(57)【要約】      （修正有）【課題】断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体の立体加工方法等を提供する。【解決手段】それぞれ複数の単位領域を備える複数の光変調領域１１Ｂ１等を離間して備える光変調素子１１ＢＬ１を配置し複数の光変調領域１１Ｂ１等にそれぞれ光束を透過して光束を光変調し、光変調された光束を単位領域のそれぞれよりも大きな点像分布範囲を有する結像装置により、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように光束を結像して被加工物の表面層を選択的に破壊除去する第１破壊除去工程を含む、断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体を形成する立体加工方法。【選択図】図１３
2010240658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ複数の単位領域を備える複数の光変調領域を離間して備える光変調素子を配置し前記複数の光変調領域にそれぞれ光束を透過して光束を光変調をし、前記光変調された光束を前記単位領域のそれぞれよりも大きな点像分布範囲を有する結像装置により、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように前記光束を結像して前記被加工物の表面層を選択的に破壊除去する第１破壊除去工程と、
前記複数の光変調領域にそれぞれ光束を透過して光束を光変調をし、前記光変調された光束を前記結像装置により、前記第１破壊除去工程における非照射領域及び照射領域が、それぞれ照射領域及び非照射領域となり、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように前記光束を結像して前記被加工物の表面層を選択的に破壊除去する第２破壊除去工程
とを含み、断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体を形成することを特徴とする立体加工方法。
【請求項２】
前記第１破壊除去工程と、前記第２破壊除去工程において、位置座標に対する光強度を示す像面光強度曲線が破壊除去の閾値強度となる点の近傍において直線状となるように、前記光束を結像して前記被加工物の表面層を選択的に破壊除去することを特徴とする請求項１記載の立体加工方法。
【請求項３】
前記第１破壊除去工程後、前記第２破壊除去工程の前に、前記第１破壊除去工程における非照射領域及び照射領域が、それぞれ照射領域及び非照射領域となるように、前記光変調素子と前記被加工物を相対的に移動させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の立体加工方法。
【請求項４】
前記光変調領域は、前記単位領域の中に異なる複素振幅透過率の領域が混在することを特徴とする請求項１記載の立体加工方法。
【請求項５】
前記光変調領域は、前記複素振幅透過率分布の前記単位領域内での平均値の絶対値が面内位置により変化するものであることを特徴とする請求項４記載の立体加工方法。
【請求項６】
前記光変調領域は、前記単位領域の中に異なる振幅透過率の領域が混在することを特徴とする請求項４記載の立体加工方法。
【請求項７】
前記光変調領域は、前記複数の単位領域内にそれぞれ光遮蔽膜が設けられていることを特徴とする請求項６記載の立体加工方法。
【請求項８】
前記光変調領域は、前記単位領域の中に異なる位相変調量の領域が混在することを特徴とする請求項４記載の立体加工方法。
【請求項９】
前記光変調領域は、光透過性基材の主表面に段差が形成されるように、前記複数の単位領域内にそれぞれ凹部が形成されていることを特徴とする請求項８記載の立体加工方法。
【請求項１０】
前記複数の凹部は、それぞれ異なる深さを有することを特徴とする請求項９記載の立体加工方法。
【請求項１１】
前記被加工物は高分子材料であることを特徴とする請求項１記載の立体加工方法。
【請求項１２】
光束を出射する照明装置と、
前記照明装置の出射側に設けられた前記光束を光変調する離間して配置された複数の光変調領域を備える光変調素子と、
前記光変調素子の出射側に設けられ、前記光変調素子により光変調された光束を、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように前記光束を結像して前記被加工物の表面層を選択的に破壊除去する結像装置とを備え、
前記複数の光変調領域は、それぞれ前記結像装置の点像分布範囲の半径よりも小さい単位領域を複数有し、前記被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように前記光束を結像し前記被加工物の表面層を選択的に破壊除去する工程を繰り返して断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体を形成することを特徴とする立体加工装置。
【請求項１３】
前記立体加工装置は、像面光強度の閾値の周辺において位置座標に対する光強度を示す像面光強度曲線が直線状となるように前記光束を結像することを特徴とする請求項１２の立体加工装置。
【請求項１４】
前記結像装置の出射側に設けられ、被加工物を支持し、前記照射領域が非照射領域となるように前記光変調素子と前記被加工物を相対的に移動させる移動手段をさらに備えることを特徴とする請求項１２の立体加工装置。
【請求項１５】
前記光変調素子は、前記単位領域の中に異なる複素振幅透過率の領域が混在することを特徴とする請求項１２記載の立体加工装置。
【請求項１６】
前記光変調領域は、前記複素振幅透過率分布の前記単位領域内での平均値の絶対値が面内位置により変化するものであることを特徴とする請求項１５記載の立体加工装置。
【請求項１７】
前記光変調領域は、前記単位領域の中に異なる振幅透過率の領域が混在することを特徴とする請求項１５記載の立体加工装置。
【請求項１８】
前記光変調領域は、前記複数の単位領域内にそれぞれ光遮蔽膜が設けられていることを特徴とする請求項１７記載の立体加工装置。
【請求項１９】
前記光変調領域は、前記単位領域の中に異なる位相変調量の領域が混在することを特徴とする請求項１５記載の立体加工装置。
【請求項２０】
前記光変調領域は、光透過性基材の主表面に段差が形成されるように、前記複数の単位領域内にそれぞれ凹部が形成されていることを特徴とする請求項１９記載の立体加工装置。
【請求項２１】
前記複数の凹部は、それぞれ異なる深さを有することを特徴とする請求項２０記載の立体加工装置。
【請求項２２】
前記被加工物は高分子材料であることを特徴とする請求項１２記載の立体加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体加工方法および立体加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス状のレーザを物体に照射することにより、物体の照射部表面層が瞬間的に分解され、爆発的に飛散・除去されるレーザアブレーション現象を利用した加工法（以下、「レーザアブレーション加工法」という。）の一態様としては、遮光マスクを用いてバイナリーな光強度分布を有する光束を生成し、得られた光束を物体に照射することにより、一定の深さの照射部表面層を分解除去するバイナリー加工法が挙げられる。
【０００３】
しかしながら、ある用途、例えば、マイクロレンズアレイ、フレネルレンズ、プリズムシート、拡散板等の作製にあっては、照射部表面層の場所によって分解除去される深さが異なる手法、即ち照射部表面層を固定の深さで分解除去するのではなく、照射部表面層に起伏を持たせて分解除去する方法（以下、バイナリー加工法と区別して「三次元加工法」という。）が求められていた。
【０００４】
上述の課題を解決する手段として、例えば特許文献１は、予め複数のマスクパターン（光変調素子）を用意し、被加工物と光変調素子を相対的に移動させ被加工物のレーザ照射領域に光変調素子の位置合わせを行いながら照射を繰り返す三次元加工法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２-２９２４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体の立体加工方法および立体加工装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様は、それぞれ複数の単位領域を備える複数の光変調領域を離間して備える光変調素子を配置し複数の光変調領域にそれぞれ光束を透過して光束を光変調をし、光変調された光束を単位領域のそれぞれよりも大きな点像分布範囲を有する結像装置により、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように光束を結像して被加工物の表面層を選択的に破壊除去する第１破壊除去工程と、複数の光変調領域にそれぞれ光束を透過して光束を光変調をし、光変調された光束を結像装置により、第１破壊除去工程における非照射領域及び照射領域が、それぞれ照射領域及び非照射領域となり、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように光束を結像して被加工物の表面層を選択的に破壊除去する第２破壊除去工程とを含み、断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体を形成する立体加工方法を要旨とする。
【０００８】
本発明の第２の態様は、光束を出射する照明装置と、照明装置の出射側に設けられた光束を光変調する離間して配置された複数の光変調領域を備える光変調素子と、光変調素子の出射側に設けられ、光変調素子により光変調された光束を、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように光束を結像して被加工物の表面層を選択的に破壊除去する結像装置とを備え、複数の光変調領域は、それぞれ結像装置の点像分布範囲の半径よりも小さい単位領域を複数有し、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように光束を結像し被加工物の表面層を選択的に破壊除去する工程を繰り返して断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体を形成する立体加工装置を要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体の立体加工方法および立体加工装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態にかかる立体加工装置の概略図を示す。
【図２】実施形態にかかる照明装置の内部構成の概略図を示す。
【図３】実施形態にかかる振幅変調型光変調素子の正面図を示す。
【図４】実施形態にかかる振幅変調型光変調素子の側面図を示す。
【図５】実施形態にかかる位相変調型光変調素子の正面図を示す。
【図６】実施形態にかかる位相変調型光変調素子の断面図を示す。
【図７】（ａ）は、結像装置から照射された光束の被加工物に対する像面を示し、（ｂ）は、像面における点像分布関数を破線で示す直径２Ｒの円筒形で近似した点像分布関数を示し、（ｃ）は、光変調素子上の直径２Ｒの円内の複素振幅分布を積分した結果を示し、（ｄ）点像分布範囲内における光強度の概念図を示す。
【図８】（ａ）は、結像装置における瞳関数を示し、（ｂ）は点像分布関数を示す。
【図９】実施形態にかかるレンチキュラーレンズの側面図を示す。
【図１０】開口率Ｄ１、Ｄ２を求めるためのフローチャートを示す。
【図１１】開口率Ｄ１、Ｄ２を求めるための計算過程を示す。
【図１２】（ａ）は被加工物の目標形状を示し、（ｂ）は振幅変調型光変調素子の正面図を示し、（ｃ）は振幅変調型光変調素子の側面図を示し、（ｄ）は振幅変調型光変調素子のｘ座標に対する像面光強度を示し、（ｅ）は振幅変調型光変調素子のｘ座標に対する像面光強度の一部拡大図を示す。
【図１３】（ａ）は、２つの振幅変調型光変調素子を備える振幅変調型光変調素子の概略図を示し、（ｂ）は像面光強度分布を示し、（ｃ）は像面光強度分布の一部拡大図を示す。
【図１４】レンチキュラーレンズの立体加工方法の工程図（その１）を示し、（ａ）は被加工物に照射される像面光強度分布、（ｂ）は被加工物の上面図、（ｃ）は被加工物の断面図を示す。
【図１５】レンチキュラーレンズの立体加工方法の工程図（その２）を示し、（ａ）は被加工物に照射される像面光強度分布、（ｂ）は被加工物の上面図、（ｃ）は被加工物の断面図を示す。
【図１６】レンチキュラーレンズの立体加工方法の工程図（その３）を示し、（ａ）は被加工物に照射される像面光強度分布、（ｂ）は被加工物の上面図、（ｃ）は被加工物の断面図を示す。
【図１７】レンチキュラーレンズの立体加工方法の工程図（その４）を示し、（ａ）は被加工物に照射される像面光強度分布、（ｂ）は被加工物の上面図、（ｃ）は被加工物の断面図を示す。
【図１８】レンチキュラーレンズの斜視図を示す。
【図１９】（ａ）は、縦横等間隔に配置された正方形状の４つの振幅変調型光変調素子を備える振幅変調型光変調素子の概略図を示し、（ｂ）は像面光強度分布を示す。
【図２０】マイクロレンズアレーの立体加工方法の工程図（その１）を示し、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその断面図を示す。
【図２１】マイクロレンズアレーの立体加工方法の工程図（その２）を示し、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその断面図を示す。
【図２２】マイクロレンズアレーの立体加工方法の工程図（その３）を示し、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその断面図を示す。
【図２３】マイクロレンズアレーの立体加工方法の工程図（その４）を示し、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその断面図を示す。
【図２４】マイクロレンズアレーの立体加工方法の工程図（その５）を示し、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその断面図を示す。
【図２５】マイクロレンズアレーの概略図を示す。
【図２６】振幅変調型光変調素子が備える複数の単位領域の概念図を示す。
【図２７】別出願にかかる三次元加工方法によりレンチキュラーレンズを作製する際の概念図であり、（ａ）は被加工物の目標形状を示し、（ｂ）は振幅変調型光変調素子の正面図を示し、（ｃ）は振幅変調型光変調素子のｘ座標に対する像面光強度を示し、（ｄ）は実際に得られる被加工物の形状を示す。
【図２８】被加工体の目標形状の一例（プリズムシート）を示す。
【図２９】被加工体の目標形状の一例（フレネルレンズ）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
上述の課題について鋭意研究した結果、本発明者らは加工したい立体形状に対応する光強度分布を生成し、その光束を照射してアブレーションを行うことにより、光変調素子の機械的変形や被加工物との相対的移動を伴わない、簡易な三次元加工方法（以下、本願の発明と区別する意味で「別出願にかかる三次元加工方法」ともいう。）および加工装置を発明した。別出願にかかる三次元加工方法の応用例として、同一の三次元構造の繰返しからなる構造体、例えばマイクロレンズアレイやレンチキュラーレンズ、すなわち断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体が作製できることが期待された。
【００１２】
ここで、レンチキュラーレンズやマイクロレンズアレイには、一般に隣接するレンズ要素間での境界部分に以下の特性が要求される。
【００１３】
（１）レンズの周辺部まで理想形状を保つこと。例えば、レンチキュラーレンズの理想的断面形状は近似的には半円形であるが、この形状からずれることは光学的特性を劣化させるので好ましくない。
【００１４】
（２）隣接する要素レンズ間に非レンズ領域がないこと。例えば要素レンズの間に平坦な領域があれば、そこは光学的に機能しないので望ましくない。例えば集光用途に用いる場合は光利用効率が低下してしまうからである。
【００１５】
ところが、別出願にかかる三次元加工方法においては、レンチキュラーレンズやマイクロレンズアレイのように断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体の立体加工が困難であった。
【００１６】
別出願にかかる三次元加工方法の課題について、レンチキュラーレンズを作製する場合を例に挙げて説明する。図２７（ａ）は被加工物の目標形状を示し、図２７（ｂ）は振幅変調型光変調素子１１１の正面図を示し、図２７（ｃ）は振幅変調型光変調素子１１１のｘ座標に対する像面光強度を示し、図２７（ｄ）は実際に得られる被加工物の側面図を示す。
【００１７】
図２７（ａ）に示すように、レンチキュラーレンズ４９Ａは、照射された光束の光強度分布が非連続的な部分に、断面鋭角状の繰返部４９Ａｘ１、４９Ａｘ２が形成されることが理想的である。ところが、図２７（ｂ）に示す要素レンズ間のつなぎ目に対応する部分の像面光強度は、結像光学装置の解像度の限界により丸まる。そして、図２７（ｃ）に示すように、像面光強度曲線は、要素レンズの周辺において、点線で示される理想形状からずれるかもしくは要素レンズ間に非レンズ領域が発生して、実線で示されるような曲線になる傾向があった。その結果、図２７（ｄ）に示すように、実際に得られるレンチキュラーレンズ４９Ｂには、断面の頂点が丸まった繰返部４９ＢＸ１、４９ＢＸ２が形成される傾向があった。また、マイクロレンズの場合でも、レンズ要素が接する部分で同様の問題が生じていた。
【００１８】
さらに、レンチキュラーレンズやマイクロレンズ以外でも、図２８に示すような、断面鋭角状の繰返部４７Ｌ３ｘ１、４７Ｌ３ｘ２、４７Ｌ３ｘ３を有するプリズムシート４７Ｌ３や、図２９に示すような、繰返部４７Ｌ４ｘ１、４７Ｌ４ｘ２、４７Ｌ４ｘ３を有するフレネルレンズ４７Ｌ４のような、反復単位の繋ぎ目で非連続的な形状が求められる形状についても、同様の問題が発生する傾向があった。
【００１９】
以上より、断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体の立体加工方法および立体加工装置が求められていた。
【００２０】
そして、本発明者らは、上記課題を解決するべく誠意研究した結果、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように光束を結像して被加工物の表面層を選択的に破壊除去することを着想した。さらに最適化を図るべく研究した結果、アブレーションが開始される光強度、すなわちアブレーション閾値強度以下ではたとえ非ゼロの強度の光が照射されてもアブレーションは発生しないことに着目した。また同時に、結像光学装置は、解像度よりも微細な分布、例えば非連続的な分布、折れ曲がりのある分布の生成は困難であるが、直線的な分布やなだらかな分布の生成は容易に実現できることに特徴があることに着目した。この性質を利用して、要素レンズの境界付近、すなわちアブレーション閾値付近の強度分布を直線的な分布とすることにより理想的な形状を保つことができることを着想した。以下に、三次元加工方法の基本原理の説明を交えながら、本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
以下に、実施形態を挙げて本発明の説明を行うが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。尚、図中同一の機能又は類似の機能を有するものについては、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。
【００２２】
[立体加工装置]
図１は、実施形態にかかる立体加工装置３０の概略図を示す。立体加工装置３０は、光束を出射する照明装置２と、照明装置２の出射側に設けられた光束を光変調する光変調素子１１と、光変調素子１１の出射側に設けられ、光変調素子１１により光変調された光束を、光強度分布に階調が生じるように結像する結像装置３と、結像装置３の出射側に設けられた被加工物４を支持し、照射領域が非照射領域となるように光変調素子１１と被加工物４を相対的に移動させる移動手段としてステージ５とを備える。光変調素子１１は、結像装置３の点像分布範囲の半径よりも小さい単位領域を複数有し、光強度分布で結像された光束を被加工物４に照射して、被加工物４の照射部表面層を起伏を持たせて破壊除去する。被加工物４は、真空チャックや静電チャック等により、ステージ５上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持される。
【００２３】
図２に示すように、照明装置２は、光変調素子１１に入射する入射光を生成するレーザ光源、例えば２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源２ａを備える。なお、光源２ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような他の適当な光源を用いてもよい。光源２ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２ｂを介して拡大された後、第１フライアイレンズ２ｃに入射する。
【００２４】
第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面には複数の擬似光源が形成される。第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面に光源２ａの像が転写されて擬似光源が規定される。第１フライアイレンズ２ｃの後ろ側焦点面すなわち複数の光源からの光束は第１コンデンサ光学装置２ｄを介して、第２フライアイレンズ２ｅの入射面に案内される。その結果、第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面よりも多くの複数の擬似光源が形成される。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に第１フライアイレンズ２ｃの像が転写されて擬似光源が規定される。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に形成された複数の光源からの光束は、第２コンデンサ光学装置２ｆを介して、光変調素子１１に入射される。
【００２５】
第１フライアイレンズ２ｃおよび第１コンデンサ光学装置２ｄは、光源２ａからの照明光に、ホモジナイゼーション効果を与える第１ホモジナイザを構成する。したがって、この第１ホモジナイザにより光源２ａから出射されたレーザ光は、面内強度分布が均一化された状態で第２フライアイレンズ２ｅに入射される。
【００２６】
また、第２フライアイレンズ２ｅおよび第２コンデンサ光学装置２ｆは第２ホモジナイザを構成し、この第２ホモジナイザにより、第１ホモジナイザにより入射角度が均一化されたレーザ光が、光変調素子１１に実質的に面内強度分布が均一な状態で照射される。このように、第１フライアイレンズ２ｃ、第１コンデンサ光学装置２ｄ、第２フライアイレンズ２ｅおよび第２コンデンサ光学装置２ｆにより、光変調素子１１の全域に入射角度分布が均一で、かつ面内強度分布が均一なレーザ光が照射される。
【００２７】
光変調素子１１で振幅もしくは位相変調されたレーザ光は、結像装置３の出射側に設けられた被加工物４に入射される。結像装置３は、凸レンズ３ａと凸レンズ３ｂと両レンズの間に開口絞り３ｃを備え、光変調素子１１と被加工物４とを光学的に共役な位置関係に位置させることができる。開口絞り３ｃの開口部、即ち実質的に、結像装置３の像側開口数ＮＡの大きさは、後述するように、被加工物４の照射表面層において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。
【００２８】
なお、結像装置３は、屈折型の光学装置であってもよいし、反射型の光学装置であってもよいし、屈折反射型の光学装置であってもよい。
【００２９】
光変調素子１１は、点像分布範囲内より小さい単位領域の中での複素振幅透過率の平均値に分布を持たせ、光強度分布に階調を生じさせることで三次元加工を可能とする。光変調素子１１は、光遮蔽膜の面積比により光強度を制御する方法（「振幅変調型」）と、位相変調領域の面積比により制御する方法（「位相変調型」）とに大別される。
【００３０】
図３は振幅変調型光変調素子１１Ｆの正面図を示し、図４は振幅変調型光変調素子１１Ｆの側面図を示す。振幅変調型光変調素子１１Ｆは、点線で示される点像分布範囲の半径よりも小さな単位領域１１Ｆａ、１１Ｆｂ、１１Ｆｃを複数備える。単位領域１１ａは遮蔽領域１１ａｓと透過領域１１ａｔとを備え、単位領域１１ｂは遮蔽領域１１ｂｓと透過領域１１ｂｔとを備え、単位領域１１ｃは遮蔽領域１１ｃｓと透過領域１１ｃｔとを備える。振幅変調型光変調素子１１Ｆは、単位領域１１Ｆａ、１１Ｆｂ、１１Ｆｃのそれぞれの中に異なる複素振幅透過率の領域が混在している。即ち、振幅変調型光変調素子１１Ｆは、複素振幅透過率分布を有し、複素振幅透過率分布は単位領域内での平均値の絶対値が面内位置により変化する。
【００３１】
なお、遮蔽領域１１Ｆａｓ、１１Ｆｂｓ、１１Ｆｂｓの面積が透過領域１１Ｆａｔ、１１Ｆｂｔ、１１Ｆｃｔの面積よりも広くなるほど、像面光強度が低くなる傾向があるため、図３では単位領域１１Ｆａ、１１Ｆｂ、１１Ｆｃの左から右に向かって像面光強度が低下していることを示す。
【００３２】
図４に示すように、遮蔽領域１１Ｆａｓ、１１Ｆｂｓ、１１Ｆｃｓは、石英などの透過性基板からなる振幅変調型光変調素子１１Ｆの本体の主表面上にパターニングされた光遮蔽膜からなる。振幅変調型光変調素子１１Ｆは、点像分布範囲内の単位領域の中で振幅透過率が変化する。各単位領域内１１Ｆａ〜１１Ｆｃにおける複素振幅透過率の平均値の絶対値は、隣り合う単位領域の値と異なる。
【００３３】
図５は位相変調型光変調素子１１Ｇの正面図を示し、図６は位相変調型光変調素子１１Ｇの断面図を示す。位相変調型光変調素子１１Ｇは、点線で示される点像分布範囲の半径よりも小さな単位領域１１Ｇａ、１１Ｇｂ、１１Ｇｃを複数備える。各単位領域１１Ｇａ、１１Ｇｃ、１１Ｇｃは、それぞれ第１位相変調領域１１Ｇａｍ、１１Ｇｂｍ、１１Ｇｃｍと第２位相変調領域１１Ｇａｎ、１１Ｇｂｎ、１１Ｇｃｎとを備える。
【００３４】
第１位相変調領域１１Ｇａｍ〜１１Ｇｃｍと第２位相変調領域１１Ｇａｎ〜１１Ｇｃｎの位相変調量は相対的なものである。例えば、第２位相変調領域１１Ｇａｎ〜１１Ｇｃｎを基準領域として、第１位相変調領域１１Ｇａｍ〜１１Ｇｃｍの位相変調量をθと記述できる。このとき、図６に示すようにθ＞０もしくはθ＜０は、それぞれ主表面に対する凹部と凸部に相当する。かかる凹部（もしくは凸部）を設けることにより点像分布範囲内の単位領域毎に複素振幅透過率の平均値の絶対値が変化し、結果的に光強度分布に階調が生じることで三次元加工が可能となる。なお、図６では、各凹部の深さ（もしくは各凸部の高さ）は同一としたが、各凹部の深さ（もしくは各凸部の高さ）を変化させても構わない。
【００３５】
振幅変調型光変調素子１１Ｆと位相変調型光変調素子１１Ｇを比較した場合、振幅変調型光変調素子１１Ｆでは光遮蔽膜が照明光の一部を吸収することによりアブレーションや熱により劣化するという課題があるが、位相変調型光変調素子１１Ｇは光を吸収しないため劣化を避けることができる。以上の点から位相変調型光変調素子１１Ｇが好ましい。なお、図３〜図６では、説明の便宜上それぞれ単位領域が３つの場合を示したが、単位領域数は複数であれば特に制限されることなく、３つ以上であっても構わない。
【００３６】
[基本原理]
以下、光強度分布により三次元加工が可能となる原理・作用について述べる。照射強度（フルエンス）とアブレーション深さの間には、一般に以下の式（１）の関係式が成り立つことが知られている。
【００３７】
ｄ=α−１log１０（Ｉ／Ith）                              …（１）
式（１）中、ｄは一回照射当たりのアブレーション深さ、αは被加工物の光吸収率、Ｉは照射強度、Ithはアブレーションの閾値強度を示す。
【００３８】
式（１）に基づき、照射強度Ｉを面内で変えた分布を照射することにより任意の立体形状を生成することができる。ただし、照射強度Ｉがある値を超えると、アブレーションにより発生する飛散物により照射光が吸収・散乱されて、アブレーション深さが飽和するため、式（１）の関係式が成り立たなくなる。また、レーザ装置の出力強度の限界により加工面における照射強度は制限される。そのため、一回の照射でのアブレーション深さは制約される。しかし、最終的なアブレーション深さは照射回数に比例する性質があるので、必要な深さが得られるまで複数回照射を繰り返すことで所望の深さまでアブレーション加工を行うことができる。
【００３９】
結像装置における物体面（光変調素子（マスク））分布と結像面（被加工面）分布の関係は、一般にフーリエ結像論により扱うことができる。また、コヒーレンスファクタが０．５程度以下の場合は、コヒーレント結像として近似できる。この場合、像面の複素振幅分布Ｕ（ｘ,ｙ）は物体面の複素振幅透過率分布Ｔ（ｘ，ｙ）と（複素振幅）点像分布関数ＡＳＦ（ｘ,ｙ）の畳み込み積分で与えられる。
【００４０】
Ｕ（ｘ，ｙ）＝Ｔ（ｘ，ｙ）＊ＡＳＦ（ｘ，ｙ）                …（２）
式（２）中、＊は畳み込み積分を表す。点像分布関数ＡＳＦ（ｘ,ｙ）は結像光学系の瞳関数のフーリエ変換で与えられ、瞳が円形で無収差の場合は良く知られたエアリーパターンとなる。
【００４１】
ＡＳＦ（ｘ，ｙ）=２Ｊ１（２π／λＮＡｒ）                    …（３）
式（３）中、ｒ＝（ｘ２+ｙ２）１／２、Ｊ1はベッセル関数、λは光の波長、ＮＡは結像光学系の像側開口数を表す。
【００４２】
図７（ａ）は、結像装置３から照射された光束の被加工物４に対する像面３ｆを示す。図７（ｂ）は、点像分布関数と、破線で示す直径２Ｒの円筒形３ｅで近似した点像分布関数を示す。点像分布関数の一番内側の０点を３ｊで示す。０点３ｊの内側、すなわち直径２Ｒの内側を点像分布範囲と呼ぶことにする。図７（ｃ）は、光変調素子１上の単位領域と点像分布範囲の関係を示す。
【００４３】
上述したように、像面３ｆに結像された結像の光振幅すなわち光強度は、光変調素子１の複素振幅透過率分布と点像分布関数とのコンボリューションで与えられる。点像分布関数を円筒形３ｅで近似して考えると、図７（ｃ）に示す円形の点像分布範囲内で光変調素子１の複素振幅透過率を均一重みで積分した結果が、像面３ｆでの複素振幅になり、その絶対値の二乗が光強度となる。
【００４４】
点像分布範囲内での複素振幅透過率の積分は、図７（ｄ）に示すように単位円３ｇ内での複素振幅透過率をあらわすベクトル３ｈの和で考えると理解しやすい。
【００４５】
これらのベクトルの和が表す複素振幅の絶対値の二乗により、対応する点の光強度が決定される。
【００４６】
図８（ａ）および（ｂ）は、結像装置３における瞳関数と点像分布関数との関係を示す。一般に、点像分布関数（図８（ｂ））は、瞳関数（図８（ａ））のフーリエ変換で与えられる。具体的には、結像装置３が均一円形瞳を有し、かつ収差がない場合、点像分布関数ＡＳＦ（ｘ，ｙ）は上述の式（３）により表される。しかしながら、結像装置３に収差が存在する場合や、均一円形瞳以外の瞳関数を有する場合はこの限りではない。
【００４７】
均一円形瞳で収差がない場合、点像分布関数が最初に０となるまでの中央領域（すなわちエアリーディスク）の半径Ｒは、式（４）で与えられる。
【００４８】
Ｒ=０．６１λ／ＮＡ                                        …（４）
「点像分布範囲」とは、図７（ｂ）または図８（ｂ）に示すように点像分布関数Ｆ（ｘ）が最初に０となるまでの円形状の中央領域、即ちエアリーディスク内側を意味する。
【００４９】
図７（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、結像装置３の点像分布範囲に光学的に対応する円の中に複数の複素振幅変調領域が含まれていると、複数のベクトル３ｈの和により光の振幅を、すなわち光の強度を解析的にかつ簡単な計算に従って制御することが可能である。その結果、比較的複雑な光強度分布を比較的容易に得ることができる。実際の図７（Ｃ）では、点像分布範囲の周辺境界に位置する複素振幅変調領域は一部しか点像分布範囲含まれないが、そのような複素振幅変調領域は光の振幅に与える影響が小さいので無視すればよい。
【００５０】
したがって、光強度を自由に制御するために、光変調素子１の単位領域は、結像装置３の点像分布範囲（図７（ｂ）参照）の半径Ｒよりも光学的に小さいことが好ましい。換言すれば、結像装置３の像側における結像光学系の結像面（所定面）に換算して光変調素子１の単位領域の大きさは、結像装置３の点像分布範囲の半径Ｒよりも小さいことが好ましい。
【００５１】
点像分布関数をエアリーディスク内側で定数値１、その外側で０となる関数で近似すると、式（２）はエアリーディスク内側での積分に近似される。
【００５２】
Ｕ（ｘ，ｙ）＝Ｃ∫Ｔ（ｘ’,ｙ’)ｄｘ’ｄｙ’                …（５）
式（５）中、Ｃは定数、積分は点（ｘ,ｙ）を中心とする半径Ｒの内側の積分を示す。
【００５３】
ここで、単位領域の作用を再度考える。この単位領域は、おなじ形状・大きさの領域が敷き詰められていてもよいし、また場所毎に変化してもよい。ここで、エアリーディスクの直径程度の範囲内で隣接する単位領域内でのＴ（ｘ，ｙ）の分布が大きく変化しない場合、式（５）の積分範囲はエアリーディスク内側から、（ｘ，ｙ）を含む単位領域の内側に置き換えることができる。これを式（５−１）とする。
【００５４】
次に、図７、図８を参照しながら光変調素子１として振幅変調型光変調素子１１Ｆを用いる場合について説明する。振幅変調型光変調素子１１Ｆは金属膜等の遮光材料がパターニングされた構造を持つ、透過率１の透過領域と透過率０の遮蔽領域からなる。その複素振幅透過率分布Ｔ（ｘ，ｙ）は、下式で表される。
【００５５】
透過領域内の場合、Ｔ（ｘ,ｙ）=１                        …（６−１）
遮蔽領域内の場合、Ｔ（ｘ,ｙ）=０                        …（６−２）
この式を式（５−１）に代入することにより、以下の式が導かれる。
【００５６】
Ｕｉ=Ｄｉ                                                …（７）
ただし、Ｄｉは第ｉ番目の単位領域での開口率（単位領域に対する透過領域の面積比）、Ｕｉは像面でのこの単位領域に対応する位置での複素振幅である。強度Ｉは複素振幅Ｕの絶対値の二乗で与えられることから、ｉを省略して、
Ｉ=|Ｕ|２=Ｄ２                                            …（８）
Ｄ=Ｉ１／２                                                …（９）
式（１）と式（９）により、加工したい三次元形状から光強度分布、さらに開口率分布を求めることができる。そして所望の開口率分布を有する振幅変調型光変調素子１１Ｆを用いることで所望の三次元形状を備える構造物を作製することができる。
【００５７】
次に、図５、図６を参照しながら光変調素子１として位相変調型光変調素子１１Ｇの場合について述べる。一つの実施形態として、光透過性材料の主表面に凹部（凸部）が加工されたものを考える。光がこの凹部（凸部）を透過するとき、光透過性基板の屈折率ｎと空気の屈折率１の差だけ波面にずれが生じて位相変調となる。このときの位相変調量θは、
θ=２πｄ（ｎ―１）／λ                                    …（１０）
以下、凹部の深さ（凸部の高さ）ｄは離散的である、すなわち多段加工されているものとし、ある単位領域内でのｋ番目の位相変調領域の面積比と位相変調量をそれぞれＤｋ、θｋとする。
【００５８】
振幅変調型光変調素子１１Ｆと同様に、式（５−１）から各単位領域において以下の関係が成り立つことが分かる。
【００５９】
Ｕ=ΣＤｋexp（ｊθk）
Ｉ=|Ｕ|2                                                  …（１１）
ただし総和Σは単位領域内におけるすべての位相変調領域に関する和である。
【００６０】
特に、各単位領域内に位相変調領域が二つしかない場合、θ1=０、θ2=θとすると、
Ｉ＝（２−２cosθ）Ｄ２−（２−２cosθ）Ｄ＋１        …（１２）
また、この式をＤに関して解くと、
Ｄ＝〔（１−cosθ）−[（１−cosθ）２−２（１−Ｉ）（１−cosθ）]１/２〕／２（１−cosθ）
…（１３）
式（１）と式（１３）により、加工したい三次元形状から光強度分布、さらに位相変調分布を求めることができる。そのような位相変調型光変調素子１１Ｇを用いることにより目標の三次元形状を作製することができる。
【００６１】
[光変調素子の設計手順]
図９に示す、ピッチ１０μｍ、最大深さ３μｍのレンチキュラーレンズ４５を作製する場合を例に挙げて、光変調素子１の設計手順を説明する。図１０はフローチャートを示し、図１１はステップＳ１０１〜ステップＳ１１１の計算過程を示し、図１２（ａ）〜（ｅ）は振幅変調型光変調素子１１Ａの概略図を示す。
【００６２】
（イ）ステップＳ１０１において被加工物４の目標形状からＸ座標に対する目標深さＹを決定し三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）を求める。Ｘ座標と目標深さＹを関連付けて記憶装置に入力する。その際、単位領域の大きさが結像装置３の点像分布範囲の半径よりも小さくなるようにする。ここでは、被加工物４の目標形状を図１２（ａ）に示すレンチキュラーレンズ４５とし、図９のレンチキュラーレンズ４５の左端をＸ座標の原点、左端上端を原点として、Ｘ座標に対するＹ座標の値を図１１のように関連付けた。
【００６３】
（ロ））ステップＳ１０２において照射回数ｍを決定する。照射回数ｍと三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）を関連付けて記憶装置に入力する。ここでは照射回数ｍを６回とした。
【００６４】
（ハ）ステップＳ１０３において記憶装置から照射回数ｍと目標深さＹを呼び出し、演算手段を用いて照射回数ｍと目標深さＹをｄ＝Ｙ×１／ｍに入力し１パルス当たりのアブレーション深さｄを求める。得られたアブレーション深さｄと三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）とを関連付けて記憶装置に入力する。
【００６５】
（ニ）ステップＳ１０５において記憶装置からアブレーション深さｄを呼び出し、式（１）にアブレーション深さｄを入力し、演算手段により照射強度Ｉを求める。得られた照射強度Ｉと、三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）およびアブレーション深さｄとを関連付けて記憶装置に入力する。
【００６６】
（ホ））ステップＳ１０７において光変調素子１が振幅変調型であるか位相変調型であるかを確認する。
【００６７】
（ヘ））ステップＳ１０９において光変調素子１が振幅変調型である場合は、記憶装置から照射強度Ｉを呼び出し、式（９）に照射強度Ｉを入力し演算手段を用いて開口率Ｄ１（面積比）を求める。得られた開口率Ｄ１と、三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）、１パルス当たりのアブレーション深さｄおよびアブレーション深さｄを関連付けて記憶装置に入力する。
【００６８】
（ト）ステップＳ１１１において光変調素子１が位相変調型である場合は、記憶装置から照射強度Ｉを呼び出し、式（１２）に照射強度Ｉを入力し演算手段を用いて開口率Ｄ２（面積比）を求める。得られた開口率Ｄ２と、三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）、１パルス当たりのアブレーション深さｄおよびアブレーション深さｄを関連付けて記憶装置に入力する。
【００６９】
（チ）以上の工程を座標番号ｘを変えながら繰り返す。ステップＳ１０１〜ステップＳ１１１の計算過程を図１１に示す。なお、ステップＳ１０９、ステップＳ１１１の操作は各単位領域毎にその代表点に対して行い、照射強度Ｉの値は光変調素子１のない場合の最大光強度Ｉ0で規格化する。ここでは、最大光強度を光変調素子がない場合の光強度１２００ｍＪ/ｃｍ2とした。
【００７０】
（リ）記憶装置から、図１１に示す開口率Ｄ１、Ｄ２が記載されたデータを出力し、かかるデータに基づき光変調素子のパターンを決定する。その後、光変調素子１が振幅変調型である場合は、図１２（ｂ）（ｃ）に示すように、振幅変調型光変調素子本体１１Ａｂの主表面上に光遮蔽膜を成膜し遮蔽領域１１Ａ６０ｓ、１１Ａ６１ｓ、…１１Ａ６８ｓ、１１Ａ６９ｓをパターニングすることで、図１２（ｄ）に示すような像面光強度分布を形成可能な振幅変調型光変調素子１１Ａが作製される。
【００７１】
上記工程に加えて、境界点およびそれより非照射領域側の遮蔽領域を調整することが好ましい。すなわち、像面光強度曲線が、境界点Ｐ１１Ａの両側近傍において直線状となるように、遮蔽領域を制御することが好ましい。具体的には境界点の近傍で遮光率が連続的に変化するように、非照射領域での遮蔽率を設定することが挙げられる。断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体がより得られやすくなるからである。例えば１１Ａ４〜１１A１、および１１Ａ１２〜１１Ａ１５の間で遮蔽率は連続的に変化していることが分かる。
【００７２】
この結果、図１２（ｄ）の円で囲われた像面光強度曲線の部分拡大図として図１２（ｅ）に示すように、像面光強度曲線は、像面光強度の閾値である像面光強度＝２００ｍＪ／ｃｍ２と像面光強度曲線の交点Ｐ１１Ａ周辺において直線状となる。図１２（ｅ）に示す像面光強度曲線を有することより、境界点、即ち像面光強度の閾値に対応する被加工物４５の断面形状がシャープな形状となる。なお、光変調素子１が位相変調型である場合については図示を省略するが、光変調素子１の主表面上に凹部を設けて第１位相変調領域を設けることで、図１２（ｄ）と同様の像面光強度分布を形成可能な位相変調型光変調素子が作製される。
【００７３】
上述の工程（イ）〜（ト）で用いられる入力装置としては、例えばキーボード、マウス等のポインティングデバイスが挙げられる。出力装置としては、例えば液晶ディスプレイ、モニタ等の画像表示装置等が挙げられる。演算手段としては、ＣＰＵ等の通常のコンピュータシステムで用いられる演算装置等で構成すればよい。記憶装置としてはＲＯＭ、ＲＡＭ、磁気ディスクなどの記憶装置が使用可能で、光変調素子に関する種々の情報が記憶されている。入力装置、出力装置、記憶装置は演算手段に接続されている。
【００７４】
従来は三次元加工を行うために異なる複数のパターンを作製し、パターンを交換しながら照射する必要があったが、上述の光変調素子の設計手順に従い、１つの光変調素子を作製するだけで三次元加工が可能となる。そのため、光変調素子の作製に必要な頻雑なデータ処理と複雑な装置が不要となる。
【００７５】
[第１の実施形態]
図１の立体加工装置３０、図１３（ａ）の振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１を用いる実施形態にかかる立体加工方法について、図１４〜図１８を参照しつつ説明する。
【００７６】
[光変調素子]
図１３（ａ）は、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように、離間して配置された２つの振幅変調型光変調領域１１Ｂ１、１１Ｂ２を備える振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１を示す。図示を省略するが振幅変調型光変調領域１１Ｂ１、１１Ｂ２は、それぞれ複数の単位領域を備え、各単位領域に遮蔽領域１１Ｂ１ｓ、１１Ｂ２ｓが上述の光変調素子の設計手順のステップＳ１０１〜Ｓ１０９に準じて形成されている。また図示を一部省略しているが、２つの振幅変調型光変調領域１１Ｂ１、１１Ｂ２は長方形状をしている。
【００７７】
図１３（ｂ）は、振幅変調型光変調領域１１Ｂ１、１１Ｂ２のそれぞれの位置座標に対する像面光強度分布を示す。振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１に光束を透過して光束を光変調し、光変調された光束を単位領域のそれぞれよりも大きな点像分布範囲を有する図１の結像装置３により結像することで、振幅変調型光変調領域１１Ｂ１、１１Ｂ２に対応してそれぞれ、図１３（ｂ）に示すような階調を持つ像面光強度分布ＣＢ１、ＣＢ２の光束が得られる。図１３（ｂ）に示すように像面光強度分布ＣＢ１、ＣＢ２は同一形状の像面光強度分布を有し、像面光強度分布ＣＢ１、ＣＢ２の間には、像面光強度分布ＣＢ１、ＣＢ２と同一の像面光強度分布が形成されるだけの距離で非照射領域が形成される。
【００７８】
図１３（ｃ）は、図１３（ｂ）の円で囲われた像面光強度曲線の部分拡大図を示す。図１３（ｃ）に示すように、位置座標に対する光強度を示す像面光強度曲線が破壊除去の閾値強度となる点の近傍において直線状となることが好ましい。境界点ＰＢ１すなわち像面光強度の閾値と像面光強度曲線の交点の周辺において像面光強度曲線が直線状となることが好ましい。図１３（ｂ）の像面光強度分布を有する光束を被加工物４に照射することにより、像面光強度の閾値と凸状の像面光強度曲線で仕切られる領域と同一形状の塊が被加工物の表面からアブレーション加工により破壊除去されるからである。また境界点周辺の被加工物の断面形状が丸みを持たない、理想的な鋭角形状となるからである。
【００７９】
[立体加工方法（レンチキュラーレンズ）]
（イ）まず、図１４（ａ）に示す像面光強度分布Ｃａ１、Ｃｃ1を形成可能な図１３（ａ）の振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１と、図１４（ｂ）の平面図に示すような平板状で、図１４（ｃ）に示すような厚みを有するポリイミド等の高分子樹脂からなる被加工物４７を用意する。図１４（ａ）の像面光強度分布Ｃａ１、Ｃｃ1の光束が図１４（ｂ）の点線で示す離間して設けられた２つの長方形状の照射領域４７ａ１、４７ｃ１に照射されたときに、図１４（ｃ）に仮想線で示す図面の幅方向に細長の断面半楕円状の凹部４７ａ１、４７ｃ１が形成されるように、振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１と被加工物４７を相対的に移動させて位置合わせする。点線で示す２つの長方形状の照射領域４７ａ１、４７ｃ１の間は非照射領域となる。
【００８０】
（ロ）第１光変調工程において、図１３（ａ）に示すそれぞれ複数の単位領域を備える離間して配置された複数の振幅変調型光変調領域１１Ｂ１、１１Ｂ２を備える振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１に光束を透過して光束を光変調する。
【００８１】
（ハ）第１破壊除去工程において、光変調された光束を単位領域のそれぞれよりも大きな点像分布範囲を有する図１の結像装置３により、図１４（ａ）に示すように像面光強度の閾値の周辺、即ち境界点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４において位置座標に対する光強度を示す像面光強度曲線Ｃａ１，Ｃｃ１のそれぞれが直線状となり、図１４（ｂ）に示すように被加工物４７に点線で示す長方形状の照射領域４７ａ１、４７ｃ１と非照射領域が交互に周期的に形成されるように、図１４（ａ）の像面光強度分布Ｃａ１、Ｃｃ１で光束を結像して被加工物４７の表面層を選択的に破壊除去する。そして図１４（ｂ）の点線で示す照射領域４７ａ１、４７ｃ１から、図１４（ｃ）の仮想線で示される断面半楕円状の領域４７ａ１、４７ｃ１の塊を表面層から破壊除去する。図１５（ａ）に示す像面光強度分布Ｃａ１、Ｃｃ１を有する高いエネルギーのパルス状のレーザ照射による非熱処理により、図１５（ｂ）の長方形状の実線で示す照射領域４７ａ１、４７ｃ１は、瞬間的に分解され、爆発的に飛散・除去されて図１５（ｃ）に示すような断面半楕円状の凹部４７ａ１、４７ｃ１となる。なお、照射部表面層の全てが、レーザーアブレーション現象により非加熱で破壊除去されることが好ましいが、照射部表面層の一部であればレーザ照射により生じた熱により破壊除去されても構わない。なお、発明の理解を容易にする目的で、第１光変調工程と第１破壊除去工程を２つに分けて記載したが、第１光変調工程と第１破壊除去工程はほぼ同時に行われるものである。後に説明する第２光変調工程と第２破壊除去工程についても同様である。
【００８２】
（ニ）移動工程において、照射領域４７ａ１、４７ｃ１が非照射領域になるように、振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１と被加工物４７を相対的に移動させる。具体的には、立体加工装置３０のステージ５を稼動させることにより、図１６（ａ）に示すように像面光強度曲線Ｃｂ１と像面光強度曲線Ｃａ１が境界点Ｐ２で一致し、像面光強度曲線Ｃｄ１と像面光強度曲線Ｃｃ１が境界点Ｐ４で一致するように位置合わせを行う。そして図１６（ｂ）に示すように、凹部４７ｂ１、４７ｄ１となる点線で示す２つの長方形の領域を照射領域４７ｂ１、４７ｄ１とし、実線で示す凹部４７ａ１、４７ｃ１を非照射領域４７ａ１、４７ｃ１とし、図１６（ｃ）に示す断面半楕円状の凹部４７ｂ１、４７ｄ１が形成されるようにする。
【００８３】
（ホ）第２光変調工程において、図１３（ａ）の振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１の複数の振幅変調型光変調領域１１Ｂ１、１１Ｂ２にそれぞれ光束を透過して光束を光変調する。
【００８４】
（ヘ）第２破壊除去工程において、光変調された光束を結像装置３により図１７（ａ）に示すように閾値の周辺、即ち境界点Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５において像面光強度曲線Ｃｂ１、Ｃｄ１のそれぞれが直線状となり、図１７（ｂ）に示すように被加工物４７に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように、光束を結像して被加工物４７の表面層を選択的に破壊除去する。そして図１７（ｂ）の長方形状の照射領域４７ｂ１、４７ｄ１に、図１７（ｃ）の断面半楕円状の凹部４７ｂ１、４７ｄ１を形成する。
【００８５】
（ト）以上により、図１８に示されるような凹部４７ａ１、４７ｂ１、４７ｃ１、４７ｄ１を備え、断面鋭角状の繰返部４７ｘ１、４７ｘ２、４７ｘ３を主表面に複数備えるレンチキュラーレンズ４７Ｌ１が形成される。
【００８６】
図１４〜図１７に示すように、一回の照射で全部の要素レンズを作製するのではなく、一つおきの要素レンズのみをアブレーション加工することにより、理想的な光強度分布が形成される。図１８に示すように、周辺部のつなぎ目部分に断面鋭角状の繰返部４７ｘ１、４７ｘ２、４７ｘ３を備えるレンチキュラーレンズ４７Ｌ１が形成される。一回の照射のみでは、図１５（ｂ）（ｃ）に示すように離散的にしか凹部４７ａ１、４７ｃ１が形成されないが、図１４〜図１７に示すように、振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１と被加工物４７を相対的に移動しながら照射を繰り返すことにより、レンズ要素となる凹部４７ａ１、４７ｂ１、４７ｃ１、４７ｄ１を密集させることができる。このとき、すでに加工された領域の光強度は境界点、即ち、アブレーションが可能である像面光強度の閾値以下となるのでその形状は維持される。
【００８７】
[第１の実施形態の変形例]
第１の実施形態においては、図１３の２つの振幅変調型光変調領域１１Ｂ１、１１Ｂ２を備える振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１を用いたが、振幅変調型光変調領域の数は２つに制限されず、また振幅変調型光変調素子のレイアウトも制限されない。例えば図１９（ａ）に示すように、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように、縦横等間隔に離間して配置された４つの振幅変調型光変調領域を設けても良い。また第１の実施形態の（ニ）工程においては、立体加工装置３０のステージ５を稼動させることにより振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１と被加工物４７を相対的に移動させたが、第１破壊除去工程における非照射領域及び照射領域が、それぞれ第２破壊除去工程において照射領域及び非照射領域となるのであれば相対的移動に限定されることはない。例えば、複数の異なるパターンの光変調素子を交換しても良いし、もしくは結像装置中に結像位置を変化できる手段を設けこれにより実現してもよい。しかし、設備の入手容易性を考慮すると、立体加工装置３０のステージ５を稼動させることにより振幅変調型光変調素子１１ＢＬ１と被加工物４７を相対的に移動させることが好ましい。
【００８８】
[第２の実施形態]
図１の立体加工装置３０、図１９（ａ）の振幅変調型光変調素子１１ＥＬ１を用いる実施形態にかかる立体加工方法について説明する。
【００８９】
第１の実施形態においては、レンチキュラーレンズ４７Ｌ１の製造方法について説明したが、レンチキュラーレンズ４７Ｌ１に制限されることなく、種々の用途、例えば図２５に示すような半球状の凹部４８ａ１〜ａ４、４８ｂ１〜ｂ４、４８ｃ１〜ｃ４、４８ｄ１〜ｄ４を複数備えるマイクロレンズアレー４８Ｌ２の製造方法が提供される。第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００９０】
[光変調素子]
図１９（ａ）は、被加工物に照射領域と非照射領域が交互に連続して形成されるように、縦横等間隔に配置された４つの振幅変調型光変調領域１１Ｅ１、１１Ｅ２、１１Ｅ３、１１Ｅ４を備える振幅変調型光変調素子１１ＥＬ２を示す。図示を省略するが４つの振幅変調型光変調領域１１Ｅ１、１１Ｅ２、１１Ｅ３、１１Ｅ４は、それぞれ複数の単位領域を備え、各単位領域に遮蔽領域１１Ｅ１ｓ、１１Ｅ２ｓ、１１Ｅ３ｓ、１１Ｅ４ｓが上述の光変調素子の設計手順のステップＳ１０１〜Ｓ１０９に準じて形成されている。
【００９１】
図１９（ｂ）は、振幅変調型光変調領域１１Ｅ１、１１Ｅ２のそれぞれの像面光強度分布を示す。振幅変調型光変調素子１１ＥＬ１に光束を透過して光束を光変調し、光変調された光束を単位領域のそれぞれよりも大きな点像分布範囲を有する図１の結像装置３により結像することで、振幅変調型光変調領域１１Ｅ３、１１Ｅ４に対応してそれぞれ、図１９（ｂ）に示すような階調を持つ像面光強度分布ＣＥ３、ＣＥ４の幅方向の中心線を軸に３６０℃回転させて得られる半球状の光束が得られる。図示を省略するが振幅変調型光変調領域１１Ｅ１、１１Ｅ２についても、図１９（ｂ）に示す像面光強度分布ＣＥ１、ＣＥ２の光束と同様に、像面光強度分布ＣＥ３、ＣＥ４の光束が得られる。図１９（ｂ）に示すように像面光強度分布ＣＥ１、ＣＥ２は同一形状の像面光強度分布を有し、像面光強度分布ＣＥ１、ＣＥ２の間には、像面光強度分布ＣＥ１、ＣＥ２の像面光強度の閾値幅と同一の像面光強度分布が形成されるだけの距離で非照射領域が形成される。像面光強度分布ＣＥ３、ＣＥ４の光束についても同様である。また、像面光強度分布ＣＥ１、ＣＥ２の間には、像面光強度分布ＣＥ１、ＣＥ３の像面光強度の閾値幅と同一の像面光強度分布が形成されるだけの距離で非照射領域が形成される。像面光強度分布ＣＥ２、ＣＥ４の間についても同様である。
【００９２】
なお、図１９（ａ）において４つの振幅変調型光変調領域１１Ｅ１、１１Ｅ２、１１Ｅ３、１１Ｅ４は正方形状をしている。しかし、図２５に示されるような凹部４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄを備え，断面鋭角状の繰返部４８ｘ１、４８ｘ２、４８ｘ３を主表面に複数備えるマイクロレンズアレー４８Ｌ２が形成されるようなパターンが形成されるのであれば、振幅変調型光変調領域１１Ｅ１、１１Ｅ２、１１Ｅ３、１１Ｅ４は正方形状に制限されることなく丸状であっても、正六角形状であっても構わない。
【００９３】
[立体加工方法（マイクロレンズアレー）]
（イ）まず、図１９（ａ）に示す振幅変調型光変調素子１１ＥＬ２と、図２０（ａ）の平面図に示すような平板状で、図２０（ｂ）に示すような厚みを有するポリイミド等の高分子樹脂からなる被加工物４８を用意する。図１９（ｂ）の像面光強度分布の光束が図２０（ａ）の仮想線で示す縦横に離間して設けられた４つの円形の照射領域４８ａ１、４８ｃ１、４８ａ３、４８ｃ３に照射されたときに、凹部４８ａ１、４８ｃ１、４８ａ３、４８ｃ３が形成されるように、振幅変調型光変調素子１１ＥＬ２と被加工物４８を相対的に移動させて位置合わせする。図２０（ｂ）に仮想線で示すような断面半円状の凹部４８ａ１、４８ｃ１が形成され、凹部４８ａ１、４８ｃ１と同様に断面半円状の凹部４８ａ３、４８ｃ３が形成されるようにする。凹部４８ａ１、４８ｃ１、４８ａ３、４８ｃ３には図２５に示すような半球状の凹部が形成される。
【００９４】
（ロ）第１光変調工程において、図１９（ａ）に示すそれぞれ複数の単位領域を備える離間して配置された複数の振幅変調型光変調領域１１Ｅ１〜１１Ｅ４備える振幅変調型光変調素子１１ＥＬ２に光束を透過して光束を光変調する。
【００９５】
（ハ）第１破壊除去工程において、第１の実施形態の（ハ）工程と同様にして、被加工物４８に点線で示す４つの円形の照射領域４８ａ１、４８ｃ１、４８ａ３、４８ｃ３と非照射領域が交互に周期的に形成されるように光束を結像する。結像された光束を図２０（ａ）に点線で示す４つの円形の照射領域４８ａ１、４８ｃ１、４８ａ３、４８ｃ３に照射して、図２０（ｂ）の仮想線で示される断面半円状の領域４８ａ１、４８ｃ１、の塊を、瞬間的に分解し、爆発的に飛散・除去して、凹部４８ａ１、４８ｃ１を形成し、また凹部４８ａ１、４８ｃ１と同様に断面半円状の凹部４８ａ３、４８ｃ３を形成する
（ニ）移動工程において、第１の実施形態の（ニ）工程と同様にして、照射領域４８ａ１、４８ｃ１、４８ａ３、４８ｃ３が非照射領域になるように、振幅変調型光変調素子１１ＥＬ２と被加工物４８を相対的に移動させる。具体的には、図２１（ａ）に示す点線で示す４つの円形の領域が照射領域４８ｂ１、４８ｄ１、４８ｂ３、４８ｄ３となり、実線で示す凹部４８ａ１、４８ｃ１、４８ａ３、４８ｃ３が非照射領域となるように、図２１（ａ）の矢印で示すように横方向に振幅変調型光変調素子１１ＥＬ２と被加工物４８を相対的に移動させる。
【００９６】
（ホ）第２光変調工程において、第１光変調工程と同様にして、図１９（ａ）の振幅変調型光変調素子１１ＥＬ２に光束を透過して光束を光変調する。
【００９７】
（ヘ）第２破壊除去工程において、第１破壊除去工程と同様にして、結像された光束を、図２２（ａ）の円形の照射領域４８ｂ１、４８ｄ１、４８ｂ３、４８ｄ３に照射して、図２２（ｂ）の断面半円状の凹部４８ｂ１、４８ｄ１を形成する。また凹部４８ｂ１、４８ｄ１と同様に断面半円状の凹部４８ｂ３、４８ｄ３を形成する。
【００９８】
（ト）以下（ニ）（ロ）（ハ）の順で（ニ）（ロ）（ハ）と同様の工程を繰り返して、結像された光束を、図２３（ａ）の円形の照射領域４８ｂ２、４８ｄ２、４８ｂ４、４８ｄ４に照射して、図２３（ｂ）の断面半円状の凹部４８ｂ２、４８ｄ２を形成する。また凹部４８ｂ２、４８ｄ２と同様に断面半円状の凹部４８ｂ４、４８ｄ４を形成する。また結像された光束を、図２４（ａ）の円形の照射領域４８ａ２、４８ｃ２、４８ａ４、４８ｃ４に照射して、図２４（ｂ）の断面半円状の凹部４８ａ２、４８ｃ２を形成する。また凹部４８ａ２、４８ｃ２と同様に断面半円状の凹部４８ａ４、４８ｃ４を形成する。
【００９９】
（チ）以上により、図２５に示されるような凹部４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄを備え，断面鋭角状の繰返部４８ｘ１、４８ｘ２、４８ｘ３を主表面に複数備えるマイクロレンズアレー４８Ｌ２が形成される。
【０１００】
非照射領域を設けた４つの振幅変調型光変調領域１１Ｅ１、１１Ｅ２、１１Ｅ３、１１Ｅ４を備える振幅変調型光変調素子１１ＥＬ２を用いることで、非照射領域のない光変調素子では実現が困難であった境界での鋭角な断面が実現できる。
【０１０１】
[第２の実施形態の変形例]
図１の立体加工装置３０、図２６の振幅変調型光変調素子１１Ｅ１を用いる実施形態にかかる立体加工方法について説明する。第２の実施形態においては、複数の振幅変調型光変調領域を備える振幅変調型光変調素子１１ＥＬ１、１１ＥＬ２、１１ＥＬ３、１１ＥＬ４を用いた。この場合、像面光強度の閾値と像面光強度曲線の交点で定義される境界点の周辺において像面光強度曲線が直線状となり、照射領域と非照射領域が交互に周期的に形成されるように光束を結像し、表面層を破壊除去して、断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体を形成するのであれば、１つの振幅変調型光変調素子１１ＥＬ１を用いて立体加工方法を行っても構わない。図２５のマイクロレンズアレー４８Ｌ２の凹部４８ａ１、４８ｂ１、凹部４８ａ２、凹部４８ｂ２を形成する工程について、第２の実施形態との相違点を中心に説明する。なお、光変調素子の作製の容易さの観点からは第２の実施形態の変形例のほうが都合がよいが、歩留まりや加工時間の観点からは、第２の実施形態のほうが都合がよい。
【０１０２】
[光変調素子]
図２６は、振幅変調型光変調素子１１Ｅ１が備える複数の単位領域の概念図を示す。各単位領域には遮蔽領域が上述の光変調素子の設計手順Ｓ１０１〜Ｓ１０９に準じて形成されている。振幅変調型光変調素子１１Ｅ１に光束を透過して光束を光変調し、光変調された光束を単位領域のそれぞれよりも大きな点像分布範囲を有する図１の結像装置３により結像することで、図１９（ｂ）に示す像面光強度分布の幅方向の中心点を軸に３６０℃回転させて得られる光束と同様に光束が得られる。振幅変調型光変調素子１１Ｅ１を用いて立体加工を行う場合は、以下の工程に従う。
【０１０３】
[立体加工方法（マイクロレンズアレー）]
（ア）まず、まず図２６に示すに振幅変調型光変調素子１１ＥＬ１と、図２０（ａ）の平面図に示すような平板状で、図２０（ｂ）に示すような厚みを有するポリイミド等の高分子樹脂からなる被加工物４８を用意する。図２６（ｂ）の像面光強度分布と同様の光束が図２６の仮想線で示す４８ａ１の照射領域に照射されたときに、凹部４８ａ１が形成されるように、振幅変調型光変調素子１１Ｅ１と被加工物４８を相対的に移動させて位置合わせする。図２０（ｂ）に仮想線で示すような断面半円状の凹部４８ａ１が形成されるようにする。
【０１０４】
（イ）次に、複数の単位領域を備える光変調素子１１Ｅ１に光束を透過して光束を光変調し、光変調された光束を単位領域のそれぞれよりも大きな点像分布範囲を有する図１の結像装置３により、像面光強度の閾値と像面光強度曲線の交点で定義される境界点の周辺において像面光強度曲線が直線状となるように光束を結像する。そして、結像された光束を被加工物４８の凹部４８ａ１が形成される仮想線で示される照射領域に照射して被加工物４８の表面層を破壊除去し、凹部４８ａ１を形成する。
【０１０５】
（ウ）被加工物４８に照射領域と非照射領域が連続して形成されるように、振幅変調型光変調素子１１Ｅ１と被加工物４８を相対的に移動する。ここでは仮想線で示される円形の４８ｂ１の領域が照射領域となり、仮想線で示される円形の４８ａ１の領域が非照射領域となるようにする。
【０１０６】
（エ）（ア）工程の光束を光変調する工程と同様の操作を行なった後、光変調された光束を単位領域のそれぞれよりも大きな点像分布範囲を有する図１の結像装置３により、像面光強度の閾値と像面光強度曲線の交点で定義される境界点の周辺において像面光強度曲線が直線状となり、照射領域と非照射領域の境界点が一致するように光束を結像した後、表面層を破壊除去して凹部４８ｂ１を形成する。照射領域と非照射領域の境界点が一致することが好ましいが、図２６に示すように幅ｄを設けても構わない。
【０１０７】
（オ）（ウ）工程と、（エ）工程と同様の工程により４８ｂ２の領域に凹部４８ｂ２を形成する。その後（ウ）工程と、（エ）工程と同様の工程により４８ａ２の領域に凹部４８ａ２を形成する。以上により、断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体が形成される。
【０１０８】
[被加工物・用途]
被加工物としては、高分子材料、例えばポリイミドやアクリル、ポリカーボネート等が挙げられる。被加工物が高分子材料の場合は光変調素子のパターンに忠実に形成することができるからである。目標とする立体形状としては、例えば断面形状が山切形状等が挙げられ、特に、断面鋭角状の繰返部を主表面に複数備える三次元構造体が好ましい。本実施形態の用途としてはレンチキュラーレンズ、マイクロレンズアレイ、フレネルレンズ、プリズムシート、拡散板等が挙げられる。
【０１０９】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。例えば、第１、第２の実施形態においては、光変調素子として振幅変調型光変調素子を用いたが、振幅変調型光変調素子に換えて位相変調型光変調素子を用いても構わない。また、光変調素子１の設計手順の欄で説明した工程を備える光変調素子１の設計方法もしくは光変調素子１の設計プログラムが提供される。また光変調素子１の設計プログラムが格納された情報伝達媒体およびかかる情報伝達媒体を備える光変調素子の製造装置が提供される。
【０１１０】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【実施例】
【０１１１】
[製造例：レンチキュラーレンズの作製]
以下の条件で図９のレンチキュラーレンズ４５を作製した。
【０１１２】
（１）振幅変調型光変調素子１１Ａの作製
第１の実施形態に基づき、図１２（ｂ）、（ｃ）に示す振幅変調型光変調素子１１Ａを作製した。被加工物４として１００μｍ厚のポリイミドのフィルムを用いた。この材料の吸収係数αは１．４３μｍ−１、アブレーション閾値Ｉｔｈは２００ｍＪ/ｃｍ2であった。照射回数ｍを６回、最大光強度を１２００ｍＪ/ｃｍ2（光変調素子がない場合の光強度）とした。また図１１の開口率Ｄ１に基づき、光遮蔽膜として厚み１０００Åのクロム膜を振幅変調型光変調素子１１Ａの本体に、図１２（ｂ）（ｃ）に示すようにパターニングした。その際、例えば開口率０．４３の単位領域には、一辺０．７５μｍ(=（１−０．４３）１/２×１．０μｍ)の正方形の遮光領域を配置した。
【０１１３】
（２）アブレーション加工
図１２（ｂ）（ｃ）のパターンを有する振幅変調型光変調素子１１Ａ、図１、図２の装置を用いて計６回のアブレーション加工を行い、被加工物４の主表面上を加工した。その際の光学系の条件は以下の通りとした。
【０１１４】
光源：ＸｅＣｌエキシマレーザ、波長３０８ｎｍ、発振時間３０ｎｓ
結像レンズ：倍率１／５（縮小）、像側開口数０．１５
コヒーレントファクタ：０．５
この条件でのエアリーディスクの半径Ｒは
Ｒ=０．６１λ／ＮＡ＝１．２５μｍ
単位領域として、この値より小さい一辺１μｍの正方形を設定した。ただし、この値は像面での値であり、光変調素子面での実際の値はこの５倍となる。
【０１１５】
（３）結果
図９に示すような滑らかな曲線を有するレンチキュラーレンズ４５が得られた。
【０１１６】
以上の結果、従来のように光変調素子の機械的変形や被加工物との相対的移動を伴わずに簡易に三次元加工できることが製造例により示された。
【０１１７】
[実施例１：レンチキュラーレンズの作製]
製造例と同様の条件で、第１の実施形態と同様にして、図１４〜図１７の工程を行うことにより、図１８に示す断面鋭角状の繰返部４７ｘ１、４７ｘ２、４７ｘ３を備えるレンチキュラーレンズ４７Ｌ１が形成された。
【０１１８】
[実施例２：マイクロレンズアレイの作製]
以下の条件でマイクロレンズアレイを作製した。
【０１１９】
（１）振幅変調型光変調素子１１ＥＬ１の作製
製造例と第２の実施形態と同様に、図１９に示す振幅変調型光変調素子１１ＥＬ２を作製した。被加工物４８として１００μｍ厚のポリイミドのフィルムを用いた。この材料の吸収係数αは１．４３μｍ−１、アブレーション閾値Ｉｔｈは２００ｍＪ/ｃｍ2であった。照射回数ｍを６回、最大光強度を１２００ｍＪ/ｃｍ2（光変調素子がない場合の光強度）とした。また光遮蔽膜として厚み１０００Åのクロム膜を被加工物４８に、図１２（ｂ）（ｃ）に示すようにパターニングした。その際、例えば開口率０．４３の単位領域には、一辺０．７５μｍ(=（１−０．４３）１/２×１．０μｍ)の正方形の遮光領域を配置した。
【０１２０】
（２）アブレーション加工
図１９のパターンを有する振幅変調型光変調素子１１ＥＬ２、図１、図２の装置を用いて計６回のアブレーション加工を行い、被加工物４８の主表面上を加工し、凹部４８ａ１〜４８ａ４、凹部４８ｂ１〜４８ｂ４、凹部４８ｃ１〜４８ｃ４、凹部４８ｄ１〜４８ｄ４を形成した。その際の光学系の条件は以下の通りとした。
【０１２１】
光源：ＸｅＣｌエキシマレーザ、波長３０８ｎｍ、発振時間３０ｎｓ
結像レンズ：倍率１／５（縮小）、像側開口数０．１５
コヒーレントファクタ：０．５
この条件でのエアリーディスクの半径Ｒは
Ｒ=０．６１λ／ＮＡ＝１．２５μｍ
単位領域として、この値より小さい一辺１μｍの正方形を設定した。ただし、この値は像面での値であり、光変調素子面での実際の値はこの５倍となる。
【０１２２】
（３）結果
実施例２により、図２４（ｂ）に示す断面鋭角状の繰返部４８ｘ１、４８ｘ２、４８ｘ３を主表面に複数備える、図２５のマイクロレンズアレー４８Ｌ２が得られることが示された。
【符号の説明】
【０１２３】
１：光変調素子
１１：振幅変調型光変調素子
１２：位相変調型光変調素子
２：照明装置
３：結像装置
４、４７、４８、：被加工物
３０：立体加工装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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