JP4647965B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置及びにこれよって作製された構造体 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロニックメカニカルシステム）、回折光学素子、光ディスク原盤等の２次元形状、３次元形状の微細形状の加工品の製作に好適なレーザ加工方法に関し、特にフォトニック結晶、回折光学素子、プリント基板、インクジェットプリンタのノズル等の微細な多数の穴形状を有する構造体の製作に応用することのできるレーザ加工方法及びレーザ加工装置及びこれによって作製された構造体に関する。

レーザ光はエネルギーを微小領域に正確に集中できるので、金属や合成樹脂等の表面パターンニング、穿孔、切断、切削等のように直接的に材料を加工する形態や、リソグラフィや光造形等のように材料を化学変化させる加工形態、材料の改質、変質等の加工を行う加工形態に用いられ、近年では、１μｍ以下の分解能を持つ超微細な２次元構造体、３次元構造体の製作に多用され、屈折型光学素子、回折型光学素子、光ディスク原盤、電気回路、ＭＥＭＳ素子等の多様な製品がこのレーザ加工法を用いて製作されている。なお、この発明の請求の範囲、明細書において、「加工」というときは、上記の各種の加工形態を含むものとする。

その従来のレーザ加工法としては、レーザ光を被加工物に集光させ、集光点と被加工物とを相対的に移動させて被加工物の加工を行う方法が知られている（レーザ加工法１）。

また、レーザ光をマスクに通して被加工物に照射することにより、被加工物の被加工面にマスクの形状を投影し、これにより、被加工物の加工を行う方法も知られている（レーザ加工法２）。

そのレーザ加工法１には、被加工物の被加工面をレーザ光（照射光）の光軸に対して垂直な方向に移動させる加工方法と、ガルバノスキャナー等を用いて被加工物に対してレーザ光の集光点を走査する加工方法とが知られている。特に、ガルバノスキャナーを用いる加工方法によれば、高速かつ高精度の加工が可能である。

そのレーザ加工方法２には、マスクの形状を被加工物の被加工面に縮小投影して高精度の形状を一度に形成する加工方法と、グレースケールマスクを用いることによって立体的な加工を行う加工方法とが知られている。

しかしながら、そのレーザ加工法１では、被加工物の被加工面の広範囲に渡って加工を行う場合、スループットが小さいという問題がある。そのレーザ加工法２では、マスクによってレーザ光が遮蔽されるため、投影する形状如何によってはレーザ光の利用効率が非常に低くくなるという問題がある。また、マスクに照射されるレーザ光の強度むらに起因して被加工物の加工形状にむらが生じるという不都合がある。

そこで、これらのレーザ加工方法上の問題を解決するため、回折光学素子又はホログラフィック素子（ホログラム素子）を用いて特定のホログラム再生像を被加工物に形成し、レーザ加工を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

なお、回折光学素子の変わりに空間位相変調素子を用いることにより、レーザ光の照射パターンを調整して加工を行う方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−６６７６９号公報 特許３４３０５３１号公報

しかしながら、ホログラム再生像によるレーザ加工方法では、光利用効率が高くて被加工物の被加工面を一度に加工することができるが、より広範囲に渡って被加工物を加工するには、ホログラム再生像を得るためのホログラム素子と機械的な移動手段とを組み合わせて複数回加工を行う必要がある。

その機械的な移動手段としては、被加工物を載置するステージを駆動する手段や結像光学系の位置を移動させる手段やレーザ光をガルバノスキャナー等の可動デバイスによって偏向させる手段が提案されているが、これらの機械的な移動手段には高精度の駆動装置を必要とするため、レーザ加工装置全体が高価になる、機械的に移動させるので加減速時に生じる振動により位置制御の精度が低下するという問題が生じる。

また、ホログラム再生像による加工方法では、ホログラム像の再生面（被加工物の被加工面）にスペックルノイズがあらわれるため、被加工物の加工形状が劣化するという問題がある。

このスペックルノイズを低減させるため、特許第３４３０５３１号公報に開示の技術では、レーザ入射光のビーム径を最適に調整する方法が提案されている。また、特許第３４７５９４７号公報に開示の技術では複数個のホログラム画像を準備し、被加工物にこれらのホログラム像を略同位置に投射して重ね合わせ、スペックルノイズを積分化することにより、このスペックルノイズを減少させる方法が提案されている。

また、特開２００１−７１１６８号公報に開示のものでは、ホログラム素子を光軸方向又は光軸に垂直方向に微小距離可動させることにより干渉効果を減少させてスペックルノイズを低減する方法も提案されている。

しかしながら、これらの公報に開示の技術では、スペックルノイズの低減化に限界がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その主たる目的は、可動部がなくとも被加工物の被加工面の広範囲に渡って加工を行うことができるレーザ加工方法及びこのレーザ加工装置を提供することにある。

本発明の従たる目的は、スペックルノイズの低減化を図るのに好適なレーザ加工方法を提供することにある。

その他の目的は、明細書の記載から明らかとなるであろう。

本発明の原理は、レーザ加工を行うために、レーザ光の位相変調を行う空間位相変調素子を使用し、空間位相変調素子に入力すべきデータとして、被加工物に所定の加工形状を施すための像再生ホログラムデータと被加工物の所定位置にホログラム再生像を再生させるための位置移動ホログラムデータとを合成した合成データを用い、像再生ホログラムデータにより加工物の加工形状を得るためのレーザ光の強度分布を制御すると同時に位置移動ホログラムデータによりレーザ光の照射位置を制御することにしたものである。

ここで、「合成」とは像再生ホログラムデータの位相変調量と位置移動ホログラムデータの位相変調量とを画素毎に加算し、空間位相変調素子が位相変調可能な量を超えていた場合に、加算により得られた位相変調量から空間位相変調素子による位相変調可能な量を差し引く操作をいう。ここでは、空間位相変調素子の位相変調可能な量が２πであるので、合成データは像再生ホログラムデータの位相変調量と位置移動ホログラムデータの位相変調量とを加算して得られた位相変調量から２πを差し引いた値として得られる。

合成データを変化させながら複数回のレーザ加工を行うことにより、機械的な可動機構を用いることなく、被加工物に特定の加工形状を広範囲に渡って形成できる。

その合成データを変化させるとき、位置移動ホログラムデータのみを変化させも良いし、像再生ホログラムデータのみを変化させても良いし、位置移動ホログラムデータと像再生ホログラムデータとを共に変化させても良い。

特に、被加工物に周期的な構造を加工形成する場合、位置移動ホログラムデータのみを変化させつつ、複数回のレーザ加工を行うことにより周期構造物を加工形成でき、従って、像再生ホログラムデータを毎回計算して作成する必要がないので、周期構造の加工形成の迅速化を図ることができる。

更に、像再生ホログラムデータとして、複数個の離散的な点像を再生することのできる像再生ホログラムデータを用いることにすれば、レーザ光の干渉によるスペックルノイズのほとんどないホログラム再生像を得ることが可能であり、このような像再生ホログラムデータと位置移動ホログラムデータとを合成して得られた合成データを用いて、複数回のレーザ加工を行うことにより、複雑なかつ高精度の加工形状を得ることができる。

本発明は上記の原理を用いたもので、請求項１に記載のレーザ加工方法は、レーザ光源から出射されたレーザ光を空間位相変調素子により位相変調して結像光学系に導き、該結像光学系によりレーザ光を被加工物に照射して、該被加工物を加工する方法において、前記空間位相変調素子に入力される入力データとして前記被加工物の加工形状を再生する像再生ホログラムデータと所定加工位置に像再生を行う位置移動ホログラムデータとからなる合成データを用い、該合成データを順次変化させながら前記被加工物にレーザ加工を行うことを特徴とする。

請求項２に記載のレーザ加工方法は、請求項１に記載の方法において、前記像再生ホログラムデータが離散的な複数の点像を再生するのに用いられることを特徴とする。

請求項３に記載のレーザ加工方法は、請求項２に記載の方法において、離散的な複数個の点像を再生する像再生ホログラムデータを複数個準備し、前記複数個の点像を再生する像再生ホログラムデータと前記位置移動ホログラムデータとの両方を共に変化させながらレーザ加工を行うことを特徴とする。

請求項４に記載のレーザ加工方法は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法において、被加工面に対して水平な方向に関するホログラムデータが鋸歯形状又は略鋸歯形状の位相分布を有するデータであることを特徴とする。

請求項５に記載のレーザ加工方法は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法において、前記被加工面に対して垂直な方向に関するホログラムデータが、フレネルゾーンプレート状又は略フレネルゾーンプレート状の位相分布を有するデータであることを特徴とする。

請求項６に記載のレーザ加工方法は、請求項５に記載の方法において、前記空間位相変調器から前記結像光学系の主平面までの距離が、前記結像光学系の焦点距離に等しいことを特徴とする。

請求項７に記載のレーザ加工方法は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法において、前記位置移動ホログラムデータは、被加工面に対して水平な方向に関するホログラムデータと被加工面に対して垂直な方向に関するホログラムデータとを合成した合成位置移動ホログラムデータであることを特徴とする。

請求項８に記載のレーザ加工方法は、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の方法において、前記空間位相変調手段へ入力されるレーザ光の波面を計測する波面計測手段と、前記空間位相変調素子に前記合成データを入力する入力手段と、前記波面計測手段により計測された波面の歪みを補正する計算機手段とを備え、該計算機手段は補正データを生成し、前記空間位相変調手段には補正された合成データが入力されることを特徴とする。

請求項９に記載のレーザ加工方法は、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の方法において、前記レーザ光の照射時間又は照射強度を調整しながらレーザ加工を行うことを特徴とする。

請求項１０に記載のレーザ加工方法は、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の方法において、前記被加工物の一部がレーザ光に対して透明であることを特徴とする。

請求項１１に記載のレーザ加工方法は、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の方法において、前記レーザ光源が数ピコ秒以下のパルス幅を有する超短パルスレーザ光源であることを特徴とする。

請求項１２に記載のレーザ加工装置は、レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光を位相変調する空間位相変調素子と、該空間位相変調素子により位相変調されたレーザ光を被加工物に照射する結像光学系と、前記空間位相変調素子を像再生ホログラムデータと所定加工位置に像再生を行うための位置移動ホログラムデータとからなり像再生ホログラムデータの位相変調量と位置移動ホログラムデータの位相変調量とを画素毎に加算し、空間位相変調素子が位相変調可能な量を超えていた場合に、加算により得られた位相変調量から空間位相変調素子による位相変調可能な量を差し引いた合成データにより制御する入力手段と、前記像再生ホログラムデータと位置移動ホログラムデータとを計算して前記入力手段に向けて出力する計算機とを少なくとも有することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、被加工物の広範囲に渡ってレーザ加工を行う場合でも、光利用効率が高くてしかも自由度の大きな加工方法を提供できる。特に、被加工物の物質を直接除去する直接除去加工方法でその加工に大きなエネルギーが必要で１回で除去できる加工量に限界があって、加工を複数回に分けて行わなければならない場合に、位置移動ホログラムデータを加工位置移動手段として用いるのに好適である。

請求項２に記載の発明によれば、ホログラム再生像を離散的な点像としたので、スペックルノイズの減少を図ることができる。

特に、完成された加工形状に線や面が多い場合でも、所望の加工形状を複数個の点に分けて、合成データを変えながら加工を行うことにより、スペックルノイズの影響を低減させて加工を行うことが可能である。更には、周期的な構造を有する加工形状を形成したい場合には、少なくとも一つの像再生ホログラムデータと位置移動ホログラムデータとを組み合わせることにより周期的な構造を有する加工形状を形成できる。これによって、ホログラム像の計算に要する時間を短縮でき、迅速に周期的な構造を有する加工形状の形成が可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、ホログラム像を加工の都度計算することなく、加工の際の自由度を高めることができる。

請求項４に記載の発明によれば、像再生ホログラムデータ及び鋸歯状データを変えながら、複数回の加工を行うことにしたので、複雑な加工形状を複数回の単純形状に分けて加工を行うことが可能である。複雑形状のホログラム再生像を計算することにすると、計算による誤差が大きくなるが、単純な複数個の画像に分けて計算を行うことにしたので、ホログラムによる像再生の誤差を減少させることができ、より一層高精度の加工が可能になる。

請求項５に記載の発明によれば、光軸方向へのホログラム再生像の再生位置を移動させることができる。

請求項６に記載の発明によれば、空間位相変調器と結像光学系との距離を結像光学系の焦点距離に合わせることにより、合成焦点距離をフレネルゾーンプレートの焦点距離に合わせることができ、ホログラム再生像の大きさをフレネルゾーンプレートの焦点距離にかかわらず一定とすることができる。

請求項７に記載の発明によれば、被加工面に対して水平な方向に関するホログラムデータと被加工面に対して垂直な方向に関するホログラムデータとを計算しかつ合成して位置移動ホログラムデータを作成したので、計算の簡略化を図ることができる。これにより、位置移動ホログラムデータの計算にかかる時間を減少させることができ、高速で加工を行うことができる。

請求項８に記載の発明によれば、空間位相変調器に入射するレーザ光の波面を計測する波面計測手段を設けて、レーザ光の波面を測定することにしたので、空間位相変調器に入力される合成データに対するフィードバックが可能となる。その結果、より一層高精度のホログラム再生像が得られ、より高精度な加工形状を得ることができる。

加工深さや加工形状はレーザ光の強度、照射時間、パルス数に依存し、所望の加工形状を高精度で得る場合には、最適なレーザ光の強度及び照射時間を設定することが必要であるが、請求項９に記載の発明によれば、より精度の高い加工を行うことができる。この場合、レーザ光強度や照射時間に対する加工形状のデータを備えておくのが望ましい。また、複数回の加工を行う場合、連続的にレーザ光を照射するときにはレーザ照射時間、パルレーザのときには照射回数を変えることにより三次元形状の加工が可能となる。

請求項１０に記載の発明によれば、加工に使用するレーザ光に対して透明な物体の内部に三次元的な形状変化を有する構造、三次元的な物性変化を有する構造の加工物を形成することが可能となる。更に、レーザ光の照射形状を自由に制御できるので、透明体に自由構造を作製することも可能であり、例えば、フォトニック結晶、光導波路、回折光学素子等の光学素子マイクロリアクター（化学反応器）の製作が可能となる。

請求項１１に記載の発明によれば、パルス幅が数ｐｓ以下の超短パルスレーザ光を用いて加工することができるので、被加工物とレーザ光との相互作用時間が非常に短くなり、熱の伝播の影響を小さく抑えることができる。

また、超短パルスレーザ光では、非常に強いエネルギーが瞬間的に発生するので、ダイヤモンドやガラスや酸化物等の難加工物に対しても直接除去加工が可能であるという長所がある。

また、超短パルスレーザ光では、非常に強いピークパワーを有するので、２光子吸収過程を利用して加工を行うことができ、また、レーザ光に対して透明な物体の内部に加工を行うことが可能となり、このレーザ加工方法によれば、３次元的に位置合わせが可能となるため、透明体の内部の任意の位置に高い位置合わせの精度で加工を行うことができる。

請求項１２に記載の発明によれば、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のレーザ加工を実施できる。

以下に、本発明に係わるレーザ加工方法の発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

（請求項１に係わるレーザ加工方法の実施例）
図１ないし図４は、請求項１に係わるレーザ加工方法の実施例である。図１は請求項１に記載のレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置の概略構成を示している。

その図１において、符号１はレーザ加工装置を示し、レーザ加工装置１はレーザ光源２、空間位相変調器３、結像レンズ（結像光学系）４、コントローラ（入力手段）５、計算機６を有し、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｐは空間位相変調器３によって位相変調を受け、その位相変調を受けたレーザ光Ｐ’は結像レンズ４により集光されて、被加工物７に照射される。その空間位相変調器３はコントローラ５によって制御され、コントローラ５への入力データＳ１は計算機６によって計算される。

レーザ光源２には、ここでは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザが用いられ、レーザ光ＰにはそのＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波である波長５３２ｎｍ（ナノメートル）の光が用いられる。結像レンズ４には、ここでは、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ（ミリメートル）のレンズが用いられ、結像レンズ４と空間位相変調器３との距離ｄはここでは１０ｍｍとされている。

空間位相変調器３には、液晶の配向方向によって位相差が生じるタイプのもの、電気光学効果を用いるタイプのもの、磁気光学効果を用いるタイプのものがあるが、電気光学効果を用いるタイプ、磁気光学効果を用いるタイプの空間位相変調器３は応答速度が速いので望ましい。その空間位相変調器３は反射型タイプのものと透過型タイプのものとに分類され、この実施例では、透過型タイプの空間位相変調器３が示されているが、反射型タイプの空間位相変調器を用いることもできる。

この実施例では、具体的には、空間位相変調器３として、画素数Ｎ（Ｎ＝５１２ピクセル×５１２ピクセル）個、画素ピッチが３０μｍ（ミクロンメートル）、レーザ光Ｐの波長に対して「２π」の位相変調を２５６階調で行うことのできる電気光学タイプのものが用いられている。

被加工物７のレーザ加工は、以下に説明する合成データを空間位相変調器３に入力し、かつこの合成データを変えながら複数回行うものである。

図２（ａ）は被加工物７を一回目の加工で加工するに際しての一例を示す加工形状像（ホログラム再生像に相当）Ｇ１であり、図２（ｂ）は加工形状像Ｇ１が再生されるように計算された位相変調型の計算機合成ホログラム画像（像再生ホログラムデータ）Ｇ２である。この計算機合成ホログラム画像Ｇ２は２５６階調であり、画素数Ｎ（Ｎ＝５１２ピクセル×５１２ピクセル）個で、最大「２π」の位相変調を与えることができる。ここでは、その加工形状像Ｇ１は格子形状の離散点像とされている。

そのホログラム像の計算方法には、反復フーリエ変換法、シミュレーテッドアニーリング法等を用いることができ、これらの計算方法に関しては、以下の論文に詳述されているので、必要ならば、以下に記載の論文を参照されたい。
「１．N.Yoshikawa and T.Yatagai, Appl. Opt. 33,863-867(1994)
２．J. Fienup, Opt. Eng. 19, 297-305(1980)」
反復フーリエ変換法は、大きな画素数のホログラム再生像もシミュレーテッドアニーリング法よりも短い時間で計算できるので、この反復フーリエ変換法を用いるのが望ましい。

図２（ｃ）は位置移動ホログラムデータＧ３を示し、この位置移動ホログラムデータＧ３は空間周波数が後述する位置移動ホログラムデータよりも低い場合が示されている。すなわち、位置移動ホログラムデータＧ３は位置間隔が大きい場合に対応する位置移動ホログラム像である。その計算機合成ホログラム画像Ｇ２と位置移動ホログラムデータＧ３に付加して得られた合成データが図２（ｄ）に示す合成データＧ４である。ここで、「付加」とは、画素毎に計算機合成ホログラム画像Ｇ２に位置移動ホログラムデータＧ３を加算し、各画素毎に計算上の位相変調量が実際に位相変調可能な量（２π）を超えていたとき、計算により得られた位相変調量から「２π」の値を差し引き、実際の入力データとする操作を行うことをいう。

その位置移動ホログラムデータＧ３は、ホログラム像の再生位置を移動させるのに用いられ、この位置移動ホログラムデータＧ３も反復フーリエ変換法、シミュレーテッドアニーリング法等を用いて計算できる。その合成データＧ４を空間位相変調器３に入力し、これにより被加工物７に対する第１回目のレーザ加工が行われる。

図３（ａ）は被加工物７を二回目の加工で加工するに際しての一例を示す加工形状像Ｇ５であり、図２（ｂ）は加工形状像Ｇ５が再生されるように計算された位相変調型の計算機合成ホログラム画像Ｇ６であり、ここでは、加工形状像Ｇ５と加工形状像Ｇ１とは同一のホログラム再生像とし、従って、計算機合成ホログラム画像Ｇ６も計算機合成ホログラム画像Ｇ２と同一の像再生ホログラムデータとなる。図３（ｃ）は位置移動ホログラムデータＧ７を示し、この位置移動ホログラムデータＧ７は空間周波数が位置移動ホログラムデータＧ３よりも高い場合が示されている。すなわち、位置移動ホログラムデータＧ７は位置間隔が小さい場合に対応する位置移動ホログラム像である。その計算機合成ホログラム画像Ｇ６と位置移動ホログラムデータＧ７に付加して得られた合成データが図３（ｄ）に示す合成データＧ８である。その合成データＧ８を空間位相変調器３に入力し、これにより被加工物７に対する第２回目のレーザ加工が行われる。

図４はその被加工物７の被加工面７ａにレーザ加工を行った一例を示す図であり、図４（ａ）は第１回目のレーザ加工によって被加工面７ａに形成された加工形状としての離散点の集合Ｇ９を示し、図４（ｂ）は第２回目のレーザ加工によって被加工面７ａに形成された加工形状としての離散点の集合Ｇ１０と第１回目のレーザ加工によって被加工面７ａに形成された加工形状としての離散点の集合Ｇ９とを示している。離散点の集合Ｇ１０は離散点の集合Ｇ９に対して位置が水平な方向に平行移動されており、その図４（ｂ）では離散点の集合Ｇ９の一部と離散点の集合Ｇ１０の一部とが重なり合った状態が示されている。

このように、合成データを変化させながら被加工物７のレーザ加工を行う作業を繰り返すことにより、機械的な可動部を持たなくとも広範囲に渡ってレーザ加工を行うことができる。

この請求項１に係わるレーザ加工方法の実施例では、位置移動ホログラムデータを変化させることにより、ホログラム再生像の再生位置を移動させてレーザ加工を行うことにしたが、計算機合成ホログラム画像Ｇ２、Ｇ６を変化させる方法、計算機合成ホログラム画像Ｇ２、Ｇ６と位置移動ホログラムデータＧ３、Ｇ７との双方を変化させる方法を用いて、レーザ加工を行っても良い。
（請求項２に係わるレーザ加工方法の実施例）
図５は請求項２に係わるレーザ加工方法の実施例を示している。請求項１に係わるレーザ加工方法では、空間位相変調素子３によって再生されるホログラム再生像が離散的な点の集合で、かつ、１度の加工で多数の離散的な点を被加工物７の被加工面に形成することができた。

この請求項２に係わるレーザ加工方法の実施例では、付加する位置移動データを変化させながら、複数回の加工を行って離散的な点の集合を被加工面７ａに形成するレーザ加工方法について説明する。

まず、図５に示すように最終的に得たい被加工物７の被加工面７ａの加工形状をＧ１１とする。この加工形状Ｇ１１はここでは被加工面（表面）７ａが全面的に加工されている状態を意味する。

この図５に示す加工形状Ｇ１１を得るために、図６（ａ）に示す加工形状Ｇ１２に対応するホログラム再生像（３×３の離散的な点からなるマトリックス像）を被加工物７の被加工面７ａに形成し、ついで、図６（ａ）に示す加工形状Ｇ１２に対応するホログラム再生像（３×３の離散的な点からなるマトリックス像）の位置を位置移動ホログラムデータ用いて変化させて、図６（ｂ）に示す加工形状Ｇ１３を被加工面７ａに形成し、同様にしてホログラム再生像（３×３の離散的な点からなるマトリックス像）の位置を位置移動ホログラムデータ用いて変化させて、図６（ｃ）に示す加工形状Ｇ１４を形成し、続けてホログラム再生像（３×３の離散的な点からなるマトリックス像）の位置を位置移動ホログラムデータ用いて変化させて、図６（ｄ）に示す加工形状Ｇ１５を形成するというように、これを多数回繰り返すことによって、最終的に、図６（ｅ）に示す加工形状Ｇ１６、すなわち、図５に示す加工形状Ｇ１１を形成する。

この実施例では、位置移動ホログラムデータのみを変えながらレーザ加工を行う実施例を示したが、位置移動ホログラムデータと計算機ホログラム画像（像再生ホログラムデータ）との双方を変化させながらレーザ加工を行っても良く、また、計算機ホログラム画像のみを変化させながら、レーザ加工を行っても良い。

ここで、離散的な点像の間隔は、干渉がレーザ加工に影響を及ぼさない程度に開いている必要があるが、効率よく加工を行うには、計算機により得られた複数個の計算機ホログラム画像（像再生ホログラムデータ）はその枚数が少ないほど、また、離散的な点像の間隔はなるべく近いのが望ましい。

結像レンズ４のフーリエ変換作用を用いたホログラム再生像では、被加工物７の被加工面７ａにおける点像の振幅分布の関数は、sinc（λ／ＮＡ）で表されることが下記文献に述べられている。
「応用物理 第６９巻１号，５７−６０（２０００）」
なお、符号λはレーザ光の波長、ＮＡは結像レンズ（結像光学系）４の開口数を示している。

このsinc（λ／ＮＡ）とレーザ光Ｐのスペックルノイズとの関係について、以下説明する。

図７に示すように、ホログラム面Ｈ１が計算機６によって合成された多数のセルＨｃから構成されているものとする。この場合には、ホログラム面Ｈ１に対応する像面、すなわち、被加工面７ａには図７に示すように、ホログラム再生像がレーザ光のスポットＳを複数個重ね合わせた状態として現れる。

１個のスポットＳの振幅強度分布Ｑは、sinc（λ／ＮＡ）という関数を用いて現される。従って、各スポット同士でレーザ光の重なり部分が生じ、干渉現象が生じる。ここで、sinc（λ／ＮＡ）は無限遠まで広がっており、数学的には、点の間隔を無限に離してもごくわずかながら干渉が生じる。

しかし、sinc関数は中心からλ／ＮＡだけ離れた点でいったん強度が「０」になるので、点像の間隔については、二つの点像がλ／ＮＡ以上離れていれば、強い干渉は生じず、従って、点像の間隔については、二つの点像がλ／ＮＡの距離が「λ／ＮＡ」程度であれば十分である。
（請求項３に係わる発明の実施の形態）
図８は複数個の計算機ホログラム画像（像再生ホログラムデータ）を準備してレーザ加工を行う場合の説明図であり、図８（ａ）に示すように被加工面７ａを複数個のセルＨｃ’に分割し、１つのセルＨｃ’に対して１個の点Ｇｘを対応させ、各セルＨｃ’に対して点Ｇｘを形成するか否かを自由に選択できるようにしたものである。

被加工面７ａのセルＨｃ’の個数がＮ個のとき、点Ｇｘを形成するかしないかを決定するためには、２のＮ乗個の計算機ホログラム像（像再生ホログラムデータ）が必要であるが、対称性を考慮すると、その個数は大幅に減少させることができる。

この計算機ホログラム像（像再生ホログラムデータ）に位置移動ホログラムデータを付加して位置移動ホログラムデータを変化させながら、図８（ｂ）〜図８（ｅ）に示す離散的の点像を被加工面７ａに加工形成することにより、図９に示す複雑形状の加工形状Ｇ１７を得ることができる。
（請求項４に係わる発明の実施の形態）
図１０〜図１４は請求項４に係わる発明の実施の形態の説明図である。被加工面７ａに対して水平な方向に関する位置移動ホログラムデータとして、鋸歯形状のデータを用い、この鋸歯形状データに計算機ホログラム画像（像再生ホログラムデータ）を付加したものである。

図１０（ａ）は鋸歯形状ｍ１を示し、この鋸歯形状ｍ１はその傾きが非対称な形状となっている。鋸歯形状ｍ１を空間位相変調器３に入力することにより、Ｘ軸、Ｙ軸方向に角度θｘ、θｙだけ、レーザ光Ｐの進行方向を傾けることができ、レーザ光Ｐの傾きに応じて、ホログラム再生像の再生位置が被加工面７ａにおいて平行にずれる。その角度θｘ、θｙは数ミリラジアン程度であり、近軸光学系の公式を適用して計算できる。

この図１０（ａ）に示す鋸歯形状データを空間位相変調器３に入力すると、図１１に示すように、レーザ光Ｐが空間位相変調器３によって光軸Ｏ１に対して垂直な面内でＸ方向に光軸からΔｘだけ平行移動された位置に変位される。この図１１には、Ｙ方向に光軸Ｏ１からΔＹだけ平行移動された状態は示されていないが、これについては、図面の簡略化のため、図を省略したものである。

その被加工物７の被加工面７ａにおけるホログラム再生像の再生位置のずれ量は、下記の式
ΔＸ＝tanθx・（２−ｆ／ｄ）
ΔＹ＝tanθy・（２−ｆ／ｄ）
によって表される。

これにより、ΔＸ、ΔＹを用いて空間位相変調器３の任意の点の座標Ｘ、Ｙの位相変調量Φ（ｘ,ｙ）は、以下の[数１]式によって表される。

この数１式において、符号ａ_x、符号ａ_yはそれぞれ空間位相変調器３のＸ方向の画素ピッチ、Ｙ方向の画素ピッチであり、符号ｍは整数であり、Φ（ｘ,ｙ）が０から２πまでの値となるように調整するための係数である。

鋸歯形状ｍ１により与えられる最小の波面の傾きは、およそλ×（８／Ｍ）／Ｎ・ａで表される。ここで、符号λは波長、符号Ｍは位相変調の階調数、符号Ｎは空間位相変調器３のピクセルの個数（画素の個数）、符号ａは画素のピッチである。

ここで、最小の波面の傾きとして、全ピクセルに渡って８階調分の変調があるとした。８階調の変調があれば、理論的に回折効率として９５％の効率が得られるので、十分であると考えられる。

ここでは、波面の最小の傾きは約１．９μラジアンであり、この値がおおよその最小分解能であると考えられる。ガルバノスキャナーの典型的な位置決め精度は５μラジアンから１０μラジアンであり、この請求項４に係わる発明の実施例によれば、ガルバノスキャナーのような可動部品を用いることなく、それ以上の分解能で位置決めが可能である。

このとき、被加工物７に照射するレーザ光Ｐの位置決め精度は約２０ｎｍ（ナノメートル）である。この位置決め精度の値は、空間位相変調器３に依存し、画素数のより多いものや変調可能な階調数がより多いものを用いることにより、より一層高い位置決め精度を得ることができる。

なお、鋸歯形状ｍ１は、厳密な意味で鋸歯である必要はなく、鋸歯形状ｍ１に似ているものであれば良い。例えば、図１０（ｂ）に示す量子化ｍ２のデータでも良く、また、図１０（ｃ）に示すように、鋸歯ではなく単に傾きを有する直線形状ｍ３のデータでも良い。更に、傾きが直線ではなくて多少カーブしているものも用いることができる。
（請求項５、６に係わる発明の実施例）
この発明の実施例では被加工面７ａに対してホログラム再生像を垂直方向に移動させるために、図１２に示すように、像再生ホログラムデータとしてフレネルゾーンプレート状又は略フレネルゾーンプレート形状ｍ４の位相分布を有するデータを用いている。この実施例では、空間位相変調器３と結像レンズ４との距離ｄ（図１１参照）は、結像レンズ４の焦点距離ｆに等しくされている。

この実施例によれば、ホログラム再生像の大きさをフレネルゾーンプレートの焦点距離によらず、一定とすることができる。

すなわち、焦点距離ｆを有する合焦レンズ４と焦点距離ｆ１を有するフレネルゾーンプレートとからなる合成レンズの焦点距離ｆ’は、薄型レンズの公式により、
１／ｆ’＝（１／ｆ）＋（１／ｆ１）−（ｄ／ｆ・ｆ１）
で表される。

従って、ｄ＝ｆ１のとき、焦点距離ｆ’はフレネルゾーンプレートの焦点距離ｆ１となり、ホログラム再生像の大きさがフレネルゾーンプレートの焦点距離ｆ１にかかわらず一定となる。

また、ここでは、結像光学系として１枚の結像レンズ４が示されているが、結像光学系を複数枚のレンズを組み合わせて構成しても良く、この場合には、結像光学系の合成焦点距離ｆが空間位相変調器３から結像光学系までの合成レンズの主平面までの距離に等しくなるように、空間位相変調器３、結像光学系を配置する。この場合、焦点位置のずれ量ΔＺは、式
ΔＺ＝ｆ²／Ｒ
によって表される。

ここで、符号ｆは結像光学系の焦点距離、符号Ｒはフレネルゾーンプレート状データがレーザ光Ｐの平面波の波面につける曲率である。すなわち、平面波を球面波に変換するための曲率である。

これに対して、空間位相変調器３の任意の座標ｘ、ｙの位相変調量Φ（ｘ、ｙ）は下記の[数２]式によって与えられる。

なお、請求項４に係わる実施例と請求項５、６に係わる実施例とを組み合わせて、被加工面７ａに対して水平な方向に関するホログラムデータと被加工面７ａに対して垂直な方向に関するホログラムデータとを計算しかつ合成して位置移動ホログラムデータを作成しても良い。
（請求項８に係わる発明の実施例）
図１３は請求項８に係わる発明の実施例を説明するための説明図である。図１に示す光学部品と同一の光学部品には同一符号を付してその詳細な説明は省略することにし、異なる部分についてのみ説明する。

この図１３に示すレーザ加工装置１では、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｐの一部はビームサンプラー８によって分岐され、波面測定装置（波面計測手段）９に導かれる。波面測定装置９には、マイクロレンズタイプのもの、シャックハルトマンタイプのもの、ビームを干渉させるタイプのものが用いられる。

その波面測定装置９からの出力信号Ｓ２は計算機６に入力される。計算機６はその波面測定装置９から出力される出力信号に基づいて波面補正データを作成し、この波面補正データはコントローラ５に入力され、コントローラ５はその波面補正データにより変換された合成データを空間位相変調素子３に向けて出力する。

この実施例によれば、より一層高精度のホログラム再生像が得られるので、より一層高精度の加工形状を得ることができる。
（請求項９に係わる発明の実施例）
この実施例では、図１４に示すように、レーザ光Ｐの強度を調整しながら、あるいは、レーザ光Ｐの照射時間を調整ながら、又はレーザ光Ｐの強度及び照射時間を調整しながら、被加工物７の加工を行う。

その図１４において、図１に示す光学部品と同一の光学部品には同一符号を付してその詳細な説明は省略することにし、異なる部分についてのみ説明する。

レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｐは１／２波長板１０、グラントムソンプリズム１１、シャッタ−１２を介して空間位相変調器３に導かれるようになっている。１／２波長板１０とグラントムソンプリズム１１とはレーザ光Ｐの強度を調整するのに用いられ、シャッター１２はレーザ光Ｐの照射時間を調整するのに用いられる。

レーザ光源２から出力されるレーザ光Ｐは通常直線偏光であり、このレーザ光Ｐを１／２波長板１０によりその偏光方向を変化させ、グラントムソンプリズム１１を通過させることによりレーザ光Ｐの強度が調整される。

そのレーザ光Ｐの直線偏光度が小さい場合には、グラントムソンプリズム１１を２個設け、一方のグラントムソンプリズム１１を光軸を中心にして回転させることにより、レーザ光Ｐの強度を調整することができる。

レーザ光Ｐの照射時間あるいは照射パルス数は、シャッター１２を開閉制御により調整される。そのシャッター１２はメカニカルシャッター、音響光学素子、電気光学素子等の電子シャッターを用いても良い。

この実施例によれば、レーザ光の強度、照射時間、照射パルス数を調整できるので、より精度の高い３次元形状の加工を行うことができる。
（請求項１０〜請求項１３に係わる発明の実施例）
図１５は請求項１０ないし請求項１３に係わる発明のレーザ加工装置１の実施例を説明するための説明図であって、レーザ光源２にはパルス幅１００ｆｓ（フェムト秒）のパルスレーザ光Ｐを発生するTi:Sapphireレーザが用いられる。

なお、レーザ光源２には数ピコ秒以下のパルス幅を有する超短波パルスレーザ光源を用いても良い。

このレーザ加工装置１はレーザ光Ｐの強度を調整する強度調整機構１３とレーザ光Ｐの照射パルス数を調整するシャッタ機構１４とを備えている。

空間位相変調器３は図１に示すレーザ加工装置１と同様にコントローラ５によって制御され、そのコントローラ５には計算機６からの制御情報が出力される。また、強度調整機構１３、シャッタ調整機構１４、後述するステージは計算機６によって制御される。
その計算機６は、ホログラム計算手段、鋸歯形状計算手段、フレネルゾーン形状計算手段を備えている。レーザ光Ｐはその強度調整機構１３、シャッタ機構１４を通過した後、空間位相変調器３により位相変調されて、ダイクロイックミラー１５に導かれ、このダイクロイックミラー１５により結像レンズ（結像光学系）４に向けて偏向され、結像レンズ４により被加工物７の被加工面７ａに照射される。

その被加工物７はステージ１６に載置されて、その結像レンズ４に対する位置が適宜調整され、その被加工物７の被加工面７ａは顕微鏡１７により観測される。その顕微鏡１７は対物レンズ（図示を略す）を有するレンズ鏡筒１８とＣＣＤカメラ１９とから大略構成され、顕微鏡１７により被加工物７の被加工面７ａの加工形状が観測される。

このものによれば、ガラス、ポリマー、透明酸化物等のレーザ光に対して透明な物質の内部にホログラム再生像を再生し、変質、空孔生成等のレーザ加工を行うことができる。光硬化性の材料を用いてホログラム再生像の再生部のみを硬化させることもできる。また、高精度の微細な加工部を有する構造体を作製できる。

本発明の請求項１に係わるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の一例を示す概要図である。 本発明の請求項１に係わるレーザ加工方法の第１回目の加工に使用するホログラムデータの説明図であって、（ａ）はホログラム再生像、（ｂ）はこのホログラム再生像を得るための像再生ホログラムデータに相当するホログラム像、（ｃ）は位置移動ホログラムデータに相当するホログラム像、（ｄ）は（ｂ）に示すホログラム像と（ｃ）に示すホログラム像との合成ホログラム画像（合成データに相当するホログラム画像）をそれぞれ示している。 本発明の請求項１に係わるレーザ加工方法の第２回目の加工に使用するホログラムデータの説明図であって、（ａ）はホログラム再生像、（ｂ）はこのホログラム再生像を得るための像再生ホログラムデータに相当するホログラム像、（ｃ）は位置移動ホログラムデータに相当するホログラム像、（ｄ）は（ｂ）に示すホログラム像と（ｃ）に示すホログラム像との合成ホログラム画像（合成データに相当するホログラム画像）をそれぞれ示している。 本発明の請求項１に係わるレーザ加工方法の説明図であって、（ａ）は被加工物の被加工面に形成された加工形状、（ｂ）は被加工物の被加工面に形成された加工形状をそれぞれ示している。 本発明の請求項２に係わるレーザ加工方法の実施例により被加工面に形成された加工形状を示す説明図である。 図５に示す加工形状を形成するための手順を説明するための説明図であって、（ａ）は第１回目の加工により被加工面に３×３のマトリックス状の点が形成された状態を示し、（ｂ）は第２回目の加工により位置を右にずらして被加工面に３×６のマトリックス状の点が形成された状態を示し、（ｃ）は第３回目の加工により位置を上にずらして３×６のマトリックス状の点が形成された被加工面に更に３×３のマトリックス状の点が形成された状態を示し、（ｄ）は第４回目の加工により被加工面に６×６のマトリックス状の点が形成された状態を示し、（ｅ）はｎ回目の加工により最終的に被加工面の全域が加工された状態が示されている。 本発明の請求項２に係わるレーザ加工方法によってスペックルノイズが何故低減されるのか、その原理を説明するための説明図である。 本発明の請求項３に係わる実施例の説明図であって、（ａ）は被加工物を複数個のセルに分割した状態を示し、（ｂ）は第１回目の加工によってその各セルに形成されるべき加工点を示し、（ｃ）は第２回目の加工によってその各セルに形成されるべき加工点を示し、（ｄ）は第３回目の加工によってその各セルに形成されるべき加工点を示し、（ｅ）は第４回目の加工によってその各セルに形成されるべき加工点を示している。 請求項３に係わるレーザ加工方法によって被加工面に形成された加工形状の一例を示す説明図である。 請求項４に係わるレーザ加工方法に用いる位置移動ホログラムデータの一例を示す図であり、（ａ）は鋸歯形状、（ｂ）は略鋸歯形状としての階段型（量子化型）形状、（ｃ）は鋸歯形状の一部を構成する傾斜形状を示している。 請求項４に係わるレーザ加工方法を用いて変位されたレーザ光の一例を示す説明図である。 請求項５に係わるレーザ加工方法に用いる位置移動ホログラムデータの一例を示す図であり、フレネルゾーンプレート状を示す断面図である。 請求項８に係わるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の一例を示す概要図である。 請求項９に係わるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の一例を示す概要図である。 請求項１０ないし請求項１３に係わるレーザ加工装置の一例を示す概要図である。

符号の説明

２…レーザ光源
３…空間位相変調素子
４…結像レンズ（結像光学系）
５…コントローラ
６…計算機
７…被加工物
Ｐ…レーザ光

Claims (12)

1. レーザ光源から出射されたレーザ光を空間位相変調素子により位相変調して結像光学系に導き、該結像光学系によりレーザ光を被加工物に照射して、該被加工物を加工するレーザ加工方法において、
   前記空間位相変調素子に入力される入力データとして前記被加工物の加工形状を再生する像再生ホログラムデータと所定加工位置に像再生を行う位置移動ホログラムデータとからなりかつ前記像再生ホログラムデータの位相変調量と前記位置移動ホログラムデータの位相変調量とを画素毎に加算し、前記空間位相変調素子が位相変調可能な量を超えていた場合に、加算により得られた位相変調量から空間位相変調素子による位相変調可能な量を差し引いた合成データを用い、該合成データを順次変化させながら前記被加工物にレーザ加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記像再生ホログラムデータが離散的な複数の点像を再生するのに用いられることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 離散的な複数個の点像を再生する像再生ホログラムデータを複数個準備し、前記複数個の点像を再生する像再生ホログラムデータと前記位置移動ホログラムデータとの両方を共に変化させながらレーザ加工を行うことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記位置移動ホログラムデータは、前記被加工面に対して水平な方向に関するホログラムデータであり、該ホログラムデータが鋸歯形状又は略鋸歯形状の位相分布を有するデータであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
5. 前記位置移動ホログラムデータは、前記被加工面に対して垂直な方向に関するホログラムデータであり、該ホログラムデータが、フレネルゾーンプレート状又は略フレネルゾーンプレート状の位相分布を有するデータであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
6. 前記空間位相変調器から前記結像光学系の主平面までの距離が、前記結像光学系の焦点距離に等しいことを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。
7. 前記位置移動ホログラムデータは、前記被加工面に対して水平な方向に関するホログラムデータと前記被加工面に対して垂直な方向に関するホログラムデータとを合成した合成位置移動ホログラムデータであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
8. 前記空間位相変調手段へ入力されるレーザ光の波面を計測する波面計測手段と、前記空間位相変調素子に前記合成データを入力する入力手段と、前記波面計測手段により計測された波面の歪みを補正する計算機手段とを備え、該計算機手段は補正データを生成し、前記空間位相変調手段には補正された合成データが入力されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
9. 前記レーザ光の照射時間又は照射強度を調整しながらレーザ加工を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
10. 前記被加工物の一部がレーザ光に対して透明であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
11. 前記レーザ光源が数ピコ秒以下のパルス幅を有する超短パルスレーザ光源であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
12. レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光を位相変調する空間位相変調素子と、該空間位相変調素子により位相変調されたレーザ光を被加工物に照射する結像光学系と、前記空間位相変調素子を像再生ホログラムデータと所定加工位置に像再生を行うための位置移動ホログラムデータとからなり像再生ホログラムデータの位相変調量と位置移動ホログラムデータの位相変調量とを画素毎に加算し、空間位相変調素子が位相変調可能な量を超えていた場合に、加算により得られた位相変調量から空間位相変調素子による位相変調可能な量を差し引いた合成データにより制御する入力手段と、前記像再生ホログラムデータと位置移動ホログラムデータとを計算して前記入力手段に向けて出力する計算機とを少なくとも有するレーザ加工装置。

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