JP7090135B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置に関する。

特許文献１には、レーザ加工装置が記載されている。このレーザ加工装置は、集光レンズ、可変焦点レンズ、集光位置計測部、集光位置制御部、光学系、及び、光源を備えている。集光レンズは、光源より供給されたレーザ光を処理対象の処理対象表面に集光する。光源より供給されたレーザ光は、光ファイバを経由し、光学系により光学的に成形されて集光レンズにより集光される。可変焦点レンズは、集光レンズの光路上に配置されている。可変焦点レンズは、電圧印加により焦点距離が変更可能とされている。集光位置計測部は、半反射ミラーにより取り出した光を用いて、集光レンズによる集光位置を計測する。

特開２０２０－０４００７２号公報

上述した特許文献１に記載のレーザ加工装置では、集光位置制御部が、集光位置計測部が計測した集光位置と、設定されている規定の集光位置との差が、設定されている許容範囲となるように、可変焦点レンズの焦点位置が制御される。これにより、初期の焦点位置が維持されるように図られている。

ところで、上述したレーザ加工装置に対して、例えば加工速度の向上の目的から、液晶型の空間位相変調器（例えばＬＣＯＳ－ＳＬＭ）等の位相制御器を適用して、レーザ光を複数に分岐することが考えられる。この場合、レーザ加工装置の運用に伴って、集光位置の変化が生じた場合には、当該変化を補正するように位相制御器のフィードバック制御を行うことが考えられる。この場合、集光位置の当該変化が、光源由来のものであることが検知できれば、位相制御器の制御が簡便なものとなる。しかし、上述したレーザ加工装置では、半反射ミラーがレーザ光の全体を集光位置計測部に導光するため、当該集光位置の変化が、光源に起因したものであるのか、位相制御器等の他の光学系に起因したものであるのかを検出することが困難である。

そこで、本発明は、集光状態の変化を容易に補正可能なレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を進めた結果、次のような知見を得るに至った。すなわち、例えば空間位相変調器といった位相制御器では、入射されたレーザ光のうちの一部は、位相制御を受けて制御光として出射されて対象物への照射に供され、入射されたレーザ光の別の一部は、位相制御を受けることなく非制御光として出射される。この非制御光は、所望の位相制御がなされていないことから、損失・ノイズとして取り扱われる傾向があるが、一方で、位相制御器の影響を受けにくいため、光源から出射された時点でのレーザ光の特性を保持している。したがって、この非制御光を検出することにより、光源に起因した集光状態の変化を検知することが可能となり、位相制御器のフィードバック制御により当該変化を容易に補正可能となるのである。本発明は、このような知見に基づいて、本発明者がさらなる検討を重ねることによりなされたものである。

すなわち、本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を入力し、レーザ光の一部の光の空間位相を制御して制御光として出射すると共に、レーザ光の別の一部の光を非制御光として出射するための位相制御部と、位相制御部から出射された制御光を対象物に照射するための第１光学系と、位相制御部から出射された非制御光を検出するための検出器と、位相制御部から出射された非制御光を検出器の検出面に向けて集光するための第２光学系と、検出器からの非制御光の検出結果に基づいて、位相制御部での制御光の空間位相の制御状態を補正するように位相制御部を制御するための補正処理を実行する制御部と、を備える。

このレーザ装置では、レーザ光源から出射されたレーザ光の一部は、位相制御部によって空間位相が制御されて制御光とされ、第１光学系によって対象物への照射に供される。一方、レーザ光源から出射されたレーザ光の別の一部は、非制御光として第２光学系により検出器の検出面に向けて集光される。これにより、レーザ光源から出射されたレーザ光のうちの位相制御部での制御を受けない非制御光が検出される。上記知見に示されるように、この非制御光は、位相制御部での影響を受けにくく、光源から出射された時点でのレーザ光の特性を保持している。したがって、制御部が、この非制御光の検出結果に基づいて、位相制御部での制御光の空間位相の制御状態を補正するように位相制御部を制御することにより、光源に起因したレーザ光（制御光）の集光状態の変化を容易に補正できる。

この結果、例えば経年変化によってレーザ光源から出射されるレーザ光の特性が変化した場合であっても、対象物に照射されるレーザ光の集光状態を容易に特定の初期値に維持することが可能となる。特に、複数のレーザ装置を並行して用いる場合に、当該特定の初期値を複数のレーザ装置の間で共通化しておけば、レーザ光源から出射されるレーザ光の集光状態の変化がレーザ装置ごとに異なる場合であっても、それぞれのレーザ装置でのレーザ光の集光状態が共通の初期値に維持される結果、機差が軽減される。このように、このレーザ装置は、機差の軽減を図ることが可能であるため、並行して複数用いる場合にも有効である。

本発明に係るレーザ装置においては、制御部は、検出結果に基づいて、非制御光の光軸方向に交差する面内での非制御光の位置のズレ量である第１ズレ量を取得する第１取得処理と、補正処理として、第１ズレ量に基づいて、制御光の光軸方向に交差する面内での制御光の位置ずれを補正するように、位相制御部を制御する第１補正処理と、を実行してもよい。この場合、非制御光の光軸方向に交差する面内での位置ズレに関する情報に基づいて、容易に、制御光の光軸方向に交差する面内での位置ズレを補正できる。

本発明に係るレーザ装置においては、制御部は、検出結果に基づいて、非制御光の広がり角を取得する第２取得処理と、補正処理として、広がり角に基づいて、制御光の広がり角を補正するように、位相制御部を制御する第２補正処理と、を実行してもよい。この場合、非制御光の広がり角の変化量に関する情報に基づいて、容易に、制御光の広がり角の変化を補正できる。

本発明に係るレーザ装置においては、制御部は、第２取得処理では、非制御光を検出しながら非制御光の光軸方向に沿って検出器を駆動せることにより、非制御光が検出面上で最も集光される位置の初期位置からのズレ量である第２ズレ量を取得すると共に、第２ズレ量に基づいて広がり角を取得してもよい。この場合、検出器の機械的な駆動に応じて、非制御光の広がり角の変化に関する情報を取得することができる。

本発明に係るレーザ装置においては、位相制御部は、入力されたレーザ光がＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含むようにレーザ光の偏光方向を変えて出射する偏光制御素子と、偏光制御素子から出射されたレーザ光のＰ偏光成分の空間位相を制御して制御光として出射すると共に、レーザ光のＳ偏光成分を非制御光として出射する液晶型空間位相変調器と、を含み、制御部は、補正処理では、非制御光の検出結果に基づいて、液晶型空間位相変調器に表示する位相変調パターンを調整することによって、位相制御部での制御光の空間位相の制御状態を補正してもよい。このように、位相制御部が、液晶型空間位相変調器を含む場合には、レーザ光がＰ偏光とＳ偏光との両方を含むように偏光方向を調整すれば、液晶層に感度の無いＳ偏光成分を非制御光として好適に利用しつつ、液晶層に表示する位相変調パターン（ホログラム）の調整によって容易に制御光の集光状態の変化を補正できる。

本発明に係るレーザ装置においては、位相制御部は、入力されたレーザ光を回折することにより複数の回折光に分岐して出射するための位相変調パターンを表示することにより、レーザ光の０次光を非制御光として出射すると共に、レーザ光の他の次数の回折光を制御光として出射するための液晶型空間位相変調器を含み、制御部は、補正処理では、非制御光の検出結果に基づいて、液晶型空間位相変調器に表示する位相変調パターンを調整することによって、位相制御部での制御光の空間位相の制御状態を補正してもよい。このように、液晶型空間位相変調器を含み、回折によってレーザ光を複数に分岐する場合には、回折されない０次光を非制御光として好適に利用しつつ、液晶層に表示する位相変調パターン（ホログラム）の調整によって容易に制御光の集光状態の変化を補正できる。

本発明に係るレーザ装置は、位相制御部から出射された制御光を検出するための別の検出器を備え、制御部は、別の検出器からの制御光の検出結果に基づいて、位相制御部での制御光の空間位相の制御状態を調整するための位相変調パターンを生成すると共に、当該位相変調パターンを、補正処理により調整された位相変調パターンに重畳して液晶型空間位相変調器に表示させてもよい。この場合、制御光の検出結果に基づいて、光源以外に起因したレーザ光（制御光）の変化に応じて、制御光の制御状態を調整可能となる。

本発明によれば、集光状態の変化を容易に補正可能なレーザ装置を提供することができる。

図１は、一実施形態に係るレーザ加工装置のブロック図である。 図２は、図１に示されたレーザ加工装置の模式図である。 図３は、図１，２に示される第２検出器の撮像面を示す図である。 図４は、非制御光の集光位置を検出する様子を示すグラフである。 図５は、レーザ光の補正方法を示すフローチャートである。 図６は、第２検出器の撮像面を示す画像である。 図７は、第１検出器の撮像面を示す画像である。 図８は、第２検出器の撮像面を示す画像である。 図９は、第２検出器の撮像面を示す画像である。 図１０は、第１検出器の撮像面を示す画像である。 図１１は、第１検出器の撮像面を示す画像である。 図１２は、座標変換の一例を説明するための図である。 図１３は、各種の指標に基づいて第２ズレ量を取得する場合のグラフである。 図１４は、制御光が補正される様子を示す図である。 図１５は、制御光が補正される様子を示す図である。 図１６は、変形例に係るレーザ加工装置のブロック図である。 図１７は、図１６に示されたレーザ加工装置の模式図である。 図１８は、レーザ光の偏光方向を説明するためのグラフである。 図１９は、変形例に係る位相制御部を示す模式図である。 図２０は、図１９に示された位相制御部の変形例を示す図である。

以下、一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一又は相当する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。図１は、一実施形態に係るレーザ加工装置のブロック図である。図２は、図１に示されたレーザ加工装置の模式図である。図１，２に示されるレーザ加工装置（レーザ装置）１００は、一例として、レーザ光を対象物Ａに照射することにより、対象物Ａの穴あけ加工、切断加工、及び、半導体等の微細加工等を行うためのものである。

レーザ加工装置１００は、レーザ光源１０、位相制御部２０、第１光学系３０、第１検出器４０、第２検出器５０、及び、制御部６０を備えている。レーザ光源１０は、レーザ光Ｌ１を出射する。位相制御部２０は、ここでは、空間位相変調器（液晶型空間位相変調器）２１と、空間位相変調器２１にレーザ光Ｌ１を導光するミラー２２と、を含む。空間位相変調器２１は、液晶層を有しており、制御部６０の制御のもとで当該液晶層に任意の位相変調パターン（ホログラム、ＣＧＨ（Computer Generated Hologram））を表示させることにより、その位相変調パターンに応じてレーザ光Ｌ１の空間位相を制御する。

空間位相変調器２１に入射したレーザ光Ｌ１のうちの一部の光は、その空間位相が制御されて空間位相変調器２１から出射される一方で、空間位相変調器２１に入射したレーザ光Ｌ１のうちの別の一部の光は、その空間位相が制御されることなく空間位相変調器２１から出射される。すなわち、位相制御部２０は、レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌ１を入力し、レーザ光Ｌ１の一部の光の空間位相を制御して制御光Ｌ２として出射すると共に、レーザ光Ｌ１の別の一部の光を非制御光Ｌ３として出射するためのものである。

第１光学系３０は、位相制御部２０から出射された制御光Ｌ２を導光して対象物Ａに照射するためのものである。第１光学系３０は、空間位相変調器２１から出射された制御光Ｌ２を対象物Ａに向かうように導光するミラー３１，３２，３３を含む。制御光Ｌ２及び非制御光Ｌ３は、それぞれのミラー３１，３２，３３によって順に反射されて対象物Ａに照射される。また、第１光学系３０は、ミラー３１，３２，３３によって形成される制御光Ｌ２及び非制御光Ｌ３の光路上に順に配置されたレンズ８０，３４，３５を含む。レンズ８０とレンズ３４とは、空間位相変調器２１における制御光Ｌ２の像をレンズ３５に結像するためのものである。レンズ３５は、対象物Ａに臨み、対象物Ａに向けて制御光Ｌ２を集光するための集光レンズである。

第１検出器（別の検出器）４０は、例えば、制御光Ｌ２を撮像するためのカメラであって、制御部７０の制御のもとで、制御光Ｌ２の特性の変化を検出するために用いられ得る。第１検出器４０の検出結果は、例えば、位相制御部２０による制御光Ｌ２のフィードバック制御に用いられ得る。このようなフィードバック制御の詳細については後述する。なお、第１検出器４０には、制御光Ｌ２に加えて非制御光Ｌ３も入射され得る。したがって、第１検出器４０は、非制御光Ｌ３も撮像することができる。第１検出器４０は、例えば、ミラー３２からミラー３３に向かう制御光Ｌ２及び非制御光Ｌ３の光路の延長線上に配置され、ミラー３３を透過して撮像面４０ｓに結像された一部の制御光Ｌ２（及び非制御光Ｌ３）を撮像する。第１検出器４０の撮像面４０ｓには、対象物Ａの加工面に対応する像が結像される。

第２検出器５０（検出器）は、例えば、非制御光Ｌ３を撮像するためのカメラであって、制御部６０の制御のもとで、非制御光Ｌ３の特性の変化を検出するために用いられ得る。第２検出器５０の検出結果は、例えば、位相制御部２０による非制御光Ｌ３のフィードバック制御に用いられ得る。このようなフィードバック制御の詳細については後述する。なお、第２検出器５０には、非制御光Ｌ３に加えて制御光Ｌ２も入射され得る。したがって、第２検出器５０は、制御光Ｌ２も撮像することができる。第２検出器５０は、ここでは、ミラー３１からミラー３２に向かう非制御光Ｌ３（及び制御光Ｌ２）の光路の延長線上に配置され、ミラー３２を透過して撮像面５０ｓ（検出面）に結像された一部の非制御光Ｌ３（及び制御光Ｌ２）を撮像する。なお、レンズ８０は、非制御光Ｌ３（及び制御光Ｌ２）を撮像面５０ｓに向けて集光するために用いられる第２光学系でもある。

図３は、図１，２に示された第２検出器の撮像面を示す図である。ここでは、一例として、空間位相変調器２１に回折格子パターンを含む位相変調パターンが表示されることにより、レーザ光Ｌ１が複数の回折光に分岐され、撮像面５０ｓに複数のビームスポットが形成されている。図３の（ａ）の例では、中心に０次光である非制御光Ｌ３のビームスポットが形成され、その周りに、例えば１次光である制御光Ｌ２のビームスポットが形成されている。また、図３の（ａ）の例では、レンズ８０と撮像面５０ｓとの距離Ｚがレンズ８０の焦点距離ｆ_ｍに設定されることにより、制御光Ｌ２及び非制御光Ｌ３が撮像面５０ｓに集光されている。

これに対して、空間位相変調器２１の位相変調パターンに所定のフレネルレンズに相当するパターンを重畳させると共に、当該フレネルレンズの焦点距離ｆ_ＦＬを加えたことによる焦点距離ｆ_ｍからの位置シフトの分だけ第２検出器５０（撮像面５０ｓ）を光軸方向に移動させると、図３の（ｂ）に示されるように、空間位相変調器２１で空間位相の制御を受けた制御光Ｌ２が撮像面５０ｓに集光される一方で、空間位相変調器２１で制御を受けない非制御光Ｌ３の集光位置が撮像面５０ｓから焦点距離ｆ_ＦＬの分だけずれてビームスポットが拡大される。一方、図３の（ｃ）に示されるように、撮像面５０ｓを図３の（ａ）の位置に戻すと、制御光Ｌ２の集光位置がフレネルレンズの焦点距離ｆ_ＦＬの分だけ撮像面５０ｓからずれてビームスポットが拡大される一方で、非制御光Ｌ３は元のとおり、撮像面５０ｓに集光される。

非制御光Ｌ３が集光される撮像面５０ｓの光軸方向の位置（レンズ８０と撮像面５０ｓとの距離Ｚ_０）は、例えば次のようにして検出することができる。すなわち、図４のグラフに示されるように、距離Ｚ_０は、第２検出器５０の撮像面５０ｓを光軸方向に移動させながら非制御光Ｌ３を撮像して検出結果を取得することにより、例えば、非制御光Ｌ３の強度が最大値Ｉ_０となる値、又は、非制御光Ｌ３の撮像面５０ｓでのスポットサイズが最小値Ｗ_０となる値として取得できる。これらの位相制御部２０及び第２検出器５０の制御及び光検出の各処理は、制御部６０が実施することができる。制御光Ｌ２についての同様の制御及び光検出の各処理は、制御部７０が実施することができる。なお、制御部６０と制御部７０は、第１検出器４０と第２検出器５０に対してそれぞれ異なる制御を行ってもよい。すなわち制御光Ｌ２について、非制御光Ｌ３とは異なる制御及び光検出の各処理を制御部７０が実施してもよい。

すなわち、制御部６０は、少なくとも、位相制御部２０及び第２検出器５０を制御可能とされている。また、制御部７０は、少なくとも、位相制御部２０及び第１検出器４０を制御可能とされている。制御部６０は、第２検出器５０からの非制御光Ｌ３の検出結果に基づいて、位相制御部２０での制御光Ｌ２の空間位相の制御状態を補正するように位相制御部２０を制御するための処理を実行する。また、制御部７０は、第１検出器４０からの制御光Ｌ２の検出結果に基づいて、位相制御部２０での制御光Ｌ２の空間位相の制御状態を補正するように位相制御部２０を制御するための処理を実行する。これら処理については、後に詳述する。制御部６０，７０は、処理部、記憶部、及び入力受付部を有している（不図示）。処理部は、プロセッサ、メモリ、ストレージ及び通信デバイス等を含むコンピュータ装置として構成されている。処理部では、プロセッサが、メモリ等に読み込まれたソフトウェア（プログラム）を実行し、メモリ及びストレージにおけるデータの読み出し及び書き込み、並びに、通信デバイスによる通信を制御する。記憶部は、例えばハードディスク等であり、各種データを記憶する。入力受付部は、各種情報を表示すると共に、ユーザから各種情報の入力を受け付けるインターフェース部である。

引き続いて、レーザ加工装置１００が実施するレーザ光の補正方法について説明することにより、制御部６０の動作の詳細について説明する。この方法は、制御部６０が各処理を実行することにより実施される。図５は、レーザ光の補正方法を示すフローチャートである。制御部６０は、レーザ加工装置１００の初期状態を示す情報を予め保持している。制御部６０が保持する初期状態に関する情報は、一例として、撮像面５０ｓ上での非制御光Ｌ３の位置（座標）、スポットサイズ（ビーム面積）、及び輝度や、撮像面４０ｓ上での制御光Ｌ２の位置（座標）、スポットサイズ（ビーム面積）、及び輝度等の初期値である。

ここでは、まず、制御部６０が、初期位置からの変位の計測を行う（工程Ｓ１）。より具体的には、制御部６０は、第２検出器５０により非制御光Ｌ３を撮像することにより、非制御光Ｌ３の光軸に交差する面（ここでは撮像面５０ｓであり、以下、「ＸＹ面」という場合がある）内での非制御光Ｌ３の現在位置の初期位置からのズレ量である第１ズレ量を取得する第１取得処理を実行する。図６の（ａ）は、非制御光Ｌ３のビームスポットがＸＹ面において初期位置（ｘ，ｙ）にある状態を示し、図６の（ｂ）は、非制御光Ｌ３のビームスポットがＸＹ面において初期位置（ｘ，ｙ）から変位した位置（ｘ+Δｘ，ｙ+Δｙ）にある状態を示す。すなわち、ここでは、第１ズレ量としてΔｘとΔｙとが取得される。一例として、Δｘ＝+４７pixelであり、Δｙ＝－２６pixelである。このようなズレは、例えば経年により生じ得る。

図７は、第１検出器４０の撮像面４０ｓを示す画像である。図７の（ａ）は、制御光Ｌ２のビームスポットが初期位置にある状態を示す。図７の（ｂ）に示されるように、非制御光Ｌ３がＸＹ面において初期位置からずれていると、制御光Ｌ２についても同様に、光軸に交差する面内でずれが生じている。撮像面４０ｓ上でのズレ量であるΔｕ及びΔｖは、一例として、Δｕ＝+１８pixel、及び、Δｖ＝－１０pixelである。図６，７に示されるように、位相制御部２０で制御を受けた制御光Ｌ２にずれが生じる一方で、位相制御部２０で制御を受けない非制御光Ｌ３にもずれが生じていることから、当該ずれが、少なくとも位相制御部２０の前段側であるレーザ光源１０に起因するものを含むことが理解される。

この工程Ｓ１では、さらに、制御部６０が、第２検出器５０により非制御光Ｌ３を撮像することにより、非制御光Ｌ３の広がり角の初期位置からの変位を取得する第２取得処理を実行する。図８の（ａ）は、非制御光Ｌ３のＸＹ面でのビームスポットが初期状態である場合を示す画像である。図８の（ｂ）は図８の（ａ）の拡大図である。一方、図９の（ａ）は、非制御光Ｌ３のビームスポットがＸＹ面において初期状態から変化した状態を示す画像である。図９の（ｂ）は、図９の（ａ）の拡大図である。図８，９に示されるように、ここでは、ＸＹ面内において非制御光Ｌ３の広がり角に変化が生じている。なお、図８，９において、ビームスポットを検出するためにソフトウェアで描画されたドットがビームスポットの外周部に示されている。

制御部６０は、このような第２検出器５０による検出結果（画像）に基づいて、非制御光Ｌ３のＸＹ面でのスポットサイズの初期値Ｓからの変化量ΔＳ、及び／又は、非制御光Ｌ３のＸＹ面での強度の初期値Ｉからの変化量ΔＩを取得する。これらの変化量ΔＳ，ΔＩは、非制御光Ｌ３の広がり角を示す指標となる。

なお、図１０は、第１検出器４０の撮像面４０ｓを示す画像である。図１０の（ａ）は、制御光Ｌ２のビームスポットが初期状態にある場合を示す画像である。図１０の（ｂ）は、図１０の（ａ）の拡大図である。一方、図１１の（ａ）は、制御光Ｌ２のビームスポットが初期状態から変化した状態を示す画像である。図１１の（ｂ）は、図１１の（ａ）の拡大図である。図１０，１１に示されるように、ここでは、制御光Ｌ２の広がり角にも変化が生じている。

図８～１１に示されるように、非制御光Ｌ３の広がり角に変化が生じていると、制御光Ｌ２についても同様に、広がり角に変化が生じている。位相制御部２０で制御を受けた制御光Ｌ２に広がり角の変化が生じる一方で、位相制御部２０で制御を受けない非制御光Ｌ３にも広がり角の変化が生じていることから、当該変化が、少なくともレーザ光源１０に起因するものを含むことが理解される。

続く工程では、制御部６０が、第１ズレ量としてΔｘ，Δｙを含む非制御光Ｌ３のＸＹ面（撮像面５０ｓ）での座標（ｘ＋Δｘ，ｙ＋Δｙ）を、空間位相変調器２１に表示させるホログラム上の座標（以下、「ＵＶ面上の座標」と称する場合がある）に変換する（工程Ｓ２）。図１２は、座標変換の一例を説明するための図である。ＸＹ面上の座標とＵＶ面上の座標との間のスケールｓの変換は下記式（１）で示され、角度θの変換は下記式（２）で示される。したがって、ＸＹ面上の座標とＵＶ面上の座標との間の座標変換は、下記式（３）となる。一例として、非制御光Ｌ３のＸＹ面上の座標が（ｘ１，ｙ１）であるとしたとき、ここでは、非制御光Ｌ３のＵＶ面上の座標が（ｕ１，０）として算出される。

続く工程では、制御部６０が、非制御光Ｌ３の状態変化が許容範囲内であるか否かの判定を行う（工程Ｓ３）。より具体的には、制御部６０は、工程Ｓ１で取得した非制御光Ｌ３のＸＹ面でのスポットサイズの初期値Ｓからの変化量ΔＳ、及び／又は、非制御光Ｌ３のＸＹ面での強度の初期値Ｉからの変化量ΔＩが、許容範囲か否かの判定を行う。すなわち、ここでは、一例として、広がり角が許容範囲内であるか否かの判定を行う。

工程Ｓ３の判定の結果、非制御光Ｌ３の状態変化が許容範囲内でない場合（工程Ｓ３：Ｎｏ）、制御部６０が、ＸＹ面での非制御光Ｌ３の広がり角を取得する（工程Ｓ４、第２取得処理）。より具体的には、制御部６０が、まず、第２検出器５０によって、非制御光Ｌ３を検出しながら非制御光Ｌ３の光軸方向に沿って第２検出器５０を駆動せることにより、非制御光Ｌ３が撮像面５０ｓ上で最も集光される位置の初期位置からのズレ量である第２ズレ量を取得する。

図１３は、各種の指標に基づいて第２ズレ量を取得する場合のグラフである。なお、図１３では、横軸は、光軸方向における第２検出器５０（カメラ）の初期位置からの相対位置（すなわち第２ズレ量）を示す。図１３の（ａ）は非制御光Ｌ３のピーク輝度を指標としたものであり、図１３の（ｂ）は非制御光Ｌ３の輝度密度を指標としたものである。これらの場合には、第２検出器５０を光軸方向に移動させることにより、それぞれの指標の最大値が得られるため、その最大値が得られた相対位置が第２ズレ量となる。

一方、図１３の（ｃ）は、スポットサイズ（ビーム面積）を指標としたものである。この場合には、第２検出器５０を光軸方向に移動させることにより、その最小値が得られる。そして、その最小値が得られた相対位置が第２ズレ量となる。ここでは、いずれの場合であっても、１．５ｍｍと同様の第２ズレ量が取得される。第２ズレ量は、非制御光Ｌ３の焦点位置の光軸方向へのシフト量である。

さらに、ここでは、制御部６０が、取得した第２ズレ量に基づいて、非制御光Ｌ３の広がり角を算出する。広がり角は、第２ズレ量に相当するフレネルレンズの焦点距離ｆ_ＦＬとして算出される。第２ズレ量に相当する焦点距離ｆ_ＦＬは、下記式により求められる。具体的には、下記式（４）は、空間位相変調器２１に表示されるＣＧＨにより実現されるフレネルレンズとレンズ８０との合成レンズの焦点距離f_０に関する式であり、下記式（５），（６）は、下記式（４）をフレネルレンズの焦点距離ｆ_ＦＬの式に変形したものである。なお、下記式のｄは、レンズ８０とフレネルレンズとの距離である。

これに対して、上記のとおり取得した第２ズレ量（焦点位置のシフト量）をΔｄとすると、ｆ_０＝ｆ_ｍ＋Δｄであるから、これを上記式（６）に導入すると、対応するフレネルレンズの焦点距離ｆ_ＦＬは、下記式（７）として表され、さらに変形すると下記式（８）として取得される。一例として、Δｄが上記のとおり１．５ｍｍであるとき、相当するフレネルレンズの焦点距離ｆ_ＦＬは、６２５７０ｍｍとなる。

なお、工程Ｓ３の判定の結果、非制御光Ｌ３の状態変化が許容範囲内である場合（工程Ｓ３：ＹＥＳ）、制御部６０が、非制御光Ｌ３の広がり角が０であるとして、すなわち、フレネルレンズの焦点距離ｆ_ＦＬが無限大であるとして（工程Ｓ５）、後の工程Ｓ６に移行する。なお、フレネルレンズの焦点距離ｆ_ＦＬが無限大であるとすることは、補正用のＣＧＨの生成の際にフレネルレンズの成分を追加しないことを意味する。また、上記の例では、広がり角が正である場合（発散する方向への変化が生じている場合）を示すが、広がり角は負である場合（収束する方向への変化が生じている場合）もある。

続く工程では、制御部６０が、以上のような状態の変化を補正するためのＣＧＨを生成する（工程Ｓ６）。より具体的には、制御部６０は、上記のとおり取得した第１ズレ量であるΔｘ及びΔｙと、第２ズレ量に相当する広がり角としてのフレネルレンズの焦点距離ｆ_ＦＬを打ち消すためのパラメータ（－Δｕ，－Δｖ，－ｆ_ＦＬ）を含むパターンが重畳されたＣＧＨを生成する。制御部６０は、生成したＣＧＨを空間位相変調器２１に表示させる。これにより、当該ＣＧＨが表示された空間位相変調器２１によって制御光Ｌ２の空間位相が（当該ＣＧＨに応じて）制御されることとなり、制御光Ｌ２の光軸方向に交差する面内での位置ズレ、及び、制御光Ｌ２の広がり角が補正され、初期状態に維持される。

この点について、より具体的に説明する。図１４の（ａ）は、実際に生成された補正のためのＣＧＨを示す。制御部６０は、このＣＧＨを空間位相変調器２１に表示させる。これにより、図１４の（ｂ）～（ｄ）に示されるように、図１１と比較して制御光Ｌ２の広がり角（輝度、スポットサイズ）が補正されて、図１０の初期状態に戻されていることが理解される。同様に、図１５の（ａ）の初期状態から図１５の（ｂ）のように光軸方向に交差する面内で生じた制御光Ｌ２の位置ずれが、図１５の（ｃ）に示されるように補正され、初期状態に戻されている。

なお、非制御光Ｌ３については、空間位相変調器２１において空間位相の制御を受けないため、図１５の（ｄ）の初期状態から図１５の（ｅ）のようにＸＹ面内で位置ずれが生じた場合、当該ＣＧＨを空間位相変調器２１に表示しても、図１５の（ｆ）のように図１５の（ｅ）の状態が維持される。

この後、制御部６０は、以上の制御を継続するか否かの判定を行う（工程Ｓ６）。この工程Ｓ６の判定の結果が、制御を継続しないことを示す結果であった場合、処理を終了する。一方、工程Ｓ６の判定の結果が、制御を継続することを示す結果であった場合、工程Ｓ１に戻り処理を繰り返す。

以上のように、制御部６０は、第２検出器５０からの非制御光Ｌ３の検出結果に基づいて、位相制御部２０での制御光Ｌ２の空間位相の制御状態を補正するように位相制御部２０を制御する補正処理を実行する。より具体的には、制御部６０は、取得した第１ズレ量に基づいて、制御光Ｌ２の光軸方向に交差する面内での制御光Ｌ２の位置ずれを補正するように、位相制御部２０を制御する第１補正処理を実行することとなる。また、制御部６０は、取得した広がり角に基づいて、制御光Ｌ２の広がり角を補正するように、位相制御部２０を制御する第２補正処理を実行することとなる。

特に、ここでは、位相制御部２０は、入力されたレーザ光Ｌ１を回折することにより複数の回折光に分岐して出射するための位相変調パターン（ＣＧＨ）を表示することにより、レーザ光Ｌ１の０次光を非制御光Ｌ３として出射すると共に、レーザ光Ｌ１の他の次数の回折光を制御光Ｌ２として出射するための空間位相変調器２１を含む。そして、制御部は、非制御光Ｌ３の検出結果に基づいて、空間位相変調器２１に表示する位相変調パターンを調整することによって、位相制御部２０での制御光Ｌ２の空間位相の制御状態を補正する。

なお、上記の各工程では、制御部６０が、第２検出器５０の検出結果に基づいて、レーザ光源１０に由来する制御光Ｌ２の集光状態の変化を補正するように位相制御部２０をフィードバック制御している。一方、制御部７０は、上記の各工程と並行して（或いは別個に）、第１検出器４０の検出結果に基づいて、レーザ光源１０以外に由来する制御光Ｌ２の集光状態の変化を補正する処理を実行することができる。例えば、制御光Ｌ２が上記のように多点に分岐されている場合に、制御部７０は、第１検出器４０の検出結果（撮像画像）に基づいて、制御光Ｌ２の各点の強度分布を均一化したり、各点の強度を個別に制御したりするように、位相制御部２０をフィードバック制御することができる。この場合、上記の制御部６０が生成するＣＧＨ等に対して、制御部７０の当該制御のためのＣＧＨを重畳させればよい。

以上説明したように、レーザ加工装置１００では、レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌ１の一部は、位相制御部２０によって空間位相が制御されて制御光Ｌ２とされ、第１光学系３０によって対象物Ａへの照射に供される。一方、レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌ１の別の一部は、非制御光Ｌ３としてレンズ８０により第２検出器５０の撮像面５０ｓに向けて集光される。これにより、レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌ１のうちの位相制御部２０での制御を受けない非制御光Ｌ３が検出される。この非制御光Ｌ３は、位相制御部２０での影響を受けにくく、レーザ光源１０から出射された時点でのレーザ光Ｌ１の特性を保持している。したがって、制御部６０が、この非制御光Ｌ３の検出結果に基づいて、位相制御部２０での制御光Ｌ２の空間位相の制御状態を補正するように位相制御部２０を制御することにより、レーザ光源１０に起因したレーザ光（制御光Ｌ２）の集光状態の変化を容易に補正できる。

この結果、例えば経年変化によってレーザ光源１０から出射されるレーザ光Ｌ１の特性が変化した場合であっても、対象物Ａに照射されるレーザ光Ｌ１の集光状態を容易に特定の初期値に維持することが可能となる。特に、複数のレーザ加工装置１００を並行して用いる場合に、当該特定の初期値を複数のレーザ加工装置１００の間で共通化しておけば、レーザ光源１０から出射されるレーザ光Ｌ１の集光状態の変化がレーザ加工装置１００ごとに異なる場合であっても、それぞれのレーザ加工装置１００でのレーザ光Ｌ１の集光状態が共通の初期値に維持される結果、機差が軽減される。その結果、第１検出器４０の検出結果から、制御光Ｌ２を多点に分岐した場合の個々の強度を均一にする等を共通の処理方法により実施することができる。このように、このレーザ加工装置は、機差の軽減を図ることが可能であるため、並行して複数用いる場合にも有効である。

また、レーザ加工装置１００においては、制御部６０は、第２検出器５０の検出結果に基づいて、非制御光Ｌ３の光軸方向に交差する面内での非制御光Ｌ３の位置のズレ量である第１ズレ量を取得する第１取得処理と、第１ズレ量に基づいて、制御光Ｌ２の光軸方向に交差する面内での制御光Ｌ２の位置ずれを補正するように、位相制御部２０を制御する第１補正処理と、を実行する。このため、非制御光Ｌ３の光軸方向に交差する面内での位置ズレに関する情報に基づいて、容易に、制御光Ｌ２の光軸方向に交差する面内での位置ズレを補正できる。

また、レーザ加工装置１００においては、制御部６０は、第２検出器５０の検出結果に基づいて、非制御光Ｌ３の広がり角を取得する第２取得処理と、広がり角に基づいて、制御光Ｌ２の広がり角を補正するように、位相制御部２０を制御する第２補正処理と、を実行する。このため、非制御光Ｌ３の広がり角の変化量に関する情報に基づいて、容易に、制御光Ｌ２の広がり角の変化を補正できる。

また、レーザ加工装置１００においては、制御部６０は、非制御光Ｌ３を検出しながら非制御光Ｌ３の光軸方向に沿って第２検出器５０を駆動せることにより、非制御光Ｌ３が撮像面５０ｓ上で最も集光される位置の初期位置からのズレ量である第２ズレ量を取得すると共に、第２ズレ量に基づいて広がり角を取得する。このため、第２検出器５０の機械的な駆動に応じて、非制御光Ｌ３の広がり角の変化に関する情報を取得することができる。

さらに、レーザ加工装置１００においては、位相制御部２０は、入力されたレーザ光Ｌ１を回折することにより複数の回折光に分岐して出射するための位相変調パターンを表示することにより、レーザ光Ｌ１の０次光を非制御光Ｌ３として出射すると共に、レーザ光Ｌ１の他の次数の回折光を制御光Ｌ２として出射するための空間位相変調器２１を含む。そして、制御部６０は、非制御光Ｌ３の検出結果に基づいて、空間位相変調器２１に表示する位相変調パターン（ＣＧＨ）を調整することによって、位相制御部２０での制御光Ｌ２の空間位相の制御状態を補正する。このように、空間位相変調器２１を含み、回折によってレーザ光を複数に分岐する場合には、回折されない０次光を非制御光として好適に利用しつつ、液晶層に表示する位相変調パターン（ホログラム）の調整によって容易に制御光Ｌ２の集光状態の変化を補正できる。

さらに、レーザ加工装置１００は、位相制御部２０から出射された制御光Ｌ２を検出するための第１検出器４０を備えている。そして、制御部７０は、第１検出器４０からの制御光Ｌ２の検出結果に基づいて、位相制御部２０での制御光Ｌ２の空間位相の制御状態を調整するための位相変調パターンを生成すると共に、当該位相変調パターンを、補正処理により調整された位相変調パターンに重畳して空間位相変調器２１に表示させる。このため、制御光Ｌ２の検出結果に基づいて、レーザ光源１０以外に起因したレーザ光（制御光Ｌ２）の変化に応じて、制御光Ｌ２の制御状態を調整可能である。

以上の実施形態は、本発明の一態様を説明したものである。したがって、本発明は、上述した態様に限定されず、任意に変形され得る。引き続いて、変形例について説明する。

図１６は、変形例に係るレーザ加工装置のブロック図である。図１７は、図１６に示されたレーザ加工装置の模式図である。図１６，１７に示されるレーザ加工装置（レーザ装置）１００Ａは、上記実施形態に係るレーザ加工装置１００と比較して、位相制御部２０が偏光制御素子２３をさらに含む点、第２検出器５０の前段に偏光子９０が設けられている点で、レーザ加工装置１００と相違している。なお、レーザ加工装置１００Ａでは、制御部７０が省略されている。このため、上述した制御部７０の機能は制御部６０によって実現される。このように、制御部は共通化され得る。

偏光制御素子２３は、レーザ光源１０と空間位相変調器２１との間においてレーザ光Ｌ１の光路上に介在されている。偏光制御素子２３は、例えばλ／２波長板であり、レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌ１を入力する。そして、偏光制御素子２３は、入力されたレーザ光Ｌ１がＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含むようにレーザ光Ｌ１の偏光方向を変えて出射する。

空間位相変調器２１でのレーザ光Ｌ１の利用効率を高める観点からは、図１８の（ａ）に示されるように、レーザ光Ｌ１の偏光方向は、空間位相変調器２１の液晶層に感度のある偏光成分のみとなるように変更される。一方、ここでは、図１８の（ｂ）に示されるように、レーザ光Ｌ１の偏向方向が、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との両方を含むように変更される。したがって、レーザ光Ｌ１のうち、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分のうちの一方（例えばＰ偏光成分）は空間位相変調器２１において空間位相が制御されて制御光Ｌ２とされる一方で、レーザ光Ｌ１のうち、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分のうちの他方（例えばＳ偏光成分）は空間位相変調器２１において空間位相の制御を受けずに非制御光Ｌ３となるのである。

偏光子９０は、ミラー３２と第２検出器５０との間において、制御光Ｌ２及び非制御光Ｌ３の光路上に介在されている。偏光子９０は、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分のうちの他方（例えばＳ偏光成分）のみを透過させる。したがって、レーザ加工装置１００Ａでは、位相制御部２０から出射された制御光Ｌ２及び非制御光Ｌ３の一部は、ミラー３２を透過して偏光子９０に入射するが、非制御光Ｌ３のみが偏光子９０を透過して第２検出器５０に入射される。つまり、ここでは、第２検出器５０は、非制御光Ｌ３のみを検出（撮像）する。

以上のような構成のレーザ加工装置１００Ａでも、レーザ加工装置１００と同様に、非制御光Ｌ３の検出結果に基づいて、位相制御部２０での制御光Ｌ２の空間位相の制御状態を補正するように位相制御部２０を制御することができる。よって、レーザ加工装置１００Ａでも、レーザ加工装置１００と同様の作用・効果を奏することが可能である。

特に、レーザ加工装置１００においては、位相制御部２０は、入力されたレーザ光Ｌ１がＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含むようにレーザ光Ｌ１の偏光方向を変えて出射する偏光制御素子２３と、偏光制御素子２３から出射されたレーザ光Ｌ１のＰ偏光成分及びＳ偏光成分のうちの一方の空間位相を制御して制御光Ｌ２として出射すると共に、レーザ光Ｌ１のＰ偏光成分及びＳ偏光成分の他方を非制御光Ｌ３として出射する液晶型の空間位相変調器２１と、を含む。そして、制御部６０は、非制御光Ｌ３の検出結果に基づいて、空間位相変調器２１に表示する位相変調パターンを調整することによって、位相制御部２０での制御光Ｌ２の空間位相の制御状態を補正する。このため、液晶層に感度の無い偏光成分を非制御光Ｌ３として好適に利用しつつ、液晶層に表示する位相変調パターン（ホログラム）の調整によって容易に制御光Ｌ２の集光状態の変化を補正できる。

さらに、レーザ加工装置１００では、液晶型の空間位相変調器２１を利用する位相制御部２０に代えて、回折光学素子（ＤＯＥ）１２０を利用する位相制御部２０Ａ（図１９参照）を備えることができる。

図１９は、変形例に係る位相制御部を示す模式図である。図１９に示されるように、位相制御部２０Ａは、回折光学素子１２０と、レンズ１２１と、レンズ１２２と、可動ミラー１２３と、可動ミラー１２４と、を含む。レンズ１２１、レンズ１２２、可動ミラー１２３、及び、可動ミラー１２４は、回折光学素子１２０に入射するレーザ光Ｌ１の光路上にこの順で配置されている。

回折光学素子１２０は、入射されたレーザ光Ｌ１を回折することにより複数の回折光に分岐して出射するためのものである。回折光学素子１２０は、レーザ光Ｌ１の０次光を非制御光Ｌ３として出射すると共に、レーザ光Ｌ１の他の次数の回折光を制御光Ｌ２として出射する。

可動ミラー１２３は、例えば、ＸＹ面を規定する一方向であるＸ軸方向に沿った軸の周りに回動可能とされており、可動ミラー１２４は、例えば、ＸＹ面を規定する別方向であるＹ軸方向に沿った軸の周りに回動可能とされている。したがって、ＸＹ面内において非制御光Ｌ３の位置ずれが発生した場合（すなわち、第１ズレ量としてΔｘとΔｙとが取得された場合）、制御部６０は、Δｘ及びΔｙが０となるように、可動ミラー１２３及び可動ミラー１２４を駆動することにより調整する。この結果、制御光Ｌ２の位置ずれが補正される。

また、レンズ１２１とレンズ１２２とは、例えば、ガリレオ式テレスコープを構成している。その拡大率は、レンズ１２１の焦点距離ｆ_１とレンズ１２２の焦点距離ｆ_２とを用いて、-（焦点距離ｆ_２）/（焦点距離ｆ_１）と表される。また、初期状態におけるレンズ１２１とレンズ１２２との距離ｄは、焦点距離ｆ_１と焦点距離ｆ_２との合計に等しい。レンズ１２２は、光軸方向に沿って可動とされている。したがって、非制御光Ｌ３の広がり角に変化が発生した場合（すなわち、第２ズレ量が取得された場合）、制御部６０は、光軸方向に沿ってレンズ１２２の位置を変化させることにより、制御光Ｌ２の広がり角を補正できる。

すなわち、この変形例の場合にも、制御部６０は、第２検出器５０からの非制御光Ｌ３の検出結果に基づいて、位相制御部２０Ａでの制御光Ｌ２の空間位相の制御状態を補正するように位相制御部２０Ａを制御するための補正処理を実行することができる。より具体的には、制御部６０は、上記実施形態と同様に、第１補正処理及び第２補正処理を実行できる。

なお、位相制御部２０Ａでは、上記のガリレオ式テレスコープを構成するレンズ１２１，１２２に代えて、図２０に示されるようなケプラー式テレスコープを構成するレンズ１２１Ａ，１２２Ａを採用してもよい。この場合の拡大率は、レンズ１２１Ａの焦点距離ｆ_１とレンズ１２２Ａの焦点距離ｆ_２とを用いて、（焦点距離ｆ_２）/（焦点距離ｆ_１）と表される。また、初期状態におけるレンズ１２１とレンズ１２２との距離ｄは、焦点距離ｆ_１と焦点距離ｆ_２との合計に等しい。

さらに、以上の実施形態及び変形例では、対象物Ａの加工を行うためのレーザ加工装置を例示した。しかし、本発明は、顕微鏡といったように加工の目的と異なる目的のレーザ装置にも適用され得る。

１００，１００Ａ…レーザ加工装置（レーザ装置）、１０…レーザ光源、２０…位相制御部、２１…空間位相変調器（液晶型空間位相変調器）、２３…偏光制御素子、３０…第１光学系、４０…第１検出器（別の検出器）、５０…第２検出器（検出器）、５０ｓ…撮像面（検出面）、６０，７０…制御部、８０…レンズ（第２光学系）。

Claims (7)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を入力し、前記レーザ光の一部の光の空間位相を制御して制御光として出射すると共に、前記レーザ光の別の一部の光を非制御光として出射するための位相制御部と、
   前記位相制御部から出射された前記制御光を対象物に照射するための第１光学系と、
   前記位相制御部から出射された前記非制御光を検出するための検出器と、
   前記位相制御部から出射された前記非制御光を前記検出器の検出面に向けて集光するための第２光学系と、
   前記検出器からの前記非制御光の検出結果に基づいて、前記位相制御部での前記制御光の空間位相の制御状態を補正するように前記位相制御部を制御するための補正処理を実行する制御部と、
   を備えるレーザ装置。
2. 前記制御部は、
   前記検出結果に基づいて、前記非制御光の光軸方向に交差する面内での前記非制御光の位置のズレ量である第１ズレ量を取得する第１取得処理と、
   前記補正処理として、前記第１ズレ量に基づいて、前記制御光の光軸方向に交差する面内での前記制御光の位置ずれを補正するように、前記位相制御部を制御する第１補正処理と、
   を実行する、
   請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記制御部は、
   前記検出結果に基づいて、前記非制御光の広がり角を取得する第２取得処理と、
   前記補正処理として、前記広がり角に基づいて、前記制御光の広がり角を補正するように、前記位相制御部を制御する第２補正処理と、
   を実行する、
   請求項１又は２に記載のレーザ装置。
4. 前記制御部は、前記第２取得処理では、前記非制御光を検出しながら前記非制御光の光軸方向に沿って前記検出器の前記検出面を移動させることにより、前記非制御光が前記検出面上で最も集光される位置の初期位置からのズレ量である第２ズレ量を取得すると共に、前記第２ズレ量に基づいて前記広がり角を取得する、
   請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記位相制御部は、
   入力された前記レーザ光がＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含むように前記レーザ光の偏光方向を変えて出射する偏光制御素子と、
   前記偏光制御素子から出射された前記レーザ光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分のうちの一方の空間位相を制御して前記制御光として出射すると共に、前記レーザ光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分のうちの他方を非制御光として出射する液晶型空間位相変調器と、を含み、
   前記制御部は、前記補正処理では、前記非制御光の検出結果に基づいて、前記液晶型空間位相変調器に表示する位相変調パターンを調整することによって、前記位相制御部での前記制御光の空間位相の制御状態を補正する、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
6. 前記位相制御部は、入力された前記レーザ光を回折することにより複数の回折光に分岐して出射するための位相変調パターンを表示することにより、前記レーザ光の０次光を前記非制御光として出射すると共に、前記レーザ光の他の次数の回折光を前記制御光として出射するための液晶型空間位相変調器を含み、
   前記制御部は、前記補正処理では、前記非制御光の検出結果に基づいて、前記液晶型空間位相変調器に表示する位相変調パターンを調整することによって、前記位相制御部での前記制御光の空間位相の制御状態を補正する、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
7. 前記位相制御部から出射された前記制御光を検出するための別の検出器を備え、
   前記制御部は、前記別の検出器からの前記制御光の検出結果に基づいて、前記位相制御部での前記制御光の空間位相の制御状態を調整するための位相変調パターンを生成すると共に、当該位相変調パターンを、前記補正処理により調整された位相変調パターンに重畳して前記液晶型空間位相変調器に表示させる、
   請求項５又は６に記載のレーザ装置。

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