WO2018216057A1 - 光パターン生成装置 - Google Patents

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WO2018216057A1
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diffractive optical
laser light
optical element
phase
incident
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ゆかり ▲高▼田
柳澤　隆行
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三菱電機株式会社
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    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G—PHYSICS
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G02B27/0944—Diffractive optical elements, e.g. gratings, holograms
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    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application
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    • G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path

Definitions

  • the present invention relates to an optical pattern generation apparatus that generates an optical pattern.
  • a diffractive optical element (DOE: Diffractive ⁇ ⁇ OpticalsElements) that converts incident light into a desired pattern is applied to various optical devices and the like. Typical applications include material processing, printing, optical metrology, lighting, etc. For example, in a laser processing machine, the diffractive optical element functions to split an incident beam into a plurality of beams. Moreover, it is applied also to the illuminating device which produces
  • DOE diffractive optical element
  • a diffractive optical element is an element in which slits and irregularities are periodically formed on a substrate. Using diffracted light generated by the effects of the slits and irregularities, incident light is converted into light with a desired intensity distribution and phase distribution. Convert to In particular, the phase-type diffractive optical element converts the phase distribution of incident light into a phase distribution that forms a desired pattern on the image plane. The energy efficiency of is very high. Therefore, it is applied not only to a diffractive optical element having a simple shape such as a uniform intensity distribution but also to a diffractive optical element that generates a diffraction pattern having a complicated shape.
  • Some conventional optical pattern generation apparatuses using a diffractive optical element include one diffractive optical element and generate one pattern.
  • one device is equipped with two diffractive optical elements, and the light from the light source passes through the two diffractive optical elements to generate a pattern that diffracts at a wider angle than the diffraction of one diffractive optical element.
  • the concavo-convex shape of the surface of the diffractive optical element is designed so that a desired pattern is formed on the image plane using a specific wavelength.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and the second diffractive optical element can be easily designed without considering the wavefront change caused by the propagation of the outgoing light of the first diffractive optical element. It is an object of the present invention to obtain an optical pattern generation device that can be used.
  • the optical pattern generation device includes a first laser light source that emits a first laser light, and the first laser light according to a position on a plane perpendicular to the traveling direction of the first laser light.
  • the phase of the incident laser beam is changed according to the position on the plane perpendicular to the traveling direction of the incident laser beam and the first diffractive optical element that emits the laser beam having a phase distribution.
  • a transfer optical system for transferring the phase distribution of the light to the phase distribution of the laser light incident on the second diffractive optical element.
  • the second diffractive optical element can be easily designed without considering the wavefront change caused by the propagation of the emitted light from the first diffractive optical element.
  • FIG. 1 is a configuration example of an optical pattern generation device 100 according to Embodiment 1.
  • 2 is a configuration example of a transfer optical system 3 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing light refraction at a lens 31 in the first embodiment.
  • FIG. 4 is an example of a phase distribution of phase modulation by the diffractive optical elements 2a and 2b according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is an example of a phase distribution of phase modulation by the diffractive optical elements 2a and 2b according to Embodiment 1.
  • 5 is a configuration example of an optical pattern generation device 100 according to Embodiment 2.
  • 5 is a configuration example of an optical pattern generation device 100 according to Embodiment 2.
  • 6 is a configuration example of an optical pattern generation device 100 according to Embodiment 3.
  • 6 is a configuration example of an optical pattern generation device 100 according to Embodiment 3.
  • 6 is a configuration example of an optical pattern generation device 100 according to Embodiment 3.
  • 6 is
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an optical pattern generation device 100 according to the first embodiment.
  • the optical pattern generation device 100 changes the phase of the laser light by changing the phase of the laser light source 1 that emits the laser light and the position on the plane perpendicular to the traveling direction of the laser light emitted from the laser light source 1.
  • the phase of the diffractive optical element 2a that emits the laser beam and the position of the incident laser beam is changed according to the position on the plane perpendicular to the traveling direction of the incident laser beam, and the laser beam that forms the optical pattern is emitted
  • the transfer is arranged between the diffractive optical element 2b and the diffractive optical elements 2a and 2b, and transfers the phase distribution of the laser light emitted from the diffractive optical element 2a to the phase distribution of the laser light incident on the diffractive optical element 2b.
  • An optical system 3 is provided.
  • the optical pattern generation device 100 generates the optical pattern 6a by projecting the laser light emitted from the diffractive optical element 2b on the image plane 4. In FIG.
  • the direction perpendicular to the optical axis 5 of the laser light emitted from the laser light source 1 is parallel to the x-axis direction
  • the direction parallel to the drawing is perpendicular to the optical axis 5 of the laser light
  • the direction perpendicular to the drawing is y.
  • the axial direction and the direction parallel to the optical axis 5 are defined as the z-axis direction.
  • the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
  • the light pattern generation device 100 is used as an illumination laser device, for example.
  • the laser light source 1 is a light source that emits a single wavelength laser beam.
  • a semiconductor laser, a fiber laser, or a solid laser is used as the laser light source 1.
  • the diffractive optical elements 2a and 2b are elements made of glass or resin and having slits and irregularities periodically formed on the substrate. Diffracted light generated by the slits and irregularities has a desired intensity distribution on the image plane 4.
  • the light incident on the diffractive optical elements 2a and 2b is converted so as to be light.
  • the incident laser beam is formed by the slits or uneven shapes of the diffractive optical elements 2a and 2b according to the position on the plane perpendicular to the traveling direction of the laser light incident on the diffractive optical elements 2a and 2b.
  • the laser beam having a certain intensity distribution and phase distribution is emitted.
  • the diffractive optical element 2a and the diffractive optical element 2b have different surface irregularities. As the surface shapes of the diffractive optical elements 2a and 2b are continuous, that is, as the number of gradations increases, the diffraction efficiency increases. However, when manufacturing, as the number of gradations increases, processing becomes more difficult and expensive. *
  • the transfer optical system 3 is an optical system composed of a plurality of optical lenses.
  • FIG. 2 shows a configuration of the transfer optical system 3 using two lenses having focal lengths f 1 and f 2 .
  • the configuration of the transfer optical system 3 will be described with reference to FIG.
  • the focal length of the lens 31 is f 1
  • the focal length of the lens 32 is f 2 .
  • the lens 31 and 32 closer to the laser light source 1 is the front side, and the far side is the rear side.
  • the diffractive optical element 2 a is installed at the front focal position of the lens 31, and the diffractive optical element 2 b is installed at the rear focal position of the lens 32.
  • the distance between the lens 31 and the lens 32 is f 1 + f 2 which is the sum of the focal lengths.
  • the lens 31 has a distance x from the optical axis 5 on the diffractive optical element 2a, and emits light emitted at an angle ⁇ with respect to the optical axis 5 from the optical axis 5 at the focal position on the exit side of the lens 31.
  • FIG. 3 shows the state of light refracted by the lens 31.
  • a straight line connecting the position of the distance x from the optical axis 5 and the center 35 of the lens 31 has an angle of ⁇ ′ with the optical axis 5. Therefore, the following relationship holds.
  • f 1 ⁇ tan ⁇ ′ x tan ⁇ ' ⁇ ⁇ ' Therefore, the following equation holds.
  • ⁇ ′ x / f 1 (1)
  • x ′ f 1 ⁇ (2)
  • the relationships of equations (1) and (2) are used.
  • the intensity distribution and the phase distribution with respect to the distance x ′′ in the diffractive optical element 2 b are f 2 / f 1 times the intensity distribution and the phase distribution with respect to the distance x in the diffractive optical element 2 a, and the angle ⁇ ′′ at the diffractive optical element 2 b.
  • the intensity distribution and the phase distribution are f 1 / f 2 times the intensity distribution and the phase distribution with respect to the angle ⁇ of the diffractive optical element 2a.
  • the focal lengths of the lens 31 and the lens 32 are the same, the light intensity distribution and the phase distribution on the incident surface of the diffractive optical element 2b are the same as the light intensity distribution and the phase distribution on the exit surface of the diffractive optical element 2a.
  • the distribution is doubled.
  • the intensity distribution and the phase distribution can be regarded as the distribution of the intensity and phase of light with respect to the position on the plane (plane including the x-axis and y-axis) perpendicular to the light traveling direction in the diffractive optical element 2a. it can.
  • the intensity distribution and the phase distribution are distributions generated when the intensity and phase of the laser beam are converted by the diffractive optical element 2a.
  • the diffractive optical element 2a may be configured to convert only one of the intensity and phase of the laser light.
  • the lens 31 and the lens 32 transfer the phase distribution of light on the incident surface of the diffractive optical element 2b to the phase distribution of light on the exit surface of the diffractive optical element 2a.
  • the configuration of the transfer optical system 3 shown in FIG. 2 is an example, and is not limited to this configuration.
  • the intensity distribution and phase distribution of the light on the exit surface of the diffractive optical element 2a are represented by the light intensity distribution on the entrance surface of the diffractive optical element 2b. Any optical system that transfers to the intensity distribution and the phase distribution may be used.
  • the diffractive optical element 2a and the diffractive optical element 2b are placed before and after the transfer optical system 3 at positions where the intensity distribution and the phase distribution are transferred.
  • the light emitted from the laser light source 1 enters the diffractive optical element 2a.
  • the diffractive optical element 2a converts the phase of light in accordance with the position on a plane perpendicular to the traveling direction of the light incident on the diffractive optical element 2a (a plane including the x axis and the y axis) (hereinafter referred to as phase). Called modulation).
  • the light emitted from the diffractive optical element 2a passes through the transfer optical system 3 and enters the diffractive optical element 2b.
  • the intensity distribution and phase distribution of the light incident on the diffractive optical element 2 b are the distribution in which the light intensity distribution and phase distribution on the exit surface of the diffractive optical element 2 a are transferred by the transfer optical system 3.
  • the diffractive optical element 2b phase-modulates the light incident on the diffractive optical element 2b.
  • the light emitted from the diffractive optical element 2 b propagates and forms an image on the image plane 4. That is, the light emitted from the laser light source 1 is phase-modulated by the diffractive optical element 2a and the diffractive optical element 2b and propagates to correspond to the phase distribution of the light on the exit surface of the diffractive optical element 2b on the image plane 4.
  • the intensity distribution 6a is obtained.
  • the configuration of the two diffractive optical elements 2a and 2b and the pair of transfer optical systems 3 has been described.
  • the phase distribution of light on the exit surface of each diffractive optical element is the light after that. If it is the structure which transfers to the incident surface of the diffractive optical element which enters, not only the said structure but the structure of several diffractive optical elements and several sets of transfer optical systems may be sufficient.
  • the laser light is phase-modulated by the diffractive optical elements 2a and 2b and the laser light has a phase distribution
  • the intensity of the laser light is converted and the laser light has an intensity distribution.
  • a similar configuration can be applied.
  • the phase distribution of light on the exit surface of the diffractive optical element 2a is diffracted by using a configuration in which one set of transfer optical system 3 is disposed between the two diffractive optical elements 2a and 2b. It can be transferred to the phase distribution of light on the incident surface of the optical element 2a.
  • the second diffraction pattern is matched with the distribution of light incident on the second diffractive optical element in consideration of the wavefront change after propagation of the light emitted from the first diffractive optical element. It was necessary to design the uneven shape on the surface of the optical element.
  • the second diffractive optical element 2b is designed without considering the wavefront change due to the propagation from the first diffractive optical element 2a. Yes.
  • the design and manufacture of the diffractive optical element can be simplified as compared with the prior art.
  • the diffractive optical element 2a when the phase distribution modulated by the diffractive optical element 2a is the distribution shown in FIG. 4A and the phase distribution modulated by the diffractive optical element 2b is the distribution shown in FIG. 4B, the diffractive optical element
  • the light incident on 2a is phase-modulated by the diffractive optical element 2a with a two-gradation distribution shown in FIG.
  • the light emitted from the diffractive optical element 2a passes through the transfer optical system 3 and enters the diffractive optical element 2b.
  • the phase distribution on the incident surface of the diffractive optical element 2b is further phase-modulated by the diffractive optical element 2b with a two-gradation distribution shown in FIG.
  • the light emitted from the laser light source 1 is phase-modulated by the diffractive optical element 2a and the diffractive optical element 2b.
  • the phase distribution of light on the exit surface of the diffractive optical element 2b is the sum of the two gradation distribution of the diffractive optical element 2a and the two gradation distribution of the diffractive optical element 2b.
  • a three-gradation phase distribution is obtained. That is, the number of phase gradations of the laser light emitted from the diffractive optical element 2b is larger than the number of gradations of the phase change of the laser light provided by the diffractive optical elements 2a and 2b.
  • the two-gradation diffractive optical elements 2a, 2b and the pair of transfer optical systems 3 are used, so that the two-gradation diffractive optical elements 2a, 2b can be manufactured easily and at low cost.
  • a phase distribution of three gradations can be generated, and the number of gradations can be increased. As a result, there is an effect that a highly accurate light pattern can be generated.
  • FIG. 4 the configuration of the two two-tone diffractive optical elements 2a and 2b and the pair of transfer optical systems 3 has been described. However, n two-tone diffractive optical elements and the respective diffractive optical elements are described. When (n-1) sets (n is an integer of 2 or more) of transfer optical systems arranged between the elements are used, a phase distribution of (n + 1) gradations can be created.
  • the number of pixels is larger than the number of pixels of the light pattern generated using one diffractive optical element.
  • Another effect of the first embodiment that can generate a phase distribution corresponding to the number will be described.
  • the minimum unit constituting an image formed by the generated light pattern is treated as a pixel.
  • the phase distribution modulated by the diffractive optical element 2a is the distribution shown in FIG. 5A and the phase distribution modulated by the diffractive optical element 2b is the distribution shown in FIG. 5B will be described.
  • the surface shapes of the diffractive optical elements 2a and 2b are the same as the phase distributions of the diffractive optical elements 2a and 2b shown in FIGS. That is, in FIGS. 5A and 5B, the distribution of the convex portion of the first diffractive optical element 2a and the distribution of the convex portion of the second diffractive optical element 2b are the progression of the incident laser light. The positional relationship is shifted in a plane perpendicular to the direction.
  • the light incident on the diffractive optical element 2a is phase-modulated into two gradations by the surface shape of the diffractive optical element 2a shown in FIG.
  • the light emitted from the diffractive optical element 2a passes through the transfer optical system 3 and then enters the diffractive optical element 2b.
  • the phase distribution of light on the incident surface of the diffractive optical element 2b is the phase distribution of light on the exit surface of the diffractive optical element 2a.
  • the light incident on the diffractive optical element 2b is further phase-modulated into two gradations by the surface shape of the diffractive optical element 2b shown in FIG.
  • phase distribution on the exit surface of the diffractive optical element 2b is diffracted as shown in FIG.
  • a phase distribution of 4 gradations is obtained by adding the distribution of 2 gradations of the optical element 2a and the distribution of 2 gradations of the diffractive optical element 2b.
  • the position of the phase modulation by the concavo-convex shape performed by the diffractive optical element 2a is different from the position of the phase modulation by the concavo-convex shape performed by the diffractive optical element 2b.
  • the phase of the laser light emitted from the diffractive optical element 2a can be changed in finer units.
  • FIG. 5 the configuration of the two diffractive optical elements 2a and 2b having two gradations and the pair of transfer optical systems 3 has been described. (Integer of 2 or more) diffractive optical elements and (n ⁇ 1) sets of transfer optical systems arranged between the diffractive optical elements are generated using one diffractive optical element. A phase distribution having a larger number of pixels than the number of pixels of the light pattern can be generated. As a result, an effect that a highly accurate light pattern can be generated can be obtained.
  • the transfer optical system 3 between the two diffractive optical elements 2a and 2b and the two diffractive optical elements 2a and 2b, An optical pattern corresponding to the phase distribution of light spatially phase-modulated by the two diffractive optical elements 2a and 2b can be generated. Therefore, by using the two diffractive optical elements 2a and 2b and the transfer optical system 3, the phase distribution of light on the exit surface of the diffractive optical element 2a can be further phase-modulated by the diffractive optical element 2b.
  • the diffractive optical element 2b further adds two gradations to the phase distribution of the two gradation light modulated by the diffractive optical element 2a. Can be modulated.
  • the phase distribution of the laser light emitted from the laser light source 1 on the exit surface of the diffractive optical element 2b can be a phase distribution of three or more gradations.
  • the configuration of the two diffractive optical elements 2a and 2b and one set of the transfer optical system 3 has been described, but the phase distribution of light on the exit surface of each diffractive optical element is incident next.
  • the configuration is not limited to the above configuration, and a configuration including a plurality of diffractive optical elements and a plurality of sets of transfer optical systems may be used.
  • the optical pattern generation device 100 includes the first laser light source 1 that emits the first laser light and the position on the plane perpendicular to the traveling direction of the first laser light. Accordingly, the phase of the first laser beam is changed, and the first diffractive optical element 2a that emits the laser beam having the phase distribution and the position on the plane perpendicular to the traveling direction of the incident laser beam It is disposed between the second diffractive optical element 2b that changes the phase of the incident laser light and emits a laser beam that forms an optical pattern, and the first and second diffractive optical elements 2a and 2b.
  • a transfer optical system 3 for transferring the phase distribution of the laser beam emitted from the first diffractive optical element to the phase distribution of the laser beam incident on the second diffractive optical element 2b.
  • the second diffractive optical element 2b can be easily designed without considering the wavefront change due to the propagation of the emitted light from the first diffractive optical element 2a.
  • the first diffractive optical element 2a has an intensity of the first laser beam according to a position on a plane perpendicular to the traveling direction of the first laser beam.
  • the transfer optical system 3 changes the intensity distribution of the laser light whose intensity has been changed by the first diffractive optical element 2a to the intensity distribution of the laser light incident on the second diffractive optical element 2b. It is characterized by transferring. With this configuration, even when the laser light emitted from the first diffractive optical element 2a has an intensity distribution, the 2 is easily obtained without considering the wavefront change due to the propagation of the emitted light from the first diffractive optical element 2a.
  • the first diffractive optical element 2b can be designed.
  • the number of phase gradations of the laser light emitted from the second diffractive optical element 2b is the first and second diffractive optical elements 2a. 2b, which is larger than the number of gradations of the phase change of the laser beam given in 2b.
  • the laser light can be phase-modulated with a number of gradations larger than the number of gradations of the diffractive optical elements 2a and 2b using the diffractive optical elements 2a and 2b having a small number of gradations.
  • the phase of the laser light emitted from the second diffractive optical element 2b is changed by the phase change performed by the first diffractive optical element 2a.
  • the position where the phase changes due to the phase change performed by the second diffractive optical element 2b is different.
  • the light pattern generation apparatus 100 is incident on the first laser light source 1 that emits laser light and the position on a plane perpendicular to the traveling direction of the incident laser light.
  • N is an integer of 2 or more diffractive optical elements that change the phase of laser light and emit laser light having a phase distribution, the nth diffractive optical element, and the (n + 1) th diffractive optical element.
  • each diffractive optical element can be designed without considering a wavefront change due to propagation of the outgoing light of the diffractive optical element. Further, by using many diffractive optical elements, it is possible to phase-modulate laser light forming an optical pattern with a large number of gradations.
  • Embodiment 2 FIG. In the first embodiment, the two diffractive optical elements 2a and 2b are arranged on the optical axis 5, whereas in the second embodiment, the two diffractive optical elements 2a and 2b can be taken in and out of the optical axis. And one of the diffractive optical elements 2a and 2b is handled including the case where it is not arranged on the optical axis 5.
  • the diffractive optical element 2 a is located between the laser light source 1 and the transfer optical system 3 and moves in a direction perpendicular to the optical axis 5.
  • the diffractive optical element 2 b is located between the transfer optical system 3 and the diffractive optical element 2 b and moves in a direction perpendicular to the optical axis 5.
  • the optical pattern generation device 100 removes one of the diffractive optical elements 2a and 2b from the optical path through which the laser light emitted from the laser light source 1 passes until the optical pattern is formed. It has a configuration that is movable.
  • FIG. 6 differs from the configuration in FIG. 1 in that the diffractive optical element 2 b is not on the optical axis 5.
  • the light emitted from the laser light source 1 enters the diffractive optical element 2a.
  • the light incident on the diffractive optical element 2a is phase-modulated by the diffractive optical element 2a.
  • the phase distribution and intensity distribution of the light on the exit surface of the diffractive optical element 2a are transferred by the transfer optical system 3 to the position where the diffractive optical element 2b was installed in FIG.
  • the transferred light propagates and becomes an intensity distribution 6b corresponding to the phase distribution of the light on the exit surface of the diffractive optical element 2a on the image plane 4.
  • FIG. 7 differs from the configuration in FIG. 1 in that the diffractive optical element 2 a is not on the optical axis 5.
  • the light emitted from the laser light source 1 enters the transfer optical system 3.
  • the transfer optical system 3 transfers the light intensity distribution and phase distribution at the position where the diffractive optical element 2a is installed in FIG. 1 to the incident surface of the diffractive optical element 2b.
  • the light incident on the diffractive optical element 2b is phase-modulated by the diffractive optical element 2b.
  • the light emitted from the diffractive optical element 2b propagates and becomes an intensity distribution 6c corresponding to the phase distribution of light on the exit surface of the diffractive optical element 2b on the image plane 4.
  • the distance from the exit surface of the diffractive optical element to the image plane 4 varies depending on the installation position of each diffractive optical element 2a, 2b. It is necessary to change the phase distribution generated by the optical elements 2a and 2b.
  • the optical pattern generation device 100 by using the transfer optical system 3, the light emitted from the laser light source 1 is divided into two pieces, the diffractive optical element 2a and the diffractive optical element 2b. Even when the distance from the exit surface of the diffractive optical element to the image plane 4 is different as in the case of transmitting only the diffractive optical element 2a, transmitting only the diffractive optical element 2b, light is transmitted on the image plane 4 A pattern can be generated. Therefore, three patterns of images can be generated by the two diffractive optical elements 2a and 2b.
  • the second embodiment a configuration in which two diffractive optical elements 2a and 2b that can be inserted and removed on the optical axis 5 and the transfer optical system 3 is provided between the diffractive optical elements 2a and 2b is used. Accordingly, the light emitted from the laser light source 1 is transmitted through only the diffractive optical element 2a, transmitted through only the diffractive optical element 2b, or transmitted through both the diffractive optical element 2a and the diffractive optical element 2b. 4 can be irradiated with different patterns. Therefore, there is an effect that three light pattern images can be generated by the two diffractive optical elements 2a and 2b.
  • each diffractive optical element 2a and 2b and the pair of transfer optical systems 3 has been described.
  • the phase distribution on the exit surface of each diffractive optical element is represented by the incident surface of the diffractive optical element.
  • N-1 sets arranged between each diffractive optical element and n (n is an integer greater than or equal to 2) two-tone diffractive optical elements.
  • a configuration using the configuration of the transfer optical system may be used.
  • the optical pattern generation apparatus 100 can generate more types of patterns than the number of diffractive optical elements, and generates a high-precision optical pattern at a lower cost than the conventional technology. it can.
  • the optical pattern generation device 100 is configured so that one of the first and second diffractive optical elements 2a and 2b is used until the first laser beam forms an optical pattern. It is movable so that it can be removed from the optical path which passes through. With this configuration, there is an effect that three light pattern images can be generated by the two diffractive optical elements 2a and 2b.
  • Embodiment 3 In the second embodiment, a form in which a pattern is generated using one laser light source 1 has been described. In the third embodiment, a form in which a pattern is generated using two laser light sources will be described.
  • FIGS. 8 to 10 are diagrams showing a configuration example of the light pattern generation device 100 according to the third embodiment.
  • two laser light sources 1a and 1b are used, and a mirror 7 is provided between the transfer optical system 3 and the diffractive optical element 2b.
  • the laser light source 1b is a light source that emits laser light having a single wavelength.
  • the laser light source 1 for example, a semiconductor laser, a fiber laser, or a solid laser is used.
  • the wavelength of the emitted light from the laser light source 1b may be the same as or different from the wavelength of the emitted light from the laser light source 1a.
  • the mirror 7 is an optical component that transmits a part of incident light and reflects a part thereof.
  • An example of the mirror 7 is a beam splitter.
  • the laser light source 1b is installed at a position where the light emitted from the laser light source 1b is incident on the emission surface of the laser light source 1a emitted from the mirror 7.
  • the mirror 7 is installed between the transfer optical system 3 and the diffractive optical element 2b.
  • the light emitted from the laser light source 1 b is incident on the mirror 7.
  • the light emitted from the laser light source 1b and incident on the mirror 7 is reflected by the surface of the mirror 7 and enters the diffractive optical element 2b.
  • the light incident on the diffractive optical element 2b is phase-modulated and irradiated onto the image plane 4 as a pattern.
  • the light emitted from the laser light source 1a enters the diffractive optical element 2a.
  • the light incident on the diffractive optical element 2a is phase-modulated and emitted by the diffractive optical element 2a.
  • the light emitted from the diffractive optical element 2a passes through the transfer optical system 3 and the mirror 7 and enters the diffractive optical element 2b.
  • the light incident on the diffractive optical element 2b is phase-modulated and irradiated onto the image plane 4 as a pattern.
  • the light emitted from the laser light source 1a is phase-modulated by the diffractive optical element 2a, and the transfer optical system 3 causes the light distribution on the exit surface of the diffractive optical element 2a to be incident on the diffractive optical element 2b. It is transferred to the surface.
  • Incident light of the diffractive optical element 2b is modulated by the diffractive optical element 2b, passes through the mirror 7, and forms a pattern on the image plane 4.
  • the pattern on the image plane 4 by the light emitted from the laser light source 1a and the light emitted from the laser light source 1b is different, the pattern on the image plane 4 by the light emitted from the laser light source 1a and the light emitted from the laser light source 1b If the pattern on the image plane 4 is the same, the color of the pattern on the image plane 4 is an additive mixture of the color of the laser light source 1a and the color of the laser light source 1b. Further, by adjusting the output value from the laser light source 1a and the output value from the laser light source 1b, a pattern can be generated with a plurality of colors.
  • a pattern can be generated in a plurality of colors.
  • the light emitted from the laser light source 1a is transmitted through the transfer optical system 3 and the mirror 7 by removing the diffractive optical element 2a from the optical axis 5, and the diffractive optical element. 2b.
  • the incident light is phase-modulated by the diffractive optical element 2b.
  • the light emitted from the diffractive optical element 2b becomes a pattern 6e on the image plane 4 by phase modulation at the diffractive optical element 2b.
  • the diffractive optical element 2b by removing the diffractive optical element 2b from the optical axis 5, the light emitted from the laser light source 1a enters the diffractive optical element 2a, and the incident light is converted into the diffractive optical element. Phase modulation is performed by 2a.
  • the light emitted from the diffractive optical element 2a is transmitted through the transfer optical system 3 and the mirror 7, and becomes a pattern 6f by phase modulation on the diffractive optical element 2a on the image plane 4.
  • the two diffractive optical elements 2a and 2b and the two laser light sources are used. Types of patterns can be generated.
  • the pattern can be animated.
  • the optical pattern generation apparatus 100 using the laser light source 1a and the laser light source 1b of the third embodiment configured as described above and having the mirror 7 between the transfer optical system 3 and the diffractive optical element 2b Even in the optical pattern generation apparatus 100 using the laser light source 1a and the laser light source 1b of the third embodiment configured as described above and having the mirror 7 between the transfer optical system 3 and the diffractive optical element 2b. The same effects as those of the first and second embodiments are obtained.
  • the optical pattern generation apparatus 100 using the laser light source 1a and the laser light source 1b of Embodiment 3 and providing the mirror 7 between the transfer optical system 3 and the diffractive optical element 2b forms a pattern with a plurality of colors. There is an effect that it can be generated. Further, four types of patterns can be generated by the two diffractive optical elements 2a and 2b and the two laser light sources 1a and 1b. Further, there is an effect that the pattern can be animated by continuously switching and displaying the four types of patterns.
  • the configuration of the two laser light sources 1a and 1b, the two diffractive optical elements 2a and 2b, the pair of transfer optical systems 3, and the single mirror 7 has been described.
  • the configuration is not limited to the above, but a plurality of laser light sources, a plurality of diffractive optical elements, a plurality of sets of transfer optical systems, and a plurality of sheets A mirror configuration may be used.
  • the optical pattern generation device 100 includes the second laser light source 1b that emits the second laser light and the second diffractive optical element whose phase distribution is transferred by the transfer optical system 3. And a mirror 7 that transmits the laser light incident on the element and reflects the second laser light.
  • the second diffractive optical element 2b is arranged in the traveling direction of the laser light reflected by the mirror 7.
  • the phase of the laser beam reflected by the mirror 7 is changed according to the position on the vertical plane, and the laser beam that forms an optical pattern different from the optical pattern formed by the first laser beam is emitted.
  • the second laser light has a wavelength different from that of the first laser light.
  • the color of the emitted light from the laser light source 1a can be different from the color of the emitted light from the laser light source 1b.
  • the first laser beam reaches one of the first and second diffractive optical elements 2a and 2b until the optical pattern is formed. It is movable so that it can remove from the optical path which passes. With this configuration, it is possible to animate the pattern by continuously switching and displaying the four types of patterns.
  • the optical pattern generation apparatus 100 includes first to N laser light sources that emit first to N laser beams, and a position on a plane perpendicular to the traveling direction of the incident laser beams. Accordingly, the phase of the incident laser light is changed, and first to N (N is an integer of 2 or more) diffractive optical elements that emit laser light having a phase distribution; the nth diffractive optical element; A laser beam disposed between the (n + 1) th diffractive optical elements and transferring the phase distribution of the laser light emitted from the nth diffractive optical element to the phase distribution of the laser light incident on the (n + 1) th diffractive optical element.
  • n ( 1,..., N ⁇ 1) transfer optical system and laser light incident on the (n + 1) th diffractive optical element whose phase distribution is transferred by the nth transfer optical system, Reflects laser light emitted from the (n + 1) th laser light source.
  • the laser beam that is incident on the diffractive optical element and whose phase is changed by the Nth diffractive optical element is a laser beam that forms an optical pattern. With this configuration, it is possible to animate a pattern in which many patterns are continuously switched and displayed.
  • 1, 1a, 1b laser light source, 2a, 2b: diffractive optical element, 3: transfer optical system, 4: image plane, 5: optical axis, 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f: optical pattern, 7: Mirror, 31, 32: Lens, 100: Light pattern generation device

Abstract

この発明の光パターン生成装置（１００）は、第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源（１）と、前記第１のレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記第１のレーザ光の位相を変更し、位相分布をもつレーザ光を出射する第１の回折光学素子（２ａ）と、入射されるレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記入射されるレーザ光の位相を変更し、光パターンを形成するレーザ光を出射する第２の回折光学素子（２ｂ）と、前記第１及び前記第２の回折光学素子の間に配置され、前記第１の回折光学素子（２ａ）から出射されるレーザ光の位相分布を前記第２の回折光学素子（２ｂ）に入射されるレーザ光の位相分布に転写する転写光学系（３）と、を備えたことを特徴とする。　この構成により、１枚目の回折光学素子（２ａ）の出力光の伝搬による波面変化を考慮することなく、簡易に２枚目の回折光学素子（２ｂ）の設計を行える。

Description

光パターン生成装置
　この発明は、光パターンを生成する光パターン生成装置に関するものである。
入射光を所望のパターンに変換する回折光学素子（DOE：Diffractive Optical Elements）は、様々な光学装置等に適用されている。代表的なアプリケーションには、材料加工、印刷、光学計測、照明等がある。例えば、レーザ加工機では、回折光学素子は入射ビームを複数のビームに分岐する機能を果たしている。また、分岐光の位置と強度を設計することで、所望のパターンを生成する照明装置にも適用されている。
回折光学素子は、周期的にスリットや凹凸の形状を基板上につけた素子であり、そのスリットや凹凸形状の影響で発生する回折光を利用し、入射光を目的の強度分布や位相分布の光に変換する。特に、位相型の回折光学素子は、入射光の位相分布を、像面で所望のパターンとなるような位相分布に変換するため、振幅型の回折光学素子と比べ、入射光に対する変換後の光のエネルギー効率が非常に高い。そのため、均一な強度分布のような単純な形状の回折光学素子だけでなく、複雑な形状の回折パターンを発生させる回折光学素子にも適用されている。
従来の回折光学素子を用いた光パターン生成装置には、一台の装置が１枚の回折光学素子を備え、１つのパターンを生成するものがある。その他、一台の装置が２枚の回折光学素子を備え、光源からの光が２枚の回折光学素子を透過することにより、１枚の回折光学素子の回折より広い角度で回折するパターンを生成するものがある（例えば、特許文献１）。これらの回折光学素子では、特定の波長を用いて像面で所望のパターンが形成されるように、回折光学素子の表面凹凸形状が設計される。
特開２０１４－２０９２３７号公報
　２枚の回折光学素子を備えた従来の光パターン生成装置では、１枚目の回折光学素子から出射された光の伝搬による波面変化を考慮して２枚目の回折光学素子に入射される光の分布を求め、２枚目の回折光学素子に入射される光の分布に合わせて、２枚目の回折光学素子の表面の凹凸形状を設計する必要がある。そのため、２枚目の回折光学素子の表面形状の設計、製造が複雑となる課題がある。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、１枚目の回折光学素子の出射光の伝搬による波面変化を考慮することなく簡易に２枚目の回折光学素子の設計を行える光パターン生成装置を得ることを目的とする。
　この発明に係る光パターン生成装置は、第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、前記第１のレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記第１のレーザ光の位相を変更し、位相分布をもつレーザ光を出射する第１の回折光学素子と、入射されるレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記入射されるレーザ光の位相を変更し、光パターンを形成するレーザ光を出射する第２の回折光学素子と、前記第１及び前記第２の回折光学素子の間に配置され、前記第１の回折光学素子から出射されるレーザ光の位相分布を前記第２の回折光学素子に入射されるレーザ光の位相分布に転写する転写光学系と、を備えたことを特徴とする。
　この発明によれば、１枚目の回折光学素子の出射光の伝搬による波面変化を考慮することなく、簡易に２枚目の回折光学素子の設計を行える。
実施の形態１に係る光パターン生成装置１００の構成例。 実施の形態１に係る転写光学系３の構成例。 実施の形態１におけるレンズ３１での光の屈折を示す図。 実施の形態１に係る回折光学素子２ａ、２ｂによる位相変調の位相分布の一例。 実施の形態１に係る回折光学素子２ａ、２ｂによる位相変調の位相分布の一例。 実施の形態２に係る光パターン生成装置１００の構成例。 実施の形態２に係る光パターン生成装置１００の構成例。 実施の形態３に係る光パターン生成装置１００の構成例。 実施の形態３に係る光パターン生成装置１００の構成例。 実施の形態３に係る光パターン生成装置１００の構成例。 実施の形態３に係る光パターン生成装置１００の構成例。
　実施の形態１．
　以下、この発明の実施の形態について説明する。
　図１は実施の形態１に係る光パターン生成装置１００の一構成例を示す図である。光パターン生成装置１００は、レーザ光を出射するレーザ光源１と、レーザ光源１から出射されたレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じてレーザ光の位相を変更し、位相分布をもつレーザ光を出射する回折光学素子２ａと、入射されるレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて入射されるレーザ光の位相を変更し、光パターンを形成するレーザ光を出射する回折光学素子２ｂと、回折光学素子２ａ、２ｂの間に配置され、回折光学素子２ａから出射されるレーザ光の位相分布を回折光学素子２ｂに入射されるレーザ光の位相分布に転写する転写光学系３を備える。光パターン生成装置１００は、回折光学素子２ｂから出射されたレーザ光を像面４に映すことで、光パターン６ａを生成する。図１では、レーザ光源１から出射されたレーザ光の光軸５に垂直であり、図面に平行な方向をｘ軸方向、レーザ光の光軸５に垂直であり、図面に垂直な方向をｙ軸方向、光軸５に平行な方向をｚ軸方向とする。なお、以降の各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。光パターン生成装置１００は、例えば、照明用レーザ装置として用いられる。
　レーザ光源１は単一波長のレーザ光を出射する光源である。このレーザ光源１としては、例えば半導体レーザ、ファイバレーザ又は、固体レーザが用いられる。
回折光学素子２ａ、２ｂは、ガラスや樹脂からなる、周期的にスリットや凹凸の形状を基板上につけた素子であり、そのスリットや凹凸形状によって生じる回折光が像面４で目的の強度分布の光となるように、回折光学素子２ａ、２ｂに入射された光を変換する。具体的には、回折光学素子２ａ、２ｂに入射されたレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて、回折光学素子２ａ、２ｂのスリットや凹凸の形状によって、入射されたレーザ光の強度と位相を変更し、ある強度分布と位相分布を持つレーザ光を出射する。なお、回折光学素子２ａと回折光学素子２ｂとは、表面の凹凸形状が異なる。回折光学素子２ａ、２ｂの表面形状は連続的であるほど、つまり、階調数が多いほど、回折効率が高くなる。しかしながら、製造する際には、階調数が多いほど、加工が難しくなり、高価になる。　
　転写光学系３は、複数の光学レンズからなる光学系である。図２は、焦点距離がｆ１とｆ2の２枚のレンズを使用した転写光学系３の一構成を示している。図２を用いて転写光学系３の構成について説明する。レンズ３１の焦点距離をｆ１、レンズ３２の焦点距離をｆ2とする。また、レンズ３１、３２のレーザ光源１に近い方を前側、遠い方を後側とする。回折光学素子２ａはレンズ３１の前側焦点位置に、回折光学素子２ｂはレンズ３２の後側焦点位置に設置される。このとき、レンズ３１とレンズ３２との距離は、各々の焦点距離の和であるｆ１+ｆ2となる。
　回折光学素子２ａで光軸５からｘ軸方向の距離ｘの位置を透過した透過光は、レンズ３１に入射角θで入射する。レンズ３１に入射角θで入射した光は、レンズ３１により屈折し、その角度は光軸５に対して、θ’＝ｘ/ｆ１となる。また、レンズ３１により屈折した光は、レンズ３１の出射側の焦点位置で光軸５から距離がｘ’＝θｆ1となる位置を通過する。つまり、レンズ３１は、回折光学素子２ａ上で光軸５から距離ｘをもち、光軸５に対して角度θで出射される光を、レンズ３１の出射側の焦点位置で光軸５から距離ｘ’＝θｆ1をもち、光軸５に対して角度θ’＝ｘ/ｆ１をもつ光に変換する。
　なお、説明の補足のため、図３にレンズ３１で屈折する光の様子を示す。光軸５から距離ｘの位置とレンズ３１の中心３５を結んだ直線は、光軸５とθ’の角度を持つ。従って、次式の関係が成り立つ。
　　ｆ１×tanθ’＝ｘ
　　tanθ’≒ θ’
よって、次式が成り立つ。
　　θ’=ｘ／ｆ１　　　　　　（１）
また、次式の関係が成り立つ。
　　ｘ＋ｆ１θ＝ ｘ’＋ｆ１θ’ 
　　ｘ＋ｆ１θ＝ ｘ’＋ｘ 
よって、次式が成り立つ。
　　ｘ’=ｆ１θ　　　　　　　（２）
上述の説明では、式（１）（２）の関係を用いた。
　同様に、図２において、レンズ３２は、前側焦点位置の光軸から距離ｘ’での光を、回折光学素子２ｂ上で光軸５に対して角度θ″＝ｘ’/ｆ２をもつ光に変換し、光軸５に対して角度θ’で出射された光を光軸５から距離ｘ”＝θ’ｆ２の光に変換する。つまり、レンズ３１とレンズ３２によって、回折光学素子２ａ上で光軸５から距離ｘをもち、光軸５に対して角度θで出射される光は、回折光学素子２ｂ上で光軸５から距離ｘ”＝θ’ｆ２＝ｘ（ｆ２/ｆ１）をもち、光軸５に対して角度θ″＝ｘ’/ｆ２＝θ（ｆ1/ｆ２）もつ光に変換される。つまり、回折光学素子２ｂで距離ｘ”に対する強度分布と位相分布は、回折光学素子２aで距離ｘに対する強度分布と位相分布のｆ２/ｆ１倍となり、回折光学素子２ｂでの角度θ″に対する強度分布と位相分布は、回折光学素子２aの角度θに対する強度分布と位相分布のｆ1/ｆ２倍となる。特に、レンズ３１とレンズ３２の焦点距離が同じ場合、回折光学素子２ｂの入射面での光の強度分布と位相分布は、回折光学素子２ａの出射面での光の強度分布と位相分布が等倍に転写された分布となる。
　ここでは、ｘ軸方向の距離に対する光の変換について説明したが、ｙ軸方向についても同じ説明が成り立つ。従って、強度分布と位相分布はそれぞれ、回折光学素子２ａで光の進行方向に垂直な平面（ｘ軸とｙ軸が含まれる平面）上での位置に対する光の強度と位相の分布としてとらえることもできる。この強度分布と位相分布は、回折光学素子２ａによって、レーザ光の強度と位相が変換されることによって生じる分布である。なお、回折光学素子２ａは、レーザ光の強度と位相の一方のみを変換する構成であってもよい。その場合、レンズ３１とレンズ３２は、回折光学素子２ｂの入射面での光の位相分布を、回折光学素子２ａの出射面での光の位相分布に転写する。
図２に示した転写光学系３の構成は一例であり、この構成に限らず、回折光学素子２ａの出射面の光の強度分布と位相分布を、回折光学素子２ｂの入射面での光の強度分布と位相分布に転写する光学系であればよい。回折光学素子２ａと回折光学素子２ｂは、転写光学系３の前後で、強度分布と位相分布が転写される位置に設置される。
　次に、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００によって光パターンを生成する動作について説明する。
　レーザ光源１から出射された光は、回折光学素子２ａに入射される。
　回折光学素子２ａは、回折光学素子２ａに入射された光の進行方向に垂直な平面（ｘ軸とｙ軸が含まれる平面）上での位置に応じて光の位相を変換する（以下、位相変調する、と呼ぶ）。回折光学素子２ａから出射された光は、転写光学系３を透過し、回折光学素子２ｂに入射される。その際、回折光学素子２ｂに入射される光の強度分布と位相分布は、回折光学素子２ａの出射面での光の強度分布と位相分布が転写光学系３によって、転写された分布となる。回折光学素子２ｂは、回折光学素子２ｂに入射された光を位相変調する。回折光学素子２ｂから出射された光は、伝搬し、像面４にて像を形成する。つまり、レーザ光源１から出射された光は、回折光学素子２ａと回折光学素子２ｂにより位相変調され、伝搬して、像面４で回折光学素子２ｂの出射面での光の位相分布に対応した強度分布６ａとなる。
　なお、上記では、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂと、１組の転写光学系３との構成について説明したが、各回折光学素子の出射面での光の位相分布を、その次に光が入射される回折光学素子の入射面に転写する構成であれば、上記構成に限らず、複数枚の回折光学素子と複数組の転写光学系との構成であってもよい。また、ここでは、回折光学素子２ａ、２ｂでレーザ光が位相変調され、レーザ光が位相分布をもつ場合について説明したが、レーザ光の強度が変換され、レーザ光が強度分布をもつ場合にも同様の構成を適用できる。
　本実施の形態では、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂの間に１組の転写光学系３を配置する構成を用いることによって、回折光学素子２ａの出射面での光の位相分布を、回折光学素子２ａの入射面での光の位相分布に転写できる。従来の光パターン生成装置では、１枚目の回折光学素子出射光の伝搬後の波面変化を考慮し、２枚目の回折光学素子に入射される光の分布に合わせて、２枚目の回折光学素子の表面の凹凸形状を設計する必要があった。これに対して、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００では、１枚目の回折光学素子２ａからの伝搬による波面変化を考慮することがなく、２枚目の回折光学素子２ｂの設計を行える。その結果、従来技術よりも回折光学素子の設計、製造を簡易に行える利点がある。
　次に、図４を用いて、回折光学素子２ａ、２ｂと、転写光学系３を用いることにより、少ない階調数の表面形状をもつ回折光学素子２ａ、２ｂであっても、１枚の回折光学素子の階調数よりも多い階調数で光の位相変調を行える実施の形態１のもう一つの効果について説明する。
　例えば、回折光学素子２ａによって変調される位相分布が図４（ａ）に示す分布であり、回折光学素子２ｂによって変調される位相分布が図４（ｂ）に示す分布である場合、回折光学素子２ａに入射された光は、回折光学素子２ａにより図４（ａ）に示す２階調の分布で位相変調される。回折光学素子２ａから出射された光は、転写光学系３を透過し、回折光学素子２ｂに入射される。回折光学素子２ｂの入射面での位相分布は、回折光学素子２ｂによって、さらに、図４（ｂ）に示す２階調の分布で位相変調される。よって、レーザ光源１から出射された光は、回折光学素子２ａと回折光学素子２ｂにより、位相変調される。回折光学素子２ｂの出射面での光の位相分布は、図４（ｃ）に示すように、回折光学素子２ａの２階調の分布と、回折光学素子２ｂの２階調の分布を足し合わせた３階調の位相分布となる。すなわち、回折光学素子２ｂから出射されるレーザ光の有する位相の階調数は、回折光学素子２ａ、２ｂで与えられるレーザ光の位相変化の階調数より大きくなる。
　以上より、２枚の２階調の回折光学素子２ａ、２ｂと１組の転写光学系３を用いる構成によって、製造が容易で低コストな２階調の回折光学素子２ａ、２ｂで、光の３階調の位相分布を生成でき、階調数を増加させることができる。その結果、高精度な光パターンを生成することができる効果がある。
なお、図４では、２枚の２階調の回折光学素子２ａ、２ｂと１組の転写光学系３での構成について説明したが、ｎ枚の２階調の回折光学素子とそれぞれの回折光学素子の間に配置された（ｎ－１）組（ｎは２以上の整数）の転写光学系の構成を用いると、（ｎ+１）階調の位相分布を作成することができる。
次に、図５を使用して、回折光学素子２ａ、２ｂと、転写光学系３を用いることにより、１枚の回折光学素子を用いて生成される光パターンの画素数よりも、多くの画素数に対応した位相分布を生成できる実施の形態１のもう一つの効果について説明する。ここで、生成される光パターンにより形成される画像を構成する最小単位を画素として扱う。
例えば、回折光学素子２ａによって変調される位相分布が図５（ａ）に示す分布であり、回折光学素子２ｂによって変調される位相分布が図５（ｂ）に示す分布である場合について説明する。ここで、回折光学素子２ａ、２ｂの表面形状は、それぞれ図５（ａ）（ｂ）に示す回折光学素子２ａ、２ｂの位相分布と同じ形状となる。すなわち、図５（ａ）（ｂ）では、１枚目の回折光学素子２ａの凸部分の分布と、２枚目の回折光学素子２ｂの凸部分の分布とは、入射されるレーザ光の進行方向に垂直な平面内でずれた位置関係にある。
このとき、回折光学素子２ａに入射された光は、図５（ａ）に示す回折光学素子２ａの表面形状により、２階調に位相変調される。回折光学素子２ａから出射された光は、転写光学系３を透過した後、回折光学素子２ｂに入射される。回折光学素子２ｂの入射面での光の位相分布は回折光学素子２ａの出射面での光の位相分布となっている。回折光学素子２ｂに入射された光は、図５（ｂ）に示す回折光学素子２ｂの表面形状により、さらに２階調に位相変調される。レーザ光源１から出射された光は、回折光学素子２ａと回折光学素子２ｂにより位相変調されるため、回折光学素子２ｂの出射面での位相分布は、図５（ｃ）に示すように、回折光学素子２ａの２階調の分布と、回折光学素子２ｂの２階調の分布を足し合わせた４階調の位相分布となる。回折光学素子２ａ、２ｂの凸形状部をずらしたことにより、１枚の回折光学素子の画素ピッチよりもさらに細かいピッチの凹凸形状が生成でき、１枚の回折光学素子を用いて生成される光パターンのもつ画素数よりもさらに多くの画素数の位相分布を生成することができる。すなわち、回折光学素子２ｂから出射されるレーザ光において、回折光学素子２ａで行われた凹凸形状による位相変調の位置と回折光学素子２ｂで行われた凹凸形状による位相変調の位置が異なることにより、回折光学素子２ａから出射されたレーザ光の位相をさらに細かい単位で変化させることができる。
なお、図５では、２枚の２階調の回折光学素子２ａ、２ｂと１組の転写光学系３での構成について説明したが、互いに表面の凹凸形状の分布をずらしたｎ枚（ｎは２以上の整数）の回折光学素子と、それぞれの回折光学素子の間に配置された（ｎ－１）組の転写光学系の構成であれば、１枚の回折光学素子を用いて生成される光パターンの画素数よりも多くの画素数の位相分布を生成することができる。その結果、高精度な光パターンを生成することができるという効果を得られる。
一般的に、回折光学素子によって生成される像を精密な画像にするためには、回折光学素子の表面凹凸形状の画素を細かくし、多値化する必要がある。従来技術において、１枚の回折光学素子によって多値化を実現する場合には、複数回の成形工程に投入する必要があり、コストが高くなると共に、精度が悪くなる。これに対して、本実施の形態では、回折光学素子２ａ、２ｂのもつ階調よりも多くの階調で光を位相変調することができ、従来技術よりも低コストで高精度な光パターンを生成できる。
　以上の通り、実施の形態１によれば、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂと、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂの間に、転写光学系３を設けることにより、像面４に、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂよって空間的に位相変調された光の位相分布に対応した光パターンを生成することができる。したがって、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂと転写光学系３とを使用することにより、回折光学素子２ａの出射面での光の位相分布を、回折光学素子２ｂによってさらに位相変調できる。例えば、回折光学素子２ａと、回折光学素子２ｂの表面形状が２階調の場合、回折光学素子２ａによって変調された２階調の光の位相分布に、回折光学素子２ｂにより、さらに２階調の変調をかけることができる。その結果、レーザ光源１から出射されたレーザ光の回折光学素子２ｂの出射面での位相分布は、３階調以上の位相分布とすることができる。
　なお、ここでは、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂと、１組の転写光学系３との構成について説明したが、各回折光学素子の出射面での光の位相分布を、その次に入射される回折光学素子の入射面に転写する構成であれば、上記構成に限らず、複数枚の回折光学素子と、複数組の転写光学系とを備えた構成であってもよい。
また、ここでは、例として２枚の２階調の回折光学素子２ａ、２ｂを使用した構成を示したが、階調数に制限はない。回折光学素子の枚数が複数枚であれば、多値化および多画素化に関して同様の効果を奏することができる。
　このように、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００は、第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源１と、前記第１のレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記第１のレーザ光の位相を変更し、位相分布をもつレーザ光を出射する第１の回折光学素子２ａと、入射されるレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記入射されるレーザ光の位相を変更し、光パターンを形成するレーザ光を出射する第２の回折光学素子２ｂと、前記第１及び前記第２の回折光学素子２ａ、２ｂの間に配置され、前記第１の回折光学素子から出射されるレーザ光の位相分布を前記第２の回折光学素子２ｂに入射されるレーザ光の位相分布に転写する転写光学系３と、を備えたことを特徴とする。この構成によって、１枚目の回折光学素子２ａの出射光の伝搬による波面変化を考慮することなく、簡易に２枚目の回折光学素子２ｂの設計を行える。
　また、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００において、第１の回折光学素子２ａは前記第１のレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記第１のレーザ光の強度を変更し、前記転写光学系３は、前記第１の回折光学素子２ａで強度が変更されたレーザ光のもつ強度分布を前記第２の回折光学素子２ｂに入射されるレーザ光の強度分布に転写することを特徴とする。この構成によって、第１の回折光学素子２ａから出射されるレーザ光が強度分布を持つ場合にも、１枚目の回折光学素子２ａの出射光の伝搬による波面変化を考慮することなく簡易に２枚目の回折光学素子２ｂの設計を行える。
　また、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００において、前記第２の回折光学素子２ｂから出射されるレーザ光の有する位相の階調数は、前記第１及び前記第２の回折光学素子２ａ、２ｂで与えられるレーザ光の位相変化の階調数より大きいことを特徴とする。この構成によって、階調数の小さい回折光学素子２ａ、２ｂを用いて、回折光学素子２ａ、２ｂの階調数より大きい階調数でレーザ光を位相変調することができる。
　また、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００において、前記第２の回折光学素子２ｂから出射されるレーザ光において、前記第１の回折光学素子２ａで行われた位相の変更によって位相が変化する位置と前記第２の回折光学素子２ｂで行われた位相の変更によって位相が変化する位置は異なることを特徴とする。この構成によって、１枚の回折光学素子を用いて生成される光パターンの画素数よりも多くの画素数の位相分布を生成することができる。
　また、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００は、レーザ光を出射する第１のレーザ光源１と、入射されるレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記入射されるレーザ光の位相を変更し、位相分布を持つレーザ光を出射する第１乃至Ｎ（Ｎは２以上の整数）の回折光学素子と、前記第ｎの回折光学素子と前記第ｎ＋１の回折光学素子の間に配置され、前記第ｎの回折光学素子から出射されるレーザ光の位相分布を、前記第ｎ＋１の回折光学素子に入射されるレーザ光の位相分布に転写する第ｎ（＝１，．．．，Ｎ－１）の転写光学系と、を備え、前記第１のレーザ光源から出射されたレーザ光は前記第１の回折光学素子に入射され、前記第Ｎの回折光学素子で位相が変更されたレーザ光は光パターンを形成するレーザ光であることを特徴とする。この構成によって、回折光学素子の出射光の伝搬による波面変化を考慮することなく、それぞれの回折光学素子を設計できる。また、多くの回折光学素子を用いることにより、光パターンを形成するレーザ光を多くの階調数で位相変調できる。
実施の形態２．
実施の形態１では、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂが光軸５上に配置されたのに対し、実施の形態２では、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂは光軸上に出し入れ可能であり、回折光学素子２ａ、２ｂのいずれか一方が光軸５上に配置されない場合を含めて扱う。
　図６と図７は、実施の形態２に係る光パターン生成装置１００の一構成例を示す図である。回折光学素子２ａは、レーザ光源１と転写光学系３の間に位置し、光軸５に対して垂直な方向に移動する。回折光学素子２ｂは、転写光学系３と回折光学素子２ｂの間に位置し、光軸５に対して垂直な方向に移動する。この移動によって、第１及び第２の回折光学素子２ａ、２ｂのいずれか一方を、レーザ光源１から出射されたレーザ光が光パターン形成までに通過する光路から取り外す。すなわち、実施の形態２に係る光パターン生成装置１００は、回折光学素子２ａ、２ｂのいずれか一方を、レーザ光源１から出射されたレーザ光が光パターンを形成するまでに通過する光路から取り外すように可動可能である構成を持つ。
以下、実施の形態２に係る光パターン生成装置１００の動作について説明する。
図６は、図１での構成と、回折光学素子２ｂが光軸５上にない点が異なる。レーザ光源１から出射された光は、回折光学素子２ａに入射される。回折光学素子２ａに入射された光は、回折光学素子２ａにより、位相変調される。回折光学素子２ａの出射面での光の位相分布と強度分布は、転写光学系３により、図１で回折光学素子２ｂが設置されていた位置に転写される。転写された光は、伝搬し、像面４に回折光学素子２ａの出射面での光の位相分布に対応した強度分布６ｂとなる。
図７は、図１での構成と、回折光学素子２ａが光軸５上にない点で異なる。レーザ光源１から出射された光は、転写光学系３に入射される。転写光学系３は、図１で回折光学素子２ａが設置されていた位置での光の強度分布と位相分布を、回折光学素子２ｂの入射面へ転写する。回折光学素子２ｂに入射された光は、回折光学素子２ｂにより、位相変調される。回折光学素子２ｂから出射された光は、伝搬し、像面４で回折光学素子２ｂの出射面での光の位相分布に対応した強度分布６ｃとなる。
次に、実施の形態２に係る光パターン生成装置１００の効果について説明する。
　回折光学素子出射面から像面４までの距離は、各回折光学素子２ａ、２ｂの設置位置によって異なるため、転写光学系３がない従来技術では、回折光学素子２ａ、２ｂの設置位置により、回折光学素子２ａ、２ｂによってできる位相分布を変更する必要がある。
　これに対して、実施の形態２に係る光パターン生成装置１００では、転写光学系３を用いることにより、レーザ光源１から出射された光が回折光学素子２ａと回折光学素子２ｂとの２枚を透過する場合、回折光学素子２ａのみ透過する場合、回折光学素子２ｂのみを透過する場合のように、回折光学素子出射面から像面４までの距離が異なる場合においても、像面４にて光パターンを生成することができる。よって、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂで３パターンの像を生成することができる。
　以上の通り、実施の形態２によれば、光軸５上に抜き差し可能な２枚の回折光学素子２ａ、２ｂと、回折光学素子２ａ、２ｂの間に転写光学系３を設けた構成を用いることにより、レーザ光源１から出射された光は、回折光学素子２ａのみを透過する場合、回折光学素子２ｂのみを透過する場合、回折光学素子２ａと回折光学素子２ｂともに透過する場合で、像面４に互いに異なるパターンを照射することができる。従って、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂで３つの光パターンの像を生成することが可能となる効果がある。
　なお、ここでは、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂと、１組の転写光学系３との構成について説明したが、各回折光学素子の出射面での位相分布を、回折光学素子の入射面に転写する構成であれば、上記構成に限らず、ｎ枚（ｎは２以上の整数）の２階調の回折光学素子とそれぞれの回折光学素子の間に配置された（ｎ－１）組の転写光学系の構成を用いる構成であってもよい。ｎ枚の回折光学素子と、（ｎ-１）組の転写光学系の構成の場合、Σ（ｋ＝１、ｎ）ｎCｋ通りの光パターンを生成することができる。　
なお、１枚の回折光学素子を設ける従来の光パターン生成装置では、異なるパターンや、光源の波長ごとに表面の凹凸形状が異なる回折光学素子が必要となる。この場合、１パターンにつき１枚の回折光学素子が必要となり、パターンが増えるほど、部品点数が多くなる。これに対して、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００では、回折光学素子の枚数より多くの種類のパターンを生成することができ、従来技術よりも低コストで高精度な光パターンを生成できる。
　このように、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００は、前記第１及び前記第２の回折光学素子２ａ、２ｂのいずれか一方を、前記第１のレーザ光が光パターンを形成するまでに通過する光路から取り外すように可動可能であることを特徴とする。この構成によって、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂで３つの光パターンの像を生成することが可能となる効果がある。
実施の形態３.
実施の形態２では、１つのレーザ光源１を用いてパターンを生成する形態を説明したのに対し、実施の形態３では、２つのレーザ光源を用いてパターンを生成する形態を説明する。
　図８～１０は、実施の形態３に係る光パターン生成装置１００の一構成例を示す図である。実施の形態２と比べて、２つのレーザ光源１ａ、１ｂを用いている点と、転写光学系３と回折光学素２ｂとの間にミラー７を設けている点が異なる。
　レーザ光源１ｂは、単一波長のレーザ光を出射する光源である。このレーザ光源１としては、例えば半導体レーザ、ファイバレーザ又は、固体レーザが用いられる。レーザ光源１ｂ出射光の波長は、レーザ光源１ａの出射光の波長と同じ場合でも異なる場合でもよい。
ミラー７は、入射光の一部を透過し、一部を反射する光学部品である。ミラー７としては、例えば、ビームスプリッターがある。
　レーザ光源１ｂは、レーザ光源１ｂ出射光が、ミラー７のレーザ光源１ａ出射光の出射面に入射する位置に設置される。また、ミラー７は、転写光学系３と、回折光学素子２ｂとの間に設置される。
次に、実施の形態３に係る光パターン生成装置１００の動作について説明する。
レーザ光源１ｂから出射された光はミラー７へ入射される。レーザ光源１ｂから出射されミラー７に入射された光はミラー７の表面で反射し、回折光学素子２ｂに入射される。回折光学素子２ｂに入射された光は、位相変調され、像面４にパターンとなって照射される。
レーザ光源１ａから出射された光は、回折光学素子２ａへ入射される。回折光学素子２ａに入射された光は、回折光学素子２ａにより、位相変調され出射される。回折光学素子２ａから出射された光は、転写光学系３とミラー７を透過し、回折光学素子２ｂに入射される。回折光学素子２ｂに入射された光は、位相変調され、像面４にパターンとなって照射される。
次に、図８～１０を使用して実施の形態３の効果について説明する。
　図８の構成において、レーザ光源１ａから出射された光は、回折光学素子２ａにより位相変調され、転写光学系３により、回折光学素子２ａの出射面での光の分布が回折光学素子２ｂの入射面へ転写される。回折光学素子２ｂの入射光は、回折光学素子２ｂによって変調され、ミラー７を透過し、像面４でパターンになる。
　例えば、レーザ光源１ａの出射光の色とレーザ光源１ｂの出射光の色とが異なる場合、レーザ光源１ａから出射された光による像面４でのパターンと、レーザ光源１ｂから出射された光による像面４でのパターンが同じ場合、像面４でのパターンの色は、レーザ光源１ａの色と、レーザ光源１ｂとの色の加法混合した色となる。また、レーザ光源１ａからの出力値と、レーザ光源１ｂからの出力値を調節することにより、複数の色でパターンを生成することができる。
したがって、レーザ光源１ａとレーザ光源１ｂとを用い、転写光学系３と回折光学素子２ｂとの間にミラー７を設けることにより、複数の色でパターンを生成することができる。
　また、図９と図１０に示すように、回折光学素子２ａを光軸５上から外すことにより、レーザ光源１ａから出射された光は、転写光学系３とミラー７を透過し、回折光学素子２ｂに入射される。入射された光は、回折光学素子２ｂによって位相変調される。回折光学素子２ｂから出射された光は、像面４で、回折光学素子２ｂでの位相変調による、パターン６eとなる。
　さらに、図１１に示すように、回折光学素子２ｂを光軸５上から外すことにより、レーザ光源１ａから出射された光は、回折光学素子２ａに入射され、入射された光は、回折光学素子２ａにより、位相変調される。回折光学素子２ａから出射された光は、転写光学系３とミラー７を透過し、像面４で回折光学素子２ａでの位相変調によるパターン６ｆとなる。
したがって、レーザ光源１ａとレーザ光源１ｂとを用い、転写光学系３と、回折光学素子２ｂとの間にミラー７を設けることにより、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂと２つのレーザ光源で４種類のパターンを生成することができる。
さらに、実施の形態３の光パターン生成装置１００で生成される４種類のパターンを連続的に切り替えて表示することにより、パターンのアニメーション化も可能になる。
　以上のように構成した実施の形態３のレーザ光源１ａとレーザ光源１ｂとを用い、転写光学系３と、回折光学素子２ｂとの間にミラー７を設けた光パターン生成装置１００であっても、実施の形態１と実施の形態２と同様の効果を奏する。加えて、実施の形態３のレーザ光源１ａとレーザ光源１ｂとを用い、転写光学系３と回折光学素子２ｂとの間にミラー７を設けた光パターン生成装置１００は、複数の色でパターンを生成できるという効果がある。さらに、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂと、２つのレーザ光源１ａ、１ｂで、４種類のパターンを生成できる。また、４種類のパターンを連続的に切り替えて表示することにより、パターンのアニメーション化が可能となる効果がある。
ここでは、２つのレーザ光源１ａ、１ｂと、２枚の回折光学素子２ａ、２ｂと、１組の転写光学系３と、１枚のミラー７の構成について説明したが、各回折光学素子の出射面での位相分布を、回折光学素子の入射面に転写する構成であれば、上記構成に限らず、複数のレーザ光源、複数枚の回折光学素子と、複数組の転写光学系と、複数枚のミラーの構成であってもよい。
　このように、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００は、第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源１ｂと、転写光学系３で位相分布が転写された前記第２の回折光学素子に入射されるレーザ光を透過し、前記第２のレーザ光を反射するミラー７と、を備え、前記第２の回折光学素子２ｂは、前記ミラー７で反射されたレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記ミラー７で反射されたレーザ光の位相を変更し、前記第１のレーザ光により形成される光パターンと異なる光パターンを形成するレーザ光を出射する
ことを特徴とする。この構成によって、レーザ光源１ａの出射光の色とレーザ光源１ｂの出射光の色が異なる場合、複数の色で光パターンを生成することができる。
　また、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００において、前記第２のレーザ光は、前記第１のレーザ光と異なる波長を有することを特徴とする。この構成によって、レーザ光源１ａの出射光の色とレーザ光源１ｂの出射光の色を異なる色とすることができる。
　また、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００において、前記第１及び前記第２の回折光学素子２ａ、２ｂのいずれか一方を、前記第１のレーザ光が光パターンの形成に至るまでに通過する光路から取り外すように可動可能であることを特徴とする。この構成によって、４種類のパターンを連続的に切り替えて表示することにより、パターンのアニメーション化が可能となる効果がある。
　また、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００は、第１～Ｎのレーザ光を出射する第１～Ｎのレーザ光源と、入射されるレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記入射されるレーザ光の位相を変更し、位相分布を持つレーザ光を出射する第１乃至Ｎ（Ｎは２以上の整数）の回折光学素子と、前記第ｎの回折光学素子と前記第ｎ＋１の回折光学素子の間に配置され、前記第ｎの回折光学素子から出射されるレーザ光の位相分布を、前記第ｎ＋１の回折光学素子に入射されるレーザ光の位相分布に転写する第ｎ（＝１，．．．，Ｎ－１）の転写光学系と、前記第ｎの転写光学系で位相分布が転写された前記第ｎ＋１の回折光学素子に入射されるレーザ光を透過し、前記第ｎ＋１のレーザ光源から出射されたレーザ光を反射することにより前記第ｎ＋１の回折光学素子に入射する第ｎ（＝１，．．．，Ｎ－１）のミラーと、を備え、前記第１のレーザ光源から出射されたレーザ光は前記第１の回折光学素子に入射され、前記第Ｎの回折光学素子で位相が変更されたレーザ光は光パターンを形成するレーザ光であることを特徴とする。この構成によって、多くのパターンを連続的に切り替えて表示するパターンのアニメーション化が可能となる効果がある。
１、１ａ、１ｂ：レーザ光源、２ａ、２ｂ：回折光学素子、３：転写光学系、４：像面、５：光軸、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ：光パターン、７：ミラー、３１、３２：レンズ、１００：光パターン生成装置

Claims (9)

  1. 　第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
    前記第１のレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記第１のレーザ光の位相を変更し、位相分布をもつレーザ光を出射する第１の回折光学素子と、
    入射されるレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記入射されるレーザ光の位相を変更し、光パターンを形成するレーザ光を出射する第２の回折光学素子と、
    前記第１及び前記第２の回折光学素子の間に配置され、前記第１の回折光学素子から出射されるレーザ光の位相分布を前記第２の回折光学素子に入射されるレーザ光の位相分布に転写する転写光学系と、
    を備えたことを特徴とする光パターン生成装置。
  2. 　前記第１の回折光学素子は前記第１のレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記第１のレーザ光の強度を変更し、
    　前記転写光学系は、前記第１の回折光学素子で強度が変更されたレーザ光のもつ強度分布を前記第２の回折光学素子に入射されるレーザ光の強度分布に転写する
    ことを特徴とする請求項１に記載の光パターン生成装置。
  3. 　前記第２の回折光学素子から出射されるレーザ光の有する位相の階調数は、前記第１及び前記第２の回折光学素子で与えられるレーザ光の位相変化の階調数より大きい
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光パターン生成装置。
  4. 　前記第２の回折光学素子から出射されるレーザ光において、前記第１の回折光学素子で行われた位相の変更によって位相が変化する位置と前記第２の回折光学素子で行われた位相の変更によって位相が変化する位置は異なる
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
  5. 　第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
    前記転写光学系で位相分布が転写された前記第２の回折光学素子に入射されるレーザ光を透過し、前記第２のレーザ光を反射するミラーと、を備え、
    前記第２の回折光学素子は、前記ミラーで反射されたレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記ミラーで反射されたレーザ光の位相を変更し、前記第１のレーザ光により形成される光パターンと異なる光パターンを形成するレーザ光を出射する
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
  6. 　前記第２のレーザ光は、前記第１のレーザ光と異なる波長を有する
    ことを特徴とする請求項５に記載の光パターン生成装置。
  7. 　前記第１及び前記第２の回折光学素子のいずれか一方を、前記第１のレーザ光が光パターンを形成するまでに通過する光路から取り外すように可動可能である
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光パターン生成装置。
  8. 　レーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
    入射されるレーザ光の進行方向に垂直な平面上の位置に応じて前記入射されるレーザ光の位相を変更し、位相分布を持つレーザ光を出射する第１乃至Ｎ（Ｎは２以上の整数）の回折光学素子と、
    前記第ｎの回折光学素子と前記第ｎ＋１の回折光学素子の間に配置され、前記第ｎの回折光学素子から出射されるレーザ光の位相分布を、前記第ｎ＋１の回折光学素子に入射されるレーザ光の位相分布に転写する第ｎ（＝１，．．．，Ｎ－１）の転写光学系と、を備え、
    前記第１のレーザ光源から出射されるレーザ光は前記第１の回折光学素子に入射され、
    前記第Ｎの回折光学素子から出射されるレーザ光は光パターンを形成するレーザ光であることを特徴とする光パターン生成装置。
  9. 　レーザ光を出射する第２乃至Ｎのレーザ光源と、
    前記第ｎの転写光学系で位相分布が転写された前記第ｎ＋１の回折光学素子に入射されるレーザ光を透過し、前記第ｎ＋１のレーザ光源から出射されたレーザ光を反射することにより前記第ｎ＋１の回折光学素子に入射する第ｎ（＝１，．．．，Ｎ－１）のミラーと、
    を備えたことを特徴とする請求項８に記載の光パターン生成装置。
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