KR102102010B1

KR102102010B1 - 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치, 및 레이저광 조사 장치

Info

Publication number: KR102102010B1
Application number: KR1020157006330A
Authority: KR
Inventors: 나오야 마츠모토; 다카시 이노우에; 유우 다키구치
Original assignee: 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2020-04-17
Also published as: US9383597B2; KR20150056546A; DE112012006900T5; US20150219937A1; WO2014041660A1; DE112012006900B4; CN104620163B; CN104620163A

Abstract

공간광 변조기를 이용한 레이저광의 집광 조사의 제어에 있어서, 레이저광의 입사 패턴, 및 전파 경로상의 제1, 제2 전파 매질 각각의 굴절률을 취득하고(스텝 S101), 집광점의 개수, 및 각 집광점에서의 집광 위치, 집광 강도를 설정하고(S104), 제1, 제2 전파 매질에 의한 수차 조건을 도출하고(S107), 수차 조건을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계한다(S108). 또, 변조 패턴의 설계에 있어서, 1화소에서의 위상값의 영향에 주목한 설계법을 이용함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 수차 조건을 고려한 전파 함수를 이용한다. 이것에 의해, 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하게 제어 가능한 광변조 제어 방법, 프로그램, 장치 및 레이저광 조사 장치가 실현된다.

Description

광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치, 및 레이저광 조사 장치{OPTICAL MODULATION CONTROL METHOD, CONTROL PROGRAM, CONTROL DEVICE, AND LASER LIGHT IRRADIATION DEVICE}

본 발명은 공간광(空間光) 변조기의 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴에 의해서 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치, 및 그것을 이용한 레이저광 조사 장치에 관한 것이다.

근래, 유리 내부에 도파로, 광분기기, 방향성 결합기 등의 광집적 회로를 3차원으로 제작하는 연구가 활발히 행해지고 있다. 이러한 광집적 회로의 제작 방법 중 하나로서, 펨토초 레이저광을 이용하는 방법이 있다. 이 방법에서는, 예를 들면, 펨토초 레이저광의 집광점에 있어서 2광자(光子) 흡수 등에 의해 충격이 유기(誘起)되고, 그것에 의해서 국소적으로 유리의 굴절률을 변화시키는 가공을 행할 수 있다. 또, 이러한 조사 대상물로의 레이저광의 집광 조사는, 광집적 회로의 제작 이외에도, 여러가지 레이저 가공 장치, 혹은 레이저광의 산란, 반사를 관찰하는 레이저 현미경 등에 있어서 널리 이용되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1~3, 비특허 문헌 1~6 참조).

여기서, 레이저 광원으로부터 출사된 1개의 레이저광 빔을 이용하여, 복잡한 3차원 구조의 가공 등의 레이저광 조사를 행하는 경우, 그 가공 공정에 막대한 시간을 필요로 한다고 하는 문제가 있다. 이 경우의 가공 시간의 단축 방법으로서는, 복수의 집광점에 의한 다점(多点) 동시 가공을 행하는 방법을 생각할 수 있다. 이러한 방법을 실현하는 가장 간단한 구성은, 복수의 레이저 광원으로부터 공급되는 복수 라인의 레이저광 빔을 이용하는 구성이다. 그렇지만, 이러한 구성은, 복수의 레이저 광원을 준비하는 코스트, 설치 스페이스 등을 생각하면 현실적이지 않다.

이것에 대해서, 위상 변조형의 공간광 변조기(SLM：Spatial Light Modulator), 및 수치계산에 의해 구해진 홀로그램(CGH：Computer Generated Hologram)을 이용하여, 다점 동시 가공을 실현하는 방법이 검토되고 있다. CGH가 제시된 공간광 변조기에 레이저광을 입력하면, CGH의 변조 패턴에 따라 입력광의 위상이 변조된다. 그리고 광변조기로부터 출력된 변조 레이저광의 파면(波面)을 푸리에 변환 렌즈로 집광시키면, 1개의 레이저광 빔으로부터 복수의 집광점을 만들어 낼 수 있어, 다점 동시 조사에 의한 동시 가공, 동시 관찰 등의 레이저 조작이 가능해진다.

공간광 변조기를 이용한 조사 대상물(가공 대상물)의 내부에 있어서의 다점 동시 가공에서는, 광축에 대해 수직인 1면 내에 있어서, 임의의 위치에 레이저광을 집광시킬 수 있다. 또, 이러한 다점 동시 가공에서는, 렌즈 효과를 가지는 프레넬 렌즈 패턴을 공간광 변조기에 제시하는 등 방법을 이용함으로써, 광축 방향도 포함한 3차원의 임의의 위치에 레이저광을 집광시키는 것도 가능하다.

특허 문헌 1: 일본국 특개 2010-058128호 공보 특허 문헌 2: 일본국 특개 2010-075997호 공보 특허 문헌 3: 일본국 특허 제4300101호 공보

비특허 문헌 1: J.Bengtsson, "Kinoform design with an optimal-rotation-angle method", Appl. Opt. Vol.33 No.29 (1994) pp.6879-6884 비특허 문헌 2: J.Bengtsson, "Design of fan-out kinoforms in the entire scalar diffraction regime with an optimal-rotation-angle method", Appl. Opt. Vol.36 No.32 (1997) pp.8435-8444 비특허 문헌 3: N.Yoshikawa et al., "Phase optimization of a kinoform by simulated annealing", Appl. Opt. Vol.33 No.5 (1994) pp.863-868 비특허 문헌 4: N.Yoshikawa et al., "Quantized phase optimization of two-dimensional Fourier kinoforms by a genetic algorithm", Opt. Lett. Vol.20 No.7 (1995) pp.752-754 비특허 문헌 5: C.Mauclair et al., "Ultrafast laser writing of homogeneous longitudinal waveguides in glasses using dynamic wavefront correction", Opt. Exp. Vol.16 No.8 (2008) pp.5481-5492 비특허 문헌 6: A.Jesacher et al., "Parallel direct laser writing in three dimensions with spatially dependent aberration correction", Opt. Exp. Vol.18 No.20 (2010) pp.21090-21099 비특허 문헌 7: 구보타 히로시, 「광학」, 이와나미 서점, 1967년, pp.128~131, pp.300~301 비특허 문헌 8: Y.Ogura et al., "Wavelength-multiplexing diffractive phase elements: design, fabrication, and performance evaluation", J. Opt. Soc. Am. A Vol.18 No.5 (2001) pp.1082-1092

상기한 조사 대상물로의 레이저광의 집광 조사에 있어서, 공간광 변조기로부터 조사 대상물로의 레이저광의 전파 경로상에 수차(收差) 물체가 존재하는 경우, 전파되는 레이저광이 수차의 영향을 받게 된다. 예를 들면, 레이저광 조사에 의해서 유리 내부의 가공을 행하는 경우, 대물 렌즈로부터 출사된 수렴광에 있어서, 분위기 매질인 공기와, 가공 대상물인 유리 매체의 사이에서의 굴절률의 차이에 의해, 초점 위치 편차(수차)가 발생한다.

이러한 수차가 발생하면, 레이저광의 집광점의 형상이 광축 방향으로 신장되어, 집광점에 있어서의 집광 밀도가 저하된다. 이 경우, 대상물을 가공할 때에, 집광점에 있어서의 레이저광 강도를 가공 임계치에 도달시키기 위해서 입사 레이저광 강도를 높게 하지 않으면 안 되거나, 혹은 집광 형상이 신장되었기 때문에 미세 가공을 할 수 없게 되는 등의 문제가 생긴다. 이러한 수차의 영향의 문제는, 다점 동시 조사의 경우로 한정되지 않고, 단일의 집광점에 레이저광을 집광 조사하는 경우에도 마찬가지로 생긴다.

본 발명은 이상의 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하게 제어하는 것이 가능한 광변조 제어 방법, 광변조 제어 프로그램, 광변조 제어 장치, 및 그것을 이용한 레이저광 조사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 광변조 제어 방법은 (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 방법으로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로의 레이저광의 입사 패턴, 공간광 변조기로부터 집광점으로의 레이저광의 전파 경로상에 있는 제1 전파 매질의 제1 굴절률 n₁, 및 제1 전파 매질보다도 집광점측에 있는 제2 전파 매질의 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률 n₂를 취득하는 조사 조건 취득 스텝과, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 스텝과, (4) 공간광 변조기로부터 집광점 s로의 레이저광의 전파에 있어서, 서로 굴절률이 다른 제1 전파 매질, 및 제2 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출하는 수차 조건 도출 스텝과, (5) 수차 조건 도출 스텝에서 도출된 수차 조건을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 스텝을 구비하고, (6) 변조 패턴 설계 스텝은, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 집광점 s로의 광의 전파에 대해서, 전파 매질이 균질한 상태의 자유 전파의 파동 전파 함수 φ_js에 수차 조건을 더하여 변환한 전파 함수 φ_js＇를 이용하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 의한 광변조 제어 프로그램은, (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램으로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로의 레이저광의 입사 패턴, 공간광 변조기로부터 집광점으로의 레이저광의 전파 경로상에 있는 제1 전파 매질의 제1 굴절률 n₁, 및 제1 전파 매질보다도 집광점측에 있는 제2 전파 매질의 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률 n₂를 취득하는 조사 조건 취득 처리와, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 처리와, (4) 공간광 변조기로부터 집광점 s로의 레이저광의 전파에 있어서, 서로 굴절률이 다른 제1 전파 매질, 및 제2 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출하는 수차 조건 도출 처리와, (5) 수차 조건 도출 처리에서 도출된 수차 조건을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 처리를 컴퓨터에 실행시키고, (6) 변조 패턴 설계 처리는, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 집광점 s로의 광의 전파에 대해서, 전파 매질이 균질한 상태의 자유 전파의 파동 전파 함수 φ_js에 수차 조건을 더하여 변환한 전파 함수 φ_js＇를 이용하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 의한 광변조 제어 장치는, (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 장치로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로의 레이저광의 입사 패턴, 공간광 변조기로부터 집광점으로의 레이저광의 전파 경로상에 있는 제1 전파 매질의 제1 굴절률 n₁, 및 제1 전파 매질보다도 집광점측에 있는 제2 전파 매질의 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률 n₂를 취득하는 조사 조건 취득 수단과, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 수단과, (4) 공간광 변조기로부터 집광점 s로의 레이저광의 전파에 있어서, 서로 굴절률이 다른 제1 전파 매질, 및 제2 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출하는 수차 조건 도출 수단과, (5) 수차 조건 도출 수단에서 도출된 수차 조건을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 수단을 구비하고, (6) 변조 패턴 설계 수단은, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 집광점 s로의 광의 전파에 대해서, 전파 매질이 균질한 상태의 자유 전파에서의 파동 전파 함수 φ_js에 수차 조건을 더하여 변환한 전파 함수 φ_js＇를 이용하는 것을 특징으로 한다.

상기한 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 및 제어 장치에 있어서는, 공간광 변조기를 이용한 집광점으로의 레이저광의 집광 조사에 대해서, 레이저광의 입사 패턴, 및 전파 경로상의 제1, 제2 전파 매질에 관한 정보를 취득함과 아울러, 레이저광의 집광점의 개수, 및 각 집광점에서의 집광 위치, 집광 강도를 포함하는 집광 조건을 설정한다. 그리고 굴절률이 서로 다른 제1, 제2 전파 매질이 전파 경로상에 있음으로써 생기는 수차 조건을 도출하고, 그 수차 조건을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계한다. 이것에 의해, 설정된 단일 또는 복수의 집광점에 대해, 각 집광점에서의 레이저광의 집광 상태에 있어서, 제1, 제2 전파 매질에 의한 수차의 영향을 저감시킬 수 있다.

추가로, 이러한 구성으로의 변조 패턴의 설계에 대해서, 구체적으로, 공간광 변조기에 있어서, 2차원 배열된 복수의 화소에 의한 화소 구조를 상정한다. 그리고 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목한 설계 방법을 이용함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태의 평가에 있어서, 자유 전파를 가정했을 경우의 파동 전파 함수 φ_js를 이용하는 것이 아니라, 수차 조건이 고려된 전파 함수 φ_js＇로 변환한 다음 집광 상태를 평가하고 있다. 이러한 구성에 의하면, 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하고 또한 확실하게 평가, 제어하는 것이 가능해진다. 또한, 공간광 변조기로서, 2차원 배열된 복수의 화소를 가지는 공간광 변조기를 이용하는 경우에는, 그 화소 구조를 그대로 변조 패턴의 설계에 적용할 수 있다.

본 발명에 의한 레이저광 조사 장치는, (a) 레이저광을 공급하는 레이저 광원과, (b) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 변조 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기와, (c) 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 변조 레이저광의 집광 조사를 제어하는 상기 구성의 광변조 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 광변조 제어 장치에 의해서, 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하고 또한 확실하게 제어하여, 조사 대상물에 있어서 설정된 단일 또는 복수의 집광점에 대한 레이저광의 집광 조사, 및 그것에 따른 대상물의 가공, 관찰 등의 조작을 매우 적합하게 실현하는 것이 가능해진다. 이러한 레이저광 조사 장치는, 예를 들면 레이저 가공 장치, 레이저 현미경 등으로서 이용할 수 있다. 또한, 공간광 변조기로서는, 2차원 배열된 복수의 화소를 가지고, 복수의 화소 각각에 있어서 레이저광의 위상을 변조하는 구성의 공간광 변조기를 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치, 및 그것을 이용한 레이저광 조사 장치에 의하면, 공간광 변조기를 이용한 집광점으로의 레이저광의 집광 조사에 대해서, 레이저광의 입사 패턴, 및 전파 경로상의 제1, 제2 전파 매질의 굴절률을 취득하여, 레이저광의 집광점의 개수, 및 각 집광점에서의 집광 위치, 집광 강도를 설정하고, 제1, 제2 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출하고, 그 수차 조건을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계함과 아울러, 변조 패턴의 설계에 있어서, 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목한 설계 방법을 이용하고, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 수차 조건이 고려된 전파 함수를 이용함으로써, 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하고 또한 확실하게 제어하는 것이 가능해진다.

도 1은 레이저광 조사 장치의 일 실시 형태의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 레이저광의 전파 과정에 있어서의 수차의 발생에 대해서 도시하는 도면이다.
도 3은 광변조 제어 장치의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 4는 광변조 제어 방법의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 5는 레이저광의 전파에 있어서 생기는 수차 조건의 도출에 대해서 도시하는 도면이다.
도 6은 변조 패턴의 설계 방법의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 7은 레이저광 조사 장치에 의한 레이저광의 조사 패턴의 예를 도시하는 도면이다.
도 8은 레이저광 조사 장치에 의한 레이저광의 조사 패턴의 예를 도시하는 도면이다.
도 9는 레이저광 조사 장치에 의한 레이저광의 조사 패턴의 예를 도시하는 도면이다.
도 10은 변조 패턴의 설계 방법의 다른 예를 나타내는 순서도이다.
도 11은 레이저광 조사 장치의 다른 실시 형태의 구성을 도시하는 도면이다.
도 12는 조사 대상물로의 레이저광의 집광 조사의 일례에 대해서 도시하는 도면이다.

이하, 도면과 함께 본 발명에 의한 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치, 및 레이저광 조사 장치의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서는 동일 요소에는 동일 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다. 또, 도면의 치수 비율은, 설명하는 것과 반드시 일치하고 있지는 않다.

우선, 본 발명에 의한 광변조 제어의 대상이 되는, 공간광 변조기를 포함하는 레이저광 조사 장치의 기본적인 구성에 대해서, 그 구성예와 함께 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 광변조 제어 장치를 포함하는 레이저광 조사 장치의 일 실시 형태의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시 형태에 의한 레이저광 조사 장치(1A)는, 조사 대상물(15)에 대해 레이저광을 집광 조사하는 장치로서, 레이저 광원(10)과, 공간광 변조기(20)와, 가동(可動) 스테이지(18)를 구비하고 있다.

도 1에 도시하는 구성에 있어서, 조사 대상물(15)은 X방향, Y방향(수평 방향), 및 Z방향(수직 방향)으로 이동 가능하게 구성된 가동 스테이지(18)상에 재치(載置)되어 있다. 또, 본 장치(1A)에서는, 이 조사 대상물(15)에 대해, 그 내부에 대상물(15)의 가공, 관찰 등을 행하기 위한 집광점이 설정되어, 그 집광점에 대해 레이저광의 집광 조사가 행해진다.

레이저 광원(10)은 스테이지(18)상의 조사 대상물(15)에 대해 집광 조사하기 위한 펄스 레이저광 등의 레이저광을 공급한다. 레이저 광원(10)으로부터 출력된 레이저광은, 빔 익스팬더(11)에 의해서 확산된 후, 반사 미러(12, 13)를 통해서, 공간광 변조기(SLM)(20)로 입력된다.

공간광 변조기(20)는 위상 변조형의 공간광 변조기이며, 예를 들면 그 2차원의 변조면(變調面)의 각 부에 있어서 레이저광의 위상을 변조하고, 위상 변조 후의 레이저광을 출력한다. 이 공간광 변조기(20)로서는, 바람직하게는, 2차원 배열된 복수의 화소를 가지고, 복수의 화소 각각에 있어서 레이저광의 위상을 변조하는 공간광 변조기가 이용된다. 이러한 구성에 있어서, 공간광 변조기(20)에는 예를 들면 CGH등의 변조 패턴이 제시되고, 이 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사가 제어된다. 또, 공간광 변조기(20)는 광변조기 구동 장치(28)를 통해서, 광변조 제어 장치(30)에 의해서 구동 제어되고 있다. 광변조 제어 장치(30)의 구체적인 구성 등에 대해서는 후술한다. 또, 공간광 변조기(20)로서는, 상기한 화소 구조를 가지지 않은 것을 이용해도 좋다.

이 공간광 변조기(20)는, 반사형이어도 좋고, 투과형이어도 좋다. 도 1에서는, 공간광 변조기(20)로서 반사형이 도시되어 있다. 또, 공간광 변조기(20)로서는, 굴절률 변화 재료형 SLM(예를 들면 액정을 이용한 것으로는, LCOS(Liquid Crystal on Silicon)형, LCD(Liquid Crystal Display)), Segment　Mirror형 SLM, Continuous　Deformable　Mirror형 SLM, DOE(Diffractive Optical Element) 등을 들 수 있다. 또한, DOE에는 이산적으로 위상을 표현한 것, 혹은 후술하는 방법을 이용해 패턴을 설계하여, 스무딩 등에 의해 연속적인 패턴으로 변환한 것이 포함된다.

공간광 변조기(20)에서 소정의 패턴으로 위상 변조되어 출력된 레이저광은, 렌즈(21, 22)로 구성되는 4f 광학계에 의해서 대물 렌즈(25)로 전파된다. 그리고 이 대물 렌즈(25)에 의해서, 조사 대상물(15)의 표면 또는 내부에 설정된 단일 또는 복수의 집광점에 레이저광이 집광 조사된다.

또한, 레이저광 조사 장치(1A)에 있어서의 광학계의 구성에 대해서는, 구체적으로는 도 1에 도시한 구성으로 한정하지 않고, 여러가지 구성을 이용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 도 1에서는, 빔 익스팬더(11)에 의해서 레이저광을 확산시키는 구성으로 하고 있지만, 공간 필터와 콜리메이터 렌즈의 조합을 이용하는 구성으로 해도 좋다. 또, 구동 장치(28)에 대해서는, 공간광 변조기(20)와 일체로 마련되는 구성으로 해도 좋다. 또, 렌즈(21, 22)에 의한 4f 광학계에 대해서는, 일반적으로는, 복수의 렌즈로 구성된 양측 텔레센트릭 광학계를 이용하는 것이 바람직하다.

또, 조사 대상물(15)을 이동시키는 가동 스테이지(18)에 대해서는, 예를 들면 이 스테이지를 고정으로 하고, 광학계측에 가동 기구, 갈바노 미러 등을 마련하는 구성으로 해도 좋다. 또, 레이저 광원(10)으로서는, 예를 들면 Nd：YAG 레이저 광원, 펨토초 레이저 광원 등, 펄스 레이저광을 공급하는 펄스 레이저 광원을 이용하는 것이 바람직하다.

도 1에 도시하는 레이저광 조사 장치(1A)에 있어서, 공간광 변조기(20)로부터 조사 대상물(15) 내의 집광점으로의 레이저광의 전파 경로상에 수차 물체가 존재하는 경우, 레이저광은 전파 과정에 있어서 수차의 영향을 받는다. 여기서, 도 2는, 레이저광의 전파 과정에 있어서의 수차의 발생에 대해 도시하는 도면이다. 예를 들면, 상기한 것처럼 조사 대상물(15)의 내부에 집광점이 설정되는 경우, 대물 렌즈(25)로부터 출력된 수렴 레이저광은, 대물 렌즈(25)로부터 집광점까지의 전파 경로상에 있는 분위기 매질(제1 전파 매질)인 공기의 굴절률 n₁과, 유리 매체 등의 조사 대상물(제2 전파 매질)(15)의 굴절률 n₂의 차이에 의해, 근축 광선과 가장 바깥 둘레의 광선에서, 분위기 매질과 유리 매체 등의 조사 대상물(15)의 경계면에서의 굴절각이 다르게 되어, 거기에 따라 초점 어긋남(구면(球面) 수차)이 발생한다.

예를 들면, 도 2에 도시한 것처럼, 대물 렌즈(25)에 의한 초점 O가, 조사 대상물(15)의 내부의 깊이 d의 위치에 있는 경우를 생각한다. 이 경우, 이 초점 O가, 굴절률 n₁의 공기와, 굴절률 n₂의 대상물(15)의 경계면에서의 굴절각에 의해, 초점 O＇로 초점 시프트량 δ만큼 어긋나는 것이 된다. 또, 이 초점 시프트량 δ은 대물 렌즈(25)에 입사되는 광의 입사 높이 h에 의해서 변화한다. 이러한 입사 높이 h에 의존하는 초점 시프트량 δ에 의한 구면 수차에 의해, 대상물(15)에 있어서 레이저광의 집광점의 형상이 광축 방향으로 신장되어, 집광 밀도가 저하된다.

또, 이러한 전파 매질에 의한 수차의 발생은, 조사 대상물(15)의 내부에 복수의 집광점을 설정하여, 대상물(15)에 대해서 다점 동시 조사(예를 들면, 다점 동시 가공)를 행하는 경우에도 문제가 된다. 즉, 상기의 구면 수차는, 레이저광의 광축 방향에서의 집광 위치(광축 깊이)에 의해서 수차량이 달라, 광축 깊이가 깊어지면 구면 수차량이 커지는 경향이 있다. 이 경우, 대상물(15)에 대해서 3차원 다점 동시 조사를 행할 때에는, 집광점마다, 각각의 집광 위치의 광축 깊이에 따라 다른 구면 수차량을 보정할 필요가 있다.

또, 다점 동시 조사를 행하는 경우, 각 집광점에 대한 레이저광의 집광 강도의 조정의 문제도 있다. 예를 들면, 펨토초 레이저광을 이용한 유리 내부 가공에서는, 집광점으로의 레이저광의 집광 강도에 의해, 대상 부위에서 가공에 의해서 발생하는 굴절률 변화량이 상이한 것이 알려져 있다. 따라서 굴절률 분포가 같은 복수의 도파로를 레이저광의 다점 동시 조사에 의해서 한 번에 제작하는 경우에는, 공간광 변조기에 제시되는 변조 패턴에 의해, 복수의 집광점에서의 집광 강도가 높은 균일성으로 재생되는 것이 바람직하다. 또, 반대로 복수의 집광점에서의 집광 강도를 서로 다른 강도로 설정함으로써, 굴절률 분포가 다른 복수의 도파로를 제작하는 것도 가능하다. 이들 중 어느 경우라도, 복수의 집광점이 설정되었을 경우에, 각 집광점으로의 레이저광의 집광 강도를 임의로 제어할 수 있는 것이 바람직하다.

이것에 대해서, 도 1의 레이저광 조사 장치(1A)는 구동 장치(28)를 통해서 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴의 CGH를, 광변조 제어 장치(30)에 있어서 적절히 설계함으로써, 전파 경로상의 굴절률이 다른 전파 매질에 의한 수차의 영향을 저감시키고, 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하게 제어하는 것이다. 또, 본 실시 형태에 의한 레이저광 조사 장치(1A) 및 광변조 제어 장치(30)에 의하면, 복수의 집광점이 설정되었을 경우에서의, 3차원 다점의 레이저광 조사, 및 집광점 사이에서의 집광 강도의 조정도 매우 적합하게 실현 가능하다.

도 3은 도 1에 도시한 레이저광 조사 장치(1A)에 적용되는 광변조 제어 장치(30)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 본 구성예에 의한 광변조 제어 장치(30)는 조사 조건 취득부(31)와, 집광 조건 설정부(32)와, 수차 조건 도출부(33)와, 변조 패턴 설계부(34)와, 광변조기 구동 제어부(35)를 가지고 구성되어 있다. 또한, 이러한 광변조 제어 장치(30)는, 예를 들면 컴퓨터에 의해서 구성할 수 있다. 또, 이 제어 장치(30)에는 광변조 제어에 대해 필요한 정보, 지시 등의 입력에 이용되는 입력 장치(37), 및 조작자에 대한 정보의 표시에 이용되는 표시 장치(38)가 접속되어 있다.

조사 조건 취득부(31)는 조사 대상물(15)에 대한 레이저광의 조사 조건에 관한 정보를 취득하는 조사 조건 취득 수단이다. 구체적으로는, 조사 조건 취득부(31)는 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기(20)로의 레이저광의 입사 패턴(예를 들면 강도 분포, 위상 분포 정보), 광변조기(20)로부터 집광점으로의 레이저광의 전파 경로상에 있는 제1 전파 매질(예를 들면 분위기 매질)의 제1 굴절률 n₁, 및 제1 전파 매질보다도 집광점측에 있는 제2 전파 매질의 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률 n₂를 취득한다(조사 조건 취득 스텝).

집광 조건 설정부(32)는 조사 대상물(15)에 대한 레이저광의 집광 조건을 설정하는 집광 조건 설정 수단이다. 구체적으로는, 집광 조건 설정부(32)는 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기(20)로부터의 변조 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t, 및 s_t개의 집광점 s(s=1~s_t)의 각각에 대한 집광 위치, 집광 강도를 설정한다(집광 조건 설정 스텝). 집광점의 개수 s_t는, 1이상의 정수로서 설정되고, 또, 다점 동시 조사의 경우에는 2이상의 정수로서 설정된다. 또한, 취득부(31)에 의한 조사 조건의 취득, 및 설정부(32)에 의한 집광 조건의 설정은, 제어 장치(30)에 미리 준비된 정보, 입력 장치(37)로부터 입력되는 정보, 혹은 외부 장치로부터 공급되는 정보 등에 기초하여, 자동으로, 혹은 조작자에 의해 수동으로 행해진다.

수차 조건 도출부(33)는 공간광 변조기(20)로부터 조사 대상물(15)에 대해서 설정된 집광점 s로의 레이저광의 전파에 있어서, 그 전파 경로상에서 생기는 수차에 관한 수차 조건을 도출하는 수차 조건 도출 수단이다. 여기에서는, 수차 조건 도출부(33)는, 도 2에 관련하여 상술한 것처럼, 레이저광의 전파 경로상에 있어서 서로 굴절률이 다른 광학계측의 제1 전파 매질, 및 집광점측의 제2 전파 매질에 대해서, 그러한 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출한다(수차 조건 도출 스텝). 또, 전파 경로상에 전파 매질이 3개 이상 있는 경우에는, 수차 조건 도출부(33)는 이 모든 전파 매질에 의한 수차 조건을 도출한다.

변조 패턴 설계부(34)는 수차 조건 도출부(33)에서 도출된 전파 경로상에서의 수차 조건을 고려하여, 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴이 되는 CGH를 설계하는 변조 패턴 설계 수단이다. 구체적으로는, 변조 패턴 설계부(34)는, 취득부(31)에서 취득된 조사 조건, 설정부(32)에서 설정된 집광 조건, 및 도출부(33)에서 도출된 수차 조건을 참조하여, 이들 조건에 기초하여, 원하는 단일 또는 복수의 집광점으로 레이저광을 집광 조사시키는 변조 패턴을 설계한다(변조 패턴 설계 스텝).

특히, 본 실시 형태에 있어서의 변조 패턴 설계부(34)에서는, 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴의 설계에 있어서, 공간광 변조기(20)에 대하여 2차원 배열된 복수의 화소를 상정함과 아울러, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소(공간광 변조기(20)에 있어서 상정된 1화소, 공간광 변조기(20)가 2차원 배열의 복수의 화소에 의한 화소 구조를 가지는 경우에는, 그 1화소에 대응)에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목한 설계 방법을 이용한다. 그리고 그 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록 1화소의 위상값을 변경함과 아울러, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소(적어도 광이 입사하는 모든 화소)에 대해서 행함으로써 최적인 변조 패턴을 설계한다.

또, 이 변조 패턴 설계부(34)에서는, 상기한 각 화소에서의 위상값의 변경 조작에 있어서, 집광점에서의 레이저광의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기(20)의 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 집광점 s로의 광의 전파에 대해서, 전파 매질이 균질한 상태에서의 자유 전파를 가정했을 경우에 있어서의 파동 전파 함수 φ_js를 그대로 이용하는 것이 아니라, 전파 함수 φ_js에 대해서, 수차 조건 도출부(33)에서 구해진 수차 조건을 더하여 변환한 전파 함수 φ_js＇를 이용한다. 이것에 의해, 레이저광의 집광 상태는, 전파 경로상에서의 수차 조건을 고려하여 제어된다.

광변조기 구동 제어부(35)는 구동 장치(28)를 통해서 공간광 변조기(20)를 구동 제어하여, 변조 패턴 설계부(34)에 의해서 설계된 변조 패턴을 공간광 변조기(20)의 복수의 화소에 제시하는 구동 제어 수단이다. 이러한 구동 제어부(35)는, 광변조 제어 장치(30)가 레이저광 조사 장치(1A)에 포함되어 있는 경우에, 필요에 따라서 마련된다.

도 3에 도시한 광변조 제어 장치(30)에 있어서 실행되는 제어 방법에 대응하는 처리는, 광변조 제어를 컴퓨터에 실행시키기 위한 광변조 제어 프로그램에 의해서 실현하는 것이 가능하다. 예를 들면, 광변조 제어 장치(30)는 광변조 제어의 처리에 필요한 각 소프트웨어 프로그램을 동작시키는 CPU와, 상기 소프트웨어 프로그 램 등이 기억되는 ROM과, 프로그램 실행 중에 일시적으로 데이터가 기억되는 RAM에 의해서 구성할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, CPU에 의해서 소정의 제어 프로그램을 실행함으로써, 상기한 광변조 제어 장치(30)를 실현할 수 있다.

또, 공간광 변조기(20)를 이용한 광변조 제어, 특히, 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴의 설계를 위한 각 처리를 CPU에 의해서 실행시키기 위한 상기 프로그램은, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록하여 반포하는 것이 가능하다. 이러한 기록 매체에는, 예를 들면, 하드 디스크 및 플렉서블 디스크 등의 자기매체, CD-ROM 및 DVD-ROM 등의 광학 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk) 등의 자기 광학 매체, 혹은 프로그램 명령을 실행 또는 격납하도록 특별히 배치된, 예를 들면 RAM, ROM, 및 반도체 불휘발성 메모리 등의 하드웨어 디바이스 등이 포함된다.

본 실시 형태에 의한 광변조 제어 방법, 광변조 제어 프로그램, 광변조 제어 장치(30), 및 레이저광 조사 장치(1A)의 효과에 대해 설명한다.

도 1~도 3에 도시한 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 및 제어 장치(30)에 있어서는, 공간광 변조기(20)를 이용한 집광점으로의 레이저광의 집광 조사에 대해서, 레이저광의 입사 패턴, 및 전파 경로상의 제1, 제2 전파 매질에 관한 굴절률을 포함하는 정보를 취득함과 아울러, 레이저광의 집광점의 개수 s_t, 및 각 집광점에서의 집광 위치, 집광 강도를 포함하는 집광 조건을 설정한다. 그리고 수차 조건 도출부(33)에 있어서, 굴절률이 서로 다른 제1, 제2 전파 매질이 레이저광의 전파 경로상에 있음으로써 생기는 수차 조건을 도출함과 아울러, 변조 패턴 설계부(34)에 있어서, 그 수차 조건을 고려하여, 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴을 설계한다. 이것에 의해, 집광 조건 설정부(32)에 있어서 설정된 단일 또는 복수의 집광점에 대해, 각 집광점에서의 레이저광의 집광 상태에 있어서, 제1, 제2 전파 매질에 의한 수차의 영향을 저감시킬 수 있다.

추가로, 이러한 구성으로의 변조 패턴의 설계에 대해서, 구체적으로, 공간광 변조기(20)에 있어서, 2차원 배열된 복수의 화소에 의한 화소 구조를 상정한다. 그리고 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목한 설계 방법을 이용함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태의 평가에 있어서, 전파 매질이 균질한 상태에서의 자유 전파를 가정했을 경우의 파동 전파 함수 φ_js를 이용하는 것이 아니라, 수차 조건이 고려된 전파 함수 φ_js＇로 변환한 다음 집광 상태를 평가하고 있다. 이러한 구성에 의하면, 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하고 확실히 평가, 제어하는 것이 가능해진다.

또한, 공간광 변조기(20)에 있어서 상정되는 화소 구조에 대해서는, 공간광 변조기(20)로서, 2차원 배열된 복수의 화소를 가지는 공간광 변조기를 이용하는 경우에는, 그 화소 구조를 그대로 변조 패턴의 설계에 적용할 수 있다. 또, 자유 전파에 대해서는, 여기에서는, 진공 내지는 대기중에 있어서의 전파만이 아니라, 상기한 것처럼 일반적으로, 전파 매질이 균질한 상태에서의 전파, 예를 들면, 제2 전파 매질이 존재하지 않고, 제1 전파 매질만이 균질하게 존재하는 경우에 있어서의 전파를 포함하는 것으로 한다.

또, 도 1에 도시한 레이저광 조사 장치(1A)에서는, 레이저 광원(10)과, 위상 변조형의 공간광 변조기(20)와, 상기 구성의 광변조 제어 장치(30)를 이용하여 레이저광 조사 장치(1A)를 구성하고 있다. 이러한 구성에 의하면, 제어 장치(30)에 의해서, 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하고 또한 확실하게 제어하여, 조사 대상물(15)에 있어서 설정된 단일 또는 복수의 집광점에 대한 레이저광의 집광 조사, 및 그것에 따른 대상물의 가공, 관찰 등의 조작을 매우 적합하게 실현하는 것이 가능해진다. 또, 이러한 레이저광 조사 장치는, 예를 들면 레이저 가공 장치, 레이저 현미경 등으로서 이용할 수 있다.

여기서, 도출부(33)에서의 수차 조건의 도출에 대해서는, 공간광 변조기(20)의 복수의 화소 중에서 화소 j로부터, 설정된 집광점 s로의 광의 전파를 생각했을 때에, 광의 전파에 대한 수차 조건으로서, 그 전파에서의 광로 길이차 OPD를 주는 위상 φ_j- _OPD를 구하는 것이 바람직하다. 또, 이 경우, 설계부(34)에서의 변조 패턴의 설계에 대해서는, 상기와 같이 도출된 수차 조건의 위상 φ_j- _OPD를 이용하여, 변환식

φ_js＇= φ_js＋φ_j- _OPD

에 의해서, 수차 조건이 고려된 전파 함수 φ_js＇를 구하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의하면, 자유 전파의 전파 함수 φ_js를, 수차 조건이 고려된 전파 함수 φ_js＇로 매우 적합하게 변환할 수 있다.

또, 설계부(34)에서의 변조 패턴의 설계에 대해서는, 공간광 변조기(20)의 화소 j로의 레이저광의 입사 진폭을 A_j _- _in, 화소 j에서의 위상값을 φ_j라고 하고, 하기 식

U_s=A_sexp(iφ_s)

　　　　=Σ_jA_j _- _inexp(iφ_js＇)exp(iφ_j)

에 의해서, 집광점 s에 있어서의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭 U_s를 구하는 것이 바람직하다. 혹은 추가로, 공간광 변조기(20)의 화소 j로의 레이저광의 입사 진폭을 A_j _- _in, 입사 위상을 φ_j- _in, 화소 j에서의 위상값을 φ_j로 하고, 하기 식

U_s=A_sexp(iφ_s)

　　　　=Σ_jA_j _- _inexp(iφ_js＇)exp(i(φ_j＋φ_j- _in))

에 의해서, 집광점 s에 있어서의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭 Us를 구하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하게 평가할 수 있다.

여기서, 화소 j로의 레이저광의 입사 진폭 A_j _- _in은, 입사 강도 I_j _- _in에 대해서,

I_j _- _in=｜A_j _- _in｜²

의 관계에 있다. 또, 복소 진폭 U_s에 있어서, A_s는 진폭, φ_s는 위상이다. 또, 입사 레이저광이 평면파인 경우에는, 그 입사 위상 φ_j- _in은 무시할 수 있다.

변조 패턴의 설계의 구체적인 구성에 대해서는, 변조 패턴의 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 집광점 s에 있어서의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상 φ_s, 수차 조건이 고려된 전파 함수 φ_js＇, 및 화소 j에서의 변경 전의 위상값 φ_j에 기초하여 해석적으로 구해진 값에 의해서, 위상값을 변경하는 구성을 이용할 수 있다. 이와 같이 해석적으로 위상값을 갱신하는 방법으로서는, 예를 들면 ORA(Optimal Rotation Angle) 법이 있다.

혹은, 변조 패턴의 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 등산법(hill-climbing method), 소둔법(SA：Simulated Annealing method), 또는 유전적 알고리즘(GA：Genetic Algorithm) 중 어느 방법을 이용하여 탐색으로 구해진 값에 의해서, 위상값을 변경해도 좋다. 여기서, 유전적 알고리즘에서는, 어느 1화소를 선택하여 그 화소의 값을 변경하는 돌연변이, 또, 2화소를 선택하여 그 화소의 값을 교환하는 교차 등의 조작이 행해지지만, 상기한 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목한 설계 방법은, 이러한 조작을 행하는 방법을 포함하는 것으로 한다. 또한, 변조 패턴의 설계 수법에 대해서는, 구체적으로는 후술한다.

레이저광의 전파 경로상에 있는 굴절률이 서로 다른 제1, 제2 전파 매질에 대해서는, 도 2에 있어서는, 집광점측의 제2 전파 매질이, 집광점이 내부에 설정되는 조사 대상물(15)이며, 광학계측의 제1 전파 매질이, 공간광 변조기(20)와 조사 대상물(15)의 사이(대물 렌즈(25)와 대상물(15)의 사이)에 있는 분위기 매질인 구성을 예시하고 있다. 이 경우, 분위기 매질에 대해서는, 공기 등의 외, 물, 오일 등을 분위기 매질로 해도 좋다.

또, 공간광 변조기와 집광점의 사이의 전파 경로상에 3개 이상의 매질이 있어도 좋다. 그러한 구성으로서는, 예를 들면, 레이저광이, 분위기 매질과는 굴절률이 다른 매체를 통과하고, 그 통과 후에 레이저광을 집광시키는 구성을 생각할 수 있다. 또, 예를 들면, 굴절률이 다른 복수 종류의 유리끼리가 접착되어 있는 구성, 실리콘의 위에 유리가 접착되어 있는 구성, 또, 현미경으로의 생체 시료나 세포 내부의 관찰에 있어서 커버 유리가 전파 경로상에 존재하는 구성 등, 레이저광의 전파 경로상의 매질에 대해서는 여러가지 구성을 생각할 수 있다. 또, 복수의 매체에 대해서, 동시에 레이저광의 집광 조사를 행하는 구성도 생각할 수 있다. 이러한 경우에 있어서도, 상기와 마찬가지로, 수차 조건의 도출, 및 변조 패턴의 설계를 실행하는 것이 가능하다.

또, 도 3에 도시한 광변조 제어 장치(30)에 있어서는, 변조 패턴을 설계하기 위한 구성에 더하여, 공간광 변조기(20)를 구동 제어하고, 설계부(34)에 의해서 설계된 변조 패턴을 공간광 변조기(20)에 제시하는 광변조기 구동 제어부(35)를 마련하고 있다. 이러한 구성은, 도 1에 도시한 것처럼, 제어 장치(30)를 레이저광 조사 장치(1A)에 포함시킨 형태로 이용하는 경우에 유효하다. 또, 이러한 구동 제어부(35)에 대해서는, 광변조 제어 장치(30)와는 별개의 장치로서 마련되는 구성으로 해도 좋다.

또, 예를 들면 레이저광 조사에 의해서 유리 매체를 가공하여 광집적 회로를 제작하는 경우에는, 1회 또는 여러 차례의 레이저광 조사 후에 새로운 1매 또는 복수 매의 CGH의 설계를 행하여, 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴을 전환해도 좋다. 혹은, 제작하고 싶은 광집적 회로의 형상이 정해져 있는 경우에는, 레이저 가공에 필요한 복수의 변조 패턴을 미리 설계해 두어도 좋다.

또, DOE를 단독으로 이용하는 경우에는, DOE는 정적인 패턴이므로, 구동 장치는 없어도 좋다. 또, 복수개의 DOE를 이용하여, 동적으로 패턴의 전환을 행하는 경우에는, 구동 장치 대신에 전환 장치가 이용된다.

도 1, 도 3에 도시한 레이저광 조사 장치(1A) 및 광변조 제어 장치(30)에 있어서 실행되는 광변조 제어 방법 및 변조 패턴의 설계 방법에 대해서, 그 구체적인 예와 함께 추가로 설명한다. 도 4는 도 3에 도시한 광변조 제어 장치(30)에 있어서 실행되는 광변조 제어 방법의 일례를 나타내는 순서도이다.

도 4에 도시하는 제어 방법에서는, 우선, 레이저 광원(10)으로부터 공급되는 레이저광의 조사 대상물(15)로의 조사 조건에 대한 정보를 취득한다(스텝 S101). 구체적으로는, 공간광 변조기(20)로부터 집광점 s로의 레이저광의 전파 경로에 대해서, 전파 경로상에 있는 제1 전파 매질(예를 들면 분위기 매질)의 제1 굴절률 n₁과, 제2 전파 매질(예를 들면 조사 대상물)의 제2 굴절률 n₂를 취득한다(S102). 또, 여기에서는, 필요하면, 제1, 제2 전파 매질의 굴절률 이외의 정보, 예를 들면 매질의 두께, 형상, 위치 등에 대한 정보도 취득한다. 또, 전파 매질 이외에도, 예를 들면 대물 렌즈(25)의 NA, 초점 거리 f 등, 수차 조건의 도출에 있어서 필요한 정보가 있으면, 전파 매질의 정보에 더하여 취득해 둔다.

또, 레이저 광원(10)으로부터 공급되는 레이저광의 공간광 변조기(20)로의 입사 패턴을 취득한다(S103). 이 레이저광의 입사 패턴은, 공간광 변조기(20)의 2차원 배열된 복수의 화소에서의 위치(x_j, y_j)의 화소 j에 대한 입사 레이저광 강도

I_in(x_j, y_j)=I_j _- _in

에 의한 입사광 강도 분포로서 주어진다. 혹은, 진폭 A_j _- _in에 의한 입사광 진폭 분포로서, 레이저광의 입사 패턴을 취득해도 좋다. 또, 필요한 경우에는, 레이저광의 입사 위상 φ_j- _in에 대해서도 취득하는 구성으로 해도 좋다.

다음으로, 조사 대상물(15)에 대한 레이저광의 집광 조건을 설정한다(S104). 우선, 공간광 변조기(20)에서 위상 변조된 레이저광을 조사 대상물(15)에 대해서 집광 조사하는 단일 또는 복수의 집광점의 개수 s_t를 설정한다(S105). 여기서, 상기 구성에 의한 레이저광 조사 장치(1A)에서는, 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴에 의해, 필요에 따라서 복수의 집광점을 얻는 것이 가능하다.

또, 대상물(15)에 대한 s_t개의 집광점 s=1~s_t의 각각에 대해서, 레이저광의 집광 위치 γ_s=(u_s,v_s, z_s), 및 원하는 집광 강도 I_s _- _des를 설정한다(S106). 또한, 각 집광점으로의 레이저광의 집광 강도에 대해서는, 강도의 절대치에 의한 설정으로 한정하지 않고, 예를 들면 강도의 상대적인 비율에 의해서 설정해도 좋다.

이어서, 공간광 변조기(20)로부터 집광점 s로의 레이저광의 전파에 있어서, 굴절률이 서로 다른 제1, 제2 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출한다(S107). 그리고 스텝 S107에서 도출된 수차 조건을 고려하고, 스텝 S101, S104에서 취득, 설정된 레이저광의 조사 조건, 집광 조건을 참조하여, 공간광 변조기(20)의 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴이 되는 CGH를 설계한다(S108).

도 4의 순서도의 스텝 S107에 있어서 실행되는 수차 조건의 도출 방법에 대해서, 구체적으로 설명한다. 도 1에 도시한 구성에 있어서 공간광 변조기(20)를 미러로 치환하면, 레이저 광원(10)으로부터 공급된 레이저광에 위상 변조가 실시되지 않기 때문에, 이상적이게는 평행광이 대물 렌즈(25)에 입사되어, 대물 렌즈(25)에 의해서 구면파(球面波)로 변환된다. 레이저광의 전파 경로(집광 경로)에 수차 물체가 존재하지 않는 경우에는, 대물 렌즈(25)로부터의 광은 초점 거리 f와 같은 집광 깊이에 1점으로 집광된다.

한편, 전파 경로에 굴절률이 서로 다른 제1, 제2 전파 매질이 존재하면, 굴절각의 변화에 의해서 수차가 발생하여, 대물 렌즈(25)로부터의 광은 1점에는 집광되지 않는다. 이것에 대해서, 공간광 변조기(20)에 제시되는 변조 패턴을 적절히 설계하고, 대물 렌즈(25)에 전파되는 광의 파면을 변형함으로써, 설정된 집광점 s에 대해서 수차의 영향없이, 레이저광을 집광시킬 수 있다.

원하는 집광점에 레이저광을 집광시키기 위한 파면의 도출에는, 예를 들면, 원하는 집광 위치로부터의 역광선 추적에 의한 도출 방법을 이용할 수 있다. 이하에 있어서는, 평행 평면 기판의 내부에서 광축상에 있는 집광점에, 수차의 영향없이 집광하기 위한 파면의 도출 방법을 예로서 설명한다(특허 문헌 2 참조). 또한, 파면의 도출, 및 그것에 따른 수차 조건(예를 들면, 후술하는 수차 조건을 나타내는 위상 φ_j- _OPD)의 도출에 대해서는, 역광선 추적에 의한 방법 이외에도, 예를 들면 최적화 보정 방법(비특허 문헌 5), 근축 광선에 있어서의 수차의 해석법(비특허 문헌 7) 등, 구체적으로는 여러가지 방법을 이용할 수 있다.

도 5는 레이저광의 전파에 있어서 생기는 수차 조건의 도출에 대해 도시하는 도면이다. 우선, 분위기 매질의 굴절률 n₁과, 조사 대상물(15)의 굴절률 n₂가 같은 경우를 생각한다. 대상물(15)의 단면(端面) P상의 위치에 광이 집광될 때의 대물 렌즈(25)의 위치를 기준으로 하여, 대물 렌즈(25)를 거리 d만큼 대상물(15)측으로 이동시키면, 광은 단면 P로부터 거리 d만큼 떨어진 위치의 점 O에 집광된다. 이상적인 평면파로서 입사되는 광은, 대물 렌즈(25)에서 변환된 직후에는 구면파가 되며, 그 구면파에 있어서의 점 R로부터의 광선은, 도 5에 실선으로 나타내는 광로를 거쳐서 점 O에 도달한다. 이때, 점 R로부터 점 O까지의 광로 길이는 f이며, 어느 광축 높이에서도 같은 광로 길이가 된다.

한편, 굴절률 n₁, n₂가 다른 경우에는, 대물 렌즈(25)로부터의 광은 점 O에는 집광되지 않는다. 여기서, 대물 렌즈(25)의 이동량은 같은 거리 d이지만, 레이저광의 파면을 공간광 변조기(20)로 변조함으로써, 단면 P로부터 z_s 떨어진 위치의 점 O＇에 집광되도록 한다. 이 경우, 점 O＇로부터의 광선은, 대상물(15)과 분위기 매질의 경계면의 점 Q를 거쳐 점 R에 도달하게 되어, O＇Q와 QR의 합계가 광로 길이가 된다. 이러한 광로 길이(OPL：Optical Path Length)를 광축 높이 h마다 도출한다.

우선, 도 5에 도시한 것처럼, 파면 보정전의 광선의 대상물(15)로의 입사각을 θ, 파면 보정 후의 광선의 대상물(15)로의 입사각을 θ₁, 굴절각을 θ₂라고 하면, 광축 높이 h₁, h₂, h는 각각 하기의 식 (1), (2), (3)에 의해서 나타내진다.

[수 1]

[수 2]

[수 3]

여기서, 입사각 θ₁과 굴절각 θ₂는, 스넬의 법칙(Snell's law)에 의해서 고유하게 관계지어진다. 또, 관계식 h=h₁＋h₂와, 상기의 식 (1)~(3)에 의해, 각도 θ, θ₁, θ₂가 고유하게 관계지어진다. 예를 들면, 어느 특정의 θ₁ 또는 θ₂가 주어졌을 경우에는, 상기 식 (1), (2)를 관계식 h=h₁＋h₂에 대입하여, 식 (3)을 풂으로써 용이하게 θ를 결정할 수 있다.

다만, 반대로 어느 특정의 θ가 주어졌을 경우에, θ₁ 및 θ₂를 해석적으로 구하는 것은 곤란하다. 특정의 각도 θ에 대해 대응하는 θ₁, θ₂를 구할 때에는, 탐색을 행한다. 예를 들면, θ₁ 혹은 θ₂의 값을 서서히 변화시키고, 그때마다 θ의 값을 구한다. 그리고 θ가 원하는 값이 되는 θ₁, θ₂가 얻어질 때까지, θ₁ 혹은 θ₂를 변화시킴으로써, 그 탐색 및 각도의 도출을 행한다.

상기한 것처럼, 식 (1)~(3)에 의해, 원하는 θ에 대응하는 θ₁, θ₂를 구한다. 그리고 입사각 θ마다, 조사 대상물(15)에 의해서 생기는 광의 전파의 광로 길이 OPL을 하기의 식 (4)에 의해서 구한다.

[수 4]

또한, 이 식 (4) 중의 「-f-(n₂-n₁)×d」는 상수항이며, OPL의 값이 너무 커지는 것을 막기 위해서 부가한 항이다.

이 식 (4)는 입사각 θ마다의 광로 길이를 나타내고 있지만, 식 (3) 및 식 (4)로부터, 광축 높이 h 마다의 광로 길이로서, 하기의 식 (5)과 같이 나타낼 수도 있다.

[수 5]

이것에 의해, 광축 높이 h에 대응하는 OPL을 구할 수 있다.

이 OPL의 차, 즉 광로 길이차(OPD：Optical Path Difference)를 주는 위상 φ_OPD를 공간광 변조기(SLM)(20)로 줌으로써, 대상물(15)의 내부에 있어서의 원하는 위치에 레이저광을 집광시킬 수 있다. 이 위상 φ_OPD는, 식 (5)로부터

[수 6]

에 의해서 구해진다. 이 위상 φ_OPD를, 3차원 다점 조사를 위해서 거리 d를 고정한 상태로, z_s마다 도출한다. 또한, 광축 높이 h의 범위는 0~h_max까지이다. 또, h_max는 0~NA×f까지의 범위이며, 즉, 대물 렌즈(25)의 개구(開口)가 광축 높이의 h_max의 최대이다.

또, 상기한 광축 높이 h와 SLM(20)의 화소 j의 위치(x_j, y_j)는 다음과 같은 관계가 있다. SLM(20)과 대물 렌즈(25)가, 도 1에 도시한 광학계와 같이 4f 광학계로 결상되어 있는 경우에는, 대물 렌즈의 동공의 파면이 SLM에 전파된다. 이때, 4f 광학계의 렌즈(21)의 초점 거리를 f1, 렌즈(22)의 초점 거리를 f2라고 하면, 횡배율 M은 M=f2/f1이 된다. 따라서 대물 렌즈의 사출 동공으로부터의 광은, SLM상에 있어서 광축 높이가 h=0~h_max/M이 된다.

또, 대물 렌즈(25)의 사출 동공으로부터의 광의 중심 위치가, SLM상에서 좌표(x_c, y_c)에 있는 것을 알 수 있으면, 하기의 식 (7)

[수 7]

에 의해서, 광축 높이 h와 SLM의 화소 좌표(x_j, y_j)를 변환할 수 있다. 이것에 의해, 좌표(x_j, y_j)의 화소 j마다의 수차 조건이 되는 위상 φ_j- _OPD를 구할 수 있다.

다음으로, 도 4의 순서도의 스텝 S108에 있어서 실행되는 변조 패턴의 설계 방법에 대해서, 구체적으로 설명한다. 이하에 있어서는, SLM(20)에 제시되는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 영향에 주목한 설계 방법의 예로서, ORA법을 이용한 설계 방법에 대해 설명한다(특허 문헌 3, 비특허 문헌 1, 2 참조).

여기서, 일반적으로, SLM에서의 변조 패턴으로서 이용되는 CGH의 설계 방법은 다수 있으며, 예를 들면 반복 푸리에법 등을 들 수 있다. 우선, 반복 푸리에 변환법은 SLM면과 회절면의 2개의 면을 준비하고, 각 면의 사이를 푸리에 변환 및 역푸리에 변환으로 전파시킨다. 그리고 전파마다 각 면의 진폭 정보를 치환하여, 최종적으로 위상 분포를 취득하는 방법이다.

한편, 다른 CGH 설계법으로서는, 광선 추적법 및 1화소의 영향에 주목한 설계 방법의 2개를 들 수 있다. 광선 추적법으로서는, 렌즈의 중첩법(S법：Superposition of Lens)이 있다. 이 방법은, 집광점으로부터의 파면의 중복이 적은 경우에는 유효하지만, 파면의 중복이 증가하면, SLM에 입사되는 레이저광 강도 중에서 집광점에 전파하는 광의 강도가 현저하게 저하하거나, 혹은 제어할 수 없게 되는 경우가 있다. 그 때문에, S법을 개량한 반복 S법이 있다.

한편, CGH의 1화소의 영향에 주목하는 설계법은, CGH의 1화소를 적당 선택하여, 1화소마다 위상값을 변경해 CGH의 설계를 행해 가는 방법이며, 1화소의 위상의 결정 방법에 따라 탐색형 방법과 해석형 방법이 있다.

이 설계법에서는, CGH가 어느 1화소의 위상값을 파라미터로서 변경하고, 프레넬 회절 등에 의한 파동 전파 함수를 이용하여 변조 레이저광을 전파시켜, 원하는 집광점에 있어서의 집광 상태를 나타내는 값(예를 들면 진폭, 강도, 복소 진폭의 값)이 어떻게 변화하는지를 조사한다. 그리고 집광점에서의 집광 상태가 원하는 결과에 가까워지는 위상값을 채용한다. 이러한 조작을 1화소씩, 적어도 광이 입사되는 모든 화소에서 행한다.

모든 화소에서 조작이 끝난 후에, 해석형 방법에서는, 모든 화소를 위상 변조한 결과로, 원하는 위치의 위상이 어떻게 변화하는지 확인한 후에, 처음 1화소째로 돌아가 원하는 위치의 위상을 이용하여, 1화소씩 위상의 변경을 행한다. 또, 탐색형 방법에서는, 확인은 행하지 않고 처음 1화소째로 돌아간다. 탐색형 방법으로서는, 예를 들면, 등산법(hill-climbing method), 소둔법(SA：Simulated Annealing method), 유전적 알고리즘(GA：Genetic Algorithm) 등이 있다(비특허 문헌 3, 4 참조).

이하에 설명하는 ORA(Optimal Rotation Angle) 법은, 해석형 방법을 이용한 최적화 알고리즘이다. 이 방법에서는, 변조 패턴의 각 화소에 있어서의 위상값의 변경, 조정은, 집광점 s에 있어서의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상 φ_s, 전파 함수의 위상 φ_js, 및 화소 j에서의 변경 전의 위상값 φ_j에 기초하여 해석적으로 구해진 값에 의해서 행해진다. 특히, 본 실시 형태에 있어서의 설계 방법에서는, 전파 함수로서, φ_js를 대신하여, 제1, 제2 전파 매질에 의한 수차 조건이 고려된 전파 함수 φ_js＇가 이용된다.

도 6은 도 3에 도시한 광변조 제어 장치(30)에 있어서 실행되는 변조 패턴의 설계 방법의 일례를 나타내는 순서도이다. 우선, 공간광 변조기(20)를 통해서 행해지는 조사 대상물(15)로의 레이저광의 집광 조사에 대해서, 설정된 집광 조건의 정보를 취득한다(스텝 S201). 여기서 취득되는 집광 조건으로서는, 집광점의 개수 s_t, 각 집광점 s의 집광 위치 γ_s=(u_s,v_s, z_s), 및 원하는 집광 강도 I_s _- _des가 있다.

다음으로, SLM(20)에 제시하는 변조 패턴으로서 이용되는 CGH의 설계의 초기 조건이 되는 위상 패턴을 작성한다(S202). 이 위상 패턴은, 예를 들면, CGH의 화소 j에 있어서의 위상값 φ_j를 랜덤 위상 패턴으로 하는 방법에 따라 작성된다. 이 방법은 ORA에 의한 CGH 설계가 최적화 수법이기 때문에, 랜덤 위상에 의해서 특정의 극소해(極小解)에 빠지는 것을 막는 목적으로 이용된다. 또한, 특정의 극소해에 빠질 가능성을 무시해도 좋은 경우에는, 예를 들면 균일한 위상 패턴 등으로 설정해도 좋다.

이어서, 집광점의 개수가 복수(s_t≥2)로 설정되어 있는 경우, 그러한 집광점 s=1~s_t간의 집광 강도비를 조정하기 위한 파라미터인 웨이트 w_s를, 그 초기 조건으로서 w_s=1로 설정한다(S203). 또한, 이 웨이트 w_s는 1×s_t의 배열이 된다. 또, 집광점이 단일(s_t=1)인 경우에는, 웨이트의 설정은 불필요하다.

CGH의 위상 패턴 φ_j, 및 웨이트 w_s의 설정을 종료하면, 집광점 s에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭 U_s를 산출한다(S204). 구체적으로는, 광파 전파를 표현하는 하기의 식 (8)

[수 8]

에 의해서, 복소 진폭 U_s=A_sexp(iφ_s)를 구한다. 여기서, A_j _- _in은 SLM(20)의 화소 j로의 레이저광의 입사 진폭이며, φ_j는 화소 j에서의 위상값이다. 또, φ_j- _in은 화소 j에 입사되는 레이저광의 위상이다.

또, 식 (8)에 있어서, φ_js＇는 제1, 제2 전파 매질(도 5에 도시한 예에서는 분위기 매질, 조사 대상물(15))에 의한 수차 조건이 고려된 전파 함수이며,

[수 9]

에 의해서 구해진다. 이 식 (9)에 있어서, φ_j- _OPD는, 식 (6)에 나타낸 화소 j에 대한 수차 조건의 위상이다.

이와 같이, 수차 조건이 고려된 전파 함수 φ_js＇를 이용함으로써, z_s가 다른 어느 집광점에 있어서도, 원하는 결과를 주는 것이 가능한 CGH를 얻을 수 있다. 또, φ_js는 자유 전파를 가정했을 경우의 유한원(有限遠) 영역에서의 전파 함수이다. 이 전파 함수 φ_js로서는, 예를 들면 하기의 식 (10)

[수 10]

으로 주어지는 파동 전파 함수의 근사식인 프레넬 회절을 이용할 수 있다. 여기서, 상기의 식 (10)에 있어서, k는 파수(波數)이다.

또한, 자유 전파의 전파 함수 φ_js로서는, 예를 들면, 상기한 프레넬 회절의 근사식이나 프라운 호퍼 회절(Fraunhofer diffraction)의 근사식, 혹은 헬름홀츠 방정식의 해 등, 여러가지 파생식을 이용할 수 있다. 또, 상기한 식 (8), (9)에 있어서, 수차 조건의 위상을, φ_j- _OPD=0이라고 하면, 전파 함수는 φ_js＇= φ_js가 되며, 종래의 ORA법에서 이용되고 있는, 수차가 고려되지 않는 복소 진폭의 산출식이 얻어진다.

또, 식 (10)의 전파 함수를 이용하여 ORA법에 따르는 CGH 설계를 행하면, 대물 렌즈의 초점 거리 f의 렌즈 효과도 부가된 CGH가 설계된다. 다만, 통상, SLM에서의 화소 사이즈가 크기 때문에, 그 대물 렌즈의 렌즈 효과를 표현할 수 없다. 이 때문에, 실제로는, 초점 거리 f가 아니라, 초점 거리 L(예를 들면, 하마마츠 포토닉스제 LCOS-SLM　X10468이면 L=1m정도)과 같은 값을 이용하고 있다.

이어서, 상기 방법에 따르는 CGH의 설계에 있어서, 원하는 결과가 얻어져 있는지 여부를 판정한다(S205). 이 경우의 판정 방법으로서는, 예를 들면, 각 집광점 s에서 얻어진 집광 강도 I_s=｜A_s｜²와, 원하는 강도 I_s _- _des를, 하기의 식 (11)

[수 11]

에 의해서 비교하여, 모든 집광점 s에 있어서, 강도비가 소정의 값 ε이하로 되어 있는지에 따라서 판정하는 방법을 이용할 수 있다. 또, 집광 강도 I_s가 아니라, 진폭 A_s, 복소 진폭 U_s 등에 의해서 판정을 행해도 좋다.

혹은, 도 6의 순서도에 있어서, 위상값의 변경, 및 복소 진폭의 산출 등의 루프가 규정의 횟수 행해졌는지, 등의 조건에 의해서 판정하는 방법을 이용해도 좋다. 설정된 집광 조건에 대해, 설계된 CGH가 필요한 조건을 충족하고 있다고 판정되었을 경우에는, ORA에 의한 CGH의 설계 알고리즘을 종료한다. 또, 조건을 충족하고 있지 않은 경우에는, 다음의 스텝 S206으로 진행된다.

설계 종료에 필요한 조건을 충족하고 있지 않다고 판정되었을 경우, 우선, 집광점 s간의 집광 강도비를 조정하기 위한 웨이트 w_s의 값을 하기의 식 (12)

[수 12]

에 의해서 변경한다(S206). 여기서, 식 (12)에 있어서 웨이트 w_s의 갱신에 이용되고 있는 파라미터 η는, ORA 알고리즘이 불안정하게 되는 것을 막기 위해서, 통상, 관습적으로 η=0.25~0.35 정도의 값이 이용되고 있다.

다음으로, 집광점 s에 있어서의 레이저광의 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록, CGH의 화소마다 위상값의 변경 조작을 행한다(S207). 해석형 ORA법에서는, 집광 상태를 원하는 상태에 근접시키기 위해 화소 j의 위상값 φ_j에 더하는 위상의 변화량 Δφ_j를, 식 (8)에서 얻어진 복소 진폭의 위상 φ_s, 수차 조건 φ_j- _OPD를 고려한 전파 함수의 위상 φ_js＇, 및 갱신전의 위상값 φ_j를 이용하여, 하기의 식 (13)

[수 13]

과 판정에 의해서 해석적으로 구한다. 여기서,

[수 14]

[수 15]

[수 16]

이다. 이와 같이 해석적으로 위상값 φ_j를 구하는 방법으로는, 탐색에 의해서 위상값을 구하는 등산법 등의 방법에 비해, 연산에 필요로 하는 시간이 짧아진다고 하는 이점이 있다.

또한, 위상의 변화량 Δφ_j의 결정에 이용되는 φ_js에 대해서는, 통상의 ORA법에서는, 하기의 식 (17)

[수 17]

이 이용되지만, 여기서 설명하는 개량 ORA법에서는, 상기한 전파 함수의 변경에 더하여, 위상값의 갱신에 있어서의 이 φ_js의 산출에 있어서도, 수차 조건의 위상 φ_j- _OPD를 가미한 식 (16)을 이용하고 있다.

상기와 같이, 위상의 변화량 Δφ_j가 구해지면, 하기의 식 (18)

[수 18]

에 의해서, CGH의 j번째의 화소에 있어서의 위상값 φ_j를 변경, 갱신한다. 그리고 위상값의 변경 조작이 모든 화소에서 행해졌는지를 확인하여(S208), 변경 조작이 종료되어 있지 않으면, j=j＋1로 하고, 다음의 화소에 대해서 위상값의 변경 조작을 실행한다. 한편, 모든 화소에 대해서 변경 조작이 종료되어 있으면, 스텝 S204로 돌아가 복소 진폭 U_s의 산출, 및 그것에 따른 집광 상태의 평가를 행한다. 이러한 조작을 반복하여 실행함으로써, 설정된 집광 조건에 대응하는 변조 패턴의 CGH가 작성된다.

이상의 방법에 따라 설계되는 CGH에는, 상기한 것처럼, 대물 렌즈의 초점 거리 f의 렌즈 효과가 부여되어 있다. 따라서 초점 거리 f의 대물 렌즈를 사용하는 경우에는, ORA법에 의한 설계 결과로서 얻어진 CGH의 위상값 φ_j- _res에 대해,

[수 19]

를 행하면 좋다. 다만,

[수 20]

이다. 또한, f_obj 대신에 상술한 초점 거리 L을 이용했을 경우에는, 식 (20)에 대해서도 f_obj에서 L로 변경한다.

여기서, 굴절률이 다른 매질이 전파 경로상에 존재하는 경우의 수차의 보정에서는, 종래, 수차 보정용 패턴을 구하고, 설계된 CGH의 변조 패턴에 보정 패턴을 서로 더하는 방법이 이용되고 있다(예를 들면, 비특허 문헌 5 참조). 이 경우의 보정 패턴의 도출 방법으로서는, 예를 들면 최적화 보정법, 근축 근사를 이용한 해석법, 역광선 추적을 이용한 해석법이 있다. 이들 수법으로부터 도출한 수차 조건의 반대 위상이, 수차 보정용 패턴이 된다. 그렇지만, 이러한 패턴의 서로 더함에 의한 방법은, 하기와 같이 적절히 기능하지 않는 경우가 있다.

즉, 상기한 ORA법 등의 CGH의 1화소의 영향에 주목하는 설계법에서는, 1매의 CGH에 의해서, 복수의 집광점에 의한 레이저광의 3차원 다점 조사를 행할 수 있다. 이러한 CGH에 대해서 종래와 같이 보정 패턴을 서로 더했을 경우, CGH에 의해서 재생되는 모든 집광점에 있어서, 동일한 수차 보정 패턴의 효과가 주어진다. 그렇지만, 실제로는, 설정되는 복수의 집광점은, 광축 방향의 위치(광축 깊이)가 다른 경우가 있다. 이 경우, 수차의 영향은 광축 깊이에 따라서 다르기 때문에, 집광점 마다 다른 수차 보정 패턴의 효과를 줄 필요가 있다. 즉, 보정 패턴을 CGH에서 서로 더하는 방법에서는, 단일의 광축 깊이에서의 수차 보정 밖에 더하지 못하고, 광축 깊이가 다른 수차의 보정이 불충분하게 될 우려가 있다.

한편, 비특허 문헌 6에는, 반복 푸리에법을 이용한 설계법이 개시되어 있다. 이러한 방법에서는, 3차원 다점 조사를 위해서는, CGH 설계에 추가의 처리를 행할 필요가 있다. 통상의 반복 푸리에법에 의해 설계된 CGH를 재생하기 위해서는, SLM의 후단(後段)에 렌즈가 필요하다. 이것은, 설계의 단계에서는 전파 거리는 무한원(無限遠)이며, 광축 깊이(광축 방향의 집광 위치)마다의 제어를 할 수 없기 때문이다.

이 방법에서는, 광축 깊이를 바꾸려면, 반복 푸리에법으로 설계된 CGH에 프레넬 렌즈 패턴을 별도 더할 필요가 있다. 추가로, 3차원 다점 조사를 실현하기 위해서는, 우선 집광점이 설정된 집광면(회절면)마다 반복 푸리에법에 의해 CGH를 구하고, 각각의 CGH에 깊이 방향을 제어하는 프레넬 렌즈 패턴의 위상을 더한다. 그리고 그 후, 복수의 집광면의 CGH를 복소 진폭의 형태로 서로 더하여, 위상만을 추출하고, 이 조작에 의해서 3차원 다점 조사를 위한 CGH가 설계된다.

또, 각 집광면용의 CGH에 프레넬 렌즈 패턴을 더할 때에, 전파 경로상의 매체에 의한 영향을 보정하는 수차 보정 패턴도 더함으로써, 집광면마다의 구면 수차 보정이 가능해진다. 그렇지만, 이러한 방법에서는, 복소 진폭 연산을 행한 후에, 위상만을 추출하기 때문에, 진폭 분포 정보가 결여되어, 각 집광점으로의 진폭의 분배가 매우 어렵다고 하는 문제가 있다.

이것에 대해서, 상기한 CGH의 설계 방법에 의하면, 이러한 수차 보정, 및 각 집광점으로의 진폭의 분배를 매우 적합하게 실현할 수 있다. 또, 이러한 설계 방법에서는, 예를 들면, 분위기 매질인 공기(혹은 물, 오일 등)와 굴절률이 다른 매체가 전파 경로상에 존재하는 영향의 보정, 3차원 다점 조사, 및 복수의 집광점의 사이에서의 강도 조정의 3개를 동시에 실현하는 CGH를 설계하는 것이 가능하다.

상기 실시 형태의 광변조 제어 장치(30), 및 레이저광 조사 장치(1A)에 의한 수차 보정 등의 효과에 대해서, 그 구체적인 예와 함께 설명한다. 도 7~도 9는, 각각, 레이저광 조사 장치(1A)에 의한 레이저광의 조사 패턴의 예(CGH의 재생 이미지의 예)를 도시하는 도면이다. 여기에서는, 레이저광을 공간 필터에 의해서 확산시키고, 공간광 변조기(20)인 LCOS-SLM에 의해 위상 변조를 행한 광을, f=800mm의 렌즈로 집광한다. 이때, 집광 렌즈로부터 700mm 떨어진 위치에 f=200mm의 실린드리칼 렌즈가 배치되어 있다. 이 예에서는, 실린드리칼 렌즈가 집광 광학계에 삽입된 수차 물체이다.

수차 물체에 대한 보정을 행하지 않은 변조 패턴을 이용했을 경우, 도 7에 도시하는 것처럼, 실린드리칼 렌즈의 수차의 영향에 의해서 CGH가 올바르게 표시되지 않는다. 한편, 상기한 CGH의 설계 방법에 의해 수차 물체에 대한 보정을 행하면, 도 8에 도시한 것처럼, 집광 렌즈로부터 z_s=850mm인 위치에서, 수차가 보정된 이미지가 관찰된다.

또한, 실린드리칼 렌즈에 대한 수차 보정은, 상기한 평행 평면 기판의 경우와는 OPD의 도출 방법 등이 약간 다르다. 즉, 평행 평면 기판의 경우에는, 축대칭이기 때문에, 2차원의 계산을 이용할 수 있다. 한편, 실린드리칼 렌즈의 경우, 혹은 대상물에 기울기가 존재하는 경우 등에는, 그것에 대응한 적절한 OPD의 도출 방법을 행하는 것이 필요하다.

또, 상기한 CGH의 설계 방법에서는, 광축 깊이를 포함하는 집광 위치, 굴절률, 공간광 변조기에서의 화소 피치 등의 정보를 정확하게 가지고 있기 때문에, 원하는 위치에 대해서 레이저광의 집광 조사, 레이저 가공 등을 행할 수 있다. 여기서, 도 9는 통상의 반복 푸리에법으로 설계한 「HPK」패턴을 재생하는 CGH를, 전파 경로에 대상물이 존재하지 않을 때에 재생시킨 결과를 나타내고 있다. 한편, 도 8은 광축상의 (0, 0, z_s)의 위치에 집광되도록 ORA법으로 설계한 CGH와, 「HPK」패턴의 CGH를 서로 더한 것을 재생, 표시시킨 결과이다.

도 8, 도 9를 비교하면, 지면 횡방향의 재생 위치가 다른 것을 알 수 있다. 집광점의 형상은 양호해져 있지만, 도 8에서 변조 패턴으로서 이용한 CGH는, 실린드리칼 렌즈에 의해서 굴절된 횡방향의 회절에 대한 보정이 이루어져 있지 않다. 이것에 대해서, 횡방향의 회절도 개선하기 위해서는, 다음의 2개의 방법이 있다.

즉, 제1 방법은, 재생점의 1점 1점에 대해서, 광축 방향에 대해서 수직인 면의 위치도 포함하여, 각각 OPD를 도출하는 방법이다. 이 경우에는, φ_j- _OPD에 점 s의 위치 정보가 포함되기 때문에, φ_js가 모든 점 s에 대해 공통이고, φ_j- _OPD가 점의 위치마다 다르다.

제2 방법은 광축 방향에 대해서 수직인 면의 위치는 포함하지 않고, 광축 깊이에 따라서 다른 OPD를 도출하는 방법이다. 이 경우에는, φ_j- _OPD에는 점 s의 위치 정보가 포함되지 않기 때문에, φ_js가 광축 방향에 대해서 수직인 면의 위치의 조정을 행하며, 즉, φ_js가 점의 위치마다 다르다.

또한, 후자의 방법을 적용하고, 또한, 상술한 것처럼 실제의 초점 거리 f가 아니라, 초점 거리 L을 이용하는 경우에는, (u_s,v_s)를 변경할 필요가 있다. 또한, f를 이용했을 경우에도 L을 이용했을 경우에도, 최종적으로는 렌즈 효과를 제거하기 때문에, (u_s,v_s)의 설계를 올바르게 행하고 있으면 문제는 없다. 여기서, 초점 거리 L을 이용하는 경우에는, 변경 후의 것(u_s＇,v_s＇)은, (u_s＇,v_s＇)=(βu_s,βv_s)라고 한다. 또한, β는 렌즈의 초점 거리를 변경한 것을 보정하는 파라미터이며, 광축과 (u_s,v_s)의 거리가 짧은 경우에는, β=L/f가 된다.

이들 방법을 이용하여 CGH의 설계를 행한다. 이렇게 함으로써, 각 집광점을 각각 소정의 위치에 재생할 수 있다.

이와 같이, 수차량을 올바르게 도출하여 CGH를 설계하는 것은, 레이저광의 조사 위치 정밀도에 큰 영향을 미친다. 또한, 매체의 굴절률을 모르는 경우의 레이저광 조사 등에 있어서는, 우선 레이저 조사를 행하고, 그 집광 위치(예를 들면 가공 위치)를 확인하고 나서, 굴절률을 바꿔서 피드백을 행하는 방법도 생각할 수 있다.

도 4의 순서도의 스텝 S108에 있어서 실행되는 변조 패턴의 설계 방법에 대해서, 추가로 설명한다. 도 6의 순서도에서는, CGH의 1화소의 영향에 주목한 설계법의 예로서, 해석형 ORA법을 이용한 설계 방법을 나타냈다. 이것에 대해서, 변조 패턴의 설계 방법으로서는, 상술한 것처럼, 등산법, 소둔법, 유전적 알고리즘 등의 탐색형 설계 방법을 이용하는 것도 가능하다.

도 10은 도 3에 도시한 광변조 제어 장치(30)에 있어서 실행되는 변조 패턴의 설계 방법의 다른 예를 나타내는 순서도이다. 이 순서도에서는, 탐색형 설계 방법의 예로서, 등산법을 이용했을 경우의 설계 방법을 나타내고 있다. 이 방법에서는, 우선, ORA법과 마찬가지로, SLM(20)을 통해서 행해지는 조사 대상물(15)로의 레이저광의 집광 조사에 대해서, 설정된 집광 조건의 정보를 취득한다(스텝 S301). 다음으로, SLM(20)에 제시하는 CGH 설계의 초기 조건의 위상 패턴 φ_j를, 예를 들면 랜덤 위상 패턴으로서 작성한다(S302).

이어서, CGH의 1화소의 위상값 φ_j의 변경 조작을 행한다(S303). 추가로, 수차 조건이 고려된 전파 함수 φ_js＇를 포함하는 식 (8)을 이용하여, 집광점 s에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭 U_s=A_sexp(iφ_s)를 산출한다(S304). 복소 진폭을 산출하면, 얻어진 집광 상태에 대해서 판정을 행한다(S305).

여기에서는, 1화소의 위상값 φ_j의 전환에 의해, 진폭 A_s, 강도 I_s=｜A_s｜², 또는 복소 진폭 U_s가 원하는 값에 가까워져 있으면, 그때의 위상값을 채용한다. 등산법에서는, 예를 들면, CGH의 1화소마다의 위상값을 0.1π(rad)씩 0π(rad)에서부터 소정의 위상값까지, 예를 들면 2π(rad)까지 전환하고, 전환할 때마다 식 (8)을 이용하여, 전파를 행한다. 그리고 집광점 s의 강도가 가장 증가하는 위상값을 탐색으로 구한다.

이어서, 1화소의 위상값 φ_j의 전환을 모든 조건으로 확인했는지를 판정하여(S306), 행하지 않았으면 스텝 S303로 돌아간다. 추가로, 1화소의 위상값의 변경, 및 집광 상태의 판정 등의 조작을 모든 화소에서 행했는지 여부를 판정하고(S307), 행하지 않았으면 화소 번호를 j=j＋1로 하고 스텝 S303로 돌아가, 다음의 화소에 대해서 필요한 조작을 행한다.

모든 화소에 대해서 필요한 조작을 종료하고 있으면, CGH의 설계에 있어서, 원하는 결과가 얻어져 있는지 여부를 판정한다(S308). 이 경우의 판정 방법으로서는, ORA법의 경우와 마찬가지로, 예를 들면, 각 집광점에서 얻어진 집광 강도, 진폭, 복소 진폭 등의 값이 허용 범위 내에 들어가 있는지 여부에 의해서 판정하는 방법을 이용할 수 있다. 혹은, 도 10의 순서도에 있어서, 위상값의 변경, 및 집광 상태의 판정 등의 루프가 규정의 횟수 행해졌는지, 등의 조건에 의해서 판정하는 방법을 이용해도 좋다. 필요한 조건을 충족하고 있는 경우에는, CGH의 설계 알고리즘을 종료한다. 조건을 충족하고 있지 않은 경우에는, 스텝 S303로 돌아가 1화소째에서부터 탐색을 반복한다.

여기서, 상술한 변조 패턴의 설계 방법의 예에서는, 모두 조사 대상물(15)을 평행 평면 기판으로 했을 경우에 대해 설명했지만, 실제로는, 대상물(15) 등의 광의 전파 경로상의 매체가 광축에 대해 각도 α의 기울기를 가지는 경우도 생각할 수 있다. 이 기울기 α가 큰 경우에는, 구면 수차에 더하여 비점(非点) 수차가 발생한다. 그러한 경우에는, 대물 렌즈의 NA, 초점 거리 f, 분위기 매질의 굴절률 n₁, 조사 대상물(15)의 굴절률 n₂, 및 SLM에 대한 레이저광의 입사광 강도 분포 I_j _- _in에 더하여, 대상물(15)의 기울기 α를 구한다.

상기한 설계예에서는, 역광선 추적을 이용한 해석 수법으로, 2차원에서의 수차 조건의 도출을 행했지만, 이것은, 구면 수차가 축대칭인 수차이기 때문이다. 이것에 반하여, 매체의 기울기 α에 의해 비점 수차가 발생하여 수차가 축대칭은 아니게 되는 등의 경우에는, 그것에 대응한 적절한 방법으로 수차 조건의 도출을 행하고, 얻어진 수차 조건 φ_OPD를 이용하여 CGH의 설계를 행하면 좋다.

또, 집광점으로서 임의의 위치에 레이저광을 집광시키기 위해, 레이저광 빔이 광축과는 다른 위치에 집광하는 경우도 생각할 수 있다. 빔의 회절각이 작은 경우는 문제없지만, 큰 경우에는, 구면 수차에 더하여 비점 수차가 발생한다. 이러한 경우에는, 빔의 기울기 β를 구하여, 상기와 마찬가지로 그것에 대응한 적절한 방법으로 수차 조건의 도출을 행하고, 얻어진 수차 조건 φ_OPD를 이용하여 CGH의 설계를 행하면 좋다.

각 집광점 s에서의 레이저광의 원하는 집광 강도 I_s _- _des에 대해서는, 조사 대상물(15) 등에서의 재질의 광의 투과율을 고려하여, 조사 깊이에 따라 강도 I_s _- _des를 조정, 즉, 조사 깊이 z_s에 따라 강도 I_s _- _des를 바꿔서, CGH의 설계를 행해도 좋다.

또, SLM은 주기적인 화소 구조를 가지고 있기 때문에, 그 복수의 화소에 표시하는 CGH가 공간 주파수에 의해서 회절된 광의 강도가 다르다. 따라서 이러한 회절 강도를 고려하여, 조사 위치(u_s,v_s), 조사 깊이 z_s에 따라 강도 I_s _- _des를 바꿔서, CGH의 설계를 행해도 좋다.

또, 상기와 같이 강도 I_s _- _des의 조정을 행해도, 여전히 강도에 차(variation)가 생기는 경우도 생각할 수 있다. 이러한 경우에는, 레이저광의 조사 결과, 예를 들면 조사 부위에 있어서 발생한 굴절률 변화량 등의 가공 결과를 관찰하고, 그 관찰 결과를 참조하여 피드백에 의해서 강도 I_s _- _des를 바꿔서, CGH의 설계를 행해도 좋다.

또, 레이저광의 집광 조사에 의해서, 그 집광점에 있어서 조사 대상물(15)의 가공을 행하는 경우, 상기에서는 유리의 내부 가공에 의한 광집적 회로의 제작을 예시했지만, 레이저 가공을 행하는 경우의 가공 대상물(15)의 재질에 대해서는, 유리 매체로 한정하지 않고, 예를 들면 실리콘 내부나 SiC 등 여러가지 재질을 가공 대상으로 하는 것이 가능하다.

또, 상기 실시 형태에서는, 주로 조사 대상물(15)에 대한 레이저광의 집광 조사에 의한 대상물(15)의 내부의 레이저 가공을 상정하여 설명하고 있지만, 상기한 광변조 제어 장치, 및 변조 패턴의 설계 방법을 이용한 레이저광 조사 장치는, 레이저 가공 장치 이외에도, 예를 들면 세포 관찰용 레이저 스캐닝 현미경 등의 레이저 현미경 등, 여러가지 장치에 적용하는 것이 가능하다.

도 11은 본 발명에 의한 광변조 제어 장치를 포함하는 레이저광 조사 장치의 다른 실시 형태의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시 형태에 의한 레이저광 조사 장치(1B)는 레이저 광원(10), 가동 스테이지(18), 공간광 변조기(20), 구동 장치(28), 및 광변조 제어 장치(30)를 포함하는 도 1에 도시된 구성과 마찬가지의 구성을 가지고 있지만, 그것들에 더하여, 검출부(40)와, 렌즈(41)와, 다이클로익 미러(42)를 추가로 구비하고 있다.

다이클로익 미러(42)는 레이저광 조사 광학계에 있어서, 4f 광학계를 구성하고 있는 렌즈(22)와, 대물 렌즈(25)의 사이에 마련되어 있다. 또, 다이클로익 미러(42)에서 반사된 조사 대상물(15)로부터의 광은, 렌즈(41)를 통해서 검출부(40)에 입사되는 구성으로 되어 있다.

이것에 의해, 도 11의 레이저광 조사 장치(1B)는 조사 대상물인 관찰 시료(15)에 레이저광을 조사하여, 검출부(40)에 의해서 시료(15)로부터의 반사광, 산란광, 혹은 형광 등의 관찰을 행하는 레이저 스캐닝 현미경으로서 구성되어 있다. 또한, 시료(15)에 대한 레이저 스캔에 대해서는, 도 11에서는 가동 스테이지(18)에 의해서 시료(15)를 이동시키는 구성으로 하고 있지만, 광학계측에 가동 기구, 갈바노 미러 등을 마련하는 구성으로 해도 좋다.

도 12는 도 11에 도시한 레이저광 조사 장치(1B)에 있어서의 조사 대상물(관찰 시료)(15)로의 레이저광의 집광 조사의 일례에 대해서 도시하는 도면이다. 예를 들면, 세포를 시료(15)로 하는 세포 관찰 등에 있어서는, 도 12에 도시한 것처럼, 관찰 위치에 따라서 세포의 형상이 다른 것도 생각할 수 있다. 이러한 경우에는, 각각의 형상에 따른 수차 조건의 위상 φ_OPD를 구할 필요가 있다.

또, 레이저 스캐닝 현미경에 있어서는, 레이저광의 수렴 과정뿐만이 아니라, 관찰시에는 발산 과정에서도 굴절률 미스 매칭이 발생한다. 이 경우, 발산 과정을 고려해 수차 조건 φ_OPD를 도출하여 CGH의 설계를 행하고, 추가로 다른 SLM을 이용해 반사광, 산란광, 형광 등의 보정을 행하는 것도 생각할 수 있다. 이것에 의해, 예를 들면 컨포칼(confocal) 현미경 등에 있어서, 시료 관찰의 정밀도의 향상을 기대할 수 있다.

또, 상기 실시 형태에서는, 단일 파장의 레이저광의 위상 변조에 대한 실시 형태를 설명하고 있지만, SLM에 파장이 다른 복수의 광원으로부터의 복수의 레이저광 성분을 입사시켜, SLM에 파장이 다른 복수의 광 성분을 변조시키는 변조 패턴을 표시하고, 각각의 위상을 변조시켜도 좋다. 파장이 다른 복수의 광 성분을 동시에 변조하는 변조 패턴의 설계 방법에 대해서는, 예를 들면 비특허 문헌 8에 기재가 있다.

상기 실시 형태의 구성을 이용하여, 복수 파장의 제어를 하는 경우에 대해 구체적으로 설명한다. 집광 조건 정보를 취득할 때에, 점 s의 집광 위치와 집광시키는 파장의 정보를 취득한다. 그리고 점 s 마다 수차 조건 φ_OPD를 구하고, 파장과 위치에 따라서 다른 전파 함수 φ_js를, φ_js＇로 변환하여 이용하면 좋다.

본 발명에 의한 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치 및 레이저광 조사 장치는, 상기 실시 형태 및 구성예로 한정되는 것이 아니라, 여러가지 변형이 가능하다. 예를 들면, 레이저 광원, 및 공간광 변조기를 포함하는 광학계의 구성에 대해서는, 도 1, 도 11에 도시한 구성예로 한정하지 않고, 구체적으로는 여러가지 구성을 이용해도 좋다.

또, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴(CGH)의 설계에 대해서도, 구체적으로는 상기한 예 이외에도 여러가지 방법을 이용해도 좋다. 일반적으로는, 변조 패턴의 설계에 있어서, 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에서의 화소 j로부터 집광점 s로의 광의 전파에 대해서, 자유 전파의 파동 전파 함수 φ_js에 수차 조건을 더하여 변환한 전파 함수 φ_js＇를 이용하고 있으면 좋다.

상기 실시 형태에 의한 광변조 제어 방법에서는, (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 방법으로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로의 레이저광의 입사 패턴, 공간광 변조기로부터 집광점으로의 레이저광의 전파 경로상에 있는 제1 전파 매질의 제1 굴절률 n₁, 및 제1 전파 매질보다도 집광점측에 있는 제2 전파 매질의 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률 n₂를 취득하는 조사 조건 취득 스텝과, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 스텝과, (4) 공간광 변조기로부터 집광점 s로의 레이저광의 전파에 있어서, 서로 굴절률이 다른 제1 전파 매질, 및 제2 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출하는 수차 조건 도출 스텝과, (5) 수차 조건 도출 스텝에서 도출된 수차 조건을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 스텝을 구비하고,(6) 변조 패턴 설계 스텝은, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 집광점 s로의 광의 전파에 대해서, 전파 매질이 균질한 상태의 자유 전파의 파동 전파 함수 φ_js에 수차 조건을 더하여 변환한 전파 함수 φ_js＇를 이용하는 구성으로 하고 있다.

또, 상기 실시 형태에 의한 광변조 제어 프로그램에서는, (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램으로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로의 레이저광의 입사 패턴, 공간광 변조기로부터 집광점으로의 레이저광의 전파 경로상에 있는 제1 전파 매질의 제1 굴절률 n₁, 및 제1 전파 매질보다도 집광점측에 있는 제2 전파 매질의 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률 n₂를 취득하는 조사 조건 취득 처리와, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 처리와, (4) 공간광 변조기로부터 집광점 s로의 레이저광의 전파에 있어서, 서로 굴절률이 다른 제1 전파 매질, 및 제2 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출하는 수차 조건 도출 처리와, (5) 수차 조건 도출 처리에서 도출된 수차 조건을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 처리를 컴퓨터에 실행시키고, (6) 변조 패턴 설계 처리는, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 집광점 s로의 광의 전파에 대해서, 전파 매질이 균질한 상태의 자유 전파의 파동 전파 함수 φ_js에 수차 조건을 더하여 변환한 전파 함수 φ_js＇를 이용하는 구성으로 하고 있다.

또, 상기 실시 형태에 의한 광변조 제어 장치에서는, (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 장치로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로의 레이저광의 입사 패턴, 공간광 변조기로부터 집광점으로의 레이저광의 전파 경로상에 있는 제1 전파 매질의 제1 굴절률 n₁, 및 제1 전파 매질보다도 집광점측에 있는 제2 전파 매질의 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률 n₂를 취득하는 조사 조건 취득 수단과, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 수단과, (4) 공간광 변조기로부터 집광점 s로의 레이저광의 전파에 있어서, 서로 굴절률이 다른 제1 전파 매질, 및 제2 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출하는 수차 조건 도출 수단과, (5) 수차 조건 도출 수단에서 도출된 수차 조건을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 수단을 구비하고, (6) 변조 패턴 설계 수단은, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 집광점 s로의 광의 전파에 대해서, 전파 매질이 균질한 상태의 자유 전파에서의 파동 전파 함수 φ_js에 수차 조건을 더하여 변환한 전파 함수 φ_js＇를 이용하는 구성으로 하고 있다.

여기서, 상기한 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 및 제어 장치는, 수차 조건의 도출에 있어서, 화소 j로부터 집광점 s로의 광의 전파에 대한 수차 조건으로서, 그 전파에서의 광로 길이차를 주는 위상 φ_j- _OPD를 구하고, 변조 패턴의 설계에 있어서, 변환식

φ_js＇= φ_js＋φ_j- _OPD

또, 광변조 제어 방법, 제어 프로그램 및 제어 장치는, 변조 패턴의 설계에 있어서, 공간광 변조기의 화소 j로의 레이저광의 입사 진폭을 A_j _- _in, 위상을 φ_j- _in, 화소 j에서의 위상값을 φ_j라고 하고, 하기 식

　　U_s=A_sexp(iφ_s)

　　　　=Σ_jA_j _- _inexp(iφ_js＇)exp(i(φ_j＋φ_j- _in))

에 의해서, 집광점 s에 있어서의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭 U_s를 구하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하게 평가할 수 있다.

변조 패턴의 설계의 구체적인 구성에 대해서는, 변조 패턴의 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 집광점 s에 있어서의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상 φ_s, 수차 조건이 고려된 전파 함수 φ_js＇, 및 화소 j에서의 변경 전의 위상값 φ_j에 기초하여 해석적으로 구해진 값에 의해서, 위상값을 변경하는 구성을 이용할 수 있다. 이와 같이 해석적으로 위상값을 갱신하는 방법으로서는, 예를 들면 ORA(Optimal Rotation Angle) 법이 있다. 혹은, 변조 패턴의 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 등산법, 소둔법, 또는 유전적 알고리즘 중 어느 방법을 이용하여 탐색으로 구해진 값에 의해서, 위상값을 변경하는 구성을 이용해도 좋다.

또, 레이저광의 전파 경로상에 있는 제1, 제2 전파 매질에 대해서는, 예를 들면, 제2 전파 매질이 집광점이 내부에 설정되는 조사 대상물이고, 제1 전파 매질이 공간광 변조기와 조사 대상물의 사이에 있는 분위기 매질인 구성을 이용할 수 있다. 또한, 분위기 매질에 대해서는, 공기 등 외에, 물, 오일 등이어도 좋다. 또, 공간광 변조기와 집광점의 사이에 3개 이상의 매질이 있어도 좋다.

또, 광변조 제어 장치는, 공간광 변조기를 구동 제어하여, 변조 패턴 설계 수단에 의해서 설계된 변조 패턴을 공간광 변조기에 제시하는 광변조기 구동 제어 수단을 구비하고 있어도 좋다. 또, 이러한 광변조기 구동 제어 수단에 대해서는, 변조 패턴의 설계를 행하는 광변조 제어 장치와는 별개의 장치로서 마련되는 구성으로 해도 좋다.

상기 실시 형태에 의한 레이저광 조사 장치에서는, (a) 레이저광을 공급하는 레이저 광원과, (b) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 변조 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기와, (c) 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 변조 레이저광의 집광 조사를 제어하는 상기 구성의 광변조 제어 장치를 구비하는 구성으로 하고 있다.

이러한 구성에 의하면, 광변조 제어 장치에 의해서, 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하고 또한 확실하게 제어하여, 조사 대상물에 있어서 설정된 단일 또는 복수의 집광점에 대한 레이저광의 집광 조사, 및 그것에 의한 대상물의 가공, 관찰 등의 조작을 매우 적합하게 실현하는 것이 가능해진다. 이러한 레이저광 조사 장치는, 예를 들면 레이저 가공 장치, 레이저 현미경 등으로서 이용할 수 있다. 또한, 공간광 변조기로서는, 2차원 배열된 복수의 화소를 가지고, 복수의 화소 각각에 있어서 레이저광의 위상을 변조하는 구성의 공간광 변조기를 이용하는 것이 바람직하다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명은 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하게 제어하는 것이 가능한 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치 및 레이저광 조사 장치로서 이용 가능하다.

1A, 1B: 레이저광 조사 장치, 10: 레이저 광원,
11: 빔 익스팬더, 12: 반사 미러,
13: 반사 미러, 15: 조사 대상물,
18: 가동 스테이지, 20: 공간광 변조기,
21: 4f 광학계 렌즈, 22: 4f 광학계 렌즈,
25: 대물 렌즈, 28: 광변조기 구동 장치,
40: 검출부, 41: 렌즈,
42: 다이클로익 미러, 30: 광변조 제어 장치,
31: 조사 조건 취득부, 32: 집광 조건 설정부,
33: 수차 조건 도출부, 34: 변조 패턴 설계부,
35: 광변조기 구동 제어부, 37: 입력 장치,
38: 표시 장치.

Claims

레이저광을 입력하고, 상기 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여 상기 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 상기 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 방법으로서,
상기 레이저광의 조사 조건으로서, 상기 공간광 변조기로의 상기 레이저광의 입사 패턴, 상기 공간광 변조기로부터 상기 집광점으로의 상기 레이저광의 전파 경로상에 있는 제1 전파 매질의 제1 굴절률 n₁, 및 상기 제1 전파 매질보다도 상기 집광점측에 있는 제2 전파 매질의 상기 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률 n₂를 취득하는 조사 조건 취득 스텝과,
상기 레이저광의 집광 조건으로서, 상기 공간광 변조기로부터의 상기 레이저광을 집광 조사하는 상기 집광점의 개수 s_t(s_t는 1이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 스텝과,
상기 공간광 변조기로부터 상기 집광점 s로의 상기 레이저광의 전파에 있어서, 서로 굴절률이 다른 상기 제1 전파 매질, 및 상기 제2 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출하는 수차 조건 도출 스텝과,
상기 수차 조건 도출 스텝에서 도출된 상기 수차 조건을 고려하여, 상기 공간광 변조기에 제시하는 상기 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 스텝을 구비하고,
상기 변조 패턴 설계 스텝은, 상기 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 상기 복수의 화소에 제시하는 상기 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 상기 집광점에 있어서의 상기 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록 상기 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 상기 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 상기 변조 패턴을 설계함과 아울러,
상기 집광점에서의 상기 집광 상태를 평가할 때에, 상기 공간광 변조기의 상기 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 상기 집광점 s로의 광의 전파에 대해서, 전파 매질이 균질한 상태의 자유 전파의 파동 전파 함수 φ_js에 상기 수차 조건을 더하여 변환한 전파 함수 φ_js＇를 이용하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
청구항 1에 있어서,　
상기 수차 조건 도출 스텝은, 상기 화소 j로부터 상기 집광점 s로의 광의 전파에 대한 상기 수차 조건으로서, 그 전파에서의 광로 길이차를 주는 위상 φ_j- _OPD를 구하고,
상기 변조 패턴 설계 스텝은, 변환식
φ_js＇= φ_js＋φ_j- _OPD
에 의해서, 상기 수차 조건이 고려된 상기 전파 함수 φ_js＇를 구하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 스텝은, 상기 공간광 변조기의 상기 화소 j로의 상기 레이저광의 입사 진폭을 A_j _- _in, 위상을 φ_j- _in, 상기 화소 j에서의 위상값을 φ_j라고 하고, 하기 식
U_s=A_sexp(iφ_s)
　　　　=Σ_jA_j _- _inexp(iφ_js＇)exp(i(φ_j＋φ_j- _in))
에 의해서, 상기 집광점 s에 있어서의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭 U_s를 구하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 스텝은, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 상기 위상값의 변경에 있어서, 상기 집광점 s에 있어서의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상 φ_s, 상기 수차 조건이 고려된 상기 전파 함수 φ_js＇, 및 상기 화소 j에서의 변경 전의 위상값 φ_j에 기초하여 해석적으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 스텝은, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 상기 위상값의 변경에 있어서, 등산법, 소둔법, 또는 유전적 알고리즘 중 어느 방법을 이용하여 탐색으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제2 전파 매질은 상기 집광점이 내부에 설정되는 조사 대상물이고,
상기 제1 전파 매질은 상기 공간광 변조기와 상기 조사 대상물의 사이에 있는 분위기 매질인 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
레이저광을 입력하고, 상기 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여 상기 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 상기 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서,
상기 레이저광의 조사 조건으로서, 상기 공간광 변조기로의 상기 레이저광의 입사 패턴, 상기 공간광 변조기로부터 상기 집광점으로의 상기 레이저광의 전파 경로상에 있는 제1 전파 매질의 제1 굴절률 n₁, 및 상기 제1 전파 매질보다도 상기 집광점측에 있는 제2 전파 매질의 상기 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률 n₂를 취득하는 조사 조건 취득 처리와,
상기 레이저광의 집광 조건으로서, 상기 공간광 변조기로부터의 상기 레이저광을 집광 조사하는 상기 집광점의 개수 s_t(s_t는 1이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 처리와,
상기 공간광 변조기로부터 상기 집광점 s로의 상기 레이저광의 전파에 있어서, 서로 굴절률이 다른 상기 제1 전파 매질, 및 상기 제2 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출하는 수차 조건 도출 처리와,
상기 수차 조건 도출 처리에서 도출된 상기 수차 조건을 고려하여, 상기 공간광 변조기에 제시하는 상기 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 처리를 컴퓨터에 실행시키고,
상기 변조 패턴 설계 처리는, 상기 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 상기 복수의 화소에 제시하는 상기 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 상기 집광점에 있어서의 상기 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록 상기 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 상기 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 상기 변조 패턴을 설계함과 아울러,
상기 집광점에서의 상기 집광 상태를 평가할 때에, 상기 공간광 변조기의 상기 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 상기 집광점 s로의 광의 전파에 대해서, 전파 매질이 균질한 상태의 자유 전파의 파동 전파 함수 φ_js에 상기 수차 조건을 더하여 변환한 전파 함수 φ_js＇를 이용하는 것을 특징으로 하는, 광변조 제어 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
청구항 7에 있어서,
상기 수차 조건 도출 처리는, 상기 화소 j로부터 상기 집광점 s로의 광의 전파에 대한 상기 수차 조건으로서, 그 전파에서의 광로 길이차를 주는 위상 φ_j-OPD를 구하고,
상기 변조 패턴 설계 처리는, 변환식
φ_js＇=φ_js＋φ_j-OPD
에 의해서, 상기 수차 조건이 고려된 상기 전파 함수 φ_js＇를 구하는 것을 특징으로 하는, 광변조 제어 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 처리는, 상기 공간광 변조기의 상기 화소 j로의 상기 레이저광의 입사 진폭을 A_j-in, 위상을 φ_j-in, 상기 화소 j에서의 위상값을 φ_j라고 하고, 하기 식
U_s=A_sexp(iφ_s)
=Σ_jA_j-inexp(iφ_js＇)exp(i(φ_j＋φ_j-in))
에 의해서, 상기 집광점 s에 있어서의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭 U_s를 구하는 것을 특징으로 하는, 광변조 제어 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 처리는, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 상기 위상값의 변경에 있어서, 상기 집광점 s에 있어서의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상 φ_s, 상기 수차 조건이 고려된 상기 전파 함수 φ_js＇, 및 상기 화소 j에서의 변경 전의 위상값 φ_j에 기초하여 해석적으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는, 광변조 제어 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 처리는, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 상기 위상값의 변경에 있어서, 등산법, 소둔법, 또는 유전적 알고리즘 중 어느 방법을 이용하여 탐색으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는, 광변조 제어 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 제2 전파 매질은 상기 집광점이 내부에 설정되는 조사 대상물이고,
상기 제1 전파 매질은 상기 공간광 변조기와 상기 조사 대상물의 사이에 있는 분위기 매질인 것을 특징으로 하는, 광변조 제어 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
레이저광을 입력하고, 상기 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 상기 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 상기 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 장치로서,
상기 레이저광의 조사 조건으로서, 상기 공간광 변조기로의 상기 레이저광의 입사 패턴, 상기 공간광 변조기로부터 상기 집광점으로의 상기 레이저광의 전파 경로상에 있는 제1 전파 매질의 제1 굴절률 n₁, 및 상기 제1 전파 매질보다도 상기 집광점측에 있는 제2 전파 매질의 상기 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률 n₂를 취득하는 조사 조건 취득 수단과,
상기 레이저광의 집광 조건으로서, 상기 공간광 변조기로부터의 상기 레이저광을 집광 조사하는 상기 집광점의 개수 s_t(s_t는 1이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 수단과,
상기 공간광 변조기로부터 상기 집광점 s로의 상기 레이저광의 전파에 있어서, 서로 굴절률이 다른 상기 제1 전파 매질, 및 상기 제2 전파 매질에 의해서 생기는 수차 조건을 도출하는 수차 조건 도출 수단과,
상기 수차 조건 도출 수단에서 도출된 상기 수차 조건을 고려하여, 상기 공간광 변조기에 제시하는 상기 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 수단을 구비하고,
상기 변조 패턴 설계 수단은, 상기 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 상기 복수의 화소에 제시하는 상기 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 상기 집광점에 있어서의 상기 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 원하는 상태에 가까워지도록 상기 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 상기 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 상기 변조 패턴을 설계함과 아울러,
상기 집광점에서의 상기 집광 상태를 평가할 때에, 상기 공간광 변조기의 상기 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 상기 집광점 s로의 광의 전파에 대해서, 전파 매질이 균질한 상태의 자유 전파의 파동 전파 함수 φ_js에 상기 수차 조건을 더하여 변환한 전파 함수 φ_js＇를 이용하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 13에 있어서,
상기 수차 조건 도출 수단은, 상기 화소 j로부터 상기 집광점 s로의 광의 전파에 대한 상기 수차 조건으로서, 그 전파에서의 광로 길이차를 주는 위상 φ_j- _OPD를 구하고,
상기 변조 패턴 설계 수단은, 변환식
φ_js＇=φ_js＋φ_j- _OPD
에 의해서, 상기 수차 조건이 고려된 상기 전파 함수 φ_js＇를 구하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 수단은, 상기 공간광 변조기의 상기 화소 j로의 상기 레이저광의 입사 진폭을 A_j _- _in, 위상을 φ_j- _in, 상기 화소 j에서의 위상값을 φ_j라고 하고, 하기 식
U_s=A_sexp(iφ_s)
=Σ_jA_j _- _inexp(iφ_js＇)exp(i(φ_j＋φ_j- _in))
에 의 해서, 상기 집광점 s에 있어서의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭 U_s를 구하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 수단은, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 상기 위상값의 변경에 있어서, 상기 집광점 s에 있어서의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상 φ_s, 상기 수차 조건이 고려된 상기 전파 함수 φ_js＇, 및 상기 화소 j에서의 변경 전의 위상값 φ_j에 기초하여 해석적으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 수단은, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 상기 위상값의 변경에 있어서, 등산법, 소둔법, 또는 유전적 알고리즘 중 어느 방법을 이용하여 탐색으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
상기 제2 전파 매질은 상기 집광점이 내부에 설정되는 조사 대상물이고,
상기 제1 전파 매질은 상기 공간광 변조기와 상기 조사 대상물의 사이에 있는 분위기 매질인 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
상기 공간광 변조기를 구동 제어하여, 상기 변조 패턴 설계 수단에 의해서 설계된 상기 변조 패턴을 상기 공간광 변조기에 제시하는 광변조기 구동 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
레이저광을 공급하는 레이저 광원과,
상기 레이저광을 입력하고, 상기 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기와,
상기 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 상기 레이저광의 집광 조사를 제어하는 청구항 13 또는 청구항 14에 기재된 광변조 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저광 조사 장치.