(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-04
(45)【発行日】2023-09-12
(54)【発明の名称】レーザ加工装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/046 20140101AFI20230905BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20230905BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20230905BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20230905BHJP
【ＦＩ】
B23K26/046
B23K26/064 A
B23K26/00 M
G01C3/06 120P
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2019219423
(22)【出願日】2019-12-04
(65)【公開番号】P2021087973
(43)【公開日】2021-06-10
【審査請求日】2022-11-16
(73)【特許権者】
【識別番号】000137694
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
(74)【代理人】
【識別番号】110000637
【氏名又は名称】弁理士法人樹之下知的財産事務所
(72)【発明者】
【氏名】久保 光司
【審査官】柏原 郁昭
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／１２１６８５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－２２３６５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－２５１４７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００３／０２２７６１４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－０２０１８７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２６／０４６
Ｂ２３Ｋ ２６／０６４
Ｂ２３Ｋ ２６／００
Ｇ０１Ｃ ３／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力される駆動信号に応じて合焦位置が周期的に変化する焦点距離可変光学系と、前記焦点距離可変光学系を介してワークに検出光を照射する光源と、
前記ワークで反射された前記検出光を受光して光検出信号を出力する光検出器と、
入力される前記光検出信号に基づき、前記検出光が前記ワークの表面で合焦した合焦タイミングに同期した同期パルス信号を出力する信号処理部と、
入力される前記同期パルス信号に基づいてパルスレーザ光を発振し、前記焦点距離可変光学系を介して前記ワークに前記パルスレーザ光を照射するレーザ発振器と、を備える
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項2】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、前記焦点距離可変光学系と前記レーザ発振器との間において、前記焦点距離可変光学系の前記合焦位置に対して共役関係を成す位置に配置され、前記パルスレーザ光が通過する開口部が形成されたレーザ加工用マスクをさらに備える
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項3】
請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置であって、前記光検出器は、前記焦点距離可変光学系の合焦位置が前記ワークの表面に一致したときに前記光検出信号がピークになるように配置され、
前記信号処理部は、前記光検出信号の前記ピークを前記合焦タイミングとして検出し、当該合焦タイミングに同期した前記同期パルス信号を出力する
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項4】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、前記焦点距離可変光学系を通して前記ワークを撮像する撮像素子をさらに備え、
前記焦点距離可変光学系は、
入力される前記駆動信号に応じて屈折率が周期的に変化する液体共振式レンズと、
前記液体共振式レンズと同じ光軸上に配置された対物レンズと、
前記対物レンズの射出瞳と前記液体共振式レンズの主点位置とを共役にするよう配置された複数のリレーレンズと、を有する
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、焦点距離可変光学系を用いたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ＦＰＤ（Flat Panel Display）やＩＣ（Integrated Circuit）ウェーハ等の製造分野では、微細な回路の欠陥を修正する目的で、ワークの観察を行いながら当該ワークに対してレーザ加工を行うレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなレーザ加工装置では、観察光学系とレーザ加工光学系との間で対物レンズなどの光学系が共有されており、レーザ発振器は、観察光学系の視野に配置されたワークに対し、レーザ加工光学系に配置されたレーザ加工用のマスクを介してレーザを照射する。
【0003】
また、従来、周期的に合焦位置が変動する焦点距離可変光学系を用いた画像検出技術が知られている（例えば特許文献２参照）。この画像検出技術では、対象物に対する合焦位置を周期的に変化させながら撮像を行うことにより、フォーカルスイープ画像が得られる。この画像は、フォーカス状態とデフォーカス状態とが混合した混合画像であり、当該混合画像に対してデコンボリューション処理を行うことにより、ＥＤＯＦ画像（Extended Depth Of Focus画像、拡張焦点深度画像）が生成される。このＥＤＯＦ画像では、通常の焦点深度の数倍～数十倍の実効的な焦点深度が得られるため、ワークの傾きや段差などによって必要となる再フォーカス動作の頻度を低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１２－５５９１０号公報
【文献】特開２０１８－８４８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明者は、前述の焦点距離可変光学系を、特許文献１などに記載されたレーザ加工装置に適用することを検討している。
しかし、レーザ加工光学系に焦点距離可変光学系が組み込まれた場合、ワークに対するレーザ加工光学系の合焦位置が変動してしまう。これにより、ワーク表面の所望部位にレーザ光を正確に集光させることが困難になり、レーザ加工の精度が低下してしまう。
しかし、レーザ加工光学系に焦点距離可変光学系が組み込まれた場合、ワークに対するレーザ加工光学系の合焦位置が変動してしまう。これにより、ワーク表面の所望部位にレーザ光を正確に集光させることが困難になり、レーザ加工の精度が低下してしまう。
【0006】
本発明の目的は、焦点距離可変光学系を用いつつ高精度なレーザ加工を行うことができるレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、入力される駆動信号に応じて合焦位置が周期的に変化する焦点距離可変光学系と、前記焦点距離可変光学系を介してワークに検出光を照射する光源と、前記ワークで反射された前記検出光を受光して光検出信号を出力する光検出器と、入力される前記光検出信号に基づき、前記検出光が前記ワークの表面で合焦した合焦タイミングに同期した同期パルス信号を出力する信号処理部と、入力される前記同期パルス信号に基づいてパルスレーザ光を発振し、前記焦点距離可変光学系を介して前記ワークに前記パルスレーザ光を照射するレーザ発振器と、を備えることを特徴とする。
【0008】
このような構成において、光源から出射された検出光は、焦点距離可変光学系を通過することにより、光軸方向の合焦位置を変化させながらワークに照射される。当該ワークで反射された検出光は、合焦位置の変化の影響を受けながら光検出器に受光されるため、光検出器から入力される光検出信号には、合焦位置の変化の影響が含まれている。信号処理部は、このような光検出信号に基づいて、検出光の合焦位置がワークの表面に一致したタイミング（合焦タイミング）を検出することができ、この合焦タイミングに同期した同期パルス信号を出力する。
レーザ発振器は、信号処理部から入力された同期パルス信号に基づいてパルスレーザ光を発振することにより、当該パルスレーザ光を合焦タイミングに合わせて出射することができる。このとき、焦点距離可変光学系を介してワークに照射されるパルスレーザ光は、ワークの表面で合焦するため、ワーク表面の所望部位にレーザ光を正確に集光させることができる。
したがって、本発明のレーザ加工装置によれば、焦点距離可変光学系を用いつつ、高精度なレーザ加工を行うことができる。
なお、本発明のレーザ加工装置が焦点距離可変光学系を用いることの利点は、観察光学系を構築した際に再フォーカス動作の頻度を低減できることだけでなく、ワークの表面に段差等がある場合、ワークの位置調整なしに、ワークの表面にパルスレーザ光が合焦できることがある。
レーザ発振器は、信号処理部から入力された同期パルス信号に基づいてパルスレーザ光を発振することにより、当該パルスレーザ光を合焦タイミングに合わせて出射することができる。このとき、焦点距離可変光学系を介してワークに照射されるパルスレーザ光は、ワークの表面で合焦するため、ワーク表面の所望部位にレーザ光を正確に集光させることができる。
したがって、本発明のレーザ加工装置によれば、焦点距離可変光学系を用いつつ、高精度なレーザ加工を行うことができる。
なお、本発明のレーザ加工装置が焦点距離可変光学系を用いることの利点は、観察光学系を構築した際に再フォーカス動作の頻度を低減できることだけでなく、ワークの表面に段差等がある場合、ワークの位置調整なしに、ワークの表面にパルスレーザ光が合焦できることがある。
【0009】
本発明のレーザ加工装置は、前記焦点距離可変光学系と前記レーザ発振器との間において、前記焦点距離可変光学系の前記合焦位置に対して共役関係を成す位置に配置され、前記パルスレーザ光が通過する開口部が形成されたレーザ加工用マスクをさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、レーザ加工用マスクの開口部の形状がワークの表面に良好に結像し、開口部の形状通りの領域がレーザ加工される。
このような構成によれば、レーザ加工用マスクの開口部の形状がワークの表面に良好に結像し、開口部の形状通りの領域がレーザ加工される。
【0010】
本発明のレーザ加工装置において、前記光検出器は、前記焦点距離可変光学系の合焦位置が前記ワークの表面に一致したときに前記光検出信号がピークになるように配置され、
前記信号処理部は、前記光検出信号の前記ピークを前記合焦タイミングとして検出し、当該合焦タイミングに同期した前記同期パルス信号を出力することが好ましい。
このような構成では、共焦点法によって合焦タイミングを検出しているため、他の焦点検出方式を用いて合焦タイミングを検出する場合よりも、ワーク表面の傾斜や粗さ等の表面性状による影響を受け難く、合焦タイミングの検出精度を向上できる。
前記信号処理部は、前記光検出信号の前記ピークを前記合焦タイミングとして検出し、当該合焦タイミングに同期した前記同期パルス信号を出力することが好ましい。
このような構成では、共焦点法によって合焦タイミングを検出しているため、他の焦点検出方式を用いて合焦タイミングを検出する場合よりも、ワーク表面の傾斜や粗さ等の表面性状による影響を受け難く、合焦タイミングの検出精度を向上できる。
【0011】
本発明のレーザ加工装置は、前記焦点距離可変光学系を通して前記ワークを撮像する撮像素子をさらに備え、前記焦点距離可変光学系は、入力される前記駆動信号に応じて屈折率が周期的に変化する液体共振式レンズと、前記液体共振式レンズと同じ光軸上に配置された対物レンズと、前記対物レンズの射出瞳と前記液体共振式レンズの主点位置とを共役にするよう配置された複数のリレーレンズと、を有することが好ましい。
このような構成では、ワークの観察を行いながら当該ワークに対してレーザ加工を行うことができる。また、焦点距離可変光学系の合焦位置が変動しても、撮像素子に入射する像の倍率は一定になるため、視野の変動がなく良好な観察が可能である。
このような構成では、ワークの観察を行いながら当該ワークに対してレーザ加工を行うことができる。また、焦点距離可変光学系の合焦位置が変動しても、撮像素子に入射する像の倍率は一定になるため、視野の変動がなく良好な観察が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、レーザ加工装置１は、ワークＷを観察するための観察光学系２と、ワークＷの表面をレーザ加工するためのレーザ加工光学系３と、レーザ加工のタイミングを検出するためのタイミング検出光学系４とを備えており、各光学系は、液体共振式レンズ１２を含む焦点距離可変光学系１０を共有している。ワークＷの表面は、焦点距離可変光学系１０を通る光軸Ａに交差して配置されている。
また、レーザ加工装置１は、液体共振式レンズ１２の動作を制御するレンズ制御部５と、制御部６とをさらに備えている（図２参照）。
図１に示すように、レーザ加工装置１は、ワークＷを観察するための観察光学系２と、ワークＷの表面をレーザ加工するためのレーザ加工光学系３と、レーザ加工のタイミングを検出するためのタイミング検出光学系４とを備えており、各光学系は、液体共振式レンズ１２を含む焦点距離可変光学系１０を共有している。ワークＷの表面は、焦点距離可変光学系１０を通る光軸Ａに交差して配置されている。
また、レーザ加工装置１は、液体共振式レンズ１２の動作を制御するレンズ制御部５と、制御部６とをさらに備えている（図２参照）。
【0014】
（焦点距離可変光学系）
まず、焦点距離可変光学系１０について説明する。
図１に示すように、焦点距離可変光学系１０は、対物レンズ１１、液体共振式レンズ１２、および、リレーレンズ１３，１４を有しており、これらは光軸Ａ上に配置されている。
対物レンズ１１は、既存の凸レンズあるいはレンズ群で構成される。
液体共振式レンズ１２は、シリコーンなどの液体が充填された円筒形のケースと、圧電材料で形成された円筒状の振動部材とを有している。この振動部材は、ケース内の液体に浸漬された状態で外部のレンズ制御部５に信号線を介して接続されており、当該レンズ制御部５から入力される駆動信号Ｃｆに応じて振動する。駆動信号Ｃｆは、例えば正弦波状の交流信号であり、駆動信号Ｃｆの周波数が共振周波数に調整されると、液体共振式レンズ１２の内部の液体に定在波が生じ、液体共振式レンズ１２の屈折率が周期的に変化する。
ワークＷにおける焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆは、対物レンズ１１の焦点距離を基本としつつ、液体共振式レンズ１２の屈折率の変化と共に周期的に変化する。
まず、焦点距離可変光学系１０について説明する。
図１に示すように、焦点距離可変光学系１０は、対物レンズ１１、液体共振式レンズ１２、および、リレーレンズ１３，１４を有しており、これらは光軸Ａ上に配置されている。
対物レンズ１１は、既存の凸レンズあるいはレンズ群で構成される。
液体共振式レンズ１２は、シリコーンなどの液体が充填された円筒形のケースと、圧電材料で形成された円筒状の振動部材とを有している。この振動部材は、ケース内の液体に浸漬された状態で外部のレンズ制御部５に信号線を介して接続されており、当該レンズ制御部５から入力される駆動信号Ｃｆに応じて振動する。駆動信号Ｃｆは、例えば正弦波状の交流信号であり、駆動信号Ｃｆの周波数が共振周波数に調整されると、液体共振式レンズ１２の内部の液体に定在波が生じ、液体共振式レンズ１２の屈折率が周期的に変化する。
ワークＷにおける焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆは、対物レンズ１１の焦点距離を基本としつつ、液体共振式レンズ１２の屈折率の変化と共に周期的に変化する。
【0015】
リレーレンズ１３，１４は、対物レンズ１１の射出瞳と液体共振式レンズ１２の主点位置とを共役にするように配置され、リレーレンズ１３，１４間の中間像位置には絞り（図示省略）が配置される。リレーレンズ１３，１４は、テレセントリック光学系を保ちながら対物レンズ１１の射出瞳のリレーを行うため、合焦位置Ｐｆが変動しても、後述の撮像素子に入射する像の倍率は一定になる。
【0016】
（撮像光学系）
次に、観察光学系２について説明する。
観察光学系２は、前述の焦点距離可変光学系１０の他、観察照明用光源２１と、ライトガイド２２と、照明光学系２３と、ビームスプリッタ２４～２６と、結像レンズ２７と、カメラ２８とを有している。
次に、観察光学系２について説明する。
観察光学系２は、前述の焦点距離可変光学系１０の他、観察照明用光源２１と、ライトガイド２２と、照明光学系２３と、ビームスプリッタ２４～２６と、結像レンズ２７と、カメラ２８とを有している。
【0017】
観察照明用光源２１は、ＬＥＤなどの発光素子によって構成され、連続光である照明光Ｌｉを出射する。
ライトガイド２２は、光ファイバなどから構成され、観察照明用光源２１から出射した照明光Ｌｉを照明光学系２３に伝送する。
照明光学系２３は、コレクタレンズ２３１およびコンデンサレンズ２３２などを有しており、ライトガイド２２から伝搬された照明光Ｌｉを適宜調整する。
ライトガイド２２は、光ファイバなどから構成され、観察照明用光源２１から出射した照明光Ｌｉを照明光学系２３に伝送する。
照明光学系２３は、コレクタレンズ２３１およびコンデンサレンズ２３２などを有しており、ライトガイド２２から伝搬された照明光Ｌｉを適宜調整する。
【0018】
ビームスプリッタ２４は、光軸Ａ上において対物レンズ１１の像側に配置され、照明光学系２３によって調整された照明光Ｌｉを反射することにより、当該照明光Ｌｉを対物レンズ１１に導く。照明光Ｌｉは、対物レンズ１１を介してワークＷに照射される。
ビームスプリッタ２５は、光軸Ａ上において液体共振式レンズ１２の像側に配置されている。ビームスプリッタ２５は、ワークＷの表面で反射されて焦点距離可変光学系１０を通過した反射光Ｌｒを反射することにより、当該反射光Ｌｒをビームスプリッタ２６に導く。
なお、ビームスプリッタ２４，２５は、焦点距離可変光学系１０の光軸Ａに沿った光を透過する。
ビームスプリッタ２５は、光軸Ａ上において液体共振式レンズ１２の像側に配置されている。ビームスプリッタ２５は、ワークＷの表面で反射されて焦点距離可変光学系１０を通過した反射光Ｌｒを反射することにより、当該反射光Ｌｒをビームスプリッタ２６に導く。
なお、ビームスプリッタ２４，２５は、焦点距離可変光学系１０の光軸Ａに沿った光を透過する。
【0019】
ビームスプリッタ２６は、ビームスプリッタ２５で反射された反射光Ｌｒを反射し、結像レンズ２７に導く。なお、ビームスプリッタ２６は、波長選択性を有しており、照明光Ｌｉに由来の反射光Ｌｒを反射する一方、後述の検出光Ｌｍを透過させる。
【0020】
結像レンズ２７は、焦点距離可変光学系１０のリレーレンズ１４と共に無限遠補正光学系を構成しており、ビームスプリッタ２５，２６を経由した反射光Ｌｒを後述の撮像素子２８１に結像させる。
【0021】
カメラ２８は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサなどの撮像素子２８１を有しており、この撮像素子２８１により撮像された画像Ｉｍを所定の信号形式で画像処理部６３に出力する。ここで、カメラ２８のフレームレートは、液体共振式レンズ１２に入力される駆動信号Ｃｆの周期よりも低く設定されている。このため、画像Ｉｍは、合焦位置Ｐｆの変化周期とカメラ２８のフレームレートとの関係により、フォーカス状態とデフォーカス状態が混合した混合画像となる。
【0022】
（レーザ加工光学系）
次に、レーザ加工光学系３について説明する。
レーザ加工光学系３は、前述の焦点距離可変光学系１０の他、レーザヘッド３１と、レーザ用結像レンズ３２とを有している。
次に、レーザ加工光学系３について説明する。
レーザ加工光学系３は、前述の焦点距離可変光学系１０の他、レーザヘッド３１と、レーザ用結像レンズ３２とを有している。
【0023】
レーザヘッド３１は、レーザ発振器３１１とレーザ加工用マスク３１２とを有している。
レーザ発振器３１１は、ワークＷの加工目的に適した波長のパルスレーザ光Ｌｐを発振する。また、レーザ発振器３１１は、後述する同期パルス信号Ｓｙｎｃによって、パルスレーザ光Ｌｐを発振するタイミングを制御されている。
レーザ発振器３１１は、ワークＷの加工目的に適した波長のパルスレーザ光Ｌｐを発振する。また、レーザ発振器３１１は、後述する同期パルス信号Ｓｙｎｃによって、パルスレーザ光Ｌｐを発振するタイミングを制御されている。
【0024】
レーザ加工用マスク３１２は、例えば円形などの所定形状の開口部３１２Ａを有しており、レーザ発振器３１１からのパルスレーザ光Ｌｐの径の大きさを所望のサイズに絞り込む。
レーザ用結像レンズ３２は、光軸Ａ上において、焦点距離可変光学系１０とレーザヘッド３１との間に配置されており、焦点距離可変光学系１０のリレーレンズ１４と共に無限遠補正光学系を構成する。
ここで、レーザ加工用マスク３１２は、レーザ用結像レンズ３２の後側焦点に配置されている。すなわち、レーザ加工用マスク３１２は、光軸Ａ上において、焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆに対して共役関係を成す位置に配置されている。
レーザ加工光学系３におけるパルスレーザ光Ｌｐの挙動については、後述で説明する。
レーザ用結像レンズ３２は、光軸Ａ上において、焦点距離可変光学系１０とレーザヘッド３１との間に配置されており、焦点距離可変光学系１０のリレーレンズ１４と共に無限遠補正光学系を構成する。
ここで、レーザ加工用マスク３１２は、レーザ用結像レンズ３２の後側焦点に配置されている。すなわち、レーザ加工用マスク３１２は、光軸Ａ上において、焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆに対して共役関係を成す位置に配置されている。
レーザ加工光学系３におけるパルスレーザ光Ｌｐの挙動については、後述で説明する。
【0025】
（タイミング検出光学系）
次にタイミング検出光学系４について説明する。
タイミング検出光学系４は、レーザ発振器３１１がパルスレーザ光Ｌｐを発振するタイミングを検出するための光学系であって、前述の焦点距離可変光学系１０の他、位置検出用光源４１と、導光部４２と、コリメートレンズ４３と、光検出器４４とを有している。
次にタイミング検出光学系４について説明する。
タイミング検出光学系４は、レーザ発振器３１１がパルスレーザ光Ｌｐを発振するタイミングを検出するための光学系であって、前述の焦点距離可変光学系１０の他、位置検出用光源４１と、導光部４２と、コリメートレンズ４３と、光検出器４４とを有している。
【0026】
位置検出用光源４１は、例えばレーザ光源等であり、連続光である検出光Ｌｍを出射する。
導光部４２は、ファイバスプリッタ４２１および光ファイバ４２２～４２４を有する。ファイバスプリッタ４２１は、光ファイバ４２２～４２４のそれぞれの一端部が接合される光路を有しており、光ファイバ４２２から入射される光を光ファイバ４２３に導き、光ファイバ４２３から入射される光を光ファイバ４２４に導くように構成されている。
導光部４２は、ファイバスプリッタ４２１および光ファイバ４２２～４２４を有する。ファイバスプリッタ４２１は、光ファイバ４２２～４２４のそれぞれの一端部が接合される光路を有しており、光ファイバ４２２から入射される光を光ファイバ４２３に導き、光ファイバ４２３から入射される光を光ファイバ４２４に導くように構成されている。
【0027】
光ファイバ４２２の他端部は、位置検出用光源４１に接続されている。このため、位置検出用光源４１から出射された検出光Ｌｍは、導光部４２を伝送され、光ファイバ４２３の他端部の端面４２３ｅから出射する。すなわち、光ファイバ４２３の端面４２３ｅは、検出光Ｌｍの点光源として機能する。
また、光ファイバ４２４の他端部は、光検出器４４に接続されている。このため、光ファイバ４２３の端面４２３ｅに入射された検出光Ｌｍは、導光部４２を伝送され、光検出器４４に入射される。
ここで、光ファイバ４２３の端面４２３ｅは、コリメートレンズ４３の後側焦点に配置されている。すなわち、光ファイバ４２３の端面４２３ｅは、光軸Ａ上において、焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆに対して共役関係を成す位置に配置されている。
また、光ファイバ４２４の他端部は、光検出器４４に接続されている。このため、光ファイバ４２３の端面４２３ｅに入射された検出光Ｌｍは、導光部４２を伝送され、光検出器４４に入射される。
ここで、光ファイバ４２３の端面４２３ｅは、コリメートレンズ４３の後側焦点に配置されている。すなわち、光ファイバ４２３の端面４２３ｅは、光軸Ａ上において、焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆに対して共役関係を成す位置に配置されている。
【0028】
コリメートレンズ４３は、光ファイバ４２３の端面４２３ｅから出射した検出光Ｌｍを平行化する。コリメートレンズ４３によって平行化された検出光Ｌｍは、ビームスプリッタ２６を透過してビームスプリッタ２５で反射されることにより、焦点距離可変光学系１０を介してワークＷに照射される。
また、コリメートレンズ４３は、ワークＷの表面で反射されて焦点距離可変光学系１０を通過した検出光Ｌｍを集光する。
また、コリメートレンズ４３は、ワークＷの表面で反射されて焦点距離可変光学系１０を通過した検出光Ｌｍを集光する。
【0029】
光検出器４４は、例えば光電子増倍管やフォトダイオード等であり、光ファイバ４２４の他端部に接続されている。光検出器４４は、光ファイバ４２４を介して入射される検出光Ｌｍを受光し、受光強度に応じた光検出信号Ｉｎｔを出力する。
【0030】
以上のタイミング検出光学系４では、前述したように、焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆが周期的に変化する。このため、合焦位置ＰｆがワークＷの表面に一致しているときのみ、当該表面で反射した検出光Ｌｍが、コリメートレンズ４３の後側焦点にスポットを形成し、光ファイバ４２３の端面４２３ｅに入射する。
よって、光検出器４４に入射される検出光Ｌｍは、合焦位置ＰｆがワークＷの表面に一致しているときに極大化する。すなわち、光検出器４４が出力する光検出信号Ｉｎｔは、合焦位置ＰｆがワークＷの表面に一致したときにピークを示す。
よって、光検出器４４に入射される検出光Ｌｍは、合焦位置ＰｆがワークＷの表面に一致しているときに極大化する。すなわち、光検出器４４が出力する光検出信号Ｉｎｔは、合焦位置ＰｆがワークＷの表面に一致したときにピークを示す。
【0031】
（制御部）
図２に示す制御部６は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを有するコンピュータ等により構成される。制御部６は、所定のソフトウェアを実行することで所期の機能が実現されるものであり、レンズ制御部５の設定を行うレンズ設定部６１と、入力される各種信号の処理を行う信号処理部６２と、画像処理部６３とを有する。
図２に示す制御部６は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを有するコンピュータ等により構成される。制御部６は、所定のソフトウェアを実行することで所期の機能が実現されるものであり、レンズ制御部５の設定を行うレンズ設定部６１と、入力される各種信号の処理を行う信号処理部６２と、画像処理部６３とを有する。
【0032】
レンズ設定部６１は、レンズ制御部５に対して、駆動信号Ｃｆの周波数、振幅、最大駆動電圧の設定などを行う。
なお、液体共振式レンズ１２は、周囲温度の変化等により共振変化数が変化する。このため、レンズ設定部６１は、フィードバック制御により駆動信号Ｃｆの周波数をリアルタイムに変化させ、液体共振式レンズ１２の安定した動作を実現する。
なお、液体共振式レンズ１２は、周囲温度の変化等により共振変化数が変化する。このため、レンズ設定部６１は、フィードバック制御により駆動信号Ｃｆの周波数をリアルタイムに変化させ、液体共振式レンズ１２の安定した動作を実現する。
【0033】
信号処理部６２は、レーザ発振器３１１に同期パルス信号Ｓｙｎｃを出力する。また、信号処理部６２は、入力される光検出信号Ｉｎｔに基づいて、同期パルス信号Ｓｙｎｃのハイ／ローを切り替える。
【0034】
画像処理部６３は、カメラ２８から入力された画像Ｉｍに対して、デコンボリューション処理を施すことで、ＥＤＯＦ画像を生成する。なお、デコンボリューション処理は、画像Ｉｍに対して合焦位置Ｐｆの可変範囲から推定されるボケ成分の逆演算処理を行うことであり、合焦位置Ｐｆの可変範囲のほぼ全てにフォーカスの合ったＥＤＯＦ画像を生成する。
【0035】
（レーザ加工動作）
次に、本実施形態におけるレーザ加工動作について説明する。
図３に示すように、液体共振式レンズ１２の動作中、焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆは、駆動信号Ｃｆに同期して周期的に変化する。なお、図３には、光軸Ａ上の合焦位置Ｐｆの変化範囲におけるワークＷの表面位置（ワーク位置Ｐｗ）を例示している。
光検出信号Ｉｎｔは、合焦位置Ｐｆがワーク位置Ｐｗに一致したタイミング（合焦タイミングＴ）でピークを示し、駆動信号Ｃｆの１周期当たりに２回のピークを示す。
同期パルス信号Ｓｙｎｃは、光検出信号Ｉｎｔが閾値Ｖｔ以上の間、ハイレベルであり、光検出信号Ｉｎｔが閾値Ｖｔより小さい間、ローレベルである。
次に、本実施形態におけるレーザ加工動作について説明する。
図３に示すように、液体共振式レンズ１２の動作中、焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆは、駆動信号Ｃｆに同期して周期的に変化する。なお、図３には、光軸Ａ上の合焦位置Ｐｆの変化範囲におけるワークＷの表面位置（ワーク位置Ｐｗ）を例示している。
光検出信号Ｉｎｔは、合焦位置Ｐｆがワーク位置Ｐｗに一致したタイミング（合焦タイミングＴ）でピークを示し、駆動信号Ｃｆの１周期当たりに２回のピークを示す。
同期パルス信号Ｓｙｎｃは、光検出信号Ｉｎｔが閾値Ｖｔ以上の間、ハイレベルであり、光検出信号Ｉｎｔが閾値Ｖｔより小さい間、ローレベルである。
【0036】
レーザ発振器３１１は、入力される光検出信号Ｉｎｔがローレベルからハイレベルに切り替わったタイミングで、パルスレーザ光Ｌｐを発振する。ここで、１回分のパルスレーザ光Ｌｐの出力期間は、合焦位置Ｐｆの変化周期に対して十分に短く設定されており、光検出信号Ｉｎｔの閾値Ｖｔは、パルスレーザ光Ｌｐの出力期間が合焦タイミングＴに重なるように設定されている。これにより、レーザ発振器３１１は、合焦タイミングＴに合わせてパルスレーザ光Ｌｐを出射することができる。
【0037】
再び図１を参照すると、合焦タイミングＴに合わせてレーザ発振器３１１から出射されたパルスレーザ光Ｌｐは、レーザ加工用マスク３１２の開口部３１２Ａを通過し、レーザ用結像レンズ３２および焦点距離可変光学系１０を介してワークＷに照射される。
ここで、レーザ加工用マスク３１２は、焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆに対して共役関係を成す位置に配置されている。
よって、レーザ加工用マスク３１２を通過するパルスレーザ光Ｌｐの形状は、合焦タイミングＴにおける焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆ、すなわちワークＷの表面で結像される。このため、レーザ加工用マスク３１２の開口部３１２Ａの形状がワークＷの表面に良好に結像し、開口部３１２Ａの形状通りの領域がレーザ加工される。
ここで、レーザ加工用マスク３１２は、焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆに対して共役関係を成す位置に配置されている。
よって、レーザ加工用マスク３１２を通過するパルスレーザ光Ｌｐの形状は、合焦タイミングＴにおける焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆ、すなわちワークＷの表面で結像される。このため、レーザ加工用マスク３１２の開口部３１２Ａの形状がワークＷの表面に良好に結像し、開口部３１２Ａの形状通りの領域がレーザ加工される。
【0038】
〔効果〕
前述したように、本実施形態のレーザ加工装置１では、焦点距離可変光学系１０を介してワークＷに照射されるパルスレーザ光ＬｐがワークＷの表面で合焦するため、ワークＷの表面の所望部位にパルスレーザ光Ｌｐを正確に集光させることができる。これにより、焦点距離可変光学系１０を利用しつつ、高精度なレーザ加工を行うことができる。
前述したように、本実施形態のレーザ加工装置１では、焦点距離可変光学系１０を介してワークＷに照射されるパルスレーザ光ＬｐがワークＷの表面で合焦するため、ワークＷの表面の所望部位にパルスレーザ光Ｌｐを正確に集光させることができる。これにより、焦点距離可変光学系１０を利用しつつ、高精度なレーザ加工を行うことができる。
【0039】
また、本実施形態のレーザ加工装置１では、共焦点法によって合焦タイミングＴを検出している。このため、他の焦点検出方式を用いて合焦タイミングＴを検出する場合よりも、ワークＷの表面の傾斜や粗さ等の表面性状による影響を受け難く、合焦タイミングＴの検出精度を向上できる。
【0040】
また、本実施形態のレーザ加工装置１は、焦点距離可変光学系１０を通してワークＷを撮像する撮像素子２８１を備えており、ワークＷの画像観察を行いながら当該ワークＷに対してレーザ加工を行うことができる。本実施形態では、ワークＷの画像として、ＥＤＯＦ画像を生成することができるため、ワークＷの画像観察を行う際に再フォーカス動作の頻度を低減できる。
さらに、本実施形態の焦点距離可変光学系１０は、対物レンズ１１の射出瞳と液体共振式レンズ１２の主点位置とが共役関係になるように構成されているため、焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆが変動しても、撮像素子２８１に入射する像の倍率は一定になる。このため、視野の変動がなく良好な観察が可能である。
さらに、本実施形態の焦点距離可変光学系１０は、対物レンズ１１の射出瞳と液体共振式レンズ１２の主点位置とが共役関係になるように構成されているため、焦点距離可変光学系１０の合焦位置Ｐｆが変動しても、撮像素子２８１に入射する像の倍率は一定になる。このため、視野の変動がなく良好な観察が可能である。
【0041】
なお、本実施形態のレーザ加工装置１が焦点距離可変光学系１０を用いることの利点は、観察光学系２において再フォーカス動作の頻度を低減できることだけでなく、ワークＷの表面に段差等がある場合、ワークＷの位置調整なしに、ワークＷの表面にパルスレーザ光Ｌｐが合焦できることがある。
【0042】
〔変形例〕
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は、本発明に含まれる。
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は、本発明に含まれる。
【0043】
前記実施形態において、導光部４２の替わりにピンホールを利用した構成を採用してもよい。具体的には、点光源を構成するためのピンホールと、コリメートレンズ４３の後側焦点に配置されるピンホールとを利用することで、前記実施形態と同様、共焦点法によって合焦タイミングＴを検出できる。
【0044】
前記実施形態において、観察光学系２における視野の変動を問題にしない場合、焦点距離可変光学系１０のリレーレンズ１３，１４が省略され、コリメートレンズ４３、結像レンズ２７およびレーザ用結像レンズ３２のそれぞれが、対物レンズ１１と共に無限遠補正光学系を構成してもよい。または、リレーレンズ１３，１４、コリメートレンズ４３、結像レンズ２７およびレーザ用結像レンズ３２が省略され、対物レンズ１１および液体共振式レンズ１２が有限遠補正光学系を構成してもよい。
【0045】
前記実施形態では、共焦点法によって合焦タイミングＴを検出しているが、本発明はこれに限定されない。具体的には、ダブルピンホール法、非点収差法、ナイフエッジ法など、他の様々な焦点検出法を利用することにより、合焦タイミングＴを検出してもよい。
例えば、ダブルピンホール法を利用する場合、合焦位置Ｐｆと共役関係を成す集光位置の前後にそれぞれ光検出器を設け、各光検出器から出力される光検出信号に基づいて演算を行うことにより、合焦タイミングＴを求めることができる。信号処理部６２は、このように求めた合焦タイミングＴに同期した同期パルス信号Ｓｙｎｃを出力してもよい。
例えば、ダブルピンホール法を利用する場合、合焦位置Ｐｆと共役関係を成す集光位置の前後にそれぞれ光検出器を設け、各光検出器から出力される光検出信号に基づいて演算を行うことにより、合焦タイミングＴを求めることができる。信号処理部６２は、このように求めた合焦タイミングＴに同期した同期パルス信号Ｓｙｎｃを出力してもよい。
【0046】
前記実施形態では、観察光学系２の照明光Ｌｉが連続光であるが、パルス光であってもよい。この場合、観察照明用光源２１は、レーザ発振器３１１と同様、同期パルス信号Ｓｙｎｃに基づいてパルス光を出射してもよい。これにより、照明光Ｌｉは、合焦タイミングＴでワークＷに照射され、カメラ２８は、ワークＷの表面に合焦した画像を取得することができる。
【0047】
前記実施形態のレーザ加工装置１は、ワークＷを観察するための観察光学系２を備えているが、本発明はこれに限られない。すなわち、本発明は、観察光学系２を備えないレーザ加工装置に適用されてもよい。
【0048】
前記実施形態では、信号処理部６２は、制御部６内に構成されているが、レンズ制御部５内に構成されてもよい。また、レンズ制御部５および制御部６が一体の制御装置として構成されてもよい。
前記各実施形態では、駆動信号Ｃｆを正弦波とし、合焦位置Ｐｆを正弦波振動させたが、これは三角波、鋸歯状波、矩形波その他の波形であってもよい。
前記各実施形態では、駆動信号Ｃｆを正弦波とし、合焦位置Ｐｆを正弦波振動させたが、これは三角波、鋸歯状波、矩形波その他の波形であってもよい。
【符号の説明】
【0049】
１…レーザ加工装置、２…観察光学系、３…レーザ加工光学系、４…タイミング検出光学系、５…レンズ制御部、６…制御部、１０…焦点距離可変光学系、１１…対物レンズ、１２…液体共振式レンズ、１３…リレーレンズ、１４…リレーレンズ、２１…観察照明用光源、２２…ライトガイド、２３…照明光学系、２３１…コレクタレンズ、２３２…コンデンサレンズ、２４…ビームスプリッタ、２５…ビームスプリッタ、２６…ビームスプリッタ、２７…結像レンズ、２８…カメラ、２８１…撮像素子、３１…レーザヘッド、３１１…レーザ発振器、３１２…レーザ加工用マスク、３１２Ａ…開口部、３２…レーザ用結像レンズ、４…タイミング検出光学系、４１…位置検出用光源、４２…導光部、４２１…ファイバスプリッタ、４２２～４２４…光ファイバ、４２３ｅ…端面、４３…コリメートレンズ、４４…光検出器、６１…レンズ設定部、６２…信号処理部、６３…画像処理部、Ａ…光軸、Ｃｆ…駆動信号、Ｉｍ…画像、Ｉｎｔ…光検出信号、Ｌｉ…照明光、Ｌｍ…検出光、Ｌｐ…パルスレーザ光、Ｌｒ…反射光、Ｐｆ…合焦位置、Ｐｗ…ワーク位置、Ｓｙｎｃ…同期パルス信号、Ｔ…合焦タイミング、Ｖｔ…閾値、Ｗ…ワーク。
【図1】
【図2】
【図3】