(57)【要約】  ビーム整形装置（１００）は、光位相変調部材（１１０）と、第１凸レンズ（１２０Ａ）と、第２凸レンズ（１２０Ｂ）と、フィルタ部材（１３０）とを備える。光位相変調部材（１１０）および第１凸レンズ（１２０Ａ）は、フーリエ変換像のうちの抽出成分（Ｌｅ）と除去成分（Ｌｄ）とが互いに重ならないように分離する。フィルタ部材（１３０）は、抽出成分（Ｌｅ）を透過するとともに、除去成分（Ｌｄ）を遮る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択領域と、回折格子の設けられた非選択領域とを含む光位相変調部材と、
前記光位相変調部材によって位相の変調されたビームから、抽出成分と除去成分とを有するフーリエ変換像を形成する第１凸レンズと、
前記第１凸レンズによって形成されたフーリエ変換像から逆フーリエ変換像を形成する第２凸レンズと、
フィルタ部材と
を備え、
前記光位相変調部材および前記第１凸レンズは、前記フーリエ変換像のうちの前記抽出成分と前記除去成分とが互いに重ならないように分離し、
前記フィルタ部材は、前記抽出成分を透過するとともに、前記除去成分を遮る、ビーム整形装置。
【請求項２】
前記光位相変調部材の前記回折格子の格子ベクトルは、前記選択領域と前記非選択領域との境界に対して直交しない、請求項１に記載のビーム整形装置。
【請求項３】
前記光位相変調部材において、前記選択領域と前記非選択領域との境界は矩形状である、請求項１または２に記載のビーム整形装置。
【請求項４】
前記フィルタ部材は、
前記除去成分を遮る本体部と、
前記本体部に設けられ、前記抽出成分を透過する透過部と
を有する、請求項１から３のいずれかに記載のビーム整形装置。
【請求項５】
前記光位相変調部材の前記選択領域に、回折格子が設けられる、請求項１から４のいずれかに記載のビーム整形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム整形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビームの整形は、研究または実験だけでなく加工用途でも行われる。一般に、レーザビーム源から出射されるビームでは、ビーム中心部のパワー密度が高い一方でビームの周辺部のパワー密度が低く、不均一なパワー分布を有することが多い。このため、ビームのパワー密度を均一化することが要求されることがある。例えば、ビームの強度分布を均一化するために、位相補正レンズを含むホモジナイザに加えて種々の光学系を利用することが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１０３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された装置では、装置構成が複雑であるにもかかわらず、ビームを高精度に整形できなかった。【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便な構成でビームを高精度に整形可能なビーム整形装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるビーム整形装置は、光位相変調部材と、第１凸レンズと、第２凸レンズと、フィルタ部材とを備える。前記光位相変調部材は、選択領域と、回折格子の設けられた非選択領域とを有する。前記第１凸レンズは、前記光位相変調部材によって位相の変調されたビームから、抽出成分と除去成分とを有するフーリエ変換像を形成する。前記第２凸レンズは、前記第１凸レンズによって形成されたフーリエ変換像から逆フーリエ変換像を形成する。前記光位相変調部材および前記第１凸レンズは、前記フーリエ変換像のうちの前記抽出成分と前記除去成分とが互いに重ならないように分離する。前記フィルタ部材は、前記抽出成分を透過するとともに、前記除去成分を遮る。【０００７】
ある実施形態では、前記光位相変調部材の前記回折格子の格子ベクトルは、前記選択領域と前記非選択領域との境界に対して交差する。【０００８】
ある実施形態では、前記光位相変調部材において、前記選択領域と前記非選択領域との境界は矩形状である。【０００９】
ある実施形態では、前記フィルタ部材は、前記除去成分を遮る本体部と、前記本体部に設けられ、前記抽出成分を透過する透過部とを有する。【００１０】
ある実施形態では、前記光位相変調部材の前記選択領域に、回折格子が設けられる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡便な構成でビームを高精度に整形できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明によるビーム整形装置の実施形態を示す模式図である。
【図２】（ａ）は、ビーム源から出射されたビームの形状を示す模式図であり、（ｂ）は、光位相変調部材の模式図であり、（ｃ）は、フーリエ変換像を示す模式図であり、（ｄ）は、フィルタ部材の模式図であり、（ｅ）は、整形成分Ｌａ’を示す模式図である。
【図３】（ａ）は、参考例のビーム整形装置の模式図であり、（ｂ）は、光位相変調部材の模式図であり、（ｃ）は、フーリエ変換像を示す模式図である。
【図４】（ａ）は、別の参考例のビーム整形装置の模式図であり、（ｂ）は、光位相変調部材の模式図であり、（ｃ）は、フーリエ変換像を示す模式図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、本実施形態のビーム整形装置における光位相変調部材を示す模式図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、本実施形態のビーム整形装置の模式図である。
【図７】（ａ）は、ビーム源から出射されたビームの形状を示す模式図であり、（ｂ）は、整形成分を示す模式図であり、（ｃ）は、ビームの伝達関数を示す模式図であり、（ｄ）は、光位相変調部材の模式図であり、（ｅ）は、フーリエ変換像を示す模式図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、整形成分を示す模式図である。
【図９】（ａ）は、光位相変調部材の模式図であり、（ｂ）は、フーリエ変換像を示す模式図である。
【図１０】（ａ）は、光位相変調部材の模式図であり、（ｂ）は、フーリエ変換像を示す模式図である。
【図１１】（ａ）は、光位相変調部材の模式図であり、（ｂ）は、フーリエ変換像を示す模式図である。
【図１２】本実施形態のビーム整形装置の模式図である。
【図１３】（ａ）は、参考例のビーム整形装置における整形成分を示す図であり、（ｂ）は、本実施形態のビーム整形装置における整形成分を示す図であり、（ｃ）は、（ａ）の一部拡大図であり、（ｄ）は、（ｂ）の一部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明によるビーム整形装置の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。なお、本願明細書では、発明の理解を容易にするため、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を記載することがある。Ｘ方向およびＺ方向は水平方向に平行であり、Ｙ方向は鉛直方向に平行である。
【００１４】
まず、図１を参照して、本発明によるビーム整形装置１００の実施形態を説明する。図１（ａ）は、本実施形態のビーム整形装置１００の模式的な斜視図であり、図１（ｂ）は、本実施形態のビーム整形装置１００の模式的な側面図である。ビーム整形装置１００は、ビームを整形する。ここでは、ビーム整形装置１００によって整形の対象となるビームは、ビーム整形装置１００に向かってＺ方向に進行する。ビームは、波長および位相のそろった光であることが好ましい。典型的には、ビームは、レーザビーム源から出射される。
【００１５】
ビーム整形装置１００はビームＬを整形する。ビームＬはビーム源ＬＤから出射される。
【００１６】
ビーム整形装置１００は、光位相変調部材１１０と、第１凸レンズ１２０Ａと、第２凸レンズ１２０Ｂと、フィルタ部材１３０とを備える。ここでは、ビームＬはＺ方向に進行する。ビーム整形装置１００では、光位相変調部材１１０、第１凸レンズ１２０Ａ、フィルタ部材１３０および第２凸レンズ１２０ＢはビームＬの進行方向にこの順番に配置される。
【００１７】
光位相変調部材１１０は、ビームＬの位相を変調する。ここでは、ビームＬは、光位相変調部材１１０を透過する。ビームＬが光位相変調部材１１０を透過するとき、ビームＬの位相は変調される。光位相変調部材１１０は、ビームＬを透過する透過面１１０ｔを有する。光位相変調部材１１０は、進行方向を変更することなくビームＬの一部を透過し、ビームＬの別の一部を回折して透過する。また、光位相変調部材１１０は、ビームＬの他の一部を遮光してもよい。
【００１８】
透過面１１０ｔは、選択領域１１０ａと、非選択領域１１０ｂとを有する。光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａは、ビームＬの整形すべき形状に対応する。非選択領域１１０ｂは、選択領域１１０ａの周囲に位置する。ここでは、選択領域１１０ａは矩形状である。選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界は、Ｘ方向およびＹ方向に平行である。例えば、選択領域１１０ａのＸ方向の長さは選択領域１１０ａのＹ方向の長さとほぼ等しい。ただし、選択領域１１０ａのＸ方向の長さは選択領域１１０ａのＹ方向の長さと等しくなくてもよい。
【００１９】
ビームＬが光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａを透過することにより、透過成分Ｌａが形成される。ここでは、選択領域１１０ａは、ビームＬを均一に透過する。光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａにより、透過成分Ｌａは直進成分を含む。透過成分Ｌａは、Ｚ方向に沿って進行する。
【００２０】
光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂには回折格子１１０Ｄが設けられる。ビームＬが光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂを透過することにより、透過成分Ｌｂが形成される。回折格子１１０Ｄにより、ビームＬの一部は回折する。
【００２１】
光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂにより、ビームＬから透過成分Ｌｂとして直進成分Ｌｂｓおよび回折成分Ｌｂｄが形成される。ビームＬの直進成分ＬｂｓはＺ方向に沿って進行する。直進成分Ｌｂｓは０次光である。
【００２２】
ビームＬの回折成分Ｌｂｄは回折方向に進行する。回折成分Ｌｂｄは１次回折光を含む。例えば、回折成分Ｌｂｄは±１次回折光である。なお、実際には、回折成分Ｌｂｄとして１次回折光だけでなく２次回折光、３次回折光等の高次回折光が発生する。
【００２３】
例えば、光位相変調部材１１０は、空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＳＬＭ）を含んでもよい。典型的には、空間光変調器は液晶素子を有する。液晶素子の液晶に印加する電圧を画素ごとに制御することにより、ビームの位相を変調できる。
【００２４】
または、光位相変調部材１１０は、回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＤＯＥ）を含んでもよい。あるいは、光位相変調部材１１０は、リソグラフィ処理を行って所定の位相差を実現した透過部材を含んでもよい。あるいは、光位相変調部材１１０は、反射型の回折光学素子を含んでもよい。光位相変調部材１１０が反射型である場合、光位相変調部材１１０は、ビームＬを反射してビームＬの進行方向を変える。この場合、光位相変調部材１１０は、選択領域１１０ａと、非選択領域１１０ｂとを有する反射面を有する。光位相変調部材１１０がビームＬを反射するとき、ビームＬの位相が変調される。
【００２５】
第１凸レンズ１２０Ａは、焦点距離ｆ１を有する。第１凸レンズ１２０Ａは、光位相変調部材１１０から焦点距離ｆ１だけ離れた位置に配置される。第１凸レンズ１２０Ａは、光位相変調部材１１０の透過面１１０ｔを透過したビームを屈折させて焦点に集光する。第１凸レンズ１２０Ａから焦点距離ｆ１だけ離れた位置にフーリエ面Ｆが形成される。
【００２６】
第１凸レンズ１２０Ａは、光位相変調部材１１０の透過面１１０ｔを透過した透過成分Ｌａ、Ｌｂをフーリエ変換して、フーリエ面Ｆにフーリエ変換像を形成する。フーリエ面Ｆは、第１凸レンズ１２０Ａから焦点距離ｆ１だけ離れて位置する。フーリエ変換像は、ビームＬの抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄを含む。
【００２７】
第１凸レンズ１２０Ａは、ビームＬのうち光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａを透過した透過成分Ｌａをフーリエ面Ｆに集光する。第１凸レンズ１２０Ａは、光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂを透過した直進成分Ｌｂｓをフーリエ面Ｆに集光する。透過成分Ｌａおよび直進成分ＬｂｓからビームＬの抽出成分Ｌｅが形成される。フーリエ変換像において、抽出成分Ｌｅは、Ｘ方向およびＹ方向に延びる。抽出成分Ｌｅのうち空間周波数の低い成分は、ビームＬの進行軸近傍に位置する。一方、抽出成分Ｌｅのうち空間周波数の高い成分は、ビームＬの進行軸から離れた場所に位置する。
【００２８】
また、第１凸レンズ１２０Ａは、光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂを透過した回折成分Ｌｂｄをフーリエ面Ｆにおいて直進成分Ｌｂｓとは異なる位置に集光する。ここでは、回折成分ＬｂｄからビームＬの除去成分Ｌｄが形成される。回折成分Ｌｂｄをフーリエ変換することによって得られた除去成分Ｌｄは、フーリエ面ＦにおいてビームＬの進行軸から離れて位置する。
【００２９】
ここでは、除去成分Ｌｄは、フーリエ面Ｆにおいて抽出成分Ｌｅとは離れて位置する。除去成分Ｌｄは、フーリエ面Ｆにおいて、抽出成分Ｌｅに対してＸ方向およびＹ方向とは異なる方向に位置し、Ｘ方向およびＹ方向に延びる。
【００３０】
なお、ここで、除去成分Ｌｄは、±１次回折光のフーリエ変換像である。実際には、除去成分Ｌｄとして１次回折光だけでなく２次回折光、３次回折光等の高次回折光が発生するが、２次回折光以上の高次回折光に起因する除去成分は、１次回折光に起因する除去成分と比べて、ビームＬの進行軸からさらに離れた位置に発生するため、以下の説明では特に言及しない。
【００３１】
フィルタ部材１３０は、第１凸レンズ１２０Ａから第１凸レンズ１２０Ａの焦点距離ｆ１だけ離れて位置する。このため、フィルタ部材１３０は、第１凸レンズ１２０Ａのフーリエ面Ｆに配置される。また、フィルタ部材１３０は、第２凸レンズ１２０Ｂから第２凸レンズ１２０Ｂの焦点距離ｆ２だけ離れて位置する。フィルタ部材１３０は、フーリエ変換像の一部を選択的に透過し、フーリエ変換像の別の一部を選択的に遮る。
【００３２】
フィルタ部材１３０は、抽出成分Ｌｅを透過し、除去成分Ｌｄを遮断する。ここでは、フーリエ面Ｆにおいて、ビームＬの抽出成分Ｌｅは、ビームＬの進行軸に対して交差状に位置する。
【００３３】
フィルタ部材１３０は、本体部１３０ａと、透過部１３０ｂとを備える。例えば、本体部１３０ａは、矩形状の外形を有する。本体部１３０ａにより、除去成分Ｌｄは遮られる。透過部１３０ｂは、本体部１３０ａの中央に設けられる。例えば、透過部１３０ｂは、本体部１３０ａを貫通するように設けられた貫通孔によって形成されてもよい。この場合、抽出成分Ｌｅは、フィルタ部材１３０と接触することなくフィルタ部材１３０を通過できる。
【００３４】
フィルタ部材１３０は、任意の部材で形成される。ただし、フィルタ部材１３０は、除去成分Ｌｄを遮るため、除去成分Ｌｄのビーム強度が高い場合は、耐熱性、耐久性および／または耐光性の高い部材から形成されることが好ましい。例えば、フィルタ部材１３０は、金属から形成されることが好ましい。
【００３５】
第２凸レンズ１２０Ｂは、焦点距離ｆ２を有する。第２凸レンズ１２０Ｂは、フーリエ面Ｆから焦点距離ｆ２だけ離れて位置する。このため、第１凸レンズ１２０Ａと第２凸レンズ１２０Ｂとは、焦点距離ｆ１と焦点距離ｆ２との和だけ離れている。
【００３６】
第２凸レンズ１２０Ｂは、第１凸レンズ１２０Ａによって形成されたフーリエ変換像から、逆フーリエ変換像を形成する。第２凸レンズ１２０Ｂによって逆フーリエ変換されたビームは、所望な形状に整形される。ここでは、第２凸レンズ１２０Ｂは、抽出成分Ｌｅに逆フーリエ変換を行い、整形成分Ｌａ’が形成される。なお、整形成分Ｌａ’の形状は、光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａを透過した透過成分Ｌａに対応する。
【００３７】
例えば、第２凸レンズ１２０Ｂから焦点距離ｆ２だけ離れた位置に、検出器Ｄが配置される。検出器Ｄは、第２凸レンズ１２０Ｂによって形成された整形成分Ｌａ’を検出する。第２凸レンズ１２０Ｂによって逆フーリエ変換された整形成分Ｌａ’は、検出器Ｄによって検出され、整形成分Ｌａ’の形状を確認できる。
【００３８】
本実施形態のビーム整形装置１００において、フーリエ面Ｆにおける抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄは、選択領域１１０ａの外形（すなわち、選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界の形状）に応じて形成される。フーリエ面Ｆにおける抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄは、選択領域１１０ａの外形に対して直交する方向に延びる。例えば、選択領域１１０ａの外形がＸ方向およびＹ方向に延びる辺を有する矩形状である場合、フーリエ面Ｆにおける抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄは、Ｙ方向およびＸ方向に延びる。
【００３９】
また、フーリエ面Ｆにおける除去成分Ｌｄは、非選択領域１１０ｂにおける回折格子１１０Ｄの格子ベクトルの方向に応じた位置に形成される。フーリエ面Ｆにおける除去成分Ｌｄの中心位置は、ビームの中心軸から回折格子１１０Ｄの格子ベクトルの方向に沿って離れた位置に位置する。例えば、非選択領域１１０ｂにおける回折格子１１０Ｄの格子ベクトルが斜め方向である場合、フーリエ面Ｆにおける除去成分Ｌｄの中心位置は、ビームＬの進行軸に対して斜め方向に位置する。
【００４０】
なお、焦点距離ｆ１と焦点距離ｆ２とは等しくてもよい。この場合、検出器Ｄにおいて検出されるビームの大きさは、光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａの大きさとほぼ等しい。
【００４１】
整形成分Ｌａ’の大きさは、第１凸レンズ１２０Ａの焦点距離ｆ１および第２凸レンズ１２０Ｂの焦点距離ｆ２に応じて調整できる。例えば、焦点距離ｆ１に対して焦点距離ｆ２を大きくすることにより、整形成分Ｌａ’を同じ形状のまま大きくできる。また、焦点距離ｆ１に対して焦点距離ｆ２を小さくすることにより、整形成分Ｌａ’を同じ形状のまま小さくできる。
【００４２】
本実施形態のビーム整形装置１００において、光位相変調部材１１０および第１凸レンズ１２０Ａは、フーリエ変換像のうちの抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとが互いに重ならないように分離し、フィルタ部材１３０は、抽出成分Ｌｅを透過させるとともに除去成分Ｌｄを遮る。このため、簡便な構成でビームを高精度に整形できる。また、光位相変調部材１１０における回折格子１１０Ｄにより、非選択領域１１０ｂの直進成分Ｌｂｓの強度を低減でき、検出器Ｄにおける整形成分Ｌａ’を光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａに対応して形成できる。
【００４３】
次に、図１および図２を参照してビーム整形装置１００におけるビームＬの形状の変化を説明する。図２（ａ）は、ビーム源ＬＤから出射されたビームＬの形状を示す模式図であり、図２（ｂ）は、光位相変調部材１１０の模式図であり、図２（ｃ）は、フーリエ変換像を示す模式図であり、図２（ｄ）は、フィルタ部材１３０を示す模式図であり、図２（ｅ）は、整形成分Ｌａ’を示す模式図である。
【００４４】
図２（ａ）に示すように、ビーム源ＬＤから出射されたビームＬは円形状である。ここでは、説明の便宜上、ビームＬの形状を円形状とし、ビームＬの強度は一定としている。なおここではビームＬは円形状であるが、ビームＬの形状は、円形状に限定されず、楕円形状または別の歪んだ形状であってもよい。
【００４５】
図２（ｂ）に示すように、光位相変調部材１１０は、選択領域１１０ａと、非選択領域１１０ｂとを有する。非選択領域１１０ｂは、選択領域１１０ａの周囲を囲む。
【００４６】
非選択領域１１０ｂは、基準領域１１０ｂ１と、遅延領域１１０ｂ２とを有する。基準領域１１０ｂ１および遅延領域１１０ｂ２は所定の繰り返しパターンに配置される。基準領域１１０ｂ１の線幅は、遅延領域１１０ｂ２の線幅とほぼ等しい。
【００４７】
遅延領域１１０ｂ２は、ビームＬの位相を基準領域１１０ｂ１に対して遅らせる。遅延領域１１０ｂ２を透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対してπずれる。なお、理論値からずれる場合、遅延領域１１０ｂ２を透過したビームＬの位相は、ビームＬの抽出が最小になるように基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対して適宜調整されてもよい。
【００４８】
ここでは、選択領域１１０ａは、ビームＬの位相を基準領域１１０ｂ１に対して基準領域１１０ｂ１による位相と遅延領域１１０ｂ２による位相との平均値となるように遅らせる。例えば、選択領域１１０ａを透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対して０．５πずれる。
【００４９】
回折格子１１０Ｄは、基準領域１１０ｂ１と、遅延領域１１０ｂ２とから形成される。基準領域１１０ｂ１および遅延領域１１０ｂ２の繰り返される方向は、格子ベクトル１１０Ｖで表される。格子ベクトル１１０Ｖは、基準領域１１０ｂ１の延びる方向および遅延領域１１０ｂ２の延びる方向と直交する。なお、ここでは、回折格子１１０Ｄの格子ベクトル１１０Ｖの方向は、選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界に対して直交しない。このため、選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界形状は、格子ベクトル１１０Ｖに対して、交差成分を有する一方で、直交成分を有さない。
【００５０】
図２（ｃ）に示すように、フーリエ変換像は、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとを有する。ビームＬは、フーリエ面Ｆにおいて、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとに分離される。抽出成分Ｌｅは、第１成分Ｌｅ１と、第２成分Ｌｅ２とを含む。第１成分Ｌｅ１は、第１方向に延びる。第２成分Ｌｅ２は、第１方向に対して交差する第２方向に延びる。除去成分Ｌｄは、第１成分Ｌｅ１および第２成分Ｌｅ２の交点から、第１方向および第２方向とは別の方向に離れて位置する。
【００５１】
ここでは、抽出成分Ｌｅは、ビームＬの進行軸に対してＸ方向に延びた第１成分Ｌｅ１と、ビームＬの進行軸に対してＹ方向に延びた第２成分Ｌｅ２とを有する。第１成分Ｌｅ１および第２成分Ｌｅ２は、ビームＬの進行軸とフーリエ面Ｆとの交点で交差する。
【００５２】
除去成分Ｌｄは、第１成分Ｌｅ１および第２成分Ｌｅ２の交点から、Ｘ方向およびＹ方向に対して斜め方向に離れて位置する。ここでは、除去成分Ｌｄは、フーリエ面Ｆにおいて、４５°および２２５°の位置に、ビームＬの進行軸から離れて位置している。除去成分Ｌｄは、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ延びる。
【００５３】
図２（ｄ）に示すように、フィルタ部材１３０は、本体部１３０ａと、透過部１３０ｂとを有する。本体部１３０ａは、矩形状の外形を有する。透過部１３０ｂは、本体部１３０ａの中央に設けられる。本体部１３０ａは、ビームＬの除去成分Ｌｄを遮光する。透過部１３０ｂは、ビームＬの抽出成分Ｌｅを透過させる。
【００５４】
ここでは、透過部１３０ｂは、第１線状部１３０ｂ１および第２線状部１３０ｂ２を有する。第１線状部１３０ｂ１は、第１方向に延びる。第２線状部１３０ｂ２は、第１方向に対して交差する第２方向に延びる。ここでは、第１線状部１３０ｂ１はＸ方向に延び、第２線状部１３０ｂ２はＹ方向に延びる。第１線状部１３０ｂ１の延びる方向は第２線状部１３０ｂ２の延びる方向と直交する。
【００５５】
図２（ｅ）に示すように、整形成分Ｌａ’は矩形状のビームプロファイルを有する。整形成分Ｌａ’内のビーム強度はほぼ均一である。
【００５６】
以上のように、本実施形態のビーム整形装置１００では、簡便な構成で高精度にビームＬを整形できる。
【００５７】
ここで、図３および図４を参照して参考例のビーム整形装置と比較して、本実施形態のビーム整形装置１００の利点を説明する。
【００５８】
図３を参照して参考例のビーム整形装置８００を説明する。図３（ａ）は、ビーム整形装置８００の模式図である。ビーム整形装置８００は、光位相変調部材８１０の回折格子およびフィルタ部材がない点で図１を参照して上述したビーム整形装置１００とは異なる。
【００５９】
図３（ｂ）は、ビーム整形装置８００における光位相変調部材８１０の模式図である。図３（ｂ）に示すように、光位相変調部材８１０は、選択領域８１０ａおよび非選択領域８１０ｂを有する。選択領域８１０ａはビームを透過する。一方、非選択領域８１０ｂは光を透過せず、光位相変調部材８１０の非選択領域８１０ｂには回折格子は設けられない。
【００６０】
図３（ｃ）は、ビーム整形装置８００において、フーリエ変換像を示す模式図である。図３（ｃ）に示すように、フーリエ変換像は、抽出成分Ｌｅを有する一方で、回折成分に起因する除去成分を有さない。抽出成分Ｌｅは、Ｘ方向に延びた第１成分Ｌｅ１と、Ｙ方向に延びた第２成分Ｌｅ２とを有する。
【００６１】
ビーム整形装置８００では、光位相変調部材８１０において回折成分が発生しない。このため、ビーム整形装置８００では、ビームを高精度に整形できない。
【００６２】
次に、図４を参照して別の参考例のビーム整形装置９００を説明する。図４（ａ）は、ビーム整形装置９００の模式図である。ビーム整形装置９００は、光位相変調部材９１０の回折格子９１０Ｄが異なり、さらにフィルタ部材がない点で図１を参照して上述したビーム整形装置１００とは異なる。
【００６３】
図４（ｂ）は、ビーム整形装置９００における光位相変調部材９１０の模式図である。図４（ｂ）に示すように、光位相変調部材９１０は、選択領域９１０ａおよび非選択領域９１０ｂを有する。
【００６４】
光位相変調部材９１０の選択領域９１０ａはビームＬを透過する。選択領域９１０ａは、ビームＬを均一に透過する。
【００６５】
非選択領域９１０ｂは、基準領域９１０ｂ１と、遅延領域９１０ｂ２とを有する。遅延領域９１０ｂ２は、ビームＬの位相を基準領域９１０ｂ１に対して遅らせる。基準領域９１０ｂ１および遅延領域９１０ｂ２は所定のパターンに繰り返して形成される。遅延領域９１０ｂ２を透過したビームＬの位相は、基準領域９１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対してπずれている。また、選択領域９１０ａを透過したビームＬの位相は、基準領域９１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対して基準領域９１０ｂ１による位相と遅延領域９１０ｂ２による位相の平均値だけずれている。
【００６６】
図４（ｃ）は、ビーム整形装置９００において、フーリエ変換像を示す模式図である。図４（ｃ）に示すように、フーリエ変換像は、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとを有する。抽出成分Ｌｅは、ビームＬの進行軸に対してＸ方向に延びた第１成分Ｌｅ１と、ビームＬの進行軸に対してＹ方向に延びた第２成分Ｌｅ２とを有する。除去成分Ｌｄは、ビームＬの進行軸とフーリエ面Ｆとの交点から、Ｘ方向に離れて位置している。
【００６７】
図４（ｃ）に示すように、ビーム整形装置９００では、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとが重なる。このため、除去成分Ｌｄを抽出成分Ｌｅから分離できない。したがって、ビーム整形装置９００では、第２凸レンズ９２０Ｂが逆フーリエ変換像を形成することによって得られた整形成分Ｌａ’は除去成分Ｌｄを含有することになる。
【００６８】
また、ビーム整形装置９００において仮にフィルタ部材を設けたとしても、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとが重なるため、除去成分Ｌｄを除去する際に抽出成分Ｌｅの一部が除去されることになる。このため、ビーム整形装置９００では、整形成分Ｌａ’を高精度に整形できない。
【００６９】
このように、図３に示したビーム整形装置８００および図４に示したビーム整形装置９００では、ビームＬから回折光に起因する除去成分Ｌｄを適切に分離できない。これに対して、図１に示したビーム整形装置１００では、抽出成分Ｌｅを除去成分Ｌｄから分離できるため、フィルタ部材１３０が、抽出成分Ｌｅを透過する一方で除去成分Ｌｄを遮ることにより、ビームＬから整形成分Ｌａ’を高精度に整形できる。
【００７０】
なお、図１および図２を参照して説明したビーム整形装置１００では、光位相変調部材１１０の回折格子１１０Ｄの格子ベクトル１１０Ｖは、Ｘ方向およびＹ方向に交差して斜め方向に延びる。例えば、斜め方向の格子ベクトル１１０Ｖを有する回折格子１１０Ｄは以下のように形成される。
【００７１】
例えば、図５（ａ）に示すように、光位相変調部材１１０の透過面１１０ｔに、光位相変調部材１１０の側面に対して斜めに延びる格子ベクトル１１０Ｖを有する回折格子１１０Ｄを形成する。また、光位相変調部材１１０が液晶素子を有するＳＬＭを含む場合、液晶素子の画素に印加する電圧を制御することにより、透過面１１０ｔ上の格子ベクトル１１０Ｖの方向を変更できる。
【００７２】
あるいは、図５（ｂ）に示すように、光位相変調部材１１０の透過面１１０ｔに、光位相変調部材１１０の側面に対して平行または垂直に延びる格子ベクトル１１０Ｖを有する回折格子１１０Ｄを形成した上で、光位相変調部材１１０の向きを変更してもよい。なお、光位相変調部材１１０がＳＬＭを含む場合、光位相変調部材１１０の向きの変更に応じてＳＬＭに設定された偏光方向に適宜調整することが好ましい。また、位相の設定範囲がＳＬＭの制御領域を超える場合、透過面全体または反射面全体に渡って位相を足し引きしてもよい。
【００７３】
なお、図１を参照して上述した説明では、光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂに回折格子１１０Ｄが設けられる一方で、光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａによる位相変化は全体にわたって一定であり、光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａはビームＬを矩形状に均一に抽出したが、本発明はこれに限定されない。選択領域１１０ａは、領域に応じてビームＬを選択的に抽出してもよい。
【００７４】
次に、図６を参照して、本実施形態のビーム整形装置１００を説明する。図６は、本実施形態のビーム整形装置１００の模式図である。図６に示したビーム整形装置１００は、光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａに回折格子１１０Ｇが設けられている点を除いて、図１を参照して上述したビーム整形装置１００と同様の構成を有している。このため、冗長を避けるために重複する記載を省略する。
【００７５】
図６（ａ）は、本実施形態のビーム整形装置１００の模式的な斜視図であり、図６（ｂ）は、本実施形態のビーム整形装置１００の模式的な側面図である。本実施形態のビーム整形装置１００は、光位相変調部材１１０と、第１凸レンズ１２０Ａと、第２凸レンズ１２０Ｂと、フィルタ部材１３０とを備える。光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａには回折格子１１０Ｇが設けられており、非選択領域１１０ｂには回折格子１１０Ｄが設けられている。
【００７６】
光位相変調部材１１０は、ビームＬの位相を変調する。ここでも、ビームＬは、光位相変調部材１１０を透過する。ビームＬが光位相変調部材１１０を透過するとき、ビームＬの位相は変調される。光位相変調部材１１０は、ビームＬを透過する透過面１１０ｔを有する。光位相変調部材１１０は、進行方向を変更することなくビームＬの一部を透過し、ビームＬの別の一部を回折して透過する。
【００７７】
透過面１１０ｔは、選択領域１１０ａと、非選択領域１１０ｂとを有する。光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａは、ビームＬの整形すべき形状に対応する。非選択領域１１０ｂは、選択領域１１０ａの周囲に位置する。ここでは、選択領域１１０ａは矩形状である。選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界は、Ｘ方向およびＹ方向に平行である。選択領域１１０ａのＸ方向の長さは選択領域１１０ａのＹ方向の長さとほぼ等しい。
【００７８】
光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａには回折格子１１０Ｇが設けられる。ビームＬが光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａを透過することにより、透過成分Ｌａが形成される。回折格子１１０Ｇにより、ビームＬの一部は回折する。
【００７９】
光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａにより、ビームＬから透過成分Ｌａとして直進成分Ｌａｓおよび回折成分Ｌａｄが形成される。ビームＬの直進成分ＬａｓはＺ方向に沿って進行する。直進成分Ｌａｓは０次光である。
【００８０】
ビームＬの回折成分Ｌａｄは回折方向に進行する。回折成分Ｌａｄは１次回折光を含む。例えば、回折成分Ｌａｄは±１次回折光である。なお、実際には、回折成分Ｌａｄとして１次回折光だけでなく２次回折光、３次回折光等の高次回折光が発生する。
【００８１】
また、光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂには回折格子１１０Ｄが設けられる。ビームＬが光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂを透過することにより、透過成分Ｌｂが形成される。回折格子１１０Ｄにより、ビームＬの一部は回折する。
【００８２】
光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂにより、ビームＬから透過成分Ｌｂとして直進成分Ｌｂｓおよび回折成分Ｌｂｄが形成される。ビームＬの直進成分ＬｂｓはＺ方向に沿って進行する。直進成分Ｌｂｓは０次光である。
【００８３】
ビームＬの回折成分Ｌｂｄは回折方向に進行する。回折成分Ｌｂｄは１次回折光を含む。例えば、回折成分Ｌｂｄは±１次回折光である。なお、実際には、回折成分Ｌｂｄとして１次回折光だけでなく２次回折光、３次回折光等の高次回折光が発生する。
【００８４】
第１凸レンズ１２０Ａは、光位相変調部材１１０の透過面１１０ｔを透過した透過成分Ｌａ、Ｌｂをフーリエ変換して、フーリエ面Ｆにフーリエ変換像を形成する。フーリエ面Ｆは、第１凸レンズ１２０Ａから焦点距離ｆ１だけ離れて位置する。フーリエ変換像は、ビームＬの抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄを含む。
【００８５】
第１凸レンズ１２０Ａは、ビームＬのうち光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａを透過した直進成分Ｌａｓをフーリエ面Ｆに集光する。第１凸レンズ１２０Ａは、光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂを透過した直進成分Ｌｂｓをフーリエ面Ｆに集光する。直進成分Ｌａｓおよび直進成分ＬｂｓからビームＬの抽出成分Ｌｅが形成される。フーリエ変換像において、抽出成分Ｌｅは、Ｘ方向およびＹ方向に延びる。抽出成分Ｌｅのうち空間周波数の低い成分は、ビームＬの進行軸近傍に位置する。一方、抽出成分Ｌｅのうち空間周波数の高い成分は、ビームＬの進行軸から離れた場所に位置する。
【００８６】
さらに、第１凸レンズ１２０Ａは、光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａを透過した回折成分Ｌａｄをフーリエ面Ｆにおいて直進成分Ｌａｓとは異なる位置に集光する。また、第１凸レンズ１２０Ａは、光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂを透過した回折成分Ｌｂｄをフーリエ面Ｆにおいて直進成分Ｌｂｓとは異なる位置に集光する。回折成分Ｌａｄおよび回折成分Ｌｂｄをフーリエ変換することによって得られた除去成分Ｌｄは、フーリエ面ＦにおいてビームＬの進行軸から離れて位置する。ここでは、除去成分Ｌｄは、フーリエ面Ｆにおいて抽出成分Ｌｅとは離れて位置する。
【００８７】
ここでは、回折成分Ｌａｄおよび回折成分ＬｂｄからビームＬの除去成分Ｌｄが形成される。除去成分Ｌｄは、フーリエ面Ｆにおいて、Ｘ方向およびＹ方向とは異なる方向に位置し、Ｘ方向およびＹ方向に延びる。
【００８８】
本実施形態のビーム整形装置１００では、光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａにも回折格子１１０Ｇが設けられる。このため、ビームＬのうち光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａに対応する部分が、場所に応じて異なるビーム強度分布を有していても、回折格子１１０Ｇにより、直進成分Ｌａｓのビーム強度をほぼ一定にできる。
【００８９】
次に、図６および図７を参照して本実施形態のビーム整形装置１００を説明する。図７（ａ）は、ビーム源ＬＤから出射されたビームＬの形状を示す模式図であり、図７（ｂ）は、整形成分Ｌａ’を示す模式図であり、図７（ｃ）は、ビームＬの伝達関数を示す模式図であり、図７（ｄ）は、光位相変調部材１１０の模式図である。図７（ｅ）は、フーリエ変換像を示す模式図である。
【００９０】
図７（ａ）に示すように、ビーム源ＬＤから出射されたビームＬは、中央部において高い強度を示し、中央部から離れるにしたがって低い強度を示す。
【００９１】
図７（ｂ）に示すように、形成すべき整形成分Ｌａ’は矩形状のビームプロファイルを有する。なお、矩形内のビーム強度はほぼ一定である。
【００９２】
図７（ｃ）に、ビームＬの伝達関数を示す。伝達関数Ｔは、各領域のビームＬの強度に対する整形成分Ｌａ’の比（伝達値）で表される。ここでは、伝達関数Ｔのうち中央の矩形は光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａに対応し、伝達関数Ｔのうち矩形の周囲は光位相変調部材１１０の非選択領域１１０ｂに対応する。矩形外側の伝達値は略ゼロである。矩形内側のうちの外周の伝達値は比較的高く、矩形内側のうちの四隅の伝達値は最大値（例えば、略１）である。矩形から内側に向かって矩形の中心に近づくにつれて伝達値は徐々に減少する。なお、矩形内側のうちの四隅の伝達値は１でなくてもよい。例えば、ビームＬの伝達関数を全体的に低くする場合、四隅の伝達値は１よりも小さくてもよい。
【００９３】
図７（ｄ）は、図７（ｃ）に示した伝達関数Ｔを実現するための光位相変調部材１１０の模式図である。ここでは、非選択領域１１０ｂは、基準領域１１０ｂ１と、遅延領域１１０ｂ２とを有する。遅延領域１１０ｂ２は、ビームＬの位相を基準領域１１０ｂ１に対して遅らせる。基準領域１１０ｂ１および遅延領域１１０ｂ２は所定のパターンに繰り返して形成される。遅延領域１１０ｂ２を透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対してπずれている。
【００９４】
選択領域１１０ａは、第１遅延領域１１０ａ１と、第２遅延領域１１０ａ２と、第３遅延領域１１０ａ３とを有する。第１遅延領域１１０ａ１は、矩形状の選択領域１１０ａのうちの略四隅に位置する。第１遅延領域１１０ａ１を透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対して基準領域１１０ｂ１による位相と遅延領域１１０ｂ２による位相との平均値だけずれている。
【００９５】
選択領域１１０ａのうち、四隅の第１遅延領域１１０ａ１以外は、第２遅延領域１１０ａ２および第３遅延領域１１０ａ３は所定の繰り返しパターンとなるように交互に形成される。第２遅延領域１１０ａ２を透過したビームＬの位相は、第１遅延領域１１０ａ１を透過したビームＬの位相よりも進んでおり、第３遅延領域１１０ａ３を透過したビームＬの位相は、第１遅延領域１１０ａ１を透過したビームＬの位相よりも遅れている。例えば、第２遅延領域１１０ａ２を透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対して０．３πずれている。第３遅延領域１１０ａ３を透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対し０．７πずれている。このように、第２遅延領域１１０ａ２による位相と第３遅延領域１１０ａ３による位相を場所によって変えることで、場所によって伝達値を変化させることができる。このように、第２遅延領域１１０ａ２による位相と第３遅延領域１１０ａ３による位相を場所によって変えることで、場所によって伝達値を変化させることができる。例えば、ビームＬの強度の比較的高い部分の伝達値を低くする一方で、ビームＬの強度の比較的弱い部分の伝達値を高くすることで、検出器Ｄにて検出される整形成分Ｌａ’内の強度を均一に調整できる。
【００９６】
図７（ｅ）に、フーリエ面Ｆにおけるフーリエ変換像を示す。図７（ｅ）に示すように、フーリエ変換像は、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとを有する。抽出成分Ｌｅは、Ｘ方向に延びた第１成分Ｌｅ１と、Ｙ方向に延びた第２成分Ｌｅ２とを有する。除去成分Ｌｄは、ビームＬの進行軸とフーリエ面Ｆとの交点から離れて、４５°および２２５°に位置している。
【００９７】
なお、図７を参照した上述の説明では、図７（ｂ）に示したように、整形成分Ｌａ’を矩形状に形成したが、本実施形態はこれに限定されない。光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界を適宜調整することにより、整形成分Ｌａ’の形状を任意に形成できる。
【００９８】
例えば、光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａを複数の矩形が交互に配置されるように設定することにより、図８（ａ）に示すように、整形成分Ｌａ’をメッシュ状に形成できる。
【００９９】
または、光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界を六角形状に形成することにより、図８（ｂ）に示すように、整形成分Ｌａ’を六角形状に形成できる。
【０１００】
あるいは、光位相変調部材１１０の選択領域１１０ａを互いに向かい合う２つのＵ字状に設定することにより、図８（ｂ）に示すように、整形成分Ｌａ’を２か所切り欠かれた環状構造に形成できる。
【０１０１】
なお、図１および図６に示した光位相変調部材１１０において非選択領域１１０ｂには、１つの格子ベクトル１１０Ｖで示される回折格子１１０Ｄが設けられたが、本実施形態はこれに限定されない。非選択領域１１０ｂには、２つの格子ベクトル１１０Ｖで示される回折格子１１０Ｄが設けられてもよい。
【０１０２】
図９（ａ）は、光位相変調部材１１０の模式図である。光位相変調部材１１０は、選択領域１１０ａと、非選択領域１１０ｂとを有する。非選択領域１１０ｂは、選択領域１１０ａの周囲を囲む。
【０１０３】
非選択領域１１０ｂは、基準領域１１０ｂ１と、遅延領域１１０ｂ２とを有する。基準領域１１０ｂ１の線幅は、遅延領域１１０ｂ２の線幅とほぼ等しい。ここでは、遅延領域１１０ｂ２は、異なる２方向に延びる。２つの方向は互いに直交しており、２つの方向はそれぞれＸ方向およびＹ方向と交差する。
【０１０４】
遅延領域１１０ｂ２は、ビームＬの位相を基準領域１１０ｂ１に対して遅らせる。基準領域１１０ｂ１および遅延領域１１０ｂ２は所定の繰り返しパターンに配置される。遅延領域１１０ｂ２を透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対してπずれる。
【０１０５】
ここでは、選択領域１１０ａは、ビームＬの位相を基準領域１１０ｂ１に対して基準領域１１０ｂ１による位相と遅延領域１１０ｂ２による位相との平均値だけ遅らせる。例えば、選択領域１１０ａを透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対して０．５πずれる。
【０１０６】
回折格子１１０Ｄは、基準領域１１０ｂ１と、遅延領域１１０ｂ２とから形成される。基準領域１１０ｂ１および遅延領域１１０ｂ２の繰り返される方向は、格子ベクトル１１０Ｖ１、１１０Ｖ２で表される。格子ベクトル１１０Ｖ１、１１０Ｖ２は、基準領域１１０ｂ１の延びる方向および遅延領域１１０ｂ２の延びる方向と直交する。また、ここでは、回折格子１１０Ｄの格子ベクトル１１０Ｖ１、１１０Ｖ２の方向は、選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界に対して交差する。
【０１０７】
図９（ｂ）は、フーリエ変換像を示す模式図である。図９（ｂ）に示すように、フーリエ変換像は、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとを有する。ビームＬは、フーリエ面Ｆにおいて、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとに分離される。抽出成分Ｌｅは、Ｘ方向に延びた第１成分Ｌｅ１と、Ｙ方向に延びた第２成分Ｌｅ２とを有する。第１成分Ｌｅ１および第２成分Ｌｅ２は、ビームＬの進行軸とフーリエ面Ｆとの交点で交差する。
【０１０８】
除去成分Ｌｄは、第１成分Ｌｅ１および第２成分Ｌｅ２の交点からＸ方向およびＹ方向とは異なる方向に離れて位置する。ここでは、除去成分Ｌｄは、フーリエ面Ｆにおいて、４５°、１３５°、２２５°および３１５°の位置に、ビームＬの進行軸から離れて位置している。除去成分Ｌｄは、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ延びる。
【０１０９】
上述したように、選択領域１１０ａの外形（すなわち、選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界の形状）に応じて、フーリエ面Ｆにおける抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄの延びる方向が決まる。フーリエ面Ｆにおける抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄは、選択領域１１０ａの外形に対して直交する方向に延びる。
【０１１０】
例えば、選択領域１１０ａの外形がＸ方向およびＹ方向に対して平行な辺を有する場合、フーリエ面Ｆにおける抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄは、Ｙ方向およびＸ方向に平行に延びる。
【０１１１】
また、非選択領域１１０ｂにおける回折格子１１０Ｄのベクトル方向（すなわち、基準領域１１０ｂ１と遅延領域１１０ｂ２との配列される方向）に応じて、フーリエ面Ｆにおける除去成分Ｌｄの位置が決まる。フーリエ面Ｆにおける除去成分Ｌｄの中心位置は、ビームの中心軸から回折格子１１０Ｄのベクトル方向に沿って離れた位置に位置する。
【０１１２】
例えば、非選択領域１１０ｂにおける回折格子１１０Ｄのベクトル方向（すなわち、基準領域１１０ｂ１と遅延領域１１０ｂ２との配列される方向）がＸ方向およびＹ方向に対してそれぞれ交差する斜めに沿っている場合、フーリエ面Ｆにおける除去成分Ｌｄの中心位置はＸ方向およびＹ方向に対してそれぞれ交差する斜めに位置する。
【０１１３】
なお、図１、図６および図９に示した光位相変調部材１１０では、選択領域１１０ａはＸ方向およびＹ方向に平行な辺を有する矩形状であり、非選択領域１１０ｂの回折格子１１０Ｄの格子ベクトルがＸ方向およびＹ方向の辺に対して交差したが、本実施形態はこれに限定されない。選択領域１１０ａがＸ方向およびＹ方向に交差する辺を有し、非選択領域１１０ｂの回折格子１１０Ｄの格子ベクトル１１０ＶがＸ方向および／またはＹ方向に平行であってもよい。
【０１１４】
図１０（ａ）は、光位相変調部材１１０の模式図である。光位相変調部材１１０は、選択領域１１０ａと、非選択領域１１０ｂとを有する。非選択領域１１０ｂは、選択領域１１０ａの周囲を囲む。ここでは、選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界は、Ｘ方向およびＹ方向に対して交差する。
【０１１５】
非選択領域１１０ｂは、基準領域１１０ｂ１と、遅延領域１１０ｂ２とを有する。基準領域１１０ｂ１の線幅は、遅延領域１１０ｂ２の線幅とほぼ等しい。ここでは、基準領域１１０ｂ１および遅延領域１１０ｂ２はＹ方向に延びる。
【０１１６】
遅延領域１１０ｂ２は、ビームＬの位相を基準領域１１０ｂ１に対して遅らせる。基準領域１１０ｂ１および遅延領域１１０ｂ２は所定の繰り返しパターンに配置される。遅延領域１１０ｂ２を透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対してπずれる。
【０１１７】
ここでは、選択領域１１０ａは、ビームＬの位相を基準領域１１０ｂ１に対して基準領域１１０ｂ１による位相と遅延領域１１０ｂ２による位相との平均値だけ遅らせる。例えば、選択領域１１０ａを透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対して０．５πずれる。
【０１１８】
回折格子１１０Ｄは、基準領域１１０ｂ１と、遅延領域１１０ｂ２とから形成される。基準領域１１０ｂ１および遅延領域１１０ｂ２の繰り返される方向は、格子ベクトル１１０Ｖで表される。格子ベクトル１１０Ｖは、基準領域１１０ｂ１の延びる方向および遅延領域１１０ｂ２の延びる方向と直交する。
【０１１９】
図１０（ｂ）は、フーリエ変換像を示す模式図である。図１０（ｂ）に示すように、フーリエ変換像は、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとを有する。ビームＬは、フーリエ面Ｆにおいて、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとに分離される。抽出成分Ｌｅは、Ｘ方向およびＹ方向に対して交差する方向に延びた第１成分Ｌｅ１と、第１成分Ｌｅ１に対して直交する方向に延びた第２成分Ｌｅ２とを有する。第１成分Ｌｅ１および第２成分Ｌｅ２は、ビームＬの進行軸とフーリエ面Ｆとの交点で交差する。
【０１２０】
また、ここでは、除去成分Ｌｄは、第１成分Ｌｅ１および第２成分Ｌｅ２の交点からＸ方向に離れて位置する。ここでは、除去成分Ｌｄは、フーリエ面Ｆにおいて、０°および１８０°の位置に、ビームＬの進行軸から離れて位置している。除去成分Ｌｄは、第１成分Ｌｅ１および第２成分Ｌｅ２の延びる方向と平行に延びる。
【０１２１】
上述したように、選択領域１１０ａの外形（すなわち、選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界の形状）に応じて、フーリエ面Ｆにおける抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄの延びる方向が決まる。フーリエ面Ｆにおける抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄは、選択領域１１０ａの外形に対して直交する方向に延びる。例えば、選択領域１１０ａの外形がＸ方向およびＹ方向に対して４５°に交差する辺を有する場合、フーリエ面Ｆにおける抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄは、Ｙ方向およびＸ方向に対して４５°に交差するように延びる。
【０１２２】
また、フーリエ面Ｆにおける除去成分Ｌｄは、非選択領域１１０ｂにおける回折格子１１０Ｄの格子ベクトル１１０Ｖに応じた位置に形成される。フーリエ面Ｆにおける除去成分Ｌｄの中心位置は、ビームの中心軸から回折格子１１０Ｄのベクトル方向に沿って離れた位置に位置する。例えば、非選択領域１１０ｂにおける回折格子１１０Ｄの格子ベクトル方向１１０ＶがＸ方向に平行である場合、フーリエ面Ｆにおける除去成分Ｌｄの中心位置は、ビームの進行軸に対してＸ方向にずれた場所に位置する。
【０１２３】
なお、図１、図６、図９および図１０に示した光位相変調部材１１０において選択領域１１０ａは矩形状であったが、本発明はこれに限定されない。選択領域１１０ａは任意の形状であってもよい。例えば、選択領域１１０ａは多角形であることが好ましい。特に、選択領域１１０ａは正方形または正六角形であることが好ましい。選択領域１１０ａは長方形、正方形または正六角形であることにより、長方形、正方形または正六角形に整形されたビームを形成できる。このため、本実施形態のビーム整形装置１００は、対象物の同一平面の異なる位置にマルチショットを実現するために好適に用いられる。また、光位相変調部材１１０にビームを斜めに入射する事を考慮し、選択領域１１０ａをビームに対して斜めに延びた形状に形成してもよい。
【０１２４】
図１１（ａ）は、光位相変調部材１１０の模式図である。光位相変調部材１１０は、選択領域１１０ａと、非選択領域１１０ｂとを有する。非選択領域１１０ｂは、選択領域１１０ａの周囲を囲む。ここでは、選択領域１１０ａは、正三角形状である。選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界は、Ｘ方向に平行な１つの辺と、Ｘ方向およびＹ方向に交差する２つの辺とを含む。
【０１２５】
非選択領域１１０ｂは、基準領域１１０ｂ１と、遅延領域１１０ｂ２とを有する。基準領域１１０ｂ１の線幅は、遅延領域１１０ｂ２の線幅とほぼ等しい。ここでは、基準領域１１０ｂ１および遅延領域１１０ｂ２はＹ方向に延びる。
【０１２６】
遅延領域１１０ｂ２は、ビームＬの位相を基準領域１１０ｂ１に対して遅らせる。基準領域１１０ｂ１および遅延領域１１０ｂ２は所定の繰り返しパターンに配置される。遅延領域１１０ｂ２を透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対してπずれる。
【０１２７】
ここでは、選択領域１１０ａは、ビームＬの位相を基準領域１１０ｂ１に対して基準領域１１０ｂ１による位相と遅延領域１１０ｂ２による位相との平均値だけ遅らせる。なお、選択領域１１０ａを透過したビームＬの位相は、基準領域１１０ｂ１を透過したビームＬの位相に対して０．５πずれる。
【０１２８】
回折格子１１０Ｄは、基準領域１１０ｂ１と、遅延領域１１０ｂ２とから形成される。基準領域１１０ｂ１および遅延領域１１０ｂ２の繰り返される方向は、格子ベクトル１１０Ｖで表される。格子ベクトル１１０Ｖは、基準領域１１０ｂ１の延びる方向および遅延領域１１０ｂ２の延びる方向と直交する。
【０１２９】
図１１（ｂ）は、フーリエ変換像を示す模式図である。図１１（ｂ）に示すように、フーリエ変換像は、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとを有する。ビームＬは、フーリエ面Ｆにおいて、抽出成分Ｌｅと除去成分Ｌｄとに分離される。
【０１３０】
抽出成分Ｌｅは、ビームＬの進行軸に対してＸ方向およびＹ方向に対して交差する方向に延びた第１成分Ｌｅ１と、Ｙ方向に平行に延びる第２成分Ｌｅ２と、ビームＬの進行軸に対してＸ方向およびＹ方向に対して交差する方向に延びた第３成分Ｌｅ３とを有する。第１成分Ｌｅ１と第２成分Ｌｅ２とのなす角は６０°であり、第２成分Ｌｅ２と第３成分Ｌｅ３とのなす角は６０°であり、第１成分Ｌｅ１と第３成分Ｌｅ３とのなす角は６０°である。第１成分Ｌｅ１、第２成分Ｌｅ２および第３成分Ｌｅ３は、ビームＬの進行軸とフーリエ面Ｆとの交点で交差する。
【０１３１】
ここでは、除去成分Ｌｄは、第１成分Ｌｅ１および第２成分Ｌｅ２の交点からＸ方向に離れて位置する。ここでは、除去成分Ｌｄは、フーリエ面Ｆにおいて、０°および１８０°の位置に、ビームＬの進行軸から離れて位置している。除去成分Ｌｄは、第１成分Ｌｅ１、第２成分Ｌｅ２および第３成分Ｌｅ３の延びる方向と平行に延びる。
【０１３２】
上述したように、選択領域１１０ａの外形（すなわち、選択領域１１０ａと非選択領域１１０ｂとの境界の形状）に応じて、フーリエ面Ｆにおける抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄの延びる方向が決まる。フーリエ面Ｆにおける抽出成分Ｌｅおよび除去成分Ｌｄは、選択領域１１０ａの外形に対して直交する方向に延びる。
【０１３３】
また、フーリエ面Ｆにおける除去成分Ｌｄは、非選択領域１１０ｂにおける回折格子１１０Ｄの格子ベクトル１１０Ｖに応じた位置に形成される。フーリエ面Ｆにおける除去成分Ｌｄの中心位置は、ビームの中心軸から回折格子１１０Ｄのベクトル方向に沿って離れた位置に位置する。
【０１３４】
ここで、図１２および図１３を参照して本実施形態のビーム整形装置１００においてビーム強度の不均一性およびエッジ急峻度を測定した結果を説明する。図１２は、測定を行った本実施形態のビーム整形装置１００の模式図である。
【０１３５】
ビーム整形装置１００は、光位相変調部材１１０と、第１凸レンズ１２０Ａと、第２凸レンズ１２０Ｂと、フィルタ部材１３０とを備えた。ビーム源ＬＤとして波長７８０ｎｍの半導体レーザ装置を用いた。ビームのパワーは１０ｍＷであり、ビーム径（１／ｅ2）は２．５ｍｍであった。光位相変調部材１１０として浜松ホトニクス社製のＬＣＯＳ−ＳＬＭ  Ｘ−１０４６８−０２を用いた。ビーム整形装置１００によって整形されたビームは、ビームプロファイラーによって検出された。
【０１３６】
ビーム源ＬＤから出射されたビームＬは、偏光子Ｐｏを透過し、反射ミラーＭ１および反射ミラーＭ２を介して光位相変調部材１１０に到達するように偏光子Ｐｏ、反射ミラーＭ１および反射ミラーＭ２を配置した。偏光子Ｐｏとして水平偏光子を用いた。また、偏光子Ｐｏと反射ミラーＭ１との間に、焦点距離１００ｍｍの凸レンズＣ１を配置した。さらに、反射ミラーＭ２と光位相変調部材１１０との間に、焦点距離２００ｍｍの凸レンズＣ２、焦点距離１００ｍｍの凸レンズＣ３および焦点距離２００ｍｍの凸レンズＣ４を配置して、光位相変調部材１１０に入射するビーム径を９．８ｍｍとした。また、凸レンズＣ３の焦点面に開口径３０μｍのピンホールＰを配置した。光位相変調部材１１０に対するビームの入射角は７．５°に設定した。
【０１３７】
まず、参考例のビーム整形装置として、図４と同様に、格子ベクトルがＸ方向に平行な回折格子を形成するように光位相変調部材９１０を調整した。また、ここでは、ビームの進行軸近傍に直径２ｍｍの開口径を有するフィルタ部材を第１凸レンズのフーリエ面に配置した。
【０１３８】
一方、本実施形態のビーム整形装置として、図１と同様に、格子ベクトルが斜め方向の回折格子を形成するように光位相変調部材１１０を調整した。また、ここでは、ビームの進行軸に対して直交する方向に幅２ｍｍの交差形状の開口部を有するフィルタ部材１３０を第１凸レンズ１２０Ａのフーリエ面に配置した。
【０１３９】
図１３（ａ）は、参考例のビーム整形装置における整形成分Ｌａ’を示す図であり、図１３（ｂ）は、本実施形態のビーム整形装置１００における整形成分を示す図である。図１３（ａ）に示すように、参考例のビーム整形装置では、整形成分Ｌａ’は場所に応じて不均一であった。特に、矩形状の外周近傍の強度が場所に応じて大きく変動した。一方、図１３（ｂ）に示すように、ビーム整形装置１００では、整形成分Ｌａ’はほぼ一定の強度を示した。
【０１４０】
図１３（ｃ）は、図１３（ａ）の一部拡大図であり、図１３（ｄ）は、図１３（ｂ）の一部拡大図である。図１３（ｃ）に示すように、参考例のビーム整形装置では、整形成分Ｌａ’の矩形外形は直線とは言えなかった。一方、図１３（ｄ）に示すように、ビーム整形装置１００では、整形成分Ｌａ’の矩形外形はほぼ直線であった。
【０１４１】
ここで、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示した整形成分Ｌａ’のビーム不均一性およびエッジ急峻度を求めた。
【０１４２】
ビーム不均一性は、パワー密度の平均値に対するパワー密度の二乗平均平方根で表される。ビーム不均一性は、値がゼロに近いほどビームの均一性が高いことを示す。
【０１４３】
また、エッジ急峻度は、（Ａ1−Ａ2）／Ａ1で表される。ここで、Ａ1は、ビームのパワーのピーク強度の１０％となる領域の面積であり、Ａ2は、ビームのパワーのピーク強度の５０％となる領域の面積である。例えば、ビームのパワーが垂直立ち上がる場合、Ａ1＝Ａ2となるため、エッジ急峻度はゼロとなり、小さな方がエッジ急峻度が良い。
【０１４４】
参考例のビーム整形装置における整形成分Ｌａ’では、ビーム不均一性は０．０８７であったのに対して、ビーム整形装置１００における整形成分Ｌａ’では、ビーム不均一性は０．０４６であり、ビーム不均一性は、半分程度にまで低減された。また、参考例のビーム整形装置における整形成分Ｌａ’では、エッジ急峻度は０．０７３であったのに対して、ビーム整形装置１００における整形成分Ｌａ’では、ビーム不均一性は０．０２７であり、エッジ急峻度は、半分以下にまで低減された。
【０１４５】
以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施形態として実施することが可能である。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明の形成が可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の個数等は、図面作成の都合から実際とは異なる場合もある。また、上記の実施形態で示す各構成要素は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果を実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【０１４６】
例えば、フィルタ部材１３０は、必ずしも第１凸レンズ１２０Ａのフーリエ面Ｆに配置されなくてもよい。例えば、フィルタ部材１３０は、除去成分Ｌｄを遮り、かつ、抽出成分Ｌｅを遮らないように第１凸レンズ１２０Ａのフーリエ面Ｆからややずれた位置に配置されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本実施形態のビーム整形装置は、種々の用途に適用可能である。例えば、本実施形態のビーム整形装置は、ビームの整形用途に適用可能である。
【符号の説明】
【０１４８】
１００    ビーム整形装置
１１０    光位相変調部材
１２０Ａ  第１凸レンズ
１２０Ｂ  第２凸レンズ
１３０    フィルタ部材
【図１】
2019244985.tif 000003
【図２】
2019244985.tif 000004
【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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【手続補正書】
【提出日】令和1年11月14日(2019.11.14)
【手続補正１】
【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】
第１回折パターンの回折格子の設けられた非選択領域と、前記第１回折パターンの設けられない選択領域とを含む光位相変調部材と、
前記光位相変調部材によって位相の変調されたビームから、抽出成分と除去成分とを有するフーリエ変換像を形成する第１凸レンズと、
前記第１凸レンズによって形成されたフーリエ変換像から逆フーリエ変換像を形成する第２凸レンズと、
フィルタ部材と
を備え、
前記非選択領域は、前記選択領域に隣接して配置され、
前記光位相変調部材および前記第１凸レンズは、前記フーリエ変換像のうちの前記抽出成分と前記除去成分とが互いに重ならないように分離し、
前記フィルタ部材は、前記抽出成分を透過するとともに、前記除去成分を遮る、ビーム整形装置。
【請求項２】
前記光位相変調部材の前記回折格子の格子ベクトルは、前記選択領域と前記非選択領域との境界に対して直交しない、請求項１に記載のビーム整形装置。
【請求項３】
前記光位相変調部材において、前記選択領域と前記非選択領域との境界は矩形状である、請求項１または２に記載のビーム整形装置。
【請求項４】
前記フィルタ部材は、
前記除去成分を遮る本体部と、
前記本体部に設けられ、前記抽出成分を透過する透過部と
を有する、請求項１から３のいずれかに記載のビーム整形装置。
【請求項５】
前記光位相変調部材の前記選択領域に、前記第１回折パターンとは異なる第２回折パターンの回折格子が設けられる、請求項１から４のいずれかに記載のビーム整形装置。
【請求項６】
前記光位相変調部材において、前記非選択領域は、前記選択領域の周囲に配置されている、請求項１から５のいずれかに記載のビーム整形装置。
【請求項７】
前記光位相変調部材の前記回折格子の格子ベクトルは、前記選択領域と前記非選択領域との境界のいずれとも直交しない、請求項２に記載のビーム整形装置。
【請求項８】
前記ビーム整形装置において整形されたビームによって加工される加工対象物は、前記第２凸レンズの焦点位置に配置される、請求項１から７のいずれかに記載のビーム整形装置。
【請求項９】
前記光位相変調部材は、空間光変調器を含む、請求項１から８のいずれかに記載のビーム整形装置。
【国際調査報告】
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2019244985.tif 000017
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