JP2001042253A

JP2001042253A - レーザー照射光学系

Info

Publication number: JP2001042253A
Application number: JP11220970A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Otoshi; 祐一郎大利
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2001-02-16
Also published as: US6643300B1

Abstract

(57)【要約】【課題】所望の形状の複数の同等なレーザービームを
射出するレーザー照射光学系の小型化、高効率化を図
る。【解決手段】レーザー照射光学系に、光源からのレー
ザービームを分割する回折素子、分割後の各ビームを同
一方向に進む収束ビームとするレンズ、および分割後の
各ビームの強度分布を変換して各ビームを整形する回折
素子を備える。分割後の全てのビームが分離する光路範
囲を、レーザーの波長、収束用のレンズの焦点距離、ビ
ーム幅、分割用の回折素子の格子単位の配列周期、およ
び分割後のビームの回折次数から求め、整形用の回折素
子をこの光路範囲内に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザービームを
分割して分割後の各レーザービームを整形し、整形後の
各レーザービームを射出するレーザー照射光学系に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】レーザービームは、強度が高くビーム幅
を小さくすることができるという特徴を有しており、物
体表面の微細な加工に多用されている。近年では、レー
ザー光源からのレーザービームを複数のレーザービーム
に分割し、分割後のレーザービームを対象物に照射する
ことにより、同一の加工処理を複数部位で同時に行っ
て、加工の処理効率を高めることが行われている。

【０００３】その際、照射されるレーザービーム間に強
度差があると対象物の部位間で加工を均等に行うことが
できなくなるから、分割後のレーザービームの強度を略
等しくする必要がある。また、対象物はレーザービーム
の強度分布に対応した形状に加工されるから、対象物を
どのような形状に加工するかに応じて、各レーザービー
ムの強度分布を設定する必要がある。例えば、断面が矩
形で深さが一定の穴を対象物に形成するときには、光路
に垂直な断面の輪郭が矩形で、その断面内の強度分布が
一様なレーザービームとしなければならない。

【０００４】したがって、このような用途に用いられる
レーザー照射光学系は、光源からのレーザービームを単
に分割するだけでなく、分割後の全てのレーザービーム
の強度を略同じにするとともに、各レーザービームの強
度分布を、光路に垂直な断面についても光路に平行な断
面についても、所望の分布としなければならない。一般
に、光源から射出されるレーザービームの光路に垂直な
断面での強度分布はガウシアン型であり、ほとんどの場
合、そのままでは用途に適合しない。このため、レーザ
ー照射光学系でレーザービームの強度分布の変換すなわ
ち整形を行うことになる。

【０００５】従来のレーザー照射光学系の概略構成を図
１５に示す。このレーザー照射光学系７は、レーザー光
源７１からのレーザービームＬ１を４本のレーザービー
ムＬ２に分割して、各レーザービームＬ２の光路に垂直
な断面の強度分布を略均一にするものである。レーザー
ビームＬ１の分割のために３つのハーフミラー７３が備
えられており、各ハーフミラー７３の透過率と反射率は
分割後のレーザービームＬ２の強度が等しくなるように
設定されている。

【０００６】分割後のレーザービームＬ２はそれぞれ全
反射ミラー７４によって、大きさおよび形状が同一の開
口７７ａが等間隔で設けられた遮光板７７に導かれる。
遮光板７７は、ガウシアン分布のレーザービームＬ２の
中央部のみを通過させて、光路に垂直な断面の強度分布
を均一にするとともに、その断面の輪郭の形状を開口７
７ａの形状によって規定する。

【０００７】光源７１からハーフミラー７３までの光路
上には、レーザービームＬ１のビーム幅を広げるビーム
エキスパンダ７２が配置されており、分割後の各レーザ
ービームＬ２の光路上には、レーザービームＬ２を遮光
板７７上に収束させるレンズ７５が配置されている。４
つのレンズ７５は同性能であり、各レンズ７５から遮光
板７７までの距離は等しく設定されている。開口７７ａ
を通過したレーザービームＬ２の光路上には縮小光学系
７８が配置されており、各レーザービームＬ２は縮小光
学系７８によってビーム幅と相互の間隔を狭められて、
照射対象面Ｓに照射される。

【０００８】レーザー照射装置７においては、遮光板７
７の開口７７ａとレンズ７５と縮小光学系７８によっ
て、分割後のレーザービームＬ２の整形が行われること
になる。これらのうち主たる役割を果たすのは、光路に
対して垂直な方向の強度分布を規定する開口７７ａであ
る。遮光板７７の開口７７ａによる分割後のレーザービ
ームＬ２の整形の様子を図１６に模式的に示す。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のレーザー照射光
学系では、光源からのレーザービームの分割を複数段階
で行っている。このため、全体構成が大型化するととも
に、光学素子の数が多くなって、素子の相対位置の設定
が容易でない。この問題は、分割後のレーザービームを
多くするほど顕著になっていく。

【００１０】また、分割後のレーザービームは、分割前
のレーザービームと同様にガウシアン型の分布であり、
強度が略一定となる範囲は狭い。したがって、整形にお
いてレーザービームの多くの部分が捨て去られることに
なり、光源からのレーザーの利用効率が悪い。図１６に
示した例では、光源からのレーザーの半分程度が利用さ
れるに過ぎない。

【００１１】レーザービームの分割を回折素子によって
行うことも可能であり、これを利用すれば、分割を一度
に行うことができて、全体構成の小型化が容易になると
期待される。しかしながら、分割後に整形を行うレーザ
ー照射光学系で、分割のために回折素子を利用した例は
ない。これは、回折直後のレーザービームは重なり合っ
ており、この状態での各レーザービームの整形が困難で
あることと、回折後のレーザービームごとに進行方向が
異なり、整形のための条件と進行方向を揃えるための条
件の設定が難しいことによると推察される。

【００１２】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、レーザービームを複数のレーザービームに
分割して整形し、整形後のレーザービームを射出する小
型のレーザー照射光学系を提供すること目的とし、さら
に、整形に際してのレーザーの損失の少ないレーザー照
射光学系を提供すること目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、入射する第１レーザービームを一度に
分割して、第１レーザービームのビーム幅と略等しいビ
ーム幅をもち互いに異なる方向に進む複数の第２レーザ
ービームとする分割手段と、各第２レーザービームを互
いに略同じ方向に進む収束ビームとする収束手段と、第
２レーザービームが互いに分離している光路において、
各第２レーザービームの光路に垂直な断面の強度分布を
変換する整形手段とで、レーザー照射光学系を構成す
る。

【００１４】分割手段は、入射する第１レーザービーム
を複数の第２レーザービームに分割するが、その分割を
一度で行うため、レーザー照射光学系の全体構成は小型
になる。分割手段は、第１レーザービームを１方向のみ
に分割するものであっても、２方向に分割するものであ
ってもよい。分割によって得られる全ての第２レーザー
ビームのビーム幅は略等しい。分割手段が全ての第２レ
ーザービームの強度を略等しくすることも可能であり、
これにより、進行方向の違いを除いて、第２レーザービ
ームを全て等価にすることができる。

【００１５】第２レーザービームは収束手段によって略
同じ方向に進むビームとされる。したがって、第２レー
ザービームを同一方向から照射対象面に照射することが
できる。しかも、収束手段は各第２レーザービームを収
束ビームとするものであり、対象面上での各第２レーザ
ービームのビーム幅をきわめて小さくすることも容易で
ある。

【００１６】第２レーザビームは分割直後は重なり合っ
ているが、ある程度の距離を進むことにより、互いに分
離する。収束手段は第２レーザービームが重なり合って
いる光路上に配置してもよく、分離後の光路上に配置し
てもよい。前者の配置でも、第２レーザービームは、収
束手段によって収束ビームとされてビーム幅が狭くなる
から、互いに平行に進む間に確実に分離する。しかも、
その場合の分離位置は、収束手段がない場合よりも、分
割手段に近くなる。

【００１７】各第２レーザービームは、整形手段によっ
て、その光路に垂直な断面の強度分布を変換される。す
なわち、整形手段は光路に対して垂直な方向についての
第２レーザービームの整形を行う。この整形は第２レー
ザービームが互いに分離している光路において行われる
ため、確実かつ容易に第２レーザービームを所望の形状
とすることができる。

【００１８】第２レーザービームが重なり合っている位
置に収束手段を配置するときは、整形手段は収束手段を
経た後の第２レーザービームの光路に配置することにな
る。第２レーザービームが分離している位置に収束手段
を配置するときは、整形手段は収束手段に至る第２レー
ザービームの光路と、収束手段を経た後の第２レーザー
ビームの光路のどちらに配置することもできる。

【００１９】上記のレーザー照射光学系において、分割
手段を回折により第１レーザービームを分割して第２レ
ーザービームとする素子とし、収束手段を分割手段の上
または近傍に焦点を有する素子として、第２レーザービ
ームが互いに分離する位置以前の光路に配置し、式１の
関係を満たすように設定するとよい。ｆ・｛１−ｍ・λ・ｆ／（ｐ・Ｗ）｝≦Ｚd≦ｆ・｛１＋ｍ・λ・ｆ／（ｐ・Ｗ）｝ … 式１

【００２０】ここで、λは第１および第２レーザビーム
の波長、ｆは収束手段の焦点距離、ｍは同一回折方向の
第２レーザービームの回折次数の差の絶対値の最小値、
Ｗはその回折方向の第１レーザービームのビーム幅、ｐ
はその回折方向の分割手段の格子単位の配列周期、Ｚd
は第２レーザービームの進行方向を正としたときの収束
手段から整形手段までの距離である。

【００２１】式１の左辺は、回折次数の差が最小の２本
の第２レーザビームが、収束手段によって収束ビームと
されて互いに分離する位置を表しており、この位置で全
ての第２レーザビームが分離した状態となる。式１の右
辺は、回折次数の差が最小の２本の第２レーザビーム
が、一旦収束した後に、発散ビームとなって再び重なり
合う位置を表しており、第２レーザービームの重なり合
いは全てこの位置以後で生じる。

【００２２】したがって、収束手段に対する相対位置を
式１で規定される整形手段は、第２レーザービームが互
いに分離している光路に確実に位置することになる。回
折次数の差が最小の２本の第２レーザービームが互いに
分離する位置に収束手段を配置するときは、式１の左辺
は０になり、それよりも分割手段の近くに収束手段を配
置するときは、式１の左辺は正の値になる。

【００２３】分割手段を回折により第１レーザービーム
を分割して第２レーザービームとする素子とし、収束手
段を分割手段の上または近傍に焦点を有する素子とし
て、第２レーザービームが互いに分離する位置以後の光
路に配置し、式２の関係を満たすように設定してもよ
い。ｆ・｛ｐ・Ｗ／（ｍ・λ・ｆ）−１｝≦Ｚd≦ｆ・｛１＋ｍ・λ・ｆ／（ｐ・Ｗ）｝ … 式２

【００２４】式２における各符号の定義は上記のとおり
である。式２の左辺は、回折次数の差が最小の２本の第
２レーザビームが、回折後の進路を保ったまま互いに分
離する位置を表しており、この位置で全ての第２レーザ
ビームが分離した状態となる。また、右辺は、回折次数
の差が最小の２本の第２レーザビームが、収束手段によ
って収束ビームとされて一旦収束した後に、発散ビーム
となって再び重なり合う位置を表しており、第２レーザ
ービームの重なり合いは全てこの位置以後で生じる。

【００２５】したがって、収束手段に対する相対位置を
式２で規定される整形手段は、第２レーザービームが互
いに分離している光路に確実に位置する。回折次数の差
が最小の２本の第２レーザービームが互いに分離する位
置以後に収束手段が配置されている条件下では、式２の
左辺は、０以上の値だけでなく負の値もとり得る。Ｚd
が負であるということは、整形手段を分割手段と収束手
段の間に配置することを意味する。

【００２６】分割手段である回折素子は、第１レーザー
ビームを１方向に分割する場合は、１次元の回折を生じ
させる素子とし、２方向に分割する場合は、２次元の回
折を生じさせる素子とする。２次元に回折させる場合、
２つの回折方向それぞれについて、式１または式２が成
り立つようにする。

【００２７】収束手段と整形手段は一体化された単一の
素子とすることができる。このような素子は、収束手段
と整形手段とを近接させるとき、すなわち、式１の左辺
を略０としてＺdをこれに略等しくするときや、式２の
Ｚdを略０とするときに有用である。

【００２８】整形手段は第２レーザービームの強度分布
を変換する複数の部位を有する単一の素子とすることが
できる。このようにすると、分割手段や収束手段に対す
る整形手段の位置合わせが容易になる。

【００２９】整形手段を回折により第２レーザービーム
の強度分布を変換する素子とすることも可能である。回
折素子による強度分布の変換は自由度が大きく、回折格
子の設定次第で第２レーザービームを所望の形状にする
ことが容易になる。また、入射するレーザービームの一
部を捨てるのではなく、全ての部位を変換に用いること
ができるから、レーザーの利用効率が高くなる。整形手
段として用いる回折素子は、微小な面が段階的に異なる
高さに設けられたバイナリ型のものでもよく、なだらか
に連なる面が設けられた自由曲面型のものでもよい。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明のレーザー照射光学
系の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、第１の実施形態のレーザー照射光学系１の概略
構成を示す。レーザー照射光学系１は、レーザー光源１
１、ビームエキスパンダ１２、第１の回折光学素子（Ｄ
ＯＥ）１３、レンズ１４、および第２のＤＯＥ１５より
成る。ＤＯＥ１３、レンズ１４、およびＤＯＥ１５はそ
れぞれ、分割手段、収束手段、および整形手段である。

【００３１】ビームエキスパンダ１２はその光軸がレン
ズ１４の光軸Ａｘに一致するように配置されており、Ｄ
ＯＥ１３、１５は光軸Ａｘに対して垂直に配置されてい
る。また、レーザー光源１１は、射出するレーザービー
ムＬ１の中心が光軸Ａｘに一致するように設定されてい
る。

【００３２】レーザー光源１１としてはどのようなもの
を用いてもよいが、照射するレーザビームを物体表面の
加工に利用する場合は、高強度のレーザーを発するも
の、例えばＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー等が好ま
しい。光源１１はレーザービームＬ１を平行ビームとし
て射出するように設定しておくが、レーザービームＬ１
の強度分布はガウシアン型のままでかまわない。ビーム
エキスパンダ１２は、光源１１から射出されるレーザー
ビームＬ１のビーム幅を広げる。ビームエキスパンダ１
２は、ビーム幅を広げること以外に、レーザービームＬ
１の強度分布に大きな変化をもたらさない。

【００３３】第１のＤＯＥ１３は、ビームエキスパンダ
１２によってビーム幅を広げられた第１レーザービーム
Ｌ１を回折させて、複数の第２レーザービームＬ２に分
割する。図１では、レーザービームＬ１を４本のレーザ
ービームＬ２とする例を示している。回折によって生成
するレーザービームＬ２のビーム幅はレーザービームＬ
１のビーム幅と略等しく、その進行方向は回折次数によ
って異なる。

【００３４】レンズ１４は正のパワーを有しており、そ
の前側の焦点はＤＯＥ１３上に位置する。したがって、
ＤＯＥ１３からの全てのレーザービームＬ２は、レンズ
１４によって、同一方向に進むビームとされ、また、各
レーザービームＬ２は、レンズ１４の後側の焦平面ｆp
上に収束する収束ビームとされる。レンズ１４は、ＤＯ
Ｅ１３からのレーザービームＬ２が重なり合っている光
路に配置されている。

【００３５】なお、全ての光学素子には厚さがあるが、
ここでは、レンズ１４のようなパワーを有する素子につ
いては主点を、ＤＯＥ１３およびＤＯＥ１５のような回
折素子については回折面を、素子の位置や素子間の距離
の基準とする。

【００３６】レンズ１４に入射するレーザービームＬ２
は他のレーザービームＬ２と重なり合っているが、各レ
ーザービームＬ２は、レンズ１４によって収束ビームと
されるため、レンズ１４を透過した後、互いに分離す
る。しかも、その分離位置は、レンズ１４が存在しない
ときの分離位置よりも、ＤＯＥ１３に近くなる。

【００３７】第２のＤＯＥ１５は、レーザービームＬ２
が互いに分離する位置以後の光路に配置されている。Ｄ
ＯＥ１５は、各レーザービームＬ２の光路に垂直な断面
の強度分布を変換して、ガウシアン型から所定の分布、
例えば輪郭が矩形で強度が均一な分布とする。これによ
り、光路に対して垂直な方向についてのレーザービーム
Ｌ２の整形がなされる。レーザー照射光学系１は、ＤＯ
Ｅ１５によって整形されたレーザービームＬ２を照射対
象面Ｓに照射する。

【００３８】ＤＯＥ１５からのレーザービームＬ２はレ
ンズ１４の焦平面ｆpに収束する。したがって、この焦
平面ｆpの近傍を照射対象面Ｓとすれば、照射対象面Ｓ
上でのレーザービームを所定の強度分布としつつ、その
ビーム幅をごく小さくすることができる。

【００３９】レーザービームＬ１を複数のレーザービー
ムＬ２に分割するＤＯＥ１３は、平坦な表面にｎ回のレ
リーフ処理を施すことによって作製された、２ⁿのレベ
ル（高さ）の平面をもつバイナリ型の回折素子である。
ＤＯＥ１３は、受光領域（以下、セルという）内に、２
次元に周期的に配列された格子単位（以下、サブセルと
いう）を有しており、サブセルの大きさすなわち配列周
期と、サブセルを構成する微小な単位平面（以下、ピク
セルという）のレベルの設定次第で、回折条件が定ま
る。

【００４０】ＤＯＥ１３の回折条件はレーザー照射光学
系１の用途に応じて定めればよく、レーザービームＬ１
を１次元に回折させてレーザービームＬ２を１列として
もよいし、レーザービームＬ１を２次元に回折させてレ
ーザービームＬ２を複数列としてもよい。また、同一回
折方向の隣合うレーザービームＬ２の回折次数の差を一
定とすることも、隣合うレーザービームＬ２の回折次数
の差が異なるようにすることも可能である。各レーザー
ビームＬ２の相対強度は自由に設定することができる
が、ここでは、全てのレーザービームＬ２の強度を等し
くする。

【００４１】サブセル内の各ピクセルのレベルは、どの
次数の回折ビームをレーザービームＬ２として取り出す
かに応じて設定するが、例えば、非線形最適化アルゴリ
ズムによる演算で算出することができる。

【００４２】ＤＯＥ１３の１つのサブセル内のピクセル
のレベル分布の例を図６に示す。この例は、レーザービ
ームＬ１を１次元に回折させて、回折次数が−３、−
１、＋１、＋３の４本のレーザービームＬ２に分割する
場合である。ここでは、サブセル１３ｃを正方形、レベ
ルを４段階とし、サブセル１３ｃを縦３２、横３２のピ
クセル１３ｐに分割して、各ピクセル１３ｐのレベルを
算出した。１次元の回折であるため、ピクセル１３ｐは
１方向に延びる平行な帯状の配列となっている。

【００４３】図６のサブセル１３ｃの回折方向（図の左
右方向）に沿った断面を図７に示す。レーザービームＬ
１の波長をλ、波長λに対するＤＯＥ１３の基板の屈折
率をｎ1とすると、隣合うレベル間の差ｈはλ／｛４・
（ｎ1−１）｝、最高レベルと最低レベルの差は３・ｈと
なる。回折方向のサブセル１３ｃの大きさすなわち配列
ピッチをＰで表すと、中央に、レベル２・ｈ、幅４・Ｐ／
３２（ピクセル１３ｐの４つ分に相当）の帯、その両側
に、レベル１・ｈ幅、６・Ｐ／３２の帯、その外側に、レ
ベル３・ｈ、幅６・Ｐ／３２の帯、さらにその外側に、レ
ベル０・ｈ、幅２・Ｐ／３２の帯が存在している。

【００４４】このような設定で、上記の回折次数の４本
のレーザービームＬ２を略等しい強度で、かつ効率よく
得ることができる。４本のレーザービームＬ２の均一度
（最高強度と最低強度の差を両強度の和で除した値）は
３．４％、ＤＯＥ１３の回折効率（レーザービームＬ２
の強度の総和をレーザービームＬ１の強度で除した値）
は８３．５％となった。分割後のレーザービームＬ２の
強度分布は、ビームエキスパンダ１２からのレーザービ
ームＬ１の強度分布とほとんど同じであり、ガウシアン
型となる。レーザービームＬ２の強度分布を図１２に示
す。

【００４５】なお、回折格子の形成の誤差により全ての
レベルが系統的に計算値からずれると、その影響は回折
次数０のレーザービームの強度に集中して現れる。した
がって、回折次数０のレーザービームの強度は格子形成
の精度に大きく左右される。ここに示した例のように、
０次以外の回折次数のレーザービームＬ２を取り出すよ
うにすると、たとえ回折格子の形成に系統的誤差が生じ
たとしても、レーザービームＬ２にその大きな影響が及
ぶのを避けることが可能になる。このような回折次数の
設定は、レーザービームＬ２間の均一度を高めるために
特に好ましいといえる。

【００４６】レーザービームＬ２を整形するＤＯＥ１５
は、なだらかに連なる曲面を有する自由曲面型の回折素
子である。ＤＯＥ１５によるレーザービームＬ２の回折
条件はセルの曲面の形状で定まり、各レーザービームＬ
２の光路に垂直な断面の輪郭と、その断面での強度分布
をどのようにするかに応じて設定する。

【００４７】実際には、所望の強度分布とするためのレ
ーザービームＬ２に対するセルの位相関数を求め、これ
から、波長とＤＯＥ１５の基板の屈折率を考慮して、セ
ルの形状関数を定める。位相関数は、例えば次数の異な
る複数項の線形結合で表され、各項の係数は、非線形最
適化アルゴリズムによる演算で算出することができる。

【００４８】ＤＯＥ１５のセルの位相関数の例を式３に
示し、対応するセルの形状を図８に示す。この例は、上
記の４本のレーザービームＬ２に対する各セル１５ｃを
１辺が２ｍｍの正方形とし、レーザービームＬ２それぞ
れを、断面の輪郭が矩形で強度が均一なビームとする場
合である。 φ（ｘ，ｙ）＝２π／λ・｛Ｃ１・（ｘ²＋ｙ²）＋Ｃ２・（ｘ⁴＋ｙ⁴）＋Ｃ３・（ｘ⁶＋ｙ⁶）＋Ｃ４・（ｘ⁸＋ｙ⁸）＋Ｃ５・（ｘ¹⁰＋ｙ¹⁰）｝ … 式３

【００４９】ここで、ｘおよびｙはセル１５ｃの中心を
原点とするｍｍ単位の座標であり、λはレーザービーム
Ｌ２の波長である。係数Ｃ1〜Ｃ5は、Ｃ1＝−２．２７
４×１０^-3（ｍｍ^-1）、Ｃ2＝１．８９６×１０^-3（ｍ
ｍ^-3）、Ｃ3＝−６．７１８×１０^-4（ｍｍ^-5）、Ｃ4＝
−４．３５２×１０^-5（ｍｍ^-7）、Ｃ5＝−４．１７３
×１０^-5（ｍｍ^-9）である。右辺の中括弧内は長さの次
元をもつ。

【００５０】図８は、位相関数φ（ｘ，ｙ）に式４の処
理を施して得られる形状関数Ｚ（ｘ，ｙ）が表す面を示
したものである。Ｚ（ｘ，ｙ）＝φ（ｘ，ｙ）・λ／｛２π・（ｎ2−１）｝ … 式４ここで、ｎ2は波長λに対するＤＯＥ１５の基板の屈折
率である。この設定では、各セル１５ｃはセル内全体に
わたって連なる単一の曲面を有することになる。

【００５１】位相関数φ（ｘ，ｙ）に式５の規格化処理
を施して得られる関数Ｚ'（ｘ，ｙ）が表す面を図９に
示す。Ｚ'（ｘ，ｙ）＝modulo｛φ（ｘ，ｙ）、２π｝・λ／｛２π・（ｎ2−１）｝ … 式５ここで、moduloは第２変数を法とする第１変数の剰余で
あり、Ｚ'（ｘ，ｙ）はＺ（ｘ，ｙ）と等価である。こ
の設定では、各セル１５ｃは２πすなわち位相の１周期
ごとに同レベルとされた複数の曲面を有することにな
り、ＤＯＥ１５の厚さの増大が避けられて、作製が容易
になる。

【００５２】ＤＯＥ１５を自由曲面型とすることに代え
て、バイナリ型としてもよい。式５の関数Ｚ'（ｘ，
ｙ）から得られるバイナリ型の回折格子の例を図１０に
示す。ここでは、各セル１５ｃを縦６４、横６４の単位
平面（以下、サブセル内の単位平面と同様に、ピクセル
という）１５ｐに分割し、レベルを１６段階として、各
ピクセル１５ｐの中心の関数値を求め、その値に最も近
いレベルをそのピクセルのレベルとしている。

【００５３】また、一定の大きさのピクセルをもたない
バイナリ型の回折素子とすることもできる。式５の関数
Ｚ'（ｘ，ｙ）からこのような回折素子を得る方法を図
１１に示す。これは、レベルを等間隔の８段階とし、関
数値が１つのレベル以上次のレベル未満となる範囲を同
一の平面とする例である。

【００５４】なお、バイナリ型の回折素子は、半導体技
術で用いられるフォトリソグラフィにより、容易に作製
することができる。また、電子線描画による加工で作製
することも可能である。これらの方法で表面にレリーフ
処理をした原板から金型を作製し、その金型からレリー
フを透明な樹脂材料に転写すれば、回折格子を効率よく
量産することができる。

【００５５】式４、式５の形状関数に従って作製したＤ
ＯＥ１５によって整形した後の各レーザービームＬ２の
強度分布を、図１３に示す。ＤＯＥ１３による分割後の
各レーザービームＬ２が、図１２に示したようにガウシ
アン型の強度分布であったのに対し、整形後の各レーザ
ービームＬ２は、照射対象面Ｓにおいて、輪郭が矩形
で、中央から周辺部まで略均一な強度分布を有してい
る。対象面Ｓ上でのレーザービームＬ２のビーム幅は略
１２０μｍである。レーザービームＬ２の強度の積分値
は整形の前後で略同じであり、整形は効率よく行われ
る。

【００５６】ＤＯＥ１５に入射するレーザービームＬ２
に重なり合いがあると、所望の強度分布に変換するため
のＤＯＥ１５の回折格子の設計が難しくなる。このた
め、ＤＯＥ１５は、レーザービームＬ２が全て分離して
いる光路に配置することが望ましい。

【００５７】以下、レーザービームＬ２を整形するＤＯ
Ｅ１５の位置について説明する。ＤＯＥ１５の位置に関
与する諸因子を λ：レーザービームＬ１、Ｌ２の波長ｆ：レンズ１４の焦点距離、Ｗ：レーザービームＬ２の回折方向のレーザービームＬ
１のビーム幅、ｐ：レーザービームＬ２の回折方向のＤＯＥ１３の格子
単位の配列周期、と定める。

【００５８】レーザービームＬ１を分割するＤＯＥ１３
は、ｓｉｎ（θ）＝θの関係（θはラジアン単位で表し
た回折角）が成り立つ近軸の範囲内で回折を生じさせる
ように設定されている。したがって、回折次数ｋのレー
ザービームＬ２の回折角θkは式６となり、レンズ１４
の位置におけるそのビームの中心の光軸Ａｘからの距離
ｄkは式７となる。 θk＝ｋ・λ／ｐ … 式６ｄk＝ｆ・θk ＝ｆ・ｋ・λ／ｐ … 式７

【００５９】レーザービームＬ２のうち隣合う２本をレ
ーザービームＬa、Ｌbとし、それらの回折次数をそれぞ
れｋa、ｋbとすると、レンズ１４の位置におけるレーザ
ービームＬa、Ｌbの中心間距離Δｄは Δｄ＝｜ｋa−ｋb｜・ｆ・λ／ｐ … 式８となる。また、レンズ１４の位置における全てのレーザ
ービームＬ２の回折方向のビーム幅はＷである。

【００６０】レンズ１４により収束ビームとされたレー
ザービームＬa、Ｌbのビーム幅は小さくなっていき、ビ
ーム幅が中心間距離Δｄになる位置でレーザービームＬ
a、Ｌbは互いに分離する。この位置は、レンズ１４の後
側の焦平面ｆpからｆ・Δｄ／Ｗの距離である。したがっ
て、レーザービームＬa、Ｌbはレンズ１４から式９の距
離Ｚabだけ進んだ位置で分離する。Ｚab＝ｆ・（１−Δｄ／Ｗ）＝ｆ・｛１−｜ｋa−ｋb｜・ｆ・λ／（ｐ・Ｗ）｝ … 式９

【００６１】レーザービームＬ２の回折次数の差を必ず
しも一定にする必要はない。回折次数の差が異なれば、
レンズ１４の位置におけるレーザービームＬ２の隣合う
ものの中心間距離は異なり、回折次数の差の最も小さい
２本が、レンズ１４から最も離れた位置で、最後に分離
することになる。この位置Ｚ１は、レーザービームＬ２
の回折次数の差の絶対値の最小値をｍとすると、Ｚ１＝ｆ・｛１−ｍ・ｆ・λ／（ｐ・Ｗ）｝ … 式１０となる。

【００６２】レンズ１４によって収束ビームとされたレ
ーザービームＬ２は、レンズ１４の後側の焦平面ｆpに
収束した後は拡散ビームとなり、再び互いに重なり合
う。重なり合いが始まる位置Ｚ２は、レンズ１４の焦平
面ｆpに関して、分離が完了する位置と対称であり、Ｚ２＝ｆ・｛１＋ｍ・ｆ・λ／（ｐ・Ｗ）｝ … 式１１である。

【００６３】結局、レーザービームＬ２は、Ｚ１以上Ｚ
２以下の範囲内で互いに分離した状態となる。したがっ
て、本実施形態のレーザー照射光学系１においては、収
束手段であるレンズ１４に対する整形手段であるＤＯＥ
１５の位置Ｚdをｆ・｛１−ｍ・λ・ｆ／（ｐ・Ｗ）｝≦Ｚd≦ｆ・｛１＋ｍ・λ・ｆ／（ｐ・Ｗ）｝ … 式１（再掲）の範囲に限定している。なお、式１の左辺は０以上の値
であり、左辺が０になるのは、レーザービームＬ２がレ
ンズ１４の位置で分離する場合である。

【００６４】このような設定により、レーザー照射光学
系１は、射出するレーザービームＬ２を確実かつ容易に
所望の形状とすることができる。ＤＯＥ１５の位置Ｚd
は式１の範囲内であればどこに設定してもよいが、レン
ズ１４に近づけるほど好ましい。全体構成が小型になる
上、レーザービームＬ２の断面が広い状態で強度分布の
変換を行うことになって、ＤＯＥ１５の回折格子の設計
が容易になるとともに、変換効率を高くすることができ
るからである。

【００６５】なお、ＤＯＥ１３によってレーザービーム
Ｌ１を２次元に回折させる場合は、レーザービームＬ２
のそれぞれの回折方向について式１が成り立つようにす
る。

【００６６】具体的な数値例を示す。光源１１としてＹ
ＡＧレーザーを用い、レーザービームＬ１の波長λを５
３２ｎｍとする。また、レンズ１４の焦点距離ｆを１０
０ｍｍとし、回折次数−３、−１、＋１、＋３の前述の
４本のレーザービームＬ２を、２ｍｍの等間隔で射出す
るものとする。

【００６７】このとき、レーザービームＬ２の回折次数
の差の絶対値の最小値ｍは２であり、レーザービームＬ
２の間隔を上記の値とするためのＤＯＥ１３のサブセル
の配列周期ｐは、５３．２μｍとなる。また、ビームエ
キスパンダ１２からＤＯＥ１３に入射するレーザービー
ムＬ１のビーム幅Ｗを５ｍｍとすると、式１は、６０（ｍｍ）≦Ｚd≦１４０（ｍｍ） … 式１２となる。

【００６８】第２の実施形態のレーザー照射光学系２の
概略構成を図２に示す。このレーザー照射光学系２は、
上記のレーザー照射光学系１のレンズ１４に代えて、第
３のＤＯＥ１６を収束手段として備えたものである。他
の構成要素はレーザー照射光学系１のものと同じであ
り、重複する説明は省略する。

【００６９】ＤＯＥ１６は正のパワーを有しており、前
側の焦点がＤＯＥ１３上に位置する。ＤＯＥ１６は、Ｄ
ＯＥ１３からのレーザービームＬ２が重なり合っている
光路に配置されており、ＤＯＥ１６に対するＤＯＥ１５
の位置Ｚdは、前述の式１を満たすように設定されてい
る。

【００７０】ＤＯＥ１６のようにパワーを有する回折素
子は、レリーフ処理によって作製することができるし、
ホログラム露光によって作製することもできる。収束手
段として回折素子を用いたレーザー照射光学系２では、
レーザービームＬ２の収差が抑えられ、照射対象面Ｓに
おいて各レーザービームＬ２を一層均等にすることがで
きる。

【００７１】第３の実施形態のレーザー照射光学系３の
概略構成を図３に示す。このレーザー照射光学系３は、
第１のレーザー照射光学系１のレンズ１４をＤＯＥ１３
からのレーザービームＬ２が互いに分離する位置以後の
光路に配置するとともに、開口１７ａを有する遮光板１
７と縮小光学系１８を備えたものである。

【００７２】レンズ１４の前側の焦点はレーザービーム
Ｌ１を分割するＤＯＥ１３上に位置する。ＤＯＥ１３に
より分割されたレーザービームＬ２は、互いに分離した
状態でレンズ１４に入射し、同一方向に進みレンズ１４
の後側の焦平面ｆpに収束する収束ビームとされる。レ
ーザービームＬ２を整形するＤＯＥ１５は、レンズ１４
と焦平面ｆpの間に配置されている。

【００７３】遮光板１７はレンズ１４の焦平面ｆpの近
傍に配置されており、その開口１７ａは、レーザービー
ムＬ２を受ける位置に設けられている。遮光板１７は、
ＤＯＥ１５によって整形された各レーザービームＬ２の
周辺の部分を遮断して、レーザービームＬ２の断面の輪
郭を一層明確にするためのものである。

【００７４】ＤＯＥ１５によってレーザービームＬ２の
光路に垂直な断面の強度分布を均一にした場合の、遮光
板１７の開口１７ａによる整形の様子を図１４に模式的
に示す。ＤＯＥ１５による整形でレーザービームＬ２は
なだらかに変化する部分がほとんどない強度分布となっ
ており、遮光板１７でさらに整形しても失われる光はご
く僅かである。図１６に示したガウシアン型の分布のま
まで遮光板７７により整形する従来の光学系と比べて、
レーザー照射光学系３におけるレーザーの利用効率は大
幅に向上する。

【００７５】縮小光学系１８はその光軸がレンズ１４の
光軸Ａｘに一致するように配置されている。遮光板１７
の開口１７ａを通過したレーザービームＬ２は、縮小光
学系１８によってビーム幅と相互の間隔を狭められて、
照射対象面Ｓに照射される。

【００７６】レーザー照射装置３では、レーザービーム
Ｌ２が重なり合っている光路にレンズ１４やＤＯＥ１６
が配置されているレーザー照射装置１、２に比べて、レ
ンズ１４を経た後のレーザービームＬ２の間隔が広が
る。しかし、縮小光学系１８を備えたことにより、射出
するレーザービームＬ２の間隔をレーザー照射装置１、
２と同程度にすることができる。

【００７７】レーザービームＬ２の間隔を狭める必要が
ないときは、縮小光学系１８は不要である。また、ＤＯ
Ｅ１５でレーザービームＬ２の整形が十分になされるか
ら、強度分布の均一度を特に高めたり断面の輪郭を特に
明確にしたりする場合を除き、遮光板１７も必ずしも備
える必要はない。遮光板１７と縮小光学系１８を省略す
る場合、ＤＯＥ１５は、レーザービームＬ２が発散光と
なって再び重なり合う位置までの光路のどこかに配置す
ればよい。

【００７８】本実施形態のように、ＤＯＥ１３からのレ
ーザービームＬ２が分離する位置以後の光路にレンズ１
４を配置する場合でも、レーザービームＬ２が再び重な
り合い始める位置Ｚ２は前述の式１１のとおりである。
したがって、レンズ１４に対するＤＯＥ１５の位置Ｚd
は、式１３を満たせばよい。０≦Ｚd≦ｆ・｛１＋ｍ・ｆ・λ／（ｐ・Ｗ）｝ … 式１３

【００７９】第４の実施形態のレーザー照射光学系４の
概略構成を図４に示す。このレーザー照射光学系４は、
収束手段を段差のあるプリズム状のレンズ１９とし、整
形手段であるＤＯＥ１５とレンズ１９とを一体の素子と
したものである。他の構成要素は上記のレーザー照射光
学系３のものと同様である。

【００８０】レンズ１９の前側の焦点はレーザービーム
Ｌ１を分割するＤＯＥ１３上に位置し、レンズ１９自体
はＤＯＥ１３からのレーザービームＬ２が互いに分離す
る位置以後の光路に配置されている。レンズ１９に対す
るＤＯＥ１５の位置Ｚdは式１３を満たしており、ＤＯ
Ｅ１５とレンズ１９が一体となっているから、Ｚd＝０
にきわめて近い状態である。

【００８１】一体の素子であるＤＯＥ１５とレンズ１９
は、それぞれに対応する２つの金型を用いる樹脂成型で
容易に作製することが可能であり、製造効率に優れてい
る。

【００８２】第５の実施形態のレーザー照射光学系５の
概略構成を図５に示す。このレーザー照射光学系５は、
第３の実施形態のレーザー照射光学系３のＤＯＥ１５
を、ＤＯＥ１３とレンズ１４の間に配置したものであ
る。ただし、ＤＯＥ１５は、ＤＯＥ１３からのレーザー
ビームＬ２が互いに分離する位置以後に配置されてい
る。

【００８３】レーザー照射光学系５におけるＤＯＥ１５
の位置について説明する。以下の説明で用いる符号λ、
Ｗ、ｐ、ｆの意味は、第１の実施形態で定めたとおりで
ある。

【００８４】レーザービームＬ２のうちの隣合う２本を
レーザービームＬa、Ｌbとし、それらの回折次数をそれ
ぞれｋa、ｋbとすると、レンズ１４の位置におけるレー
ザービームＬa、Ｌbの中心間距離Δｄは、前述の式８の
ようになる。また、ＤＯＥ１３からレンズ１４までの光
路における全てのレーザービームＬ２の光軸Ａｘに対し
て垂直な方向の幅は、近軸の回折条件下では、回折方向
についてのレーザービームＬ１のビーム幅Ｗとなる。

【００８５】ＤＯＥ１３からのレーザービームＬa、Ｌb
は、光軸Ａｘに垂直な方向の幅Ｗを保ったまま、重なり
合いを減じていき、中心間距離が幅Ｗになる位置で分離
する。この位置はＤＯＥ１３からｆ・Ｗ／Δｄの距離で
あり、レンズ１４を基準に表せば、レーザービームＬ
a、Ｌbが分離する位置ＺabはＺab＝ｆ・Ｗ／Δｄ−ｆ＝ｆ・｛ｐ・Ｗ／（｜ｋa−ｋb｜・ｆ・λ）−１｝ … 式１４となる。

【００８６】レーザービームＬ２の回折次数の差が一定
でないとき、回折次数の差の最も小さいものが、レンズ
１４に最も近寄った位置で、最後に分離する。この位置
Ｚ０は、レーザービームＬ２の回折次数の差の絶対値の
最小値をｍとすると、Ｚ０＝ｆ・｛ｐ・Ｗ／（ｍ・ｆ・λ）−１｝ … 式１５となる。

【００８７】したがって、本実施形態のレーザー照射光
学系５においては、レンズ１４に対するＤＯＥ１５の位
置Ｚdをｆ・｛ｐ・Ｗ／（ｍ・λ・ｆ）−１｝≦Ｚd≦０ … 式１６の範囲に限定している。なお、この式の左辺は０以下の
値であり、左辺が０になるのは、レーザービームＬ２が
レンズ１４の位置で分離する場合である。

【００８８】ＤＯＥ１３からのレーザービームＬ２が分
離する位置以後にレンズ１４を配置する場合、レンズ１
４に対するＤＯＥ１５の位置Ｚdは、式１３または式１
６を満たせばよいことになり、結局、式２で規定され
る。ｆ・｛ｐ・Ｗ／（ｍ・λ・ｆ）−１｝≦Ｚd≦ｆ・｛１＋ｍ・λ・ｆ／（ｐ・Ｗ）｝ … 式２（再掲）

【００８９】上記各実施形態のレーザー照射光学系１〜
５では、回折によりレーザービームＬ１を分割し、した
がって分割直後のレーザービームＬ２に重なり合いが生
じる構成でありながら、レーザービームＬ２が分離する
光路範囲を考慮してその範囲内に整形のためのＤＯＥ１
５を配置しているため、ＤＯＥ１５の回折条件は単一の
ビームに対して設定すればよい。このため、ＤＯＥ１５
の回折条件設定の自由度は高く、用途に応じた強度分布
を容易に現出することができる。

【００９０】

【発明の効果】本発明のレーザー照射光学系は、レーザ
ービームの分割を一度に行うため、小型となり、また、
構成要素の数が減少して、構成要素相互の位置合わせが
容易になる。しかも、分割後のレーザービームを分割前
のレーザービームと略同じビーム幅としながらも、それ
らが分離している状態で整形を行うため、分割後の各レ
ーザービームを確実かつ容易に所望の形状とすることが
できる。さらに、分割後のレーザービームを同一方向に
進む収束ビームとするため、照射対象面に同一方向から
照射することが可能であり、各レーザービームの照射範
囲を微小にすることも容易である。分割後のレーザービ
ームを収束ビームとすることでそれらの分離を促進する
こともでき、これにより、全体構成が一層小型になる。

【００９１】分割手段を回折により第１レーザービーム
を分割して第２レーザービームとする素子とし、収束手
段を分割手段の上または近傍に焦点を有する素子として
式１または式２の関係を満たすように配置する構成で
は、分割後のレーザービームを等価にすることが容易で
あり、また、分割後のレーザービームが互いに分離して
いる状態で整形を行うことが確実にできて、整形もきわ
めて容易になる。

【００９２】収束手段と整形手段を一体化された単一の
素子とすると、相互の位置合わせが不要になって調整が
容易になる上、全体構成が一層小型になる。

【００９３】整形手段を第２レーザービームの強度分布
を変換する複数の部位を有する単一の素子とすると、分
割手段や収束手段に対する整形手段の位置の調整が容易
になる。

【００９４】整形手段を回折により第２レーザービーム
の強度分布を変換する素子とすると、整形の自由度が大
きくなって、照射するレーザービームを所望の形状にす
ることが容易になる。また、整形によるレーザーの損失
が抑えられ、効率のよいレーザー照射光学系となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態のレーザー照射光学系の概略
構成を示す図。

【図２】第２の実施形態のレーザー照射光学系の概略
構成を示す図。

【図３】第３の実施形態のレーザー照射光学系の概略
構成を示す図。

【図４】第４の実施形態のレーザー照射光学系の概略
構成を示す図。

【図５】第５の実施形態のレーザー照射光学系の概略
構成を示す図。

【図６】各実施形態のレーザー照射光学系における分
割用のバイナリ型回折素子の格子単位内のレベル分布の
例を示す平面図。

【図７】図６の格子単位の回折方向に沿った断面図。

【図８】各実施形態のレーザー照射光学系における整
形用の自由曲面の例を示す斜視図。

【図９】図８の曲面と等価な整形用の自由曲面型回折
素子の曲面を示す斜視図。

【図１０】図８の曲面と略等価な整形用のバイナリ型
回折素子のレベル分布を示す平面図。

【図１１】図８の曲面と略等価な整形用のバイナリ型
回折素子のレベルの別の設定を示す断面図。

【図１２】各実施形態のレーザ照射光学系における分
割後のレーザービームの強度分布を示す斜視図。

【図１３】各実施形態のレーザ照射光学系における整
形後のレーザービームの強度分布の例を示す斜視図。

【図１４】第３ないし第５の実施形態のレーザ照射光
学系における整形後のレーザービームの開口による再整
形の様子を示す断面図。

【図１５】従来のレーザー照射光学系の概略構成を示
す図。

【図１６】従来のレーザー照射光学系におけるレーザ
ービームの開口による整形の様子を示す断面図。

【符号の説明】

１、２、３、４、５レーザー照射光学系１１レーザー光源１２ビームエキスパンダ１３ＤＯＥ（分割手段）１４レンズ（収束手段）１５ＤＯＥ（整形手段）１６ＤＯＥ（収束手段）１７遮光板１７ａ開口１８縮小光学系１９レンズ（収束手段）Ｌ１第１レーザービームＬ２第２レーザービーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射する第１レーザービームを一度に分
割して、第１レーザービームのビーム幅と略等しいビー
ム幅をもち互いに異なる方向に進む複数の第２レーザー
ビームとする分割手段と、各第２レーザービームを互いに略同じ方向に進む収束ビ
ームとする収束手段と、第２レーザービームが互いに分離している光路におい
て、各第２レーザービームの光路に垂直な断面の強度分
布を変換する整形手段とを備えることを特徴とするレー
ザー照射光学系。
【請求項２】分割手段は回折により第１レーザービー
ムを分割して第２レーザービームとする素子であり、収束手段は分割手段の上または近傍に焦点を有する素子
であって、第２レーザービームが互いに分離する位置以
前の光路に配置されており、第１および第２レーザビームの波長をλ、収束手段の焦点距離をｆ、同一回折方向の第２レーザービームの回折次数の差の絶
対値の最小値をｍ、前記回折方向の第１レーザービームのビーム幅をＷ、前記回折方向の分割手段の格子単位の配列周期をｐ、第２レーザービームの進行方向を正として収束手段から
整形手段までの距離をＺdで表すとき、ｆ・｛１−ｍ・λ・ｆ／（ｐ・Ｗ）｝≦Ｚd≦ｆ・｛１＋ｍ・
λ・ｆ／（ｐ・Ｗ）｝の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のレー
ザー照射光学系。
【請求項３】分割手段は回折により第１レーザービー
ムを分割して第２レーザービームとする素子であり、収束手段は分割手段の上または近傍に焦点を有する素子
であって、第２レーザービームが互いに分離する位置以
後の光路に配置されており、第１および第２レーザビームの波長をλ、収束手段の焦点距離をｆ、同一回折方向の第２レーザービームの回折次数の差の絶
対値の最小値をｍ、前記回折方向の第１レーザービームのビーム幅をＷ、前記回折方向の分割手段の格子単位の配列周期をｐ、第２レーザービームの進行方向を正として収束手段から
整形手段までの距離をＺdで表すとき、ｆ・｛ｐ・Ｗ／（ｍ・λ・ｆ）−１｝≦Ｚd≦ｆ・｛１＋ｍ・
λ・ｆ／（ｐ・Ｗ）｝の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のレー
ザー照射光学系。
【請求項４】収束手段と整形手段は一体化された単一
の素子であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ
ー照射光学系。
【請求項５】整形手段は第２レーザービームの強度分
布を変換する複数の部位を有する単一の素子であること
を特徴とする請求項１に記載のレーザー照射光学系。
【請求項６】整形手段は回折により第２レーザービー
ムの強度分布を変換する素子であることを特徴とする請
求項１に記載のレーザー照射光学系。