JPWO2005118207A1 - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

レーザ発振器（１）より出射されたレーザ光を被加工物（２０）まで導く複数の光学部品からなる光学系を有し、１つのレーザ光を第一の偏光分離手段（５）で２つのレーザ光に分光し、一方はミラー（１４）を経由し、他方は第一のガルバノスキャンミラー（１３）で２軸方向に走査し、２つのレーザ光を第二の偏光分離手段（８）へ導いた後、第二のガルバノスキャンミラー（１２）で走査し、被加工物（２０）を加工するレーザ装置において、前記第一および第二の偏光分離手段をレーザ光の光軸に対して４５°に配置したことを特徴とするレーザ加工装置。

Description

この発明は、プリント基板等の被加工物に対して穴あけ加工を主目的としたレーザ加工装置に関するものであり、特にその生産性、及び加工品質向上を図るものである。

従来のプリント基板等の被加工物に対して穴あけ加工を主目的としたレーザ加工装置の中で、特に２箇所同時に加工を実施することができるレーザ加工装置は、例えば国際公開番号ＷＯ０３／０４１９０４号公報において第９図で示すような構成となっている。
第９図において、１はレーザ発振器、２はレーザ光、３は加工穴を所望の大きさ、形状にするために入射するレーザ光から必要な部分のレーザ光を切り取るマスク、４はレーザ光２を反射して光路を導く複数のミラーである。２４はレーザ光２を２つのレーザ光に分光する第一の偏光ビームスプリッタ、６は第一の偏光ビームスプリッタ２４で分光された一方のレーザ光、６ｐはレーザ光６の偏光方向、７は第一の偏光ビームスプリッタで分光されたもう一方のレーザ光、７ｓはレーザ光７の偏光方向、２５はレーザ光６を反射しレーザ光７を透過し第二のガルバノスキャンミラー１２に導くための第二の偏光ビームスプリッタである。１０は第二の偏光ビームスプリッタにて反射されたレーザ光、１１は第二の偏光ビームスプリッタにて透過されたレーザ光、１４はレーザ光６を第二の偏光ビームスプリッタ２５に導くためのミラー、１７はレーザ光１０、１１を被加工物２０上に集光させるためのｆθレンズ、１３はレーザ光７を２軸方向に走査し、第二の偏光ビームスプリッタ２５に導くための第一のガルバノスキャンミラー、１２はレーザ光１０とレーザ光１１を２軸方向に走査し被加工物２０に導くための第二のガルバノスキャンミラーである。１８は被加工物２０をＸＹ方向に移動させるためのＸＹテーブル、１９はｆθレンズ１７から出射されるレーザ光のエネルギーを測定するパワーセンサ、１５はレーザ光６を遮る第一のシャッター、１６はレーザ光７を遮る第二のシャッターである。尚、パワーセンサ１９は、ＸＹテーブル１８に固定されており、レーザ光のエネルギーを測定する際は、パワーセンサ１９の受光部にレーザ光が当たる位置に移動可能となっている。
第９図に示される如く、１つのレーザ光を偏光ビームスプリッタで２つのレーザ光に分光し、２つのレーザ光を独立に走査することにより、２箇所同時に加工を実施することができる穴あけ加工用レーザ加工装置では、レーザ発振器１より直線偏光にて発振されたレーザ光２は、マスク３、ミラー４を経由して第一の偏光ビームスプリッタ２４に導かれる。
そして、第一の偏光ビームスプリッタ２４にて、レーザ光２のＰ波成分は偏光ビームスプリッタ２４を透過しレーザ光６となり、Ｓ波成分は偏光ビームスプリッタ２４で反射しレーザ光７に分光される。
第一の偏光ビームスプリッタ２４を透過したレーザ光６は、ミラー１４を経由して、第二の偏光ビームスプリッタ２５に導かれる。
一方、第一のビームスプリッタ２４で反射したレーザ光７は、第一のガルバノスキャンミラー１３により２軸方向に走査された後、第二の偏光ビームスプリッタ２５に導かれる。
尚、レーザ光６はいつも同じ位置で第二の偏光ビームスプリッタ２５に導かれるが、レーザ光７は第一のガルバノスキャンミラー１３の振り角を制御することにより第二の偏光ビームスプリッタ２５に入射する位置、角度を調整することができる。
その後、レーザ光１０、１１は第二のガルバノスキャンミラー１２により２軸方向に走査された後、ｆθレンズ１７に導かれ、それぞれ被加工物２０の所定位置に集光される。
このときレーザ光１１は、第一のガルバノスキャンミラー１３を走査することにより、レーザ光１０の光軸に対してある設定範囲内、例えば４ｍｍ角の範囲内で振ることを可能としている。これにより例えば、５０ｍｍ四方等加工可能な範囲で振れる第二のガルバノスキャンミラー１２を介して、被加工物２０上の任意の異なる２点に同時にレーザ光を照射することを可能としている。
第１０図は、偏光ビームスプリッタ２４の原理を説明するための模式図を示し、正面図を中央に、その左右に側面図、上部に上面図を示している。
第１０図において、２６は偏光ビームスプリッタのウィンドウ部分で炭酸ガスレーザの場合、ＺｎＳｅやＧｅが使用される。２７はレーザ光を９０°に折り返すためのミラーである。
偏光ビームスプリッタ２４は、偏光分離をするために入射ビームに対して、ブリュースター角となる構造となっている。
したがって、この偏光ビームスプリッタ２４にレーザ光２８を入射すると偏光方向２８ｐの成分（Ｐ波成分）は透過し、偏光方向２８ｓの成分（Ｓ波成分）は反射する性質を持っている。
また、あらゆる偏光方向が均質に存在する円偏光や、Ｐ波、Ｓ波に４５°の角度をなす偏光方向であればレーザ光は等分され、レーザ光２９とレーザ光３０のエネルギーは等しくなるという性質を持っている。
したがって、第一の偏光ビームスプリッタ２４への入射ビーム２は、円偏光、或いはＰ波、Ｓ波に４５°の角度をなすようにすることにより、エネルギーを等しく分離する構成になっている。
また、当然、偏光ビームスプリッタ２４に入射するレーザ光の偏光方向がＰ波成分のみであれば全て透過し、Ｓ波成分のみであれば全て反射するという性質を持っている。
したがって、第二の偏光ビームスプリッタ２５への入射ビームは、レーザ光７がＰ波成分のみを、レーザ光６がＳ波成分のみになるようにすることで、エネルギーロスなく第二のカルバノスキャンミラー１２に導く構成となっている。
上記のような従来のレーザ加工装置では、第一の偏光ビームスプリッタ２４、第二の偏光ビームスプリッタ２５ともに、レーザ光のウィンドウ部分２６への入射角がブリュースター角になるようウィンドウを配置することによりレーザ光２をＳ波、Ｐ波成分に分光しているが、例えば、炭酸ガスレーザの分光にＺｎＳｅを材質としたウィンドウを使用した場合、ブリュースター角は６７．５°とウィンドウへの入射角が大きくなり、偏光ビームスプリッタに導かれるレーザ光の径がφ３５ｍｍとすると、ウィンドウ上のレーザ光径は長軸方向で９４ｍｍとなってしまう。よって、ウィンドウは上記レーザ光径の２．５倍以上の有効径が必要となり、製作精度の維持が困難であるという問題点があった。
また、第一の偏光ビームスプリッタ２４をＰ波成分として透過したレーザ光６は第二の偏光ビームスプリッタ２５において、Ｓ波成分として反射させる必要があり、第一の偏光ビームスプリッタ２４をＳ波成分として反射したレーザ光７は第二の偏光ビームスプリッタ２５において、Ｐ波成分として透過させる必要があるため、第一、第二の偏光ビームスプリッタにはそれぞれレーザ光を９０°に折り返すためのミラー２７を備える必要があり、また、ウィンドウ部分２６とミラー２７の相対位置関係は偏光ビームスプリッタ後の光路の精度に大きな影響を及ぼすため、ウィンドウ部分２６とミラー２７の相対位置関係に注意し、偏光ビームスプリッタを製作する必要もあったため、偏光ビームスプリッタがより高価な光学部品となるという問題点もあった。
また、ｆθレンズ１７の特性を考慮し、より安定した加工品質を得るため、第一の偏光ビームスプリッタ２４からｆθレンズ１７間の光路長を極力短くする必要があり、偏光ビームスプリッタの有効径を大きくする必要があった。しかし、偏光ビームスプリッタの有効径を十分大きく設計することが困難なため、実際は偏光ビームスプリッタの有効径が十分でなく、ｆθレンズ１７へ導かれるレーザ光の径が所望の径よりも小さく制約されると、ｆθレンズの焦点距離が一定の場合、被加工物上のレーザ光の径は所望の径よりも大きく制約され、より小さい穴加工に適した光路を構成することができなくなり、要求される加工品質を得ることができないという問題点もあった。
また、光学系に使用される個々の光学部品は製作工程上必ず歪み（収差）を持ち、平面度については要求精度を小さくすればするほど、歩留まりが悪化し、コストが高くなるため、一般的にはレーザ波長λの１／１０〜１／２０程度の光学歪みで製作される。この程度の光学部品を何も考慮せずに複数枚組み合わせた光学系を構築すると、個々の収差が積み重なり、非点収差等が発生し、要求される加工品質を得ることができない場合があるという問題点もあった。
また、それぞれの表面形状が平面の光学部品は一般的には表面と裏面を製作する製作工程は同じであるため、表面と裏面の表面形状は共に凸形状、或いは凹形状となる傾向が強く、透過型の光学部品では光学歪み（収差）を増大するという問題点もあった。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、偏光分離手段により、分光したレーザ光を用いて加工を行うレーザ加工装置において、偏光分離手段として安価な光学部品を使用することができ、また被加工物上のレーザ光の径をより小さくできるレーザ加工装置を得ることを第１の目的としている。
また、光学部品の表面形状による収差を低減し加工品質を向上できるレーザ加工装置を得ることを第２の目的としている。

上記目的を達成するために、第１の発明に係るレーザ加工装置においては、レーザ発振器より出射されたレーザ光を被加工物まで導く複数の光学部品からなる光学系を有し、１つのレーザ光を第一の偏光分離手段で２つのレーザ光に分光し、一方はミラーを経由し、他方は第一のガルバノスキャンミラーで２軸方向に走査し、２つのレーザ光を第二の偏光分離手段へ導いた後、第二のガルバノスキャンミラーで走査し、被加工物を加工するレーザ加工装置において、前記第一および第二の偏光分離手段をレーザ光の光軸に対して４５°に配置したものである。
第２の発明に係るレーザ加工装置においては、第一および第二の偏光分離手段は、表面に誘電体多層膜コーティングが形成された偏光ビームスプリッタである。
第３の発明に係るレーザ加工装置においては、前記第一および第二の偏光分離手段は、片方の面が凹形状、その裏面が凸形状である。
第４の発明に係るレーザ加工装置においては、前記第一の偏光分離手段は、レーザ光を反射する側の面を凸形状、その裏面を凹形状とし、該第一の偏光分離手段において反射されたレーザ光を表面形状が凹形状の前記第一のガルバノスキャンミラーに導き、前記第二の偏光分離手段は、レーザ光を反射する側の面を凹形状、その裏面を凸形状としたものである。
第５の発明に係るレーザ加工装置においては、前記第一の偏光分離手段は、レーザ光を反射する側の面を凹形状、その裏面を凸形状とし、該第一の偏光分離手段において反射されたレーザ光を表面形状が凸形状の前記第一のガルバノスキャンミラーに導き、前記第二の偏光分離手段は、レーザ光を反射する側の面を凸形状、その裏面を凹形状としたものである。
第６の発明に係るレーザ加工装置においては、前記第一および第二の偏光分離手段の表面の凹または凸形状は、前記レーザ光の波長をλとした場合、λ／２０以下の精度で形成されているものである。
第７の発明に係るレーザ加工装置においては、前記光学系において、略同一表面形状である１組の光学部品を、一方の光学部品のビーム入射面が他方の光学部品のビーム入射面に対し垂直で、かつ一方の光学部品へのビーム入射角が他方の光学部品へのビーム入射角と同一となるように配置するものである。
第８の発明に係るレーザ加工装置においては、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光が前記第１の偏光分離手段に至るまでのレーザ光路中にマスクを設け、このマスクと前記被加工物との間に前記１組の光学部品を配置したものである。
第９の発明に係るレーザ加工装置においては、前記１組の光学部品を個々に固定するホルダーを有し、前記ホルダーに方向性がある場合、この方向性を示す軸を、それぞれの光学部品の入射面に対して同じ方向に配置したものである。
第１０の発明に係るレーザ加工装置においては、前記１組の光学部品の表面形状は、前記レーザ光の波長をλとした場合、λ／１０〜λ／２０の精度で形成されているものである。
第１１の発明に係るレーザ加工装置においては、前記第一および第二の偏光分離手段は、レーザ光の進行方向に垂直で、かつ互いに直交する２軸方向に角度調整可能な機構を備えたものである。
第１２の発明に係るレーザ加工装置においては、前記第二の偏光分離手段からエネルギーロスとして漏れるレーザ光を吸収するためにダンパーを備えたものである。
この発明によれば、偏光分離手段として入射角が４５°の偏光ビームスプリッタを用いたことにより、ｆθレンズにより大きい径のレーザ光を入射させることができ、被加工物上のレーザ光の径をより小さくでき、より微細な加工を実施することができる。また、偏光分離手段が安価となりコスト低減ができる。

第１図は、この発明の実施の形態１を示すレーザ加工装置の構成図である。
第２図は、この発明の実施の形態１を示す偏光ビームスプリッタを固定するホルダー部分の概略図である。
第３図は、この発明の実施の形態２を示すレーザ加工装置の構成図である。
第４図は、この発明の実施の形態２であるレーザ加工装置の光学部品表面形状と屈折力との関係を説明するための模式図である。
第５図は、この発明の実施の形態２であるレーザ加工装置の光学部品の配置を説明するための模式図である。
第６図は、この発明の実施の形態２であるレーザ加工装置の方向性を持った光学部品ホルダーの配置と屈折力との関係を説明するための模式図である。
第７図は、この発明の実施の形態３を示すレーザ加工装置の構成図である。
第８図は、この発明の実施の形態３であるレーザ加工装置の光学部品表面形状と屈折力との関係を説明するための模式図である。
第９図は、この発明に係る従来技術を示すレーザ加工装置の構成図である。
第１０図は、この発明に係る従来技術を示すレーザ加工装置の偏光ビームスプリッタを説明するための模式図である。

実施の形態１．
第１図はこの発明の実施の形態１に係り、偏光分離手段として入射角４５°の偏光ビームスプリッタを用い、１つのレーザ光を２つのレーザ光に分光し、２つのレーザ光を独立に走査することにより、２箇所同時に加工を実施することができる穴あけ用レーザ加工装置を示す構成図である。従来技術の第９図と同一構成については同一番号を付与し、詳細な説明は省略する。
第１図において、５は第一の偏光ビームスプリッタ、６は第一の偏光ビームスプリッタ５を透過したレーザ光、６ｐはレーザ６の第一の偏光ビームスプリッタにとってＰ波成分となる偏光方向、６ｓはレーザ光６の第一の偏光ビームスプリッタにとってＳ波成分となる偏光方向、７は第一の偏光ビームスプリッタ５を反射したレーザ光、７ｓはレーザ光７の第一の偏光ビームスプリッタにとってＳ波成分となる偏光方向、７ｐはレーザ光７の第一の偏光ビームスプリッタにとってＰ波成分となる偏光方向、８は第二の偏光ビームスプリッタ、９はエネルギーロスとして発生するレーザ光を受け止めるダンパー、１０はレーザ光６のうち第二の偏光ビームスプリッタ８で反射したレーザ光、１１はレーザ光７のうち第二の偏光ビームスプリッタ８で透過したレーザ光である。
従来技術においてレーザ光を偏光分離する場合は、入射角をブリュースター角としたウィンドウを用い、Ｐ波成分、Ｓ波成分を等しく含むレーザ光を偏光分離することにより、透過するＰ波成分と反射するＳ波成分を等分配し、レーザ光のエネルギーを等しく分割している。
しかしながら、本実施の形態においては、反射面に例えば誘電体多層膜のコーティングを施した偏光ビームスプリッタを用いることにより、入射角をブリュースター角ではなく光軸に対し４５°の配置として、一定の精度でＰ波を透過し、かつある一定の精度でＳ波を反射させ、レーザ光のエネルギーを等しく分割する。
一例として、Ｐ波の９５％とＳ波の５％を透過し、Ｓ波の９５％とＰ波の５％を反射するようにコーティングされた偏光ビームスプリッタを使用した場合について説明する。第一の偏光ビームスプリッタ５に入射するレーザ光のエネルギーを１００％とすると、第一の偏光ビームスプリッタ５を透過したレーザ光６はＰ波成分を４７．５％、Ｓ波成分を２．５％含むことになる。その後、第二の偏光ビームスプリッタ８には、４７．５％のＳ波成分と２．５％のＰ波成分を含むレーザ光が入射され、第二の偏光ビームスプリッタ８を反射するレーザ光は４５．１２５％のＳ波成分と０．１２５％のＰ波成分を含み、第二のガルバノスキャンミラー１２へ導かれるレーザ光１０のエネルギーは最終的に４５．２５％となる。第二の偏光ビームスプリッタ８を透過するエネルギーロスとなるレーザ光は２．３７５％のＳ波成分と２．３７５％のＰ波成分を含むこととなる。
一方、第一の偏光ビームスプリッタ５を反射したレーザ光７についても同様の過程を経て、４５．２５％のエネルギーが第二のガルバノスキャンミラー１２へ導かれ、４．７５％のエネルギーがロスとなる。
よって、計９．５％がエネルギーロスとして第二のガルバノスキャンミラー１２に導かれることはないが、本実施の形態による光路を構成した場合、レーザ光６のロス分は第二の偏光ビームスプリッタを透過し、レーザ光７のロス分は反射するので、このエネルギーロスとなるレーザ光は、ダンパー９の部分に全て集めることができ、ロス分のレーザ光による光学部品等の損傷を防止することができる。
上記偏光ビームスプリッタは、入射角４５°でＰ波の９５％とＳ波の５％を透過し、Ｓ波の９５％とＰ波の５％を反射するとしたが、入射角が４５°からずれた場合は、透過するＰ波と反射するＳ波の割合が減少し、エネルギーロスが増加することとなるので、入射角４５°で配置することが望ましい。
上記では、Ｐ波の９５％とＳ波の５％を透過し、Ｓ波の９５％とＰ波の５％を反射する偏光ビームスプリッタのエネルギーロスが９．５％であることを説明したが、Ｐ波の透過率およびＳ波の反射率を９５％より高くすれば、エネルギーロスは９．５％より小さくなることは明らかである。
また、本実施の形態による偏光ビームスプリッタは、レーザ光の入射角を４５°で配置するため、偏光ビームスプリッタに導かれるレーザ光の径をφ３５ｍｍとすると、ウィンドウ上のレーザ光径は長軸方向で５２ｍｍと前記レーザ光径の１．５倍程度となり、入射角がブリュースター角の従来の偏光ビームスプリッタのウィンドウ有効径が入射レーザ光径の２．５倍以上必要であるのに比較し、より小さい形状で製作することができる。ウィンドウの面積で比較すると、短軸方向はいずれも３５ｍｍでよいので、入射角４５°の偏光ビームスプリッタは従来の偏光ビームスプリッタに比べ４４．６％の面積の削減ができる。これにより、加工装置の小型化が可能となる。
また、同じ径のウィンドウ、例えば５３ｍｍの場合、従来の偏光ビームスプリッタではブリュースター角が６７．５°の関係上、分光可能なレーザ光径はφ２０ｍｍ程度であるが、入射角４５°の偏光ビームスプリッタではφ３５ｍｍであり、よりレーザ光の径が大きい光路を構成することが可能になる。ここで、ビーム径Ｄのレーザ光を焦点距離ｆのｆθレンズに入射し、このとき被加工物上で集光されるビームスポット径をｄとすると、ビームスポット径ｄとｆθレンズの焦点距離ｆ、入射ビーム径Ｄの関係は次式で表すことがきる。

（１）式は、焦点距離ｆのｆθレンズにより、ワーク上で集光されるビームスポット径ｄは、ｆθレンズに入射するレーザ光のビーム径Ｄに反比例することを示している。
よって、同じ径のウィンドウで偏光ビームスプリッタを構成することを考えた場合、上記のように入射角が４５°の偏光ビームスプリッタはより有効にレーザ光の有効径を確保でき、同じｆθレンズを使う場合、ｆθレンズに入射するビーム径Ｄを大きくすることができるため、さらにビームスポット径の小さい加工を実施することを可能にしている。
また、光路を９０°に折り返すミラーは不要となるため、偏光ビームスプリッタがより安価となり加工装置のコスト削減が可能となる。
尚、この発明の実施形態では、レーザ光を９０°に折り返す光路を構成しているため、入射角が４５°の偏光ビームスプリッタを適用している。この構成にすることによりＸＹテーブル１８上で２軸のガルバノスキャンミラーのスキャン方向が直行するので、第１図のように、この直行する方向をＸＹ方向に合わせることで、Ｘ方向、Ｙ方向をそれぞれガルバノスキャンミラーに１対１に対応させることができ、加工に際するガルバノスキャンミラーの制御が分かりやすくシンプルな構成とすることができる。
偏光ビームスプリッタでの、レーザ光の折り返し角度を９０°より鋭角にした場合、偏光ビームスプリッタの有効径を大きくし、さらにビームスポット径の小さい加工を実施することが可能となる。ただし、この場合はＸＹテーブル上で２軸のガルバノスキャンミラーのスキャン方向が直行しないので、例えば一方のガルバノスキャンミラーのスキャン方向をＸ方向に合わせても、Ｙ方向は他方のガルバノスキャンミラーとＸ方向のガルバノスキャンミラーとの合成でしかスキャンできないため、加工に際するガルバノスキャンミラーの制御が上記レーザ光を９０°に折り返す光路に比べて複雑になる。
実施の形態２．
分光した２つのレーザ光は共に第二の偏光ビームスプリッタを経た後、第１図のＸ方向の軸に平行でかつ、第二のガルバノスキャンミラー１２の中心に導かれる必要があるため、分光されたレーザ光６、７は独立して光軸の調整を実施する必要がある。
レーザ光１０、１１を精度よく第二のガルバノスキャンミラー１２に導くためには、第一の偏光ビームスプリッタ５の直前に設けられたミラー４ｚ以降の光路中において、光路の進行方向に対して垂直で、互いに直交する２軸方向に角度調整が可能なミラーがそれぞれ最低２枚必要であるが、本実施の形態では、レーザ光１０は第一の偏光ビームスプリッタ５直前のミラー４ｚと第二の偏光ビームスプリッタ８により光軸を調整可能とし、一方レーザ光１１は第一の偏光ビームスプリッタ５と第一のガルバノスキャンミラー１３により光軸を調整可能としている。ここで、第一のガルバノスキャンミラー１３は互いにねじれの方向に角度調整可能なミラーを２枚有し、互いに直交する２軸方向に角度調整可能な１枚のミラーと同じ機能を持つとみなせる。
第２図は、この発明の実施の形態２に係り、偏光ビームスプリッタをレーザ光の進行方向に対して垂直で、互いに直交する２軸方向に角度調整が可能な機構を示した図である。第２図において、偏光ビームスプリッタ５または８は固定ホルダー３１により支持されており、固定ホルダー３１はホルダー支え３２に第一の回転軸３５ａを介して回転自在に支持されている。また、ホルダー支え３２は光学系を支持する光学基台３６に第一の回転軸３５ａに直交した第二の回転軸３５ｂを介して回転自在に支持されている。これにより、偏光ビームスプリッタは光路の進行方向に対して垂直で、互いに直交する２軸方向に角度調整が可能となっている。また、ホルダー支え３２の固定ホルダー３１との接合部には固定ホルダー３１の回転方向に長い第一の調整穴３４ａが設けられ、第一の固定ねじ３３ａが貫通し固定ホルダー３１にねじ込まれており、回転調整後、第一の固定ねじ３３ａを締め付けることで固定ホルダー３１をホルダー支え３２に固定できる構造となっている。ホルダー支え３２と光学基台３６との接合部も同様に、第二の調整穴３４ｂと第二の固定ねじ３３ｂにより回転調整後固定可能な構造となっている。
一方、偏光ビームスプリッタの角度調整による偏光ビームスプリッタを透過するレーザ光の光軸の変化量は反射するレーザ光に比べ極度に小さく、無視できる程度であるので、第一の偏光ビームスプリッタ５により反射するレーザ光７、１１の光軸を調整しても透過するレーザ光６、１０の光軸にはほとんど影響を与えず、第二の偏光ビームスプリッタ８により反射するレーザ光６、１０の光軸を調整しても透過するレーザ光７、１１の光軸にはほとんど影響を与えないので、それぞれ独立して調整することができる。
また、ミラー４ｚや第一および第二の偏光ビームスプリッタ５，８の角度を調整した場合、偏光ビームスプリッタへの入射角が４５°からずれる場合もあり、このときレーザ光のエネルギーロスが増加するが、通常角度調整は微小でありエネルギーロスも微小である。また、レーザ発振器の出力による補正も可能なので、光軸調整による加工精度の向上を優先する事が望ましい。
次に、上記調整機構を備えた偏光ビームスプリッタ等による光軸の調整について説明する。
第一の偏光ビームスプリッタ５直前のミラー４ｚの角度調整を実施すると、レーザ光１０、１１は第二のガルバノスキャンミラー１３上で同じ方向に移動する。そのため、光軸調整方向の順序としては、まず２つのレーザ光に作用するミラー４ｚを用いたレーザ光１０の光軸の調整完了後、レーザ光１１の光軸調整を実施する必要がある。また、一度光軸の調整が完了していれば、第一の偏光ビームスプリッタ５直前のミラー４ｚの角度調整を実施することにより、第二のガルバノスキャンミラー１２上での２つレーザ光の相対位置関係を保ったままレーザ光１０、１１の光軸調整を実施することができ、精度よく第二のガルバノスキャンミラー１２の中心に２つのレーザ光を導くための光軸調整を容易にしている。
実施の形態３．
第３図はこの発明の実施の形態３に係り、１つのレーザ光を２つのレーザ光に分光し、２つのレーザ光を独立に走査することにより、２箇所同時に加工を実施することができる穴あけ用レーザ加工装置において、マスク転写を行う光学系を有し、特にマスク後に配置する略同一表面形状を有した１組の光学部品であるミラー４ａ、４ｂもしくは１４ａ、１４ｂを、一方のミラーのビーム入射面が他方のミラーのビーム入射面に対し垂直で、かつ一方のミラーへのビーム入射角が他方のミラーへのビーム入射角と同一（例えば４５°）となるように配置（例えば、一方のミラーでＸ方向から入射したレーザ光をＺ方向に反射し、その後他方のミラーでＹ方向に反射するように配置）した構成を示す構成図である。
第３図において、４ａ、４ｂはレーザ光２をマスク３から第一の偏光ビームスプリッタ５へ導くための略同一表面形状であるミラー、１４ａ、１４ｂは第一の偏光ビームスプリッタ５から第二の偏光ビームスプリッタ８へ導くための略同一表面形状であるミラーである。
本実施の形態３は、実施の形態１と偏光ビームスプリッタに関しては同一であるが、ミラー４，１４の配置もしくは表面形状が異なるので、この発明の特徴である光学部品の配置について第４図を用いて説明する。
第４図において、Ｐｒｕ（α）、Ｐｒｖ（α）はビーム入射角αで入射された入射ビームがミラーにより反射された反射ビームに係るｕ方向、ｖ方向の屈折力であり、Ｐｔｕ（α）、Ｐｔｖ（α）はビーム入射角αで入射された入射ビームがミラーを透過する透過ビームに係るｕ方向、ｖ方向の屈折力である。ここで、ｕ方向は各ビームの進行方向に垂直でかつビーム入射面（入射ビームと反射ビームにより形成される面）に平行な方向であり、ｖ方向は各ビームの進行方向に垂直でかつビーム入射面に垂直な方向である。
ここで、屈折力（Ｐｏｗｅｒ）は光学部品の屈折させる性能を表すパラメータの一つであり、屈折面の状態を示し、一般的に表面曲率半径Ｒに反比例、屈折率ｎに比例する。第４図において、表面曲率半径Ｒが同心円状に均一であり、かつ光学系に対し十分に大きく（光学部品の表面形状を略平面であるとしたとき）、屈折率をｎとすると、屈折力Ｐｒｕ（α）、Ｐｒｖ（α）は次式で与えられる。

一般的に光学部品は表面形状を平面として製作しても、製作工程の中で僅かに歪みを持ち、λ／１０〜λ／２０程度が一般的な加工精度であり、λ／２０より高精度で表面形状を仕上げるためには莫大な時間とコストを必要とする。したがって、一般的な光学部品はλ／１０〜λ／２０程度の表面曲率半径Ｒを持つといえる。例えばＺｎＳｅ（ｎ＝２．４１）に誘電体多層膜コーティングを施したビーム入射角４５°の偏光ビームスプリッタの場合、（２）（３）式より、それぞれ次式が得られる。

（４）（５）式より明らかなように、ビーム入射角４５°では、反射時にｕ方向のほうがｖ方向の屈折力よりも大きくなる。このｕ方向とｖ方向の屈折力の差が加工点にまで伝播すると、非点収差となるので、安定した加工品質を得ることが困難となる可能性がある。
これに対しこの発明では、光学系を構築するにあたり複数枚の光学部品のうち略同一表面形状である１組の光学部品を、一方の光学部品のビーム入射面が他方の光学部品のビーム入射面に対し垂直で、かつ一方の光学部品へのビーム入射角が他方の光学部品へのビーム入射角と同一となるように配置する。
ここで、ミラー１４ａ、１４ｂを用いて構成を説明する。第５図において、ミラー１４ａはＸ方向から入射したレーザ光を２方向に反射し、ミラー１４ｂはミラー１４ａに反射されたレーザ光をＹ方向に反射するように配置されている。また、ミラー１４ａのミラー表面曲率半径をＲａとし、ミラー１４ｂのミラー表面曲率半径をＲｂとする。ミラー１４ａのｕ方向の屈折力をＰａｒｕ（４５°）、ｖ方向の屈折力をＰａｒｖ（４５°）とし、ミラー１４ｂのｕ方向の屈折力をＰｂｒｕ（４５°）、ｖ方向の屈折力をＰｂｒｖ（４５°）とすると、ミラー１４ｂによって反射されたレーザ光のミラー１４ａおよびミラー１４ｂの合成されたｕ方向の屈折力Ｐｒｕ、ｖ方向の屈折力Ｐｒｖは以下のとおりとなる。

ここで、ミラー１４ａとミラー１４ｂは略同一表面形状であるので、Ｒａ≒Ｒｂとなり上記ＰｒｕとＰｒｖは略等しくなり、これによりｕ方向とｖ方向の屈折力の差をキャンセルし、結果として加工点での非点収差を低減でき、安定した加工品質を得ることができる。ミラー４ａ、ミラー４ｂについても同様な構成となっているので、同様な効果が得られる。
上記はα＝４５°で検討したが一般的な角度では以下のようになる。

Ｒａ≒Ｒｂの場合、（８）（９）式より明らかなように、ＰｒｕとＰｒｖは略等しくなり、これによりｕ方向とｖ方向の屈折力の差をキャンセルし、α＝４５°の時と同様に、加工点での非点収差を低減でき、安定した加工品質を得ることができる。
ところで、光学部品を固定するホルダー部材が方向性を持つ構造となっており、このホルダーに支持されたミラーの表面曲率半径がその方向性に沿って変化してしまい非点収差が発生する場合、１組の前記ホルダーに支持されたミラーを、ホルダーの方向性を各入射面に対して同じ方向に合わせるとともに、一方の光学部品のビーム入射面が他方の光学部品のビーム入射面に対し垂直で、かつ一方の光学部品へのビーム入射角が他方の光学部品へのビーム入射角と同一となるように配置する。
第６図に一例を示す。第６図において第一の光学部品３７ａと第二の光学部品３７ｂは同一表面形状の光学部品、第一のホルダー部材３８ａと第二のホルダー部材３８ｂは同一形状の光学部品固定部材である。Ａ、Ｂはそれぞれホルダー部材の持つ方向軸を示し、このホルダーにミラー等の光学部品を取り付けると、ミラー表面の曲率半径が、Ａ方向にはＲＡとなり、Ｂ方向にはＲＢとなる。
第６図のように、第一の光学部品３７ａと第二の光学部品３７ｂとを、第一の光学部品３７ａのビーム入射面が第二の光学部品３７ｂのビーム入射面に対し垂直で、かつ第一の光学部品３７ａへのビーム入射角が第二の光学部品３７ｂへのビーム入射角と同一（例えば４５°）となるように配置し、ホルダー部材の方向性を合わせるためにＡ方向を入射面に平行にした場合、第二の光学部品３７ｂの反射時のｕ方向、ｖ方向の屈折力Ｐｒｕ、Ｐｒｖは以下のようになる。

（１０）（１１）式より明らかなようにＰｒｕとＰｒｖは等しくなり、方向性を持ったホルダーによる非点収差をキャンセルすることができる。これにより、加工点における非点収差を低減することができ、安定した加工品質を得ることができる。入射角が４５°以外のときも非点収差をキャンセルできることは上述したように明らかである。
また、方向性を持った安価なホルダー部材を使用することができ、加工装置のコスト低減になるという効果がある。
なお、本実施の形態ではマスク転写を行う光学系において、マスク後に配置される複数枚の光学部品について説明を行った。これは、マスク転写においては、主にマスク後の光学部品の収差が加工点でのビーム品質に影響を与えるという理由からである。更に、マスク前の複数枚の光学部品についても同様の考え方で配置を行うとより効果が得られることは言うまでもない。
また、マスク転写を行う光学系だけでなくても、同様の考え方で光学部品の配置を行うことにより光学的な収差を低減する効果がある。
実施の形態４．
第７図は、この発明の実施の形態４に係り、第一の偏光分離手段として表面が凸形状、裏面が凹形状である偏光ビームスプリッタと、第二の偏光分離手段として、表面が凹形状、裏面が凸形状である偏光ビームスプリッタを用い、１つのレーザ光を２つのレーザ光に分光し、２つのレーザ光を独立に走査することにより、２箇所同時に加工を実施することができる穴あけ用レーザ加工装置を示す構成図である。
第７図において、２２は表面が凸形状、裏面が凹形状である偏光ビームスプリッタ（第８図（ａ）参照）、２３は表面が凹形状、裏面が凸形状である偏光ビームスプリッタ（第８図（ｂ）参照）である。ここで、それぞれの表面形状は製作機械である研磨機の形状等によって決められるので、制作方法を制御することによって、所望の加工精度の平面度で凹形状か凸形状のどちらかを選択し、製作することができる。
本実施の形態４は、実施の形態１と偏光ビームスプリッタの表面形状の構成が異なっており、この発明の特徴である偏光ビームスプリッタの形状について説明する。
第４図において、Ｐｔｕ（α）、Ｐｔｖ（α）はビーム入射角αで入射された入射ビームが光学部品を透過する透過ビームに係るｕ方向、ｖ方向の屈折力であり、表面曲率半径Ｒが同心円状に均一であり、かつ光学系に対し十分に大きく（光学部品の表面形状を略平面であるとしたとき）、屈折率をｎとすると、屈折力Ｐｔｕ（α）、Ｐｔｖ（α）は次式で与えられる。

例えばＺｎＳｅ（ｎ＝２．４１）に誘電体多層膜コーティングを施したビーム入射角４５°の偏光ビームスプリッタの場合、（１２）（１３）式より、それぞれ次式が得られる。

（４）（５）（１４）（１５）式より明らかなように、ビーム入射角４５°では、反射時だけではなく透過時もｕ方向のほうがｖ方向の屈折力よりも大きくなる。このｕ方向とｖ方向の屈折力の差が加工点にまで伝播すると、非点収差となるので、安定した加工品質を得ることが困難となる可能性がある。
ここで、偏光ビームスプリッタの透過時の屈折力に着目する。透過時の屈折力は偏光ビームスプリッタ表面での屈折力に加え、裏面での屈折力が加算される。すなわち、（１４）、（１５）式より透過時のｕ方向、ｖ方向の屈折力Ｐｔｕａ（４５°）、Ｐｔｖａ（４５°）は、表面、裏面をそれぞれ１、２の添字で示すと以下のようになる。

したがって、第８図（ａ）に示すように表面が凸形状（Ｒ１＞０）、裏面が凹形状（Ｒ２＜０）であると、表面と裏面の屈折力が打ち消すため、透過時の屈折力は小さくなる。結果として、ｕ方向とｖ方向の屈折力の差が小さくなるので、非点収差を低減する効果がある。
また、第８図（ｂ）に示すような表面が凹形状（Ｒ１＜０）、裏面が凸形状（Ｒ２＞０）であるときも同様に表面と裏面の屈折力が打ち消すため、透過時の屈折力は小さくなり、結果として、ｕ方向とｖ方向の屈折力の差が小さくなるので、非点収差を低減する効果がある。
この発明における偏光ビームスプリッタの表面形状は、表面と裏面との曲率半径の絶対値を同等にする必要があるので、加工精度を通常よりも良くすることが望ましく、λ／２０以下が望ましい。
次に光学系全体における第一の偏光ビームスプリッタ、並びに第二の偏光ビームスプリッタの最適形状について説明する。
先までの屈折力の議論と同様、光学系全体においても個々の光学部品の屈折力が加算され、結果として収差が大きいか小さいかが決定される。そこで、第７図の光学系において使用している第一の偏光ビームスプリッタ２２から第二の偏光ビームスプリッタ２３の間の光学部品について、第一の偏光ビームスプリッタを透過するレーザ光６の光路Ａと反射するレーザ光７の光路Ｂとに分けて説明する。
光路Ａでは、第一の偏光ビームスプリッタ２２を透過したレーザ光６がミラー１４ａと１４ｂにより第二の偏光ビームスプリッタ２３に導かれる。ミラー１４ａと１４ｂは、比較的製作が容易であるため、仕上げられる平面度の精度はλ／１０〜λ／２０程度のものが得られる。ただし、以下に示すようにガルバノスキャンミラーの平面度が比較的悪くなる傾向があるので、λ／１５〜λ／２０程度の精度で仕上げることが望ましい。
これに対し、光路Ｂでは、第一の偏光ビームスプリッタ２２を反射したレーザ光７が第一のガルバノスキャンミラー１３ａと１３ｂにより位置決めされ、第二の偏光ビームスプリッタ２３に導かれる。第一のガルバノスキャンミラー１３ａと１３ｂは、高速に動かすために非常に軽い必要があり、また、（１）式で説明したように加工品質を劣化させないようにするためには面積を大きくする必要があるため、薄くて広い形状となり製作が非常に困難であり、仕上げられる平面度は上記ミラーと比較して悪いものになる傾向が強く、λ／１０〜λ／１５程度である。また、表面形状としては、より強く製作機械に依存してしまい、例えば強い凹形状となる。
光路Ａと光路Ｂで個々の平面度が異なると加算される屈折力に差が発生する可能性がある。この屈折力の差は、光路Ａと光路Ｂによる焦点差となる可能性がある。
この発明では、第一のガルバノスキャンミラー１３ａと１３ｂの表面形状が強い凹形状の場合、第一の偏光ビームスプリッタ２２の表面形状を凸形状、裏面形状を凹形状とし、第二の偏光ビームスプリッタ２３の表面形状を凹形状、裏面形状を凸形状としている。
このような構成にすることで、光路Ａでは、第一の偏光ビームスプリッタ２２の透過時にはほとんど屈折力を発生することがなく、ミラー１４ａ、１４ｂでは表面形状の僅かな凹形状から僅かに収束方向の屈折力を持ち、第二の偏光ビームスプリッタ２３に導かれ、第二の偏光ビームスプリッタ２３の反射時に表面形状の僅かな凹形状から僅かに収束方向の屈折力が加算される。結果として僅かに収束方向の屈折力を持つレーザ光となる。
これに対し、光路Ｂでは、第一の偏光ビームスプリッタ２２の反射時に表面の凸形状から僅かに発散方向の屈折力を持って、第一のガルバノスキャンミラー１３ａ、１３ｂに導かれる。第一のガルバノスキャンミラー１３ａ、１３ｂは強い凹形状であるため、強い収束方向の屈折力が加算され、結果として僅かに収束方向の屈折力を持つレーザ光７が第二の偏光ビームスプリッタ２３をほぼ同じ屈折力のまま透過する。
上記では、ミラー１４ａ、１４ｂの表面形状を僅かな凹形状としたが、僅かな凸形状の場合でも、第一のガルバノスキャンミラー１３ａと１３ｂの表面形状を強い凹形状のときに、第一の偏光ビームスプリッタ２２の表面形状を凸形状、裏面形状を凹形状とし、第二の偏光ビームスプリッタ２３の表面形状を凹形状、裏面形状を凸形状とすることで、光路Ａと光路Ｂの屈折力の差を低減することができる。しかし、ミラー１４ａ、１４ｂの表面形状を僅かな凹形状とした方が低減する効果が高いので、凹形状が望ましい。
以上のように、この発明によれば、個々の光学部品が持つ収差成分を光学系の中でキャンセルし、結果として、非点収差や焦点差などの光学的な収差の少ない光学系を得るという効果がある。
また、本実施の形態では、第一の偏光分離手段として表面が凸形状、裏面が凹形状である偏光ビームスプリッタと、第二の偏光分離手段として、表面が凹形状、裏面が凸形状である偏光ビームスプリッタとしたが、第一のガルバノスキャンミラー１３ａ、１３ｂが強い凸形状の場合は、第一の偏光分離手段として表面が凹形状、裏面が凸形状である偏光ビームスプリッタと、第二の偏光分離手段として、表面が凸形状、裏面が凹形状である偏光ビームスプリッタとした上記と逆の配置とすれば、個々の光学部品が持つ収差成分を光学系の中でキャンセルすることができる。
上記説明からも明らかなように、光学系、或いは光学系に使用する光学部品によっては、形状、並びに平面度の最適値が異なることは言うまでもない。
また、本実施の形態では、第一、第二の偏光分離手段の形状に着目したが、上記説明からも明らかなように他の光学部品においても同様の考え方により最適値があることは言うまでもない。
また、実施の形態を１、２、３と分けて説明したが、これらを組み合わせることが可能であることは言うまでもない。

この発明に係るレーザ加工装置は、１つのレーザ光を２つ以上のレーザ光に分光し、同時に２箇所以上のレーザ加工を行う場合において、製作上の困難さやコストを低減する一方で加工品質を向上するのに適している。

Claims (12)

1. レーザ発振器より出射されたレーザ光を被加工物まで導く複数の光学部品からなる光学系を有し、１つのレーザ光を第一の偏光分離手段で２つのレーザ光に分光し、一方はミラーを経由し、他方は第一のガルバノスキャンミラーで２軸方向に走査し、２つのレーザ光を第二の偏光分離手段へ導いた後、第二のガルバノスキャンミラーで走査し、被加工物を加工するレーザ加工装置において、
   前記第一および第二の偏光分離手段をレーザ光の光軸に対して４５°に配置したことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記第一および第二の偏光分離手段は、表面に誘電体多層膜コーティングが形成された偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求の範囲１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第一および第二の偏光分離手段は、片方の面が凹形状、その裏面が凸形状であることを特徴とする請求の範囲１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記第一の偏光分離手段は、レーザ光を反射する側の面を凸形状、その裏面を凹形状とし、
   該第一の偏光分離手段において反射されたレーザ光を表面形状が凹形状の前記第一のガルバノスキャンミラーに導き、
   前記第二の偏光分離手段は、レーザ光を反射する側の面を凹形状、その裏面を凸形状としたことを特徴とする請求の範囲３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記第一の偏光分離手段は、レーザ光を反射する側の面を凹形状、その裏面を凸形状とし、
   該第一の偏光分離手段において反射されたレーザ光を表面形状が凸形状の前記第一のガルバノスキャンミラーに導き、
   前記第二の偏光分離手段は、レーザ光を反射する側の面を凸形状、その裏面を凹形状としたことを特徴とする請求の範囲３に記載のレーザ加工装置。
6. 前記第一および第二の偏光分離手段の表面の凹または凸形状は、前記レーザ光の波長をλとした場合、λ／２０以下の精度で形成されていることを特徴とする請求の範囲３から５のいずれかに記載のレーザ加工装置。
7. 前記光学系において、略同一表面形状である１組の光学部品を、一方の光学部品のビーム入射面が他方の光学部品のビーム入射面に対し垂直で、かつ一方の光学部品へのビーム入射角が他方の光学部品へのビーム入射角と同一となるように配置することを特徴とする請求の範囲１から６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
8. 前記レーザ発振器から出射されたレーザ光が前記第１の偏光分離手段に至るまでのレーザ光路中にマスクを設け、
   このマスクと前記被加工物との間に前記１組の光学部品を配置したことを特徴とする請求の範囲７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記１組の光学部品を個々に固定するホルダーを有し、
   前記ホルダーに方向性がある場合、この方向をそれぞれの光学部品の入射面に対して同じ方向に配置したことを特徴とする請求の範囲７に記載のレーザ加工装置。
10. 前記１組の光学部品の表面形状は、前記レーザ光の波長をλとした場合、λ／１０〜λ／２０の精度で形成されていることを特徴とする請求の範囲６から８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
11. 前記第一および第二の偏光分離手段は、レーザ光の進行方向に垂直で、かつ互いに直交する２軸方向に角度調整可能な機構を備えたものであることを特徴とする請求の範囲１に記載のレーザ加工装置。
12. 前記第二の偏光分離手段からエネルギーロスとして漏れるレーザ光を吸収するためにダンパーを備えたことを特徴とする請求の範囲１に記載のレーザ加工装置。

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