(57)【要約】【課題】レーザ光照射装置による適正なレーザ光照射を実現する。【解決手段】発散角確認装置６００は、レーザ光Ｌを加工対象物１に照射するレーザ加工装置２００においてレーザ光Ｌの発散角を確認するための装置である。発散角確認装置６００は、レンズ４７２と、反射型空間光変調器４１０と、スポット観察用カメラ４７３と、モニタ５１０と、を備える。レンズ４７２は、レーザ光Ｌを集光する。反射型空間光変調器４１０は、レンズ４７２で複数の集光点に集光し且つ複数の集光点に集光する各集光光が光渦を有するように、レンズ４７２に入射するレーザ光Ｌを変調する。スポット観察用カメラ４７３は、レンズ４７２で集光した複数の集光光の像である複数の集光像を含む画像を撮像する。モニタ５１０は、スポット観察用カメラ４７３で撮像した画像を表示する。【選択図】図１６
2018025632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を対象物に照射するレーザ光照射装置において前記レーザ光の発散角を確認するための発散角確認装置であって、
前記レーザ光を集光するレンズと、
前記レンズで複数の集光点に集光し且つ複数の前記集光点に集光する各集光光が光渦を有するように、前記レンズに入射する前記レーザ光を変調する光学素子と、
前記レンズで集光した複数の前記集光光の像である複数の集光像を含む画像を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置で撮像した前記画像を出力する出力部と、を備える、発散角確認装置。
【請求項２】
前記光学素子は、変調パターンを表示する表示部を有する空間光変調器であり、
前記空間光変調器は、前記レーザ光を前記表示部に入射させ、当該レーザ光を前記変調パターンに応じて変調して前記表示部から出射し、
前記変調パターンは、方位角方向に０から２πのらせんの位相分布である光渦分布を、中心位置が互いに異なるように複数重ね合わせて成る光渦パターンである、請求項１に記載の発散角確認装置。
【請求項３】
前記出力部は、前記画像を表示するモニタを有する、請求項１又は２に記載の発散角確認装置。
【請求項４】
レーザ光を対象物に照射するレーザ光照射装置において前記レーザ光の発散角を調整する発散角調整装置であって、
前記レーザ光を集光するレンズと、
前記レンズで複数の集光点に集光し且つ複数の前記集光点に集光する各集光光が光渦を有するように、前記レンズに入射する前記レーザ光を変調する光学素子と、
前記レンズで集光した複数の前記集光光の像である複数の集光像を含む画像を撮像する撮像装置と、
前記光学素子に入射する前記レーザ光の発散角を調整する発散角調整機構と、
前記撮像装置で撮像した前記画像に基づいて、前記発散角を制御する発散角制御部と、を備え、
前記発散角制御部は、
前記画像における複数の前記集光像の位置についての基準位置に対するずれ量を算出するずれ量算出部と、
前記ずれ量算出部で算出した前記ずれ量が所定量となるように、前記発散角調整機構を制御する調整機構制御部と、を有する、発散角調整装置。
【請求項５】
前記光学素子は、変調パターンを表示する表示部を有する空間光変調器であり、
前記空間光変調器は、前記レーザ光を前記表示部に入射させ、当該レーザ光を前記変調パターンに応じて変調して前記表示部から出射し、
前記変調パターンは、方位角方向に０から２πのらせんの位相分布である光渦分布を、中心位置が互いに異なるように複数重ね合わせて成る光渦パターンである、請求項４に記載の発散角調整装置。
【請求項６】
前記ずれ量算出部は、
複数の前記集光像のうち第１及び第２集光像の位置を通る線分と基準方向との間の角度であるずれ角を、前記ずれ量として算出する、請求項４又は５に記載の発散角調整装置。
【請求項７】
前記発散角制御部は、
前記集光像の重心演算を実行して、前記集光像の重心位置を前記集光像の位置として算出する重心演算部を有する、請求項４〜６の何れか一項に記載の発散角調整装置。
【請求項８】
前記発散角調整機構は、前記レーザ光をコリメートするコリメートレンズを有するビームエキスパンダであり、
前記コリメートレンズは、その光軸方向に沿って移動可能に構成され、
前記調整機構制御部は、光軸方向における前記コリメートレンズの位置を制御する、請求項４〜７の何れか一項に記載の発散角調整装置。
【請求項９】
前記基準位置は、前記光学素子に入射する前記レーザ光が平行光のときにおける複数の前記集光像の位置であり、
前記所定量は、０である、請求項４〜８の何れか一項に記載の発散角調整装置。
【請求項１０】
レーザ光を対象物に照射するレーザ光照射装置において前記レーザ光の発散角を確認するための発散角確認方法であって、
前記レーザ光をレンズで集光するステップと、
前記レンズで複数の集光点に集光し且つ複数の前記集光点に集光する各集光光が光渦を有するように、前記レンズに入射する前記レーザ光を光学素子で変調するステップと、
前記レンズで集光した複数の前記集光光の像である複数の集光像を含む画像を撮像するステップと、
撮像した前記画像を出力するステップと、を備える、発散角確認方法。
【請求項１１】
レーザ光を対象物に照射するレーザ光照射装置において前記レーザ光の発散角を調整する発散角調整方法であって、
前記レーザ光をレンズで集光するステップと、
前記レンズで複数の集光点に集光し且つ複数の前記集光点に集光する各集光光が光渦を有するように、前記レンズに入射する前記レーザ光を光学素子で変調するステップと、
前記レンズで集光した複数の前記集光光の像である複数の集光像を含む画像を撮像するステップと、
撮像した前記画像に基づいて、前記発散角を制御するステップと、を備え、
前記発散角を制御するステップにおいては、
前記画像における複数の前記集光像の位置についての基準位置に対するずれ量を算出し、
算出した前記ずれ量が所定量となるように、前記光学素子に入射する前記レーザ光の発散角を調整する発散角調整機構を制御する、発散角調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発散角確認装置、発散角調整装置、発散角確認方法、及び発散角調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光を対象物に照射するレーザ光照射装置（特許文献１参照）において、例えばレーザ発振器の交換後には、レーザ光の光路上にコリメーションチェッカー等の計測機器が別途挿入され、当該計測機器によってレーザ光の発散角（平行度）の確認が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−５１０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、レーザ光の発散角を精度よく確認ないしは調整して、レーザ光照射装置による適正なレーザ光照射を実現することが求められる。
【０００５】
本発明は、レーザ光照射装置による適正なレーザ光照射を実現できる発散角確認装置、発散角調整装置、発散角確認方法、及び発散角調整方法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】
【０００６】
本発明の発散角確認装置は、レーザ光を対象物に照射するレーザ光照射装置においてレーザ光の発散角を確認するための発散角確認装置であって、レーザ光を集光するレンズと、レンズで複数の集光点に集光し且つ複数の集光点に集光する各集光光が光渦を有するように、レンズに入射するレーザ光を変調する光学素子と、レンズで集光した複数の集光光の像である複数の集光像を含む画像を撮像する撮像装置と、撮像装置で撮像した画像を出力する出力部と、を備える。
【０００７】
本発明の発散角確認方法は、レーザ光を対象物に照射するレーザ光照射装置においてレーザ光の発散角を確認するための発散角確認方法であって、レーザ光をレンズで集光するステップと、レンズで複数の集光点に集光し且つ複数の集光点に集光する各集光光が光渦を有するように、レンズに入射するレーザ光を光学素子で変調するステップと、レンズで集光した複数の集光光の像である複数の集光像を含む画像を撮像するステップと、撮像した画像を出力するステップと、を備える。
【０００８】
レーザ光をレンズで複数の集光点に集光した際に各集光光が光渦を有していると、これらの集光光の像である複数の集光像の位置は、当該レーザ光の発散角に応じて変化する傾向を有するという知見が見出される。具体的には、複数の集光像の位置は、レーザ光が平行光であるコリメート時に基準位置に位置しているとすると、レーザ光が非平行光である非コリメート時においては、この基準位置に対して回転方向にずれるという知見が見出される。そこで、本発明の発散角確認装置及び発散角確認方法では、レンズで複数の集光点に集光し且つ各集光光が光渦を有するようにレーザ光を変調し、複数の集光像を含む画像を撮像し、この画像を出力する。したがって、出力した画像に含まれる複数の集光像の位置に基づくことで、上述した知見により、レーザ光の発散角を精度よく確認することが可能となる。その結果、レーザ光照射装置による適正なレーザ光照射を実現することが可能となる。
【０００９】
本発明の発散角確認装置において、光学素子は、変調パターンを表示する表示部を有する空間光変調器であり、空間光変調器は、レーザ光を表示部に入射させ、当該レーザ光を変調パターンに応じて変調して表示部から出射し、変調パターンは、方位角方向に０から２πのらせんの位相分布である光渦分布を、中心位置が互いに異なるように複数重ね合わせて成る光渦パターンであってもよい。この場合、空間光変調器を利用して、レンズで複数の集光点に集光し且つ各集光光が光渦を有するようにレーザ光を変調できる。
【００１０】
本発明の発散角確認装置において、出力部は、画像を表示するモニタを有していてもよい。この場合、作業者は、複数の集光像を含む画像をモニタで確認できる。
【００１１】
本発明の発散角調整装置は、レーザ光を対象物に照射するレーザ光照射装置においてレーザ光の発散角を調整する発散角調整装置であって、レーザ光を集光するレンズと、レンズで複数の集光点に集光し且つ複数の集光点に集光する各集光光が光渦を有するように、レンズに入射するレーザ光を変調する光学素子と、レンズで集光した複数の集光光の像である複数の集光像を含む画像を撮像する撮像装置と、光学素子に入射するレーザ光の発散角を調整する発散角調整機構と、撮像装置で撮像した画像に基づいて、発散角を制御する発散角制御部と、を備え、発散角制御部は、画像における複数の集光像の位置についての基準位置に対するずれ量を算出するずれ量算出部と、ずれ量算出部で算出したずれ量が所定量となるように、発散角調整機構を制御する調整機構制御部と、を有する。
【００１２】
本発明の発散角調整方法は、レーザ光を対象物に照射するレーザ光照射装置においてレーザ光の発散角を調整する発散角調整方法であって、レーザ光をレンズで集光するステップと、レンズで複数の集光点に集光し且つ複数の集光点に集光する各集光光が光渦を有するように、レンズに入射するレーザ光を光学素子で変調するステップと、レンズで集光した複数の集光光の像である複数の集光像を含む画像を撮像するステップと、撮像した画像に基づいて、発散角を制御するステップと、を備え、発散角を制御するステップにおいては、画像における複数の集光像の位置についての基準位置に対するずれ量を算出し、算出したずれ量が所定量となるように、光学素子に入射するレーザ光の発散角を調整する発散角調整機構を制御する。
【００１３】
複数の集光像の位置についての基準位置に対するずれ量は、レーザ光の発散角に応じて変化することが見出される。そこで、本発明の発散角調整装置及び発散角調整方法では、当該ずれ量が所定量となるように発散角調整機構を制御することにより、レーザ光の発散角を精度よく調整することが可能となる。その結果、レーザ光照射装置による適正なレーザ光照射を実現することが可能となる。
【００１４】
本発明の発散角調整装置において、光学素子は、変調パターンを表示する表示部を有する空間光変調器であり、空間光変調器は、レーザ光を表示部に入射させ、当該レーザ光を変調パターンに応じて変調して表示部から出射し、変調パターンは、方位角方向に０から２πのらせんの位相分布である光渦分布を、中心位置が互いに異なるように複数重ね合わせて成る光渦パターンであってもよい。この場合、空間光変調器を利用して、レンズで複数の集光点に集光し且つ各集光光が光渦を有するようにレーザ光を変調できる。
【００１５】
本発明の発散角調整装置において、ずれ量算出部は、複数の集光像のうち第１及び第２集光像の位置を通る線分と基準方向との間の角度であるずれ角を、ずれ量として算出してもよい。この場合、ずれ量の取得を具体的に実現できる。
【００１６】
本発明の発散角調整装置において、発散角制御部は、集光像の重心演算を実行して、集光像の重心位置を集光像の位置として算出する重心演算部を有していてもよい。これにより、集光像の位置を、重心演算により自動的に取得できる。
【００１７】
本発明の発散角調整装置において、発散角調整機構は、レーザ光をコリメートするコリメートレンズを有するビームエキスパンダであり、コリメートレンズは、その光軸方向に沿って移動可能に構成され、調整機構制御部は、光軸方向におけるコリメートレンズの位置を制御してもよい。この場合、レーザ光の発散角の調整が、ビームエキスパンダのコリメートレンズを光軸方向に沿って移動させることにより実現される。
【００１８】
本発明の発散角調整装置において、基準位置は、光学素子に入射するレーザ光が平行光のときにおける複数の集光像の位置であり、所定量は、０であってもよい。この場合、当該ずれ量が０となるように制御して、光学素子に入射するレーザ光を平行光に調整することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、レーザ光照射装置による適正なレーザ光照射を実現できる発散角確認装置、発散角調整装置、発散角確認方法、及び発散角調整装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】改質領域の形成に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。
【図２】改質領域の形成の対象となる加工対象物の平面図である。
【図３】図２の加工対象物のIII−III線に沿っての断面図である。
【図４】レーザ加工後の加工対象物の平面図である。
【図５】図４の加工対象物のV−V線に沿っての断面図である。
【図６】図４の加工対象物のVI−VI線に沿っての断面図である。
【図７】実施形態に係るレーザ加工装置の斜視図である。
【図８】図７のレーザ加工装置の支持台に取り付けられる加工対象物の斜視図である。
【図９】図７のＺＸ平面に沿ってのレーザ出力部の断面図である。
【図１０】図７のレーザ加工装置におけるレーザ出力部及びレーザ集光部の一部の斜視図である。
【図１１】図７のＸＹ平面に沿ってのレーザ集光部の断面図である。
【図１２】図１１のXII−XII線に沿ってのレーザ集光部の断面図である。
【図１３】図１２のXIII−XIII線に沿ってのレーザ集光部の断面図である。
【図１４】図７のレーザ加工装置における反射型空間光変調器の部分断面図である。
【図１５】図１１のレーザ集光部における反射型空間光変調器、４ｆレンズユニット及び集光レンズユニットの光学的配置関係を示す図である。
【図１６】実施形態に係る発散角調整装置及び発散角確認装置の概略構成図である。
【図１７】液晶層に表示された光渦パターンの一例を示す図である。
【図１８】（ａ）は、スポット観察用カメラで撮像された画像の一例である。（ｂ）は、スポット観察用カメラで撮像された画像の他の一例である。（ｃ）は、スポット観察用カメラで撮像された画像の更に他の一例である。
【図１９】発散角確認方法及び発散角調整方法を示すフローチャートである。
【図２０】（ａ）は、レーザ光が平行光である場合におけるレンズによるレーザ光の集光を説明する図である。（ｂ）は、レーザ光が非平行光である場合におけるレンズによるレーザ光の集光を説明する図である。
【図２１】変形例に係る光渦パターンを示す図である。
【図２２】レーザ光のビーム曲率半径とずれ角との関係を示すグラフである。
【図２３】（ａ）は、変形例に係る光渦パターンを示す図である。（ｂ）は、図２３（ａ）の光渦パターンを液晶層に表示させた場合においてスポット観察用カメラで撮像された画像を示す図である。
【図２４】（ａ）は、変形例に係る光渦パターンを示す図である。（ｂ）は、図２４（ａ）の光渦パターンを液晶層に表示させた場合においてスポット観察用カメラで撮像された画像を示す図である。
【図２５】変形例に係る光学素子を説明する概略図である。
【図２６】（ａ）は、変形例に係る発散角確認装置の要部を示す概略構成図である。（ｂ）は、変形例に係る発散角調整装置の要部を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２２】
実施形態に係るレーザ加工装置（レーザ光照射装置）では、加工対象物にレーザ光を集光することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物に改質領域を形成する。そこで、まず、改質領域の形成について、図１〜図６を参照して説明する。
【００２３】
図１に示されるように、レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌをパルス発振するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの光軸（光路）の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、レーザ光Ｌを集光するための集光用レンズ１０５と、を備えている。また、レーザ加工装置１００は、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される対象物である加工対象物１を支持するための支持台１０７と、支持台１０７を移動させるための移動機構であるステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅、パルス波形等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、ステージ１１１の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備えている。
【００２４】
レーザ加工装置１００においては、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー１０３によってその光軸の向きを９０°変えられ、支持台１０７上に載置された加工対象物１の内部に集光用レンズ１０５によって集光される。これと共に、ステージ１１１が移動させられ、加工対象物１がレーザ光Ｌに対して切断予定ライン５に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン５に沿った改質領域が加工対象物１に形成される。なお、ここでは、レーザ光Ｌを相対的に移動させるためにステージ１１１を移動させたが、集光用レンズ１０５を移動させてもよいし、或いはこれらの両方を移動させてもよい。
【００２５】
加工対象物１としては、半導体材料で形成された半導体基板や圧電材料で形成された圧電基板等を含む板状の部材（例えば、基板、ウェハ等）が用いられる。図２に示されるように、加工対象物１には、加工対象物１を切断するための切断予定ライン５が設定されている。切断予定ライン５は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物１の内部に改質領域を形成する場合、図３に示されるように、加工対象物１の内部に集光点（集光位置）Ｐを合わせた状態で、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図２の矢印Ａ方向に）相対的に移動させる。これにより、図４、図５及び図６に示されるように、改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１に形成され、切断予定ライン５に沿って形成された改質領域７が切断起点領域８となる。切断予定ライン５は、照射予定ラインに対応する。
【００２６】
集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。切断予定ライン５は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、これらが組み合わされた３次元状であってもよいし、座標指定されたものであってもよい。切断予定ライン５は、仮想線に限らず加工対象物１の表面３に実際に引かれた線であってもよい。改質領域７は、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。改質領域７は列状でも点状でもよく、要は、改質領域７は少なくとも加工対象物１の内部、表面３又は裏面に形成されていればよい。改質領域７を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域７は、加工対象物１の外表面（表面３、裏面、若しくは外周面）に露出していてもよい。改質領域７を形成する際のレーザ光入射面は、加工対象物１の表面３に限定されるものではなく、加工対象物１の裏面であってもよい。
【００２７】
ちなみに、加工対象物１の内部に改質領域７を形成する場合には、レーザ光Ｌは、加工対象物１を透過すると共に、加工対象物１の内部に位置する集光点Ｐ近傍にて特に吸収される。これにより、加工対象物１に改質領域７が形成される（すなわち、内部吸収型レーザ加工）。この場合、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌが殆ど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。一方、加工対象物１の表面３又は裏面に改質領域７を形成する場合には、レーザ光Ｌは、表面３又は裏面に位置する集光点Ｐ近傍にて特に吸収され、表面３又は裏面から溶融され除去されて、穴や溝等の除去部が形成される（表面吸収型レーザ加工）。
【００２８】
改質領域７は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域７としては、例えば、溶融処理領域（一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくとも何れか一つを意味する）、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。更に、改質領域７としては、加工対象物１の材料において改質領域７の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域や、格子欠陥が形成された領域がある。加工対象物１の材料が単結晶シリコンである場合、改質領域７は、高転位密度領域ともいえる。
【００２９】
溶融処理領域、屈折率変化領域、改質領域７の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、及び、格子欠陥が形成された領域は、更に、それら領域の内部や改質領域７と非改質領域との界面に亀裂（割れ、マイクロクラック）を内包している場合がある。内包される亀裂は、改質領域７の全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。加工対象物１は、結晶構造を有する結晶材料からなる基板を含む。例えば加工対象物１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ＬｉＴａＯ３、及び、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）の少なくとも何れかで形成された基板を含む。換言すると、加工対象物１は、例えば、窒化ガリウム基板、シリコン基板、ＳｉＣ基板、ＬｉＴａＯ３基板、又はサファイア基板を含む。結晶材料は、異方性結晶及び等方性結晶の何れであってもよい。また、加工対象物１は、非結晶構造（非晶質構造）を有する非結晶材料からなる基板を含んでいてもよく、例えばガラス基板を含んでいてもよい。
【００３０】
実施形態では、切断予定ライン５に沿って改質スポット（加工痕）を複数形成することにより、改質領域７を形成することができる。この場合、複数の改質スポットが集まることによって改質領域７となる。改質スポットとは、パルスレーザ光の１パルスのショット（つまり１パルスのレーザ光照射：レーザショット）で形成される改質部分である。改質スポットとしては、クラックスポット、溶融処理スポット若しくは屈折率変化スポット、又はこれらの少なくとも１つが混在するもの等が挙げられる。改質スポットについては、要求される切断精度、要求される切断面の平坦性、加工対象物１の厚さ、種類、結晶方位等を考慮して、その大きさや発生する亀裂の長さを適宜制御することができる。また、実施形態では、切断予定ライン５に沿って、改質スポットを改質領域７として形成することができる。
［実施形態に係るレーザ加工装置］
【００３１】
次に、実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。以下の説明では、水平面内において互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、鉛直方向をＺ軸方向とする。
［レーザ加工装置の全体構成］
【００３２】
図７に示されるように、レーザ加工装置２００は、装置フレーム２１０と、第１移動機構２２０と、支持台２３０と、第２移動機構２４０と、を備えている。更に、レーザ加工装置２００は、レーザ出力部３００と、レーザ集光部４００と、制御部５００と、を備えている。
【００３３】
第１移動機構２２０は、装置フレーム２１０に取り付けられている。第１移動機構２２０は、第１レールユニット２２１と、第２レールユニット２２２と、可動ベース２２３と、を有している。第１レールユニット２２１は、装置フレーム２１０に取り付けられている。第１レールユニット２２１には、Ｙ軸方向に沿って延在する一対のレール２２１ａ，２２１ｂが設けられている。第２レールユニット２２２は、Ｙ軸方向に沿って移動可能となるように、第１レールユニット２２１の一対のレール２２１ａ，２２１ｂに取り付けられている。第２レールユニット２２２には、Ｘ軸方向に沿って延在する一対のレール２２２ａ，２２２ｂが設けられている。可動ベース２２３は、Ｘ軸方向に沿って移動可能となるように、第２レールユニット２２２の一対のレール２２２ａ，２２２ｂに取り付けられている。可動ベース２２３は、Ｚ軸方向に平行な軸線を中心線として回転可能である。
【００３４】
支持台２３０は、可動ベース２２３に取り付けられている。支持台２３０は、加工対象物１を支持する。加工対象物１は、例えば、シリコン等の半導体材料からなる基板の表面側に複数の機能素子（フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、又は回路として形成された回路素子等）がマトリックス状に形成されたものである。加工対象物１が支持台２３０に支持される際には、図８に示されるように、環状のフレーム１１に張られたフィルム１２上に、例えば加工対象物１の表面１ａ（複数の機能素子側の面）が貼付される。支持台２３０は、クランプによってフレーム１１を保持すると共に真空チャックテーブルによってフィルム１２を吸着することで、加工対象物１を支持する。支持台２３０上において、加工対象物１には、互いに平行な複数の切断予定ライン５ａ、及び互いに平行な複数の切断予定ライン５ｂが、隣り合う機能素子の間を通るように格子状に設定される。
【００３５】
図７に示されるように、支持台２３０は、第１移動機構２２０において第２レールユニット２２２が動作することで、Ｙ軸方向に沿って移動させられる。また、支持台２３０は、第１移動機構２２０において可動ベース２２３が動作することで、Ｘ軸方向に沿って移動させられる。更に、支持台２３０は、第１移動機構２２０において可動ベース２２３が動作することで、Ｚ軸方向に平行な軸線を中心線として回転させられる。このように、支持台２３０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って移動可能となり且つＺ軸方向に平行な軸線を中心線として回転可能となるように、装置フレーム２１０に取り付けられている。
【００３６】
レーザ出力部３００は、装置フレーム２１０に取り付けられている。レーザ集光部４００は、第２移動機構２４０を介して装置フレーム２１０に取り付けられている。レーザ集光部４００は、第２移動機構２４０が動作することで、Ｚ軸方向に沿って移動させられる。このように、レーザ集光部４００は、レーザ出力部３００に対してＺ軸方向に沿って移動可能となるように、装置フレーム２１０に取り付けられている。
【００３７】
制御部５００は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）及びＲＡＭ（Random  Access  Memory）等によって構成されている。制御部５００は、レーザ加工装置２００の各部の動作を制御する。
【００３８】
一例として、レーザ加工装置２００では、次のように、各切断予定ライン５ａ，５ｂ（図８参照）に沿って加工対象物１の内部に改質領域が形成される。
【００３９】
まず、加工対象物１の裏面１ｂ（図８参照）がレーザ光入射面となるように、加工対象物１が支持台２３０に支持され、加工対象物１の各切断予定ライン５ａがＸ軸方向に平行な方向に合わせられる。続いて、加工対象物１の内部において加工対象物１のレーザ光入射面から所定距離だけ離間した位置にレーザ光Ｌの集光点が位置するように、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００が移動させられる。続いて、加工対象物１のレーザ光入射面とレーザ光Ｌの集光点との距離が一定に維持されつつ、各切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌの集光点が相対的に移動させられる。これにより、各切断予定ライン５ａに沿って加工対象物１の内部に改質領域が形成される。
【００４０】
各切断予定ライン５ａに沿っての改質領域の形成が終了すると、第１移動機構２２０によって支持台２３０が回転させられ、加工対象物１の各切断予定ライン５ｂがＸ軸方向に平行な方向に合わせられる。続いて、加工対象物１の内部において加工対象物１のレーザ光入射面から所定距離だけ離間した位置にレーザ光Ｌの集光点が位置するように、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００が移動させられる。続いて、加工対象物１のレーザ光入射面とレーザ光Ｌの集光点との距離が一定に維持されつつ、各切断予定ライン５ｂに沿ってレーザ光Ｌの集光点が相対的に移動させられる。これにより、各切断予定ライン５ｂに沿って加工対象物１の内部に改質領域が形成される。
【００４１】
このように、レーザ加工装置２００では、Ｘ軸方向に平行な方向が加工方向（レーザ光Ｌのスキャン方向）とされている。なお、各切断予定ライン５ａに沿ったレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動、及び各切断予定ライン５ｂに沿ったレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動は、第１移動機構２２０によって支持台２３０がＸ軸方向に沿って移動させられることで、実施される。また、各切断予定ライン５ａ間におけるレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動、及び各切断予定ライン５ｂ間におけるレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動は、第１移動機構２２０によって支持台２３０がＹ軸方向に沿って移動させられることで、実施される。
【００４２】
図９に示されるように、レーザ出力部３００は、取付ベース３０１と、カバー３０２と、複数のミラー３０３，３０４と、を有している。更に、レーザ出力部３００は、レーザ発振器３１０と、シャッタ３２０と、λ／２波長板ユニット３３０と、偏光板ユニット３４０と、ビームエキスパンダ３５０と、ミラーユニット３６０と、を有している。
【００４３】
取付ベース３０１は、複数のミラー３０３，３０４、レーザ発振器３１０、シャッタ３２０、λ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０、ビームエキスパンダ３５０及びミラーユニット３６０を支持している。複数のミラー３０３，３０４、レーザ発振器３１０、シャッタ３２０、λ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０、ビームエキスパンダ３５０及びミラーユニット３６０は、取付ベース３０１の主面３０１ａに取り付けられている。取付ベース３０１は、板状の部材であり、装置フレーム２１０（図７参照）に対して着脱可能である。レーザ出力部３００は、取付ベース３０１を介して装置フレーム２１０に取り付けられている。つまり、レーザ出力部３００は、装置フレーム２１０に対して着脱可能である。
【００４４】
カバー３０２は、取付ベース３０１の主面３０１ａ上において、複数のミラー３０３，３０４、レーザ発振器３１０、シャッタ３２０、λ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０、ビームエキスパンダ３５０及びミラーユニット３６０を覆っている。カバー３０２は、取付ベース３０１に対して着脱可能である。
【００４５】
レーザ発振器３１０は、直線偏光のレーザ光ＬをＸ軸方向に沿ってパルス発振する。レーザ発振器３１０から出射されるレーザ光Ｌの波長は、５００〜５５０ｎｍ、１０００〜１１５０ｎｍ又は１３００〜１４００ｎｍのいずれかの波長帯に含まれる。５００〜５５０ｎｍの波長帯のレーザ光Ｌは、例えばサファイアからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。１０００〜１１５０ｎｍ及び１３００〜１４００ｎｍの各波長帯のレーザ光Ｌは、例えばシリコンからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。レーザ発振器３１０から出射されるレーザ光Ｌの偏光方向は、例えば、Ｙ軸方向に平行な方向である。レーザ発振器３１０から出射されたレーザ光Ｌは、ミラー３０３によって反射され、Ｙ軸方向に沿ってシャッタ３２０に入射する。
【００４６】
レーザ発振器３１０では、次のように、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられる。レーザ発振器３１０が固体レーザで構成されている場合、共振器内に設けられたＱスイッチ（ＡＯＭ（音響光学変調器）、ＥＯＭ（電気光学変調器）等）のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることで、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが高速に切り替えられる。レーザ発振器３１０がファイバレーザで構成されている場合、シードレーザ、アンプ（励起用）レーザを構成する半導体レーザの出力のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることで、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが高速に切り替えられる。レーザ発振器３１０が外部変調素子を用いている場合、共振器外に設けられた外部変調素子（ＡＯＭ、ＥＯＭ等）のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることで、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが高速に切り替えられる。
【００４７】
シャッタ３２０は、機械式の機構によってレーザ光Ｌの光路を開閉する。レーザ出力部３００からのレーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦの切り替えは、上述したように、レーザ発振器３１０でのレーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦの切り替えによって実施されるが、シャッタ３２０が設けられていることで、例えばレーザ出力部３００からレーザ光Ｌが不意に出射されることが防止される。シャッタ３２０を通過したレーザ光Ｌは、ミラー３０４によって反射され、Ｘ軸方向に沿ってλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０に順次入射する。
【００４８】
λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０は、レーザ光Ｌの出力（光強度）を調整する出力調整部として機能する。また、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０は、レーザ光Ｌの偏光方向を調整する偏光方向調整部として機能する。λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を順次通過したレーザ光Ｌは、Ｘ軸方向に沿ってビームエキスパンダ３５０に入射する。
【００４９】
ビームエキスパンダ３５０は、レーザ光Ｌの径を調整しつつ、レーザ光Ｌをコリメート（平行化）する。ビームエキスパンダ３５０は、発散レンズ及びコリメートレンズを有し、コリメートレンズが光軸方向に沿って移動可能に構成されている（詳しくは、後述）。ビームエキスパンダ３５０を通過したレーザ光Ｌは、Ｘ軸方向に沿ってミラーユニット３６０に入射する。
【００５０】
ミラーユニット３６０は、支持ベース３６１と、複数のミラー３６２，３６３と、を有している。支持ベース３６１は、複数のミラー３６２，３６３を支持している。支持ベース３６１は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って位置調整可能となるように、取付ベース３０１に取り付けられている。ミラー３６２は、ビームエキスパンダ３５０を通過したレーザ光ＬをＹ軸方向に反射する。ミラー３６２は、その反射面が例えばＺ軸に平行な軸線回りに角度調整可能となるように、支持ベース３６１に取り付けられている。ミラー３６３は、ミラー３６２によって反射されたレーザ光ＬをＺ軸方向に反射する。ミラー３６３は、その反射面が例えばＸ軸に平行な軸線回りに角度調整可能となり且つＹ軸方向に沿って位置調整可能となるように、支持ベース３６１に取り付けられている。ミラー３６３によって反射されたレーザ光Ｌは、支持ベース３６１に形成された開口３６１ａを通過し、Ｚ軸方向に沿ってレーザ集光部４００（図７参照）に入射する。つまり、レーザ出力部３００によるレーザ光Ｌの出射方向は、レーザ集光部４００の移動方向に一致している。上述したように、各ミラー３６２，３６３は、反射面の角度を調整するための機構を有している。ミラーユニット３６０では、取付ベース３０１に対する支持ベース３６１の位置調整、支持ベース３６１に対するミラー３６３の位置調整、及び各ミラー３６２，３６３の反射面の角度調整が実施されることで、レーザ出力部３００から出射されるレーザ光Ｌの光軸の位置及び角度がレーザ集光部４００に対して合わされる。つまり、複数のミラー３６２，３６３は、レーザ出力部３００から出射されるレーザ光Ｌの光軸を調整するための構成である。
【００５１】
図１０に示されるように、レーザ集光部４００は、筐体４０１を有している。筐体４０１は、Ｙ軸方向を長手方向とする直方体状の形状を呈している。筐体４０１の一方の側面４０１ｅには、第２移動機構２４０が取り付けられている（図１１及び図１３参照）。筐体４０１には、ミラーユニット３６０の開口３６１ａとＺ軸方向において対向するように、円筒状の光入射部４０１ａが設けられている。光入射部４０１ａは、レーザ出力部３００から出射されたレーザ光Ｌを筐体４０１内に入射させる。ミラーユニット３６０と光入射部４０１ａとは、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００がＺ軸方向に沿って移動させられた際に互いに接触することがない距離だけ、互いに離間している。
【００５２】
図１１及び図１２に示されるように、レーザ集光部４００は、ミラー４０２と、ダイクロイックミラー４０３と、を有している。更に、レーザ集光部４００は、反射型空間光変調器４１０と、４ｆレンズユニット４２０と、集光レンズユニット４３０と、駆動機構４４０と、一対の測距センサ４５０と、を有している。
【００５３】
ミラー４０２は、光入射部４０１ａとＺ軸方向において対向するように、筐体４０１の底面４０１ｂに取り付けられている。ミラー４０２は、光入射部４０１ａを介して筐体４０１内に入射したレーザ光ＬをＸＹ平面に平行な方向に反射する。ミラー４０２には、レーザ出力部３００のビームエキスパンダ３５０によって平行化されたレーザ光ＬがＺ軸方向に沿って入射する。つまり、ミラー４０２には、レーザ光Ｌが平行光としてＺ軸方向に沿って入射する。そのため、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００がＺ軸方向に沿って移動させられても、Ｚ軸方向に沿ってミラー４０２に入射するレーザ光Ｌの状態は一定に維持される。ミラー４０２によって反射されたレーザ光Ｌは、反射型空間光変調器４１０に入射する。
【００５４】
反射型空間光変調器４１０は、反射面４１０ａが筐体４０１内に臨んだ状態で、Ｙ軸方向における筐体４０１の端部４０１ｃに取り付けられている。反射型空間光変調器４１０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）であり、レーザ光Ｌを変調しつつ、レーザ光ＬをＹ軸方向に反射する。反射型空間光変調器４１０によって変調されると共に反射されたレーザ光Ｌは、Ｙ軸方向に沿って４ｆレンズユニット４２０に入射する。ここで、ＸＹ平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの光軸と、反射型空間光変調器４１０から出射されるレーザ光Ｌの光軸とがなす角度αは、鋭角（例えば、１０〜６０°）とされている。つまり、レーザ光Ｌは、反射型空間光変調器４１０においてＸＹ平面に沿って鋭角に反射される。これは、レーザ光Ｌの入射角及び反射角を抑えて回折効率の低下を抑制し、反射型空間光変調器４１０の性能を十分に発揮させるためである。なお、反射型空間光変調器４１０では、例えば、液晶が用いられた光変調層の厚さが数μｍ〜数十μｍ程度と極めて薄いため、反射面４１０ａは、光変調層の光入出射面と実質的に同じと捉えることができる。
【００５５】
４ｆレンズユニット４２０は、ホルダ４２１と、反射型空間光変調器４１０側のレンズ４２２と、集光レンズユニット４３０側のレンズ４２３と、スリット部材４２４と、を有している。ホルダ４２１は、一対のレンズ４２２，４２３及びスリット部材４２４を保持している。ホルダ４２１は、レーザ光Ｌの光軸に沿った方向における一対のレンズ４２２，４２３及びスリット部材４２４の互いの位置関係を一定に維持している。一対のレンズ４２２，４２３は、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａと集光レンズユニット４３０の入射瞳面（瞳面）４３０ａとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。これにより、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの像（反射型空間光変調器４１０において変調されたレーザ光Ｌの像）が、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａに転像（結像）される。スリット部材４２４には、スリット４２４ａが形成されている。スリット４２４ａは、レンズ４２２とレンズ４２３との間であって、レンズ４２２の焦点面付近に位置している。反射型空間光変調器４１０によって変調されると共に反射されたレーザ光Ｌのうち不要な部分は、スリット部材４２４によって遮断される。４ｆレンズユニット４２０を通過したレーザ光Ｌは、Ｙ軸方向に沿ってダイクロイックミラー４０３に入射する。
【００５６】
ダイクロイックミラー４０３は、レーザ光Ｌの大部分（例えば、９５〜９９．５％）をＺ軸方向に反射し、レーザ光Ｌの一部（例えば、０．５〜５％）をＹ軸方向に沿って透過させる。レーザ光Ｌの大部分は、ダイクロイックミラー４０３においてＺＸ平面に沿って直角に反射される。ダイクロイックミラー４０３によって反射されたレーザ光Ｌは、Ｚ軸方向に沿って集光レンズユニット４３０に入射する。
【００５７】
集光レンズユニット４３０は、Ｙ軸方向における筐体４０１の端部４０１ｄ（端部４０１ｃの反対側の端部）に、駆動機構４４０を介して取り付けられている。集光レンズユニット４３０は、対物レンズを構成する。集光レンズユニット４３０は、ホルダ４３１と、複数のレンズ４３２と、を有している。ホルダ４３１は、複数のレンズ４３２を保持している。複数のレンズ４３２は、支持台２３０に支持された加工対象物１（図７参照）に対してレーザ光Ｌを集光する。駆動機構４４０は、圧電素子の駆動力によって、集光レンズユニット４３０をＺ軸方向に沿って移動させる。
【００５８】
一対の測距センサ４５０は、Ｘ軸方向において集光レンズユニット４３０の両側に位置するように、筐体４０１の端部４０１ｄに取り付けられている。各測距センサ４５０は、支持台２３０に支持された加工対象物１（図７参照）のレーザ光入射面に対して測距用の光（例えば、レーザ光）を出射し、当該レーザ光入射面によって反射された測距用の光を検出することで、加工対象物１のレーザ光入射面の変位データを取得する。なお、測距センサ４５０には、三角測距方式、レーザ共焦点方式、白色共焦点方式、分光干渉方式、非点収差方式等のセンサを利用することができる。
【００５９】
レーザ加工装置２００では、上述したように、Ｘ軸方向に平行な方向が加工方向（レーザ光Ｌのスキャン方向）とされている。そのため、各切断予定ライン５ａ，５ｂに沿ってレーザ光Ｌの集光点が相対的に移動させられる際に、一対の測距センサ４５０のうち集光レンズユニット４３０に対して相対的に先行する測距センサ４５０が、各切断予定ライン５ａ，５ｂに沿った加工対象物１のレーザ光入射面の変位データを取得する。そして、加工対象物１のレーザ光入射面とレーザ光Ｌの集光点との距離が一定に維持されるように、駆動機構４４０が、測距センサ４５０によって取得された変位データに基づいて集光レンズユニット４３０をＺ軸方向に沿って移動させる。
【００６０】
レーザ集光部４００は、ビームスプリッタ４６１と、一対のレンズ４６２，４６３と、プロファイル取得用カメラ４６４と、を有している。ビームスプリッタ４６１は、ダイクロイックミラー４０３を透過したレーザ光Ｌを反射成分と透過成分とに分ける。ビームスプリッタ４６１によって反射されたレーザ光Ｌは、Ｚ軸方向に沿って一対のレンズ４６２，４６３及びプロファイル取得用カメラ４６４に順次入射する。一対のレンズ４６２，４６３は、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとプロファイル取得用カメラ４６４の撮像面とが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。これにより、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａでのレーザ光Ｌの像が、プロファイル取得用カメラ４６４の撮像面に転像（結像）される。上述したように、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａでのレーザ光Ｌの像は、反射型空間光変調器４１０において変調されたレーザ光Ｌの像である。したがって、レーザ加工装置２００では、プロファイル取得用カメラ４６４による撮像結果を監視することで、反射型空間光変調器４１０の動作状態を把握することができる。
【００６１】
更に、レーザ集光部４００は、ビームスプリッタ４７１と、レンズ４７２と、レーザ光Ｌのスポット位置（ポインティング）観察用の撮像装置であるスポット観察用カメラ４７３と、を有している。ビームスプリッタ４７１は、ビームスプリッタ４６１を透過したレーザ光Ｌを反射成分と透過成分とに分ける。ビームスプリッタ４７１によって反射されたレーザ光Ｌは、Ｚ軸方向に沿ってレンズ４７２及びスポット観察用カメラ４７３に順次入射する。レンズ４７２は、入射したレーザ光Ｌをスポット観察用カメラ４７３の撮像面に向けて集光する。レーザ加工装置２００では、プロファイル取得用カメラ４６４及びスポット観察用カメラ４７３のそれぞれによる撮像結果を監視しつつ、ミラーユニット３６０において、取付ベース３０１に対する支持ベース３６１の位置調整、支持ベース３６１に対するミラー３６３の位置調整、及び各ミラー３６２，３６３の反射面の角度調整を実施することで（図９及び図１０参照）、集光レンズユニット４３０に入射するレーザ光Ｌの光軸のずれ（集光レンズユニット４３０に対するレーザ光の強度分布の位置ずれ、及び集光レンズユニット４３０に対するレーザ光Ｌの光軸の角度ずれ）を補正することができる。
【００６２】
複数のビームスプリッタ４６１，４７１は、筐体４０１の端部４０１ｄからＹ軸方向に沿って延在する筒体４０４内に配置されている。一対のレンズ４６２，４６３は、Ｚ軸方向に沿って筒体４０４上に立設された筒体４０５内に配置されており、プロファイル取得用カメラ４６４は、筒体４０５の端部に配置されている。レンズ４７２は、Ｚ軸方向に沿って筒体４０４上に立設された筒体４０６内に配置されており、スポット観察用カメラ４７３は、筒体４０６の端部に配置されている。筒体４０５と筒体４０６とは、Ｙ軸方向において互いに並設されている。なお、ビームスプリッタ４７１を透過したレーザ光Ｌは、筒体４０４の端部に設けられたダンパ等に吸収されるようにしてもよいし、或いは、適宜の用途で利用されるようにしてもよい。
【００６３】
図１２及び図１３に示されるように、レーザ集光部４００は、可視光源４８１と、複数のレンズ４８２と、レチクル４８３と、ミラー４８４と、ハーフミラー４８５と、ビームスプリッタ４８６と、レンズ４８７と、観察カメラ４８８と、を有している。可視光源４８１は、Ｚ軸方向に沿って可視光Ｖを出射する。複数のレンズ４８２は、可視光源４８１から出射された可視光Ｖを平行化する。レチクル４８３は、可視光Ｖに目盛り線を付与する。ミラー４８４は、複数のレンズ４８２によって平行化された可視光ＶをＸ軸方向に反射する。ハーフミラー４８５は、ミラー４８４によって反射された可視光Ｖを反射成分と透過成分とに分ける。ハーフミラー４８５によって反射された可視光Ｖは、Ｚ軸方向に沿ってビームスプリッタ４８６及びダイクロイックミラー４０３を順次透過し、集光レンズユニット４３０を介して、支持台２３０に支持された加工対象物１（図７参照）に照射される。
【００６４】
加工対象物１に照射された可視光Ｖは、加工対象物１のレーザ光入射面によって反射され、集光レンズユニット４３０を介してダイクロイックミラー４０３に入射し、Ｚ軸方向に沿ってダイクロイックミラー４０３を透過する。ビームスプリッタ４８６は、ダイクロイックミラー４０３を透過した可視光Ｖを反射成分と透過成分とに分ける。ビームスプリッタ４８６を透過した可視光Ｖは、ハーフミラー４８５を透過し、Ｚ軸方向に沿ってレンズ４８７及び観察カメラ４８８に順次入射する。レンズ４８７は、入射した可視光Ｖを観察カメラ４８８の撮像面上に集光する。レーザ加工装置２００では、観察カメラ４８８による撮像結果を観察することで、加工対象物１の状態を把握することができる。
【００６５】
ミラー４８４、ハーフミラー４８５及びビームスプリッタ４８６は、筐体４０１の端部４０１ｄ上に取り付けられたホルダ４０７内に配置されている。複数のレンズ４８２及びレチクル４８３は、Ｚ軸方向に沿ってホルダ４０７上に立設された筒体４０８内に配置されており、可視光源４８１は、筒体４０８の端部に配置されている。レンズ４８７は、Ｚ軸方向に沿ってホルダ４０７上に立設された筒体４０９内に配置されており、観察カメラ４８８は、筒体４０９の端部に配置されている。筒体４０８と筒体４０９とは、Ｘ軸方向において互いに並設されている。なお、Ｘ軸方向に沿ってハーフミラー４８５を透過した可視光Ｖ、及びビームスプリッタ４８６によってＸ軸方向に反射された可視光Ｖは、それぞれ、ホルダ４０７の壁部に設けられたダンパ等に吸収されるようにしてもよいし、或いは、適宜の用途で利用されるようにしてもよい。
【００６６】
レーザ加工装置２００では、レーザ出力部３００（特にレーザ発振器３１０）の交換が想定されている。これは、加工対象物１の仕様、加工条件等に応じて、加工に適したレーザ光Ｌの波長が異なるからである。そのため、出射するレーザ光Ｌの波長が互いに異なる複数のレーザ出力部３００が用意される。ここでは、出射するレーザ光Ｌの波長が５００〜５５０ｎｍの波長帯に含まれるレーザ出力部３００、出射するレーザ光Ｌの波長が１０００〜１１５０ｎｍの波長帯に含まれるレーザ出力部３００、及び出射するレーザ光Ｌの波長が１３００〜１４００ｎｍの波長帯に含まれるレーザ出力部３００が用意される。
【００６７】
一方、レーザ加工装置２００では、レーザ集光部４００の交換が想定されていない。これは、レーザ集光部４００がマルチ波長に対応している（互いに連続しない複数の波長帯に対応している）からである。具体的には、ミラー４０２、反射型空間光変調器４１０、４ｆレンズユニット４２０の一対のレンズ４２２，４２３、ダイクロイックミラー４０３、及び集光レンズユニット４３０のレンズ４３２等がマルチ波長に対応している。ここでは、レーザ集光部４００は、５００〜５５０ｎｍ、１０００〜１１５０ｎｍ及び１３００〜１４００ｎｍの波長帯に対応している。これは、レーザ集光部４００の各構成に所定の誘電体多層膜をコーティングすること等、所望の光学性能が満足されるようにレーザ集光部４００の各構成が設計されることで実現される。なお、レーザ出力部３００において、λ／２波長板ユニット３３０はλ／２波長板を有しており、偏光板ユニット３４０は偏光板を有している。λ／２波長板及び偏光板は、波長依存性が高い光学素子である。そのため、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０は、波長帯ごとに異なる構成としてレーザ出力部３００に設けられている。
［レーザ加工装置におけるレーザ光の光路及び偏光方向］
【００６８】
レーザ加工装置２００では、支持台２３０に支持された加工対象物１に対して集光されるレーザ光Ｌの偏光方向は、図１１に示されるように、Ｘ軸方向に平行な方向であり、加工方向（レーザ光Ｌのスキャン方向）に一致している。ここで、反射型空間光変調器４１０では、レーザ光ＬがＰ偏光として反射される。これは、反射型空間光変調器４１０の光変調層に液晶が用いられている場合において、反射型空間光変調器４１０に対して入出射するレーザ光Ｌの光軸を含む平面に平行な面内で液晶分子が傾斜するように、当該液晶が配向されているときには、偏波面の回転が抑制された状態でレーザ光Ｌに位相変調が施されるからである（例えば、特許第３８７８７５８号公報参照）。一方、ダイクロイックミラー４０３では、レーザ光ＬがＳ偏光として反射される。これは、レーザ光ＬをＰ偏光として反射させるよりも、レーザ光ＬをＳ偏光として反射させたほうが、ダイクロイックミラー４０３をマルチ波長に対応させるための誘電体多層膜のコーティング数が減少する等、ダイクロイックミラー４０３の設計が容易となるからである。
【００６９】
したがって、レーザ集光部４００では、ミラー４０２から反射型空間光変調器４１０及び４ｆレンズユニット４２０を介してダイクロイックミラー４０３に至る光路が、ＸＹ平面に沿うように設定されており、ダイクロイックミラー４０３から集光レンズユニット４３０に至る光路が、Ｚ軸方向に沿うように設定されている。
【００７０】
図９に示されるように、レーザ出力部３００では、レーザ光Ｌの光路がＸ軸方向又はＹ軸方向に沿うように設定されている。具体的には、レーザ発振器３１０からミラー３０３に至る光路、並びに、ミラー３０４からλ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０及びビームエキスパンダ３５０を介してミラーユニット３６０に至る光路が、Ｘ軸方向に沿うように設定されており、ミラー３０３からシャッタ３２０を介してミラー３０４に至る光路、及び、ミラーユニット３６０においてミラー３６２からミラー３６３に至る光路が、Ｙ軸方向に沿うように設定されている。
【００７１】
ここで、Ｚ軸方向に沿ってレーザ出力部３００からレーザ集光部４００に進行したレーザ光Ｌは、図１１に示されるように、ミラー４０２によってＸＹ平面に平行な方向に反射され、反射型空間光変調器４１０に入射する。このとき、ＸＹ平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの光軸と、反射型空間光変調器４１０から出射されるレーザ光Ｌの光軸とは、鋭角である角度αをなしている。一方、上述したように、レーザ出力部３００では、レーザ光Ｌの光路がＸ軸方向又はＹ軸方向に沿うように設定されている。
【００７２】
したがって、レーザ出力部３００において、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を、レーザ光Ｌの出力を調整する出力調整部としてだけでなく、レーザ光Ｌの偏光方向を調整する偏光方向調整部としても機能させる必要がある。
［反射型空間光変調器］
【００７３】
図１４に示されるように、反射型空間光変調器４１０は、シリコン基板２１３、駆動回路層９１４、複数の画素電極２１４、誘電体多層膜ミラー等の反射膜２１５、配向膜９９９ａ、液晶層（表示部）２１６、配向膜９９９ｂ、透明導電膜２１７、及びガラス基板等の透明基板２１８がこの順に積層されることで構成されている。
【００７４】
透明基板２１８は、ＸＹ平面に沿った表面２１８ａを有しており、この表面２１８ａは、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａを構成している。透明基板２１８は、例えばガラス等の光透過性材料からなり、反射型空間光変調器４１０の表面２１８ａから入射した所定波長のレーザ光Ｌを、反射型空間光変調器４１０の内部へ透過する。透明導電膜２１７は、透明基板２１８の裏面上に形成されており、レーザ光Ｌを透過する導電性材料（例えばＩＴＯ）からなる。
【００７５】
複数の画素電極２１４は、透明導電膜２１７に沿ってシリコン基板２１３上にマトリックス状に配列されている。各画素電極２１４は、例えばアルミニウム等の金属材料からなり、これらの表面２１４ａは、平坦且つ滑らかに加工されている。複数の画素電極２１４は、駆動回路層９１４に設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。
【００７６】
アクティブ・マトリクス回路は、複数の画素電極２１４とシリコン基板２１３との間に設けられており、反射型空間光変調器４１０から出力しようとする光像に応じて各画素電極２１４への印加電圧を制御する。このようなアクティブ・マトリクス回路は、例えば図示しないＸ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第１ドライバ回路と、Ｙ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第２ドライバ回路とを有しており、制御部５０００における後述の空間光変調器制御部５０２（図１６参照）によって双方のドライバ回路で指定された画素の画素電極２１４に所定電圧が印加されるように構成されている。
【００７７】
配向膜９９９ａ，９９９ｂは、液晶層２１６の両端面に配置されており、液晶分子群を一定方向に配列させる。配向膜９９９ａ，９９９ｂは、例えばポリイミド等の高分子材料からなり、液晶層２１６との接触面にラビング処理等が施されている。
【００７８】
液晶層２１６は、複数の画素電極２１４と透明導電膜２１７との間に配置されており、各画素電極２１４と透明導電膜２１７とにより形成される電界に応じてレーザ光Ｌを変調する。すなわち、駆動回路層９１４のアクティブ・マトリクス回路によって各画素電極２１４に電圧が印加されると、透明導電膜２１７と各画素電極２１４との間に電界が形成され、液晶層２１６に形成された電界の大きさに応じて液晶分子２１６ａの配列方向が変化する。そして、レーザ光Ｌが透明基板２１８及び透明導電膜２１７を透過して液晶層２１６に入射すると、このレーザ光Ｌは、液晶層２１６を通過する間に液晶分子２１６ａによって変調され、反射膜２１５において反射した後、再び液晶層２１６により変調されて、出射する。
【００７９】
このとき、後述の空間光変調器制御部５０２（図１６参照）によって各画素電極２１４に印加される電圧が制御され、その電圧に応じて、液晶層２１６において透明導電膜２１７と各画素電極２１４とに挟まれた部分の屈折率が変化する（各画素に対応した位置の液晶層２１６の屈折率が変化する）。この屈折率の変化により、印加した電圧に応じて、レーザ光Ｌの位相を液晶層２１６の画素ごとに変化させることができる。つまり、ホログラムパターンに応じた位相変調を画素ごとに液晶層２１６によって付与することができる。換言すると、変調を付与するホログラムパターンとしての変調パターンを、反射型空間光変調器４１０の液晶層２１６に表示させることができる。変調パターンに入射し透過するレーザ光Ｌは、その波面が調整され、そのレーザ光Ｌを構成する各光線において進行方向に直交する所定方向の成分の位相にずれが生じる。したがって、反射型空間光変調器４１０に表示させる変調パターンを適宜設定することにより、レーザ光Ｌが変調（例えば、レーザ光Ｌの強度、振幅、位相、偏光等が変調）可能となる。
［４ｆレンズユニット］
【００８０】
上述したように、４ｆレンズユニット４２０の一対のレンズ４２２，４２３は、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａと集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。具体的には、図１５に示されるように、反射型空間光変調器４１０側のレンズ４２２の中心と反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａとの間の光路の距離がレンズ４２２の第１焦点距離ｆ１となり、集光レンズユニット４３０側のレンズ４２３の中心と集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとの間の光路の距離がレンズ４２３の第２焦点距離ｆ２となり、レンズ４２２の中心とレンズ４２３の中心との間の光路の距離が第１焦点距離ｆ１と第２焦点距離ｆ２との和（すなわち、ｆ１＋ｆ２）となっている。反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至る光路のうち一対のレンズ４２２，４２３間の光路は、一直線である。
【００８１】
レーザ加工装置２００では、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径を大きくする観点から、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍが、０．５＜Ｍ＜１（縮小系）を満たしている。反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径が大きいほど、高精細な位相パターンでレーザ光Ｌが変調される。反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が長くなるのを抑制するという観点では、０．６≦Ｍ≦０．９５であることがより好ましい。ここで、（両側テレセントリック光学系の倍率Ｍ）＝（集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａでの像の大きさ）／（反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでの物体の大きさ）である。レーザ加工装置２００の場合、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍ、レンズ４２２の第１焦点距離ｆ１及びレンズ４２３の第２焦点距離ｆ２が、Ｍ＝ｆ２／ｆ１を満たしている。
【００８２】
なお、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径を小さくする観点から、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍが、１＜Ｍ＜２（拡大系）を満たしていてもよい。反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径が小さいほど、ビームエキスパンダ３５０（図９参照）の倍率が小さくて済み、ＸＹ平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの光軸と、反射型空間光変調器４１０から出射されるレーザ光Ｌの光軸とがなす角度α（図１１参照）が小さくなる。反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が長くなるのを抑制するという観点では、１．０５≦Ｍ≦１．７であることがより好ましい。
【００８３】
図１６に示されるように、以上に説明したレーザ加工装置２００においては、発散角確認装置６００及び発散角調整装置７００が搭載されている。以下、発散角確認装置６００及び発散角調整装置７００について説明する。
［発散角確認装置］
【００８４】
発散角確認装置６００は、レーザ加工装置２００においてレーザ光Ｌの発散角を確認するための装置である。発散角の確認とは、拡がり角の確認、平行度の確認、集束角の確認、及び、コリメート確認と同義である。発散角確認装置６００は、レーザ加工装置２００の一部を利用して構成されており、上記反射型空間光変調器４１０、上記レンズ４７２、上記スポット観察用カメラ４７３、上記制御部５００、及び、モニタ５１０を備えている。
【００８５】
反射型空間光変調器４１０は、レンズ４７２に入射するレーザ光Ｌを変調する光学素子である。反射型空間光変調器４１０は、制御部５００に接続されている。反射型空間光変調器４１０は、制御部５００により液晶層２１６の表示が制御される。反射型空間光変調器４１０は、後述する光渦パターンを変調パターンとして液晶層２１６に表示させることで、レンズ４７２で複数の集光点に集光し且つ複数の集光点に集光する各集光光が光渦を有するように、レーザ光Ｌを変調して出射する。ここでの反射型空間光変調器４１０は、レンズ４７２で第１及び第２集光点に集光し且つ第１及び第２集光点に集光する第１及び第２集光光のそれぞれが光渦を有するように、レーザ光Ｌを変調して出射する。
【００８６】
レンズ４７２は、反射型空間光変調器４１０から出射されてダイクロイックミラー４０３を透過した一部のレーザ光Ｌを、スポット観察用カメラ４７３の撮像面上に集光する。光軸方向におけるレンズ４７２とスポット観察用カメラ４７３との間の距離は、レンズ４７２の焦点距離ｆ（図２０参照）に予め調整されている。
【００８７】
スポット観察用カメラ４７３は、複数の集光像を含む画像を撮像する。複数の集光像は、レンズ４７２で集光する複数の集光光の像（スポット像）である。複数の集光像は、レンズ４７２によるレーザ光Ｌの複数の集光点の像、及び、当該複数の集光点以外の像を含む。スポット観察用カメラ４７３は、制御部５００に接続されている。スポット観察用カメラ４７３は、撮像した画像を制御部５００に出力する。ここでの画像は、第１集光点の像である第１集光像と、第２集光点の像である第２集光像を含む。スポット観察用カメラ４７３としては、特に限定されず、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが用いられる。
【００８８】
制御部５００には、機能的構成として、空間光変調器制御部５０２、カメラ制御部５０４及びモニタ制御部５０５が含まれている。空間光変調器制御部５０２は、反射型空間光変調器４１０の液晶層２１６に表示する位相パターンを制御する。図１７に示されるように、空間光変調器制御部５０２は、液晶層２１６を制御し、光渦パターン９を液晶層２１６に表示させる。
【００８９】
光渦パターン９は、レンズ４７２で複数の集光点に集光され且つ複数の集光点に集光される各集光光が光渦を有するように、レーザ光Ｌを変調する変調パターンである。光渦とは、らせん波面の光波の総称である。光渦は、らせん状転位又は位相特異点としても称される。光渦は、光場ゼロ及び強度ゼロの点である。光渦パターン９は、方位角方向に０から２πのらせんの位相分布である光渦分布を、中心位置９ａが互いに異なるように複数重ね合わせて成る変調パターンである。光渦パターン９では、レンズ４７２の入射瞳面に対応する円形の瞳面領域Ｂ内に、複数の光渦分布の各中心位置９ａが存在する。光渦パターン９は、複数の光渦分布が液晶層２１６の横軸方向に並ぶように重ね合わされている。瞳面領域Ｂは、出射するレーザ光Ｌがレンズ４７２のアパーチャでカットされない領域である。
【００９０】
光渦パターン９は、下記数式（１）で表すことができる。Ｕｐｕｐｉｌは、光渦パターンの複素振幅分布である。（ｒ，θ）は、液晶層２１６上の極座標であり、レンズ４７２の入射瞳面の極座標に対応する。Ｒは、レンズ４７２の入射瞳面の半径である。Ｍ０＝（Ｎ−１）／２であり、Ｎは、含まれる光渦分布の数である。ｋは、光渦分布の番号である。下付きのｋが付されている場合、入射瞳面中心からｋ・ｄ（ｋとｄとの積）だけ中心位置が面内一軸方向にずれた光渦分布のものを意味する。ｄは、光渦分布の中心位置と瞳面領域Ｂ（図１７参照）の中心との距離である。図示する光渦パターン９は、Ｎ＝３、ｋ≠０の場合（入射瞳面中心を中心位置とする光渦分布を含まない場合）のパターンであり、レンズ４７２で第１及び第２集光点に集光され且つ第１及び第２集光光が光渦を有するように、レーザ光Ｌを変調する。
【数１】
2018025632.tif 000003
但し、arg()は、位相を取得する演算子とする。
【００９１】
図１６に示されるように、カメラ制御部５０４は、スポット観察用カメラ４７３の動作を制御する。また、カメラ制御部５０４は、スポット観察用カメラ４７３で撮像した画像を取得し、当該画像を出力する。モニタ制御部５０５は、モニタ５１０の動作を制御する。モニタ制御部５０５は、スポット観察用カメラ４７３で撮像されてカメラ制御部５０４から出力された画像を、モニタ５１０上に表示させる。モニタ５１０は、スポット観察用カメラ４７３で撮像された画像を出力する出力部として機能する。モニタ５１０としては、特に限定されず、種々の表示装置を採用できる。
［発散角調整装置］
【００９２】
発散角調整装置７００は、レーザ加工装置２００においてレーザ光Ｌの発散角を調整する。発散角の調整とは、拡がり角の調整、平行度の調整、集束角の調整、及び、コリメート調整と同義である。発散角調整装置７００は、レーザ加工装置２００の一部を利用して構成されており、上記反射型空間光変調器４１０と、上記レンズ４７２と、上記スポット観察用カメラ４７３と、上記ビームエキスパンダ３５０と、上記制御部５００と、を備えている。
【００９３】
ビームエキスパンダ３５０は、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの発散角を調整する発散角調整機構として機能する。ビームエキスパンダ３５０は、発散レンズ３５１及びコリメートレンズ３５２を有している。発散レンズ３５１及びコリメートレンズ３５２は、レーザ光Ｌの進行方向においてこの順で、レーザ光Ｌの光路に沿って互いに離間して配置されている。発散レンズ３５１は、入射するレーザ光Ｌを発散させ、レーザ光Ｌのビーム径を拡大する。発散レンズ３５１としては、例えば平凹レンズが用いられている。
【００９４】
コリメートレンズ３５２は、発散レンズ３５１を通過したレーザ光Ｌをコリメートする。コリメートレンズ３５２としては、例えば平凸レンズが用いられている。コリメートレンズ３５２は、光軸方向に沿って移動可能に構成されている。コリメートレンズ３５２は、不図示の駆動装置により光軸方向に移動される。駆動装置としては特に限定されず、公知の装置を用いることができる。
【００９５】
ビームエキスパンダ３５０は、制御部５００に接続されている。ビームエキスパンダ３５０では、制御部５００によりコリメートレンズ３５２が移動させられ、コリメートレンズ３５２の光軸方向における位置（発散レンズ３５１との間の距離）が変化される。これにより、ビームエキスパンダ３５０を通過するレーザ光Ｌの発散角が調整される。なお、コリメートレンズ３５２は、手動で光軸方向に可動するように構成されていてもよい。
【００９６】
制御部５００には、機能的構成として、発散角制御部５０６が含まれている。発散角制御部５０６は、カメラ制御部５０４から出力された画像に基づき、レーザ光Ｌの発散角を制御する。発散角制御部５０６は、重心演算部５０６ａと、ずれ角算出部（ずれ量算出部）５０６ｂと、ビームエキスパンダ制御部（調整機構制御部）５０６ｃと、を有している。
【００９７】
重心演算部５０６ａは、画像に含まれる複数の集光像それぞれについて、重心演算を実行する。これにより、重心演算部５０６ａは、複数の集光像の重心位置を、複数の集光像の位置としてそれぞれ算出する。
【００９８】
ずれ角算出部５０６ｂは、画像における複数の集光像の位置についての、基準位置に対する回転方向のずれ量であるずれ角（以下、単に「ずれ角」ともいう）を算出する。具体的には、ずれ角算出部５０６ｂは、第１及び第２集光像の位置を通る線分と基準方向との間の角度を、ずれ角として算出する。基準位置は、すれ角（ずれ量）の基準となる位置であって、ずれ角が０度（ずれ量が０）となる位置である。基準方向は、すれ角（ずれ量）の基準となる方向であって、ずれ角が０度（ずれ量が０）となる方向である。
【００９９】
ここでの基準位置は、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌが平行光（発散角が０度）のときにおける複数の集光像の位置である。ここでの基準方向は、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌが平行光のときにおける、第１及び第２集光像の位置を通る線分の方向である。基準位置及び基準方向は、予め設定されている。基準位置及び基準方向は、特に限定されない。
【０１００】
例えば図１８（ａ）に示されるように、画像Ｇが第１集光像１０ａ及び第２集光像１０ｂを含む本実施形態では、基準位置は、画像Ｇ上に設定されたカメラ座標系（すなわち、画像Ｇの横方向をＸｃ方向、画像Ｇの縦方向をＹｃ方向、及び、画像Ｇの奥行方向をＺｃ方向とする直交座標系）のＸｃ方向に並ぶ位置である。基準方向は、Ｘｃ方向である。
【０１０１】
ビームエキスパンダ制御部５０６ｃは、ずれ角算出部５０６ｂで算出したずれ角が所定角となるように、ビームエキスパンダ３５０のコリメートレンズ３５２の位置を制御する。ここでのビームエキスパンダ制御部５０６ｃは、コリメートレンズ３５２を駆動する駆動装置を制御し、ずれ角算出部５０６ｂで算出したずれ角が０度となる位置へコリメートレンズ３５２を光軸方向に移動させる。
【０１０２】
次に、発散角確認装置６００及び発散角調整装置７００によりレーザ光Ｌの発散角を確認及び調整する方法について、図１９のフローチャートを参照しつつ説明する。以下においては、レーザ光Ｌを平行光へ調整する場合を説明する。
【０１０３】
例えば作業者がレーザ加工装置２００のレーザ発振器３１０（図９参照）を交換した後、空間光変調器制御部５０２により、反射型空間光変調器４１０の液晶層２１６に光渦パターン９を表示させる（ステップＳ１）。光渦パターン９を液晶層２１６に表示させた状態で、レーザ発振器３１０からレーザ光Ｌを出射する（ステップＳ２）。
【０１０４】
レーザ発振器３１０から出射されたレーザ光Ｌは、図１６に示されるように、ビームエキスパンダ３５０により拡径されてコリメートされ、反射型空間光変調器４１０の液晶層２１６に表示された光渦パターン９により変調される。そして、当該レーザ光Ｌの一部は、ダイクロイックミラー４０３を透過し、レンズ４７２でスポット観察用カメラ４７３の撮像面に向けて集光される。その結果、図１８に示されるように、スポット観察用カメラ４７３により、第１集光像１０ａ及び第２集光像１０ｂを含む画像Ｇが撮像される（ステップＳ３）。モニタ制御部５０５により、スポット観察用カメラ４７３で撮像された画像Ｇをモニタ５１０に表示させる（ステップＳ４）。
【０１０５】
ここで本実施形態において、レーザ光Ｌをレンズ４７２で複数の集光点に集光した際、各集光光が光渦を有していると、画像Ｇにおける複数の集光像１０の位置は、当該レーザ光Ｌの発散角に応じて変化する傾向を有する。例えば図２０（ａ）に示されるように、レンズ４７２に入射するレーザ光Ｌが平行光である場合、光軸方向において、レンズ４７２によるレーザ光Ｌの集光点がスポット観察用カメラ４７３の撮像面に位置する。この場合、図１８（ａ）に示されるように、画像Ｇ上における第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂの位置は、Ｘｃ方向に並ぶ基準位置に位置する。第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂ間を結ぶ線分ＬＳ１は、Ｘｃ方向に沿い、ずれ角は０度となる。
【０１０６】
一方、例えば図２０（ｂ）に示されるように、レンズ４７２に入射するレーザ光Ｌが非平行光である場合、光軸方向において、レンズ４７２によるレーザ光Ｌの集光点がスポット観察用カメラ４７３の撮像面に対して光軸方向にずれる。レンズ４７２に入射するレーザ光Ｌが集束光の場合には、図１８（ｂ）に示されるように、画像Ｇ上における第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂの位置は、Ｘｃ方向に並ぶ基準位置（図１８（ａ）参照）に対して、全体としてＺｃ方向を軸方向とした反時計回りに回転する。第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂ間を結ぶ線分ＬＳ２は、Ｘｃ方向に対して反時計回りにずれ、ずれ角が発生する。ずれ角は、集束角に応じて大きくなる。
【０１０７】
レンズ４７２に入射するレーザ光Ｌが発散光の場合には、図１８（ｃ）に示されるように、画像Ｇ上における第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂの位置は、Ｘｃ方向に並ぶ基準位置に対して、全体としてＺｃ方向を軸方向とした時計回りに回転する。第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂ間を結ぶ線分ＬＳ３は、Ｘｃ方向に対して時計回りにずれ、ずれ角が発生する。ずれ角は、発散角に応じて大きくなる。
【０１０８】
したがって、作業者は、モニタ５１０に表示された画像Ｇに含まれる第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂの位置、線分Ｌｓ及びずれ角の少なくとも何れかに基づくことで、レーザ光Ｌの発散角を確認できる。すなわち、レーザ光Ｌの発散角の値ないしは程度、発散角が一定以上又は以下であるか否か、並びに、レーザ光Ｌが平行光であるか又は非平行光であるか（発散しているか否か）を確認できる。
【０１０９】
続いて、重心演算部５０６ａにより、画像Ｇに含まれる第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂの重心演算を実行し、第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂの重心位置を算出する（ステップＳ５）。ずれ角算出部５０６ｂにより、第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂのずれ角を算出する（ステップＳ６）。具体的には、上記ステップＳ５で得た重心位置を第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂの位置とし、これら第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂの重心位置を通る線分ＬＳがＸｃ方向と成す角度を、ずれ角として算出する。
【０１１０】
ここで本実施形態において、複数の集光像１０のずれ角は、レーザ光Ｌの発散角に応じて変化する。第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂのずれ角が０度であると、レーザ光Ｌは平行光（発散角＝０）であり、第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂのずれ角が０度以外であると、レーザ光Ｌは非平行光である。
【０１１１】
そこで、上記ステップＳ６で算出したずれ角が０度の場合（ステップＳ７でＹＥＳ）、レーザ光Ｌが平行光であるとして、そのまま処理を終了する。一方、上記ステップＳ６で算出したずれ角が０度以外の場合（ステップＳ７でＮＯ）、ビームエキスパンダ制御部５０６ｃにより、ビームエキスパンダ３５０のコリメートレンズ３５２を光軸方向に沿って移動させ、コリメートレンズ３５２をずれ角が０度となる位置へ位置させる（ステップＳ８）。これにより、レーザ光Ｌが平行光となるように、レーザ光Ｌの発散角が調整されることとなる。なお、上記ステップＳ１〜Ｓ４は発散角確認方法を構成し、上記ステップＳ１〜Ｓ８は発散角調整方法を構成する。
【０１１２】
以上、本実施形態の発散角確認装置６００及び発散角確認方法によれば、レンズ４７２で複数の集光点に集光し且つ各集光光が光渦を有するようにレーザ光Ｌを変調し、各集光光の集光像１０を含む画像Ｇを撮像し、この画像Ｇをモニタ５１０を介して出力する。画像Ｇに含まれる複数の集光像１０の位置に基づくことで、上述した知見により、レーザ光Ｌの発散角を精度よく確認することが可能となる。複数の集光像１０の位置についての回転方向のずれ量であるずれ角から、レーザ光Ｌの発散角を定性的に把握することができる。作業者毎の確認結果のばらつきを抑制することができる。その結果、レーザ加工装置２００による適正なレーザ光照射ひいてはレーザ加工を実現することが可能となる。
【０１１３】
本実施形態の発散角調整装置７００及び発散角調整方法によれば、ビームエキスパンダ制御部５０６ｃにより、ずれ角が０度となるようにビームエキスパンダ３５０のコリメートレンズ３５２の位置を制御する。これにより、レーザ光Ｌが平行光となるようにレーザ光Ｌの発散角を精度よく調整できる。レーザ光Ｌの発散角を、ずれ角から定性的に調整することができる。作業者毎の調整のばらつきを抑制することができる。
【０１１４】
本実施形態では、反射型空間光変調器４１０を有する光学系を備えるレーザ加工装置２００に光渦パターン９を適用することにより、コリメート確認及びコリメート調整を簡易に実現することができる。コリメーションチェッカー等の別途の計測機器を必要とせず、作業の容易性及び利便性を向上することができる。さらに、レーザ加工装置２００の小型化のために、レーザ光Ｌの光路上のスペース等が制限されることから、別途の計測機器を用いることは実現困難である。この点、別途の計測機器を必要しない本実施形態は、有効である。
【０１１５】
本実施形態では、反射型空間光変調器４１０の液晶層２１６に光渦パターン９を表示させ、レーザ光Ｌを液晶層２１６に入射させ、当該レーザ光Ｌを光渦パターン９に応じて変調して液晶層２１６から出射する。光渦パターン９は、方位角方向に０から２πのらせんの位相分布である光渦分布を、中心位置９ａが互いに異なるように複数重ね合わせて成るパターンである。この場合、反射型空間光変調器４１０を利用して、レンズ４７２で複数の集光点に集光し且つ各集光光が光渦を有するようにレーザ光Ｌを変調できる。
【０１１６】
本実施形態では、複数の集光像１０を含む画像Ｇをモニタ５１０に表示する。これにより、作業者は、画像Ｇをモニタ５１０により目視で確認できる。
【０１１７】
本実施形態では、第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂの位置を通る線分ＬＳとＸｃ方向との間の角度であるずれ角を、ずれ量として算出する。これにより、ずれ量の取得ひいてはレーザ光Ｌの発散角の精度よい調整を、具体的に実現できる。
【０１１８】
本実施形態では、集光像１０の重心演算を実行して、集光像１０の重心位置を集光像１０の位置として算出する。これにより、集光像１０の位置を、重心演算により自動的に取得できる。
【０１１９】
本実施形態では、ビームエキスパンダ３５０のコリメートレンズ３５２が光軸方向に沿って移動可能に構成されている。これにより、レーザ光Ｌの発散角の調整を、コリメートレンズ３５２を光軸方向に沿って移動させることにより実現できる。
【０１２０】
図２１は、変形例に係る光渦パターン９を示す。図２１（ａ）に示される光渦パターン９は、光渦分布の中心点と瞳面領域Ｂ（図１７参照）の中心との距離ｄを、０．４Ｒとした場合のパターンである。図２１（ｂ）に示される光渦パターン９は、距離ｄを０．６Ｒとした場合のパターンである。図２１（ｃ）に示される光渦パターン９は、距離ｄを０．９Ｒとした場合のパターンである。図２１（ｄ）に示される光渦パターン９は、距離ｄを１．２Ｒとした場合のパターンである。Ｒは、上述したとおり、レンズ４７２の入射瞳面の半径である。図２１（ａ）〜図２１（ｄ）に示される光渦パターン９によっても、レンズ４７２で第１及び第２集光点に集光され且つ各集光光が光渦を有するようにレーザ光Ｌを変調でき、第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂを含む画像Ｇをスポット観察用カメラ４７３で撮像できる。
【０１２１】
図２２は、レーザ光Ｌのビーム曲率半径とずれ角との関係を示すグラフである。図２２では、距離ｄが異なる光渦パターン９を用いたときの各結果を示している。図２２（ａ）はシミュレーション結果を示し、図２２（ｂ）は実測結果を示す。ビーム曲率半径は、その値が大きいほどレーザ光Ｌの発散角は小さく（コリメートの程度は高く）なる。
【０１２２】
図２２に示されるように、ずれ角が小さくなるほど、ビーム曲率半径は大きくなり、平行光に近づくことが確認できる。ずれ角を０度に近づけるように調整することで、レーザ光Ｌが平行光となるようにコリメート調整されることが確認できる。また、光渦パターン９は、その距離ｄが大きいほど、ずれ角が大きくなる変調パターンであることが確認できる。
【０１２３】
なお、本実施形態において、液晶層２１６に表示する変調パターンは、図１７及び図２１に示される光渦パターン９に限定されず、その他の光渦パターンであってもよい。図２３（ａ）は、変形例に係る光渦パターン９Ａを示す図である。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）の光渦パターン９Ａを液晶層２１６に表示させた場合において、スポット観察用カメラ４７３で撮像された画像Ｇを示す図である。図２４（ａ）は、変形例に係る光渦パターン９Ｂを示す図である。図２４（ｂ）は、図２４（ａ）の光渦パターン９Ｂを液晶層２１６に表示させた場合において、スポット観察用カメラ４７３で撮像された画像Ｇを示す図である。
【０１２４】
図２３（ａ）に示されるように、光渦パターン９Ａでは、複数の光渦分布が液晶層２１６の縦軸方向に並ぶように重ね合わされている。この場合、レーザ光Ｌが平行光のときには、図２３（ｂ）に示されるように、画像Ｇにおいて、Ｙｃ方向に並ぶ第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂが基準位置として表示され、基準方向はＹｃ方向となる。ずれ角は、第１及び第２集光像１０ａ，１０ｂを通る線分のＹｃ方向に対する角度となる。
【０１２５】
図２４（ａ）に示されるように、光渦パターン９Ｂでは、複数の光渦分布が液晶層２１６の横軸方向に並ぶように重ね合わされて成るパターンと、複数の光渦分布が液晶層２１６の縦軸方向に並ぶように重ね合わされて成るパターンと、が更に重ね合わされている。この場合、レーザ光Ｌが平行光のときには、図２４（ｂ）に示されるように、画像Ｇにおいて、Ｚｃ方向回りの周方向に沿って４つ並び且つ対角線がＸｃ方向（Ｙｃ方向）に対して４５度傾く第１〜第４集光像１０ａ〜１０ｄが、基準位置として表示される。
【０１２６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。
【０１２７】
上記実施形態のレーザ加工装置１００，２００は、アブレーション等、他のレーザ加工を実施する装置であってもよい。上記実施形態のレーザ加工装置１００，２００は、加工対象物１の内部にレーザ光Ｌを集光させるレーザ加工に用いられる装置に限定されず、加工対象物１の表面１ａ，３又は裏面１ｂにレーザ光Ｌを集光させるレーザ加工に用いられる装置であってもよい。更に、本発明が適用されるレーザ光照射装置は、レーザ加工装置１００，２００に限定されず、レーザ光Ｌを対象物に照射するものであれば、種々のレーザ光照射装置であってもよい。上記実施形態では、切断予定ライン５を照射予定ラインとしたが、照射予定ラインは切断予定ライン５に限定されず、照射されるレーザ光Ｌを沿わせるラインであればよい。
【０１２８】
上記実施形態では、レーザ光Ｌを変調する光学素子として反射型空間光変調器４１０を用いたが、これに限定されない。レンズ４７２で複数の集光点に集光し且つ複数の集光点に集光する各集光光が光渦を有するようにレーザ光Ｌを変調する光学素子であれば、その他の種々の光学素子を用いてもよい。
【０１２９】
例えば光学素子は、位相分布により変調させる光学素子、及び、強度変調により変調させる光学素子の何れであってもよい。上記数式（１）で表される位相分布により変調させる光学素子として、固定パターンのらせん状位相プレートを用いてもよいし、一対のシリンドリカルレンズを用いてもよいし、加圧したファイバを用いてもよい。強度変調により変調させる光学素子として、回折格子を用いてもよいし、ゾーンプレートを用いてもよい。
【０１３０】
図２５は、変形例に係る光学素子を説明する概略図である。例えば図２５に示されるように、光学素子は、光渦の光波と平行光との干渉縞により形成された回折格子であるフォーク型回折格子８０１を、同一面に位置するように並べた２重スリットマスク８００であってもよい。各フォーク型回折格子８０１を通過するレーザ光Ｌそれぞれは、らせん状の波面Ｓｐを有することになる。
【０１３１】
上記実施形態では、発散角確認装置６００及び発散角調整装置７００の双方をレーザ加工装置２００に搭載したが、発散角確認装置６００及び発散角調整装置７００の何れかのみ搭載してもよい。例えば図２６（ａ）に示すように、発散角確認装置６００のみ搭載する場合、レーザ加工装置２００は発散角制御部５０６（図１６参照）を含まなくてもよい。つまり、上記ステップＳ５〜Ｓ８を実行しなくてもよい。さらに、発散角確認装置６００は、モニタ５１０及びモニタ制御部５０５を備えていなくてもよく、この場合、制御部５００において取得した画像Ｇを他の装置や要素に出力する部分が、出力部を構成する。例えば図２６（ｂ）に示すように、発散角調整装置７００のみ搭載する場合、レーザ加工装置２００はモニタ５１０及びモニタ制御部５０５（図１６参照）を含まなくてもよい。つまり、上記ステップＳ４を実行しなくてもよい。
【０１３２】
上記実施形態は、光軸方向に沿って移動可能なコリメートレンズ３５２を有するビームエキスパンダ３５０を発散角調整機構として備えているが、発散角調整機構は特に限定されるものではない。例えば発散角調整機構は、一対のレンズ４２２，４２３のうち少なくとも何れかを光軸方向に沿って移動可能な４ｆレンズユニット４２０であってもよい。この場合、一対のレンズ４２２，４２３のうち少なくとも何れかの位置が、ずれ角が０度となるように調整される。発散角調整機構は、レーザ光の発散角を調整する公知の機構であってもよい。
【０１３３】
上記実施形態では、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌが平行光のときにおける複数の集光像１０の位置を基準位置としたが、これに限定されず、レーザ光Ｌの発散角が所定発散角のときにおける複数の集光像１０の位置を基準位置としてもよい。この場合、ずれ角が０度となるように発散角調整機構を制御することにより、レーザ光Ｌの発散角を所定発散角へ調整することができる。
【０１３４】
上記実施形態では、ずれ角が０度となるように発散角調整機構を制御したが、これに限定されず、例えば図２２に示される関係（データテーブル等）に基づいて、レーザ光Ｌの発散角を所望値へ調整すべく、ずれ角が所定角（所定量）となるように発散角調整機構を制御してもよい。所定角は、ずれ角算出部５０６ｂに予め設定されて記憶されていてもよい。
【０１３５】
上記実施形態は、反射型空間光変調器４１０を備えたが、空間光変調器は反射型のものに限定されず、透過型の空間光変調器を備えていてもよい。上記実施形態では、ダイクロイックミラー４０３に代えて、レーザ光Ｌをプロファイル取得用カメラ４６４側と集光レンズユニット４３０側とに分岐するビームスプリッタを用いてもよい。上記実施形態では、ダイクロイックミラー４０３に代えて、レーザ光Ｌの光路をプロファイル取得用カメラ４６４側と集光レンズユニット４３０側とで切り替える機構を用いてもよい。
【０１３６】
上記実施形態では、画像Ｇにおける複数の集光像１０の位置についてのずれ量を、Ｚｃ方向回りの回転方向におけるずれ角としているが、これに限定されず、種々のずれ量であってもよい。例えばずれ量は、基準位置に対して離間する距離であってもよいし、Ｘｃ方向及びＹｃ方向の各座標における基準位置に対する変位量であってもよい。同様に、ずれ量に関する所定量は、所定角に限定されず、種々の所定量であってもよい。例えばずれ量に関する所定量は、所定距離であってもよいし、所定変位量であってもよい。
【符号の説明】
【０１３７】
１…加工対象物（対象物）、９，９Ａ，９Ｂ…光渦パターン（変調パターン）、９ａ…中心位置、１０…集光像、１０ａ…第１集光像、１０ｂ…第２集光像、１００，２００…レーザ加工装置（レーザ光照射装置）、３５０…ビームエキスパンダ（発散角調整機構）、３５２…コリメートレンズ、４１０…反射型空間光変調器（空間光変調器，光学素子）、４７２…レンズ、４７３…スポット観察用カメラ（撮像装置）、５０６…発散角制御部、５０６ａ…重心演算部、５０６ｂ…ずれ角算出部（ずれ量算出部）、５０６ｃ…ビームエキスパンダ制御部（調整機構制御部）、５１０…モニタ（出力部）、６００…発散角確認装置、７００…発散角調整装置、Ｇ…画像、Ｌ…レーザ光、ＬＳ，ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３…線分。
【図１】
2018025632.tif 000004
【図２】
2018025632.tif 000005
【図３】
2018025632.tif 000006
【図４】
2018025632.tif 000007
【図５】
2018025632.tif 000008
【図６】
2018025632.tif 000009
【図７】
2018025632.tif 000010
【図８】
2018025632.tif 000011
【図９】
2018025632.tif 000012
【図１０】
2018025632.tif 000013
【図１１】
2018025632.tif 000014
【図１２】
2018025632.tif 000015
【図１３】
2018025632.tif 000016
【図１４】
2018025632.tif 000017
【図１５】
2018025632.tif 000018
【図１６】
2018025632.tif 000019
【図１７】
2018025632.tif 000020
【図１８】
2018025632.tif 000021
【図１９】
2018025632.tif 000022
【図２０】
2018025632.tif 000023
【図２１】
2018025632.tif 000024
【図２２】
2018025632.tif 000025
【図２３】
2018025632.tif 000026
【図２４】
2018025632.tif 000027
【図２５】
2018025632.tif 000028
【図２６】
2018025632.tif 000029