(57)【要約】【課題】ポインティングスタビリティおよびビーム径の変動に対応可能なレーザビーム照射装置を提供する。【解決手段】レーザビーム照射装置１は、レーザ発振器１１と、ビームエキスパンダ１２と、ビームエキスパンダ１２から出射したレーザビームの強度分布を変換する強度変換素子１４と、強度変換素子１４から出射したレーザビームを複数本のレーザビームに分岐するＤＯＥ１５と、複数本のレーザビームを被照射物９１の被照射面に集光する集光レンズ１７と、集光レンズ１７から出射した複数本のレーザビームのうち少なくとも１本のレーザビームのビームプロファイルを測定するビームプロファイラ１８と、基準となるビームプロファイルを格納した記憶装置１９と、測定されたビームプロファイルが基準となるビームプロファイルとなるように強度変換素子１４の位置とビームエキスパンダ１２によるビーム径の設定とを制御する制御装置２０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを発振するレーザ発振器と、
前記レーザビームのビーム径を、予め定められた範囲内の倍率のビーム径に設定可能なビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダから出射したレーザビームの強度分布を変換する変換素子と、
前記変換素子から出射したレーザビームを、複数本のレーザビームに分岐する第１の回折光学素子と、
前記複数本のレーザビームを被照射物の被照射面に集光する集光レンズと、
前記集光レンズから出射した前記複数本のレーザビームのうち、少なくとも１本のレーザビームのビームプロファイルを測定する測定装置と、
基準となるビームプロファイルを格納した記憶装置と、
前記測定されたビームプロファイルが、前記基準となるビームプロファイルとなるように、前記変換素子の位置と、前記ビームエキスパンダによる前記ビーム径の設定とを制御する制御装置とを備える、レーザビーム照射装置。
【請求項２】
前記変換素子は、第２の回折光学素子であって、
前記制御装置は、前記変換素子に入射する前記レーザビームの光軸方向と垂直な方向に、前記第２の回折光学素子の位置を移動させる、請求項１に記載のレーザビーム照射装置。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記分岐後の測定対象である各前記レーザビームについて、前記測定装置によって測定されたビームプロファイルに基づき、当該ビームプロファイルにおける少なくとも５つの位置の強度を算出し、
当該算出された各前記強度に基づいて、前記変換素子の位置と前記ビーム径の設定とを制御する、請求項１または２に記載のレーザビーム照射装置。
【請求項４】
前記測定装置は、前記集光レンズから出射されたレーザビームの光軸と垂直な平面に、当該レーザビームを受光する受光面を含み、
前記５つの位置のうちの１つの位置は、前記集光レンズから出射されたレーザビームの光軸と前記受光面との交点の位置であり、残りの４つの位置は、前記交点を中心点とする予め定められた半径の円における円周上に等間隔に並んだ４つの点の各位置である、請求項３に記載のレーザビーム照射装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記円周上に等間隔に並んだ４つの点の各位置における前記強度に基づいて、前記変換素子の位置を制御する、請求項４に記載のレーザビーム照射装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記交点の位置における前記強度と、前記変換素子の位置を制御した後の、前記円周上に等間隔に並んだ４つの点の各位置における前記強度とに基づいて、前記ビーム径の設定を制御する、請求項５に記載のレーザビーム照射装置。
【請求項７】
レーザビームのビーム径を予め定められた範囲内の倍率のビーム径に設定可能なビームエキスパンダを備えたレーザビーム照射装置におけるレーザビーム照射方法であって、
前記レーザビームを発振するステップと、
前記レーザビームの強度分布を、変換素子を用いて変換するステップと、
前記強度分布が変換されたレーザビームを、複数本のレーザビームに分岐するステップと、
前記複数本のレーザビームを、集光レンズを用いて被照射物の被照射面に集光するステップと、
前記集光レンズから出射した前記複数本のレーザビームのうち、少なくとも１本のレーザビームのビームプロファイルを測定するステップと、
前記測定されたビームプロファイルが、記憶装置に予め格納された基準となるビームプロファイルとなるように、前記変換素子の位置と、前記ビームエキスパンダによる前記ビーム径の設定とを制御するステップとを備える、レーザビーム照射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビーム照射装置、およびレーザビーム照射方法に関する。特に、レーザビームの強度分布を変換するとともに、レーザビームを複数本に分岐させるレーザビーム照射装置、およびレーザビーム照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザビームを照射するレーザビーム照射装置においては、レーザビームの強度分布（以下、「ビームプロファイル」とも称する）が、フラットトップ分布やガウス分布などの理想の分布に近いことが求められている。とりわけ、レーザビームを回折および／または分岐させる構成を有するレーザビーム照射装置では、ビームプロファイルが理想に近い分布であることが強く要求されている。
【０００３】
特許文献１には、ガウス分布を持つレーザビームを、ホモジナイザＤＯＥ（回折光学素子：Diffractive Optical Element）を使ってある範囲でほぼ均一の強度分布にし、さらに均一な強度分布にしたレーザビームを、分岐作用を持つＤＯＥによって多数の分岐ビームに分ける構成が開示されている。当該構成では、ホモジナイザＤＯＥにより、ビームプロファイルを理想の分布に近づけている。
【０００４】
また、レーザビームを用いて加工や処理を行なう場合、複数に分岐したレーザビームを高速で走査する必要があるとき、ガルバノミラーなどを用いてスキャンする方法が考えられる。特許文献２には、ガルバノミラーなどを用いてスキャンする方法の一例が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、レーザビームを形状可変鏡の各駆動素子毎に異なる周波数で位相変調し、レーザビームの焦点強度に基づいて形状可変鏡の駆動素子を制御することによりレーザビームの波面歪みを補正するマルチディザー方式補償光学装置が開示されている。当該マルチディザー方式補償光学装置は、レーザビームを出射するレーザ出射手段からレーザビームが照射される被照射材までのレーザビームの光路中に設けられ、当該光路中で前記レーザビームの角度を制御する手段と、レーザビームの焦点強度に含まれる複数の位相変調信号からレーザビームの角度を制御する手段の角度制御量を決定する手段とを備えている。
【０００６】
特許文献４には、回折レンズにより分岐されたレーザビームの一部を受信するセンサを設け、レーザによる加工点に作用しているエネルギー量をリアルタイムに検知および表示する同時一括溶着装置が開示されている。
【０００７】
特許文献５には、液晶により、ビームの強度分布を任意の形に制御するレーザ装置が開示されている。当該レーザ装置では、レーザビーム発振器から出射されるレーザビームは、一部を反射させるビームスプリッターにより透過光と反射光に分割され、反射光は検出器に照射、吸収される。透過光は液晶を透過し、偏光素子にて反射し加工点へ照射される。検出器にて検出したビーム強度分布とあらかじめ設定したビーム強度分布とを比較し、その差信号に基づく電圧信号にて、マトリックス状の個々の液晶を各々制御する。これにより、レーザ装置は、任意のビーム強度分布を得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２３０４３２号公報
【特許文献２】特開２００１−６２５７８号公報
【特許文献３】特開平１０−１２３４３８号公報
【特許文献４】特開２００３−１６４９８５号公報
【特許文献５】特開平６−３１４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に示したように、ホモジナイザＤＯＥ等の強度変換素子を用いてビームプロファイルを理想的な分布に近づけたつもりであっても、レーザビーム発振器においてポインティングスタビリティがある場合、強度変換素子から出射したレーザビームのビームプロファイルは理想的な分布から歪んだものとなってしまう。なお、「ポインティングスタビリティ」とは、強度変換素子へのレーザビームの入射位置の揺らぎをいう。特に、ホモジナイザＤＯＥ等の多階調のＤＯＥでは、ポインティングスタビリティの影響が大きい。
【００１０】
ところが、特許文献１は、多階調のＤＯＥを備えているにもかかわらず、ポインティングスタビリティには対応できない。特許文献１の構成は、ビームプロファイルの均一化を行なうだけの機能しか有しない。
【００１１】
また、特許文献４は、そもそもビームプロファイルを補正する機構は備えておらず、ポインティングスタビリティには対応できない。
【００１２】
一方、特許文献３は、上述した形状可変鏡を備える構成であるため、ポインティングスタビリティに対応することが可能である。また、特許文献５は、液晶によってビームプロファイルを制御することでポインティングスタビリティには対応はできる。しかしながら、特許文献５は、液晶で透過光量を制御するためビームプロファイルのピーク値はレーザ発振器のそれよりも原理的に低下することや、液晶を破壊する程度の強い強度のレーザ光には対応できないなどの課題がある。
【００１３】
しかしながら、特許文献３および５は、ビーム径の変動には対応できない。同様に、特許文献１、２、４、および５も、ビーム径の変動には対応できない。
【００１４】
本願は、上記問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、ポインティングスタビリティおよびビーム径の変動に対応可能なレーザビーム照射装置、およびレーザビーム照射方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のある局面に従うと、レーザビーム照射装置は、レーザビームを発振するレーザ発振器と、レーザビームのビーム径を、予め定められた範囲内の倍率のビーム径に設定可能なビームエキスパンダと、ビームエキスパンダから出射したレーザビームの強度分布を変換する変換素子と、変換素子から出射したレーザビームを、複数本のレーザビームに分岐する第１の回折光学素子と、複数本のレーザビームを被照射物の被照射面に集光する集光レンズと、集光レンズから出射した複数本のレーザビームのうち、少なくとも１本のレーザビームのビームプロファイルを測定する測定装置と、基準となるビームプロファイルを格納した記憶装置と、測定されたビームプロファイルが、基準となるビームプロファイルとなるように、変換素子の位置と、ビームエキスパンダによるビーム径の設定とを制御する制御装置とを備える。
【００１６】
好ましくは、変換素子は、第２の回折光学素子である。制御装置は、変換素子に入射するレーザビームの光軸方向と垂直な方向に、第２の回折光学素子の位置を移動させる。
【００１７】
好ましくは、制御装置は、分岐後の測定対象である各レーザビームについて、測定装置によって測定されたビームプロファイルに基づき、当該ビームプロファイルにおける少なくとも５つの位置の強度を算出し、当該算出された各強度に基づいて、変換素子の位置とビーム径の設定とを制御する。
【００１８】
好ましくは、測定装置は、集光レンズから出射されたレーザビームの光軸と垂直な平面に、当該レーザビームを受光する受光面を含む。５つの位置のうちの１つの位置は、集光レンズから出射されたレーザビームの光軸と受光面との交点の位置であり、残りの４つの位置は、交点を中心点とする予め定められた半径の円における円周上に等間隔に並んだ４つの点の各位置である。
【００１９】
好ましくは、制御装置は、円周上に等間隔に並んだ４つの点の各位置における強度に基づいて、変換素子の位置を制御する。
【００２０】
好ましくは、制御装置は、交点の位置における強度と、変換素子の位置を制御した後の、円周上に等間隔に並んだ４つの点の各位置における強度とに基づいて、ビーム径の設定を制御する。
【００２１】
本発明の他の局面に従うと、レーザビーム照射方法は、レーザビームのビーム径を予め定められた範囲内の倍率のビーム径に設定可能なビームエキスパンダを備えたレーザビーム照射装置におけるレーザビーム照射方法であって、レーザビームを発振するステップと、レーザビームの強度分布を、変換素子を用いて変換するステップと、強度分布が変換されたレーザビームを、複数本のレーザビームに分岐するステップと、複数本のレーザビームを、集光レンズを用いて被照射物の被照射面に集光するステップと、記集光レンズから出射した複数本のレーザビームのうち、少なくとも１本のレーザビームのビームプロファイルを測定するステップと、測定されたビームプロファイルが、記憶装置に予め格納された基準となるビームプロファイルとなるように、変換素子の位置と、ビームエキスパンダによるビーム径の設定とを制御するステップとを備える。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、ポインティングスタビリティおよびビーム径の変動に対応可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】レーザビーム照射装置の概略構成を示した図である。
【図２】制御装置が強度を算出するビームプロファイルにおける５つの位置を説明するための図である。
【図３】光軸が第１の方向に変動したときにビームプロファイラにより測定されるレーザビームのビームプロファイルを説明するための図である。
【図４】光軸が第１の方向とは反対方向の第２の方向に変動したときにビームプロファイラにより測定されるレーザビームのビームプロファイルを示した図である。
【図５】ビーム径が基準となるビーム径よりも小さくなったときにビームプロファイラにより測定されるレーザビームのビームプロファイルを説明するための図である。
【図６】ビーム径が基準となるビーム径よりも大きくなったときにビームプロファイラにより測定されるレーザビームのビームプロファイルを説明するための図である。
【図７】レーザビーム照射装置における処理の流れを示したフローチャートである。
【図８】レーザビームのビームプロファイルがガウス分布型となる場合における、強度変換素子の位置とビーム径の設定とを説明するための図である。
【図９】制御装置が強度を算出するビームプロファイルにおける５つの位置の他の例を説明するための図である。
【図１０】レーザビーム照射装置の変形例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００２５】
図１は、レーザビーム照射装置の概略構成を示した図である。図１を参照して、レーザビーム照射装置１は、レーザ発振器１１と、ビームエキスパンダ１２と、ミラー１３と、強度変換素子１４（第２の回折光学素子）と、ＤＯＥ１５（第１の回折光学素子）と、スキャンミラー１６と、集光レンズ１７と、ビームプロファイラ１８（測定装置）と、記憶装置１９と、制御装置２０と、を備えている。
【００２６】
レーザビーム照射装置１は、被照射物９１に対してレーザビームを照射する。なお、被照射物９１としては、たとえば、太陽電池のシリコン基板などが挙げられる。
【００２７】
レーザ発振器１１は、ビームエキスパンダ１２に向けて、レーザビームを発振する。レーザ発振器１１としては、たとえば、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザなどがある。各レーザは、互いに、出力や、レーザビームの波長が相違する。また、ＣＯ２レーザおよびＹＡＧレーザのレーザビームが連続波であるのに対して、エキシマレーザのレーザビームがパルス波である点において、ＣＯ２レーザおよびＹＡＧレーザと、エキシマレーザとは異なる。
【００２８】
なお、レーザ発振器１１が、上記いずれのレーザであるかに応じて、強度変換素子１４、ＤＯＥ１５などの、レーザ発振器１１の下流に載置する光学素子の材質、ＤＯＥ１５の設計（構造）、後述するスキャンの速度が変わる。
【００２９】
ビームエキスパンダ１２は、制御装置２０からの指示に基づき、上記レーザビームのビーム径を予め定められた範囲内の倍率のビーム径に設定する。つまり、ビームエキスパンダ１２は、ビーム径可変型のビームエキスパンダである。ビームエキスパンダ１２は、設定したビーム径を有するレーザビームをミラー１３に送る。
【００３０】
ビームエキスパンダ１２について、より詳しく説明すると以下のとおりである。ビームエキスパンダ１２は、ズーム式のビームエキスパンダである。ビームエキスパンダ１２は、複数のレンズ１２１、１２２、１２３を備えている。レーザビームは、レンズ１２１、レンズ１２２、レンズ１２３をこの順に通過する。
【００３１】
レンズ１２２は、矢印１２９で示す方向（レーザビームの光軸方向）に移動可能となるように設置されている。ビームエキスパンダ１２は、制御装置２０からの指示に基づき、レンズ１２２を矢印１２９で示す方向に移動する。ビームエキスパンダ１２は、当該移動により、ビームエキスパンダ１２に入射したレーザビームのビーム径を変更する。ビームエキスパンダ１２は、当該ビーム径を変更した後のレーザビームをレンズ１２３から出射する。
【００３２】
詳細については後述するが、ビームエキスパンダ１２は、レーザ発振器１１から発振したレーザビームのビーム径が変動したときに、当該ビーム径を一定にするために用いられる。
【００３３】
ミラー１３は、ビームエキスパンダ１２から出射したレーザ光の進行方向を変更する。具体的には、ミラー１３は、ビームエキスパンダ１２から出射したレーザ光を反射し、当該レーザ光を強度変換素子１４に入射させる。
【００３４】
強度変換素子１４は、ビームエキスパンダ１２から出射したレーザビームの強度分布を変換する。より詳しくは、強度変換素子１４は、レーザ発振器１１が発振したレーザビームの位相を保持したまま、当該レーザビームの強度分布を予め定められた強度分布に変換する光学素子である。予め定められた強度分布とは、ビームプロファイルが、フラットトップ型のビームプロファイルや、ガウス分布型のビームプロファイルとなる強度分布である。なお、「ビームプロファイル」とは、レーザビームを断面で見たときの強度分布をグラフ化したものをいう。強度変換素子１４は、たとえば、均一な強度のレーザビームを出射するＤＯＥ（以下、「均一照射ＤＯＥ」と称する）、曲面ミラー、自在変形ミラーなどである。
【００３５】
以下では、強度変換素子１４が、均一照射ＤＯＥである場合を例に挙げて説明する。また、強度変換素子１４が、レーザビームの強度分布を、ビームプロファイルがフラットトップ型となる強度分布に変換する構成を例に挙げて説明する。
【００３６】
ＤＯＥ１５は、強度変換素子１４から出射したレーザビームを、複数本のレーザビームに分岐する。つまり、ＤＯＥ１５は、分岐機能を有するＤＯＥである。分岐した上記複数本のレーザビームは、スキャンミラー１６に入射する。
【００３７】
分岐後の各レーザビームの均一性が以降で述べるビームプロファイルのフィードバック機構において重要になる。強度変換素子１４により理想的なビームプロファイル、例えば、理想的なフラットトップ分布に変換されたビームをＤＯＥ１５に入射させることで複数の均一なビームプロファイルのレーザビームに分岐することができる。
【００３８】
スキャンミラー１６は、被照射物９１（たとえば太陽電池のシリコン基板）などで点照射、または線照射する必要がある場合に用いられる。スキャンミラー１６としては、たとえば、ガルバノミラーやポリゴンミラーなどを用いることができる。スキャンミラー１６として、ガルバノミラーやポリゴンミラーなどを用いることにより、被照射物９１上において高速な走査が可能となる。スキャンミラー１６により反射した複数本のレーザビームは、集光レンズ１７に入射する。
【００３９】
集光レンズ１７は、上記複数本のレーザビームを被照射物９１の被照射面（たとえば、表面）に集光する。つまり、集光レンズ１７は、上記複数に分岐した各レーザビームが、それぞれ被照射物９１上で焦点を結ぶように設計されたものである。集光レンズ１７としては、たとえば、ｆθレンズなどが用いられる。
【００４０】
集光レンズ１７を通過したレーザビームは、上述したように被照射物９１上で焦点を結ぶが、複数に分岐されたうちの少なくとも１つのレーザビームは、ビームプロファイラ１８に入射する。なお、以下では説明の便宜上、１つのレーザビームが、ビームプロファイラ１８に入射するものとする。なお、ビームプロファイラ１８に入射させる分岐したレーザビームの光軸は、静止している必要がある。
【００４１】
ビームプロファイラ１８は、集光レンズ１７と被照射物９１との間に設置されている。ビームプロファイラ１８は、集光レンズ１７から出射されたレーザビームの光軸と垂直な平面に、当該レーザビームを受光する受光面を備えている。ビームプロファイラ１８は、複数に分岐されたうちの１つのレーザビームのビームプロファイルを測定する。より詳しくは、ビームプロファイラ１８は、レーザビームの照射中に、上記１つのレーザビームを、その場観測（Ｉｎ−Ｓｕｔｅ測定）する。ビームプロファイラ１８は、レーザビームを互いに垂直となる断面で見たときの２つのビームプロファイルを測定する。
【００４２】
なお、レーザビーム照射装置１において、集光レンズ１７とビームプロファイラ１８の間に曲面レンズを挿入し、当該曲面レンズによって反射した分岐後のレーザビームをレーザプロファイルに入射させてもよい。
【００４３】
記憶装置１９は、基準となるビームプロファイルを予め格納している。
制御装置２０は、フィードバック制御を行なう。具体的には、制御装置２０は、ビームプロファイラ１８によって測定されたビームプロファイルが、上記基準となるビームプロファイルとなるように、強度変換素子１４の位置と、ビームエキスパンダ１２によるビーム径の設定とを制御する。詳しくは、制御装置２０は、強度変換素子に入射するレーザビームの光軸方向と垂直な方向に、強度変換素子１４の位置を移動させる。つまり、制御装置２０は、レーザビームの光軸方向と垂直となる面に沿って平行に、強度変換素子１４を移動させる。また、制御装置２０は、ビームエキスパンダ１２にレンズ１２２の位置を移動させる。
【００４４】
より具体的には、制御装置２０は、分岐後の測定対象であるレーザビームについて、ビームプロファイラ１８によって測定されたビームプロファイルに基づき、当該ビームプロファイルにおける少なくとも５つの位置の強度を算出する。さらに、制御装置２０は、算出された強度に基づいて、強度変換素子１４の位置とビーム径の設定とを制御する。
【００４５】
なお、強度変換素子１４の位置とビーム径の設定との具体的な制御方法については、後述する。また、以下では、説明の便宜上、制御装置２０がビームプロファイルにおける５つの位置の強度を算出するものとする。
【００４６】
なお、制御装置２０がＤＯＥ１５に入射する前の強度変換素子１４でビームプロファイルと入射位置とをリアルタイムに補正（つまり、フードバック制御）することで、分岐後も各レーザビーム間で均一なビームプロファイルとなることが補償される。
【００４７】
図２は、制御装置２０が強度を算出するビームプロファイルにおける５つの位置を説明するための図である。図２を参照して、上記５つの位置のうちの１つの位置は、集光レンズ１７から出射されたレーザビームの光軸とビームプロファイラ１８の受光面１８１との交点Ｐ２０の位置である。残りの４つの位置は、交点を中心点とする予め定められた半径の円における円周上に等間隔に並んだ４つの点Ｐ２１〜Ｐ２４の各位置である。
【００４８】
ビームプロファイラ１８が測定する１つ目のビームプロファイルは、点Ｐ２０と点Ｐ２１と点Ｐ２３とを、ビームプロファイルの位置（図３等参照）に含むものである。ビームプロファイラ１８が測定する２つ目のビームプロファイルは、点Ｐ２０と点Ｐ２２と点Ｐ２４とを、ビームプロファイルの位置に含むものである。なお、点Ｐ２１、点Ｐ２０、および点Ｐ２３を含む軸Ｊ１と、点Ｐ２２、点Ｐ２０、および点Ｐ２４を含む軸Ｊ２とは、２次元空間において互いに独立である。つまり、軸Ｊ１と軸Ｊ２とは、２次元空間において互いに直交している。
【００４９】
ところで、下流の光学系で回折等の光学現象を用いてレーザビームの分岐等を行なう場合、分岐されたレーザビームのビームプロファイルの均一性が保つためには、光学系上流でのレーザビーム品質管理が重要となる。しかしながら、レーザ発振器１１から発振されるレーザビームは、光軸の位置を常に一定に保つことは難しく、当該位置は少なからず変動する。また、当該レーザビームのビーム径についても、常に一定を保つことは難しく、当該ビーム径は少なからず変動する。当該光軸の変動とビーム径の変動とにより、ビームプロファイラ１８が測定するビームプロファイルは変動する。
【００５０】
レーザビーム照射装置１は、上記光軸の変動に対応すべく、強度変換素子１４の位置を移動させる。また、レーザビーム照射装置１は、上記ビーム径の変動に対応すべく、ビームエキスパンダ１２のレンズ１２２を移動させる。
【００５１】
図３は、光軸が第１の方向に変動したときにビームプロファイラ１８により測定されるレーザビームのビームプロファイルを説明するための図である。図３（ａ）は、光軸の変動を説明するための図である。図３（ｂ）は、光軸の変動後におけるレーザビームのビームプロファイルを示した図である。
【００５２】
図３（ａ）を参照して、レーザビーム３１の光軸３２は、強度変換素子１４の光軸３３から図３（ａ）の上方向（第１の方向）にずれている。図３（ｂ）を参照して、レーザビーム３１の光軸３２に対応する位置ｘ２では、レーザビーム３１の強度は「ｙ２」となる。また、位置ｘ２に関して互いに対象となる位置ｘ１、ｘ３では、それぞれ、レーザビーム３１の強度は、「ｙ１」、「ｙ３」となる。ここで、光軸がずれているため、ｙ１＝ｙ２＝ｙ３とはならず、ｙ１＞ｙ２＞ｙ３となる。つまり、ビームプロファイルは、左肩上がりの形となる。
【００５３】
なお、位置ｘ２が、交点Ｐ２０（図２参照）の位置であり、位置ｘ１、ｘ３が、たとえば、それぞれ点Ｐ２１、Ｐ２３の位置である。以下では、説明の便宜上、位置ｘ１、ｘ３がそれぞれ点Ｐ２１、Ｐ２３の位置であるとして説明する。
【００５４】
図４は、光軸が第１の方向とは反対方向の第２の方向に変動したときにビームプロファイラ１８により測定されるレーザビームのビームプロファイルを示した図である。図４（ａ）は、光軸の変動を説明するための図である。図４（ｂ）は、光軸の変動後におけるレーザビームのビームプロファイルを示した図である。
【００５５】
図４（ａ）を参照して、レーザビーム３１の光軸３２は、強度変換素子１４の光軸３３から図４（ａ）の下方向（第２の方向）にずれている。図４（ｂ）を参照して、レーザビーム３１の光軸３２に対応する位置ｘ２では、レーザビーム３１の強度は「ｙ５」となる。また、位置ｘ２に関して互いに対象となる位置ｘ１、ｘ３では、それぞれ、レーザビーム３１の強度は、「ｙ４」、「ｙ６」となる。ここで、光軸がずれているため、ｙ４＝ｙ５＝ｙ６とはならず、ｙ４＜ｙ５＜ｙ６となる。つまり、ビームプロファイルは、右肩上がりの形となる。
【００５６】
図３および図４に示したとおり、レーザビーム３１の光軸３２が強度変換素子１４の光軸３３からずれると、測定されるビームプロファイルは、当該ずれの方向に応じた形となる。そこで、制御装置２０は、上述した円周上に等間隔に並んだ４つの点Ｐ２１〜Ｐ２４（図２参照）の各位置における強度に基づいて、強度変換素子１４の位置を制御する。
【００５７】
図３および図４に基づき、より具体的に説明すると、以下のとおりである。まず、図２の点Ｐ２２、Ｐ２４に対応する位置の強度を、それぞれ、「ｙａ」、「ｙｂ」とする。図３に基づけば、制御装置２０は、ｙ１＝ｙ３＝ｙａ＝ｙｂとなるように、強度変換素子１４の位置を制御する。図４に基づけば、制御装置２０は、ｙ４＝ｙ６＝ｙａ＝ｙｂとなるように、強度変換素子１４の位置を制御する。つまり、制御装置２０は、強度変換素子１４を移動させ、４つの点Ｐ２１〜Ｐ２４に対応する位置の強度を互いに等しくする。
【００５８】
図５は、ビーム径が基準となるビーム径よりも小さくなったときにビームプロファイラ１８により測定されるレーザビームのビームプロファイルを説明するための図である。図５（ａ）は、ビーム径の変動を説明するための図である。図５（ｂ）は、ビーム径の変動後におけるレーザビームのビームプロファイルを示した図である。
【００５９】
図５（ａ）を参照して、レーザビーム３１のビーム径が、基準となるビーム径のレーザビーム５１よりも、小さくなっている。なお、図５（ａ）は、レーザビーム３１の光軸３２と、レーザビーム５１の光軸と、強度変換素子の光軸とは一致している状態を示している。
【００６０】
図５（ｂ）を参照して、レーザビーム３１の光軸３２に対応する位置ｘ２では、レーザビーム３１の強度は「ｙ８」となる。また、位置ｘ２に関して互いに対象となる位置ｘ１、ｘ３では、レーザビーム３１の強度は、「ｙ７」となる。ここで、ビーム径が基準となるビーム径よりも小さくなっているため、ｙ１＝ｙ２＝ｙ３とはならず、ｙ７＜ｙ８となる。つまり、ビームプロファイルは、トップハット型の上部（強度の高い部分）が、さらに膨らんだ形（凸状）となる。
【００６１】
図６は、ビーム径が基準となるビーム径よりも大きくなったときにビームプロファイラ１８により測定されるレーザビームのビームプロファイルを説明するための図である。図６（ａ）は、ビーム径の変動を説明するための図である。図６（ｂ）は、ビーム径の変動後におけるレーザビームのビームプロファイルを示した図である。
【００６２】
図６（ａ）を参照して、レーザビーム３１のビーム径が、基準となるビーム径のレーザビーム５１よりも、大きくなっている。なお、図６（ａ）は、レーザビーム３１の光軸３２と、レーザビーム５１の光軸と、強度変換素子の光軸とは一致している状態を示している。
【００６３】
図６（ｂ）を参照して、レーザビーム３１の光軸３２に対応する位置ｘ２では、レーザビーム３１の強度は「ｙ１０」となる。また、位置ｘ２に関して互いに対象となる位置ｘ１、ｘ３では、レーザビーム３１の強度は、「ｙ９」となる。ここで、ビーム径が基準となるビーム径よりも大きくなっているため、ｙ１＝ｙ２＝ｙ３とはならず、ｙ９＞ｙ１０となる。つまり、ビームプロファイルは、トップハット型の上部（強度の高い部分）が、へこんだ形（凹状）となる。
【００６４】
図５および図６に示したとおり、レーザビーム３１のビーム径が基準となるビーム径からずれると、測定されるビームプロファイルは、当該ずれに応じた形となる。そこで、制御装置２０は、交点Ｐ２０の位置における強度と、強度変換素子１４の位置を制御した後の、上記４つの点Ｐ２１〜Ｐ２４の各位置における強度とに基づいて、ビーム径を制御する。
【００６５】
図５および図６に基づき、より具体的に説明すると、以下のとおりである。まず、図２の点Ｐ２２、Ｐ２４に対応する位置の強度を、それぞれ、「ｙｃ」、「ｙｄ」とする。なお、ｙｃ＝ｙｄである。図５に基づけば、制御装置２０は、ｙ７＝ｙ８＝ｙｃ＝ｙｄとなるように、ビーム径を制御する。図６に基づけば、制御装置２０は、ｙ９＝ｙ１０＝ｙｃ＝ｙｄとなるように、ビーム径を制御する。つまり、制御装置２０は、交点Ｐ２０の位置における強度と、強度変換素子１４の位置を制御した後の、上記４つの点Ｐ２１〜Ｐ２４の各位置における強度とが同じになるように、ビーム径を制御する。
【００６６】
図７は、レーザビーム照射装置１における処理の流れを示したフローチャートである。図７を参照して、ステップＳ１において、レーザ発振器１１は、レーザビームを発振する。ステップＳ３において、強度変換素子１４は、レーザビームの強度分布を変換する。ステップＳ５において、ＥＯＤ１５は、強度分布が変換されたレーザビームを、複数本のレーザビームに分岐する。
【００６７】
ステップＳ７において、集光レンズ１７は、複数本のレーザビームを、被照射物９１の被照射面に集光する。ステップＳ９において、ビームプロファイラ１８は、集光レンズ１７から出射した複数本のレーザビームのうち、１本のレーザビームのビームプロファイルを測定する。ステップＳ１１において、制御装置２０は、測定されたビームプロファイルが、記憶装置に予め格納された基準となるビームプロファイルとなるように、強度変換素子１４の位置と、ビームエキスパンダ１２によるビーム径の設定とを制御する。
【００６８】
ステップＳ１３において、制御装置２０は、レーザビームの発振を終了させる指示を受け付けたか否かを判断する。当該指示は、たとえば、ユーザによる入力指示である。あるいは、当該指示は、他の装置（図示せず）からの指示である。あるいは、当該指示は、制御装置２０内で実行されるレーザビーム照射に関する制御プログラムが所定のイベントを発生させた場合における当該イベントである。
【００６９】
指示を受け付けたと判断した場合（ステップＳ１３においてＹＥＳ）、レーザビーム照射装置１は、一連の処理を終了する。指示を受け付けていないと判断した場合（ステップＳ１３においてＮＯ）、制御装置２０は、処理をステップＳ９に進める。
【００７０】
以上のような構成をレーザビーム照射装置１が採ることにより、レーザビーム照射装置１は、ポインティングスタビリティおよびビーム径の変動に対応可能となる。それゆえ、レーザビーム照射装置１は、空間的、時間的に安定した多分岐のレーザビームを被照射物に照射することができる。したがって、レーザビーム照射装置１を用いることにより、従来に比べ、品質の高い処理（たとえば、多数点での熱処理、溶接などの加工）を実現できる。なお、これらの効果は、特に、多階調のＤＯＥを用いた場合に効果が大きい。多階調のＤＯＥでは、入射光軸の位置ずれにビーム品質が大きく影響を受けるためである。
【００７１】
上記においては、強度変換素子１４が、レーザビームの強度分布を、ビームプロファイルがフラットトップ型となる強度分布に変換する構成を例に挙げて説明した。以下では、強度変換素子１４がレーザビームの強度分布を、ビームプロファイルがガウス分布型となる強度分布に変換する構成について説明する。
【００７２】
図８は、レーザビームのビームプロファイルがガウス分布型となる場合における、強度変換素子１４の位置とビーム径の設定とを説明するための図である。図８を参照して、実線で示した曲線は、ビームプロファイラ１８によって測定されたレーザビーム３１のビームプロファイルである。また、破線で示した曲線は、記憶装置１９に予め格納されている基準となるビームプロファイルである。
【００７３】
なお、位置ｘ５では、レーザビーム３１の強度は「ｙ１２」となる。また、位置ｘ５に関して互いに対象となる位置ｘ４、ｘ６では、それぞれ、レーザビーム３１の強度は、「ｙ１１」、「ｙ１３」となる。
【００７４】
制御装置２０は、位置ｘ４における強度ｙ１１と、位置ｘ６における強度ｙ１３とが同じ値となるように、強度変換素子１４の位置を移動させる。また、制御装置２０は、位置ｘ５における強度ｙ１２が、基準となるビームプロファイルにおける強度のピーク値となるように、ビームエキスパンダ１２によるビーム径の設定を制御する。
【００７５】
ところで、上記においては、強度変換素子１４が均一照射ＤＯＥである場合を例に挙げて説明した。たとえば、上述したように、強度変換素子１４を自在変形ミラーで構成してもよい。自在変形ミラーは、予め定められた可動範囲でミラー面の形状を任意に変形することができる。このたため、自在変形ミラーは、当該ミラーによる反射光を所望のビームプロファイルに変換することができる。
【００７６】
さらに、自在変形ミラーでは、ビームプロファイルの微小な歪みも加えて補正することができる。なお、自在変形ミラーには、代表的なものとして、静電容量型、ピエゾアクチュエータ型、空圧型がある。静電容量型の自在変形ミラーは、応答速度が速く、小型化も可能である。ピエゾアクチュエータ型の自在変形ミラーは、応答速度は速いが、大型（ビーム径も大きいものになる）となる。空圧型の自在変形ミラーは、水冷であり、大出力レーザの使用が可能である。しかしながら、空圧型の自在変形ミラーは、大型で応答速度も高速ではない。このため、レーザビーム照射装置１には、高速応答性のある静電容量型か、あるいはピエゾアクチュエータ型の自在変形ミラーが好適である。
【００７７】
また、レーザビーム照射装置１は、自在変形ミラーを用いる場合、自在変形ミラーの鏡面を変形することにより、ビームプロファイルの細かい凹凸を補正することができる。レーザビーム照射装置１は、曲面の状態をリアルタイムに制御することで、時間変動の小さい品質の高いレーザビームが得られる。
【００７８】
ところで、上記においては、１つのレーザビームが、ビームプロファイラ１８に入射する構成を例に挙げて説明した。このような構成とした理由は、複数に分岐後のレーザビームのビームプロファイルは、分岐前（ＤＯＥ１５への入射光）のビームプロファイルが理想的な分布であれば同一のビームプロファイルとなるためである。
【００７９】
ただし、複数のレーザビームを、ビームプロファイラ１８に入射させるように、レーザビーム照射装置１を構成してもよい。この場合には、複数のレーザビームにのうち１つのレーザビームのビームプロファイルを評価すればよい。あるいは、各レーザビームについてのビームプロファイルが異なる場合、複数の測定結果を平均化したデータを用いて、上記フィードバック制御を行えばよい。
【００８０】
ところで、上記においては、制御装置２０が強度を算出するビームプロファイルにおける５つの位置を、図２に基づいて説明した。しかしながら、当該５つの位置は、図２に示した位置に限定されるものではない。
【００８１】
図９は、制御装置２０が強度を算出するビームプロファイルにおける５つの位置の他の例を説明するための図である。図９を参照して、点Ｐ２１、点Ｐ２０、および点Ｐ２３を含む軸Ｊ１と、点Ｐ２２Ａ、点Ｐ２０、および点Ｐ２４Ａを含む軸Ｊ３とは、２次元空間において互いに独立である。点Ｐ２０と点Ｐ２１との距離と、点Ｐ２０と点Ｐ２３との距離は同じである。点Ｐ２０と点Ｐ２２Ａとの距離と、点Ｐ２０と点Ｐ２４Ａとの距離は同じである。
【００８２】
このように、２つの軸Ｊ１、Ｊ３が２次元空間において互いに独立であって、かつ各軸上の点（点Ｐ２０を除く）が点Ｐ２０から等距離であれば、レーザビーム照射装置１は、図２に基づいて説明した場合と同様の効果を得ることができる。
【００８３】
図１０は、レーザビーム照射装置の変形例を示した図である。図１０を参照して、レーザビーム照射装置１Ａは、レーザ発振器１１と、ビームエキスパンダ１２と、ミラー１３と、強度変換素子１４（第２の回折光学素子）と、ＤＯＥ１５（第１の回折光学素子）と、集光レンズ１７と、ビームプロファイラ１８（測定装置）と、記憶装置１９と、制御装置２０と、可動ステージ２１とを備えている。
【００８４】
すなわち、レーザビーム照射装置１Ａは、可動ステージ２１を備えている点において、レーザビーム照射装置１（図１参照）とは異なる。また、レーザビーム照射装置１Ａは、スキャンミラー１６を備えていない点において、レーザビーム照射装置１とは異なる。
【００８５】
可動ステージ２１には、被照射物９１が載置される。可動ステージ２１は、レーザビームの光軸に対して垂直となる面に沿って、平行に移動する。
【００８６】
レーザビーム照射装置１は、スキャンミラー１６により走査を行なったが、レーザビーム照射装置１Ａは、可動ステージ２１を移動することにより走査を行なう。
【００８７】
制御装置２０による制御方法は、レーザビーム照射装置１と同じであるため、ここでは説明を繰り返さない。
【００８８】
このような構成を有するレーザビーム照射装置１Ａでも、レーザビーム照射装置１と同様の効果を得ることができる。
【００８９】
今回開示された実施の形態は例示であって、上記内容のみに制限されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９０】
１  レーザビーム照射装置、１Ａ  レーザビーム照射装置、１１  レーザ発振器、１２  ビームエキスパンダ、１３  ミラー、１４  強度変換素子、１６  スキャンミラー、１７  集光レンズ、１８  ビームプロファイラ、１９  記憶装置、２０  制御装置、２１  可動ステージ、３１  レーザビーム、３２  光軸、３３  光軸、５１  レーザビーム、９１  被照射物、１２１  レンズ、１２２  レンズ、１２３  レンズ、１８１  受光面。
【図１】
2011118116.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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