JP3990534B2

JP3990534B2 - Laser processing equipment

Info

Publication number: JP3990534B2
Application number: JP2000319594A
Authority: JP
Inventors: 昇央福智; 泰則伊ケ崎; 勉原; 輝夫晝馬
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2020-10-19
Also published as: JP2001272635A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調器を用いたレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のレーザ加工装置として、例えば特開平５−７７０６７号公報（以下「文献１」という）や、特開昭６２−４４７１８号公報（以下「文献２」という）に開示されているものがある。しかし、これらのレーザ加工装置は、液晶空間光変調器に表示された濃淡のパターンを単に開口マスクとして用いているため、レーザ光源から投射された光の大部分がマスクに遮られて加工に用いることができず、光の利用効率が低くなるという問題があった。
【０００３】
これに対し、特開平６−２０８０８８号公報（以下「文献３」という）には、空間光変調器に読み出し光を入射し、位相変調された変調光をフーリエ変換して光学像を結像再生する光刻印装置が開示されている。この光刻印装置ではフーリエ変換を利用しているため、原理的には読み出し光を１００％加工に利用することが可能である。しかし、空間光変調器が透過型の構造を有しているため、実際には画素電極や配線などにより光が遮られて光の利用効率が低下してしまう。
【０００４】
このように、透過型の空間光変調器では不可避的に光の利用効率が低下してしまう欠点があるため、これを避けるべく反射型の空間光変調器を用いることが考えられるが、上記した文献１や文献２に開示の技術のように反射型の空間光変調器を単なるパターンマスクとして利用したのでは、やはり空間光変調器に入射させた読み出し光を１００％加工に利用することはできない。
【０００５】
そこで、特開平１０−１８６２８３号公報（以下「文献４」という）には、反射型の空間光変調器に入射させた読み出し光をフーリエ変換し、光の利用効率の向上を図る技術が開示されている。すなわち、文献４に開示の技術では、反射型の空間光変調器から読み出したパターンのフーリエ変換像の０次光成分を位相シフトし、他の光成分と干渉させた後に逆フーリエ変換を行って再生像を作り出すことで、パターンのコントラスト比の向上を図っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した文献４に開示の技術は、０次光成分と他の光成分とを干渉させて再生像を作り出す構造であるため、パターンのｄｕｔｙ比（画面全体の中でパターン部分が占める割合）が２５〜７５％の範囲でしか有効に機能しない。すなわち、文献４に開示の技術において、光源から強度１の光が投射されている場合、出力光の強度Ｉは、
Ｉ（ｘ，ｙ）＝２［１−ｃｏｓ（φ（ｘ，ｙ））］
と表される。つまり、出力光の強度Ｉは０〜４の範囲のものとなり、最大でも４でしかない。この強度Ｉの式は不変のものであるため、出力光の強度をこれ以上向上させることは理論的に困難である。従って、ｄｕｔｙ比が２５％以下となったとしても出力光の強度はこれ以上向上せず、コントラストが悪いばかりか光の利用効率が低下してしまう。
【０００７】
このように、文献４に開示の技術は、例えば出力面に１点だけを照射するといったようなｄｕｔｙ比が小さいパターンの加工には不向きであり、加工パターンの自由度が狭められるという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、読み出し光の利用効率の向上を図ることができると共に、加工パターンの自由度の高いレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ加工装置は、反射型空間光変調器と、反射型空間光変調器にホログラムパターンを書き込むためのホログラムパターン書き込み手段と、反射型空間光変調器の入射面にＰ偏光の読み出し光を傾いて入射するための投光手段と、反射型空間光変調器において位相変調され入射面に対し傾いて反射された読み出し光をフーリエ変換するためのフーリエレンズと、を備え、反射型空間光変調器は、読み出し光の入射光軸、反射光軸、及びミラーの法線のいずれをも含む法面内でその配向方向が変化する液晶を光変調材料として有し、フーリエレンズによりターゲットに結像することを特徴とする。
【００１０】
このレーザ加工装置では、反射型空間光変調器に入射した読み出し光は、ホログラムパターンにより位相変調され、ターゲットに向けて反射される。そして、この位相変調された読み出し光をフーリエレンズでフーリエ変換する。すると、所望の光学画像が結像され、この光学画像が照射されるターゲットの所定面に加工が施される。このように、このレーザ加工装置では、ホログラムパターンにより位相変調された読み出し光をフーリエ変換して所望の光学画像を形成しているため、読み出し光の利用効率の向上を図ることができると共に、ｄｕｔｙ比の制限もないため加工パターンの自由度も高い。
【００１１】
また、本発明のレーザ加工装置では、ホログラムパターン書き込み手段は、ターゲットに照射する所望の光学画像に対応するホログラムパターンのデータを記憶する記憶手段を備える、ことを特徴としてもよい。このようにすれば、ホログラムパターン書き込み手段は、記憶手段に記憶されているホログラムパターンのデータを読み出すだけで、反射型空間光変調器にホログラムパターンを書き込むことが可能となる。すなわち、所望の光学画像からホログラムパターンを作成するという手間が省けるため、反射型空間光変調器にホログラムパターンをビデオレートで書き換えることが可能となる。
【００１２】
また、本発明のレーザ加工装置は、ターゲットの３次元情報を取得するための物体形状認識手段を更に備え、ホログラムパターン書き込み手段は、該物体形状認識手段により取得した該ターゲットの３次元情報に基づいて該ターゲットの形状に合致したホログラムパターンを生成可能な構造を有する、ことを特徴としてもよい。このようにすれば、ホログラムパターン書き込み手段は、物体形状認識手段により取得したターゲットの３次元情報に基づいて、ターゲットの形状に合致するように３次元的にパターンを形成させるホログラムパターンを生成可能であるため、ターゲットに対して歪んだパターンが照射されるおそれが少なくなり、より正確な加工を行うことが可能となる。
【００１３】
また、本発明のレーザ加工装置は、ターゲットの位置情報を取得するための物体位置認識手段を更に備え、ホログラムパターン書き込み手段は、該物体位置認識手段により取得した該ターゲットの位置情報に基づいて該ターゲットの位置に合致したホログラムパターンを生成可能な構造を有する、ことを特徴としてもよい。このようにすれば、加工対象であるターゲットの位置が所望位置からずれた場合であっても、ホログラムパターン書き込み手段は、物体位置認識手段により取得したターゲットの位置情報に基づいてターゲットの位置に合致したホログラムパターンを生成可能であるため、ターゲットの位置の変動に依存することなく正確な加工を行うことが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかるレーザ加工装置１０の構成を模式的に示す平面図である。
【００１６】
図示のとおり、レーザ加工装置１０は反射型の空間光変調器（ＳＬＭ）２０と、ホログラムパターン書き込み手段４０と、投光手段５０と、フーリエレンズ６０とを備えている。
【００１７】
ＳＬＭ２０は、平行配向ネマチック液晶を光変調材料として用いた位相変調型の空間光変調器である。図２に示すように、ＳＬＭ２０は書き込み光の入射面に書き込み光の不要な反射を防止するＡＲコート２１を施したガラス基板２２を備えている。そして、このガラス基板２２の入射面と反対側の面には、ＩＴＯ２３を介して入射光の強度に応じて抵抗が変化するアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなる光導電層２４と、誘電体多層膜製のミラー層２５とが積層されている。またＳＬＭ２０は、読み出し光の入射面に同じくＡＲコート２６を施したガラス基板２７を更に備えている。そして、このガラス基板２７の入射面と反対側の面にはＩＴＯ２８が積層されており、前記したミラー層２５とＩＴＯ２８の上に配向層２９，３０がそれぞれ設けられている。そして、これらの配向層２９，３０同士を対向させて枠状のスペーサ３１を介して接続し、スペーサ３１の枠内にネマチック液晶を充填して液晶層を設けて光変調層３２を形成している。この配向層２９，３０により、光変調層３２内のネマチック液晶は配向層２９，３０の表面に対して平行あるいは垂直に配向されている。そして両ＩＴＯ２３，２８間には、所定の電圧を印加するための駆動装置３３が接続されている。
【００１８】
図１に示すように、上記した構成を有するＳＬＭ２０の書き込み光が入射する側に、ホログラムパターン書き込み手段４０が配置されている。
【００１９】
ホログラムパターン書き込み手段４０は、書き込み光を出射するための光源４１と、書き込み光の画像を表示するための透過型液晶テレビ４２と、透過型液晶テレビ４２への画像表示を制御するための書き込み用電気信号発生器４３と、書き込み光に含まれる画像信号をＳＬＭ２０の光導電層２４に結像させるための結像レンズ４４とを備えている。
【００２０】
一方、ＳＬＭ２０の読み出し光の入射する側には、この入射面の法面内で法線と角度θだけ傾けられた光軸上に投光手段５０が配置されている。なお、法面とは直線偏光の光がミラーに入射して反射される際に入射光軸、反射光軸、ミラーの法線のいずれをも含む面を指す。
【００２１】
投光手段５０は、読み出し光を出射するためのレーザ光源５１と、レーザ光源５１から出射された読み出し光を拡大するためのレンズ５２と、拡大された読み出し光を平行光に調整するためのコリメートレンズ５３とを備えている。
【００２２】
また、読み出し光の反射光路上には、ホログラムパターンにより位相変調された読み出し光をフーリエ変換するためのフーリエレンズ６０が配置されている。
【００２３】
このようにして本実施形態に係るレーザ加工装置１０が構成されている。
【００２４】
ここで、本実施形態に係るレーザ加工装置１０では、ホログラムパターン書き込み手段４０、特に書き込み用電気信号発生器４３の構造に特徴がある。
【００２５】
すなわち、本実施形態にかかるレーザ加工装置１０では、ＳＬＭ２０には試料Ｔに照射すべき所望の光学画像がそのまま書き込まれるのではなく、フーリエレンズ６０でフーリエ変換した場合に所望の光学画像が再生されるようなホログラムパターンが書き込まれる。
【００２６】
以下、書き込み用電気信号発生器４３におけるホログラムパターンの作成方法を、図３のフローチャートに基づいて説明する。
【００２７】
液晶テレビ４２に表示するホログラムパターンの作成法として繰り返し学習法を画像にて行う方法があり、特に本実施形態では繰り返し学習法の中のSimulated Annealingという手法を用いてホログラムパターンを作成している。
【００２８】
ここでは、ｎ×ｎ画素の液晶テレビ４２にホログラムパターンを表示する場合を考える。
【００２９】
まず、ｎ×ｎ個の各画素の濃度値をランダム関数等によりランダムに決定し、これを初期画面とする（ステップＳ１）。
【００３０】
次に、所定画素の濃度値を変化させ（ステップＳ２）、そのホログラムパターンをフーリエ変換して得られた画像が、所望の光学画像に近付いたかどうか判断する（ステップＳ３）。
【００３１】
そして、フーリエ変換して得られた画像が所望の光学画像に近付いた場合は、当該所定画素についてその濃度値を採用し、遠ざかった場合はその濃度値を採用せず元の濃度値を採用する。
【００３２】
次に、ｎ×ｎ個の全ての画素について濃度値を決定する作業が行われたかどうか判断し（ステップＳ４）、全ての画素について終了していない場合はステップＳ２に戻って次の画素について濃度値を決定する作業を行う。一方、全ての画素について終了している場合は、ｎ×ｎ個の画素のうち変更した濃度値を採用した画素があるかどうか判断し（ステップＳ５）、採用した画素がある場合はステップＳ２に戻る。一方、採用した画素がない場合は濃度値決定の作業を終了し、得られたパターンを最適のホログラムパターンとして液晶テレビ４２に表示する。
【００３３】
このようにして書き込み用電気信号発生器４３は、所望の光学画像に対応するホログラムパターンを求めて液晶テレビ４２に表示する。あるいは、書き込み用電気信号発生器４３は、予め作成されメモリなどの記憶手段に記憶されている所望の光学画像に対するホログラムパターンのデータを呼び出して液晶テレビ４２に表示してもよい。このようにすれば、書き込み用電気信号発生器４３は、記憶手段に記憶されているホログラムパターンのデータを読み出すだけで、液晶テレビ４２にホログラムパターンを表示することが可能となる。すなわち、所望の光学画像からホログラムパターンを作成するという手間が省けるため、反射型空間光変調器２０にホログラムパターンをビデオレートで書き換えることが可能となる。
【００３４】
次に、上記したレーザ加工装置１０の動作について説明する。
【００３５】
まず、試料Ｔに対して実際に照射し加工したい光学画像を書き込み用電気信号発生器４３に入力すると、書き込み用電気信号発生器４３において当該所望の光学画像に対応するホログラムパターンが求められ、そのホログラムパターンが液晶テレビ４２に表示される。
【００３６】
次に、書き込み光側の光源４１から液晶テレビ４２に向けて書き込み光を出射すると、書き込み光には液晶テレビ４２を通過する際にホログラムパターンの画像情報が書き込まれる。この画像情報を有する書き込み光は、結像レンズ４４によりＳＬＭ２０の光導電層２４に結像される。ここで、ＳＬＭ２０の両ＩＴＯ２３，２８間には、駆動装置３３により数ボルトの交流電圧が印加されているが、光導電層２４に書き込まれた画像によって光導電層２４は画素位置によって電気的インピーダンスが変化する。その結果、光変調層３２は画素位置によって印加される電圧の分圧が異なってくる。
【００３７】
一方、レーザ光源５１から直線偏光の読み出し光を出射する。すると、読み出し光はレンズ５２、コリメートレンズ５３により平行光に調整される。そのとき、ＳＬＭ２０の光変調層３２へはＰ偏光として入射させる。前述したとおり、光変調層３２は画素位置によって印加される電圧の分圧が異なるので、この電圧に応じて液晶分子の傾きが変化する。このとき、液晶分子は法面内でその配向方向が変化する。その結果、画素位置によって光変調層３２の屈折率が変化する。光変調層３２に入射した読み出し光はこの屈折率変化により位相変調され、ミラー層２５により反射されて入射面から再び出力される。
【００３８】
そして、この位相変調された読み出し光をフーリエレンズ６０でフーリエ変換して結像することにより、試料Ｔに所望の光学画像が照射される。その結果、レーザ光が照射された試料表面の部分は熱により蒸発あるいは変質して所望のパターンに加工される。
【００３９】
以上詳述したように、本実施形態にかかるレーザ加工装置１０は、ホログラムパターン書き込み手段４０によってＳＬＭ２０にホログラムパターンを書き込み、このホログラムパターンにより位相変調された読み出し光をフーリエレンズ６０によってフーリエ変換して得られた所望の光学画像をターゲットに照射して加工を施すことができる。このように、フーリエ変換を利用することで読み出し光の利用効率の向上を図ることができ、しかもＳＬＭ２０は反射型の構造を有するため、透過型のように画素電極や配線により読み出し光が遮られることがなく、読み出し光の利用効率が低下するおそれがない。その結果、レーザ光源５１から出射される読み出し光の強度を低くすることができ、レーザ光源５１ひいてはレーザ加工装置１０の小型化を図ることができる。
【００４０】
また、このレーザ加工装置１０では、従来技術に挙げた特開平１０−１８６２８３号公報に開示の技術のようにフーリエ面で０次光成分を他の光成分と干渉させてコントラストの向上を図るものではないため、ｄｕｔｙ比の制限がなく加工パターンの自由度が狭められるというおそれもない。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明に係るレーザ加工装置の第２の実施形態について図４を参照して説明する。
【００４２】
上記した第１の実施形態では、所望位置に設置されている試料Ｔの表面に所望のパターンを形成する場合について説明してきたが、試料Ｔの設置位置は常に固定されているとは限らない。もし、試料Ｔの設置位置が所望位置からずれている場合に、所望位置に設置されていることを前提としたパターンを試料Ｔに照射した場合、パターンは試料Ｔの加工面において拡大・縮小・変形等してしまい、加工の精度の低下をきたしてしまうおそれがある。
【００４３】
本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、かかる問題点に鑑み、図４に示すように試料Ｔの位置情報を取得するための物体位置認識手段を更に備えている。この物体位置認識手段は、内部に半導体レーザ等の発光素子７２とフォトダイオード等の受光素子７４とを有するレーザ測距装置７０を備えている。このレーザ測距装置７０は、発光素子７２からターゲットＴに向けてレーザ光を出射し、反射光を受光素子７４にて受光してターゲットの位置（距離）を測定する。このレーザ測距装置７０は、書き込み用電気信号発生器４３に接続されている。
【００４４】
このレーザ加工装置１０では、レーザ測距装置７０により測定されたターゲットＴの位置情報は、書き込み用電気信号発生器４３に送られる。そして、試料Ｔに対して実際に照射し加工したい光学画像を書き込み用電気信号発生器４３に入力すると、書き込み用電気信号発生器４３では、試料Ｔの位置に基づいて当該所望の光学画像に対応するホログラムパターンが求められ、そのホログラムパターンが液晶テレビ４２に表示される。
【００４５】
次に、書き込み光側の光源４１から液晶テレビ４２に向けて書き込み光を出射すると、書き込み光には液晶テレビ４２を通過する際にホログラムパターンの画像情報が書き込まれる。この画像情報を有する書き込み光は、結像レンズ４４によりＳＬＭ２０の光導電層２４に結像される。
【００４６】
一方、レーザ光源５１から直線偏光の読み出し光を出射する。すると、読み出し光はレンズ５２、コリメートレンズ５３により平行光に調整される。そのとき、ＳＬＭ２０の光変調層３２へはＰ偏光として入射させる。光変調層３２に入射した読み出し光はホログラムパターンにより位相変調され、ミラー層２５により反射されて入射面から再び出力される。
【００４７】
そして、この位相変調された読み出し光をフーリエレンズ６０でフーリエ変換して結像することにより、試料Ｔに対して試料Ｔの位置に合致した所望の光学画像が照射される。その結果、レーザ光が照射された試料表面の部分は熱により蒸発あるいは変質して所望のパターンに加工される。
【００４８】
このように本実施形態に係るレーザ加工装置１０では、試料Ｔの位置情報を取得するための物体位置認識手段を備えているため、試料Ｔの位置に合致したパターンを生成することが可能となり、試料Ｔの位置の変動に依存することなく正確な加工を行うことが可能となる。
【００４９】
（第３実施形態）
次に、本発明に係るレーザ加工装置の第３の実施形態について図５を参照して説明する。
【００５０】
上記した第１及び第２の実施形態では、平面をなす試料Ｔの加工面に所望のパターンを形成する場合について説明してきたが、試料Ｔの加工面は常に平面であるとは限らない。もし、３次元形状をなす試料Ｔの加工面に平面を前提としたパターンを照射した場合、パターンは試料Ｔの加工面の凹凸に合わせて歪んでしまい、加工の精度の低下をきたしてしまうおそれがある。
【００５１】
本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、かかる問題点に鑑み、図５に示すように試料Ｔの３次元情報を取得するための物体形状認識手段を更に備えている。この物体形状認識手段は、それぞれ試料Ｔの像を撮像可能な２つの撮像装置８０，８２を備えている。これら撮像装置８０，８２は、フーリエレンズ６０から試料Ｔに至る光軸に対してほぼ対称な位置関係で配置されており、それぞれ書き込み用電気信号発生器４３に接続されている。
【００５２】
このレーザ加工装置１０では、撮像装置８０，８２により撮像された試料Ｔのステレオ画像は、それぞれ書き込み用電気信号発生器４３に送られる。そして、一対の撮像装置８０，８２で撮像した画像間で、画素間の対応を求め、対応点の画素ずれ量、つまり視差を算出し、三角測量を用いてターゲットまでの距離を算出する。このようにして、試料Ｔの凹凸等の３次元情報が算出され、試料Ｔの３次元形状の認識が行われる。なお、本実施形態に係るレーザ加工装置１０では、物体形状認識手段としての撮像装置８０，８２は、ターゲットＴの位置情報の取得も可能であるため、撮像装置８０，８２は物体位置認識手段としても機能している。
【００５３】
そして、試料Ｔに対して実際に照射し加工したい光学画像を書き込み用電気信号発生器４３に入力すると、試料Ｔの３次元形状に基づいて当該所望の光学画像に対応するホログラムパターンが求められ、そのホログラムパターンが液晶テレビ４２に表示される。
【００５４】
次に、書き込み光側の光源４１から液晶テレビ４２に向けて書き込み光を出射すると、書き込み光には液晶テレビ４２を通過する際にホログラムパターンの画像情報が書き込まれる。この画像情報を有する書き込み光は、結像レンズ４４によりＳＬＭ２０の光導電層２４に結像される。
【００５５】
一方、レーザ光源５１から直線偏光の読み出し光を出射する。すると、読み出し光はレンズ５２、コリメートレンズ５３により平行光に調整される。そのとき、ＳＬＭ２０の光変調層３２へはＰ偏光として入射させる。光変調層３２に入射した読み出し光はホログラムパターンにより位相変調され、ミラー層２５により反射されて入射面から再び出力される。
【００５６】
そして、この位相変調された読み出し光をフーリエレンズ６０でフーリエ変換して結像することにより、試料Ｔの立体表面に試料Ｔの形状に合致した所望の光学画像が照射される。その結果、レーザ光が照射された試料表面の部分は熱により蒸発あるいは変質して所望のパターンに加工される。
【００５７】
このように本実施形態に係るレーザ加工装置１０では、試料Ｔの３次元情報を取得するための物体形状認識手段を備えているため、試料Ｔの形状に合致したパターンを生成することが可能となり、照射したパターンの試料Ｔの表面における歪みを抑制して加工精度の低下を抑制することが可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明のレーザ加工装置によれば、読み出し光の利用効率の向上を図ることができるため、投光手段ひいてはレーザ加工装置自体の小型化を図ることが可能となる。また本発明のレーザ加工装置では、加工パターンの自由度が高いため、ターゲットを種々のパターンに加工することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるレーザ加工装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図２】空間光変調器の構成を示す断面図である。
【図３】ホログラムパターンの作成方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態にかかるレーザ加工装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図５】本発明の第３実施形態にかかるレーザ加工装置の構成を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
１０…レーザ加工装置、２０…反射型空間光変調器、４０…ホログラムパターン書き込み手段、５０…投光手段、６０…フーリエレンズ、７０…レーザ測距装置、８０，８２…撮像装置、Ｔ…試料。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing apparatus using a spatial light modulator.
[0002]
[Prior art]
Examples of this type of laser processing apparatus are disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-77067 (hereinafter referred to as “Document 1”) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-44718 (hereinafter referred to as “Document 2”). . However, since these laser processing apparatuses simply use the shading pattern displayed on the liquid crystal spatial light modulator as an aperture mask, most of the light projected from the laser light source is blocked by the mask and used for processing. There is a problem that the use efficiency of light becomes low.
[0003]
On the other hand, in Japanese Patent Laid-Open No. 6-208088 (hereinafter referred to as “Document 3”), readout light is incident on a spatial light modulator, and phase-modulated modulated light is Fourier transformed to form an optical image. An optical marking device is disclosed. Since this optical marking device uses Fourier transform, in principle, the readout light can be used for 100% processing. However, since the spatial light modulator has a transmissive structure, light is actually blocked by pixel electrodes, wiring, etc., and the light use efficiency is reduced.
[0004]
As described above, the transmissive spatial light modulator inevitably has a drawback that the light use efficiency is inevitably lowered. Therefore, it is conceivable to use a reflective spatial light modulator to avoid this. If the reflective spatial light modulator is used as a simple pattern mask as in the techniques disclosed in Documents 1 and 2, the readout light incident on the spatial light modulator cannot be used for 100% processing. .
[0005]
In view of this, Japanese Patent Laid-Open No. 10-186283 (hereinafter referred to as “Document 4”) discloses a technique for improving the light utilization efficiency by Fourier-transforming the readout light incident on the reflective spatial light modulator. ing. That is, in the technique disclosed in Document 4, the zero-order light component of the Fourier transform image of the pattern read from the reflective spatial light modulator is phase-shifted and interfered with other light components, and then inverse Fourier transform is performed. By creating a reconstructed image, the contrast ratio of the pattern is improved.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the technique disclosed in Document 4 described above has a structure in which a 0th-order light component and other light components interfere with each other to create a reproduced image, the pattern duty ratio (the ratio of the pattern portion in the entire screen) ) Works effectively only in the range of 25-75%. That is, in the technique disclosed in Document 4, when light of intensity 1 is projected from the light source, the intensity I of the output light is
I (x, y) = 2 [1-cos (φ (x, y))]
It is expressed. That is, the intensity I of the output light is in the range of 0 to 4, and is only 4 at the maximum. Since the expression of intensity I is invariant, it is theoretically difficult to further increase the intensity of the output light. Therefore, even if the duty ratio is 25% or less, the intensity of the output light is not further improved, and not only the contrast is bad, but also the light use efficiency is lowered.
[0007]
As described above, the technique disclosed in Document 4 is not suitable for processing a pattern with a small duty ratio such as irradiating only one point on the output surface, and has a problem that the degree of freedom of the processing pattern is narrowed. It was.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus that can improve the utilization efficiency of reading light and has a high degree of freedom in processing patterns.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The laser processing apparatus of the present invention includes a reflective spatial light modulator, hologram pattern writing means for writing a hologram pattern in the reflective spatial light modulator, and P-polarized readout light on the incident surface of the reflective spatial light modulator. comprising a light projecting means for entering inclined to, and a Fourier lens for Fourier transforming the read light reflected inclined with respect to the phase-modulated incident surface in the reflective spatial light modulator, the reflection type spatial light The modulator has, as a light modulation material, a liquid crystal whose orientation direction changes in a normal plane including any of the incident optical axis, the reflected optical axis of the readout light, and the normal line of the mirror, and is connected to the target by a Fourier lens. It is characterized by imaging.
[0010]
In this laser processing apparatus, the readout light incident on the reflective spatial light modulator is phase-modulated by the hologram pattern and reflected toward the target. Then, the phase-modulated readout light is Fourier transformed by a Fourier lens. Then, a desired optical image is formed, and processing is performed on a predetermined surface of the target irradiated with the optical image. As described above, in this laser processing apparatus, since the desired optical image is formed by Fourier transforming the readout light phase-modulated by the hologram pattern, it is possible to improve the utilization efficiency of the readout light and to reduce the duty. Since there is no restriction on the ratio, the degree of freedom of processing patterns is high.
[0011]
In the laser processing apparatus of the present invention, the hologram pattern writing means may include storage means for storing hologram pattern data corresponding to a desired optical image to be irradiated onto the target. In this way, the hologram pattern writing unit can write the hologram pattern into the reflective spatial light modulator only by reading the hologram pattern data stored in the storage unit. That is, since it is possible to save the trouble of creating a hologram pattern from a desired optical image, it is possible to rewrite the hologram pattern at a video rate in the reflective spatial light modulator.
[0012]
The laser processing apparatus of the present invention further includes object shape recognition means for acquiring three-dimensional information of the target, and the hologram pattern writing means is based on the three-dimensional information of the target acquired by the object shape recognition means. And having a structure capable of generating a hologram pattern that matches the shape of the target. In this way, the hologram pattern writing means can generate a hologram pattern that forms a pattern three-dimensionally to match the shape of the target based on the three-dimensional information of the target acquired by the object shape recognition means. Therefore, there is less possibility that a distorted pattern is irradiated to the target, and more accurate processing can be performed.
[0013]
The laser processing apparatus of the present invention further includes an object position recognizing unit for acquiring position information of the target, and the hologram pattern writing unit is based on the position information of the target acquired by the object position recognizing unit. It may have a structure capable of generating a hologram pattern that matches the position of the target. In this way, even when the position of the target to be processed is deviated from the desired position, the hologram pattern writing means matches the target position based on the target position information acquired by the object position recognition means. Therefore, accurate processing can be performed without depending on the variation of the target position.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0015]
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of the laser processing apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
[0016]
As illustrated, the laser processing apparatus 10 includes a reflective spatial light modulator (SLM) 20, a hologram pattern writing unit 40, a light projecting unit 50, and a Fourier lens 60.
[0017]
The SLM 20 is a phase modulation type spatial light modulator using a parallel alignment nematic liquid crystal as a light modulation material. As shown in FIG. 2, the SLM 20 includes a glass substrate 22 having an AR coating 21 for preventing unnecessary reflection of writing light on the writing light incident surface. On the surface opposite to the incident surface of the glass substrate 22, a photoconductive layer 24 made of amorphous silicon (a-Si) whose resistance changes according to the intensity of incident light through the ITO 23, and a dielectric multilayer A mirror layer 25 made of a film is laminated. The SLM 20 further includes a glass substrate 27 having an AR coating 26 on the reading light incident surface. An ITO 28 is laminated on the surface of the glass substrate 27 opposite to the incident surface, and alignment layers 29 and 30 are provided on the mirror layer 25 and the ITO 28, respectively. Then, these alignment layers 29 and 30 are opposed to each other and connected via a frame-shaped spacer 31, a nematic liquid crystal is filled in the frame of the spacer 31, a liquid crystal layer is provided, and a light modulation layer 32 is formed. Yes. Due to the alignment layers 29 and 30, the nematic liquid crystal in the light modulation layer 32 is aligned parallel or perpendicular to the surfaces of the alignment layers 29 and 30. A driving device 33 for applying a predetermined voltage is connected between the ITOs 23 and 28.
[0018]
As shown in FIG. 1, hologram pattern writing means 40 is arranged on the side on which the writing light of the SLM 20 having the above-described configuration is incident.
[0019]
The hologram pattern writing means 40 includes a light source 41 for emitting write light, a transmissive liquid crystal television 42 for displaying an image of the write light, and a writing light for controlling image display on the transmissive liquid crystal television 42. An electrical signal generator 43 and an imaging lens 44 for imaging an image signal included in the writing light on the photoconductive layer 24 of the SLM 20 are provided.
[0020]
On the other hand, on the side of the SLM 20 where the readout light is incident, the light projecting means 50 is disposed on the optical axis inclined at an angle θ with respect to the normal line within the normal plane of the incident surface. Note that the normal plane refers to a plane including any of the incident optical axis, the reflected optical axis, and the mirror normal when linearly polarized light is incident on the mirror and reflected.
[0021]
The light projecting means 50 includes a laser light source 51 for emitting readout light, a lens 52 for enlarging the readout light emitted from the laser light source 51, and a collimator for adjusting the enlarged readout light to parallel light. And a lens 53.
[0022]
A Fourier lens 60 for Fourier transforming the readout light phase-modulated by the hologram pattern is disposed on the reflected light path of the readout light.
[0023]
Thus, the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment is configured.
[0024]
Here, the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment is characterized by the structure of the hologram pattern writing means 40, particularly the writing electric signal generator 43.
[0025]
That is, in the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment, a desired optical image to be irradiated on the sample T is not written as it is on the SLM 20, but a desired optical image is reproduced when Fourier transform is performed by the Fourier lens 60. Such a hologram pattern is written.
[0026]
Hereinafter, a method of creating a hologram pattern in the writing electric signal generator 43 will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0027]
As a method of creating a hologram pattern to be displayed on the liquid crystal television 42, there is a method of performing an iterative learning method using an image. In particular, in the present embodiment, a hologram pattern is created using a method called Simulated Annealing in the iterative learning method.
[0028]
Here, a case where a hologram pattern is displayed on the liquid crystal television 42 having n × n pixels is considered.
[0029]
First, the density value of each of n × n pixels is randomly determined by a random function or the like, and this is set as an initial screen (step S1).
[0030]
Next, the density value of a predetermined pixel is changed (step S2), and it is determined whether or not an image obtained by Fourier transforming the hologram pattern has approached a desired optical image (step S3).
[0031]
When the image obtained by Fourier transform approaches the desired optical image, the density value is adopted for the predetermined pixel, and when the image is moved away, the density value is not adopted but the original density value is adopted. .
[0032]
Next, it is determined whether or not an operation for determining density values has been performed for all n × n pixels (step S4). If all the pixels have not been completed, the process returns to step S2 to return the density for the next pixel. Work to determine the value. On the other hand, if all the pixels have been completed, it is determined whether or not there is a pixel adopting the changed density value among n × n pixels (step S5), and if there is an adopted pixel, the process proceeds to step S2. Return. On the other hand, if there is no adopted pixel, the density value determination operation is terminated, and the obtained pattern is displayed on the liquid crystal television 42 as an optimum hologram pattern.
[0033]
In this way, the writing electric signal generator 43 obtains a hologram pattern corresponding to a desired optical image and displays it on the liquid crystal television 42. Alternatively, the writing electric signal generator 43 may call up the hologram pattern data for a desired optical image that has been created in advance and stored in storage means such as a memory and displayed on the liquid crystal television 42. In this way, the writing electrical signal generator 43 can display the hologram pattern on the liquid crystal television 42 only by reading the hologram pattern data stored in the storage means. That is, since it is possible to save the trouble of creating a hologram pattern from a desired optical image, it is possible to rewrite the hologram pattern in the reflective spatial light modulator 20 at a video rate.
[0034]
Next, the operation of the laser processing apparatus 10 described above will be described.
[0035]
First, when an optical image to be actually irradiated and processed on the sample T is input to the writing electric signal generator 43, the writing electric signal generator 43 obtains a hologram pattern corresponding to the desired optical image, A hologram pattern is displayed on the liquid crystal television 42.
[0036]
Next, when writing light is emitted from the light source 41 on the writing light side toward the liquid crystal television 42, image information of a hologram pattern is written in the writing light when passing through the liquid crystal television 42. The writing light having this image information is imaged on the photoconductive layer 24 of the SLM 20 by the imaging lens 44. Here, an AC voltage of several volts is applied between the ITOs 23 and 28 of the SLM 20 by the driving device 33. The photoconductive layer 24 has an electrical impedance depending on the pixel position depending on the image written on the photoconductive layer 24. Changes. As a result, the divided voltage applied to the light modulation layer 32 varies depending on the pixel position.
[0037]
On the other hand, linearly polarized readout light is emitted from the laser light source 51. Then, the readout light is adjusted to parallel light by the lens 52 and the collimating lens 53. At that time, the light is incident on the light modulation layer 32 of the SLM 20 as P-polarized light. As described above, since the divided voltage applied to the light modulation layer 32 differs depending on the pixel position, the inclination of the liquid crystal molecules changes according to this voltage. At this time, the orientation direction of the liquid crystal molecules changes within the slope. As a result, the refractive index of the light modulation layer 32 changes depending on the pixel position. The readout light incident on the light modulation layer 32 is phase-modulated by this refractive index change, reflected by the mirror layer 25, and output again from the incident surface.
[0038]
Then, the sample T is irradiated with a desired optical image by subjecting the phase-modulated readout light to Fourier transformation by the Fourier lens 60 to form an image. As a result, the portion of the sample surface irradiated with the laser light is evaporated or denatured by heat and processed into a desired pattern.
[0039]
As described above in detail, the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment writes a hologram pattern to the SLM 20 by the hologram pattern writing unit 40, and Fourier transforms the readout light phase-modulated by the hologram pattern by the Fourier lens 60. Processing can be performed by irradiating the target with the desired optical image obtained. As described above, the use efficiency of the readout light can be improved by using the Fourier transform, and the SLM 20 has a reflection type structure, so that the readout light is blocked by the pixel electrode and the wiring as in the transmission type. There is no possibility that the utilization efficiency of the readout light will be reduced. As a result, the intensity of the readout light emitted from the laser light source 51 can be reduced, and the laser light source 51 and thus the laser processing apparatus 10 can be downsized.
[0040]
Further, in this laser processing apparatus 10, as in the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-186283 cited in the prior art, the zero-order light component interferes with other light components on the Fourier plane to improve the contrast. Therefore, there is no risk that the duty ratio is not limited and the degree of freedom of the processing pattern is narrowed.
[0041]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the laser processing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
[0042]
In the first embodiment described above, the case where a desired pattern is formed on the surface of the sample T installed at a desired position has been described, but the installation position of the sample T is not always fixed. If the installation position of the sample T is deviated from the desired position, and the sample T is irradiated with a pattern on the premise that the sample T is installed at the desired position, the pattern is enlarged / reduced / reduced on the processed surface of the sample T. It may be deformed and the like, and the processing accuracy may be reduced.
[0043]
In view of such a problem, the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment further includes object position recognition means for acquiring position information of the sample T as shown in FIG. This object position recognizing means includes a laser distance measuring device 70 having a light emitting element 72 such as a semiconductor laser and a light receiving element 74 such as a photodiode. The laser distance measuring device 70 emits laser light from the light emitting element 72 toward the target T, receives the reflected light by the light receiving element 74, and measures the position (distance) of the target. The laser distance measuring device 70 is connected to the writing electric signal generator 43.
[0044]
In the laser processing apparatus 10, the position information of the target T measured by the laser distance measuring apparatus 70 is sent to the writing electric signal generator 43. When an optical image to be actually irradiated and processed on the sample T is input to the writing electric signal generator 43, the writing electric signal generator 43 corresponds to the desired optical image based on the position of the sample T. A hologram pattern to be obtained is obtained, and the hologram pattern is displayed on the liquid crystal television 42.
[0045]
Next, when writing light is emitted from the light source 41 on the writing light side toward the liquid crystal television 42, image information of a hologram pattern is written in the writing light when passing through the liquid crystal television 42. The writing light having this image information is imaged on the photoconductive layer 24 of the SLM 20 by the imaging lens 44.
[0046]
On the other hand, linearly polarized readout light is emitted from the laser light source 51. Then, the readout light is adjusted to parallel light by the lens 52 and the collimating lens 53. At that time, the light is incident on the light modulation layer 32 of the SLM 20 as P-polarized light. The readout light incident on the light modulation layer 32 is phase-modulated by the hologram pattern, reflected by the mirror layer 25, and output again from the incident surface.
[0047]
Then, the phase-modulated readout light is Fourier transformed by the Fourier lens 60 to form an image, so that the sample T is irradiated with a desired optical image that matches the position of the sample T. As a result, the portion of the sample surface irradiated with the laser light is evaporated or denatured by heat and processed into a desired pattern.
[0048]
As described above, since the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment includes the object position recognition unit for acquiring the position information of the sample T, it is possible to generate a pattern that matches the position of the sample T. Accurate processing can be performed without depending on the variation of the position of the sample T.
[0049]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the laser processing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
[0050]
In the first and second embodiments described above, the case where a desired pattern is formed on the processing surface of the sample T that forms a plane has been described. However, the processing surface of the sample T is not always flat. If the processing surface of the sample T having a three-dimensional shape is irradiated with a pattern on the premise of a plane, the pattern may be distorted in accordance with the unevenness of the processing surface of the sample T, and the processing accuracy may be reduced. There is.
[0051]
In view of such a problem, the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment further includes object shape recognition means for acquiring three-dimensional information of the sample T as shown in FIG. This object shape recognizing means includes two imaging devices 80 and 82 each capable of capturing an image of the sample T. These imaging devices 80 and 82 are arranged in a substantially symmetrical positional relationship with respect to the optical axis from the Fourier lens 60 to the sample T, and are connected to the writing electric signal generator 43, respectively.
[0052]
In the laser processing apparatus 10, the stereo images of the sample T captured by the image capturing apparatuses 80 and 82 are sent to the writing electric signal generator 43. Then, a correspondence between pixels is obtained between the images captured by the pair of imaging devices 80 and 82, a pixel shift amount of the corresponding point, that is, a parallax is calculated, and a distance to the target is calculated using triangulation. In this way, the three-dimensional information such as the unevenness of the sample T is calculated, and the three-dimensional shape of the sample T is recognized. In the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment, since the imaging devices 80 and 82 as the object shape recognition unit can also acquire the position information of the target T, the imaging devices 80 and 82 serve as the object position recognition unit. Is also functioning.
[0053]
Then, when an optical image to be actually irradiated and processed on the sample T is input to the writing electric signal generator 43, a hologram pattern corresponding to the desired optical image is obtained based on the three-dimensional shape of the sample T. The hologram pattern is displayed on the liquid crystal television 42.
[0054]
Next, when writing light is emitted from the light source 41 on the writing light side toward the liquid crystal television 42, image information of a hologram pattern is written in the writing light when passing through the liquid crystal television 42. The writing light having this image information is imaged on the photoconductive layer 24 of the SLM 20 by the imaging lens 44.
[0055]
On the other hand, linearly polarized readout light is emitted from the laser light source 51. Then, the readout light is adjusted to parallel light by the lens 52 and the collimating lens 53. At that time, the light is incident on the light modulation layer 32 of the SLM 20 as P-polarized light. The readout light incident on the light modulation layer 32 is phase-modulated by the hologram pattern, reflected by the mirror layer 25, and output again from the incident surface.
[0056]
Then, the phase-modulated readout light is Fourier transformed by the Fourier lens 60 to form an image, whereby a desired optical image matching the shape of the sample T is irradiated onto the three-dimensional surface of the sample T. As a result, the portion of the sample surface irradiated with the laser light is evaporated or denatured by heat and processed into a desired pattern.
[0057]
As described above, since the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment includes the object shape recognition means for acquiring the three-dimensional information of the sample T, it is possible to generate a pattern that matches the shape of the sample T. It is possible to suppress a decrease in processing accuracy by suppressing distortion of the irradiated pattern on the surface of the sample T.
[0058]
【The invention's effect】
According to the laser processing apparatus of the present invention, it is possible to improve the utilization efficiency of the readout light, and thus it is possible to reduce the size of the light projecting means and the laser processing apparatus itself. Moreover, in the laser processing apparatus of this invention, since the freedom degree of a processing pattern is high, it becomes possible to process a target into a various pattern.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view schematically showing a configuration of a laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a spatial light modulator.
FIG. 3 is a flowchart showing a method for creating a hologram pattern.
FIG. 4 is a plan view schematically showing a configuration of a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view schematically showing a configuration of a laser processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Laser processing apparatus, 20 ... Reflection type spatial light modulator, 40 ... Hologram pattern writing means, 50 ... Light projection means, 60 ... Fourier lens, 70 ... Laser distance measuring apparatus, 80, 82 ... Imaging apparatus, T ... Sample .

Claims

A reflective spatial light modulator;
Hologram pattern writing means for writing a hologram pattern to the reflective spatial light modulator;
A light projecting means for inclining and injecting P-polarized readout light to the incident surface of the reflective spatial light modulator;
A Fourier lens for Fourier transforming the readout light phase-modulated in the reflective spatial light modulator and reflected by being inclined with respect to the incident surface;
The reflective spatial light modulator has, as a light modulation material, a liquid crystal whose orientation direction changes within a normal plane including any of the incident optical axis, the reflected optical axis, and the mirror normal of the readout light,
A laser processing apparatus for forming an image on a target by the Fourier lens.

The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the hologram pattern writing unit includes a storage unit that stores data of a hologram pattern corresponding to a desired optical image irradiated on the target.

The apparatus further comprises object shape recognition means for acquiring three-dimensional information of the target, and the hologram pattern writing means is a hologram that matches the shape of the target based on the three-dimensional information of the target acquired by the object shape recognition means The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the laser processing apparatus has a structure capable of generating a pattern.

The apparatus further comprises object position recognition means for acquiring target position information, and the hologram pattern writing means generates a hologram pattern that matches the position of the target based on the position information of the target acquired by the object position recognition means. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the laser processing apparatus has a structure that can be generated.