JP2014219199A - レーザビーム観測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より安価で、レーザビームのビームプロファイルを観測することが可能なレーザビーム観測装置を提供する。
【解決手段】吸収板１１にレーザビームが入射すると、吸収板は、入射したレーザビームを吸収して発熱する。放射温度計１２が、吸収板から熱放射された赤外線を受光することにより、吸収板の温度分布を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビームの断面形状を観測するレーザビーム観測装置に関する。

レーザ光源から出射したレーザビームをビームプロファイラに入射させて、レーザビームの特性を測定することができる（特許文献１）。ビームプロファイラとして、焦電センサを２次元に配列させた焦電式カメラが知られている。

特開２００８−１２２３５３号公報

焦電センサは、耐光強度が高いという特性を有しているが、高価である。本発明の目的は、より安価で、レーザビームのビームプロファイルを観測することが可能なレーザビーム観測装置を提供することである。本発明の他の目的は、このレーザビーム観測装置を用いたレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザビームが入射すると、入射したレーザビームを吸収して発熱する吸収板と、
前記吸収板から熱放射された赤外線を受光することにより、前記吸収板の温度分布を測定する放射温度計と
を有するレーザビーム観測装置が提供される。

吸収板から熱放射される赤外線は、元のレーザビームより強度が低い。このため、放射温度計として、耐光強度の低い安価なものを用いることができる。

図１は、実施例１によるレーザビーム観測装置の概略図である。 図２Ａは、マスクの透過窓と、レーザビームのビーム断面との相対位置関係の一例を示す図であり、図２Ｂは、レーザビームの光軸調整が終了した状態で、レーザビーム観測装置によって観測された温度分布の一例を示す図であり、図２Ｃは、レーザビームの光軸調整が不十分であるときのビーム断面と透過窓との相対位置関係を示す図であり、図２Ｄは、図２Ｃの状態でレーザビーム観測装置によって観測された温度分布の一例を示す図である。 図３は、実施例２によるレーザビーム観測装置の概略図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、実施例２によるレーザビーム観測装置の受光面で観測された温度分布の一例を示す図である。 図５は、実施例３によるレーザ加工装置の概略図である。

［実施例１］
図１に、実施例１によるレーザビーム観測装置１０の概略図を示す。実施例１によるレーザビーム観測装置１０は、吸収板１１、放射温度計１２、及び収束レンズ１６を含む。
レーザ光学系２０から出射したレーザビームが、マスク２１の透過窓２１Ａを透過して、レーザビーム観測装置１０の収束レンズ１６に入射する。収束レンズ１６は、マスク２１の透過窓２１Ａを吸収板１１の表面に結像させる。マスク２１が配置された位置が、レーザビームのビーム断面を観測すべき被観測位置２３に相当する。すなわち、被観測位置２３と吸収板１１とは、収束レンズ１６を介して共役の関係にある。

吸収板１１にレーザビームが入射すると、吸収板１１がレーザビームのエネルギを吸収して発熱する。吸収板１１として、例えば銅板、アルミニウム板、金板、白金板等を用いることができる。放射温度計１２は、レーザビームの入射によって加熱された吸収板１１の、レーザビームが入射した表面とは反対側の表面から熱放射された赤外線を受光することにより、吸収板１１の温度分布を測定する。

放射温度計１２は、レンズ１３及び撮像素子１４を含む。撮像素子１４には、例えばマイクロボロメータが用いられる。マイクロボロメータは、温度が変化すると電気抵抗が変化する感熱素子が２次元配列した受光面１５を含む。レンズ１３は、吸収板１１を受光面１５に結像させる。レンズ１３の光軸は、吸収板１１及び受光面１５に対して垂直である。

レーザビームが入射した領域の、吸収板１１の表面温度が上昇する。レーザビームが入射した表面の熱が、吸収板１１内を厚さ方向に伝わり、反対側の表面（以下、背面という。）の温度も上昇する。この温度上昇により、吸収板１１の背面から熱放射が生じる。吸収板１１の温度分布は、吸収板１１に入射したレーザビームのビーム断面内の光強度分布に依存する。被観測位置２３のビーム断面内の光強度分布が、収束レンズ１６によって吸収板１１に転写されるため、被観測位置２３のビーム断面内の光強度分布を測定することができる。

吸収板１１の背面側にレーザビーム観測装置１０が配置されているため、レーザ光学系２０から出射されたレーザビームの光軸（中心光線）と、レーザビーム観測装置１０の収束レンズ１６及びレンズ１３の光軸とを一致させることができる。両者の光軸を一致させることにより、レーザビームを真正面から見たときの光強度分布を観測することができる。

収束レンズ１６による結像倍率を高くすると、マスク２１の透過窓２１Ａ内の光強度分布が拡大されて吸収板１１に転写される。これにより、ビーム断面内に関する空間分解能を高めることができる。

マイクロボロメータからなる撮像素子１４に赤外域のレーザビームを直接入射させると、マイクロボロメータが損傷を受ける。レーザビームのエネルギを熱に変換し、熱放射を観測することにより、マイクロボロメータの損傷を防止することができる。マイクロボロメータは、耐光強度の高い焦電センサを用いたビームプロファイラに比べて安価である。このため、レーザビーム観測装置の製造コスト低減を図ることが可能である。

図２Ａに、マスク２１（図１）の透過窓２１Ａと、レーザビームのビーム断面２５との相対位置関係の一例を示す。透過窓２１Ａ及びビーム断面２５は、共に円形であり、ビーム断面２５は透過窓２１Ａより大きい。レーザビームの光軸調整が終了した状態では、透過窓２１Ａがビーム断面２５に内包される。

図２Ｂに、レーザビームの光軸調整が終了した図２Ａの状態で、レーザビーム観測装置１０（図１）によって観測された温度分布の一例を示す。図２Ｂにおいて、相対的に高温の領域が、相対的に低温の領域より濃い色で表されている。透過窓２１Ａの位置における
レーザビームの光強度分布がトップフラットである場合、円形の高温領域２４が観測される。

図２Ｃに、レーザビームの光軸調整が不十分であるときのビーム断面２５と透過窓２１Ａとの相対位置関係を示す。ビーム断面２５の中心が透過窓２１Ａの中心からずれており、透過窓２１Ａの一部の領域２１Ｂがビーム断面２５と重なっていない。ビーム断面２５のうち透過窓２１Ａと重ならない部分は遮光される。このため、ビーム断面形状は、図２Ｃにおいてハッチングを付して示したように、円形から崩れてしまう。

図２Ｄに、図２Ｃの状態でレーザビーム観測装置１０（図１）によって観測された温度分布の一例を示す。透過窓２１Ａの位置におけるビーム断面の形状が円形から崩れているため、高温領域２４の形状も円形から崩れる。レーザビーム観測装置１０（図１）によって高温領域２４の形状を観測することにより、レーザビームの光軸調整が正常に終了しているか否かを検証することができる。

［実施例２］
図３に、実施例２によるレーザビーム観測装置１０の概略図を示す。実施例２によるレーザビーム観測装置１０は、吸収板１１及び放射温度計１２を含む。吸収板１１及び放射温度計１２の構成は、実施例１によるレーザビーム観測装置１０の吸収板１１及び放射温度計１２の構成と同一である。

レーザ光学系２０から、コリメートされたレーザビーム２６が出射される。レーザ光学系２０から光学装置２８に至るビーム主経路３０に、分岐光学素子２７が配置されている。分岐光学素子２７は、ビーム主経路３０からレーザビームの経路を分岐させる。分岐光学素子２７には、例えば部分反射鏡が用いられる。レーザビーム観測装置１０は、ビーム主経路３０から分岐された分岐経路３１上に配置されている。分岐経路３１に沿って伝搬するレーザビームが吸収板１１に垂直入射する。

分岐光学素子２７から吸収板１１までの光路長Ｌ１を、分岐光学素子２７から光学装置２８までの光路長Ｌ２と等しくすることが好ましい。レーザ光学系２０から出射されたレーザビーム２６はコリメートされているが、完全な平行光ではない。光路長Ｌ１を光路長Ｌ２と等しくすると、吸収板１１の位置におけるビーム断面と、光学装置２８の位置におけるビーム断面とが合同になる。このため、レーザビーム観測装置１０により、光学装置２８の位置におけるビーム断面の形状及び寸法に関する情報を、より正確に得ることができる。

また、光学装置２８が配置された位置での光軸に対して垂直な面内における位置と、吸収板１１の面内における位置とが、１対１に対応する。レーザビーム観測装置１０の受光面１５内の座標と、光学装置２８の位置とを予め対応付けておくことにより、光学装置２８が配置された位置におけるビーム断面の位置ずれを検出することができる。

図４Ａに、受光面１５で観測された温度分布の一例を示す。図４Ａにおいて、相対的に高温の領域が、相対的に低温の領域より濃い色で表されている。光学装置２８（図３）に入射するレーザビームの中心の目標位置と、受光面１５の中心（原点）とが対応するように、光学装置２８及びレーザビーム観測装置１０が位置合わせされている。図４Ａでは、高温領域２４の中心が、受光面１５の原点と一致している。このとき、光学装置２８とレーザビームの光軸との相対位置が適正であると判断される。

図４Ｂに、高温領域２４の中心が、受光面１５の原点からずれている例を示す。この場合、光学装置２８とレーザビームの光軸との相対位置が、目標とする位置関係からずれて
いると判断される。このように、実施例２によるレーザビーム観測装置１０を用いて、ビーム断面の形状、寸法、及び位置ずれの有無を検知することができる。

［実施例３］
図５に、実施例３によるレーザ加工装置の概略図を示す。実施例３によるレーザ加工装置は、例えばプリント基板に穴開け加工を行うレーザドリルである。レーザ光源５０から出射したレーザビームが、ビーム主経路６３を辿って加工対象物７０に入射する。加工対象物７０は、ステージ６１に保持されている。

ビーム主経路６３に、上流側から順番に、ビームエキスパンダ５１、非球面レンズ５２、マスク５３、可変減衰器５４、コリメートレンズ５５、分岐光学素子５６、折り返しミラー５７、分岐光学素子５８、ビーム走査器５９、及びｆθレンズ６０が配置されている。

レーザ光源５０には、例えば炭酸ガスレーザが用いられる。ビームエキスパンダ５１は、レーザビームのビーム径を拡大する。非球面レンズ５２は、マスク５３が配置された位置におけるビーム断面内の光強度分布を均一化する。マスク５３は、遮光領域と、遮光領域内に配置された透過窓とを含み、ビーム断面を整形する。可変減衰器５４は、レーザビームのパワーを減衰させる。

分岐光学素子５６は、レーザビームの一部をビーム主経路６３から分岐させる。分岐光学素子５６で分岐された分岐経路６４に、レーザビーム観測装置１０Ａが配置されている。レーザビーム観測装置１０Ａは、実施例１によるレーザビーム観測装置１０（図１）と同様の構成を有する。

下流側の分岐光学素子５８は、ビーム主経路６３に沿って伝搬するレーザビームの一部を、ビーム主経路６３から分岐させる。分岐光学素子５８で分岐された分岐経路６５に、レーザビーム観測装置１０Ｂが配置されている。レーザビーム観測装置１０Ｂは、実施例２によるレーザビーム観測装置１０（図３）と同様の構成を有する。

ビーム走査器５９は、レーザビームの入射位置が加工対象物７０の表面上を移動するように、レーザビームを走査する。ビーム走査器５９には、例えば一対のガルバノミラーを含むガルバノスキャナが用いられる。コリメートレンズ５５とｆθレンズ６０とによって、マスク５３の透過窓が加工対象物７０の表面に結像される。

コリメートレンズ５５と、レーザビーム観測装置１０Ａの収束レンズ１６Ａとが、マスク５３の透過窓を、レーザビーム観測装置１０Ａの吸収板１１Ａの表面に結像させる。すなわち、コリメートレンズ５５と収束レンズ１６Ａとが、実施例１によるレーザビーム観測装置１０の収束レンズ１６（図１）と同等の機能を果たす。レーザ光源５０から非球面レンズ５２までの光学系が、実施例１で説明したレーザ光学系２０（図１）に相当する。レーザビーム観測装置１０Ａによって、マスク５３とレーザビームの経路との位置合わせの良否を確認することができる。

分岐光学素子５８が、実施例２で説明した分岐光学素子２７（図３）と同等の機能を有する。レーザ光源５０からコリメートレンズ５５までの光学系が、レーザ光学系２０（図３）に相当する。ビーム走査器５９が、光学装置２８（図３）に相当する。分岐光学素子５８からビーム走査器５９までの光路長（図３の光路長Ｌ２に相当）と、分岐光学素子５８からレーザビーム観測装置１０Ｂの吸収板１１Ｂまでの光路長（図３の光路長Ｌ１に相当）とを等しくすることが好ましい。レーザビーム観測装置１０Ｂによる観測結果により、ビーム走査器５９へのレーザビームの入射位置が適正か否かを判定することができる。

ビーム走査器５９へのレーザビームの入射位置が適正位置からずれると、ガルバノミラーによって想定外のケラレが発生する。想定外のケラレが発生すると、加工対象物７０の表面におけるレーザパワーが減少してしまう。ビーム走査器５９へのレーザビームの入射位置が適正位置からずれたことを検出することにより、不敵正なレーザパワーで加工が継続されることを防止することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０、１０Ａ、１０Ｂ レーザビーム観測装置
１１、１１Ａ、１１Ｂ 吸収板
１２ 放射温度計
１３ レンズ
１４ 撮像素子
１５ 受光面
１６、１６Ａ 収束レンズ
２０ レーザ光学系
２１ マスク
２１Ａ 透過窓
２１Ｂ ビーム断面と重なっていない領域
２３ 被観測位置
２４ 高温領域
２５ ビーム断面
２６ コリメートされたレーザビーム
２７ 分岐光学素子
２８ 光学装置
３０ ビーム主経路
３１ 分岐経路
５０ レーザ光源
５１ ビームエキスパンダ
５２ 非球面レンズ
５３ マスク
５４ 可変減衰器
５５ コリメートレンズ
５６ 分岐光学素子
５７ 折り返しミラー
５８ 分岐光学素子
５９ ビーム走査器
６０ ｆθレンズ
６１ ステージ
６３ ビーム主経路
６４、６５ 分岐経路
７０ 加工対象物

Claims (7)

1. レーザビームが入射すると、入射したレーザビームを吸収して発熱する吸収板と、
   前記吸収板から熱放射された赤外線を受光することにより、前記吸収板の温度分布を測定する放射温度計と
   を有するレーザビーム観測装置。
2. 前記放射温度計は、レーザビームが入射することによって加熱された前記吸収板の温度分布を測定する請求項１に記載のレーザビーム観測装置。
3. 前記放射温度計は、前記吸収板の、前記レーザビームに照射される面とは反対側の面から熱放射される前記赤外線を受光する請求項１または２に記載のレーザビーム観測装置。
4. さらに、レーザビームのビーム断面を観測すべき被観測位置と、前記吸収板とが、前記収束レンズを介して共役の関係にある請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザビーム観測装置。
5. さらに、
   レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、
   前記レーザ光源から、前記ステージに保持された加工対象物までのビーム主経路から、前記レーザビームの経路を分岐させる分岐光学素子と
   を有し、
   前記吸収板は、前記分岐光学素子によって分岐された分岐経路に配置されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザビーム観測装置。
6. さらに、
   前記分岐光学素子よりも上流側の前記ビーム主経路に配置され、遮光領域、及び前記遮光領域内に配置された透過窓を含み、レーザビームのビーム断面を整形するマスクと、
   前記マスクの前記透過窓を前記吸収板に結像させるレンズと
   を含む請求項５に記載のレーザビーム観測装置。
7. さらに、前記分岐光学素子よりも下流側の前記ビーム主経路上に配置され、前記ステージに保持された加工対象物の表面において、前記レーザビームの入射位置を移動させるビーム走査器を有し、
   前記吸収板は、前記分岐光学素子によって前記ビーム主経路から分岐された経路に配置され、前記分岐光学素子から前記ビーム走査器までの光路長と、前記前記分岐光学素子から前記吸収板までの光路長とが等しい請求項５に記載のレーザビーム観測装置。

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