(57)【要約】【課題】レーザー光の照射スポットの変形に起因する加工線幅やエネルギー密度のばらつきを防止し、被加工物に対して安定した寸法精度で高精度の加工を行う。【解決手段】加工ステージ９に載置された被加工物８としての平凹レンズ４１における凹球面４１ａの球心４３と、加工ステージ９の揺動中心２１が一致するように調整し、超短パルスレーザー１３の光軸が球心４３（揺動中心２１）を通過する状態で、加工ステージ９を揺動させながら凹球面４１ａの任意の加工位置４２に超短パルスレーザー１３を照射して加工形状４２ａを形成する加工を行う。このとき、超短パルスレーザー１３の光軸は、加工位置４２の法線に常に一致する状態となり、加工位置４２における超短パルスレーザー１３の照射スポット形状は揺動走査によっても円形から変化せず、エネルギー密度も安定し、照射スポット形状の変化等に起因する加工形状４２ａの加工誤差を低減できる。【選択図】  図３Ｃ
2010167422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーを照射して被加工物の表面の加工を行うレーザー加工方法において、
前記被加工物の加工位置に照射されるレーザーの光軸と、前記被加工物の加工位置での法線とが常に一致する状態で前記加工位置に目的形状の加工を行う加工工程を有することを特徴とするレーザー加工方法。
【請求項２】
請求項１記載のレーザー加工方法において、
前記加工工程の前に、
前記被加工物の加工位置に照射される加工用のレーザーと光軸が共通な位置決め用の第２レーザーを前記被加工物の表面に照射した際の集光点を観察する観察工程と、
前記観察工程の結果に基づいて前記被加工物の球心と前記加工用のレーザーの光軸を一致させる位置決め工程と、
を有することを特徴とするレーザー加工方法。
【請求項３】
請求項１記載のレーザー加工方法において、
前記加工工程の前に、
前記レーザーを前記被加工物の加工限界以下の出力に調整して前記被加工物の表面に照射した際の集光点を観察する観察工程と、
前記観察工程の結果に基づいて前記被加工物の球心と前記レーザーの光軸を一致させる位置決め工程と、
を有することを特徴とするレーザー加工方法。
【請求項４】
請求項１記載のレーザー加工方法において、
前記被加工物は凹型球面光学素子であり、
光軸が前記被加工物の球心を通過する前記レーザーに対して、前記球心を中心として前記被加工物を相対的に揺動させることで、前記レーザーの光軸と、前記被加工物の加工位置での前記法線とを一致させることを特徴とするレーザー加工方法。
【請求項５】
レーザーを照射して被加工物の表面の加工を行うレーザー加工装置において、
前記レーザーを出射するレーザー源と、
前記レーザー源から出射される前記レーザーを被加工物に導く光学系と、
前記被加工物の加工位置に照射される前記レーザーの光軸および前記被加工物の光軸の少なくとも一方を調節して、前記被加工物の加工位置に照射される前記レーザーの光軸と、前記被加工物の加工位置での法線とを一致させる位置決め手段と、
を具備することを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項６】
請求項５記載のレーザー加工装置において、
前記被加工物は凹型球面光学素子であり、
前記位置決め手段は、前記レーザーの光軸が通過する前記被加工物の球心を中心として、前記被加工物を前記レーザーの前記光軸に対して相対的に揺動させる揺動ステージと、
前記レーザーの前記光軸に直交する２方向および前記光軸に平行な方向に前記被加工物を相対的に変位させる直線移動ステージと、
を備えることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項７】
請求項６記載のレーザー加工装置において、
前記レーザーと共通の光学系を介して前記被加工物に照射される位置決め用の第２レーザーを出射する第２レーザー源を備え、
前記位置決め手段は、前記被加工物に照射される第２レーザーの集光点の観察結果に基づいて、前記被加工物の前記球心に前記レーザーの光軸を一致させると共に、前記被加工物の前記球心と前記揺動ステージの揺動中心とを一致させることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項８】
請求項６記載のレーザー加工装置において、
前記レーザー源は、前記レーザーを被加工物の加工限界以下の出力に調整可能であり、
前記位置決め手段は、加工限界以下の出力に調整されたレーザーが前記被加工物に照射されたときの集光点の観察結果に基づいて、前記被加工物の前記球心に前記レーザーの光軸を一致させると共に、前記被加工物の前記球心と前記揺動ステージの揺動中心とを一致させることを特徴とするレーザー加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー加工方法およびレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、光学素子の製造工程では、レンズや球面ミラーの任意の位置に、任意のサイズ、任意の形状の加工を行うことがある。例えば、自社製品と他社製品を識別するマークを形成したり、仕様に関する文字情報等を記入することを目的としてミラー素子表面に特定のマークを加工することなどがそれにあたる。
【０００３】
従来、上述のような用途でレンズの表面に任意の形状の加工を行う技術として特許文献１に開示されたレーザーマーキング方法が知られている。
すなわち、この特許文献１では、図６に示すように、レンズ基材１０６の表面に反射防止膜１０４およびハードコート膜１０５が形成された被加工物としてのプラスチックレンズ１０３をステージに固着し、このプラスチックレンズ１０３のレンズ基材１０６の表面に対して、垂直な方向より焦点位置合わせ用レンズ１０２で集光したレーザー光１０１を照射し、ステージをレーザー光軸に対し垂直な平面を走査させることで、レンズ基材１０６の表面の反射防止膜１０４やハードコート膜１０５を溶融あるいは変質させてマークを形成するマーキング加工を行っている。
【０００４】
上述のようにレーザーを用いたマーキング加工を行う際には、加工用のレーザー光軸に対し、被加工物の加工位置での法線が一致するように配置した際に被加工物表面での照射スポットの径は最も小さくなる。
【０００５】
しかし加工用のレーザーの光軸に対し、被加工物の目的位置での法線が一致していない場合、加工用のレーザーは被加工物に対し斜め方向より照射されるため、被加工物表面のレーザー光の照射スポットの形状は楕円となり、結果的に照射スポットの面積が大きくなって、照射領域における単位面積当たりのエネルギー（エネルギー密度）が低下する。
【０００６】
この状態で加工を行った場合は、走査する方向により加工線幅が変化する。例えば、照射スポットの楕円の長軸がレーザー光の走査方向に対して垂直な場合は、長軸の長さに相当する線幅の太い加工痕になり、逆に長軸を走査方向と平行にした場合は、短軸の長さに相当する線幅の細い加工痕になるという現象が発生する。
【０００７】
また、照射スポットの面積の変化によってエネルギー密度も変動する。
これらの理由により加工用のレーザーの光軸と被加工物の目的位置での法線の方向は一致していることが望ましい。
【０００８】
しかしながら従来の方法では、例えば凹型球面光学素子を加工する際は凹型球面光学素子の曲面の部分でレーザー光と被加工物である凹型球面光学素子の目的加工位置の法線の方向が一致していないため、中心より離れるほど照射スポットの形状は偏平度の大きな楕円になる。
【０００９】
このように照射スポットが楕円になった状態でレーザー加工を行った場合、加工線幅やエネルギー密度にバラツキが生じ、加工パターン全体で統一した加工線幅を得ることは困難となる、という技術的課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−１９１１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、レーザー光の照射スポットの変形に起因する加工線幅やエネルギー密度のばらつきを防止し、被加工物に対して安定した寸法精度で高精度の加工を行うことが可能な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の観点は、レーザーを照射して被加工物の表面の加工を行うレーザー加工方法において、前記被加工物の加工位置に照射されるレーザーの光軸と、前記被加工物の加工位置での法線とが常に一致する状態で前記加工位置に目的形状の加工を行う加工工程を有するレーザー加工方法を提供する。
【００１３】
本発明の第２の観点は、レーザーを照射して被加工物の表面の加工を行うレーザー加工装置において、前記レーザーを出射するレーザー源と、前記レーザー源から出射される前記レーザーを被加工物に導く光学系と、前記被加工物の加工位置に照射される前記レーザーの光軸および前記被加工物の光軸の少なくとも一方を調節して、前記被加工物の加工位置に照射される前記レーザーの光軸と、前記被加工物の加工位置での法線とを一致させる位置決め手段と、を具備するレーザー加工装置を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レーザー光の照射スポットの変形に起因する加工線幅やエネルギー密度のばらつきを防止し、被加工物に対して安定した寸法精度で高精度の加工を行うことが可能な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態であるレーザー加工方法を実施するレーザー加工装置の構成の一例を示す概念図である。
【図２】本発明の一実施の形態であるレーザー加工装置に備えられた位置決め手段の構成例を示す略側面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施の形態であるレーザー加工装置に供される凹型球面光学素子の構成例を示す平面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施の形態であるレーザー加工装置に供される凹型球面光学素子の構成例を示す側断面図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施の形態であるレーザー加工方法およびレーザー加工装置の作用を説明する側断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態であるレーザー加工装置によって加工された被加工物の加工位置における加工形状を拡大した拡大図である。
【図５】本発明の他実施の形態であるレーザー加工方法を実施するレーザー加工装置の構成例を示す概念図である。
【図６】従来技術のレーザー加工方法を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本実施の形態の第１態様のレーザー加工方法では、レーザーの光軸上に被加工物である球面光学素子の球心がある状態で被加工物を加工することにより、常に加工部位（球面である被加工面の加工位置）の接線に対し、レーザーが垂直に照射される。このため、加工部位に照射される照射スポットは常に円形状となり、加工線幅やエネルギー密度が一定となり、高精度な加工が実現できる。
【００１７】
本実施の形態の第２態様では、上述の第１態様において、レーザーの光軸上に被加工物である球面光学素子の球心を合わせる方法として、少なくとも１個のレーザーを用いて球面光学素子の表面で反射し、集光するレーザー光、もしくは球面光学素子を透過して集光するレーザー光を取得し、レーザー光軸上に被加工物である球面光学素子の球心がある状態を実現する。
【００１８】
本実施の形態の第３態様では、上述の第１態様または第２態様において、被加工物である凹型球面光学素子の目的の加工位置における法線と加工位置に照射されるレーザーの光軸を一致させて加工を行うために、凹型球面光学素子の位置および加工に用いるレーザーの光軸の少なくとも一方を調節する。
【００１９】
本実施の形態の第４態様では、被加工物である凹型球面光学素子の目的の加工位置における法線と加工位置に照射されるレーザーの光軸を一致させて加工を行うために、凹型球面光学素子の位置および加工に用いるレーザーの光軸の少なくとも一方を調節できるレーザー加工装置を開示する。
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の一実施の形態であるレーザー加工方法を実施するレーザー加工装置の構成の一例を示す概念図である。
【００２１】
図２は、本発明の一実施の形態であるレーザー加工装置に備えられた位置決め手段の構成例を示す略側面図である。
図３Ａは、本発明の一実施の形態であるレーザー加工装置に供される凹型球面光学素子の構成例を示す平面図である。
【００２２】
図３Ｂは、本発明の一実施の形態であるレーザー加工装置に供される凹型球面光学素子の構成例を示す側断面図である。
図３Ｃは、本発明の一実施の形態であるレーザー加工方法およびレーザー加工装置の作用を説明する側断面図である。
［構成］
本実施の形態におけるレーザー加工方法において、球面光学素子への加工を行うための光学系を備えたレーザー加工装置Ｍ１を参照して説明する。
【００２３】
図１に例示されるように、本実施の形態のレーザー加工装置Ｍ１は、被加工物８が載置される第１の位置決め手段としての加工ステージ９と、この加工ステージ９の上方に配置され、後述のような光学系の加工ステージ９に対する光軸を制御する第２の位置決め手段としての姿勢制御装置１１と、全体を制御する制御手段としての観察・ステージ制御用コンピュータ１０と、を備えている。
【００２４】
観察・ステージ制御用コンピュータ１０は、装置本体１０ａと、表示手段としてのディスプレイ１０ｂおよび図示しないキーボード等のユーザインタフェースを備えている。
姿勢制御装置１１には、撮像手段としてのＣＣＤカメラ１から加工ステージ９上の被加工物８に向かって、光学系としての結像レンズ２、ハーフミラー３、ダイクロイックミラー４、ビームスプリッター５および集光レンズ７が順に、共通の光軸上に配列されている。
【００２５】
また、本実施の形態のレーザー加工装置Ｍ１は、加工用のレーザーとしての超短パルスレーザー１３を出射するレーザー源としてのレーザー光源１３ａと、位置決め用の第２レーザーとしてのＨｅ−Ｎｅレーザー１２を出射する第２レーザー源としてのレーザー光源１２ａと、被加工物８を観察するための照明光６を出射する光源としてのキセノンライト６ａと、を備えており、これらレーザー光源１２ａ、１３ａおよびキセノンライト６ａが姿勢制御装置１１の側方に配置されている。
【００２６】
すなわち、図１に示すように、本実施の形態１のレーザー加工装置Ｍ１では、位置決め用と加工用の各々に専用の２種類のレーザー光を用いる構成となっている。
本実施の形態では、位置決め用のＨｅ−Ｎｅレーザー１２は、レーザーの光軸と被加工物８である凹型球面光学素子の球心を一致させる目的で波長λ＝６３３ｎｍの連続波のレーザーを用い、姿勢制御装置１１の側方からハーフミラー３に入射して下方の被加工物８の側に導かれる構成となっている。
【００２７】
具体的には、レーザー光源１２ａから出射されたＨｅ−Ｎｅレーザー１２は最初にハーフミラー３で反射される。その後、ダイクロイックミラー４、ビームスプリッター５を透過し、集光レンズ７で集光され、加工ステージ９上の被加工物８に照射される。
【００２８】
ただし、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１２は非常に弱い出力エネルギーであり、被加工物８の表面に集光しても加工ができないエネルギー（加工限界）以下に設定してある。
一方、加工用の超短パルスレーザー１３は、波長λ＝７８０ｎｍで繰返し周波数が１ｋＨｚのレーザーを用い、姿勢制御装置１１の側方からダイクロイックミラー４に入射して下方の被加工物８の側に導かれる構成となっている。
【００２９】
具体的には、レーザー光源１３ａから出射された超短パルスレーザー１３は、λ＝７８０ｎｍのみを選択的に反射することのできるダイクロイックミラー４で反射され、ビームスプリッター５を通過し、集光レンズ７で集光され、加工ステージ９上の被加工物８に照射される。
【００３０】
なお、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１２と超短パルスレーザー１３は同一軸上に入射するように、すなわち、ハーフミラー３で反射されたＨｅ−Ｎｅレーザー１２の光軸とダイクロイックミラー４で反射された超短パルスレーザー１３の光軸とが共通となるように、ハーフミラー３およびダイクロイックミラー４等の光学系の位置が調節されている。
【００３１】
また、観察用の照明光６は、姿勢制御装置１１の側方からビームスプリッター５に入射して下方の被加工物８の側に導かれる構成となっている。
具体的には、キセノンライト６ａから出射された照明光６は、ビームスプリッター５で反射され、集光レンズ７で集光され、加工ステージ９上の被加工物８に照射される。そして、被加工物８からの反射光は、集光レンズ７、ビームスプリッター５、ダイクロイックミラー４およびハーフミラー３を透過し、結像レンズ２で姿勢制御装置１１に搭載された光学系の上端に位置するＣＣＤカメラ１上に結像される。
【００３２】
このように、結像レンズ２を通過した反射光をＣＣＤカメラ１で検出することで、位置決め時及び加工中に被加工物８の鮮明な動画を観察・ステージ制御用コンピュータ１０にて取得してディスプレイ１０ｂに表示して観察可能となっている。
【００３３】
また、上述のようにＣＣＤカメラ１および結像レンズ２から集光レンズ７に至る一連の光学系を搭載した姿勢制御装置１１は、被加工物８の球心（後述の加工ステージ９の揺動中心２１）を中心に傾斜させることが可能であり、被加工物８に照射されるＨｅ−Ｎｅレーザー１２および超短パルスレーザー１３の光軸と被加工物８との相対角（θｋ）を調節することができる。
【００３４】
次に、図２を用いて、被加工物８とＨｅ−Ｎｅレーザー１２及び超短パルスレーザー１３との相対位置を調節するために用いた加工ステージ９の一例について詳細な説明を行う。
【００３５】
本実施の形態のレーザー加工装置Ｍ１の場合、姿勢制御装置１１に搭載された光学系の鉛直状態の光軸方向をＺ軸、図１および図２の紙面内で、このＺ軸に直交する方向（図１および図２の左右方向）をＸ軸、このＸ軸およびＺ軸に直交する方向（図１および図２の紙面に垂直な方向）をＹ軸とする。
【００３６】
また、Ｚ軸の回りに回転する方向すなわちＺ軸を中心として回転する方向をγ軸とする。
さらに、Ｚ−Ｙ平面内で、Ｚ軸に対して傾斜するように揺動する方向すなわちＸ軸を中心として揺動する方向をα軸とし、Ｚ−Ｘ平面内で、Ｚ軸に対して傾斜するように揺動する方向すなわちＹ軸を中心として揺動する方向をβ軸とする。
【００３７】
本実施の形態の加工ステージ９は、上部より被加工物８が搭載されるＸ軸方向に移動する上部Ｘ軸ステージ２２（直線移動ステージ）、Ｙ軸方向に移動する上部Ｙ軸ステージ２３（直線移動ステージ）、Ｚ軸方向に移動する上部Ｚ軸ステージ２４（直線移動ステージ）、γ軸方向に回転するγ軸ステージ２５（揺動ステージ）、α軸方向に揺動する上部α軸ステージ２６（揺動ステージ）、β軸方向に揺動する上部β軸ステージ２７（揺動ステージ）、β軸方向に揺動する下部β軸ステージ２８（第２揺動ステージ）、Ｘ軸方向に移動する下部Ｘ軸ステージ２９、Ｙ軸方向に移動する下部Ｙ軸ステージ３０およびＺ軸方向に移動する下部Ｚ軸ステージ３１が積み重なって構成されている。
【００３８】
すなわち、上部Ｘ軸ステージ２２、上部Ｙ軸ステージ２３および上部Ｚ軸ステージ２４の全体がγ軸ステージ２５に搭載されてＺ軸の回りに回転する。このγ軸ステージ２５は、α軸方向に揺動する上部α軸ステージ２６およびβ軸方向に揺動する上部β軸ステージ２７に搭載されている。
【００３９】
さらに、上部α軸ステージ２６および上部β軸ステージ２７は、β軸方向に揺動する下部β軸ステージ２８に搭載されている。この下部β軸ステージ２８は、下部Ｘ軸ステージ２９、下部Ｙ軸ステージ３０および下部Ｚ軸ステージ３１から構成される第２直線移動ステージ上に搭載されている。
【００４０】
本実施の形態の場合、この下部β軸ステージ２８は、上方の上部β軸ステージ２７よりもβ軸での揺動ストロークが十分大きく設定されている。また、下部Ｘ軸ステージ２９、下部Ｙ軸ステージ３０および下部Ｚ軸ステージ３１から構成される第２直線移動ステージは、上部Ｘ軸ステージ２２、上部Ｙ軸ステージ２３および上部Ｚ軸ステージ２４から構成される直線移動ステージよりも移動ストロークが大きく設定されている。
【００４１】
これにより、後述のように、下部β軸ステージ２８によって被加工物８を任意の揺動位置に位置決めし、実際の加工では、上部α軸ステージ２６および上部β軸ステージ２７の揺動動作を組み合わせて超短パルスレーザー１３の被加工物８に対する走査を実現している。
【００４２】
なお、α軸方向およびβ軸方向に揺動動作する上部α軸ステージ２６、上部β軸ステージ２７、下部β軸ステージ２８は、各々の揺動中心が、共通の揺動中心２１に一致するように予め設定および調整されている。
【００４３】
また、上部α軸ステージ２６、上部β軸ステージ２７は内部に駆動系を有しており、観察・ステージ制御用コンピュータ１０より自動的に移動自在になっている。
これにより、加工時における上部α軸ステージ２６、上部β軸ステージ２７の揺動による超短パルスレーザー１３の被加工物８に対する走査を、観察・ステージ制御用コンピュータ１０が実行するＮＣプログラム等の移動プログラムによって自動的に行うことが可能である。
【００４４】
なお、上部α軸ステージ２６、上部β軸ステージ２７以外のステージの内部に駆動系を組み込んで、観察・ステージ制御用コンピュータ１０より自動的に移動自在にしても良い。
【００４５】
［作用］
本実施の形態では、被加工物８である凹型球面光学素子として、図３Ａおよび図３Ｂに示す形状を呈する平凹レンズ４１に対する円形状の加工を行った。
【００４６】
この平凹レンズ４１は、例えば石英製であり、一例として、外径Ｄ０＝５ｍｍで、中央の凹球面（被加工面）４１ａの内径Ｄ１＝３ｍｍで且つ凹球面４１ａの曲率半径Ｒ＝２０ｍｍの凹レンズ形状となっている。
【００４７】
本実施の形態のレーザー加工装置Ｍ１では、平凹レンズ４１に対する加工例として、例えば、平凹レンズ４１の凹球面４１ａにおいて、中心より距離Ｌ＝１．２５ｍｍだけ離れた目的の加工位置４２に直径ｄが０．０４ｍｍのくぼみ状の加工形状４２ａを形成する削り加工を行う。
【００４８】
なお、本実施の形態１では、被加工物８として石英製の平凹レンズ４１を用いたが、被加工物８の材質や形状はこの限りではなく、凹球面４１ａを有するミラーでも良く、球面（特に凹面形状）であれば材質はプラスチック製のレンズでもかまわない。
【００４９】
また、本実施の形態で被加工物８として用いた平凹レンズ４１にはコーティング膜等は付加していないが、コーティング膜が付加されたレンズでも、本実施の形態の以下に述べる加工は可能であり、これに限られたものではない。
【００５０】
本実施の形態では、照明光６による照明により、ＣＣＤカメラ１を経由して観察・ステージ制御用コンピュータ１０のディスプレイ１０ｂで平凹レンズ４１の画像を観察しつつ、以下の準備作業を行う。
【００５１】
まず、図３Ａおよび図３Ｂに示す被加工物である平凹レンズ４１を、上述の図２の被加工物８の位置に被加工面となる凹球面４１ａがＨｅ−Ｎｅレーザー１２（もしくは同軸にある超短パルスレーザー１３）の光軸（Ｚ軸）を通る状態で図２に示す加工ステージ９のほぼ中心になるように配置して固定する。
【００５２】
その後、位置決め用の低出力のＨｅ−Ｎｅレーザー１２を平凹レンズ４１の凹球面４１ａに照射する。
次に被加工物８の中央付近にＨｅ−Ｎｅレーザー１２がくるように目視で下部Ｘ軸ステージ２９、下部Ｙ軸ステージ３０の調整を行う。なお、この調整は、平凹レンズ４１の画像に基づいて観察・ステージ制御用コンピュータ１０より下部Ｘ軸ステージ２９および下部Ｙ軸ステージ３０を自動的に移動させて行っても良い。
【００５３】
次に、下部Ｚ軸ステージ３１を上下に移動させながらＨｅ−Ｎｅレーザー１２が被加工物８に集光して集光点を観察できるところを導出する。
このＨｅ−Ｎｅレーザー１２の集光点を観察できる位置でγ軸ステージ２５を回転させると、γ軸ステージ２５の回転中心に前述の集光点がない場合、集光点が平凹レンズ４１の中心の回りに回転するため、その際は上部Ｘ軸ステージ２２、上部Ｙ軸ステージ２３を調節してγ軸ステージ２５を回転させても集光点が回転しないように微調整を行う。
【００５４】
γ軸ステージ２５を回転させてもＨｅ−Ｎｅレーザー１２の集光点が平凹レンズ４１の中心の回りに回転しない状態は、γ軸ステージ２５の回転中心と、平凹レンズ４１の中心が一致した状態であり、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１２もしくは同軸にある超短パルスレーザー１３の光軸と平凹レンズ４１の中心がＸＹ平面上において一致した状態である。
【００５５】
続いて下部β軸ステージ２８を傾けても、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１２の集光点が移動しない位置まで上部Ｚ軸ステージ２４、下部Ｚ軸ステージ３１を調節する。
この状態は平凹レンズ４１の凹球面４１ａの球心４３と、下部β軸ステージ２８の揺動中心２１が一致した状態である。
【００５６】
つまり下部β軸ステージ２８を傾けても、常に平凹レンズ４１の球心４３はＨｅ−Ｎｅレーザー１２もしくは同軸にある超短パルスレーザー１３の光軸上にある状態が実現できる。
【００５７】
この状態で、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１２（超短パルスレーザー１３）の焦点が平凹レンズ４１の凹球面４１ａに合致するように調整し、その後、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１２の照射を止めて、後述のように超短パルスレーザー１３を所望の径の円形の照射スポットに収束して平凹レンズ４１に照射することにより加工を行う。
【００５８】
本実施の形態の場合には、平凹レンズ４１の中心より距離Ｌ＝１．２５ｍｍの加工位置４２に直径：φ０．０４ｍｍの穴の削り加工を行うため、凹球面４１ａの目的の加工位置４２で、超短パルスレーザー１３の光軸と、平凹レンズ４１の目的の加工位置４２での法線４２ｂを一致させる必要がある。
【００５９】
そこで下記の（１）式にて目的の加工位置４２で、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１２の光軸と、凹球面４１ａにおける目的の加工位置４２での法線４２ｂを一致させる角度θｋ（平凹レンズの光軸（中心軸）と凹球面４１ａにおける加工位置４２での法線４２ｂとの角度θｋ）を算出する。
【００６０】
θｋ＝ｓｉｎ−１（Ｌ／Ｒ）・・・（１）
上記の式（１）に、本実施の形態の平凹レンズ４１における実際の値である距離Ｌ＝１．２５、曲率半径Ｒ＝２０を代入して計算すると、θｋ＝ｓｉｎ−１（１．２５／２０）＝３．５８°となる。
【００６１】
このため、下部β軸ステージ２８および姿勢制御装置１１の少なくとも一方を用いて、平凹レンズ４１の光軸（中心軸）と、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１２の光軸との相対角が３．５８°になるように調整し、加工位置４２に照射されるＨｅ−Ｎｅレーザー１２の光軸と、平凹レンズ４１の凹球面４１ａにおける目的の加工位置４２での法線４２ｂを一致させる。
【００６２】
この状態は、図３Ｃに例示されるように、上述の調整操作で一致している平凹レンズ４１の球心４３および加工ステージ９の揺動中心２１の位置をＨｅ−Ｎｅレーザー１２の光軸が通過する状態である。
【００６３】
そして、本実施の形態では、この球心４３、揺動中心２１、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１２すなわち超短パルスレーザー１３の光軸の３者の一致状態が、平凹レンズ４１の加工のために超短パルスレーザー１３の光軸と平凹レンズ４１とを相対的に揺動させても変化しない。
【００６４】
その後、直径：φ０．０４ｍｍの円を描くように上部α軸ステージ２６、上部β軸ステージ２７で常に平凹レンズ４１の加工位置４２での法線４２ｂが超短パルスレーザー１３の光軸と一致する状態を維持しながら、平凹レンズ４１の凹球面４１ａにおける加工位置４２にて円形状に走査するように、上部α軸ステージ２６および上部β軸ステージ２７の移動プログラム（たとえば、数値制御プログラム）を作成する。
【００６５】
そして、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１２の照射を止めて、超短パルスレーザー１３を平凹レンズ４１に向かって照射し、観察・ステージ制御用コンピュータ１０が上記移動プログラムを実行すること、上部α軸ステージ２６および上部β軸ステージ２７の揺動を制御して、平凹レンズ４１の加工位置４２に加工形状４２ａを加工する。
【００６６】
なお、加工形状４２ａの加工時における超短パルスレーザー１３の照射条件は、一例として、照射エネルギーを０．５μＪ（マイクロジュール）、走査速度を０．０５ｍｍ／ｓ、に設定して走査する。
【００６７】
図４は、本実施の形態のレーザー加工装置によって加工された被加工物の加工位置における加工形状を拡大した拡大図である。
図４に例示されるように、本実施の形態のレーザー加工装置Ｍ１において、上述の加工条件にて平凹レンズ４１の表面に加工を行った場合、加工形状４２ａの直径ｄが、狙い値の０．０４０ｍｍに対し、０．０３９ｍｍとなっており、非常に高精度な加工を実現できていることが判る。
【００６８】
また、平凹レンズ４１の凹球面４１ａにおける加工位置４２の目標位置は中心より距離Ｌ＝１．２５ｍｍの位置であるが、計測の結果、距離Ｌ≒１．２５ｍｍで、目標位置付近にあることを確認した。
【００６９】
［効果］
本実施の形態のレーザー加工方法を実施するレーザー加工装置Ｍ１によれば、被加工物８である平凹レンズ４１における凹球面４１ａの加工位置４２での法線４２ｂと、加工位置４２に照射される超短パルスレーザー１３の光軸とを常に一致させた状態で超短パルスレーザー１３の照射による加工形状４２ａの形成を行うので、超短パルスレーザー１３の集光形状やエネルギー密度が加工位置や方向によってばらつくことが防止され、高精度の加工形状４２ａを得ることができる。
【００７０】
この結果、被加工物８として、平凹レンズ４１等の凹型球面光学素子の表面の任意の位置に高精度のくぼみ状の削り加工を実現できる。
［実施の形態２］
［構成］
図５は、本発明の他実施の形態であるレーザー加工方法を実施するレーザー加工装置の構成例を示す概念図である。
【００７１】
この実施の形態２のレーザー加工装置Ｍ２では、位置合わせ用のＨｅ−Ｎｅレーザー１２（レーザー光源１２ａ）およびハーフミラー３を省略し、超短パルスレーザー１３の被加工物８に対する光軸の調整を、加工限界以下に出力を減じた当該超短パルスレーザー１３自体を用いて行う点が、上述の実施の形態１のレーザー加工装置Ｍ１と異なっている。
【００７２】
従って、本実施の形態２のレーザー加工装置Ｍ２において、上述のレーザー加工装置Ｍ１と共通する構成要素には、同一の参照符号を付して重複した説明は割愛する。
すなわち、本実施の形態２のレーザー加工装置Ｍ２では被加工物８としての平凹レンズ４１の加工位置４２に照射されるレーザーの光軸と平凹レンズ４１の球心とを一致させる工程および平凹レンズ４１の加工位置４２に照射されるレーザーの光軸と平凹レンズ４１の被加工面での目的の加工位置４２の法線４２ｂとを一致させる工程を、超短パルスレーザー１３自体を用いて行うことが可能になっている。
【００７３】
なお、加工対象となる平凹レンズ４１の形状、目的の加工形状４２ａは、上述の実施の形態１の図３Ａおよび図３Ｂで例示したものと同一である。
［作用］
本実施の形態２の場合、平凹レンズ４１の加工位置４２に照射されるレーザーの光軸と平凹レンズ４１の球心とを一致させる工程および平凹レンズ４１の加工位置４２に照射されるレーザーの光軸と平凹レンズ４１の被加工面での目的の加工位置４２の法線４２ｂとを一致させる工程では、平凹レンズ４１の損傷を防止するため、超短パルスレーザー１３の出力（照射エネルギー）を加工用の０．５μＪから加工限界以下である０．１μＪに切り替えて行った。
【００７４】
なお、この位置決め用の超短パルスレーザー１３の照射エネルギーの値（０．１μＪ）は、事前に平凹レンズ４１と同一の素材に照射して検討した結果に基づいて得られたものであり、平凹レンズ４１の凹球面４１ａに加工が行われない加工限界以下の出力エネルギーのレベルであることを確認している。
【００７５】
なお、それ以外の工程は、上述の実施の形態１に記載の方法と同じ方法で平凹レンズ４１の加工を実施した。
本実施の形態２のように、超短パルスレーザー１３による平凹レンズ４１の加工に先立つ位置決め工程に当該超短パルスレーザー１３自体を用いるレーザー加工装置Ｍ２による加工でも、上述の図４と同等の精度で平凹レンズ４１における凹球面４１ａの加工位置４２に加工形状４２ａを形成できることを確認した。
【００７６】
［効果］
本実施の形態２のレーザー加工装置Ｍ２によれば、上述の実施の形態１のレーザー加工装置Ｍ１と同様の効果が得られるとともに、さらに、超短パルスレーザー１３を平凹レンズ４１に対する位置決めと加工とに兼用する構成であるため、使用するレーザー光源や光学系を簡略化できる。
【００７７】
この結果、レーザー加工装置Ｍ２の部品点数を削減し、低コストのレーザー加工装置Ｍ２にて、平凹レンズ４１の凹球面４１ａに高精度の加工形状４２ａ等のくぼみ状の削り加工を実現できる効果がある。
【００７８】
以上説明したように、本発明の各実施の形態によれば、常に、加工を行う超短パルスレーザー１３の光軸上に被加工物８である平凹レンズ４１等の凹型球面光学素子の球心４３が存在する状態、すなわち、超短パルスレーザー１３の光軸が平凹レンズ４１における加工位置４２での法線４２ｂに一致する状態を維持しながら加工を行う。
【００７９】
これにより、超短パルスレーザー１３の集光点（照射スポット）の形状が常に一定の径の円形に保たれ、エネルギー密度も一定となるので、超短パルスレーザー１３の照射による加工線幅が走査方向に関係なく一定となり、加工形状４２ａの寸法精度が安定し、超短パルスレーザー１３等を用いたレーザー加工における高精度化を実現することができる。
【００８０】
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
［付記１］
レーザーを用いて凹型球面光学素子表面の加工を行う際に常に加工用レーザーの光軸と、凹型球面光学素子の加工位置での法線が一致する状態で目的の加工位置に目的形状の加工を行うことを特徴とするレーザー加工方法。
【００８１】
［付記２］
少なくとも１個以上のレーザー光を用いて、凹型球面光学素子表面にレーザー光を照射した際に反射されたレーザー光の集光点を観察する工程と、凹型球面光学素子の光軸とレーザーの光軸を一致させる工程と、を含むこと特徴とする付記１に記載のレーザー加工方法。
【００８２】
［付記３］
加工用レーザーの光軸と、凹型球面光学素子のいずれか、もしくは両方を調節して加工用レーザーの光軸と、凹型球面光学素子の加工位置での法線を一致させる工程を含むことを特徴とする付記１または付記２に記載のレーザー加工方法。
【００８３】
［付記４］
加工用レーザーの光軸と、凹型球面光学素子のいずれか、もしくは両方を調節して加工用レーザーの光軸と、凹型球面光学素子の加工位置での法線を一致させる手段を具備したことを特徴とするレーザー加工装置。
【符号の説明】
【００８４】
１  ＣＣＤカメラ
２  結像レンズ
３  ハーフミラー
４  ダイクロイックミラー
５  ビームスプリッター
６  照明光
６ａ  キセノンライト
７  集光レンズ
８  被加工物
９  加工ステージ
１０  観察・ステージ制御用コンピュータ
１０ａ  装置本体
１０ｂ  ディスプレイ
１１  姿勢制御装置
１２  Ｈｅ−Ｎｅレーザー
１２ａ  レーザー光源
１３  超短パルスレーザー
１３ａ  レーザー光源
２１  揺動中心
２２  上部Ｘ軸ステージ
２３  上部Ｙ軸ステージ
２４  上部Ｚ軸ステージ
２５  γ軸ステージ
２６  上部α軸ステージ
２７  上部β軸ステージ
２８  下部β軸ステージ
２９  下部Ｘ軸ステージ
３０  下部Ｙ軸ステージ
３１  下部Ｚ軸ステージ
４１  平凹レンズ
４１ａ  凹球面
４２  加工位置
４２ａ  加工形状
４２ｂ  法線
４３  球心
Ｍ１  レーザー加工装置
Ｍ２  レーザー加工装置
【図１】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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【図４】
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