】

【0091】

すなわち、例（ｅ５）では、ディオプタ変換素子１０２Ａは焦点距離約４４ｍｍの負レンズとなる。この場合、図２３（例（ｅ５））に示すように、球面収差はマイナス側に出る。そして、図２２に示すように、距離ＷＤは、例（ｅ３）（ＷＤ＝１．５ｍｍ）と比べて１．５６ｍｍと長くなる。

【0092】

上記のように、図２２に示す例では、ディオプタ変換素子１０２Ａに与えるパワーが大きくなるほど、距離ＷＤが短くなっている。

【0093】

図２５は、実施例２に係る球面収差の調整結果を示すグラフであり、図２６は、図２５に示した例（ｆ１）～例（ｆ５）の光線図である。

【0094】

図２５に示す例では、ディオプタ変換素子１０２Ａのパワーがゼロの例（ｆ３）よりも集光点の深さが浅くなるほど（媒質Ｗの表面からの距離が短くなるほど）、ディオプタ変換素子１０２Ａに与える正のパワーを大きくする。一方、例（ｆ３）の場合よりも集光点の深さが深くなるほど（媒質Ｗの表面からの距離が長くなるほど）、ディオプタ変換素子１０２Ａに与える負のパワーの絶対値を大きくする。これにより、図２５に示すように、図１８に示した透明媒質内で発生する球面収差と、図２３に示した対物レンズ１０４で発生する球面収差が相殺される。

【0095】

なお、図２３では距離ＷＤを変化させたが、図２５ではディオプタ変換素子１０２ＡのパワーをゼロにしたときのＷＤ＝１．５ｍｍに固定して媒質Ｗ内での集光点の位置ｄを計算している。

【0096】

図２６に示すように、例（ｆ１）では、ＷＤ＝１．５ｍｍでｄ＝０．２８７ｍｍであり、例（ｆ３）では、ディオプタ変換素子１０２ＡのパワーがゼロでＷＤ＝１．５ｍｍでｄ＝０．５ｍｍである。そして、例（ｆ５）では、ＷＤ＝１．５ｍｍでｄ＝０．７１３ｍｍとなる。

【0097】

図２７は、例（ｆ１）～例（ｆ５）におけるストレール比を示す表である。実施例２では、例（ｆ１）～例（ｆ５）のいずれの例においても、球面収差が相殺されて小さくなっており、ストレール比はいずれも０．９以上となっている。すなわち、例（ｆ１）～例（ｆ５）のいずれの例においても、対物光学系１００Ａは、十分に回折限界といわれる０．８を越えており、十分な集光性能を有することがわかる。

【0098】

なお、上記の実施形態によれば、レーザ光ＬＢの光源の発光位置を移動させる機構（例えば、機械的な移動機構）を要しない。

【0099】

光源の発光位置を移動することにより集光点の深さｄを変更する方法では、集光点の移動量は、下記に示す単レンズに関する結像公式に従う。

【0100】

【数7】

【0101】

ここで、対物レンズは厚さ０の理想的な薄肉レンズとし、対物レンズの焦点距離ｆ、光源から対物レンズまでの距離ａ、対物レンズから集光点までの距離ｂとする。

【0102】

例えば、特許文献１では、ａがｂより大きい値をとる配置となっている。このため、ｂを変化させるためにはａの変化量は大きくなる。例えば、ｆ＝４ｍｍのとき、初期状態でａ＝２００ｍｍとするとｂ＝４．０８ｍｍとなる。初期状態から光源を５０ｍｍ移動してａ＝１５０ｍｍにするとｂ＝４．１１ｍｍとなる。この場合、ｂの差分０．０３ｍｍが集光点の移動量に相当する。

【0103】

上記のように、光源の発光位置を移動する方法では、光源の移動量に対して集光点の移動量が小さい。すなわち、集光点を移動させる距離が大きくなるほど、光源の移動量がより大きくなり、光源の移動のための機構が大規模になりうる。上記の実施形態では、集光点の深さｄを変更するために、レーザ光ＬＢの光源の発光位置を移動させる機構を設ける必要がないので、装置を簡略化することができる。

【0104】

［レーザ加工装置］
次に、上記の実施形態に係る対物光学系（１００Ａ、１００Ｂ）を備えたレーザ加工装置の例について、図２８及び図２９を参照して説明する。

【0105】

（レーザ加工装置の構成）
図２８は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の概略を示した構成図である。図２８に示すように、本実施形態のレーザ加工装置１０は、ステージ１２と、加工装置本体（光学系ユニット）２０と、加工レンズ２６と、制御装置５０とを備えている。なお、本実施形態では、加工装置本体２０と制御装置５０とが別々に構成される場合を例示したが、この構成に限らず、加工装置本体２０は制御装置５０の一部又は全部を含んでいてもよい。

【0106】

ステージ１２は、被加工物を吸着保持するものである。ステージ１２は、ステージ駆動機構２８（図２９参照）によりＸ方向及びθ方向に移動可能に構成される。ステージ駆動機構２８としては、例えば、ボールねじ機構、リニアモータ機構等の種々の機構にて構成することができる。ステージ駆動機構２８の動作は、制御装置５０（移動制御部５４）により制御される。なお、図２８においては、ＸＹＺの３方向は互いに直交し、このうちＸ方向およびＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向は鉛直方向である。また、θ方向は、鉛直方向軸（Ｚ軸）を回転軸とする回転方向である。

【0107】

本実施形態では、被加工物として、シリコンウェーハ等の半導体ウェーハ（以下、「ウェーハ」という。）Ｗが適用される。ウェーハＷは、格子状に配列された切断予定ラインによって複数の領域に区画され、この区画された各領域に半導体チップを構成する各種デバイスが形成されている。なお、本実施形態においては、被加工物としてウェーハＷを適用した場合について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ガラス基板、圧電セラミック基板、ガラス基板なども適用することができる。

【0108】

ウェーハＷは、デバイスが形成された表面（デバイス面）に粘着材を有するバックグラインドテープ（以下、ＢＧテープ）が貼付され、裏面が上向きとなるようにステージ１２に載置される。ウェーハＷの厚さは、特に制限はないが、典型的には７００μｍ以上、より典型的には７００μｍ～８００μｍである。

【0109】

なお、ウェーハＷは、一方の面に粘着材を有するダイシングテープが貼付され、このダイシングテープを介してフレームと一体化された状態でステージ１２に載置されるようにしてもよい。

【0110】

加工装置本体２０は、筐体２１と、レーザ光源２２と、空間光変調器２４と、リレー光学系３０と、ビームエキスパンダ３２と、λ／２波長板３４とを備えている。

【0111】

筐体２１の内部には、レーザ光源２２、空間光変調器２４、リレー光学系３０、ビームエキスパンダ３２、及びλ／２波長板３４が配置される。なお、レーザ光源２２は、筐体２１の外部（例えば、筐体２１の天面や側面など）に配置されていてもよい。また、筐体２１の底面には、加工レンズ２６が着脱自在に取り付けられる。

【0112】

加工装置本体２０は、本体駆動機構２９（図２参照）によりＹ方向及びＺ方向に移動可能に構成される。本体駆動機構２９としては、例えば、ボールねじ機構、リニアモータ機構等の種々の機構にて構成することができる。本体駆動機構２９の動作は、制御装置５０（移動制御部５４）により制御される。これにより、ウェーハＷにおける加工位置（レーザ加工領域を形成する位置）に応じて、加工装置本体２０をＹ方向に移動させることができると共に、加工装置本体２０をＺ方向に移動させることができる。そのため、加工レンズ２６により集光されるレーザ光Ｌの集光点の位置を変化させて、レーザ加工領域をウェーハＷの所望の位置に形成することができる。

【0113】

レーザ光源（ＩＲレーザ光源）２２は、ウェーハＷの内部にレーザ加工領域を形成するための加工用のレーザ光Ｌを出射する。レーザ光源２２によるレーザ光Ｌの出射動作は、制御装置５０（レーザ制御部５６）により制御される。レーザ光Ｌの条件としては、例えば、光源が半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ、波長が１．１μｍ、レーザ光スポット断面積が３．１４×１０^－８ｃｍ^２、発振形態がＱスイッチパルス、繰り返し周波数が８０～２００ｋＨｚ、パルス幅が１８０～３７０ｎｓ、出力が８Ｗである。

【0114】

空間光変調器２４は、２次元的に配列された複数の画素（微小変調素子）からなる光変調面を備えており、光変調面に入射した光の位相を画素毎に変調する位相変調型の空間光変調器である。空間光変調器２４は、加工レンズ２６のレンズ瞳（射出瞳）２６ａと光学的に共役な位置に配置されている。空間光変調器２４は、後述する空間光変調器制御部５８により設定された所定の変調パターンに基づき、光変調面に入射した光の位相を画素毎に変調して、変調後の光を所定の方向に向けて出射する。なお、空間光変調器２４としては、例えば、反射型液晶（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal on Silicon）の空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）が用いられる。空間光変調器２４の動作、及び空間光変調器２４で呈示される変調パターンは、制御装置５０（空間光変調器制御部５８）によって制御される。変調パターンは、空間光変調器２４の光変調面を構成する複数の画素のそれぞれに対応する制御値（位相変化量）が２次元的に分布するパターン（２次元情報）であってもよいし、変調領域内（光変調面）の変調をある関数で表したときの係数情報のようなものであってもよい。

【0115】

加工レンズ２６は、レーザ光ＬをウェーハＷの内部に集光させる対物レンズ（集光光学系）である。この加工レンズ２６の開口数（ＮＡ）は、例えば０．６５である。

【0116】

リレー光学系３０は、空間光変調器２４と加工レンズ２６との間のレーザ光Ｌの光路に設けられている。リレー光学系３０は、少なくとも２つのレンズ３０ａ、３０ｂ（以下、「第１レンズ３０ａ」、「第２レンズ３０ｂ」という。）を有している。リレー光学系３０は、アフォーカル光学系（両側テレセントリックな光学系）を構成しており、空間光変調器２４で変調されたレーザ光Ｌを加工レンズ２６に投影する。このリレー光学系３０は、両側テレセントリックな縮小光学系であり、その投影倍率（以下、単に「倍率」ともいう。）は１より小さく（例えば０．６６）となっている。

【0117】

ビームエキスパンダ３２は、レーザ光源２２から出射されたレーザ光Ｌを空間光変調器２４のために適切なビーム径に拡大する。λ／２波長板３４は、空間光変調器２４へのレーザ光入射偏光面を調整する。

【0118】

また、図示を省略したが、加工装置本体２０には、ウェーハＷとのアライメントを行うためのアライメント光学系、及びウェーハＷと加工レンズ２６との間の距離（ワーキングディスタンス）を一定に保つためのオートフォーカスユニット等が備えられている。

【0119】

制御装置５０は、例えばパーソナルコンピュータやマイクロコンピュータなどの汎用のコンピュータによって実現されるものである。

【0120】

制御装置５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェース等を備えている。制御装置５０では、ＲＯＭに記憶されている制御プログラム等の各種プログラムがＲＡＭに展開され、ＲＡＭに展開されたプログラムがＣＰＵによって実行されることにより、図２に示した制御装置５０内の各部の機能が実現され、入出力インターフェースを介して各種の演算処理や制御処理が実行される。

【0121】

図２９は、制御装置５０の構成を示したブロック図である。図２９に示すように、制御装置５０は、主制御部５２、移動制御部５４、レーザ制御部５６、空間光変調器制御部５８、及びメモリ部６０として機能する。

【0122】

主制御部５２は、制御装置５０を構成する各部（移動制御部５４、レーザ制御部５６、空間光変調器制御部５８、及びメモリ部６０を含む）を統括的に制御する。

【0123】

移動制御部５４は、ステージ１２と加工装置本体２０との相対移動を制御するものである。移動制御部５４は、ステージ１２のＸ方向及びθ方向の移動を制御する制御信号をステージ駆動機構２８に出力すると共に、加工装置本体２０のＹ方向及びＺ方向の移動を制御する制御信号を本体駆動機構２９に出力する。

【0124】

レーザ制御部５６は、レーザ光Ｌの出射を制御するものである。レーザ制御部５６は、レーザ光Ｌの波長、パルス幅、強度、出射タイミング、及び繰り返し周波数などを制御する制御信号をレーザ光源２２に出力する。

【0125】

空間光変調器制御部５８は、空間光変調器２４の動作を制御する制御信号を空間光変調器２４に出力する。すなわち、空間光変調器制御部５８は、所定の変調パターンを空間光変調器２４に呈示させる制御を行う。

【0126】

メモリ部６０は、制御装置５０に備えられた外部メモリ（例えばハードディスクやフレキシブルディスク等）又は内部メモリ（例えば半導体メモリからなるＲＡＭやＲＯＭ等）により構成される。

【0127】

上記のようなレーザ加工装置１０の加工レンズ２６として、本実施形態に係る対物光学系（１００Ａ、１００Ｂ）を用いることができる。これにより、媒質ＷとしてのウェーハＷ内の異なる深さ位置にレーザ加工領域を形成する際に、集光点の深さに関わらず集光性能を確保することが可能になり、レーザ加工領域の加工精度を確保することが可能になる。

【0128】

上記の実施形態では、対物光学系（１００Ａ、１００Ｂ）をレーザ加工装置１０に適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。上記の実施形態に係る対物光学系（１００Ａ及び１００Ｂ）は、顕微鏡対物レンズにも適用可能である。この場合、標本内の合焦点の深さに関わらず分解能を確保することが可能になる。

【符号の説明】

【0129】

１００Ａ、１００Ｂ…対物光学系、１０２Ａ、１０２Ｂ…ディオプタ変換素子、１０４…対物レンズ、１０６…ミラー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】