CN1777489A - 激光加工装置 - Google Patents

Abstract

一种激光加工装置，具有由将激光振荡器(1)射出的激光导向被加工物(20)的多个光学部件构成的光学系统，利用第一偏振光分离装置(5)将一束激光分光成两束激光，一束激光经由反射镜(14)，另一束激光利用第一电控扫描反射镜(13)在两个轴方向上扫描，将两束激光导向第二偏振光分离装置(8)后，利用第二电控扫描反射镜(12)进行扫描，加工被加工物(20)，其特征在于，将上述第一和第二偏振光分离装置配置成相对激光的光轴成45°。

Description

激光加工装置

技术领域

本发明涉及以对印刷基板等被加工物进行打孔加工为主要目的的激光加工装置，特别是寻求提高其生产性和加工质量。

背景技术

在现有的以对印刷基板等被加工物进行打孔加工为主要目的的激光加工装置中，特别是可以在两个部位同时实施加工的激光加工装置，为例如国际公开号为WO03/041904号公报中图9所示的结构。

在图9中，1为激光振荡器；2为激光；3为掩模(mask)，其从入射的激光中提取所需部分的激光，以使加工孔成为希望的大小和形状；4为多个反射镜，其反射激光2，引导光路。24为第一偏振光分光器，其将激光2分光成两束激光；6为用第一偏振光分光器24分光后的一束激光；6p为激光6的偏振光方向；7为用第一偏振光分光器分光的另一束激光；7s为激光7的偏振光方向；25为第二偏振光分光器，其用于反射激光6，透过激光7，导向第二电控扫描反射镜12。10为用第二偏振光分光器反射的激光；11为透过第二偏振光分光器的激光；14为反射镜，其用于将激光6导向第二偏振光分光器25；17为fθ透镜，其用于将激光10、11向被加工物20上会聚；13为第一电控扫描反射镜，其用于在两个轴方向上扫描激光7，导向第二偏振光分光器25；12为第二电控扫描反射镜，其用于在两个轴方向上扫描激光10和激光11，导向被加工物20。18为XY工作台，其用于使被加工物20在XY方向移动；19为光强传感器，其检测从fθ透镜17射出的激光的能量；15为遮挡激光6的第一遮光器；16为遮挡激光7的第二遮光器。此外，光强传感器19固定在XY工作台18上，在检测激光的能量时，可以使光强传感器19的受光部移动到激光照射的位置上。

如图9所示，在用偏振光分光器将一束激光分光成两束激光，通过独立扫描两束激光，可以在两个部位同时实施加工的打孔加工用激光加工装置中，利用激光振荡器1以直线偏振光起振的激光2经由掩模3、反射镜4被导向第一偏振光分光器24。

然后，利用第一偏振光分光器24，激光2的P波成分透过偏振光分光器24而成为激光6，S波成分通过第一偏振光分光器24反射而被分光为激光7。

透过第一偏振光分光器24的激光6经由反射镜14，被导向第二偏振光分光器25。

另一方面，用第一偏振光分光器24反射的激光7在利用第一电控扫描反射镜13在两个轴方向上扫描后，被导向第二偏振光分光器25。

此外，激光6总是在相同位置导向第二偏振光分光器25，但是通过控制第一电控扫描反射镜13的偏转角，可以调整激光7向第二偏振光分光器25入射的位置、角度。

此后，激光10、11利用第二电控扫描反射镜12在两个轴方向上扫描后，被导入fθ透镜17，分别在被加工物20的规定位置上会聚。

此时，通过扫描第一电控扫描反射镜13，激光11可以相对激光10的光轴在某个设定范围内，例如在边长4mm的方形范围内移动。这样通过，例如在50mm四方等可加工范围内移动的第二电控扫描反射镜12，可以同时使激光照射在被加工物20上的任意的不同的两个点上。

图10表示用于说明偏振光分光器24的原理的示意图，中央表示正视图，其左右表示侧视图，上部表示顶视图。

在图10中，26是偏振光分光器的窗口部分，在二氧化碳气体激光器的情况下，使用ZnSe或Ge。27是用于将激光反射90°的反射镜。

偏振光分光器24为相对于入射光束成为布儒斯特角的结构，以使偏振光分离。

因此，具有以下性质：当使激光28向该偏振光分光器24入射时，偏振光方向28p的成分(P波成分)透过，偏振光方向28s的成分(S波成分)反射。

此外，具有以下性质：如果是所有偏振光方向性质均匀地存在的圆偏振光或使P波、S波成45°的角度的偏振光方向，则激光被等分，激光29和激光30的能量相等。

因此，成为以下结构：通过使向第一偏振光分光器24的入射光束2成为圆偏振光或使P波、S波成45°的角度，而将其能量等分。

此外，当然，具有以下性质：如果向偏振光分光器24入射的激光的偏振光方向仅为P波成分，则全部透过，如果仅为S波成分，则全部反射。

因此，成为以下结构：通过使向第二偏振光分光器25入射的光束的激光7仅为P波成分，使激光6仅为S波成分，而无能量损耗地导向第二电控扫描反射镜12。

在上述这种现有的激光加工装置中，第一偏振光分光器24、第二偏振光分光器25，都以使激光向窗口部分26的入射角为布儒斯特角的方式配置窗口，由此将激光2分光成为S波、P波成分，但是例如在使用以ZnSe为材质的窗口进行二氧化碳气体激光器的分光的情况下，若布儒斯特角为67.5°，则向窗口的入射角变大，若使导向偏振光分光器的激光直径为φ35mm，则窗口上的激光直径在长轴方向上为95mm。因此，存在以下问题：窗口的有效直径必须为上述激光直径的2.5倍或2.5倍以上，难以保持制造精度。

此外，由于作为P波成分透过第一偏振光分光器24的激光6，在第二偏振光分光器25中必须作为S波成分被反射，作为S波成分被第一偏振光分光器24反射的激光7，在第二偏振光分光器25中必须作为P波成分透过，所以第一、第二偏振光分光器上必须分别具有用于将激光反射90°的反射镜27，此外，由于窗口部分26和反射镜27的相对位置关系对偏振光分光器之后的光路的精度有很大影响，所以在制造偏振光分光器时，必须注意窗口部分26和反射镜27的相对位置关系，所以也存在偏振光分光器成为价格更高的光学部件的问题。

此外，考虑fθ透镜17的特性，为了得到更稳定的加工质量，必须尽量缩短从第一偏振光分光器24到fθ透镜17之间的光路长度，因而必须增加偏振光分光器的有效直径。可是，由于在设计上使偏振光分光器的有效直径足够大是困难的，所以实际上是偏振光分光器的有效直径不足够大，当导向fθ透镜17的激光的直径被限制为比希望的直径小时，在fθ透镜的焦距恒定的情况下，被加工物上的激光的直径被限制为比希望的直径大，不能构成适合更小的孔加工的光路，存在不能得到要求的加工质量的问题。

此外，在光学系统中使用的每个光学部件在制造工艺上必然有畸变(像差)，因为对于平面度来说，要求精度越小，合格率越差，成本越高，所以一般以激光波长λ的1/10～1/20左右的光学畸变进行制造。如果不考虑其他的问题，将多个这种程度的光学部件组合构成光学系统，则每个像差累积起来，会产生像散等，有时存在不能得到要求的加工质量的问题。

此外，因为各个表面形状是平面的光学部件一般制造表面和背面的制造工艺是相同的，所以存在以下问题：表面和背面的表面形状同时成为凸形或凹形的倾向越强，在透过型的光学部件中光学畸变(像差)越大。

本发明是为了解决这些问题而提出的，第一个目的是，在使用利用偏振光分离装置分光的激光进行加工的激光加工装置中，得到可以使用价格便宜的光学部件作为偏振光分离装置并且可以使被加工物上的激光直径更小的激光加工装置。

第二个目的是，得到可以减小因光学部件的表面形状引起的像差，从而提高加工质量的激光加工装置。

发明内容

为了实现上述目的，在第1个发明涉及的激光加工装置中，具有由将激光振荡器射出的激光导向被加工物的多个光学部件构成的光学系统，利用第一偏振光分离装置将一束激光分光成两束激光，一束激光经由反射镜，另一束激光利用第一电控扫描反射镜在两个轴方向上扫描，将两束激光导向第二偏振光分离装置后，利用第二电控扫描反射镜进行扫描，加工被加工物，将上述第一和第二偏振光分离装置配置成相对激光的光轴成45°。

在第2个发明涉及的激光加工装置中，第一和第二偏振光分离装置是在表面形成电介质多层膜涂覆的偏振光分光器。

在第3个发明涉及的激光加工装置中，上述第一和第二偏振光分离装置，一面是凹形，它的背面是凸形。

在第4个发明涉及的激光加工装置中，上述第一偏振光分离装置，反射激光一侧的表面为凸形，它的背面为凹形，在该第一偏振光分离装置中，将被反射的激光导向表面形状为凹形的上述第一电控扫描反射镜，上述第二偏振光分离装置，反射激光一侧的表面为凹形，它的背面为凸形。

在第5个发明涉及的激光加工装置中，上述第一偏振光分离装置，反射激光一侧的表面为凹形，它的背面为凸形，在该第一偏振光分离装置中，将被反射的激光导向表面形状为凸形的上述第一电控扫描反射镜，上述第二偏振光分离装置，反射激光一侧的表面为凸形，它的背面为凹形。

在第6个发明涉及的激光加工装置中，在设上述激光的波长为λ的情况下，前述第一和第二偏振光分离装置的表面的凹或凸形以小于或等于λ/20的精度形成。

在第7个发明涉及的激光加工装置中，在上述光学系统中，以以下方式配置表面形状大体相同的一组光学部件，即一个光学部件的光束入射面垂直于另一个光学部件的光束入射面，而且向一个光学部件的光束入射角与向另一个光学部件的光束入射角相同。

在第8个发明涉及的激光加工装置中，在从上述激光振荡器射出的激光到达上述第一偏振光分离装置为止的激光光路中设置掩模，在此掩模和上述被加工物之间配置上述一组光学部件。

在第9个发明涉及的激光加工装置中，具有分别固定上述一组光学部件的托架，在上述托架有方向性的情况下，将表示此方向性的轴配置成与各自的光学部件的入射面方向相同。

在第10个发明涉及的激光加工装置中，在设上述激光的波长为λ的情况下，上述一组光学部件的表面形状以λ/10～λ/20的精度形成。

在第11个发明涉及的激光加工装置中，上述第一和第二偏振光分离装置具有垂直于激光的前进方向，且在相互正交的两个轴方向上可以调整角度的机构。

在第12个发明涉及的激光加工装置中，具有减震器，其用于吸收作为能量损耗而从上述第二偏振光分离装置泄漏的激光。

由本发明，通过使用入射角为45°的偏振光分光器作为偏振光分离装置，可以使更大直径的激光向fθ透镜入射，从而可以使被加工物上的激光的直径更小，能够实施更细微的加工。此外，偏振光分离装置便宜，可以降低成本。

附图说明

图1为表示本发明的实施方式1的激光加工装置的结构图。

图2为固定表示本发明的实施方式1的偏振光分光器的托架部分的概略图。

图3为表示本发明的实施方式2的激光加工装置的结构图。

图4为用于说明本发明的实施方式2的激光加工装置的光学部件表面形状与折射本领的关系的示意图。

图5为用于说明本发明的实施方式2的激光加工装置的光学部件配置的示意图。

图6为用于说明本发明的实施方式2的激光加工装置的具有方向性的光学部件的配置与折射本领的关系的示意图。

图7为表示本发明的实施方式3的激光加工装置的结构图。

图8为用于说明本发明的实施方式3的激光加工装置的光学部件表面形状与折射本领的关系的示意图。

图9为表示与本发明相关的现有技术的激光加工装置的结构图。

图10为用于说明表示与本发明相关的现有技术的激光加工装置的偏振光分光器的示意图。

具体实施方式

实施方式1.

图1涉及本发明的实施方式1，为表示以下的打孔用激光加工装置的结构图：使用入射角45°的偏振光分光器作为偏振光分离装置，将一束激光分光成两束激光，通过独立扫描两束激光，可以在两个部位同时实施加工。对于与现有技术的图9相同的结构采用相同的标号，省略详细的说明。

在图1中，5为第一偏振光分光器、6为透过第一偏振光分光器5的激光、6p为激光6通过第一偏振光分光器而成为P波成分的偏振光方向、6s为激光6通过第一偏振光分光器而成为S波成分的偏振光方向、7为被第一偏振光分光器5反射的激光、7s为激光7通过第一偏振光分光器而成为S波成分的偏振光方向、7p为激光7通过第一偏振光分光器而成为P波成分的偏振光方向、8为第二偏振光分光器、9为接受作为能量损耗产生的激光的减震器、10为激光6中利用第二偏振光分光器8反射的激光、11为激光7中透过第二偏振光分光器8的激光。

在现有技术中，将激光进行偏振光分离的情况下，使用使入射角为布儒斯特角的窗口，通过将含有相等的P波成分、S波成分的激光进行偏振光分离，使透过的P波成分和被反射的S波成分等分，等分激光的能量。

但是，在本实施方式中，通过使用在反射面实施了例如电介质多层膜涂覆的偏振光分光器，不是以布儒斯特角配置入射角，而是配置成相对光轴成45°，以恒定的精度使P波透过，并且以某个恒定精度反射S波，等分激光的能量。

作为一个例子，对使用镀膜的偏振光分光器，以使P波的95％和S波的5％透过，使S波的95％和P波的5％反射的情况进行说明。如果设向第一偏振光分光器5入射的激光的能量为100％，则透过第一偏振光分光器5的激光6含47.5％的P波成分、2.5％的S波成分。此后，含47.5％的S波成分和2.5％的P波成分的激光向第二偏振光分光器8入射，被第二偏振光分光器8反射的激光含45.125％的S波成分和0.125％的P波成分，由此被导向第二电控扫描反射镜12的激光10的能量最终为45.25％。透过第二偏振光分光器8的成为能量损耗的激光含有2.375％的S波成分和2.375％的P波成分。

另一方面，对于被第一偏振光分光器5反射的激光7来说，也经历同样的过程，45.25％的能量被导向第二电控扫描反射镜12，4.75％的能量成为能量损耗。

因此，共计9.5％作为能量损耗没有被导向第二电控扫描反射镜12，但在由本实施方式构成的光路的情况下，因为激光6的损耗部分透过第二偏振光分光器，激光7的损耗部分反射，所以该成为能量损耗的激光可以全部汇集到减震器9部分，因而可以防止因损耗部分的激光造成光学部件等的损伤。

上述偏振光分光器以入射角45°使P波的95％和S波的5％透过，使S波的95％和P的5％波反射，但是因为在入射角偏离45°的情况下，透过的P波和反射的S波的比例减少，能量损耗增加，所以优选以入射角45°进行配置。

在上述中，说明了使P波的95％和S波的5％透过，使S波的95％和P的5％波反射的偏振光分光器的能量损耗为9.5％的情况，但可以看出，如果使P波的透过率和S波的反射率高于95％，则能量损耗会小于9.5％。

此外，由于本实施方式的偏振光分光器以45°配置激光入射角，所以当导向偏振光分光器的激光的直径为φ35mm时，窗口上的激光直径在长轴方向上为52mm，为上述激光直径的1.5倍左右，与入射角为布儒斯特角的现有的偏振光分光器的窗口有效直径必须大于或等于入射激光直径的2.5倍相比，可以以更小的形状进行制造。如果用窗口的面积进行比较，则由于短轴方向都是35mm，所以入射角45°的偏振光分光器可以比现有的偏振光分光器面积缩小44.6％。由此，可以使加工装置小型化。

此外，相同直径的窗口，例如为53mm的情况下，在现有的偏振光分光器中布儒斯特角为67.5°的基础上，可以分光的激光直径为φ20mm左右，但是在入射角45°的偏振光分光器中为φ35mm，可以构成激光直径更大的光路。在这里，如果使光束直径D的激光向焦距f的fθ透镜入射，设此时在被加工物上会聚的光束点直径为d，则光束点直径d与fθ透镜的焦距f、入射光束直径D的关系可以用下式表示。

d∝f/D                              (1)

(1)式表示，利用焦距f的fθ透镜在工件上会聚的光束点直径d与向fθ透镜入射的激光的光束直径D成反比。

因此，在考虑用相同直径的窗口构成偏振光分光器的情况下，如上所述，入射角为45°的偏振光分光器可以更有效地确保激光的有效直径，在使用相同的fθ透镜的情况下，因为可以使向fθ透镜入射的光束直径D增大，所以可以实施光束点直径更小的加工。

此外，由于不需要将光路反射90°的反射镜，所以偏振光分光器更便宜，可以降低加工装置的成本。

此外，在本发明的实施方式中，由于构成使激光反射90°的光路，所以适用于入射角45°的偏振光分光器。利用此结构，由于在XY工作台18上两个轴的电控扫描反射镜的扫描方向为直行，所以如图1所示，通过使该直行方向与XY方向一致，可以使X方向、Y方向分别与电控扫描反射镜一对一地对应，在加工时容易理解电控扫描反射镜的控制，从而能够简化结构。

在用偏振光分光器使激光的反射角度为小于90°的锐角的情况下，可以使偏振光分光器的有效直径变大，实施光束点直径更小的加工。但是，因为这种情况下在XY工作台上两个轴的电控扫描反射镜的扫描方向不直行，所以即使例如一个电控扫描反射镜的扫描方向与X方向一致，Y方向只是以另一个电控扫描反射镜与X方向的电控扫描反射镜的合成进行扫描，所以在加工时电控扫描反射镜的控制比使上述激光反射90°的光路要复杂。

实施方式2.

分光后的两束激光都经过第二偏振光分光器后，由于必须与图1的X方向的轴平行，并且导向第二电控扫描反射镜12的中心，所以分光后的激光6、7必须独立实施光轴的调整。

为了将激光10、11高精度地导向第二电控扫描反射镜12，在设在第一偏振光分光器5紧前面的反射镜4z以后的光路中，必须至少有两个垂直于光路前进方向，且在相互正交的两个轴方向上分别可以调整角度的反射镜，但在本实施方式中，激光10可以利用第一偏振光分光器5紧前面的反射镜4z和第二偏振光分光器8调整光轴，另一方面，可以利用第一偏振光分光器5和第一电控扫描反射镜13调整激光11的光轴。在这里，第一电控扫描反射镜13具有两个可以相互在扭转的方向上调整角度的反射镜，具有与可以在相互正交的两个轴方向上调整角度的一个反射镜相同的功能。

图2涉及本发明的实施方式2，为表示使偏振光分光器垂直于激光的前进方向，且在相互正交的两个轴方向上可以调整角度的机构的图。在图2中，偏振光分光器5或8由固定托架31支撑，固定托架31通过第一转动轴35a，以可以自由转动的方式支撑在托架支架32上。此外，托架支架32通过与第一转动轴35a正交的第二转动轴35b，以可以自由转动的方式支撑在支撑光学系统的光学底座36上。这样，偏振光分光器垂直于激光的前进方向，且在相互正交的两个轴方向上可以调整角度。此外，形成这样的结构，即在托架支架32的与固定托架31的接合部上，沿固定托架31的转动方向设置长的第一调整孔34a，穿入第一固定螺栓33a并拧在固定托架31上，转动调整后，通过紧固第一固定螺栓33a，可以将固定托架31固定在托架支架32上。托架支架32和光学底座36的接合部也一样，利用第二调整孔34b和第二固定螺栓33b成为可以转动调整后固定的结构。

另一方面，因为由偏振光分光器的角度调整产生的透过偏振光分光器的激光光轴的变化量，与反射的激光相比非常小，为可以忽略的程度，所以即使调整由第一偏振光分光器5反射的激光7、11的光轴，也几乎对透过的激光6、10的光轴没有影响，因为即使调整由第二偏振光分光器8反射的激光6、10的光轴，也几乎对透过的激光7、11的光轴没有影响，所以可以分别独立地进行调整。

此外，在调整了反射镜4z和第一、第二偏振光分光器5、8的角度的情况下，有时向偏振光分光器的入射角也偏离45°，此时激光的能量损耗增加，但一般角度调整是微小的，因而能量损耗也是微小的。此外，由于也可以用激光振荡器的输出进行补偿，所以优选优先考虑利用光轴调整提高加工精度。

下面对用具有上述调整机构的偏振光分光器等对光轴的调整进行说明。

当实施第一偏振光分光器5紧前面的反射镜4z的角度调整时，激光10、11在第二电控扫描反射镜13上向相同的方向移动。因此，作为光轴调整方向的顺序，必须首先在使用了对两个激光进行作用的反射镜4z的激光10的光轴调整完成后，实施激光11的光轴调整。此外，如果完成一次光轴调整，则通过实施第一偏振光分光器5紧前面的反射镜4z的角度调整，可以在第二电控扫描反射镜12上的两束激光的相对关系保持不变的情况下，进行激光10、11的光轴调整，从而用于高精度地将两束激光导向第二电控扫描反射镜12的中心的光轴调整变得容易。

实施方式3.

图3涉及本发明的实施方式3，为表示如下结构的结构图，即，在将一束激光分光成两束激光，通过独立扫描两束激光，可以在两个部位同时实施加工的打孔用激光加工装置中，具有进行掩模复制的光学系统，特别是将配置在掩模后面的具有大体相同的表面形状的一组光学部件，即反射镜4a、4b或14a、14b，以一个反射镜的光束入射面垂直于另一个反射镜的光束入射面，而且向一个反射镜的光束入射角与向另一个反射镜的光束入射角相同(例如为45°)的方式配置(例如以用一个反射镜将从X方向入射的激光向Z方向反射，然后用另一个反射镜向Y方向反射的方式配置)。

在图3中，4a、4b是用于将激光2从掩模3导向第一偏振光分光器5的表面形状大体相同的反射镜，14a、14b是用于从第一偏振光分光器5导向第二偏振光分光器8的表面形状大体相同的反射镜。

本实施方式3关于偏振光分光器与实施方式1相同，但是由于反射镜4、14的配置或表面形状不同，所以用图4对作为本发明的特征的光学部件的配置进行说明。

在图4中，Pru(α)、Prv(α)是与以光束入射角α入射的入射光束被反射镜反射的反射光束相关的u方向、v方向的折射本领。Ptu(α)、Ptv(a)是与以光束入射角α入射的入射光束透过反射镜的透过光束相关的u方向、v方向的折射本领。在这里，u方向是垂直于各光束的前进方向，并且与光束入射面(由入射光束和反射光束形成的面)平行的方向，v方向是垂直于各光束的前进方向，而且与光束入射面垂直的方向。

在这里，折射本领(Power)是表示光学部件的折射性能的参数之一，表示折射面的状态，一般与表面曲率半径R成反比，与折射率成正比。在图4中，如果使表面曲率半径R以同心圆状均匀分布，并且相对于光学系统足够大(使光学部件的表面形状为大致平面时)，设折射率为n，则折射本领Pru(α)、Prv(α)用下式给出。

$P_{\mathrm{ru}}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{2}{\cos \mathrm{\α}}\frac{1}{R}---\left(2\right)$

$P_{\mathrm{rv}}\left(\mathrm{\α}\right)=2\cos \mathrm{\α}\frac{1}{R}---\left(3\right)$

一般，即使光学部件以表面形状为平面进行制造，在制造工序中也会稍有畸变，一般加工精度为λ/10～λ/20左右，为了以比λ/20更高的精度对表面形状进行精加工，需要很多的时间和成本。因此可以说，一般的光学部件具有λ/10～λ/20左右的表面曲率半径R。例如在ZnSe(n＝2.41)上实施了电介质多层膜涂覆的光束入射角45°的偏振光分光器的情况下，由(2)、(3)式分别得到下式。

从(4)、(5)式可以看出，以光束入射角45°反射时，u方向比v方向的折射本领大。因为如果该u方向和v方向的折射本领的差传递到加工点上，就成为像散，所以有可能难以得到稳定的加工质量。

与此相对，在本发明中，在构成光学系统时，将多个光学部件中表面形状大体相同的一组光学部件，以一个光学部件的光束入射面垂直于另一个光学部件的光束入射面，并且向一个光学部件的光束入射角与向另一个光学部件的光束入射角相同的方式配置。

在这里，使用反射镜14a、14b说明结构。在图5中，反射镜14a以将从X方向入射的激光向Z方向反射的方式配置，反射镜14b以将被反射镜14a反射的激光向Y方向发射的方式配置。此外，设反射镜14a的反射镜表面曲率半径为Ra，设反射镜14b的反射镜表面曲率半径为Rb。设反射镜14a的u方向的折射本领为Paru(45°)，v方向的折射本领为Parv(45°)，反射镜14b的u方向的折射本领为Pbru(45°)，v方向的折射本领为Pbrv(45°)，则由反射镜14b反射的激光的由反射镜14a和反射镜14b合成的u方向的折射本领Pru和v方向的折射本领Prv如下所述。

在这里，由于反射镜14a和反射镜14b为大体相同的表面形状，所以RaRb，上述Pru和Prv大体相等，这样，消除了u方向和v方向的折射本领的差，其结果可以减小在加工点上的像散，从而可以得到稳定的加工质量。对于反射镜4a、反射镜4b，因为也是相同的结构，所以可以得到相同的效果。

上述是以α＝45°进行研究，一般角度的情况如下所述。

$P_{\mathrm{ru}}=P_{\mathrm{arv}}\left(\mathrm{\α}\right)+P_{\mathrm{bru}}\left(\mathrm{\α}\right)=2\cos \mathrm{\α}\frac{1}{R_a}+\frac{2}{\cos \mathrm{\α}}\frac{1}{R_b}---\left(8\right)$

$P_{\mathrm{rv}}=P_{\mathrm{aru}}\left(\mathrm{\α}\right)+P_{\mathrm{brv}}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{2}{\cos \mathrm{\α}}\frac{1}{R_a}+2\cos \mathrm{\α}\frac{1}{R_b}---\left(9\right)$

在RaRb的情况下，从(8)、(9)式可以看出，Pru和Prv大体相等，这样消除了u方向和v方向的折射本领的差，与α＝45°时相同，可以减小在加工点上的像散，能够得到稳定的加工质量。

可是，固定光学部件的托架构件为具有方向性的结构，在被支撑在此托架上的反射镜的表面曲率半径沿此方向性变化而产生像散的情况下，将一组被支撑在上述托架上的反射镜以以下方式配置：使托架的方向性相对于各入射面在相同的方向上一致，同时一个光学部件的光束入射面垂直于另一个光学部件的光束入射面，并且向一个光学部件的光束入射角与向另一个光学部件的光束入射角相同。

图6表示一个例子。在图6中，第一光学部件37a和第二光学部件37b是表面形状相同的光学部件，第一托架构件38a和第二托架构件38b是相同形状的光学部件固定部件。A、B分别表示托架构件所具有的方向轴，当将反射镜等的光学部件安装在此托架上时，反射镜表面的曲率半径在A方向上为RA，在B方向上为RB。

如图6所示，将第一光学部件37a和第二光学部件37b，以第一光学部件37a的光束入射面垂直于第二光学部件37b的光束入射面，并且向第一光学部件37a的光束入射角与向第二光学部件37b的光束入射角相同(例如45°)的方式配置，在为了使托架构件的方向性一致而使A方向平行于入射面的情况下，第二光学部件37b反射时的u方向、v方向的折射本领Pru、Prv如下所示。

从(10)、(11)式可以看出，Pru和Prv相等，可以消除具有方向性的托架造成的像散。这样，可以减小在加工点上的像散，能够得到稳定的加工质量。从上述可以看出，在入射角为45°以外时也可以消除像散。

此外，可以使用具有方向性的便宜的托架构件，具有降低加工装置成本的效果。

此外，在本实施方式中，对在进行掩模复制的光学系统中，配置在掩模后面的多个光学部件进行了说明。这是由于在掩模复制中，主要是掩模后面的光学部件的像差对加工点上的光束质量有影响。此外不用说，通过对掩模前面的多个光学部件也以同样的考虑方法进行配置，也有效果。

此外，不仅是进行掩模复制的光学系统，通过以同样的考虑方法进行光学部件的配置，也具有减小光学像差的效果。

实施方式4.

图7涉及本发明的实施方式4，为表示以下的打孔用激光加工装置的结构图，即，使用表面为凸形、背面为凹形的偏振光分光器作为第一偏振光分离装置，使用表面为凹形、背面为凸形的偏振光分光器作为第二偏振光分离装置，将一束激光分光成两束激光，通过独立扫描两束激光，可以在两个部位同时进行加工。

在图7中，22为表面为凸形、背面为凹形的偏振光分光器(参照图8(a))；23为表面为凹形、背面为凸形的偏振光分光器(参照图8(b))。在这里，由于各自的表面形状由作为制造机械的研磨机的形状决定，所以通过控制制造方法，可以以希望的加工精度的平面度，选择凹形或凸形进行制造。

本实施方式4，偏振光分光器的表面形状的结构与实施方式1不同，因而对作为本发明特征的偏振光分光器的形状进行说明。

在图4中，Ptu(α)、Ptv(α)是与以光束入射角α入射的入射光束透过光学部件的透过光束相关的u方向、v方向的折射本领，当使表面曲率半径R以同心圆状均匀分布，并且相对于光学系统足够大(使光学部件的表面形状为大体为平面时)，设折射率为n，则折射本领Ptu(α)、Ptv(α)用下式给出。

$P_{\mathrm{tu}}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}-\cos \mathrm{\α}}{{\cos }^2\mathrm{\α}}\frac{1}{R}---\left(12\right)$

$P_{\mathrm{tv}}\left(\mathrm{\α}\right)=(\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}-\cos \mathrm{\α})\frac{1}{R}---\left(13\right)$

例如在ZnSe(n＝2.41)上实施了电介质多层膜涂覆的光束入射角45°的偏振光分光器的情况下，由(12)、(13)式分别得到下式。

从(4)、(5)、(14)、(15)式可以看出，在光束入射角45°的情况下，不仅在反射时，透过时u方向也比v方向的折射本领大。因为当此u方向和v方向的折射本领的差传递到加工点上时，就成为像散，所以有可能难以得到稳定的加工质量。

在这里，着眼于偏振光分光器的透过时的折射本领。透过时的折射本领是在偏振光分光器表面的折射本领上加上背面的折射本领。也就是说，由(14)、(15)式，用1、2的下标分别表示表面、背面，透过时的u方向、v方向的折射本领Ptua(45°)、Ptva(45°)变为如下公式。

因此，如图8(a)所示，当表面是凸形(R1＞0)、背面是凹形(R2＜0)时，由于表面和背面的折射本领抵消，所以透过时的折射本领变小。其结果，由于u方向与v方向的折射本领的差变小，所以具有减小像散的效果。

此外，因为当如图8(b)所示的表面是凹形(R1＜0)、背面是凸形(R2＞0)时也一样，表面与背面的折射本领抵消，所以透过时的折射本领变小，其结果，由于u方向和v方向的折射本领的差变小，所以具有减小像散的效果。

因为本发明中的偏振光分光器的表面形状必须使表面和背面的曲率半径的绝对值相同，所以希望使加工精度比一般的要好，优选小于或等于λ/20。

下面对整个光学系统中的第一偏振光分光器以及第二偏振光分光器的最佳形状进行说明。

与前面的折射本领的论述相同，在整个光学系统中也是将每个光学部件的折射本领相加，其结果是确定像差是大还是小。所以，对于在图7的光学系统中使用的从第一偏振光分光器22到第二偏振光分光器23之间的光学部件，将透过第一偏振光分光器的激光6的光路A和反射的激光7的光路B分开来进行说明。

在光路A中，透过第一偏振光分光器22的激光6，被反射镜14a和14b导向第二偏振光分光器23。由于反射镜14a和14b比较容易制造，所以可以得到精加工的平面度精度为λ/10～λ/20左右的反射镜。但是，如下所示，由于电控扫描反射镜的平面度存在变得比较差的倾向，所以优选以λ/15～λ/20左右的精度进行精加工。

与此相对，在光路B中，被第一偏振光分光器22反射的激光7，通过第一电控扫描反射镜13a和13b被定位，导向第二偏振光分光器23。第一电控扫描反射镜13a和13b为了高速动作而必须非常轻，此外，像用(1)式说明的那样，因为为了不使加工质量恶化而必须加大面积，所以成为薄而宽的形状，在制造上非常困难，精加工的平面度与上述反射镜相比，有很强的变差的倾向，为λ/10～λ/15左右。此外，作为表面形状，更多地依赖制造机械，例如为较大的凹形。

如果在光路A和光路B中每个平面度不同，则相加的折射本领有可能产生差值。此折射本领的差有可能成为光路A和光路的焦点差。

在本发明中，在第一电控扫描反射镜13a和13b的表面形状为较大的凹形的情况下，使第一偏振光分光器22的表面形状为凸形、背面形状为凹形，使第二偏振光分光器23的表面形状为凹形、背面形状为凸形。

利用这样的结构，在光路A中，透过第一偏振光分光器22时，几乎不产生折射本领，在反射镜14a和14b上因表面形状稍成凹形而稍微具有在聚束方向上的折射本领，被导向第二偏振光分光器23，在第二偏振光分光器23的反射时，因表面形状稍成凹形而稍微加上在聚束方向的折射本领。其结果，成为聚束方向稍微具有折射本领的激光。

与此相对，在光路B上，第一偏振光分光器22反射时，因表面的凸形而稍微具有在发散方向的折射本领，被导向第一电控扫描反射镜1 3a和13b。由于第一电控扫描反射镜13a和13b是较大的凹形，所以被加上强的聚束方向的折射本领，其结果，稍微具有在聚束方向的折射本领的激光7，以大体相同的折射本领透过第二偏振光分光器23。

在上述中，使反射镜14a和14b的表面形状稍成凹形，但在稍成凸形的情况下，也是在使第一电控扫描反射镜13a和13b的表面形状成较大凹形时，使第一偏振光分光器22的表面形状为凸形、背面形状为凹形，使第二偏振光分光器23的表面形状为凹形、背面形状为凸形，通过这样可以减小光路A和光路B的折射本领的差。但是，由于使反射镜14a和14b的表面形状稍成凹形的情况其减小折射本领的差的效果好，所以优选凹形。

如上所述，由本发明，每个光学部件具有的像差成分在光学系统中被消除，其结果，具有可以得到像散和焦点差等的光学像差小的光学系统的效果。

此外，在本实施方式中，使表面是凸形、背面是凹形的偏振光分光器作为第一偏振光分离装置和表面是凹形，使表面是凹形、背面是凸形的偏振光分光器作为第二偏振光分离装置，但在第一电控扫描反射镜13a和13b是较大凸形的情况下，如果采用与上述相反配置，即，使表面是凹形、背面是凸形的偏振光分光器作为第一偏振光分离装置，使表面是凸形、背面是凹形的偏振光分光器作为第二偏振光分离装置，则可以使每个光学部件具有的像差成分在光学系统中被消除。

从上述说明可以看出，根据光学系统或在光学系统中使用的光学部件的不同，形状和平面度的最佳值是不同的，这是不言而喻的。

此外，在本实施方式中，着眼于第一、第二偏振光分离装置的形状，但是从上述说明也可以看出，在其他光学部件中，当然也由同样的考虑方法而有最佳值。

此外，以上将实施方式分为1、2、3进行了说明，但当然也可以将它们进行组合。

工业上的实用性

本发明涉及的激光加工装置适用于在将一束激光分光成两束或两束以上的激光，同时在两个或两个以上部位进行激光加工的情况下，降低制造上的难度和成本，并提高加工质量。

Claims (12)

1.一种激光加工装置，具有由将激光振荡器射出的激光导向被加工物的多个光学部件构成的光学系统，利用第一偏振光分离装置将一束激光分光成两束激光，一束激光经由反射镜，另一束激光利用第一电控扫描反射镜在两个轴方向上扫描，将两束激光导向第二偏振光分离装置后，利用第二电控扫描反射镜进行扫描，加工被加工物，其特征在于，

将上述第一和第二偏振光分离装置配置成相对激光的光轴成45°。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

上述第一和第二偏振光分离装置是在表面形成电介质多层膜涂覆的偏振光分光器。

3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

上述第一和第二偏振光分离装置，一面是凹形，它的背面是凸形。

4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，

上述第一偏振光分离装置，反射激光一侧的表面为凸形，它的背面为凹形，

在该第一偏振光分离装置中，将被反射的激光导向表面形状为凹形的上述第一电控扫描反射镜，

上述第二偏振光分离装置，反射激光一侧的表面为凹形，它的背面为凸形。

5.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，

上述第一偏振光分离装置，反射激光一侧的表面为凹形，它的背面为凸形，

在该第一偏振光分离装置中，将被反射的激光导向表面形状为凸形的上述第一电控扫描反射镜，

上述第二偏振光分离装置，反射激光一侧的表面为凸形，它的背面为凹形。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，

在设上述激光的波长为λ的情况下，前述第一和第二偏振光分离装置的表面的凹或凸形以小于或等于λ/20的精度形成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，

在上述光学系统中，以以下方式配置表面形状大体相同的一组光学部件，即，一个光学部件的光束入射面垂直于另一个光学部件的光束入射面，而且向一个光学部件的光束入射角与向另一个光学部件的光束入射角相同。

8.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，

在从上述激光振荡器射出的激光到达上述第一偏振光分离装置为止的激光光路中设置掩模，

在此掩模和上述被加工物之间配置上述一组光学部件。

9.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，

具有分别固定上述一组光学部件的托架，

在上述托架有方向性的情况下，将此方向配置成与各自的光学部件的入射面方向相同。

10.根据权利要求6至8中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，

在设上述激光的波长为λ的情况下，上述一组光学部件的表面形状以λ/10～λ/20的精度形成。

11.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

上述第一和第二偏振光分离装置具有垂直于激光的前进方向，且在相互正交的两个轴方向上可以调整角度的机构。

12.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

具有减震器，其用于吸收作为能量损耗而从上述第二偏振光分离装置泄漏的激光。

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