JP2008119716A - レーザ加工装置およびレーザ加工装置における焦点維持方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビームプロファイリングを用いて、対物用光学素子の焦点合わせを可能とし、かつ、レーザ加工中に対物用光学素子の焦点を維持する。
【解決手段】レーザ加工装置３に設けられたビーム観察装置１には、レーザが照射される測定基準面１３を有する観察用基板１４が配置されている。ＣＣＤカメラ１５に撮像されると共に表示された測定基準面１３におけるレーザの照射形状に基づき、加工用レーザの焦点を測定基準面１３に合わせる。次いで、この際の測定基準面１３の加工用レーザの照射方向に沿った位置を、測定用レーザを用いて計測する。すなわち、測定基準面１３の位置を測定用レーザの反射光を受光するＰＳＤ測定装置の受光面における受光位置として計測し、この受光位置を基準受光位置とする。作業中は、受光位置のずれに対応して対物用光学素子の位置を移動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、対物用光学素子により被加工対象物上に結像または集光される加工用レーザの焦点位置を測定可能なビーム観察装置を備え、かつ、前記対物用光学素子を被加工対象物に対して測定された焦点位置に維持するレーザ加工装置および当該レーザ加工装置における焦点維持方法に関する。

一般に、レーザにより被加工対象物に各種加工（材料に溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質）を施すレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、非加工対象物の表面の薄膜に微細加工施し、薄膜のパターニングを可能とする技術の開発も行われている。このようなレーザ加工装置では、特許文献１に示されるように、非加工対象物に対してレーザを結像もしくは集光する光学素子の高さ位置を所定の高さ位置（非加工対象物との距離）に調整する必要がある。すなわち、光学素子の結像や集光の焦点距離に基づいて、光学素子の高さ位置を調整する必要がある。

また、板状の被加工対象物に対するレーザの照射位置を板状の被加工対象物の面方向に沿って移動した場合に、被加工対象物の表面のうねりや、被加工対象物に対してレーザの照射位置を相対的に移動させた際の高さずれなどにより、前記光学素子と被加工対象物のレーザの照射位置との距離が変化してしまい、被加工対象物に対してレーザを正しく結像もしくは集光できなくなり、これにより加工精度が低下する。
そこで、特許文献１においては、被加工対象物の高さ位置、すなわち、被加工対象物の移動方向に直交し、ほぼレーザの照射方向となる方向に沿った方向の位置の変化を測定し、測定された高さ位置の変化に対応して、光学素子の位置を変化させ、被加工対象物と光学素子との距離をほぼ一定に保つようにしていた。
また、レーザの被加工対象物の被照射面に対する照射形状、すなわち、レーザのビームの断面形状は、例えば、円形や、その他の形状となっており、このようなビームの断面形状（照射形状）やビーム径やビームの断面におけるビーム強度の分布等の空間的なビーム形状や空間的な光強度の分布を測定する装置としてＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等の撮像素子を備えた撮像手段を有するビームプロファイラが知られており、レーザ加工装置においてもレーザのビーム断面形状の測定等に用いられている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２９７０１２号公報 特開２００３−０７８１９４号公報

ところで、レーザ加工装置においては、レーザ光強度の高いレーザを使用することから、結像もしくは集光用の光学素子におけるレーザ光の吸収や、光学素子としての組レンズ内部の散乱光により、レンズまたはレンズハウジングが加熱され、レンズ材料やレンズハウジングの部分的な熱膨張や、熱によるレンズ材料の屈折率の変化によりレンズの焦点距離が変動し（熱レンズ歪み）、加工に悪影響を及ぼすことになる。
すなわち、被加工対象物に対する光学素子の距離を一定に保持するようにしても、上述の焦点距離の変動により、加工用レーザを被加工対象物上に正確に結像させたり集光させたりすることができない。
また、ビームプロファイラのＣＣＤカメラには、減衰されたレーザが直接的に入射されていた。これにより、ＣＣＤカメラに撮像されたレーザからビームの断面形状や強度分布（空間的な光強度の分布）を測定することは可能であるが、被加工対象物に対する光学素子の適切な高さ位置を求めることはできなかった。

また、ビームファイラを用いた紫外光レーザの測定においては、紫外光レーザを蛍光板に照射し、それにより発生する蛍光をＣＣＤカメラで撮像することが知られている。
この場合に、蛍光板に紫外光レーザを結像もしくは集光する光学素子の位置を調整しながら、ＣＣＤカメラで蛍光板上の蛍光の形状を観察することで、レーザが蛍光板上に結像もしくは集光される光学素子の高さ位置の測定を行うことが考えられる。

この場合に、直接レーザを観察するのではなく、レーザにより発生した蛍光板上の蛍光を観察しているため、蛍光板に対する前記光学素子の結像位置や焦点位置を正確に決定することが困難であった。特に、蛍光板上の蛍光の観察形状がレーザ光の強度や蛍光板の特性の違いにより変化し、正確な結像位置や焦点位置の特定が困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、レーザ加工装置のレーザを被加工対象物上に結像もしくは集光させる光学素子の被加工対象物に対する距離を容易かつ正確に決定し、さらに、決定された光学素子の被加工対象物に対する距離をレーザ加工中に維持することができるレーザ加工装置およびレーザ加工装置における焦点維持方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、加工用レーザを被加工対象物で結像もしくは集光させるための対物用光学素子を介して前記被加工対象物に前記加工用レーザを照射すると共に、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物に合わせるために前記対物用光学素子の被加工対象物の加工用レーザが照射される照射位置に対する距離を調整する焦点距離調整手段を有し、被加工対象物に対する加工用レーザの照射位置を加工用レーザの照射方向とほぼ直交する方向に相対的に移動させることにより被加工対象物に加工用レーザによる加工を施すレーザ加工装置であって、前記加工用レーザの光軸と略同じ光軸に沿うと共に、前記被加工対象物の加工用レーザが照射される照射位置もしくは照射位置近傍に測定用レーザを照射する測定用レーザ照射手段と、前記被加工対象物に照射された測定用レーザの反射光を受光すると共に、被加工対象物の前記加工用レーザの照射位置もしくは照射位置近傍までの前記加工用レーザの照射方向に沿った距離の変位を測定する変位計測手段とを備え、かつ、仮の被加工対象物として前記加工用レーザおよび測定用レーザが照射される測定基準面を有し、加工用レーザの波長に対して透明性の高い観察用基板と、前記加工用レーザの前記観察用基板の測定基準面における照射形状を撮像する撮像手段とを有するビーム観察装置を備え、前記測定用レーザが前記対物用光学素子を通過した後に前記被加工対象物もしくは前記測定基準面に照射され、かつ、前記被加工対象物もしくは前記測定基準面から反射した測定用レーザの反射光が対物用光学素子を通過した後に前記変位計測手段に入射するように前記測定用レーザ照射手段と、前記変位計測手段とが配置されていることを特徴とする。

請求項１記載の発明においては、撮像手段で撮像された測定基準面におけるレーザの照射形状（観察形状）に基づいて、焦点距離調整手段を調整することにより、対物用光学素子によりレーザを測定基準面で結像または集光させることができる。すなわち、測定基準面に対する対物用光学素子の焦点位置（焦点距離）を決定することができる。
また、変位計測手段により、上述のように対物用光学素子の焦点を合わせた際の加工用レーザの照射方向に沿った距離の変位を示す数値は、焦点を合わせた際の測定基準面の相対位置を示す数値となる。この際に測定された変位を０に設定して基準位置とするか、この際に測定された変位を示す数値をそのままの値で基準位置を示すものとする。

ここで、測定用レーザおよび加工用レーザの照射位置（この段階で加工用レーザを照射する必要はない）を被加工対象物上に相対的に移動（加工用レーザの照射方向に直交する方向への移動）した場合に、被加工対象物の加工用レーザ照射位置と測定用基準面との加工用レーザの照射方向に沿った距離に違いがあった場合に、変位計測手段により基準位置からのずれとなる距離の変位が測定されることになる。

ここで、基準位置に対する変位に基づいて、対物用光学素子の位置を焦点距離調整手段で調整することで、対物用光学素子を測定基準面に対する焦点位置から被加工対象物に対する焦点位置に移動することができる。
そして、実際に加工作業を行い、加工用レーザの照射方向に対して直交する方向に被加工対象物と加工用レーザおよび測定用レーザの照射位置とを相対的に移動してレーザ加工を行った場合に、被加工対象物の加工用レーザが照射される表面のうねりや、上述の移動の際の誤差（高さずれ）等により、被加工対象物の加工用レーザの照射位置が、当該加工用レーザの照射方向に沿ってずれた場合に、変位計測手段により基準位置に対する変位が測定されることになる。

この基準位置に対する変位に対応して対物用光学素子の位置を焦点距離調整手段で調整して変動させる（変位計測手段における測定結果が基準位置となるように変動させる）ことで、対物用光学素子と被加工対象物との距離をほぼ一定に保持して、対物用光学素子の焦点が被加工対象物に合わされた状態に維持することができる。
また、被加工対象物の加工用レーザの照射面の加工用レーザの照射方向に沿った位置の変位を測定する測定用レーザが対物用光学素子を通過すると共に、測定用レーザの被加工対象物からの反射光が対物用光学素子を通過するようになっており、変位計測手段の計測値が、前記照射面の位置の変位だけではなく、対物用光学素子の加工用レーザの熱の影響による焦点距離の変位によっても変化することになる。したがって、変位計測手段に計測された変位に基づいて対物用光学素子と被加工対象物との距離を焦点距離制御手段で制御することで、被加工対象物と対物用光学素子の距離の変化だけではなく、対物用光学素子の加工用レーザの熱の影響のよる焦点距離の変化にも対応できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置における前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物の加工用レーザ照射位置に合わせた状態に維持する焦点維持方法であって、
前記撮像手段で撮像された前記測定基準面におけるレーザの照射形状に基づいて、前記焦点距離調整手段により前記対物用光学素子の焦点を測定基準面に合わせ、前記対物用光学素子の焦点が測定基準面に合わされた状態で、前記測定用レーザ照射手段により前記対物用光学素子を介して前記測定用基準面に測定用レーザを照射すると共に、前記変位計測手段に測定用レーザの反射光を受光させ、この状態で前記変位計測手段に計測される前記距離の変位の基準位置を設定し、被加工対象物に加工用レーザを照射して加工する際に測定される前記変位計測手段における前記基準位置に対する変位に基づいて前記焦点距離調整手段により前記対物用光学素子の被加工対象物に対する距離を制御することを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果を奏することができる。

本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ加工装置において、加工用レーザを被加工対象物上に結像若しくは集光する対物用光学素子の焦点合わせを極めて容易かつ正確に行うことができると共に、加工用レーザに対する被加工対象物の相対的移動や対物用光学素子に対する熱による影響により対物用光学素子の焦点がずれるのを防止することができる。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係るビーム観察装置（ビームプロファイラ装置）１を搭載したレーザ加工装置３の概略構成を示すものである。
レーザ加工装置３は、前記ビーム観察装置１と、Ｘ−Ｙステージ装置４と、図示しない加工用レーザの光源装置と、光源装置から照射された加工用レーザをＸ−Ｙステージ装置４にセットされた被加工対象物５上で結像もしくは集光させる対物用光学素子としての結像（集光）用レンズを備えた対物用光学装置６と、該対物用光学装置６を上下動自在に支持すると共に上下方向（Ｚ軸上）に位置決めするＺステージ装置７と、固定点からＸ−Ｙステージ装置４上の被加工対象物５等までのＺ軸方向に沿った距離としての高さ位置を計測する高さ測定器８（高さ位置測定手段）とを備える。

光源装置は、例えば、レーザとして、ＹＡＧレーザ（波長、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍ）、ＣＯ2レーザ（波長、１．０６μｍ）、エキシマレーザ（波長、３０８ｎｍ、２４８ｎｍ）や、その他の気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、液体レーザ、ファイバーレーザ、薄膜ディスクレーザ等の少なくとも何れか１つを用いることできる。すなわち、被加工対象物の種類や、加工の種類に応じて好適なレーザを使用することができる。なお、レーザ加工装置は、溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質や、薄膜のパターニング、シート材の加工等の少なくとも１つに用いられる。たとえば、レーザ加工装置は、フラットパネルディスプレイのガラス基板や樹脂基板（フィルム）等の透明基板における薄膜のパターニングに用いられるものとしてもよい。
なお、レーザによる微細加工における好適なレーザは、１５７ｎｍ〜１２００ｎｍのレーザと、９μｍ〜１１μｍの赤外線レーザとである。

Ｘ−Ｙステージ装置４は、周知のもので、基本的に板状もしくはシート状の被加工対象物５がセットされるステージ４１を有し、このステージ４１をＸ軸方向およびそれに直交するＹ軸方向に移動させるものであり、ステージ４１の移動をコントロール（制御）するＸ−Ｙステージ制御装置４２を備える。また、Ｘ−Ｙステージ装置４には、ステージ４１を跨ぐように門形状に形成された固定部４３が設けられ、この固定部４３に、対物用光学装置６を備えたＺステージ装置７と、高さ測定器８とが固定されている。

そして、対物用光学装置６は、ステージ４１をＸ−Ｙステージ装置４における移動可能範囲内で移動させることで、ステージ４１に固定される被加工対象物５の上面全体のいずれの真上でも配置可能で、かつ、ビーム観察装置１の後述の少なくとも測定基準面１３の真上に配置可能となっている。
対物用光学装置６は、上述のように加工用レーザを被加工対象物５上で結像もしくは集光させる光学素子としてのレンズ（対物レンズ）もしくはレンズ群を備えた周知のものである。
Ｚステージ装置７は、対物用光学装置６をＸ軸方向およびＹ軸方向に直交するＺ軸方向（加工用レーザの照射方向）に移動させるものであり、このＺ軸方向の移動により対物用光学装置６（レンズ）と被加工対象物５との距離を調整し、結像もしくは集光用レンズにより加工用レーザを被加工対象物５上に結像もしくは集光させる際に焦点を合わせるものである。すなわち、Ｚステージ装置７は、対物用光学素子を備える対物用光学装置６の焦点を被加工対象物５に合わせるための焦点距離調整手段として機能するものである。なお、加工用レーザの被加工対象物５への照射方向は、Ｚ軸方向に沿ったものである。

したがって、レーザ加工装置３は、加工用レーザを被加工対象物５で結像もしくは集光させるための対物用光学素子（対物用光学装置６）を介して前記被加工対象物５に前記加工用レーザを照射すると共に、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物に合わせるために前記対物用光学素子の被加工対象物５の加工用レーザが照射される照射位置に対する距離を調整する焦点距離調整手段（Ｚステージ装置７およびＺステージ制御装置７１）を有し、被加工対象物５に対する加工用レーザの照射位置を加工用レーザの照射方向（Ｚ軸方向）とほぼ直交する方向（Ｘ−Ｙ軸方向）に相対的に移動させることにより被加工対象物５に加工用レーザによる加工を施すものである。Ｚステージ装置７は、Ｚステージ制御装置７１に制御されて、対物用光学装置６を移動させるようになっており、これらが焦点距離調整手段となる。

そして、このようなレーザ加工装置３で用いられる加工用レーザのビーム観察装置１は、図１に示すように、Ｘ−Ｙステージ装置４のステージ４１の被加工対象物５をセットする際に邪魔にならない一側縁部に固定され、ステージ４１と一体にＸ軸方向およびＹ軸方向に移動可能となっている。なお、ビーム観察装置（ビームプロファイラ装置）１は、ステージ４１に固定される測定部１１と、測定結果をモニタするためにモニタ部１２に二分された状態となっており、ステージ４１に接続固定されるのは測定部１１だけである。
なお、本発明におけるビーム観察装置１は、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳセンサ素子などの撮像素子でビームの空間的な形状や強度分布を撮像する広義のビームプロファイラに含まれるものと考えてもよい。

そして、図２に示すようにビーム観察装置１の測定部１１には、レーザが照射される測定基準面１３を有する観察用基板１４と、観察用基板１４に照射されたレーザを後述のＣＣＤカメラ１５とレーザの出力を検出する後述のパワーディテクタ１６とに分岐するビームスプリッタ１７と、測定基準面１３に照射されたレーザを撮像することにより、レーザの照射形状と照射形状内における強度分布を測定する前記ＣＣＤカメラ１５と、レーザの出力の計測に用いられるパワーディテクタ１６と、前記測定基準面１３にＣＣＤカメラ１５の焦点を合わせるための光のパターンを照射する光パターン照射手段としてのスリット板１９を備えたパターン照明１８と、ＣＣＤカメラ用照明装置３４とを備える。なお、ＣＣＤカメラ１５に代えてＣＭＯＳセンサ等の他の撮像素子を用いたデジタルカメラを用いてもよい。

また、モニタ部１２は、ＣＣＤカメラ１５に接続され、ＣＣＤカメラ１５で撮像された画像を表示する画像モニタ２０と、パワーディテクタ１６に接続されパワーディテクタ１６で計測された信号に基づいてレーザ出力値を表示する出力測定モニタ２１とを備える。ここで、画像モニタ２０は、撮像手段としてのＣＣＤカメラ１５に撮像されたレーザの測定基準面１３における照射形状を表示する表示手段である。

前記観察用基板１４は、例えば、ガラスや石英等からなるが、使用される加工用レーザの波長によって材質が決定されるものであり、加工用レーザに対して透明性の極めて高い基板が観察用基板１４として用いられる。すなわち、観察用基板１４としては、加工用レーザに加工（損傷）させられることがなく、かつ、通過するレーザをできるだけ減衰させない材質のものが用いられることになり、加工用レーザの波長によって決定される。
たとえば、エキシマレーザの場合には、石英板が観察用基板１４として用いられる。
また、ＣＯ2レーザの場合は、ジンクセレン（ZnSe…Zinc
Selenide：ジンクセレナイド）を好適に用いることができる。
以上のことからビーム観察装置１は、仮の被加工対象物として加工用レーザおよび測定用レーザが照射される測定基準面１３を有し、加工用レーザの波長に対して透明性の高い観察用基板１４を備える。

そして、観察用基板１４は、基本的に厚さができるだけ一様な矩形状の板体であり、加工用レーザが照射される上面が、できるだけ平面化された測定基準面１３となっている。
測定基準面１３は、その左右の半分より一方側、例えば、左側に、クロムの薄膜からなるテストパターン２３が形成されている。テストパターン２３は、ＣＣＤカメラのフォーカスを測定基準面に合わせるためのものであり、例えば、縦横の格子状に形成されている。すなわち、テストパターン２３は、観察用基板１４の測定基準面１３に形成されて撮像手段としてのＣＣＤカメラ１５の焦点合わせに用いられる焦点合わせ用パターンである。

また、観察用基板１４は、前記左右方向に観察用基板を移動可能な観察用基板１軸移動機構（図示略）により支持されている。したがって、観察用基板１４は、レーザが照射される位置、すなわち、ＣＣＤカメラ１５により撮像される位置を、前記テストパターン２３が形成された位置と、テストパターン２３が形成されておらず、観察用基板１４が平面状に露出した状態となった位置とで切り換え可能となっている。

前記ビームスプリッタ１７は、基本的に加工用レーザに対して透明性の極めて高い板体が用いられるが、レーザに対して斜めに配置され、空気とビームスプリッタ１７との界面で、透過光と反射光に分離されることになる。そして、透過光がパワーディテクタ１６に入射され、反射光がＣＣＤカメラ１５に入射されるようになっている。
この際に、ＣＣＤカメラ１５に入射される加工用レーザの反射光ができるだけ小さい方が好ましく、パワーディテクタ１６に入射される光はできるだけ大きい方が好ましい。
すなわち、ＣＣＤカメラ１５の感度は出力の大きな加工用レーザに対して極めて高く、加工用レーザの出力のうちの極めて僅かな部分だけ入射されればよく、逆に加工用レーザの出力の一部であっても出力が強すぎると、ＣＣＤカメラ１５が破壊される可能性がある。

一方、パワーディテクタ１６では、正確に加工用レーザの出力を測る上で、できるだけ減衰されていない加工用レーザが入射されることが好ましい。
すなわち、ビームスプリッタ１７は、加工用レーザの極一部をＣＣＤカメラ１５に分岐し、加工用レーザの大部分をパワーディテクタ１６に分岐する。
また、ＣＣＤカメラ１５に入射される加工用レーザの光は、極めて僅かで良いので、ビームスプリッタ１７の加工用レーザが照射される面に、周知の反射光を抑えるコーティングを施すことにより、反射光を小さくするようにしてもよい。

また、前記ＣＣＤカメラ１５と、後述のパターン照明１８とは、同一の鏡筒２４内に配置されている。そして、鏡筒２４には、対物レンズ２５が設けられ、ビームスプリッタ１７で分岐されたレーザが対物レンズ２５を介して鏡筒２４内に入射する。また、ＣＣＤカメラ１５は、対物レンズ２５から入射するレーザの入射軸に対してオフセットされた位置に配置されており、対物レンズ２５から配置された２つのミラー２６，２７により反射された光がＣＣＤカメラ１５に受光レンズ２８を介して入射される。

なお、対物レンズ２５の光軸上に配置されたミラー２６は、透明な板体であり、入射した加工用レーザを反射すると共に、後述のようにパターン照明１８の光を透過するようになっており、ビームスプリッタもしくはダイクロックミラーなどと同様の構成となっている。
また、ＣＣＤカメラ１５に入射する加工用レーザは、上述のようにビームスプリッタ１７により出力が小さいものとなっているが、さらに、フィルタ２９（例えば、ニュートラルデンシディ(ND)フィルタ）が配置されており、入射する加工用レーザをフィルタ２９によりさらに減光して、ＣＣＤカメラ１５を保護するようになっている。
また、鏡筒２４内には、前記スリット板１９を備えたパターン照明１８が対物レンズ２５の光軸上に配置されており、投光レンズ３０（例えば、コリメートレンズ）を介してミラー２６を透過して対物レンズ２５により、観察用基板１４の測定基準面１３でスリット板１９に形成されたスリットの形状（例えば、十字等）を結像するようになっている。
なお、パターン照明により照射される形状は、十字に限定されるものではなく、焦点合わせに使える形状ならばよい。したがって、パターンを形成するためのものは、スリットが形成されたスリット板１９に限られるものではなく、金属マスクやガラスフォトマスク等のマスクにより光のパターンが形成可能なものでもよく、パターンを測定基準面１３に投影して結像できればよい。

すなわち、パターン照明１８と、ＣＣＤカメラ１５とで、対物レンズ２５を共用している。また、スリット板１９は、パターン照明１８と投光レンズ３０との間で、これらの光軸に沿って移動自在とされており、スリット板１９を移動させることにより、観察用基板１４の測定基準面１３にスリット板１９の形状を結像させることができる。すなわち、焦点を合わせることができる。なお、スリット板１９は、鏡筒２４の外部から操作により移動可能となっている。

以上のことから、ＣＣＤカメラ１５は、観察用基板１４の測定基準面１３を通過すると共に減衰された加工用レーザが入射され、加工用レーザの測定基準面１３における照射形状を撮像する撮像手段となる。また、スリット板１９およびパターン照明１８と、投光レンズ３０、対物レンズ２５、ミラーとして機能するビームスプリッタ１７等の光学系部品とからＣＣＤカメラ１５の焦点合わせ用パターンとして、前記観察用基板１４の測定基準面１３に結像する光のパターンを照射する光パターン照射手段が構成され、スリット板１９を移動させる機構が光パターン照射手段による光のパターンを前記測定基準面１３に結像させるように調整するパターン結像調整手段となる。

また、ＣＣＤカメラ１５やパターン照明１８等が収容されている鏡筒２４は、当該鏡筒２４をビームスプリッタ１７でＣＣＤカメラ１５に向かって分岐された加工用レーザの光軸方向に沿って移動自在とする１軸ステージを備えた焦点位置制御装置３１により支持されている。この焦点位置制御装置３１が、撮像手段としてのＣＣＤカメラ１５の焦点を観察用基板１４の測定基準面１３に合わせるための撮像装置用焦点調整手段となる。
すなわち、ＣＣＤカメラ１５をその光学系（対物レンズ２５および受光レンズ２８等）を含めて入射されるレーザの光軸方向に沿って移動させることで、ＣＣＤカメラ１５の焦点を観察用基板１４の測定基準面１３に合わせられるようになっている。

パワーディテクタ１６には、ビームスプリッタ１７で分岐されたレーザがミラー３２およびレンズ３３（例えば集光レンズ）を介して入射される。
また、パワーディテクタ１６は、周知のレーザ用のものであり、照射されたレーザの出力を検出する。なお、使われるレーザがパルス状の場合には、周知のパルス状のレーザの出力を検出可能なディテクタを用いるものとしてもよい。
すなわち、パワーディテクタ１６は、測定基準面１３を通過したレーザの出力を検出する。また、ビームスプリッタ１７は、測定基準面１３を通過したレーザをＣＣＤカメラ１５と、パワーディテクタ１６とに分岐する。

パワーディテクタ１６において、レーザが照射された際に、レーザの強度を測定することが可能となる。これにより、レーザの強度が加工を行うのに適切な範囲内か否かを測定することができる。また、この際にも、レーザの出力が上述のレンズの変形や、光源装置の経年変化等により変化するので、実際の加工にあたって、その出力を測定することにより、出力が適切か否かの判定と、適切でなかった場合の光源装置の出力の調整を行うことができる。
また、ビーム観察装置１には、ＣＣＤカメラ用照明装置３４が内蔵されており、ＣＣＤカメラ用照明装置３４の照明光がビームスプリッタ１７およびミラー３２（ダイクロックミラー）を透過して測定基準面１３のテストパターン２３に照射される。

そして、このようなレーザ加工装置３で用いられる高さ測定器８は、レーザ加工装置３が被加工対象物５の加工面で加工用レーザを集光させる集光光学系のものか、被加工対象物５の加工面に例えば予め決められた加工形状となるマスクの像を加工用レーザにより結像させる結像光学系を有するものかによって構造が僅かに異なるものとなる。
なお、集光光学系のレーザ加工装置３においては、被加工対象物５に対して加工用レーザの照射位置を相対的に移動したり停止したりすることで加工形状が決定されるのに対して、結像光学系では、加工用レーザを移動しなくともマスクによって加工形状が決定されるが、例えば、同じマスクを用いて同じ加工形状を１つの被加工対象物５に複数作成する場合や、順次マスクを切り換えて異なる加工形状を１つの被加工対象物５に複数作成する場合に、被加工対象物５に対して加工用レーザを相対的に移動させる必要があり、結像光学系のレーザ加工装置３においても、被加工対象物５の表面のうねりや、被加工対象物５に対してレーザ照射位置を相対的に移動させた際の高さずれなどにより、前記対物用光学装置６と被加工対象物５の加工用レーザの照射位置との距離が変化してしまという問題が生じる。

集光光学系のレーザ加工装置３における高さ測定器８は、図３に示すように、測定用レーザを発生させると共に、測定用レーザの強度を制御する制御装置を備えた測定用レーザ発生装置８１と、測定用レーザ発生装置８１から出力される測定用レーザを伝播するシングルモード光ファイバ８２と、シングルモード光ファイバ８２から出射された測定用レーザを平行光とする投光レンズ８３と、投光レンズ８３を通る測定用レーザを被加工対象物５側（ここでは、後述のダイクロックミラー８５側）に向けると共に被加工対象物５からの測定用レーザの反射光を後述のＰＳＤ測定装置８６側に向けるビームスプリッタ８４と、異なる方向から照射される測定用レーザと加工用レーザとをほぼ同じ光軸上に配置させるダイクロックミラー８５と、ダイクロックミラー８５から対物用光学装置６を介して被加工対象物５に照射されて反射された反射光が再び対物用光学装置６、ダイクロックミラー８５、ビームスプリッタ８４および反射光を集光する受光レンズ８８を介して入射されるＰＳＤ測定装置８６と、ＰＳＤ測定装置８６により測定された前記反射光の位置の変化および出力の変化を求め、これらを測定用レーザ発生装置８１およびＺステージ制御装置７１に出力するＰＳＤ解析装置８７とを備えている。

測定用レーザ発生装置８１は、例えば、波長６３５ｎｍの赤色の半導体レーザを用いた光源を備えると共に、出力を変更可能となっている。なお、測定用レーザ発生装置８１の制御装置は、ＰＳＤ解析装置８７から入力される測定用レーザの反射光の強度の測定値の変化に基づいて測定用レーザの出力をほぼリアルタイムでフィードバック制御する。制御方法は周知のフィードバック制御方法を用いることができ、基本的に、反射光の測定強度が減少傾向なら測定用レーザの出力を増加傾向とし、測定強度が増加傾向なら測定用レーザの出力を減少傾向とする。すなわち、レーザ強度制御手段としての測定用レーザ発生装置８１の制御装置は、高さ位置計測手段（受光位置変位計測手段）としてのＰＳＤ測定装置８６からＰＳＤ解析装置８７を介して出力される測定用レーザの反射光の受光強度の変化に基づいて測定用レーザの強度をフィードバック制御することになる。

シングルモード光ファイバ８２は、測定用レーザ発生装置８１から出力された測定用レーザをシングルモードのレーザとして伝播すると共に出射する。これにより、出力される測定用レーザを小さな径とすると共にレーザビームの断面の強度分布においてピークが１つとなるものとし、ＰＳＤ測定装置８６における測定精度を高めることができる。
ビームスプリッタ８４は、シングルモード光ファイバ８２の出射端から出射される測定レーザを被加工対象物５側に反射し、被加工対象物５から反射される測定用レーザの反射光をＰＳＤ測定装置８６側に透過させる。

ダイクロックミラー８５は、互いに波長の異なる加工用レーザと、測定用レーザにおいて、加工用レーザの波長の光を透過させ、測定用レーザの波長の光を反射させるものとなっている。そして、ダイクロックミラー８５により異なる方向から入射される加工用レーザと測定用レーザを略同じ光軸上に配置し、対物用光学装置６により被加工対象物５のほぼ同じ位置に照射する。なお、加工用レーザによる加工が溝掘りや穴あけの場合のように、被加工対象物５の表面位置を低下させる場合に、測定用レーザの照射位置が加工用レーザによる加工位置と完全に一致しない方が好ましい。

また、ダイクロックミラー８５は、被加工対象物５の加工用レーザが照射されるほぼ平面である照射面（加工される面）に対して測定用レーザを僅か（照射面に直交するようにレーザ加工装置および高さ測定器８を組み立てた際の組立誤差レベルでよい）に斜めに入射させるようになっている。これにより、被加工対象物５の加工用レーザの照射面の高さ位置（Ｚ軸方向に沿った位置）が上下に変動した場合に、測定用レーザの反射光の光軸がずれる（変位）するようにしている。このずれに基づく反射光の受光位置の変化を後述のＰＳＤ測定装置８６で計測することで、被加工対象物５の加工用レーザ照射位置のＺ軸方向に沿った距離の変位、すなわち、高さ位置の変化を計測できるようにしている。

以上のことから、上述の測定用レーザ発生装置８１は、前記加工用レーザの光軸と略同じ光軸に沿うと共に、前記被加工対象物の加工用レーザが照射される照射位置もしくは照射位置近傍に測定用レーザを照射する測定用レーザ照射手段となる。また、測定用レーザ発生装置８１は、照射する測定用レーザの強度を可変とし、かつ、測定用レーザの強度の変更を制御するレーザ強度制御手段としての制御装置を内蔵している。

そして、測定用レーザが対物用光学装置６を加工用レーザと略同じ光軸に沿って通過した後に、測定用レーザの反射光が対物用光学装置６を通過した後にＰＳＤ測定装置８６に入射するようになっていることから、上述の被加工対象物５の表面における加工用レーザの照射位置のＺ軸方向の位置の変化だけではなく、対物用光学装置６における上述の熱レンズ歪みに基づく焦点距離の変動によっても、ＰＳＤ測定装置８６における測定用レーザの反射光の受光位置が変化するようになっている。これにより、実際の被加工対象物５表面のＺ軸方向の沿った変化（高低差）による反射光の受光位置の変化と、対物用光学装置６における焦点距離の変動による受光位置の変化とを合わせた変化をＰＳＤ測定装置８６で測定可能となっている。

一方、図３に示す、結像光学系のレーザ加工装置３で用いられる高さ測定器８ａは、基本的に、集光光学系のレーザ加工装置３で用いられる高さ測定器８と以下の点が相違するが、同様の構成については、説明を省略する。
なお、結像光学系のレーザ加工装置３には、対物用光学装置６より加工用レーザの光源側にマスク９が配置される。
そして、高さ測定器８ａでは、高さ測定器８にあった受光レンズ８８が無い構成となっている。
また、投光レンズ８３は、シングルモード光ファイバ８２から出向した測定用レーザを平行光とするものではなく、例えば、ビームスプリッタ８４より前となる位置で一旦測定用レーザを集光させる集光レンズとなっている。

そして、投光レンズ８３で集光された集光点１０からビームスプリッター８４を介してダイクロイックミラー８５までの測定用レーザの光路長Ｌ１と、ダイクロイックミラー８５からマスク９までの加工用レーザの光路長Ｌ２と、ダイクロイックミラー８５からＰＳＤ素子の受光面までの光路長Ｌ３とが等しくなるようにそれぞれ集光点１０、マスク９、ＰＳＤ素子等を配置する。
なお、これにより、マスク９から対物用光学装置６を介して被加工対象物５の加工用レーザ照射位置までの光路長と、集光点１０から対物用光学装置６を介して被加工対象物５の測定用レーザ照射位置までの光路長と、被加工対象物５の測定用レーザ照射位置から対物用光学装置６を介してＰＳＤ素子の受光面までの光路長が等しくなる。
以上の構成により、測定用レーザは、集光点１０で集光した後に、マスクにより形成される画像を被加工対象物５の加工用レーザ照射面に結像させる対物用光学装置６を通り、被加工対象物５に照射された状態となるとともに反射され、この反射光が対物用光学装置６を通り、再び、ＰＳＤ素子の受光面に集光（結像）した状態で達する。したがって、高さ測定器８のように、集光レンズ８８がなくてもＰＳＤ素子の受光面上に略点状の測定用レーザの反射光が入射することになる。

以上のことから、測定用レーザが対物用光学装置６を通過した後に被加工対象物５に照射され、かつ、被加工対象物５から反射した測定用レーザの反射光が対物用光学装置６を通過した後にＰＳＤ素子を有するＰＳＤ測定装置８６に入射するように、前記測定用レーザ照射手段の末端となるシングルモード光ファイバ８２の出射端と、ＰＳＤ測定装置８６のＰＳＤ素子とが配置されている。

そして、ＰＳＤ測定装置８６は、ＰＳＤ（ポジションセンシングデバイス）素子の受光面における受光位置の変位を測定するものであり、例えば、図３および図４における配置において、被加工対象物５の測定用レーザの照射位置がＺ軸方向に沿って上下に変化すると、ＰＳＤ素子の受光面における測定用レーザの反射光の位置もＺ軸方向に沿って変化する。
この変化をＰＳＤ測定装置８６が信号としてＰＳＤ解析装置８７に出力する。また、ＰＳＤ測定装置８６は、基本的に光検知装置であり、入射光の位置情報と共に入射光の強度も測定可能であり、ＰＳＤ測定装置８６から出力される上記信号には、入射光強度の変化を示す信号も含まれるものとなっている。

そして、ＰＳＤ測定装置８６は、被加工対象物に照射された測定用レーザの反射光を受光すると共に、被加工対象物５の加工用レーザの照射面が加工用レーザの照射方向に沿って位置を変位させた場合に、この変位に基づいた受光位置の変位を計測するＰＳＤ素子を備えた受光位置変位計測手段として機能する。また、ＰＳＤ測定装置８６は、ＰＳＤ素子における前記測定用レーザの反射光の受光強度の変化を示す信号を出力可能とされている。
なお、ＰＳＤ素子における受光位置は、後述のように、三角測量に基づくＰＳＤ素子から被加工対象物までの距離を示すものとなる。そして、これは、測定用レーザの照射位置（すなわち、加工用レーザの照射位置に近似する位置）の加工用レーザの照射方向に沿った位置としての高さ位置を示すものとなる。したがって、ＰＳＤ素子を備えたＰＳＤ測定装置８６は、被加工対象物に照射された測定用レーザの反射光を受光すると共に、被加工対象物の前記加工用レーザの照射位置もしくは照射位置近傍までの前記加工用レーザの照射方向に沿った距離の変位を測定する変位計測手段となる。

そして、ＰＳＤ解析装置８７は、ＰＳＤ測定装置８６から入力された信号のうちの上述のＰＳＤ測定装置８６の受光面における測定用レーザの反射光の位置（高さ位置）の変化の信号に基づいて、Ｚステージ装置７のＺステージ制御装置７１に対物用光学装置６のＺ軸方向の移動のための信号を出力する。すなわち、被加工対象物５の測定用レーザの照射位置が上昇した場合に、対物用光学装置６を上昇させ、被加工対象物５の測定用レーザの照射位置が下降した場合に、対物用光学装置６を下降させる。

また、測定用レーザの反射光の位置の変化の信号には、測定用レーザおよびその反射光が対物用光学装置６を通過することから、上述のように対物用光学装置６の焦点距離の変動の情報も含まれており、対物用光学装置６の焦点距離が長くなった場合に、対物用光学装置６を上昇させ、対物用光学装置６の焦点距離が短くなった場合に、対物用光学装置６を下降させる。すなわち、受光位置変位計測手段としてのＰＳＤ測定装置８６により計測された測定用レーザの反射光の受光位置の変位に基づいて焦点距離制御手段としてのＺステージ装置７およびＺステージ制御装置７１が対物用光学装置６と被加工対象物５との間の距離を制御する。

なお、ＰＳＤ測定装置８６において、被加工対象物５の測定用レーザの照射位置が上昇した際に、受光位置が高さ方向（Ｚ軸方向）の下側に移動し、被加工対象物５の測定用レーザの照射位置が下降した際に、受光位置が高さ方向（Ｚ軸方向）の上側に移動すると仮定した場合に、対物用光学装置６の焦点距離が長くなった際に、受光位置が高さ方向（Ｚ軸方向）の下側に移動し、対物用光学装置６の焦点距離が短くなった際に、受光位置が高さ方向（Ｚ軸方向）の上側に移動する。

これにより、被加工対象物５の表面状態やＸ−Ｙステージ装置４の動作に伴う対物用光学装置６と被加工対象物５の距離の変動と、対物用光学装置６の加工用レーザの熱による焦点距離の変動に対応して、Ｚステージ装置７により対物用光学装置６を被加工対象物５上に加工用レーザが結像もしくは集光される位置に保持することができる。
すなわち、被加工対象物５と対物用光学装置６との距離の変動に対応してＺステージ装置７により距離を一定に保つのではなく、対物用光学装置６の焦点距離の変動も考慮して、対物用光学装置６の焦点を常に被加工対象物５に合わせるようにＺステージ装置７及びＺステージ制御装置７１により対物用光学装置６の位置が制御されることになる。

また、ＰＳＤ測定装置８６から入力された信号に基づいてＰＳＤ解析装置８７においてＰＳＤ測定装置８６における入射光（測定用レーザの被加工対象物５からの反射光）強度の変化を示す信号を測定用レーザ発生装置８１の制御装置に出力する。この信号に基づいて前記制御装置は、入射光強度が上がると測定用レーザ発生装置８１における測定用レーザの発射強度が下げられ、入射光強度が下がると測定用レーザ発生装置８１における測定用レーザの発射強度が上げられる。
これにより、上述のＸ−Ｙステージで、被加工対象物５を移動させることにより、加工用レーザおよび測定用レーザの照射位置が移動した際の被加工対象物５の表面状態の変化により測定用レーザの反射光の強度が変動した場合、例えば、測定用レーザ発生装置８１において反射光強度が低下した際に測定用レーザの強度を高くし、反射光強度が上昇した際に測定用レーザの強度を低くする。

これにより、被加工対象物５の表面状態が一様でない場合に、表面状態の変化により
測定用レーザの反射光の強度が低下したり上昇したりした場合にフィードバック制御により、測定用レーザの発射強度を変更することで、測定用レーザの反射光の強度の変動を小さくするようにできる。したがって、測定用レーザの反射光の強度の変動が、例えば、ＰＳＤ測定装置８６の測定レンジを越えるような大きな変動であっても、測定レンジ内に収まる変動に調整することができる。
これらのことから、測定用レーザの反射光強度の変動により反射光強度がＰＳＤ測定装置８６の測定レンジを越えることで、上述の被加工対象物５の高さの変動の正確な測定が困難になるような場合でも正確な測定が可能となる。また、測定レンジを越えないような反射光強度の変動であっても変動幅を狭くすることが可能であり、より正確な測定を可能とすることができる。

以上のような、レーザ加工装置３において、ビーム観察装置１を用いて以下のようにレーザ加工装置３の対物用光学装置の焦点を合わせる。
まず、観察用基板１４を観察用基板１軸移動機構により移動し、ＣＣＤカメラ１５の撮像範囲の中央部に測定基準面１３のテストパターン２３が配置されるようにする。
次に、ＣＣＤカメラ１５でテストパターン２３を撮像し、撮像されたテストパターン２３を画像モニタ２０に表示し、画像モニタ２０上のテストパターン２３を見ながら焦点位置制御装置３１を操作して鏡筒２４を鏡筒２４に入射されるレーザの光軸方向に移動させることで、ＣＣＤカメラ１５の焦点を合わせる。

ＣＣＤカメラ１５の焦点が合った状態で、次いで、観察用基板１４を移動して、観察用基板１４のテストパターン２３が形成されていない部分が、ＣＣＤカメラ１５の撮影範囲となるようにする。なお、この際の観察用基板１４の位置が加工用レーザのプロファイリングを行う位置となる。そして、パターン照明１８をオンとすると共にスリット板１９を移動して、観察用基板１４の測定基準面にスリット板１９に形成された十字のスリット形状を投影すると共に、その焦点を合わせる。

これにより、ＣＣＤカメラ１５の撮像中に、パターン照明１８をオンし、測定基準面１３の投影されたスリットの画像モニタ２０で確認することにより、ＣＣＤカメラ１５の焦点が測定基準面１３に合っているか否かを確認することができる。
また、基本的に測定基準面１３を見て投影されたスリットの焦点が合っていれば、ＣＣＤカメラ１５の焦点が合っていることになる。

次に、Ｘ―Ｙステージ装置４のステージ４１をＸ−Ｙステージ制御装置４２の操作により移動し、ビーム観察装置１の測定基準面１３のＣＣＤカメラ１５の撮像範囲の中央となる部分に、対物用光学装置６を介して照射される加工用レーザが照射されるように調節する。そして、加工用レーザを測定基準面１３に照射する。
これにより、測定基準面１３に焦点が合ったＣＣＤカメラ１５により、測定基準面１３に照射されたレーザの照射形状と前記照射形状内のレーザの強度分布を示す画像が撮像され、画像モニタ２０に表示される。

この画像モニタ２０に表示された測定基準面１３における照射形状および強度分布を見ながら対物用光学装置６をＺステージ装置７により移動させることで、測定基準面１３で加工用レーザが結像もしくは集光されるように調節する。すなわち、加工用レーザの対物用光学装置６による焦点を測定基準面１３に合わせる。この際に、加工用レーザの焦点が測定基準面１３に合う対物用光学装置６の焦点位置（結像位置もしくは集光位置）が決定され、加工用レーザの焦点が測定基準面１３に合うことになる測定基準面１３と対物用光学装置６の対物用レンズとの距離が決定されることになる。この距離を基準距離として、例えば、Ｚステージ制御装置７１で記憶する。

一方、高さ測定器８の測定用レーザ発生装置８１により測定基準面１３に加工用レーザと略同じ光軸で測定用レーザを照射し、ＰＳＤ測定装置８６のＰＳＤ素子の受光面で測定用レーザの測定基準面１３からの発射光を受光し、受光位置を示す信号をＰＳＤ解析装置８７に送出する。ＰＳＤ解析装置８７では、この受光位置（距離の変位を示す値）を基準受光位置（基準位置）として記憶する。なお、上記基準距離は、対物用光学装置６のＺ軸方向の位置を示すものであり、基準受光位置の受光位置は、被加工対象物の加工用レーザ照射面（ここでは、測定基準面）のＺ軸方向の位置を示すものである。この際に、ＰＳＤ素子やＰＳＤ測定装置８６がＰＳＤの受光面に平行な方向に移動自在に固定部４３に固定されているものとし、ＰＳＤ素子における上記基準受光位置がＰＳＤ素子の受光面の受光範囲の略中央にくるように調整するものとしてもよい。この場合に、測定基準面１３における測定用レーザの反射光のＰＳＤ素子における受光位置と、被加工対象物５における測定用レーザの反射光のＰＳＤ素子における受光位置とができるだけ近い方が好ましい。すなわち、被加工対象物の上面と測定基準面のＺ軸方向の位置ができるだけ等しくなるようにすることが好ましい。これにより、ＰＳＤ素子の受光面の受光範囲を有効に利用可能となるし、ＰＳＤ素子の受光範囲のできるだけ中央部を使用することによる測定精度の向上を図ることができる。

また、例えば、レーザ加工装置３での実際のレーザ加工での加工用レーザの照射パターン（照射強度、照射時間、照射のオン、オフのタイミングなどを含む）や、それに類似するような照射パターンで測定基準面１３に加工用レーザを照射することにより、加工用レーザを照射して対物用光学装置６に熱的負荷がかけられた状態とし、この状態で上述のビーム観察装置１による焦点合わせと、高さ測定器８による高さの測定を行うものとしてもよい。これにより、対物用光学装置６を実際の使用状態に近い状態として、対物用光学装置６の上述の基準距離および基準受光位置を測定することができる。すなわち、対物用光学装置６の対物用光学素子としてのレンズやレンズハウジング等の熱による変形や、レンズ材料の熱による屈折率の変化による焦点距離の変動を含んだ状態で基準距離および基準受光位置を測定することができる。

そして、実際のレーザ加工に当たっては、測定用レーザを加工用レーザと略同じ光軸で被加工対象物５に連続的（パルスであってもよい）に照射すると共に、ＰＳＤ測定装置８６で測定する。そして、ＰＳＤ測定装置８６からの信号が入力されるＰＳＤ解析装置８７では、上述の基準受光位置から現在の受光位置との差に基づいて三角測量法により測定基準面１３に対する被加工対象物５の加工用レーザ照射面のＺ軸方向の位置の変位量を求め、この変位量だけ対物用光学装置６を上記基準距離の位置からＺ軸方向に沿って移動するように、Ｚステージ制御装置７１にＺ軸方向の移動量を示す信号を出力する。

これにより、被加工対象物５正面のうねりや、Ｘ−Ｙステージ装置４による被加工対象物５移動時のＺ軸方向への変動などにより、被加工対象物５の加工用レーザ照射面の位置がＺ軸方向に変動しても対物用光学装置６をその変動と同様にリアルタイムで移動させることができる。さらに、測定用レーザおよび反射光が上述のように対物用光学装置６を通過することから、対物用光学装置６のレンズの熱レンズ歪みや温度変化に対応した屈折率の変化による焦点距離の変動にも追随させて、対物用光学装置６をＺ軸方向に移動できることになる。

上記例では、レーザ加工用装置として、加工時に、Ｘ−Ｙステージ装置４を用いて被加工対象物５をレーザに対して移動するレーザ加工装置を示したが、本発明のビーム観察装置１は、その他のレーザ加工装置にも適用可能であり、対物用光学装置６の焦点合わせ、レーザの強度調整を必要とするレーザ加工装置の全てに適用可能であり、例えば、被加工対象物５に対してレーザを移動するレーザ加工装置や、被加工対象物５とレーザの両方を移動可能としたレーザ加工装置にも適用可能である。

また、ビーム観察装置１にパワーディテクタ１６およびパワーディテクタ１６に光を分岐するビームスプリッタ１７を備えないものとしてもよい。また、測定基準面１３にＣＣＤカメラ１５用のテストパターンを投影するためのスリット板１９およびパターン照明１８等からなる光パターン照射手段およびパターン結像調整手段を備えないものとしてもよい。また、鏡筒２４内において、ＣＣＤカメラ１５を対物レンズ２５の光軸上に配置し、スリット板１９およびパターン照明１８を前記光軸からオフセットした位置に配置してもよい。また、上記例では、観察用基板１４のレーザが入射される側の面（上面）を測定基準面１３としたが、観察用基板１４を通過したレーザが出射される側の面（下面）を測定基準面１３としてもよい。また、テストパターンを投影するための光パターン照射手段およびパターン結像調整手段をＣＣＤカメラ１５と同じ鏡筒２４内に収容し、対物レンズ２５をＣＣＤカメラ１５と共用するものとしたが、これら光パターン照射手段およびパターン結像調整手段をＣＣＤカメラ１５用の鏡筒２４の外に配置してもよい。

また、上記例では、鏡筒２４を移動させることにより、ＣＣＤカメラ１５の焦点を測定基準面１３に合わせるようにしたが、対物レンズ２５や受光レンズ２８等の光学系部品を移動させることにより、ＣＣＤカメラ１５の焦点を合わせるようにしてもよい。この場合に、光学系部品を移動させる手段が撮像装置用焦点調整手段となる。
また、測定基準面１３における照射形状に基づいて対物用光学装置６の焦点を合わせる際に、予め焦点の合った照射形状を撮像して記憶しておき、記憶された照射形状と、撮像さている照射形状とを周知の画像認識手段で比較し、撮像された照射形状が記憶された照射形状に近づくように自動的にＺステージ装置７により対物用光学装置６を移動させるようにすることで、焦点合わせを自動化するものとしてもよい。

また、ダイクロックミラー８５により、測定用レーザを反射させ、加工用レーザを透過させるようにしたが、ダイクロックミラー８５として、測定用レーザを透過させ、加工用レーザを反射させるものを使用する構成としてもよい。この場合に、測定用レーザの経路に応じて各構成要素の位置が変更になるが、基本的な構成は、ダイクロックミラー８５が変更になる以外は同様となる。

また、変位測定手段による上述の距離の変位の計測は、ＰＳＤ素子を備えたＰＳＤ測定装置８６を用いた方法に限られるものではなく、例えば、以下の方法を使用できる。
１．強度検出方法
例えば、測定用レーザを対物用光学素子を通して加工面から反射してきた反射光の光強度をピンホールと光強度検出器の組み合わせで測定する。この検出器は光電型または焦電型で、ピンホールは検出器の前に、測定用レーザと共焦点の位置に置く。加工用対物レンズの焦点位置が適切なときに、測定用レーザの反射光がピンホールの位置で焦点を結ぶように設定しておくと、この状態で検出器に受光する反射光の強度が最大となる。対物用光学素子の焦点位置がずれたときや熱レンズ効果によりレンズの焦点距離が変化したときは、検出する光強度が低下する。これにより、上述の距離の変位を測定することができる。この光強度が最大になるように対物用光学素子高さを制御することで加工対象物に焦点が合うようにすることができる。なお、この方法では、特にビーム観察装置を用いた加工用レーザの焦点合わせに関係なく、対物光学素子の焦点が加工用レーザの照射位置に合うように調整可能であるが、上述のようにビーム観察装置による焦点合わせをした際に、前記検出器の受光強度が最大となるように微調整可能とすることが好ましい。

２．結像位置検出法
測定用レーザを対物用光学素子を通して加工面から反射してきた反射光をＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの撮像素子で検出する。撮像素子を測定用レーザ出射面との共焦点位置、もしくは共焦点像面がイメージリレーされた結像位置に置く。対物用光学素子の焦点位置が適切なときに、測定用レーザの出射面の像が撮像素子上に結像するように設定しておく。対物用光学素子の焦点位置がずれたときや熱レンズ効果によりレンズの焦点距離が変化したときは、撮像素子の像がぼける。この像を既存の画像処理手段を用いて、正しく結像しているかを判定する。例えば、モニター上のこの像の面積を計測し、この面積が最小になるように対物レンズ高さを制御することで加工対象物に焦点が合うようにする。こ場合も、上述のようにビーム観察装置による焦点合わせをした際に、前記面積が最小となるように微調整可能とすることが好ましい。

なお、例えば、レーザの照射位置を高速で移動する場合、すなわち、上述のＸ−Ｙステージ装置４を高速で作動させる場合に、変位計測手段による変位の計測と、変位の計測結果に基づくＺステージ装置７の制御の処理を十分に早く行う必要があり、この場合に距離の変位の計測を高速で行うことが可能なＰＳＤ測定装置８６を用いることが好ましい。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を示す概略図である。 前記レーザ加工装置のビーム観察装置を示す概略図である。 前記レーザ加工装置（集光光学系）に備えられた高さ測定器を示す概略図である。 前記レーザ加工装置（結像光学系）に備えられた高さ測定器を示す概略図である。

符号の説明

１ ビーム観察装置
３ レーザ加工装置
４ Ｘ−Ｙステージ装置
５ 被加工対象物
６ 対物用光学装置（対物用光学素子）
７ Ｚステージ装置（焦点距離調整手段）
７１ Ｚステージ制御装置（焦点距離調整手段）
８ 高さ測定器
１３ 測定基準面
１４ 観察用基板
１５ ＣＣＤカメラ（撮像手段）
８１ 測定用レーザ発生装置（測定用レーザ照射手段）
８６ ＰＳＤ測定装置（変位計測手段）

Claims (2)

1. 加工用レーザを被加工対象物で結像もしくは集光させるための対物用光学素子を介して前記被加工対象物に前記加工用レーザを照射すると共に、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物に合わせるために前記対物用光学素子の被加工対象物の加工用レーザが照射される照射位置に対する距離を調整する焦点距離調整手段を有し、被加工対象物に対する加工用レーザの照射位置を加工用レーザの照射方向とほぼ直交する方向に相対的に移動させることにより被加工対象物に加工用レーザによる加工を施すレーザ加工装置であって、
   前記加工用レーザの光軸と略同じ光軸に沿うと共に、前記被加工対象物の加工用レーザが照射される照射位置もしくは照射位置近傍に測定用レーザを照射する測定用レーザ照射手段と、
   前記被加工対象物に照射された測定用レーザの反射光を受光すると共に、被加工対象物の前記加工用レーザの照射位置もしくは照射位置近傍までの前記加工用レーザの照射方向に沿った距離の変位を測定する変位計測手段とを備え、かつ、
   仮の被加工対象物として前記加工用レーザおよび測定用レーザが照射される測定基準面を有し、加工用レーザの波長に対して透明性の高い観察用基板と、前記加工用レーザの前記観察用基板の測定基準面における照射形状を撮像する撮像手段とを有するビーム観察装置を備え、
   前記測定用レーザが前記対物用光学素子を通過した後に前記被加工対象物もしくは前記測定基準面に照射され、かつ、前記被加工対象物もしくは前記測定基準面から反射した測定用レーザの反射光が対物用光学素子を通過した後に前記変位計測手段に入射するように前記測定用レーザ照射手段と、前記変位計測手段とが配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置における前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物の加工用レーザ照射位置に合わせた状態に維持する焦点維持方法であって、
   前記撮像手段で撮像された前記測定基準面におけるレーザの照射形状に基づいて、前記焦点距離調整手段により前記対物用光学素子の焦点を測定基準面に合わせ、前記対物用光学素子の焦点が測定基準面に合わされた状態で、前記測定用レーザ照射手段により前記対物用光学素子を介して前記測定用基準面に測定用レーザを照射すると共に、前記変位計測手段に測定用レーザの反射光を受光させ、この状態で前記変位計測手段に計測される前記距離の変位の基準位置を設定し、
   被加工対象物に加工用レーザを照射して加工する際に測定される前記変位計測手段における前記基準位置に対する変位に基づいて前記焦点距離調整手段により前記対物用光学素子の被加工対象物に対する距離を制御することを特徴とするレーザ加工装置における焦点維持方法。

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