(57)【要約】【課題】レーザのビームプロファイリングを用いて、レーザを被加工対象物に結像もしくは集光する対物用光学素子の焦点合わせを可能とする。【解決手段】レーザ加工装置３に設けられたビーム観察装置１には、レーザが照射される測定基準面１３を有する観察用基板１４が配置されている。また、ビーム観察装置１には、ＣＣＤカメラ１５が備えられ、かつ、ＣＣＤカメラ１５で撮像された画像を表示する画像モニタ２０が接続されている。ＣＣＤカメラ１５は、測定基準面１３に照射されたレーザの照射形状を撮影するように、測定基準面１３に焦点が合わせられている。ＣＣＤカメラ１５に撮像されるとともに表示された測定基準面１３におけるレーザの照射形状に基づき、前記対物用光学素子の焦点を前記測定基準面に合わせる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザを被加工対象物で結像もしくは集光させるための対物用光学素子を介して前記被加工対象物に前記レーザを照射し、かつ、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物に合わせるためのレーザ焦点調整手段を有するレーザ加工装置であって、
仮の被加工対象物としてレーザが照射される測定基準面を有し、レーザの波長に対して透明性の高い観察用基板と、
前記レーザの前記観察用基板の測定基準面における照射形状を撮像する撮像手段とを有するビーム観察装置を備え、
前記撮像手段で撮像された前記測定基準面におけるレーザの照射形状に基づいて、前記レーザ焦点調整手段により前記対物用光学素子の焦点を測定基準面に合わせることで、前記対物用光学素子の焦点位置を決定可能とすることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記撮像手段に撮像された照射形状を表示する表示手段と、
前記撮像手段の焦点を前記観察用基板の測定基準面に合わせるための撮像装置用焦点調整手段と、
前記観察用基板の測定基準面に形成されて撮像手段の焦点合わせに用いられる焦点合わせ用パターンとを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記焦点合わせ用パターンとして、前記観察用基板の測定基準面に結像する光のパターンを照射する光パターン照射手段と、
前記光パターン照射手段による光のパターンを前記測定基準面に結像させるように調整するパターン結像調整手段とを備えたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記測定基準面を通過したレーザの出力を検出するパワーディテクタと、
前記測定基準面を通過したレーザを前記撮像手段と、パワーディテクタとに分岐するビープスプリッタとを備え、
前記ビームスプリッタは、レーザの極一部を撮像手段に分岐し、レーザの大部分をパワーディテクタに分岐することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対物用光学素子により被加工対象物上に結像または集光されるレーザの焦点位置を調整可能なビーム観察装置を備えたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、レーザにより被加工対象物に各種加工（材料に溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質）を施すレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、非加工対象物の表面の薄膜に微細加工施し、薄膜のパターニングを可能とする技術の開発も行われている。
このようなレーザ加工装置では、特許文献１に示されるように、非加工対象物に対してレーザを結像もしくは集光する光学素子の高さ位置を所定の高さ位置（非加工対象物との距離）に調整する必要がある。すなわち、光学素子の結像や集光の焦点距離に基づいて、光学素子の高さ位置を調整する必要がある。
また、レーザの被加工対象物の被照射面に対する照射形状、すなわち、レーザのビームの断面形状は、例えば、円形や、その他の形状となっており、このようなビームの断面形状（照射形状）やビーム径やビームの断面におけるビーム強度の分布等の空間的なビーム形状や空間的な光強度の分布を測定する装置としてＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等の撮像素子を備えた撮像手段を有するビームプロファイラが知られており、レーザ加工装置においてもレーザのビーム断面形状の測定等に用いられている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２９７０１２号公報
【特許文献２】特開２００３−０７８１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、光学素子における焦点距離は、光学素子が温度等で変形することなどから状況に応じて変化する可能性があり、被加工対象物の加工に当たって、被加工対象物に対する適切な高さ位置を測定することが好ましい。そこで、簡単、かつ、高精度に光学素子の焦点距離を測定する方法が求められていた。
一方、ビームプロファイラのＣＣＤカメラには、減衰されたレーザが直接的に入射されていた。これにより、ＣＣＤカメラに撮像されたレーザからビームの空間的な形状や強度分布を測定することは可能であるが、被加工対象物に対する光学素子の適切な高さ位置を求めることはできなかった。
【０００５】
また、ビームプロファイラを用いた紫外光レーザの測定においては、紫外光レーザを蛍光板に照射し、それにより発生する蛍光をＣＣＤカメラで撮像することが知られている。
この場合に、蛍光板に紫外光レーザを結像もしくは集光する光学素子の位置を調整しながら、ＣＣＤカメラで蛍光板上の蛍光の形状を観察することで、レーザが蛍光板上に結像もしくは集光される光学素子の高さ位置の測定を行うことが考えられる。
【０００６】
この場合に、直接レーザを観察するのではなく、レーザにより発生した蛍光板上の蛍光を観察しているため、蛍光板に対する前記光学素子の結像位置や焦点位置を正確に決定することが困難であった。特に、蛍光板上の蛍光の観察形状がレーザ光の強度や蛍光板の特性の違いにより変化し、正確な結像位置や焦点位置の特定が困難であった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、レーザ加工装置のレーザを被加工対象物上に結像もしくは集光させる光学素子の被加工対象物に対する距離を容易かつ正確に決定することができるビーム観察装置を備えた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】
請求項１に記載の発明は、レーザを被加工対象物で結像もしくは集光させるための対物用光学素子を介して前記被加工対象物に前記レーザを照射し、かつ、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物に合わせるためのレーザ焦点調整手段を有するレーザ加工装置であって、仮の被加工対象物としてレーザが照射される測定基準面を有し、レーザの波長に対して透明性の高い観察用基板と、前記レーザの前記観察用基板の測定基準面における照射形状を撮像する撮像手段とを有するビーム観察装置を備え、撮像手段で撮像された前記測定基準面におけるレーザの照射形状に基づいて、前記レーザ焦点調整手段により前記対物用光学素子の焦点を測定基準面に合わせることで、前記対物用光学素子の焦点位置を決定可能とすることを特徴とする。
【０００９】
請求項１記載の発明においては、撮像手段で撮像された測定基準面におけるレーザの照射形状（観察形状）に基づいて、レーザ焦点調整手段を調整することにより、対物用光学素子によりレーザを測定基準面で結像または集光させることができる。すなわち、測定基準面に対する対物用光学素子の焦点位置（焦点距離）を決定することができる。
この状態で、測定基準面とレーザ焦点調整手段により調整された対物用光学素子との対応関係を被加工対象物と対物用光学素子とに移し変えることで、被加工対象物上で正確にレーザを結像もしくは集光させることができる。具体的には、レーザ焦点調整手段が対物用光学素子と被加工対象物との距離により焦点を合わせる場合に、測定基準面と、対物用光学素子との距離を調整してレーザ焦点を合わせた後に、被加工対象物と対物用光学素子との距離を、焦点を合わせた際の測定基準面と、対物用光学素子との距離にする。
これにより、実際にレーザを照射した場合に、対物光学装置としてのレンズまたはレンズハウジングが加工用のレーザにより加熱され、レンズ材料やレンズハウジングの部分的な熱膨張（熱レンズ歪み）や、レンズ材料の温度変化に起因する屈折率の変化によりレンズの焦点距離が変動してしまうが、実際にレーザを照射してある程度時間経過した状態で、上述のように焦点距離を調整すれば、加工中の熱の影響で焦点距離が変動した状態と同様の状態で焦点距離を合わせることができる。また、加工処理中や前の被加工対象物の加工処理から次の被加工対象物の加工処理の間に上述のように焦点距離を調整することで、熱の影響を受けた焦点距離に対応することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のレーザ加工装置において、前記撮像手段に撮像された照射形状を表示する表示手段と、前記撮像手段の焦点を前記観察用基板の測定基準面に合わせるための撮像装置用焦点調整手段と、前記観察用基板の測定基準面に形成されて撮像手段の焦点合わせに用いられる焦点合わせ用パターンとを備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、撮像手段で測定基準面の焦点合わせ用パターンを撮像して表示手段に表示した状態で撮像用焦点調整手段で、撮像手段のフォーカスを測定基準面に合わせた後に、測定基準面に対物用光学素子を介してレーザを照射するとともに、照射したレーザを測定基準面を介して撮像手段に入力させることができる。
すなわち、測定基準面に形成された焦点合わせ用パターンで、まず、撮像手段の焦点を測定基準面に正確に合わせた後に、上述のように対物用光学素子の焦点を合わせることができ、より、正確に、対物用光学素子の焦点位置を決定することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のレーザ加工装置において、前記焦点合わせ用パターンとして、前記観察用基板の測定基準面に結像する光のパターンを照射する光パターン照射手段と、前記光パターン照射手段による光のパターンを前記測定基準面に結像させるように調整するパターン結像調整手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明においては、測定基準面に例えばクロム蒸着などにより形成される薄膜パターンで焦点合わせ用パターンを形成すると、このパターンがレーザで損傷してしまう可能性があるが、測定基準面に光のパターンを正確に結像させ、この光のパターンを焦点合わせ用パターンとすれば、焦点合わせ用パターンがレーザにより破損させられることはない。すなわち、焦点合わせ用パターンとして薄膜パターンを用いた際は、例えば、撮像手段のフォーカスを調整した後に、測定基準面を有する観察用基板を平行移動するようにずらして薄膜パターンが無い部分にレーザを照射し、これを撮像手段で撮像することになるが、光のパターンを用いれば、パターンがレーザに破損させられることがないので、観察用基板を平行移動するような必要がなく、ビーム観察装置（レーザ加工装置）の簡略化、レーザの焦点合わせの簡略化を図ることができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載のレーザ加工装置において、前記測定基準面を通過したレーザの出力を検出するパワーディテクタと、前記測定基準面を通過したレーザを前記撮像手段と、パワーディテクタとに分岐するビープスプリッタとを備え、前記ビームスプリッタは、レーザの極一部を撮像手段に分岐し、レーザの大部分をパワーディテクタに分岐することを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、レーザのビームのプロファイリングとしてビーム断面形状、ビーム断面における強度分布の測定ができるビーム観察装置で、上述のように対物用光学素子の焦点合わせが可能となり、さらに、レーザ強度を測定することができる。これにより対物用光学素子の焦点合わせだけではなく、レーザのレーザ強度の調整もビーム観察装置でモニタ可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ加工装置において、レーザを被加工対象物上に結像若しくは集光する対物用光学素子の焦点合わせを極めて容易かつ正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係るビーム観察装置（ビームプロファイラ装置）１を搭載したレーザ加工装置３の概略構成を示すものである。
レーザ加工装置３は、前記ビーム観察装置１と、Ｘ−Ｙステージ装置４と、図示しないレーザの光源装置と、光源装置から照射されたレーザをＸ−Ｙステージ装置４にセットされた被加工対象物５上で結像もしくは集光させる対物用光学素子としての結像（集光）用レンズを備えた対物用光学装置６と、該対物用光学装置６を上下動自在に支持するとともに上下方向（Ｚ軸上）に位置決めするＺステージ装置７と、固定点からＸ−Ｙステージ装置４上の被加工対象物５等までのＺ軸方向に沿った距離としての高さを計測する高さセンサ８とを備える。
【００１８】
光源装置は、例えば、レーザとして、ＹＡＧレーザ（波長、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍ）、ＣＯ2レーザ（波長、１．０６μｍ）、エキシマレーザ（波長、３０８ｎｍ、２４８ｎｍ）や、その他の気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、液体レーザ、ファイバーレーザ、薄膜ディスクレーザ等の少なくとも何れか１つを用いることできる。すなわち、被加工対象物の種類や、加工の種類に応じて好適なレーザを使用することができる。なお、レーザ加工装置は、溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質や、薄膜のパターニング、シート材の加工等の少なくとも１つに用いられる。たとえば、レーザ加工装置は、フラットパネルディスプレイのガラス基板や樹脂基板（フィルム）等の透明基板における薄膜のパターニングに用いられるものとしてもよい。
なお、レーザによる微細加工における好適なレーザは、１５７ｎｍ〜１２００ｎｍのレーザと、９μｍ〜１１μｍの赤外線レーザとである。
【００１９】
Ｘ−Ｙステージ装置４は、周知のもので、基本的に板状もしくはシート状の被加工対象物５がセットされるステージ４１を有し、このステージ４１をＸ軸方向およびそれに直交するＹ軸方向に移動させるものであり、ステージ４１の移動をコントロール（制御）するＸ−Ｙステージ制御装置４２を備える。また、Ｘ−Ｙステージ装置４には、ステージ４１を跨ぐように門形状に形成された固定部４３が設けられ、この固定部４３に、対物用光学装置６を備えたＺステージ装置７と、高さセンサ８とが固定されている。
【００２０】
そして、対物用光学装置６および高さセンサ８は、ステージ４１をＸ−Ｙステージ装置４における移動可能範囲内で移動させることで、ステージ４１に固定される被加工対象物５の上面全体のいずれの真上でも配置可能で、かつ、ビーム観察装置１の後述の少なくとも測定基準面１３の真上に配置可能となっている。
対物用光学装置６は、上述のようにレーザを被加工対象物５上で結像もしくは集光させる光学素子としてのレンズ（対物レンズ）もしくはレンズ群を備えた周知のものである。
Ｚステージ装置７は、対物用光学装置６をＸ軸方向およびＹ軸方向に直交するＺ軸方向（加工用レーザの照射方向）に移動させるものであり、このＺ軸方向の移動により対物用光学装置６（レンズ）と被加工対象物５との距離を調整し、結像もしくは集光用レンズによりレーザを被加工対象物５上に結像もしくは集光させる際に焦点を合わせるものである。すなわち、Ｚステージ装置７は、対物用光学素子を備える対物用光学装置６の焦点を被加工対象物５に合わせるためのレーザ焦点調整手段として機能するものである。
【００２１】
したがって、レーザ加工装置３は、レーザを被加工対象物５で結像もしくは集光させるための対物用光学素子（対物用光学装置６）を介して前記被加工対象物５に前記レーザを照射し、かつ、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物５に合わせるためのレーザ焦点調整手段を有するものである。Ｚステージ装置７は、Ｚステージ制御装置７１に制御されて、対物用光学装置６を移動させる。
【００２２】
高さセンサ８（オフアクシス高さセンサ）は、被加工対象物５の上面（レーザ照射面）のＺ軸方向の位置を被接触で計測する周知のものであり、ここでは、被加工対象物５と後述の観察用基板１４の測定基準面１３のＺ軸方向の位置（高さ）と、被加工対象物５の上面のＺ軸方向の位置との差を算出するために用いられる。また、高さセンサ８には、測定されたＺ軸方向の位置を表示する高さ測定モニタ８１が接続されている。なお、高さセンサ８の測定値は、高さ測定モニタ８１からＺステージ制御装置７１に出力され、Ｚステージ制御装置７１において、高さセンサ８の測定値に基づいて対物用光学装置６を上下に移動させられるようになっている。
【００２３】
そして、このようなレーザ加工装置３で用いられるレーザのビーム観察装置１は、図１に示すように、Ｘ−Ｙステージ装置４のステージ４１の被加工対象物５をセットする際に邪魔にならない一側縁部に固定され、ステージ４１と一体にＸ軸方向およびＹ軸方向に移動可能となっている。なお、ビーム観察装置（ビームプロファイラ装置）１は、ステージ４１に固定される測定部１１と、測定結果をモニタするためにモニタ部１２に二分された状態となっており、ステージ４１に接続固定されるのは測定部１１だけである。
なお、本発明におけるビーム観察装置１は、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳセンサ素子などの撮像素子でビームの空間的な形状や強度分布を撮像する広義のビームプロファイラに含まれるものと考えてもよい。
【００２４】
そして、図２に示すようにビーム観察装置１の測定部１１には、レーザが照射される測定基準面１３を有する観察用基板１４と、観察用基板１４に照射されたレーザを後述のＣＣＤカメラ１５とレーザの出力を検出する後述のパワーディテクタ１６とに分岐するビームスプリッタ１７と、測定基準面１３に照射されたレーザを撮像することにより、レーザの照射形状と照射形状内における強度分布を測定する前記ＣＣＤカメラ１５と、レーザの出力の計測に用いられるパワーディテクタ１６と、前記測定基準面１３にＣＣＤカメラ１５の焦点を合わせるための光のパターンを照射する光パターン照射手段としてのスリット板１９を備えたパターン照明１８と、ＣＣＤカメラ用照明装置３４とを備える。なお、ＣＣＤカメラ１５に代えてＣＭＯＳセンサ等の他の撮像素子を用いたデジタルカメラを用いてもよい。
【００２５】
また、モニタ部１２は、ＣＣＤカメラ１５に接続され、ＣＣＤカメラ１５で撮像された画像を表示する画像モニタ２０と、パワーディテクタに接続されパワーディテクタ１６で計測された信号に基づいてレーザ出力値を表示する出力測定モニタ２１とを備える。ここで、画像モニタ２０は、撮像手段としてのＣＣＤカメラ１５に撮像されたレーザの測定基準面１３における照射形状を表示する表示手段である。
【００２６】
前記観察用基板１４は、例えば、ガラスや石英等からなるが、使用されるレーザの波長によって材質が決定されるものであり、レーザに対して透明性の極めて高い基板が観察用基板１４として用いられる。すなわち、観察用基板１４としては、レーザに加工（損傷）させられることがなく、かつ、通過するレーザをできるだけ減衰させない材質のものが用いられることになり、レーザの波長によって決定される。
たとえば、エキシマレーザの場合には、石英板が観察用基板１４として用いられる。
また、ＣＯ2レーザの場合は、ジンクセレン（ZnSe…Zinc Selenide：ジンクセレナイド）を好適に用いることができる。
以上のことからビーム観察装置１は、仮の被加工対象物としてレーザが照射される測定基準面１３を有し、レーザの波長に対して透明性の高い観察用基板１４を備える。
【００２７】
そして、観察用基板１４は、基本的に厚さができるだけ一様な矩形状の板体であり、レーザが照射される上面が、できるだけ平面化された測定基準面１３となっている。
測定基準面１３は、その左右の半分より一方側、例えば、左側に、クロムの薄膜からなるテストパターン２３が形成されている。テストパターン２３は、ＣＣＤカメラのフォーカスを測定基準面に合わせるためのものであり、例えば、縦横の格子状に形成されている。すなわち、テストパターン２３は、観察用基板１４の測定基準面１３に形成されて撮像手段としてのＣＣＤカメラ１５の焦点合わせに用いられる焦点合わせ用パターンである。
【００２８】
また、観察用基板１４は、前記左右方向に観察用基板を移動可能な観察用基板１軸移動機構（図示略）により支持されている。したがって、観察用基板１４は、レーザが照射される位置、すなわち、ＣＣＤカメラ１５により撮像される位置を、前記テストパターン２３が形成された位置と、テストパターン２３が形成されておらず、観察用基板１４が平面状に露出した状態となった位置とで切り換え可能となっている。
【００２９】
前記ビームスプリッタ１７は、基本的にレーザに対して透明性の極めて高い板体が用いられるが、レーザに対して斜めに配置され、空気とビームスプリッタ１７との界面で、透過光と反射光に分離されることになる。そして、透過光がパワーディテクタ１６に入射され、反射光がＣＣＤカメラ１５に入射されるようになっている。
この際に、ＣＣＤカメラ１５に入射されるレーザの反射光ができるだけ小さい方が好ましく、パワーディテクタ１６に入射される光はできるだけ大きい方が好ましい。
すなわち、ＣＣＤカメラ１５の感度は出力の大きなレーザに対して極めて高く、レーザの出力のうちの極めて僅かな部分だけ入射されればよく、逆にレーザの出力の一部であっても出力が強すぎると、ＣＣＤカメラ１５が破壊される可能性がある。
【００３０】
一方、パワーディテクタ１６では、正確にレーザの出力を測る上で、できるだけ減衰されていないレーザが入射されることが好ましい。
すなわち、ビームスプリッタ１７は、レーザの極一部をＣＣＤカメラ１５に分岐し、レーザの大部分をパワーディテクタ１６に分岐する。
また、ＣＣＤカメラ１５に入射されるレーザの光は、極めて僅かで良いので、ビームスプリッタ１７のレーザが照射される面に、周知の反射光を抑えるコーティングを施すことにより、反射光を小さくするようにしてもよい。
【００３１】
また、前記ＣＣＤカメラ１５と、後述のパターン照明１８とは、同一の鏡筒２４内に配置されている。そして、鏡筒２４には、対物レンズ２５が設けられ、ビームスプリッタ１７で分岐されたレーザが対物レンズ２５を介して鏡筒２４内に入射する。また、ＣＣＤカメラ１５は、対物レンズ２５から入射するレーザの入射軸に対してオフセットされた位置に配置されており、対物レンズ２５から配置された２つのミラー２６，２７により反射された光がＣＣＤカメラ１５にレンズ２８を介して入射される。
【００３２】
なお、対物レンズ２５の光軸上に配置されたミラー２６は、透明な板体であり、入射したレーザを反射するとともに、後述のようにパターン照明１８の光を透過するようになっており、ビームスプリッタもしくはダイクロックミラーなどと同様の構成となっている。
また、ＣＣＤカメラ１５に入射するレーザは、上述のようにビームスプリッタ１７により出力が小さいものとなっているが、さらに、フィルタ２９（例えば、ニュートラルデンシディ(ND)フィルタ）が配置されており、入射するレーザをフィルタ２９によりさらに減光して、ＣＣＤカメラ１５を保護するようになっている。
また、鏡筒２４内には、前記スリット板１９を備えたパターン照明１８が対物レンズ２５の光軸上に配置されており、レンズ３０（例えば、コリメートレンズ）を介してミラー２６を透過して対物レンズ２５により、観察用基板１４の測定基準面１３でスリット板１９に形成されたスリットの形状（例えば、十字等）を結像するようになっている。
なお、パターン照明により照射される形状は、十字に限定されるものではなく、焦点合わせに使える形状ならばよい。したがって、パターンを形成するためのものは、スリットが形成されたスリット板１９に限られるものではなく、金属マスクやガラスフォトマスク等のマスクにより光のパターンが形成可能なものでもよく、パターンを測定基準面１３に投影して結像できればよい。
【００３３】
すなわち、パターン照明１８と、ＣＣＤカメラ１５とで、対物レンズ２５を共用している。また、スリット板１９は、パターン照明１８とレンズ３０との間で、これらの光軸に沿って移動自在とされており、スリット板１９を移動させることにより、観察用基板１４の測定基準面にスリット板１９の形状を結像させることができる。すなわち、焦点を合わせることができる。なお、スリット板１９は、鏡筒２４の外部から操作により移動可能となっている。
【００３４】
以上のことから、ＣＣＤカメラ１５は、観察用基板１４の測定基準面１３を通過するとともに減衰されたレーザが入射され、レーザの測定基準面１３における照射形状を撮像する撮像手段となる。
また、スリット板１９およびパターン照明１８と、レンズ３０、対物レンズ２５、ミラーとして機能するビームスプリッタ１７等の光学系部品とからＣＣＤカメラ１５の焦点合わせ用パターンとして、前記観察用基板１４の測定基準面１３に結像する光のパターンを照射する光パターン照射手段が構成され、スリット板１９を移動させる機構が光パターン照射手段による光のパターンを前記測定基準面に結像させるように調整するパターン結像調整手段となる。
【００３５】
また、ＣＣＤカメラ１５やパターン照明１８等が収容されている鏡筒２４は、当該鏡筒２４をビームスプリッタ１７でＣＣＤカメラ１５に向かって分岐されたレーザの光軸方向に沿って移動自在とする１軸ステージを備えた焦点位置制御装置３１により支持されている。この焦点位置制御装置３１が、撮像手段としてのＣＣＤカメラ１５の焦点を観察用基板１４の測定基準面１３に合わせるための撮像装置用焦点調整手段となる。
すなわち、ＣＣＤカメラ１５をその光学系（対物レンズ２５およびレンズ２８等）を含めて入射されるレーザの光軸方向に沿って移動させることで、ＣＣＤカメラ１５の焦点を観察用基板１４の測定基準面１３に合わせられるようになっている。
【００３６】
パワーディテクタ１６には、ビームスプリッタ１７で分岐されたレーザがミラー３２およびレンズ３３（例えば集光レンズ）を介して入射される。
また、パワーディテクタ１６は、周知のレーザ用のものであり、照射されたレーザの出力を検出する。なお、使われるレーザがパルス状の場合には、周知のパルス状のレーザの出力を検出可能なディテクタを用いるものとしてもよい。
すなわち、パワーディテクタ１６は、測定基準面１３を通過したレーザの出力を検出する。また、ビームスプリッタ１７は、測定基準面１３を通過したレーザをＣＣＤカメラ１５と、パワーディテクタ１６とに分岐する。
また、ビーム観察装置１には、ＣＣＤカメラ用照明装置３４が内蔵されており、ＣＣＤカメラ用照明装置３４の照明光がビームスプリッタ１７およびミラー３２（ダイクロックミラー）を透過して測定基準面１３のテストパターン２３に照射される。
【００３７】
以上のような、レーザ加工装置３において、ビーム観察装置１を用いて以下のようにレーザ加工装置３の対物用光学装置の焦点を合わせる。
まず、観察用基板１４を観察用基板１軸移動機構により移動し、ＣＣＤカメラの撮像範囲の中央部に測定基準面１３のテストパターン２３が配置されるようにする。
次に、ＣＣＤカメラ１５でテストパターン２３を撮像し、撮像されたテストパターン２３を画像モニタ２０に表示し、画像モニタ２０上のテストパターン２３を見ながら焦点制御装置４１を操作して鏡筒２４を鏡筒２４に入射されるレーザの光軸方向に移動させることで、ＣＣＤカメラ１５の焦点を合わせる。
【００３８】
ＣＣＤカメラ１５の焦点が合った状態で、次いで、観察用基板１４を移動して、観察用基板１４のテストパターン２３が形成されていない部分が、ＣＣＤカメラ１５の撮影範囲となるようにする。なお、この際の観察用基板１４の位置がレーザのプロファイリングを行う位置となる。そして、パターン照明１８をオンとするとともにスリット板１９を移動して、観察用基板１４の測定基準面にスリット板１９に形成された十字のスリット形状を投影するとともに、その焦点を合わせる。
【００３９】
これにより、ＣＣＤカメラ１５の撮像中に、パターン照明１８をオンし、測定基準面１３の投影されたスリットの画像モニタ２０で確認することにより、ＣＣＤカメラ１５の焦点が測定基準面１３に合っているか否かを確認することができる。
また、基本的に測定基準面１３を見て投影されたスリットの焦点が合っていれば、ＣＣＤカメラ１５の焦点が合っていることになる。
【００４０】
次に、Ｘ―Ｙステージ装置４のステージ４１をＸ−Ｙステージ制御装置４２の操作により移動し、ビーム観察装置１の測定基準面１３のＣＣＤカメラ１５の撮像範囲の中央となる部分に、対物用光学装置６を介して照射されるレーザが照射されるように調節する。そして、レーザを測定基準面１３に照射する。
これにより、測定基準面１３に焦点が合ったＣＣＤカメラ１５により、測定基準面１３に照射されたレーザの照射形状と前記照射形状内のレーザの強度分布を示す画像が撮像され、画像モニタ２０に表示される。
【００４１】
この画像モニタ２０に表示された測定基準面１３における照射形状および強度分布を見ながら対物用光学装置６をＺステージ装置７により移動させることで、測定基準面１３でレーザが結像もしくは集光されるように調節する。すなわち、レーザの対物用光学装置６による焦点を測定基準面１３に合わせる。この際に、レーザの焦点が測定基準面１３に合う対物用光学装置６の焦点位置（結像位置もしくは集光位置）が決定され、レーザの焦点が測定基準面１３に合うことになる測定基準面１３と対物用光学装置６の対物用レンズとの距離が決定されることになる。
【００４２】
一方、高さセンサ８によって、被加工対象物５の上面と、測定基準面１３との高さ位置を測定し、被加工対象物５の上面と測定基準面１３との高さ位置の差を求め、前述のように測定基準面１３に対して焦点を合わせた対物用光学装置６の位置を前記高さ位置の差分だけ移動することにより被加工対象物５に対物用光学装置６の焦点を合わせることができる。
この際に、対物用光学装置６においては、レーザが照射されることでレンズやレンズハウジングの温度が変化するとともに、温度変化によりレンズの形状やレンズ材料の屈折率が変化することから、実際にレーザを照射すると、焦点位置がずれることになる。そこで、上述のように実際に焦点位置を測定して、レーザによる加工を行うことで、レーザによる加工精度を向上することができる。なお、レーザをある程度の時間出力してから対物用光学装置６の焦点位置を決定するようにしても良いし、加工作業の途中でも、焦点位置を計測して、対物用光学装置６の高さ位置を調整しなおすものとしてもよい。
【００４３】
以上のように、ビーム観察装置１によれば、テストパターン２３を撮像しながら焦点位置制御装置３１を用いてＣＣＤカメラ１５の焦点を測定基準面１３に合わせた状態で、測定基準面１３にレーザを照射し、撮像されるとともに表示された測定基準面１３におけるレーザの照射形状に基づき、Ｚステージ装置７を用いて対物用光学装置の焦点を測定基準面１３に合わせることができる。
【００４４】
また、パワーディテクタ１６において、レーザが照射された際に、レーザの強度を測定することが可能となる。これにより、レーザの強度が加工を行うのに適切な範囲内か否かを測定することができる。また、この際にも、レーザの出力が上述のレンズの変形や、光源装置の経年変化等により変化するので、実際の加工にあたって、その出力を測定することにより、出力が適切か否かの判定と、適切でなかった場合の光源装置の出力の調整を行うことができる。
【００４５】
以上のことから、本発明のビーム観察装置によれば、レーザ加工装置におけるレーザのビームプロファイルの測定、すなわち、上述の照射形状と強度分布の測定が可能なだけではなく、対物用光学装置６の焦点位置（結像位置若しくは集光位置）の決定、すなわち、焦点合わせが行えるとともに、レーザの強度の測定および調整が可能となる。
【００４６】
上記例では、レーザ加工用装置として、加工時に、Ｘ−Ｙステージ装置４を用いて被加工対象物５をレーザに対して移動するレーザ加工装置を示したが、本発明のビーム観察装置１は、その他のレーザ加工装置にも適用可能であり、対物用光学装置６の焦点合わせおよびレーザの強度調整を必要とするレーザ加工装置の全てに適用可能であり、例えば、被加工対象物５に対してレーザを移動するレーザ加工装置や、被加工対象物５とレーザの両方を移動可能としたレーザ加工装置にも適用可能である。
【００４７】
また、ビーム観察装置１にパワーディテクタ１６およびパワーディテクタ１６に光を分岐するビームスプリッタ１７を備えないものとしてもよい。また、測定基準面１３にＣＣＤカメラ１５用のテストパターンを投影するためのスリット板１９（もしくはマスク）およびパターン照明１８等からなる光パターン照射手段およびパターン結像調整手段を備えないものとしてもよい。また、鏡筒２４内において、ＣＣＤカメラ１５を対物レンズ２５の光軸上に配置し、スリット板１９およびパターン照明１８を前記光軸からオフセットした位置に配置してもよい。また、上記例では、観察用基板１４のレーザが入射される側の面（上面）を測定基準面１３としたが、観察用基板１４を通過したレーザが出射される側の面（下面）を測定基準面１３としてもよい。
【００４８】
また、テストパターンを投影するための光パターン照射手段およびパターン結像調整手段をＣＣＤカメラ１５と同じ鏡筒２４内に収容し、対物レンズ２５をＣＣＤカメラ１５と共用するものとしたが、これら光パターン照射手段およびパターン結像調整手段をＣＣＤカメラ１５用の鏡筒２４の外に配置してもよい。
また、この場合に、光パターン照射手段およびパターン結像調整手段がＣＣＤカメラ１５と完全に独立してテストパターンを測定基準面１３に投影できるとともに、焦点を合わせることができるので、測定基準面１３において投影されたテストパターンの焦点を合わせた後に、ＣＣＤカメラ１５の焦点を合わせることが可能となり、測定基準面１３に固定のテストパターン２３を設ける必要がない。また、この場合に、測定基準面１３に設けられたテストパターン２３がレーザで損傷することがないので、上述のように観察用基板１４を移動する必要がなく、ビーム観察装置１の構成を簡略化することができる。
【００４９】
また、上記例では、鏡筒２４を移動させることにより、ＣＣＤカメラ１５の焦点を測定基準面１３に合わせるようにしたが、対物レンズ２５やレンズ２８等の光学系部品を移動させることにより、ＣＣＤカメラ１５の焦点を合わせるようにしてもよい。この場合に、光学系部品を移動させる手段が撮像装置用焦点調整手段となる。
また、測定基準面１３における照射形状に基づいて対物用光学装置６の焦点を合わせる際に、予め焦点の合った照射形状を撮像して記憶しておき、記憶された照射形状と、撮像さている照射形状とを周知の画像認識手段で比較し、撮像された照射形状が記憶された照射形状に近づくように自動的にＺステージ装置７により対物用光学装置６を移動させるようにすることで、焦点合わせを自動化するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態に係るビーム観察装置を備えたレーザ加工装置を示す概略図である。
【図２】前記ビーム観察装置を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５１】
１      ビーム観察装置
３      レーザ加工装置
５      被加工対象物
６      対物用光学装置（対物用光学素子）
７      Ｚステージ装置（レーザ焦点調整手段）
１３    測定基準面
１４    観察用基板
１５    ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１６    パワーディテクタ
１７    ビームスプリッタ
１８    パターン照明
１９    スリット板
２０    画像モニタ（表示手段）
３１    焦点位置制御装置（撮像装置用焦点調整手段）
【図１】
2008119714.tif 000003
【図２】
2008119714.tif 000004