(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型空間光変調器と、
前記反射型空間光変調器にホログラムパターンを書き込むためのホログラムパターン書き込み手段と、
前記反射型空間光変調器の入射面にＰ偏光の読み出し光を傾いて入射するための投光手段と、
前記反射型空間光変調器において位相変調され前記入射面に対し傾いて反射された前記読み出し光をフーリエ変換するためのフーリエレンズと、を備え、
前記反射型空間光変調器は、前記読み出し光の入射光軸、反射光軸、及びミラーの法線のいずれをも含む法面内でその配向方向が変化する液晶を光変調材料として有し、
前記フーリエレンズによりターゲットに結像することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記ホログラムパターン書き込み手段は、ターゲットに照射する所望の光学画像に対応するホログラムパターンのデータを記憶する記憶手段を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
ターゲットの３次元情報を取得するための物体形状認識手段を更に備え、前記ホログラムパターン書き込み手段は、該物体形状認識手段により取得した該ターゲットの３次元情報に基づいて該ターゲットの形状に合致したホログラムパターンを生成可能な構造を有する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
ターゲットの位置情報を取得するための物体位置認識手段を更に備え、前記ホログラムパターン書き込み手段は、該物体位置認識手段により取得した該ターゲットの位置情報に基づいて該ターゲットの位置に合致したホログラムパターンを生成可能な構造を有する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調器を用いたレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のレーザ加工装置として、例えば特開平５−７７０６７号公報（以下「文献１」という）や、特開昭６２−４４７１８号公報（以下「文献２」という）に開示されているものがある。しかし、これらのレーザ加工装置は、液晶空間光変調器に表示された濃淡のパターンを単に開口マスクとして用いているため、レーザ光源から投射された光の大部分がマスクに遮られて加工に用いることができず、光の利用効率が低くなるという問題があった。
【０００３】
これに対し、特開平６−２０８０８８号公報（以下「文献３」という）には、空間光変調器に読み出し光を入射し、位相変調された変調光をフーリエ変換して光学像を結像再生する光刻印装置が開示されている。この光刻印装置ではフーリエ変換を利用しているため、原理的には読み出し光を１００％加工に利用することが可能である。しかし、空間光変調器が透過型の構造を有しているため、実際には画素電極や配線などにより光が遮られて光の利用効率が低下してしまう。
【０００４】
このように、透過型の空間光変調器では不可避的に光の利用効率が低下してしまう欠点があるため、これを避けるべく反射型の空間光変調器を用いることが考えられるが、上記した文献１や文献２に開示の技術のように反射型の空間光変調器を単なるパターンマスクとして利用したのでは、やはり空間光変調器に入射させた読み出し光を１００％加工に利用することはできない。
【０００５】
そこで、特開平１０−１８６２８３号公報（以下「文献４」という）には、反射型の空間光変調器に入射させた読み出し光をフーリエ変換し、光の利用効率の向上を図る技術が開示されている。すなわち、文献４に開示の技術では、反射型の空間光変調器から読み出したパターンのフーリエ変換像の０次光成分を位相シフトし、他の光成分と干渉させた後に逆フーリエ変換を行って再生像を作り出すことで、パターンのコントラスト比の向上を図っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した文献４に開示の技術は、０次光成分と他の光成分とを干渉させて再生像を作り出す構造であるため、パターンのｄｕｔｙ比（画面全体の中でパターン部分が占める割合）が２５〜７５％の範囲でしか有効に機能しない。すなわち、文献４に開示の技術において、光源から強度１の光が投射されている場合、出力光の強度Ｉは、
Ｉ（ｘ，ｙ）＝２［１−ｃｏｓ（φ（ｘ，ｙ））］
と表される。つまり、出力光の強度Ｉは０〜４の範囲のものとなり、最大でも４でしかない。この強度Ｉの式は不変のものであるため、出力光の強度をこれ以上向上させることは理論的に困難である。従って、ｄｕｔｙ比が２５％以下となったとしても出力光の強度はこれ以上向上せず、コントラストが悪いばかりか光の利用効率が低下してしまう。
【０００７】
このように、文献４に開示の技術は、例えば出力面に１点だけを照射するといったようなｄｕｔｙ比が小さいパターンの加工には不向きであり、加工パターンの自由度が狭められるという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、読み出し光の利用効率の向上を図ることができると共に、加工パターンの自由度の高いレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ加工装置は、反射型空間光変調器と、反射型空間光変調器にホログラムパターンを書き込むためのホログラムパターン書き込み手段と、反射型空間光変調器の入射面にＰ偏光の読み出し光を傾いて入射するための投光手段と、反射型空間光変調器において位相変調され入射面に対し傾いて反射された読み出し光をフーリエ変換するためのフーリエレンズと、を備え、反射型空間光変調器は、読み出し光の入射光軸、反射光軸、及びミラーの法線のいずれをも含む法面内でその配向方向が変化する液晶を光変調材料として有し、フーリエレンズによりターゲットに結像することを特徴とする。
【００１０】
このレーザ加工装置では、反射型空間光変調器に入射した読み出し光は、ホログラムパターンにより位相変調され、ターゲットに向けて反射される。そして、この位相変調された読み出し光をフーリエレンズでフーリエ変換する。すると、所望の光学画像が結像され、この光学画像が照射されるターゲットの所定面に加工が施される。このように、このレーザ加工装置では、ホログラムパターンにより位相変調された読み出し光をフーリエ変換して所望の光学画像を形成しているため、読み出し光の利用効率の向上を図ることができると共に、ｄｕｔｙ比の制限もないため加工パターンの自由度も高い。
【００１１】
また、本発明のレーザ加工装置では、ホログラムパターン書き込み手段は、ターゲットに照射する所望の光学画像に対応するホログラムパターンのデータを記憶する記憶手段を備える、ことを特徴としてもよい。このようにすれば、ホログラムパターン書き込み手段は、記憶手段に記憶されているホログラムパターンのデータを読み出すだけで、反射型空間光変調器にホログラムパターンを書き込むことが可能となる。すなわち、所望の光学画像からホログラムパターンを作成するという手間が省けるため、反射型空間光変調器にホログラムパターンをビデオレートで書き換えることが可能となる。
【００１２】
また、本発明のレーザ加工装置は、ターゲットの３次元情報を取得するための物体形状認識手段を更に備え、ホログラムパターン書き込み手段は、該物体形状認識手段により取得した該ターゲットの３次元情報に基づいて該ターゲットの形状に合致したホログラムパターンを生成可能な構造を有する、ことを特徴としてもよい。このようにすれば、ホログラムパターン書き込み手段は、物体形状認識手段により取得したターゲットの３次元情報に基づいて、ターゲットの形状に合致するように３次元的にパターンを形成させるホログラムパターンを生成可能であるため、ターゲットに対して歪んだパターンが照射されるおそれが少なくなり、より正確な加工を行うことが可能となる。
【００１３】
また、本発明のレーザ加工装置は、ターゲットの位置情報を取得するための物体位置認識手段を更に備え、ホログラムパターン書き込み手段は、該物体位置認識手段により取得した該ターゲットの位置情報に基づいて該ターゲットの位置に合致したホログラムパターンを生成可能な構造を有する、ことを特徴としてもよい。このようにすれば、加工対象であるターゲットの位置が所望位置からずれた場合であっても、ホログラムパターン書き込み手段は、物体位置認識手段により取得したターゲットの位置情報に基づいてターゲットの位置に合致したホログラムパターンを生成可能であるため、ターゲットの位置の変動に依存することなく正確な加工を行うことが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかるレーザ加工装置１０の構成を模式的に示す平面図である。
【００１６】
図示のとおり、レーザ加工装置１０は反射型の空間光変調器（ＳＬＭ）２０と、ホログラムパターン書き込み手段４０と、投光手段５０と、フーリエレンズ６０とを備えている。
【００１７】
ＳＬＭ２０は、平行配向ネマチック液晶を光変調材料として用いた位相変調型の空間光変調器である。図２に示すように、ＳＬＭ２０は書き込み光の入射面に書き込み光の不要な反射を防止するＡＲコート２１を施したガラス基板２２を備えている。そして、このガラス基板２２の入射面と反対側の面には、ＩＴＯ２３を介して入射光の強度に応じて抵抗が変化するアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなる光導電層２４と、誘電体多層膜製のミラー層２５とが積層されている。またＳＬＭ２０は、読み出し光の入射面に同じくＡＲコート２６を施したガラス基板２７を更に備えている。そして、このガラス基板２７の入射面と反対側の面にはＩＴＯ２８が積層されており、前記したミラー層２５とＩＴＯ２８の上に配向層２９，３０がそれぞれ設けられている。そして、これらの配向層２９，３０同士を対向させて枠状のスペーサ３１を介して接続し、スペーサ３１の枠内にネマチック液晶を充填して液晶層を設けて光変調層３２を形成している。この配向層２９，３０により、光変調層３２内のネマチック液晶は配向層２９，３０の表面に対して平行あるいは垂直に配向されている。そして両ＩＴＯ２３，２８間には、所定の電圧を印加するための駆動装置３３が接続されている。
【００１８】
図１に示すように、上記した構成を有するＳＬＭ２０の書き込み光が入射する側に、ホログラムパターン書き込み手段４０が配置されている。
【００１９】
ホログラムパターン書き込み手段４０は、書き込み光を出射するための光源４１と、書き込み光の画像を表示するための透過型液晶テレビ４２と、透過型液晶テレビ４２への画像表示を制御するための書き込み用電気信号発生器４３と、書き込み光に含まれる画像信号をＳＬＭ２０の光導電層２４に結像させるための結像レンズ４４とを備えている。
【００２０】
一方、ＳＬＭ２０の読み出し光の入射する側には、この入射面の法面内で法線と角度θだけ傾けられた光軸上に投光手段５０が配置されている。なお、法面とは直線偏光の光がミラーに入射して反射される際に入射光軸、反射光軸、ミラーの法線のいずれをも含む面を指す。
【００２１】
投光手段５０は、読み出し光を出射するためのレーザ光源５１と、レーザ光源５１から出射された読み出し光を拡大するためのレンズ５２と、拡大された読み出し光を平行光に調整するためのコリメートレンズ５３とを備えている。
【００２２】
また、読み出し光の反射光路上には、ホログラムパターンにより位相変調された読み出し光をフーリエ変換するためのフーリエレンズ６０が配置されている。
【００２３】
このようにして本実施形態に係るレーザ加工装置１０が構成されている。
【００２４】
ここで、本実施形態に係るレーザ加工装置１０では、ホログラムパターン書き込み手段４０、特に書き込み用電気信号発生器４３の構造に特徴がある。
【００２５】
すなわち、本実施形態にかかるレーザ加工装置１０では、ＳＬＭ２０には試料Ｔに照射すべき所望の光学画像がそのまま書き込まれるのではなく、フーリエレンズ６０でフーリエ変換した場合に所望の光学画像が再生されるようなホログラムパターンが書き込まれる。
【００２６】
以下、書き込み用電気信号発生器４３におけるホログラムパターンの作成方法を、図３のフローチャートに基づいて説明する。
【００２７】
液晶テレビ４２に表示するホログラムパターンの作成法として繰り返し学習法を画像にて行う方法があり、特に本実施形態では繰り返し学習法の中のSimulated Annealingという手法を用いてホログラムパターンを作成している。
【００２８】
ここでは、ｎ×ｎ画素の液晶テレビ４２にホログラムパターンを表示する場合を考える。
【００２９】
まず、ｎ×ｎ個の各画素の濃度値をランダム関数等によりランダムに決定し、これを初期画面とする（ステップＳ１）。
【００３０】
次に、所定画素の濃度値を変化させ（ステップＳ２）、そのホログラムパターンをフーリエ変換して得られた画像が、所望の光学画像に近付いたかどうか判断する（ステップＳ３）。
【００３１】
そして、フーリエ変換して得られた画像が所望の光学画像に近付いた場合は、当該所定画素についてその濃度値を採用し、遠ざかった場合はその濃度値を採用せず元の濃度値を採用する。
【００３２】
次に、ｎ×ｎ個の全ての画素について濃度値を決定する作業が行われたかどうか判断し（ステップＳ４）、全ての画素について終了していない場合はステップＳ２に戻って次の画素について濃度値を決定する作業を行う。一方、全ての画素について終了している場合は、ｎ×ｎ個の画素のうち変更した濃度値を採用した画素があるかどうか判断し（ステップＳ５）、採用した画素がある場合はステップＳ２に戻る。一方、採用した画素がない場合は濃度値決定の作業を終了し、得られたパターンを最適のホログラムパターンとして液晶テレビ４２に表示する。
【００３３】
このようにして書き込み用電気信号発生器４３は、所望の光学画像に対応するホログラムパターンを求めて液晶テレビ４２に表示する。あるいは、書き込み用電気信号発生器４３は、予め作成されメモリなどの記憶手段に記憶されている所望の光学画像に対するホログラムパターンのデータを呼び出して液晶テレビ４２に表示してもよい。このようにすれば、書き込み用電気信号発生器４３は、記憶手段に記憶されているホログラムパターンのデータを読み出すだけで、液晶テレビ４２にホログラムパターンを表示することが可能となる。すなわち、所望の光学画像からホログラムパターンを作成するという手間が省けるため、反射型空間光変調器２０にホログラムパターンをビデオレートで書き換えることが可能となる。
【００３４】
次に、上記したレーザ加工装置１０の動作について説明する。
【００３５】
まず、試料Ｔに対して実際に照射し加工したい光学画像を書き込み用電気信号発生器４３に入力すると、書き込み用電気信号発生器４３において当該所望の光学画像に対応するホログラムパターンが求められ、そのホログラムパターンが液晶テレビ４２に表示される。
【００３６】
次に、書き込み光側の光源４１から液晶テレビ４２に向けて書き込み光を出射すると、書き込み光には液晶テレビ４２を通過する際にホログラムパターンの画像情報が書き込まれる。この画像情報を有する書き込み光は、結像レンズ４４によりＳＬＭ２０の光導電層２４に結像される。ここで、ＳＬＭ２０の両ＩＴＯ２３，２８間には、駆動装置３３により数ボルトの交流電圧が印加されているが、光導電層２４に書き込まれた画像によって光導電層２４は画素位置によって電気的インピーダンスが変化する。その結果、光変調層３２は画素位置によって印加される電圧の分圧が異なってくる。
【００３７】
一方、レーザ光源５１から直線偏光の読み出し光を出射する。すると、読み出し光はレンズ５２、コリメートレンズ５３により平行光に調整される。そのとき、ＳＬＭ２０の光変調層３２へはＰ偏光として入射させる。前述したとおり、光変調層３２は画素位置によって印加される電圧の分圧が異なるので、この電圧に応じて液晶分子の傾きが変化する。このとき、液晶分子は法面内でその配向方向が変化する。その結果、画素位置によって光変調層３２の屈折率が変化する。光変調層３２に入射した読み出し光はこの屈折率変化により位相変調され、ミラー層２５により反射されて入射面から再び出力される。
【００３８】
そして、この位相変調された読み出し光をフーリエレンズ６０でフーリエ変換して結像することにより、試料Ｔに所望の光学画像が照射される。その結果、レーザ光が照射された試料表面の部分は熱により蒸発あるいは変質して所望のパターンに加工される。
【００３９】
以上詳述したように、本実施形態にかかるレーザ加工装置１０は、ホログラムパターン書き込み手段４０によってＳＬＭ２０にホログラムパターンを書き込み、このホログラムパターンにより位相変調された読み出し光をフーリエレンズ６０によってフーリエ変換して得られた所望の光学画像をターゲットに照射して加工を施すことができる。このように、フーリエ変換を利用することで読み出し光の利用効率の向上を図ることができ、しかもＳＬＭ２０は反射型の構造を有するため、透過型のように画素電極や配線により読み出し光が遮られることがなく、読み出し光の利用効率が低下するおそれがない。その結果、レーザ光源５１から出射される読み出し光の強度を低くすることができ、レーザ光源５１ひいてはレーザ加工装置１０の小型化を図ることができる。
【００４０】
また、このレーザ加工装置１０では、従来技術に挙げた特開平１０−１８６２８３号公報に開示の技術のようにフーリエ面で０次光成分を他の光成分と干渉させてコントラストの向上を図るものではないため、ｄｕｔｙ比の制限がなく加工パターンの自由度が狭められるというおそれもない。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明に係るレーザ加工装置の第２の実施形態について図４を参照して説明する。
【００４２】
上記した第１の実施形態では、所望位置に設置されている試料Ｔの表面に所望のパターンを形成する場合について説明してきたが、試料Ｔの設置位置は常に固定されているとは限らない。もし、試料Ｔの設置位置が所望位置からずれている場合に、所望位置に設置されていることを前提としたパターンを試料Ｔに照射した場合、パターンは試料Ｔの加工面において拡大・縮小・変形等してしまい、加工の精度の低下をきたしてしまうおそれがある。
【００４３】
本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、かかる問題点に鑑み、図４に示すように試料Ｔの位置情報を取得するための物体位置認識手段を更に備えている。この物体位置認識手段は、内部に半導体レーザ等の発光素子７２とフォトダイオード等の受光素子７４とを有するレーザ測距装置７０を備えている。このレーザ測距装置７０は、発光素子７２からターゲットＴに向けてレーザ光を出射し、反射光を受光素子７４にて受光してターゲットの位置（距離）を測定する。このレーザ測距装置７０は、書き込み用電気信号発生器４３に接続されている。
【００４４】
このレーザ加工装置１０では、レーザ測距装置７０により測定されたターゲットＴの位置情報は、書き込み用電気信号発生器４３に送られる。そして、試料Ｔに対して実際に照射し加工したい光学画像を書き込み用電気信号発生器４３に入力すると、書き込み用電気信号発生器４３では、試料Ｔの位置に基づいて当該所望の光学画像に対応するホログラムパターンが求められ、そのホログラムパターンが液晶テレビ４２に表示される。
【００４５】
次に、書き込み光側の光源４１から液晶テレビ４２に向けて書き込み光を出射すると、書き込み光には液晶テレビ４２を通過する際にホログラムパターンの画像情報が書き込まれる。この画像情報を有する書き込み光は、結像レンズ４４によりＳＬＭ２０の光導電層２４に結像される。
【００４６】
一方、レーザ光源５１から直線偏光の読み出し光を出射する。すると、読み出し光はレンズ５２、コリメートレンズ５３により平行光に調整される。そのとき、ＳＬＭ２０の光変調層３２へはＰ偏光として入射させる。光変調層３２に入射した読み出し光はホログラムパターンにより位相変調され、ミラー層２５により反射されて入射面から再び出力される。
【００４７】
そして、この位相変調された読み出し光をフーリエレンズ６０でフーリエ変換して結像することにより、試料Ｔに対して試料Ｔの位置に合致した所望の光学画像が照射される。その結果、レーザ光が照射された試料表面の部分は熱により蒸発あるいは変質して所望のパターンに加工される。
【００４８】
このように本実施形態に係るレーザ加工装置１０では、試料Ｔの位置情報を取得するための物体位置認識手段を備えているため、試料Ｔの位置に合致したパターンを生成することが可能となり、試料Ｔの位置の変動に依存することなく正確な加工を行うことが可能となる。
【００４９】
（第３実施形態）
次に、本発明に係るレーザ加工装置の第３の実施形態について図５を参照して説明する。
【００５０】
上記した第１及び第２の実施形態では、平面をなす試料Ｔの加工面に所望のパターンを形成する場合について説明してきたが、試料Ｔの加工面は常に平面であるとは限らない。もし、３次元形状をなす試料Ｔの加工面に平面を前提としたパターンを照射した場合、パターンは試料Ｔの加工面の凹凸に合わせて歪んでしまい、加工の精度の低下をきたしてしまうおそれがある。
【００５１】
本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、かかる問題点に鑑み、図５に示すように試料Ｔの３次元情報を取得するための物体形状認識手段を更に備えている。この物体形状認識手段は、それぞれ試料Ｔの像を撮像可能な２つの撮像装置８０，８２を備えている。これら撮像装置８０，８２は、フーリエレンズ６０から試料Ｔに至る光軸に対してほぼ対称な位置関係で配置されており、それぞれ書き込み用電気信号発生器４３に接続されている。
【００５２】
このレーザ加工装置１０では、撮像装置８０，８２により撮像された試料Ｔのステレオ画像は、それぞれ書き込み用電気信号発生器４３に送られる。そして、一対の撮像装置８０，８２で撮像した画像間で、画素間の対応を求め、対応点の画素ずれ量、つまり視差を算出し、三角測量を用いてターゲットまでの距離を算出する。このようにして、試料Ｔの凹凸等の３次元情報が算出され、試料Ｔの３次元形状の認識が行われる。なお、本実施形態に係るレーザ加工装置１０では、物体形状認識手段としての撮像装置８０，８２は、ターゲットＴの位置情報の取得も可能であるため、撮像装置８０，８２は物体位置認識手段としても機能している。
【００５３】
そして、試料Ｔに対して実際に照射し加工したい光学画像を書き込み用電気信号発生器４３に入力すると、試料Ｔの３次元形状に基づいて当該所望の光学画像に対応するホログラムパターンが求められ、そのホログラムパターンが液晶テレビ４２に表示される。
【００５４】
次に、書き込み光側の光源４１から液晶テレビ４２に向けて書き込み光を出射すると、書き込み光には液晶テレビ４２を通過する際にホログラムパターンの画像情報が書き込まれる。この画像情報を有する書き込み光は、結像レンズ４４によりＳＬＭ２０の光導電層２４に結像される。
【００５５】
一方、レーザ光源５１から直線偏光の読み出し光を出射する。すると、読み出し光はレンズ５２、コリメートレンズ５３により平行光に調整される。そのとき、ＳＬＭ２０の光変調層３２へはＰ偏光として入射させる。光変調層３２に入射した読み出し光はホログラムパターンにより位相変調され、ミラー層２５により反射されて入射面から再び出力される。
【００５６】
そして、この位相変調された読み出し光をフーリエレンズ６０でフーリエ変換して結像することにより、試料Ｔの立体表面に試料Ｔの形状に合致した所望の光学画像が照射される。その結果、レーザ光が照射された試料表面の部分は熱により蒸発あるいは変質して所望のパターンに加工される。
【００５７】
このように本実施形態に係るレーザ加工装置１０では、試料Ｔの３次元情報を取得するための物体形状認識手段を備えているため、試料Ｔの形状に合致したパターンを生成することが可能となり、照射したパターンの試料Ｔの表面における歪みを抑制して加工精度の低下を抑制することが可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明のレーザ加工装置によれば、読み出し光の利用効率の向上を図ることができるため、投光手段ひいてはレーザ加工装置自体の小型化を図ることが可能となる。また本発明のレーザ加工装置では、加工パターンの自由度が高いため、ターゲットを種々のパターンに加工することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるレーザ加工装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図２】空間光変調器の構成を示す断面図である。
【図３】ホログラムパターンの作成方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態にかかるレーザ加工装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図５】本発明の第３実施形態にかかるレーザ加工装置の構成を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
１０…レーザ加工装置、２０…反射型空間光変調器、４０…ホログラムパターン書き込み手段、５０…投光手段、６０…フーリエレンズ、７０…レーザ測距装置、８０，８２…撮像装置、Ｔ…試料。
【図１】
0003990534.tif 000002
【図２】
0003990534.tif 000003
【図３】
0003990534.tif 000004
【図４】
0003990534.tif 000005
【図５】
0003990534.tif 000006