JP2003114400A - Laser optical system and laser machining method - Google Patents

Laser optical system and laser machining method

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JP2003114400A
JP2003114400A JP2001308157A JP2001308157A JP2003114400A JP 2003114400 A JP2003114400 A JP 2003114400A JP 2001308157 A JP2001308157 A JP 2001308157A JP 2001308157 A JP2001308157 A JP 2001308157A JP 2003114400 A JP2003114400 A JP 2003114400A
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Japan
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laser
lens
optical element
diffraction
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JP2001308157A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Okada
岡田  健
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus which converts a laser beam having a Gaussian distribution and other nonuniform power distributions into a uniform power distribution beam of a top hat type. SOLUTION: A diffraction point where the power is equally distributed in a specified range is formed and is defocused, by using a diffraction type optical element and a condenser lens, to obtain the optical quantity distribution of the top hat type within this range. The phase pattern of the diffraction type optical element (DOE) is previously determined in such a manner that the beam power at the lattice point within a certain range is made the same. The laser beam having the nonuniform distribution is cast to the diffraction optical element and the transmitted light thereof is condensed by the condenser lens. The beam emitted from the condenser lens is made into the uniform optical quantity distribution on an objective surface by defocusing to slightly shift the objective surface forward and backward from the focal plane.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームを熱
源として用い、ビームの熱によって被処理物を局所的に
加熱し、穴開け、溶接、熱処理などのレーザ加工を行う
技術分野に関する。炭酸ガスレーザ、YAGレーザなど
は強いパワーをもつのでビームを被処理物にあてて、穴
穿孔、溶接などを行うことができる。ビームパワーを減
らすと熱処理のために用いることもできる。穴開けに関
していえば機械的なドリルによる穿孔よりも多数の穴を
短時間に穿孔できるから生産性が高いといえる。ここで
問題にするのはレーザビームの空間的なパワー分布であ
って、ある範囲では一定のパワーをもつトップハット型
のレーザビームを得ようとするものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technical field of using a laser beam as a heat source to locally heat an object to be processed by the heat of the beam to perform laser processing such as drilling, welding and heat treatment. Since a carbon dioxide gas laser, a YAG laser and the like have a strong power, it is possible to apply a beam to the object to be processed and perform hole drilling, welding and the like. When the beam power is reduced, it can be used for heat treatment. When it comes to drilling, it can be said that productivity is high because a large number of holes can be drilled in a short time rather than mechanical drilling. The problem here is the spatial power distribution of the laser beam, and it is intended to obtain a top-hat type laser beam having a constant power in a certain range.

【0002】[0002]

【従来の技術】熱によって対象材料を溶融し加工するレ
ーザとしてはパワーの大きい炭酸ガスレーザや、YAG
レーザなどがある。レーザビームを対象へ導くにはミラ
ーやレンズが必要である。炭酸ガスレーザは波長が9μ
m〜11μmであり赤外光であるから、それを透過でき
るZnSeレンズなどを用いて集光する。YAGレーザ
は1.06μmであるから通常のガラス材料のレンズを
用いることもある。
2. Description of the Related Art As a laser for melting and processing a target material by heat, a carbon dioxide gas laser having a large power or a YAG laser is used.
There is a laser. A mirror or lens is required to guide the laser beam to the target. Carbon dioxide laser has a wavelength of 9μ
Since it is m to 11 μm and is infrared light, it is condensed using a ZnSe lens or the like that can transmit it. Since the YAG laser is 1.06 μm, a lens made of a normal glass material may be used.

【0003】レーザ発光についていえば連続的に発光さ
せる(CW)場合とパルス的に発光させる場合がある。
目的によって連続光とパルス光を使い分けることができ
る。Qスイッチによってエネルギーの大きいパルス光を
発生させてレーザ加工をするということも多い。
Regarding laser light emission, there are a case of continuous light emission (CW) and a case of pulsed light emission.
Depending on the purpose, continuous light and pulsed light can be used separately. In many cases, laser processing is performed by generating pulsed light with large energy by the Q switch.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】レーザビームは通常ガ
ウス分布 exp(−2r/w) (1) で表されるようなビームパワー分布をもっている。つま
りビーム中央で強度が強く、ビーム外周部で強度が弱い
というような空間的に不均一なパワー分布をもつことが
多い。ここでwはビームウエストである。ビームの直径
とか半径という場合、強度が中心のe−2に低下する点
までの距離で定義する。つまりウエストwばビーム半径
である。そのようなガウス分布であっても差し支えない
ということも多い。
The laser beam usually has a beam power distribution represented by a Gaussian distribution exp (-2r 2 / w 2 ) (1). That is, the intensity is often strong at the center of the beam and weak at the outer periphery of the beam, and often has a spatially non-uniform power distribution. Here, w is the beam waist. The diameter or radius of the beam is defined by the distance to the point where the intensity drops to the central e −2 . That is, the waist w is the beam radius. In many cases, such a Gaussian distribution does not matter.

【0005】しかしレーザ加工の分野では、そのような
不均一なパワー分布が望ましくないという場合がある。
たとえばプリント基板にレーザビームを当てて穴を開け
るという場合、穴底部の中央が焼け焦げてしまうという
問題がある。
However, in the field of laser processing, such non-uniform power distribution may not be desirable.
For example, when making a hole by applying a laser beam to a printed circuit board, there is a problem that the center of the bottom of the hole is scorched.

【0006】レーザ穴開けの場合、均等な穴を開けるた
めに中央部も周辺部も同じパワー密度を有するビームが
望ましい。そうすれば中央も周辺も同じパワーで対象物
を焼き切るから均一な穴を穿孔することができる。
In the case of laser drilling, it is desirable to use a beam having the same power density in the central portion and the peripheral portion in order to make uniform holes. Then, the object is burned off with the same power in the center and the periphery, so that uniform holes can be drilled.

【0007】そのような一定範囲で均一なレーザビーム
の強度(パワー)分布を、ここではフラットトップ(Fl
at Top)型あるいはトップハット(Top Hat)型と呼ぶ
ことにしよう。これはある所望の範囲でレーザビームが
ほぼ等しいパワー密度をもつということを表している。
中心からrでのパワー密度をP(r)によって表現する
とき、 となるのがトップハット型の分布である。
A uniform laser beam intensity (power) distribution in such a fixed range is referred to as a flat top (Fl
Let's call it the "Top" type or the Top Hat type. This means that the laser beam has almost the same power density in a desired range.
When expressing the power density at r from the center by P (r), The top-hat distribution is.

【0008】これは円形断面のビームを示す。上の表記
は分かりやすいが2行にわたり不便であるからsgn関
数というものを定義する。それはsgn(x)=1(x
>0)、sgn(x)=0(x≦0)というものであ
る。或いは2変数x、yに対して、sgn(x,y)=
1(x>0かつy>0)、sgn(x,y)=0(x≦
0或いはy≦0))というものである。レーザビームの
外形は円形であることが多い。そのトップハット分布は
式(2)によって示される。
This shows a beam of circular cross section. Although the above notation is easy to understand, it is inconvenient over two lines, so the sgn function is defined. It is sgn (x) = 1 (x
> 0), sgn (x) = 0 (x ≦ 0). Alternatively, for two variables x and y, sgn (x, y) =
1 (x> 0 and y> 0), sgn (x, y) = 0 (x ≦
0 or y ≦ 0)). The outer shape of the laser beam is often circular. The Top Hat distribution is given by equation (2).

【0009】 P(r)=Wsgn(w−r) (3) しかし要求される穴の形状は様々であるから、円形に限
らず、正方形ビーム、線状ビーム、リング状ビームなど
のパターンをもつビームであってよい。
P (r) = Wsgn (w−r) (3) However, since the shape of the hole required is various, the shape is not limited to a circle but has a pattern such as a square beam, a linear beam, a ring beam, or the like. It may be a beam.

【0010】2aを一辺とする正方形の場合トップハッ
トのレーザパワー分布は、 P(x,y)=Wsgn(a−x,a−y) (4) によって表現できる。
[0010] 2a laser power distribution for top hat square to one side of the can be represented by P (x, y) = Wsgn (a 2 -x 2, a 2 -y 2) (4).

【0011】2a、2bを二辺とする正方形の場合トッ
プハットのレーザパワー分布は、 P(x,y)=Wsgn(a−x,b−y) (5) である。線状ビームというのはa/bが1よりかなり大
きいということだから式(5)で表現できる。
[0011] 2a, 2b the laser power distribution for top hat square and two sides is P (x, y) = Wsgn (a 2 -x 2, b 2 -y 2) (5). Since the linear beam means that a / b is considerably larger than 1, it can be expressed by equation (5).

【0012】外径2a、内径2bのリング状のビームの
トップハットというと、 P(r)=Wsgn(a−r,r−b) (6) によって表すことができる。
[0012] outer diameter 2a, and say top hat ring-shaped beam having an inner diameter 2b, can be represented by P (r) = Wsgn (a 2 -r 2, r 2 -b 2) (6).

【0013】図8はガウシアンビームを示し、図9はト
ップハットビームの理念形を示す。そのようなトップハ
ットパワー密度分布を作り出すために従来幾つかの提案
がなされている。
FIG. 8 shows the Gaussian beam, and FIG. 9 shows the ideal shape of the top hat beam. Several proposals have been made in the past to create such a top hat power density distribution.

【0014】 John A. Hoffnagle and C. Michael Je
fferson, "Design and performance of a refractive o
ptical system that converts a Gaussian to a flatto
p beam", APPLIED OPTICS, Vol.39, No.30, 20 Octobe
r, 2000, p5488-5499
John A. Hoffnagle and C. Michael Je
fferson, "Design and performance of a refractive o
ptical system that converts a Gaussian to a flatto
p beam ", APPLIED OPTICS, Vol.39, No.30, 20 Octobe
r, 2000, p5488-5499

【0015】は2枚の非球面レンズを用いてレーザガウ
シアンビームを平行なトップハット分布に変換させてい
る。初めの非球面レンズは凹型のレンズで中央部の濃密
なビームを外部へ広げ周辺部のまばらなビームは相互に
接近させて密度を上げるようにしている。濃い部分は薄
くし薄い部分は濃くするということによって均一化する
のである。次の非球面レンズによってそれらの傾斜ビー
ムを平行なビームに変換している。だから2枚目の非球
面レンズを通った光は平行であって、しかもパワー密度
が均一なトップハットになっている。これは2枚のレン
ズだけでガウシアンビームを均一分布のビームに変換す
るものであり、考え方は分かりやすい。
Uses two aspherical lenses to convert the laser Gaussian beam into a parallel top hat distribution. The first aspherical lens is a concave lens that expands the dense beam in the central part to the outside and makes the sparse beams in the peripheral part closer to each other to increase the density. The dark areas are made thin and the thin areas are made thick to make them uniform. The following aspherical lenses convert those tilted beams into parallel beams. Therefore, the light passing through the second aspherical lens is parallel, and the top hat has a uniform power density. This is to convert a Gaussian beam into a beam having a uniform distribution with only two lenses, and the idea is easy to understand.

【0016】しかも変換後のビームは平行ビームである
から対象物までの距離を変えてもよい。扱い易いトップ
ハットビームとなる。さらにレンズ光学系を用いるから
波長(λ)依存性が少ないという利点がある。レンズ屈
折率の波長依存性はあるがそれは僅かである。屈折を利
用するので波長依存性がなくて白色に近いスペクトルの
光源であってもそのようなことは可能である。
Moreover, since the converted beam is a parallel beam, the distance to the object may be changed. It becomes a top hat beam that is easy to handle. Further, since the lens optical system is used, there is an advantage that the wavelength (λ) dependency is small. The lens refractive index has a wavelength dependence, but it is small. Since refraction is utilized, such a thing is possible even if the light source has no wavelength dependence and has a spectrum close to white.

【0017】しかしそのような非球面レンズ2枚による
ものはレンズの加工が難しいという難点がある。非球面
レンズ表面形状の計算は可能であるが実際に計算通りの
曲面をもつレンズを機械加工で製造するのは難しい。そ
の結果高価な機構となる。
However, the two aspherical lenses are difficult to process. It is possible to calculate the surface shape of an aspherical lens, but it is difficult to actually manufacture a lens having a curved surface as calculated by machining. The result is an expensive mechanism.

【0018】それにガウシアンだといってもレーザごと
に実はビームの分布が相違する。早い話しがビームウエ
ストwの同じ規模の炭酸ガスレーザだとしてもばらつい
ている。非球面レンズの設計にはwを決める必要がある
が、レーザごとにwがばらつくのでレーザ毎に計算をし
なければならないし、レーザごとに異なる組の非球面レ
ンズを作らなければならない。そのような制御不能の多
様性がよけいコストを押し上げることになる。それが面
倒だからwを固定して非球面レンズを作製した場合はレ
ーザによってばらつきが出て必ずしも成形後のビームが
トップハットにならない。
Even if it is Gaussian, the beam distribution actually differs from laser to laser. Even if the early talk is a carbon dioxide laser of the same scale at Beam West w, it is scattered. In designing an aspherical lens, w needs to be determined, but since w varies from laser to laser, calculation must be performed for each laser, and a different set of aspherical lenses must be created for each laser. Such out-of-control diversity adds to the cost. Since it is troublesome, when w is fixed and an aspherical lens is manufactured, variations occur depending on the laser and the beam after molding does not necessarily become the top hat.

【0019】それに非球面は切削加工によって作るから
円筒対称のレンズしか作製できない。上記式(2)のよ
うな円形のビームならレンズ二枚の組み合わせによって
トップハット分布ができようが、正方形のトップハット
や、長方形のトップハット分布などは作りがたい。さら
にドーナツ型のトップハットは円筒対称であるが簡単に
はできない。
Since the aspherical surface is formed by cutting, only a cylindrically symmetric lens can be formed. A circular beam like the above formula (2) may have a top hat distribution by combining two lenses, but it is difficult to make a square top hat or a rectangular top hat distribution. Furthermore, the donut type top hat has a cylindrical symmetry, but it cannot be easily done.

【0020】 Fred M. Dickey, Burton D. O'Neil, "
Multifaceted laser beam integrators: general formu
lation and design concepts”, OPTICAL ENGINEERING,
Vol.27, No.11, November, 1988, p999は、レーザビー
ムを、鋸歯のような断面をもつM個もの非連続面を有
するミラーに当ててM本の独立のビームに分けて、こ
れを一つの凹面鏡に当てて反射させることによって像面
で一様分布を得ようとするものである。レーザビームが
ガウシアン分布をしており直径がDだとすると、一辺が
D程度の円形ミラーまたは正方形ミラーを用いるミラー
全面がM×Mに分割されている。
Fred M. Dickey, Burton D. O'Neil, "
Multifaceted laser beam integrators: general formu
relation and design concepts ”, OPTICAL ENGINEERING,
Vol.27, No.11, November, 1988, p999 is a laser beam is divided into M 2 pieces of independent beams against a mirror having a non-continuous surface also two M having a cross section like saw teeth, It is intended to obtain a uniform distribution on the image plane by applying this to one concave mirror and reflecting it. Assuming that the laser beam has a Gaussian distribution and a diameter of D, the entire mirror surface using a circular mirror or a square mirror with one side of about D is divided into M × M.

【0021】それぞれのミラーの向きは少しずつ違う
が、凹面鏡に光を反射するのであるからほぼ同一の傾き
で境界が段部になっている。もともとガウシアンビーム
でDの広がりにおいて強度が1〜1/eに大きく変化
するが、それをM個に分割したD/M×D/Mの小面積
での強度分布ばらつきは極小さいものである。これを凹
面鏡へ反射するとM本のビームが重ね合わされるから
全体のビーム強度は凹面鏡の全体で等しくなるはずであ
る。凹面鏡での反射光を像面に当てると、一様分布した
光が得られるということになる。つまりレーザビームを
一旦全部集めてそれを分配するようなものであるから全
面において光パワーは一様になるはずである。
Although the directions of the respective mirrors are slightly different, since the light is reflected by the concave mirror, the boundaries are stepped with substantially the same inclination. Originally, the intensity largely changes from 1 to 1 / e 2 in the spread of D with a Gaussian beam, but the intensity distribution variation in a small area of D / M × D / M obtained by dividing it into M pieces is extremely small. . When this is reflected to the concave mirror, M 2 beams are superposed, so that the total beam intensity should be equal in the whole concave mirror. When the light reflected by the concave mirror is applied to the image plane, it means that light with a uniform distribution can be obtained. In other words, since the laser beams are once collected and distributed, the optical power should be uniform over the entire surface.

【0022】しかしながらM分割ミラーを使ってしま
うから位相の関係が崩れてしまい、凹面鏡がきれいな凹
面である場合は像面での位相関係が乱れてしまう。だか
ら分割されたビームのいずれについても像面で結像の条
件を満足するとは限らない。だから幾何光学的にビーム
軌跡は求めることができてもビーム強度分布が実際に所
期のものになるとは限らない。そのためにトップハット
といってもギザギザの分布になってしまう。
However, since the M 2 split mirror is used, the phase relationship is broken, and when the concave mirror is a clean concave surface, the phase relationship on the image plane is disturbed. Therefore, not all the divided beams satisfy the image forming condition on the image plane. Therefore, even if the beam trajectory can be obtained by geometrical optics, the beam intensity distribution does not always become the desired one. Therefore, the top hat has a jagged distribution.

【0023】それだけでない。全ての部分ミラーからの
光の像面での位相が一致しないので像面を前後に少し動
かしただけでパワー分布がまた大きく変わる。つまりノ
イズを相手にしているようなものである。初めのレーザ
ビームは解析的であるが分割してしまうともはや解析性
がなくなってしまうので二次元の光量分布が不均一であ
りかつ不安定である。
Not only that. Since the phases of the light from all partial mirrors do not match at the image plane, a slight movement of the image plane back and forth changes the power distribution again. In other words, it is like dealing with noise. The initial laser beam is analytic, but if it is divided, the analyticity is no longer present, so the two-dimensional light amount distribution is non-uniform and unstable.

【0024】それは原理的な難点であるが、多様な段差
と傾斜面を持つM分割ミラーの切削加工が微妙で難し
いという実際的な問題もある。それに反射系であるため
に、システムが大型化するという欠点がある。
Although this is a theoretical difficulty, there is a practical problem that the cutting of the M 2 split mirror having various steps and inclined surfaces is delicate and difficult. In addition, since it is a reflective system, it has a drawback that the system becomes large.

【0025】非球面レンズを使うやその他の均一化の
技術は、レーザのビームがガウシアンビームであること
を仮定し、広がりσも既知であるという前提に立ってい
る。しかしレーザビームは必ずしも綺麗な円筒対称のガ
ウシアン分布をしていないし、ビーム広がりσも一定で
ない。同じメーカーの同じ型式の炭酸ガスレーザだとし
てもやはりビーム広がりや分布は微妙に違う。だからレ
ーザビームの分布や広がりによって異なるレンズを作る
必要がある。だから非球面レンズを用いたものはレーザ
プロフィル依存性が強くて一般性がない。
Other techniques for homogenization using an aspherical lens are based on the assumption that the laser beam is a Gaussian beam and that the spread σ is also known. However, the laser beam does not always have a clean cylindrically symmetric Gaussian distribution, and the beam spread σ is not constant. Even if they are carbon dioxide lasers of the same model and made by the same manufacturer, the beam spread and distribution will be slightly different. Therefore, it is necessary to make different lenses depending on the distribution and spread of the laser beam. Therefore, the one using an aspherical lens has a strong dependence on the laser profile and is not general.

【0026】ガウシアンであっても広がりσがばらつい
ていても適用でき、むしろレーザビームがガウシアンで
なくても適用できるような構成の方が望ましい。それに
設計容易であり製造容易であるということも重要であ
る。
It is desirable that the structure be applicable regardless of whether the laser beam is Gaussian or Gaussian even if the spread σ varies. It is also important that it is easy to design and easy to manufacture.

【0027】多様な断面形状をもつレーザビームであっ
ても、所望の領域(円形、正方形、線、リング)でパワ
ー密度が一定であるようなトップハット型のレーザビー
ムに変換でき製造容易、設計容易な光学装置を提供する
ことが本発明の第1の目的である。レーザビームをトッ
プハット型のレーザビームに変換しトップハット型ビー
ムで被処理物を加工できるレーザ加工装置を提供するこ
とが本発明の第2の目的である。
A laser beam having various cross-sectional shapes can be converted into a top-hat type laser beam having a constant power density in a desired region (circle, square, line, ring), which is easy to manufacture and designed. It is a first object of the present invention to provide an easy optical device. It is a second object of the present invention to provide a laser processing apparatus that can convert a laser beam into a top hat type laser beam and can process an object with the top hat type beam.

【0028】[0028]

【課題を解決するための手段】本発明の方法は、レーザ
ビーム(ガウシアンビームに限らない)を回折型光学素
子に通すことによって出射角度の相違するパワーがほぼ
同一の複数の部分ビームに回折分岐させ、その部分ビー
ムを集光レンズによって集光し結像面から少しずらせた
ところを対象面とすることによってトップハット分布の
ビームを形成するものである。回折型光学素子とレンズ
が一体になったレンズ付きの回折型光学素子を用いるこ
ともできる。
According to the method of the present invention, a laser beam (not limited to a Gaussian beam) is passed through a diffractive optical element to be diffracted and branched into a plurality of partial beams having different emission angles and having substantially the same power. Then, the partial beam is condensed by a condensing lens, and a portion slightly shifted from the image plane is set as a target surface to form a beam having a top hat distribution. It is also possible to use a diffractive optical element with a lens in which the diffractive optical element and the lens are integrated.

【0029】一本の入射ビームを回折によって出射角度
の相違する複数のビームに分岐する機能をもつ回折型光
学素子(DOE)と、集光レンズを組み合わせて用いる
と、対象物面に想定されたある周期をもつ格子の格子点
に分岐ビームの焦点を合致させることができる。それに
は例えば本出願人の 特開2001−62578(レーザ穴開け加工装置;
2001.3.13公開)によって初めて提案された。
これは細い穴を多数同時に穿孔するのが目的でビームは
細くて平行性が強く要求される。
A combination of a diffractive optical element (DOE) having a function of branching one incident beam into a plurality of beams having different exit angles by diffraction and a condensing lens are assumed to be on the object surface. The divergent beam can be focused on a lattice point of a lattice having a certain period. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-62578 (laser drilling device;
2001.13))).
The purpose of this is to drill many thin holes at the same time, and the beam is required to be thin and highly parallel.

【0030】本発明はそうではなくてむしろ反対の目的
を追求する。連続する領域で一定パワーを持つビームを
得るのが課題である。本発明は、ある範囲内の格子点で
のビームパワーが同一になるように回折型光学素子(D
OE)の位相パターンを決めておき、ガウシアン分布な
ど不均一分布をもつレーザビームを回折光学素子に当て
て、その透過光(反射型の場合は反射光)を集光レンズ
によって集光する。焦点面に像面をおけば格子点に等量
の光パワーが分配され格子点だけに局在したパワー分布
が得られるが、本発明はそのようにしないで焦点面から
前後に僅かに対象面をずらせるのである。それをデフォ
ーカスという。デフォーカスによって対象面で一様の光
量分布を得るのである。
The present invention instead seeks rather the opposite purpose. The challenge is to obtain a beam with constant power in a continuous area. The present invention provides a diffractive optical element (D) so that the beam power is the same at lattice points within a certain range.
The phase pattern of OE) is determined, a laser beam having a non-uniform distribution such as Gaussian distribution is applied to the diffractive optical element, and the transmitted light (reflected light in the case of a reflection type) is condensed by a condenser lens. If the image plane is placed on the focal plane, an equal amount of optical power is distributed to the lattice points and a power distribution localized only at the lattice points can be obtained. To shift. That is called defocus. By defocusing, a uniform light amount distribution is obtained on the target surface.

【0031】対象物の位置(対象面)を焦点面から軸方
向に少しずらせるとビームは対象物面に集光されず広が
ってしまう。ズレの量が増えると隣接ビームが互いに重
なりあうようになる。ズレが大きいと重なりはさらに増
える。部分ビームの重なりを適当なものにすることによ
って全体として均一な強度分布とすることができる。本
発明はこのように、トップハットに含まれるべき格子点
に等量のエネルギーを配分できるパターンの回折型光学
素子を用いて分岐ビームを生成しデフォーカスして重ね
合わせて均一強度分布を得るものである。
When the position of the object (object surface) is slightly shifted from the focal plane in the axial direction, the beam is not focused on the object surface and spreads. If the amount of deviation increases, adjacent beams will overlap each other. If the gap is large, the overlap will increase further. By making the overlap of the partial beams appropriate, a uniform intensity distribution can be obtained as a whole. As described above, according to the present invention, a branched beam is generated using a diffractive optical element having a pattern capable of distributing an equal amount of energy to lattice points to be included in a top hat, and defocused and superposed to obtain a uniform intensity distribution. Is.

【0032】さらに、各スポットの強度に強弱の分布を
持たせることによって、デフォーカスして重ね合わせた
場合の強度分布を全くの均一ではなくて周期的な強弱の
分布を持たせるようにすることもできる。
Furthermore, by giving intensity distributions to the respective spots, the intensity distribution when defocused and superposed is not completely uniform but has a periodic intensity distribution. You can also

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】本発明は回折型光学部品と集光レ
ンズを用いて回折像をデフォーカスして均一なトップハ
ットパワー分布を得るものだから回折型光学部品の作用
を説明する必要がある。その前に回折について簡単に説
明する。回折を使う部品で最も実績のあるのは回折格子
である。これは部品の表面へ等間隔に凸条と凹条を平行
に設けたもので二次元的なものである。それには反射型
の回折格子、透過型の回折格子がある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Since the present invention obtains a uniform top hat power distribution by defocusing a diffracted image using a diffractive optical component and a condenser lens, it is necessary to explain the operation of the diffractive optical component. . Before that, diffraction will be briefly described. The most proven component that uses diffraction is the diffraction grating. This is a two-dimensional structure in which convex lines and concave lines are provided in parallel on the surface of the component at equal intervals. There are a reflection type diffraction grating and a transmission type diffraction grating.

【0034】反射型の回折格子は分光器に用いられる。
凸条と凹条の配列の単位の周期をdとする。反射光と回
折格子法線のなす角度をΘとする。法線と平行に入射光
が入ったとする(垂直入射)。隣接突起からの反射が強
め合うためには反射光の位相が揃っていなければならな
いから、dsinΘ=λmでなければならない。これを
ブラッグ回折条件という。隣接凸条からの回折光の光路
の差はdsinΘだからである。mは回折の次数であり
正負の整数をとる。回折次数が増えるとビームの法線に
対する傾きが増える。
The reflection type diffraction grating is used in a spectroscope.
The period of the unit of the arrangement of the convex stripes and the concave stripes is d. Let Θ be the angle between the reflected light and the diffraction grating normal. It is assumed that incident light enters parallel to the normal (normal incidence). In order for the reflections from the adjacent protrusions to be mutually strengthened, the phases of the reflected lights must be aligned, so that dsin Θ = λm. This is called the Bragg diffraction condition. This is because the difference in the optical paths of the diffracted light from the adjacent ridges is dsin Θ. m is the order of diffraction and takes positive and negative integers. Increasing the diffraction order increases the tilt of the beam with respect to the normal.

【0035】透過型の回折格子は少ないが、それは吸収
や分散、屈折などを考えなければならず、より複雑にな
るからである。しかし本発明は透過型のDOEを使うか
らその準備として透過型の回折格子について述べる。光
が透過する点で違うが、やはり等間隔に凸条と凹条を形
成したものである。凸条、凹条の並ぶ単位の周期をdと
し、透過回折光と法線のなす角度をΘとする。隣接の突
起からの透過光が強め合うためには、やはりdsinΘ
=λmでなければならない。mが回折の次数であり正負
の整数である。m=+1なら1次回折、m=−1なら−
1次回折というように、mの値で回折の次数を呼ぶ。m
次回折光の回折角度をΘとするとそれはΘ=sin
−1(λm/d)である。次数mが増えると回折角が大
きくなる。しかし回折の次数mと回折角Θは正比例しな
い。
Although there are few transmission type diffraction gratings, absorption, dispersion, refraction, etc. must be taken into consideration, and the diffraction grating becomes more complicated. However, since the present invention uses a transmissive DOE, a transmissive diffraction grating will be described as its preparation. It is different in that it allows light to pass through, but it also has ridges and grooves formed at equal intervals. The period of the unit in which the convex stripes and the concave stripes are lined up is d, and the angle formed by the transmitted diffracted light and the normal is θ. In order for the transmitted lights from adjacent protrusions to strengthen each other, dsin Θ
Must be = λm. m is the order of diffraction and is a positive or negative integer. If m = + 1, first-order diffraction; if m = -1,-
The order of diffraction is called by the value of m, such as first-order diffraction. m
When the diffraction angle theta m order diffracted light it theta m = sin
−1 (λm / d). The diffraction angle increases as the order m increases. However, the diffraction order m and the diffraction angle Θ are not directly proportional.

【0036】これは線状の凸条や凹条が平行にある回折
格子であり、凹凸は一次元的なものである。さらに表面
をx方向にdごと、y方向にdごとに碁盤目に切り
S×T個の基本矩形d×dに分割した場合は、x方
向だけでなくてy方向にも回折が起こる。x方向にはd
sinΘ=λmとなり、y方向にはdsinΘ
=λnとなる。面状に分布する凹凸によって二次元的な
回折を起こさせることができるが、それは回折格子の延
長として考えることができる。x方向にm次、y方向に
n次の回折光は回折角がΘ=sin−1(λm/
d)、Θ=sin −1(λn/d)の平行ビームとな
る。これが二次元回折である。ビームの分離が二次元に
なるだけで原理は一次元と変わらない。
This is diffraction in which linear ridges and ridges are parallel.
It is a lattice, and the irregularities are one-dimensional. Further surface
In the x directionx, D in the y directionyCut into squares
S × T basic rectangles dx× dyIf divided into
Diffraction occurs not only in the direction but also in the y direction. d in the x direction
xsin Θx= Λm, d in the y directionysin Θ y
= Λn. Two-dimensional due to unevenness distributed in a plane
Diffraction can occur, but it is
Can be thought of as the chief. m order in x direction, y direction
The diffraction angle of the diffracted light of the nth order is Θx= Sin-1(Λm /
d), Θy= Sin -1(Λn / d) parallel beam
It This is two-dimensional diffraction. Two-dimensional beam separation
However, the principle is the same as one-dimensional.

【0037】これだけならm次、n次の回折光(平行
光)が縦横に分離されるだけである。回折光の強度につ
いては何も決まらない。回折光の強度分布については個
々の突起や凹部の微細な構造に依存して決まる。突起や
凹部が単に一様なものであれば中心部で強く、周辺部
(高次の回折)にいたるに従って弱くなる。単純な凹凸
による一次元回折や二次元回折ではパワー分布はsin
Θ/Θというようなものになる。これは連続関数である
が、回折角Θ、Θは離散的な値をとるから、離散的
な鋭いピークを幾つももつパワー分布となる。
In this case, the m-th order and the n-th order diffracted lights (parallel lights) are separated vertically and horizontally. Nothing is decided about the intensity of the diffracted light. The intensity distribution of the diffracted light depends on the fine structure of each protrusion or recess. If the protrusions and recesses are simply uniform, they are strong at the center and weaker toward the periphery (higher-order diffraction). In one-dimensional diffraction and two-dimensional diffraction due to simple unevenness, the power distribution is sin
It becomes something like Θ / Θ. Although this is a continuous function, since the diffraction angles Θ m and Θ n take discrete values, the power distribution has several discrete sharp peaks.

【0038】平行光であるから無限遠に結像する。それ
では不便なので、有限の距離に結像させることもある。
有限距離で結像させるためには集光レンズを用いる。平
行光だから全ての回折光を軸線に直交する同一の平面
(像面)に結像させることができる。通常の凸レンズで
集光することができるが通常のレンズは、ビーム傾き角
をθとしたとき焦点面で中心からftanθの位置に結
像させるftanθレンズである。そのようなレンズに
よって回折光を集光させると、焦点面でm次回折点の位
置(中心からの距離)がftansin−1(mλ/
d)になる。回折点の像が等距離にならない。
Since the light is parallel light, it forms an image at infinity. Since this is inconvenient, an image may be formed at a finite distance.
A condenser lens is used to form an image at a finite distance. Since it is parallel light, all diffracted light can be imaged on the same plane (image plane) orthogonal to the axis. Although it can be condensed by an ordinary convex lens, the ordinary lens is an ftan θ lens that forms an image at a position of ftan θ from the center on the focal plane when the beam tilt angle is θ. When diffracted light is condensed by such a lens, the position of the m-th diffraction point (distance from the center) on the focal plane is ftansin −1 (mλ /
d). Images at diffraction points do not become equidistant.

【0039】そこで傾斜角がθのビームを焦点面におい
て中心からfsinθの位置に結像させるような特別の
レンズが創案された。それはfsinθレンズと呼ばれ
る。fsinθレンズがあれば、m次回折光の焦点面で
の中心からの距離は、fsinsin−1(mλ/d)
=fmλ/dとなる。つまり回折光の像点は焦点面で等
間隔に並ぶことになる。しかし本発明の場合は厳密な等
間隔性が要求されないから通常のftanθレンズでも
充分である。
Therefore, a special lens was devised to image a beam having an inclination angle of θ from the center to a position of fsin θ on the focal plane. It is called fsin θ lens. With the fsin θ lens, the distance from the center of the focal plane of the m-th order diffracted light is fsinsin −1 (mλ / d)
= Fmλ / d. That is, the image points of the diffracted light are arranged at equal intervals on the focal plane. However, in the case of the present invention, a regular ftan θ lens is sufficient because strict equal spacing is not required.

【0040】回折格子とレンズと焦点面の像面だけでは
縦横に回折点が並ぶだけである。回折光の強度は先述の
sinΘ/Θ則に従うだけである。一つの凹部、凸部の
内部に微細な構造を与えることによって、回折光ごとの
強度を自在に与えるようにしたものが回折型光学素子で
ある。これまで述べてきた一つ一つの凸部、凹部、凸条
などにさらに微細な構造を与えることによって、任意の
光量をもつ回折像を得ることができる。像面において離
散的な回折スポット(点)が生ずるが、それらの光量を
任意に与えることができる。本発明はある範囲での回折
光の光量が全て等しいようにする単純な回折型光学素子
(DOE)を用いる。
With only the diffraction grating, the lens, and the image plane of the focal plane, the diffraction points are arranged vertically and horizontally. The intensity of the diffracted light only follows the sin Θ / Θ rule described above. A diffractive optical element is one in which the intensity of each diffracted light is freely given by giving a fine structure inside one concave portion and one convex portion. By providing a finer structure to each of the convex portions, concave portions, and convex stripes described above, a diffraction image having an arbitrary light amount can be obtained. Discrete diffraction spots (points) occur on the image plane, but the amount of light can be arbitrarily given. The present invention uses a simple diffractive optical element (DOE) that equalizes the amounts of diffracted light in a certain range.

【0041】上記の凸部、凹部をパターンという事にす
る。パターンは回折を起こすためのもので全て同一の構
造をもつ。パターンの微細構造は再び縦横の格子の構造
とするが、その微細格子はセルと呼ぶことにする。セル
の集合がパターンである。
The above-mentioned convex portions and concave portions will be referred to as patterns. The patterns are for causing diffraction and all have the same structure. The fine structure of the pattern is again a vertical and horizontal lattice structure, and the fine lattice is called a cell. A set of cells is a pattern.

【0042】パターンは全て同一である。同一だから回
折が起こる。回折を起こさせるものは同一のパターンの
繰り返しである。繰り返しのピッチを決めるのはパター
ンのサイズである。パターンはDOEの中にS×Tだけ
存在する。一つのパターンのサイズをd、dとす
る。d、dが回折点の位置を決める。これは既定の
ものである。DOEの寸法はだからSd×Tdであ
る。一つのパターンにM×Nのセルが存在するとする。
セルの寸法をΔ、Δとする。d=MΔ、d
NΔである。つまり最小単位であるセルの面積はΔ
Δであり、一つのパターンの面積はMNΔΔであ
る。DOEの面積はSTMNΔΔということにな
る。つまりセルがMN個集まったものがパターンであ
り、パターンがSTだけ集まったものがDOEである。
The patterns are all the same. Diffraction occurs because they are the same. It is the repetition of the same pattern that causes diffraction. It is the size of the pattern that determines the repeat pitch. There are S × T patterns in the DOE. Let the sizes of one pattern be d x and d y . d x and d y determine the position of the diffraction point. This is the default. The dimensions of the DOE are therefore Sd x × Td y . It is assumed that M × N cells exist in one pattern.
The cell size delta x, and delta y. d x = MΔ x , d y =
N Δ y . That is, the area of the cell, which is the minimum unit, is Δ x
Δ y , and the area of one pattern is MN Δ x Δ y . Area of the DOE will be referred STMNΔ x Δ y. In other words, a pattern is a collection of MN cells, and a DOE is a collection of ST patterns.

【0043】しかし回折光の光量分布を決めるのはセル
の配置である。だから一つのパターンでのセルの配置が
設計事項となる。セルは2値、4値、8値など2のるい
べきの値をとることができる。最も簡単な2値の場合
で、自由度は2MNもある。だから一つのパターンのセ
ルの値の分布と回折光分布は一対一の対応がない。同じ
回折光量分布と、様々の異なるパターンによって作り出
すことができる。次にパターン上のセルの配置を決める
方法を述べる。セルの値分布といってもセル自体の寸法
(Δ、Δ)や位置は決まっている。2値の場合は、
それぞれが0であるかπであるかを決めることが問題に
なる。
However, it is the arrangement of cells that determines the light quantity distribution of the diffracted light. Therefore, the layout of cells in one pattern is a design matter. A cell can take a binary value such as a binary value, a quaternary value, or an octetary value. In the simplest binary case, there are 2 MN degrees of freedom. Therefore, there is no one-to-one correspondence between the distribution of cell values of one pattern and the distribution of diffracted light. It can be created by the same diffracted light amount distribution and various different patterns. Next, a method for determining the arrangement of cells on the pattern will be described. Even with the value distribution of cells, the dimensions (Δ x , Δ y ) and positions of the cells themselves are fixed. For binary,
The problem is to decide whether each is 0 or π.

【0044】図10は回折型光学部品(DOE)1を含
む光学機構の概略図を示す。回折型光学部品によって回
折をおこさせるだけなら集光レンズ2は不要である。し
かし回折光は平行ビームの集まりであるからどこまでい
っても結像しない。そのようなものでも使える用途はあ
るが、ここでは集光レンズ2によって平行ビームを有限
の焦点に結像するようにする。集光レンズは先述のよう
に通常のftanθレンズでなくて、fsinθレンズ
を用いるのがよい。しかし厳密に回折点を等間隔にしな
くてよいならftanθレンズを用いることもできる。
FIG. 10 shows a schematic view of an optical mechanism including the diffractive optical element (DOE) 1. The condensing lens 2 is not necessary if only diffraction is performed by the diffractive optical component. However, since the diffracted light is a collection of parallel beams, it does not form an image no matter how far it goes. Although there is an application in which such a thing can be used, here, the parallel beam is formed into an image with a finite focus by the condenser lens 2. As the condenser lens, it is preferable to use the fsin θ lens instead of the normal ftan θ lens as described above. However, if it is not necessary to strictly set the diffraction points at equal intervals, an ftan θ lens can be used.

【0045】平行な入射ビームは回折型光学部品(DO
E)1を通り裏面では回折されて有限の本数の回折ビー
ムとなって出てゆく。そのビームは集光レンズ2によっ
て集光される。像面3は集光レンズ2の焦点距離fにあ
るものとする。回折現象を扱うので幾何光学的な手法で
は定性的な議論しかできない。波動光学的に論じなけれ
ばならない。
The parallel incident beam is diffractive optics (DO
E) The light passes through 1 and is diffracted on the back surface to form a finite number of diffracted beams. The beam is condensed by the condenser lens 2. The image plane 3 is assumed to be at the focal length f of the condenser lens 2. Since it deals with the diffraction phenomenon, the geometrical optics method can only discuss qualitatively. Wave optics must be discussed.

【0046】光軸の延長方向をz軸とする。DOE1や
集光レンズ2はxy面に平行に設置されるものとする。
入射ビームのxy面での振幅分布をa(x,y)とす
る。入射ビームは平面波だと仮定する。炭酸ガスレーザ
などの太い平行ビームを問題にするから平面波とするの
は妥当な仮定である。平面波だとするとx,yとzは変
数分離できる。だから入射ビームはz方向の関数を掛け
て全体の波動関数は a(x,y)exp(jkz−jωt) (7) と書けるわけである。
The extension direction of the optical axis is the z axis. The DOE 1 and the condenser lens 2 are installed parallel to the xy plane.
The amplitude distribution of the incident beam on the xy plane is a (x, y). The incident beam is assumed to be a plane wave. It is a reasonable assumption to use a plane wave because a thick parallel beam such as a carbon dioxide laser is a problem. If it is a plane wave, the variables x, y and z can be separated. Therefore, the incident beam is multiplied by a function in the z direction and the whole wave function can be written as a (x, y) exp (jkz-jωt) (7).

【0047】kは波数(2π/λ)であり、ωは角周波
数(2πf)である。炭酸ガスレーザのビームがガウシ
アンだというのはa(x,y)がガウシアンだというこ
とであり a(x,y)=exp{−(x+y)/2σ} (8) のように書けるということである。しかしながら実はレ
ーザビームのパワー分布a(x,y)によることなしに
回折型光学部品は設計できる。以下の議論をみればそれ
は分かるこである。実際にはa(x,y)のプロフィル
はどうでもよいのである。
K is the wave number (2π / λ), and ω is the angular frequency (2πf). The fact that the carbon dioxide laser beam is Gaussian means that a (x, y) is Gaussian. It can be written as a (x, y) = exp {-(x 2 + y 2 ) / 2σ 2 } (8) That's what it means. However, actually, the diffractive optical component can be designed without depending on the power distribution a (x, y) of the laser beam. This can be seen in the discussion below. Actually, the profile of a (x, y) does not matter.

【0048】DOEまで平行ビームとしてくるのである
から、DOEの直前のパワー分布がa(x,y)であ
る。DOE1をどう表現するかが問題であるが、ここま
で平行平面波としているのだから、a(x,y)に掛け
たものがDOEの直後のパワー分布になるようなものを
考えればよい。DOEで何が起こるのかといえば、
(x,y)によって位相変化がπだけ違うことがあると
いうことである。もちろん吸収もあるが吸収は考えない
で位相変化だけを考える。位相変化といっても変化その
ものはどうでもよくて変化の差(π)だけが問題であ
る。
Since the parallel beam reaches the DOE, the power distribution immediately before the DOE is a (x, y). How to represent DOE1 is a problem, but since parallel plane waves have been used up to this point, it is sufficient to consider one in which the power distribution immediately after DOE is multiplied by a (x, y). What happens in DOE is
This means that the phase change may differ by π depending on (x, y). Of course, there is absorption, but not phase absorption, but phase change only. Even if it is called a phase change, the change itself does not matter, and only the difference (π) between changes is a problem.

【0049】だからある点では1ある点では−1(=e
xp(−jπ))となるような二値分布だけを考えれば
良いのである。そのようなDOEのパラメータを複素透
過率t(x,y)という。これはDOEの全ての点にお
いて−1か+1を対応させる非連続関数(特性関数とい
う)である。するとDOEを出た直後の光の波動関数は a(x,y)t(x,y)exp(jkz−jωt) (9) となるのである。
Therefore, 1 at some point is -1 (= e at some point)
It suffices to consider only the binary distribution such that xp (−jπ)). The parameter of such DOE is called complex transmittance t (x, y). This is a discontinuous function (referred to as a characteristic function) that associates -1 or +1 at every point of the DOE. Then, the wave function of light immediately after leaving the DOE is a (x, y) t (x, y) exp (jkz-jωt) (9).

【0050】集光レンズの焦点距離をfとして、光の波
数をk(=2π/λ)とする。レンズは厚みが中央で大
きく周辺で小さい。だから位相がレンズ中央で進み周辺
で遅れるように変化する。レンズ中心がx=0、y=0
である。平行ビームがレンズに入射してレンズ背後の焦
点fに集光しそこでの位相は同じなのであるから、レン
ズ面に取った二次元座標の(x,y)での点での位相
は、焦点からの距離に波数kを掛けたもののマイナスに
なる筈である。またfはx、yよりずっと大きいから近
似して 位相ズレ=−k{f+x+y1/2=−k{f+(x+y)/2 f}(10) となるが、中心との位相の差が問題なので定数項を省
き、さらに虚数単位jをかけてexp()の中へ入れる
とレンズ背後の(x,y)での複素振幅が決まる。
Let f be the focal length of the condenser lens and k (= 2π / λ) be the wave number of light. The lens has a large thickness at the center and a small thickness at the periphery. Therefore, the phase changes so that it advances in the center of the lens and lags in the periphery. The lens center is x = 0, y = 0
Is. Since the parallel beam is incident on the lens and is focused on the focal point f behind the lens and the phase there is the same, the phase at the point (x, y) of the two-dimensional coordinates taken on the lens surface is Multiplying the distance of by the wave number k should be negative. Further, since f is much larger than x and y, it is approximated as follows: phase shift = −k {f 2 + x 2 + y 2 } 1/2 = −k {f + (x 2 + y 2 ) / 2 f} (10) , The phase difference from the center is a problem, so the constant term is omitted, and the imaginary unit j is multiplied into the exp () to determine the complex amplitude at (x, y) behind the lens.

【0051】だから、レンズの背後での光の振幅分布U
(x,y)は U(x,y)=a(x,y)t(x,y)exp{−jk(x+y)/2f }(11) となる。
Therefore, the amplitude distribution U of the light behind the lens
(X, y) is U (x, y) = a (x, y) t (x, y) exp {-jk (x 2 + y 2) / 2f} (11).

【0052】像面がレンズの焦点距離fにあるとする。
その場合像面の中心から像面の任意の点(x’,y’)
での複素振幅W(x’,y’)は、レンズ背後点の
(x,y)からの距離にkを掛けたものだけ位相が変化
していることになる。像面とレンズ面とはz方向にfだ
けずれているから、これも近似の範囲で、 位相ズレ=k{(x’−x)+(y’−y)+f1/2=k[f+{ (x−x’)+(y−y’)}/2f] (12) となるから、
It is assumed that the image plane is at the focal length f of the lens.
In that case, an arbitrary point (x ', y') on the image plane from the center of the image plane
The complex amplitude W (x ′, y ′) at 1 changes the phase by the distance of the lens back point from (x, y) times k. Since the image surface and the lens surface are displaced by f in the z direction, this is also within the approximate range: phase shift = k {(x'-x) 2 + (y'-y) 2 + f 2 } 1/2 = k [f + {(x -x ') 2 + (y-y') 2} / 2f] because made (12),

【0053】焦点面での複素振幅はレンズ面からの全て
の波動の重ね合わせになって W(x’,y’)=A∫∫U(x,y)exp[jk{(x−x’)+(y− y’)}/2f]dxdy (13) となる。
The complex amplitude at the focal plane is the superposition of all the waves from the lens surface and W (x ', y') = A∫∫U (x, y) exp [jk {(xx-x ' ) 2 + (y- y ') 2} / 2f] becomes dxdy (13).

【0054】ここでAは正規化定数であり、 A=(jλf)−1 (14) である。Here, A is a normalization constant, and A = (jλf) −1 (14).

【0055】(13)のU(x,y)に(11)を代入
すると、(x+y)の項が落ちるので W(x’,y’)=Aexp{jk(x’+y’)/2f}∫∫a(x,y )t(x,y)exp{−jk(xx’+yy’)/f}dxdy (15 ) というようになる。この二重積分はフーリエ変換の式に
なっている。
Substituting (11) into U (x, y) in (13), the term of (x 2 + y 2 ) drops, so W (x ', y') = Aexp {jk (x ' 2 + y' 2 ) / 2f} ∫∫a (x, y) t (x, y) exp {-jk (xx '+ yy') / f} dxdy (15). This double integral is a Fourier transform formula.

【0056】g(x,y)のフーリエ変換をg
(x’,y’)と書くことにすれば、 g(x’,y’)=A∫∫g(x,y)exp{−jk(xx’+yy’)/ f}dxdy (16) W(x’,y’)=exp{jk(x’+y’)/2f}(at)(x’ ,y’) (17) というようになる。
The Fourier transform of g (x, y) is g
F (x ', y') if in writing and, g F (x ', y ') = A∫∫g (x, y) exp {-jk (xx '+ yy') / f} dxdy (16 ) W (x ′, y ′) = exp {jk (x ′ 2 + y ′ 2 ) / 2f} (at) F (x ′, y ′) (17)

【0057】これは焦点に置かれた像面での(x’,
y’)点での複素振幅である。回折点でのパワーはその
絶対値の二乗であるから、初めの振動部分は1になり考
慮しなくてよい。求めるべきものは、atのフーリエ変
換だということになる。aはレーザビームのパワー分布
であり、tは回折型光学素子の表面高さの分布である。
厳密にはaも考慮すれば良いのであるが、a(x,y)
は(x,y)の依存性が少なく、t(x,y)は(x,
y)の依存性が強い。ビーム広がりσよりセル寸法
Δ、Δがずっと小さいからである。だから像面での
複素振幅はほぼt(x,y)によって決まるといって良
い。
This is at the focused image plane (x ',
y ') is the complex amplitude at point. Since the power at the diffraction point is the square of its absolute value, the first oscillating portion becomes 1 and need not be considered. What we need to find out is the Fourier transform of at. a is the power distribution of the laser beam, and t is the distribution of the surface height of the diffractive optical element.
Strictly speaking, a should be taken into consideration, but a (x, y)
Has less dependence on (x, y), and t (x, y) has (x, y)
y) has a strong dependency. This is because the cell dimensions Δ x and Δ y are much smaller than the beam spread σ. Therefore, it can be said that the complex amplitude on the image plane is almost determined by t (x, y).

【0058】しかし実際には話しが逆であり、望ましい
回折光の分布が先に与えられており、それを実現するた
めの回折型光学素子(DOE)のt(x,y)をどうす
れば良いのか?ということである。DOEはMNのセル
をもつST個の同一パターンよりなる。パターン寸法は
決まっているからセルの位相分布がどうか?という問題
になる。
In reality, however, the opposite is true, and the desired distribution of diffracted light is given first, and what should be done is t (x, y) of the diffractive optical element (DOE) for realizing it. ? That's what it means. DOE consists of ST identical patterns with MN cells. Since the pattern dimensions are fixed, what about the cell phase distribution? Becomes a problem.

【0059】図11はDOEの一つのパターンのセルの
位相分布を示す。パターンはM個×N個のセルの集合で
ある。一つのセルの寸法はΔ×Δである。だからパ
ターンは横にMΔ(=d)の寸法、縦にNΔ(=
)の寸法をもつ。パターンの中心を原点に取って座
標系を与える事にする。
FIG. 11 shows the phase distribution of cells in one pattern of DOE. The pattern is a set of M × N cells. The size of one cell is Δ x × Δ y . So pattern dimensions transverse to MΔ x (= d x), vertically NΔ y (=
d y ). The center of the pattern is taken as the origin to give the coordinate system.

【0060】2値の場合、DOEの厚みが2つの値のい
ずれかをとる。透過光の位相差が問題だから厚みがλ/
2(n−1)だけ違うということである。x方向にm番
目、y方向にn番目のセルをmnセルと呼び、その位相
をφmn=0またはπとする。黒地は位相差が0、白地
は位相差がπの場合を例示している。
When the value is binary, the DOE thickness takes one of two values. Since the phase difference of transmitted light is a problem, the thickness is λ /
It means that it is different by 2 (n-1). The m-th cell in the x-direction and the n-th cell in the y-direction are called mn cells, and the phase thereof is φ mn = 0 or π. The black background shows the case where the phase difference is 0, and the white background shows the case where the phase difference is π.

【0061】図11の横に位相差がその二つの場合の厚
みを描いている。少しおかしいが0よりπの場合に、λ
/2(n−1)だけ厚いということを象徴的に表現して
いるつもりである。mnセルの位相φmnは0かπの何
れかである。mnセルの透過振幅をtmnによって表現
する。これは1か−1のいずれかをとる。
The thickness in the case where the phase difference is two is drawn on the horizontal side of FIG. A little strange, but if π is more than 0, λ
I intend to symbolically express that it is only 1/2 (n-1) thick. The phase φ mn of the mn cell is either 0 or π. The transmission amplitude of the mn cell is represented by t mn . It takes either 1 or -1.

【0062】 tmn=exp(jφmn)= 1, φmn=0 −1, φmn=π (18) T mn = exp (jφ mn ) = 1, φ mn = 0 −1, φ mn = π (18)

【0063】DOE全体の複素振幅t(x,y)はこれ
らの集合であるから、MN個のセルについて{tmn
を決めることによって回折像のパワーを完全に決めるこ
とができる。
Since the complex amplitude t (x, y) of the entire DOE is a set of these, {t mn } for MN cells.
The power of the diffraction image can be completely determined by determining

【0064】矩形関数rect(u)を用いると、t
mnの集合によって一つのパターンの複素振幅p(x,
y)を表現することができる。これは次のように定義さ
れる。 rect(u)=1, |u|≦0.5 0, |u|>0.5 (19)
Using the rectangular function rect (u), t
complex amplitude p (x of one of the pattern by a set of mn,
y) can be expressed. It is defined as follows. rect (u) = 1, | u | ≦ 0.5 0, | u |> 0.5 (19)

【0065】[0065]

【数1】 [Equation 1]

【0066】一つのパターンはd×dの大きさをも
つから、t(x,y)はこれらの集合であり、
Since one pattern has a size of d x × d y , t (x, y) is a set of these,

【数2】 となる。[Equation 2] Becomes

【0067】(20)を代入すると、Substituting (20),

【数3】 となる。[Equation 3] Becomes

【0068】するとt(x,y)のフーリエ変換はThen the Fourier transform of t (x, y) is

【数4】 [Equation 4]

【0069】となるのであるが、sとqに関する総和を
計算することができ、
The sum of s and q can be calculated as

【数5】 [Equation 5]

【0070】となる。これが即ち回折素子だという性格
を与えるものである。sin関数のわり算において商が
有限の値を持つのは、分母にあるsin関数が0に収束
するときだけであるが、その条件が離散的な回折点を与
える。
It becomes This gives the character that it is a diffractive element. The quotient in the division of the sin function has a finite value only when the sin function in the denominator converges to 0, but the condition gives discrete diffraction points.

【0071】さらにこれをパターン内で積分して、Further, by integrating this in the pattern,

【数6】 となる。[Equation 6] Becomes

【0072】ここでsinc関数sinc(w)という
ものを次のように定義する。 sinc(w)=sin(πw)/πw (26)
Here, the sinc function sinc (w) is defined as follows. sinc (w) = sin (πw) / πw (26)

【0073】これを表記に用いると、If this is used for notation,

【数7】 のようになる。[Equation 7] become that way.

【0074】ここまではあまり近似を含まない厳密な話
である。初めのsin関数sin(Sb)/sinbの
ようなわり算はbがπの整数倍のときだけ有限極限値S
をとり、bがその他の値では0である。つまり kx’MΔ/2f=eπ (eは整数) (28) ky’NΔ/2f=hπ (hは整数) (29) だけ値がある。
Up to this point, this is a strict story that does not include much approximation. The first division such as sin function sin (Sb) / sinb is performed only when b is an integer multiple of π.
And b is 0 at other values. That kx'MΔ x / 2f = eπ (the e integer) (28) ky'NΔ y / 2f = hπ (h is an integer) (29) only has a value.

【0075】つまりそれは像面での回折スポット
(x’,y’)を与える条件であり、MΔ =d、N
Δ=d(パターンサイズ)、k=2π/λだから、 x’=2πef/kMΔ=efλ/d (30) y’=2πhf/kNΔ=hfλ/d (31)
In other words, it is the diffraction spot on the image plane.
It is a condition that gives (x ′, y ′), and MΔ x= Dx, N
Δy= Dy(Pattern size), since k = 2π / λ,           x '= 2πef / kMΔx= Efλ / dx      (30)           y ′ = 2πhf / kNΔy= Hfλ / dy      (31)

【0076】である。これは初めに述べたブラッグ回折
条件dsinθ=hλと同じものである。像面における
格子点を(e,h)によって表現する。格子点では回折
光が存在するが、非格子点では回折光は0である。だか
ら初めから像面での格子点(x’,y’)でのフーリエ
変換tを求めれば良いということである。
It is This is the same as the Bragg diffraction condition dsin θ = hλ described above. The lattice points on the image plane are represented by (e, h). The diffracted light exists at the lattice points, but the diffracted light is 0 at the non-lattice points. Therefore, the Fourier transform t F at the lattice point (x ′, y ′) on the image plane should be obtained from the beginning.

【0077】[0077]

【数8】 [Equation 8]

【0078】最後の辺はtのフーリエ変換の(e,h)
成分だから
The last side is (e, h) of the Fourier transform of t
Because it is an ingredient

【数9】 と書いて、[Equation 9] And write

【0079】 t(e,h)= π−2STΔΔsinc(ef/M)sinc(h f/N)tFeh (34) というように書くことができる。T F (e, h) = π −2 STΔ x Δ y f 2 sinc (ef / M) sinc (h f / N) t Feh (34) can be written.

【0080】この式は光の波長を含まないことに注意す
べきである。波長は回折点を決める式(ブラッグ条件)
には含まれるが回折点でのパワーを決める式には含まれ
ない。ということはレーザ波長を変えても得られる回折
パターンのパワーは不変だということである。そのよう
な波長不変性は決して自明の事ではない。
It should be noted that this equation does not include the wavelength of light. Wavelength is an expression that determines diffraction point (Bragg condition)
, But is not included in the equation that determines the power at the diffraction point. This means that the power of the obtained diffraction pattern remains unchanged even if the laser wavelength is changed. Such wavelength invariance is by no means trivial.

【0081】ここでSはDOEに含まれるパターンのx
方向の数、TはDOEに含まれるパターンのy方向の
数、Δ、Δはセルの辺長である。セルがM×N集ま
ってパターンとなり、パターンがS×T個集まってDO
Eとなる。DOEの面積をBとするとB=STMNΔ
Δであるから、上の式は t(e,h)= π−2−1−1Bfsinc(ef/M)sinc( hf/N)tFeh (35) というように表現することができる。
Here, S is the pattern x included in the DOE.
The number of directions, T is the number of patterns in the y direction included in the DOE, and Δ x and Δ y are the side lengths of the cells. M × N cells gather to form a pattern, and S × T cells gather to form a DO
It becomes E. If the area of the DOE is B, then B = STMNΔ x
Since Δ y , the above formula is expressed as t F (e, h) = π −2 M −1 N −1 Bf 2 sinc (ef / M) sinc (hf / N) t Feh (35). can do.

【0082】一次元回折ではsinc関数が一つ現れ、
二次元回折ではsinc関数が二つ現れるのだから、D
OEが存在することによって新たに発生するものは、最
後のtFehだけである。
In one-dimensional diffraction, one sinc function appears,
In two-dimensional diffraction, two sinc functions appear, so D
Only the last t Feh is newly generated by the presence of the OE.

【0083】ある有限の範囲の回折点においてパワーが
同一になるということは、|t(e,h)|がある範
囲の(e,h)で同一だということである。ということ
は、 tFeh=const×{sinc(ef/M)sinc(hf/N)}−1 (36) だということである。
The fact that the powers are the same at diffraction points within a certain finite range means that | t F (e, h) | is the same within a certain range (e, h). That is, t Feh = const × {sinc (ef / M) sinc (hf / N)} −1 (36).

【0084】だとすれば逆フーリエ変換によって tmn= ΣΣ exp(2πjem/M)exp(2πjhn/N)×{sin c(ef/M)sinc(hf/N)}−1 (37) によって求められるはずである。解析的にはその通りな
のであるが、sinc関数は零点を多く含みその逆数は
発散点を多数含むのでコンピュータによる近似計算では
必ずしも正確にいかない。
Then, the inverse Fourier transform is used to obtain t mn = ΣΣ exp (2πjem / M) exp (2πjhn / N) × {sin c (ef / M) sinc (hf / N)} −1 (37) Should be. This is analytically true, but since the sinc function has many zeros and its reciprocal has many divergence points, it cannot always be accurately calculated by computer approximation.

【0085】それで実際の計算はtmnをいろいろに仮
定してこれをフーリエ変換してt ehを求め、その絶
対値がある範囲の(e,h)で一定値をとるように試行
錯誤によってtmnを徐々に正確なものにしてゆくとい
う手法をとる。そのような計算は発散を含まないからコ
ンピュータには向いているのである。
Therefore, in actual calculation, t mn is variously assumed, and this is Fourier-transformed to obtain t F eh , and its absolute value is determined by trial and error so as to take a constant value within a certain range (e, h). A method of gradually making t mn accurate is adopted. Such calculations are suitable for computers because they do not include divergence.

【0086】さてこれまではDOEによって焦点面にお
いた像面に任意の回折パターンを発生させるための条件
を求めてきた。もしもある像面の半径ρ内でパワーが一
定だという条件を付すならば、 x’+y’<ρ (38) と書けるが、回折点(e,h)は離散的だから、 (e/d+(h/d<(ρ/λf) (39) という条件と等価である。
Now, the conditions for generating an arbitrary diffraction pattern on the image plane placed on the focal plane by the DOE have been sought up to now. If we add the condition that the power is constant within the radius ρ of an image plane, we can write x ′ 2 + y ′ 22 (38), but since the diffraction points (e, h) are discrete, (e / D x ) 2 + (h / d y ) 2 <(ρ / λf) 2 (39).

【0087】特にパターンが等方的ならd=d=d
だから e+h<(ρd/λf) (40) となる。しかしここで話が終るのでない。以上述べたも
のは、レンズの焦点面に像面を合致させたときにできる
離散的な回折点での光量分布とDOEのセルの構造の関
係にすぎない。
Especially when the pattern is isotropic, d x = d y = d
Therefore, e 2 + h 2 <(ρd / λf) 2 (40). But the story doesn't end here. What has been described above is only the relationship between the light amount distribution at discrete diffraction points and the structure of the DOE cell, which is obtained when the image plane is matched with the focal plane of the lens.

【0088】本発明はそうでなく、レンズの焦点面から
前後に像面を外している。わざとデフォーカスすること
によってトップハット型のビームプロフィルを作り出そ
うとするものである。像面のレンズからの距離をgとし
て、デフォーカスδを δ=g−f (41) によって定義するものとする。
The present invention does not, however, deviates the image plane back and forth from the focal plane of the lens. The purpose is to create a top-hat type beam profile by deliberately defocusing. The defocus δ is defined by δ = g−f (41) where g is the distance of the image plane from the lens.

【0089】振り返ってみれば(11)式はデフォーカ
スでも成り立つ。しかしレンズ面と像面の位相ズレの式
(12)は最早成り立たず、fをgに置換した式が成り
立つ。 位相ズレ=k{(x’−x)+(y’−y)+g1/2=k[f+{( x−x’)+(y−y’)}/2g] (42)
Looking back, the equation (11) holds true for defocus. However, the equation (12) for the phase shift between the lens surface and the image plane no longer holds, and the equation in which f is replaced by g holds. Phase shift = k {(x'-x) 2 + (y'-y) 2 + g 2} 1/2 = k [f + {(x-x ') 2 + (y-y') 2} / 2g] (42)

【0090】となるから、デフォーカス面での複素振幅
はレンズ面からの全ての波動の重ね合わせになって W(x’,y’)=A∫∫U(x,y)exp[jk{(x−x’)+(y− y’)}/2g]dxdy (43) である。
Therefore, the complex amplitude on the defocus surface is a superposition of all the waves from the lens surface, and W (x ′, y ′) = A∫∫U (x, y) exp [jk { (X−x ′) 2 + (y−y ′) 2 } / 2g] dxdy (43).

【0091】(43)のU(x,y)に(11)を代入
すると、最早(x+y)の項が落ちない。 W(x’,y’)=Aexp{jk(x’+y’)/2g}∫∫a(x,y )t(x,y)exp{−jk(xx’+yy’)/g}exp{jk(x+ y)/2g−jk(x+y)/2f}dxdy (44) となる。
When (11) is substituted for U (x, y) in (43), the term of (x 2 + y 2 ) no longer drops. W (x ', y') = Aexp {jk (x '2 + y' 2) / 2g} ∫∫a (x, y) t (x, y) exp {-jk (xx '+ yy') / g} become exp {jk (x 2 + y 2) / 2g-jk (x 2 + y 2) / 2f} dxdy (44).

【0092】最後の項は exp{−jk(x+y)δ/2f} (45) と書くことができる。これはフーリエ変換の項よりも変
化の大きい項であるから、断熱近似できる。
The last term can be written as exp {-jk (x 2 + y 2 ) δ / 2f 2 } (45). Since this is a term having a larger change than the Fourier transform term, it can be adiabatically approximated.

【0093】レンズの半径をRとすると、これは (πR−1∫∫exp{−jk(x+y)δ/2f}dxdy (4 6) によって置き換えることができる。積分範囲はレンズ面
全体である。
Letting the radius of the lens be R, this can be replaced by (πR 2 ) −1 ∫∫exp {-jk (x 2 + y 2 ) δ / 2f 2 } dxdy (46). The integration range is the entire lens surface.

【0094】円筒座標に変換すると、これは (πR−1∫∫exp{−jkrδ/2f}2πrdr(47) となるから積分できてWhen converted into cylindrical coordinates, this becomes (πR 2 ) -1 ∫∫exp {-jkr 2 δ / 2f 2 } 2πrdr (47), so integration is possible.

【0095】 sinc(δkR/2πf)=sinc(δR/λf)(48) ということである。つまり焦点面に像面があるときの回
折ピーク光量に(48)の二乗を掛けたものがデフォー
カス面での回折点中心での光量である。デフォーカスδ
が前後に増加すると回折点中心での光量がsinc
(δR/λf)の形で減少する。これは回折点中
心でのデフォーカスによる光量減少しか与えない。回折
点の近傍での光芒の広がりは(12)式のfをgに置換
して(15)式に戻って考えなければならない。
It means that sinc (δkR 2 / 2πf 2 ) = sinc (δR 2 / λf 2 ) (48). That is, the light quantity at the center of the diffraction point on the defocus surface is obtained by multiplying the diffraction peak light quantity when the image plane is on the focal plane by the square of (48). Defocus δ
Is increased back and forth, the light quantity at the center of the diffraction point becomes sinc
2 (δR 2 / λf 2 ). This gives only a light amount reduction due to defocus at the center of the diffraction point. The spread of the light beam in the vicinity of the diffraction point must be considered by replacing f in equation (12) with g and returning to equation (15).

【0096】つまり ∫∫exp[{jk(x−x’)+(y−y’)}/2g−jk(x+y )/2f]dxdy (49) の積分をレンズ口径にわたって行わなければならない。That is, ∫∫exp [{jk (x-x ')Two+ (Y-y ')Two} / 2g-jk (xTwo+ Y Two ) / 2f] dxdy (49) Must be integrated over the lens aperture.

【0097】変数の部分だけを取り出すと、 ∫∫exp{−jk(xx’+yy’)/g−jkδ(x+y)/2f} dxdy (50) これは解析的には計算できない。[0097] When taking out only the portion of the variable, ∫∫exp {-jk (xx '+ yy') / g-jkδ (x 2 + y 2) / 2f 2} dxdy (50) which can not be calculated analytically.

【0098】x’の項は近似的にThe term x'is approximately

【数10】 というような値になる。y’の項も同様である。但し、
x’、y’は、(35)、(36)を満足するものから
のズレ量を含むものである。
[Equation 10] It becomes such a value. The term of y'is also the same. However,
x'and y'include the deviation amounts from those satisfying (35) and (36).

【0099】[0099]

【数11】 というようになるので、デフォーカス面(x’,y’)
でのパワー分布は
[Equation 11] Therefore, the defocus surface (x ', y')
The power distribution at

【0100】[0100]

【数12】 というように表現することができる。[Equation 12] Can be expressed as

【0101】Σはeとhに関する積算を意味する。これ
は近似式であるが、所望のトップハットを得るためにど
の程度のデフォーカスが必要かということを見積もるこ
とができる。デフォーカス像面でx’はλf/d
y’はλf/dの間隔でピーク点が並ぶ(回折点)
が、隣接回折点の中間でのパワーがピークの半分である
べき(重ね合わせると1になる)だとすれば、
Σ means the integration of e and h. Although this is an approximate expression, it can be estimated how much defocus is required to obtain a desired top hat. X ′ is λf / d x at the defocus image plane,
y ′ has peak points arranged at intervals of λf / d y (diffraction points)
However, if the power in the middle of adjacent diffraction points should be half the peak (it becomes 1 when superposed),

【0102】d=d=dとして λf/2d=δR/2f (54) であるから、 δ=λf/Rd (55) によって与えられる。Since λf / 2d x = δR / 2f (54) with d x = d y = d, it is given by δ = λf 2 / Rd (55).

【0103】[0103]

【実施例】本発明の思想に従ったCOレーザ用の光学
システムを設計した。全体のレイアウトを図1に示す。
左端に回折型光学素子(DOE)1があり、COレー
ザの光が左の方から進行してくる。COレーザの光は
平行ビームであるが、ガウシアン分布をもつ。つまり中
央部でパワー密度が濃くて周辺部でパワー密度が低い。
DOEは平行ビームを縦横5本で全部で20本の回折ビ
ームに変換する。DOEからのビームはパワー密度に応
じて描いている。
EXAMPLE An optical system for a CO 2 laser was designed according to the principles of the present invention. The overall layout is shown in FIG.
There is a diffractive optical element (DOE) 1 at the left end, and light from a CO 2 laser travels from the left side. The light of the CO 2 laser is a parallel beam but has a Gaussian distribution. That is, the power density is high in the central part and low in the peripheral part.
The DOE converts a parallel beam into a total of 20 diffracted beams in five rows and five rows. The beam from the DOE is drawn according to the power density.

【0104】11本のビームが描いてあるがそれぞれが
20本の回折ビームの集合である。回折角が小さいから
分散して見えない。それが焦点距離f=63.5mmの
集光レンズ2を通過する。ほぼ平行なビームであるから
焦点距離fの収束点Fで収束する。本発明は収束点Fで
なくてその前位置Kあるいは後位置Mに被処理物を設け
てレーザビーム照射を行う。
Although 11 beams are drawn, each is a set of 20 diffracted beams. Since the diffraction angle is small, it cannot be seen as dispersed. It passes through the condenser lens 2 with the focal length f = 63.5 mm. Since the beams are substantially parallel, they converge at the convergence point F of the focal length f. In the present invention, the object to be processed is provided not at the convergence point F but at the front position K or the rear position M thereof to perform laser beam irradiation.

【0105】光源は波長9.3μmのCOレーザであ
る。ビーム径(強度が中央の1/e に低下する)はφ
15mmで、強度分布プロフィルはガウシアンである。
回折型光学素子(DOE)1は、CVD法で製作された
多結晶ZnSe製である。これはレーザ光に対して透明
である。回折型光学素子1は先述のように、横5本縦5
本で20本のビームになるように回折する。全ての点で
同様の回折がおこる。
The light source is CO with a wavelength of 9.3 μm.TwoWith a laser
It Beam diameter (intensity is 1 / e TwoΦ)
At 15 mm, the intensity distribution profile is Gaussian.
The diffractive optical element (DOE) 1 was manufactured by the CVD method.
It is made of polycrystalline ZnSe. It is transparent to laser light
Is. As described above, the diffractive optical element 1 has five horizontal lines and five vertical lines.
The light is diffracted into 20 beams. In all respects
Similar diffraction occurs.

【0106】どの点においても同じ回折次数のビームは
平行である。つまりそのままでは無限遠まで収束しな
い。それでDOE1の後ろに集光レンズ2を置く。DO
E1と集光レンズ2の距離hはここでは60mmであ
る。この集光レンズはZnSe製で有効焦点距離がf=
63.5mmの平凸レンズである。
The beams of the same diffraction order are parallel at any point. In other words, it does not converge to infinity as it is. So put the condenser lens 2 behind the DOE 1. DO
The distance h between E1 and the condenser lens 2 is 60 mm here. This condenser lens is made of ZnSe and has an effective focal length of f =
It is a 63.5 mm plano-convex lens.

【0107】焦点面での集光スポットの配置は図2に示
すように、ピッチ0.1mmの碁盤目の上に20点のス
ポットをほぼ円形を構成するように配置する設計となっ
ている。狙いとする強度分布は約0.5mm直径の円状
のフラットトップである。だから図2の目的とするスポ
ットの分布の広がりはそのように直径5mmとしてい
る。中心に原点Oを有し0.1mmを1区分とする座標
によってスポットを表現すると、(±1,0)、(0,
±1)、(±1、±1)、(±2,0)、(0,±
2)、(±2,±1)、(±1,±2)の20点であ
る。これらの20点は大体直径5mmの円内に均一に分
布する点である。
As shown in FIG. 2, the arrangement of the focused spots on the focal plane is designed so that 20 spots are arranged in a substantially circular shape on a grid having a pitch of 0.1 mm. The intended intensity distribution is a circular flat top with a diameter of about 0.5 mm. Therefore, the spread of the target spot distribution in FIG. 2 is set to 5 mm in diameter. When a spot is expressed by coordinates having an origin O at the center and 0.1 mm as one section, (± 1, 0), (0,
± 1), (± 1, ± 1), (± 2,0), (0, ±
2), (± 2, ± 1), and (± 1, ± 2), 20 points. These 20 points are points uniformly distributed in a circle having a diameter of about 5 mm.

【0108】但し原点(0,0)は除かれている。また
(±2、±2)は存在しない。それは集合ビームの形状
を円形に近付けるためである。正方形のビームが目的と
なる場合は(±2、±2)の点をも回折方向とする。
However, the origin (0,0) is excluded. Also, (± 2, ± 2) does not exist. This is to make the shape of the collective beam closer to a circle. When a square beam is used, the points (± 2, ± 2) are also defined as the diffraction direction.

【0109】このとき設計した回折型光学装置の単位パ
ターンの位相分布は図3のようになる。この位相分布の
最小ピクセルサイズ(セルといってきたものである)は
46.137μm角である。このピクセルが図3(単位
パターン)の中で128個×128個並んでいる。4
6.137μm×128=5.9055mmであるか
ら、図3の単位パターンの(位相分布の)大きさは5.
9055mm角である。
The phase distribution of the unit pattern of the diffractive optical device designed at this time is as shown in FIG. The minimum pixel size of this phase distribution (which is called a cell) is 46.137 μm square. The pixels are arranged in 128 × 128 in FIG. 3 (unit pattern). Four
Since 6.137 μm × 128 = 5.9055 mm, the size (of the phase distribution) of the unit pattern of FIG. 3 is 5.
It is 9055 mm square.

【0110】そのような単位になる同一のパターンが縦
横に並ぶ。レーザビームの大きさによってその数が決ま
る。ここでは15mmφの大きいビーム径の炭酸ガスレ
ーザを対象にするから、それを充分にカバーできる8パ
ターン×8パターン=64パターンよりなるDOEを作
製した。つまりDOE1は64の同一単位パターン(図
3)を含む回折型素子なのである。
The same pattern as such a unit is arranged vertically and horizontally. The number of laser beams determines the number. Since a CO 2 laser having a large beam diameter of 15 mmφ is targeted here, a DOE consisting of 8 patterns × 8 patterns = 64 patterns which can sufficiently cover the laser was manufactured. That is, DOE1 is a diffractive element including 64 identical unit patterns (FIG. 3).

【0111】単位の回折パターンにおいて、一つのセル
に位相0か位相πか何れかが与えられる。白地の部分が
位相0である。黒字の部分が位相πを与えられた部分で
ある。黒地に着目すると「λ’」というような分布をし
ている。目的とする回折パターンは図2に示すようにx
方向、y方向に対称であるにも拘らず、DOEの厚みパ
ターン分布は、xy方向の対称性はない。不定形の分布
となっている。DOE厚みパターン(位相分布)は、解
が一つ決まるというのではない。幾つもの可能なパター
ンがありうる。多数の解が存在しうるがその内一つの最
適のパターンを選ぶのである。だから目的とする回折パ
ターン(図2)から、DOEの厚みパターン(位相分
布:図3)を予想することはできない。DOEの厚みパ
ターンから、回折ビーム分布を直感することもできな
い。
In the unit diffraction pattern, either phase 0 or phase π is given to one cell. The white background is in phase 0. The black part is the part given the phase π. Focusing on the black background, it has a distribution like "λ '". The target diffraction pattern is x as shown in FIG.
The DOE thickness pattern distribution has no symmetry in the xy directions, although it is symmetric in the y and y directions. It has an irregular distribution. The DOE thickness pattern (phase distribution) does not mean that one solution is determined. There can be many possible patterns. There can be many solutions, but one of them is the optimal pattern. Therefore, the DOE thickness pattern (phase distribution: FIG. 3) cannot be predicted from the target diffraction pattern (FIG. 2). It is not possible to intuitively understand the diffracted beam distribution from the DOE thickness pattern.

【0112】これは位相については最も簡単な2値(バ
イナリ;φ=0、πの2値)である。もちろん4値(φ
=0、π/2、π、3π/2)、8値(φ=0、π/
4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π
/4)というように位相差をより細かく刻むこともでき
る。そうするとよりトップハットの強度が均一になる可
能性がある。しかしそうすると計算が複雑になるしDO
E製作のためのマスク数、エッチングの回数も増える。
This is the simplest binary value for the phase (binary; binary value of φ = 0, π). Of course four values (φ
= 0, π / 2, π, 3π / 2), 8 values (φ = 0, π /
4, π / 2, 3π / 4, π, 5π / 4, 3π / 2, 7π
It is also possible to make the phase difference finer, such as / 4). Then, the strength of the top hat may be more uniform. However, doing so would complicate the calculation, and DO
The number of masks for E fabrication and the number of etchings also increase.

【0113】図3のパターンは、これを1ユニットとし
て実際の光学素子では入射ビーム径φ15を全面カバー
するように上下左右に並べる。ここでは入射ビーム径
(1/e2径)はφ15である。それを漏れなく受ける
ためには3×3以上のパターンであればよいということ
になる。ここではもっと余裕をもたせるためDOEの辺
長を400mm程度にしたい。そうするためには、5.
9055mm角の単位回折パターンを、8×8ユニット
分をDOE素子上に微細加工しなければならない。
The pattern of FIG. 3 is arranged vertically and horizontally so as to cover the entire incident beam diameter φ15 in an actual optical element with this as one unit. Here, the incident beam diameter (1 / e2 diameter) is φ15. In order to receive it without omission, a pattern of 3 × 3 or more is sufficient. Here, we want to set the side length of the DOE to about 400 mm to allow more room. To do so, 5.
A 9055 mm square unit diffraction pattern of 8 × 8 units must be finely processed on the DOE element.

【0114】回折型光学素子1の素材は直径2インチ
(50mm)、厚み5mmのZnSe多結晶の板であ
る。ZnSeのディスクにレジストを塗布してマスクを
通して水銀ランプの光を照射しマスクのパターンをレジ
ストに焼き付ける。ZnSe−DOEの製作においてマ
スクの製作がコストのかなりの部分を占める。
The material of the diffractive optical element 1 is a ZnSe polycrystalline plate having a diameter of 2 inches (50 mm) and a thickness of 5 mm. A ZnSe disk is coated with a resist, and light from a mercury lamp is irradiated through the mask to print the mask pattern on the resist. In ZnSe-DOE fabrication, mask fabrication accounts for a significant portion of the cost.

【0115】ZnSe自体は、大きな反応炉を用いて、
原料ガスを供給して、基板の上にCVD法によって面積
の広いZnSeの板を作製することによってなされる。
CVD法で多結晶を作る。成長速度が遅いので時間は掛
かるが、大きい面積のZnSe板を作製することができ
る。この板を適当にくりぬいて先ほどの素材とする。
ZnSe itself was prepared by using a large reactor.
This is done by supplying a source gas and forming a ZnSe plate having a large area on the substrate by the CVD method.
A polycrystal is made by the CVD method. Although the growth rate is slow, it takes time, but a ZnSe plate having a large area can be produced. This board is hollowed out and used as the material.

【0116】現像後に反応性イオンエッチング(RI
E)にてZnSe基板に位相分布に応じた微細な段差構
造を設ける。段差量は、光の位相差πに相当するλ/2
(n−1)=3.78μmとなる。
After development, reactive ion etching (RI
In step E), a fine step structure corresponding to the phase distribution is provided on the ZnSe substrate. The amount of step difference is λ / 2 corresponding to the phase difference π of light.
(N-1) = 3.78 μm.

【0117】図4〜図7に焦点位置F(レンズから6
1.0mm)からの像面距離を変えたときのデフォーカ
ス状態を示す。それぞれ強度分布を光線の密度の濃淡で
表している。レンズの焦点距離は63.5mmである
が、レンズの厚みがあるから平凸レンズの平面(後面)
から61.0mmが焦点距離の位置Fである。それを図
4に示す。像面上に20の光点が分離して正しい位置に
存在する。狭い部分に光パワーが集中したフォーカスビ
ームが形成されている。それぞれの点でパワー分布は鋭
い円錐状ピークになっている。破線はそれぞれの光点の
パワーが消える部分の輪郭を示すものである。
In FIGS. 4 to 7, the focus position F (from the lens 6
The defocused state when the image plane distance from (1.0 mm) is changed is shown. Each intensity distribution is represented by the density of light rays. The focal length of the lens is 63.5 mm, but since the lens is thick, the plane of the plano-convex lens (rear surface)
To 61.0 mm is the position F of the focal length. It is shown in FIG. Twenty light spots are separated on the image plane and exist at correct positions. A focus beam in which the optical power is concentrated is formed in a narrow portion. At each point, the power distribution has a sharp conical peak. The broken line shows the outline of the part where the power of each light spot disappears.

【0118】図5はレンズの後面からの距離が焦点Fよ
り長くてM=61.5mmとなっている。つまり0.5
mm後方へデフォーカスしてある。光点がぼやけてきて
ピークが低くなり隣接点の光がオーバラップするように
なってきている。図6はレンズの後面からの距離をさら
に長くしたものでありM=62.0mmとなっている。
1.0mm後方へデフォーカスしてある。隣接光点の境
目が不分明になって来て光点集合の部分で光量が一定に
近くなっている。
In FIG. 5, the distance from the rear surface of the lens is longer than the focal point F and M = 61.5 mm. That is 0.5
Defocused to the rear of mm. The light spots have become blurred and the peaks have become lower, so that the lights at adjacent points overlap. In FIG. 6, the distance from the rear surface of the lens is further increased, and M = 62.0 mm.
It is defocused 1.0 mm backward. The boundary between the adjacent light spots becomes unclear, and the light amount becomes nearly constant at the light spot set.

【0119】図7はレンズの後面からの距離をさらに長
くM=62.5mmとしたものである。つまり1.5m
m後方へデフォーカス(ΔM=1.5mm)してある。
分離した光点の痕跡がなくなり0.5mm直径の円形部
分でパワーがほぼ一様になっている。図5〜図7の結果
からだいたい1.5mm程度デフォーカスすると一様な
トップハット型のパワー分布が得られるということがわ
かる。
In FIG. 7, the distance from the rear surface of the lens is made longer and M = 62.5 mm. That is 1.5m
It is defocused to the rear of m (ΔM = 1.5 mm).
There is no trace of the separated light spots, and the power is almost uniform in the circular portion with a diameter of 0.5 mm. From the results of FIGS. 5 to 7, it can be seen that a uniform top hat type power distribution can be obtained by defocusing about 1.5 mm.

【0120】ここでは、後方へずらしているが、像面を
焦点面Fよりも前方へ(レンズ側へ接近)ずらせてもよ
い。前方位置Kでのずれの量も先ほどと同様であって、
ΔK=−1.5mm程度で一様なパワー分布が得られ
る。集光レンズのレーザ出射面からの距離61mmがほ
ぼ焦点面であり、1.5mmデフォーカスしたときに
0.5mmの領域内で、ほぼ均一の光線密度が得られて
いることがわかる。
Here, the image plane is shifted rearward, but the image plane may be shifted forward (closer to the lens side) than the focal plane F. The amount of deviation at the front position K is the same as before,
A uniform power distribution is obtained at about ΔK = −1.5 mm. It can be seen that the distance 61 mm from the laser emission surface of the condenser lens is the focal plane, and when defocusing by 1.5 mm, a substantially uniform light density is obtained within a region of 0.5 mm.

【0121】[0121]

【発明の効果】本発明はこのように、トップハットに含
まれるべき格子点に等量のエネルギーを配分できるパタ
ーンを持つ回折型光学素子を用いて分岐ビームを生成し
デフォーカスして重ね合わせて均一強度分布を得るもの
である。回折型光学素子は2段階(あるいは4段階)の
高さの表面を持つだけであるからパターンが決まればフ
ォトリソグラフィによって容易に作製することができ
る。非球面レンズのように複雑な機械加工は不要であ
り、同じものが幾らでも簡単に作ることができる。
As described above, according to the present invention, a branched beam is generated using a diffractive optical element having a pattern capable of distributing an equal amount of energy to lattice points to be included in a top hat, and defocused and superposed. A uniform intensity distribution is obtained. Since the diffractive optical element only has a surface with two steps (or four steps) in height, it can be easily manufactured by photolithography if the pattern is determined. It does not require complicated machining such as an aspherical lens, and the same one can be easily created.

【0122】また非球面レンズの場合と違いレーザビー
ムの断面形状に依存することなく、どのようなパワー分
布を持つレーザであってもトップハット型のパワー分布
に変換することができる。
Unlike the case of an aspherical lens, a laser having any power distribution can be converted into a top hat type power distribution without depending on the sectional shape of the laser beam.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例にかかりDOEと集光レンズと
像面とよりなる光学系を示す構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an optical system including a DOE, a condenser lens, and an image plane according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例のDOEと集光レンズよりなる
光学系において、ちょうど焦点面ピッタリに像面を置い
たときに生成される集中された回折ビームスポットの写
真。
FIG. 2 is a photograph of a focused diffracted beam spot produced when an image plane is placed exactly on the focal plane in the optical system including the DOE and the condenser lens according to the embodiment of the present invention.

【図3】図2のような回折点に等しいパワー分布を与え
る回折パターンを焦点面に生成する回折型光学素子の2
段階厚みを持つ表面パターン、白地が位相0の点を、黒
字が位相πの点を示す。
FIG. 3 is a view of a diffractive optical element 2 for generating a diffraction pattern on a focal plane that gives a power distribution equal to that of a diffraction point as shown in FIG.
A surface pattern having a step thickness, a white background indicates a phase 0 point, and a black character indicates a phase π point.

【図4】前述の回折型光学素子とレンズからなる光学系
において像面をちょうど焦点面(F=61.0mm)に
合致させたときに生成する回折パターンを示す図。黒地
によってパワー密度を表現している。回折点でのスポッ
トは分離している。ネガポジの違いがあるので違うよう
に見えるが図2の写真と等価のものである。
FIG. 4 is a diagram showing a diffraction pattern generated when the image plane is exactly aligned with the focal plane (F = 61.0 mm) in the optical system including the diffractive optical element and the lens described above. Power density is represented by a black background. The spots at the diffraction points are separated. It seems to be different because there is a difference in negative and positive, but it is equivalent to the photograph in FIG.

【図5】前述の回折型光学素子とレンズからなる光学系
において像面を焦点面より0.5mm後方へデフォーカ
スした(M=61.5mm)ときに生成する回折パター
ンを示す図。黒字によってパワー密度を表現する。黒地
部分が互いに重なっており、円形の領域でのパワー密度
が一様化している。
FIG. 5 is a diagram showing a diffraction pattern generated when the image plane is defocused 0.5 mm behind the focal plane (M = 61.5 mm) in the optical system including the diffractive optical element and the lens. Power density is expressed by black letters. The black areas overlap each other, and the power density in the circular area is uniform.

【図6】前述の回折型光学素子とレンズからなる光学系
において像面を焦点面より1.0mm後方へデフォーカ
スした(M=62.0mm)ときに生成する回折パター
ンを示す図。黒字によってパワー密度を表現する。黒地
部分が区別できないように互いに重なっており、円形の
領域でのパワー密度が一様になっている。
FIG. 6 is a diagram showing a diffraction pattern generated when the image plane is defocused 1.0 mm behind the focal plane (M = 62.0 mm) in the optical system including the diffractive optical element and the lens. Power density is expressed by black letters. The black areas overlap each other so that they cannot be distinguished, and the power density is uniform in the circular area.

【図7】前述の回折型光学素子とレンズからなる光学系
において像面を焦点面より1.5mm後方へデフォーカ
スした(M=62.5mm)ときに生成する回折パター
ンを示す図。黒字によってパワー密度を表現する。黒地
部分が区別できないようになっており、光のある部分の
輪郭が円に近付いている。
FIG. 7 is a diagram showing a diffraction pattern generated when the image surface is defocused 1.5 mm behind the focal plane (M = 62.5 mm) in the optical system including the diffractive optical element and the lens. Power density is expressed by black letters. The black area is indistinguishable, and the outline of the area with light approaches a circle.

【図8】炭酸ガスレーザなどで見られるガウシアンビー
ムのビームの直径上でのパワー分布図。
FIG. 8 is a power distribution diagram on the beam diameter of a Gaussian beam seen in a carbon dioxide laser or the like.

【図9】本発明の目的とするトップハット型ビームの直
径上でのパワー分布図。
FIG. 9 is a power distribution diagram on the diameter of the top-hat type beam which is the object of the present invention.

【図10】平面波を回折型光学部品に入力して複数の平
行な回折ビームを発生させ集光レンズによって有限の焦
点面に像面をおいて集光した回折像スポットを像面に形
成するようにした回折型光学系の説明図。
FIG. 10: A plane wave is input to a diffractive optical component to generate a plurality of parallel diffracted beams, and a condensing lens is used to form a diffracted image spot focused on an image plane on a finite focal plane. Of the diffractive optical system shown in FIG.

【図11】回折型光学部品の基本となるパターンの高さ
分布を示すための図。黒地は位相が0で、白地は位相が
πの所を表現している。厚みの違う2段の面が存在する
ということである。透過光の位相がπだけ異なるように
段差はλ/2(n−1)となっている。
FIG. 11 is a diagram showing a height distribution of a pattern which is a basis of the diffractive optical component. The black background represents the phase 0, and the white background represents the phase π. This means that there are two layers of different thickness. The step is λ / 2 (n-1) so that the phase of the transmitted light differs by π.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 DOE(回折型光学素子) 2 集光レンズ 3 像面 1 DOE (diffractive optical element) 2 condenser lens 3 image plane

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 レーザビームを一定範囲にある複数のビ
ームに分岐する機能をもつ回折型光学素子と、回折型光
学素子に続いて設けられる集光レンズとを含み、集光レ
ンズの焦点から外れたデフォーカス面に像面を設置し、
回折型光学素子によって分岐された各ビームがデフォー
カス面で合体して所望の強度分布が得られるようにした
ことを特徴とするレーザ光学システム。
1. A diffractive optical element having a function of branching a laser beam into a plurality of beams within a certain range, and a condenser lens provided subsequent to the diffractive optical element, which is out of focus of the condenser lens. The image plane is installed on the defocused surface,
A laser optical system characterized in that beams branched by a diffractive optical element are combined on a defocusing surface to obtain a desired intensity distribution.
【請求項2】 レーザビームを一定範囲にある複数のビ
ームに分岐する機能とそれを集光する機能を合わせ持つ
レンズ付き回折型光学素子を含み、焦点から外れたデフ
ォーカス面に像面を設置し、レンズ付き回折型光学素子
によって分岐された各ビームがデフォーカス面で合体し
て所望の強度分布が得られるようにしたことを特徴とす
るレーザ光学システム。
2. A diffractive optical element with a lens, which has both a function of branching a laser beam into a plurality of beams within a certain range and a function of condensing the beam, and an image plane is provided on a defocused surface out of focus. Then, the laser optical system is characterized in that the beams branched by the diffractive optical element with a lens are combined on the defocusing surface to obtain a desired intensity distribution.
【請求項3】 デフォーカス像面において想定されたあ
る円内で均一のパワーをもち円外ではパワーが0に減退
するような円状の強度分布を作り出すことを特徴とする
請求項1又は2に記載のレーザ光学システム。
3. A circular intensity distribution having a uniform power within a circle assumed on the defocus image plane and a power decreasing to 0 outside the circle is created. Laser optical system according to.
【請求項4】 デフォーカス像面において想定されたあ
るリング内で均一のパワーをもちリング外ではパワーが
0に減退するようなリング状の強度分布を作り出すこと
を特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ光学システ
ム。
4. A ring-shaped intensity distribution having uniform power within a certain ring assumed on the defocus image plane and reducing to 0 outside the ring. Laser optical system according to.
【請求項5】 デフォーカス像面において想定されたあ
る四角形内で均一のパワーをもち四角形外ではパワーが
0に減退するような四角形状の強度分布を作り出すこと
を特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ光学システ
ム。
5. A quadrangle-shaped intensity distribution having uniform power within a quadrangle assumed on the defocus image plane, and having a power decreasing to 0 outside the quadrangle. Laser optical system according to.
【請求項6】 デフォーカス像面において想定されたあ
る線状領域内で均一のパワーをもち線状領域外ではパワ
ーが0に減退するような線状領域状の強度分布を作り出
すことを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ光学
システム。
6. A linear region-shaped intensity distribution having uniform power within a certain linear region assumed on the defocus image plane and decreasing to 0 outside the linear region. The laser optical system according to claim 1 or 2.
【請求項7】 レーザビームを一定範囲にある複数のビ
ームに分岐する機能をもつ回折型光学素子と、回折型光
学素子に続いて設けられる集光レンズとを含み、集光レ
ンズの焦点から外れたデフォーカス面に像面を設置し、
回折型光学素子によって分岐された各ビームがデフォー
カス面で合体して所望の光強度分布が得られるように
し、デフォーカス像面位置に被処理物をおいて被処理物
を加工するようにしたことを特徴とするレーザ加工方
法。
7. A diffractive optical element having a function of branching a laser beam into a plurality of beams within a certain range, and a condenser lens provided subsequent to the diffractive optical element, which is out of focus of the condenser lens. The image plane is installed on the defocused surface,
The beams branched by the diffractive optical element are combined on the defocusing surface to obtain a desired light intensity distribution, and the processing target is processed by placing the processing target at the defocus image plane position. A laser processing method characterized by the above.
【請求項8】 レーザビームを一定範囲にある複数のビ
ームに分岐する機能とそれを集光する機能を合わせ持つ
レンズ付き回折型光学素子を含み、焦点から外れたデフ
ォーカス面に像面を設置し、レンズ付き回折型光学素子
によって分岐された各ビームがデフォーカス面で合体し
て所望の光強度分布が得られるようにし、デフォーカス
像面位置に被処理物をおいて被処理物を加工するように
したことを特徴とするレーザ加工方法。
8. A diffractive optical element with a lens having both a function of branching a laser beam into a plurality of beams within a certain range and a function of condensing the same is included, and an image plane is provided on a defocused surface out of focus. Then, the beams split by the diffractive optical element with a lens are combined on the defocus surface to obtain the desired light intensity distribution, and the object is processed at the defocus image plane position. A laser processing method characterized in that.
【請求項9】 デフォーカス像面において想定されたあ
る円内で均一のパワーをもち円外ではパワーが0に減退
するような強度分布を作り出し、デフォーカス像面位置
に被処理物をおいて被処理物を加工するようにしたこと
を特徴とする請求項7又は8に記載のレーザ加工方法。
9. An intensity distribution having uniform power within a circle assumed on the defocus image plane and decreasing to 0 outside the circle is created, and an object to be processed is placed at the defocus image plane position. The laser processing method according to claim 7 or 8, wherein the object to be processed is processed.
【請求項10】 デフォーカス像面において想定された
あるリング内で均一のパワーをもちリング外ではパワー
が0に減退するような強度分布を作り出し、デフォーカ
ス像面位置に被処理物をおいて被処理物を加工するよう
にしたことを特徴とする請求項7又は8に記載のレーザ
加工方法。
10. An intensity distribution that creates uniform power within a certain ring assumed on the defocus image plane and decreases to 0 outside the ring, and places the object to be processed at the defocus image plane position. The laser processing method according to claim 7 or 8, wherein the object to be processed is processed.
【請求項11】 デフォーカス像面において想定された
ある四角形内で均一のパワーをもち四角形外ではパワー
が0に減退するような強度分布を作り出し、デフォーカ
ス像面位置に被処理物をおいて被処理物を加工するよう
にしたことを特徴とする請求項7又は8に記載のレーザ
加工方法。
11. An intensity distribution is created such that the power is uniform within a certain quadrangle assumed on the defocus image plane and the power is reduced to 0 outside the quadrangle, and the object to be processed is placed at the defocus image plane position. The laser processing method according to claim 7 or 8, wherein the object to be processed is processed.
【請求項12】 デフォーカス像面において想定された
ある線状領域内で均一のパワーをもち線状領域外ではパ
ワーが0に減退するような強度分布を作り出し、デフォ
ーカス像面位置に被処理物をおいて被処理物を加工する
ようにしたことを特徴とする請求項7又は8に記載のレ
ーザ加工方法。
12. An intensity distribution having uniform power within a certain linear region assumed on the defocus image plane and decreasing to 0 outside the linear region is created, and the power is processed at the defocus image plane position. 9. The laser processing method according to claim 7, wherein the object to be processed is processed by leaving the object.
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