(57)【要約】【課題】  レーザー光の利用効率の高いレーザー照射方法及びレーザー照射装置を提供すること。【解決手段】  画像形成素子を介してレーザービームを被照射物に照射することにより被照射物上に所望の画像を得る。画像形成素子が複数の微細ミラー１１ｂを少なくとも２方向に切り替えて２次元画像を形成することの可能な反射素子１１を用いる。画像形成素子としては複数の微細ミラーを少なくとも２方向に配向して２次元画像を形成した反射素子を用いてもよい。画像形成素子にホログラム画像を形成し、少なくとも２方向に振り分けられた少なくとも２系統のレーザービームに位相差を付与し、これらビームを干渉させて被照射物上に照射する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像形成素子を介してレーザービームを被照射物に照射することにより被照射物上に所望の画像を得るためのレーザー照射方法であって、
前記画像形成素子が複数の微細ミラーを少なくとも２方向に切り替えて２次元画像を形成することの可能な反射素子であることを特徴とするレーザー照射方法。
【請求項２】
画像形成素子を介してレーザービームを被照射物に照射することにより被照射物上に所望の画像を得るためのレーザー照射方法であって、
前記画像形成素子が複数の微細ミラーを少なくとも２方向に配向して２次元画像を形成した反射素子であることを特徴とするレーザー照射方法。
【請求項３】
前記画像形成素子にホログラム画像を形成し、前記少なくとも２方向に振り分けられた少なくとも２系統のレーザービームに位相差を付与し、これらビームを干渉させて被照射物上に照射することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー照射方法。
【請求項４】
階調度向上のために画像形成素子における少なくとも２カ所の異なる部分で反射させた少なくとも一対の２系統レーザービームを前記被照射物の同一箇所に照射することを特徴とする請求項１又は３のいずれかに記載のレーザー照射方法。
【請求項５】
前記画像形成素子が前記レーザービームを順次反射させて前記被照射物に導く第一、第二の反射素子であり、
前記各反射素子に累積して所望の画像を被照射物に形成することの可能なホログラム画像をそれぞれ形成し、前記第一の反射素子により前記少なくとも２方向に振り分けられた少なくとも２系統のレーザービームに位相差を付与し、これらビームを第二の反射素子上で干渉させて被照射物上に照射することを特徴とする請求項１、２又は４のいずれかに記載のレーザー照射方法。
【請求項６】
前記反射素子により反射し前記少なくとも２方向に振り分けられたレーザービームをそれぞれ元の光路に反射ミラーで戻りビームとして反射し、往路ビーム及び戻りビームの一方を他方とは異なる位相に回転素子で回転させ、レーザー光源と回転素子との間に設けた偏光分離素子により戻りビームを前記被照射物側に反射させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザー照射方法。
【請求項７】
前記少なくとも２方向に振り分けられた少なくとも２系統のレーザービームの偏光方向を偏光調整器により一致させてあることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザー照射方法。
【請求項８】
前記少なくとも２方向に振り分けられた少なくとも２系統のレーザービームの光路それぞれに前記反射素子の像の転送素子を介在させたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザー照射方法。
【請求項９】
前記反射素子に形成された画像を縮小して前記被照射物に照射させる縮小手段を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のレーザー照射方法。
【請求項１０】
前記レーザービームの周波数を変調する変調手段を設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザー照射方法。
【請求項１１】
前記レーザービームのフルエンスを調整するフルエンス調整素子を設け、前記被照射物の照射位置をレーザービームに対して相対的に移動させ、複数回に分けて照射を行うことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザー照射方法。
【請求項１２】
前記被照射物への照射によりアブレーション加工又は露光を行うことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のレーザー照射方法。
【請求項１３】
画像形成素子を介してレーザービームを被照射物に照射することにより被照射物上に所望の画像を得るための請求項１〜１１のいずれかに記載のレーザー照射方法に用いるレーザー照射装置であって、複数の微細ミラーを少なくとも２方向に切り替えて２次元画像を形成することの可能な反射素子を備えたことを特徴とするレーザー照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー照射方法及びレーザー照射装置に関する。さらに詳しくは、画像形成素子を介してレーザービームを被照射物に照射することにより被照射物上に所望の画像を得るためのレーザー照射方法及び照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー照射方法の従来例として、次の特許文献に記載のものが知られている。
【特許文献１】特開平７−２９０２６４号
【特許文献２】特開平９−２４８６８６号
【０００３】
同従来技術では、画像形成素子として、いずれも干渉縞を形成した位相ホログラムの透過シートが用いられていた。しかし、同透過シートはレーザーが透過する際に減衰するため、レーザーの利用効率が良くなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、レーザー光の利用効率の高いレーザー照射方法及びレーザー照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係るレーザー照射方法の特徴は、画像形成素子を介してレーザービームを被照射物に照射することにより被照射物上に所望の画像を得るための方法であって、
前記画像形成素子が複数の微細ミラーを少なくとも２方向に切り替えて２次元画像を形成することの可能な反射素子であることにある。
【０００６】
また、本発明の他の特徴は、画像形成素子を介してレーザービームを被照射物に照射することにより被照射物上に所望の画像を得るための方法であって、
前記画像形成素子が複数の微細ミラーを少なくとも２方向に配向して２次元画像を形成した反射素子であることにある。
【０００７】
上記各特徴において、前記画像形成素子にホログラム画像を形成し、前記少なくとも２方向に振り分けられた少なくとも２系統のレーザービームに位相差を付与し、これらビームを干渉させて被照射物上に照射するとよい。
【０００８】
また、階調度向上のために画像形成素子における少なくとも２カ所の異なる部分で反射させた少なくとも一対の２系統レーザービームを前記被照射物の同一箇所に照射してもよい。
【０００９】
前記画像形成素子が前記レーザービームを順次反射させて前記被照射物に導く第一、第二の反射素子であり、前記各反射素子に累積して所望の画像を被照射物に形成することの可能なホログラム画像をそれぞれ形成し、前記第一の反射素子により前記少なくとも２方向に振り分けられた少なくとも２系統のレーザービームに位相差を付与し、これらビームを第二の反射素子上で干渉させて被照射物上に照射してもよい。
【００１０】
一方、前記反射素子により反射し前記少なくとも２方向に振り分けられたレーザービームをそれぞれ元の光路に反射ミラーで戻りビームとして反射し、往路ビーム及び戻りビームの一方を他方とは異なる位相に回転素子で回転させ、レーザー光源と回転素子との間に設けた偏光分離素子により戻りビームを前記被照射物側に反射させてもよい。
【００１１】
前記少なくとも２方向に振り分けられた少なくとも２系統のレーザービームの偏光方向を偏光調整器により一致させることが望ましい。また、前記少なくとも２方向に振り分けられた少なくとも２系統のレーザービームの光路それぞれに前記反射素子の像の転送素子を介在させたことも望ましい。前記反射素子に形成された画像を縮小して前記被照射物に照射させる縮小手段を設けると、微細な加工が可能となる。必要に応じて、前記レーザービームの周波数を変調する変調手段を設け、さらに加工精度を向上させることができる。
【００１２】
前記レーザービームのフルエンスを調整するフルエンス調整素子を設け、前記被照射物の照射位置をレーザービームに対して相対的に移動させ、複数回に分けて照射を行ってもよい。これにより、複数部分の分割部分の露光やアブレーションの程度を一定にすることができる。また、各分割照射領域間で照射強度や露光回数・時間を変化させることにより、目的に応じて部分的な露光やアブレーションの程度を変化させることも可能となる。
【００１３】
本発明は、例えば前記被照射物への照射によりアブレーション加工又は露光を行う用途に用いられる。
【００１４】
一方、画像形成素子を介してレーザービームを被照射物に照射することにより被照射物上に所望の画像を得るための上記いずれかに記載のレーザー照射方法に用いるレーザー照射装置の特徴は、複数の微細ミラーを少なくとも２方向に切り替えて２次元画像を形成することの可能な反射素子を備えたことにある。
【発明の効果】
【００１５】
上記本発明に係るレーザー照射方法及び照射装置の特徴によれば、レーザー入射光に画像情報を与えながら光の減衰を最小限に留め、加工のためのレーザー光の利用効率を向上させることが可能になった。特に、複数の微細ミラーを少なくとも２方向に切り替えて２次元画像を形成することの可能な反射素子を用いることで、被照射物上に様々な図柄又は形状の加工を施すことが可能となった。また、複数の微細ミラーを少なくとも２方向に配向して２次元画像を形成した反射素子、すなわち図柄の固定的な反射素子を用いることで、安価な量産加工が可能となった。
【００１６】
加えて、第一、第二の反射素子を設けることでより精度の高い最終画像を得ることができるようになった。また、反射素子により反射したレーザービームをそれぞれ元の光路に反射ミラーで戻りビームとして反射することで、光学系をコンパクトに構成することができる。さらに、画像形成素子の少なくとも２カ所の異なる部分で反射させた少なくとも一対の２系統レーザービームを前記被照射物の同一箇所に照射することで、解像度を向上させることができる。
【００１７】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。まず、図１〜４を参照しながら、本発明の第一実施形態について説明する。本発明に係るレーザー照射装置１は、大略、レーザー光源２のレーザー光を画像形成素子３、第一光路要素４、第二光路要素５及び縮小レンズ７を介して被照射物１００の表面に照射し、被照射物１００をアブレーション加工又は露光させるものである。
【００１９】
本実施形態における画像形成素子３としては、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス、商標名）という反射素子１１を用いている。この反射素子１１は、図２に示すように、平板状の基板１１ａ上に紙面垂直方向に二次元的に広がるように複数の微細ミラー１１ｂが配置され、駆動部１１ｃをコンピュータ制御することにより基板１１ａの角度を変化させる。同図では、微細ミラー１１ｂがそれぞれ符号Ａ１，Ａ２のような２状態に傾斜制御されることにより、往路ビームＬｆがそれぞれ第一、第二方向Ｄ１，Ｄ２の第一、第二往路ビームＬｆ１，Ｌｆ２に振り分けられ、それぞれ第一、第二光路要素４，５で縮小レンズ７に導かれる。
【００２０】
図３は二次元画像の入出力関係を示すブロック図であり、図４のホログラムへの変換と対象させて説明する。まず、原画像１０１はレンズ７’により画像形成素子３へフーリエ変換されて位相ホログラムとして転写され、さらに、画像形成素子３のホログラム画像がレンズ７’により基盤上に干渉しながら転写されて最終画像１０３が形成される。原画像１０１はレーザー２による像の転写を考慮すれば、次式Ｅで示される。ωは角速度、ｔは時間、ｋは時定数である。
【００２１】
Ｅ(y,z)＝Ｕ(y,z)ｅｘｐ{ｉ(ωｔ−ｋｘ)＋φ(y,z)}    （１）
【００２２】
そして、原画像１０１はＰＣ９の処理により次式でフーリエ変換Ｆされ、画像形成素子３すなわち反射素子１１上にデジタル位相ホログラム像として次式Ｉにより二次元的に表示される。
【００２３】
Ｉ(y,z)＝１  （φ(y,z)＝０のとき）      
Ｉ(y,z)＝−１  （φ(y,z)＝πのとき）      （２）  
ここで、（２）式に含まれる位相φは次の通りとなる。  
φ(y,z)＝ａｒｇ［Ｆ{Ｅ(y,z)}］    
−π／２＜φ(y,z)＜π／２  のとき  φ(y,z)＝０  
π／２＜φ(y,z)＜３π／２  のとき  φ(y,z)＝π
【００２４】
そして、第一、第二光路要素４，５に振り分けられた位相ホログラム像は縮小レンズ７を介した被照射物１００上への干渉合成により逆フーリエ変換Ｆ-1され、次式Ｅにより最終画像１０３が合成される。
【００２５】
Ｅ(y,z)＝Ｆ-1{Ｉ(y,z)1/2}    （３）
【００２６】
なお、フーリエ変換画像１０２を逆フーリエ変換しただけでは元の波面を形成しないので、計算を繰り返して、最終画像１０３の生成精度を向上させればよい。以下の実施形態でも同様にフレネル変換により中間画像１０２を求め、さらに逆演算で最終画像１０３を求めても良いが、計算時間がかかることからホログラムを目的としたフーリエ変換の方が優れている。
【００２７】
光学系をさらに詳述すると、第一光路要素４は第一中継ミラー群１４と反射素子１１の反射像を転写するリレーレンズ１３とを含み、第二光路要素５は第二中継ミラー群１５とリレーレンズ１３とを含んでいる。第二中継ミラー群１５の１５ａ，１５ｂの間隔は一定である。これに対し、第一中継ミラー群１４は１４ａ及び１４ｃと１４ｂとの間隔を調整することで、第一往路ビームＬｆ１及び第二往路ビームＬｆ２間の位相差を調整する位相調整器６として機能する。
【００２８】
縮小レンズ７は第一、第二往路ビームＬｆ１，Ｌｆ２により運ばれる像を縮小し、これら両系統のレーザー光が先の位相調整器６で適切な条件で干渉するように調整を行い、被照射物１００に画像を写し込む。第一、第二往路ビームＬｆ１，Ｌｆ２の一方には他方に偏光方向を一致させるための偏光調整器１７を設けることが望ましい。また、加工精度に応じ、レーザー光源２の出力光の波長（周波数）を変調する変調手段１６を介在させても良い。
【００２９】
ここで、レーザー光源２は、コーヒーレントな光の光源を意味し、例えばｃｗレーザー、パルスレーザー、He-Cdレーザー、Arレーザー、エキシマレーザー、ＹＡＧレーザー、フェムト秒レーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、色素レーザー、半導体レーザー等を用いることができる。ビームエキスパンダー１０は、レーザー光を平行光のまま広げる拡大光学系であり、ケプラータイプのレンズセットやガリレオタイプのレンズセット、カセグレン鏡（鏡胴）を用いることができる。リレーレンズ１３としては、像を転送するものであればよく、例えばプロジェクションレンズが用いられる。リレーレンズ１３もケプラータイプやガリレオタイプが存在するが、装置をコンパクトにするには前者、高パワーの光を使用する場合は後者が適切である。位相調整器６は、光学距離に差を付けることにより位相差を生じさせるものであればよく、上述のごとき遅延ラインの他、バビネソレイユ板やプリズムセット、光学的に精度の出たガラス板等を用いることができる。偏光調整器１７は、水平偏向と垂直偏向の屈折率の違いを利用して一方向の軸方向の位相をシフトすることによりビームの変更方向を一致させるものであり、波長板等が用いられる。
【００３０】
使用に際しては、ＰＣ９に対し原画像１０１のデータを入力し、上記式（２）を用いてフーリエ変換画像１０２を生成する。このフーリエ変換画像１０２情報に基づいて反射素子１１の駆動部１１ｃを制御して微細ミラー１１ｂの調整により反射素子１１の表面にフーリエ変換画像１０２を描く。そして、第一、第二往路ビームＬｆ１，Ｌｆ２に振り分けられた画像は、縮小レンズ７で被照射物１００上に最終画像１０３として結像され、被照射物１００表面への加工又は現像が行われる。
【００３１】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態では、上記実施形態と同様の構成要素には同様の符号を附してある。
【００３２】
図５に示す第二実施形態では、画像形成素子３として対面的に配置された第一、第二反射素子２１，２２が用いられている。第一、第二反射素子２１，２２の間に配置される第一、第二光路要素４、５にはそれぞれ中継ミラー２４を介して一対のリレーレンズ２３，２３が設けられ、第一光路要素４の第一往路ビームＬｆ１中には上述の位相調整器６としてバビネソレイユ板２５が配置されている。
【００３３】
第一反射素子２１に入射した往路ビームＬｆは第一、第二往路ビームＬｆ１，Ｌｆ２に振り分けられ、さらに第二反射素子２２で反射されて画像が合成され、縮小レンズ７を介して被照射物１００表面に写像される。第一反射素子２１に表示される中間画像１０２は、第一、第二光路要素４、５による画像合成と第二反射素子２２上での画像合成とを経て原画像１０３になるように、第一、第二反射素子２１，２２の表示がＰＣ９により演算される。
【００３４】
図６に示す第三実施形態では、振り分けられた第一、第二往路ビームＬｆ１，Ｌｆ２が、第一、第二反射ミラー３１，３２により再び反射素子１１に復路ビームＬｂとして１８０度反転されて復帰反射され、回転素子３５を経て被照射物１００に写像される点が異なる。第一、第二反射ミラー３１，３２のいずれか一方には鏡面垂直方向に鏡面位置を変更可能な位相調整器６が設けられる。例えば、ピエゾ素子により位置変更の微調整が可能なピストンミラーが第一、第二反射ミラー３１，３２のいずれか一方に採用される。この位相調整器６により片方のミラーの位置を調節することで、第一、第二往路ビームＬｆ１，Ｌｆ２間に位相差を生じさせる。
【００３５】
ビームエキスパンダー１０と反射素子１１との間には順次偏光分離素子３４，回転素子３５が配置される。偏光分離素子３４はｓ波・ｐ波の違いにより偏光を分離する素子であり、往路ビームＬｆを透過させるようにレーザー光源２の出力と偏光方向を一致させてある。回転素子３５は反射素子１１に向かう往路ビームＬｆには偏光方向に変化を与えずに透過させるが、反射素子１１から偏光分離素子３４に戻ろうとする復路ビームＬｂは透過時に偏光面を回転させる。回転素子３５には例えば磁場の向きによって定まる旋光方向に光の偏光を回転させることによって一方向の入射光のみに所定の偏光角（例えば６〜７度）を与えるファラデー回転素子が用いられる。回転素子３５は復路ビームＬｂをそのまま透過させ、往路ビームＬｆのみの偏光方向を回転させるようにしてもよい。合成画像として反射された復路ビームＬｂは、往路ビームＬｆの方向に約４５度傾けられた偏光分離素子３４により９０度反射され、縮小レンズ７を介して被照射物１００上に転写される。
【００３６】
図７（ａ）は上記第一実施形態の図１におけるｘｙ平面視でその一部を模式的に表したもので、反射素子１１における１カ所の第一反射部１１ｘから反射したレーザー光を被照射物１００上に合成しているため、階調度が限られる。そこで、図７（ｂ）の第四実施形態にみられるように、反射素子１１における２カ所の第一反射部１１ｘ、第二反射部１１ｙそれぞれで２方向に分離されたレーザー光を一対の光路要素群４０，４０でそれぞれ干渉合成し、さらに一対の合成ミラー４１，４１を用いて被照射物１００上に合成転写することで、階調度を向上させることができる。すなわち、原画像に対し反射素子１１上に形成するホログラム像は階調度の違いによって第一、第二反射部１１ｘ，１１ｙのいずれに表示するのかが分離される。なお、反射素子１１上の反射部は第一、第二反射部１１ｘ，１１ｙの２カ所に限らず、３カ所以上設けてさらに階調度を向上させてもよい。反射部は同一の反射素子１１上である必要はなく、複数個の反射素子１１を設け階調度を向上させても良い。
【００３７】
図８（ａ）、図９の第五実施形態では、微細ミラー１１ｂが上述のＰＣ９により３段階に傾斜制御されるように反射素子１１が構成されている。図８では１つのｘｙ平面において３段階に傾斜しているが、３段階の傾斜が３次元的に行われるように構成してもよい。符号Ｄ１〜Ｄ３の３方向に配分された反射素子１１の反射光は第一、第二、第三光路要素４，５，８及び縮小レンズ７を介して被照射物１００上に合成画像１０３を干渉合成させる。位相調整器６は第一、第二、第三光路要素４，５，８のいずれかの２つに設ければよい。本実施形態も第四実施形態と同様に合成画像１０３の階調度を向上させることができ、４方向以上に入射光を配分させるように構成してもよい。
【００３８】
上記各実施形態では画像形成素子３として微細ミラー１１ｂが角度変更可能なＤＭＤを用いた。しかし、図８（ｂ）の第六実施形態に示すように、複数の微細ミラー５１を二次元的に複数方向Ａ１〜Ａ３に配向させて反射方向Ｄ１〜Ｄ３を固定的に設定した固定反射ミラー５０を画像形成素子３として用いても良い。
【００３９】
上記各実施形態において、照射領域が一回の固定した範囲よりも大きな場合は、被照射物の照射位置を光に対して相対的に移動させ、複数回に分けて照射を行うようにしてもよい。この場合、複数回に分けて照射される分割された照射領域間で光の照射される部分のフルエンスを調整する素子、例えば、可変ＮＤフィルタやバリアブルアッティネーター等により照射強度を調節することで、露光やアブレーションの程度を一定にすることができる。また、各分割照射領域間で照射強度や露光回数・時間を変化させることにより、目的に応じて部分的な露光やアブレーションの程度を変化させることも可能である。フルエンス調整素子は、ビームが分かれていない部分、すなわち、レーザー光源２と画像形成素子３との間、例えば図１の符号１６の位置等に設置することが望ましい。
【００４０】
上記各実施形態では、ホログラム方式やフレネル方式により中間画像１０２と原画像１０１及び最終画像１０３との変換を行ったが、実現可能な他の変換方式を用いても良い。なお、上記各実施形態は相互に組み合わせて実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明のレーザー照射方法及び照射装置は、レーザー光を利用したアブレーション加工又は露光用として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】レーザー照射装置の光学系を示す図である。
【図２】画像形成素子（反射素子）の概念図である。
【図３】レーザー照射装置のブロック図である。
【図４】画像形成素子と座標との関係を示す図である。
【図５】本発明の第二実施形態を示す図１相当図である。
【図６】本発明の第三実施形態を示す図１相当図である。
【図７】反射素子と光路要素との関係を示し、（ａ）は反射素子の単一区分を使用する場合、（ｂ）は反射素子上の２区分を使用する場合である。
【図８】反射素子の他の実施形態を示す図２相当図であり，（ａ）は可動ミラーを利用した場合、（ｂ）は固定的な微細ミラーを用いた場合である。
【図９】図８の反射素子を用いたレーザー照射装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００４３】
１：レーザー照射装置、２：レーザー光源、３：画像形成素子、４：第一光路要素、５：第二光路要素、６：位相調整器、７：縮小レンズ（縮小手段）、７’：レンズ、８：第三光路要素、９：ＰＣ（パーソナルコンピューター）、１０：ビームエキスパンダー、１１：反射素子、１１ａ：基板、１１ｂ：微細ミラー、１１ｃ：駆動部、１１ｇ：反射部、１１ｘ：第一反射部、１１ｙ：第二反射部、１３：リレーレンズ（転送素子）、１４：第一中継ミラー群、１５：第二中継ミラー群、１６：変調手段、１７：偏光調整器、２１：第一反射素子、２２：第二反射素子、２３：リレーレンズ（転送素子）、２４：中継ミラー、２５：バビネソレイユ板（位相調整器）、３１：第一反射ミラー、３２：第二反射ミラー、３３：リレーレンズ、３４：偏光分離素子、３５：回転素子、４０：光路要素群，４１：合成ミラー、５０：固定反射素子、５１：微細ミラー、１００：被照射物、原画像：１０１、フーリエ変換画像１０２、最終画像１０３、Ｌ:レーザービーム、Ｌｆ:往路ビーム、Ｌｆ１:第一往路ビーム、Ｌｆ２:第二往路ビーム、Ｌｂ:復路ビーム、Ｄ１：第一方向、Ｄ２：第二方向、Ｄ３：第三方向
【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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