(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスビームを発生するレーザと、レーザからのパルスビームを反射してビームを一次元方向或いは二次元方向に走査するビーム偏向手段と、ビーム偏向手段で走査されたパルスビームを被処理物に照射するＦθレンズと、Ｆθレンズと被処理物の間に設けられＦθレンズを保護し屈折率ｎのウインドウとよりなるレーザ加工装置において、Ｆθレンズが像面彎曲を持ち、ウインドウがＦθレンズの像面彎曲を補償し得るような厚みの分布を持っており、Ｆθレンズから距離ｓの平面ＳＴにパルスビームの集光点がくるようにしたことを特徴とするレーザ加工装置。 
【請求項２】
レーザのパルス発生のタイミングとそれに同期した一次元ビーム偏向手段の揺動のタイミングによって決まりＦθレンズを通過したパルスビームをＪｋ（ｋ＝１〜ｍ）とし、Ｆθレンズによるパルスビームの集光点距離をＧｋとして、ウインドウのパルスビームＪｋの通過する点の厚みＤｋを、Ｄｋ＝ｎｓ／（ｎ−１）−ｎＧｋ／（ｎ−１）にしたことによってＦθレンズの像面彎曲を打ち消した事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】
レーザのパルス発生のタイミングとそれに同期した二次元ビーム偏向手段の揺動のタイミングによって決まりＦθレンズを通過したパルスビームをＪｈｋとし、Ｆθレンズによるパルスビームの集光点距離をＧｈｋとして、ウインドウのパルスビーム｛Ｊｈｋ｝の通過する点の厚みを  Ｄｈｋとし、Ｄｈｋ（ｋ＝１〜ｍ、ｈ＝１〜ｐ）の値をＤｈｋ＝ｎｓ／（ｎ−１）−ｎＧｈｋ／（ｎ−１）によって決定し、ウインドウの厚さを｛Ｄｈｋ｝に造形して、Ｆθレンズの像面彎曲を打ち消した事を特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。 
【請求項４】
ウインドウの少なくとも片面が非球面または自由曲面であ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５】
ウインドウの少なくとも片面が球面であ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６】
パルスビームを発生するレーザと、レーザからのパルスビームを反射してビームを１次元方向あるいは二次元方向に走査するビーム偏向手段と、ビーム偏向手段で走査されたパルスビームを被処理物に照射するＦθレンズと、Ｆθレンズと被処理物の間に設けられＦθレンズを保護し屈折率ｎのウインドウとよりなるレーザ加工装置に用いられるウインドウであって、Ｆθレンズが像面彎曲を持ち、ウインドウがＦθレンズの像面彎曲を補償するような厚み変化を持っており、Ｆθレンズから距離ｓの平面ＳＴにパルスビームの集光点がくるようにしたことを特徴とするウインドウ。 
【請求項７】
レーザのパルス発生のタイミングとそれに同期した一次元ビーム偏向手段の揺動のタイミングによって決まりＦθレンズでレンズ面と垂直方向へ屈折したパルスビームをＪｋ（ｋ＝１〜ｍ）とし、Ｆθレンズによるパルスビームの集光点距離をＧｋとして、ウインドウのパルスビームＪｋの通過する点の厚みＤｋを、Ｄｋ＝ｎｓ／（ｎ−１）−ｎＧｋ／（ｎ−１）にしたことによってＦθレンズの像面彎曲を打ち消した事を特徴とする請求項６に記載のウインドウ。 
【請求項８】
レーザのパルス発生のタイミングとそれに同期した二次元ビーム偏向手段の揺動のタイミングによって決まりＦθレンズでレンズ面と垂直方向へ屈折したパルスビームをＪｈｋとし、Ｆθレンズによるパルスビームの集光点距離をＧｈｋとして、ウインドウのパルスビーム｛Ｊｈｋ｝の通過する点の厚みを  Ｄｈｋとし、Ｄｈｋ（ｋ＝１〜ｍ、ｈ＝１〜ｐ）の値を 
Ｄｈｋ＝ｎｓ／（ｎ−１）−ｎＧｈｋ／（ｎ−１） 
によって決定し、ウインドウの厚さを｛Ｄｈｋ｝に造形して、Ｆθレンズの像面彎曲を打ち消した事を特徴とする請求項６に記載のウインドウ。 
【請求項９】
ウインドウの少なくとも片面が非球面または自由曲面であることを特徴とする請求項６に記載のウインドウ。 
【請求項１０】
ウインドウの少なくとも片面が球面であることを特徴とする請求項６に記載のウインドウ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パルスレーザビームをビーム偏向手段で走査しＦθレンズを通してプリント基板などに多数の小穴を経時的に穿孔するレーザ加工に用いられるＦθレンズの像面彎曲の補正に関する。Ｆθレンズというのは入射角がθ（単位：ラジアン）のビームを像面において中心からＦθの位置に結像するようにしたレンズである。ここで、ＦはＦθレンズの有効焦点距離である。
【０００２】
光の波長λによって適当なレンズの材料が異なる。可視光の場合は石英や光学ガラスのＦθレンズが用いられる。赤外光の場合はＺｎＳｅレンズやＧｅレンズがＦθレンズとされる。材料はそのように目的とする光の波長による。また、ビーム偏向手段はガルバノミラーが用いられることが多いが、他にポリゴンミラー、音響光学素子(ＡＯＭ)なども選択可能である。
【０００３】
レーザ加工装置のパルスビームは、材料を一瞬に加熱し燃焼させて穴を明けるので、レーザは大出力パルスの出るものに限られる。レーザ加工用のレーザは赤外の場合は炭酸ガスレ−ザ（波長９〜１１μｍ程度）や近赤外の場合ＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）などである。紫外光の場合はＹＡＧレーザの高調波（波長３５５ｎｍ、２６６ｎｍ）が用いられる。本発明は、どのようなレーザ加工機のＦθレンズにも適用することができる。
【０００４】
Ｆθレンズは３枚、４枚或いは５枚など複数のレンズを組み合わせて作る。簡易な場合は１枚レンズでＦθレンズとすることもある。レンズには様々の収差がある。レンズの収差には、球面収差、コマ収差、非点収差、像面彎曲、歪曲収差などがある。色収差は材料の屈折率分散に由来するものでこれらとは少し違う。
【０００５】
Ｆθレンズの設計は、所望の作用があってしかもこれらの収差を打ち消すように複数枚のレンズを組み合わせるのである。そのように設計されたＦθレンズは収差が十分に低減されている。しかし製造誤差があるし使用環境（温度、湿度、気圧など）が変化したりしてレンズの収差が現れることもある。
【０００６】
像面彎曲というのは収差の一つである。軸とθをなす平行ビームは像面で中心からＦθの位置に集光するように設計される。また、像面はできる限り平面に近い面となるように設計されるが、何等かの製造誤差や使用条件の変動のために平面よりずれることがある。像面が平面でなくなる収差を像面彎曲という。像面が平面から彎曲するので像面彎曲と呼ぶのである。
【０００７】
θが小さい程集光点は遠くにあり、θが大きい程集光点がレンズに接近するというような正の像面彎曲（レンズ側から見て凹型）の場合が一般的である。或いは反対にθが小さい程集光点が近く、θが大きい程集光点がレンズから遠くなるという負の像面彎曲もあり得る（凸型）。そのような極小極大が一つしかない単純な形状の像面彎曲（低次）の場合もあるが、極大極小が複数個存在する複雑な像面彎曲（高次）が起こる場合もある。
【０００８】
Ｆθレンズはできるだけ収差がないように設計する。球面収差、コマ収差、非点収差、像面彎曲、歪曲収差などの収差が起こらないように設計してある。設計通りに作製できればこれらの収差も少ない。
【０００９】
しかしレンズ製作には誤差がつきものである。設計通りにレンズを作製できない場合がある。僅かな誤差があってそのために収差が発生する場合もある。設計通りに作ったとしてもレーザ・レンズ・像面間隔の誤差もあり得る。レーザビームの特性（パワー安定性、ビーム発散角、円周方向の均一性）にもばらつきがある。更には環境変化もある。温度、湿度、気圧などの変動によって空気やレンズの屈折率が変化するので収差が現れる。 
【００１０】
そうでなくても加工物の微細化によって要求される収差低減のレベルが高度化する。例えば１００μｍ直径の穴を縦横に多数穿孔するために作られたパルスレーザ、ビーム偏向手段、Ｆθレンズのレーザ加工装置を、より狭いピッチで並ぶ、より小さい８０μｍ或いは６０μｍの直径の穴を穿つために転用された場合には、より低いレベルの収差が要求される。
【００１１】
それに従って要求される精度がより高度化するので、レーザ特性（レーザパワーの安定性、ビーム発散角）の僅かな変動や環境（温度、湿度、気圧）の変化の影響を受け易くなる。温度が変わるとレンズや空気の屈折率が変わる。気圧が変わると空気の屈折率が変わる。そのようなレーザや環境の僅かな変化によっても収差が現れる。最近はレーザ加工で穿孔されるプリント基板の穴の直径や形状に対する要求は厳しくなり、加工穴サイズの微小化に伴って６０μｍ以下の直径の穴を穿つことも望まれる。 
【００１２】
像面彎曲はレンズから集光点までの距離（光軸に平行な距離）がθによって相違するということである。レンズで絞った光は焦点深度分だけ前後の広がりを持つので、像面彎曲があってもそれを少しは補うことができるはずである。しかし目的となる穴の直径が小さいのでビームをより強く絞ると、焦点深度が浅くなり像面彎曲を補償する範囲が狭くなる。従って穿孔すべき穴の径が小さくなると像面彎曲が強く現れることがある。
【背景技術】
【００１３】
Ｆθレンズということであるが、特許文献１に炭酸ガスレ−ザ、ＹＡＧレーザビームを使いプリント基板に小穴を穿つのに用いられるＦθレンズが詳しく述べられている。３〜５枚のレンズを組み合わせて一つのＦθレンズ系が作られる。
【００１４】
像面彎曲を図１によって説明する。像面彎曲はどのような種類のレンズでも起こり得る。ここではＦθレンズを問題にする。パルスレーザ＋ビーム偏向手段＋Ｆθレンズの系の場合は像面彎曲によって穿孔される穴の直径が所望のものからずれてくる。
【００１５】
図１によってレーザ加工装置の概略を述べる。パルスビームを出すレーザ装置（図示しない）が光源である。これは平行なビームに整形される。パルスレーザビーム２がビーム偏向手段３(図１ではガルバノミラーを示す)によって左右に走査される。一次元走査（ｘ方向走査）のこともあるが、直交軸を持つ二つのビーム偏向手段があって左右方向と前後方向にビームを振る二次元走査（ｘｙ方向走査）の場合もある。前者を一次元ビーム偏向手段、後者を二次元ビーム偏向手段と呼ぶ。走査されたビーム３１、３２、３３は平行ビームである。それをＦθレンズ４で被加工面５に集光する。ここでは左、中央、右の３つの方向に反射されたビーム３１、３２、３３を書いている。実際にはもっと多くの方向にパルスビームが発射されることになる。
【００１６】
これがＦθレンズ４で屈折し収束ビーム４１、４２、４３となる。これが透明平行平板のウインドウ８を通り被加工物の表面に照射される。被加工物の表面である被加工面５は光軸に垂直な平面である。中央のビーム４２は丁度被加工面５の上の点Ｇ２に収束する。しかし左右のビーム４１、４３は被加工面５より手前のＧ１、Ｇ３で収束する。これより後は拡散ビームとなる。ビーム４１、４３の延長と被加工面５の交線Ｈ１、Ｈ３は点ではなく広がりを持つ。
【００１７】
収束点Ｇ１、Ｇ２，Ｇ３を結ぶ包絡面を像面６と呼ぶ。像面６は被加工面５と一致する筈であるが、レンズ収差がある場合には違ってくる。像面６が平坦面でなく彎曲しているのでこの収差を像面彎曲というのである。これは凹型の彎曲を示すがこれに限らず、凸型のこともある。二次曲線のように単純でなく複雑な彎曲をすることもある。 
【００１８】
像面彎曲があると、被加工面５を前後に動かしても像面６と被加工面５を完全に一致させることができない。例えば被加工面５をレンズ側に移動して、Ｈ１，Ｈ３とＧ１、Ｇ３を合致させたとしても、今度はＨ２とＧ２がずれてしまう。 
【００１９】
レンズを再加工すれば像面彎曲を減らすことができるかもしれないが、それは多大の時間とコストが掛かり実際には難しい。このままレーザ加工をすると、中心部Ｇ２ではビームが集光しており所定の小さい直径の円形穴を穿つことができる。 
【００２０】
しかし左右の被加工物への照射点Ｈ１、Ｈ３では、ビームがデフォーカス（焦点ズレ）しているので穴径が大きくなったり、非点収差がある場合には楕円形状の穴となったりする。これは望ましいことではない。 
【００２１】
新規に作製されるＦθレンズの場合は、各種の収差をできるだけ小さくするよう設計し作製される。従って像面彎曲は本来小さい筈である。ここでは既成のＦθレンズの像面彎曲の補正を問題にする。既成のレンズ系を初期の目的と異なった仕様で利用した場合、或いはレーザやビーム偏向手段(ガルバノミラー)を変えた場合に像面彎曲が顕著に現れたとする。
【００２２】
高価なレンズであるから、レンズを少しずつ研削、研磨して形状を補正して像面彎曲を減らすということが考えられる。しかしＦθ系を構成する全てのレンズ（３〜５枚）を再び加工して形状を修正するのは手間がかかるし高コストになる。また削り過ぎて失敗するという恐れもある。レンズの表面には反射防止膜がコートされているので、再加工、再コートは現実的ではない。
【００２３】
特許文献２は像面彎曲とは限らないが、複数枚の回転対称性に欠けるレンズを組み合わせたレンズ系において、２枚目のレンズのマウントに移動機構回転機構を設け、レンズを上下回転移動可能に支持して誤差をなくすという工夫が提案されている。しかしこれは高精度の調整機構を初めから準備しておくことを必要とするのでコスト高になるし、レンズの上下移動回転移動だけで必ずしも誤差をなくすことはできない。既成のレンズの像面彎曲の修正に対しては殆ど役に立たない。 
【００２４】
【特許文献１】特許第３２０１３９４号（特開２００１−５１１９１，特願平１１−２２６４３０）
【００２５】
【特許文献２】特開２００４−３６１８６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
パルスレーザ、ビーム偏向手段を含むレーザ加工装置において用いられる既存のＦθレンズにおいて個々のレンズを再加工することなく像面彎曲を軽減するような工夫を与えるのが本発明の目的である。レーザ加工装置には加熱された被加工物からの飛散物がレンズに付き、レンズを損傷するのを防ぐためのウインドウが付いている。本発明はウインドウを用いてＦθレンズの像面彎曲を補正する。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
レーザ加工装置のＦθレンズ４の前面には、対象物から融けた材料の飛沫が飛んでレンズを汚すのを防ぐため透明保護部材が設けられる。これをウインドウ８と呼ぶ。飛沫が飛散してＦθレンズに付着するのを防ぐだけなので、ウインドウは平行平板平坦な透明部材である。レーザ光に対し透明でなければならないからウインドウは光の波長によって材質が異なる。
【００２８】
本発明は、このウインドウに離散的な凹凸、または非球面あるいは球面の彎曲を付けウインドウの厚みを面上で変化させることによって、Ｆθレンズの像面彎曲を打ち消すようにした。つまり局所的な像面彎曲量を打ち消すようにウインドウの厚みを局所的に変化させる。Ｆθレンズを通ったビームは収束光であってウインドウの特定の位置に入射するので、ウインドウの厚みを光軸に垂直な面内で変化させることで集光点を前後に変化させることができる。本発明はそれを利用しウインドウ厚みを変化させて像面彎曲を打ち消すようにする。
【００２９】
このウインドウに付すべき凹凸彎曲はレンズ像面彎曲の彎曲の態様によって異なる。既存のＦθレンズの像面彎曲を２次元的に測定し、それを打ち消すようにウインドウの凹凸の形状を決めてウインドウを作製する。像面彎曲が複雑である場合には、ウインドウに離散的な凹凸を形成して複雑な像面彎曲を打ち消す。より単純で円筒対称である場合は、非球面のウインドウを作ることによって像面彎曲を正確に打ち消す。更に単純な像面彎曲の場合は、球面のウインドウを形成して像面彎曲を打ち消すようにする。
【００３０】
図７によって本発明のレーザ加工装置の概略を述べる。パルスビームを出すレーザ装置（図示しない）が光源である。これは平行なビームに整形される。パルスレーザビーム２がビーム偏向手段３(図７ではガルバノミラーを示す)によって左右に走査される。一次元走査（ｘ方向走査）のこともあるが、直交軸をもつ二つのビーム偏向手段３、３があって左右方向と前後方向にビームを振る二次元走査（ｘｙ方向走査）の場合もある。前者を一次元ビーム偏向手段、後者を二次元ビーム偏向手段と呼ぶ。走査されたビーム３１、３２、３３は平行ビームである。それをＦθレンズ４で被加工面５に集光する。ここでは左、中央、右の３つの方向に反射されたビーム３１、３２、３３を書いている。またレ−ザ装置とビーム偏向手段３の間にマスクを置いてＦθレンズでマスクの像を被加工面上に転写する場合もある。マスク形状や大きさを変えて、加工の形状、サイズを制御する。以降で具体的な例は示さないが、本発明はこのような実施の形態も本質的に含んでいる。
【００３１】
実際にはもっと多くの方向にパルスビームが発射されることになる。パルスビームがＦθレンズ４で屈折し、収束ビーム４１、４２、４３となる。これが透明で像面彎曲を補償するような曲面をもったウインドウ７を通り被加工物の表面５に照射される。被加工物の表面である被加工面５は光軸に垂直な平面である。Ｆθレンズ４から出たビームは像面彎曲を持っていたが、ウインドウ７で光路長の調整がなされる。そのためにＦθレンズ４から集光点Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３までの距離は全て等しい。左のビーム５１も中央のビーム５２も右のビーム５３も丁度被加工面５の上の点Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３に収束する。つまり像面彎曲がないということである。
【００３２】
実際にはこれら複数のビームが同時的に存在するのではない。ビーム偏向手段３が揺動、回転、振動することによってこれらのビーム５１、５２、５３が経時的に発生する。経時的なビーム走査によって被加工面５に、同一直径の穴を穿孔することができるようになる。ウインドウ７の曲面はＦθレンズ４の像面彎曲を丁度打ち消すように決める。ＸＹ座標におけるビーム位置毎にウインドウ７の厚みを決めるようにしてもよい。像面彎曲が円筒対称であれば、それを打ち消すウインドウ７の厚みは半径ｒの非球面多項式で表現できる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、ビーム偏向手段で左右前後に振られたレーザビームをＦθレンズとウインドウによって平坦面において集光するようにできる。つまりＦθレンズとウインドウを含めた光学系において実効的な像面が平坦になる。像面と平坦な被加工面が一致する。ウインドウによって像面彎曲が打ち消される。像面彎曲がなくなるので、被加工物面において所定の直径、形状の微小穴を穿つことができる。  
【００３４】
本発明は加工されたウインドウによって像面彎曲を打ち消すようにする。部材の数は増えない。レンズを再加工しないので複雑で時間の掛かる作業を低減できる。又レンズ再加工の失敗ということもない。 
【００３５】
但し像面６のレンズからの距離が変わるために被加工面５も変わる場合がある。また、ビーム偏向手段３の走査角範囲が同一でも被加工面での走査の範囲が少し変わる場合もある。その場合は、被加工面５での走査範囲を所望のものにするため、ビーム偏向手段３の振幅を少し修正する必要がある。 
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
高精度なレーザ加工装置においては、ガルバノミラーでレーザビームを反射揺動してＦθレンズに入射させるとき、ガルバノミラーの反射点をＦθレンズの前側焦点の近傍に置く。この場合には、Ｆθレンズを出たビームは光軸にほぼ平行に進行する収束光になる。このようなＦθレンズを特にテレセントリックＦθレンズと呼ぶ。つまりウインドウに対してビームの傾きがない。そのような好都合な性質を利用して、レンズの像面彎曲に対しウインドウの形状を相補的にすることによって像面彎曲を有効に除去することが可能である。もちろん、非テレセントリックのＦθレンズにおいても同様に本願発明の効果を得ることができる。
【００３７】
図２は透明平行平板７８によって収束ビームが経路をどのように曲げられるのかを示す図である。
【００３８】
透明平行平板７８がなければ、収束ビームはＣＤＥＧ、Ｃ’Ｄ’Ｅ’Ｇというように進む。ここで、ビームの軸線ＭＮＰＧＨは光軸に平行としている。図示はしないが、収束ビームはＣ〜Ｃ’内を埋め尽くしており全体としてＧに収束する円錐を成すことは容易に類推される。
【００３９】
透明平行平板７８があれば、透明平行平板７８によって全てのビームの経路が変わる。最外殻ビームはＣＤＦＨ、Ｃ’Ｄ’Ｆ’Ｈというように進む。点Ｄから平板の対辺Ｆ’ＰＦに下した垂線の足をＢとする。平行平板がなければＧ点に収束する光線群なので、最外殻の光線ＣＤ、Ｃ’Ｄ’だけを考えて収束点の変化を知ることができる。最外殻ビームＣＤ、Ｃ’Ｄ’の平行平板の面の法線となす角度をΘとする。これが入射角である。
【００４０】
透明平行平板７８はウインドウ８に対応する。これの屈折率をｎとする。ビームＣＤはＤ点で屈折し屈折角がφだとする。 
【００４１】
ｓｉｎΘ＝ｎｓｉｎφ      （１）
【００４２】
という関係がある。透明平行平板７８の中を進んだビームはＦ点で反対向きの屈折をして空間へ出る。空間でのビームの軸線となす角度はΘである。Ｆ点を出たビームは軸線とＨ点で交差する。反対側のＣ’Ｄ’Ｆ’の経路の光もＨ点で交差する。そのほかのＣ〜Ｃ’の間の光線もＨ点で収束する。つまり空気だけならＧ点で収束した光線群が、透明平行平板７８があるのでＨ点で収束する。三角形ＰＧＥとＰＨＦにおいて、軸と光線の交差点Ｇ、Ｈに関し、
【００４３】
ＰＧ＝ＰＥｃｏｔΘ    （２）
【００４４】
ＰＨ＝ＰＦｃｏｔΘ    （３）
【００４５】
が成り立つ。透明平行平板７８の厚みをｄとする。 
【００４６】
ＦＢ＝ｄｔａｎφ    （４）
ＥＢ＝ｄｔａｎΘ    （５）
【００４７】
となるので、ＥＦ＝ＥＢ−ＦＢであるので、 
【００４８】
ＥＦ＝ｄｔａｎΘ−ｄｔａｎφ    （６）
【００４９】
（３）−（２）は、
【００５０】
ＰＨ−ＰＧ＝（ＰＦ−ＰＥ）ｃｏｔΘ＝ＥＦｃｏｔΘ 
＝ｄｃｏｔΘ（ｔａｎΘ−ｔａｎφ）    （７）
【００５１】
である。これが交差点の延長距離ｗである。 
【００５２】
ｗ＝ＰＨ−ＰＧ＝ｄｃｏｔΘ（ｔａｎΘ−ｔａｎφ） 
＝ｄ（１−ｃｏｔΘｔａｎφ）  （８）
【００５３】
である。これは厳密な式であるが扱いにくい。Θ、φが１に比べて十分に小さいので一次近似すると、                         
【００５４】
ｃｏｔΘｔａｎφ＝φ／Θ＝１／ｎ  （９）
【００５５】
である。これは近似式である。近似的に、交差点の延長距離ｗは 
【００５６】
ｗ＝ｄ（１−ｎ−１）  （１０） 
【００５７】
ということである。（９）、（１０）の一次近似の範囲では、この集光点の伸びはΘによらない。ということは、Ｃ〜Ｃ’の範囲のビームのすべてについて（１０）の交差点の伸びが起こるということである。例えばｎ＝１．５だとすると、ｗ＝０．３３ｄとなり、透明平行平板を入れることによって透明平行平板７８の厚みｄの０．３３倍だけ集光点が伸びるということである。
【００５８】
（１）像面彎曲が一様でない場合（図３、４） 
Ｆθレンズが極めて複雑で不規則な像面彎曲を持っていたとする。その場合でも正確に像面彎曲を補正することができる。それは光源がパルスレーザで、ガルバノミラーの揺動運動とレーザのパルスのタイミングが合致しているというレーザ加工装置の特性を巧く利用することによって可能となる。
【００５９】
パルスレーザでありパルス発生時刻とガルバノミラーが同期しているから、ビームのＦθレンズへ入射する点が決まっている。図３のように、ある面でｍ本のビームが出る点が、ビームＪ１、Ｊ２、Ｊ３…、Ｊｋ、…Ｊｍというように決まっている。これらの点の位置はガルバノミラーの揺動角とレーザのパルス発生のタイミングが同期している限り不変である。だからそれらの個々のビームの集光点Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、…、Ｇｋ、…Ｇｍの位置もはっきりと決まる。集光点Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、…、Ｇｋ、…Ｇｍが光軸に垂直な同一平面上にあれば、像面彎曲がないということである。
【００６０】
像面彎曲が不規則な場合を図３は示す。集光点Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、…、Ｇｋ、…Ｇｍが上下にずれている。Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、…、Ｇｋ、…Ｇｍはこれらの点からレンズまでの距離を表現している。Ｇ１＝Ｇ２＝Ｇ３＝…＝Ｇｍが像面彎曲がないということである。そうではなくてここでは図３のようにランダムな像面彎曲があると仮定する。１〜ｍの全ての点において集光点を延ばして同一の距離に合わせる。集光点Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、…、Ｇｋ、…Ｇｍをｗ１、ｗ２、ｗ３、…、ｗｋ、…ｗｍだけ延ばし、
【００６１】
Ｇ１＋ｗ１＝Ｇ２＋ｗ２＝Ｇ３＋ｗ３＝Ｇ４＋ｗ４＝…＝Ｇｋ＋ｗｋ＝…＝Ｇｍ＋ｗｍ＝ｓ    （１１） 
【００６２】
であるようにする。そのために本発明は凹凸表面をもつウインドウ７０をＦθレンズ４の直下に入れることにする。透明平板のウインドウ８は飛沫がレンズにかかるのを防止するために現在も存在するが、本発明は飛沫防止のウインドウ７０に凹凸をつけて実効的に像面彎曲を０にするのである。図４のように凹凸あるウインドウ７０をＦθレンズ４のすぐ下へ挿入し、全てのビームＪ１、Ｊ２、Ｊ３、…Ｊｍが直線ＳＴ上に集光するようにする。直線ＳＴとＦθレンズ４の距離がｓである。そのようにするには、ウインドウ７０の、Ｊ１、Ｊ２…Ｊｍの対応点の厚みＤ１、Ｄ２…Ｄｍを（１０）式に従って、つぎのように決める。
【００６３】
Ｄ１（１−ｎ−１）＝ｗ１＝ｓ−Ｇ１ 
Ｄ２（１−ｎ−１）＝ｗ２＝ｓ−Ｇ２
…… 
Ｄｋ（１−ｎ−１）＝ｗｋ＝ｓ−Ｇｋ 
…… 
Ｄｍ（１−ｎ−１）＝ｗｍ＝ｓ−Ｇｍ    （１２） 
【００６４】
つまり 
【００６５】
Ｄ１＝ｎｓ／（ｎ−１）−ｎＧ１／（ｎ−１） 
Ｄ２＝ｎｓ／（ｎ−１）−ｎＧ２／（ｎ−１） 
……… 
Ｄｋ＝ｎｓ／（ｎ−１）−ｎＧｋ／（ｎ−１） 
……… 
Ｄｍ＝ｎｓ／（ｎ−１）−ｎＧｍ／（ｎ−１）  （１３） 
【００６６】
というように厚み変化Ｄ１，Ｄ２，…、Ｄｋ、…、Ｄｍを定める。 
このようにすれば、常にＧｋ＋ｗｋ＝ｓ（ｋ＝１〜ｍ）となって集光点が直線ＳＴ上に並ぶ。ビームＪ１、Ｊ２、…、Ｊｍの集光点距離Ｇ１、Ｇ２、…、Ｇｍは実測して分かる。ｓを決めればウインドウ７０の局所厚みＤ１、Ｄ２、Ｄ３、…、Ｄｍを決めることができる。上の式は、ｓとＤｋの定数部分に任意性がある。だからウインドウの平均の厚みを適当に決める自由度がある。Ｇｋがより長いと厚みＤｋはより薄く、Ｇｋが短いと厚みＤｋはより厚くする。
【００６７】
上の式によってウインドウの局所的厚みを決める。つまりビームＪ１の通る部分の厚みは上の式で決まるＤ１にし、ビームＪ２の通る部分の厚みはＤ２にし、一般にビームＪｋの通る部分の厚みはＤｋにする。そのようにすると、どのビームについてもＧｋ＋ｗｋ＝ｓとなる。Ｆθレンズによって決まる集光点距離Ｇｋと、ウインドウの厚みによる延長ｗｋの和（Ｇｋ＋ｗｋ）がウインドウを通過した後の集光点までの距離となる。これがすべて等しくｓとなる。
【００６８】
Ｇ１＋ｗ１＝Ｇ２＋ｗ２＝…＝Ｇｋ＋ｗｋ＝…＝ｓ 
【００６９】
それによってウインドウを透過した後の全てのビームが、一つの平面上に収束することになる。つまり像面彎曲が０になったということである。図４はそのような有り様を示す。ウインドウを通過することによって光路長が伸びるのであるが、Ｇｋの小さいものは長く延ばし、Ｇｋの大きいものは短く延ばすので合計が等しくなる。つまり像面彎曲をウインドウの局所的厚み変動によって打ち消しているのである。 
【００７０】
これはガルバノミラー走査が一次元の場合を示すが、ガルバノミラーの走査は一次元に限らず２次元走査であってもよい。その場合は、ビーム位置や集光点が二次元のサフィックスをもち、局所位置も二次元的になる。しかしその場合でも（１２）式のようにウインドウの局所厚みを集光点によって変えればよい。 
ビームは二次元となり、 
【００７１】
Ｊ１１、Ｊ１２、Ｊ１３…、Ｊ１ｋ、…Ｊ１ｍ           
Ｊ２１、Ｊ２２、Ｊ２３…、Ｊ２ｋ、…Ｊ２ｍ      
…  …  …  …   
Ｊｈ１、Ｊｈ２、Ｊｈ３…、Ｊｈｋ、…Ｊｈｍ
…  …  …  …  
Ｊｐ１、Ｊｐ２、Ｊｐ３…、Ｊｐｋ、…Ｊｐｍ    （１４） 
【００７２】
というｐｍ行列で表現できる。集光点の位置は、       
【００７３】
Ｇ１１、Ｇ１２、Ｇ１３…、Ｇ１ｋ、…Ｇ１ｍ           
Ｇ２１、Ｇ２２、Ｇ２３…、Ｇ２ｋ、…Ｇ２ｍ    
…  …  …  …  
Ｇｈ１、Ｇｈ２、Ｇｈ３…、Ｇｈｋ、…Ｇｈｍ
…  …  …  …  
Ｇｐ１、Ｇｐ２、Ｇｐ３…、Ｇｐｋ、…Ｇｐｍ    （１５） 
【００７４】
となる。それに伴ってウインドウの位置もｐｍ座標を持つ事になり、ｐｍ位置でのウインドウの局所厚みも次のように表現できる。 
【００７５】
Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３…、Ｄ１ｋ、…Ｄ１ｍ           
Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ２３…、Ｄ２ｋ、…Ｄ２ｍ
…  …  …  …          
Ｄｈ１、Ｄｈ２、Ｄｈ３…、Ｄｈｋ、…Ｄｈｍ
…  …  …  …  
Ｄｐ１、Ｄｐ２、Ｄｐ３…、Ｄｐｋ、…Ｄｐｍ    （１６） 
【００７６】
これらの行列成分｛ｈｋ｝について、 
【００７７】
Ｄｈｋ（１−ｎ−１）＝ｗｈｋ＝ｓ−Ｇｈｋ    （１７） 
【００７８】
あるいは厚みＤｈｋの式に直して、 
【００７９】
Ｄｈｋ＝ｎｓ／（ｎ−１）−ｎＧｈｋ／（ｎ−１）  （１７）’ 
【００８０】
が成り立つようにする。これは成分｛ｈｋ｝の厚み｛Ｄｈｋ｝を決める式である。ウインドウの厚みを計算された値に造形する。そのウインドウをＦθレンズのすぐ下へ装入する。これによってウインドウの凹凸（厚み）を加減し複雑な像面彎曲を打ち消すことができる。そのようなことが可能なのは、ガルバノミラーで走査されＦθレンズから出たビームがレンズ軸に平行であり重なりがなく独立だからである。
【００８１】
以上に述べたものはパルス間隔とガルバノミラーの揺動周期が固定され同期している場合に可能である。これはどのような像面彎曲でも打ち消すことができるが反面ウインドウの加工が難しい。 
【００８２】
（２）像面彎曲がほぼ回転対称の場合（図５、６） 
像面彎曲がほぼ回転対称となっている場合を考える。この場合もパルスレーザとガルバノミラーの周期が決まっており同期していれば先ほどの手法を使うことができる。ここでは回転対称性のある像面彎曲に対して、ビーム発生周期やガルバノミラーとパルス発生のタイミングが同期していなくても像面彎曲を補正できるより簡便で一般的な手法を述べる。 
【００８３】
図５に示すように、パルスレーザとガルバノミラーによって作られたパルスビームＪ１、Ｊ２、…、Ｊｋ、…ＪｍのＦθレンズ４による集光点Ｇ１、Ｇ２、…、Ｇｋ、…、Ｇｍが全く不規則だというのではなくて回転対称性があるとする。行列のサフィックスの代わりに、ビームＪを光軸中心からの半径座標ｒと角度座標θを用いて（ｒ，θ）で表現し、集光点をＧ（ｒ，θ）によって表現する。像面彎曲に回転対称性があるというのは、Ｇ（ｒ，θ）がθによらないということである。つまりＧ（ｒ）と書ける。ということは、これを半径座標ｒのべき級数で表現できるという事である。
【００８４】
収束性は個々の事例によって検討しなければならないが、ある程度の高次の項まで取れば十分に像面彎曲の詳細を表現できる。 
【００８５】
Ｇ（ｒ）＝ΣｉＢｉｒ２ｉ＋Ｇ０      （１８）
【００８６】
ＧＯは中心（ｒ＝０）での集光点距離である。Ｂｉはｒの２ｉ乗の係数である。Σｉはｉについて和を取るということである。以下このｉは省略する。奇数次（３、５…）のべきを含んでも良いのであるが展開は一義的でなく偶数次だけでも高次まで含めば回転対称性ある関数を精度良く表現することができる。そこで偶数次で像面彎曲を展開する。像面彎曲というのはΣＢｉｒ２ｉである。ただしｒ２，ｒ４…は直交関数系でないから展開は一義的でない。だから同じ像面彎曲であっても異なる展開係数｛Ｂｉ｝によって展開できる可能性がある
【００８７】
図５のような凹型の像面彎曲であることもある。反対に凸型であることもある。凹または凸というのはＦθレンズ側から見た像面彎曲の形状である。Ｇ座標はＦθレンズ４から下向きに測っているので、凸型というのは、ΣＢｉｒ２ｉが正、凹型というのはΣＢｉｒ２ｉが負である。
【００８８】
像面彎曲を補正すべきウインドウ７２の厚みＤについても行列表示でなくてｒとθの関数として書くことができる。像面彎曲がθ依存性がなく回転対称なのでそれを修正すべきウインドウの厚みＤも半径ｒだけを含む。（１２）式と同様に、
【００８９】
Ｄ（ｒ）（１−ｎ−１）＝ｗ（ｒ）＝ｓ−Ｇ（ｒ）    （１９） 
【００９０】
というようにウインドウの厚みの半径方向の分布を決める。ｗ（ｒ）は集光点の延長分である。ｓはウインドウを入れて平面上に集光点が並ぶようにした場合のＦθレンズとその平面の距離である。（１８）と（１９）から集光点位置をＦθレンズからｓの平面に揃えるには、ウインドウの厚みを、 
【００９１】
Ｄ（ｒ）＝ｎ（ｓ−Ｇ０）／（ｎ−１）−ｎΣＢｉｒ２ｉ／（ｎ−１）  （２０） 
とすれば良いということが分かる。Ｄ（ｒ）は厚みであるが、下面を平坦面、上面を曲面とすると、厚みＤ（ｒ）は上面の高さだということもできる。反対に下面を曲面、上面を平坦面とすると、−Ｄ（ｒ）が下面の高さとなる。 
【００９２】
ウインドウの厚みを非球面関数｛αｉ｝で表現し、 
【００９３】
Ｄ（ｒ）＝Ｄ０  ＋  Σαｉｒ２ｉ    （２１） 
【００９４】
のように書いたとする。これが像面彎曲ΣＢｉｒ２ｉを打ち消すものであれば、 
【００９５】
Ｄ０＝ｎ（ｓ−Ｇ０）／（ｎ−１）  （２２） 
αｉ＝−ｎＢｉ／（ｎ−１）          （２３）
【００９６】
であればよい。（２２）からウインドウの厚みと、焦点までの距離ｓに関して一つの自由度があるということが分かる。だからウインドウの基準厚みを自由に決めることができる。（２３）が像面彎曲の係数Ｂｉとこれを打ち消すためのウインドウの非球面係数αｉとを一義的に関係付けるものである。これはウインドウ屈折率ｎだけを含み、ｓやＤ０を含まない。マイナス符号が付くのは、集光点が遠いとウインドウの厚みを減らすべきだという（１２）の関係から来ている。これによって回転対称性がある像面彎曲の場合、｛Ｂｉ｝を測定すれば、それを補償するウインドウの非球面係数｛αｉ｝を正確に決めることができるということである。図７はそのような非球面係数を持つウインドウ７２をＦθレンズ４の直後に挿入し、像面彎曲をなくしたものを示す図である。Ｇが短いものは延長分ｗを長くして、Ｇ＋ｗを一定値ｓとし、集光点が平面ＳＴの上にくるようにしている。像面彎曲が補償されたということである。
【００９７】
この場合ウインドウ７２は連続曲面であり傾斜面を含むので、これ自体が屈折力を持つようになる。図５、６のウインドウ７２は凹型で負の屈折力をもつ。凹型ウインドウの場合、これによってビーム走査範囲が少し拡大される。被処理物面での走査範囲、走査長さは一定でなければならない。ウインドウによるビーム走査範囲の増減を補償する必要がある。そのためにガルバノミラーの走査幅をそれだけ加減すれば良い。 
【００９８】
ウインドウ７２の追加的な屈折力の増加分はΔ（１／ｆ）と書けるが、これは、 
【００９９】
Δ（１／ｆ）＝−２（ｎ−１）α１    （２４）
【０１００】
によって評価することができる。α１はウインドウ厚みＤ（ｒ）の２次の非球面係数である。 
【０１０１】
（３）像面彎曲がほぼ回転対称で低次の関数で表現できる場合（図６、７） 
像面彎曲がほぼ回転対称である場合の一般式を上に導いた。どのような回転対称の像面彎曲であっても、上のようにそれを打ち消すウインドウの形状を決定することができる。ここでは最も簡単に像面彎曲が２次曲線で表現できる場合をモデルにする。そうして、像面彎曲を打ち消すウインドウがどのようなものであるのか直観的な理解を深める。（１８）において、Ｂ１だけ０でなく、その他のＢｉ（ｉ≠１）が全て０という場合である。 
【０１０２】
Ｇ（ｒ）＝Ｂ１ｒ２＋Ｇ０    （２５） 
【０１０３】
Ｂ１が正なら凸の像面彎曲、負なら凹の像面彎曲を示す。これを打ち消すのにウインドウの曲面Ｄ（ｒ）を２次関数として考える。 
【０１０４】
Ｄ（ｒ）＝Ｄ０  ＋  α１ｒ２    （２６） 
【０１０５】
と書く事ができる。（２３）においてｉ＝１だけが存在するので、 
【０１０６】
α１＝−ｎＢ１／（ｎ−１）          （２７）
【０１０７】
というようにウインドウ７２の形状が決まる。ウインドウ７２による追加的な屈折力増加は、   
【０１０８】
Δ（１／ｆ）＝−２（ｎ−１）α１
＝＋２ｎＢ１      （２８） 
となる。
前記の理論ではウインドウの厚み分布による像面彎曲の補正について、３つの実施形態を論じたが、後の２つのようにウインドウの面形状が連続的な曲面の場合には、厚みだけでなく、曲率による像面彎曲の効果もあるので、それを考慮して面形状を決定する。また、実際の像面彎曲は必ずしも回転対称とは限らず、２つのビーム偏向手段でＸ、Ｙのそれぞれの走査軸を分担する場合、ｘ方向とｙ方向で特性が異なり非対称性を有する。従って、実際のウインドウの曲面形状は、光線追跡を用いた最適化計算により決定される。ただし、何れの方法でウインドウの形状を決めるにしても、ウインドウの形状の制御により像面彎曲を補正するという本願発明の思想に変わりはない。また、ウインドウを透過したビームの波面が歪まないように形状を選択、最適化することも当然求められる。
【実施例１】
【０１０９】
［実施例（パルス炭酸ガスレ−ザ；λ＝１０．６μｍ；図８、９、１０、１１）］ 
レーザ：炭酸ガスレ−ザ  波長λ＝１０．６μｍ 
ガルバノミラー：２枚、ｘ方向、ｙ方向走査 
走査範囲    ５０ｍｍ×５０ｍｍ 
Ｆθレンズ：３枚組レンズ  
焦点距離ｆ＝１００ｍｍ 
材質：  ２枚はＺｎＳｅ、屈折率ｎ＝２．４０３ 
１枚はＧｅ、    屈折率ｎ＝４．００３ 
平板ウインドウ：ＺｎＳｅ 
合成焦点距離：１００．０ｍｍ 
【０１１０】
このＦθレンズは図８のような像面彎曲を持っている。図８において下の平面は被加工面の二次元的な広がりを示す。被加工面にＸＹ座標を定義している。横軸（ｘ軸）は−２５ｍｍ〜＋２５ｍｍの走査長さを持ち、縦軸（ｙ軸）は−２５ｍｍ〜＋２５ｍｍの走査長さを持つ。だからｘ方向、ｙ方向ともに５０ｍｍ×５０ｍｍの走査領域を持っている。平面の上の折れ面の集合は、このＦθレンズによる集光点のｘｙ分布を示す。高さ方向の座標がＺ座標であり集光点の高さの差をｚ軸に示す。走査領域中央、つまりｘ＝ｙ＝０のときの焦点を基準（ｚ＝０）としている。下向きがプラス、上向きがマイナスである。集光点がレンズにより近い場合マイナス、遠い場合プラスにしている。
【０１１１】
レーザビームを照射する全ての点での集光点を示しているのではなく、代表点を取って計測している。ｘ、ｙ＝−２５、−１２．５、０、＋１２．５、＋２５ｍｍの２５点での集光点位置のｚ値を求めその値を線分で結んでいる。複雑な折れ面となっている。これが像面彎曲Ｚ（ｘ，ｙ）である。−０．１，−０．０５、０、＋０．０５、＋０．１ｍｍの高さを等高線で表現している。図８で集光点位置がもっとも高い部分は４隅であって−０．１０９ｍｍ＝−１０９μｍもある。４辺もそれに続いて高い。４隅、４辺から離れると集光点の位置は下がってくる。中央部ではプラス側に０．００９ｍｍになる。しかし中央部での集光点深さの差異は小さい。集光点の変化が大きいのは周辺部である。像面彎曲の程度を、集光点のｚ方向のズレの最大と最小の差として定義する。ここでは焦光点の範囲が−０．１０９ｍｍ〜０．００９ｍｍなので、この像面彎曲は１１８μｍだと評価する。
【０１１２】
［球面ウインドウによる補正］ 
像面彎曲を減らすために、ウインドウを平面ではなく僅かに曲面とした。前面（第１面）を凹面（球面）に、後面（第２面）を平面とする。ウインドウはＺｎＳｅで炭酸ガスレ−ザに対する屈折率はｎ＝２．４０３である。 
ウインドウ：ＺｎＳｅ：前面  凹面    曲率半径２０ｍ 
後面  平面   
合成焦点距離：１００．５ｍｍ 
【０１１３】
曲率半径が２０ｍである面をウインドウに与えて像面彎曲を減らす工夫をした。図９は球面凹面を持つウインドウによって像面彎曲を補正した結果を示す。周辺部で集光点の延伸が起こっており、図８の場合より像面彎曲が減少している。Ｚ方向の焦光点のズレは、中央部はプラス側、４隅でマイナス側となる。像面彎曲は９５μｍである。先ほどの図８の場合に比較してウインドウを凹面とすることによって特にｘ方向の像面彎曲が減っていることが分かる。ｙ方向の補正は十分ではない。像面彎曲は減るが、凹レンズを追加したようなことになるから合成焦点距離が少し長くなる。焦点の位置は、全体にやや長くなるので、Ｆθレンズと被加工物間の距離を調整する。また、ビーム偏向手段の揺動角の振幅は少し減らす必要がある。そのような微調整が必要である。 
【０１１４】
［非球面ウインドウによる補正］ 
球面のウインドウでは上に示すように像面彎曲を有効に補正するのが難しい。それは図９を見て分かるように、中央部では小さく４隅や４辺に近づくと像面彎曲が急に増えるという性質があり２次関数的でない、ということが原因している。端に近い部分で像面彎曲が増えるのであるから、むしろ４次関数とか６次関数に近い変化をするのである。だから中央部でも端でも同じ曲率である球面のウインドウでは像面彎曲を十分に打ち消すことが難しいのであろうと思われる。また、ビーム偏向手段系はｘ方向、ｙ方向で配置が異なるため、球面では、両者の制御が難しかったとも理解できる。 
【０１１５】
像面彎曲を減らすために、ここではウインドウを平面ではなく僅かに非球面とした。前面（第１面）を凹面（非球面）に、後面（第２面）を平面とする。ウインドウはＺｎＳｅで炭酸ガスレ−ザに対する屈折率はｎ＝２．４０３である。 
【０１１６】
ウインドウ：ＺｎＳｅ：  前面    凹面    非球面（サグ量：３．８μｍ） 
後面    平面   
合成焦点距離：９９．９ｍｍ 
【０１１７】
非球面の凹面をウインドウ前面に与えて像面彎曲を減らす工夫をした。非球面係数は次のように定義する。Ｚ（ｒ）はｚ方向の面の高さである。半径ｒの偶数次のべきによって表現する。レンズの非球面係数の表現はこれ以外にもあるが、ウインドウなのでここではｒの単純な累べきで定義する。 
【０１１８】
Ｚ（ｒ）＝Σ  αｉｒ２ｉ
【０１１９】
Ｚ（ｒ）は下向きを正になるようにしている。ｒの奇数次の係数は０である。ｒの２ｉ乗の係数がαｉである。ウインドウ前面の非球面係数を、 
【０１２０】
α１＝＋４．２２０×１０−６ｍｍ−１
α２＝−１．２９１×１０−８ｍｍ−３
α３＝＋２．７０４×１０−１１ｍｍ−５
α４＝＋３．３０４×１０−１５ｍｍ−７
α５＝−９．４７８×１０−１７ｍｍ−９
α６＝＋１．５７４×１０−１９ｍｍ−１１
α７＝−１．２５５×１０−２２ｍｍ−１３
α８＝＋５．４７９×１０−２６ｍｍ−１５
α９＝−１．２５９×１０−２９ｍｍ−１７
α１０＝＋１．１９４×１０−３３ｍｍ−１９
【０１２１】
とする。これは非球面であるから端近くでウインドウの彎曲を強く変化させることができる。図１０のように集光点の端における著しい後退を防ぐことができるようになる。像面彎曲は５７μｍに減少する。ｘ方向、ｙ方向のバランスも改善されている。ウインドウはｒ＝０の近くで極僅かに凸レンズのパワーを持つので合成焦点距離は少し減って９９．９ｍｍとなる。
【０１２２】
すでに述べたように、非球面関数で像面彎曲を展開した場合、ｒのべき乗関数がレンズ面内で直交関数系でないから、同じ像面彎曲でも異なった非球面関数で展開できる。それを打ち消すウインドウの表面を非球面関数展開した時も異なった展開係数を持つことがある。しかしそれは展開係数に冗長性があるだけのことで理想的な非球面の幾何学的形状は一義的に決まると考えてよい。また、理想的な面形状からの多少の差違は許容されるため、非球面係数の選択に多様性があるように見えるだけである。
【０１２３】
［自由曲面ウインドウによる補正］
回転対称な非球面ではなく、対称性のない自由曲面をウインドウ形状として採用することも可能である。次の自由曲面式、
【０１２４】
Ｚ（ｘ，ｙ）＝ΣΣαｉ，ｊｘ２ｉｙ２ｊ
【０１２５】
によってウインドウの曲面を表現する。
【０１２６】
α１，０＝＋３．１６１×１０−７ｍｍ−１
α０，１＝＋２．０４２×１０−７ｍｍ−１
α２，０＝＋８．７３６×１０−９ｍｍ−３
α１，１＝＋７．３２２×１０−９ｍｍ−３
α０，２＝＋１．５４９×１０−８ｍｍ−３
α３，０＝−２．０３０×１０−１１ｍｍ−５
α２，１＝−２．６５９×１０−１１ｍｍ−５
α１，２＝−２．１４９×１０−１１ｍｍ−５
α０，３＝−６．９４０×１０−１１ｍｍ−５
α４，０＝＋２．０４４×１０−１４ｍｍ−７
α３，１＝＋３．５４８×１０−１４ｍｍ−７
α２，２＝＋３．５２９×１０−１４ｍｍ−７
α１，３＝＋２．９８４×１０−１４ｍｍ−７
α０，４＝＋１．３６０×１０−１３ｍｍ−７
α５，０＝−９．８７８×１０−１８ｍｍ−９
α４，１＝−１．７９６×１０−１７ｍｍ−９
α３，２＝−３．５９４×１０−１７ｍｍ−９
α２，３＝−８．８８４×１０−１８ｍｍ−９
α１，４＝−２．４４７×１０−１７ｍｍ−９
α０，５＝−１．２６４×１０−１６ｍｍ−９
α６，０＝＋１．８８０×１０−２１ｍｍ−１１
α５，１＝＋２．３５５×１０−２１ｍｍ−１１
α４，２＝＋１．１９４×１０−２０ｍｍ−１１
α３，３＝＋６．５１６×１０−２１ｍｍ−１１
α２，４＝−３．３３４×１０−２１ｍｍ−１１
α１，５＝＋９．１２９×１０−２１ｍｍ−１１
α０，６＝＋４．５２４×１０−２０ｍｍ−１１
α７，０＝＋２．５５５×１０−２６ｍｍ−１３
α６，１＝＋３．０６０×１０−２６ｍｍ−１３
α５，２＝−８．３１０×１０−２６ｍｍ−１３
α４，３＝＋１．５０２×１０−２６ｍｍ−１３
α３，４＝−４．４７５×１０−２５ｍｍ−１３
α２，５＝＋３．５９３×１０−２５ｍｍ−１３
α１，６＝＋７．６４２×１０−２６ｍｍ−１３
α０，７＝＋５．７７６×１０−２５ｍｍ−１３
α８，０＝＋６．９１４×１０−３０ｍｍ−１５
α７，１＝＋１．００７×１０−２８ｍｍ−１５
α６，２＝−６．３１２×１０−２９ｍｍ−１５
α５，３＝−５．２６７×１０−２９ｍｍ−１５
α４，４＝−４．２６７×１０−２９ｍｍ−１５
α３，５＝−１．４０４×１０−２８ｍｍ−１５
α２，６＝＋８．１３４×１０−２８ｍｍ−１５
α１，７＝−３．７８２×１０−２８ｍｍ−１５
α０，８＝＋７．６２１×１０−２８ｍｍ−１５
α９，０＝−１．２５７×１０−３２ｍｍ−１７
α８，１＝＋１．５０８×１０−３２ｍｍ−１７
α７，２＝＋２．４７１×１０−３２ｍｍ−１７
α６，３＝−１．１６６×１０−３１ｍｍ−１７
α５，４＝−１．８５１×１０−３１ｍｍ−１７
α４，５＝＋４．２２５×１０−３２ｍｍ−１７
α３，６＝＋２．７６５×１０−３１ｍｍ−１７
α２，７＝＋１．８７４×１０−３１ｍｍ−１７
α１，８＝−３．５９０×１０−３１ｍｍ−１７
α０，９＝−１．１２８×１０−３０ｍｍ−１７
α１０，０＝−１．４２１×１０−３６ｍｍ−１９
α９，１＝−９．１２３×１０−３６ｍｍ−１９
α８，２＝＋４．５８６×１０−３５ｍｍ−１９
α７，３＝−３．０４２×１０−３４ｍｍ−１９
α６，４＝＋１．３１９×１０−３４ｍｍ−１９
α５，５＝＋１．９７７×１０−３４ｍｍ−１９
α４，６＝＋５．１２１×１０−３６ｍｍ−１９
α３，７＝−５．５５３×１０−３５ｍｍ−１９
α２，８＝＋１．０１３×１０−３４ｍｍ−１９
α１，９＝−９．６４４×１０−３５ｍｍ−１９
α０，１０＝−６．０４２×１０−３４ｍｍ−１９
【０１２７】
とする。これは自由曲面であるからウインドウの彎曲をｘ、ｙ方向自由に変化させることができる。図１１のように集光点の端における著しい後退を防ぐことができるようになる。像面彎曲は３５μｍに減少する。ｘ方向、ｙ方向のバランスも改善されている。ウインドウはｒ＝０の近くで極僅かに凸レンズのパワーを持つので合成焦点距離は少し減って９９．９５ｍｍとなる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】パルスレーザ、ガルバノミラー、Ｆθレンズとウインドウを有するレーザ加工装置の概略構成図。
【０１２９】
【図２】収束ビームが透明平行平板を透過することによって集光点が伸びることを説明するための図。
【０１３０】
【図３】Ｆθレンズの像面彎曲が一様でない場合において、ウインドウの厚みをビーム位置において局所的に像面彎曲を補償する厚みにすることを説明するＦθレンズ、焦光点、ウインドウの対応図。
【０１３１】
【図４】Ｆθレンズの像面彎曲が一様でない場合において、ウインドウの厚みをビーム位置において局所的に像面彎曲を補償する厚みにし、Ｆθレンズから出たビームが段階表面を持つウインドウを透過することによって集光点が平面ＳＴ上に並ぶようになり、像面彎曲が打ち消されることを説明するＦθレンズ、焦光点、ウインドウの構成図。
【０１３２】
【図５】Ｆθレンズの像面彎曲がレンズ軸回りに回転対称の場合、像面彎曲をレンズ面の中心からの距離ｒのべき関数として表現した場合に、ウインドウの曲面もｒのべき関数として表現し、像面彎曲を打ち消すことができるウインドウの曲面関数をべき級数として求めることができることを説明するためのＦθレンズ、集光点、ウインドウの対応図。
【０１３３】
【図６】Ｆθレンズの像面彎曲がレンズ軸回りに回転対称の場合、像面彎曲をレンズ面の中心からの距離ｒのべき関数として表現した場合に、ウインドウの曲面もｒのべき関数として表現し、像面彎曲を打ち消すことができるウインドウの曲面関数をべき級数として求め、それによって加工したウインドウをＦθレンズの直後に挿入して像面彎曲をなくすことができることを説明するためのＦθレンズ、集光点、ウインドウの対応図。
【０１３４】
【図７】パルスレーザ、ビーム偏向手段、Ｆθレンズとウインドウを有するレーザ加工装置においてＦθレンズの像面彎曲を厚み変化によって打ち消すウインドウを設けた本発明のレーザ加工装置の概略構成図。
【０１３５】
【図８】レーザ加工装置におけるＦθレンズの像面彎曲の一例を示す２次元像面彎曲分布図。ウインドウは平行平板である。底面ＸＹは被加工面で±２５ｍｍの範囲で２次元走査する。ｘ軸、ｙ軸は走査方向である。ｘｙ面において１２．５ｍｍずつ離隔した５×５の計算点での集光点位置を求める。ｚ軸方向がＦθレンズの２５個の点での集光点の位置を示す。集光点位置のｚ軸方向のズレによって像面彎曲を表現するとこれは１１８μｍの像面彎曲を持つ。
【０１３６】
【図９】レーザ加工装置におけるＦθレンズの像面彎曲補正の一例を示す２次元像面彎曲分布図。ウインドウは第１面がＲ＝２０ｍの凹面を持つ。底面ＸＹは被加工面で±２５ｍｍの範囲で二次元走査する。ｘ軸、ｙ軸は走査方向である。ｘｙ面において１２．５ｍｍずつ離隔した５×５の計算点での集光点位置を求める。ｚ軸方向がＦθレンズの２５個の点での集光点の位置を示す。集光点位置のｚ軸方向のズレによって像面彎曲を表現するとこれは９５μｍの像面彎曲を持つ。
【０１３７】
【図１０】レーザ加工装置におけるＦθレンズの像面彎曲補正の他の一例を示す２次元像面彎曲分布図。ウインドウは第１面が非球面である。底面ＸＹは被加工面で±２５ｍｍの範囲で二次元走査する。ｘ軸、ｙ軸は走査方向である。ｘｙ面において１２．５ｍｍずつ離隔した５×５の計算点での集光点位置を求める。ｚ軸方向がＦθレンズの２５個の点での集光点の位置を示す。集光点位置のｚ軸方向のズレによって像面彎曲を表現するとこれは５７μｍの像面彎曲を持つ。
【０１３８】
【図１１】レーザ加工装置におけるＦθレンズの像面彎曲補正の他の一例を示す２次元像面彎曲分布図。ウインドウは第１面がｘ、ｙ方向に変化する自由曲面となっている。底面ＸＹは被加工面で±２５ｍｍの範囲で二次元走査する。ｘ軸、ｙ軸は走査方向である。ｘｙ面において１２．５ｍｍずつ離隔した５×５の計算点での集光点位置を求める。ｚ軸方向がＦθレンズの２５個の点での集光点の位置を示す。集光点位置のｚ軸方向のズレによって像面彎曲を表現するとこれは３５μｍの像面彎曲を持つ。
【符号の説明】
【０１３９】
２  レーザビーム 
３  ビーム偏向手段 (ガルバノミラー)
４  Ｆθレンズ 
５  被加工面 
６  像面 
７  曲面ウインドウ
８  平行平板ウインドウ 
３１  左ビーム、３２  中央ビーム、３３  右ビーム 
４１  左ビーム、４２  中央ビーム、４３  右ビーム 
５１  左ビーム、５２  中央ビーム、５３  右ビーム 
７０  凹凸段付きウインドウ 
７２  曲面ウインドウ 
７８  透明平行平板
Ｊ１〜Ｊｍ  １〜ｍ点でＦθレンズを出た収束パルスビーム 
Ｇ１〜Ｇｍ  Ｊ１〜Ｊｍビームの集光点 
ＳＴ  平坦被加工面（線） 
ｄ  透明平行平板の厚み 
ｗ  ウインドウによる光路延長 
Θ  入射収束ビームの最外ビーム入射角度
φ  入射収束ビームの最外ビーム屈折角度
ｎ  ウインドウの屈折率 
【図１】
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【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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【図１１】
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