JP2001272635A - レーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
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。 【解決手段】 本発明のレーザ加工装置10は、反射型
空間光変調器20と、反射型空間光変調器20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40と、反射型空間光変調器20に読み出し光
を入射するための投光手段50と、反射型空間光変調器
20において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と、を備える。
Description
いたレーザ加工装置に関する。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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に読み出し光を入射
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、を備えることを特徴とする。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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S
LM20は、読み出し光の入射面に同じくARコート2
6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ITO2
8が積層されており、前記したミラー層25とITO2
8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3
2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。
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。
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。
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。
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。
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。
工装置10が構成されている。
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。
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。
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。
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Simu
lated 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。
ホログラムパターンを表示する場合を考える。
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)。
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)。
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。
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4
2に表示する。
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。
について説明する。
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。
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ITO2
3,28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。
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3
2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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
0,82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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
の構成を模式的に示す平面図である。
ャートである。
の構成を模式的に示す平面図である。
の構成を模式的に示す平面図である。
0…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、8
0,82…撮像装置、T…試料。
Claims (4)
- 【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に読み出し光を入射するための
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。
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