JP4523420B2 - 光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置に関し、詳細には、入射光を透過または反射させて空間的に光の位相を制御または光の位相と強度を同時に制御する光学素子、この光学素子を用いたレーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置に関する。

光の空間位相変調においては、従来、マトリックス状に配置された薄膜や液晶材料の物性変化を利用して光の空間位相変調を行ったり、透過薄膜の距離を変化させることで光の空間位相変調を行っている。そして、これらの光の空間変調においては、通常、透明電極や磁気薄膜への電界や磁界を制御することで行っている。

また、従来、ＣＭＯＳアクティブ・マトリックス基材上のイメージの各画素に対応してミラーとミラー上に変形可能な透明誘電体と電極を設け、電極からの印加電圧で誘電体の少なくとも一部領域に電界を発生させて対応する画素に影響を及ぼして、誘電体を通る光線の光路長を変化させ、誘電体が、その電界が発生した領域を、電極に至る前の光線が通過するように配置した光線の位相変調構造が提案されている（特許文献１参照）。すなわち、この従来技術は、電気信号により誘電体の光路長を変化させて、透過光の空間位相変調を行っている。

特許第３２５８０２９号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、光透過性酸化物薄膜や液晶高分子等を光学素子として用いて、電気信号で光路長を変化させることで、光の空間位相変調を行っているため、高強度のレーザでは光学素子に損傷がおこり、また、レーザ照射を繰り返し行うことによって変質して、透過率が変化するという問題があった。特に、短波長紫外域では透過材料に制限があり、薄膜材料では位相変調を大きくすることが困難である。また、利用波長範囲が狭い、構成が複雑になる、材料の選択幅が狭い等の問題があった。

そこで、本発明は、種々の光源に安定して対応可能で高精度に光を空間的に位相変調する光学素子、当該光学素子を利用したレーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明の光学素子は、入射光を空間的に位相変調して出射させる光学素子であって、当該入射光に対して透過性を有し所定形状の中空部を有する構造体が当該入射光に対向する面方向に複数分布する状態で配置され、当該複数の構造体の前記中空部内が、前記入射光の入射方向に対向する方向に延在するとともに当該入射光方向に移動可能な可動仕切り部材で複数の分室に分割され、当該各構造体の中空部の各分室に所定の屈折率の液状物質が液状物質供給手段から供給され、 前記液状物質の圧力及び流量を変化させ、前記可動仕切り部材を移動させて、光の透過光路長を変化させ、前記光学素子は、前記液状物質での総合光透過距離Ｌが、透過光の波長をλ、当該液状物質の最大屈折率をｎｍａｘ、最小屈折率をｎｍｉｎとしたとき、λ／（ｎｍａｘ−ｎｍｉｎ）の整数倍であり、前記構造体の前記中空部内に、光吸収性を有する光吸収性液状物質が光吸収性液状物質供給手段から選択的に供給され、前記光の位相と同時に光の強度を空間的に変調することにより、上記目的を達成している。

さらに、例えば、請求項２に記載するように、前記光吸収性液状物質供給手段は、前記構造体の前記中空部によって光吸収率の異なる複数種類の前記光吸収性液状物質を選択的に当該中空部内に供給するものであってもよい。

また、例えば、請求項３に記載するように、前記光学素子は、前記液状物質供給手段または前記光吸収性液状物質供給手段からの液状物質を前記構造体の前記中空部に導く流路を有し、当該流路の少なくとも一部分が前記入射光を遮断する遮光部材で覆われているものであってもよい。

さらに、例えば、請求項４に記載するように、前記光学素子は、前記構造体を通過した前記入射光を当該構造体方向に反射する反射板を備え、当該反射板の前記入射光側とは反対側に流路が形成され、当該流路を通して前記液状物質供給手段または前記光吸収性液状物質供給手段からの液状物質を前記構造体の前記中空部に導入するものであってもよい。

また、例えば、請求項５に記載するように、前記光学素子は、前記構造体の前記中空部に供給される前記液状物質のうち少なくとも１種類の液状物質の屈折率が当該構造体の屈折率と同じであってもよい。

さらに、例えば、請求項６に記載するように、前記複数の構造体のうち少なくとも１つ以上の構造体は、前記入射光の透過する光路長が他の構造体の光路長と異なっていてもよい。

請求項７記載の発明のレーザマニピュレーション装置は、位相を光学素子で空間的に変調させたレーザ光を用いて対象物を操作するレーザマニピュレーション装置において、前記光学素子として請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学素子が用いられていることにより、上記目的を達成している。

本発明の光学素子によれば、入射光に対して透過性を有し所定形状の中空部を有する構造体が入射光に対向する面方向に複数分布する状態で配置され、当該複数の構造体の中空部内が、入射光の入射方向に対向する方向に延在するとともに当該入射光方向に移動可能な可動仕切り部材で複数の分室に分割され、当該各構造体の中空部の各分室に所定の屈折率の液状物質が液状物質供給手段から供給され、液状物質の圧力及び流量を変化させ、可動仕切り部材を移動させて、光の透過光路長を変化させるので、光学素子自体の形状や内部ひずみに影響されることなく、かつ、劣化を抑制しつつ、屈折率の異なる液状物質を用いることで、入射光の光路長を実質的に変化させ、安定してかつ高精度に光の空間的位相変調を行うことができる。

また、本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ光の位相を光学素子で空間的に変調させて出射させるに際して、光学素子として、請求項１から請求項６記載の光学素子を用いているので、３次元加工、マルチビームへの分割による高速加工、ビーム干渉による高精度加工及びパターン変化による任意形状加工を高精度にかつ安定して行うことができる。

さらに、本発明のレーザマニピュレーション装置によれば、位相を光学素子で空間的に変調させたレーザ光を用いて対象物を操作するに際して、光学素子として、請求項１から請求項６記載の光学素子を用いているので、大きな粒子の移動、複数粒子の捕獲、移動及び照射パターンの変化による３次元連続移動等の操作を高精度にかつ安定して行うことができる。

以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施例は、本発明の好適な実施例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

図１及び図２は、本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第１実施例を示す図であり、図１は、本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第１実施例を適用した光学素子１の平面図、図２は、図１の光学素子１の正面断面図である。

図１において、光学素子１は、光に対して透過性を有する部材で形成されている透明基板２内に、光を透過する複数のセル（中空部を有する構造体）３が光の透過方向に対向する面方向にマトリックス状に形成されているとともに、図２に示すように、３次元的に分布するセル３ａ、３ｂ、３ｃとして形成されており、セル３の各列には、当該セル３の列に並行に微細流路（流路）４が形成されている。透明基板２は、上述のように、透過光に対して透明であって光透過性を有し、位相の変調がないように平面に形成されている。また、セル３（３ａ、３ｂ、３ｃ）の高さや幅は、任意に設定することができる。

上記各微細流路４と当該各微粒流路４に対応する各セル３とは、導入口４ａと排出口４ｂとで接続されており、各微細流路４は、透明基板２外の図示しない液状物質供給部（液状物質供給手段）に連通している。液状物質供給部は、微細流路４及び導入口４ａを介してセル３毎に屈折率の異なる液状物質をセル３内に導入し、また、セル３内に導入した液状物質を排出口４ｂ及び微細流路４を通して排出する。

この透明基板２への立体的なセル３（３ａ、３ｂ、３ｃ）や微細流路４等は、例えば、フォトリソグラフィとドライエッチングによる加工及び接着法、レーザによる３次元造形、レーザによる直接加工、あるいは、内部加工等の技術によって高精度に加工され、特に、深さ方向等については、現在、ナノオーダの精度で加工が可能である。

次に、本実施例の作用を説明する。本実施例の光学素子１は、図外の液状物質供給部から屈折率の異なる複数の液状物質、例えば、Ａ液状物質とＢ液状物質を微細流路４及び導入口４ａを通してそれぞれ異なるセル３に導入する。

このようにセル３に屈折率の異なる複数の液状物質、例えば、Ａ液状物質とＢ液状物質が導入された状態の光学素子１の透明基板２に、光を入射する。この光は、図１では、紙面に対して直角の方向から入射され、図２では、透明基板２の左方向から入射される。

光学素子１は、セル３によって屈折率の異なる複数の液状物質が導入されていることによって、入射光を空間的に位相分布させた透過光として出射させる。

また、光学素子１は、各セル３に対して液状物質をフローさせることができ、順次あるいは必要に応じて、各セル３に導入する液状物質を変化させることで、空間的にかつ時間的に連続して位相を変調させることができ、時間経過とともに位相を変化させる位相変調器に容易に適用することができる。

すなわち、いま、液状物質のある波長λでの平均屈折率をｎλとして、液状物質の導入されているセル３の距離をＬとすると、その液状物質での位相変化は、次式（１）で表される。

位相変化量＝２ｎ×ｎλ×Ｌ／λ・・・（１）
そして、液状物質の屈折率は、通常、１．１程度〜１．６程度まで選択することができ、光学素子１のように、透明基板２に複数のセル３を形成して、当該セル３に屈折率の異なる液状物質を導入することで、透明基板２を透過する光の屈折率を変化させることができる。

このような屈折率の異なる液状物質の導入されるセル３を空間的に配置するか、変化させることで、ホログラム型の光再生を行うことができる。

例えば、屈折率の異なる液状物質の導入されるセル３を空間的に配置するか、変化させた光学素子１で、位相を空間的に変化させた光を集光することで、集光点にパターンを形成することができる。

また、例えば、光学素子１の複数の線上に位置するセル３に、当該線毎に異なる屈折率の液状物質を導入して、複数の線上に位相を変化させると、回折光子として機能させることができ、例えば、光を回折光として分割する等に利用することができる。

そして、本実施例の光学素子１では、全体の光路長を一定、すなわち、全てのセル３の深さを一定とし、異なる屈折率の液状物質をセル３に導入することで、当該セル３の液状物質の光路長を変化させて、位相の変調を行っている。この場合、各セル３は、温度、圧力が一定に保持されている。ただし、通常、域状態の圧力での屈折率変化は、０．０００１／気圧の程度であり、また、温度での変化も、０．００１／度の程度で、精密な管理は通常必要としない。したがって、高精度な光の空間的位相変調を行うことができる。

そして、上記セル３の中に屈折率の異なる液状物質を注入し、液状物質の屈折率によって空間位相変調を行うと、光強度レーザにおいても多くの材料を利用することができ、広い波長領域で光透過性の高い材料が存在しており、屈折率の選択幅が広くなるとともに、紫外領域での透明基板２の材料としての透明材料の選択幅が広くなる。また、微細流路４の長さによって位相を大幅に変化させることができ、また、透明基板２に対する穴加工のみで空間位相変調を行う光学素子１を作製することができる。

さらに、本実施例の光学素子１は、液状物質を微細流路４を通してセル３に導入し、また、排出しているので、液状物質が劣化した場合にも、新たな液状物質をセル３内に導入することができ、劣化することのない光学素子１を実現することができる。

また、本実施例の光学素子１は、透明基板２にセル３を形成して、当該セル３内に液状物質を封入しているので、液状物質の形状がセル３の構造と一致し、界面が安定した面となって、液状物質の表面張力等の変化を無視することができ、安定した位相変化を行わせることができる。

さらに、本実施例の光学素子１は、従来のような構造変化に比較して、屈折率分布を少なくすることができる。

図３及び図４は、本発明の本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第２実施例を示す図であり、図３は、本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第２実施例を適用した光学素子１０の平面図、図４は、図３の光学素子１０の正面断面図である。

図３において、光学素子１０は、光に対して透過性を有する部材で形成されている透明基板１１内に、光を透過する複数のセル（中空部を有する構造体）１２が光の透過方向に対向する面方向にマトリックス状に形成されており、各セル１２は、図４に示すように、透明仕切り板（可動仕切り部材）１３により、上段セル１２ａと下段セル１２ｂとに分割されている。

上段セル１２ａには、液状物質を上段セル１２ａ内に導入する導入口１４ａと、上段セル１２ａ内の液状物質を排出する排出口１４ｂが開口しており、下段セル１２ｂには、液状物質を下段セル１２ｂ内に導入する導入口１５ａと、下段セル１２ｂ内の液状物質を排出する排出口１５ｂが開口している。

上記導入口１４ａ、１５ａ及び排出口１４ｂ、１５ｂは、図３に示す流路１６に繋がっていて、流路１６を通して透明基板１１外の図示しない液状物質供給部（液状物質供給手段）に繋がっている。液状物質供給部は、流路１６及び導入口１４ａ、１５ａを介してセル１２ａ、１２ｂ毎に屈折率の異なる液状物質を当該セル１２ａ、１２ｂ内に導入し、また、セル１２ａ、１２ｂ内に導入した液状物質を排出口１４ｂ、１５ｂ及び流路１６を通して排出する。

この立体的な透明基板１１へのセル１２（１２ａ、１２ｂ）や流路１６等は、例えば、フォトリソグラフィとドライエッチングによる加工及び接着法、レーザによる３次元造形、レーザによる直接加工、あるいは、内部加工等の技術によって高精度に加工され、特に、深さ方向等については、現在、ナノオーダの精度で加工が可能である。

なお、上記説明では、セル１２は、マトリックス状に配設されているが、マトリックス状に配置するものに限るものではなく、例えば、ライン状、円形状等であっても良い。

次に、本実施例の作用を説明する。本実施例の光学素子１０は、図外の液状物質供給部から屈折率の異なる複数の液状物質を流路１６及び導入口１４ａ、１５ａを通してセル１２ａ、１２ｂに導入するとともに、当該液状物質の圧力や流量を調整することで、透明仕切り板１３を押して移動させて、屈折率の異なるセル１２ａ、１２ｂを通過する光の透過光路長を変化させる。

すなわち、光学素子１０は、液状物質供給部から流路１６及び導入口１４ａ、１４ｂを通してセル１２ａ、１２ｂ毎に屈折率の異なる液状物質を当該セル１２ａ、１２ｂに導入し、また、セル１２ａ、１２ｂ内の液状物質の圧力や流量を変化させることで、透明仕切り板１３を押して移動させて、屈折率の異なるセル１２ａ、１２ｂを通過する光の透過光路長を変化させる。

例えば、光学素子１０において、いま、各セル１２の液状物質の全体の透過距離を一定とし、透明仕切り板１３で分けられた上段セル１２ａと下段セル１２ｂに注入する液状物質に対して、屈折率の異なる材料を充填するとともに、その充填比率を変えることで、液状物質の透過光の位相により一層高度な変化を与えて、空間的に高度な位相の変調を行うことができる。例えば、２種類の液状物質の所定の波長λでの平均屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、液状物質の入れられたセル１２ａ、１２ｂの距離をＬ、その比率をαとすると、屈折率ｎ１の液状物質のみを透過させた場合と屈折率ｎ２と屈折率ｎ１の両方の液状物質を透過させた場合との透過面の位相変化は、次式（２）で与えられる。

位相変化量＝２π×Ｌ／λ×（ｎ１−ｎ２）×（１−α）・・・（２）
この（２）式から、２種類の液状物質の所定波長λでの平均屈折率ｎ１、ｎ２及びセル１２ａ、１２ｂの距離Ｌを一定とすると、セル１２ａ、１２ｂの液状物質の比率αのみで位相を変化させることができることが分かる。

いま、例えば、上段セル１２ａと下段セル１２ｂの粒状物質の屈折率ｎの差分が小さい場合であっても、距離Ｌを波長λに比較して大きくすることで、容易に２πの位相変調を行うことができる。

したがって、本実施例の光学素子１０は、上記第１実施例の光学素子１の効果と同様の効果を得ることができるとともに、少ないセル１２でより一層高度な空間的な光の位相変調を行うことができ、また、連続した屈折率の調整、すなわち、無限階調での光の位相変調を行うことができるとともに、種々の屈折率の調整を行うことができる。

また、上記の場合、液状物質の材料の屈折率変化による透過光の光学距離を最大２π位相差分とする。すなわち、上記（２）式に示した位相変化量において、例えば、２種類の液状物質の場合、距離Ｌを、λ／（ｎ１−ｎ２）とすると、液状物質の材料の屈折率変化による透過光の光学距離を最大２π位相差分とすることができ、このようにして、２種類の液状物質の透過光距離Ｌの割合を変化させることで、０から２πまでの位相変調を行うことができ、これ以上の透過光距離の割合の変化を考慮する必要がなくなる。したがって、位相の算出を容易なものとすることができるとともに、２種類の液状物質の割合のみで、位相の変調を容易に行うことができる。

なお、３種類の液状物質の場合にも、ｎ１を最大屈折率、ｎ２を最小屈折率とすることで、複数の液状物質の混合にも適用することができる。

図５及び図６は、本発明の本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第３実施例を示す図であり、図５は、本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第３実施例を適用した光学素子２０の平面図、図６は、図５の光学素子２０の正面断面図である。

図５において、光学素子２０は、光に対して透過性を有する部材で形成されている透明基板２１内に、光を透過する複数のセル（中空部を有する構造体）２２が光の透過方向に対向する面方向にマトリックス状に形成されており、各セル２２は、図６に示すように、透明仕切り板２３により、上段セル２２ａと下段セル２２ｂとに分割されている。

上段セル２２ａには、液状物質を上段セル２２ａ内に導入する導入口２４ａと、上段セル２２ａ内の液状物質を排出する排出口２４ｂが開口しており、下段セル２２ｂには、液状物質を下段セル２２ｂ内に導入する導入口２５ａと、光吸収性を有する液状物質である光吸収性液状物質を下段セル２２ｂ内に導入する光吸収性液導入口２５ｂと、下段セル２２ｂ内の液状物質及び光吸収性液状物質を排出する排出口２５ｃと、が開口している。

上記導入口２４ａ、２５ａ、光吸収性液導入口２５ｂ及び排出口２４ｂ、２５ｃは、図５に示す流路２６に繋がっていて、流路２６を通して透明基板２１外の図示しない液状物質供給部（液状物質供給手段、光吸収性液状物質供給手段）に繋がっている。液状物質供給部は、流路２６及び導入口２４ａ、２５ａを介してセル２２ａ、２２ｂ毎に屈折率の異なる液状物質をセル２２ａ、２２ｂ内に導入し、流路２６及び光吸収性液導入口２５ｂを介してセル２２ａ、２２ｂ毎に光吸収性液状物質を導入し、また、セル２２ａ、２２ｂ内に導入した液状物質及び光吸収性液状物質の混合液状物質を排出口２４ｂ、２５ｃ及び流路２６を通して排出する。すなわち、流路２６は、図５では、１つの流路として描かれているが、実際は、流路２６としては、液状物質の導入用の流路、光吸収性液状物質の導入用の流路及び混合液状物質の排出用の流路からなっている。

透明基板１１へのこのような立体的なセル２２（２２ａ、２２ｂ）や流路２６等は、例えば、フォトリソグラフィとドライエッチングによる加工及び接着法、レーザによる３次元造形、レーザによる直接加工、あるいは、内部加工等の技術によって高精度に加工され、特に、深さ方向等については、現在、ナノオーダの精度で加工が可能である。

なお、上記説明では、セル２２は、マトリックス状に配設されているが、マトリックス状に配置するものに限るものではなく、例えば、ライン状、円形状等であっても良い。

次に、本実施例の作用を説明する。本実施例の光学素子２０は、図外の液状物質供給部から屈折率の異なる複数の液状物質を流路２６及び導入口２４ａ、２５ａを通して上段セル２２ａと下段セル２２ｂに導入するとともに、上段セル２２ｂには、所定量の光吸収性液状物質を流路２６及び導入口２５ｂを通して導入する。

すなわち、光学素子２０は、例えば、上段セル２２ａに、液状物質供給部から所定の屈折率の液状物質Ａを流路２６及び導入口２４ａ、２５ａを通して導入する。一方、光学素子２０は、下段セル２２ｂに、液状物質供給部から所定の屈折率の液状物質Ｂを流路２６及び導入口２４ａ、２５ａを通して導入するとともに、所定量の光吸収性液状物質を流路２６及び導入口２５ｂを通して導入する。

そして、下段セル２２ｂは、液状物質Ｂと光吸収性液状物質との混合液となり、この液状物質Ｂと光吸収性液状物質の屈折率を同じにすると、同一の屈折率として扱うことができ、屈折率の計算を簡単かつ容易に行うことができる。

したがって、上段セル２２ａに導入する液状物質Ａ、下段セル２２ｂに導入する液状物質Ｂ及び光吸収性液状物質の量を調整することで、光の透過波面及び強度を変化させることができ、光の位相及び強度の空間的変調を同時に行うことができる。

すなわち、いま、光吸収性液状物質の所定の波長に対する光吸収性係数をαとし、透過距離をＬとすると、光透過率Ｔは、次式（３）で与えられる。

透過率Ｔ＝ｅｘｐ（−αＬ）・・・（３）
したがって、光吸収係数αの異なる光吸収性液状物質を用いることで、光の透過率を制御することができる。

そして、下段セル２２ｂに導入する液状物質と光吸収性液状物質の混合割合を調整することで、透過光の位相と光透過率の変化を同時に制御することができる。

また、光吸収性液状物質としては、透過光の波長に対して吸収性のある液状物質を選択することができ、この光吸収性液状物質を所定の屈折率の液状物質に混合することで、光の屈折率と同時に光吸収率を変化させることができる。

したがって、３次元的なホログラム像の作成を容易に行うことができるとともに、ホログラム像のノイズを低減させつつ、ホログラムパターンの設計を簡便化することができる。

図７は、本発明の本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第４実施例を適用した光学素子３０の正面断面図である。

図７において、光学素子３０は、光に対して透過性を有する部材で形成されている透明基板３１内に、光を透過する位相変調用の複数のセル（中空部を有する構造体）３２が所定形状、例えば、光の透過方向に対向する面方向にマトリックス状に形成されているとともに、３段に分かれてセル３２ａ、３２ｂ、３２ｃとして３次元的に配置されている。また、光学素子３０は、透明基板３１内の位相変調用のセル３２の下方に、光吸収用のセル（中空部を有する構造体）３３が形成されており、光吸収用のセル３３は、位相変調用のセル３２と同じ高さである必要はなく、本実施例の光学素子３０においても、位相変調用のセル３２の高さよりも高く形成されている。

位相変調用の各セル３２ａ、３２ｂ、３２ｃには、それぞれ所定の屈折率の液状物質を当該セル３２ａ、３２ｂ、３２ｃに導入する導入口３４が開口しており、この導入口３４には、透明基板３１外の図示しない液状物質供給部（液状物質供給手段）に連通する図示しない流路が連通している。位相変調用の各セル３２ａ、３２ｂ、３２ｃには、液状物質供給部から図示しない流路及び導入口３４を通して所定屈折率の液状物質が導入される。

また、光吸収用の各セル３３には、それぞれ複数の導入口３５が開口しており、この導入口３５には、透明基板３１外の図示しない光吸収性液状物質供給部（光吸収性液状物質供給手段）に連通する図示しない流路が連通している。光吸収用の各セル３３には、光吸収性液状物質供給部から図示しない流路及び複数の導入口３５を通して、それぞれ吸収材料の濃度の異なる光吸収性液状物質が導入される。

そして、この微細な導入口３４及び流路３５は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用して、３次元加工で立体的にかつ微細に形成されている。

次に、本実施例の作用を説明する。本実施例の光学素子３０は、第３実施例の場合と同様に、図外の液状物質供給部から屈折率の異なる複数の液状物質を流路及び導入口３４を通して位相変調用のセル３２ａ、３２ｂ、３２ｃに導入するとともに、図外の光吸収性液状物質供給部から光吸収用のセル３３に所定濃度の光吸収性液状物質を流路及び導入口３５を通して導入する。

すなわち、光学素子３０は、例えば、位相変調用のセル３２ａ、３２ｂ、３２ｃに、液状物質供給部から所定の屈折率の液状物質を流路及び導入口３４を通して導入する。一方、光学素子３０は、光吸収用のセル３３に、光吸収性液状物質供給部から所定濃度の光吸収性液状物質を流路及び導入口３５を通して導入する。したがって、透過光の屈折率と同時に光強度を調整することができる。

この場合、光吸収性のセル３３に導入する光吸収性液状物質の位相を一定にすると、位相変調用のセル３２ａ、３２ｂ、３２ｃに導入する液状物質の屈折率のみに基づいて位相変調を行わせることができる。

また、光学素子３０は、光吸収性のセル３３の光路長を変化させて透過強度を調整する一方で、位相調整用のセル３２ａ、３２ｂ、３２ｃで位相の補正を行うことができ、それぞれ光透過強度と位相変調を独立して調整することができる。

このように、本実施例の光学素子３０は、光の位相と強度を同時に調整することができるため、従来、困難といわれていた空間光変調を容易かつ高精度に行うことができ、３次元的なホログラム像の作製の容易化、ホログラム像のノイズの低減化及びホログラムパターンの設計の容易化を行うことができる。

図８は、本発明の本発明の本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第５実施例を適用した光学素子４０の平面図である。

図８において、光学素子４０は、光に対して透過性を有する部材で形成されている透明基板４１内に、光を透過する複数のセル（中空部を有する構造体）４２が光の透過方向に対向する面方向にマトリックス状に形成されており、各セル４２には、透明基板４１に形成された流路４３が連通している。流路４３は、各セル４２と透明基板４１外の液状物質供給手段としての液状物質供給部（図示略）とを連通しており、液状物質供給部から所定屈折率の液状物質を各セル４２に導入する。

そして、光学素子４０は、各セル４２に繋がっている流路４３を覆う遮光用フォトマスク（遮光部材）４４が配設されており、この遮光用フォトマスク４４は、透明基板４１に金属をエッチングする方法等で容易に作成することができる。なお、図８においては、図８の上部の光の通過を遮断する遮光用フォトマスク４４ａは、流路４３を明示するために透明な状態で描かれているが、実際は、遮光し、流路４３への光の透過を遮断している状態となっている。

このように、本実施例の光学素子４０は、各セル４２に屈折率の異なる液状物質を、液状物質供給部から流路４３を通して導入することで、入射光を空間的に位相分布させた透過光として出射させることができる。

また、光学素子４０は、各セル４２に対して液状物質を連続して導入と排出を行って流れをつくることができ、順次あるいは必要に応じて、各セル４２に導入する液状物質を変化させることで、空間的に位相を変調させることができ、時間経過とともに位相を変化させる位相変調器に容易に適用することができる。

そして、本実施例の光学素子４０は、流路４３を遮光用フォトマスク４４で覆っているので、流路４３を通過する光を遮断することができ、より一層制御されたセル４２のみで空間的な光の位相変調を行うことができる。

したがって、ホログラム像のノイズのより一層の低減化及び流路４３部での光回折による波面の変化の抑制によるより一層高精度な位相変調を行うことができ、ホログラム像のノイズの低減及び流路４３部分での光回折による波面の変化の抑制を行うことができる。

図９及び図１０は、本発明の本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第６実施例を示す図であり、図９は、本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第６実施例を適用した光学素子５０の平面図、図１０は、図９の光学素子５０の正面断面図である。

図９において、光学素子５０は、光に対して透過性を有する部材で形成されている透明基板５１内に、光を透過する複数のセル（中空部を有する構造体）５２が光の透過方向に対向する面方向にマトリックス状に形成されており、各セル５２は、図１０に示すように、透明仕切り板５３により、複数、本実施例では２つの分室セル５２ａと分室セル５２ｂとに分割されている。

分室セル５２ａには、液状物質を分室セル５２ａ内に導入する流路５４が連通しており、分室セル５２ｂには、液状物質を分室セル５２ｂ内に導入する流路５５が連通している。これらの流路５４と流路５５は、それぞれ透明基板５１外の異なる液状物質供給部（液状物質供給手段）に連通しており、各液状物質供給部は、それぞれ異なる液状物質を流路５４を通して分室セル５２ａと分室セル５２ｂに供給する。

この光学素子５０は、図９では、紙面に対して直角の方向から光が入射され、図１０では、紙面の上方向から光が入射されるが、この光の入射側とは反対側の透明基板５１内の端面部分（底面部）に、反射ミラー（反射板）５６が設けられており、反射ミラー５６は、セル５２を通過してきた光をセル５２方向に反射させる。この反射ミラー５６は、多層膜や金属膜等を用いて形成され、例えば、可視光に対しては、シリコン等のバルクの基板を接触させて配置することで形成しても良い。そして、この反射ミラー５６のセル５２とは反対側の面に上記流路５４及び流路５５の本流路５４ａ、５５ａを形成して、当該本流路５４ａ、５５ａから各分室セル５２ａ、５２ｂに伸びる枝流路である流路５４と流路５６を反射ミラー５６を貫通させた状態で形成する。

なお、上記説明では、セル５２は、マトリックス状に配設されているが、マトリックス状に配置するものに限るものではなく、例えば、ライン状、円形状等であっても良い。

次に、本実施例の作用を説明する。本実施例の光学素子５０は、セル５２の分室セル５２ａ、５２ｂにそれぞれ図外の液状物質供給部から屈折率の異なる複数の液状物質を本流路５４ａ、５５ａ及び流路５４、５５を通して分室セル５２ａ、５２ｂに導入する。

この状態で、光が、図９では、紙面に対して直角の方向から、図１０では、紙面の上方向から入射されると、入射された光が、屈折率の異なる液状物質の導入されている分室セル５２ａ、５２ｂを通過して、反射ミラー５６に入射し、反射ミラー５６に入射した光が反射ミラー５６で反射されて、再度、分室セル５２ａ、５２ｂを通過して出射される。そして、光は、それぞれ屈折率の異なる液状物質の導入されている分室セル５２ａ、５２ｂを通過することで、それぞれ異なった位相変調を受けた後に出射する。

したがって、意図する位相変調を高精度に行うことができる。

また、本実施例の光学素子５０は、本流路５４ａ、５５ａを反射板５６の裏面に形成しており、流路５４、５５の径を、セル５２の面積に比較して、大幅に小さくすることで、流路５４、５５によるセル５２の位相変調の誤差を低減することができる。

このように、本実施例の光学素子５０は、反射型となっているため、透過型に比較して２倍の位相変調を行うことができ、また、本流路５４ａ、５５ａを反射ミラー５６の裏側に配置して、流路５４、５５のみとし、光透過する流路部を削減することができ、さらに、単純な構造とすることができる。

図１１は、本発明の本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第７実施例を適用した光学素子６０の正面断面図である。

図１１において、光学素子６０は、光に対して透過性を有する部材で形成されている透明基板６１内に、光を透過する位相変調用の複数のセル（中空部を有する構造体）６２ａ、６２ｂ、６２ｃが所定形状、例えば、光の透過方向に対向する面方向にマトリックス状に形成されている。また、セル６２ａ、６２ｂ、６２ｃは、透明基板６１内にそれぞれ高さ及び大きさが異なる状態で形成されており、各セル６２ａ、６２ｂ、６２ｃには、液状物質供給部（液状物質供給手段）から流路６３を通してそれぞれ異なる屈折率の液状物質が導入される。

したがって、セル６２ａ、６２ｂ、６２ｃに、液状物質供給部から流路６３を通してそれぞれ異なる屈折率の液状物質を選択的に導入することで、それぞれのセル６２ａ、６２ｂ、６２ｃの深さに応じた変調を行うことができる。

例えば、初期位相変調を計算してセル構造を作製し、作成後に、加工誤差を調整するために用いたり、変化する位相を調整したり、補償したりすることができる。

また、液状物質を少しだけ交換することで、セル６２ａ、６２ｂ、６２ｃの構造、すなわち、セル６２ａ、６２ｂ、６２ｃの深さによって位相変化を大きくすることができる。

なお、上記各実施例において、所定のセル内の液状物質の屈折率を透明基板の屈折率と同じにすると、液状物質がセル内に導入されていない場合と導入されている場合との位相が同じになり、透明基板の屈折率と同じ屈折率の液状物質を導入したセルの部分を透過基板のセルのない場所と同様の透過位相変化とすることができる。

いま、透明基板の屈折率をｎｓ、液状物質の屈折率をｎｌとすると、光の入射角が０度の場合、透明基板と液状物質の界面での反射は、次式（３）で与えられる。

反射率の二乗＝（（ｎｓ−ｎｌ）／（ｎｓ＋ｎｌ））の二乗・・・（３）
ここで、ｎｓ＝ｎｌ、すなわち、透明基板の屈折率ｎｓを液状物質の屈折率ｎｌと同じにすることで、液状物質と透明基板との界面反射を低減することができる。

また、同様に、透明基板の屈折率と同じ屈折率の液状物質を導入したセルを空間的に配置することで、空間的にセルのある場所とない場所で同一の波面とすることができる。

したがって、流路部と流路部のない部分との位相差を低減して高精度な位相変調を行うことができる。

さらに、上記各実施例の光学素子において、セルの段階で位相に変化を与え、その後、液状物質を当該セルに導入することで、位相変調を行うと、位相変調幅として、必ずしも、２πの位相変調を必要としない、あるいは、ある程度初期位相の分かっている光の位相変調を行う場合、わずかな量の液状物質を用いるだけでよいことから、高精度な変調を行うことができるとともに、セル加工を容易なものとすることができる。

また、投影型のレーザ加工においては、フォトマスクを透過したレーザ光による加工が行われているため、光の多くの部分は、マスクで遮蔽され、エネルギー利用効率の低い加工となることがあった。この場合、回折素子やホログラム素子等の光学素子を利用すると、レーザ光の空間位相変調を行うことで、例えば、集光レンズ焦点面で様々な形状を作成したり、レーザ光を分割したりすることができ、マスク投影法に比較して、エネルギー利用効率が高いというメリットがある。ところが、従来の位相変調用の光学素子は、上述のように、高強度での利用や紫外レーザでの利用が困難であることが多い。

ところが、上記各実施例の光学素子を、レーザ加工装置に利用すると、高強度のレーザの位相変調を安定して、かつ、高精度に行うことができ、高強度レーザでのホログラフィック加工を行うことができる。

したがって、マスク投影に比較してより一層効率的な加工、例えば、マルチビームへの分割による高速加工、ビーム干渉による高精度加工、パタンを変化させる任意形状加工等の加工を行うことができる。また、光強度と位相を同時に変化させることで、光の３次元的な強度分布の形成を容易に行うことができ、内部改質加工、３次元形状加工、３次元露光（造形）等を容易に実施することができる。

さらに、上記各実施例の光学素子を、レーザマニピュレーション装置に利用すると、高ピークパワーのレーザ光の制御を行うことができ、ビーム分割、微小集光径、照射位置の調整を行うことができる。したがって、大きな粒子の移動、複数粒子の捕獲と移動、照射パタン変化による連続移動及び３次元移動等の粒子制御を容易に行うことができる。

以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、液晶を用いることなく、空間的に光の位相を制御、また、光の位相と強度を同時に制御する光学素子、この光学素子を用いたレーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置に適用することができる。

特に、上記光学素子にレーザ光を透過あるいは反射させることで、空間的に位相分布を有するレーザ波面を形成し、レーザ光の波面収差補正、集光分布補正、さらにホログラフィック加工用マスクとして利用することができる。

また、上記光学素子を用いて光の位相を制御することで、空間光変調器として利用することもでき、光演算、光計測、記録、ディスプレイ、光通信分野にも適用することができる。

さらに、上記光学素子を、光のわずかな位相分布を補正する光補償素子として機能させることもできる。

本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第１実施例を適用した光学素子の平面図。 図１の光学素子の正面断面図。 本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第２実施例を適用した光学素子の平面図。 図３の光学素子の正面断面図。 本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第３実施例を適用した光学素子の平面図。 図５の光学素子の正面断面図。 本発明の本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第４実施例を適用した光学素子の正面断面図。 本発明の本発明の本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第５実施例を適用した光学素子の平面図。 本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第６実施例を適用した光学素子の平面図。 図９の光学素子の正面断面図。 本発明の本発明の光学素子、レーザ加工装置及びレーザマニピュレーション装置の第７実施例を適用した光学素子の正面断面図。

符号の説明

１ 光学素子
２ 透明基板
３、３ａ、３ｂ、３ｃ セル
４ 微細流路
４ａ 導入口
４ｂ 排出口
１０ 光学素子
１１ 透明基板
１２ セル
１２ａ 上段セル
１２ｂ 下段セル
１３ 透明仕切り板
１４ａ 導入口
１４ｂ 排出口
１５ａ 導入口
１５ｂ 排出口
１６ 流路
２０ 光学素子
２１ 透明基板
２２ セル
２２ａ 上段セル
２２ｂ 下段セル
２３ 透明仕切り板
２４ａ 導入口
２４ｂ 排出口
２５ａ 導入口
２５ｂ 光吸収性液導入口
２５ｃ 排出口
２６ 流路
３０ 光学素子
３１ 透明基板
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ セル
３３ セル
３４ 導入口
３５ 流路
４０ 光学素子
４１ 透明基板
４２ セル
４３ 流路
４４、４４ａ 遮光用フォトマスク
５０ 光学素子
５１ 透明基板
５２ セル
５２ａ、５２ｂ 分室セル
５３ 透明仕切り板
５４、５５ 流路
５４ａ、５５ａ 本流路
５６ 反射ミラー
６０ 光学素子
６１ 透明基板
６２ａ、６２ｂ、６２ｃ セル
６３ 流路

Claims (7)

1. 入射光を空間的に位相変調して出射させる光学素子であって、当該入射光に対して透過性を有し所定形状の中空部を有する構造体が当該入射光に対向する面方向に複数分布する状態で配置され、
   当該複数の構造体の前記中空部内が、前記入射光の入射方向に対向する方向に延在するとともに当該入射光方向に移動可能な可動仕切り部材で複数の分室に分割され、
   当該各構造体の中空部の各分室に所定の屈折率の液状物質が液状物質供給手段から供給され、
   前記液状物質の圧力及び流量を変化させ、前記可動仕切り部材を移動させて、光の透過光路長を変化させ、
   前記光学素子は、前記液状物質での総合光透過距離Ｌが、透過光の波長をλ、
   当該液状物質の最大屈折率をｎｍａｘ、
   最小屈折率をｎｍｉｎとしたとき、λ／（ｎｍａｘ−ｎｍｉｎ）の整数倍であり、
   前記構造体の前記中空部内に、光吸収性を有する光吸収性液状物質が光吸収性液状物質供給手段から選択的に供給され、前記光の位相と同時に光の強度を空間的に変調することを特徴とする光学素子。
2. 前記光吸収性液状物質供給手段は、前記構造体の前記中空部によって光吸収率の異なる複数種類の前記光吸収性液状物質を選択的に当該中空部内に供給することを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 前記光学素子は、前記液状物質供給手段または前記光吸収性液状物質供給手段からの液状物質を前記構造体の前記中空部に導く流路を有し、当該流路の少なくとも一部分が前記入射光を遮断する遮光部材で覆われていることを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
4. 前記光学素子は、前記構造体を通過した前記入射光を当該構造体方向に反射する反射板を備え、当該反射板の前記入射光側とは反対側に流路が形成され、当該流路を通して前記液状物質供給手段または前記光吸収性液状物質供給手段からの液状物質を前記構造体の前記中空部に導入することを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
5. 前記光学素子は、前記構造体の前記中空部に供給される前記液状物質のうち少なくとも１種類の液状物質の屈折率が当該構造体の屈折率と同じであることを特徴とする請求項１から請求項４にいずれかに記載の光学素子。
6. 前記複数の構造体のうち少なくとも１つ以上の構造体は、前記入射光の透過する光路長が他の構造体の光路長と異なることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学素子。
7. 位相を光学素子で空間的に変調させたレーザ光を用いて対象物を操作するレーザマニピュレーション装置において、前記光学素子として請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学素子が用いられていることを特徴とするレーザマニピュレーション装置。

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