JP5353194B2 - 立体加工方法および立体加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、立体加工方法および立体加工装置に関する。

「レーザアブレーション」とは、高いエネルギーのパルスレーザを物体に照射することにより、物体の照射部表面層が瞬間的に分解され、爆発的に飛散・除去される現象をいう。レーザアブレーション現象を利用した加工法（以下、「レーザアブレーション加工法」という。）は、最適化された照射条件下で、加工部周囲へのダメージを大幅に低減できる精密加工法として注目されている。レーザアブレーション加工法は、機械加工法と比較すると、光による非接触の加工法であってフォトレジストなどの感光材料が不要であり、しかも微細加工を高速に処理できるという利点がある。

レーザアブレーション加工法の一態様としては、遮光マスクを用いてバイナリーな光強度分布を有する光束を生成し、得られた光束を物体に照射することにより、一定の深さの照射部表面層を分解除去するバイナリー加工法が挙げられる。

しかしながら、ある用途、例えば、マイクロレンズアレイ、フレネルレンズ、プリズムシート、拡散板等の作製にあっては、照射部表面層の場所によって分解除去される深さが異なる手法、即ち照射部表面層を固定の深さで分解除去するのではなく、照射部表面層に起伏を持たせて分解除去する方法（以下、バイナリー加工法と区別して「三次元加工法」という。）が求められていた。

上述の課題を解決する手段として、例えば特許文献１は、予め複数のマスクパターン（光変調素子）を用意し、被加工物と光変調素子を相対的に移動させ被加工物のレーザ照射領域に光変調素子の位置合わせを行いながら照射を繰り返す三次元加工法を開示している。

しかし、特許文献１にかかる発明にあっては、異なる複数のマスクパターンを作製するために、頻雑なデータ処理と複雑な装置が必要であった。またパターンの入れ替え作業による光変調素子の機械的変形、即ち被加工物と光変調素子を相対的に移動させる回数が多く光変調素子を移動させる毎に被加工物との位置合わせを行う必要があったため時間と手間がかかっていた。さらに、光変調素子を構成するシャッターの大きさにより解像度が制約されていた。
特開２００２-２９２４８８号公報

本発明は、光変調素子の機械的変形や被加工物との相対的移動を伴わない、簡易な三次元加工方法および加工装置を提供することを課題とする。

本発明の第１の特徴は、複数の単位領域を備える光変調素子に光束を透過して光束を光変調する工程と、光変調された光束を単位領域のそれぞれよりも大きな点像分布範囲を有する結像装置により、光強度分布に階調が生じるように結像する工程と、光強度分布で結像された光束を被加工物に照射して被加工物の照射部表面層を破壊除去する工程とを含む立体加工方法を要旨とする。

本発明の第２の特徴は、光束を出射する照明装置と、照明装置の出射側に設けられた光束を光変調する光変調素子と、光変調素子の出射側に設けられ、光変調素子により光変調された光束を、光強度分布に階調が生じるように結像する結像装置と、結像装置の出射側に設けられた被加工物を支持するステージとを備え、光変調素子は、結像装置の点像分布範囲の半径よりも小さい単位領域を複数有し、光強度分布で結像された光束を被加工物に照射して、被加工物の照射部表面層を破壊除去する立体加工装置を要旨とする。

本発明によれば、光変調素子の機械的変形や被加工物との相対的移動を伴わない、簡易な三次元加工方法および加工装置が提供される。

以下に、実施形態を挙げて本発明の説明を行うが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。尚、図中同一の機能又は類似の機能を有するものについては、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。

[立体加工装置]
図１は、実施形態にかかる立体加工装置３０の概略図を示す。立体加工装置３０は、光束を出射する照明装置２と、照明装置２の出射側に設けられた光束を光変調する光変調素子１と、光変調素子１の出射側に設けられ、光変調素子１により光変調された光束を、光強度分布に階調が生じるように結像する結像装置３と、結像装置３の出射側に設けられた被加工物４を支持するステージ５とを備え、光変調素子１は、結像装置３の点像分布範囲の半径よりも小さい単位領域を複数有し、光強度分布で結像された光束を被加工物４に照射して、被加工物４の照射部表面層を起伏を持たせて破壊除去する。なお、被加工物４は、真空チャックや静電チャック等により、ステージ５上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持される。

図２は、照明装置２の内部構成の概略図を示す。照明装置２は、光変調素子１に入射する入射光を生成するレーザ光源、例えば２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源２ａを備える。なお、光源２ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような他の適当な光源を用いてもよい。光源２ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２ｂを介して拡大された後、第１フライアイレンズ２ｃに入射する。

第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面には複数の擬似光源が形成される。第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面に光源２ａの像が転写されて擬似光源が規定される。第１フライアイレンズ２ｃの後ろ側焦点面すなわち複数の光源からの光束は第１コンデンサ光学装置２ｄを介して、第２フライアイレンズ２ｅの入射面に案内される。その結果、第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面よりも多くの複数の擬似光源が形成される。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に第１フライアイレンズ２ｃの像が転写されて擬似光源が規定される。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に形成された複数の光源からの光束は、第２コンデンサ光学装置２ｆを介して、光変調素子１に入射される。

第１フライアイレンズ２ｃおよび第１コンデンサ光学装置２ｄは、光源２ａからの照明光に、ホモジナイゼーション効果を与える第１ホモジナイザを構成する。したがって、この第１ホモジナイザにより光源２ａから出射されたレーザ光は、面内強度分布が均一化された状態で第２フライアイレンズ２ｅに入射される。

また、第２フライアイレンズ２ｅおよび第２コンデンサ光学装置２ｆは第２ホモジナイザを構成し、この第２ホモジナイザにより、第１ホモジナイザにより入射角度が均一化されたレーザ光が、光変調素子１に実質的に面内強度分布が均一な状態で照射される。このように、第１フライアイレンズ２ｃ、第１コンデンサ光学装置２ｄ、第２フライアイレンズ２ｅおよび第２コンデンサ光学装置２ｆにより、光変調素子１の全域に入射角度分布が均一で、かつ面内強度分布が均一なレーザ光が照射される。

光変調素子１で振幅もしくは位相変調されたレーザ光は、結像装置３の出射側に設けられた被加工物４に入射される。結像装置３は、凸レンズ３ａと凸レンズ３ｂと両レンズの間に開口絞り３ｃを備え、光変調素子１と被加工物４とを光学的に共役な位置関係に位置させることができる。開口絞り３ｃの開口部、即ち実質的に、結像装置３の像側開口数ＮＡの大きさは、後述するように、被加工物４の照射表面層において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。
なお、結像装置３は、屈折型の光学装置であってもよいし、反射型の光学装置であってもよいし、屈折反射型の光学装置であってもよい。

光変調素子１は、点像分布範囲内より小さい単位領域の中での複素振幅透過率の平均値に分布を持たせることが好ましい。光強度分布に階調を生じさせることで三次元加工が可能となるからである。光変調素子１は、光遮蔽膜の面積比により光強度を制御する方法（「振幅変調型」）と、位相変調領域の面積比により制御する方法（「位相変調型」）とに大別される。

図３は振幅変調型光変調素子１１の正面図を示し、図４は振幅変調型光変調素子１１の側面図を示す。振幅変調型光変調素子１１は、点線で示される点像分布範囲の半径よりも小さな単位領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃを複数備える。単位領域１１ａは遮蔽領域１１ａｓと透過領域１１ａｔとを備え、単位領域１１ｂは遮蔽領域１１ｂｓと透過領域１１ｂｔとを備え、単位領域１１ｃは遮蔽領域１１ｃｓと透過領域１１ｃｔとを備える。光変調素子１１は、単位領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃのそれぞれの中に異なる複素振幅透過率の領域が混在している。即ち、光変調素子１１は、複素振幅透過率分布を有し、複素振幅透過率分布は単位領域内での平均値の絶対値が面内位置により変化する。

図４に示すように、遮蔽領域１１ａｓ、１１ｂｓ、１１ｃｓは、石英などの透過性基板からなる振幅変調型光変調素子１１の本体の主表面上にパターニングにより光遮蔽膜が設けられている。そのため、振幅変調型光変調素子１１は、点像分布範囲内の単位領域の中で振幅透過率が変化する。そのため、各単位領域内１１ａ〜１１ｃにおける複素振幅透過率の平均値の絶対値は、隣り合う単位領域の値と異なることになる。光変調素子１は、互いに隣接しあう三つ以上の単位領域において、複素振幅透過率の平均値の絶対値が面内座標に沿って単調に増加する部分を含むことが好ましい。連続的な光強度分布を生じさせることができるからである。図３においては、光変調素子１１は、互いに隣接しあう３つの単位領域１１ａ〜１１ｃにおいて、１１ｃから１１ａに向かい複素振幅透過率の平均値の絶対値が連続して増加している。

図５は位相変調型光変調素子１２の正面図を示し、図６は位相変調型光変調素子１２の断面図を示す。位相変調型光変調素子１２は、点線で示される点像分布範囲の半径よりも小さな単位領域１２ａ、１２ｂ、１２ｃを複数備える。各単位領域１２ａ、１２ｃ、１２ｃは、それぞれ第１位相変調領域１２ａｍ、１２ｂｍ、１２ｃｍと第２位相変調領域１２ａｎ、１２ｂｎ、１２ｃｎとを備える。

第１位相変調領域１２ａｍ〜１２ｃｍと第２位相変調領域１２ａｎ〜１２ｃｎの位相変調量は相対的なものである。例えば、第２位相変調領域１２ａｎ〜１２ｃｎを基準領域として、第１位相変調領域１２ａｍ〜１２ｃｍの位相変調量をθと記述できる。このとき、図６に示すようにθ＞０もしくはθ＜０は、それぞれ主表面に対する凹部と凸部に相当する。かかる凹部（もしくは凸部）を設けることにより点像分布範囲内の単位領域毎に複素振幅透過率の平均値の絶対値が変化し、結果的に光強度分布に階調が生じることで三次元加工が可能となる。なお、図６では、各凹部の深さ（もしくは各凸部の高さ）は同一としたが、各凹部の深さ（もしくは各凸部の高さ）を変化させても構わない。

振幅変調型光変調素子１１と位相変調型光変調素子１２を比較した場合、振幅変調型光変調素子１１では光遮蔽膜が照明光の一部を吸収することによりアブレーションや熱により劣化するという課題があるが、位相変調型光変調素子１２は光を吸収しないため劣化を避けることができる。以上の点から位相変調型光変調素子１２が好ましい。なお、図３〜図６では、説明の便宜上それぞれ単位領域が３つの場合を示したが、単位領域数は複数であれば特に制限されることなく、３つ以上であっても構わない。

[基本原理]
以下、光強度分布により三次元加工が可能となる原理・作用について述べる。照射強度（フルエンス）とアブレーション深さの間には、一般に以下の式（１）の関係式が成り立つことが知られている。
ｄ=α^−１ｌｏｇ_１０（Ｉ／Ｉｔｈ） …（１）
式（１）中、ｄは一回照射当たりのアブレーション深さ、αは被加工物の光吸収率、Ｉは照射強度、Ｉｔｈはアブレーションの閾値強度を示す。

式（１）の関係式に基づき、照射強度Ｉを面内で変えた分布を照射することにより任意の立体形状を生成することができる。ただし、照射強度Ｉがある値を超えると、アブレーションにより発生する飛散物により照射光が吸収・散乱されて、アブレーション深さが飽和するため、式（１）の関係式が成り立たなくなる。また、レーザ装置の出力強度の限界により加工面における照射強度は制限される。そのため、一回の照射でのアブレーション深さは制約される。しかし、最終的なアブレーション深さは照射回数に比例する性質があるので、必要な深さが得られるまで複数回照射を繰り返すことで所望の深さまでアブレーション加工を行うことができる。

結像装置における物体面（光変調素子（マスク））分布と結像面（被加工面）分布の関係は、一般にフーリエ結像論により扱うことができる。また、コヒーレンスファクタが０．５程度以下の場合は、コヒーレント結像として近似できる。この場合、像面の複素振幅分布Ｕ（ｘ,ｙ）は物体面の複素振幅透過率分布Ｔ（ｘ，ｙ）と（複素振幅）点像分布関数ＡＳＦ（ｘ,ｙ）の畳み込み積分で与えられる。
Ｕ（ｘ，ｙ）＝Ｔ（ｘ，ｙ）＊ＡＳＦ（ｘ，ｙ） …（２）
式（２）中、＊は畳み込み積分を表す。点像分布関数ＡＳＦ（ｘ,ｙ）は結像光学系の瞳関数のフーリエ変換で与えられ、瞳が円形で無収差の場合は良く知られたエアリーパターンとなる。
ＡＳＦ（ｘ，ｙ）=２Ｊ_１（２π／λＮＡｒ） …（３）
式（３）中、ｒ＝（ｘ^２+ｙ^２）^１／２、Ｊ₁はベッセル関数、λは光の波長、ＮＡは結像光学系の像側開口数を表す。

図７（ａ）は、結像装置３から照射された光束の被加工物４に対する像面３ｆを示す。図７（ｂ）は、点像分布関数と、破線で示す直径２Ｒの円筒形３ｅで近似した点像分布関数を示す。点像分布関数の一番内側の０点を３ｊで示す。０点３ｊの内側、すなわち直径２Ｒの内側を点像分布範囲と呼ぶことにする。図７（ｃ）は、光変調素子１上の単位領域と点像分布範囲の関係を示す。

上述したように、像面３ｆに結像された結像の光振幅すなわち光強度は、光変調素子１の複素振幅透過率分布と点像分布関数とのコンボリューションで与えられる。点像分布関数を円筒形３ｅで近似して考えると、図７（ｃ）に示す円形の点像分布範囲内で光変調素子１の複素振幅透過率を均一重みで積分した結果が、像面３ｆでの複素振幅になり、その絶対値の二乗が光強度となる。

点像分布範囲内での複素振幅透過率の積分は、図７（ｄ）に示すように単位円３ｇ内での複素振幅透過率をあらわすベクトル３ｈの和で考えると理解しやすい。

これらのベクトルの和が表す複素振幅の絶対値の二乗により、対応する点の光強度が決定される。

図８（ａ）および（ｂ）は、結像装置３における瞳関数と点像分布関数との関係を示す。一般に、点像分布関数（図８（ｂ））は、瞳関数（図８（ａ））のフーリエ変換で与えられる。具体的には、結像装置３が均一円形瞳を有し、かつ収差がない場合、点像分布関数ＡＳＦ（ｘ，ｙ）は上述の式（３）により表される。しかしながら、結像装置３に収差が存在する場合や、均一円形瞳以外の瞳関数を有する場合はこの限りではない。

均一円形瞳で収差がない場合、点像分布関数が最初に０となるまでの中央領域（すなわちエアリーディスク）の半径Ｒは、式（４）で与えられる。
Ｒ=０．６１λ／ＮＡ …（４）
「点像分布範囲」とは、図７（ｂ）または図８（ｂ）に示すように点像分布関数Ｆ（ｘ）が最初に０となるまでの円形状の中央領域、即ちエアリーディスク内側を意味する。

図７（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、結像装置３の点像分布範囲に光学的に対応する円の中に複数（図７（ａ）〜（ｃ）では４つ）の複素振幅変調領域が含まれていると、複数のベクトル４ｇの和により光の振幅を、すなわち光の強度を解析的にかつ簡単な計算に従って制御することが可能である。その結果、比較的複雑な光強度分布を比較的容易に得ることができる。

したがって、光強度を自由に制御するために、光変調素子１の単位領域は、結像装置３の点像分布範囲（図７（ｂ）参照）の半径Ｒよりも光学的に小さいことが好ましい。換言すれば、結像装置３の像側における結像光学系の結像面（所定面）に換算して光変調素子１の単位領域の大きさは、結像装置３の点像分布範囲の半径Ｒよりも小さいことが好ましい。

点像分布関数をエアリーディスク内側で定数値１、その外側で０となる関数で近似すると、式（２）はエアリーディスク内側での積分に近似される。
Ｕ（ｘ，ｙ）＝Ｃ∫Ｔ（ｘ’,ｙ’)ｄｘ’ｄｙ’ …（５）
式（５）中、Ｃは定数、積分は点（ｘ,ｙ）を中心とする半径Ｒの内側の積分を示す。

ここで、単位領域の作用を再度考える。この単位領域は、おなじ形状・大きさの領域が敷き詰められていてもよいし、また場所毎に変化してもよい。ここで、エアリーディスクの直径程度の範囲内で隣接する単位領域内でのＴ（ｘ，ｙ）の分布が大きく変化しない場合、式（５）の積分範囲はエアリーディスク内側から、（ｘ，ｙ）を含む単位領域の内側に置き換えることができる。これを式（５−１）とする。

次に、図７、図８を参照しながら光変調素子１として振幅変調型光変調素子１１を用いる場合について説明する。振幅変調型光変調素子１１は金属膜等の遮光材料がパターニングされた構造を持つ、透過率１の透過領域と透過率０の遮蔽領域からなる。その複素振幅透過率分布Ｔ（ｘ，ｙ）は、下式で表される。
透過領域内の場合、Ｔ（ｘ,ｙ）=１ …（６−１）
遮蔽領域内の場合、Ｔ（ｘ,ｙ）=０ …（６−２）
この式を式（５−１）に代入することにより、以下の式が導かれる。
Ｕｉ=Ｄｉ …（７）
ただし、Ｄｉは第ｉ番目の単位領域での開口率（単位領域に対する透過領域の面積比）、Ｕｉは像面でのこの単位領域に対応する位置での複素振幅である。強度Ｉは複素振幅Ｕの絶対値の二乗で与えられることから、ｉを省略して、
Ｉ=|Ｕ|^２=Ｄ^２ …（８）
Ｄ=Ｉ^１／２ …（９）
式（１）と式（９）により、加工したい三次元形状から光強度分布、さらに開口率分布を求めることができる。そして所望の開口率分布を有する振幅変調型光変調素子１１を用いることで所望の三次元形状を備える構造物を作製することができる。

次に、図５、図６を参照しながら光変調素子１として位相変調型光変調素子１２の場合について述べる。一つの実施形態として、光透過性材料の主表面に凹部（凸部）が加工されたものを考える。光がこの凹部（凸部）を透過するとき、光透過性基板の屈折率ｎと空気の屈折率１の差だけ波面にずれが生じて位相変調となる。このときの位相変調量θは、
θ=２πｄ（ｎ―１）／λ …（１０）
以下、凹部の深さ（凸部の高さ）ｄは離散的である、すなわち多段加工されているものとし、ある単位領域内でのｋ番目の位相変調領域の面積比と位相変調量をそれぞれＤｋ、θｋとする。

振幅変調型光変調素子１１と同様に、式（５−１）から各単位領域において以下の関係が成り立つことが分かる。
Ｕ=ΣＤｋｅｘｐ（ｊθ_k）
Ｉ=|Ｕ|² …（１１）
ただし総和Σは単位領域内におけるすべての位相変調領域に関する和である。
特に、各単位領域内に位相変調領域が二つしかない場合、θ₁=０、θ₂=θとすると、
Ｉ＝（２−２cosθ）Ｄ^２−（２−２cosθ）Ｄ＋１ …（１２）
また、この式をＤに関して解くと、
Ｄ＝〔（１−cosθ）−[（１−cosθ）^２−２（１−Ｉ）（１−cosθ）]^１/２〕／２（１−cosθ） …（１３）
式（１）と式（１３）により、加工したい三次元形状から光強度分布、さらに位相変調分布を求めることができる。そのような位相変調型光変調素子１２を用いることにより目標の三次元形状を作製することができる。

[光変調素子の設計手順]
図９に示す、ピッチ２０μｍ、最大深さ５μｍの鋭角部４３ａ、４３ｂ、４３ｃを備えるプリズム板４３の鋭角部４３ａを作製する場合を例に挙げて、光変調素子１の設計手順を説明する。図１０はフローチャートを示し、図１１は工程Ｓ１０１〜工程Ｓ１１１の計算過程を示し、図１２（ａ）〜（ｄ）は振幅変調型光変調素子１１Ａの概略図を示し、図１３（ａ）〜（ｄ）は位相変調型光変調素子１２Ａの概略図を示す。なお、図１１中の座標番号は、図１２（ｂ）の単位領域１１Ａ_０、１１Ａ_１、…１１Ａ_１８、１１Ａ_１９（１１Ａ_２〜１１Ａ_１７については図示省略）と、図１３（ｂ）の単位領域１２Ａ_０、１２Ａ_１、…１２Ａ_１８、１２Ａ_１９（１２Ａ_２〜１２Ａ_１７については図示省略）に対応している。

（イ）被加工物４の目標形状からＸ座標に対する目標深さＹを決定し三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）を求めるＳ１０１。Ｘ座標と目標深さＹを関連付けて記憶装置に入力する。その際、単位領域の大きさが結像光学装置３０の点像分布範囲の半径よりも小さくなるようにする。ここでは、被加工物４の目標形状を図１２（ａ）に示す鋭角部４３ａとし、図９の鋭角部４３ａの頂点をＸ座標の原点、Ｙ座標の原点として、Ｘ座標に対するＹ座標の値を図１１のように関連付けた。

（ロ）照射回数ｍを決定するＳ１０２。照射回数ｍと三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）を関連付けて記憶装置に入力する。ここでは照射回数ｍを１０回とした。

（ハ）記憶装置から照射回数ｍと目標深さＹを呼び出し、演算手段を用いて照射回数ｍと目標深さＹをｄ＝Ｙ×１／ｍに入力し１パルス当たりのアブレーション深さｄを求めるＳ１０３。得られたアブレーション深さｄと三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）とを関連付けて記憶装置に入力する。

（ニ）記憶装置からアブレーション深さｄを呼び出し、式（１）にアブレーション深さｄを入力し、演算手段により照射強度Ｉを求めるＳ１０５。得られた照射強度Ｉと、三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）およびアブレーション深さｄとを関連付けて記憶装置に入力する。

（ホ）光変調素子１が振幅変調型であるか位相変調型であるかを確認するＳ１０７。

（ヘ）光変調素子１が振幅変調型である場合は、記憶装置から照射強度Ｉを呼び出し、式（９）に照射強度Ｉを入力し演算手段を用いて開口率Ｄ１（面積比）を求めるＳ１０９。得られた開口率Ｄ１と、三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）、１パルス当たりのアブレーション深さｄおよびアブレーション深さｄを関連付けて記憶装置に入力する。

（ト）光変調素子１が位相変調型である場合は、記憶装置から照射強度Ｉを呼び出し、式（１２）に照射強度Ｉを入力し演算手段を用いて開口率Ｄ２（面積比）を求めるＳ１１１。得られた開口率Ｄ２と、三次元形状分布ｄ（ｘ，ｙ）、１パルス当たりのアブレーション深さｄおよびアブレーション深さｄを関連付けて記憶装置に入力する。

（チ）以上の工程を座標番号ｘを変えながら繰り返す。工程Ｓ１０１〜工程Ｓ１１１の計算過程を図１１に示す。なお、Ｓ１０９、Ｓ１１１の操作は各単位領域毎にその代表点に対して行い、照射強度Ｉの値は光変調素子１のない場合の最大光強度Ｉ₀で規格化する。ここでは、最大光強度を光変調素子がない場合の光強度１１００ｍＪ/ｃｍ²とした。

（リ）記憶装置から、図１１に示す開口率Ｄ１、Ｄ２が記載されたデータを出力し、かかるデータに基づき光変調素子のパターンを決定する。その後、光変調素子１が振幅変調型である場合は、図１２（ｂ）（ｃ）に示すように、主表面上に光遮蔽膜を成膜し遮蔽領域１１Ａ_６０ｓ、１１Ａ_６１ｓ、…１１Ａ_６８ｓ、１１Ａ_６９ｓをパターニングすることで、図１２（ｄ）に示すような像面光強度分布を形成可能な振幅変調型光変調素子１１Ａが作製される。一方、光変調素子１が位相変調型である場合は、図１３（ｂ）（ｃ）に示すように、主表面上に凹部を設けて第１位相変調領域１１Ａ_６０ｍ、１１Ａ_６１ｍ、…１１Ａ_６８ｍ、１１Ａ_６９ｍを設けることで、図１３（ｄ）に示すような像面光強度分布を形成可能な位相変調型光変調素子１２Ａが作製される。

なお、上述の工程（イ）〜（ト）で用いられる入力装置としては、例えばキーボード、マウス等のポインティングデバイスが挙げられる。出力装置としては、例えば液晶ディスプレイ、モニタ等の画像表示装置等が挙げられる。演算手段としては、ＣＰＵ等の通常のコンピュータシステムで用いられる演算装置等で構成すればよい。記憶装置としてはＲＯＭ、ＲＡＭ、磁気ディスクなどの記憶装置が使用可能で、光変調素子に関する種々の情報が記憶されている。入力装置、出力装置、記憶装置は演算手段に接続されている。

従来は三次元加工を行うために異なる複数のパターンを作製し、パターンを交換しながら照射する必要があったが、上述の光変調素子の設計手順に従い、１つの光変調素子を作製するだけで三次元加工が可能となる。そのため、光変調素子の作製に必要な頻雑なデータ処理と複雑な装置が不要となる。

[立体加工方法]
図１の立体加工装置３０を用いて、実施形態にかかる立体加工方法について説明する。

（ア）複数の単位領域を備える光変調素子１に光束を透過して光束を光変調する。光変調素子１としては上述の図３の振幅変調型光変調素子１１もしくは図５の位相変調型光変調素子１２を用いることが好ましい。

（イ）光変調された光束を単位領域のそれぞれよりも大きな点像分布範囲を有する結像装置３により、光強度分布に階調が生じるように結像する。光強度分布の階調は目標とする立体形状の起伏や被加工物４の光束の吸収率等の特性により適宜定まるものである。

（ウ）光強度分布で結像された光束を被加工物４に照射して被加工物４の照射部表面層を起伏を持たせて破壊除去する。高いエネルギーのパルスレーザを被加工物４に照射する非熱処理により、被加工物４の照射部表面層が瞬間的に分解され、爆発的に飛散・除去される。なお、照射部表面層の全てが、レーザーアブレーション現象により非加熱で破壊除去されることが好ましいが、照射部表面層の一部であればレーザ照射により生じた熱により破壊除去されても構わない。

実施形態にかかる立体加工方法によれば、従来の立体加工方法のような、パターンの入れ替え作業による光変調素子の機械的変形作業が不要となる。また、従来のような被加工物と光変調素子の相対的な移動作業を行う必要がなくなることで、光変調素子と被加工物との頻繁な位置合わせも不要になる。その結果、作業時間の短縮と工程の簡略化を図ることができる。

[被加工物・用途]
被加工物としては、高分子材料、例えばポリイミド等が挙げられる。被加工物が高分子材料の場合には、光変調素子のパターンに忠実に形成することができるからである。目標とする立体形状としては、例えば断面形状が山切形状等が挙げられ、また表面から裏面まで貫通したような形状も挙げられる。本実施形態の用途としてはマイクロレンズアレイ、フレネルレンズ、プリズムシート、拡散板、インクジェットプリンタ用のノズル孔等が挙げられる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。例えば、光変調素子１の設計手順の欄で説明した工程を備える光変調素子１の設計方法もしくは光変調素子１の設計プログラムが提供される。また光変調素子１の設計プログラムが格納された情報伝達媒体およびかかる情報伝達媒体を備える光変調素子の製造装置が提供される。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

[実施例１]
[振幅変調型光変調素子を用いた場合]
以下の条件で図９のプリズム板４３を作製した。
（１）振幅変調型光変調素子１１Ａの作製
上記実施形態に基づき、図１２（ｂ）、（ｃ）に示す振幅変調型光変調素子１１Ａを作製した。その際、被加工物４として１００μｍ厚のポリイミドのフィルムを用いた。この材料の吸収係数αは１．４３μｍ^−１、アブレーション閾値Ｉｔｈは２００ｍＪ/ｃｍ²であった。照射回数ｍを１０回、最大光強度を１１００ｍＪ/ｃｍ²（光変調素子がない場合の光強度）とした。また図１１の開口率Ｄ１に基づき、光遮蔽膜として厚み１０００Åのクロム膜を被加工物４に、図１２（ｂ）（ｃ）に示すようにパターニングした。その際、例えば開口率０．４３の単位領域には、一辺０．７５μｍ(=（１−０．４３）^１/２×１．０μｍ)の正方形の遮光領域を配置した。

（２）アブレーション加工
図１２（ｂ）（ｃ）のパターンが繰り返されたパターンを有する振幅変調型光変調素子１１Ａ、図１、図２の装置を用いて計１０回のアブレーション加工を行い、被加工材料の主表面上に鋭角部４３ａ、４３ｂ、４３ｃを加工した。その際の光学系の条件は以下の通りとした。
光源：ＸｅＣｌエキシマレーザ、波長３０８ｎｍ、発振時間３０ｎｓ
結像レンズ：倍率１／５（縮小）、像側開口数０．１５
コヒーレントファクタ：０．５
この条件でのエアリーディスクの半径Ｒは
Ｒ=０．６１λ／ＮＡ＝１．２５μｍ
単位領域として、この値より小さい一辺１μｍの正方形を設定した。ただし、この値は像面での値であり、光変調素子面での実際の値はこの５倍となる。

（３）結果
図９に示すような鋭角部４３ａ、４３ｂ、４３ｃがシャープなプリズム板４３を得た。以上の結果、従来のように光変調素子の機械的変形や被加工物との相対的移動を伴わずに簡易に三次元加工できることが実施例により示された。

[実施例２]
[位相変調型光変調素子を用いた場合]
振幅変調型光変調素子１１Ａを図１３（ｂ）（ｃ）に示す位相変調型光変調素子１２Ａに置き換えたことを除き、実施例１と同様に実験を行った。位相変調型光変調素子１２の作製条件は以下の通りであった。

位相変調型光変調素子１２としては、二種類の位相変調領域からなるものを用いた。位相変調量θを１３５°とし、その値を実現するために式（１０）から凹部深さ（凸部高さ）を２６０ｎｍ（＝１３５/３６０×３０８ｎｍ／（１．４５−１））とした。このとき、光透過性基板の屈折率ｎを１．４５とした。

図９に示すような、鋭角部がシャープな形状のプリズム板４３が得られた。以上の結果、従来のように光変調素子の機械的変形や被加工物との相対的移動を伴わずに簡易に三次元加工できることが実施例２により示された。

実施形態にかかる立体加工装置３０の概略図を示す。 実施形態にかかる照明装置２の内部構成の概略図を示す。 実施形態にかかる振幅変調型光変調素子１１の正面図を示す。 実施形態にかかる振幅変調型光変調素子１１の側面図を示す。 実施形態にかかる位相変調型光変調素子１２の正面図を示す。 実施形態にかかる位相変調型光変調素子１２の断面図を示す。 （ａ）は、結像装置３から照射された光束の被加工物４に対する像面３ｆを示し、（ｂ）は、像面３ｆにおける点像分布関数を破線で示す直径２Ｒの円筒形３ｅで近似した点像分布関数を示し、（ｃ）は、光変調素子１上の直径２Ｒの円内の複素振幅分布を積分した結果を示し、（ｄ）点像分布範囲内における光強度の概念図を示す。 （ａ）は、結像装置３における瞳関数を示し、（ｂ）は点像分布関数を示す。 実施形態にかかるプリズム板４３の側面図を示す。 開口率Ｄ１、Ｄ２を求めるためのフローチャートを示す。 開口率Ｄ１、Ｄ２を求めるための計算過程を示す。 （ａ）は被加工物の目標形状を示し、（ｂ）は振幅変調型光変調素子１１Ａの正面図を示し、（ｃ）は振幅変調型光変調素子１１Ａの側面図を示し、（ｄ）は振幅変調型光変調素子１１Ａのｘ座標に対する像面光強度を示す。 （ａ）は被加工物の目標形状を示し、（ｂ）は位相変調型光変調素子１２Ａの正面図を示し、（ｃ）は位相変調型光変調素子１２Ａの側面図を示し、（ｄ）は位相変調型光変調素子１２Ａのｘ座標に対する像面光強度を示す。

符号の説明

１：光変調素子
１１：振幅変調型光変調素子
１２：位相変調型光変調素子
２：照明装置
３：結像装置
４：被加工物
３０：立体加工装置

Claims (20)

1. 複数の単位領域を備える光変調素子に光束を透過して光束を光変調する工程と、
   前記光変調された光束を点像分布範囲を有する結像装置により、光強度分布に階調が生じるように結像する工程と、
   前記光強度分布で結像された光束を被加工物に照射して前記被加工物の照射部表面層を破壊除去する工程
   とを含み、
   前記点像分布範囲は、前記結像装置の結像側開口数及び前記光束の波長から与えられる点像分布関数が中心のピークから最初に０となる点までを半径とする領域に相当する前記結像装置の結像面における領域で規定され、前記結像面に換算した前記単位領域のそれぞれの大きさは、前記点像分布範囲より小さいことを特徴とする立体加工方法。
2. 前記光変調素子は、前記単位領域の中に異なる複素振幅透過率の領域が混在することを特徴とする請求項１記載の立体加工方法。
3. 前記光変調素子は、前記複素振幅透過率分布の前記単位領域内での平均値の絶対値が面内位置により変化するものであることを特徴とする請求項２記載の立体加工方法。
4. 前記光変調素子は、互いに隣接しあう三つ以上の前記単位領域において、複素振幅透過率の平均値の絶対値が面内座標に沿って単調に増加する部分を含むことを特徴とする請求項３記載の立体加工方法。
5. 前記光変調素子は、前記単位領域の中に異なる振幅透過率の領域が混在することを特徴とする請求項２記載の立体加工方法。
6. 前記光変調素子は、前記複数の単位領域内にそれぞれ光遮蔽膜が設けられていることを特徴とする請求項５記載の立体加工方法。
7. 前記光変調素子は、前記単位領域の中に異なる位相変調量の領域が混在することを特徴とする請求項２記載の立体加工方法。
8. 前記光変調素子は、光透過性基材の主表面に段差が形成されるように、前記複数の単位領域内にそれぞれ凹部が形成されていることを特徴とする請求項７記載の立体加工方法。
9. 前記複数の凹部は、それぞれ異なる深さを有することを特徴とする請求項８記載の立体加工方法。
10. 前記被加工物は高分子材料であることを特徴とする請求項１記載の立体加工方法。
11. 光束を出射する照明装置と、
    複数の単位領域を有し、前記照明装置の出射側に設けられた前記光束を光変調する光変調素子と、
    前記光変調素子の出射側に設けられ、前記光変調素子により光変調された光束を、光強度分布に階調が生じるように結像する結像装置と、
    前記結像装置の出射側に設けられた被加工物を支持するステージとを備え、
    前記点像分布範囲は、前記結像装置の結像側開口数及び前記光束の波長から与えられる点像分布関数が中心のピークから最初に０となる点までを半径とする領域に相当する前記結像装置の結像面における領域で規定され、前記結像面に換算した前記単位領域のそれぞれの大きさは、前記点像分布範囲より小さく、
    前記光強度分布で結像された光束を被加工物に照射して、前記被加工物の照射部表面層を破壊除去することを特徴とする立体加工装置。
12. 前記光変調素子は、前記単位領域の中に異なる複素振幅透過率の領域が混在することを特徴とする請求項１１記載の立体加工装置。
13. 前記光変調素子は、前記複素振幅透過率分布の前記単位領域内での平均値の絶対値が面内位置により変化するものであることを特徴とする請求項１２記載の立体加工装置。
14. 前記光変調素子は、互いに隣接しあう三つ以上の前記単位領域において、複素振幅透過率の平均値の絶対値が面内座標に沿って単調に増加する部分を含むことを特徴とする請求項１３記載の立体加工装置。
15. 前記光変調素子は、前記単位領域の中に異なる振幅透過率の領域が混在することを特徴とする請求項１２記載の立体加工装置。
16. 前記光変調素子は、前記複数の単位領域内にそれぞれ光遮蔽膜が設けられていることを特徴とする請求項１５記載の立体加工装置。
17. 前記光変調素子は、前記単位領域の中に異なる位相変調量の領域が混在することを特徴とする請求項１２記載の立体加工装置。
18. 前記光変調素子は、光透過性基材の主表面に段差が形成されるように、前記複数の単位領域内にそれぞれ凹部が形成されていることを特徴とする請求項１７記載の立体加工装置。
19. 前記複数の凹部は、それぞれ異なる深さを有することを特徴とする請求項１８記載の立体加工装置。
20. 前記被加工物は高分子材料であることを特徴とする請求項１１記載の立体加工装置。

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