JP4618531B2 - レーザ加工用光学系及びこれを用いたレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工用光学系及びこれを用いたレーザ加工装置に関するものであり、より詳しくは、加工用レーザ光と、該レーザ光と異なる波長を有する光とで使用されるレーザ加工用光学系及びこれを用いたレーザ加工装置に関する。

従来、光源からのレーザ光を対物レンズを用いて被加工物面上に集光照射して、被加工物の溶接，切断あるいは穴開け等を行う、レーザ加工機が使用されており、レーザ加工のうち高いエネルギー密度が必要なものでは、対物レンズとして顕微鏡用の対物レンズが使われることもある（例えば、特許文献１〜２を参照）。このようなレーザ加工機では加工用のレーザ光として、例えばＹＡＧレーザなどの赤外線が広く用いられている。また、加工を行うにはフォーカシングやアライメントが必要であり、これらの目的に加工用のレーザ光を利用しようとすると、加工に利用できるエネルギーが減少してしまうので、通常、加工用とは異なる波長の光を利用する。そのため、レーザ加工機には加工用光源に加えて、異なる波長のフォーカシング等のための光源を備えているものがある。このフォーカシング等用の波長としては、検出器が豊富な可視から近赤外の波長が適切であり、例えば半導体レーザの波長としては、８５０ｎｍ、７８０ｎｍ、６７０ｎｍなどがある。また、高ＮＡの顕微鏡対物レンズは光学系の組立に波面調整が必要だが、通常はＨｅ−Ｎｅレーザ（波長６３２．８ｎｍ）のフィゾー型干渉計が使われる。

特開２００３−１６７１９９号公報 特開平０９−３２３１８４号公報

ところで、上記のようなレーザ加工機における光学系では、所望の加工を行うためフォーカシングや顕微鏡用の対物レンズの交換、あるいは試料の交換などの便宜等を考慮すると、顕微鏡用の対物レンズと試料面との距離すなわち作動距離が長い方が好ましい。また、フォーカシングやアライメントを自動で行う場合には、部品点数を少なくしてコンパクトで軽い構造であることが望ましい。さらに、上記のようなレーザ加工機における光学系では、被加工物のフォーカシング等の位置精度を上げるため、同一の光学系から照射される波長の異なる加工用レーザ光とフォーカシング等用レーザ光の集光位置が一致するように、色収差が良好に補正されていることが望ましい。

しかしながら、特許文献１に開示されている光学系は、可視光領域から赤外光領域までの幅広い波長領域において良好に収差補正がされて、長いバックフォーカス（作動距離）と大きな開口数を有しているものの、多くのレンズを必要とするため該光学系が複雑になり、さらには製造コストも高価になるおそれがあった。

また、特許文献２に開示されている光学系は、回折光学素子を配設して、異なる波長を有する加工用レーザ光とアライメント用レーザ光とにおける色収差を良好に補正しているものの、高ＮＡで使おうとすると回折光学素子のピッチが狭くなり、該回折光学素子の加工が困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、高ＮＡ（高分解能、高集光力）で十分な作動距離を持つとともに、加工用のレーザ波長及びこの波長と異なる波長の２波長において十分な色収差補正がなされた、小さくて軽い構造のレーザ加工用光学系及びこれを用いたレーザ加工装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工用光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群とからなり、前記第２レンズ群は、回折光学素子と、非球面形状を有するレンズとを含み、本光学系における像側の開口数をＮＡとし、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、本光学系全体の焦点距離をｆとし、バックフォーカスをｂｆとしたとき、次式、ＮＡ＞０．５、−７＜ｆ１／ｆ＜−３、ｂｆ＞０．８ｆの条件を満足し、前記第１レンズ群を１枚のレンズで構成し、前記第２レンズ群を正レンズまたは平行平面板からなる２〜４枚のレンズで構成し、前記第２レンズ群に配設された前記回折光学素子により、第１の波長λ _１ を有する第１のレーザ光と、前記第１の波長λ _１ と異なる第２の波長λ _２ を有する第２の光とについて生じる色収差を補正している。

但し、本明細中では、通常の顕微鏡対物レンズとは異なり、物体側とは光源側を表し、像側とは被加工物側を表す。また、バックフォーカスｂｆとは、第２レンズ群のうち、最も像側に位置するレンズの像側の面からフィルター等を除いた像面までの光軸上の距離を指すものとする。

本発明に係るレーザ加工装置は、前記第１の波長λ_１を有する第１のレーザ光を生成する第１のレーザ光源と、前記第２の波長λ_２を有する第２の光を生成する第２の光源と、請求項１に記載のレーザ加工用光学系とを備え、前記第１のレーザ光源で生成された第１のレーザ光と、前記第２の光源で生成された第２の光とを前記レーザ加工用光学系により集光し、この集光した光を被加工物に照射して加工を行うように構成されている。

以上説明したように、本発明によれば、少ない構成要素ながら、高ＮＡで十分なバックフォーカス（作動距離）を持ち、さらにレーザ加工用の波長及びこの波長とは異なる波長（例えば、アライメント用、オートフォーカス用あるいは対物レンズ等の光学系の調整用など）の波長の２波長において十分な色収差補正がなされた、レーザ加工用光学系及びこれを用いたレーザ加工装置を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係るレーザ加工用光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群とを備え、第２レンズ群は、回折光学素子と、非球面形状を有するレンズとを含んで構成されている。そして、この光学系では、第１の波長λ_１を有する第１のレーザ光と、前記第１の波長λ_１と異なる第２の波長λ_２を有する第２の光とについて生じる色収差を補正している。

このような構成の本発明に係るレーザ加工用光学系では、第１レンズ群に負の屈折力を配設して光源から入射された光を発散させて、後述の各実施例に示すように、本光学系が必要とするバックフォーカス及び開口数が確保できる。また、第２レンズ群に正の屈折力を配設して、第１レンズ群で発散された光を集光して焦点位置に収束させている。

さらに、第２レンズ群には、回折作用による面（以下、回折光学面という）を配設して、特に、第１の波長λ_１を有する第１のレーザ光及びこの第１の波長λ_１と異なる第２の波長λ_２を有する第２の光（例えば、λ_１＝１０６４ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザ光、及び、λ_２＝６３２．８ｎｍの波長を有するＨｅ−Ｎｅレーザ光）において生じる色収差の優れた補正が可能である。その結果、優れた光学性能を達成することができることを見出した。以下、この点について詳述する。

一般に、光線を曲げる方法として、屈折，反射及び回折の３種類が知られている。回折光学面とは、このような光の回折作用を行う光学面である。また、回折光学素子とは、このような回折光学面を備えた光学素子であり、従来から知られた回折格子やフレネルゾーンプレートなどがある。このような回折光学素子は、屈折や反射とは異なる振る舞いを示すことが知られており、その具体例としては、負分散を有することが挙げられる。この性質は、色収差補正に極めて有効であり、正の屈折力を持つ光学素子のみでの色収差補正も可能となる。なお、このような回折光学素子の性質に関しては、「『回折光学素子入門』応用物理学会日本光学会監修平成９年第１版発行」に詳しい。

なお、本発明に係るレーザ加工用光学系においては、第２レンズ群中の最も物体側に位置するレンズの像側のレンズ面に回折光学面を設け、その作用により良好な光学性能を得ようとする構成となっている。ここで、回折光学面は、ガラスやプラスチック等の光学部材の表面に回折格子を設けたり、フレネルゾーンプレートのように集光する回折現象を生ずる面を上記光学部材の表面に形成したり等して創製している。本発明に係る光学系では、図４（ａ）に示すような回折面の形状を有するフレネルゾーンプレート（ここでは単層型）を用いている。なお、このフレネルゾーンプレートは、回折光学面を構成する回折格子溝の１ピッチが連続した曲線であるキノフォーム型であるが、その他に周期構造が階段状のものや三角形状等にすることもできる。

なお、本発明に係るレーザ加工用光学系においては、回折光学面を有する一般の光学系の場合と同様に、回折光学面を通過する光線入射角度はできるだけ小さい方が好ましい。これは、光線入射角度が大きくなると、回折光学面によるフレアが発生し易くなり、結像性能を損ねてしまうからである。そこで、入射角によっては、光線入射角度に合わせて、回折格子溝の形状を工夫する方が望ましい場合もある。

また、実際に回折光学面をレンズ上に形成する場合、軸対称な光学系であれば、回折光学面も光軸に対して回転対称な構造（格子構造）になる。この場合、通常の非球面レンズと同じく、精研削でも、ガラスモールドでも製作可能である。さらには、レンズ表面に薄い樹脂層を形成し、この樹脂層に格子構造を設けるようにしてもよい。また、回折格子は、図４（ａ）に示すキノフォーム等の単層構造に限らず、複数の格子構造を重ねて複層構造にしてもよい（具体的には、屈折率の異なる複数の光学材料を積層し、その境界面に回折光学面が形成された構造あるいは、境界面の間に空気層を挟んで回折光学面が近接した構造など）。このような複層構造の回折格子によれば、回折効率の波長特性や画角特性をより一層向上させることができるため、好都合である。

また、第２レンズ群に非球面形状を有するレンズを配設することにより、球面収差を良好に補正することができ、さらに光学系を構成するレンズ枚数を削減することができる。

なお、本発明に係る光学系の第１レンズ群は、１枚のレンズで構成されていることが望ましい。このように簡素化した構成とすることで、小型化、軽量化及び低コスト化が実現でき、近年高まるフォーカシングの際の応答速度や精度に対応可能である。さらに、組み立て時における製作誤差の影響を小さくすることができ、生産技術上も好ましい。

また、本発明に係る光学系の第２レンズ群は、回折光学面を曲面に作成する技術が進歩・向上すれば、２枚〜４枚のレンズで構成することが望ましい。これにより、本発明に係る光学系をより小さく、軽量な構造とすることができる。

次に、条件式（１）〜（３）に沿って、本発明に係るレーザ加工用光学系について説明する。本発明に係るレーザ加工用光学系は、像側の開口数をＮＡとし、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、レンズ系全体の焦点距離をｆとし、バックフォーカスをｂｆとしたとき、次式（１）〜（３）を満足することが好ましい。

ＮＡ＞０．５ …（１）
−７＜ｆ１／ｆ＜−３ …（２）
ｂｆ＞０．８ｆ …（３）

上記条件式（１）は、本発明に係る光学系の、像側の開口数の適切な範囲を規定するものである。被加工物の加工に用いられるレーザ光のエネルギー密度は、対物レンズによって被加工物面上に集光されるスポットの面積に反比例して増大する。このため、本光学系では開口数を高く設定して、被加工物面上に集光するスポットのサイズをより小さくして、エネルギーの高密度化を図っている。したがって、条件式（１）の下限値を下回ると、本発明による効果を十分に享受することができなくなる

ここで、スポットの大きさをエアリーディスクの直径とみなし、該エアリーディスクの直径をＤとし、入射されるレーザの波長をλとし、レンズの開口数をＮＡとすると、Ｄ＝１．２２λ／ＮＡの関係がある。例えば、λ＝１０６４ｎｍ（第１のレーザ光：ＹＡＧレーザの波長）とすると、エアリーディスクの直径Ｄを１μｍ以下にするためには、ＮＡ＞０．７７が必要である。

上記条件式（２）は、本発明に係る光学系全体の焦点距離ｆと第１レンズ群の焦点距離ｆ１とを規定している。この条件式（２）は、全体として強い正の屈折力を有する光学系において、高開口数を実現し回折限界にまでスポットを絞るために負の屈折力と正の屈折力とをバランス良く配置して、諸収差の発生を抑え、光学系をコンパクトにするための条件式である。ここで、条件式（２）の下限値を下回ると、第１レンズ群の負の屈折力が小さくなるため、バックフォーカス（作動距離）が短くなってしまうか、あるいは第１レンズ群と第２レンズ群の間の距離を長くする必要が生じ、光学系の全長が大きくなって該光学系が重くなってしまう。一方、条件式（２）の上限値を上回ると、第１レンズ群の負の屈折力が大きくなる。このため、第２レンズ群にかかる負担が増大し、収差補正が困難になる。したがって、第２レンズ群のレンズの枚数を増やす必要が生じてしまう。

上記条件式（３）は、本発明に係る光学系の焦点距離ｆに対するバックフォーカスｂｆの大きさの適切な範囲を規定するものである。ここで、条件式（３）の下限値を下回ると、バックフォーカスｂｆが短くなり過ぎて作動距離の確保が難しくなり、例えば被加工面に接触して傷つけるなどの事故の起きる可能性が高くなってしまう。

以下、本発明に係る各実施例を添付図面に基づいて説明する。

これから説明する本発明に係るレーザ加工用光学系の２つの実施例においては、図１、図５にそれぞれ示すように、いずれも、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とを備え、第１レンズ群Ｇ１は１枚のレンズで構成され、第２レンズ群は回折光学素子及び非球面形状を有するレンズとを含んだ構成とした。

各実施例において、回折光学面の位相差は、架空の高い屈折率と後述する非球面式（４）を用いて行う超高屈折率法により計算した。超高屈折率法とは、非球面形状と回折光学面の格子ピッチとの間の一定の等価関係を利用するものであり、本実施例において回折光学面は超高屈折率法のデータとして、すなわち、後述する非球面式（４）及びその係数により示している。なお、本実施例では収差特性の算出対象として、１０６４ｎｍ、８５０ｎｍ、７８０ｎｍ、６７０ｎｍ、及び、６３２．８ｎｍの各波長を選んでいる。本実施例において用いたこれらの波長と、各スペクトル線に対して設定した超高屈折率法の計算に用いるための屈折率の値を下の表１に示す。

（表１）
波長 屈折率
1064 ｎｍ 100001.0
850 ｎｍ 79888.21805
780 ｎｍ 73309.27068
670 ｎｍ 62970.92481
632.8ｎｍ 59474.68421

各実施例において、非球面は、光軸に垂直な方向の高さをｈ、非球面の頂点における接平面から高さｈにおける非球面上の位置までの光軸に沿った距離（サグ量）をＺ、基準球面の曲率半径をｒ、円錐係数をκ、ｎ次の非球面係数をＣ_ｎとしたとき、以下の式（４）で表される。

Ｚ＝（ｈ^２／ｒ）／｛１＋（１−（１＋κ）・ｈ^２／ｒ^２）^１／２｝
＋Ｃ_４ｈ^４＋Ｃ_６ｈ^６＋Ｃ_８ｈ^８＋Ｃ_１０ｈ^１０ …（４）

なお、各実施例において、非球面形状に形成されたレンズ面には、表中の面番号の右側に＊印を付している。また、各実施例において、回折光学面の位相差は表１の屈折率と上記非球面式（４）を用いて行う超高屈折率法により計算した。このため、非球面レンズ面及び回折光学面のいずれにも非球面式（４）が用いられるが、非球面レンズ面に用いられる非球面式（４）はレンズ面の非球面形状そのものを示し、一方、回折光学面に用いられる非球面式（４）は回折光学面の性能の諸元を示す。

（第１実施例）
以下、本発明に係る光学系の第１実施例について図１〜図４を用いて説明する。図１は、第１実施例に係るレーザ加工用光学系のレンズ構成図であり、この光学系では波長１０６４ｎｍと波長６７０ｎｍの異なる２波長について色収差補正を行っている。なお、入射光束はφ３．２ｍｍの平行光束である。第１実施例に係るレーザ加工用光学系は、第１レンズ群Ｇ１において、両凹レンズＬ１を配置して、負の屈折力を有するレンズ群を構成している。また、第２レンズ群Ｇ２において、物体側から順に、像側の面に回折光学面を有する平行平面板Ｌ２と、像側の面が非球面状に形成された両凸レンズＬ３と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４とを配置して、正の屈折力を有するレンズ群を構成している。

なお、第２レンズ群Ｇ２の平行平面板Ｌ２は、回折光学面Ｇｆが形成された面４，５と反対側（すなわち物体側）の面３が平面であるため、製造組立が比較的容易となっている。この平行平面板Ｌ２に形成された回折光学面は単層型であり、その形状を図４（ａ）に、該回折光学面の周辺部の拡大図を図４（ｂ）に示している。ここから分かるように、該回折光学面の最小ピッチは２７μｍ程度である。

次に、この第１実施例における各レンズの諸元を表２に示す（但し、長さの単位は全てｍｍである）。この諸元の表において、第１欄ｍは物体側からの各光学面の番号（以下、面番号と称する。なお右の＊印は非球面形状に形成されているレンズ面である）、第２欄ｒは各光学面の曲率半径（非球面の場合には基準球面の曲率半径）、第３欄ｄは各光学面から次の光学面（または像面）までの光軸上の距離、第４欄n(1064)は波長１０６４ｎｍに対する屈折率、第５欄ｎ(850)は波長８５０ｎｍに対する屈折率、第６欄n(780)は波長７８０ｎｍに対する屈折率、第７欄n(670)は波長６７０ｎｍに対する屈折率、第８欄n(632.8)は波長６３２．８ｎｍに対する屈折率、第９欄は各レンズ成分をそれぞれ表している。また、表中では、ｆはレンズ系全体の焦点距離、ＮＡは開口数、Ｙは最大像高、ＴＬはレンズ系の全長、ｂｆはバックフォーカスを示している。以上、表の説明は、他の実施例においても同様である。

なお、第１実施例では、面番号４及び５に相当する面が回折光学面Ｇｆに相当し、この回折光学面の諸元は上記の超高屈折率法を用いて示している。

（表２）
ｆ＝2mm、ＮＡ＝0.8、Ｙ＝0.002mm、ＴＬ＝23mm
m ｒ ｄ n(1064) n(850) n(780) n(670) n(632.8)
1 -11.74685 1.000 1.717158 1.722156 1.724358 1.728961 1.731006 L1
2 14.43057 10.152
3 ∞ 2.000 1.449629 1.452498 1.453672 1.456014 1.457021 L2
4 ∞ 0.000 （回折光学素子データ参照）
*5 -10154551.38 1.000
6 22.28439 2.500 1.717158 1.722156 1.724358 1.728961 1.731006 L3
*7 -8.51494 0.100
8 4.38154 2.500 1.754328 1.759663 1.762035 1.767018 1.769242 L4
9 10.57877 3.100(bf)
（回折光学素子データ）
m n(1064) n(850) n(780) n(670) n(632.8)
4 100001.0 79888.21805 73309.27068 62970.92481 59474.68421
（非球面データ）
m κ Ｃ_４ Ｃ_６
5 0.0 0.354635×10^-９ -0.120676×10^-１０
Ｃ_８ Ｃ_１０
-0.297911×10^-１３ -0.458653×10^-１４
m κ Ｃ_４ Ｃ_６
7 0.0 0.828445×10^-３ -0.792262×10^-５
Ｃ_８ Ｃ_１０
0.205775×10^-６ 0.0
（条件式対応値）
ＮＡ ＝0.8
ｆ１ ＝-8.8877
ｆ ＝2
ｂｆ ＝3.100
（条件式）
（１） ＮＡ ＝0.8 ＞0.5
（２） -7＜ ｆ１／ｆ＝-4.44 ＜-3
（３） ｂｆ（＝3.100） ＞ ０．８ｆ（＝1.6）

このように第１実施例では上記条件式（１）〜（３）が全て満たされることが分かる。

図２は、第１実施例の球面収差、非点収差、及び、歪曲収差を示す。なお、各収差図において、実線は波長１０６４ｎｍ、点線は波長８５０ｎｍ、一点鎖線は波長７８０ｎｍ、破線は波長６７０ｎｍ、二点鎖線は波長６３２．８ｎｍをそれぞれ示している。また、非点収差図及び歪曲収差図におけるＹの値は像高である。さらに、非点収差図において、実線Ｓはサジタル像面を示し、破線Ｔはタンジェンシャル像面を示している。以上の収差図の説明は、他の実施例においても同様である。図３は、像高が０μｍ、１μｍ、２μｍにおけるスポットダイアグラムである。

各収差図及びスポットダイアグラムから明らかなように、第１実施例では、ベストフォーカス位置において、諸収差が良好に補正されて優れた光学性能が確保されている。特に、波長１０６４ｎｍと波長６７０ｎｍにおいて色収差補正が良好に行われている。他の波長については結像位置が１０μｍ程度ずれているが、この焦点位置ずれを除けば十分収差補正されている。

すなわち、第１実施例の光学系では、少ない構成要素でありながら、高ＮＡで十分なバックフォーカスを持つとともに、加工用のレーザ波長（１０６４ｎｍ）及びこの波長と異なる波長（６７０ｎｍ）の２波長において十分な色収差補正が可能なレーザ加工用光学系を実現している。

（第２実施例）
次に、本発明に係る光学系の第２実施例について図５〜図７を用いて説明する。図５は、第２実施例に係るレーザ加工用光学系のレンズ構成図であり、この光学系では波長１０６４ｎｍと波長６３２．８ｎｍの異なる２波長について色収差補正を行っている。第２実施例に係るレーザ加工用光学系は、第１レンズ群Ｇ１において、両凹レンズＬ１を配置して、負の屈折力を有するレンズ群を構成している。また、第２レンズ群Ｇ２において、物体側から順に、像側の面に回折光学面を有する平凸レンズＬ２と、像側の面が非球面状に形成された両凸レンズＬ３と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４とを配置して、正の屈折力を有するレンズ群を構成している。

ここで、第２実施例のレンズ構成は基本的には第１実施例と同様であるが、第２実施例では第２レンズ群Ｇ２の回折光学面を有するレンズＬ２を、平行平面板ではなく、回折光学面Ｇｆとは反対側（すなわち物体側）の面３に曲率を持たせた平凸レンズとしている。図５から分かるように、回折光学面への入射角がほぼ０度であるため、該回折光学面における角度によるフレア（回折効率の低下）を抑制することが可能である。なお、本実施例に配設された回折光学面の最小ピッチは３３μｍ程度である。

次に、この第２実施例における各レンズの諸元を表３に示す。なお、第２実施例では、面番号４及び５に相当する面が回折光学面Ｇｆに相当し、この回折光学面の諸元は前記の超高屈折率法を用いて示している。

（表３）
ｆ＝2mm、ＮＡ＝0.8、Ｙ＝0.002mm、ＴＬ＝24mm
m ｒ ｄ n(1064) n(850) n(780) n(670) n(632.8)
1 -7.54404 1.000 1.717158 1.722156 1.724358 1.728961 1.731006 L1
2 17.15558 10.463
3 10.00000 2.500 1.449629 1.452498 1.453672 1.456014 1.457021 L2
4 ∞ 0.000 （回折光学素子データ参照）
*5 -10587861.36 1.000
6 65.37740 2.500 1.784218 1.789932 1.792505 1.797958 1.800404 L3
*7 -11.40998 0.100
8 4.86438 2.800 1.784218 1.789932 1.792505 1.797958 1.800404 L4
9 11.62539 3.100(bf)
（回折光学素子データ）
m n(1064) n(850) n(780) n(670) n(632.8)
4 100001.0 79888.21805 73309.27068 62970.92481 59474.68421
（非球面データ）
m κ Ｃ_４ Ｃ_６
5 0.0 0.402029×10^-９ -0.135828×10^-１０
Ｃ_８ Ｃ_１０
0.368770×10^-１２ -0.648620×10^-１４
m κ Ｃ_４ Ｃ_６
7 0.0 0.703035×10^-３ -0.542281×10^-５
Ｃ_８ Ｃ_１０
0.110434×10^-６ 0.0
（条件式対応値）
ＮＡ ＝0.8
ｆ１ ＝-7.1849
ｆ ＝2
ｂｆ ＝3.100
（条件式）
（１） ＮＡ ＝0.8 ＞0.5
（２） -7＜ ｆ１／ｆ＝-3.59 ＜-3
（３） ｂｆ（＝3.100） ＞ ０．８ｆ（＝1.6）

このように第２実施例では上記条件式（１）〜（３）が全て満たされることが分かる。図６は、第２実施例の球面収差、非点収差、及び、歪曲収差を示す。図７は、像高が０μｍ、１μｍ、２μｍにおけるスポットダイアグラムである。

各収差図及びスポットダイアグラムから明らかなように、第２実施例では、ベストフォーカス位置において、諸収差が良好に補正されて優れた光学性能が確保されている。特に、波長１０６４ｎｍと波長６３２．８ｎｍにおいて色収差補正が良好に行われている。他の波長については結像位置が２０μｍ程度ずれているが、この焦点位置ずれを除けば十分収差補正されている。

すなわち、第２実施例の光学系では、少ない構成要素でありながら、高ＮＡで十分なバックフォーカスを持つとともに、加工用のレーザ波長（１０６４ｎｍ）及びこの波長と異なる波長（６３２．８ｎｍ）の２波長において十分な色収差補正が可能なレーザ加工用光学系を実現できる。

図８は、１０６４ｎｍをブレーズ波長とした場合の、単層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。加工波長である１０６４ｎｍから離れるにしたがって回折効率が落ちるため、フォーカシング用等に利用する波長は長い方が好ましい。回折効率が落ちた分の光はフレアとなってしまうが、そのためにフォーカシング等に問題が生じる場合には、複層型の回折光学素子にするなどの対策が必要である。

（第３実施例）
以上のような本発明に係るレーザ加工用光学系は、図９に示すようなレーザ加工装置１０に用いられている。レーザ加工装置１０は、第１のレーザ光源１１と、第２の波長λ_２を有する第２の光を生成する第２の光源１２と、対物レンズ１３と、ダイクロイックミラー１４と、ビームスプリッタ１５と、画像処理装置１６とを備えて構成されている。第１のレーザ光源１１や第２の光源１２は必要に応じて、対物レンズへの入射光束を平行光束にするための光学系を含む。また、画像処理装置１６は自動でアライメントを行う場合には計算装置や制御装置等を備える。

第１のレーザ光源１１は、第１の波長λ_１を有する第１のレーザ光を生成するものであり、本実施例では、波長１０６４ｎｍを有する加工用のＹＡＧレーザ光を生成する。第２の光源１２は、第２の波長λ_２を有する第２の光を生成するものであり、本実施例では、波長８５０ｎｍを有するアライメント用のレーザ光を生成する。対物レンズ１３は、前記した本発明に係るレーザ加工用光学系を用いる。ダイクロイックミラー１４は、第１のレーザ光源１１から照射された波長１０６４ｎｍの加工用のＹＡＧレーザ光を反射して、第２の光源１２から照射された波長８５０ｎｍのアライメント用のレーザ光を透過する。ビームスプリッタ１５は、ここに入射した光のうち、所定量の光を反射し、それ以外の光を透過する。画像処理装置１６は、ＣＣＤカメラ等の撮像素子（図示略）と、撮像素子により撮影された画像を表示するモニタとを含み、撮像素子により撮像された被加工面２０ａの画像をモニタの画面上に表示して、作業者が被加工面２０ａの加工状態の確認や位置決め等を行うために使用する。

このような構成のレーザ加工装置１０では、第１のレーザ光源１１にて生成された加工用のＹＡＧレーザ光は、ダイクロイックミラー１４で反射され、対物レンズ１３で集光され、被加工物２０（例えば、基板）の被加工面２０ａに照射される。なお、被加工面２０のうち加工用のＹＡＧレーザ光を照射された部位は改質層を形成し、この改質層に沿って被加工物２０の割断が容易となる。

一方、第２の光源１２にて生成されたアライメント用のレーザ光のうちビームスプリッタ１５で反射した光は、ダイクロイックミラー１４を透過し、対物レンズ１３を経て、被加工物２０の被加工面２０ａに照射される。そして、被加工面２０ａの表面で反射されたアライメント用のレーザ光の一部が、再び対物レンズ１３に入射し、ダイクロイックミラー１４を透過し、ビームスプリッタ１５に入射する。ビームスプリッタ１５で反射された光は、アライメント用の画像処理装置１６に入射し、この光は撮像素子でモニタすることにより、被加工面２０ａの加工状態の確認や位置決め等に使用することが可能となる。

このように、本発明に係るレーザ加工装置１０は、第１のレーザ光源１１で生成された加工用のＹＡＧレーザ光と、第２の光源１２で生成されたアライメント用のレーザ光とを、対物レンズ（すなわち本発明に係る光学系）１３により集光し、この集光した光を被加工物２０の被加工面２０ａに照射して、所望のレーザ加工を行うことができるとともに、モニタ等により加工状態や位置決め等が確認できるように構成されている。

なお、アライメント用のレーザ光を生成する第２の光源１２及びアライメント用の画像処理装置１６の代わりに、オートフォーカス用の光源及びオートフォーカス用の画像処理装置を用いることが可能である。これら場合にも、画像処理装置おいて、被加工面の像を撮像素子や光電変換素子によって検出し、必要な処理を行う。第２の光源１２には、必要に応じてピンホールやスリットなどを含む光学系が装備されている。また、光源としては、必ずしもレーザではなく、波長幅の狭いＬＥＤの利用なども考えられる。

また、上記のレーザ加工装置１０では、加工用のレーザ光を生成する第１のレーザ光源１１、アライメント用（オートフォーカス用に使用する場合も含む）のレーザ光を生成する第２の光源１２、及び、アライメント用（オートフォーカス用に使用する場合も含む）の画像処理装置１６の配置は、本実施形態に限定されるものではない。例えば、アライメント用の画像処理装置１６の光路中に、アライメント用の第２の光源１２からの光を入力するための光分割部材を設置する等、別の配置であってもよい。

以上のような本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば適宜改良可能である。

本発明の第１実施例に係るレーザ加工用光学系のレンズ構成図である。 本発明の第１実施例に係るレーザ加工用光学系の諸収差図である。 本発明の第１実施例に係るレーザ加工用光学系のスポットダイアグラムである。 図４（ａ）は本発明の第１実施例に係るレーザ加工用光学系に配設した回折光学素子の回折面形状を示す図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）で示した回折面形状の周辺部を拡大した図である。 本発明の第２実施例に係るレーザ加工用光学系のレンズ構成図である。 本発明の第２実施例に係るレーザ加工用光学系の諸収差図である。 本発明の第２実施例に係るレーザ加工用光学系のスポットダイアグラムである。 単層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を表す図である。 本発明に係るレーザ加工装置の概略図である。

符号の説明

Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇｆ 回折光学面
Ｐ 焦点位置
１０ レーザ加工装置
１１ 第１のレーザ光源
１２ 第２の光源
１３ 対物レンズ
１４ ダイクロイックミラー
１５ ビームスプリッタ
１６ 画像処理装置

Claims (2)

1. 物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群とからなり、
   前記第２レンズ群は、回折光学素子と、非球面形状を有するレンズとを含み、
   本光学系における像側の開口数をＮＡとし、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、本光学系全体の焦点距離をｆとし、バックフォーカスをｂｆとしたとき、次式、
   ＮＡ＞０．５
   −７＜ｆ１／ｆ＜−３
   ｂｆ＞０．８ｆ
   の条件を満足し、
   前記第１レンズ群を１枚のレンズで構成し、
   前記第２レンズ群を正レンズまたは平行平面板からなる２〜４枚のレンズで構成し、
   前記第２レンズ群に配設された前記回折光学素子により、第１の波長λ _１ を有する第１のレーザ光と、前記第１の波長λ _１ と異なる第２の波長λ _２ を有する第２の光とについて生じる色収差を補正していることを特徴とする記載のレーザ加工用光学系。
2. 前記第１の波長λ_１を有する第１のレーザ光を生成する第１のレーザ光源と、
   前記第２の波長λ_２を有する第２の光を生成する第２の光源と、
   請求項１に記載のレーザ加工用光学系とを備え、
   前記第１のレーザ光源で生成された第１のレーザ光と、前記第２の光源で生成された第２の光とを前記レーザ加工用光学系により集光し、この集光した光を被加工物に照射して加工を行うことを特徴とするレーザ加工装置。

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