(57)【要約】  本発明は、１枚の回折光学素子を用いて複数の種類のパターンを生成する光パターン生成装置を実現することを目的とする。  本発明の光パターン生成装置（１００）は、レーザ光を出力するレーザ光源（１）と、前記レーザ光源（１）から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズ（２）と、前記集光用レンズ（２）で屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光を透過するマスク（３）と、前記マスク（３）を透過した透過光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記透過光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する回折光学素子（４ａ）と、を備え、前記集光用レンズ（２）は、前記レーザ光源（１）から前記集光用レンズ（２）の焦点距離（ｆ）離れた第１の位置にあることを特徴とする。
2019130418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、前記集光用レンズから出力された屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光を透過するマスクと、前記マスクを透過した透過光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記透過光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する回折光学素子と、を備え、  前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置にあることを特徴とする光パターン生成装置。
【請求項２】
レーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、前記集光用レンズから出力された屈折した光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記屈折した光の位相を変更し、位相分布をもつ光を出力する回折光学素子と、前記回折光学素子から出力された位相分布をもつ光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記位相分布をもつ光を透過するマスクと、を備え、  前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置にあり、前記マスクを透過した透過光は光パターンを形成することを特徴とする光パターン生成装置。
【請求項３】
レーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、前記集光用レンズから出力された屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、該一部と異なる前記屈折した光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する遮光部付き回折光学素子と、を備え、  前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置にあることを特徴とする光パターン生成装置。
【請求項４】
前記集光用レンズは、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を平行光に変換することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【請求項５】
前記集光用レンズは、前記第１の位置と、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離より長い距離離れた第２の位置、との間を移動することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【請求項６】
前記第２の位置に存在する前記集光用レンズは、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を集光することを特徴とする請求項５に記載の光パターン生成装置。
【請求項７】
前記マスク又は前記遮光部付き回折光学素子は、前記光の一部を吸収又は反射することにより、前記位相分布をもつ光が該位相分布によって形成する光パターンと関連する光パターンを形成することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光パターン生成装置。
【請求項８】
前記レーザ光源はパルスによって駆動された前記レーザ光を出力し、前記集光用レンズは前記パルスのパルスタイミングに合わせて、前記第１の位置と前記第２の位置との間を移動することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【請求項９】
前記回折光学素子又は前記遮光部付き回折光学素子は、入射光の位相分布を変更する凹凸の形状を表面に有し、前記凹凸の形状は特定の一方向に対して周期的な形状を持つことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、回折光学素子を用いた光パターン生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】入射光を所望の光パターンに形成する回折光学素子は、様々な光学装置等に適用されている。代表的なアプリケーションには、材料加工、印刷、光学計測、照明等がある。例えば、レーザ加工機では、回折光学素子は入射ビームを複数のビームに分岐する機能を果たしている。また、分岐光の位置と強度を設計することで、所望の光パターンを生成する照明装置としても適用されている。【０００３】回折格子素子(DOE(Diffractive Optical Elements))は、周期的にスリットや凹凸の形状を基盤上につけた素子であり、そのスリットや凹凸形状の影響で発生する回折光を利用し、入射光を目的の強度分布の光に変換する素子である。特に、位相型の回折光学素子は、入射光の位相分布を像面で所望の光パターンとなるように位相分布を形成するため、振幅型の回折光学素子と比べ、入射光に対する変換後の光のエネルギー効率が非常に高い。そのため、均一な強度分布のような単純な形状だけでなく、複雑な形状の回折パターンを発生する回折光学素子としても適用されている。【０００４】従来の回折光学素子を用いた光パターン生成装置では、特許文献１に示すように、一台の装置に1枚の回折光学素子を設け、1つのパターンを生成するものや、一台の装置に2枚の回折光学素子を設け、2枚の回折光学素子を光源からの光が透過することにより、1枚の回折光学素子よりも広い角度で回折するパターンを生成するものがある。【０００５】また、従来の光パターンを切り替える方法としては、特許文献２に示すように、光源からの光を液晶に入射し、印加電圧によって液晶の位相パターンを変化させることで、液晶を透過する光の位相分布を変化させ、光パターンの切り替えを行うものがある。【０００６】回折光学素子ではなく液晶を利用した照明装置を用いて光パターンの切替えを行う場合、液晶の印加電圧を変化させるための電圧源が必要となるため照明装置のサイズが大きくなる。また、液晶も高価であるため、コストも高くなる。これに対して、回折光学素子を用いた光パターン生成装置では、装置の小型化、低コスト化が行える利点がある。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−２０９２３７号公報
【特許文献２】特開２０１３−５０５４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  従来の回折光学素子を用いた光パターン生成装置では、ある特定の波長で像面に所望のパターンを生成するように回折光学素子の表面凹凸形状を設計する。この際、異なるパターンや、光源の波長ごとに表面の凹凸形状が異なる回折光学素子が必要となるため、１つの光パターンを生成するために１枚の回折光学素子が必要となる。そのため、生成する光パターンの数が増えるほど、回折光学素子の部品点数が多くなるという課題がある。【０００９】  本発明は、この課題を解決するためになされたもので、１枚の回折光学素子を用いて複数の種類のパターンを生成する光パターン生成装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  この発明に係る光パターン生成装置は、レーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、前記集光用レンズから出力された屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光を透過するマスクと、前記マスクを透過した透過光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記透過光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する回折光学素子と、を備え、前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置にあることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】  この発明によれば、１枚の回折光学素子を用いて、複数の種類の光パターンを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る光パターン生成装置１００の一構成例を示す図。
【図２】実施の形態１に係るマスク３の一構造例を示す。
【図３】実施の形態１に係る回折光学素子４ａの表面凹凸形状を示す図。
【図４】実施の形態１に係る断面Ａ−Ａ’と像面 ６での光パターンを示す図。
【図５】実施の形態１に係る回折光学素子４ａを透過した光のＦＦＰ。
【図６】実施の形態１に係る光パターン生成装置１００の異なる構成例を示す図。
【図７】実施の形態１に係る集光用レンズによる集光位置の説明図。
【図８】実施の形態２に係る光パターン生成装置２００の一構成例を示す図。
【図９】実施の形態２に係る回折光学素子４ｂの一構造例を示す図。
【図１０】実施の形態２に係る光パターン生成装置２００の異なる構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】実施の形態１．図１は、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００の一構成例を示す図である。光パターン生成装置１００は、レーザ光源１と、１枚の集光用レンズ２と、１枚のマスク３と、回折光学素子４ａとを備える。
【００１４】  レーザ光源１は、単一波長のレーザ光を出力する光源である。レーザ光源１としては、例えば半導体レーザ、ファイバレーザ又は、固体レーザが用いられる。
【００１５】  集光用レンズ２は、ガラスや樹脂からなる、片面または両面が球面または非球面形状の素子であり、入射された光を屈折させて発散または集光する光学素子である。
【００１６】  マスク３は、入射する光の一部を透過し、一部を吸収または反射させる素子であり、例えば図２のような構成になっている。マスク３の透過部７は、ガラスや樹脂などの入射光を透過する材質であっても、空間であってもよい。マスク３の吸収または反射部８は、入射された光を吸収または反射する材質、または入射された光を吸収または反射するコーティングが施してある光学素子であってもよい。
【００１７】回折光学素子４ａはガラスや樹脂からなる周期的にスリットや凹凸の形状を基盤上につけた素子であり、そのスリットや凹凸形状の影響で発生する回折光を利用し、回折光学素子４ａに入射された光を像面で目的の強度分布の光になるように変換する素子である。回折光学素子４ａにより生成された位相分布のフーリエ変換像が、伝搬後に生成される光パターンとなる。例えば、位相分布が矩形関数である場合、伝搬後の光パターンは、矩形関数のフーリエ変換像であるsinc関数となる。すなわち、回折光学素子４ａは光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する。スリットや凹凸形状の構造により、回折光学素子４ａの出射面での光の位相分布が異なるため、一種の凹凸形状構造の回折光学素子４ａで生成される光パターンは一種類となる。従って、複数の光パターンを生成する場合は、光パターンの種類だけ、回折光学素子４ａが必要となる。
【００１８】また、回折光学素子４ａの表面形状設計方法としては、反復フーリエ変換法がよく用いられる。反復フーリエ変換法は、離散フーリエ変換の周期性を用いた計算アルゴリズムであり、分布の周期性を前提条件として計算されるため、実際の回折光学素子４ａの凹凸形状分布も、反復フーリエ変換法で求めた位相分布を複数並べた周期的な分布となっている。例えば、回折光学素子４ａの表面凹凸形状を示す図３では、反復フーリエ変換法で求めた位相分布を縦に２つ、横に２つ並べた分布となっている。なお、入射光が１つの位相分布を透過する場合、生成される光パターンは、回折光学素子出射面での位相分布と矩形関数との畳込み積分となるため、設計に用いた強度分布よりもぼけた分布となる。そのため、現在使用されている回折光学素子は、位相分布が複数枚並んだものが使用されている。位相分布の繰返し数が多いほど、干渉による強め合い強度が大きくなるため、より明暗が強い光パターンが生成される。繰り返し数は、図３のように２つとは限らず、複数回であればよく、入射光が多くの位相分布を透過するほど、生成される光パターンの精度は向上する。すなわち、回折光学素子４ａが入射光の位相分布を変更する凹凸形状を表面に有し、その凹凸の形状が一方向に対して周期的な形状を持つ構成を用いることによって、生成される光パターンの精度を向上させることができる。
【００１９】光軸５は、レーザ光源１から出力される、光が光学系の中心を通る対称軸である。
【００２０】像面６は光パターンを映し出す面であり、入射された光を反射または散乱し、光パターンを映し出す面である。像面６は光軸５と交点を有する平面であり、回折光学素子４ａから光軸５方向に距離D2/λ(D：回折光学素子４ａのスリットまたはピッチサイズ、λ：入射光の波長)以上離れた領域に位置する。この領域は一般的にフラウンホーファー領域と呼ばれ、前記領域内での回折パターンは、フラウンホーファー回折像または、ファーフィールドパターン(ＦＦＰ：Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ)と呼ばれている。
【００２１】断面Ａ−Ａ’は、光軸５上での断面であり、回折光学素子４ａの出射面近傍に位置する。前記位置での光パターンは、一般的にニアフィールドパターン（ＮＦＰ：Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）と呼ばれている。
【００２２】  次に、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００の動作について説明する。
【００２３】図１において、集光用レンズ２は、光源１と集光用レンズ２との間の距離が集光用レンズ２の焦点距離となる位置に設置される。
【００２４】  レーザ光源１から出力された光は、集光用レンズ２に入射される。集光用レンズ２は、光源１と集光用レンズ２との間の距離が、集光用レンズ２の焦点距離になる位置に設置されているため、集光用レンズ２に入射された光は、集光用レンズ２によって屈折され、コリメートされる。ここで、コリメートとは、光を平行光に変換することを意味する。
【００２５】  集光用レンズ２から出射された光は、マスク３に入射される。マスク３に入射された光のうち、マスク３の透過部７に入射された光は、マスク３を透過し、マスク３より出射される。マスク３の遮光部８に入射された光は、遮光部８により、吸収または反射され、マスク３を透過しない。なお、図１に示す一構成例では、マスク３は、回折光学素子４ａの前面側に設置しているが、上記構成に限らず、回折光学素子４ａの後面側に設置してもよい。また、マスク３の遮蔽部８の形状は、図２に示す形状に限らず、回折光学素子４ａの面積よりも小さい面積であり、マスク３の透過部は、マスク３を透過した光が、回折光学素子４ａの周期的な光パターンのうち複数の光パターンを透過する領域であればよい。  
【００２６】  マスク３から出射された光は回折光学素子４ａに入射される。回折光学素子４ａに入射された光は、回折光学素子４ａによって位相変調される。位相変調された光は、伝搬し、回折光学素子４ａの出射面近傍ではＮＦＰとなり、伝搬距離がフラウンホーファー領域内ではＦＦＰとなる。
【００２７】  マスク３を回折光学素子４ａの後面側に設置した場合、集光用レンズ２から出力した光は、回折光学素子４ａに入射され、回折光学素子４ａにより、位相変換され、回折光学素子４ａから出射される。回折光学素子４ａから出射された光は、マスク３に入射され、入射光のうち遮蔽部８に入射された光は反射または、吸収され、透過部７に入射された光は、マスク３を透過する。マスク３を透過した光は、伝搬し、マスク３の出射面近傍ではＮＦＰとなり、伝搬距離がフラウンホーファー領域ではＦＦＰとなる。
【００２８】  上記構成の場合、断面Ａ−Ａ’での光パターンは、回折光学素子４ａの透過光のＮＦＰとなり、例えば、マスク３の透過部７と遮光部８との形状が、図２に示す形状の場合、断面Ａ−Ａ’での光パターンは、図４の（ａ）に示す光パターンとなる。
【００２９】  上記構成の場合、像面６での光パターンは、回折光学素子４ａの透過光のＦＦＰとなり、例えば、図５に示す強度分布を目標として設計された凹凸形状をもつ回折光学素子４ａを透過した光のＦＦＰは、図４（ｂ）に示す光パターンとなるため、像面６での光パターンは、回折光学素子の回折光による図４（ｂ）の光パターンが生成される。
【００３０】  なお、回折光学素子４ａの凹凸形状は、図３に示すようにある位相分布の光パターンを周期的に繰り返しているため、マスク３によって光の一部が反射または吸収された場合でも、像面６で回折光学素子４ａの回折光による光パターンを生成することができる。
【００３１】  すなわち、上記構成を用いれば、断面Ａ−Ａ’ではＮＦＰの光パターンを得ることができ、像面６では回折光学素子４ａを透過した光のＦＦＰの光パターンを得ることができる。従って、１枚の回折光学素子４ａを用いて、２つの光パターンを生成することができる。この場合、２つの光パターンは異なる２つの面（断面Ａ−Ａ’と像面）に形成される。例えば、断面Ａ−Ａ’に半透膜を設置すれば、２つの光パターンを形成することが可能となる。また、断面Ａ−Ａ’に別の像面を設置する場合と設置しない場合を切り替えると、２つの像面にそれぞれ異なる光パターンを映すことが可能となる。
【００３２】  図１の光パターン生成装置１００では、２つの光パターンは異なる面に生成された。これに対して、以下では、同じ像面に異なる光パターンを切り替えて生成する形態について説明する。
【００３３】  図６は、集光用レンズ２の配置を変更した光パターン生成装置１００を示している。図６では、光源１と集光用レンズ２との距離が、集光用レンズ２の焦点距離となる第１の位置ではなく、集光用レンズ２の焦点距離より長くなる第２の位置に集光用レンズ２が設置される点が図１と異なる。断面Ｂ−Ｂ’は、光軸５上での断面であり、集光用レンズ２の透過光の集光位置に位置する。
【００３４】  光源１から出力された光は、集光用レンズ２に入射される。集光用レンズ２に入射された光は、屈折し、集光用レンズ２から出射される。光源１が集光用レンズ２の焦点位置に設置されている場合は、集光用レンズ２を透過した光は、平行光となるが、光源１と集光用レンズ２との距離が、集光用レンズ２の焦点距離よりも長い場合、集光用レンズ２を透過した光は集光する。
【００３５】  図７を用いて、集光用レンズ２出射後の光の集光位置について説明する。焦点距離をｆ、光源１と集光用レンズ２との間の距離をａ、集光用レンズ２と集光位置との距離をｂとする。レンズの公式より、集光用レンズ２と集光位置との距離はｂ＝ａ／（ａ−ｆ）となる。
【００３６】    図６の状態にある光パターン生成装置１００では、断面Ｂ−Ｂ’での光パターン、つまり、集光用レンズ２によって集光された光の光パターンは、レンズのフーリエ変換効果により、ＦＦＰとなる。よって、断面Ｂ−Ｂ’での光パターンは、回折光学素子４ａの回折による図４の（ｂ）に示す光パターンとなる。
【００３７】  ＦＦＰの遠方解は、ＮＦＰとなるため、断面Ｂ−Ｂ’から伝搬した光は、像面６で、マスクによるＮＦＰである図４（ａ）に示す光パターンとなる。
【００３８】  図１に示す集光用レンズ２の位置での構成の場合、像面６には、回折光学素子４ａのＦＦＰである図４（ａ）が映し出され、図６に示す集光用レンズ２の位置での構成の場合、像面６では、回折光学素子４ａのＮＦＰである図４（ｂ）が映し出される。つまり、集光用レンズ２を光軸５上で移動することにより、像面６に映す光パターンを回折光学素子４ａのＦＦＰとマスク３のＮＦＰとの２つの光パターンを切替えて映し出すことができる。
【００３９】  以上より、１枚の可動する集光用レンズ２と、１枚のマスク３と、１枚の回折光学素子４ａを用いる構成により、同位置にＮＦＰとＦＦＰの２つの光パターンを切替えて映し出すことができるという効果がある。
【００４０】なお、図１では、集光用レンズ２として１枚のレンズの構成について説明したが、レンズ複数枚から構成される光学系であっても、光源から出力する光を平行光とする構成であれば、２つの光パターンを切替えて映し出すことができる。
【００４１】  以上の通り、実施の形態１によれば、光源１と回折光学素子４ａとの間に設置された集光用レンズ２の設置位置を移動させることにより、像面６にマスク３によるＮＦＰと回折光学素子４ａによるＦＦＰの２つの光パターンを切替えて映し出すことができる。したがって、１枚の回折光学素子を使用した光パターン生成装置１００であっても、１枚の移動可能な集光用レンズ２と、マスク３を使用することにより、２つの光パターンを切替えて映し出せるという効果がある。
【００４２】さらに、マスク３によって生成される光パターンと、回折光学素子４ａによって生成される光パターンとを関係性のある光パターンとすることにより、２つの光パターンを切替えて表示させる場合に、光パターンが動いている動画のように映し出すことができる。関係性のある光パターンとは、例えば光パターンの一部のみ異なり、その他の部分が同一である光パターンである。
【００４３】よって、実施の形態１によれば、マスク３によって生成される光パターンと、回折光学素子４ａによって生成される光パターンとを関係性のある光パターンにすることにより、１枚の回折光学素子４ａを用いた光パターン生成装置１００にて、動画を映し出すことができるという効果がある。
【００４４】  さらに、光源１の駆動方法に関しては、連続駆動（ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）駆動）またはパルス駆動のどちらの場合でも同様の効果を成すことが可能であるが、例えば光源１の駆動方法をパルス駆動とし、パルスのタイミングを図１の構成と図６との構成を切替えるタイミングと同期させる、つまり、集光用レンズ２が図１と図６の位置に位置している場合は、光源１をＯＮとし、集光用レンズ２が移動している間はＯＦＦとすることで、ＣＷ駆動時、集光用レンズが移動している間に、像面６に映し出されるマスク３による光パターンや、回折光学素子４ａによる光パターンでもない光パターンを映し出さない。
【００４５】  よって、実施の形態１によれば、光源１の駆動方法を、パルス駆動とし、集光用レンズ２の動きとパルスのＯＮ／ＯＦＦ切替えを、同期させる事により、像面６にマスク３と回折光学素子４ａによる光パターン以外の光パターンが映ることを防ぐ事ができるという効果がある。
【００４６】  このように、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００は、レーザ光を出力するレーザ光源１と、レーザ光源１から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズ２と、集光用レンズ２から出力された屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光を透過するマスク３と、マスク３を透過した透過光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記透過光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する回折光学素子４ａと、を備え、集光用レンズ２は、レーザ光源１から前記集光用レンズ２の焦点距離離れた第１の位置にあることを特徴とする。この構成によって、１枚の回折光学素子４ａで、マスクによるパターンと、回折光学素子の遠方解のパターンの２つのパターンを生成することができる。
【００４７】  また、マスク３と回折光学素子４ａの順序を入れ替えたとしても、マスク３と回折光学素子４ａを透過した後の光に変化はなく、同様の効果を得ることができる。すなわち、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００は、レーザ光を出力するレーザ光源１と、レーザ光源１から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズ２と、集光用レンズ２から出力された屈折した光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記屈折した光の位相を変更し、位相分布をもつ光を出力する回折光学素子と、前記回折光学素子から出力された位相分布をもつ光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記位相分布をもつ光を透過するマスクと、を備え、集光用レンズ２は、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置にあり、前記マスクを透過した透過光は光パターンを形成することを特徴とする。この構成によっても、1枚の回折光学素子で、マスクによるパターンと、回折光学素子の遠方解のパターンの2つのパターンを生成することができる。
【００４８】  また、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００において、集光用レンズ２は、レーザ光源１から出力されたレーザ光を平行光に変換することを特徴とする。この構成によって、マスクによるパターンと、回折光学素子の遠方解のパターンの２つのパターンを精度よく生成することができる。
【００４９】  また、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００において、集光用レンズ２は、レーザ光源１から集光用レンズ２の焦点距離離れた第１の位置と、レーザ光源１から集光用レンズ２の焦点距離より長い距離離れた第２の位置、との間を移動することを特徴とする。この構成によって、１枚のマスク３と、１枚の回折光学素子４ａで、同一の像面に回折光学素子４ａによる光パターンと、マスク３による光パターンの２種類のパターンを切替えて映し出すことが可能となる。すなわち、同一の像面にＮＦＰとＦＦＰを切替えて映し出すことができる。
【００５０】  また、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００において、レーザ光源１から集光用レンズ２の焦点距離より長い距離離れた位置に存在する集光用レンズ２は、レーザ光源１から出力されたレーザ光を集光することを特徴とする。この構成によって、集光位置にＦＦＰを生成し、像面にマスク３の強度分布によるＮＦＰを生成することができる。
【００５１】  また、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００において、マスク３は、光の一部を吸収又は反射することにより、前記位相分布をもつ光が該位相分布によって形成する光パターンと関連する光パターンを形成することを特徴とする。この構成によって、マスクによって生成される光パターンと、回折光学素子によって生成される光パターンとを関係性のある光パターンにすることにより、１枚の回折光学素子を用いた光パターン生成装置１００にて、動画を映し出すことができるという効果を得ることができる。
【００５２】  また、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００において、レーザ光源１はパルスによって駆動されたレーザ光を出力し、集光用レンズ２は前記パルスのパルスタイミングに合わせて、前記第１の位置と前記第２の位置との間を移動することを特徴とする。この構成によって、像面６に映し出されるマスク３による光パターンと、回折光学素子４ａによる光パターンを円滑に切り替えることができる。
【００５３】  また、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００において、回折光学素子４ａは、入射光の位相分布を変更する凹凸の形状を表面に有し、前記凹凸の形状は特定の一方向に対して周期的な形状を持つことを特徴とする。この構成によって、マスク３と組み合わせた際に、光の一部が回折光学素子を透過しなくても、回折像として、像面にＦＦＰを精度よく映し出すことができる。
【００５４】実施の形態２．実施の形態１では、１枚の回折光学素子の前面または、後面に１枚のマスクを設置し、回折光学素子の前面に設置した１枚の集光用レンズの設置位置を変更させることで、像面にマスクによる光パターンと回折光学素子による光パターンの２つの光パターンを切替えて生成する方法について説明したが、実施の形態２では、１つの光源と、１枚の集光用レンズと、一部に遮光部が付与されている１枚の回折光学素子と、を設けた光パターン生成装置２００について説明する。
【００５５】図８は、実施の形態２に係る光パターン生成装置２００の一構成例を示す図である。なお、図８は図１と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。実施の形態１と比べて、図８は、回折光学素子４ｂの前面側または後面側にマスク３がない点と、回折光学素子４ｂの一部に遮光部が付与されているところが異なる。以下、回折光学素子４ｂを遮光部付き回折光学素子と呼ぶ。
【００５６】図９は、実施の形態２に示す遮光部付き回折光学素子４ｂの一構造例を示す図である。遮光部付き回折光学素子４ｂは、表面の一部に入射光を透過しない遮光部８が付与されている。遮光部８は、回折光学素子４ｂの遮光部８に入射された光を反射または吸収する。遮光部８は、回折光学素子４ｂの表面に、吸収体や、反射コーティングを付与することで、製造できる。図９に、一例として矢印形状の遮光部８を設けた遮光部付き回折光学素子４ｂを示す。
【００５７】以下、実施の形態２に係る光パターン生成装置２００の動作について説明する。
【００５８】図８は、図１での構成と、遮光部付き回折光学素子４ｂの前面側または後面側にマスク３がない点が異なる。光源１から出力された光は集光用レンズ２を透過し、遮光部付き回折光学素子４ｂに入射される。遮光部付き回折光学素子４ｂに入射された光のうち、遮光部８に入射された光は、反射または吸収される。遮光部付き回折光学素子４ｂに入射された光のうち、遮光部８以外に入射された光は、遮光部付き回折光学素子４ｂを透過し、位相変調される。遮光部付き回折光学素子４ｂを透過した光は、伝搬し、像面６で回折光学素子４ｂの位相分布による光パターンが生成される。
【００５９】次に、図１０を用いて、像面６に生成される光パターンの切替えを行える実施の形態２の効果について説明する。
【００６０】図１０は、図８の構成と、集光用レンズ２の設置位置が、光源１と集光用レンズとの距離が、集光用レンズ２の焦点距離になる位置ではなく、光源１と集光用レンズ２との距離が、集光用レンズ２の焦点距離よりも長い点が異なる。
【００６１】光源１から出力された光は、集光用レンズ２を透過し、遮光部付き回折光学素子４ｂに入射される。遮光部付き回折光学素子４ｂを透過した光は、断面Ｂ−Ｂ’に集光する。集光した光は、断面Ｂ−Ｂ’にて、遮光部付き回折光学素子４ｂの位相分布によって生成されるＦＦＰとなる。そして、伝搬後、像面６では、遮光部付き回折光学素子４ｂの表面上の遮光部の形状によって生成されるＮＦＰとなる。
【００６２】  以上の通り、実施の形態２によれば、１枚の集光用レンズ２と、表面の一部に遮光部８を備えた１枚の回折光学素子４ｂとを設け、集光用レンズ２の設置位置を移動させることにより、像面６に、遮光部付き回折光学素子４ｂの位相分布による光パターンと、遮光部付き回折光学素子４ｂの遮光部８による２つの光パターンを切り替えて生成することができる。
【００６３】したがって、実施の形態２によれば、表面の一部に遮光部８を備えた１枚の遮光部付き回折光学素子４ｂを設けることにより、マスクを用いず、１つの光源と、１枚の集光用レンズと、１枚の回折光学素子で２つの光パターンを切り替えて映し出すことができるという効果がある。
【００６４】  このように、実施の形態２に係る光パターン生成装置２００は、レーザ光を出力するレーザ光源１と、レーザ光源１から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズ２と、集光用レンズ２から出力された屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、該一部と異なる前記屈折した光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する遮光部付き回折光学素子４ｂと、を備え、集光用レンズ２は、レーザ光源１から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置にあることを特徴とする。この構成によっても、1枚の回折光学素子で、2つの光パターンを生成することができる。
【００６５】  また、その他の部分については、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。例えば、実施の形態２に係る光パターン生成装置２００では、マスク付き回折光学素子４ｂは、入射光の位相分布を変更する凹凸の形状を表面に有し、前記凹凸の形状は特定の一方向に対して周期的な形状を持つことを特徴とする。この構成によって、像面に光パターンを精度よく映し出すことができる。
【符号の説明】
【００６６】１：レーザ光源、２：集光用レンズ、３：マスク、４ａ：回折光学素子、４ｂ：遮光部付き回折光学素子、５：光軸、６：像面、７：透過部、８：遮光部、１００、２００：光パターン生成装置
【図１】
2019130418.tif 000003
【図２】
2019130418.tif 000004
【図３】
2019130418.tif 000005
【図４】
2019130418.tif 000006
【図５】
2019130418.tif 000007
【図６】
2019130418.tif 000008
【図７】
2019130418.tif 000009
【図８】
2019130418.tif 000010
【図９】
2019130418.tif 000011
【図１０】
2019130418.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】令和1年12月26日(2019.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
この発明に係る光パターン生成装置は、レーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、前記集光用レンズから出力された屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光を透過するマスクと、前記マスクを透過した透過光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記透過光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する回折光学素子と、を備え、前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置と、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離より長い距離離れた第２の位置、との間を移動することを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、
前記集光用レンズから出力された屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光を透過するマスクと、
前記マスクを透過した透過光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記透過光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する回折光学素子と、を備え、
前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置と、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離より長い距離離れた第２の位置、との間を移動する
ことを特徴とする光パターン生成装置。
【請求項２】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、
前記集光用レンズから出力された屈折した光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記屈折した光の位相を変更し、位相分布をもつ光を出力する回折光学素子と、
前記回折光学素子から出力された位相分布をもつ光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記位相分布をもつ光を透過するマスクと、を備え、
前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置と、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離より長い距離離れた第２の位置、との間を移動し、前記マスクを透過した透過光は光パターンを形成する
ことを特徴とする光パターン生成装置。
【請求項３】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、
前記集光用レンズから出力された屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、該一部と異なる前記屈折した光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する遮光部付き回折光学素子と、を備え、
前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置と、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離より長い距離離れた第２の位置、との間を移動する
ことを特徴とする光パターン生成装置。
【請求項４】
前記集光用レンズは、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を平行光に変換する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【請求項５】
前記第２の位置に存在する前記集光用レンズは、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を集光する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【請求項６】
前記マスク又は前記遮光部付き回折光学素子は、前記光の一部を吸収又は反射することにより、前記位相分布をもつ光が該位相分布によって形成する光パターンと関連する光パターンを形成する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【請求項７】
前記レーザ光源はパルスによって駆動された前記レーザ光を出力し、
前記集光用レンズは前記パルスのパルスタイミングに合わせて、前記第１の位置と前記第２の位置との間を移動する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【請求項８】
前記回折光学素子又は前記遮光部付き回折光学素子は、入射光の位相分布を変更する凹凸の形状を表面に有し、前記凹凸の形状は特定の一方向に対して周期的な形状を持つことを特徴とする
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月13日(2020.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
この発明に係る光パターン生成装置は、レーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、前記集光用レンズから出力された屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光を透過するマスクと、前記マスクを透過した透過光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記透過光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する回折光学素子と、を備え、前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置と、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離より長い距離離れた第２の位置、との間を移動し、当該移動することにより、同一像面に、前記回折光学素子による光パターンと、前記マスクによる光パターンの２種類のパターンを切替えて映し出すことを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、
前記集光用レンズから出力された屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光を透過するマスクと、
前記マスクを透過した透過光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記透過光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する回折光学素子と、を備え、
前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置と、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離より長い距離離れた第２の位置、との間を移動し、
当該移動することにより、同一像面に、前記回折光学素子による光パターンと、前記マスクによる光パターンの２種類のパターンを切替えて映し出す
ことを特徴とする光パターン生成装置。
【請求項２】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、
前記集光用レンズから出力された屈折した光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、前記屈折した光の位相を変更し、位相分布をもつ光を出力する回折光学素子と、
前記回折光学素子から出力された位相分布をもつ光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記位相分布をもつ光を透過するマスクと、を備え、
前記マスクを透過した透過光は光パターンを形成し、
前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置と、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離より長い距離離れた第２の位置、との間を移動し、
当該移動することにより、同一像面に、前記回折光学素子による光パターンと、前記マスクによる光パターンの２種類のパターンを切替えて映し出す
ことを特徴とする光パターン生成装置。
【請求項３】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光を屈折させる集光用レンズと、
前記集光用レンズから出力された屈折した光の一部を吸収又は反射するとともに、該一部と異なる前記屈折した光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、該一部と異なる前記屈折した光の位相を変更し、光パターンを形成する位相分布をもつ光を出力する遮光部付き回折光学素子と、を備え、
前記集光用レンズは、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離離れた第１の位置と、前記レーザ光源から前記集光用レンズの焦点距離より長い距離離れた第２の位置、との間を移動し、
当該移動することにより、同一像面に、前記位相を変更した位相分布による光パターンと、前記吸収又は反射により形成される光パターンの２種類のパターンを切替えて映し出す
ことを特徴とする光パターン生成装置。
【請求項４】
前記集光用レンズは、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を平行光に変換する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【請求項５】
前記第２の位置に存在する前記集光用レンズは、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を集光する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【請求項６】
前記マスク又は前記遮光部付き回折光学素子は、前記光の一部を吸収又は反射することにより、前記位相分布をもつ光が該位相分布によって形成する光パターンと関連する光パターンを形成する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【請求項７】
前記レーザ光源はパルスによって駆動された前記レーザ光を出力し、
前記集光用レンズは前記パルスのパルスタイミングに合わせて、前記第１の位置と前記第２の位置との間を移動する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【請求項８】
前記回折光学素子又は前記遮光部付き回折光学素子は、入射光の位相分布を変更する凹凸の形状を表面に有し、前記凹凸の形状は特定の一方向に対して周期的な形状を持つことを特徴とする
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
【国際調査報告】
2019130418.tif 000013
2019130418.tif 000014
2019130418.tif 000015
2019130418.tif 000016