JP2010128325A - 光変調装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察光の解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察できる光変調装置およびレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】光変調装置１Ａは、第１の方向に延びる第１の光路に沿って入射したレーザ光Ｌｒを変調する反射型ＳＬＭ７と、照明光Ｌｉを透過させる透光性部材５上に形成され、反射型ＳＬＭ７から前面に入射したレーザ光Ｌｒを、第１の方向と交差する第２の方向に延びる第２の光路上へ反射させるとともに、背面に入射した照明光Ｌｉを第２の光路上へ透過させる誘電体多層膜鏡６と、誘電体多層膜鏡６から照明光Ｌｉ及びレーザ光Ｌｒを受け、照明光Ｌｉ及びレーザ光Ｌｒを集光する集光レンズ９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射型の空間光変調器を備える光変調装置およびレーザ加工装置に関するものである。

特許文献１には、反射型の空間光変調器（ＳＬＭ：SpatialLight Modulator）を用いた装置が記載されている。この文献に記載された装置では、仮想基準直線上に二つのミラーが配置され、仮想基準直線から垂直方向にずれた位置に反射型のＳＬＭが配置されている。そして、仮想基準直線に沿って入射してくる入力光は一方のミラーで反射し、ＳＬＭに入射する。この光はＳＬＭにより変調され、他方のミラーで反射したのち仮想基準直線に沿って出力される。

近年、ＳＬＭをレーザ加工装置や顕微鏡等に応用する技術が研究されている。例えばレーザ加工装置にＳＬＭを応用する場合、位相変調型のＳＬＭによりレーザ光を位相変調し、その位相変調後のレーザ光を集光レンズにより加工部位に集光することにより、集光点における収差を補正して加工精度を高めることが可能となる。

ここで、ＳＬＭを顕微鏡に応用する場合には対象部位に光を当ててその部位を観察することが必要となるが、ＳＬＭをレーザ加工装置に応用する場合においても、加工位置を高精度に特定するために対象部位（加工部位）を観察できることが望ましい。そのため、一般的には、レーザ光とは波長が異なる照明光を対象部位に照射し、その照明光の照射に伴って対象部位で発生した反射光や散乱光（以下、観察光という）を受光することにより、その部位を観察する。
国際公開２００６／０３５７７５号パンフレット

特許文献１に記載されたような構成において、上述した照明光を用いて対象部位を観察する場合、例えばレーザ光と照明光とを同一の光路上に重ねて入力し、各ミラーやＳＬＭにおいてこれらの光を反射させたのち、対象部位から反射または散乱した観察光をレーザ光から分岐して受光することとなる。しかしながらこのような構成では、照明光及び観測光に含まれるレーザ光と同じ偏光成分もＳＬＭにより変調されてしまうので、観察光を受光する際の光量が低下し、解像度が劣化してしまう。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、観察光の解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察できる光変調装置およびレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による光変調装置は、レーザ光を変調して出力するとともに、レーザ光とは波長が異なる照明光を変調後のレーザ光と同一の光路上に出力する光変調装置であって、第１の方向に延びる第１の光路に沿って入射したレーザ光を斜め前方より受け、該レーザ光を反射させつつ、二次元配列された複数の画素毎にレーザ光を変調する反射型の空間光変調器と、照明光を透過させる透光性部材上に形成され、空間光変調器から前面に入射したレーザ光を、第１の方向と交差する第２の方向に延びる第２の光路上へ反射させるとともに、背面に入射した照明光を第２の光路上へ透過させる誘電体多層膜鏡と、誘電体多層膜鏡から照明光及びレーザ光を受け、照明光及びレーザ光を集光する集光レンズとを備えることを特徴とする。

上記した光変調装置では、レーザ光が第１の光路に沿って入射し、反射型ＳＬＭに達する。そして、反射型ＳＬＭによってレーザ光が変調されたのち、該レーザ光は誘電体多層膜鏡に達する。一方、照明光は誘電体多層膜鏡の背面側から入射して該誘電体多層膜鏡を透過する。これらレーザ光および照明光は共に第２の光路上を進み、集光レンズによる集光を経て加工対象物や観察対象物の対象部位に達する。また、この対象部位における反射または散乱により得られる観察光は、上述した照明光と逆の光路を辿る。このように、上記した光変調装置によれば、照明光および観察光が反射型ＳＬＭによる変調を回避することができる。したがって、観察光の解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察することができる。

また、光変調装置は、第１の光路が誘電体多層膜鏡の背面側を通過することを特徴としてもよい。或いは、光変調装置は、第１の光路が誘電体多層膜鏡の前面側を通過し、第１及び第２の方向と直交する第３の方向から見て第１の光路と第２の光路とが互いに交差することを特徴としてもよい。特に、第１の光路が誘電体多層膜鏡の前面側を通過する場合には、背面側を通過する場合と比較して当該光変調装置の小型化が可能になる。更に、レーザ光の反射型ＳＬＭへの入射角を小さくすることができるので、画素間のクロストークを低減することも可能となる。

また、本発明によるレーザ加工装置は、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光とは波長が異なる照明光を出射する照明光源と、第１の方向に延びる第１の光路に沿って入射したレーザ光を斜め前方より受け、該レーザ光を反射させつつ、二次元配列された複数の画素毎にレーザ光を変調する反射型の空間光変調器と、照明光を透過させる透光性部材上に形成され、空間光変調器から前面に入射したレーザ光を、第１の方向と交差する第２の方向に延びる第２の光路上へ反射させるとともに、背面に入射した照明光を第２の光路上へ透過させる誘電体多層膜鏡と、誘電体多層膜鏡から照明光及びレーザ光を受け、照明光及びレーザ光を加工対象物の内部に集光させる集光レンズとを備えることを特徴とする。

上記したレーザ加工装置では、反射型ＳＬＭによりレーザ光を変調し、その変調後のレーザ光を集光レンズにより加工部位に集光することにより、例えば集光点における収差を補正して加工精度を高めることが可能となる。そして、このレーザ加工装置においては、先に述べた光変調装置と同様に、レーザ光が第１の光路に沿って入射し、反射型ＳＬＭに達する。そして、反射型ＳＬＭによってレーザ光が変調されたのち、該レーザ光は誘電体多層膜鏡に達する。一方、照明光は誘電体多層膜鏡の背面側から入射して該誘電体多層膜鏡を透過する。これらレーザ光および照明光は共に第２の光路上を進み、集光レンズによる集光を経て加工対象物の被加工部位に達する。また、この被加工部位における反射または散乱により得られる観察光は、上述した照明光と逆の光路を辿る。このように、上記したレーザ加工装置によれば、照明光および観察光が反射型ＳＬＭによる変調を回避することができるので、観察光の解像度および光量を保ちつつ被加工部位を観察することができる。

また、レーザ加工装置は、照明光が加工対象物において反射または散乱することにより生じた観察光を撮像するための撮像手段を更に備えることを特徴としてもよい。これにより、被加工部位を好適に観察することができる。また、この場合、撮像手段は、第２の光路に沿って誘電体多層膜鏡を透過した観察光を撮像することが望ましい。これにより、他の光（レーザ光および照明光）から観察光を分岐するための光学部品を第２の光路上に設置する必要がなくなるので、そのような光学部品に起因する収差を低減することができる。

本発明による光変調装置およびレーザ加工装置によれば、観察光の解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光変調装置およびレーザ加工装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において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。

（第１の実施の形態）
図１〜図４は、本発明の第１実施形態に係る光変調装置１Ａの構成を示す図である。図１は光変調装置１Ａの平面断面図を示しており、図２は光変調装置１Ａの底面図を示している。また、図３は図１のIII−III線に沿った光変調装置１Ａの側断面図であり、図４はIII−III線の矢視方向とは反対の方向から見た光変調装置１Ａの側面図である。なお、理解を容易にするため、これらの図１〜図４にはＸＹＺ直交座標系が示されている。

本実施形態の光変調装置１Ａは、外部から入力したレーザ光Ｌｒ（図１参照）を変調して出力するとともに、レーザ光Ｌｒとは波長が異なる照明光Ｌｉ（図１参照）を変調後のレーザ光Ｌｒと同一の光路上に出力する装置である。図１〜図４を参照すると、本実施形態の光変調装置１Ａは、筐体３と、筐体３の内部に収容された誘電体多層膜鏡６及び反射型ＳＬＭ７と、筐体３の側壁に取り付けられた集光レンズ９とを備える。

筐体３は、略直方体状の外観を有している。筐体３の一対の側壁３ａ，３ｂのうち一方の側壁３ａには開口３０が形成されており、この側壁３ａには、開口３０を塞ぐように集光レンズ９が取り付けられている。また、他方の側壁３ｂには開口３１が設けられており、この開口３１からは、図示しない光源から照明光Ｌｉが入射する。すなわち、開口３１はレーザ光と異なる波長の光を通過させる開口となる。

筐体３の上記側壁３ａ，３ｂの並置方向と交差する方向に並置された別の一対の側壁３ｃ，３ｄのうち、一方の側壁３ｃには開口３２が設けられている。この開口３２からは、図示しない光源からレーザ光Ｌｒが入射する。レーザ光Ｌｒは、第１の方向（本実施形態ではＹ軸方向）に延びる第１の光路に沿って筐体３内に入射する。一方、照明光Ｌｉは、第１の方向と交差する第２の方向（本実施形態ではＸ軸方向）に延びる光路に沿って筐体３内に入射する。

反射型ＳＬＭ７は、上記した第１の光路に沿って入射したレーザ光Ｌｒを斜め前方より受け、該レーザ光Ｌｒを反射させつつ、二次元配列された複数の画素毎にレーザ光Ｌｒを変調する。反射型ＳＬＭ７は、筐体３の内部において開口３２と対向する側壁３ｄ寄りの位置に配置されており、レーザ光Ｌｒは、後述する誘電体多層膜鏡６の前面側を通過して反射型ＳＬＭ７に入射する。反射型ＳＬＭ７は、あおり機構３３によって支持される。あおり機構３３は、反射型ＳＬＭ７の角度を調整するために筐体３に固定されており、反射型ＳＬＭ７を支持している。反射型ＳＬＭ７は、後述する誘電体多層膜鏡６へ向けてレーザ光Ｌｒを反射するように、あおり機構３３によってその姿勢角が調整されている。なお、あおり機構３３と筐体３の側壁３ｄとの間には、反射型ＳＬＭ７を制御するための回路基板３４が配置される。

本実施形態の反射型ＳＬＭ７は、位相変調型のものであって、例えば以下に説明する構造を備える。

図５は、反射型ＳＬＭ７の一例として、ＬＣＯＳ（LiquidCrystal on Silicon）型の構造を示す分解斜視図である。図５に示すように、この反射型ＳＬＭ７は、シリコン基板５５と、シリコン基板５５上に設けられた金属電極層５６と、金属電極層５６上に設けられたミラー層５７と、ミラー層５７上に設けられた液晶層５８と、液晶層５８上に設けられた透明電極層５９と、透明電極層５９上に設けられたガラス板６０と、を備えている。金属電極層５６及び透明電極層５９は、複数行および複数列からなる二次元状に配置された複数の電極部５６ａ，５９ａを有しており、金属電極層５６の各電極部５６ａと透明電極層５９の各電極部５９ａとは、反射型ＳＬＭ７の積層方向において互いに対向している。そして、一対の電極部５６ａ，５９ａによって、反射型ＳＬＭ７における画素が規定される。

このように構成された反射型ＳＬＭ７において、レーザ光Ｌｒは、外部からガラス板６０及び透明電極層５９を順次透過して液晶層５８に入射し、ミラー層５７によって反射されて、液晶層５８から透明電極層５９及びガラス板６０を順次透過して外部に出射される。このとき、互いに対向する一対の電極部５６ａ，５９ａ毎に電圧が印加され、その電圧に応じて、液晶層５８において互いに対向する一対の電極部５６ａ，５９ａに挟まれた部分の屈折率が変化している。これにより、複数の画素のそれぞれにおいて、レーザ光Ｌｒの進行方向と直交する所定の方向の成分の位相にずれが生じ、レーザ光Ｌｒが画素毎に整形（位相変調）されることとなる。

再び図１〜図４を参照すると、誘電体多層膜鏡６は、板状の透光性部材５の板面上に形成されている。透光性部材５は、照明光Ｌｉが含まれる波長の光を透過させることができ（レーザ光と異なる波長の光を通過させることができ）、筐体３の側壁３ｂの開口３１に連通して取り付けられた筒状の部材３５の傾斜した端面上に固定されている。透光性部材５は、反射型ＳＬＭ７から誘電体多層膜鏡６の前面に入射したレーザ光Ｌｒが第２の方向（Ｘ軸方向）に延びる第２の光路上に反射するように、部材３５によってその姿勢角が規定されている。また、誘電体多層膜鏡６は、透光性部材５を通過して背面に入射した照明光Ｌｉを、レーザ光Ｌｒと同じ第２の光路上へ透過させる。すなわち、誘電体多層膜鏡６はレーザ光と異なる波長の光を通過させることができる。したがって、レーザ光Ｌｒ及び照明光Ｌｉは、誘電体多層膜鏡６から同一の光路上を進むこととなる。なお、第１の方向（Ｙ軸方向）及び第２の方向（Ｘ軸方向）と直交する第３の方向（Ｚ軸方向）から見ると、反射型ＳＬＭ７に入射するレーザ光Ｌｒの第１の光路と、誘電体多層膜鏡６から出射されるレーザ光Ｌｒの第２の光路とは、互いに交差（本実施形態では直交）している。

集光レンズ９は、誘電体多層膜鏡６から出射したレーザ光Ｌｒおよび照明光Ｌｉの光路（第２の光路）上に配置される。集光レンズ９は、反射型ＳＬＭ７から出力され誘電体多層膜鏡６において反射したレーザ光Ｌｒ、および誘電体多層膜鏡６を透過した照明光Ｌｉを集光して、レーザ光Ｌｒを対象物９１の対象部位（被加工部位または観察部位）において結像させる。また、集光レンズ９は、対象物９１において照明光Ｌｉが反射・散乱して生じる光（すなわち観察光）を入力して、その観察光を誘電体多層膜鏡６へ向けて出力する。なお、集光レンズ９としては、無限焦点対物レンズが好適に用いられる。

図６は、本実施形態の光変調装置１Ａの組立図である。図６に示すように、光変調装置１Ａが組み立てられる際には、まず、筐体３の側壁３ａ，３ｂを有する本体部３７が用意される。この本体部３７のＹ軸方向の両端は開口しており、その一端には側壁３ｃが螺子止めされ、その他端には側壁３ｄが螺子止めされる。なお、側壁３ａには開口３０が予め形成されており、側壁３ｂには開口３１が予め形成されており、側壁３ｃには開口３２が予め形成されている。

板面上に誘電体多層膜鏡６が形成された透光性部材５は、予め筒状部材３５の傾斜した端面上に固定される。そして、筒状部材３５は、その内孔と側壁３ｂの開口３１とが連通するように、側壁３ｂに螺子止めにより固定される。また、集光レンズ９は、側壁３ａの開口３０を覆うように側壁３ａの外面側に固定される。

あおり機構３３は、例えば図６に示すようにベース板３３ａ、複数のバネ部材３３ｂ、及び複数の螺子部材３３ｃによって構成される。板状のベース板３３ａは反射型ＳＬＭ７を支持するためにＹ軸方向に突出した複数の支柱を有しており、この複数の支柱は、反射型ＳＬＭ７を傾斜した状態で支持できるようにそれぞれ長さが異なっている。複数のバネ部材３３ｂは、Ｙ軸方向に延びており、その一端がベース板３３ａに係合され、他端が筐体３の本体部３７に係合されることによって、ベース板３３ａと筐体３の本体部３７とをＹ軸方向に引き寄せ合う。一方、複数の螺子部材３３ｃは、ベース板３３ａの周縁部に螺合されると共にベース板３３ａと本体部３７との隙間に突き出ることにより、ベース板３３ａと本体部３７との間隔を規定する。そして、複数の螺子部材３３ｃそれぞれの突出量が個別に調整されることにより、ベース板３３ａの傾斜角すなわち反射型ＳＬＭ７の傾斜角が調整される。

あおり機構３３と側壁３ｄとの間には、回路基板３４が配置される。回路基板３４の周縁部には複数の支柱３４ａが設けられており、この複数の支柱３４ａが側壁３ｄの内面側に螺子止めされることにより、回路基板３４が側壁３ｄに固定される。

以上の構成を備える本実施形態の光変調装置１Ａにおける作用および効果について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る光変調装置１Ａでは、レーザ光Ｌｒが、図示しない光源部から第１の光路に沿って入射したのち、反射型ＳＬＭ７に達する。そして、反射型ＳＬＭ７によってレーザ光Ｌｒが変調されたのち、変調されたレーザ光Ｌｒは誘電体多層膜鏡６に達する。一方、照明光Ｌｉは誘電体多層膜鏡６の背面側から入射して誘電体多層膜鏡６を透過する。レーザ光Ｌｒおよび照明光Ｌｉは共に同一の光路（第２の光路）上を進み、集光レンズ９による集光を経て、加工対象物や観察対象物といった対象物９１の対象部位に達する。また、この対象部位における反射または散乱により得られる観察光は、上述した照明光Ｌｉと逆の光路を辿る。すなわち、観察光は、誘電体多層膜鏡６および透光性部材５を透過して開口３１から出力され、撮像素子等を用いて観察される。

このように、本実施形態に係る光変調装置１Ａにおいては、照明光Ｌｉおよび観察光が誘電体多層膜鏡６および透光性部材５を透過し、反射型ＳＬＭ７には入射しない。すなわち、光変調装置１Ａによれば、照明光Ｌｉおよび観察光が反射型ＳＬＭ７による変調を回避することができるので、観察光の解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察することができる。

ここで、誘電体多層膜鏡６と反射型ＳＬＭ７との位置関係について詳細に説明する。図７（ａ）は、本実施形態における誘電体多層膜鏡６と反射型ＳＬＭ７との位置関係を示している。すなわち、Ｙ軸方向に延びるレーザ光Ｌｒの第１の光路Ａ１は、誘電体多層膜鏡６の前面側を通過して反射型ＳＬＭ７に達している。換言すれば、誘電体多層膜鏡６は第１の光路Ａ１の後方に位置している。そして、反射型ＳＬＭ７はやや後方側へ傾斜しており、レーザ光Ｌｒを誘電体多層膜鏡６へ向けて反射する。誘電体多層膜鏡６はレーザ光Ｌｒを前方へ（すなわち、Ｘ軸方向に延びる第２の光路Ａ２上へ）反射するので、Ｚ軸方向から見て第１の光路Ａ１と第２の光路Ａ２とは互いに交差することとなる。

また、図７（ｂ）は、一変形例に係る誘電体多層膜鏡６と反射型ＳＬＭ７との位置関係を示している。光変調装置１Ａにおいては、誘電体多層膜鏡６と反射型ＳＬＭ７とがこのような位置関係であっても上記した作用効果を好適に奏することができる。図７（ｂ）に示した例では、第１の光路Ｂ１が誘電体多層膜鏡６の背面側を通過して反射型ＳＬＭ７に達している。換言すれば、誘電体多層膜鏡６は第１の光路Ｂ１の前方に位置している。そして、反射型ＳＬＭ７はやや前方側へ傾斜しており、レーザ光Ｌｒを誘電体多層膜鏡６へ向けて反射する。このような構成の場合、Ｚ軸方向から見て第１の光路Ｂ１と第２の光路Ｂ２とは互いに交差しない。

光変調装置１Ａにおいては図７（ａ）及び図７（ｂ）に示された構成のいずれを採用しても良いが、図７（ａ）に示された構成がより好ましい。その理由は以下の通りである。

まず、図７（ａ）のように第１の光路Ａ１が誘電体多層膜鏡６の前面側を通過する場合、図７（ｂ）のように背面側を通過する場合と比較して光変調装置１Ａの小型化が可能となる。図７（ａ）の構成においては、第１の光路Ａ１から最も離れた誘電体多層膜鏡６の部分６ａの第１の光路Ａ１からの距離を、図７（ｂ）の構成より短くできるからである。

また、図７（ａ）に示された構成では、図７（ｂ）に示された構成より入射角θを小さくすることができる。図７（ａ）の構成においては、第１の光路Ａ１に最も近い誘電体多層膜鏡６の部分６ｂの反射型ＳＬＭ７からの距離を、図７（ｂ）の構成より長くできるからである。

反射型ＳＬＭ７に対するレーザ光Ｌｒの入射角θが小さいと、反射型ＳＬＭ７における画素間のクロストークが低減される。更に、反射型ＳＬＭ７におけるモアレ（干渉縞）による影響を低減することも可能となる。すなわち、入射角が０度である場合に最適な変調光像が得られるよう設計された位相変調パターンを、入射角が０度より大きい斜入射に適用する場合、この位相変調パターンを１／ｃｏｓθ倍に拡大する必要がある。このとき、図８に示すように拡大率に伴うモアレＭが発生し、変調光像を劣化させる要因となる。モアレＭの間隔は、反射型ＳＬＭ７に対する入射角θが大きくなるほど密になるので、入射角θを小さくすることでモアレＭによる影響を低減できる。

なお、本実施形態では図５に示した構成を備える反射型ＳＬＭ７を使用しているが、光変調装置１Ａは、他の形態の反射型ＳＬＭを備えても良い。図９は、反射型ＳＬＭの他の構成例を示す図である。図９に示す反射型ＳＬＭ７０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を応用した構成を備えている。この反射型ＳＬＭ７０は、シリコン基板７１と、シリコン基板７１上において二次元状に配置された複数のアクチュエータ７２と、複数のアクチュエータ７２それぞれにより支持された複数の反射部７３を備える。一組のアクチュエータ７２および反射部７３によって一つの画素が構成されており、反射部７３の高さに応じてレーザ光Ｌｒの位相が変化する。そして、各アクチュエータ７２への印加電圧を個別に制御することによって各反射部７３の高さが制御され、入射したレーザ光Ｌｒに対し画素毎に位相変調が施される。

なお、このようなＭＥＭＳ型のＳＬＭにおいては、互いに隣接する反射部７３の間に隙間が存在する。この隙間へ入射したレーザ光Ｌｒによって、シリコン基板７１上に形成された回路に悪影響が及ぶおそれがある。このような現象はレーザ光Ｌｒの入射角θが大きいほど顕著になるので、反射型ＳＬＭ７０のようなＭＥＭＳ型のＳＬＭを使用する場合には、レーザ光Ｌｒの入射角θを小さくするために図７（ａ）に示した構成を採用することがより好ましい。

（第２の実施の形態）
図１０は、本発明の第２実施形態に係る光変調装置１Ｂの構成を示す図である。なお、本実施形態において、筐体３、透光性部材５、誘電体多層膜鏡６、反射型ＳＬＭ７、及び集光レンズ９の構成は、上述した第１実施形態の光変調装置１Ａと同様である。

本実施形態の光変調装置１Ｂは、第１実施形態の光変調装置１Ａの構成に加え、照明光源１１、観察部１３、及びハーフミラー１５を更に備えている。照明光源１１は、照明光Ｌｉを出射するための光源である。照明光源１１としては、例えばハロゲンランプが好適に用いられる。

ハーフミラー１５は、照明光源１１と透光性部材５との間に配置される。ハーフミラー１５は、照明光源１１から出射された照明光Ｌｉを透光性部材５へ向けて透過させるとともに、透光性部材５を透過して到達した観察光Ｌｏを観察部１３へ向けて反射させる。観察部１３は、例えば二次元配列された複数の画素を有する固体撮像素子を含んでおり、ハーフミラー１５から到達した観察光Ｌｏを撮像素子により受光して、この観察光Ｌｏに基づく対象物９１の対象部位の画像を取得する。

本実施形態の光変調装置１Ｂは、上述した第１実施形態の光変調装置１Ａと同様の構成を含んでおり、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏが誘電体多層膜鏡６および透光性部材５を透過し、反射型ＳＬＭ７には入射しない。すなわち、光変調装置１Ｂによれば、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏが反射型ＳＬＭ７による変調を回避することができるので、観察光Ｌｏの解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察することができる。また、照明光源１１、観察部１３およびハーフミラー１５を備えることによって、対象部位を好適に観察することができる。

（第３の実施の形態）
図１１は、本発明の第３実施形態に係る光変調装置１Ｃの構成を示す図である。なお、本実施形態においても、筐体３、透光性部材５、誘電体多層膜鏡６、反射型ＳＬＭ７、及び集光レンズ９の構成は、上述した第１実施形態の光変調装置１Ａと同様である。また、照明光源１１、観察部１３およびハーフミラー１５の構成は、上述した第２実施形態の光変調装置１Ｂと同様である。

本実施形態の光変調装置１Ｃは、第２実施形態の光変調装置１Ｂの構成に加え、レーザ光源１７およびダイクロイックミラー１９を更に備えている。レーザ光源１７は、照明光Ｌｉとは波長が異なるレーザ光Ｌａを出射するための光源である。レーザ光Ｌａは、被変調光であるレーザ光Ｌｒのアシスト光として、或いは、照明光Ｌｉとは別の照明光として使用される光である。ダイクロイックミラー１９は、特定波長の光を選択的に反射し、他の波長の光を透過させる。すなわち、ダイクロイックミラー１９は、レーザ光源１７から出射されて到達するレーザ光Ｌａを反射させるとともに、照明光源１１から出射されて到達する照明光Ｌｉ、および対象物９１から到達した観察光Ｌｏを透過させる。このダイクロイックミラー１９によって、互いに波長が異なるレーザ光Ｌａ及び照明光Ｌｉは、透光性部材５へ向けて同一の光路上に出射される。そして、レーザ光Ｌａ及び照明光Ｌｉは、互いに同じ光路を辿って対象物９１に到達する。

本実施形態の光変調装置１Ｃは、上述した第１実施形態の光変調装置１Ａと同様の構成を含んでおり、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏが誘電体多層膜鏡６および透光性部材５を透過し、反射型ＳＬＭ７には入射しない。すなわち、光変調装置１Ｃによれば、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏが反射型ＳＬＭ７による変調を回避することができるので、観察光Ｌｏの解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察することができる。また、レーザ光源１７およびダイクロイックミラー１９を備えることによって、対象部位をより好適に観察または加工することができる。

（第４の実施の形態）
図１２は、本発明の第４実施形態に係るレーザ加工装置２Ａの構成を示す図である。本実施形態のレーザ加工装置２Ａは、外部から入力したレーザ光Ｌｒを変調して出力するとともに、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光Ｌｒを照射することにより加工対象物を加工する装置である。なお、理解を容易にするため、図１２にはＸＹＺ直交座標系が示されている。

図１２を参照すると、本実施形態のレーザ加工装置２Ａは、レーザ光源２０、反射型ＳＬＭ２１、誘電体多層膜鏡２２、観察光学系２３、ＡＦ（Auto Focus）ユニット２４、集光レンズ２５、反射鏡２６、およびダイクロイックミラー２７を備える。

レーザ光源２０は、被変調光であるレーザ光Ｌｒを出射する光源である。レーザ光Ｌｒは、第１の方向（本実施形態ではＸ軸方向）に延びる第１の光路Ａ１に沿って反射型ＳＬＭ２１へ入射する。この第１の光路Ａ１は、第１実施形態と同様に誘電体多層膜鏡２２の前面側を通過する。反射型ＳＬＭ２１は、このレーザ光Ｌｒを斜め前方より受け、該レーザ光Ｌｒを反射させつつ、二次元配列された複数の画素毎にレーザ光Ｌｒを変調する。反射型ＳＬＭ２１は、例えば図５に示した反射型ＳＬＭ７、または図９に示した反射型ＳＬＭ７０と同様の構成を備える。

観察光学系２３は、照明光Ｌｉを出射するとともに、照明光Ｌｉが加工対象物において反射または散乱して生じた観察光Ｌｏによる画像を取得するための構成要素である。観察光学系２３は、例えばハロゲンランプといった照明光源を有しており、この照明光源から照明光Ｌｉが出射される。また、観察光学系２３は、例えば二次元配列された複数の画素を有する固体撮像素子といった撮像手段を有しており、観察光Ｌｏを撮像素子により受光して、この観察光Ｌｏに基づく加工対象物の被加工部位の画像を取得する。

誘電体多層膜鏡２２は、板状の透光性部材の板面上に形成されている。この透光性部材は、照明光Ｌｉが含まれる波長の光を透過させることができる。誘電体多層膜鏡２２は、反射型ＳＬＭ７から前面に入射したレーザ光Ｌｒが第２の方向（本実施形態ではＹ軸方向）に延びる第２の光路Ａ２上に反射するように、その姿勢角が規定されている。また、誘電体多層膜鏡２２は、透光性部材を通過して背面に入射した照明光Ｌｉを、レーザ光Ｌｒと同じ第２の光路Ａ２上へ透過させる。したがって、レーザ光Ｌｒ及び照明光Ｌｉは、誘電体多層膜鏡２２から同一の光路上を進むこととなる。また、観察光Ｌｏは、この第２の光路Ａ２に沿って誘電体多層膜鏡２２を透過する。観察光学系２３は、この誘電体多層膜鏡２２を透過した観察光Ｌｏを撮像する。

なお、第１の方向（Ｘ軸方向）及び第２の方向（Ｙ軸方向）と直交する第３の方向（Ｚ軸方向）から見ると、反射型ＳＬＭ２１に入射するレーザ光Ｌｒの第１の光路Ａ１と、誘電体多層膜鏡２２から出射されるレーザ光Ｌｒの第２の光路Ａ２とは、互いに交差（本実施形態では直交）している。

誘電体多層膜鏡２２から出射されるレーザ光Ｌｒ及び照明光Ｌｉは、２つの反射鏡２６によりその光路が変更された後、ダイクロイックミラー２７を透過して集光レンズ２５に達する。集光レンズ２５は、反射型ＳＬＭ２１から出力され誘電体多層膜鏡２２において反射したレーザ光Ｌｒ、および誘電体多層膜鏡２２を透過した照明光Ｌｉを集光して、レーザ光Ｌｒを加工対象物の被加工部位において結像させる。また、集光レンズ２５は、加工対象物において生じる観察光Ｌｏを入力して、観察光Ｌｏを誘電体多層膜鏡２２へ出力する。なお、集光レンズ２５としては、無限焦点対物レンズが好適に用いられる。

ＡＦユニット２４は、加工対象物の表面にうねりが存在するような場合にも、表面から所定の距離の位置にレーザ光Ｌｒの集光点を精度良く合わせるための構成要素である。ＡＦユニット２４は、ダイクロイックミラー２７で反射されるＡＦ用レーザ光Ｌｂを出射し、集光レンズ２５によって集光されて加工対象物の表面で反射されたＡＦ用レーザ光Ｌｂを検出することで、例えば非点収差法を用いて、加工対象物の表面の変位データを取得する。そして、ＡＦユニット２４は、取得した変位データに基づいて、加工対象物の表面のうねりに沿うように集光レンズ２５をその光軸方向に往復移動させ、集光レンズ２５と加工対象物との距離を微調整する。

本実施形態のレーザ加工装置２Ａにおいては、反射型ＳＬＭ２１によりレーザ光Ｌｒを変調し、その変調後のレーザ光Ｌｒを集光レンズ２５により加工部位に集光することにより、例えば集光点における収差を補正して加工精度を高めることが可能となる。

更に、このレーザ加工装置２Ａは、第１実施形態の光変調装置１Ａと同様に、次の作用及び効果を有する。すなわち、レーザ加工装置２Ａにおいて、レーザ光Ｌｒが第１の光路Ａ１に沿って入射し、反射型ＳＬＭ２１に達する。そして、反射型ＳＬＭ２１によってレーザ光Ｌｒが変調されたのち、該レーザ光Ｌｒは誘電体多層膜鏡２２に達する。一方、照明光Ｌｉは誘電体多層膜鏡２２の背面側から入射して誘電体多層膜鏡２２を透過する。これらレーザ光Ｌｒおよび照明光Ｌｉは共に第２の光路Ａ２上を進み、２つの反射鏡２６及び集光レンズ２５を経て加工対象物の被加工部位に達する。また、この被加工部位における反射または散乱により得られる観察光Ｌｏは、上述した照明光Ｌｉと逆の光路を辿る。このように、本実施形態のレーザ加工装置２Ａによれば、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏが反射型ＳＬＭ２１による変調を回避することができるので、観察光Ｌｏの解像度および光量を保ちつつ被加工部位を観察することができる。

また、本実施形態のレーザ加工装置２Ａにおいては、誘電体多層膜鏡２２と反射型ＳＬＭ２１との位置関係が、図７（ａ）に示した形態と同様となっている。すなわち、Ｘ軸方向に延びるレーザ光Ｌｒの第１の光路Ａ１は、誘電体多層膜鏡２２の前面側を通過して反射型ＳＬＭ２１に達している。誘電体多層膜鏡２２はレーザ光Ｌｒを前方へ（すなわち、Ｙ軸方向に延びる第２の光路Ａ２上へ）反射するので、Ｚ軸方向から見て第１の光路Ａ１と第２の光路Ａ２とは互いに交差することとなる。このような構成により、例えば図７（ｂ）のように背面側を通過する場合と比較して、レーザ加工装置２Ａの小型化が可能となる。また、反射型ＳＬＭ２１に対するレーザ光Ｌｒの入射角を小さくすることができるので、反射型ＳＬＭ２１における画素間のクロストークを低減できると共に、反射型ＳＬＭ２１におけるモアレ（干渉縞）による影響を低減することも可能となる。

また、本実施形態のように、レーザ加工装置２Ａは、観察光Ｌｏを撮像するための撮像手段（すなわち、観察光学系２３に含まれる固体撮像素子）を備えることが好ましい。これにより、被加工部位を好適に観察することができる。また、この撮像手段は、第２の光路Ａ２に沿って誘電体多層膜鏡２２を透過した観察光Ｌｏを撮像することが望ましい。これにより、他の光（レーザ光Ｌｒおよび照明光Ｌｉ）から観察光Ｌｏを分岐するための光学部品を第２の光路Ａ２上に設置する必要がなくなるので、そのような光学部品に起因する収差を低減することができる。

（第５の実施の形態）
図１３は、本発明の第５実施形態に係るレーザ加工装置２Ｂの構成を示す図である。なお、本実施形態において、レーザ光源２０、反射型ＳＬＭ２１、誘電体多層膜鏡２２、集光レンズ２５、及び反射鏡２６の構成は、上述した第４実施形態のレーザ加工装置２Ａと同様である。

本実施形態のレーザ加工装置２Ｂでは、誘電体多層膜鏡２２の背面側に更に別の誘電体多層膜鏡２９が設けられており、観察光学系２３から出射された照明光Ｌｉは、この誘電体多層膜鏡２９において反射した後に誘電体多層膜鏡２２へ入射する。また、誘電体多層膜鏡２２を透過した観察光Ｌｏは、この誘電体多層膜鏡２９において反射した後に観察光学系２３へ入射する。

また、誘電体多層膜鏡２９の背面側には、反射鏡２６を介してＡＦユニット２４が光結合されている。ＡＦユニット２４の構成および機能は、第４実施形態のものと同様である。なお、集光レンズ２５と反射鏡２６との間、および２つの反射鏡２６の間には、レンズ２８が設けられる。

本実施形態のレーザ加工装置２Ｂは、上述した第４実施形態のレーザ加工装置２Ａと同様の構成を含んでおり、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏが誘電体多層膜鏡２２を透過し、反射型ＳＬＭ２１には入射しない。すなわち、レーザ加工装置２Ｂによれば、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏが反射型ＳＬＭ２１による変調を回避することができるので、観察光Ｌｏの解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察することができる。また、ＡＦユニット２４を誘電体多層膜鏡２９の背面側に配置することによって、照明光Ｌｉ及び観察光Ｌｏの光路上における光学部品（図１２におけるダイクロイックミラー２７）を更に少なくし、そのような光学部品に起因する収差をより低減することができる。

（比較例）
図１４は、上記した第４実施形態および第５実施形態に対する比較例として、レーザ加工装置２Ｃの構成を示す図である。なお、本比較例において、レーザ光源２０、反射型ＳＬＭ２１、誘電体多層膜鏡２２、ＡＦユニット２４、集光レンズ２５、及び反射鏡２６の構成は、上述した第４実施形態のレーザ加工装置２Ａと同様である。

レーザ加工装置２Ｃでは、図１２に示したレーザ加工装置２Ａとは異なり、誘電体多層膜鏡２２の背面側に観察光学系２３が設けられていない。観察光学系２３は、集光レンズ２５と反射鏡２６との間に設けられた誘電体多層膜鏡３８を介して集光レンズ２５と光結合されている。このような形態では、変調後のレーザ光Ｌｒが複数の誘電体多層膜鏡（２７，３８）を透過する必要があり、これらに起因する収差が拡大してしまう。これに対し、上述した第４実施形態（図１２）および第５実施形態（図１３）によれば、変調後のレーザ光Ｌｒが通過しなければならない光学部品の数が削減されているので、収差を効果的に低減することができる。

なお、本実施形態に係るレーザ加工装置２Ｃにおいては、上述した第４実施形態および第５実施形態と同様に、誘電体多層膜鏡２２と反射型ＳＬＭ２１との位置関係が、図７（ａ）に示した形態と同様となっている。すなわち、Ｘ軸方向に延びるレーザ光Ｌｒの第１の光路Ａ１は、誘電体多層膜鏡２２の前面側を通過して反射型ＳＬＭ２１に達している。誘電体多層膜鏡２２はレーザ光Ｌｒを前方へ（すなわち、Ｙ軸方向に延びる第２の光路Ａ２上へ）反射するので、Ｚ軸方向から見て第１の光路Ａ１と第２の光路Ａ２とは互いに交差することとなる。このような構成により、例えば図７（ｂ）のように背面側を通過する場合と比較して、レーザ加工装置２Ｃの小型化が可能となる。また、反射型ＳＬＭ２１に対するレーザ光Ｌｒの入射角を小さくすることができるので、反射型ＳＬＭ２１における画素間のクロストークを低減できると共に、反射型ＳＬＭ２１におけるモアレ（干渉縞）による影響を低減することも可能となる。

本発明による光変調装置およびレーザ加工装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、本発明による光変調装置は、レーザ加工用途以外にも様々な用途に使用されることができる。

第１実施形態に係る光変調装置１Ａの構成を示す図であり、光変調装置１Ａの平面断面図を示している。 光変調装置１Ａの底面図を示している。 図１のIII−III線に沿った光変調装置１Ａの側断面図を示している。 III−III線の矢視方向とは反対の方向から見た光変調装置１Ａの側面図を示している。 反射型ＳＬＭ７の一例として、ＬＣＯＳ型の構造を示す分解斜視図である。 光変調装置１Ａの組立図である。 （ａ）第１実施形態における誘電体多層膜鏡６と反射型ＳＬＭ７との位置関係を示している。（ｂ）一変形例に係る誘電体多層膜鏡６と反射型ＳＬＭ７との位置関係を示している。 反射型ＳＬＭ７におけるモアレ（干渉縞）Ｍの例を示す図である。 反射型ＳＬＭの他の構成例を示す図である。 第２実施形態に係る光変調装置１Ｂの構成を示す図である。 第３実施形態に係る光変調装置１Ｃの構成を示す図である。 第４実施形態に係るレーザ加工装置２Ａの構成を示す図である。 第５実施形態に係るレーザ加工装置２Ｂの構成を示す図である。 第４実施形態および第５実施形態に対する比較例として、レーザ加工装置２Ｃの構成を示す図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｃ…光変調装置、２Ａ〜２Ｃ…レーザ加工装置、３…筐体、３ａ〜３ｄ…側壁、５…透光性部材、６，２２，２９，３８…誘電体多層膜鏡、７，２１，７０…反射型ＳＬＭ、９，２５…集光レンズ、１１…照明光源、１３…観察部、１５…ハーフミラー、１７…レーザ光源、１９，２７…ダイクロイックミラー、２０…レーザ光源、２３…観察光学系、２４…ＡＦユニット、２６…反射鏡、３０〜３２…開口、３３…あおり機構、３４…回路基板、３５…筒状部材、３７…本体部、９１…対象物、Ａ１，Ｂ１…第１の光路、Ａ２，Ｂ２…第２の光路、Ｌａ，Ｌｒ…レーザ光、Ｌｉ…照明光、Ｌｏ…観察光。

Claims (6)

1. レーザ光を変調して出力するとともに、前記レーザ光とは波長が異なる照明光を変調後の前記レーザ光と同一の光路上に出力する光変調装置であって、
   第１の方向に延びる第１の光路に沿って入射した前記レーザ光を斜め前方より受け、該レーザ光を反射させつつ、二次元配列された複数の画素毎に前記レーザ光を変調する反射型の空間光変調器と、
   前記照明光を透過させる透光性部材上に形成され、前記空間光変調器から前面に入射した前記レーザ光を、前記第１の方向と交差する第２の方向に延びる第２の光路上へ反射させるとともに、背面に入射した前記照明光を前記第２の光路上へ透過させる誘電体多層膜鏡と、
   前記誘電体多層膜鏡から前記照明光及び前記レーザ光を受け、前記照明光及び前記レーザ光を集光する集光レンズと
   を備えることを特徴とする、光変調装置。
2. 前記第１の光路が前記誘電体多層膜鏡の背面側を通過することを特徴とする、請求項１に記載の光変調装置。
3. 前記第１の光路が前記誘電体多層膜鏡の前面側を通過し、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向から見て前記第１の光路と前記第２の光路とが互いに交差することを特徴とする、請求項１に記載の光変調装置。
4. 加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
   レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光とは波長が異なる照明光を出射する照明光源と、
   第１の方向に延びる第１の光路に沿って入射した前記レーザ光を斜め前方より受け、該レーザ光を反射させつつ、二次元配列された複数の画素毎に前記レーザ光を変調する反射型の空間光変調器と、
   前記照明光を透過させる透光性部材上に形成され、前記空間光変調器から前面に入射した前記レーザ光を、前記第１の方向と交差する第２の方向に延びる第２の光路上へ反射させるとともに、背面に入射した前記照明光を前記第２の光路上へ透過させる誘電体多層膜鏡と、
   前記誘電体多層膜鏡から前記照明光及び前記レーザ光を受け、前記照明光及び前記レーザ光を前記加工対象物の内部に集光させる集光レンズと
   を備えることを特徴とする、レーザ加工装置。
5. 前記照明光が前記加工対象物において反射または散乱することにより生じた観察光を撮像するための撮像手段を更に備えることを特徴とする、請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記第２の光路に沿って前記誘電体多層膜鏡を透過した前記観察光を前記撮像手段が撮像することを特徴とする、請求項５に記載のレーザ加工装置。