JP7034621B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

特許文献１には、ワークを保持する保持機構と、保持機構に保持されたワークにレーザ光を照射するレーザ照射機構と、を備えるレーザ加工装置が記載されている。このレーザ加工装置では、レーザ発振器から集光レンズに至るレーザ光の光路上に配置された各構成が１つの筐体内に配置されており、その筐体が、レーザ加工装置の基台に立設された壁部に固定されている。

特許第５４５６５１０号公報

ところで、上述したようなレーザ加工装置は、測距用レーザ光を加工対象物に照射し、当該測距用レーザ光の反射光を受光することで、加工対象物のレーザ光入射面の変位データを取得するセンサを備える場合がある。このような場合、様々な要求に応じて変位データを精度よく取得できることが望まれる。また、このような場合においても、装置の大型化を抑制することは重要である。

本発明は、装置の大型化を抑制しつつ、加工対象物のレーザ光入射面の変位データを様々な要求に応じて精度よく取得することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工装置は、加工対象物を支持する支持部と、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光を変調しつつ反射する反射型空間光変調器と、加工対象物に対してレーザ光を集光する集光光学系と、反射型空間光変調器の反射面と集光光学系の入射瞳面とが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成する結像光学系と、結像光学系を通過したレーザ光を集光光学系に向けて反射するミラーと、集光光学系を介さずにレーザ光と別軸で第１測距用レーザ光を加工対象物に照射し、当該第１測距用レーザ光の反射光を受光することで、加工対象物のレーザ光入射面の変位データを取得する第１センサと、集光光学系を介してレーザ光と同軸で第２測距用レーザ光を加工対象物に照射し、当該第２測距用レーザ光の反射光を受光することで、レーザ光入射面の変位データを取得する第２センサと、を備え、ミラーから集光光学系に至るレーザ光の光路は、第１方向に沿うように設定されており、反射型空間光変調器から結像光学系を介してミラーに至るレーザ光の光路は、第１方向に垂直な第２方向に沿うように設定され、第１センサは、第１方向及び第２方向に垂直な第３方向において集光光学系の一方の側に配置されている。

このレーザ加工装置は、集光光学系を介さずにレーザ光と別軸で第１測距用レーザ光を照射する第１センサと、集光光学系を介してレーザ光と同軸で第２測距用レーザ光を照射する第２センサと、の双方を、加工対象物のレーザ光入射面（以下、単に「レーザ光入射面」ともいう）の変位データを取得するセンサとして備える。これらの第１センサ及び第２センサはそれぞれ異なるアドバンテージを有することから、それぞれのアドバンテージをいいとこ取りするように適宜利用することで、変位データを様々な要求に応じて精度よく取得することが可能となる。また、第１センサは、反射型空間光変調器から集光光学系に至るレーザ光の光路が配置される平面に対して一方の側に配置されている。つまり、反射型空間光変調器から集光光学系に至るレーザ光の光路上に配置された各構成に対して、第１センサが効率良く配置されている。したがって、本発明のレーザ加工装置によれば、装置の大型化を抑制しつつ、加工対象物のレーザ光入射面の変位データを様々な要求に応じて精度よく取得することが可能となる。

本発明に係るレーザ加工装置は、少なくとも反射型空間光変調器、集光光学系、結像光学系、ミラー及び第１センサを支持する筐体と、第１方向に沿って筐体を移動させる移動機構と、を備え、集光光学系及び第１センサは、第２方向における筐体の一方の端部側に取り付けられており、移動機構は、第３方向における筐体の一方の側面に取り付けられていてもよい。この構成によれば、装置の大型化を抑制しつつ、反射型空間光変調器、集光光学系、結像光学系、ミラー及び第１センサを一体として移動させることができる。

本発明に係るレーザ加工装置は、第１センサを複数備え、複数の第１センサのうちの一つは、第３方向において集光光学系の一方の側に配置され、複数の第１センサのうちの他の一つは、第３方向において集光光学系の他方の側に配置されていてもよい。この構成によれば、反射型空間光変調器から集光光学系に至るレーザ光の光路上に配置された各構成に対して、複数の第１センサを効率良く配置することができる。

本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光を変調する空間光変調器と、加工対象物に対してレーザ光を集光する集光光学系と、集光光学系を介さずにレーザ光と別軸で第１測距用レーザ光を加工対象物に照射し、当該第１測距用レーザ光の反射光を受光することで、加工対象物のレーザ光入射面の変位データを取得する第１センサと、集光光学系を介してレーザ光と同軸で第２測距用レーザ光を加工対象物に照射し、当該第２測距用レーザ光の反射光を受光することで、レーザ光入射面の変位データを取得する第２センサと、を備える。

このレーザ加工装置によれば、第１センサ及び第２センサはそれぞれ異なるアドバンテージを有することから、それぞれのアドバンテージをいいとこ取りするように適宜利用することで、変位データを様々な要求に応じて精度よく取得することが可能となる。

本発明に係るレーザ加工装置は、集光光学系を光軸に沿って移動させる駆動機構と、駆動機構の駆動を制御する制御部と、を備え、制御部は、第１センサで取得した変位データ及び第２センサで取得した変位データの少なくとも何れかに基づいて、集光光学系がレーザ光入射面に追従するように駆動機構を駆動させてもよい。この構成によれば、例えば、レーザ光入射面とレーザ光の集光点との距離が一定に維持されるように、第１センサで取得した変位データ及び第２センサで取得した変位データの少なくとも何れかを利用して集光光学系を移動させることができる。

本発明によれば、装置の大型化を抑制しつつ、加工対象物のレーザ光入射面の変位データを様々な要求に応じて精度よく取得できるレーザ加工装置を提供することが可能となる。

改質領域の形成に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。 改質領域の形成の対象となる加工対象物の平面図である。 図２の加工対象物のIII－III線に沿っての断面図である。 レーザ加工後の加工対象物の平面図である。 図４の加工対象物のV－V線に沿っての断面図である。 図４の加工対象物のVI－VI線に沿っての断面図である。 実施形態に係るレーザ加工装置の斜視図である。 図７のレーザ加工装置の支持台に取り付けられる加工対象物の斜視図である。 図７のＺＸ平面に沿ってのレーザ出力部の断面図である。 図７のレーザ加工装置におけるレーザ出力部及びレーザ集光部の一部の斜視図である。 図７のＸＹ平面に沿ってのレーザ集光部の断面図である。 図１１のXII－XII線に沿ってのレーザ集光部の断面図である。 図１２のXIII－XIII線に沿ってのレーザ集光部の断面図である。 図９のレーザ出力部におけるλ／２波長板ユニット及び偏光板ユニットの光学的配置関係を示す図である。 （ａ）は図９のレーザ出力部のλ／２波長板ユニットにおける偏光方向を示す図であり、（ｂ）は図９のレーザ出力部の偏光板ユニットにおける偏光方向を示す図である。 図１１のレーザ集光部における反射型空間光変調器、４ｆレンズユニット及び集光レンズユニットの光学的配置関係を示す図である。 図１６の４ｆレンズユニットの移動による共役点の移動を示す図である。 図７のレーザ加工装置における同軸測距センサ及び別軸測距センサを説明する模式図である。

以下、本発明の実施形態について、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部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

実施形態に係るレーザ加工装置（後述）では、加工対象物にレーザ光を集光することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物に改質領域を形成する。そこで、まず、改質領域の形成について、図１～図６を参照して説明する。

図１に示されるように、レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌをパルス発振するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの光軸（光路）の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、レーザ光Ｌを集光するための集光用レンズ１０５と、を備えている。また、レーザ加工装置１００は、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１を支持するための支持台１０７と、支持台１０７を移動させるためのステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅、パルス波形等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、ステージ１１１の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備えている。

レーザ加工装置１００においては、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー１０３によってその光軸の向きを９０°変えられ、支持台１０７上に載置された加工対象物１の内部に集光用レンズ１０５によって集光される。これと共に、ステージ１１１が移動させられ、加工対象物１がレーザ光Ｌに対して切断予定ライン５に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン５に沿った改質領域が加工対象物１に形成される。なお、ここでは、レーザ光Ｌを相対的に移動させるためにステージ１１１を移動させたが、集光用レンズ１０５を移動させてもよいし、或いはこれらの両方を移動させてもよい。

加工対象物１としては、半導体材料で形成された半導体基板や圧電材料で形成された圧電基板等を含む板状の部材（例えば、基板、ウェハ等）が用いられる。図２に示されるように、加工対象物１には、加工対象物１を切断するための切断予定ライン５が設定されている。切断予定ライン５は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物１の内部に改質領域を形成する場合、図３に示されるように、加工対象物１の内部に集光点（集光位置）Ｐを合わせた状態で、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図２の矢印Ａ方向に）相対的に移動させる。これにより、図４、図５及び図６に示されるように、改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１に形成され、切断予定ライン５に沿って形成された改質領域７が切断起点領域８となる。

集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。切断予定ライン５は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、これらが組み合わされた３次元状であってもよいし、座標指定されたものであってもよい。切断予定ライン５は、仮想線に限らず加工対象物１の表面３に実際に引かれた線であってもよい。改質領域７は、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。改質領域７は列状でも点状でもよく、要は、改質領域７は少なくとも加工対象物１の内部に形成されていればよい。また、改質領域７を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域７は、加工対象物１の外表面（表面３、裏面、若しくは外周面）に露出していてもよい。改質領域７を形成する際のレーザ光入射面は、加工対象物１の表面３に限定されるものではなく、加工対象物１の裏面であってもよい。

ちなみに、加工対象物１の内部に改質領域７を形成する場合には、レーザ光Ｌは、加工対象物１を透過すると共に、加工対象物１の内部に位置する集光点Ｐ近傍にて特に吸収される。これにより、加工対象物１に改質領域７が形成される（すなわち、内部吸収型レーザ加工）。この場合、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌが殆ど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。一方、加工対象物１の表面３に改質領域７を形成する場合には、レーザ光Ｌは、表面３に位置する集光点Ｐ近傍にて特に吸収され、表面３から溶融され除去されて、穴や溝等の除去部が形成される（表面吸収型レーザ加工）。

改質領域７は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域７としては、例えば、溶融処理領域（一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくとも何れか一つを意味する）、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。更に、改質領域７としては、加工対象物１の材料において改質領域７の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域や、格子欠陥が形成された領域がある。加工対象物１の材料が単結晶シリコンである場合、改質領域７は、高転位密度領域ともいえる。

溶融処理領域、屈折率変化領域、改質領域７の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、及び、格子欠陥が形成された領域は、更に、それら領域の内部や改質領域７と非改質領域との界面に亀裂（割れ、マイクロクラック）を内包している場合がある。内包される亀裂は、改質領域７の全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。加工対象物１は、結晶構造を有する結晶材料からなる基板を含む。例えば加工対象物１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ＬｉＴａＯ_３、及び、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）の少なくとも何れかで形成された基板を含む。換言すると、加工対象物１は、例えば、窒化ガリウム基板、シリコン基板、ＳｉＣ基板、ＬｉＴａＯ_３基板、又はサファイア基板を含む。結晶材料は、異方性結晶及び等方性結晶の何れであってもよい。また、加工対象物１は、非結晶構造（非晶質構造）を有する非結晶材料からなる基板を含んでいてもよく、例えばガラス基板を含んでいてもよい。

実施形態では、切断予定ライン５に沿って改質スポット（加工痕）を複数形成することにより、改質領域７を形成することができる。この場合、複数の改質スポットが集まることによって改質領域７となる。改質スポットとは、パルスレーザ光の１パルスのショット（つまり１パルスのレーザ照射：レーザショット）で形成される改質部分である。改質スポットとしては、クラックスポット、溶融処理スポット若しくは屈折率変化スポット、又はこれらの少なくとも１つが混在するもの等が挙げられる。改質スポットについては、要求される切断精度、要求される切断面の平坦性、加工対象物１の厚さ、種類、結晶方位等を考慮して、その大きさや発生する亀裂の長さを適宜制御することができる。また、実施形態では、切断予定ライン５に沿って、改質スポットを改質領域７として形成することができる。
［実施形態に係るレーザ加工装置］

次に、実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。以下の説明では、水平面内において互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、鉛直方向をＺ軸方向とする。
［レーザ加工装置の全体構成］

図７に示されるように、レーザ加工装置２００は、装置フレーム２１０と、第１移動機構２２０と、支持台（支持部）２３０と、第２移動機構（移動機構）２４０と、を備えている。更に、レーザ加工装置２００は、レーザ出力部３００と、レーザ集光部４００と、制御部５００と、を備えている。

第１移動機構２２０は、装置フレーム２１０に取り付けられている。第１移動機構２２０は、第１レールユニット２２１と、第２レールユニット２２２と、可動ベース２２３と、を有している。第１レールユニット２２１は、装置フレーム２１０に取り付けられている。第１レールユニット２２１には、Ｙ軸方向に沿って延在する一対のレール２２１ａ，２２１ｂが設けられている。第２レールユニット２２２は、Ｙ軸方向に沿って移動可能となるように、第１レールユニット２２１の一対のレール２２１ａ，２２１ｂに取り付けられている。第２レールユニット２２２には、Ｘ軸方向に沿って延在する一対のレール２２２ａ，２２２ｂが設けられている。可動ベース２２３は、Ｘ軸方向に沿って移動可能となるように、第２レールユニット２２２の一対のレール２２２ａ，２２２ｂに取り付けられている。可動ベース２２３は、Ｚ軸方向に平行な軸線を中心線として回転可能である。

支持台２３０は、可動ベース２２３に取り付けられている。支持台２３０は、加工対象物１を支持する。加工対象物１は、例えば、シリコン等の半導体材料からなる基板の表面側に複数の機能素子（フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、又は回路として形成された回路素子等）がマトリックス状に形成されたものである。加工対象物１が支持台２３０に支持される際には、図８に示されるように、環状のフレーム１１に張られたフィルム１２上に、例えば加工対象物１の表面１ａ（複数の機能素子側の面）が貼付される。支持台２３０は、クランプによってフレーム１１を保持すると共に真空チャックテーブルによってフィルム１２を吸着することで、加工対象物１を支持する。支持台２３０上において、加工対象物１には、互いに平行な複数の切断予定ライン５ａ、及び互いに平行な複数の切断予定ライン５ｂが、隣り合う機能素子の間を通るように格子状に設定される。

図７に示されるように、支持台２３０は、第１移動機構２２０において第２レールユニット２２２が動作することで、Ｙ軸方向に沿って移動させられる。また、支持台２３０は、第１移動機構２２０において可動ベース２２３が動作することで、Ｘ軸方向に沿って移動させられる。更に、支持台２３０は、第１移動機構２２０において可動ベース２２３が動作することで、Ｚ軸方向に平行な軸線を中心線として回転させられる。このように、支持台２３０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って移動可能となり且つＺ軸方向に平行な軸線を中心線として回転可能となるように、装置フレーム２１０に取り付けられている。

レーザ出力部３００は、装置フレーム２１０に取り付けられている。レーザ集光部４００は、第２移動機構２４０を介して装置フレーム２１０に取り付けられている。レーザ集光部４００は、第２移動機構２４０が動作することで、Ｚ軸方向に沿って移動させられる。このように、レーザ集光部４００は、レーザ出力部３００に対してＺ軸方向に沿って移動可能となるように、装置フレーム２１０に取り付けられている。

制御部５００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等によって構成されている。制御部５００は、レーザ加工装置２００の各部の動作を制御する。

一例として、レーザ加工装置２００では、次のように、各切断予定ライン５ａ，５ｂ（図８参照）に沿って加工対象物１の内部に改質領域が形成される。

まず、加工対象物１の裏面１ｂ（図８参照）がレーザ光入射面となるように、加工対象物１が支持台２３０に支持され、加工対象物１の各切断予定ライン５ａがＸ軸方向に平行な方向に合わされる。続いて、加工対象物１の内部において加工対象物１のレーザ光入射面から所定距離だけ離間した位置にレーザ光Ｌの集光点が位置するように、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００が移動させられる。続いて、加工対象物１のレーザ光入射面とレーザ光Ｌの集光点との距離が一定に維持されつつ、各切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌの集光点が相対的に移動させられる。これにより、各切断予定ライン５ａに沿って加工対象物１の内部に改質領域が形成される。レーザ光入射面は、裏面１ｂに限定されず、表面１ａであってもよい。

各切断予定ライン５ａに沿っての改質領域の形成が終了すると、第１移動機構２２０によって支持台２３０が回転させられ、加工対象物１の各切断予定ライン５ｂがＸ軸方向に平行な方向に合わされる。続いて、加工対象物１の内部において加工対象物１のレーザ光入射面から所定距離だけ離間した位置にレーザ光Ｌの集光点が位置するように、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００が移動させられる。続いて、加工対象物１のレーザ光入射面とレーザ光Ｌの集光点との距離が一定に維持されつつ、各切断予定ライン５ｂに沿ってレーザ光Ｌの集光点が相対的に移動させられる。これにより、各切断予定ライン５ｂに沿って加工対象物１の内部に改質領域が形成される。

このように、レーザ加工装置２００では、Ｘ軸方向に平行な方向が加工方向（レーザ光Ｌのスキャン方向）とされている。なお、各切断予定ライン５ａに沿ったレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動、及び各切断予定ライン５ｂに沿ったレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動は、第１移動機構２２０によって支持台２３０がＸ軸方向に沿って移動させられることで、実施される。また、各切断予定ライン５ａ間におけるレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動、及び各切断予定ライン５ｂ間におけるレーザ光Ｌの集光点の相対的な移動は、第１移動機構２２０によって支持台２３０がＹ軸方向に沿って移動させられることで、実施される。

図９に示されるように、レーザ出力部３００は、取付ベース３０１と、カバー３０２と、複数のミラー３０３，３０４と、を有している。更に、レーザ出力部３００は、レーザ発振器（レーザ光源）３１０と、シャッタ３２０と、λ／２波長板ユニット（出力調整部、偏光方向調整部）３３０と、偏光板ユニット（出力調整部、偏光方向調整部）３４０と、ビームエキスパンダ（レーザ光平行化部）３５０と、ミラーユニット３６０と、を有している。

取付ベース３０１は、複数のミラー３０３，３０４、レーザ発振器３１０、シャッタ３２０、λ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０、ビームエキスパンダ３５０及びミラーユニット３６０を支持している。複数のミラー３０３，３０４、レーザ発振器３１０、シャッタ３２０、λ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０、ビームエキスパンダ３５０及びミラーユニット３６０は、取付ベース３０１の主面３０１ａに取り付けられている。取付ベース３０１は、板状の部材であり、装置フレーム２１０（図７参照）に対して着脱可能である。レーザ出力部３００は、取付ベース３０１を介して装置フレーム２１０に取り付けられている。つまり、レーザ出力部３００は、装置フレーム２１０に対して着脱可能である。

カバー３０２は、取付ベース３０１の主面３０１ａ上において、複数のミラー３０３，３０４、レーザ発振器３１０、シャッタ３２０、λ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０、ビームエキスパンダ３５０及びミラーユニット３６０を覆っている。カバー３０２は、取付ベース３０１に対して着脱可能である。

レーザ発振器３１０は、直線偏光のレーザ光ＬをＸ軸方向に沿ってパルス発振する。レーザ発振器３１０から出射されるレーザ光Ｌの波長は、５００～５５０ｎｍ、１０００～１１５０ｎｍ又は１３００～１４００ｎｍのいずれかの波長帯に含まれる。５００～５５０ｎｍの波長帯のレーザ光Ｌは、例えばサファイアからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。１０００～１１５０ｎｍ及び１３００～１４００ｎｍの各波長帯のレーザ光Ｌは、例えばシリコンからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。レーザ発振器３１０から出射されるレーザ光Ｌの偏光方向は、例えば、Ｙ軸方向に平行な方向である。レーザ発振器３１０から出射されたレーザ光Ｌは、ミラー３０３によって反射され、Ｙ軸方向に沿ってシャッタ３２０に入射する。

レーザ発振器３１０では、次のように、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられる。レーザ発振器３１０が固体レーザで構成されている場合、共振器内に設けられたＱスイッチ（ＡＯＭ（音響光学変調器）、ＥＯＭ（電気光学変調器）等）のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることで、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが高速に切り替えられる。レーザ発振器３１０がファイバレーザで構成されている場合、シードレーザ、アンプ（励起用）レーザを構成する半導体レーザの出力のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることで、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが高速に切り替えられる。レーザ発振器３１０が外部変調素子を用いている場合、共振器外に設けられた外部変調素子（ＡＯＭ、ＥＯＭ等）のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることで、レーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦが高速に切り替えられる。

シャッタ３２０は、機械式の機構によってレーザ光Ｌの光路を開閉する。レーザ出力部３００からのレーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦの切り替えは、上述したように、レーザ発振器３１０でのレーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦの切り替えによって実施されるが、シャッタ３２０が設けられていることで、例えばレーザ出力部３００からレーザ光Ｌが不意に出射されることが防止される。シャッタ３２０を通過したレーザ光Ｌは、ミラー３０４によって反射され、Ｘ軸方向に沿ってλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０に順次入射する。

λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０は、レーザ光Ｌの出力（光強度）を調整する出力調整部として機能する。また、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０は、レーザ光Ｌの偏光方向を調整する偏光方向調整部として機能する。これらの詳細については後述する。λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を順次通過したレーザ光Ｌは、Ｘ軸方向に沿ってビームエキスパンダ３５０に入射する。

ビームエキスパンダ３５０は、レーザ光Ｌの径を調整しつつ、レーザ光Ｌを平行化する。ビームエキスパンダ３５０を通過したレーザ光Ｌは、Ｘ軸方向に沿ってミラーユニット３６０に入射する。

ミラーユニット３６０は、支持ベース３６１と、複数のミラー３６２，３６３と、を有している。支持ベース３６１は、複数のミラー３６２，３６３を支持している。支持ベース３６１は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って位置調整可能となるように、取付ベース３０１に取り付けられている。ミラー（第１ミラー）３６２は、ビームエキスパンダ３５０を通過したレーザ光ＬをＹ軸方向に反射する。ミラー３６２は、その反射面が例えばＺ軸に平行な軸線回りに角度調整可能となるように、支持ベース３６１に取り付けられている。ミラー（第２ミラー）３６３は、ミラー３６２によって反射されたレーザ光ＬをＺ軸方向に反射する。ミラー３６３は、その反射面が例えばＸ軸に平行な軸線回りに角度調整可能となり且つＹ軸方向に沿って位置調整可能となるように、支持ベース３６１に取り付けられている。ミラー３６３によって反射されたレーザ光Ｌは、支持ベース３６１に形成された開口３６１ａを通過し、Ｚ軸方向に沿ってレーザ集光部４００（図７参照）に入射する。つまり、レーザ出力部３００によるレーザ光Ｌの出射方向は、レーザ集光部４００の移動方向に一致している。上述したように、各ミラー３６２，３６３は、反射面の角度を調整するための機構を有している。ミラーユニット３６０では、取付ベース３０１に対する支持ベース３６１の位置調整、支持ベース３６１に対するミラー３６３の位置調整、及び各ミラー３６２，３６３の反射面の角度調整が実施されることで、レーザ出力部３００から出射されるレーザ光Ｌの光軸の位置及び角度がレーザ集光部４００に対して合わされる。つまり、複数のミラー３６２，３６３は、レーザ出力部３００から出射されるレーザ光Ｌの光軸を調整するための構成である。

図１０に示されるように、レーザ集光部４００は、筐体４０１を有している。筐体４０１は、Ｙ軸方向を長手方向とする直方体状の形状を呈している。筐体４０１の一方の側面４０１ｅには、第２移動機構２４０が取り付けられている（図１１及び図１３参照）。筐体４０１には、ミラーユニット３６０の開口３６１ａとＺ軸方向において対向するように、円筒状の光入射部４０１ａが設けられている。光入射部４０１ａは、レーザ出力部３００から出射されたレーザ光Ｌを筐体４０１内に入射させる。ミラーユニット３６０と光入射部４０１ａとは、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００がＺ軸方向に沿って移動させられた際に互いに接触することがない距離だけ、互いに離間している。

図１１及び図１２に示されるように、レーザ集光部４００は、ミラー４０２と、ダイクロイックミラー４０３と、を有している。更に、レーザ集光部４００は、反射型空間光変調器（空間光変調器）４１０と、４ｆレンズユニット４２０と、集光レンズユニット（集光光学系）４３０と、駆動機構４４０と、一対の別軸測距センサ（第１センサ）４５０と、を有している。

ミラー４０２は、光入射部４０１ａとＺ軸方向において対向するように、筐体４０１の底面４０１ｂに取り付けられている。ミラー４０２は、光入射部４０１ａを介して筐体４０１内に入射したレーザ光ＬをＸＹ平面に平行な方向に反射する。ミラー４０２には、レーザ出力部３００のビームエキスパンダ３５０によって平行化されたレーザ光ＬがＺ軸方向に沿って入射する。つまり、ミラー４０２には、レーザ光Ｌが平行光としてＺ軸方向に沿って入射する。そのため、第２移動機構２４０によってレーザ集光部４００がＺ軸方向に沿って移動させられても、Ｚ軸方向に沿ってミラー４０２に入射するレーザ光Ｌの状態は一定に維持される。ミラー４０２によって反射されたレーザ光Ｌは、反射型空間光変調器４１０に入射する。

反射型空間光変調器４１０は、反射面４１０ａが筐体４０１内に臨んだ状態で、Ｙ軸方向における筐体４０１の端部４０１ｃに取り付けられている。反射型空間光変調器４１０は、例えば反射型液晶（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal on Silicon）の空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）であり、レーザ光Ｌを変調しつつ、レーザ光ＬをＹ軸方向に反射する。反射型空間光変調器４１０によって変調されると共に反射されたレーザ光Ｌは、Ｙ軸方向に沿って４ｆレンズユニット４２０に入射する。ここで、ＸＹ平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの光軸と、反射型空間光変調器４１０から出射されるレーザ光Ｌの光軸とがなす角度αは、鋭角（例えば、１０～６０°）とされている。つまり、レーザ光Ｌは、反射型空間光変調器４１０においてＸＹ平面に沿って鋭角に反射される。これは、レーザ光Ｌの入射角及び反射角を抑えて回折効率の低下を抑制し、反射型空間光変調器４１０の性能を十分に発揮させるためである。なお、反射型空間光変調器４１０では、例えば、液晶が用いられた光変調層の厚さが数μｍ～数十μｍ程度と極めて薄いため、反射面４１０ａは、光変調層の光入出射面と実質的に同じと捉えることができる。

４ｆレンズユニット４２０は、ホルダ４２１と、反射型空間光変調器４１０側のレンズ（結像光学系）４２２と、集光レンズユニット４３０側のレンズ（結像光学系）４２３と、スリット部材４２４と、を有している。ホルダ４２１は、一対のレンズ４２２，４２３及びスリット部材４２４を保持している。ホルダ４２１は、レーザ光Ｌの光軸に沿った方向における一対のレンズ４２２，４２３及びスリット部材４２４の互いの位置関係を一定に維持している。一対のレンズ４２２，４２３は、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａと集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。これにより、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの像（反射型空間光変調器４１０において変調されたレーザ光Ｌの像）が、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａに転像（結像）される。スリット部材４２４には、スリット４２４ａが形成されている。スリット４２４ａは、レンズ４２２とレンズ４２３との間であって、レンズ４２２の焦点面付近に位置している。反射型空間光変調器４１０によって変調されると共に反射されたレーザ光Ｌのうち不要な部分は、スリット部材４２４によって遮断される。４ｆレンズユニット４２０を通過したレーザ光Ｌは、Ｙ軸方向に沿ってダイクロイックミラー４０３に入射する。

ダイクロイックミラー４０３は、レーザ光Ｌの大部分（例えば、９５～９９．５％）をＺ軸方向に反射し、レーザ光Ｌの一部（例えば、０．５～５％）をＹ軸方向に沿って透過させる。レーザ光Ｌの大部分は、ダイクロイックミラー４０３においてＺＸ平面に沿って直角に反射される。ダイクロイックミラー４０３によって反射されたレーザ光Ｌは、Ｚ軸方向に沿って集光レンズユニット４３０に入射する。

集光レンズユニット４３０は、Ｙ軸方向における筐体４０１の端部４０１ｄ（端部４０１ｃの反対側の端部）に、駆動機構４４０を介して取り付けられている。集光レンズユニット４３０は、ホルダ４３１と、複数のレンズ４３２と、を有している。ホルダ４３１は、複数のレンズ４３２を保持している。複数のレンズ４３２は、支持台２３０に支持された加工対象物１（図７参照）に対してレーザ光Ｌを集光する。駆動機構４４０は、圧電素子の駆動力によって、集光レンズユニット４３０をＺ軸方向に沿って移動させる。

一対の別軸測距センサ４５０は、Ｘ軸方向において集光レンズユニット４３０の両側に位置するように、筐体４０１の端部４０１ｄに取り付けられている。各別軸測距センサ４５０は、支持台２３０に支持された加工対象物１（図７参照）のレーザ光入射面に対して第１測距用レーザ光を出射し、当該レーザ光入射面によって反射された測距用の光を検出することで、加工対象物１のレーザ光入射面の変位データを取得する。なお、別軸測距センサ４５０には、三角測距方式、レーザ共焦点方式、白色共焦点方式、分光干渉方式、非点収差方式等のセンサを利用することができる。

レーザ集光部４００は、ビームスプリッタ４６１と、一対のレンズ４６２，４６３と、レーザ光Ｌの強度分布モニタ用のカメラ４６４と、を有している。ビームスプリッタ４６１は、ダイクロイックミラー４０３を透過したレーザ光Ｌを反射成分と透過成分とに分ける。ビームスプリッタ４６１によって反射されたレーザ光Ｌは、Ｚ軸方向に沿って一対のレンズ４６２，４６３及びカメラ４６４に順次入射する。一対のレンズ４６２，４６３は、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとカメラ４６４の撮像面とが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。これにより、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａでのレーザ光Ｌの像が、カメラ４６４の撮像面に転像（結像）される。上述したように、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａでのレーザ光Ｌの像は、反射型空間光変調器４１０において変調されたレーザ光Ｌの像である。したがって、レーザ加工装置２００では、カメラ４６４による撮像結果を監視することで、反射型空間光変調器４１０の動作状態を把握することができる。

更に、レーザ集光部４００は、ビームスプリッタ４７１と、レンズ４７２と、レーザ光Ｌの光軸位置モニタ用のカメラ４７３と、を有している。ビームスプリッタ４７１は、ビームスプリッタ４６１を透過したレーザ光Ｌを反射成分と透過成分とに分ける。ビームスプリッタ４７１によって反射されたレーザ光Ｌは、Ｚ軸方向に沿ってレンズ４７２及びカメラ４７３に順次入射する。レンズ４７２は、入射したレーザ光Ｌをカメラ４７３の撮像面上に集光する。レーザ加工装置２００では、カメラ４６４及びカメラ４７３のそれぞれによる撮像結果を監視しつつ、ミラーユニット３６０において、取付ベース３０１に対する支持ベース３６１の位置調整、支持ベース３６１に対するミラー３６３の位置調整、及び各ミラー３６２，３６３の反射面の角度調整を実施することで（図９及び図１０参照）、集光レンズユニット４３０に入射するレーザ光Ｌの光軸のずれ（集光レンズユニット４３０に対するレーザ光の強度分布の位置ずれ、及び集光レンズユニット４３０に対するレーザ光Ｌの光軸の角度ずれ）を補正することができる。

複数のビームスプリッタ４６１，４７１は、筐体４０１の端部４０１ｄからＹ軸方向に沿って延在する筒体４０４内に配置されている。一対のレンズ４６２，４６３は、Ｚ軸方向に沿って筒体４０４上に立設された筒体４０５内に配置されており、カメラ４６４は、筒体４０５の端部に配置されている。レンズ４７２は、Ｚ軸方向に沿って筒体４０４上に立設された筒体４０６内に配置されており、カメラ４７３は、筒体４０６の端部に配置されている。筒体４０５と筒体４０６とは、Ｙ軸方向において互いに並設されている。なお、ビームスプリッタ４７１を透過したレーザ光Ｌは、筒体４０４の端部に設けられたダンパ等に吸収されるようにしてもよいし、或いは、適宜の用途で利用されるようにしてもよい。

図１２及び図１３に示されるように、レーザ集光部４００は、可視光源４８１と、複数のレンズ４８２と、レチクル４８３と、ミラー４８４と、ハーフミラー４８５と、ビームスプリッタ４８６と、レンズ４８７と、観察カメラ４８８と、同軸測距センサ（第２センサ）４６０と、を有している。可視光源４８１は、Ｚ軸方向に沿って可視光Ｖを出射する。複数のレンズ４８２は、可視光源４８１から出射された可視光Ｖを平行化する。レチクル４８３は、可視光Ｖに目盛り線を付与する。ミラー４８４は、複数のレンズ４８２によって平行化された可視光ＶをＸ軸方向に反射する。ハーフミラー４８５は、ミラー４８４によって反射された可視光Ｖを反射成分と透過成分とに分ける。ハーフミラー４８５によって反射された可視光Ｖは、Ｚ軸方向に沿ってビームスプリッタ４８６及びダイクロイックミラー４０３を順次透過し、集光レンズユニット４３０を介して、支持台２３０に支持された加工対象物１（図７参照）に照射される。

加工対象物１に照射された可視光Ｖは、加工対象物１のレーザ光入射面によって反射され、集光レンズユニット４３０を介してダイクロイックミラー４０３に入射し、Ｚ軸方向に沿ってダイクロイックミラー４０３を透過する。ビームスプリッタ４８６は、ダイクロイックミラー４０３を透過した可視光Ｖを反射成分と透過成分とに分ける。また、ビームスプリッタ４８６は、後述の第２測距用レーザ光Ｌ２及びその反射光Ｌ２Ｒを反射させる。ビームスプリッタ４８６を透過した可視光Ｖは、ハーフミラー４８５を透過し、Ｚ軸方向に沿ってレンズ４８７及び観察カメラ４８８に順次入射する。レンズ４８７は、入射した可視光Ｖを観察カメラ４８８の撮像面上に集光する。レーザ加工装置２００では、観察カメラ４８８による撮像結果を観察することで、加工対象物１の状態を把握することができる。

ミラー４８４、ハーフミラー４８５及びビームスプリッタ４８６は、筐体４０１の端部４０１ｄ上に取り付けられたホルダ４０７内に配置されている。複数のレンズ４８２及びレチクル４８３は、Ｚ軸方向に沿ってホルダ４０７上に立設された筒体４０８内に配置されており、可視光源４８１は、筒体４０８の端部に配置されている。レンズ４８７は、Ｚ軸方向に沿ってホルダ４０７上に立設された筒体４０９内に配置されており、観察カメラ４８８は、筒体４０９の端部に配置されている。筒体４０８と筒体４０９とは、Ｘ軸方向において互いに並設されている。なお、Ｘ軸方向に沿ってハーフミラー４８５を透過した可視光Ｖ、及びビームスプリッタ４８６によってＸ軸方向に反射された可視光Ｖは、それぞれ、ホルダ４０７の壁部に設けられたダンパ等に吸収されるようにしてもよいし、或いは、適宜の用途で利用されるようにしてもよい。

同軸測距センサ４６０は、ホルダ４０７の側面に取り付けられている。同軸測距センサ４６０は、支持台２３０に支持された加工対象物１（図７参照）のレーザ光入射面に対して第２測距用レーザ光Ｌ２を出射し、当該レーザ光入射面によって反射された第２測距用レーザ光Ｌ２の反射光Ｌ２Ｒを検出することで、加工対象物１のレーザ光入射面の変位データを取得する。同軸測距センサ４６０から出射された第２測距用レーザ光Ｌ２は、ビームスプリッタ４８６で反射され、ダイクロイックミラー４０３を透過して集光レンズユニット４３０に導光され、集光レンズユニット４３０の焦点付近であってレーザ光入射面で反射される。当該反射光Ｌ２Ｒは、第２測距用レーザ光Ｌ２とは逆の経路で同軸測距センサ４６０に戻る。同軸測距センサ４６０は、集光レンズユニット４３０に対するレーザ光入射面の位置によって反射光Ｌ２Ｒの状態が変化することを利用して、加工対象物１の変位データを取得する。例えば同軸測距センサ４６０としては、非点収差方式等のセンサを利用することができる。

レーザ加工装置２００では、レーザ出力部３００の交換が想定されている。これは、加工対象物１の仕様、加工条件等に応じて、加工に適したレーザ光Ｌの波長が異なるからである。そのため、出射するレーザ光Ｌの波長が互いに異なる複数のレーザ出力部３００が用意される。ここでは、出射するレーザ光Ｌの波長が５００～５５０ｎｍの波長帯に含まれるレーザ出力部３００、出射するレーザ光Ｌの波長が１０００～１１５０ｎｍの波長帯に含まれるレーザ出力部３００、及び出射するレーザ光Ｌの波長が１３００～１４００ｎｍの波長帯に含まれるレーザ出力部３００が用意される。

一方、レーザ加工装置２００では、レーザ集光部４００の交換が想定されていない。これは、レーザ集光部４００がマルチ波長に対応している（互いに連続しない複数の波長帯に対応している）からである。具体的には、ミラー４０２、反射型空間光変調器４１０、４ｆレンズユニット４２０の一対のレンズ４２２，４２３、ダイクロイックミラー４０３、及び集光レンズユニット４３０のレンズ４３２等がマルチ波長に対応している。ここでは、レーザ集光部４００は、５００～５５０ｎｍ、１０００～１１５０ｎｍ及び１３００～１４００ｎｍの波長帯に対応している。これは、レーザ集光部４００の各構成に所定の誘電体多層膜をコーティングすること等、所望の光学性能が満足されるようにレーザ集光部４００の各構成が設計されることで実現される。なお、レーザ出力部３００において、λ／２波長板ユニット３３０はλ／２波長板を有しており、偏光板ユニット３４０は偏光板を有している。λ／２波長板及び偏光板は、波長依存性が高い光学素子である。そのため、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０は、波長帯ごとに異なる構成としてレーザ出力部３００に設けられている。
［レーザ加工装置におけるレーザ光の光路及び偏光方向］

レーザ加工装置２００では、支持台２３０に支持された加工対象物１に対して集光されるレーザ光Ｌの偏光方向は、図１１に示されるように、Ｘ軸方向に平行な方向であり、加工方向（レーザ光Ｌのスキャン方向）に一致している。ここで、反射型空間光変調器４１０では、レーザ光ＬがＰ偏光として反射される。これは、反射型空間光変調器４１０の光変調層に液晶が用いられている場合において、反射型空間光変調器４１０に対して入出射するレーザ光Ｌの光軸を含む平面に平行な面内で液晶分子が傾斜するように、当該液晶が配向されているときには、偏波面の回転が抑制された状態でレーザ光Ｌに位相変調が施されるからである（例えば、特許第３８７８７５８号公報参照）。一方、ダイクロイックミラー４０３では、レーザ光ＬがＳ偏光として反射される。これは、レーザ光ＬをＰ偏光として反射させるよりも、レーザ光ＬをＳ偏光として反射させたほうが、ダイクロイックミラー４０３をマルチ波長に対応させるための誘電体多層膜のコーティング数が減少する等、ダイクロイックミラー４０３の設計が容易となるからである。

したがって、レーザ集光部４００では、ミラー４０２から反射型空間光変調器４１０及び４ｆレンズユニット４２０を介してダイクロイックミラー４０３に至る光路が、ＸＹ平面に沿うように設定されており、ダイクロイックミラー４０３から集光レンズユニット４３０に至る光路が、Ｚ軸方向に沿うように設定されている。

図９に示されるように、レーザ出力部３００では、レーザ光Ｌの光路がＸ軸方向又はＹ軸方向（主面３０１ａに平行な平面）に沿うように設定されている。具体的には、レーザ発振器３１０からミラー３０３に至る光路、並びに、ミラー３０４からλ／２波長板ユニット３３０、偏光板ユニット３４０及びビームエキスパンダ３５０を介してミラーユニット３６０に至る光路が、Ｘ軸方向に沿うように設定されており、ミラー３０３からシャッタ３２０を介してミラー３０４に至る光路、及び、ミラーユニット３６０においてミラー３６２からミラー３６３に至る光路が、Ｙ軸方向に沿うように設定されている。

ここで、Ｚ軸方向に沿ってレーザ出力部３００からレーザ集光部４００に進行したレーザ光Ｌは、図１１に示されるように、ミラー４０２によってＸＹ平面に平行な方向に反射され、反射型空間光変調器４１０に入射する。このとき、ＸＹ平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの光軸と、反射型空間光変調器４１０から出射されるレーザ光Ｌの光軸とは、鋭角である角度αをなしている。一方、上述したように、レーザ出力部３００では、レーザ光Ｌの光路がＸ軸方向又はＹ軸方向に沿うように設定されている。

したがって、レーザ出力部３００において、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を、レーザ光Ｌの出力を調整する出力調整部としてだけでなく、レーザ光Ｌの偏光方向を調整する偏光方向調整部としても機能させる必要がある。
［λ／２波長板ユニット及び偏光板ユニット］

図１４に示されるように、λ／２波長板ユニット３３０は、ホルダ（第１ホルダ）３３１と、λ／２波長板３３２と、を有している。ホルダ３３１は、Ｘ軸方向に平行な軸線（第１軸線）ＸＬを中心線としてλ／２波長板３３２が回転可能となるように、λ／２波長板３３２を保持している。λ／２波長板３３２は、その光学軸（例えば、fast軸）に対して偏光方向が角度θだけ傾いてレーザ光Ｌが入射した場合に、軸線ＸＬを中心線として偏光方向を角度２θだけ回転させてレーザ光Ｌを出射する（図１５の（ａ）参照）。

偏光板ユニット３４０は、ホルダ（第２ホルダ）３４１と、偏光板（偏光部材）３４２と、光路補正板（光路補正部材）３４３と、を有している。ホルダ３４１は、軸線（第２軸線）ＸＬを中心線として偏光板３４２及び光路補正板３４３が一体で回転可能となるように、偏光板３４２及び光路補正板３４３を保持している。偏光板３４２の光入射面及び光出射面は、所定角度（例えば、ブリュスター角度）だけ傾いている。偏光板３４２は、レーザ光Ｌが入射した場合に、偏光板３４２の偏光軸に一致するレーザ光ＬのＰ偏光成分を透過させ、レーザ光ＬのＳ偏光成分を反射又は吸収する（図１５の（ｂ）参照）。光路補正板３４３の光入射面及び光出射面は、偏光板３４２の光入射面及び光出射面とは逆側に傾いている。光路補正板３４３は、偏光板３４２を透過することで軸線ＸＬ上から外れたレーザ光Ｌの光軸を軸線ＸＬ上に戻す。

上述したように、レーザ集光部４００では、ＸＹ平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの光軸と、反射型空間光変調器４１０から出射されるレーザ光Ｌの光軸とが、鋭角である角度αをなしている（図１１参照）。一方、レーザ出力部３００では、レーザ光Ｌの光路がＸ軸方向又はＹ軸方向に沿うように設定されている（図９参照）。

そこで、偏光板ユニット３４０では、軸線ＸＬを中心線として偏光板３４２及び光路補正板３４３が一体で回転させられ、図１５の（ｂ）に示されるように、Ｙ軸方向に平行な方向に対して偏光板３４２の偏光軸が角度αだけ傾けられる。これにより、偏光板ユニット３４０から出射されるレーザ光Ｌの偏光方向が、Ｙ軸方向に平行な方向に対して角度αだけ傾く。その結果、反射型空間光変調器４１０においてレーザ光ＬがＰ偏光として反射されると共に、ダイクロイックミラー４０３においてレーザ光ＬがＳ偏光として反射され、支持台２３０に支持された加工対象物１に対して集光されるレーザ光Ｌの偏光方向がＸ軸方向に平行な方向となる。

また、図１５の（ｂ）に示されるように、偏光板ユニット３４０に入射するレーザ光Ｌの偏光方向が調整され、偏光板ユニット３４０から出射されるレーザ光Ｌの光強度が調整される。偏光板ユニット３４０に入射するレーザ光Ｌの偏光方向の調整は、λ／２波長板ユニット３３０において軸線ＸＬを中心線としてλ／２波長板３３２が回転させられ、図１５の（ａ）に示されるように、λ／２波長板３３２に入射するレーザ光Ｌの偏光方向（例えば、Ｙ軸方向に平行な方向）に対するλ／２波長板３３２の光学軸の角度が調整されることで、実施される。

以上のように、レーザ出力部３００において、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０は、レーザ光Ｌの出力を調整する出力調整部（上述した例では、出力減衰部）としてだけでなく、レーザ光Ｌの偏光方向を調整する偏光方向調整部としても機能している。
［４ｆレンズユニット］

上述したように、４ｆレンズユニット４２０の一対のレンズ４２２，４２３は、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａと集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。具体的には、図１６に示されるように、反射型空間光変調器４１０側のレンズ４２２と反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａとの間の光路の距離がレンズ４２２の第１焦点距離ｆ１となり、集光レンズユニット４３０側のレンズ４２３と集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとの間の光路の距離がレンズ４２３の第２焦点距離ｆ２となり、レンズ４２２とレンズ４２３との間の光路の距離が第１焦点距離ｆ１と第２焦点距離ｆ２との和（すなわち、ｆ１＋ｆ２）となっている。反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至る光路のうち一対のレンズ４２２，４２３間の光路は、一直線である。

レーザ加工装置２００では、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径を大きくする観点から、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍが、０．５＜Ｍ＜１（縮小系）を満たしている。反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径が大きいほど、高精細な位相パターンでレーザ光Ｌが変調される。反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が長くなるのを抑制するという観点では、０．６≦Ｍ≦０．９５であることがより好ましい。ここで、（両側テレセントリック光学系の倍率Ｍ）＝（集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａでの像の大きさ）／（反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでの物体の大きさ）である。レーザ加工装置２００の場合、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍ、レンズ４２２の第１焦点距離ｆ１及びレンズ４２３の第２焦点距離ｆ２が、Ｍ＝ｆ２／ｆ１を満たしている。

なお、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径を小さくする観点から、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍが、１＜Ｍ＜２（拡大系）を満たしていてもよい。反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径が小さいほど、ビームエキスパンダ３５０（図９参照）の倍率が小さくて済み、ＸＹ平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの光軸と、反射型空間光変調器４１０から出射されるレーザ光Ｌの光軸とがなす角度α（図１１参照）が小さくなる。反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が長くなるのを抑制するという観点では、１．０５≦Ｍ≦１．７であることがより好ましい。

４ｆレンズユニット４２０では、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍが１ではないため、図１７に示されるように、一対のレンズ４２２，４２３が光軸に沿って移動すると、集光レンズユニット４３０側の共役点が移動する。具体的には、倍率Ｍ＜１（縮小系）の場合、一対のレンズ４２２，４２３が光軸に沿って集光レンズユニット４３０側に移動すると、集光レンズユニット４３０側の共役点が反射型空間光変調器４１０の反対側に移動する。一方、倍率Ｍ＞１（拡大系）の場合、一対のレンズ４２２，４２３が光軸に沿って反射型空間光変調器４１０側に移動すると、集光レンズユニット４３０側の共役点が反射型空間光変調器４１０の反対側に移動する。これにより、例えば集光レンズユニット４３０の取付位置にずれが生じた場合に、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａに集光レンズユニット４３０側の共役点が位置合わせされる。４ｆレンズユニット４２０では、図１１に示されるように、Ｙ軸方向に延在する複数の長穴４２１ａがホルダ４２１の底壁に形成されており、各長穴４２１ａを介したボルト止めによって、ホルダ４２１が筐体４０１の底面４０１ｂに固定されている。これにより、光軸に沿った方向における一対のレンズ４２２，４２３の位置調整は、筐体４０１の底面４０１ｂに対するホルダ４２１の固定位置がＹ軸方向に沿って調整されることで、実施される。
［別軸測距センサ及び同軸測距センサ］

図１８に示されるように、別軸測距センサ４５０は、集光レンズユニット４３０を介さずにレーザ光Ｌと別軸で第１測距用レーザ光Ｌ１を加工対象物１に照射し、当該第１測距用レーザ光Ｌ１の反射光Ｌ１Ｒを受光することで、レーザ光入射面の変位データを取得する。別軸測距センサ４５０は一対（複数）設けられている。一対の別軸測距センサ４５０は、Ｘ方向において集光レンズユニット４３０の一方側及び他方側にそれぞれ配置されている。同軸測距センサ４６０は、集光レンズユニット４３０を介してレーザ光Ｌと同軸で第２測距用レーザ光Ｌ２を前記加工対象物に照射し、当該第２測距用レーザ光Ｌ２の反射光Ｌ２Ｒを受光することで、レーザ光入射面の変位データを取得する。取得した変位データは、制御部５００に送信される。

変位データは、変位に関する信号であって、例えば誤差信号である。一例として、誤差信号は、変化するビーム形状を分割して検出した検出結果に基づいて、下式の演算により生成できる。
誤差信号＝［（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｃ）－（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｄ）］／［（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）］
但し、
Ｉ_Ａ：４分割された受光面のうちの第１受光面の光量に基づき出力された信号値、
Ｉ_Ｂ：４分割された受光面のうちの第２受光面の光量に基づき出力された信号値、
Ｉ_Ｃ：４分割された受光面のうちの第３受光面の光量に基づき出力された信号値、
Ｉ_Ｄ：４分割された受光面のうちの第４受光面の光量に基づき出力された信号値。

レーザ加工装置２００では、上述したように、Ｘ軸方向に平行な方向が加工方向（レーザ光Ｌのスキャン方向）とされている。そのため、切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌの集光点が相対的に移動させられる際に、一対の別軸測距センサ４５０のうち集光レンズユニット４３０に対して相対的に先行する別軸測距センサ４５０により、切断予定ライン５に沿った加工対象物１のレーザ光入射面の変位データを取得することができる。

別軸測距センサ４５０は、次のアドバンテージを有する。設計上の制約(波長、偏光等)が少ない。上述のように、集光レンズユニット４３０に対して相対的に先行するレーザ光入射面の変位データを取得できるため、レーザ光入射面の形状（加工対象物１の形状）を予め把握することが可能となる。測距点と制御点が異なり、集光レンズユニット４３０に先行して変位データを取得することができる。加工対象物１のエッジや加工対象物１上の急峻な変位が在っても、追従動作に支障（制御に時間がかかったり振動したりすること）が生じることが少ない。

一方、同軸測距センサ４６は、次のアドバンテージを有する。外乱（振動及び熱膨張等）の影響をキャンセルできる。位置ズレの影響をキャンセルできる。測距点と制御点が同じであるため、支持台２３０に振動又は歪みがある場合でも、それを加味したフィードバック制御によって集光レンズユニット４３０とレーザ光入射面との間の距離を一定に保つことが可能となり、制御結果に生じるエラーを抑制できる。

制御部５００は、切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌをスキャンしながら、別軸測距センサ４５０で取得した変位データ及び同軸測距センサ４６０で取得した変位データの少なくとも何れかに基づいて、集光レンズユニット４３０がレーザ光入射面に追従するように駆動機構４４０を駆動させる。これにより、加工対象物１のレーザ光入射面とレーザ光Ｌの集光点との距離が一定に維持されるように、当該変位データに基づいて集光レンズユニット４３０がＺ軸方向に沿って移動する。

例えば制御部５００は、切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌをスキャンしながら、同軸測距センサ４６０から変位データとして誤差信号を取得し、取得した誤差信号が目標値を維持するようにフィードバック制御を実行し、駆動機構４４０により集光レンズユニット４３０をレーザ光入射面に追従するようにＺ方向に動作させる。

或いは、例えば制御部５００は、切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌをスキャンしながら、先行する別軸測距センサ４５０から変位データとして誤差信号を取得し、取得した誤差信号が目標値を維持するように先読み制御（フィードフォーワード制御）を実行し、駆動機構４４０により集光レンズユニット４３０をレーザ光入射面に追従するようにＺ方向に動作させる。

或いは、例えば制御部５００は、切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌをスキャンしながら、同軸測距センサ４６０からの誤差信号と別軸測距センサ４５０からの誤差信号との双方に基づく信号が目標値を維持するようにフィードバック制御を実行し、駆動機構４４０により集光レンズユニット４３０をレーザ光入射面に追従するようにＺ方向に動作させる。

さらに或いは、制御部５００は、別軸測距センサ４５０で取得した変位データ及び同軸測距センサ４６０で取得した変位データの少なくとも何れかに基づいて、次のような制御を実行してもよい。例えば、先行する別軸測距センサ４５０で取得した変位データを用いてレーザ光入射面を追従しながら、同軸測距センサ４６０で取得した変位データを用いて集光レンズユニット４３０位置での当該追従を確認してもよい。また、先行する別軸測距センサ４５０で取得した変位データを用いてレーザ光入射面を追従しながら、同軸測距センサ４６０で取得した変位データを用いて、第１レールユニット２２１、第２レールユニット２２２及び可動ベース２２３（図７参照）の少なくとも何れかのうねりを検出してもよい。また、加工対象物１のエッジの高さ位置を、先行する別軸測距センサ４５０で取得し、集光レンズユニット４３０の光軸がエッジに進入するとき（同軸測距センサ４６０の光軸がエッジに進入するとき）の高さ位置を、取得した当該高さ位置に基づいて補正してもよい。また、先行する別軸測距センサ４５０で取得した変位データを用いてレーザ光入射面を追従しながら、当該追従の誤差を同軸測距センサ４６０で取得した変位データを用いてフィードバック補正してもよい（フィードフォーワード制御＋フィードバック制御）。また、特殊ウエハに対する加工において選択肢を拡大すべく、別軸測距センサ４５０及び同軸測距センサ４６０の中から、加工対象物１の種類等に基づき最適な何れかを選択してもよい。
［作用及び効果］

以上、レーザ加工装置２００は、集光レンズユニット４３０を介さずにレーザ光Ｌと別軸で第１測距用レーザ光Ｌ１を照射する別軸測距センサ４５０と、集光レンズユニット４３０を介してレーザ光Ｌと同軸で第２測距用レーザ光Ｌ２を照射する同軸測距センサ４６０と、の双方を、レーザ光入射面の変位データを取得するセンサとして備える。別軸測距センサ４５０及び同軸測距センサ４６０はそれぞれ異なるアドバンテージを有することから、それぞれのアドバンテージをいいとこ取りするように適宜利用することで、変位データを様々な要求に応じて精度よく取得することが可能となる。より安定した精度の高い追従動作が実現できる。更に、一方の別軸測距センサ４５０が、反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が配置される平面（ＹＺ平面に平行な平面）に対して一方の側に配置されている。つまり、反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路上に配置された各構成に対して、一方の別軸測距センサ４５０が効率良く配置されている。

したがって、レーザ加工装置２００によれば、装置の大型化を抑制しつつ、加工対象物１のレーザ光入射面の変位データを様々な要求に応じて精度よく取得することが可能となる。レーザ加工装置２００では、別軸測距センサ４５０及び同軸測距センサ４６０を同時搭載することができ、別軸測距センサ４５０及び同軸測距センサ４６０を同時に利用することで単体ではできなかった新たな機能が実現可能となる。両者のアドバンテージを合わせた制御が可能となる。

レーザ加工装置２００は、少なくとも反射型空間光変調器４１０、集光レンズユニット４３０、一対のレンズ４２２，４２３、ダイクロイックミラー４０３及び一方の別軸測距センサ４５０を支持する筐体４０１と、第１方向（Ｚ軸方向）に沿って筐体４０１を移動させる第２移動機構２４０と、を更に備える。集光レンズユニット４３０及び一方の別軸測距センサ４５０は、第２方向（Ｙ軸方向）における筐体４０１の端部４０１ｄに取り付けられている。第２移動機構２４０は、第３方向（Ｘ軸方向）における筐体４０１の一方の側面４０１ｅに取り付けられている。これにより、装置の大型化を抑制しつつ、反射型空間光変調器４１０、集光レンズユニット４３０、一対のレンズ４２２，４２３、ダイクロイックミラー４０３及び一方の別軸測距センサ４５０を一体として移動させることができる。

レーザ加工装置２００は、別軸測距センサ４５０を複数備え、一方の別軸測距センサ４５０は、Ｘ方向において集光レンズユニット４３０の一方の側に配置され、他方の別軸測距センサ４５０は、Ｘ方向において集光レンズユニット４３０の他方の側に配置されている。この構成によれば、反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路上に配置された各構成に対して、複数の別軸測距センサ４５０を効率良く配置することができる。

レーザ加工装置２００は、集光レンズユニット４３０を光軸に沿って移動させる駆動機構４４０と、駆動機構４４０の駆動を制御する制御部５００と、を備える。制御部５００は、別軸測距センサ４５０で取得した変位データ及び同軸測距センサ４６０で取得した変位データの少なくとも何れかに基づいて、集光レンズユニット４３０がレーザ光入射面に追従するように駆動機構４４０を駆動させる。この構成によれば、例えば、レーザ光入射面とレーザ光Lの集光点との距離が一定に維持されるように、別軸測距センサ４５０及び同軸測距センサ４６０の少なくとも何れかの変位データを利用して集光レンズユニット４３０を移動させることができる。

なお、レーザ加工装置２００は、以下の作用効果をさらに奏する。

レーザ加工装置２００では、一対のレンズ４２２，４２３を通過したレーザ光Ｌを集光レンズユニット４３０に向けて反射するミラーが、ダイクロイックミラー４０３である。これにより、ダイクロイックミラー４０３を透過したレーザ光Ｌの一部を様々な用途に利用することができる。

レーザ加工装置２００では、ダイクロイックミラー４０３が、レーザ光ＬをＳ偏光として反射する。これにより、第３方向（Ｘ軸方向）に沿って加工対象物１に対してレーザ光Ｌをスキャンすることで、レーザ光Ｌのスキャン方向とレーザ光Ｌの偏光方向とを互いに一致させることができる。例えば、切断予定ラインに沿って加工対象物１の内部に改質領域を形成する場合には、レーザ光Ｌのスキャン方向とレーザ光Ｌの偏光方向とを互いに一致させることで、改質領域を効率良く形成することができる。

レーザ加工装置２００は、集光レンズユニット４３０は、駆動機構４４０を介して、第２方向（Ｙ軸方向）における筐体４０１の端部４０１ｄに取り付けられている。これにより、例えば、加工対象物１のレーザ光入射面とレーザ光Ｌの集光点との距離が一定に維持されるように、集光レンズユニット４３０を移動させることができる。

レーザ加工装置２００では、反射型空間光変調器４１０が、第２方向（Ｙ軸方向）における筐体４０１の端部４０１ｃに取り付けられている。これにより、筐体４０１に対して各構成を効率良く配置することができる。

レーザ加工装置２００は、装置フレーム２１０と、装置フレーム２１０に取り付けられ、加工対象物１を支持する支持台２３０と、装置フレーム２１０に取り付けられたレーザ出力部３００と、レーザ出力部３００に対して移動可能となるように装置フレーム２１０に取り付けられたレーザ集光部４００と、を備える。レーザ出力部３００は、レーザ光Ｌを出射するレーザ発振器３１０を有する。レーザ集光部４００は、レーザ光Ｌを変調しつつ反射する反射型空間光変調器４１０と、加工対象物１に対してレーザ光Ｌを集光する集光レンズユニット４３０と、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａと集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成する一対のレンズ４２２，４２３と、を有する。

レーザ加工装置２００では、反射型空間光変調器４１０、集光レンズユニット４３０及び一対のレンズ４２２，４２３を有するレーザ集光部４００が、レーザ発振器３１０を有するレーザ出力部３００に対して移動可能である。したがって、例えば、レーザ発振器３１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路上に配置された各構成の全体を移動させる場合に比べ、移動対象となるレーザ集光部４００を軽量化することができ、レーザ集光部４００を移動させるための第２移動機構２４０を小型化することができる。しかも、反射型空間光変調器４１０、集光レンズユニット４３０及び一対のレンズ４２２，４２３は一体として移動させられ、互いの位置関係が維持されるため、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの像を集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａに精度良く転像することができる。よって、レーザ加工装置２００によれば、装置の大型化を抑制しつつ、集光レンズユニット４３０側の構成を加工対象物１に対して移動させることができる。

レーザ加工装置２００では、レーザ出力部３００からのレーザ光Ｌの出射方向（Ｚ軸方向）が、レーザ集光部４００の移動方向（Ｚ軸方向）に一致している。これにより、レーザ出力部３００に対してレーザ集光部４００が移動しても、レーザ集光部４００に入射するレーザ光Ｌの位置が変化するのを抑制することができる。

レーザ加工装置２００では、レーザ出力部３００が、レーザ光Ｌを平行化するビームエキスパンダ３５０を更に有する。これにより、レーザ出力部３００に対してレーザ集光部４００が移動しても、レーザ集光部４００に入射するレーザ光Ｌの径が変化するのを抑制することができる。なお、ビームエキスパンダ３５０によってレーザ光Ｌが完全な平行光とされず、例えばレーザ光Ｌの広がり角が多少あったとしても、反射型空間光変調器４１０においてレーザ光Ｌを平行化することができる。

レーザ加工装置２００では、レーザ集光部４００が、反射型空間光変調器４１０から一対のレンズ４２２，４２３を介して集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が内部に設定された筐体４０１を更に有し、筐体４０１に、レーザ出力部３００から出射されたレーザ光Ｌを筐体４０１内に入射させる光入射部４０１ａが設けられている。これにより、反射型空間光変調器４１０から一対のレンズ４２２，４２３を介して集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路の状態を一定に維持しつつ、レーザ出力部３００に対してレーザ集光部４００を移動させることができる。

レーザ加工装置２００では、レーザ集光部４００が、レーザ集光部４００の移動方向（Ｚ軸方向）において光入射部４０１ａと対向するように筐体４０１内に配置されたミラー４０２を更に有し、ミラー４０２が、光入射部４０１ａから筐体４０１内に入射したレーザ光Ｌを反射型空間光変調器４１０に向けて反射する。これにより、レーザ出力部３００からレーザ集光部４００に入射したレーザ光Ｌを反射型空間光変調器４１０に所望の角度で入射させることができる。

レーザ加工装置２００では、支持台２３０が、レーザ集光部４００の移動方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（ＸＹ平面）に沿って移動可能となるように装置フレーム２１０に取り付けられている。これにより、加工対象物１に対して所望の位置にレーザ光Ｌの集光点を位置させることに加え、レーザ集光部４００の移動方向に垂直な平面に平行な方向において、加工対象物１に対してレーザ光Ｌをスキャンすることができる。

レーザ加工装置２００では、支持台２３０が、第１移動機構２２０を介して装置フレーム２１０に取り付けられており、レーザ集光部４００が、第２移動機構２４０を介して装置フレーム２１０に取り付けられている。これにより、支持台２３０及びレーザ集光部４００のそれぞれの移動を確実に実施することができる。

また、レーザ加工装置２００は、装置フレーム２１０と、装置フレーム２１０に取り付けられ、加工対象物１を支持する支持台２３０と、装置フレーム２１０に対して着脱可能であるレーザ出力部３００と、装置フレーム２１０に取り付けられたレーザ集光部４００と、を備える。レーザ出力部３００は、レーザ光Ｌを出射するレーザ発振器３１０と、レーザ光Ｌの出力を調整するλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０と、を有する。レーザ集光部４００は、レーザ光Ｌを変調しつつ反射する反射型空間光変調器４１０と、加工対象物１に対してレーザ光Ｌを集光する集光レンズユニット４３０と、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａと集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成する一対のレンズ４２２，４２３と、を有する。

レーザ加工装置２００では、反射型空間光変調器４１０、集光レンズユニット４３０及び一対のレンズ４２２，４２３を有するレーザ集光部４００とは別体で、レーザ発振器３１０並びにλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を有するレーザ出力部３００が装置フレーム２１０に対して着脱可能である。したがって、加工対象物１の仕様、加工条件等に応じて、加工に適したレーザ光Ｌの波長が異なる場合には、所望の波長を有するレーザ光Ｌを出射するレーザ発振器３１０、並びに波長依存性を有するλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を纏めて交換することができる。よって、レーザ加工装置２００によれば、レーザ光Ｌの波長が互いに異なる複数のレーザ発振器３１０を用いることができる。

レーザ加工装置２００では、レーザ出力部３００が、レーザ発振器３１０並びにλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を支持し且つ装置フレーム２１０に対して着脱可能である取付ベース３０１を更に有し、レーザ出力部３００が、取付ベース３０１を介して装置フレーム２１０に取り付けられている。これにより、装置フレーム２１０に対してレーザ出力部３００を容易に着脱することができる。

レーザ加工装置２００では、レーザ出力部３００が、レーザ出力部３００から出射されるレーザ光Ｌの光軸を調整するためのミラー３６２，３６３を更に有する。これにより、例えば装置フレーム２１０にレーザ出力部３００を取り付けた際に、レーザ集光部４００に入射するレーザ光Ｌの光軸の位置及び角度を調整することができる。

レーザ加工装置２００では、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０が、レーザ光Ｌの偏光方向を調整する。これにより、例えば装置フレーム２１０にレーザ出力部３００を取り付けた際に、レーザ集光部４００に入射するレーザ光Ｌの偏光方向、延いてはレーザ集光部４００から出射されるレーザ光Ｌの偏光方向を調整することができる。

レーザ加工装置２００では、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０が、λ／２波長板３３２及び偏光板３４２を含んでいる。これにより、波長依存性を有するλ／２波長板３３２及び偏光板３４２を、レーザ発振器３１０と纏めて交換することができる。

レーザ加工装置２００では、レーザ出力部３００が、レーザ光Ｌの径を調整しつつレーザ光Ｌを平行化するビームエキスパンダ３５０を更に有する。これにより、例えばレーザ出力部３００に対してレーザ集光部４００が移動する場合にも、レーザ集光部４００に入射するレーザ光Ｌの状態を一定に維持することができる。

レーザ加工装置２００では、反射型空間光変調器４１０、集光レンズユニット４３０及び一対のレンズ４２２，４２３が、５００～５５０ｎｍ、１０００～１１５０ｎｍ及び１３００～１４００ｎｍの波長帯に対応している。これにより、各波長帯のレーザ光Ｌを出射するレーザ出力部３００をレーザ加工装置２００に取り付けることができる。なお、５００～５５０ｎｍの波長帯のレーザ光Ｌは、例えばサファイアからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。１０００～１１５０ｎｍ及び１３００～１４００ｎｍの各波長帯のレーザ光Ｌは、例えばシリコンからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。

また、レーザ加工装置２００は、加工対象物１を支持する支持台２３０と、レーザ光Ｌを出射するレーザ発振器３１０と、レーザ光Ｌを変調しつつ反射する反射型空間光変調器４１０と、加工対象物１に対してレーザ光Ｌを集光する集光レンズユニット４３０と、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａと集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成する一対のレンズ４２２，４２３と、を備える。反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路のうち、少なくとも一対のレンズ４２２，４２３を通過する（すなわち、反射型空間光変調器４１０側のレンズ４２２から集光レンズユニット４３０側のレンズ４２３に至る）レーザ光Ｌの光路は、一直線である。両側テレセントリック光学系の倍率Ｍは、０．５＜Ｍ＜１又は１＜Ｍ＜２を満たす。なお、レーザ加工装置２００では、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍ、レンズ４２２の第１焦点距離ｆ１及びレンズ４２３の第２焦点距離ｆ２が、Ｍ＝ｆ２／ｆ１を満たす。

レーザ加工装置２００では、両側テレセントリック光学系の倍率Ｍが１ではない。これにより、一対のレンズ４２２，４２３が光軸に沿って移動すると、集光レンズユニット４３０側の共役点が移動する。具体的には、倍率Ｍ＜１（縮小系）の場合、一対のレンズ４２２，４２３が光軸に沿って集光レンズユニット４３０側に移動すると、集光レンズユニット４３０側の共役点が反射型空間光変調器４１０の反対側に移動する。一方、倍率Ｍ＞１（拡大系）の場合、一対のレンズ４２２，４２３が光軸に沿って反射型空間光変調器４１０側に移動すると、集光レンズユニット４３０側の共役点が反射型空間光変調器４１０の反対側に移動する。したがって、例えば集光レンズユニット４３０の取付位置にずれが生じた場合に、集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａに集光レンズユニット４３０側の共役点を位置合わせすることができる。しかも、少なくとも反射型空間光変調器４１０側のレンズ４２２から集光レンズユニット４３０側のレンズ４２３に至るレーザ光Ｌの光路が一直線であるため、一対のレンズ４２２，レンズ４２３を光軸に沿って容易に移動させることができる。よって、レーザ加工装置２００によれば、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの像を集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａに容易に且つ精度良く転像することができる。

なお、０．５＜Ｍ＜１とすることで、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径を大きくすることができ、高精細な位相パターンでレーザ光Ｌを変調することができる。一方、１＜Ｍ＜２とすることで、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの有効径を小さくすることができ、反射型空間光変調器４１０に入射するレーザ光Ｌの光軸と、反射型空間光変調器４１０から出射されるレーザ光Ｌの光軸とがなす角度αを小さくすることができる。反射型空間光変調器４１０に対するレーザ光Ｌの入射角及び反射角を抑えることは、回折効率の低下を抑制して反射型空間光変調器４１０の性能を十分に発揮させる上で重要である。

レーザ加工装置２００では、倍率Ｍが、０．６≦Ｍ≦０．９５を満たしてもよい。これにより、上述した０．５＜Ｍ＜１とした場合に奏される効果を維持しつつ、反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が長くなるのをより確実に抑制することができる。

レーザ加工装置２００では、倍率Ｍが、１．０５≦Ｍ≦１．７を満たしてもよい。これにより、上述した１＜Ｍ＜２とした場合に奏される効果を維持しつつ、反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が長くなるのをより確実に抑制することができる。

レーザ加工装置２００では、一対のレンズ４２２，４２３が、ホルダ４２１に保持されており、ホルダ４２１が、レーザ光Ｌの光軸に沿った方向における一対のレンズ４２２，４２３の互いの位置関係を一定に維持しており、レーザ光Ｌの光軸に沿った方向（Ｙ軸方向）における一対のレンズ４２２，４２３の位置調整が、ホルダ４２１の位置調整によって実施される。これにより、一対のレンズ４２２，４２３の互いの位置関係を一定に維持しつつ、一対のレンズ４２２，４２３の位置調整（延いては共役点の位置調整）を容易に且つ確実に実施することができる。

また、レーザ加工装置２００は、加工対象物１を支持する支持台２３０と、レーザ光Ｌを出射するレーザ発振器３１０と、レーザ光Ｌを変調しつつ反射する反射型空間光変調器４１０と、加工対象物１に対してレーザ光Ｌを集光する集光レンズユニット４３０と、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａと集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成する一対のレンズ４２２，４２３と、一対のレンズ４２２，４２３を通過したレーザ光Ｌを集光レンズユニット４３０に向けて反射するダイクロイックミラー４０３と、を備える。反射型空間光変調器４１０は、レーザ光Ｌを所定の平面（反射型空間光変調器４１０に対して入出射するレーザ光Ｌの光路を含む平面、ＸＹ平面に平行な平面）に沿って鋭角に反射する。反射型空間光変調器４１０から一対のレンズ４２２，４２３を介してダイクロイックミラー４０３に至るレーザ光Ｌの光路は、当該平面に沿うように設定されている。ダイクロイックミラー４０３から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路は、当該平面と交差する方向（Ｚ軸方向）に沿うように設定されている。

レーザ加工装置２００では、反射型空間光変調器４１０から一対のレンズ４２２，４２３を介してダイクロイックミラー４０３に至るレーザ光Ｌの光路が、所定の平面に沿うように設定されており、ダイクロイックミラー４０３から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が、当該平面と交差する方向に沿うように設定されている。これにより、例えば、反射型空間光変調器４１０にレーザ光ＬをＰ偏光として反射させ且つミラーにレーザ光ＬをＳ偏光として反射させることができる。これは、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの像を集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａに精度良く転像する上で重要である。更に、反射型空間光変調器４１０がレーザ光Ｌを鋭角に反射する。反射型空間光変調器４１０に対するレーザ光Ｌの入射角及び反射角を抑えることは、回折効率の低下を抑制して反射型空間光変調器４１０の性能を十分に発揮させる上で重要である。以上により、レーザ加工装置２００によれば、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの像を集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａに精度良く転像することができる。

レーザ加工装置２００では、ダイクロイックミラー４０３から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路が、上述した平面（ＸＹ平面に平行な平面）と直交する方向に沿うように設定されており、ダイクロイックミラー４０３が、レーザ光Ｌを直角に反射する。これにより、反射型空間光変調器４１０から集光レンズユニット４３０に至るレーザ光Ｌの光路を直角に取り回すことができる。

レーザ加工装置２００では、一対のレンズ４２２，４２３を通過したレーザ光Ｌを集光レンズユニット４３０に向けて反射するミラーが、ダイクロイックミラー４０３である。これにより、ダイクロイックミラー４０３を透過したレーザ光Ｌの一部を様々な用途に利用することができる。

レーザ加工装置２００では、反射型空間光変調器４１０が、レーザ光ＬをＰ偏光として反射し、ダイクロイックミラー４０３が、レーザ光ＬをＳ偏光として反射する。これにより、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａでのレーザ光Ｌの像を集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａに精度良く転像することができる。

レーザ加工装置２００は、レーザ発振器３１０から反射型空間光変調器４１０に至るレーザ光Ｌの光路上に配置され、レーザ光Ｌの偏光方向を調整するλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を更に備える。これにより、反射型空間光変調器４１０がレーザ光Ｌを鋭角に反射することに備えてレーザ光Ｌの偏光方向を調整することができるので、レーザ発振器３１０から反射型空間光変調器４１０に至るレーザ光Ｌの光路を直角に取り回すことができる。

また、レーザ出力部３００は、レーザ光Ｌを出射するレーザ発振器３１０と、レーザ発振器３１０から出射されたレーザ光Ｌの出力を調整するλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０と、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を通過したレーザ光Ｌを外部に出射するミラーユニット３６０と、レーザ発振器３１０、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０並びにミラーユニット３６０が配置された主面３０１ａを有する取付ベース３０１と、を備える。レーザ発振器３１０からλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を介してミラーユニット３６０に至るレーザ光Ｌの光路は、主面３０１ａに平行な平面に沿うように設定されている。ミラーユニット３６０は、レーザ光Ｌの光軸を調整するためのミラー３６２，３６３を有し、当該平面と交差する方向（Ｚ軸方向）に沿ってレーザ光Ｌを外部に出射する。

レーザ出力部３００では、レーザ発振器３１０、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０並びにミラーユニット３６０が取付ベース３０１の主面３０１ａに配置されている。これにより、レーザ加工装置２００の装置フレーム２１０に対して取付ベース３０１を着脱することで、レーザ加工装置２００に対してレーザ出力部３００を容易に着脱することができる。また、レーザ発振器３１０からλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を介してミラーユニット３６０に至るレーザ光Ｌの光路が、取付ベース３０１の主面３０１ａに平行な平面に沿うように設定されており、ミラーユニット３６０が、当該平面と交差する方向に沿ってレーザ光Ｌを外部に出射する。これにより、例えばレーザ光Ｌの出射方向が鉛直方向に沿っている場合、レーザ出力部３００が低背化されるので、レーザ加工装置２００に対してレーザ出力部３００を容易に着脱することができる。更に、ミラーユニット３６０が、レーザ光Ｌの光軸を調整するためのミラー３６２，３６３を有している。これにより、レーザ加工装置２００の装置フレーム２１０にレーザ出力部３００を取り付けた際に、レーザ集光部４００に入射するレーザ光Ｌの光軸の位置及び角度を調整することができる。以上により、レーザ出力部３００は、レーザ加工装置２００に対して容易に着脱することができる。

レーザ出力部３００では、ミラーユニット３６０が、主面３０１ａに平行な平面と直交する方向に沿ってレーザ光Ｌを外部に出射する。これにより、ミラーユニット３６０におけるレーザ光Ｌの光軸の調整を容易化することができる。

レーザ出力部３００では、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０が、レーザ発振器３１０から出射されたレーザ光Ｌの偏光方向を調整する。これにより、レーザ加工装置２００の装置フレーム２１０にレーザ出力部３００を取り付けた際に、レーザ集光部４００に入射するレーザ光Ｌの偏光方向、延いてはレーザ集光部４００から出射されるレーザ光Ｌの偏光方向を調整することができる。

レーザ出力部３００では、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０が、レーザ発振器３１０から出射されたレーザ光Ｌが軸線ＸＬ（主面３０１ａに平行な軸線）に沿って入射するλ／２波長板３３２と、軸線ＸＬを中心線としてλ／２波長板３３２が回転可能となるように、λ／２波長板３３２を保持するホルダ３３１と、λ／２波長板３３２を通過したレーザ光Ｌが軸線ＸＬに沿って入射する偏光板３４２と、軸線ＸＬを中心線として偏光板３４２が回転可能となるように、偏光板３４２を保持するホルダ３４１と、を有する。これにより、レーザ発振器３１０から出射されたレーザ光Ｌの出力及び偏光方向を簡易な構成で調整することができる。更に、このようなλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０をレーザ出力部３００が備えることで、レーザ発振器３１０から出射されるレーザ光Ｌの波長に応じたλ／２波長板３３２及び偏光板３４２を用いることができる。

レーザ出力部３００は、軸線ＸＬを中心線として偏光板３４２と一体で回転可能となるようにホルダ３４１に保持され、偏光板３４２を透過することで軸線ＸＬ上から外れたレーザ光Ｌの光軸を軸線ＸＬ上に戻す光路補正板３４３を更に備えている。これにより、偏光板３４２を透過することによるレーザ光Ｌの光路のずれを補正することができる。

レーザ出力部３００では、λ／２波長板３３２が回転する軸線と、偏光板３４２が回転する軸線とが、軸線ＸＬであり、互いに一致している。つまり、λ／２波長板３３２及び偏光板３４２が同一の軸線ＸＬを中心線として回転可能である。これにより、レーザ出力部３００の簡易化及び小型化を図ることができる。

レーザ出力部３００では、ミラーユニット３６０が、支持ベース３６１と、ミラー３６２，３６３と、を有し、支持ベース３６１が、位置調整可能となるように、取付ベース３０１に取り付けられており、ミラー３６２が、角度調整可能となるように支持ベース３６１に取り付けられ、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０を通過したレーザ光Ｌを主面３０１ａに平行な方向に沿って反射し、ミラー３６３が、角度調整可能となるように支持ベース３６１に取り付けられ、ミラー３６２によって反射されたレーザ光Ｌを主面３０１ａと交差する方向に沿って反射する。これにより、レーザ加工装置２００の装置フレーム２１０にレーザ出力部３００を取り付けた際に、レーザ集光部４００に入射するレーザ光Ｌの光軸の位置及び角度をより精度良く調整することができる。しかも、支持ベース３６１を取付ベース３０１に対して位置調整することで、ミラー３６２，３６３を一体で容易に位置調整することができる。

レーザ出力部３００は、λ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０からミラーユニット３６０に至るレーザ光Ｌの光路上に配置され、レーザ光Ｌの径を調整しつつレーザ光Ｌを平行化するビームエキスパンダ３５０を更に備える。これにより、レーザ出力部３００に対してレーザ集光部４００が移動する場合にも、レーザ集光部４００に入射するレーザ光Ｌの状態を一定に維持することができる。

レーザ出力部３００は、レーザ発振器３１０からλ／２波長板ユニット３３０及び偏光板ユニット３４０に至るレーザ光Ｌの光路上に配置され、レーザ光Ｌの光路を開閉するシャッタ３２０を更に備える。これにより、レーザ出力部３００からのレーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを、レーザ発振器３１０でのレーザ光Ｌの出力のＯＮ／ＯＦＦの切り替えによって実施することができる。加えて、シャッタ３２０によって、例えばレーザ出力部３００からレーザ光Ｌが不意に出射されることを防止することができる。
［変形例］

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

偏光板ユニット３４０に、偏光板３４２以外の偏光部材が設けられてもよい。一例として、偏光板３４２及び光路補正板３４３に替えて、キューブ状の偏光部材が用いられてもよい。キューブ状の偏光部材とは、直方体状の形状を呈する部材であって、当該部材において互いに対向する側面が光入射面及び光出射面とされ且つその間に偏光板の機能を有する層が設けられた部材である。

また、λ／２波長板３３２が回転する軸線と、偏光板３４２が回転する軸線とは、互いに一致していなくてもよい。上記実施形態は、反射型空間光変調器４１０を備えたが、空間光変調器は反射型のものに限定されず、透過型の空間光変調器を備えていてもよい。

また、レーザ出力部３００は、レーザ出力部３００から出射されるレーザ光Ｌの光軸を調整するためのミラー３６２，３６３を有していたが、レーザ出力部３００から出射されるレーザ光Ｌの光軸を調整するためのミラーを少なくとも１つ有していればよい。

また、反射型空間光変調器４１０の反射面４１０ａと集光レンズユニット４３０の入射瞳面４３０ａとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成する結像光学系は、一対のレンズ４２２，４２３に限定されず、反射型空間光変調器４１０側の第１レンズ系（例えば、接合レンズ、３つ以上のレンズ等）及び集光レンズユニット４３０側の第２レンズ系（例えば、接合レンズ、３つ以上のレンズ等）を含むもの等であってもよい。

また、レーザ集光部４００においては、一対のレンズ４２２，４２３を通過したレーザ光Ｌを集光レンズユニット４３０に向けて反射するミラーが、ダイクロイックミラー４０３であったが、当該ミラーは、全反射ミラーであってもよい。

また、集光レンズユニット４３０及び一対の別軸測距センサ４５０は、Ｙ軸方向における筐体４０１の端部４０１ｄに取り付けられていたが、Ｙ軸方向における筐体４０１の中心位置よりも端部４０１ｄ側に片寄って取り付けられていればよい。反射型空間光変調器４１０は、Ｙ軸方向における筐体４０１の端部４０１ｃに取り付けられていたが、Ｙ軸方向における筐体４０１の中心位置よりも端部４０１ｃ側に片寄って取り付けられていればよい。また、別軸測距センサ４５０は、Ｘ軸方向において集光レンズユニット４３０の片側のみに配置されていてもよい。

また、レーザ集光部４００が装置フレーム２１０に固定されていてもよい。その場合、支持台２３０が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿ってだけでなくＺ軸方向に沿っても移動可能となるように、装置フレーム２１０に取り付けられていてもよい。

また、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物１の内部に改質領域を形成するものに限定されず、アブレーション等、他のレーザ加工を実施するものであってもよい。

１…加工対象物、２００…レーザ加工装置、２３０…支持台（支持部）、２４０…第２移動機構（移動機構）、３１０…レーザ発振器（レーザ光源）、４０１…筐体、４０１ｃ…端部、４０１ｄ…端部、４０１ｅ…側面、４０３…ダイクロイックミラー（ミラー）、４１０…反射型空間光変調器（空間光変調器）、４１０ａ…反射面、４２１…ホルダ、４２２…レンズ（結像光学系）、４２３…レンズ（結像光学系）、４３０…集光レンズユニット（集光光学系）、４４０…駆動機構、４５０…別軸測距センサ（第１センサ）、４６０…同軸測距センサ（第２センサ）、５００…制御部、Ｌ…レーザ光、Ｌ１…第１測距用レーザ光、Ｌ１Ｒ…反射光、Ｌ２…第２測距用レーザ光、Ｌ２Ｒ…反射光。

Claims (5)

1. 加工対象物を支持する支持部と、
   レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光を変調しつつ反射する反射型空間光変調器と、
   前記加工対象物に対して前記レーザ光を集光する集光光学系と、
   前記反射型空間光変調器の反射面と前記集光光学系の入射瞳面とが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成する結像光学系と、
   前記結像光学系を通過した前記レーザ光を前記集光光学系に向けて反射するミラーと、
   前記集光光学系を介さずに前記レーザ光と別軸で第１測距用レーザ光を前記加工対象物に照射し、当該第１測距用レーザ光の反射光を受光することで、前記加工対象物のレーザ光入射面の変位データを取得する第１センサと、
   前記集光光学系を介して前記レーザ光と同軸で第２測距用レーザ光を前記加工対象物に照射し、当該第２測距用レーザ光の反射光を受光することで、前記レーザ光入射面の変位データを取得する第２センサと、を備え、
   前記ミラーから前記集光光学系に至る前記レーザ光の光路は、第１方向に沿うように設定されており、
   前記反射型空間光変調器から前記結像光学系を介して前記ミラーに至る前記レーザ光の光路は、前記第１方向に垂直な第２方向に沿うように設定され、
   前記第１センサは、前記第１方向及び前記第２方向に垂直な第３方向において前記集光光学系の一方の側に配置されている、レーザ加工装置。
2. 少なくとも前記反射型空間光変調器、前記集光光学系、前記結像光学系、前記ミラー及び前記第１センサを支持する筐体と、
   前記第１方向に沿って前記筐体を移動させる移動機構と、を備え、
   前記集光光学系及び前記第１センサは、前記第２方向における前記筐体の一方の端部側に取り付けられており、
   前記移動機構は、前記第３方向における前記筐体の一方の側面に取り付けられている、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第１センサを複数備え、
   複数の前記第１センサのうちの一つは、前記第３方向において前記集光光学系の一方の側に配置され、
   複数の前記第１センサのうちの他の一つは、前記第３方向において前記集光光学系の他方の側に配置されている、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光を変調する空間光変調器と、
   加工対象物に対して前記レーザ光を集光する集光光学系と、
   前記集光光学系を介さずに前記レーザ光と別軸で第１測距用レーザ光を前記加工対象物に照射し、当該第１測距用レーザ光の反射光を受光することで、前記加工対象物のレーザ光入射面の変位データを取得する第１センサと、
   前記集光光学系を介して前記レーザ光と同軸で第２測距用レーザ光を前記加工対象物に照射し、当該第２測距用レーザ光の反射光を受光することで、前記レーザ光入射面の変位データを取得する第２センサと、を備え、
   前記第１センサは、前記集光光学系に対して、前記レーザ光のスキャン方向に離れて配置され、
   前記加工対象物に前記レーザ光をスキャンする場合に、前記第１センサは、前記スキャン方向において前記集光光学系に対して相対的に先行する、レーザ加工装置。
5. 前記集光光学系を光軸に沿って移動させる駆動機構と、
   前記駆動機構の駆動を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第１センサで取得した変位データ及び前記第２センサで取得した変位データの少なくとも何れかに基づいて、前記集光光学系が前記レーザ光入射面に追従するように前記駆動機構を駆動させる、請求項１～４の何れか一項に記載のレーザ加工装置。

Images