(57)【要約】【課題】広い波長範囲の複数波長の加工ビームを用いる場合に、部品等の交換なしに、何れの波長の場合も被加工面に最適なレーザービームを照射して高い加工性能を得る。【解決手段】複数の異なる波長域の光ビームを出口の開口１４を通して同軸に同時又は選択的に射出させる同軸多波長レーザー光源装置１０の射出側に接続され、また出口側に対物レンズ３０が取り付けられるレーザー加工中継光学系であり、開口１４からの光路を異なる２つ以上の波長域の光路に分岐す光路分岐手段４３と、分岐された各光路中に配置された相互に異なる結像レンズ４１、４２と、結像レンズ４１、４２を通った光路を同一光路に合流させる光路合流手段４４とからなり、異なる結像レンズ４１、４２各々による開口１４の像が合流された光路上の同じ位置に結像するように結像レンズ４１、４２各々の焦点距離と位置が選択されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の異なる波長域の光ビームを出口の開口を通して同軸に同時又は選択的に射出させる同軸多波長レーザー光源装置の射出側に接続され、また出口側に対物レンズが取り付けられるレーザー加工中継光学系であって、
前記同軸多波長レーザー光源装置の前記開口からの光路を異なる２つ以上の波長域の光路に分岐す光路分岐手段と、前記光路分岐手段によって相互に異なる波長域の光路に分岐された各光路中に配置された相互に異なる結像レンズと、前記光路分岐手段で分岐され前記異なる結像レンズを通った光路を同一光路に合流させる光路合流手段とからなり、前記異なる結像レンズ各々による前記開口の像が合流された光路上の同じ位置に結像するように前記異なる結像レンズ各々の焦点距離と位置が選択されていることを特徴とするレーザー加工中継光学系。
【請求項２】
前記光路分岐手段によって相互に異なる波長域の光路に分岐された光路中に配置されている前記結像レンズ各々は、対応する光路の波長域の光に対して、透過率が良好で諸収差が補正され、反射防止膜を構成するコーティングがなされてなるものであることを特徴とする請求項１記載のレーザー加工中継光学系。
【請求項３】
前記光路分岐手段によって分岐された光路の中の何れか１つの光路中に、照明光をその光路中に導入し、また、前記照明光によって照明された被加工面から反射された観察光を照明光と反対の光路を経て前記１つの光路から分離する照明光導入・観察光分離手段が配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザー加工中継光学系。
【請求項４】
前記光路分岐手段と前記光路合流手段がダイクロイックミラーからなることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のレーザー加工中継光学系。
【請求項５】
前記照明光導入・観察光分離手段がダイクロイックミラーからなることを特徴とする請求項３又は４記載のレーザー加工中継光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー加工中継光学系に関し、特に、レーザー光源として同軸多波長レーザー光源装置を用いる場合に、何れの波長を加工波長として用いる場合にも被加工面に最適なレーザービームを照射することが可能になるレーザー加工中継光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されているように、レーザー加工装置において被加工面に照射するレーザービームとして、例えばＹＡＧレーザーの基本波（波長）１０６４ｎｍ、２倍波５３２ｎｍ、３倍波３５５ｎｍ、４倍波２６６ｎｍを単独又は交互に使用している。被加工物がＩＴＯの場合、波長１０６４ｎｍの光を使用し、金属の場合、波長５３２ｎｍが、プラスチック等の有機物の場合、波長３５５ｎｍ、２６６ｎｍが使用される。
【０００３】
図２は、特許文献１に示されたレーザー加工装置の光学系の概略を示す図である。光学系全体は、同軸多波長レーザー光源装置１０と、それに接続されたレーザー加工中継光学系２０と、レーザー加工中継光学系２０に取り付けられた対物レンズ３０とからなり、同軸多波長レーザー光源装置１０は、ＹＡＧレーザー１１と、その光路中に配置された波長変換器１２と、その下流の光路中に配置された波長選択器１３と、さらに下流に配置されたスリット開口１４とからなり、ＹＡＧレーザー１１からの基本波（１０６４ｎｍ）が波長変換器１２を通ることで、基本波（１０６４ｎｍ）、２倍波（５３２ｎｍ）、３倍波（３５５ｎｍ）、４倍波（２６６ｎｍ）の４波長が同軸に重畳されたレーザービームが出てくる。この同軸多波長レーザービームは波長選択器１３の波長フィルターを通ることで所望の波長のレーザービームとなり、その下流のスリット開口１４でビーム形状が規定されて同軸多波長レーザー光源装置１０から外へ出て行く。
【０００４】
同軸多波長レーザー光源装置１０の出口にはレーザー加工中継光学系２０が接続されており、レーザー加工中継光学系２０は結像レンズ２１とその入射側と射出側にダイクロイックミラー２２、２３が光路に対して４５°の角度をなすように配置されており、ダイクロイックミラー２２で９０°折り曲げられた光路中にはＣＣＤ撮像素子２６が、また、ダイクロイックミラー２３で９０°折り曲げられた光路中には集光レンズ２５と観察光源２４が配置されている。そして、レーザー加工中継光学系２０のダイクロイックミラー２３より射出側所定位置に対物レンズ３０が取り付けられる。
【０００５】
結像レンズ２１は、同軸多波長レーザー光源装置１０の出口近傍のスリット開口１４の像をダイクロイックミラー２２、２３を透過して無限遠に結像するものであり、ダイクロイックミラー２２は、対物レンズ３０とダイクロイックミラー２３と結像レンズ２１を介して加工台３１上の被加工物Ｍの被加工面からの観察光を反射してＣＣＤ撮像素子２６に入射させてＣＣＤ撮像素子２６に結像し、被加工面を観察可能にするものであり、また、ダイクロイックミラー２３は、集光レンズ２５で集光された観察光源２４からの照明光を加工光路と同じ光路に反射して、対物レンズ３０を介して加工台３１上の被加工物Ｍの被加工面を照明するためのものである。
【０００６】
加工に際しては、まず、観察光源２４からの照明光をダイクロイックミラー２３と対物レンズ３０を介して被加工物Ｍの被加工面に照射して、その反射光（散乱光）を対物レンズ３０、ダイクロイックミラー２３、結像レンズ２１を経てダイクロイックミラー２２で反射させてＣＣＤ撮像素子２６に入射させることで、被加工面の像をＣＣＤ撮像素子２６で撮像し、その像のピントを合わせることで加工光路の焦点を合わせ、その状態で同軸多波長レーザー光源装置１０をＯＮにしてスリット開口１４を波長選択器１３で選択された波長所定の波長のレーザービームで照明し、結像レンズ２１によって無限遠にそのスリット開口１４の像が結像され、その像が対物レンズ３０の後側焦点面に位置する被加工物Ｍの被加工面に対物レンズ３０によって結像され、そのスリット開口１４の像の領域に所定波長のレーザービームが集光されることになり、その領域を修正除去する等の加工が行われる。なお、加工中及び加工後の被加工面の状態も上記の観察系によって観察される。
【特許文献１】特開２００６−３２６６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、波長域の広い複数の波長（上記では、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍの４波長）の光を１個の結像レンズ２１で同一位置（上記では無限遠）に結像させる必要があるが、このような広い波長域を色収差なしに結像させることは困難であり、また、結像レンズ２１に使用するコーティングも高性能なものでなければならない。
【０００８】
そこで、従来は、波長により結像レンズ２１あるいはレーザー加工中継光学系２０を交換する必要が生じる。あるいは、結像レンズ２１の特性上の限界により、加工性能が著しく損なわれる。のみならず、観察性能も低下する。
【０００９】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い波長範囲の複数波長の加工ビームを用いる場合に、部品等の交換なしに、何れの波長の場合も被加工面に最適なレーザービームを照射して高い加工性能を得ることができ、また、何れの波長の場合も観察性能が低下しないレーザー加工中継光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する本発明のレーザー加工中継光学系は、複数の異なる波長域の光ビームを出口の開口を通して同軸に同時又は選択的に射出させる同軸多波長レーザー光源装置の射出側に接続され、また出口側に対物レンズが取り付けられるレーザー加工中継光学系であって、
前記同軸多波長レーザー光源装置の前記開口からの光路を異なる２つ以上の波長域の光路に分岐す光路分岐手段と、前記光路分岐手段によって相互に異なる波長域の光路に分岐された各光路中に配置された相互に異なる結像レンズと、前記光路分岐手段で分岐され前記異なる結像レンズを通った光路を同一光路に合流させる光路合流手段とからなり、前記異なる結像レンズ各々による前記開口の像が合流された光路上の同じ位置に結像するように前記異なる結像レンズ各々の焦点距離と位置が選択されていることを特徴とするものである。
【００１１】
この場合、前記光路分岐手段によって相互に異なる波長域の光路に分岐された光路中に配置されている前記結像レンズ各々は、対応する光路の波長域の光に対して、透過率が良好で諸収差が補正され、反射防止膜を構成するコーティングがなされてなるものであることが望ましい。
【００１２】
また、前記光路分岐手段によって分岐された光路の中の何れか１つの光路中に、照明光をその光路中に導入し、また、前記照明光によって照明された被加工面から反射された観察光を照明光と反対の光路を経て前記１つの光路から分離する照明光導入・観察光分離手段が配置されているものとすることができる。
【００１３】
また、前記光路分岐手段と前記光路合流手段は、例えばダイクロイックミラーから構成することができる。
【００１４】
また、前記照明光導入・観察光分離手段も、例えばダイクロイックミラーから構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、同軸多波長レーザー光源装置及び対物レンズと共に用いることで、広い波長範囲の中で異なる波長の光を使用するときでも、波長毎に結像レンズの焦点距離や色収差が異なることによる加工位置のずれ、ビーム形状の変形等が起こらず、したがって、多波長で用いる場合に使用部品の交換を必要とせずに、高い加工性能を得ることができたる。また、何れの波長の場合にも同じ観察性能が得られる。さらには、波長毎に光路を分けることで、各光路での減衰を最小限にすることができるので、各波長でのエネルギーロスを小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明のレーザー加工中継光学系を実施例に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の１実施例のレーザー加工中継光学系を用いたレーザー加工装置の光学系を示す図である。光学系全体は、同軸多波長レーザー光源装置１０と、それに接続された本発明の１実施例のレーザー加工中継光学系４０と、レーザー加工中継光学系４０に取り付けられた対物レンズ３０とからなり、同軸多波長レーザー光源装置１０、対物レンズ３０は図２の従来例と同様である。
【００１８】
簡単に説明すると、同軸多波長レーザー光源装置１０は、ＹＡＧレーザー１１と、その光路中に配置された波長変換器１２と、その下流の光路中に配置された波長選択器１３と、さらに下流に配置されたスリット開口１４とからなり、ＹＡＧレーザー１１からの基本波（１０６４ｎｍ）が波長変換器１２を通ることで、基本波（１０６４ｎｍ）、２倍波（５３２ｎｍ）、３倍波（３５５ｎｍ）、４倍波（２６６ｎｍ）の４波長が同軸に重畳されたレーザービームが出てくる。この同軸多波長レーザービームは波長選択器１３の波長フィルターを通ることで所望の波長のレーザービームとなり、その下流のスリット開口１４でビーム形状が規定されて同軸多波長レーザー光源装置１０から外へ出て行く。この同軸多波長レーザー光源装置１０の出口には本発明によるレーザー加工中継光学系４０が接続される。
【００１９】
この本発明によるレーザー加工中継光学系４０は、同軸多波長レーザー光源装置１０のスリット開口１４を通ったレーザービームの光路中に配置された第１ダイクロイックミラー４３と、第１ダイクロイックミラー４３を透過した光路中に配置された第１結像レンズ４１と、第１結像レンズ４１を透過した光路中に配置されている第３ダイクロイックミラー４７と、第３ダイクロイックミラー４７を透過した光路中に配置されている第２ダイクロイックミラー４４とを備えている。さらに、第１ダイクロイックミラー４３で反射された光路中に順に配置された第１ミラー４５、第２ミラー４６と、第１ミラー４５と第２ミラー４６の間の光路中に配置された第２結像レンズ４２とを備えており、第２ミラー４６で反射された光路は第２ダイクロイックミラー４４で反射され、第２ダイクロイックミラー４４を透過した光路と同軸に重ね合わされる。なお、第１ダイクロイックミラー４３、第２ダイクロイックミラー４４、第３ダイクロイックミラー４７、第１ミラー４５、第２ミラー４６は何れも光路に対して４５°の角度をなすように配置される。
【００２０】
そして、レーザー加工中継光学系４０の第２ダイクロイックミラー４４より射出側所定位置に対物レンズ３０が取り付けられる。
【００２１】
そして、第１ダイクロイックミラー４３及び第２ダイクロイックミラー４４は、例えば波長３５５ｎｍと２６６ｎｍの紫外光を反射し、可視光及び赤外光を透過する特性の多層膜がコーティングされたものからなる。また、第１結像レンズ４１は、少なくとも例えば波長１０６４ｎｍと５３２ｎｍの光に対して透過率が良好で色収差等の諸収差が補正され、また、これらの波長に対して反射防止膜を構成する多層膜がコーティングされてなるものであり、第２結像レンズ４２は、少なくとも例えば波長３５５ｎｍと２６６ｎｍの光に対して透過率が良好で色収差等の諸収差が補正され、また、これらの波長に対して反射防止膜を構成する多層膜がコーティングされてなるものである。そして、第１結像レンズ４１は、同軸多波長レーザー光源装置１０の出口近傍のスリット開口１４の波長１０６４ｎｍと５３２ｎｍの光による像を、第１ダイクロイックミラー４３、第３ダイクロイックミラー４７及び第２ダイクロイックミラー４４を透過して無限遠に結像するものであり、また、第２結像レンズ４２は、スリット開口１４の波長３５５ｎｍと２６６ｎｍの光による像を、第１ダイクロイックミラー４３、第１ミラー４５、第２ミラー４６及び第２ダイクロイックミラー４４で順に反射されて無限遠に結像するものである。
【００２２】
また、レーザー加工中継光学系４０の第２ダイクロイックミラー４４より射出側に取り付けられた対物レンズ３０は、無限遠に結像された波長１０６４ｎｍと５３２ｎｍの光によるスリット開口１４の像及び波長３５５ｎｍと２６６ｎｍの光によるスリット開口１４の像をその後側焦点面に位置する被加工物Ｍの被加工面に結像する。すなわち、対物レンズ３０は何れの波長によるスリット開口１４の像も同じ位置である被加工物Ｍの被加工面に結像する。
【００２３】
さらに、このレーザー加工中継光学系４０には、被加工物Ｍの被加工面からの反射光が第３ダイクロイックミラー４７で反射されて加工光路から９０°折り曲げられる観察光路が設けられおり、その観察光路は、照明系が、光路の順に、観察光源４８と、リレーレンズ４９と、ミラー５０と、ハーフミラー５１と、観察結像レンズ５２とからなり、観察光源４８からの照明光がこれらの光学素子を順に経て第３ダイクロイックミラー４７に入射してそこで反射され、第２ダイクロイックミラー４４と対物レンズ３０を経て加工台３１上の被加工物Ｍの被加工面を照明する。被加工面からの反射光（散乱光）は、今度は対物レンズ３０と第２ダイクロイックミラー４４を経て第３ダイクロイックミラー４７に入射してそこで照明とは反対方向へ反射され、観察結像レンズ５２を通り、ハーフミラー５１で反射されてＣＣＤ撮像素子５３に入射してその撮像面に被加工面の像を結像する。なお、第３ダイクロイックミラー４７は、この例の場合、可視光及び赤外光の加工光である波長１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍの光を透過し、ハロゲンランプ等の観察光源４８からの照明光の波長を反射する特性を有するものとすることが望ましい。
【００２４】
したがって、波長１０６４ｎｍ又は５３２ｎｍの光による加工の場合は、ＹＡＧレーザー１１からの基本波又は２倍波が波長選択器１３の波長フィルターを通ることで選択され、その波長のレーザービームがスリット開口１４で所定のビーム形状にされ、その波長１０６４ｎｍ又は５３２ｎｍのレーザービームは、第１ダイクロイックミラー４３を透過し、第１結像レンズ４１によって無限遠にそのスリット開口１４の像が結像され、その像の光が第３ダイクロイックミラー４７と第２ダイクロイックミラー４４とを透過して対物レンズ３０に入射し、その後側焦点面に位置する被加工物Ｍの被加工面にスリット開口１４の像を結像し、そのスリット開口１４の像の領域に波長１０６４ｎｍ又は５３２ｎｍのレーザービームが集光されることになり、その領域を修正除去する等の加工が行われる。
【００２５】
また、波長３５５ｎｍと２６６ｎｍの光による加工の場合は、ＹＡＧレーザー１１からの３倍波又は４倍波が波長選択器１３の波長フィルターを通ることで選択され、その波長のレーザービームがスリット開口１４で所定のビーム形状にされ、その波長３５５ｎｍと２６６ｎｍのレーザービームは、第１ダイクロイックミラー４３で反射され、第１ミラー４５で反射され、第２結像レンズ４２によって無限遠にそのスリット開口１４の像が結像され、その像の光が第２ミラー４６で反射され、第２ダイクロイックミラー４４で反射されて第２ダイクロイックミラー４４を透過した光路と同じ光路をたどって対物レンズ３０に入射し、その後側焦点面に位置する被加工物Ｍの被加工面にスリット開口１４の像を結像し、そのスリット開口１４の像の領域に波長３５５ｎｍと２６６ｎｍのレーザービームが集光されることになり、その領域を修正除去する等の加工が行われる。
【００２６】
なお、観察に先立つピント合わせは、観察光源４８からの照明光を、リレーレンズ４９、ミラー５０、ハーフミラー５１、観察結像レンズ５２を順に介して第３ダイクロイックミラー４７に入射させ、そこで反射され、第２ダイクロイックミラー４４と対物レンズ３０を経て加工台３１上の被加工物Ｍの被加工面を照射することで被加工面を照明し、被加工面からの反射光（散乱光）を今度は対物レンズ３０と第２ダイクロイックミラー４４を経て第３ダイクロイックミラー４７に入射させ、そこで照明とは反対方向へ反射させ、観察結像レンズ５２を通り、ハーフミラー５１で反射させてＣＣＤ撮像素子５３の撮像面に入射させることで、被加工面の像をＣＣＤ撮像素子２６で撮像し、その像のピントを合わせることで加工光路の焦点が合わされる。その状態で同軸多波長レーザー光源装置１０をＯＮにしてスリット開口１４を波長選択器１３で選択された波長所定の波長のレーザービームで照明することで、上記のような各波長毎の加工ができる。なお、加工中及び加工後の被加工面の状態も上記の観察系によって観察される。
【００２７】
以上のように、本発明のレーザー加工中継光学系４０を同軸多波長レーザー光源装置１０及び対物レンズ３０と共に用いることで、広い波長範囲の中で異なる波長の光を使用するときでも、波長毎に結像レンズの焦点距離や色収差が異なることによる加工位置のずれ、ビーム形状の変形等が起こらず、したがって、多波長で用いる場合に使用部品の交換を必要とせずに、高い加工性能を得ることができたる。また、何れの波長の場合にも同じ観察性能が得られる。さらには、波長毎に光路を分けることで、各光路での減衰を最小限にすることができるので、各波長でのエネルギーロスを小さくすることができる。
【００２８】
なお、光路を波長域毎に分波し、それら波長域毎に異なる結像レンズを使用し、各結像レンズを通った結像光を同一光路に合波し、何れの結像レンズによる入射側のスリット開口の像も同じ位置に結像するように各結像レンズの焦点距離と位置を選択するに際して、分波する波長域は２つ以上の３つ等いくつにしてもよい。また、図１の場合、一方の光路に１つの波長を、他の光路に３つの波長を通すようにしてもよい。
【００２９】
また、波長の選択は、同軸多波長レーザー光源装置１０側で行わず、レーザー加工中継光学系４０の分波された光路内に減衰器等を挿入することで行うようにしてもよい。
【００３０】
以上、本発明のレーザー加工中継光学系を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の１実施例のレーザー加工中継光学系を用いたレーザー加工装置の光学系を示す図である。
【図２】従来のレーザー加工装置の光学系の１例の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０…同軸多波長レーザー光源装置
１１…ＹＡＧレーザー
１２…波長変換器
１３…波長選択器
１４…スリット開口
２０…レーザー加工中継光学系
２１…結像レンズ
２２、２３…ダイクロイックミラー
２４…観察光源
２５…集光レンズ
２６…ＣＣＤ撮像素子
３０…対物レンズ
３１…加工台
４０…レーザー加工中継光学系（本発明）
４１…第１結像レンズ
４２…第２結像レンズ
４３…第１ダイクロイックミラー
４４…第２ダイクロイックミラー
４５…第１ミラー
４６…第２ミラー
４７…第３ダイクロイックミラー
４８…観察光源
４９…リレーレンズ
５０…ミラー
５１…ハーフミラー
５２…観察結像レンズ
５３…ＣＣＤ撮像素子
Ｍ…被加工物
【図１】
2009154168.tif 000003
【図２】
2009154168.tif 000004