CN110622059B - 光图案生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明的光图案生成装置(100)的特征在于，该光图案生成装置(100)具备：第1激光光源(1)，其射出第1激光；第1衍射光学元件(2a)，其根据所述第1激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述第1激光的相位，射出具有相位分布的激光；第2衍射光学元件(2b)，其根据入射的激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述入射的激光的相位，射出形成光图案的激光；以及转变光学系统(3)，其配置在所述第1衍射光学元件与所述第2衍射光学元件之间，将从所述第1衍射光学元件(2a)射出的激光的相位分布转变成入射到所述第2衍射光学元件(2b)的激光的相位分布。通过该结构，能够无需考虑由第一个衍射光学元件(2a)的输出光的传播引起的波阵面变化，简单地设计第二个衍射光学元件(2b)。

Description

光图案生成装置

技术领域

本发明涉及生成光图案的光图案生成装置。

背景技术

将入射光变换成期望图案的衍射光学元件(DOE：Diffractive OpticalElements)适用于各种光学装置等。代表性的应用有材料加工、印刷、光学计测、照明等。例如，在激光加工机中，衍射光学元件起到将入射光束分支成多个光束的功能。并且，通过设计分支光的位置和强度，还适用于生成期望图案的照明装置。

衍射光学元件是周期性地将缝、凹凸的形状形成于基板上的元件，利用由于该缝、凹凸形状的影响而产生的衍射光，将入射光变换成目标的强度分布、相位分布的光。特别地，相位型的衍射光学元件将入射光的相位分布变换成使得在像面形成期望图案的相位分布，因此，与振幅型的衍射光学元件相比，变换后的光相对于入射光的能量效率非常高。因此，不仅适用于均匀强度分布这样的单纯形状的衍射光学元件，而且还适用于产生复杂形状的衍射图案的衍射光学元件。

在现有的使用衍射光学元件的光图案生成装置中，有的光图案生成装置在一台装置具备1个衍射光学元件并生成1个图案。另外，有的光图案生成装置在一台装置具备2个衍射光学元件，来自光源的光透过2个衍射光学元件，由此，生成以比1个衍射光学元件的衍射更宽的角度衍射的图案(例如，专利文献1)。在这些衍射光学元件中，以利用特定的波长在像面形成期望图案的方式设计衍射光学元件的表面凹凸形状。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-209237号公报

发明内容

发明要解决的课题

在具备2个衍射光学元件的现有的光图案生成装置中，需要考虑由从第一个衍射光学元件射出的光的传播引起的波阵面变化而求出入射到第二个衍射光学元件的光的分布，按照入射到第二个衍射光学元件的光的分布来设计第二个衍射光学元件的表面凹凸形状。因此，存在第二个衍射光学元件的表面形状的设计、制造复杂的课题。

本发明正是为了解决如上所述的课题而完成的，其目的在于得到一种光图案生成装置，能够无需考虑由第一个衍射光学元件的出射光的传播引起的波阵面变化，简单地设计第二个衍射光学元件。

用于解决课题的手段

本发明的光图案生成装置的特征在于，该光图案生成装置具备：第1激光光源，其射出第1激光；第1衍射光学元件，其根据与所述第1激光的行进方向垂直的平面上的位置来变更所述第1激光的相位，射出具有相位分布的激光；第2衍射光学元件，其根据入射的激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述入射的激光的相位，射出形成光图案的激光；以及转变光学系统，其配置在所述第1衍射光学元件与所述第2衍射光学元件之间，将从所述第1衍射光学元件射出的激光的相位分布转变成入射到所述第2衍射光学元件的激光的相位分布。

发明效果

根据本发明，能够无需考虑由第一个衍射光学元件的出射光的传播引起的波阵面变化，简单地设计第二个衍射光学元件。

附图说明

图1是实施方式1的光图案生成装置100的结构例。

图2是实施方式1的转变光学系统3的结构例。

图3是表示实施方式1中的透镜31处的光的折射的图。

图4是实施方式1的衍射光学元件2a、2b的相位调制的相位分布的一例。

图5是实施方式1的衍射光学元件2a、2b的相位调制的相位分布的一例。

图6是实施方式2的光图案生成装置100的结构例。

图7是实施方式2的光图案生成装置100的结构例。

图8是实施方式3的光图案生成装置100的结构例。

图9是实施方式3的光图案生成装置100的结构例。

图10是实施方式3的光图案生成装置100的结构例。

图11是实施方式3的光图案生成装置100的结构例。

具体实施方式

实施方式1

下面，对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示实施方式1的光图案生成装置100的一个结构例的图。光图案生成装置100具备：激光光源1，其射出激光；衍射光学元件2a，其根据与从激光光源1射出的激光的行进方向垂直的平面上的位置来变更激光的相位，射出具备相位分布的激光；衍射光学元件2b，其根据入射的激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更入射的激光的相位，射出形成光图案的激光；转变光学系统3，其配置于衍射光学元件2a、2b之间，将从衍射光学元件2a射出的激光的相位分布转变成入射到衍射光学元件2b的激光的相位分布。光图案生成装置100将从衍射光学元件2b射出的激光映射到像面4而生成光图案6a。在图1中，设与从激光光源1射出的激光的光轴5垂直且与图面平行的方向为x轴方向，设与激光的光轴5垂直且与图面垂直的方向为y轴方向，设与光轴5平行的方向为z轴方向。另外，在以下的各图中，相同标号表示相同或相应的部分。光图案生成装置100例如用作照明用激光装置。

激光光源1是射出单一波长的激光的光源。作为该激光光源1，例如使用半导体激光器、光纤激光器或固态激光器。

衍射光学元件2a、2b是由玻璃或树脂构成的周期性地将缝、凹凸形状形成于基板上的元件，以由于该缝、凹凸形状而生成的衍射光在像面4成为目标的强度分布的光的方式，变换入射到衍射光学元件2a、2b的光。具体而言，根据入射到衍射光学元件2a、2b的激光在与行进方向垂直的平面上的位置，通过衍射光学元件2a、2b的缝、凹凸形状来变更入射的激光的强度和相位，射出具备一定的强度分布和相位分布的激光。另外，衍射光学元件2a和衍射光学元件2b的表面凹凸形状不同。衍射光学元件2a、2b的表面形状越连续，换言之等级数越多，则衍射效率越高。然而，在制造时等级数越多，则加工越难，价格越高。

转变光学系统3是由多个光学透镜构成的光学系统。图2表示使用焦距为f₁、f₂的2个透镜的转变光学系统3的一个结构。利用图2对转变光学系统3的结构进行说明。设透镜31的焦距为f₁，设透镜32的焦距为f₂。并且，设透镜31、32的靠近激光光源1的一侧为前侧，设透镜31、32的远离激光光源1的一侧为后侧。衍射光学元件2a设置在透镜31的前侧焦点位置，衍射光学元件2b设置在透镜32的后侧焦点位置。此时，透镜31与透镜32的距离为各个焦距之和f₁+f₂。

透过在衍射光学元件2a中距光轴5在x轴方向为距离x的位置后的透射光以入射角θ入射到透镜31。以入射角θ入射到透镜31的光被透镜31折射，其角度相对于光轴5为θ’＝x/f₁。并且，被透镜31折射后的光通过在透镜31的射出侧的焦点位置处距光轴5距离为x’＝θf₁的位置。换言之，透镜31将在衍射光学元件2a上距光轴5具有距离x且相对于光轴5以角度θ射出的光，变换成在透镜31的射出侧的焦点位置处距光轴5具有距离x’＝θf₁且相对于光轴5具有角度θ’＝x/f₁的光。

另外，为了补充说明，图3示出被透镜31折射后的光的样子。连接距光轴5为距离x的位置和透镜31的中心35而成的直线与光轴5之间具有θ’的角度。因此，下式的关系成立。

f₁×tanθ’＝x

tanθ’≒θ’

由此，下式成立。

θ’＝x/f₁ (1)

并且，下式的关系成立。

x+f₁θ＝x’+f₁θ’

x+f₁θ＝x’+x

由此，下式成立。

x’＝f₁θ (2)

在上述的说明中，使用式(1)、(2)的关系。

同样地，在图2中，透镜32将距前侧焦点位置的光轴为距离x’处的光变换成在衍射光学元件2b上相对于光轴5具有角度θ”＝x’/f₂的光，将相对于光轴5以角度θ’射出的光变换成距光轴5为距离x”＝θ’f₂的光。换言之，通过透镜31和透镜32，将在衍射光学元件2a上距光轴5具有距离x且相对于光轴5以角度θ射出的光，变换成在衍射光学元件2b上距光轴5具有距离x”＝θ’f₂＝x(f₂/f₁)且相对于光轴5具有角度θ”＝x’/f₂＝θ(f₁/f₂)的光。换言之，在衍射光学元件2b中相对于距离x”的强度分布和相位分布为在衍射光学元件2a中相对于距离x的强度分布和相位分布的f₂/f₁倍，在衍射光学元件2b中相对于角度θ”的强度分布和相位分布为在衍射光学元件2a中相对于角度θ的强度分布和相位分布的f₁/f₂倍。特别地，在透镜31和透镜32的焦距相同的情况下，衍射光学元件2b的入射面处的光的强度分布和相位分布，为将衍射光学元件2a的出射面处的光的强度分布和相位分布转变成等倍的分布。

在此，对针对x轴方向的距离的光变换进行了说明，但相同的说明对于y轴方向也成立。因此，强度分布和相位分布分别还能够作为在衍射光学元件2a中相对于光在与行进方向垂直的平面(包含x轴和y轴的平面)上的位置的光的强度和相位的分布来理解。该强度分布和相位分布是由衍射光学元件2a变换激光的强度和相位而产生的分布。另外，衍射光学元件2a也可以是仅变换激光的强度和相位中的一方的结构。在该情况下，透镜31和透镜32将衍射光学元件2a的出射面处的光的相位分布转变成衍射光学元件2b的入射面处的光的相位分布。

图2所示的转变光学系统3的结构只是一例，但不限于该结构，只要是将衍射光学元件2a的出射面处的光的强度分布和相位分布转变成衍射光学元件2b的入射面处的光的强度分布和相位分布的光学系统即可。衍射光学元件2a和衍射光学元件2b在转变光学系统3的前后设置在转变强度分布和相位分布的位置。

接下来，对由实施方式1的光图案生成装置100生成光图案的动作进行说明。

从激光光源1射出的光入射到衍射光学元件2a。

衍射光学元件2a根据入射到衍射光学元件2a的光在与行进方向垂直的平面(包含x轴和y轴的平面)上的位置来变换光的相位(以下，称作相位调制)。从衍射光学元件2a射出的光透过转变光学系统3而入射到衍射光学元件2b。此时，入射到衍射光学元件2b的光的强度分布和相位分布，为由转变光学系统3转变衍射光学元件2a的出射面处的光的强度分布和相位分布而成的分布。衍射光学元件2b对入射到衍射光学元件2b的光进行相位调制。从衍射光学元件2b射出的光进行传播在像面4形成像。换言之，由衍射光学元件2a和衍射光学元件2b对从激光光源1射出的光进行相位调制并进行传播，在像面4成为与衍射光学元件2b的出射面处的光的相位分布对应的强度分布6a。

另外，在上文中，对2个衍射光学元件2a、2b和1组转变光学系统3的结构进行了说明，但只要是将各个衍射光学元件的出射面处的光的相位分布转变到光接下来入射的衍射光学元件的入射面的结构，则不限于上述结构，也可以是多个衍射光学元件和多组转变光学系统的结构。并且，在此对由衍射光学元件2a、2b对激光进行相位调制而使激光具有相位分布的情况进行了说明，但在变换激光的强度而使激光具有强度分布的情况下也能够适用同样的结构。

在本实施方式中，通过利用在2个衍射光学元件2a、2b之间配置1组转变光学系统3的结构，将衍射光学元件2a的出射面处的光的相位分布转变成衍射光学元件2b的入射面处的光的相位分布。在现有的光图案生成装置中，需要考虑第一个衍射光学元件的出射光传播后的波阵面变化，按照入射到第二个衍射光学元件的光的分布，设计第二个衍射光学元件的表面凹凸形状。与此相对，在本实施方式的光图案生成装置100中，能够无需考虑由来自第一个衍射光学元件2a的传播引起的波阵面变化，设计第二个衍射光学元件2b。其结果是，与现有技术相比，具有能够简单地进行衍射光学元件的设计、制造的优点。

接下来，利用图4，对实施方式1的如下的又一个效果进行说明：利用衍射光学元件2a、2b和转变光学系统3，由此，即使是具有等级数较少的表面形状的衍射光学元件2a、2b，也能够以比1个衍射光学元件的等级数多的等级数进行光的相位调制。

例如，在由衍射光学元件2a调制的相位分布为图4的(a)所示的分布，由衍射光学元件2b调制的相位分布为图4的(b)所示的分布的情况下，由衍射光学元件2a以图4的(a)所示的2等级的分布对入射到衍射光学元件2a的光进行相位调制。从衍射光学元件2a射出的光透过转变光学系统3而入射到衍射光学元件2b。衍射光学元件2b的入射面处的相位分布由衍射光学元件2b进一步以图4的(b)所示的2等级的分布进行相位调制。由此，由衍射光学元件2a和衍射光学元件2b对从激光光源1射出的光进行相位调制。如图4的(c)所示，衍射光学元件2b的出射面处的光的相位分布为将衍射光学元件2a的2等级的分布和衍射光学元件2b的2等级的分布合在一起的3等级的相位分布。即，从衍射光学元件2b射出的激光具有的相位的等级数大于由衍射光学元件2a、2b提供的激光的相位变化的等级数。

由此，通过利用2个2等级的衍射光学元件2a、2b和1组转变光学系统3的结构，能够由容易制造且低成本的2等级的衍射光学元件2a、2b生成光的3等级的相位分布，能够增加等级数。其结果是，具有能够生成高精度的光图案的效果。

另外，在图4中，对2个2等级的衍射光学元件2a、2b和1组转变光学系统3的结构进行了说明，但在利用n个2等级的衍射光学元件和配置在各个衍射光学元件之间的(n-1)组(n为2以上的整数)转变光学系统的结构时，能够制作(n+1)等级的相位分布。

接下来，利用图5，对实施方式1的如下的又一个效果进行说明：利用衍射光学元件2a、2b和转变光学系统3，由此，与利用1个衍射光学元件生成的光图案的像素数相比，能够生成与更多像素数对应的相位分布。在此，将构成通过生成的光图案形成的图像的最小单位作为像素。

例如，对由衍射光学元件2a调制的相位分布为图5的(a)所示的分布，由衍射光学元件2b调制的相位分布为图5的(b)所示的分布的情况进行说明。在此，衍射光学元件2a、2b的表面形状分别为与图5的(a)、(b)所示的衍射光学元件2a、2b的相位分布相同的形状。即，在图5的(a)、(b)中，第一个衍射光学元件2a的凸部分的分布和第二个衍射光学元件2b的凸部分的分布处于在与入射的激光的行进方向垂直的平面内错开的位置关系。

此时，入射到衍射光学元件2a的光被图5的(a)所示的衍射光学元件2a的表面形状相位调制成2等级。从衍射光学元件2a射出的光透过转变光学系统3后入射到衍射光学元件2b。衍射光学元件2b的入射面处的光的相位分布成为衍射光学元件2a的出射面处的光的相位分布。入射到衍射光学元件2b的光被图5的(b)所示的衍射光学元件2b的表面形状进一步相位调制成2等级。由衍射光学元件2a和衍射光学元件2b对从激光光源1射出的光进行相位调制，因此，如图5的(c)所示，衍射光学元件2b的出射面处的相位分布成为将衍射光学元件2a的2等级的分布和衍射光学元件2b的2等级的分布合在一起的4等级的相位分布。通过使衍射光学元件2a、2b的凸形状部错开，能够生成比1个衍射光学元件的像素间距更细的间距的凹凸形状，与利用1个衍射光学元件生成的光图案具有的像素数相比，能够生成更多像素数的相位分布。即，在从衍射光学元件2b射出的激光中，由衍射光学元件2a进行的基于凹凸形状的相位调制的位置与由衍射光学元件2b进行的基于凹凸形状的相位调制的位置不同，，由此，能够使从衍射光学元件2a射出的激光的相位以更细的单位变化。

另外，在图5中，对2个2等级的衍射光学元件2a、2b和1组转变光学系统3的结构进行了说明，但只要是使表面凹凸形状的分布彼此错开的n个(n为2以上的整数)衍射光学元件和配置在各个衍射光学元件之间的(n-1)组转变光学系统的结构，则与利用1个衍射光学元件生成的光图案的像素数相比，能够生成更多像素数的相位分布。其结果是，能够得到如下效果：能够生成高精度的光图案。

一般而言，为了使由衍射光学元件生成的像为精密的图像，需要缩小衍射光学元件的表面凹凸形状的像素并进行多值化。在现有技术中，在由1个衍射光学元件实现多值化的情况下，需要投入到多次的成形工序，成本上升并且精度下降。与此相对，在本实施方式中，能够以比衍射光学元件2a、2b具有的等级更多的等级对光进行相位调制，与现有技术相比，能够低成本地生成高精度的光图案。

如上所述，根据实施方式1，通过设置2个衍射光学元件2a、2b以及2个衍射光学元件2a、2b之间的转变光学系统3，能够在像面4生成与由2个衍射光学元件2a、2b在空间上进行相位调制后的光的相位分布对应的光图案。因此，通过使用2个衍射光学元件2a、2b和转变光学系统3，能够由衍射光学元件2b对衍射光学元件2a的出射面处的光的相位分布进一步进行相位调制。例如，在衍射光学元件2a和衍射光学元件2b的表面形状为2等级的情况下，能够由衍射光学元件2b对由衍射光学元件2a调制后的2等级的光的相位分布进一步施加2等级的调制。其结果是，从激光光源1射出的激光的衍射光学元件2b的出射面处的相位分布成为3等级以上的相位分布。

另外，在此对2个衍射光学元件2a、2b和1组转变光学系统3的结构进行了说明，但只要是将各衍射光学元件的出射面处的光的相位分布转变到其接下来入射的衍射光学元件的入射面的结构，则不限于上述结构，也可以是具备多个衍射光学元件和多组转变光学系统的结构。

并且，在此，作为例子示出了使用2个2等级的衍射光学元件2a、2b的结构，但对等级数没有限制。如果衍射光学元件的数量为多个，则关于多值化和多像素化能够起到同样的效果。

这样，本实施方式的光图案生成装置100的特征在于，该光图案生成装置100具备：第1激光光源1，其射出第1激光；第1衍射光学元件2a，其根据所述第1激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述第1激光的相位，射出具有相位分布的激光；第2衍射光学元件2b，其根据入射的激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述入射的激光的相位，射出形成光图案的激光；以及转变光学系统3，其配置在所述第1衍射光学元件2a与所述第2衍射光学元件2b之间，将从所述第1衍射光学元件射出的激光的相位分布转变成入射到所述第2衍射光学元件2b的激光的相位分布。通过该结构，能够无需考虑由第一个衍射光学元件2a的出射光的传播引起的波阵面变化，简单地设计第二个衍射光学元件2b。

并且，本实施方式的光图案生成装置100的特征在于，第1衍射光学元件2a根据所述第1激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述第1激光的强度，所述转变光学系统3将由所述第1衍射光学元件2a变更强度后的激光具有的强度分布转变成入射到所述第2衍射光学元件2b的激光的强度分布。通过该结构，即便在从第1衍射光学元件2a射出的激光具有强度分布的情况下，也能够无需考虑由第一个衍射光学元件2a的出射光的传播引起的波阵面变化，简单地设计第二个衍射光学元件2b。

并且，本实施方式的光图案生成装置100的特征在于，从所述第2衍射光学元件2b射出的激光具有的相位的等级数大于由所述第1衍射光学元件2a和所述第2衍射光学元件2b提供的激光的相位变化的等级数。通过该结构，能够利用等级数小的衍射光学元件2a、2b，以比衍射光学元件2a、2b的等级数大的等级数对激光进行相位调制。

并且，本实施方式的光图案生成装置100的特征在于，在从所述第2衍射光学元件2b射出的激光中，相位由于所述第1衍射光学元件2a进行的相位变更而变化的位置与相位由于所述第2衍射光学元件2b进行的相位变更而变化的位置不同。通过该结构，与使用1个衍射光学元件生成的光图案的像素数相比，能够生成更多像素数的相位分布。

并且，本实施方式的光图案生成装置100的特征在于，该光图案生成装置100具备：第1激光光源1，其射出激光；第1衍射光学元件～第N(N为2以上的整数)衍射光学元件，其根据入射的激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述入射的激光的相位，射出具有相位分布的激光；第n(＝1，...，N-1)转变光学系统，其配置在所述第n衍射光学元件与所述第n+1衍射光学元件之间，将从所述第n衍射光学元件射出的激光的相位分布转变成入射到所述第n+1衍射光学元件的激光的相位分布，从所述第1激光光源射出的激光入射到所述第1衍射光学元件，由所述第N衍射光学元件变更相位后的激光是形成光图案的激光。通过该结构，能够无需考虑由衍射光学元件的出射光的传播引起的波阵面变化，设计各个衍射光学元件。并且，通过使用多个衍射光学元件，能够以多个等级数对形成光图案的激光进行相位调制。

实施方式2

在实施方式1中，2个衍射光学元件2a、2b配置在光轴5上，与此相对，在实施方式2中，2个衍射光学元件2a、2b可在光轴上出入，视为包含不将衍射光学元件2a、2b中的任意一方配置在光轴5上的情况。

图6和图7是表示实施方式2的光图案生成装置100的一个结构例的图。衍射光学元件2a位于激光光源1与转变光学系统3之间，在与光轴5垂直的方向移动。衍射光学元件2b位于转变光学系统3与像面4之间，在与光轴5垂直的方向移动。通过该移动，使第1衍射光学元件2a和第2衍射光学元件2b中的任意一方自从激光光源1射出的激光形成光图案之前通过的光路拆出。即，实施方式2的光图案生成装置100具备能够使衍射光学元件2a、2b中的任意一方以自从激光光源1射出的激光形成光图案之前通过的光路拆出的方式移动的结构。

以下，对实施方式2的光图案生成装置100的动作进行说明。

图6与图1中的结构相比，在衍射光学元件2b不位于光轴5这一点上不同。从激光光源1射出的光入射到衍射光学元件2a。由衍射光学元件2a对入射到衍射光学元件2a的光进行相位调制。由转变光学系统3将衍射光学元件2a的出射面处的光的相位分布和强度分布转变到在图1中设置有衍射光学元件2b的位置。转变后的光进行传播，在像面4成为与衍射光学元件2a的出射面处的光的相位分布对应的强度分布6b。

图7与图1中的结构相比，在衍射光学元件2a不位于光轴5这一点上不同。从激光光源1射出的光入射到转变光学系统3。转变光学系统3将在图1中设置有衍射光学元件2a的位置处的光的强度分布和相位分布转变到衍射光学元件2b的入射面。由衍射光学元件2b对入射到衍射光学元件2b的光进行相位调制。从衍射光学元件2b射出的光进行传播，在像面4成为与衍射光学元件2b的出射面处的光的相位分布对应的强度分布6c。

接下来，对实施方式2的光图案生成装置100的效果进行说明。

衍射光学元件的出射面到像面4的距离根据各衍射光学元件2a、2b的设置位置而不同，因此，在不存在转变光学系统3的现有技术中，需要根据衍射光学元件2a、2b的设置位置变更通过衍射光学元件2a、2b形成的相位分布。

与此相对，在实施方式2的光图案生成装置100中，通过利用转变光学系统3，在如从激光光源1射出的光透过衍射光学元件2a和衍射光学元件2b这两者的情况、仅透过衍射光学元件2a的情况、仅透过衍射光学元件2b的情况那样，衍射光学元件的出射面到像面4的距离不同的情况下，也能够在像面4生成光图案。因此，能够利用2个衍射光学元件2a、2b生成3个图案的像。

如上所述，根据实施方式2，通过利用设有可插拔到光轴5上的2个衍射光学元件2a、2b和设于衍射光学元件2a、2b之间的转变光学系统3的结构，在仅透过衍射光学元件2a的情况下、仅透过衍射光学元件2b的情况下、衍射光学元件2a和衍射光学元件2均透过的情况下，从激光光源1射出的光都能够向像面4照射彼此不同的图案。因此，具有能够利用2个衍射光学元件2a、2b生成3个光图案的像的效果。

另外，在此，对2个衍射光学元件2a、2b和1组转变光学系统3的结构进行了说明，但只要是将各衍射光学元件的出射面处的相位分布转变到衍射光学元件的入射面的结构，则不限于上述结构，也可以是如下结构，该结构利用n个(n为2以上的整数)2等级的衍射光学元件和配置在各个衍射光学元件之间的(n-1)组转变光学系统的结构。在n个衍射光学元件和(n-1)组转变光学系统的结构的情况下，能够生成Σ(k＝1，n)nCk种光图案。

另外，在设置1个衍射光学元件的现有的光图案生成装置中，需要不同的图案、表面凹凸形状按照光源的每个波长而不同的衍射光学元件。在该情况下，每1个图案需要1个衍射光学元件，图案越多，则部件数量变多。与此相对，在本实施方式的光图案生成装置100中，能够生成比衍射光学元件的数量更多种类的图案，能够生成比现有技术成本低且高精度的光图案。

这样，本实施方式的光图案生成装置100的特征在于，能够使所述第1衍射光学元件2a与所述第2衍射光学元件2b中的任意一方以从所述第1激光形成光图案之前通过的光路拆出的方式移动。通过该结构，具有能够利用2个衍射光学元件2a、2b生成3个光图案的像的效果。

实施方式3

在实施方式2中，对利用1个激光光源1生成图案的方式进行了说明，与此相对，在实施方式3中，对利用2个激光光源生成图案的方式进行说明。

图8～10是表示实施方式3的光图案生成装置100的一个结构例的图。与实施方式2相比，在利用2个激光光源1a、1b这一点和在转变光学系统3与衍射光学元件2b之间设有镜7这一点上不同。

激光光源1b是射出单一波长的激光的光源。作为该激光光源1b，例如使用半导体激光器、光纤激光器或固态激光器。激光光源1b的出射光的波长既可以与激光光源1a的出射光的波长相同，也可以不同。

镜7是透过一部分入射光并反射一部分入射光的光学部件。作为镜7，例如有分束器。

激光光源1b设置在激光光源1b的出射光入射到镜7的激光光源1a的出射光的出射面的位置。并且，镜7设置在转变光学系统3与衍射光学元件2b之间。

接下来，对实施方式3的光图案生成装置100的动作进行说明。

从激光光源1b射出的光入射到镜7。从激光光源1b射出而入射到镜7的光由镜7的表面反射而入射到衍射光学元件2b。入射到衍射光学元件2b的光被进行相位调制，以形成图案的方式照射到像面4。

从激光光源1a射出的光入射到衍射光学元件2a。由衍射光学元件2a对入射到衍射光学元件2a的光进行相位调制并射出。从衍射光学元件2a射出的光透过转变光学系统3和镜7而入射到衍射光学元件2b。入射到衍射光学元件2b的光被进行相位调制，以形成图案的方式照射到像面4。

接下来，使用图8～10对实施方式3的效果进行说明。

在图8的结构中，由衍射光学元件2a对从激光光源1a射出的光进行相位调制，由转变光学系统3将衍射光学元件2a的出射面处的光的分布转变到衍射光学元件2b的入射面。由衍射光学元件2b对衍射光学元件2b的入射光进行调制，透过镜7在像面4形成图案。

例如，在激光光源1a的出射光的颜色与激光光源1b的出射光的颜色不同的情况下、由从激光光源1a射出的光形成的像面4上的图案与由从激光光源1b射出的光形成的像面4上的图案相同的情况下，像面4上的图案的颜色为将激光光源1a的颜色与激光光源1b的颜色相加混合而成的颜色。并且，通过调节来自激光光源1a的输出值和来自激光光源1b的输出值，能够以多个颜色生成图案。

因此，通过利用激光光源1a和激光光源1b，在转变光学系统3与衍射光学元件2b之间设置镜7，能够以多个颜色生成图案。

并且，如图9和图10所示，通过将衍射光学元件2a从光轴5上拆出，从激光光源1a射出的光透过转变光学系统3和镜7而入射到衍射光学元件2b。由衍射光学元件2b对入射的光进行相位调制。从衍射光学元件2b射出的光在像面4形成由衍射光学元件2b进行相位调制而成的图案6e。

进而，如图11所示，通过将衍射光学元件2b从光轴5上拆出，从激光光源1a射出的光入射到衍射光学元件2a，由衍射光学元件2a对入射的光进行相位调制。从衍射光学元件2a射出的光透过转变光学系统3和镜7，在像面4形成由衍射光学元件2a进行相位调制而成的图案6f。

因此，通过使用激光光源1a和激光光源1b，在转变光学系统3与衍射光学元件2b之间设置镜7，能够用2个衍射光学元件2a、2b和2个激光光源来生成4种图案。

进而，连续地切换显示由实施方式3的光图案生成装置100生成的4种图案，从而还能够进行图案的动画化。

在利用如上所述构成的实施方式3的激光光源1a和激光光源1b，在转变光学系统3与衍射光学元件2b之间设置镜7的光图案生成装置100的情况下，也起到与实施方式1和实施方式2相同的效果。不仅如此，利用实施方式3的激光光源1a和激光光源1b，在转变光学系统3与衍射光学元件2b之间设置镜7的光图案生成装置100具有能够以多个颜色生成图案这样的效果。进而，能够用2个衍射光学元件2a、2b和2个激光光源1a、1b生成4种图案。并且，通过连续地切换显示4种图案，从而能够实现图案的动画化。

在此，对2个激光光源1a、1b、2个衍射光学元件2a、2b、1组转变光学系统3和1个镜7的结构进行了说明，但只要是将各衍射光学元件的出射面处的相位分布转变到衍射光学元件的入射面的结构，则不限于上述结构，也可以是多个激光光源、多个衍射光学元件、多组转变光学系统和多个镜的结构。

这样，本实施方式的光图案生成装置100的特征在于，该光图案生成装置100具备：第2激光光源1b，其射出第2激光；镜7，其使由转变光学系统3转变相位分布后的入射到所述第2衍射光学元件的激光透过，反射所述第2激光，所述第2衍射光学元件2b根据由所述镜7反射后的激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更由所述镜7反射后的激光的相位，射出形成与由所述第1激光形成的光图案不同的光图案的激光。通过该结构，在激光光源1a的出射光的颜色与激光光源1b的出射光的颜色不同的情况下，能够以多个颜色生成光图案。

并且，本实施方式的光图案生成装置100的特征在于，所述第2激光具备与所述第1激光不同的波长。通过该结构，能够使激光光源1a的出射光的颜色与激光光源1b的出射光的颜色不同。

并且，本实施方式的光图案生成装置100的特征在于，能够使所述第1衍射光学元件2a与所述第2衍射光学元件2b中的任意一方以从所述第1激光形成光图案之前通过的光路拆出的方式移动。通过该结构，通过连续地切换显示4种图案，具有能够实现图案的动画化的效果。

并且，本实施方式的光图案生成装置100的特征在于，该光图案生成装置100包含：第1激光光源～第N激光光源，其射出第1激光～第N激光；第1衍射光学元件～第N(N为2以上的整数)衍射光学元件，其根据入射的激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述入射的激光的相位，射出具备相位分布的激光；第n(＝1，...，N-1)转变光学系统，其配置在所述第n衍射光学元件与所述第n+1衍射光学元件之间，将从所述第n衍射光学元件射出的激光的相位分布转变成入射到所述第n+1衍射光学元件的激光的相位分布；第n(＝1，...，N-1)镜，其使由所述第n转变光学系统转变相位分布后的入射到所述第n+1衍射光学元件的激光，反射从所述第n+1激光光源射出的激光，由此，入射到所述第n+1衍射光学元件，从所述第1激光光源射出的激光入射到所述第1衍射光学元件，由所述第N衍射光学元件变更相位后的激光是形成光图案的激光。通过该结构，具有能够实现连续地切换显示多个图案的图案的动画化的效果。

符号说明

1、1a、1b：激光光源；2a、2b：衍射光学元件；3：转变光学系统；4：像面；5：光轴；6a、6b、6c、6d、6e、6f：光图案；7：镜；31、32：透镜；100：光图案生成装置。

Claims (8)

1.一种光图案生成装置，其特征在于，该光图案生成装置具备：

第1激光光源，其射出第1激光；

第1衍射光学元件，其根据所述第1激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述第1激光的相位，射出具有相位分布的激光；

第2衍射光学元件，其根据入射的激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述入射的激光的相位，射出形成光图案的激光；以及

转变光学系统，其配置在所述第1衍射光学元件与所述第2衍射光学元件之间，将从所述第1衍射光学元件射出的激光的相位分布转变成入射到所述第2衍射光学元件的激光的相位分布，

从所述第2衍射光学元件射出的激光具有的相位的等级数大于由所述第1衍射光学元件和所述第2衍射光学元件提供的激光的相位变化的等级数。

2.根据权利要求1所述的光图案生成装置，其特征在于，

所述第1衍射光学元件根据所述第1激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述第1激光的强度，

所述转变光学系统将由所述第1衍射光学元件变更强度后的激光具有的强度分布转变成入射到所述第2衍射光学元件的激光的强度分布。

3.根据权利要求1所述的光图案生成装置，其特征在于，

在从所述第2衍射光学元件射出的激光中，相位由于所述第1衍射光学元件进行的相位变更而变化的位置，与相位由于所述第2衍射光学元件进行的相位变更而变化的位置不同。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的光图案生成装置，其特征在于，该光图案生成装置具备：

第2激光光源，其射出第2激光；以及

镜，其使由所述转变光学系统转变相位分布后的入射到所述第2衍射光学元件的激光透过，反射所述第2激光，

所述第2衍射光学元件根据由所述镜反射后的激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更由所述镜反射后的激光的相位，射出形成与由所述第1激光形成的光图案不同的光图案的激光。

5.根据权利要求4所述的光图案生成装置，其特征在于，

所述第2激光具有与所述第1激光不同的波长。

6.根据权利要求1～3中的任意一项所述的光图案生成装置，其特征在于，

能够使所述第1衍射光学元件和所述第2衍射光学元件中的任意一方以从所述第1激光形成光图案之前通过的光路中拆出的方式移动。

7.一种光图案生成装置，其特征在于，该光图案生成装置具备：

第1激光光源，其射出激光；

第1衍射光学元件～第N衍射光学元件，其根据入射的激光在与行进方向垂直的平面上的位置来变更所述入射的激光的相位，射出具有相位分布的激光，其中，N为2以上的整数；以及

第n转变光学系统，其配置在第n衍射光学元件与第n+1衍射光学元件之间，将从所述第n衍射光学元件射出的激光的相位分布转变成入射到所述第n+1衍射光学元件的激光的相位分布，其中，n＝1，...，N-1，

从所述第1激光光源射出的激光入射到所述第1衍射光学元件，

从所述第N衍射光学元件射出的激光是形成光图案的激光，

从所述第N衍射光学元件射出的激光具有的相位的等级数大于由所述第1衍射光学元件至所述第N衍射光学元件的各个衍射光学元件提供的激光的相位变化的等级数。

8.根据权利要求7所述的光图案生成装置，其特征在于，该光图案生成装置具备：

第2激光光源～第N激光光源，其射出激光；以及

第n镜，其使由所述第n转变光学系统转变相位分布后的入射到所述第n+1衍射光学元件的激光透过，反射从所述第n+1激光光源射出的激光，由此，入射到所述第n+1衍射光学元件，其中，n＝1，...，N-1。

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