JPH10323773A - レーザアシストによる加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 紫外線レーザの照射によるエッチングで発生
するデブリス（飛散物）が再付着することを抑制するこ
とにある。 【構成】 加工対象物１の被加工面２に短波長の紫外線
レーザＭＬを照射して被加工面２をエッチングする第１
のレーザ発振器３と、紫外線レーザＭＬの照射部位長波
長の炭酸ガスレーザＡＬを照射して紫外線レーザＭＬの
照射部位を含む部位を局部的に加熱する第２のレーザ発
振器４と、紫外線レーザＭＬのメイン照射と炭酸ガスレ
ーザＡＬのアシスト照射を最適制御すると共に、紫外線
レーザＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬに対して加工対象物
１を移動させるＸＹテーブル５を位置制御する制御器６
とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザアシストによる加
工装置に関し、詳しくは、高性能の光学レンズを必要と
する応用分野〔カメラ、計測装置、レーザプリンタ等〕
や大口径の光学素子を必要とするプロジェクタ、大型レ
ーザ装置及びリソグラフィー装置に必要とされるレン
ズ、ミラー等を高精度で製作するためのレーザアシスト
による加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、精密加工用として使用されるレ
ーザ加工装置などでは、微小なスポットにレーザを集光
させるために高精度の光学レンズや反射ミラー等が必要
である。一般に、この種の光学素子〔以下、光学レンズ
と称す〕は、光学ガラスで組成されるものと、光学プラ
スチックで組成されるものとに大別される。

【０００３】これらいずれか一方で組成される光学レン
ズでは、その光学面〔以下、レンズ面と称す〕の形状
が、レーザ光の集光特性に大きく影響する。即ち、前記
光学レンズに入射するレーザが平行波面を具備していた
としても、その光学レンズが波面収差を有している場
合、レーザ光の集光スポット径が増大し、結果として集
光強度が低下する。

【０００４】そのため、上述した光学レンズでは、ポイ
ントに集光したレーザが最小のスポット径を持つような
レンズ面を形成する必要がある。そこで、本出願人は、
短波長の紫外線レーザを加工対象物の表面に照射するこ
とによりその表面をエッチングして高精度な非球面加工
を実現したレンズ面の形成方法を先に提案している（特
開平８−２００７７号公報）。

【０００５】このレンズ面の形成方法は、光学ガラスか
らなる母体の表面に光学素子用樹脂をコーティングした
光学レンズのレンズ面の反射波面を干渉計により測定
し、その干渉計による反射波面をコンピュータシステム
によりモニタリングしながら、そのコンピュータシステ
ムからのモニタリング情報に基づいて前記レンズ面に対
して短波長紫外線レーザを走査させることにより、その
レンズ面を前記短波長紫外線レーザにより非接触でエッ
チングして最適な反射波面となる形状に表面加工するも
のである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したレ
ンズ面の形成方法では、紫外線レーザによるエッチング
量が大きくなると、デブリス（飛散物）の再付着等で光
学レンズのレンズ面が大きく荒れる可能性が大きく、そ
の結果、光学レンズの透明性が損なわれる可能性が生じ
てきた。

【０００７】そこで、本出願人は前述したレンズ面の形
成方法におけるレーザ加工を改善するために本発明を提
案し、その目的とするところは、紫外線レーザの照射に
より生じるデブリス（飛散物）の再付着を可能なかぎり
抑制することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の技術的手段として、本発明は、加工対象物の被加工面
にメインレーザを照射して前記被加工面をエッチングす
る第１のレーザ発振器と、前記メインレーザの照射部位
にアシストレーザを照射して前記メインレーザの照射部
位を含む部位を局部的に加熱する第２のレーザ発振器
と、前記メインレーザの照射とアシストレーザの照射を
最適制御すると共に、前記メインレーザ及びアシストレ
ーザと加工対象物とを相対的に移動させる駆動機構を位
置制御する制御器とを具備し、アシストレーザによる局
部的な加熱によりメインレーザの照射によるエネルギー
不足を補足し、メインレーザの照射によるエッチングで
発生するデブリス（飛散物）が再付着することを抑制す
ることを特徴とする。

【０００９】尚、前記メインレーザとしては短波長の紫
外線レーザ、アシストレーザとしては長波長の炭酸ガス
レーザが好適である。

【００１０】具体的に、本発明が適用される加工対象物
としては、光学ガラスからなる母体の表面に光学素子用
樹脂をコーティングした光学面、又は、光学ガラス又は
石英ガラスからなる母体の光学面を被加工面とし、その
光学面を前記紫外線レーザ及び炭酸ガスレーザの照射に
より最適な透過波面又は反射波面となる形状に加工す
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図１乃至図４
に示して説明する。

【００１２】本発明のレーザアシストによる加工装置
は、図１に示すように加工対象物１の被加工面２にメイ
ンレーザとして短波長の紫外線レーザＭＬを照射する第
１のレーザ発振器３と、その紫外線レーザＭＬの照射部
位にアシストレーザとして長波長の炭酸ガスレーザＡＬ
を照射して紫外線レーザＭＬの照射部位を含む部位を局
部的に加熱する第２のレーザ発振器４と、二つのレーザ
発振器３，４に接続され、紫外線レーザＭＬのメイン照
射と炭酸ガスレーザＡＬのアシスト照射を最適制御する
と共に、位置決め載置された加工対象物１をモータ等の
駆動源（図示せず）によりＸＹ方向に移動可能とする駆
動機構５（以下、ＸＹテーブルと称す）を位置制御する
制御器６とを具備する。

【００１３】尚、前述したレーザ発振器３，４の前方に
は、紫外線レーザＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬを加工対
象物１の被加工面２上でスポット状に集光させるための
集束レンズ７，８がそれぞれ配置され、更にその前方に
紫外線レーザＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬを被加工面２
上に方向転換させるための反射ミラー９，１０を配置す
る。

【００１４】この実施形態で適用する加工対象物１の被
加工面２は、光学ガラスからなる母体の表面に光学素子
用樹脂をコーティングした光学面、又は、光学ガラス又
は石英ガラスからなる母体の光学面が好適である。具体
的に、加工対象物１としては、例えばＢＫ７等の光学ガ
ラスからなる母体の表面に、ポリメタクリル酸メチル
（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート等の光学素子用樹脂を
例えばその膜厚が数ミクロンから数ミリ程度となるよう
にコーティングした光学レンズがある。その他、光学ガ
ラス又は石英ガラスからなる母体自体の光学レンズであ
ってもよい。

【００１５】短波長の紫外線レーザＭＬをメイン照射す
る第１のレーザ発振器３は、例えば１１０〜２２０ｎｍ
の短波長を有する紫外線レーザＭＬを光源とするもの
で、その紫外線レーザＭＬとしては、光学素子用樹脂を
コーティングした場合には１９３ｎｍの短波長のＡｒＦ
からなるエキシマレーザが好適であり、また、石英ガラ
スの場合には、１５３ｎｍの短波長のフッ素レーザが好
適であり、その他水素レーザ等が使用可能である。ま
た、長波長の炭酸ガスレーザＡＬをアシスト照射する第
２のレーザ発振器４は、例えば１０μｍ程度の長波長を
有する炭酸ガスレーザＡＬを光源とすることが好適であ
る。尚、アシストレーザとしては、前述の炭酸ガスレー
ザ以外にも、例えば、熱を発生させるレーザであればよ
い。

【００１６】このレーザアシストによる加工装置では、
レーザ発振器３，４から紫外線レーザＭＬ及び炭酸ガス
レーザＡＬを集束レンズ７，８及び反射ミラー９，１０
を介してＸＹテーブル５上の加工対象物１に向けて照射
する。この時、制御器６により被加工面２上に紫外線レ
ーザＭＬをメイン照射すると共に炭酸ガスレーザＡＬを
アシスト照射するように制御すると共に、紫外線レーザ
ＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬが被加工面２の全面に移動
するようにＸＹテーブル５を駆動制御する。

【００１７】前述した短波長の紫外線レーザＭＬのメイ
ン照射により被加工面２を非接触でエッチングする。被
加工面２が光学素子用樹脂の場合には高分子材料のＣ−
Ｃ結合が破壊されてポリマーからモノマーへの分解が生
じ、また、石英ガラスの場合にはＳｉＯ₂ が飛散し、エ
ッチング後の表面がスムーズな加工が実現される。

【００１８】この時、前述した紫外線レーザＭＬによる
エッチング量が大きくなってもデブリス（飛散物）が被
加工面２に再付着して透明性が損なわれることはない。
即ち、本発明では、この紫外線レーザＭＬのメイン照射
と共にその紫外線レーザＭＬの照射部位に炭酸ガスレー
ザＡＬをアシスト照射することにより、紫外線レーザＭ
Ｌの照射部位を含む部位を局部的に加熱し、紫外線レー
ザＭＬの照射によるエネルギー不足を炭酸ガスレーザＡ
Ｌの照射により補足し、紫外線レーザＭＬの照射による
エッチングで発生するデブリス（飛散物）が再付着する
ことを抑制し、被加工面２の透明性が確保できる。

【００１９】以下では、紫外線レーザＭＬとしてＡｒＦ
エキシマレーザを、アシストレーザとして低出力（例え
ば１０〜４０ｍＪ／ｃｍ² ）の小型炭酸ガスレーザを使
用し、基板にアクリル樹脂を用いて大きさ３ｍｍ角の平
凸シリンドリカルレンズを試作した。尚、前述したアク
リル樹脂以外に、ポリカーボネートやポリオリフィン樹
脂など有機高分子でも同様の効果が得られる。

【００２０】図２（ａ）は紫外線レーザＭＬと炭酸ガス
レーザＡＬとを併用した加工時における被加工面２の形
状プロファイルを示し、同図（ｂ）は紫外線レーザＭＬ
のみを使用した加工時における被加工面２の形状プロフ
ァイルを示す。この両者を比較してみると、紫外線レー
ザＭＬのみを使用した加工〔同図（ｂ）参照〕ではその
被加工面２が荒れて良好な面加工が困難であるのに対し
て、紫外線レーザＭＬと炭酸ガスレーザＡＬとを併用し
た加工〔同図（ａ）参照〕ではスムーズな被加工面２が
得られて良好な面加工が実現できる。

【００２１】また、図３（ａ）は紫外線レーザＭＬと炭
酸ガスレーザＡＬとを併用した加工時における被加工面
２の形状プロファイルを示し、同図（ｂ）は紫外線レー
ザＭＬのみを使用した加工時における被加工面２の形状
プロファイルを示す。但し、両者はガラスの被加工面２
を定点で穴加工した場合を示し、この両者を比較してみ
ると、紫外線レーザＭＬのみを使用した加工〔同図
（ｂ）参照〕ではデブリス（飛散物）が再付着して穴周
辺に盛り上がり（図中ｍ部分）ができて良好な穴加工が
困難であるのに対して、紫外線レーザＭＬと炭酸ガスレ
ーザＡＬとを併用した加工〔同図（ａ）参照〕では穴周
辺の盛り上がりがなくて良好な穴加工が実現できる。

【００２２】ここで、本発明では炭酸ガスレーザＡＬを
併用することにより、その炭酸ガスレーザＡＬにより被
加工面２を局部的に加熱するようにしている。これに対
して、図４は加工対象物１の全体を軟化点以下（加熱温
度８０℃）で加熱した場合における被加工面２の形状プ
ロファイルを示すが、この場合には被加工面２を全体的
に加熱するために炭酸ガスレーザＡＬを併用した場合と
比較して被加工面２の荒れを防止する大きな効果を得る
ことが困難であって好適ではない。

【００２３】尚、精密加工用レーザ装置などで使用さ
れ、均等なレーザを集光させるための光学レンズのレン
ズ面を被加工面２としてレーザ加工するに際しては、被
加工面２の透過波面又は反射波面をモニタリングしなが
ら、そのモニタリング情報に基づいて被加工面２を紫外
線レーザＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬの照射により非接
触でエッチングして最適な透過波面又は反射波面となる
形状に加工すれば、最適な透過波面又は反射波面をリア
ルタイムで目標設定することができる点で好適である。

【００２４】この被加工面２をモニタリングするために
は被加工面２と対向させて干渉計を配置する。この干渉
計は制御器６に接続され、例えば赤色光〔６３３ｎｍ〕
又は緑色光〔５４３ｎｍ〕のＨｅ−Ｎｅレーザ等の光源
を含む光学系及びＣＣＤカメラを具備し、光源から発せ
られた測定レーザを被加工面２で透過又は反射させて干
渉計に内蔵している平面参照板からの反射光と干渉させ
てＣＣＤカメラで撮像する。このＣＣＤカメラからの撮
像信号を制御器６で画像処理し、被加工面２での透過波
面又は反射波面をモニタリングする。このモニタリング
は、制御器６のディスプレイ装置に画面表示することが
可能である。

【００２５】以上の実施形態では、加工対象物１をＸＹ
ステージ５上に載置してその加工対象物１を移動させる
ようにしたが、本発明はこれに限定されることなく、加
工対象物１を固定した状態で反射ミラー９，１０を移動
させて紫外線レーザＭＬ及び炭酸ガスレーザＡＬを走査
するようにしてもよい。更に、本発明は、精密加工用レ
ーザ装置などで使用され、均等なレーザを集光させるた
めの光学レンズ以外の各種の光学レンズに適用可能であ
るのは勿論である。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、短波長の紫外線レーザ
等のメインレーザを照射することにより加工対象物の被
加工面をエッチングし、そのメインレーザの照射と共に
長波長の炭酸ガスレーザ等のアシストレーザを照射する
ことによりメインレーザの照射部位を局部的に加熱する
ようにしたから、メインレーザによる被加工面のエッチ
ング量が大きくなっても、アシストレーザによる補足で
もってデブリスの再付着を抑制することができて被加工
面での透明性などの点で良好な加工が実現でき、高品質
の加工対象物を製作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態におけるレーザアシストによ
る加工装置を示す概略構成図

【図２】（ａ）は紫外線レーザと炭酸ガスレーザとを併
用してアクリル樹脂をコーティングした被加工面を加工
した時の形状プロファイルを示す特性図 （ｂ）は紫外線レーザのみを使用してアクリル樹脂をコ
ーティングした被加工面を加工した時の形状プロファイ
ルを示す特性図

【図３】（ａ）は紫外線レーザと炭酸ガスレーザとを併
用してガラスの被加工面を穴加工した時の形状プロファ
イルを示す特性図 （ｂ）は紫外線レーザのみを使用してガラスの被加工面
を穴加工した時の形状プロファイルを示す特性図

【図４】加工対象物を軟化点以下（加熱温度８０℃）で
加熱した場合における被加工面の形状プロファイルを示
す特性図

【符号の説明】

１ 加工対象物 ２ 被加工面 ３ 第１のレーザ発振器 ４ 第２のレーザ発振器 ５ 駆動機構（ＸＹテーブル） ６ 制御器 ＭＬ メインレーザ（紫外線レーザ） ＡＬ アシストレーザ（炭酸ガスレーザ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加工対象物の被加工面にメインレーザを
   照射して前記被加工面をエッチングする第１のレーザ発
   振器と、前記メインレーザの照射部位にアシストレーザ
   を照射して前記メインレーザの照射部位を含む部位を局
   部的に加熱する第２のレーザ発振器と、前記メインレー
   ザの照射とアシストレーザの照射を最適制御すると共
   に、前記メインレーザ及びアシストレーザと加工対象物
   とを相対的に移動させる駆動機構を位置制御する制御器
   とを具備したことを特徴とするレーザアシストによる加
   工装置。
2. 【請求項２】 前記メインレーザとして短波長の紫外線
   レーザ、アシストレーザとして長波長の炭酸ガスレーザ
   をそれぞれ使用したことを特徴とする請求項１記載のレ
   ーザアシストによる加工装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の被加工面は、光学
   ガラスからなる母体の表面に光学素子用樹脂をコーティ
   ングした光学面、又は、光学ガラス又は石英ガラスから
   なる母体の光学面であり、前記光学面を最適な透過波面
   又は反射波面となる形状に加工することを特徴とするレ
   ーザアシストによる加工装置。