(57)【要約】【課題】加工用レーザ光束を加工対象物における加工位置に正確に集光させることができ生体組織や細胞等加工中に移動する動きのある加工対象について適用してもレーザ加工の精度を向上させることができ生体及び細胞の機能改変に用いることができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】組織、器官、細胞の生体及び生体関連物質に対して加工用レーザ光束を照射して加工するレーザ加工装置であって、加工用レーザ光束１を集光させるレーザ加工光学系４と、加工用レーザ光束１の光路を偏向させる偏向光学系９と、加工対象物３の形状情報を取得する形状情報取得手段２１，２３と、形状情報に基づく画像を表示する画像表示手段３２と、制御回路部２０とを備える。制御回路部２０は、入力された加工位置情報に基づいて、偏向光学系９の動作及び加工用レーザ光束１の出力を制御し、レーザ加工光学系４による加工位置を制御し、加工対象物の代謝機能を改変させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物となる組織、器官、または、細胞の生体及び生体関連物質に対し、加工用レーザ光束を集光して照射し、この加工用レーザ光束の照射位置を該加工対象物の表面、または、内部において走査することにより、該加工対象物の該加工用レーザ光束が照射された部分を加工するレーザ加工装置であって、
加工用レーザ光源からの上記加工用レーザ光束を対物レンズを介して集光させ、上記加工対象物に対して照射することにより、該加工対象物に対する加工を行うレーザ加工光学系と、
上記加工用レーザ光束の光路を偏向させる偏向光学系と、
上記加工対象物を上記対物レンズの光軸に対して垂直な平面内において移動操作する移動操作手段と、
上記対物レンズと上記加工対象物との相対距離を調整する焦点調節手段と、
上記加工対象物における少なくとも上記加工用レーザ光束が照射される領域の形状情報を取得する形状情報取得手段と、
上記形状情報取得手段により得られた形状情報に基づく画像を表示する画像表示手段と、
上記画像表示手段により表示される画像に対応した加工位置情報が入力される入力手段と、
上記移動換作手段、上記焦点調節手段及び上記偏向光学系の動作並びに上記加工用レーザ光束の出力を制御する制御回路部と
を備え、
上記制御回路部は、上記入力手段に入力された加工位置情報に基づいて、上記偏向光学系の動作及び上記加工用レーザ光束の出力を制御して、上記レーザ加工光学系による加工位置を制御して、上記加工対象物の代謝機能を改変させる
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
上記加工対象物の全体の大きさが、加工時に上記形状情報取得手段及び上記画像表示手段により観察される領域よりも大きい場合においては、
上記加工対象物に対して、観察される領域を移動させつつ、加工位置情報を入力され、
上記制御回路部は、入力された加工位置情報に基づいて、上記偏向光学系の動作及び上記加工用レーザ光束の出力を制御して、上記レーザ加工光学系による加工位置を制御する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
上記加工対象物において加工対象となる加工領域が点在している場合においては、
上記形状情報取得手段及び上記画像表示手段により観察される領域を移動させつつ、各加工領域について加工位置情報を入力され、
上記制御回路部は、入力された各加工位置情報に基づいてバッチ処理を行い、上記偏向光学系の動作及び上記加工用レーザ光束の出力を制御して、上記レーザ加工光学系による加工位置を制御する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
上記加工用レーザ光束は、発振パルス幅が１フェムト秒乃至３００フェムト秒で、かつ、ピークパワーが１ＧＷ乃至１００ＧＷのフェムト秒レーザである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
加工対象物となる組織、器官、または、細胞の生体及び生体関連物質に対し、加工用レーザ光束を集光して照射し、この加工用レーザ光束の照射位置を該加工対象物の表面、または、内部において走査することにより、該加工対象物の該加工用レーザ光束が照射された部分を加工するレーザ加工方法であって、
上記加工対象物における少なくとも上記加工用レーザ光束が照射される領域の形状情報を形状情報取得手段により取得し、
上記形状情報に基づく画像を画像表示手段により表示し、
上記画像表示手段が表示する画像に対応して入力手段により加工位置情報を入力し、
上記加工位置情報に基づいて動作する制御手段を用いて、上記加工対象物の上記加工用レーザの光軸に対する垂直な平面内における位置を調整し、上記加工用レーザの集光位置と上記加工対象物との相対距離を調整し、上記加工対象物に対して上記加工用レーザ光束を集光させて照射するとともに、この加工用レーザ光束の光路を偏向させ、上記加工用レーザ光束の出力を制御して、上記加工用レーザ光束による加工位置を制御して、上記加工対象物の代謝機能を改変させる
ことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項６】
上記加工対象物の全体の大きさが、上記形状情報取得手段により形状情報を取得される領域よりも大きい場合においては、
上記加工対象物に対して、形状情報を取得される領域を移動させつつ、加工位置情報を入力し、
入力した加工位置情報に基づいて、上記加工用レーザ光束の光路及び出力を制御して、上記加工用レーザ光束による加工位置を制御する
ことを特徴とする請求項５記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
上記加工対象物において加工対象となる加工領域が点在している場合においては、
上記形状情報取得手段により形状情報を取得される領域を移動させつつ、各加工領域について加工位置情報を入力し、
入力した各加工位置情報に基づいてバッチ処理を行い、上記加工用レーザ光束の光路及び出力を制御して、上記レーザ加工光学系による加工位置を制御する
ことを特徴とする請求項５記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
上記加工用レーザ光束として、発振パルス幅が１フェムト秒乃至３００フェムト秒で、かつ、ピークパワーが１ＧＷ乃至１００ＧＷのフェムト秒レーザを用いる
ことを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工光学系を用いてレーザ加工（切断や穿孔、あるいは、改質）を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加工対象物に対して微細加工を行う装置として、特許文献１に記載されているように、走査型プローブ顕微鏡を用いた加工装置が提案されている。この加工装置は、加工機能を付加した走査型プローブ顕微鏡であり、ＸＹラスタ測定により測定像を更新表示しながら、その画像上に加工すべきＸＹ座標を重ね書きし、ＸＹラスタ走査が加工すべきＸＹ座標に達したら、そのポイントで加工動作、測定を連続して行い、その後はラスタ走査測定を続けることで、リアルタイムに加工した試料表面の測定観察を行えるようになっている。
【０００３】
一方、従来において、レーザ加工光学系を用いたレーザ加工が提案されている。このレーザ加工光学系は、例えば、フェムト秒チタンサファイアレーザなどからの出射光束を加工用レーザ光束として用い、この加工用レーザ光束を対物レンズを介して加工対象物上に集光して照射し、この加工対象物に対するレーザ加工を行うように構成されている。このようなレーザ加工によって、加工対象物に対して、極めて微細な孔開け加工などを行うことができる。
【０００４】
このようなレーザ加工における加工対象物は、ガラス板などに限られず、生体組織や細胞などに対しても加工（切断や穿孔、あるいは、改質）を行うことができる。フェムト秒レーザを用いたレーザ加工は、非熱加工が可能であり、また、透過性に優れるため、加工対象物の内部加工が可能であり、さらに、加工箇所の周辺の損傷が小さく、加工精度が高いという特性を有するため、生体組織や細胞などに対する加工にも適している。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２２０１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のようなレーザ加工を正確に行うには、加工用レーザ光束の焦点を加工対象物における所定の加工位置に対して正確に一致させる必要がある。
【０００７】
ところが、レーザ加工光学系を用いたレーザ加工においては、加工用レーザ光束の焦点を加工対象物における加工位置に対して正確に一致させることが困難であり、このことがレーザ加工の精度の向上を困難としている。
【０００８】
そして、レーザ加工光学系として使用される共焦点光学系は、動きのある加工対象について適用することは提案されていない。特に、生体組織や細胞などに対する加工を行う場合には、加工対象物が加工中に移動することもあるため、正確に所定の箇所に対する加工を行うことが困難となっている。また、従来のフェムト秒レーザを用いたレーザ加工装置は、非生物材料を加工する用途に限定されている。
【０００９】
なお、生物試料を対象としたレーザ加工装置として、「レーザディセクション装置」が提案されているが、生体及び細胞の機能改変に用いることは提案されていない。
【００１０】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、加工用レーザ光束の焦点を加工対象物における加工位置に対して正確に一致させることができ、また、生体組織や細胞など、加工対象物が加工中に移動するような動きのある加工対象について適用しても、レーザ加工の精度を向上させることができ、また、生体及び細胞の機能改変に用いることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の課題を解決するため、本発明に係るレーザ加工装置は、以下の構成の少なくとも一を備えるものである。
【００１２】
〔構成１〕
加工対象物となる組織、器官、または、細胞の生体及び生体関連物質に対し加工用レーザ光束を集光して照射しこの加工用レーザ光束の照射位置を該加工対象物の表面、または、内部において走査することにより該加工対象物の該加工用レーザ光束が照射された部分を加工するレーザ加工装置であって、加工用レーザ光源からの加工用レーザ光束を対物レンズを介して集光させ加工対象物に対して照射することにより該加工対象物に対する加工を行うレーザ加工光学系と、加工用レーザ光束の光路を偏向させる偏向光学系と、加工対象物を対物レンズの光軸に対して垂直な平面内において移動操作する移動操作手段と、対物レンズと加工対象物との相対距離を調整する焦点調節手段と、加工対象物における少なくとも加工用レーザ光束が照射される領域の形状情報を取得する形状情報取得手段と、形状情報取得手段により得られた形状情報に基づく画像を表示する画像表示手段と、画像表示手段により表示される画像に対応した加工位置情報が入力される入力手段と、移動換作手段、焦点調節手段及び偏向光学系の動作並びに加工用レーザ光束の出力を制御する制御回路部とを備え、制御回路部は、入力手段に入力された加工位置情報に基づいて、偏向光学系の動作及び加工用レーザ光束の出力を制御して、レーザ加工光学系による加工位置を制御して、加工対象物の代謝機能を改変させることを特徴とするものである。
【００１３】
〔構成２〕
構成１を有するレーザ加工装置において、加工対象物の全体の大きさが、加工時に形状情報取得手段及び画像表示手段により観察される領域よりも大きい場合においては、加工対象物に対して、観察される領域を移動させつつ、加工位置情報を入力され、制御回路部は、入力された加工位置情報に基づいて、偏向光学系の動作及び加工用レーザ光束の出力を制御して、レーザ加工光学系による加工位置を制御することを特徴とするものである。
【００１４】
〔構成３〕
構成１を有するレーザ加工装置において、加工対象物において加工対象となる加工領域が点在している場合においては、形状情報取得手段及び画像表示手段により観察される領域を移動させつつ、各加工領域について加工位置情報を入力され、制御回路部は、入力された各加工位置情報に基づいてバッチ処理を行い、偏向光学系の動作及び加工用レーザ光束の出力を制御して、レーザ加工光学系による加工位置を制御することを特徴とするものである。
【００１５】
〔構成４〕
構成１乃至構成３のいずれか一を有するレーザ加工装置において、加工用レーザ光束は、発振パルス幅が１フェムト秒乃至３００フェムト秒で、かつ、ピークパワーが１ＧＷ乃至１００ＧＷのフェムト秒レーザであることを特徴とするものである。
【００１６】
〔構成５〕
加工対象物となる組織、器官、または、細胞の生体及び生体関連物質に対し加工用レーザ光束を集光して照射しこの加工用レーザ光束の照射位置を該加工対象物の表面、または、内部において走査することにより該加工対象物の該加工用レーザ光束が照射された部分を加工するレーザ加工方法であって、加工対象物における少なくとも加工用レーザ光束が照射される領域の形状情報を形状情報取得手段により取得し、形状情報に基づく画像を画像表示手段により表示し、画像表示手段が表示する画像に対応して入力手段により加工位置情報を入力し、加工位置情報に基づいて動作する制御手段を用いて加工対象物の加工用レーザの光軸に対する垂直な平面内における位置を調整し加工用レーザの集光位置と加工対象物との相対距離を調整し加工対象物に対して加工用レーザ光束を集光させて照射するとともにこの加工用レーザ光束の光路を偏向させ加工用レーザ光束の出力を制御して加工用レーザ光束による加工位置を制御して、加工対象物の代謝機能を改変させることを特徴とするものである。
【００１７】
〔構成６〕
構成５を有するレーザ加工方法において、加工対象物の全体の大きさが形状情報取得手段により形状情報を取得される領域よりも大きい場合においては、加工対象物に対して形状情報を取得される領域を移動させつつ加工位置情報を入力し、入力した加工位置情報に基づいて加工用レーザ光束の光路及び出力を制御して、加工用レーザ光束による加工位置を制御することを特徴とするものである。
【００１８】
〔構成７〕
構成５を有するレーザ加工方法において、加工対象物において加工対象となる加工領域が点在している場合においては、形状情報取得手段により形状情報を取得される領域を移動させつつ、各加工領域について加工位置情報を入力し、入力した各加工位置情報に基づいてバッチ処理を行い、加工用レーザ光束の光路及び出力を制御して、レーザ加工光学系による加工位置を制御することを特徴とするものである。
【００１９】
〔構成８〕
構成５乃至構成７のいずれか一を有するレーザ加工方法において、加工用レーザ光束として、発振パルス幅が１フェムト秒乃至３００フェムト秒で、かつ、ピークパワーが１ＧＷ乃至１００ＧＷのフェムト秒レーザを用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るレーザ加工装置は、〔構成１〕を有することにより、制御回路部は、入力手段に入力された加工位置情報に基づいて、偏向光学系の動作及び加工用レーザ光束の出力を制御して、レーザ加工光学系による加工位置を制御して、加工対象物となる組織、器官、または、細胞の生体及び生体関連物質の代謝機能を改変させるので、加工対象物における加工位置を、三次元的に、また、リアルタイムに制御することができ、加工対象物の内部にある加工位置に対しても、また、加工対象物が移動している場合であっても、正確な加工を行うことができる。
【００２１】
本発明に係るレーザ加工装置は、〔構成２〕を有することにより、加工対象物の全体の大きさが加工時に形状情報取得手段及び画像表示手段により観察される領域よりも大きい場合においては、制御回路部は、加工対象物に対して観察される領域を移動させつつ入力された加工位置情報に基づいて、偏向光学系の動作及び加工用レーザ光束の出力を制御して、レーザ加工光学系による加工位置を制御するので、画像表示手段により観察される領域よりも大きい領域についての加工を行うことができる。
【００２２】
本発明に係るレーザ加工装置は、〔構成３〕を有することにより、加工対象物における加工領域が点在している場合において、制御回路部は、加工対象物に対して観察される領域を移動させつつ入力された各加工位置情報に基づいてバッチ処理を行い、偏向光学系の動作及び加工用レーザ光束の出力を制御して、レーザ加工光学系による加工位置を制御するので、点在している複数の加工領域について、それぞれ加工を行うことができる。
【００２３】
本発明に係るレーザ加工装置は、〔構成４〕を有することにより、加工用レーザ光束は、発振パルス幅が１フェムト秒乃至３００フェムト秒で、かつ、ピークパワーが１ＧＷ乃至１００ＧＷのフェムト秒レーザであるので、非熱加工が可能であり、また、透過性に優れるため、加工対象物の内部加工が可能であり、さらに、加工箇所の周辺の損傷が小さく、加工精度が高いという特性を有し、生体組織や細胞などに対する加工にも適している。
【００２４】
そして、本発明に係るレーザ加工方法は、〔構成５〕を有することにより、制御手段により、入力した加工位置情報に基づいて、加工用レーザ光束の光路及び出力を制御して、加工用レーザ光束による加工位置を制御して、加工対象物となる組織、器官、または、細胞の生体及び生体関連物質の代謝機能を改変させるので、加工対象物における加工位置を、三次元的に、また、リアルタイムに制御することができ、加工対象物の内部にある加工位置に対しても、また、加工対象物が移動している場合であっても、正確な加工を行うことができる。
【００２５】
本発明に係るレーザ加工方法は、〔構成６〕を有することにより、加工対象物の全体の大きさが加工時に形状情報取得手段により形状情報を取得される領域よりも大きい場合においては、加工対象物に対して形状情報を取得される領域を移動させつつ入力された加工位置情報に基づいて、加工用レーザ光束の光路及び出力を制御して、加工用レーザ光束による加工位置を制御するので、形状情報を取得される領域よりも大きい領域についての加工を行うことができる。
【００２６】
本発明に係るレーザ加工方法は、〔構成７〕を有することにより、加工対象物において加工領域が点在している場合においては、加工対象物に対して形状情報を取得される領域を移動させつつ入力された各加工位置情報に基づいてバッチ処理を行い、加工用レーザ光束の光路及び出力を制御して、加工用レーザ光束による加工位置を制御するので、点在している複数の加工領域について、それぞれ加工を行うことができる。
【００２７】
本発明に係るレーザ加工方法は、〔構成８〕を有することにより、加工用レーザ光束は、発振パルス幅が１フェムト秒乃至３００フェムト秒で、かつ、ピークパワーが１ＧＷ乃至１００ＧＷのフェムト秒レーザであるので、非熱加工が可能であり、また、透過性に優れるため、加工対象物の内部加工が可能であり、さらに、加工箇所の周辺の損傷が小さく、加工精度が高いという特性を有し、生体組織や細胞などに対する加工にも適している。
【００２８】
すなわち、本発明は、加工用レーザ光束の焦点を加工対象物における加工位置に対して正確に一致させることができ、また、生体組織や細胞など、加工対象物が加工中に移動するような動きのある加工対象について適用しても、レーザ加工の精度を向上させることができ、また、生体及び細胞の機能改変に用いることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００３０】
〔本発明に係るレーザ加工装置の構成〕
本発明に係るレーザ加工装置は、加工対象物に対して加工用レーザ光束を集光して照射し、この加工用レーザ光束の照射位置を加工対象物の表面、または、内部において走査することにより、加工対象物の加工用レーザ光束が照射された部分を加工する装置である。そして、本発明に係るレーザ加工方法は、本発明に係るレーザ加工装置を使用することによって実行される加工方法である。
【００３１】
本発明に係るレーザ加工装置は、特に、組織、器官、または、細胞の生体及び生体関連物質を加工対象物とする場合に好適に使用することができ、この加工対象物の代謝機能を改変させる加工に適している。
【００３２】
図１は、本発明に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【００３３】
本発明に係るレーザ加工装置は、図１に示すように、加工用レーザ光束１を対物レンズ２を介して集光し加工対象物３に対して照射することにより該加工対象物３に対する加工を行うレーザ加工光学系４を備えている。
【００３４】
このレーザ加工光学系４は、加工用レーザ光源５からの出射光束を加工用レーザ光束１として用い、この加工用レーザ光束１を対物レンズ２を介して加工対象物３上に集光して照射し、この加工対象物３に対するレーザ加工を行うものである。加工用レーザ光源５は、発振パルス幅が１フェムト秒乃至３００フェムト秒で、かつ、ピークパワーが１ＧＷ乃至１００ＧＷのフェムト秒レーザであることが望ましい。この加工用レーザ光源５としては、例えば、フェムト秒チタンサファイアレーザを用いることができる。フェムト秒チタンサファイアレーザとしては、例えば、発振波長が８００ｎｍ、周波数１ｋＨｚ、パルス幅１５０ｆｓ（フェムト秒）、出力０．８ｍＪ／pulseのものなどを使用することができる。
【００３５】
加工用レーザ光束１は、第１の光学ユニット６内のミラー７、分岐用ハーフミラー８及び偏向光学系となるガルバノミラーユニット９を介して、対物レンズ２が内蔵された第２の光学ユニット１０に入射される。
【００３６】
ガルバノミラーユニット９は、加工用レーザ光束１の光軸に直交するＸ軸方向に光束を偏向させる第１の偏向ミラーと、加工用レーザ光束１の光軸及びＸ軸に直交するＹ軸方向に光束を偏向させる第２の偏向ミラーとを有して構成され、加工用レーザ光束１の光路を２軸（ＸＹ軸）方向に偏向させる機能を有している。このガルバノミラーユニット９の各偏向ミラーは、制御回路部となる後述する制御コンピュータ２０によって制御される。このガルバノミラーユニット９において、各偏向ミラーを経た加工用レーザ光束１は、リレーレンズ１１，１２を経て、第２の光学ユニット１０に向けて出射される。
【００３７】
第２の光学ユニット１０においては、加工用レーザ光束１は、ハーフミラー１３により反射され、蛍光フィルタ１４を透過して、対物レンズ２に入射される。対物レンズ２に入射された加工用レーザ光束１は、加工対象物３に集光して照射される。
【００３８】
対物レンズ２は、焦点調節手段となるピエゾ素子により、光軸方向（Ｚ軸方向）に移動操作可能となっている。この対物レンズ２は、ピエゾ素子により、加工対象物３との相対距離が調整されるようになっている。そして、加工対象物３は、この加工対象物３を対物レンズ２の光軸に対して垂直な平面内において移動操作する移動操作手段となるＸＹステージ１５の載置台上に支持されている。なお、加工対象物３は、ＸＹステージ１５の載置台上に吸引保持機構（バキュームチャック）によって固定されるようにしてもよい。このＸＹＺステージ１５は、制御回路部となる制御コンピュータ２０により、インターフェイスを介して制御される。
【００３９】
このような加工用レーザ光束１の照射によって、加工対象物３に対して、極めて微細な孔開け加工などを行うことができる。加工対象物３は、例えば、ガラス板などの他、生体組織、細胞などである。
【００４０】
なお、第２の光学ユニット１０においては、透過照明（例えば、水銀ランプ）１６からの照明光が、ミラー１７を介して、ＸＹステージ１５の裏面側より加工対象物３に入射され、この加工対象物３を照明する。この場合、蛍光フィルタ１４を透すことによって、蛍光観察も可能である。また、反射照明（例えば、ハロゲンランプ）１８からの照明光が、ハーフミラー１９を介して、加工用レーザ光１と同軸に加工対象物３に入射され、この加工対象物３を照明する。
【００４１】
そして、このレーザ加工装置は、加工対象物３における少なくとも加工用レーザ光束１が照射される領域の形状情報を取得する形状情報取得手段を備えている。このレーザ加工装置においては、形状情報取得手段として、レーザ加工光学系４と同軸に配置された共焦点光学系２１と、レーザ加工光学系４と同軸に配置された撮像光学系２２を介して加工対象物３の撮像を行う固体撮像素子（ＣＣＤ）２３とを備えている。
【００４２】
共焦点光学系２１は、測定用レーザ光源２４からの測定用レーザ光束２５をガルバノミラーユニット９及び対物レンズ２を介して加工対象物３に集光させ、この測定用レーザ光束２５の加工対象物３により反射、または、散乱された光束を結像させ、この結像光を反射光量測定手段となる検出器２６により検出することによって、形状情報として、加工対象物３の三次元形状データを取得するものである。
【００４３】
測定用レーザ光束２５を発する測定用レーザ光源２４としては、例えば、発振波長が５４３ｎｍであるヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザを使用することができる。この測定用レーザ光源２４より発せられた測定用レーザ光束２５は、ハーフミラー２７を介して集光レンズ２８に入射され、この集光レンズ２８によって、ピンホールマスク２９のピンホール内に集光される。このピンホールを経た測定用レーザ光束２５は、リレーレンズ３０を経て、分岐用ハーフミラー８を透過して、ガルバノミラーユニット９に入射する。この測定用レーザ光束２５は、分岐用ハーフミラー８を透過することによって、加工用レーザ光束１の光路に合流し、同軸となっている。すなわち、分岐用ハーフミラー８を透過した測定用レーザ光束２５は、加工用レーザ光束１と同様に、ガルバノミラーユニット９を経て、第２の光学ユニット１０に入射され、対物レンズ２に入射される。対物レンズ２に入射された測定用レーザ光束２５は、加工対象物３に集光され、この加工対象物３の表面、または、内部の状態によって、反射、または、散乱される。
【００４４】
加工対象物３において反射、または、散乱された測定用レーザ光束２５は、対物レンズ２及びガルバノミラーユニット９を経て、分岐用ハーフミラー８に戻る。測定用レーザ光束２５は、この分岐用ハーフミラー８を透過し、リレーレンズ３０によって、ピンホールマスク２９のピンホール内に集光される。このピンホールを経た測定用レーザ光束２５は、集光レンズ２８を経て、ハーフミラー２７を透過して、検出器２６によって受光される。この共焦点光学系１１において、ピンホールマスク２９は、対物レンズ２による測定用レーザ光束２５の焦点と共役な位置に配置されている。
【００４５】
固体撮像素子２３は、撮像レンズ２２、ハーフミラー１３及び対物レンズ２を介して、加工対象物３を撮像し、形状情報として、加工対象物３の二次元形状データを取得する。この固体撮像素子２３が撮像を行う光路は、ハーフミラー１３より対物レンズ２に亘って、加工用レーザ光束１の光路に合流し、同軸となっている。
【００４６】
そして、このレーザ加工装置は、共焦点光学系２１、または、固体撮像素子２３により得られた形状情報に基づいて、画像を表示する画像表示手段となるモニタ３２を有している。このモニタ３２は、制御コンピュータ２０に付属するモニタである。また、このレーザ加工装置は、モニタ３２により表示される画像に対応して加工位置情報が入力される入力手段となるマウス３３を有している。このマウス３３は、制御コンピュータ２０に付属する入力装置である。なお、この入力手段としては、マウス３３に代えて、ライトペンや、その他の入力装置を用いてもよい。
【００４７】
そして、このレーザ加工装置において、制御コンピュータ２０は、マウス３３により入力された加工位置情報に基づいて、ＸＹステージ１５、対物レンズ２を移動させるピエゾ素子及びガルバノミラーユニット９の動作並びに加工用レーザ光束１の出力を制御して、レーザ加工光学系４による加工位置を制御する。
【００４８】
すなわち、制御コンピュータ２０は、共焦点光学系２１により得られた三次元形状データに対応してマウス３３により入力された加工位置情報を記憶し、記憶された加工位置情報に基づいて、順次レーザ加工を行う。なお、測定用レーザ光束２５と加工用レーザ光束１とは、予め波長の差がわかっており、各波長における対物レンズ２の焦点距離の差も予め知ることができるので、測定用レーザ光束２５による合焦位置がわかれば、この位置に基づいて、加工用レーザ光束１についての合焦位置を決定することができる。このようにして決定される合焦位置は、誤差が１０ｎｍ程度以下の精度を有して決定することができる。
【００４９】
また、加工用レーザ光束１の合焦位置と測定用レーザ光束２５の合焦位置との誤差が１０ｎｍ程度以下であることにより、加工位置情報と実際の加工位置との誤差も、１０ｎｍ程度以下とすることができる。
【００５０】
また、制御コンピュータ２０は、固体撮像素子２３により得られた二次元形状データ（観察画像）に対応してマウス３３により入力された加工位置情報に基づいて、リアルタイムでレーザ加工を行う。
【００５１】
〔本発明に係るレーザ加工装置の動作（１）〕
（１）装置のアライメントについて
このレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行うには、まず、装置のアライメントを行う。このアライメントは、以下の手順で行う。
【００５２】
図２は、本発明に係るレーザ加工装置におけるアライメント手順を示すフローチャートである。
【００５３】
すなわち、図２のフローチャートに示すように、ステップｓｔ１で、各光学ユニット６，１０及びガルバノミラーユニット９を配置する。
【００５４】
次に、ステップｓｔ２で、共焦点光学系２１を調整し、測定用レーザ光源２４からの測定用レーザ光束２５をガルバノミラーユニット９へ導く。
【００５５】
ステップｓｔ３では、加工用レーザ光源５からの加工用レーザ光束１を第１の光学ユニット６に導入する。
【００５６】
ステップｓｔ４では、加工用レーザ光源５を調整し、加工用レーザ光束１をガルバノミラーユニット９へ導く。このとき、測定用レーザ光束２５と加工用レーザ光束１とが同軸になるようにする。
【００５７】
ステップｓｔ５では、ガルバノミラーユニット９の内部のガルバノミラーを調整し、測定用レーザ光束２５及び加工用レーザ光束１を第２の光学ユニット１０へ導く。
【００５８】
ステップｓｔ６では、ガルバノミラーユニット９の出射端レンズの焦点位置に対物レンズ２の入射瞳が一致するように、第２の光学ユニット１０を調整する。
【００５９】
ステップｓｔ７では、測定用レーザ光束２５及び加工用レーザ光束１が加工対象物３に対して垂直に照射されるように、第２の光学ユニット１０を調整する。
【００６０】
次のステップｓｔ８では、測定用レーザ光束２５の集光位置を加工用レーザ光束１の集光位置に合わせる。
【００６１】
すなわち、まず、表面が平坦な加工対象物３をＸＹステージ１５上に置く。次に、十分にエネルギーを減衰させた加工用レーザ光束１を加工対象物３に照射し、加工用レーザ光束１の集光部でのみ加工対象物３が加工されるようにして、この結果から、加工用レーザ光束１の集光位置と加工対象物３の表面位置とを厳密に合わせる。そして、測定用レーザ光束２５を加工対象物３に照射しながら、共焦点光学系２１を構成するレンズ位置を前後させる。このようにレンズを移動させると、測定用レーザ光束２５の集光位置も前後する。共焦点の原理から、測定用レーザ光束２５の集光位置が加工対象物３の表面位置に一致したとき、検出器２６で得られる信号強度が最大となる。すなわち、検出器２６で得られる信号強度が最大となるレンズ位置を求めることにより、測定用レーザ光束２５の集光位置が加工対象物３の表面位置に一致する。この調整作業により、加工用レーザ光束１と測定用レーザ光束２５の集光位置が一致する。
【００６２】
このようにして、測定用レーザ光束２５及び加工用レーザ光束１の集光位置を一致させると、共焦点光学系２１により取得した加工対象物３の三次元データに基づくレーザ加工が可能になる。
【００６３】
そして、ステップｓｔ９では、撮像レンズ２２の焦点位置（撮像被写界面）を、加工用レーザ光束１の集光位置に合わせる。すなわち、固体撮像素子２３及び撮像レンズ２２の取り付け角度を合わせ、焦点位置（撮像被写界）を調整して、加工用レーザ光束１の集光位置と撮像レンズ２２のの焦点位置とを一致させる。
【００６４】
まず、表面が平坦な加工対象物３をＸＹステージ１５上に置く。次に、加工用レーザ光束１の集光位置と加工対象物３の表面の位置とを一致させる。そして、固体撮像素子２３及び撮像レンズ２２を取り付けているアダプタのフォーカス調整機構を調整しながら、モニタ３２上において、観察像のフォーカスを合わせる。次に、測定用レーザ光束２５を加工対象物３に照射しながら、ＸＹ軸のガルバノミラーを動かす。このとき、測定用レーザ光束２５の集光点の移動軌跡が、観察像内において水平、または、垂直であることを確認する。集光点の移動軌跡が斜めになっている場合には、固体撮像素子２３の取り付け角度を調整する。この調整作業によって、加工用レーザ光束１の集光位置と撮像レンズ２２の焦点位置とが一致し、また、固体撮像素子２３による観察像が正しく表示される。
【００６５】
このように、固体撮像素子２３による観察像と、ガルバノミラーのポジション（Ｘ軸及びＹ軸）とを関連づけることにより、観察画像に基づいて、リアルタイムにレーザ加工を行うことが可能になる。
【００６６】
そして、ステップｓｔ１０では、固体撮像素子２３による観察画像と、ガノバノミラーのポジションとを関連づける。すなわち、観察画像における各ピクセルに対するガルバノミラーのポジションを関連づける。
【００６７】
まず、表面が平坦な加工対象物３をＸＹステージ１５上に置く。次に、撮像レンズ２２のフォーカスを合わせ、また、測定用レーザ光束２５を加工対象物３に照射する。そして、固体撮像素子２３による観察画像内に測定用レーザ光束２５の集光部が現れるように、ＸＹ軸のガルバノミラーを動かす。ここで、測定用レーザ光束２５の集光部のピクセル位置と、このときのＸＹ軸ガルバノミラーのポジションとを対応させて登録する。さらに、測定用レーザ光束２５が別の任意の位置に集光するようにＸＹ軸ガルバノミラーを動かし、このときの集光部のピクセル位置と、ＸＹ軸ガルバノミラーのポジションとを対応させて登録する。この調整作業によって、固体撮像素子２３のピクセル毎に、各ガルバノミラーのポジションが関連づけられる。
【００６８】
（２）共焦点光学系を用いてレーザ加工を行う場合
図３は、本発明に係るレーザ加工装置における加工手順を示すフローチャートである。
【００６９】
共焦点光学系２１を用いてレーザ加工を行う場合には、図３のフローチャートに示すように、ステップｓｔ１１において、加工対象物３をＸＹステージ１５上に設置する。このとき、マニピュレータを用いて、加工対象物３の位置を調整し、また、ＸＹステージ１５を操作して、加工対象物３をレーザ加工が可能な領域内に収める。
【００７０】
次に、ステップｓｔ１２に進み、共焦点光学系２１により、三次元形状データを取得する。すなわち、共焦点光学系２１による測定用レーザ光束２５の集光点を加工対象物３に対して走査し、検出器２６で得られる信号強度を制御コンピュータ２０により記録してゆく。測定用レーザ光束２５の集光点の走査を、加工対象物３の表面上のみならず、加工対象物３の内部に亘って行うことにより、加工対象物３の三次元形状データを取得することができる。この走査は、ガルバノミラーユニット９及び対物レンズ２を移動させるピエゾ素子を制御することによって行う。
【００７１】
そして、ステップｓｔ１３では、加工データを作成する。すなわち、制御コンピュータ２０に記憶された三次元形状データに基づいて、レーザ加工を行うべき箇所を指定（加工位置情報を入力）する。この加工箇所の指定は、図４に示すように、三次元形状データを画像化してモニタ３２に表示させ、このように画像化された三次元形状データ上においてマウス３３を用いて行うことができる。例えば、マウス３３により、所定の領域３４を囲むようにしてプロットすることによって、プロットされた領域３４内を加工領域として指定することができる。
【００７２】
また、加工箇所の指定は、三次元形状データに基づいて、キーボード等による数値の入力によっても行うことができる。
【００７３】
ステップｓｔ１４では、加工条件を指定する。すなわち、加工深さ（焦点位置）、走査速度、加工回数、加工エネルギーなど、レーザ加工における種々の条件を指定する。この指定は、制御コンピュータ２０に対する入力によって行う。
【００７４】
そして、ステップｓｔ１５では、制御コンピュータ２０が、ＸＹステージ１５、対物レンズ２を移動させるピエゾ素子及びガルバノミラーユニット９の動作並びに加工用レーザ光束１の出力を制御して、レーザ加工光学系４によるレーザ加工を行う。
【００７５】
このとき、共焦点光学系２１により得られた三次元形状データと加工用レーザ光束１の合焦位置とは、前述したように、誤差が１０ｎｍ程度以下の精度で一致しているので、三次元形状データに基づいて加工箇所の指定を行うことにより、正確に所望の箇所を加工することができる。
【００７６】
（３）固体撮像素子を用いてレーザ加工を行う場合
固体撮像素子２３を用いてレーザ加工を行う場合には、図３のフローチャートに示すように、ステップｓｔ１１において、加工対象物３をＸＹステージ１５上に設置した後、ステップｓｔ１６に進む。
【００７７】
ステップｓｔ１６では、固体撮像素子２３により、二次元形状データ（観察画像）を取得する。このとき、透過照明（例えば、水銀ランプ）１６、または、反射照明（例えば、ハロゲンランプ）１８により、加工対象物３を照明する。
【００７８】
固体撮像素子２３により取得された二次元形状データ（観察画像）は、制御コンピュータ２０のモニタ３２に、画像として表示する。
【００７９】
そして、ステップｓｔ１７では、加工位置を入力しながら、リアルタイムでレーザ加工を行う。すなわち、制御コンピュータ２０により表示された二次元形状データ（観察画像）に基づいて、レーザ加工を行うべき箇所を指定（加工位置情報を入力）する。この加工箇所の指定は、図４に示すように、二次元形状データを画像化してモニタ３２に表示させ、このように画像化された二次元形状データ上においてマウス３３を用いて行うことができる。例えば、マウス３３により、所定の箇所をプロットすることによって、プロットされた箇所を加工位置として指定することができる。
【００８０】
このとき、制御コンピュータ２０は、ＸＹステージ１５、対物レンズ２を移動させるピエゾ素子及びガルバノミラーユニット９の動作並びに加工用レーザ光束１の出力を制御して、リアルタイムにレーザ加工光学系４によるレーザ加工を行う。なお、加工深さ（焦点位置）や加工エネルギーなどの加工条件については、予め指定しておく。この指定は、制御コンピュータ２０に対する入力によって行っておく。
【００８１】
このとき、前述したアライメントによって、固体撮像素子２３のピクセル毎に各ガルバノミラーのポジションが関連づけられているので、モニタ３２に表示された二次元形状データに基づいて加工箇所の指定を行うことにより、正確に所望の箇所を加工することができる。
【００８２】
〔本発明に係るレーザ加工装置の動作（２）〕
図５は、本発明に係るレーザ加工装置において、加工対象となる加工対象物全体の大きさが加工時の観察領域よりも大きい場合にレーザ加工を行うべき箇所を指定する操作を示す正面図である。
【００８３】
本発明に係るレーザ加工装置において、図５に示すように、加工対象となる加工対象物全体の大きさ（加工対象物１０１を囲む加工領域３４）が加工時の観察領域（カメライメージエリア）１０２よりも大きい場合には、加工対象物１０１に対して観察領域１０２を移動させつつ、モニタ３２上において、マウス３３により加工領域３４を囲んでプロットすることによって、プロットされた領域３４内を加工領域として指定することができる。そして、指定された加工領域３４に対する加工を行うことができる。
【００８４】
図６は、本発明に係るレーザ加工装置において、加工対象となる加工領域が点在している場合にレーザ加工を行うべき箇所を指定する操作を示す正面図である。
【００８５】
図７は、本発明に係るレーザ加工装置において、加工対象となる加工領域が点在している場合に、モニタ上において加工領域を指定する操作を示す正面図である。
【００８６】
また、図６に示すように、加工対象となる加工領域３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄが、観察領域１０２内、または、加工時の観察領域１０２よりも広い領域に亘って点在している場合には、図７に示すように、モニタ３２上において、マウス３３により各加工領域３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄを指定したうえ、各加工領域３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄについてバッチ処理を行うことにより、各加工領域３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄに対する加工を順次行うことができる。また、この場合においては、各加工領域３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄごとに、異なる加工を行うこともできる。
【００８７】
また、本発明に係るレーザ加工装置において、加工対象物に厚みがある場合において、この加工対象物に刳り貫き加工を行う場合には、以下のようにして、操作の単純化を図ることができる。
【００８８】
図８は、本発明に係るレーザ加工装置における刳り貫き加工の操作画面を示す正面図である。
【００８９】
すなわち、厚みのある加工対象物に対する刳り貫き加工を行う場合には、図８に示すように、モニタ３２上において、マウス３３を用いて、刳り貫き加工の深さを示す直線３５をプロットすることにより、加工深さを指定することができる。
【００９０】
図９は、本発明に係るレーザ加工装置において使用するマウスの構成を示す斜視図である。
【００９１】
この場合において、刳り貫き加工の深さの指定は、図９に示すように、マウス３３のホイール３３ａを回転操作することによって行うことができる。なお、マウス３３は、横方向への移動によりｘ座標成分の入力ができ、縦方向への移動によりｙ座標成分の入力ができるようになっており、ホイール３３ａを回転によってｚ座標成分（深さ）の入力が行えるようにしたものである。
【００９２】
図１０は、本発明に係るレーザ加工装置において、照射パルス数を指定するウィンドを示す正面図である。
【００９３】
また、このレーザ加工装置において、照射する加工用レーザ光束１のパルス数の指定は、図１０に示すように、マウス３３を右クリックすることによって、モニタ３２上にサブウィンド３２ａを表示させ、このサブウィンド３２ａ内に表示されるパルス数を示す数値を選択（左クリック）することによって行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るレーザ加工装置におけるアライメント手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係るレーザ加工装置における加工手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明に係るレーザ加工装置において、レーザ加工を行うべき箇所を指定する操作を示す正面図である。
【図５】本発明に係るレーザ加工装置において、加工対象となる加工対象物全体の大きさが加工時の観察領域よりも大きい場合にレーザ加工を行うべき箇所を指定する操作を示す正面図である。
【図６】図６は、本発明に係るレーザ加工装置において、加工対象となる加工領域が点在している場合にレーザ加工を行うべき箇所を指定する操作を示す正面図である。
【図７】図７は、本発明に係るレーザ加工装置において、加工対象となる加工領域が点在している場合に、モニタ上において加工領域を指定する操作を示す正面図である。
【図８】本発明に係るレーザ加工装置における刳り貫き加工の操作画面を示す正面図である。
【図９】本発明に係るレーザ加工装置において使用するマウスの構成を示す斜視図である。
【図１０】本発明に係るレーザ加工装置において、照射パルス数を指定するウィンドを示す正面図である。
【符号の説明】
【００９５】
１  加工用レーザ光束
２  対物レンズ
３  加工対象物
４  レーザ加工光学系
５  加工用レーザ光源
９  ガルバノミラーユニット
１５  ＸＹＺステージ
２０  制御コンピュータ
２１  共焦点光学系
２４  測定用レーザ光源
２５  測定用レーザ光束
２６  検出器
３２  モニタ
３３  マウス
【図１】
2008114059.tif 000003
【図２】
2008114059.tif 000004
【図３】
2008114059.tif 000005
【図４】
2008114059.tif 000006
【図５】
2008114059.tif 000007
【図６】
2008114059.tif 000008
【図７】
2008114059.tif 000009
【図８】
2008114059.tif 000010
【図９】
2008114059.tif 000011
【図１０】
2008114059.tif 000012