KR102047612B1 - 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계 - Google Patents

레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1)는, 입사 레이저광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형(整形)하는 강도 변환 렌즈(24)와, 강도 변환 렌즈(24)로부터의 출사 레이저광을 변조하여 파면 제어를 행하는 광 변조 소자(34)와, 광 변조 소자(34)로부터의 출력 레이저광을 집광하는 집광 광학계(36)와, 광 변조 소자(34)와 집광 광학계(36)와의 사이에 배치되며, 강도 변환 렌즈(24)로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 원하는 강도 분포로 분포하는 면(24x)과 광 변조 소자(34)의 변조면(34a)과의 사이에 입사측 결상면을 가지고, 집광 광학계(36)의 동면(瞳面, 36a)에 출사측 결상면을 가지는 결상 광학계(30)를 구비한다.

Description

레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계{OPTICAL SYSTEM FOR LASER OPTICAL RECTIFICATION AND WAVE FRONT CONTROL}
본 발명은, 레이저광의 강도 분포를 임의의 강도 분포로 정형(整形)함과 아울러, 해당 레이저광의 파면(波面)도 제어하는 광학계에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저광은, 가우시안 분포와 같이, 중앙 근방이 가장 강하고, 주변을 향하여 점차 약해지는 강도 분포를 가지는 것이 많다. 그렇지만, 레이저 가공 등에서는, 공간적으로 균일한 강도 분포를 가지는 레이저광이 요구되고 있다. 이 점에 관해, 특허 문헌 1에는, 레이저광의 강도 분포를 공간적으로 균일한 강도 분포로 정형하는 레이저광 정형용 광학계로서, 비구면(非球面) 렌즈형의 호모지나이저(homogenizer)를 구비하는 것이 개시되어 있다. 이 특허 문헌 1에 개시된 레이저광 정형용 광학계는, 호모지나이저로부터의 출사 레이저광이 전파 거리에 따라 왜곡된다고 하는 문제를 해결하기 위해서, 호모지나이저 직후에 전사(轉寫) 렌즈계(결상 광학계)를 구비하고 있다.
또, 레이저 가공 등에서는, 미세 가공을 행할 수 있는 것이 요구되고 있다. 예를 들면, 광도파로(光導波路) 등의 개질층을 형성하는 경우에는, 집광점(集光点)이 매우 작은 것이 요구되고 있다. 그렇지만, 가공 위치가 깊게 되면, 수차(收差, 파면 왜곡)에 의해서 집광 영역이 신장하기 때문에, 양호한 가공 상태를 유지하는 것이 곤란해진다. 이 점에 관해, 특허 문헌 2 및 3에는, 레이저광의 수차를 보정하는 광학계, 즉, 레이저광의 파면을 제어하는 파면 제어용 광학계로서, 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator：SLM)를 구비하는 것이 개시되어 있다. 또한, 특허 문헌 2에 개시된 파면 제어용 광학계는, SLM에서의 파면 형상과 집광 광학계에서의 파면 형상을 일치시키기 위해서, SLM와 집광 광학계와의 사이에 조정 광학계(결상 광학계)를 구비하고 있다.
특허 문헌 1 : 일본특허공개 제2007－310368호 공보 특허 문헌 2 : 일본특허공개 제2009－034723호 공보 특허 문헌 3 : 일본특허공개 제2010－075997호 공보
본원 발명자들은, 레이저광의 강도 분포를 공간적으로 균일한 강도 분포로 정형하는 것과, 레이저광의 파면을 제어하는 것을 양립하는 것을 시도했다. 그렇지만, 특허 문헌 1에 개시된 레이저광 정형용 광학계에서, 호모지나이저와 결상 광학계와의 사이에 SLM을 구비하면, 결상 광학계의 입사측 결상면이 호모지나이저의 출사면에 설정되어 있으므로, SLM의 출력상(出力像)이 집광 광학계에 결상되지 않고, 파면 제어(수차 보정)가 충분히 행해지지 않는다고 하는 문제가 생겨 버린다.
한편, 특허 문헌 2에 개시된 파면 제어용 광학계에서, SLM의 전단(前段)에 호모지나이저를 구비하면, 결상 광학계의 입사측 결상면이 SLM의 변조면에 설정되어 있으므로, 호모지나이저의 출력상이 집광 광학계에 결상되지 않고, 정형한 레이저광의 강도 분포가 왜곡되어 버린다고 하는 문제가 생겨 버린다.
이에, 본 발명은, 레이저광의 강도 분포를 임의의 강도 분포로 정형하는 것과, 레이저광의 파면을 제어하는 것을 간이하게 양립하는 것이 가능한 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계는, 입사 레이저광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형(整形)함과 아울러 상기 입사 레이저광의 파면을 변화시키는 강도 변환 렌즈와, 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저광을 변조하여 파면 제어를 행하는 광 변조 소자와, 광 변조 소자로부터의 출력 레이저광을 집광(集光)하는 집광 광학계와, 광 변조 소자와 집광 광학계와의 사이에 배치되며, 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 원하는 강도 분포로 분포하는 면과 광 변조 소자의 변조면과의 사이에 입사측 결상면을 가지고, 집광 광학계에 출사측 결상면을 가지는 결상 광학계를 구비한다.
이 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계에 의하면, 결상 광학계가, 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 원하는 강도 분포로 분포하는 면과 광 변조 소자의 변조면과의 사이에 입사측 결상면을 가지므로, 강도 변환 렌즈에 의해서 정형된 원하는 강도 분포와, 광 변조 소자에 의해서 제어된 파면을 함께 집광 광학계로 옮길 수 있다. 따라서, 레이저광의 강도 분포를 임의의 강도 분포로 정형하는 것과, 레이저광의 파면을 제어하는 것을 간이하게 양립하는 것이 가능해진다.
여기서, 강도 변환 렌즈는, 입사 레이저광의 강도 분포를 정형하는 것이지만, 동시에 입사 레이저광의 파면(환언하면, 입사 레이저광의 위상)도 변화시키게 된다. 이 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계에서는, 이 강도 변환 렌즈에 의한 파면(수차)의 변화를 이용하는 것에 의해, 광 변조 소자만으로 파면 제어를 행하는 경우에 비해, 파면 제어 분해능을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기의 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 원하는 강도 분포로 분포하는 면이, 광 변조 소자의 변조면에 위치하고, 상기의 결상 광학계는, 광 변조 소자의 변조면에 입사측 결상면을 가지고 있어도 괜찮다.
이 구성에 의하면, 강도 변환 렌즈에 의해서 정형된 원하는 강도 분포와, 광 변조 소자에 의해서 제어된 파면을 보다 엄밀하게 집광 광학계로 옮길 수 있다.
상기의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계는, 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 원하는 강도 분포로 분포하는 면에 배치되며, 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저광의 위상을 맞추어 평면파로 보정하는 위상 보정 렌즈를 더 구비해도 괜찮다.
이 구성에서도, 강도 변환 렌즈에 의해서 정형된 원하는 강도 분포와, 광 변조 소자에 의해서 제어된 파면을 함께 집광 광학계로 옮길 수 있다. 따라서, 레이저광의 강도 분포를 임의의 강도 분포로 정형하는 것과, 레이저광의 파면을 제어하는 것을 간이하게 양립하는 것이 가능해진다.
여기서, 상술한 바와 같이, 위상 보정 렌즈를 구비하지 않고 강도 변환 렌즈만을 구비하는 구성에서는, 강도 변환 렌즈에 의한 파면 변화를 이용할 수 있어, 수차의 보정에 대해서 유효했다. 그렇지만, 재료의 표면을 다점가공(多点加工)하는 경우와 같이 수차의 보정이 필요하게 되지 않는 경우에는, 위상 보정 렌즈를 더 구비하는 이 구성이 유효하다. 재료의 표면을 다점가공하는 경우, 강도 변환 렌즈만을 이용하는 구성을 적용하면, 광 변조 소자에서는, 강도 변환 렌즈에 의해서 발생하는 파면 변화를 보정함과 아울러, 다점을 형성하기 위한 파면 변화를 제어할 필요가 있다. 이 때문에, 광 변조 소자에서 실현하는 파면 제어량이 증가해 버린다.
그렇지만, 위상 보정 렌즈를 더 구비하는 이 구성에 의하면, 위상 보정 렌즈에 의해서, 강도 변환 렌즈로부터의 출력 레이저광의 위상을 맞추어 평면파로 보정하므로, 광 변조 소자에서는, 다점을 형성하기 위한 파면 변화만을 실현하면 좋게 된다. 따라서, 광 변조 소자에 의해 실현하는 파면 제어량이 증가하지 않는다.
본 발명에 의하면, 레이저광의 강도 분포를 임의의 강도 분포로 정형하는 것과, 레이저광의 파면을 제어하는 것을 간이하게 양립할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 비교예에 관한 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계를 나타내는 구성도이다.
도 2는 호모지나이저에서의 입사 레이저광의 강도 분포의 일례 및 출사 레이저광의 원하는 강도 분포의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 호모지나이저에서의 비구면 렌즈 사이의 광로특정의 개략도이다.
도 4는 강도 변환용 비구면 렌즈의 형상의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 위상 보정용 비구면 렌즈의 형상의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 강도 변환용 비구면 렌즈의 출사 레이저광의 강도 분포를 계측하기 위한 계측계를 나타내는 도면이다.
도 7은 강도 변환용 비구면 렌즈의 입사 레이저광 및 출사 레이저광의 강도 분포의 계측 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 비교예에 관한 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계를 나타내는 구성도이다.
도 9는 강도 변환용 비구면 렌즈의 출사 레이저광의 광로특정(光路特定)의 개략도이다.
도 10은 집광 렌즈의 동면(瞳面)에서의 강도 분포의 계측 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 투명 매질 내부의 집광 특성을 촬상(撮像)하기 위한 촬상계를 나타내는 도면이다.
도 12는 투명 매질 내부의 집광 특성의 촬상 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계를 나타내는 구성도이다.
도 14는 강도 변환용 비구면 렌즈에 의해서 발생하는 파면 왜곡을 나타내는 도면이다.
도 15는 강도 변환용 비구면 렌즈에 의한 파면 변화를 이용하는 경우와 이용하지 않는 경우와의 투명 매질 내부의 집광 특성을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계를 나타내는 구성도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에서 동일 또는 상당한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하기로 한다.
본 발명의 실시 형태를 설명하기 전에, 본 발명의 비교예에 대해서 설명한다. 우선, 제1 비교예에서는, 레이저광의 강도 분포를 정형(整形)하는 호모지나이저(homogenizer)와 레이저광의 파면(波面) 제어를 행하는 공간 광 변조기(광 변조 소자：이하, SLM이라고 함)를 구비하며, 게다가, 호모지나이저에 의해서 정형된 강도 분포와 SLM에 의해서 제어된 파면을 함께 임의의 위치로 옮기기 위해서 2개의 결상 광학계를 구비하는 형태를 고안했다.
[제1 비교예］
도 1은, 본 발명의 제1 비교예에 관한 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계를 나타내는 구성도이다. 이 제1 비교예의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1X)는, 레이저 광원(12)과, 공간 필터(14)와, 콜리메이트 렌즈(16)와, 반사경(18, 20, 22)과, 호모지나이저(26)와, 결상 광학계(28, 30X)와, 프리즘(32)과, SLM(34)과, 집광 렌즈(집광 광학계, 36)를 구비하고 있다.
레이저 광원(12)는, 예를 들면, Nd：YAG 레이저이다. 공간 필터(14)는, 예를 들면, 배율 10배의 대물 렌즈와, 직경 Φ = 50μm인 핀 홀(pin hole)을 구비한다. 콜리메이트 렌즈(16)는, 예를 들면, 평볼록 렌즈이다. 이와 같이, 레이저 광원(12)으로부터 출사한 레이저광이 공간 필터(14) 및 콜리메이트 렌즈(16)를 통과하는 것에 의해, 강도 분포가 동심원 모양의 가우시안 분포로 정형되게 된다(도 2의 Oi). 강도 분포가 정형된 레이저광은, 반사경(18)에 의해서 90도 방향 전환되어, 호모지나이저(26)로 입사한다.
호모지나이저(26)는, 레이저광의 강도 분포를 임의의 형상으로 정형하기 위한 것이다. 호모지나이저(26)는, 한 쌍의 비구면 렌즈(24, 25)를 구비한다. 호모지나이저(26)에서는, 입사측 비구면 렌즈(24)가, 레이저광의 강도 분포를 임의의 형상으로 정형하는 강도 변환용 비구면 렌즈로서 기능을 하고, 출사측 비구면 렌즈(25)가, 정형된 레이저광의 위상을 맞추어 평면파로 보정하는 위상 보정용 비구면 렌즈로서 기능을 한다. 이 호모지나이저(26)에서는, 한 쌍의 비구면 렌즈(24, 25)의 비구면의 형상 설계에 의해, 입사 레이저광(Oi)의 강도 분포를 원하는 강도 분포로 정형한 출사 레이저광(Oo)을 생성하는 것이 가능해진다.
이하에서는, 호모지나이저(26)에서의 한 쌍의 비구면 렌즈(24, 25)의 비구면의 형상 설계의 일례를 예시한다. 예를 들면, 원하는 강도 분포를, 레이저 가공 장치에서 요구되는 공간적으로 균일한 강도 분포, 즉, 슈퍼(super) 가우시안 분포로 설정하는 것으로 한다(도 2의 Oo). 여기서, 원하는 강도 분포는, 출사 레이저광(Oo)의 에너지(원하는 강도 분포의 면적)가 입사 레이저광(Oi)의 에너지(강도 분포의 면적)와 동일하게 되도록 설정될 필요가 있다. 따라서, 예를 들면, 슈퍼(super) 가우시안 분포의 설정은 이하와 같이 행하면 좋다.
입사 레이저광(Oi)의 강도 분포는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 동심원 모양의 가우시안 분포(파장 1064nm, 빔 지름 5.6mm at 1/e2, ω = 2.0mm)이다. 가우시안 분포는 하기 (1)식에 의해 나타내어지므로, 입사 레이저광(Oi)의 반경 6mm의 범위내의 에너지는 하기 (2)식이 된다.
[수식 1]
Figure 112018002286113-pat00001
[수식 2]
Figure 112018002286113-pat00002
이 경우, 가우시안 분포는 반경 0mm를 중심으로 하여 회전 대칭이 되기 때문에, 1차원 해석에 의해 비구면 형상을 설계하게 된다.
한편, 출사 레이저광(Oo)의 원하는 강도 분포는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 슈퍼(super) 가우시안 분포(차수 N = 8, ω = 2.65mm)로 설정한다. 슈퍼(super) 가우시안 분포는 하기 (3)식에 의해 나타내어지므로, 하기 (4)식과 같이 출사 레이저광(Oo)의 반경 6mm의 범위 내의 에너지가 입사 레이저광(Oi)의 에너지와 동일하게 되기 위해서는, 출사 레이저광(Oo)의 강도 균일부의 값은 E0 = 0.687로 설정하게 된다.
[수 3]
Figure 112018002286113-pat00003
[수 4]
Figure 112018002286113-pat00004
또한, 본 수법에 근거하면, 정형후의 출사 레이저광의 원하는 강도 분포도 규정의 함수 뿐만 아니라, 임의의 강도 분포로 하는 것도 가능하다.
그 후, 도 3에 나타내는 바와 같이, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에서의 입사 레이저광(Oi)의 강도 분포가 위상 보정용 비구면 렌즈(25)에서 원하는 강도 분포를 가지는 출사 레이저광(Oo)이 되도록, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 비구면(24a)으로부터 위상 보정용 비구면 렌즈(25)의 비구면(25a)으로의 광로로서, 비구면 렌즈의 반경 방향의 임의의 좌표에서의 광로(P1 ~ P8)를 구한다.
그 후, 구한 광로(P1 ~ P8)에 근거하여, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 비구면(24a)의 형상을 구한다. 구체적으로는, 광로(P1 ~ P8)가 얻어지도록, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 중심을 기준으로 하여 반경(r1) 방향의 각 좌표에서의 비구면(24a)의 고저차(高低差)를 구한다. 그러면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 비구면(24a)의 형상이 구해진다.
한편, 위상 보정용 비구면 렌즈(25)의 비구면(25a)의 형상은, 광로(P1 ~ P8)에서의 레이저광의 위상을 맞추어 평면파가 되도록 구한다. 구체적으로는, 위상 보정용 비구면 렌즈(25)의 중심을 기준으로 하여 반경(r2) 방향의 각 좌표에서의 비구면(25a)의 고저차를 구한다. 그러면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 위상 보정용 비구면 렌즈(25)의 비구면(25a)의 형상이 구해진다.
또한, 도 4 및 도 5는, 비구면 렌즈(24, 25)의 재료로서 CaF2(n = 1.42)를 사용하고, 비구면(24a)의 중심 위치(좌표 r1 = 0의 위치)와 비구면(25a)의 중심 위치(좌표 r2 = 0의 위치)와의 간격을 L = 165mm로 하여 설계했을 때의 일례이다.
도 1로 되돌아와, 호모지나이저(26)에 의해서 원하는 강도 분포로 정형된 레이저광(Oo)은, 반사경(20)에 의해서 90도 방향 전환되어, 결상 광학계(28)로 입사 한다.
결상 광학계(28)는, 한 쌍의 렌즈(28a, 28b)를 가지며, 입사측 결상면에서의 레이저광을 출사측 결상면에 결상한다. 결상 광학계(28)의 입사측 결상면은, 호모지나이저(26)의 출사면, 즉, 위상 보정용 비구면 렌즈(25)의 출사면(25b)에 설정되어 있고, 출사측 결상면은, SLM(34)의 변조면(34a)에 설정되어 있다. 또한, 결상 광학계(28)는, 입사측 결상면에서의 레이저광의 빔 지름을 SLM(34)의 변조면(34a)의 크기에 적합하게 하는 확대 광학계 혹은 축소 광학계로서 기능을 해도 괜찮다. 이것에 의해, SLM(34)의 변조면(34a)에서의 화소 영역을 유효하게 이용하는 것이 가능해진다. 결상 광학계(28)로부터 출력되는 레이저광은, 프리즘(32)으로 입사한다.
프리즘(32)은, 입사하는 레이저광을 방향 전환시켜, SLM(34)으로 입사시킴과 아울러, SLM(34)으로부터의 레이저광을 방향 전환시켜, 결상 광학계(30)로 입사시킨다.
SLM(34)은, 예를 들면, LCOS－SLM(Liquid Crystal on Silicon - Spatial Light Modulator)이며, 프리즘(32)으로부터의 레이저광의 위상을 변조하여 파면 제어를 행한다. 예를 들면, 집광 렌즈(36)에서 집광한 레이저광에 의해서 투명 매질 내부의 가공을 행하는 경우, 투명 매질 내부에서 발생하는 구면 수차를 보정하는 보정 파면을 설정한다.
결상 광학계(30X)는, 한 쌍의 렌즈(30Xa, 30Xb)를 가지며, 입사측 결상면에서의 레이저광을 출사측 결상면에 결상한다. 결상 광학계(30X)의 입사측 결상면은, SLM(34)의 변조면(34a)에 설정되어 있고, 출사측 결상면은, 집광 렌즈(36)의 동면(瞳面, 36a)에 설정되어 있다. 본 형태에서는, 렌즈(30Xa, 30Xb)의 사이에 반사경(22)이 배치되어 있다. 또한, 결상 광학계(30X)는, 입사측 결상면에서의 레이저광의 빔 지름을 집광 렌즈(36)의 동면(36a)의 동(瞳) 지름에 적합하게 하는 확대 광학계 혹은 축소 광학계로서 기능을 해도 괜찮다. 이것에 의해, 레이저광을 집광 렌즈(36)로 효율적으로 안내하는 것이 가능해진다.
집광 렌즈(36)는, 결상 광학계(30X)로부터의 레이저광을 원하는 위치, 예를 들면 투명 매질 내부의 가공 위치로 집광한다.
이 제1 비교예의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1X)에 의하면, 호모지나이저(26)에 의해서 정형된 강도 분포를, 결상 광학계(28, 30X)에 의해서 집광 렌즈(36)의 동면(36a)으로 엄밀하게 옮길 수 있고, SLM(34)에 의해서 제어된 파면을, 결상 광학계(30X)에 의해서 집광 렌즈(36)의 동면(36a)으로 엄밀하게 옮길 수 있다. 따라서, 레이저광의 강도 분포를 임의의 강도 분포로 정형하는 것과, 레이저광의 파면을 제어하는 것을 양립하는 것이 가능해진다.
여기서, 호모지나이저(26)에서의 강도 변환용 비구면 렌즈(24)로부터의 출사 레이저광의 공간 모드(강도 분포)를, 도 6에 나타내는 바와 같이, 결상 렌즈계(41)을 통하여 빔 프로파일러(beam profiler, 42)에 의해서 계측했다. 또, 결상 렌즈계(41) 및 빔 프로파일러(42)에 의해서, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)로의 입사 레이저광의 공간 모드(강도 분포)도 계측했다. 이들 계측 결과를 도 7에 나타낸다.
도 7의 (a)는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)로의 입사 레이저광의 공간 모드(강도 분포)의 계측 결과이고, 도 7의 (b) ~ (f)는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)로부터의 출사 레이저광이 각각 50mm ~ 170mm 전파한 후의 공간 모드(강도 분포)의 계측 결과이다. 이것으로부터, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의하면, 렌즈 간격 설계값인 L = 165mm 정도 전파(傳播) 후에, 레이저광의 강도 분포를 공간적으로 균일한 강도 분포, 즉 슈퍼(super) 가우시안 분포로 거의 설계한 대로 정형할 수 있는 것이 확인되었다.
또, 렌즈 간격 설계값 L = 165mm로부터 벗어났다고 하여, 강도 분포가 급격하게 변화하는 것은 아닌 것이 확인되었다. 이 결과는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 원하는 강도 분포가 얻어지는 위치와, 결상 광학계의 입사측 결상면을 엄밀하게 일치시키지 않아도, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 정형된 강도 분포를, 결상 광학계에 의해서 임의의 위치로 옮길 수 있는 것을 나타내고 있다.
이에, 제2 비교예에서는, 제1 비교예에서 호모지나이저에서의 위상 보정용 비구면 렌즈를 구비하고 있지 않은 형태를 고안했다.
[제2 비교예］
도 8은, 본 발명의 제2 비교예에 관한 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계를 나타내는 구성도이다. 이 제2 비교예의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1Y)는, 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1X)에서 호모지나이저(26)를 대신하여 강도 변환용 비구면 렌즈(24)만을 구비하는 구성에서 제1 비교예와 다르다. 제2 비교예의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1Y)의 그 외의 구성은, 제1 비교예의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1)와 동일하다.
강도 변환용 비구면 렌즈(24)는, 상술한 바와 같이, 레이저광의 강도 분포를 임의의 형상으로 정형하기 위한 것이며, 비구면(24a)의 형상 설계에 의해, 입사 레이저광(Oi)의 강도 분포를 원하는 강도 분포로 정형한 출사 레이저광(Oo)을 생성하는 것이 가능해진다.
예를 들면, 도 9에 나타내는 바와 같이, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에서의 입사 레이저광(Oi)의 강도 분포(상술한 바와 같이, 가우시안 분포)가 원하는 면(24x)에서 원하는 강도 분포(상술한 바와 같이, 슈퍼(super) 가우시안 분포)를 가지는 출사 레이저광(Oo)이 되도록, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 비구면(24a)으로부터 원하는 면(24x)으로의 광로로서, 비구면 렌즈의 반경 방향의 임의의 좌표에서의 광로(P1 ~ P8)를 구한다.
그 후, 상술한 바와 같이, 구한 광로(P1 ~ P8)에 근거하여, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 비구면(24a)의 형상을 구한다. 구체적으로는, 광로(P1 ~ P8)가 얻어지도록, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 중심을 기준으로 하여 반경(r1) 방향의 각 좌표에서의 비구면(24a)의 고저차를 구한다. 그러면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 비구면(24a)의 형상이 구해진다. 또한, 도 4는, 비구면(24a)의 중심 위치(좌표 r1 = 0의 위치)와 원하는 면(24x)과의 간격을 L = 165mm로 하여 설계했을 때의 일례이다.
도 8로 되돌아와, 결상 광학계(28)의 입사측 결상면은, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 원하는 강도 분포로 분포하는 면(24x)에 설정되어 있다.
이 제2 비교예의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1Y)에 의하면, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 정형된 강도 분포로서 원하는 면(24x)에서의 강도 분포를, 결상 광학계(28, 30X)에 의해서 집광 렌즈(36)의 동면(36a)으로 엄밀하게 옮길 수 있고, SLM(34)에 의해서 제어된 파면을, 결상 광학계(30X)에 의해서 집광 렌즈(36)의 동면(36a)으로 엄밀하게 옮길 수 있다. 따라서, 레이저광의 강도 분포를 임의의 강도 분포로 정형하는 것과, 레이저광의 파면을 제어하는 것을 양립하는 것이 가능해진다.
여기서, 제2 비교예의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1Y)에서, 집광 렌즈(36)의 동면(36a) 상의 공간 모드(강도 분포)를, 결상 렌즈계(41)를 통하여 빔 프로파일러(42)를 이용하여 계측했다. 이 계측 결과를 도 10에 나타낸다. 이것에 의하면, 상술한 바와 같이, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 정형된 강도 분포로서 원하는 면(24x)에서의 강도 분포를, 결상 광학계(28, 30X)에 의해서 집광 렌즈(36)의 동면(36a)으로 옮길 수 있는 것이 확인되었다.
또, 도 11에 나타내는 바와 같이, 제2 비교예의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1Y)에서, 집광 렌즈(36)의 집광부에 투명 재료(50)를 배치하고, 투명 재료(50) 내부의 집광 특성을 측면으로부터 렌즈(51)를 통하여 CCD 카메라(52)로 촬상했다. 도 12는, SLM(34)에 의한 파면 제어에 의해서 구면 수차를 보정한 경우의 촬상 결과이며, 이것에 의하면, 1매의 비구면 렌즈(24)에 의해서 정형된 강도 분포를 옮기는 경우에도, 파면 제어가 유효하게 기능을 하는 것이 확인되었다.
여기서, 상술한 바와 같이, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 정형된 강도 분포는, 설계값으로부터 벗어났다고 하여 급격하게 변화하는 것은 아니다. 또, SLM(34)에 의해서 제어된 파면도 용도에 따라서는 엄밀하게 옮길 필요는 없다.
이에, 본원 발명자들은, 레이저광의 강도 분포를 임의의 강도 분포로 정형하는 것과, 레이저광의 파면을 제어하는 것을 간이하게 양립하는 것이 가능한 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계를 고안한다.
[제1 실시 형태］
도 13은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계를 나타내는 구성도이다. 이 제1 실시 형태의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1)는, 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1Y)에서 2개의 결상 광학계(28, 30X)를 대신하여 1개의 결상 광학계(30)를 구비하고 있는 구성에서 제2 비교예와 다르다. 제1 실시 형태의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1)의 그 외의 구성은, 제2 변형예의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1Y)와 동일하다.
결상 광학계(30)는, 한 쌍의 렌즈(30a, 30b)를 가지며, 입사측 결상면에서의 레이저광을 출사측 결상면에 결상한다. 결상 광학계(30)의 출사측 결상면은, 결상 광학계(30X)와 마찬가지로, 집광 렌즈(36)의 동면(36a)에 설정되어 있다. 그리고, 결상 광학계(30)는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 원하는 강도 분포로 분포하는 원하는 면(24x)과 SLM(34)의 변조면(34a)과의 사이에 입사측 결상면이 설정되어 있는 점에서 결상 광학계(30X)와 다르다. 본 실시 형태에서도, 렌즈(30a, 30b)의 사이에 반사경(22)이 배치되어 있다. 또한, 결상 광학계(30)도, 입사측 결상면에서의 레이저광의 빔 지름을 집광 렌즈(36)의 동면(36a)의 동 지름에 적합하게 하는 확대 광학계 혹은 축소 광학계로서 기능을 해도 괜찮다. 이것에 의해, 상술한 바와 같이, 레이저광을 집광 렌즈(36)로 효율적으로 안내하는 것이 가능해진다.
이 제1 실시 형태의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1)에 의하면, 결상 광학계(30)가, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 원하는 강도 분포로 분포하는 원하는 면(24x)과 SLM(34)의 변조면(34a)과의 사이에 입사측 결상면을 가지므로, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 정형된 원하는 강도 분포와, SLM(34)에 의해서 제어된 파면을 함께 집광 렌즈(36)의 동면(36a)으로 옮길 수 있다. 따라서, 레이저광의 강도 분포를 임의의 강도 분포로 정형하는 것과, 레이저광의 파면을 제어하는 것을 간이하게 양립하는 것이 가능해진다.
또, 제1 실시 형태의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1)에 의하면, 레이저광의 강도 분포를 균일화시키는 것에 의해서 집광 렌즈(36)의 실효적인 NA를 향상시킬 수 있으며, 이하에 상술하는 바와 같이, 강도 변환시에 발생하는 파면 변화를 이용하면 구면 수차를 보정하는 것이 가능해진다.
여기서, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)는, 입사 레이저광의 강도 분포를 정형하는 것이지만, 동시에 입사 레이저광의 파면(환언하면, 입사 레이저광의 위상)도 변화시키게 된다. 제1 실시 형태의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1)에서는, 이 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의한 파면의 변화를 이용하는 것에 의해, SLM(34)만으로 파면 제어를 행하는 경우에 비해, 파면 제어 분해능을 향상시키는 것이 가능해진다. 이하에서는, 이 작용 효과에 대해서 검증한다.
도 14는, 강도 변환용 비구면 렌즈에 의해서 발생하는 파면 왜곡을 나타내는 도면이다. 곡선(A)은, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 발생하는 파면 왜곡이며, 곡선(B)은, NA = 0.8, 초점 거리 f = 4mm인 대물 렌즈를 이용하여 합성 석영(合成 石英) 중의 깊이 1.5 mm의 위치에 레이저광을 집광시키는 경우에 발생하는 구면 수차를 보정하기 위해서 필요하게 되는 보정 파면이다. 이와 같이, 양자의 파면은 유사하므로, 강도 변환용 비구면 렌즈에 의해서 발생하는 파면 변화에 의해서 구면 수차를 보정하는 것이 가능해진다.
이것으로부터, SLM(34)에서는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 발생하는 파면과 구면 수차를 보정시키기 위해서 필요하게 되는 보정 파면이 일치하지 않은 양만큼 파면 보정을 행하면 좋게 된다. 그 결과, SLM(34)만으로 구면 수차를 보정하는 경우에 비해, 파면 제어 분해능을 현격히 향상시키는 것이 가능해진다.
다음에, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의한 파면 변화를 이용한 경우의 투명 재료 내부의 집광 특성을 관측했다. 도 15의 (a)는, 제1 비교예, 즉, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의한 파면 변화를 위상 보정용 비구면 렌즈(25)에 의해서 보정해 버리는 경우의 투명 재료 내부의 집광 특성을 나타내는 도면이고, 도 15의 (b)는, 제2 비교예, 즉, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의한 파면 변화를 이용하는 경우의 투명 재료 내부의 집광 특성을 나타내는 도면이다. 도 15의 (a) 및 (b)에서는, 강도 변환용 비구면 렌즈에 의한 구면 수차 보정 효과를 명확하게 하기 위해서, SLM(34)에 의한 파면 보정은 행하지 않는 것으로 한다. 본 관측에서는, 도 11과 마찬가지로, 집광 렌즈(36)의 집광부에 투명 재료(50)를 배치하고, 투명 재료(50) 내부의 집광 특성을 측면으로부터 렌즈(51)를 통하여 CCD 카메라(52)로 촬상했다. 이것으로부터, 강도 변환용 비구면 렌즈를 단독으로 이용하는 것에 의해서, 구면 수차에 의한 집광부의 왜곡이 개선되는 것이 확인되었다.
[제2 실시 형태］
도 16은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계를 나타내는 구성도이다. 이 제2 실시 형태의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1A)는, 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1)에서 강도 변환용 비구면 렌즈(24)를 대신하여 호모지나이저(26)를 구비하는 구성에서 제1 실시 형태와 다르다. 즉, 제2 실시 형태의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1A)는, 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1)에 있어서 위상 보정용 비구면 렌즈(25)를 더 구비하는 구성에서 제1 실시 형태와 다르다. 제2 실시 형태의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1A)의 그 외의 구성은, 제1 실시 형태의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1)와 동일하다.
위상 보정용 비구면 렌즈(25)는, 상술한 바와 같이, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 정형된 레이저광의 위상을 맞추어 평면파로 보정하는 것이며, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 원하는 강도 분포로 분포하는 원하는 면(24x)에 배치되어 있다.
이 제2 실시 형태의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1A)에서도, 제1 실시 형태의 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계(1)와 마찬가지로, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 정형된 원하는 강도 분포와, SLM(34)에 의해서 제어된 파면을 함께 집광 렌즈(36)의 동면(36a)으로 옮길 수 있다. 따라서, 레이저광의 강도 분포를 임의의 강도 분포로 정형하는 것과, 레이저광의 파면을 제어하는 것을 간이하게 양립하는 것이 가능해진다.
여기서, 상술한 바와 같이, 위상 보정용 비구면 렌즈(25)를 구비하지 않고 강도 변환용 비구면 렌즈(24)만을 구비하는 제1 실시 형태에서는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의한 파면 변화를 이용할 수 있어, 구면 수차의 보정에 대해서 유효했다. 그렇지만, 재료의 표면을 다점가공하는 경우와 같이 구면 수차의 보정이 필요하게 되지 않은 경우에는, 위상 보정용 비구면 렌즈(25)를 더 구비하는 제2 실시 형태가 유효하다. 재료의 표면을 다점가공하는 경우, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)만을 이용하는 제1 실시 형태를 적용하면, SLM(34)에서는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 발생하는 파면 변화를 보정함과 아울러, 다점을 형성하기 위한 파면 변화를 제어할 필요가 있다. 이 때문에, SLM(34)에서 실현하는 파면 제어량이 증가해 버린다.
그렇지만, 위상 보정용 비구면 렌즈(25)를 더 구비하는 제2 실시 형태에 의하면, 위상 보정용 비구면 렌즈(25)에 의해서, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)로부터의 출사 레이저광의 위상을 맞추어 평면파로 보정하므로, SLM(34)에서는, 다점을 형성하기 위한 파면 변화만을 실현하면 좋게 된다. 따라서, SLM(34)에서 실현하는 파면 제어량이 증가하지 않는다.
또한, 본 발명은 상기의 본 실시 형태에 한정되지 않고 여러 가지의 변형이 가능하다. 예를 들면, SLM으로 제어할 수 있는 파면(위상 변조량)은 유한하므로, 위상 변조량이 큰 경우에는, SLM의 분해능이 부족하여 원하는 파면을 충분히 실현하는 것이 곤란해진다. 이 경우, 본 실시 형태에서는, SLM(34)에서, 2π 혹은 2π의 짝수배로 반복 표시시켜도 괜찮다.
또, 제1 실시 형태에서는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 원하는 강도 분포로 분포하는 원하는 면(24x)이, SLM(34)의 변조면(34a)에 설계되어도 괜찮다. 이 경우, 결상 광학계(30)의 입사측 결상면을 SLM(34)의 변조면(34a)에 설정하는 것에 의해, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)에 의해서 정형된 SLM(34) 상의 강도 분포와 SLM(34)에 의해서 제어된 파면을 함께, 집광 렌즈(36)의 동면(36a) 상에 엄밀하게 옮기는 것이 가능해진다.
또, 제1 실시 형태에서는, 비교예에서의 결상 광학계(28)에 의한 확대 광학계로서의 기능을 강도 변환용 비구면 렌즈(24)가 구비하고 있어도 괜찮다. 즉, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)가, 레이저광의 빔 지름을 SLM(34)의 변조면(34a)의 크기에 적합하게 하도록 확대하는 기능을 구비해도 괜찮다. 이것에 의해, SLM(34)의 변조면(34a)에서의 화소 영역을 유효하게 이용하는 것이 가능해진다.
또, 제1 실시 형태에서는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 설계에 따라서는 원하는 구면 수차 보정에 필요하게 되는 빔 지름(파면)을 강도 변환용 비구면 렌즈(24) 단독으로 실현하는 것이 가능한 경우도 있다. 한편, 강도 변환용 비구면 렌즈(24) 단독으로 원하는 구면 수차 보정에 필요하게 되는 빔 지름(파면)을 실현하는 것이 곤란한 경우에는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 입사 레이저광의 빔 지름과 출사 레이저광(강도 변환 후의 레이저광)의 빔 지름을 적절한 값으로 할 필요가 있다. 이를 위해서는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 전단(前段)에 확대 광학계, 혹은 축소 광학계를 배치하면 좋다.
한편, 제1 실시 형태에서, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)로부터의 출사 레이저광을 SLM(34)에 의해서 적극적으로 파면 제어를 행하는 경우, 피변조광(被變調光)과 SLM(34)의 변조면(34a)의 크기를 적합하게 하는 것에 의해, SLM(34)의 화소 영역을 유효하게 이용하는 것이 가능해진다. 이를 위해서는, 강도 변환용 비구면 렌즈(24)의 전단에 확대 광학계, 혹은 축소 광학계를 배치하면 좋다.
[산업상의 이용 가능성]
레이저광의 강도 분포를 임의의 강도 분포로 정형하는 것과, 레이저광의 파면을 제어하는 것을 간이하게 양립하는 용도에 적용할 수 있다.
1, 1A, 1X, 1Y　레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계
12　레이저 광원 14　공간 필터
16　콜리메이트 렌즈 18, 20, 22 반사경
24　강도 변환용 비구면 렌즈(강도 변환 렌즈)
24x　강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 원하는 강도 분포로 분포하는 면
25　위상 보정용 비구면 렌즈(위상 보정 렌즈)
26　호모지나이저 28, 30, 30X　결상 광학계
32　프리즘 34　공간 광 변조기(SLM：광 변조 소자)
34a　변조면 36　집광 렌즈(집광 광학계)
36a　동면 41　결상 렌즈계
42　빔 프로파일러 50　투명 재료
51　렌즈 52　CCD 카메라

Claims (3)

  1. 입사 레이저광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형(整形)함과 아울러 상기 입사 레이저광의 파면을 변화시키는 강도 변환 렌즈와,
    상기 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저광을 변조하여 파면(波面) 제어를 행하는 광 변조 소자와,
    상기 광 변조 소자로부터의 출력 레이저광을 집광(集光)하는 집광 광학계와,
    상기 광 변조 소자와 상기 집광 광학계와의 사이에 배치되며, 상기 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 상기 원하는 강도 분포로 분포하는 면과 상기 광 변조 소자의 변조면과의 사이에 입사측 결상면을 가지고, 상기 집광 광학계에 출사측 결상면을 가지는 결상 광학계를 구비하는 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저광의 강도 분포가 상기 원하는 강도 분포로 분포하는 면에 배치되며, 상기 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저광의 위상을 맞추어 평면파로 보정하는 위상 보정 렌즈를 더 구비하는 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계.
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