JP2010058128A - レーザ光照射装置およびレーザ光照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の内部の複数の集光位置それぞれにおけるレーザ光の集光領域の伸張を低減することができるレーザ光照射装置を提供する。
【解決手段】レーザ光照射装置１は、対象物９の内部の複数の集光位置にレーザ光を集光照射する装置であって、レーザ光源１０、プリズム２０、空間光変調器３０、レンズ４１、レンズ４２、ミラー５０および対物レンズ６０を備える。空間光変調器３０は、レーザ光源１０から出力されたレーザ光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいてレーザ光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後のレーザ光を出力する。空間光変調器３０に呈示されるホログラムは、複数の集光位置それぞれにレーザ光を集光させるための集光用ホログラムと、複数の集光位置それぞれに応じたレーザ光の収差を補正するための補正用ホログラムと、が重畳されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の内部の複数の集光位置にレーザ光を集光照射する装置および方法に関するものである。

レーザ光源から出力されたレーザ光を集光光学系により集光して加工対象物に照射することにより該加工対象物を加工することができる。単にレンズを用いてレーザ光を集光するだけであれば、レーザ光の１つの集光位置を走査することで、加工対象物を所望の形状に加工することができる。しかし、この場合には加工に要する時間が長い。

加工時間の短縮化を図るための最も簡便な手法は、複数の集光位置にレーザ光を同時に集光照射して多点同時加工を行うことである。例えば、複数のレーザ光源を用いて、各レーザ光源から出力されたレーザ光をレンズにより集光すれば、多点同時加工を行うことができる。しかし、この場合には、複数のレーザ光源を用いることから、コストが高く、設置領域や光学系が複雑なものとなる。

このような問題を解消することを意図した発明が特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された発明では、位相変調型の空間光変調器にホログラムを呈示させて、１つのレーザ光源から出力されたレーザ光を空間光変調器により位相変調し、その位相変調されたレーザ光を集光光学系により複数の集光位置に同時に集光照射する。空間光変調器に呈示されるホログラムは、集光光学系により複数の集光位置にレーザ光が集光されるような位相変調分布を有する。

なお、特許文献１に開示されているような対象物の内部の複数の集光位置にレーザ光を集光照射する技術は、例えば、ガラスなどの内部にレーザ光を照射し当該照射部の屈折率変化を起こして光集積回路を形成したり、ガラスなどの内部にレーザ光を照射し当該照射部にクラックを形成して切断したり、シリコンウェハなどの内部にレーザ光を照射して当該照射部に改質層を形成し切断したり、といった加工に用いられるだけでなく、レーザ顕微鏡や多光子吸収顕微鏡などにおいてレーザ光の集光位置を対象物内部で走査して撮像するといった用途にも用いられる。
特開２００６−６８７６２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された発明では、例えば対象物の内部の複数の集光位置にレーザ光を集光照射する場合、各集光位置におけるレーザ光の集光領域が光軸方向に伸張し、また、その集光領域の伸張の程度は集光位置によって異なる。このような場合、上述したような加工用途や撮像用途において正確な加工または撮像を行うことが困難となる。また、例えば、加工用途を考えると、集光領域の伸張は、加工形状の劣化を引き起こすだけでなく、レーザ光の所要パワーの増加を引き起こす。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、対象物の内部の複数の集光位置それぞれにおけるレーザ光の収差を低減することができるレーザ光照射装置およびレーザ光照射方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ光照射装置は、対象物の内部の複数の集光位置にレーザ光を集光照射する装置であって、(1) レーザ光を出力するレーザ光源と、(2) レーザ光源から出力されたレーザ光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいてレーザ光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器と、(3) 空間光変調器から出力されたレーザ光を複数の集光位置に集光する集光光学系と、(4) 複数の集光位置それぞれにレーザ光を集光させるための集光用ホログラムと、複数の集光位置それぞれに応じたレーザ光の収差を補正するための補正用ホログラムと、を重畳したホログラムを空間光変調器に呈示させる制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るレーザ光照射装置では、制御部は、対象物の外部に集光位置が存在し且つ補正をしなかった場合の集光位置に対し、対象物の内部に集光位置が存在し且つ補正をした場合の集光位置の光路長変化分に基づいて、補正用ホログラムを設定するのが好適である。

本発明に係るレーザ光照射方法は、対象物の内部の複数の集光位置にレーザ光を集光照射する方法であって、(1) レーザ光を出力するレーザ光源と、(2) レーザ光源から出力されたレーザ光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいてレーザ光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器と、(3) 空間光変調器から出力されたレーザ光を複数の集光位置に集光する集光光学系と、を用いる。そして、本発明に係るレーザ光照射方法は、複数の集光位置それぞれにレーザ光を集光させるための集光用ホログラムと、複数の集光位置それぞれに応じたレーザ光の収差を補正するための補正用ホログラムと、を重畳したホログラムを空間光変調器に呈示させることを特徴とする。

本発明に係るレーザ光照射方法は、対象物の外部に集光位置が存在し且つ補正をしなかった場合の集光位置に対し、対象物の内部に集光位置が存在し且つ補正をした場合の集光位置の光路長変化分に基づいて、補正用ホログラムを設定するのが好適である。

本発明によれば、複数の集光位置それぞれにおけるレーザ光の収差を低減することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るレーザ光照射装置１の構成図である。この図に示されるレーザ光照射装置１は、対象物９の内部の複数の集光位置にレーザ光を集光照射する装置であって、レーザ光源１０、プリズム２０、空間光変調器３０、駆動部３１、制御部３２、レンズ４１、レンズ４２、ミラー５０および対物レンズ（集光光学系）６０を備える。

レーザ光源１０は、対象物９の内部の複数の集光位置に集光照射されるべきレーザ光を出力するものであり、好適にはフェムト秒レーザ光源やＮｄ:ＹＡＧレーザ光源などのパルスレーザ光源である。

空間光変調器３０は、位相変調型のものであって、レーザ光源１０から出力されプリズム２０の第１反射面２１で反射されたレーザ光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいてレーザ光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後のレーザ光を出力する。この空間光変調器３０において呈示される位相ホログラムは、数値計算により求められたホログラム（ＣＧＨ: Computer Generated Hologram）であるのが好ましい。

この空間光変調器３０は、反射型のものであってもよいし、透過型のものであってもよい。反射型の空間光変調器２０としては、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型および光アドレス型の何れであってもよい。また、透過型の空間光変調器２０としてはＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等であってもよい。図１では、空間光変調器３０として反射型のものが示されている。透過型の場合にはプリズム２０は必要ない。

駆動部３１は、空間光変調器３０の２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調量を設定するものであり、その画素毎の位相変調量設定のための信号を空間光変調器３０に与える。駆動部３１は、空間光変調器３０の２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調量を設定することで、空間光変調器３０にホログラムを呈示させる。

レンズ４１およびレンズ４２は、４ｆ光学系を構成していて、空間光変調器３０と対物レンズ６０とが互いに結像関係となるように配置されている。すなわち、レンズ４１およびレンズ４２からなる４ｆ光学系は、空間光変調器３０から出力されプリズム２０の第２反射面２２で反射されたレーザ光を入力して、空間光変調器３０におけるレーザ光の像を対物レンズ６０に結像させる。

ミラー５０は、レンズ４１およびレンズ４２からなる４ｆ光学系から出力されたレーザ光を入力して、このレーザ光を対物レンズ６０へ反射させる。集光光学系としての対物レンズ６０は、ミラー５０で反射されたレーザ光を入力して、このレーザ光を対象物９の内部の複数の集光位置に集光する。

制御部３２は、例えばコンピュータで構成され、駆動部３１の動作を制御することで、駆動部３１から空間光変調器３０へホログラムを書き込ませる。このとき、制御部３２は、空間光変調器３０から出力されたレーザ光を集光光学系６０により対象物９の内部の複数の集光位置に集光させるホログラムを空間光変調器３０に呈示させる。

図２は、対象物９の内部の２つの集光位置Ａ，Ｂにレーザ光が集光される様子を示す図である。空間光変調器３０に呈示されるホログラムφ_resultは、集光位置Ａにレーザ光を集光させるための集光用ホログラムをφ_Ａとし、集光位置Ｂにレーザ光を集光させるための集光用ホログラムをφ_Ｂとして、下記（１）式の結果から位相のみを取り出すことで得られる。ここで、Ｋ_Ａ，Ｋ_Ｂは係数である。なお、この操作を本明細書では「位相化法」と呼ぶ。空間光変調器３０内を複数の小さな領域に分割しそれぞれにホログラムを配置する場合と比較して、この位相化法を用いると、複数のホログラムが１つの大きな領域に配置されるため、ＮＡの確保や耐光性を高めることができる。

また、集光位置Ａにレーザ光を集光させるための集光用ホログラムφ_Ａは、対物レンズ６０の光軸に垂直な面上の所定位置にレーザ光を集光させるためのホログラムをφ_{Ａ_target}とし、対物レンズ６０の光軸方向の所定位置にレーザ光を集光させるためのホログラムをφ_{Ａ_FLP}として、下記（２ａ）式から得られる。同様に、集光位置Ｂにレーザ光を集光させるための集光用ホログラムφ_Ｂは、対物レンズ６０の光軸に垂直な面上の所定位置にレーザ光を集光させるためのホログラムをφ_{Ｂ_target}とし、対物レンズ６０の光軸方向の所定位置にレーザ光を集光させるためのホログラムをφ_{Ｂ_FLP}として、下記（２ｂ）式から得られる。

対物レンズ６０の光軸方向に沿った所定位置にレーザ光を集光させるためのホログラムφ_{Ａ_FLP}，φ_{Ｂ_FLP}は、フレネルレンズパターン（ＦＬＰ: Fresnel Lens Pattern）を表し、下記（３）式で表される。ここで、ｒは中心からの距離であり、λは波長であり、ｆは焦点距離である。図３は、フレネルレンズパターンにおける位相変調分布を示す図である。この図では、位相変調量がグレイスケールで示されている。

なお、フレネルレンズパターンに替えてフレネルゾーンプレート（ＦＺＰ: Fresnel Zone Plate）が用いられてもよい。フレネルゾーンプレートは、下記（３）式を２πで割ったときの剰余がπ未満である位置で値０を有し、その剰余がπ以上である位置で値πを有するようにして、２値化されたものである。

対物レンズ６０から出力されるレーザ光が理想的な収斂光であって、集光位置が対物レンズ６０と対象物９の表面との間の空間であるとすると、その集光位置におけるレーザ光の集光領域は狭い。しかし、対物レンズ６０から出力されるレーザ光が理想的な収斂光であったとしても、対象物９の内部においてレーザ光が集光される場合、その集光位置におけるレーザ光の集光領域は光軸方向に伸張する。これについて以下に更に詳細に説明する。

図４は、対象物９の内部においてレーザ光が集光される様子を示す図である。同図に示されるように、対物レンズ６０と対象物９の表面との間の空間の屈折率をｎ_１とし、対象物９の屈折率をｎ_２とする。このとき、屈折率が互いに異なる空間と対象物９との境界面を光が通過するとき、下記（４）式で表されるスネルの法則に従って光が屈折する。ここで、θ_１は入射角であり、θ_２は屈折角である。

図５に示されるように、このスネルの法則に従う屈折により、対物レンズ６０の周辺部を通る入射角が大きい光線Ｌ_１による集光位置は、対物レンズ６０の中心部付近を通る入射角が小さい近軸光線Ｌ_２による集光位置から大きくずれる。その結果、集光領域は、同図に示されるように光軸方向に伸びる。このずれは球面収差と呼ばれる。このような伸びた集光領域で加工が行われると、収差がない場合に比べて、強い光量を要したり、加工部分が光軸方向に間延びしたりする。

球面収差量は内部の集光位置の深さｄによって異なる。光軸から距離ｈだけ離れた光線の球面収差Δｓは下記（５）式で表される。この式から、球面収差が深さｄに比例し、深くなるほど球面収差量が大きくなることがわかる。また、この（５）式を用いて波面収差Ｅ(ｈ)は下記（６）式で表される。ここで、ｈは、対物レンズ６０における光線の高さ（光軸からの距離）である。

球面収差が大きくなると、加工のためにレーザ光の光量を大きくしなければならなかったり、光軸方向に集光領域が伸びて形成されたりしてしまう。特に、光軸方向に集光領域が伸びて形成されてしまうことは光集積回路を作るうえで好ましくない。

そこで、本実施形態では、制御部３２は、各集光位置にレーザ光を集光させるための集光用ホログラムφ_Ａ，φ_Ｂと、各集光位置に応じたレーザ光の収差を補正するための補正用ホログラムφ_{Ａ_SACP}，φ_{Ｂ_SACP}と、を重畳したホログラムを空間光変調器３０に呈示させる。補正用ホログラムφ_{Ａ_SACP}は、集光用ホログラムφ_Ａ（上記（２ａ）式）による対象物９の内部の集光位置Ａでのレーザ光の集光の際の波面収差を補正するものである。また、補正用ホログラムφ_{Ｂ_SACP}は、集光用ホログラムφ_Ｂ（上記（２ｂ）式）による対象物９の内部の集光位置Ｂでのレーザ光の集光の際の波面収差を補正するものである。

図１に示されるレーザ光照射装置１の光学系において、空間光変調器３０に呈示されるホログラムのうちフレネルレンズパターンを表すホログラム成分による焦点距離をｆ_FLPとし、対物レンズ６０の焦点距離をｆ_objectとし、レンズ４１およびレンズ４２からなる４ｆ光学系の倍率をＭとすると、全体の合成焦点距離ｆ_resultは下記（７）式で表される。４ｆ光学系の倍率Ｍは、レンズ４１およびレンズ４２それぞれの焦点距離の比で決定される。

この式から判るように、空間光変調器３０に呈示されるホログラムのうちフレネルレンズパターンを表すホログラム成分による焦点距離ｆ_FLPが異なれば、全体の合成焦点距離ｆ_resultも異なる。そこで、集光用ホログラムφ_Ａにおける合成焦点距離に応じて補正用ホログラムφ_{Ａ_SACP}が作成され、また、集光用ホログラムφ_Ｂにおける合成焦点距離に応じて補正用ホログラムφ_{Ｂ_SACP}が作成される。補正用ホログラムφ_{Ａ_SACP}，φ_{Ｂ_SACP}は、対物レンズ６０に入射する前のレーザ光の波面を、上記（６）式で表される波面収差Ｅ(ｈ)と逆の波面とするものとして作成され得る。なお、より好適な補正用ホログラムφ_{Ｂ_SACP}，φ_{Ｂ_SACP}の作成方法については後述する。

そして、空間光変調器３０に呈示されるべきホログラムφ_resultは下記（８）式に従って作成される。すなわち、集光用ホログラムφ_Ａと補正用ホログラムφ_{Ａ_SACP}とが加算されたものと、集光用ホログラムφ_Ｂと補正用ホログラムφ_{Ｂ_SACP}とが加算されたものとが、位相化法（上記（１）式）により合成されることで、空間光変調器３０に呈示されるべきホログラムφ_resultが作成される。なお、両者に共通する歪み（例えば空間光変調器３０が有する歪み）が上記ホログラムφ_resultに加算されたものが空間光変調器３０に呈示されてもよい。

光軸方向に沿った集光位置Ａと集光位置Ｂとの間の距離が比較的近い場合には、集光位置Ａ，Ｂそれぞれの場合の合成焦点距離の平均値に応じて補正用ホログラムφ_SACPが作成されて、空間光変調器３０に呈示されるべきホログラムφ_resultは下記（９）式に従って作成されてもよい。すなわち、集光用ホログラムφ_Ａと集光用ホログラムφ_Ｂとが位相化法（上記（１）式）により合成されたφ_tempが作成され（（９ａ）式）、この作成されたφ_tempと補正用ホログラムφ_SACPとが加算されることで（（９ｂ）式）、空間光変調器３０に呈示されるべきホログラムφ_resultが作成される。なお、この場合も、両者に共通する歪みが上記ホログラムφ_resultに加算されたものが空間光変調器３０に呈示されてもよい。

なお、ガラスやシリコンウェハなどの対象物９を切断する場合に、その対象物９の内部にレーザ光を集光して改質層を形成すると、その改質層は、更に深い位置にレーザ光を集光して改質層を形成する際に影響を及ぼす。したがって、深い位置から順に改質層を形成するのが好適である。複数の集光位置にレーザ光を集光照射する場合においても同様である。よって、複数の集光位置にレーザ光を集光照射する場合には、集光位置を互いに近づけることにより、あたかも奥行き方向に伸びた１本の線として加工することが望ましい。

レーザ光源１０としてフェムト秒レーザ光源を用いる場合には、凸レンズで構成される４光学系を用いることができない。この場合には、空間光変調器３０と対物レンズ６０とは互いに結像関係にはなく、合成焦点距離ｆ_resultは下記（１０）式で表される。ここで、Δは、空間光変調器３０と対物レンズ６０との間の光路長である。Ｍは、凹凸レンズで構成される縮小光学系を用いた場合の倍率である。実際の集光位置は下記（１１）式で表される。これら（１）式および（１１）式から補正用ホログラムが作成され、上記（８）式または（９）式に従って、空間光変調器３０に呈示されるべきホログラムφ_resultが作成される。

次に、より好適な補正用ホログラムφ_{Ａ_SACP}，φ_{Ｂ_SACP}，φ_SACPの作成方法について説明する。図６は、補正用ホログラムの作成方法を説明する図である。同図では、補正をしなかった場合のレーザ光の集光位置が対象物９の表面にあるときを基準として、対物レンズ６０と対象物９とが互いに距離ｄだけ近くなっている。対象物９の外部に集光位置が存在し且つ補正をしなかった場合の集光位置Ｏに対し、対象物９の内部に集光位置が存在し且つ補正をした場合の集光位置Ｏ'が距離Δだけ異なっている。

対象物９の外部に集光位置が存在し且つ補正をしなかった場合に、対物レンズ６０において光軸から距離ｈだけ離れた光線の入射角がθである。また、対象物９の内部に集光位置が存在し且つ補正をした場合に、対物レンズ６０において光軸から距離ｈだけ離れた光線は、対象物９表面に対し入射角θ_２で入射し、対象物９表面において屈折角θ_１で屈折する。この光線が対象物９表面に入射する際の光軸からの距離がｈ_１である。

これらのパラメータの間に下記（１２）式の関係がある。この（１２）式から、θ_１およびθ_２は他のパラメータにより表される。また、対象物９の外部に集光位置が存在し且つ補正をしなかった場合の集光位置Ｏに対し、対象物９の内部に集光位置が存在し且つ補正をした場合の集光位置Ｏ'の光路長変化分ＯＰＤは、下記（１３）式で表される。この（１３）式で表される光路長変化分ＯＰＤに基づいて、補正用ホログラムφ_{Ａ_SACP}，φ_{Ｂ_SACP}，φ_SACPが作成される。

図７は、（６）式で表される波面収差Ｅ(ｈ)と逆の波面とするものとして作成された補正用ホログラムにおける位相変調量分布を示す図である。また、図８は、（１３）式で表される光路長変化分ＯＰＤに基づいて作成された補正用ホログラムにおける位相変調量分布を示す図である。何れの場合にも、ｆ_resultが４ｍｍであり、対象物９の屈折率ｎが１.４８であり、ＮＡ（＝sinθ）が０.８であり、(ｄ＋Δ)が１.３４ｍｍである。図７では、ｄが０.９ｍｍであり、Δが０.４４ｍｍである。図８では、ｄが０.８１ｍｍであり、Δが０.５３ｍｍである。

図７に示されるように、（６）式で表される波面収差Ｅ(ｈ)と逆の波面とするものとして作成された補正用ホログラムでは、必要な位相変調量が大きくなり、空間光変調器３０の分解能に対する要求が高い。これに対して、図８に示されるように、（１３）式で表される光路長変化分ＯＰＤに基づいて作成された補正用ホログラムでは、必要な位相変調量が小さくて済むので、より精確な収差補正が可能となる。

上記（１２）式および（１３）式に現れる距離Δは以下のようにして決定される。すなわち、集光レンズの入射部に対応する空間光変調器上の任意の画素における位相変調量と，画素に隣接する画素における位相変調量との位相差が、空間光変調器が表現できる位相範囲以下であるようにする必要がある。具体的には、０＜Δ＜Δｓの範囲で、対物レンズ６０の入射部に対応する空間光変調器３０上の任意の画素における位相変調量と、この画素に隣接する画素における位相変調量との位相差が、２π以下となる対象物の移動量ｄおよび集光点シフト量Δを設定する。この場合、ｄおよびΔの算出基準としては、補正波面のＰＶ（peak to valley）値、ＲＭＳ（Root Mean Square）値等がある。これによって、照射位置が、対象物９内部に発生する収差範囲（対象物の入射面からｎ×ｄより大きく、ｎ×ｄ＋Δｓより小さい範囲）の間に位置するように、対象物９の移動量ｄおよび集光点シフト量Δが設定される。なお、下記（１４）式が満たされることが必要である。なお、対物レンズ６０に入射されるレーザ光の径を制限することにより実効的なレーザの入射サイズを減少させることが可能である。

図９は、本実施形態に係るレーザ光照射方法の手順を示すフローチャートである。先ず、波面補正をしていない状態で集光位置が対象物９の表面に設定され、この位置が原点に設定される。次に、対象物９の内部における集光位置（表面からの距離(ｄ＋Δ)）が設定されて、集光用ホログラムが作成される。さらに、上記（１４）式を満たすｄおよびΔが決定される。このときにｄおよびΔを決定する際の基準として、補正用ホログラムにおける位相変調量分布のＰＶ値または前記画素に隣接する画素における位相変調量との位相差の変化量が用いられる。すなわち、０＜Δ＜Δｓの範囲で隣接する画素間の位相差が空間光変調器の最大位相変調量以下となるｄ及びΔを設定する。

そして、上記（１３）式に基づいて補正用ホログラムが作成され、さらに、上記（８）式または（９）式に従ってホログラムφ_resultが作成され、このホログラムφ_resultが空間光変調器３０に呈示される。対象物９が対物レンズ６０の方向に距離ｄだけ移動され、レーザ光源１０からのレーザ光出力が開始されて、対象物９内部の所定の集光位置にレーザ光が集光照射される。所要の照射時間が終了するとレーザ光源１０からのレーザ光出力が停止される。他の集光位置がある場合には、対象物９の内部における集光位置（表面からの距離(ｄ＋Δ)）の設定から、同様の処理が繰り返し行われる。尚、集光点の移動は対象物と対物レンズの相対位置を変化させれば良いので、対物レンズを移動させても良いし、対象物と対物レンズの双方を移動させても良い。

次に、本実施形態に係るレーザ光照射装置およびレーザ光照射方法による集光状態を確認するために行った実験の結果について説明する。図１０は、この確認実験で用いたレーザ光照射装置１Ａの構成図である。この図１０に示されるレーザ光照射装置１Ａは、図１に示される構成に加えて、対物レンズ７０および撮像部８０を更に備える。対物レンズ７０の光軸は対物レンズ６０の光軸に対して直交している。撮像部８０は、対物レンズ６０による集光の状態を、対物レンズ７０を介して撮像する。ここでは、対象物９としてアクリル板が用いられ、深さが異なる２つの位置にレーザ光が集光された。撮像部８０による撮像結果が図１１〜図１５に示されている。

図１１および図１２は、深さが５０μｍだけ互いに異なる２つの位置にレーザ光が集光されたときの集光の様子を示す図である。図１１は、球面収差補正が行われなかった場合の集光の様子を示す。図１２は、上記（９）式により球面収差補正が行われた場合の集光の様子を示す。両図を比較して判るように、２つの集光位置それぞれにおいて、球面収差補正が行われることにより、光軸方向の集光領域の伸張が低減されている。

図１３〜図１５は、深さが２００μｍだけ互いに異なる２つの位置にレーザ光が集光されたときの集光の様子を示す図である。図１３は、球面収差補正が行われなかった場合の集光の様子を示す。図１４は、上記（９）式により球面収差補正が行われた場合の集光の様子を示す。図１５は、上記（８）式により球面収差補正が行われた場合の集光の様子を示す。これらの図を比較して判るように、２つの集光位置それぞれにおいて、球面収差補正が行われることにより、光軸方向の集光領域の伸張が低減されている。特に、上記（８）式により球面収差補正が行われた場合には、光軸方向の集光領域の伸張が充分に低減されている。

このように、合成焦点距離ｆ_resultが考慮された上で、波面収差補正のための補正用ホログラムφ_{Ａ_SACP}，φ_{Ｂ_SACP}（または、φ_SACP）が用いられることにより、良好な集光点形状が実現されている。このような良好な集光点形状を用いて加工を行うことで、問題となっていた光量や加工形状の問題が解決され、多点加工により加工時間の短縮化が可能となる。

次に、本実施形態に係るレーザ光照射装置およびレーザ光照射方法による集光状態を確認するために行った他の実験の結果について説明する。図１６は、この確認実験で用いたレーザ光照射装置２の構成図である。この図に示されるレーザ光照射装置２は、レーザ光源１０、スペイシャルフィルタ１１０、コリメータレンズ１２０、収差板１３０、レンズ１４１、レンズ１４２、空間光変調器３０、レンズ１５１、レンズ１５２、フーリエ変換レンズ１６０および撮像部１７０を備える。なお、収差板１３０は、光路上に挿入・取外しが自在であり、収差量が既知であり、球面収差や非点収差、コマ収差などの様々な収差が含まれている。

このレーザ光照射装置２では、レーザ光源１０から出力されたレーザ光は、スペイシャルフィルタ１１０を経た後、コリメートレンズ１２０によりコリメートされ、レンズ１４１およびレンズ１４２からなる結像光学系を経て、空間光変調器３０に入力される。空間光変調器３０に入力されたレーザ光は、その空間光変調器３０の複数の画素それぞれにおいて位相変調され、レンズ１５１およびレンズ１５２からなる結像光学系を経て、フーリエ変換レンズ１６０により集光されて、撮像部１７０の撮像面に到達する。撮像部１７０による撮像結果が図１７〜図１９に示されている。

空間光変調器３０に呈示される集光用ホログラムφ_Ａ，φ_Ｂとして、離散的な集光点の集合として “ＨＰＫ” なる文字列を表すホログラムが用意された。集光用ホログラムφ_Ａ，φ_Ｂそれぞれによるレーザ光の集光範囲は互いに異なる。光路上に収差板１３０がない状態とされ、下記（１５）式により、これら集光用ホログラムφ_Ａ，φ_Ｂが位相化法により合成されたホログラムφ_１が作成され、このホログラムφ_１が空間光変調器３０に呈示された。図１７は、このときに撮像部により撮像された集光の様子を示す図である。この図に示されるように、光路上に収差板１３０がない状態では、集光用ホログラムφ_Ａ，φ_Ｂそれぞれによる “ＨＰＫ” なる文字列を表す各集光点が鮮明に得られた。しかし、光路上に収差板１３０が挿入された状態では、集光用ホログラムφ_Ａ，φ_Ｂそれぞれによる “ＨＰＫ” なる文字列を表す各集光点は不鮮明であった。

続いて、下記（１６）式によりホログラムφ_２が作成された。すなわち、集光用ホログラムφ_Ａに対してのみ補正用ホログラムφ_{Ａ_SACP}が重畳された。このホログラムφ_２が空間光変調器３０に呈示された。図１８は、このときに光路上に収差板１３０があるときに撮像部により撮像された集光の様子を示す。この図に示されるように、光路上に収差板１３０がある状態では、集光用ホログラムφ_Ａによる “ＨＰＫ” なる文字列を表す各集光点は鮮明に得られたが、集光用ホログラムφ_Ｂによる “ＨＰＫ” なる文字列を表す各集光点は不鮮明であった。一方、図１９は、このときに光路上に収差板１３０がないときに撮像部により撮像された集光の様子を示す。この図に示されるように、光路上に収差板１３０がない状態では、集光用ホログラムφ_Ｂによる “ＨＰＫ” なる文字列を表す各集光点は鮮明に得られたが、集光用ホログラムφ_Ａによる “ＨＰＫ” なる文字列を表す各集光点は不鮮明であった。

以上の結果からも、本実施形態に係るレーザ光照射装置およびレーザ光照射方法では、収差補正用ホログラムがそれぞれ独立に作用していることがわかる。

本実施形態に係るレーザ光照射装置１の構成図である。 対象物９の内部の２つの集光位置Ａ，Ｂにレーザ光が集光される様子を示す図である。 フレネルレンズパターンにおける位相変調分布を示す図である。 対象物９の内部においてレーザ光が集光される様子を示す図である。 対象物９の内部においてレーザ光が集光される様子を示す図である。 補正用ホログラムの作成方法を説明する図である。 （６）式で表される波面収差Ｅ(ｈ)と逆の波面とするものとして作成された補正用ホログラムにおける位相変調量分布を示す図である。 （１３）式で表される光路長変化分ＯＰＤに基づいて作成された補正用ホログラムにおける位相変調量分布を示す図である。 本実施形態に係るレーザ光照射方法の手順を示すフローチャートである。 レーザ光照射装置１Ａの構成図である。 レーザ光照射装置１Ａを用いた確認実験の結果を示す図である。 レーザ光照射装置１Ａを用いた確認実験の結果を示す図である。 レーザ光照射装置１Ａを用いた確認実験の結果を示す図である。 レーザ光照射装置１Ａを用いた確認実験の結果を示す図である。 レーザ光照射装置１Ａを用いた確認実験の結果を示す図である。 レーザ光照射装置２の構成図である。 レーザ光照射装置２を用いた確認実験の結果を示す図である。 レーザ光照射装置２を用いた確認実験の結果を示す図である。 レーザ光照射装置２を用いた確認実験の結果を示す図である。

符号の説明

１，１Ａ…レーザ光照射装置、９…対象物、１０…レーザ光源、２０…プリズム、３０…空間光変調器、３１…駆動部、３２…制御部、４１，４２…レンズ、５０…ミラー、６０…対物レンズ（集光光学系）、７０…対物レンズ、８０…撮像部。

Claims (4)

1. 対象物の内部の複数の集光位置にレーザ光を集光照射する装置であって、
   レーザ光を出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザ光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて前記レーザ光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器と、
   前記空間光変調器から出力されたレーザ光を前記複数の集光位置に集光する集光光学系と、
   前記複数の集光位置それぞれにレーザ光を集光させるための集光用ホログラムと、前記複数の集光位置それぞれに応じたレーザ光の収差を補正するための補正用ホログラムと、を重畳したホログラムを前記空間光変調器に呈示させる制御部と、
   を備えることを特徴とするレーザ光照射装置。
2. 前記制御部が、前記対象物の外部に集光位置が存在し且つ補正をしなかった場合の集光位置に対し、前記対象物の内部に集光位置が存在し且つ補正をした場合の集光位置の光路長変化分に基づいて、前記補正用ホログラムを設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光照射装置。
3. 対象物の内部の複数の集光位置にレーザ光を集光照射する方法であって、
   レーザ光を出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザ光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて前記レーザ光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器と、
   前記空間光変調器から出力されたレーザ光を前記複数の集光位置に集光する集光光学系と、
   を用いて、
   前記複数の集光位置それぞれにレーザ光を集光させるための集光用ホログラムと、前記複数の集光位置それぞれに応じたレーザ光の収差を補正するための補正用ホログラムと、を重畳したホログラムを前記空間光変調器に呈示させる、
   ことを特徴とするレーザ光照射方法。
4. 前記対象物の外部に集光位置が存在し且つ補正をしなかった場合の集光位置に対し、前記対象物の内部に集光位置が存在し且つ補正をした場合の集光位置の光路長変化分に基づいて、前記補正用ホログラムを設定する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ光照射方法。