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WO2004077115A1 - 回折型光学部品およびそれを用いたレーザ加工装置 - Google Patents

回折型光学部品およびそれを用いたレーザ加工装置 Download PDF

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WO2004077115A1
WO2004077115A1 PCT/JP2004/001230 JP2004001230W WO2004077115A1 WO 2004077115 A1 WO2004077115 A1 WO 2004077115A1 JP 2004001230 W JP2004001230 W JP 2004001230W WO 2004077115 A1 WO2004077115 A1 WO 2004077115A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
doe
pattern
diffractive optical
optical component
cells
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2004/001230
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Keiji Fuse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to US10/532,044 priority Critical patent/US7440188B2/en
Priority to EP04708493.4A priority patent/EP1591805B1/en
Publication of WO2004077115A1 publication Critical patent/WO2004077115A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/12—Beam splitting or combining systems operating by refraction only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/1086—Beam splitting or combining systems operating by diffraction only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/066—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms by using masks
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/46—Systems using spatial filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • 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

Definitions

  • Patent application title Diffractive optical component and laser processing apparatus using the same
  • the present invention provides a diffractive optical component that can branch one laser beam into points other than the lattice points assumed in a regular grid pattern, and a laser processing apparatus using the same, especially drilling, welding, soldering, and surface processing.
  • the present invention relates to a multi-point batch laser processing apparatus that can be used for fine processing of electronic components such as processing.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-23011 “Diffraction type optical component design method” This is one of the inventions filed by the present inventor.
  • DOE diffractive optical component
  • the influence of manufacturing errors on the DOE and the evaluation function used for pattern optimization is taken into account, and a design method is provided that allows for easy manufacturing with wide tolerances, especially for parameters with small tolerance ranges (tolerances).
  • a unit pattern in which cells are arranged vertically and horizontally is determined, and the cut patterns are arranged vertically and horizontally to form a pattern of the entire DOE.
  • the calculation of the intensity of the diffracted beam is performed using fast Fourier transform (FFT), rhythm, and rhythm.
  • FFT fast Fourier transform
  • Patent Document 2 Patent No. 3 3 4 6 3 7 4 "Laser drilling machine"
  • Laser light is divided into a number of beams by a diffractive optical element (D OE), and a large number of holes with the same diameter and the same diameter can be drilled at equal intervals on the object surface using the fsin 0 lens. is there.
  • D OE diffractive optical element
  • DOE diffractive optical element
  • fsin6 lens improves the positional accuracy of drilling holes. It can be used effectively without displacement even up to the ⁇ th order diffracted light of the laser light. A large number of holes can be instantaneously drilled.
  • DOE is defined as “a repetitive pattern (unit pattern) with a constant spatial period ⁇ ” or a repetitive pattern that modulates the same pattern with a constant spatial period ⁇ ⁇ . What happens? " In other words, DOE is created by determining a unit pattern T, and repeating the same pattern G times vertically and H times horizontally.
  • the decision of unit pattern T is equal to the design of DOE.
  • the DOE is composed of a number of cells C (minimum unit), R in the vertical direction and S in the horizontal direction.
  • 2 s thicknesses ⁇ d mn ⁇ of many cells C ⁇ (m, n) ⁇ is the original design of D ⁇ E.
  • the conventional DOE always determines the unit pattern T and the thickness ⁇ d mn ⁇ of the cell ⁇ (m, n ) ⁇ included in a unit smaller than the DOE, and arranges the same unit pattern T vertically and horizontally. Had become. Therefore, the problem with a large degree of freedom for the entire DOE was replaced with a problem with a small degree of freedom for the unit pattern T alone.
  • a unit pattern T consists of P cells in the X-axis direction and Q cells in the y-axis direction.
  • the number of cells included in the unit pattern T is P Q. Therefore, the number of cells C to be designed is not limited to the number of cells of the entire D 0 E, but to the number P Q of cells of the unity pattern T.
  • One DOE is composed of G unit patterns T arranged horizontally (X-axis direction) and H units vertically (Y-axis direction).
  • the hierarchical structure is summarized as follows.
  • the direction angle indicating the direction of the diffracted beam (continuous number)
  • the degree of freedom is only gPQ. In other words, the degree of freedom of design is equal to the number g PQ obtained by dividing the degree of freedom g P GHQ of the entire DOE by the number GH of unity patterns T.
  • the degree of freedom simply refers to the number of cells to be designed (PGHQ or PQ).
  • the unity pattern Since the unity pattern is repeated, it becomes a diffraction grating. In other words, the light is diffracted only to the lattice points on the object (image plane).
  • the diffraction point is an integral multiple of a unit quantity. It enables calculations by the fast Fourier transform (FFT).
  • FFT fast Fourier transform
  • spots are to be drilled, they are often drilled at grid points that are arranged vertically and horizontally at equal intervals. For example, making holes in the printed circuit board at equal intervals vertically and horizontally This is the case.
  • Diffractive optical components based on such repetition of unit patterns, however, have the following disadvantages.
  • DOE which is a repetition of the unit pattern T, can determine the traveling direction of the branch beam only on a regular grid point. It is possible to reduce the pitch of the grating by increasing the unit pattern size and decreasing the laser wavelength. However, the laser wavelength is determined once the laser is determined. The only way to shorten the wavelength is to change the laser.
  • the only lasers that provide sufficient power and are easy to use are carbon dioxide lasers and YAG lasers.
  • the wavelength should not be moved as much as possible. Therefore, the only way to narrow the interval (pitch) between grid points to be drilled is to increase the unit pattern size.
  • the diffraction orders ni j are positive and negative integers (0, ⁇ 1, ⁇ 2 ⁇ ' ⁇ ).
  • the left side is the difference in the distance from the corresponding point of the adjacent wood pattern to a plane inclined by ⁇ ′′, and the condition on the right side is that the light is diffracted so as to be an integral multiple of the wavelength.
  • the mi-order diffracted light will be diffracted in the direction of Ct j.
  • the diffracted beam will be focused on equally spaced grid points on the surface of the workpiece such as a printed circuit board.
  • the grid point on the workpiece surface is a point of f s i n a j with respect to the origin of the workpiece surface.
  • the size of the DOE cannot be exceeded, but the desired diffraction characteristics will not be achieved unless there are several unity patterns in the vertical and horizontal directions. It is an integer.
  • the overall size of the DOE is limited by the spread of the laser beam. That limits the size ⁇ of the unit pattern. In that case, the lattice point pitch p on the workpiece surface has a lower limit and cannot be reduced any further. That is one drawback.
  • spots are located only at regular grid point positions on the image plane (working surface of the workpiece). I can't let it. It is difficult to achieve the high-precision spot placement required for electronic components. As described above, the beam diffracted in the direction of ⁇ ; when the fsi ⁇ ⁇ lens is used. Is
  • a conventional diffractive optical component (DOE) that repeats a unit pattern is described with reference to FIG.
  • the left side of Fig. 1 shows the DOE and unit pattern.
  • the size of the smallest unit cell C is a X b.
  • a unit pattern T is a collection of P horizontal cells and Q vertical cells.
  • DOE is a collection of unity G and H units. .
  • PQ senole forms one unit pattern T
  • GH unit patterns form one DOE.
  • D O E includes P Q GH cells, but since the unit pattern of GH is the same, the degree of freedom of the cells is only P Q after all.
  • the unit pattern T becomes a diffraction grating, and is diffracted in a direction according to the Bragg diffraction equation.
  • the order of the horizontal diffraction is represented by p
  • the order of the vertical diffraction is represented by q.
  • the direction of the diffracted light is P horizontally and Q vertically.
  • the direction of the grating or diffracted light on the object surface is represented by P XQ.
  • the lattice points mj on the PQ objects T (irradiated surface; image plane) are represented by orders (p, q). Since the origin is located at the center of the unit pattern, one P / 2 ⁇ p ⁇ P / 2 and one Q / S q QZS.
  • the parameter of the m, nth cell (pixel) is the complex amplitude transmittance t mn .
  • the phase ⁇ mn is important for the transmittance, and the absolute value of the transmittance is set to 1. It is given as the phase difference ⁇ ⁇ i) mn when passing through the thickness portion and when passing through the reference thickness. [0 0 3 3]
  • the cells are shown in black and white for simplicity, but need not be binary as described above, but are 2 s values.
  • the diffracted light is focused on a lattice point on the work surface T (image surface).
  • the coordinates of the grid points are p and q.
  • a lattice point is a point at which vertical and horizontal lines are orthogonal.
  • Diffracted beams are always localized at grid points. No diffracted beam passes through non-lattice points.
  • lattice point is often used in the future, but it also means the lattice of the image plane T, and also uses the lattice point in the diffraction angle space before it is projected on the image plane.
  • the diffracted beam passing through the lattice points in the diffraction angle space is a beam focused on the lattice points on the image plane T.
  • the grid point position is strictly given by equations (2) and (3).
  • the amplitude W pq of the diffracted light traveling from the DOE in the (p, q) direction is obtained as follows.
  • the grid point coordinates (p, q) on the workpiece surface and the diffraction orders (p, q) at the DOE correspond one-to-one.
  • the Fourier transform of the complex transmittance t mn of the pixel at D ⁇ E becomes the amplitude W pq of the diffracted light in the (p, q) direction. That is, IW pq I 2 is the diffracted light intensity at the lattice point (pq) on the workpiece surface. that is
  • the intermediate non-integer part is known to be 0 from the beginning, so there is no need to calculate it (actually, when Equation (4) is calculated for a non-integer, it does not mean ⁇ , but the unity pattern is repeated. It is more accurate to assume that the non-integer part can be assumed to be zero or negligibly small.)
  • the number of parameters (m, n) on the DOE side is PQ
  • the number of parameters (p, q) on the image plane side is PQ.
  • the square of the absolute value of the complex amplitude gives the intensity in the (P, q) direction I (p, .q).
  • the required angle resolution is the angle that allows for the length of adjacent grid points on the image plane. If the distance between D 0 E and the image plane is L and the unit length of the image plane grid is e, the required angular resolution is e / L.
  • the required angular resolution V is the wavelength; I divided by the unit pattern dimension ⁇ (horizontal a P or vertical b Q).
  • V J ⁇ / b Q (7)
  • DOE is a set of GXH unit patterns.
  • the angular resolution U cannot be smaller than the angle obtained by dividing the wavelength by the DOE dimension (aR or bS). In other words, the resolution (in the sense of the minimum discrimination angle) is too rough.
  • diffracted light can be given only to lattice points. This means that diffracted light cannot be applied to points that deviate from the lattice points, and that only lattice-like patterns can be targeted. That will severely limit the use of the DOE.
  • L is the distance between DOE and the image plane.
  • the sell size of 0 & £ is & b,
  • e_L is an angle that allows for the lattice length of the image plane from DOE, and is equal to the difference between diffraction angles with different orders.
  • the present invention assumes that there is no unity pattern and that t mn can be freely given to all of the cells, gives complex transmittance t mn to all cells, and does not use fast Fourier transform (FFT). Is the diffraction integral equation,
  • the degree of freedom in design has increased significantly. Beams can be distributed to non-grid points and the angular resolution can be increased. However, the number of desired diffraction points ( ⁇ , ⁇ ) is ⁇ , which does not increase. However, FFT cannot be used, and the number of terms included in each equation is HG times. It takes time to calculate. It takes time not only to calculate but also to give ⁇ t mn ⁇ as initial condition and correction condition.
  • DOE is a diffractive optical component It consists of R pixels horizontally and S pixels vertically, not a turn.
  • the conventional configuration has three stages: pixel, unit pattern, and DOE, but lacks an intermediate unit pattern. It has a two-stage configuration consisting of the minimum unit pixel and the entire DOE.
  • One pixel which is the minimum unit, has g levels of thickness.
  • W ( ⁇ , ⁇ ) be the intensity of the branched beam in the a and ⁇ directions included in the diffracted light from the DOE. It is obtained as a Fourier transform of the DOE amplitude transmittance t mn . Since there is no unit pattern, the concept of n-th order diffraction no longer exists. Since the angle dependence of the intensity distribution due to the diffracted light from the DOE can be calculated by Fourier transform (FFT cannot be used), the calculation is actually performed, and the complex amplitude in the three directions is obtained.
  • FFT Fourier transform
  • k is the wave number 2 ⁇ .
  • the difference from equation (4) is that 0 ;, ⁇ , which represents the azimuth, are not necessarily the integers p, q corresponding to the lattice points.
  • ⁇ :, ⁇ is a real number. If an integer is taken, it corresponds to the lattice points P and q on the workpiece surface, which is the same as Eq. (4).
  • K be the number of branch beams. It is a finite number depending on the purpose.
  • the inclination angles of the k-th branch beam are a k and j8 k .
  • the angle of each branch beam is set to a certain angular resolution V! (Ie; ;) does not need to be an integral multiple. , Again the required angular resolution U 2 , V 2 can be defined. A sufficiently small positive constant U 2 and V 2
  • each branch beam can be set as in the conventional design
  • the k integer groups ⁇ m k ⁇ have no common divisor and are relatively prime. Also, the k groups ⁇ n lt ⁇ have no common divisor and are relatively prime. That is, the angular resolution U 2 that requires the greatest common divisor of the group of sine of the X-direction diffraction angle ⁇ sina lt ⁇ , and the angular resolution V 2 that requires the greatest common divisor of the group of sine of the y-direction diffraction angle ⁇ sin] 3 k ⁇ To give.
  • the common divisor is a number divisible by k ⁇ sina k ⁇ .
  • the greatest common divisor means the largest of them.
  • the angle equivalent to the greatest common divisor is the required angular resolution.
  • the total dimensions of the DOE are a R and b S. Since t mn can be freely given to all the cells RS, the angular resolution U 2 , V 2 can be set to U 2 ⁇ E / a R, V 2 ; L / b S.
  • DOE has no unit pattern T and all cells C are free parameters. Since it becomes a free parameter, the direction of the branch beam is liberalized. This is convenient because it can be set freely, but the regularity of the cell is lost and the conventional concept of diffraction order is lost.
  • the present invention can be defined such that the DOE has no unit pattern that repeats the same pattern. Therefore, D ⁇ E of the present invention may be defined as DOE lacking the unity pattern. However, it has the disadvantage of being a passive definition and prone to doubt.
  • the DOE of the present invention has no unit pattern and does not use FFT (Fast Fourier Transform) to integrate the contribution of each pixel and calculate the arbitrary branch angle o; and the complex amplitude W (a, ⁇ ) of jS. Ask. It takes time but can increase resolution.
  • the unit pattern the angular resolution was L / ⁇ ; however, in the present invention, since there is no unit pattern, a small angular resolution can be obtained.
  • the diffraction image of the unity pattern is a lattice regularly and vertically arranged, and other irregular patterns cannot be generated.
  • any diffraction image can be obtained because a D ⁇ without a unit pattern is designed and manufactured.
  • the spot of the diffracted beam may be at a non-lattice point.
  • the number of diffracted beams is finite, ⁇ , which means that they are discrete but not at grid points.
  • the method of actually calculating the Fourier transform for all cells without the unity pattern as in the method of the present invention is time-consuming, but if ⁇ t mn ⁇ is appropriately selected, the diffraction beam can be shifted to a non-grid point. it can be brought to, resolution U 2 rather; it can also be so called LZA R, V 2 rather l / b S.
  • the present invention uses all cells of D ⁇ E as free parameters without using a unit pattern, it is possible to obtain an arbitrary number of branch beams in an arbitrary arrangement that is not regularly arranged in a lattice. '
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to irradiate a laser beam to an arbitrary position at a high accuracy with a multipoint. Free and high-precision spot placement required for electronic components can be realized. It has a great effect on speeding up laser processing and cost reduction.
  • the conventional diffractive optical component is a unit pattern T of a fixed pattern repeatedly arranged in parallel in the vertical and horizontal directions, and the direction of the diffracted light is discrete and emerges only in a predetermined direction.
  • the effect of DOE is a Fourier transform, but since it is known that beams are emitted only in certain directions, it was sufficient to calculate the diffraction intensity only in those directions.
  • the intensity distribution of the diffracted light of D ⁇ E could be calculated in a short time by the fast Fourier transform, and the design was easy.
  • the grating pitch is a value obtained by dividing the wavelength by the side length ⁇ of the unit pattern; 1 / ⁇ , which is a considerably large value. To make it smaller, you have to make the unit pattern larger, but that has its limitations. Also, it is not possible to make a pattern that is not regularly arranged in a grid pattern, or a pattern that deviates from the grid pattern.
  • the entire D ⁇ is not formed by repeating the unit pattern, but the degree of freedom is given to the cells themselves by going back to the individual cells. Assuming that the number of vertical and horizontal cut patterns is GH, the number of parameters (degrees of freedom) increases GH times compared to the conventional one. Go. In addition, the direction of the diffracted light is not predetermined, such as on a lattice point. [0 1 00]
  • the number of points at which the intensity of the diffracted light should be calculated also increases dramatically. That is a disadvantage.
  • the calculation method of the fast Fourier transform cannot be applied. This is also a burden.
  • the diffraction intensity at the required points must be calculated one by one.
  • any pattern that is not regular can be created by diffraction. That is, a diffraction pattern of an arbitrary shape can be obtained.
  • the resolution can be made finer.
  • the range of applications for diffractive optical components is expanding. At the same time, it has an excellent effect of increasing the utility value of diffractive optical components.
  • the present invention it is possible to irradiate a laser beam to an arbitrary position at a multi-point with high positional accuracy. Free and accurate spot placement required for electronic components can be realized. It has a great effect on speeding up laser processing and cost reduction.
  • DBS Direct Binary Search
  • an evaluation function for determining the characteristics of DOE is used.
  • the value of the evaluation function by changing the cell phase (transmission amplitude ratio)
  • the phase of all cells ie, the pattern of DOE, is optimized so that the evaluation function is minimized.
  • I the target value of the diffraction efficiency
  • I— (overlined I) is the average value of I (a, jS)
  • W and W 2 are the weighting factors of each term.
  • the evaluation function E is minimized, the first term on the right-hand side works to increase the sum of K branching intensities, that is, diffraction efficiency, and the second term on the right-hand side works to improve the uniformity of the branching strength. This makes it possible to split the beam at a desired angle and design a DOE pattern with high diffraction efficiency and uniformity of splitting intensity.
  • Equation (20) does not take into account the reduction of branch beams that appear as noise. For this reason, strong noise may be generated at an undesired branch angle.
  • we want to calculate the noise using Eq. (16) but we cannot specify in advance the angle (hi, / 3) of the noise that does not know where it will appear. Also, repeating the calculation specifying a large number of angles increases the amount of calculation, resulting in a longer optimization calculation time. So it is practically difficult to implement.
  • the FFT calculates the PXQ spectrum (distribution of the branch strength) including the noise by one calculation, and has an advantage that the noise can be evaluated using the calculated spectrum.
  • FFT is used only for noise calculation. Therefore, noise calculation is performed at grid points as shown in Eq. (4).
  • the discrete angle vector calculated by the FFT is defined as the intensity Irs . Since the intensity at an angle close to the angle of the split beam (hence ⁇ k ) may take a high value,
  • the DOE of the present invention is a design that does not use an FFT, it includes the possibility that noise is included in the local region of the resolution U 3 or V 3 or less. There are the following two methods for detecting such noise.
  • Equation (16) does not include information on the intensity distribution of the incident beam, but a design that includes the intensity distribution of the incident beam can also be used. In that case
  • a mn is the complex amplitude distribution of the incident beam.
  • the intensity conversion of the incident beam is a continuous quantity and should be written as a ( ⁇ , ⁇ ), but it is discretized according to t mn and is set as a mn .
  • equation (16) is an angular spectrum, that is, a far-field image (Fraunhofer image)
  • D ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ designed as described above is a Fourier type (Fraunhofer type) having an infinite focal length. ⁇ ⁇ ⁇ .
  • C! is an integer of 2 or more.
  • the design method of the Fresnel DOE is different from the method of the conventional example (2).
  • the DOE of the method of the present invention (adding the Fourier transform pattern of the lens to the coefficient and integrating) is also a Fresnel type DOE.
  • a laser processing apparatus using the above D ⁇ E and a plano-convex lens (focal length 127 mm, diameter 50.8 mm, manufactured by ZnSe) was fabricated.
  • the spot diameter on the image plane was 171 ⁇ m ⁇ .
  • Figure 3 shows the target spot arrangement.
  • the horizontal axis is the angle and the vertical axis is the angle 0. It should be noted that it is not projected onto the object plane.
  • 7 X 7 49 spots are arranged vertically and horizontally, but not on a straight line but on a curved line.
  • Such a branched beam in which dots are arranged at non-grid points cannot be created by ordinary DOE, which is a repetition of the same unit pattern. It must be according to the invention.
  • Figure 4 shows the spatial intensity distribution of the incident beam. It is a beam of a carbon dioxide gas laser, and here is a Gaussian beam.
  • FIG. 5 shows a DOE pattern designed by the calculation method of the present invention. It seems that similar patterns are repeated, but they are not actually the same but are different. Are not uniform and are not the same square cut pattern.
  • FIG. 6 shows the results obtained by branching the carbon dioxide laser beam by using the DOE of FIG. 5 designed and manufactured by the calculation of the present invention (calculation of all pixels) and examining the angular distribution.
  • the screen size, including the margin, is 39.75 mrad.
  • the interval between the grid points is about 5 mrad. This is difficult to understand because the exaggeration is not exaggerated, but when viewed in the vertical direction, it can be seen that they are arranged on a curve.
  • the third and seventh spots from the top are playful to the right and the first and fifth are playful to the left. Therefore, it reproduces the fluctuating 7 X 7 in the fluctuating target pattern Figure 3. Spot strength varies little.
  • the target pattern is again the 7 ⁇ 7 dot arrangement pattern with fluctuation shown in FIG.
  • the difference between the embodiments can be better understood when the target patterns are arranged in the same arrangement.
  • the size is different even though they are the same.
  • Ru Rere as P 2 3 9. 3 7 0 0 8 mrad. That is, the grid spacing is set to 10 times that of the first embodiment.
  • the pattern of D ⁇ E is as shown in FIG. It can be seen that a fine grid-like pattern is formed vertically and horizontally. The distribution of individual shades in the grid is not clear. This is completely different from the DOE of Example 1 in FIG. The DOE pattern naturally becomes finer because it produces a branched beam with a large diffraction angle.
  • Fig. 7 looks like stitches of the same size are continuous like the surface of a fabric.
  • a unit pattern having the same dimensions and the same shape is not assumed in advance, a pattern in which such a similar basic shape is repeated vertically and horizontally.
  • sea urchin I can see the angle spectrum in FIG. 8, deviation ⁇ ⁇ ⁇ 2 with respect to the grating pitch P have P 2 basic in this embodiment than extremely small, pattern conventional Yuni' bets It looks like a repeating pattern. [0 1 4 3]
  • DOEs that can achieve the desired spot arrangement as shown in Fig. 3 with the desired constraints do not have a single solution but are numerous.
  • An appropriate function is selected from a myriad of solutions using an evaluation function.
  • the selection of the evaluation function c is arbitrary, as described above, such as high diffraction efficiency, or close to a certain target value, and small variations in the power beam intensity. It is not necessarily the only solution in Fig. 7 because it is selected under certain conditions, and it is not the optimal solution.
  • the target branch intensity distribution from D ⁇ E is a unique flow, but the path from the target branch intensity distribution (Fig. 3) to the DOE varies.
  • a laser processing device using the above D ⁇ E and fsi ⁇ lenses (focal length 127 mm) was fabricated.
  • the spot diameter of the image plane was set to 17 1 ⁇ m ⁇ .
  • This fsin0 lens is a lens manufactured by the method described in the conventional example (2) of Japanese Patent No. 3346374, which is the inventor of the present invention already described.
  • Example 1 The difference from Example 1 (Fraunhofer type) is that DOE is a Fresnel type and also serves as a lens.
  • f 150 mm.
  • the diffraction efficiency is 82.2%, the intensity variation (standard deviation) is 1.6%, and the maximum noise intensity is 3.6%.
  • a laser processing device using the above DOE and a plano-convex lens (focal length 127 mm, diameter 50.8 mm, manufactured by ZnSe) was fabricated. Spot diameter on the image surface was 1 7 1 ⁇ ⁇ ⁇ .
  • FIG. 9 shows a pattern of a Fresnel type D D in Example 3 designed by the calculation method of the present invention.
  • the concentric pattern looks dominant but comes from the lens components.
  • the pattern is indefinite, but the size is quite large because the spread of the target diffraction image is small.
  • the target pattern is again the 7 ⁇ 7 dot arrangement pattern with fluctuation shown in FIG.
  • the value is 3708 mrad, and that Pa is 39.3708 mrad.
  • Embodiment 4 is the same as that up to Embodiment 2 except that the lens is connected to DOE.
  • the DOE pattern is completely different from that of FIG. 7 (Example 2).
  • the difference is that the force is a pattern that combines the concentric pattern of the lens with the fine crossing pattern in Fig. 7. This is a recognizable result.
  • a laser processing device using the above D ⁇ ⁇ and f s i ⁇ ⁇ lenses (focal length 127 mm) was fabricated.
  • the spot diameter of the image plane was set to 17 1 ⁇ .
  • This fsin0 lens is a lens manufactured by the method described in the prior art (2) Japanese Patent No. 3346374, which is the inventor of the present invention.
  • FIG. 10 shows a pattern of the Fresnel DOE of Example 4 designed by the calculation method of the present invention.
  • the fine concentric pattern appears to be dominant but comes from the lens components.
  • the pattern is indefinite, but the size is quite small because the target diffraction image has a large spread. It is obtained by superimposing a concentric lens pattern on the fine cross stripe pattern shown in FIG. 7 of the second embodiment, and the result is easy to understand.
  • the DOE is constructed by repeating the same cut pattern consisting of P XQ cells, and the degree of freedom is P XQ.In the diffraction image, only the PXQ angular lattice points are used. illustration of a conventional example of a diffraction optical component to indicate that only the intensity at the lattice points diffracted light exist can calculate the diffraction intensity distribution I P q at DOE or et angular grid points by FFT matter .
  • FIG. 5 is a diagram showing a branch angle arrangement of 49 branch beams, which is used to branch and diffract a beam by the DOE in Examples 1 to 4 of the present invention.
  • the spot is not on a regular grid point and is somewhat off of it. The gaps are exaggerated for clarity.
  • the deviation ⁇ ⁇ 2 from the grid points is the minimum required resolution, which is much smaller than the spacing between grid points. In the conventional method, the resolution only needs to be the grid interval.However, the present invention forms spots at positions slightly deviated from the grid points, so a fine resolution is required.The present invention meets such severe requirements. I can respond.
  • FIG. 5 is an intensity distribution diagram of a carbon dioxide laser incident beam used in Examples 1 to 4.
  • the intensity distribution was Gaussian.
  • FIG. 4 is a diagram showing a DOE pattern designed according to Example 1 of the present invention to generate the diffraction pattern (? ⁇ . 93701 mrad) of FIG. 3.
  • the thickness of the DOE is represented by black and white shading. It can be seen that the exact same pattern is not repeated and the concept of unity pattern no longer exists.
  • FIG. 3 is a beam spot image of a diffraction image when a carbon dioxide laser beam is diffracted by the DOE designed in Example 1 to obtain the diffraction image of FIG.
  • the dimension of one side of the diffraction image is 39.75 mrad. It can be seen that the same pattern as in Fig. 3, in which the spots are arranged on a curved curved grid rather than on the exact grid points, is reproduced. It can also be seen that the spot intensity is uniform and the power is uniform.
  • FIG. 4 is a diagram showing a DOE pattern designed according to Example 2 of the present invention to create a pattern. Objective Since the diffraction pattern is 10 times larger, the DOE pattern will be as small as 10 times. The thickness of D ⁇ E is expressed by black and white shading.
  • the angular dimension of one side of the diffraction image is 33.1.25 mrad.
  • Shaking spot as compared to FIG. 6 of Example 1 is small, it is the ⁇ have 5 2 in the objective diffraction image of FIG. 3? This is because the ratio to ⁇ ⁇ 2 is 1/1 ⁇ . It is satisfactory in that it reproduces the desired diffraction pattern.
  • the reason why the size of the light spot is smaller than that in Fig. 6 is that the scale is about 10: 1.
  • the thickness distribution of the DOE cell of the lens is shown by a light-dark pattern. There is no unit pattern. A concentric pattern seems to be superior to that. This is because the lenses are superimposed. When the lens is superimposed on the DOE, a concentric pattern is formed on the same principle as the Fresnel type lens, which makes the entire pattern concentric. The reason why the repetition pitch of the DOE pattern is rough is that the light spot interval (size) of the target diffraction image is narrow.

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Description

明 細 書
【発明の名称】 回折型光学部品およびそれを用いたレーザ加工装置
【技術分野】
【 0 0 0 1】
本発明は 1本のレーザビームを、 規則正しく格子状に想定された格子点以外の点にも ビーム分岐できる回折型光学部品と、 それを用いたレーザ加工装置、 特に穴開け、 溶接 半田付け、 表面処理など電子部品の微細加工に用いることができる多点一括レーザ加工 装置に関する。
【背景技術】
【 0 0 0 2】
【特許文献 1】 特開 2 0 0 0— 2 3 1 0 1 2号 「回折型光学部品の設計方法」 これは本発明者による先願の発明の一つである。 レーザ光を分岐する機能を有する回 折型光学部品 （DO E ： フラウンホーファー型） を提案している。 D OEとパターン最 適化に用いる評価関数に製造エラーの影響を入れ、 特に許容誤差の範囲 （公差） が小さ いパラメータに関して公差を広げ容易に製造できるような設計方法を与える。
【 0 0 0 3】
縦横にセルを配列した単位となるュニッ トパターンを決め、 ュ-ッ トパターンを縦横 に並べ D OE全体のパターンとする。 回折ビームの強度計算は、 高速フーリエ変換 （F F T ； Fast Fourier Transform) ァノレコ、、リズムを使用してレヽる。
【 0 0 0 4】
【特許文献 2】 特許第 3 3 4 6 3 7 4号 「レーザ穴開け加工装置」
これは本発明者による先願発明の一つである。 レーザ光を回折型光学部品 （D OE) によって多数のビームに分割し f s i n 0 レンズを用いて対象物面に等間隔で等しい 口径の同等の穴を多数同時に穿孔することができるようにしたものである。 回折型光学 部品 （DOE ; Diffractive Optical Element； フラゥンホーフ了一型およびフレネノレ 型） と f s i n 6 レンズを組み合わせることによって、 穴加工の位置精度を高める。 レ 一ザ光の髙次の回折光まで位置ずれなく有効に利用できる。 多数の穴を瞬時にして一括 穿孔することができる。 様々の利点がある。
【 0 0 0 5】 ここで DOEというのは、 「一定の空間周期 Λの同一の繰り返しパターン （ユニッ ト パターン） あるいは一定の空間周期 Λの同一パターンを変調した繰り返しパターンを含 みレーザ光を回折して多数のビームを発生するもの」 というように定義している。 つま り DOEはあるュニッ トパターン Tを決定し、 その同じパターンを縦に G個、 横に H個 繰り返して設けるというものとして作られる。
【 00 0 6】
だからュニッ トパターン Tの決定が DOEの設計と等しいということになる。 DOE は縦に R、 横に S個の多数のセル C (最小単位） が並んでおり、 その厚みが g = 2 s ( s は整数）通りあって、それがレーザ光の 1波長分の相違に対応する。多数のセル C { (m， n) } の 2 s種類の厚み { dmn} を決定することが本来の D〇 Eの設計である。
【 00 0 7】
それはそうなのであるが実際にはもつと単純化されていた。 実際には全セル R S個が それぞれ自由度をもつているのではなく拘束条件があった。 これまでの DOEは必ずュ ニッ トパターン Tとレ、う DOEより小さい単位に含まれるセル { (m， n) } の厚み { d mn} を決め、 同じュニッ トパターン Tを縦横に並べるというようになっていた。 だから DOE全体の自由度の大きい問題をュニッ トパターン Tだけの自由度の少ない問題に 置き換えていたのである。
【 0 0 0 8】
セルが X軸方向に P個、 y軸方向に Q個並んだ物がユニッ トパターン Tである。 ュニ ッ トパターン Tの含むセル数は P Q個である。 だから設計すべき対象のセル Cの数は D 0 E全体のセルの数ではなくュニッ トパターン Tのセルの数 P Qに限られていたので める。
【 00 0 9】
ユニッ トパターン Tが横に （X軸方向） G個、 縦 （y軸方向） に H個並んで一つの D OEが構成される。 ここで階層構造を纏めておく と次のようになる。
【 00 1 0】
セル C 横寸法 a、 縦寸法 b (最小単位）
ユニッ トパターン T P XQのセル 横寸法 P a、 縦寸法 Q b
DOE GXHのユニッ トパターン 横寸法 G P a、 縦寸法 HQ b DOE R X Sのセル （R-PG、 S =H Q)
m、 n 従来例ではユニッ トパターン内でのセルの座標
dmn (m， n ) セルの厚み g = 2 s種類の厚みのどれかをもつ
t mn (m, n ) セルの複素透過率
m、 n 本発明では D〇 E内でのセルの座標
p、 q 従来例において回折ビームの方位を示す次数 （整数）
α、 β 本発明において回折ビームの方位を示す方向角 （連続数）
【 0 0 1 1】
以後もこのような記号を使うことにする。 D〇Eに含まれるセルの数は R S個 （=P GHQ) である。 一つのセルは g = 2 s ( sは整数） 通りの厚みを取るから、 DOE全 体の自由度は g R S (= 25 P GHQ) であるが、 同じユニッ トパターン Tを繰り返す ので実際の自由度は g P Qにすぎない。 つまり設計の自由度は D O E全体の自由度 g P GHQをュニッ トパターン Tの数 GHで割った数 g P Qに等しい。 以後設計すべきセル の数だけを問題にし一つのセルの自由度 gは問題にしない。 だから自由度と単純にいう ときは設計対象のセルの数 （P GHQ又は PQ) を指している。
【 0 0 1 2】
例えばュニッ トパターン Tが千個 （PQ= 1 0 00) のセルを含み、 DOEが千個 （ G H= 1 00 0 ) のユニッ トパターンを含むとすると、 DOEは百万個 （P QGH= 1 0 0 0 000 ) のセルを含むが百万個のセルの全部について厚みを計算しなくてよいので あって、 千個分のセルだけについて厚みを決めれば良い。
【 0 0 1 3】
それは計算の量を著しく少なく している。 ュニッ トパターンを繰り返すからそれが回 折格子となるのである。 対象物 （像面） において格子点へだけ回折するということにな る。 回折点はある単位量の整数倍となる。 それは高速フーリエ変換 （F FT) による計 算を可能にする。 F F Tの使用は D OE回折像の計算が迅速であって設計が容易になる という極めて好都合の利点がある。
【 0 0 1 4】
それに多数のスポッ トに穴を開けるという場合は、 それは縦横に等間隔で並列する格 子点に穿孔することが多い。 例えばプリント基板に縦横等間隔に穴を開けるというよう な場合である。
【 0 0 1 5】
格子点に穴を開けるということはュ-ッ トパターンを縦横に並べたもののフーリェ 変換に対応しており、 それがふさわしいものであつたのである。 但し厳密にはユニッ ト パターンの回折光は回折角の正弦 （ s i n) がある値の定数倍となるのであるから f s i η Θ レンズと組み合わせる事によって初めてプリント基板上に等間隔の格子点を穿 孔することができる。 しかもそれは高速フーリエ変換 （F F T) によって計算機によつ て短時間に自動的に計算することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0 0 1 6】
そのようなユニッ トパターンの繰り返しによる回折型光学部品 （DOE) はしかし反 面次のような難点がある。
【 0 0 1 7】
( 1 ) ユニッ トパターン Tの繰り返しになる D O Eは、 分岐ビームの進行方向を規則 的な格子点上にしか決めることができない。，ュニッ トパターンのサイズを大きくするこ と、 レーザ波長えを小さくすることによって格子のピッチを小さくすることは可能であ る。 しかしレーザ波長はレーザが決まれば決まってしまう。 波長を短くするにはレーザ を変えるしかない。
【0 0 1 8】
しかし充分なパワーの取れる使い易いレーザは炭酸ガスレーザや Y AGレーザしか ない。 また、 レーザは対象とする材料と加工の種類に適合するものが選択されなければ ならないので、なるべく波長は動かしたくない。 となれば穴開け対象の格子点の間隔（ピ ツチ） を狭くするにはュニッ トパターンサイズを大きくするしかない。
【 0 0 1 9】
ユニッ トパターン Tのサイズを A (A= a Pまたは b Q) として、' レーザ波長をえと し、 ビームの番号を j として、 j番目のビームの回折の次数を lll jとし、 回折角を Q! j とすると、 ブラッグ （Bragg) の回折条件式
【 0 0 2 0】
Figure imgf000007_0001
【 0 0 2 1】
が成り立つ。 回折の次数 ni jは正負の整数 （0、 ± 1、 ± 2 · ' · ) である。 左辺は隣接ュ -ッ トパターンの対応点から α』で傾斜しているある面までの距離の差であり、 それが 波長の整数倍になるよう回折されるというのが右辺の条件である。 m i次数の回折光は Ct jの方向へ回折されることになる。
【 0 0 2 2】
だから f s i n 0 レンズがあれば回折ビームはプリント基板などの被加工物面上に おいて等間隔の格子点に集光する。 被加工物面上の格子点は被加工物面の原点に対して f s i n a jの点となる。
だから被加工物面での等間隔格子点のピッチ pは
【 0 0 2 3】
p = f X / Λ ( 2 )
【 0 0 2 4】
とレヽうことになる （ Λ = a Pまたは b Q ： ユニッ トパターン寸法） 。 微細加工のため、 それを小さく したいという要望がある。 ピッチ pを減らすためにはュニッ トパターンの 1辺の寸法 Λを大きくすればよい。
【 0 0 2 5】
しかしそれは限界がある。 D O Eのサイズを超えることができないのは当然であるが、 ュニッ トパターンが縦横にいくつか存在しないと所望の回折特性とならないのである から、 D O E寸法をュニッ トパターン寸法で割った値はかなり大きい整数ということに なる。 D O E全体の寸法はレーザビームの広がりによって制限される。 それがユニッ ト パターンの寸法 Λを制限する。 そうなると被加工物面での格子点のピッチ pは下限があ り、 それ以上小さくできない。 それが一つの欠点である。
【 0 0 2 6】
( 2 ) ユニッ トパターンを繰り返す回折型光学部品 （D O E ) を用いたレーザ加工装置 では、 像面 （被処理物の加工面） で規則的な格子点位置にしかスポッ ト （光点） を位置 させることができない。 電子部品で要求される高精度のスポッ ト配置を実現することは 難しい。 先述のように f s i η Θ レンズを用いた場合で α; ；の方向に回折されたビーム は
【 0 0 2 7】
Figure imgf000008_0001
【 0 0 28】
の点 （格子点 ；つまり： η』が整数） に結像する。 だからそれ以外の点にレーザビームを 集光するようにはできない。
【 0 0 2 9】
ユニッ トパターンを繰り返す従来の回折型光学部品 （DOE) を図 1によって説明す る。 図 1の左側は DOEとユニッ トパターンを示す。 最小単位のセル Cの寸法は a X b である。 横 P個、 縦 Q個のセルが集まったものがユニッ トパターン Tである。 横 G、 縦 Hのュニッ トパターンが集まったものが DOEである。 .
【 0 0 3 0】
つまり PQ個のセノレが一つのュニッ トパターン Tを形成し、 GH個のュニッ トパター ンがーつの D O.Eを形成する。 D O Eは P Q GHのセルを含むが、 GHのユニッ トパタ ーンは同一だからセルの自由度は結局 P Qしかない。
【 00 3 1】
DOEに平面波が導入されるとュニッ トパターン Tが回折格子となるから先ほどの ブラッグ回折の式に従う方向に回折される。 横方向の回折の次数を pで縦方向の回折の 次数を qで表現する。 回折光の方向は横に P個、 縦に Q個である。 図 1の右側において 対象物面での格子あるいは回折光の方向を P XQで表す。 PQ個の対象物 T (被照射 面 ；像面） での格子点 mjを次数 （p， q ) で表す。 ユニッ トパターン中心に原点をと るので一 P/2≤ p≤ P/2、 一 Q/S q QZSである。
【 00 32】
DOE側では、 一つのユニッ トパターン Tでの P Q個のセルを区別するために m、 n という番号を付ける。 X座標が m、 y座標が nである。 ユニッ トパターン Tでも中心を 原点にするので、 — ΡΖ2≤ηι≤ ΡΖ2、 一 Q/S n QZSである。 m, n番目の セル （画素） がもつパラメータは複素振幅透過率 t mnである。 透過率というが実際には 位相 Φ mnが重要であり透過率の絶対値は 1 というようにしている。その厚み部分を通過 するときの基準厚み通過時との位相の差 Δ <i)mnとして与えられる。 【 0 0 3 3】
DOEの屈折率を nとする。 位相差 Δ φ = 2 π Δ d (η— l) / = k A d ( η - 1 ) によって厚みの差 Δ dと関係付けられる。 厶 dは g = 2 s ( sは整数）通りの値をもつ。 だから位相差 Δ φ mn、 複素振幅透過率 t mn= e x p (j A <i>mn)も g = 2 s通りの値を もつ。
, 【 0 0 34】
図 1では簡単にセルを白黒で示すが、 上記のように 2値である必要はなく 2 s値であ る。 図 1において回折光が被加工物面 T (像面） の格子点に点集光する。 格子点の座標 が p , qである。 格子点というのは縦横の線が直交する点である。 回折ビームは必ず格 子点に局在する。 非格子点を回折ビームは通らない。
【 00 3 5】
格子点という言葉はこれからも度々用いるが、 像面 Tの格子という意味でもあり像面 に投影する前の回折角空間でも格子点という使い方をする。 回折角空間の格子点を通る 回折ビームは像面 Tの格子点に集光されるビームである。 格子点位置は式 （2) 、 （3) で厳密に与えられる。
【 00 3 6】
DOEから （p , q) 方向に進行する回折光の振幅 Wp qは次のように求められる。 被 加工物面での格子点座標 （p, q ) と、 DOEでの回折次数 （p、 q ) は一対一に対応 する。 D〇 Eにおける画素の複素透過率 t mnのフーリエ変換が、 （p , q) 方向の回折 光の振幅 Wp qとなる。 つまり I Wp q I 2は被加工物面での格子点 （ p q ) での回折光 強度となる。 それは
【 0 0 3 7】
【数 2】
ヽ
Wpq = (4)
Figure imgf000009_0001
【 00 3 8】
によって与えられる。 非常に簡明な式であり計算しゃすい形をしている。 'この式につい ては後に説明する。 （m, n) は D O E全体でなく、 一つのユニッ トパターン Tだけで 積算する。 P QGH個でなく、 P Q個の積算である。 この式では明確にわからないが格 子点以外の点では回折光強度は 0である。 つまり p， qが整数である方位にしか回折が 起こらない、 対象物 （被加工物面） では格子点 （p, q ) の上にしか回折光が来ないと いうことである。 だから Wp qは p , qが整数である格子点上だけで計算すれば良いので める。
【 00 3 9】
その中間の非整数の部分は初めから 0だとわかっているから計算の必要がない （実際 に式 （4) を非整数に対し計算すると◦になるという意味ではなくて、 ュニッ トパター ンが繰り返されるという仮定により、 非整数の部分は 0または無視できる程に小さい値 をとることが証明できるといった方が正確である） 。
【 0040】
上に出てくるシンク関数というのは s i n e ( X ) = s i n ( π χ ) / π χによって 定義される。 これは、 D〇 Εが矩形のセルを並べた構造よりなることで高次の回折光の 強度が低減される効果を意味する。
【 0 04 1】
tmnを与えておき、 2重和の部分を F F Tで計算する。 それは e X p () の中に入つ ているパラメータ p、 qが整数だから可能なのである。 p , qは （ 1) 式の回折次数 m iに対応し必ず整数である。 F F Tは、 フーリエ変換される関数がサンプリングにより 離散化されている場合に適応でき、 フーリェ変換後の関数も対応するサンプリング間隔 で離散化される。 式 （4) では振幅透過率 t mnが離散化されており、 それに対応して W p qも離散的であるので F F Tが計算可能である。
【 004 2】
DOE側でのパラメータ （m, n) の数は P Qであり像面側でのパラメータ （p， q ) の数も P Qである。 複素振幅の絶対値の二乗したものが （P , q ) 方向の強度 I (p , .q ) を与える。
【 004 3】
I (P, q) = I Wp q I 2 (5)
【 0 044】
像面には予め所望のパターン Tを想定しておき、 そのパターンを実現するための t m nを仮定し、 上の計算をして I (p， q) が初めに与えたパターン Tを与えるかどう力 を調べる。 いくつもの解の組 { t mn} が得られるが評価関数によって最適と思われるも のを選び出す。
【 004 5】
従来例の DOEによるビーム分岐の角度分解能を Uい V！とする。 DOEからみて、 像面上の隣接する格子点長を見込む角度が必要な角度分解能である。 D 0 Eと像面の距 離を L、 像面格子の単位長さを e とすると必要角度分解能は e /Lである。 プラッグ回 折条件は s i n a -m ^ZAであるが、 Δ ( s i η α ) = eZLなので、 ノ Λとなる。 つまり必要な角度分解能 V はュニッ トパターンの寸法 Λ (横 a Pまた は縦 b Q) で波長； Iを割ったものである。
【 0 04 6】
U J = λ / a P ( 6 )
V J = λ / b Q ( 7 )
【 004 7】
DOEは GXH個のュニッ トパターンの集合である。 DOEの横寸法は a G P = a R であり、縦寸法は b HQ = b Sである。従来法による D O Eの場合その角度分解能 U 、 は、 波長えを DOE寸法 （a Rまたは b S) で割った角度よりも小さくできない。 つまり分解能 （最小弁別角という意味で） が荒すぎるということである。
【 004 8】
U！ > λ / a R ( 8 )
V J > 1 / b S ( 9 )
【 004 9】
それは格子点にしか回折光を与えることができないということである。 格子点からず れた点に回折光を照射できないし、 格子状のパターンしか対象にできないということで ある。 それは DOEの用途を著しく限定することになる。
【 00 5 0】
(4) 式の導出について簡単に述べる。 波動光学は DOE上の点 （X , y ) の光が像 面の点 （X, Y) にいたる光の位相を含む振幅を足し合わせて像面の振幅を求める。 近 似式は e X p () の中に 【 0 0 5 1】
k ( x X + y Y) / L ( 1 0 )
【 0 0 5 2】
というような部分を含む。 Lは D O E ·像面の距離である。 0〇£のセルサィズは& bであるので、
【 0 0 5 3】
x =m a、 y = n b 、 1 1 )
【 0 0 5 4】
である。 像面での距離は格子間隔が eであり、 p， qという整数によって横縦に番号付 けられているのだから、
【 0 0 5 5】
X = p e、 Y= q e ( 1 2 )
【 0 0 5 6】
である。 それらを （ 1 0 ) に入れると、
【 0 0 5 7】
k (m a p e + n b q e ) / ( 1 3 )
【 0 0 5 8】
となる。 e _ Lは D O Eから像面の格子長を見込む角度であり、 次数が一つ違う回折角 の差に等しい。 Δを差分の記号として、 プラッグ回折の条件は eン L = Δ ( s i n et ) - A ni j ZA ZAであり、 1 = 2 π /え、 A = P a、 Q bなので式 （ 1 3 ) は、 【 0 0 5 9】
( 2 %/ λ ) (m a p + n b q ) λ / A = 2 π (m ρ / Ρ + η q /Q) ( 1 4 ) となる。 それが式 （4 ) の e x p () の中へ入っている。 m、 pは一 Pノ 2〜十 Pノ 2 の整数、 n、 qは一 QZ 2〜+ Q/ 2の整数であるから （4 ) のよ うな e x p () の内 容をもつ式は F F Tで短時間で簡単に計算できる。
【 0 0 6 0】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、ュニッ トパターンが存在せずセルの全てへ自由に t mnを与えることがで きるものとし全セルに複素透過率 t mnを与え、 高速フーリェ変換 （F F T) を用いない で回折積分式、
【 006 1】
【数 3】
= exp (- jk(maa + nbfi)} (15)
Figure imgf000013_0001
【 0 0 6 2】
を直接計算することによって、 非格子点を含む所望の角度へ分岐されるビームの強度を 算出することにした。 （4) 式と似ているが実はかなり違う。 m、 nの和はユニッ トパ ターン内でなく全 DOEのセルに対するものである。 だからそれだけで計算量が GH倍 になっている。
【 0 0 6 3】
それだけではない。 格子点だとパラメータが整数 p, qになるが必ずしも格子点にな らないから連続量である回折角 α、 ；3を変数として採用している。 α、 3は整数でない から F F Τを使うことができない。 だから実際の計算をするしかない。
【 0 0 64】
それとともに、 設計の自由度も著しく増加しているのである。 非格子点にビームを分 配できるし角度分解能を上げることもできる。 しかし、 所望回折点 （α， β ) の数は Κ 個であって、 それは増えるわけではないが、 F FTが使えないし、 一つ一つの式が含む 項の数は HG倍になっており、 それだけ計算に時間がかかる。 計算に時間がかかるだけ でなく初期条件や修正条件として { t mn} を与えるのにも時間がかかる。
【 0 0 6 5】
上の式を計算するのは時間がかかるので所望回折点 （o; k, β k) での回折光量を計算 するときは使うが （本来 0であるべき） ノイズの計算のときは高速フーリエ変換を用い る。 だから積分式の直接計算と高速フーリエ変換が併用されるのであって、 高速フーリ ェ変換 （F FT) を全面的に排除するのではない。 しかし回折強度を正確に計算するた めの主な計算では F FTを使わない。
【 0 0 6 6】
図 2によって本発明の手法のあらましを述べる。 回折型光学部品 DOEはュニッ トパ ターンの操り返しでなく横 R個、 縦 S個の画素よりなるものである。 つまり従來は画素 一ュニッ トパターン一 D O Eの 3段階の構成であつたが、 中間のユニッ トパターンを欠 落しているのである。 最小単位の画素と全体の D O Eの 2段階構成である。
【 0 0 6 7】
最小単位である一つの画素は g段階の厚みの種類を持っている。 g = 2、 4、 8、 1 6、 3 2、 ··■ 2 s ( s = l , 2 , 3 ···) である。 D O Eからの回折光に含まれる a、 β 方向の分岐ビーム強度を W ( α , β ) とする。 それを D O Eの振幅透過率 t mnのフーリ ェ変換として求める。 ュニッ トパターンが存在しないから土 n次回折というような概念 はもはや存在しない。 D O Eからの回折光による強度分布の角度依存性はフーリェ変換 によって計算できる （F F Tは使えない） から、 その計算を実際に行ってひ 、 ]3方向の 複素振幅を求める。
【 0 0 6 8】
【数 4】
= 》 " exp{—ゾ' ( " + " (16)
Figure imgf000014_0001
【 0 0 6 9】
という式を計算する。 kは波数 2 πΖλである。 （4 )式と違うのは方位を表現する 0；、 βが格子点に対応する整数 p、 qとは限らないということである。 ο:、 βは実数である。 もし整数を取れば、 被加工物面で格子点 P、 qに対応することになり （4 ) 式と同じに なる。
【 0 0 7 0】
しかし単にパラメータが整数 P、 qから実数 、 になったというのではなくて、 非 格子点に対応する角度も許容するということである。 また m nの積算はュ-ッ トパター ン内 （P X Q) でなくて全 D O E (R X S = P Q GH) で行う。
【 0 0 7 1】
複素振幅を二乗すると強度分布 I ( a , ]3 ) が求められる。
【 0 0 7 2】
I ( α , β ) = \ W ( α , β ) I 2 ( 1 7 ) 【 0 0 7 3】
分岐ビームの数を Kとする。 それは目的によって決まる有限の数である。 κ本の分岐 ビームに付ける番号を k = 1、 2、 ···、 Κとする。 k番目の分岐ビームの傾斜角は a k， j8 kである。
【 0 0 7 4】
本願発明の D〇 Eの設計においては、 従来設計のように各分岐ビームの角度をある定 まった角度分解能 V！ (すなわち； ΙΖΛ) の整数倍とする必要はない。 、 やはり 必要な角度分解能 U2、 V2を定義できる。 充分に小さな正の定数 U2と、 V2と適当な
(正負の） 整数 mk、 n kを適宜選択する事により、 各分岐ビームの角度 （ ひ い β 1:) を従来設計と同じように、
【 0 0 7 5】
s i n a |( =mkU2 ( 1 8 )
s i n ]3 k = n k V 2 ( 1 9 )
【 0 0 7 6】
と表すことが可能である。 k個の整数群 {mk} は公約数をもたず互いに素であるとす る。 また、 k個の群 { n lt} も公約数を持たず互いに素である。 つまり X方向回折角の 正弦の群 { s i n a lt } の最大公約数が必要な角度分解能 U2、 y方向回折角の正弦の群 { s i n ]3 k } の最大公約数が必要な角度分解能 V2を与えるのである。
【 0 0 7 7】
回折角正弦群 { s i n o: k} も { s i n ]3 k} も整数でないから最大公約数というのは なにやらおかしいような気がするが実数だからやはり定義可能である。
【 0 0 7 8】
ここで公約数というのは、 k個の { s i n a k} を割り切れる数だということである。 最大公約数というのはその内最大のものという意味である。 最大公約数にあたる角度が 必要な角度分解能である。
【 0 0 7 9】
角度 U2、 V 2が充分に小さくないと I s i n ひ k_ s i η α k' I く U2や I s i n |3 u- s i n /3 k · I く V2となり、 区別が付かない。 そのような区別が付かないといけな いので、 必要な分解能が式 （ 1 8 ) 、 ( 1 9 ) で求められるのである。 【 0 0 8 0】
DOE全体のパターンは R X Sのセルからなっているので DOEの全寸法は a R、 b Sである。 全てのセル R Sへ自由に t m nを与えることができるので、 角度分解能 U2、 V2を U2<え/ a R、 V2く； L/b Sとすることができる。
【 0 0 8 1】
ここで、 U2、 V2は従来設計での角度分解能 1^ = λ/a P、 Vi /b Qとは全 く異なるものである。 それより もずつと小さい値を取る。
【 0 0 8 2】
本発明の特徴は D O Eにュニッ トパターン Tがなく て全セル Cが自由パラメータと なるという ことである。 自由パラメータになるから分岐ビームの方位が自由化される。 自由に設定できて好都合であるがセルの規則性がなく なり従来の回折次数という概念 がなくなる。
【 00 8 3】
回折次数がない場合でも、 分岐ビームの回折角の相違の最小を弁別できるのでなけれ ばならない。 それを U2< ;i/a R、 V2 < λ / b Sとレヽう ように定義した。
【 0 0 84】
それはユニッ トパターン Λで決まる従来例の分解能 V j (= λ/ ) とは違い格 段に小さい値である。 パラメータが増え、 計算量が増えたために分解能を著しく上げる ことができるのである。
【 0 0 8 5】
だから定義に多様性があり、 DOEを構成する全て （R S個 =P QGH個） のセルの t mnを自由に与えるというのが本発明の特徴であるといえる。また同じことであるが角 度分解能が U 2 < 1 / a R, V2< /b Sであるというよ うにも定義できる。 この定義 は分かりにくいが数学的には検証が容易である。
【 0 0 8 6】
あるいは回折像の格子点 P , qだけでなく格子点の間の適当な非格子点を計算すると いうのも同義である。 しかしその定義は回折像や、 回折像の格子点などを定義しなけれ ばならず簡単でない。
【 0 0 8 7】 あるいは DOEに同一パターンを繰り返すュニッ トパターンがないというようにも 本発明を定義できる。 だから本発明の D〇Eはュニッ トパターンを欠落する D O Eと定 義してもよい。 しかしそれは消極的な定義であって疑義をもたらし易いという欠点があ る。
【 00 8 8】
そのように本発明の DOEはユニッ トパターンがなく F FT (高速フーリエ変換） を 用いず画素一つ一つの寄与を積算し任意の分岐角度 o;、 jSの複素振幅 W (a， β ) を求 める。 それは時間がかかることであるが分解能を上げることができる。 ユニッ トパター ンがあると角度分解能が； L / Λであったが、 本発明はュニッ トパターンがないからもつ と小さい角度分解能を得ることができる。
【 00 8 9】
従来例において、 ュニッ トパターンの回折像は規則正しく縦横に配列した格子となり、 それ以外の不規則パターンを生じることはできない。
【 00 9 0】
本発明はュニッ トパターンのない D Ο Εを設計、 作製するのでどのような回折像でも 得ることができる。 回折ビームのスポッ トが非格子点にあってもよい。 回折ビームの数 は Κで有限であり、 ディスク リートではあるが位置が格子点にないということである。
【 00 9 1】
そうはいうものの、 回折ビームが実際に非格子点にく るのか、 回折ビームの数は幾つ なのか、 角度分解能 U 2、 V2は幾らなのか？などというのは { t mn} によるのである。
{ t mn } によるから、 そのような定義は無駄かというとそうではない。
【 00 9 2】
本発明の手法のようにュニッ トパターンがなくて全セルについてフーリェ変換を実 際に計算する方法は時間がかかるのであるが、 { t mn} を適当に選べば、 非格子点に回 折ビームをもってくることはできるし、 分解能を U2く； LZa R、 V2く l/b Sという ようにすることもできるのである。
【 00 9 3】
従来のュニッ トパターンを用いる方法は如何に { t mn } を選んでも非格子点に回折ビ ームを位置させることはできないし、 如何に { t mn} を選んでも角度分解能を U <え / a R、 え/ b Sとすることはできない。
【 0 0 9 4】
難しいことであるが、 そういうことである。
【 0 0 9 5】
ユニッ トパターンを用いず D〇Eの全てのセルを自由パラメータとする本発明はだ から規則正しく格子状に配列していないような任意の配列の任意の数の分岐ビームを 得ることができる。 '
【発明の効果】
【 0 0 9 6】
本発明によれば、 任意の位置に高い位置精度でレーザビームを多点一括照射すること が可能となる。 電子部品で要求される自由かつ高精度なスポッ ト配置を実現することが できる。 レーザ加工の高速化、 コス ト低減に大きな効果がある。
【 0 0 9 7】
従来の回折型光学部品 （D O E ) というのは一定パターンのユニッ トパターン Tを縦 横に繰り返し並列させたものであり回折光の方向は離散的で予め決まった方向にしか 出ない。 D O Eの作用はフーリエ変換であるが、 ある決まった方向にしかビームが発生 しないことがわかっているので、 それらの方向だけについて回折強度を計算すればよか つた。
【 0 0 9 8】
だから高速フーリエ変換によって短時間で D〇 Eの回折光の強度分布を計算できた し設計も容易であった。 しかし、 それでは縦横に一定ピッチの決まった格子配列した回 折スポッ トしか得られない。 格子ピッチはュニッ トパターンの辺長 Λで波長えを割った 値; 1 / Λであり、 かなり大きい値となる。 それを小さくするにはユニットパターンを大 きく しなければならないが、それは限界がある。また規則正しく格子状配列しないもの、 格子配列からずれたパターンを作ることができない。
【 0 0 9 9】
本発明はユニッ トパターンの繰り返しによって全体の D Ο Εを構成するのではなく、 個々のセルまで遡ってセル自体に自由度を与えている。 ュ-ッ トパターンの縦横の数を G Hとしたとき、 パラメータの数 （自由度） が従来のものに比較して G H倍に増えてし まう。 それだけでなくて回折光の方向が格子点上というように予め決まらない。 【 0 1 00】
格子点というような概念もなくなり離散分布から連続分布となり、 ディスクリートか らアナログへというような大変革をすることになる。
【 0 1 0 1】
回折光強度を計算すべき点の数も飛躍的に増大する。 それは不利な点である。 高速フ 一リエ変換の計算法も適用することができない。 これも負担になる。 必要な点での回折 強度をいちいち計算しなければならない。
【 0 1 0 2】
そのような不利な点はあるのであるが、 規則格子状でない任意のパターンを回折によ つて作り出すことができる。 つまり任意の形状の回折パターンを得ることができるので ある。 それに分解能をより細かくすることもできる。 回折型光学部品の適用できる範囲 を広げている。 それとともに回折型光学部品の利用価値をも高めるという優れた効果が あるのである。
【 0 1 0 3】
本発明は、 任意の位置に高い位置精度でレーザビームを多点一括照射することが可能 となる。 電子部品で要求される自由かつ高精度なスポッ ト配置を実現することができる。 レーザ加工の高速化、 コス ト低減に大きな効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【 0 1 04】
上記の任意角度の分岐強度計算を用いることによって DO Eのパターンを最適化設 計することが可能である。 様々の最適化手法を選択できるが、 ここでは、 例えば、 従来 設計 （ （ 1 ) 特開 200 0— 2 3 1 0 1 2号） と同様に Direct Binary Search (D B S) 法を用いることとする。
【 0 1 05】
DB S法では、 D O Eの特性を判定する評価関数を用いる。 セルの位相 （透過振幅率） を変更して評価関数の値の増減を判定する事によって、 評価関数が最小化されるように 全セルの位相すなわち D O Eのパターンを最適化する。
【 0 1 06】 上記のように式（ 1 6 )の計算から、 K個の分岐ビームの強度 I (α, β ) = I W ( α , β) I 2を算出することが可能である。 そこで例えば次のような評価関数 Εを用いて解 (セルの位相または振幅透過率の集合） を評価することができる。
【 0 1 0 7】
【数 5】
一
- I (20)
Figure imgf000020_0001
【 0 1 0 8】
ここで 7 。は回折効率の目標値、 I— (上線付きの I ) は I (a, jS) の平均値、 W 、 W2は各項の重み係数である。 評価関数 Eを最小化すると、 右辺第 1項は K個の分岐強 度の和すなわち回折効率を高くするように働き、 右辺第 2項は分岐強度の均一性を向上 させるように働く。 これにより、 所望の角度にビームを分岐し高い回折効率と分岐強度 均一性を有する D O Eパターンを設計することができる。
【 0 1 0 9】
式 （20) はノイズとして現れる分岐ビームの低減を考慮に入れていない。 そのため 望まない分岐角度に強度の強いノイズを発生させる可能性がある。 そこで前記の例と同 じょうに （ 1 6) 式によってノイズを計算したいところであるが、 どこに現れるか分か らないノイズの角度 （ひ， /3 ) を予め特定することができない。 また多数の角度を指定 した計算を繰り返すことは計算量が大きくなるため、 最適化計算の長時間化を招く結果 となる。 だから事実上実施は難しい。
【 0 1 1 0】
一方従来の設計の場合、 F F Tでは 1回の計算でノイズも含めた P XQのスぺク トル (分岐強度の分布） を計算するので、 それを用いてノイズを評価できるという利点があ る。
【 0 1 1 1】
そこで本願発明では、 ノイズ計算に限って F FTを利用する。 だから （4) 式のよう な格子点でのノィズ計算となる。 R X Sのセル配列よりなる振幅透過率パターンについ て F F Tで計算された離散的な角度スぺク トルを強度 I r sとする。 分岐ビームの角度 (ひ い β k) に近い角度の強度は高い値を取る可能性があるので、 それを除いたものを
I ' r sとする。
例えば式 （2 0) の代わりに '
【 0 1 1 2】
【数 6】 ( )2 (2D
Figure imgf000021_0001
【 0 1 1 3】
を用いることにすれば、 右辺第 3項によりノイズ強度の最大値を低減することができる (W3は重み係数） 。 ノイズ計算については高速フーリエ変換 F F Tを用いるので計算 されたスぺク トルの角度分解能は U3 = Z a R、 V3= /b Sによって制限される。
【 0 1 1 4】
本発明の D O Eは F F Tを用いない設計であるため、 前記分解能 U 3、 V 3以下の局所 領域にノィズが含まれる可能性を含んでいる。 そのようなノィズを検出するための方法 として次の二つの方法がある。
【 0 1 1 5】
[ノイズ検出法 （ 1 ) ]
R X Sのパターンの周囲に t m n = 0の領域を追加し、 計算領域を R ' X S ' (R ' > R, S ' > S) に拡大する。 それによつて、 F F Tによる角度スペク トル計算の角度分 解能を U3' = λ / a R ' く U3、 V a ' = λ / b S ' く V3とレ、うように高くできる。 だから局在するノイズの検出を容易にする。
【 0 1 1 6】
[ノイズ検出法 （2) ]
式 （ 1 6 ) では入射ビームの強度分布の情報を含んでいないが、 入射ビーム強度分布 を入れた設計とすることもできる。 その場合
【 0 1 1 7】
【数 7】 = exP{~ノん (猶" + nbfi)} (22)
Figure imgf000022_0001
【 0 1 1 8】
というようにすればよい。 ここで a mnは入射ビームの複素振幅分布である。 入射ビーム の強度変換は連続量であり本来は a ( α , β ) と書くべきだが t mnに合わせて離散化し a mnとしている。
【 0 1 1 9】
例えば入射ビームを l Z e 2直径が a RZ 2のガウス振幅分布とすると、 角度スぺク トル上でのスポッ トの直径は 8 λ / π a R = 8 υ3/πとなり、分解能 U 3の 2倍を越え る大きさである。 ノイズのスポッ トも同じ大きさをもつので、 このよ うにすれば角度分 解能の制約があっても F F Tでのノィズ検出が容易になる。
【 0 1 2 0】
式 （ 1 6 ) は角度スぺク トル、 すなわち遠視野像 （フラウンホーファー像） であるの で上記により設計される D Ο Εは無限の焦点距離を有するフーリェ型 （フラウンホーフ ァ一型） の D Ο Εとなる。
【 0 1 2 1】
このフーリェ型 D Ο Εのパターンに焦点距離 f のレンズが有するパターンを積算す ることによって、 有限の焦点距離を有するフレネル型の D◦ Eのパターンを得ることが できる。 パターンの積算に当たってはフ一リエ型 D O Eパターンとレンズのパターンの セルサイズを同一としておく必要がある。
【 0 1 2 2】
短い焦点距離のレンズのパターンは微細なセルサイズを必要とするので、 その場合は、 予めフーリエ型パターンのセルを分割 （a， =a/cい b ' = b /C 2となる。 ここで
C！ , C 2は 2以上の整数である。 ） しておき、 そのセルサイズでレンズのパターンを作 製して積算する。 そうすることによってフレネル型の D O Eを設計、 製造することがで きる。
【 0 1 2 3】
フレネル型 D O Eを用いると D O Eの表面構造の微細加工エラー （例えば段差エラ ―) の影響を低減することができ、 特に 0次光 （α = ;3 := 0 ) の強度変動を低減する効 果がある （ （2 ) 特許第 3 3 4 6 3 7 4号に詳しい記述あり） 。 但しフレネル型 D O E の設計方法は従来例 （ 2 ) の手法とは違う。 この発明の手法 （レンズのフーリエ変換パ ターンを係数に与え積算する） の D O Eでもフレネル型の D O Eとなる。
【実施例 1】
【 0 1 2 4】
[実施例 1 (フラウンホーファー型 （フーリエ型） D O E、 小分岐角） ]
[A. D O Eの主な仕様]
波長 ： 1 0. 6 μ m
モード ： T E M。。
1 / e 2ビーム直径： 1 0 mm
D O E位相 ： 1 6段階
D O Eセルサイズ ： a = 2 0 μ m , b = 2 0 μ m
D O E全セル数 ： R = 1 0 0 0セノレ、 S = 1 0 0 0セル
D O Eサイズ： a R = 2 0 mm、 b S = 2 0 mm
分岐ビーム数： 4 9 (- 7 X 7 )
分岐パターン ：図 3の通り、 ？ = 3. 9 3 7 0 1 m r a d、 P 2 = 3. 9 3 7 0 1 m r a d、 δ J = 0. 1 5 7 4 8 m r a d , δ 2 = 0. 0 7 8 7 4 m r a d
ここで r a dはラジアン （ 1 ラジアン = 5 7. 2 9 ° ) 、 m r a dはミ リ ラジアン （ 1 m r a d = 3. 4 3 7分） である。
【 0 1 2 5】
分岐角度を s i n a k =m 1(U、 s i n k = n k Vと表現すると、 この実施例では、 U = 5 J = 0. 1 5 '7 4 8 m r a d、 V= S 2 = 0. 0 7 8 7 4 m r a dとなる。 λ / a S = X / b S = 0. '5 3 m r a dであるから、 Uくえ Z a R、 Vく； L / b Sとレ、う条件 を満足している。
【 0 1 2 6】
[B . 設計結果]
回折効率 8 2. 2 %、 強度ばらつき （標準偏差） 1. 6 %、 最大ノイズ強度 3. 6 %、 入射ビームの強度分布、 D O Eパターン及び像面強度分布を図 4〜 6に示す。 【 0 1 2 7】
[C . レーザ加工装置]
上記の D〇 Eと、 平凸レンズ （焦点距離 1 2 7 mm, 直径 5 0. 8 mm, Z n S e製） を用いたレーザ加工装置を作製した。 像面のスポッ ト直径は 1 7 1 μ m φ とした。
【 0 1 2 8】
目的となるスポッ トの配列は図 3の通りである。 横軸は角度ひであり、 縦軸は角度 0 である。 対象物面に投影したものではないということに注意すべきである。 7 X 7 = 4 9のスポッ トが縦横に並んでいるが直線上でなく曲線上に並ぶ。
【 0 1 2 9】
( ± 2， ± 2 ) の 4点と （ ± 2 , 0 ) 、 （ 0， ± 2 ) の 4点と （ 0， 0 ) 点は 9点は格 子点にあるが、 その他の点は格子点からずれている。 そのように縦横列が柔らかく波打 つようなスポッ トが目的となるパターンである。
【 0 1 3 0】
寸法は P i = 5 0 0 μ m, P 2 = 5 0 0 であり格子は 5 0 0 μ m X 5 0 0 μ mの大 きさである。 （± 4、 ± 4 ) の近傍の点は左廻り方向にずれている。 （+ 4、 + 4 ) の 近傍の点の格子点からのズレは横が δ = 2 0 m、縦が δ 2 = 1 0 μ mである。だから、 ズレは小さいがズレをわざわざ与えたということが重要なので図 3では誇張して描い ている。 その他の点も格子点から同じ δい δ 2でずれている。 与えたズレが δ い δ 2 であるから必要な分解能 U 3、 V 3はそれより短いことが要求される。
【 0 1 3 1】
そのように非格子点にドッ トを並べるような分岐ビームは同一ュニッ トパターンの 繰り返しである通常の D O Eでは作り出すことができない。 本発明によらなければなら ない。
【 0 1 3 2】
図 4は入射ビームの空間的な強度分布である。 炭酸ガスレーザのビームであり、 ここ ではガゥシアンビームとした。
【 0 1 3 3】
図 5は本発明の計算法によって設計された D O Eのパターンを示す。 同じような模様 の繰り返しが見られるようであるが、 実際には同じでなくてそれぞれ違う し大きさ形状 も不揃いで同一正方形のュ-ットパターンというものでない。
【 0 1 3 4】
図 6は本発明の計算 （全画素の計算） によって設計され製造された図 5の D O Eによ つて炭酸ガスレーザビームを分岐させて角度分布を調べたものである。 マージンも含む 画面の大きさは 3 9. 7 5 m r a dである。 格子点の間隔は 5 m r a d程度である。 こ れはズレを誇張していないからわかりにくいが、 縦方向にみると曲線上に並んでいるの が分かる。 上から 3番目、 7番目のスポッ トが右に偏奇し 1番目、 5番目が左に偏奇し ているのが肉眼でもよく分かる。 だから揺らぎのある目的パターン図 3の 7 X 7を再現 している。 スポッ ト強度は、 ほとんどばらつきはない。
【実施例 2】
【 0 1 3 5】
[実施例 2 (フラウンホーファー型 （フーリエ型） DOE、 大分岐角） ]
[A. DO Eの主な仕様]
波長 ： 1 0. 6 μ m
モード ： T E M 0 0
1 / e 2ビーム直径： 1 0 mm ―'
D O E位相 ： 1 6段階
DOEセゾレサイズ： & = 2 0 μ πι、 b = 2 0 μ m
D O E全セル数： R = 1 0 0 0セル、 S = 1 0 0 0セル
DOE全サイズ： a R= 2 0 mm、 b S = 2 0 mm
分岐ビーム数： 4 9 (= 7 X 7)
分岐パターン： 図 3の通り、 3 7 0 0 8 m r a d、 P 2 = 3 9. 3 7 0 0 8 m r a d、 δ x = 0. 1 5 7 4 8 m r a d、 δ 2 = 0. 0 7 8 7 4 m r a d
【 0 1 3 6】
目的とするパターンはこの場合も図 3の揺らぎのある 7 X 7のドッ ト配列パターン である。 目的パターンを同一配列にした方が実施例の間での違いがよく分かるのでその ようにしている。 同一といっても大きさは違う。 大分岐角の場合の状況を調べるため実 施例 2では？ = 3 9. 3 7 0 0 8 m r a d、 P 2 = 3 9. 3 7 0 0 8 m r a dとしてレヽ る。 つまり格子の間隔については実施例 1の場合の 1 0倍としている。 ズレは実施例 1 と同じで S i - O . 1 5 7 4 8 m r a d , δ 2 = 0. 0 7 8 7 4 m r a dである。 だから ズレの相対規模が減っている。
【 0 1 3 7】
実施例 2の場合も、 x、 y方向の分解能 U、 Vは
U= δ ！ = 0. 1 5 7 4 8 m r a d
V= δ 2 = 0. 0 7 8 7 4m r a d
である。
【 0 1 3 8】 ，
実施例 2においても a R = 2 0 mm ( 2 0 0 0 0 μ m) 、 b S = 2 0 mm ( 2 0 0 0 0 M m) なので、 ； ZaR=;i//b S = 0. 5 3 m r a dであり、
【 0 1 3 9】
U ( 0. 1 5 7 4 8 m r a d) < λ a R ( 0 5 3 m r a d )
V ( 0. 0 7 8 7 4m r a d) < λ b S ( 0 5 3 m r a d )
【 0 1 4 0】
という不等式が成り立つ。
【 0 1 4 1】
[Β . 設計結果]
回折効率 7 1. 6 %、 強度バラツキ 1. 7 %、 最大ノイズ強度 3. 5 %
D〇 Eのパターンは図 7のようである。 縦横に細かい格子状の模様ができていること がわかる。 格子の中の個々の濃淡の分布は判然としない。 図 5の実施例 1の DO Eと比 較して全く違っている。 回折角の大きい分岐ビームを生じるのだから DO Eのパターン は当然に細かくなる。
【 0 1 4 2】
ュニッ トパターンというものは存在しないはずであるが図 7は布地の表面のように 同じ大きさの編み目が連続しているように見える。 予め同一寸法同一形状のュニッ トパ ターンを想定しないにも拘らず、 このようなよく似た基本形状が縦横に繰り返すような パターンになる。 それは不思議とも思えるが、 図 8の角度スペク トルを見ればわかるよ うに、 本実施例では基本の格子ピッチ Pい P 2に対しズレ δ ΐ δ 2は極めて小さいの で、 パターンが従来のュニッ トパターンの繰り返しに近く見えるのである。 【 0 1 4 3】
図 3のような目的のスポッ ト配置を所望の制約で実現できる D O Eは解が一つある のではなくて無数にある。 無数にある解から評価関数を用いて適当なものを選んでいる c 評価関数の選び方は先述のように回折効率が多いとか、 ある目標値に近いと力 分岐ビ ーム強度バラツキが少ないとか恣意的な条件を付けて選び出しているのだから、 図 7の 解が唯一であるというのではないし、 それが最適だということでもない。
【 0 1 44】
それとは全く異なるパターンであっても目的の回折ビーム分布を実現できるものは たくさんある。 D〇Eから目的とする分岐強度分布は一義的な流れであるが、 目的の分 岐強度分布 （図 3) から DOEに至る道程は様々なのである。
[C. レーザ加工装置]
上記の D〇 Eと f s i η Θ レンズ （焦点距離 1 2 7 mm) を用いたレーザ加工装置を 作製した。 像面のスポッ ト直径は 1 7 1 μ m φとした。 この f s i n 0 レンズは既に述 ベた本発明者になる従来例 （2) 特許第 3 34 6 3 74号に記載の手法によって製作し たレンズである。
【 0 1 4 5】
【実施例 3】
[実施例 3 (フレネル型 DO E、 小分岐角） ]
[A. DOEの主な仕様]
波長： 1 0. 6 m
モード ： T E M 0 0
1 / e 2ビーム直径： 1 0 mm
D O E位相 ： 1 6段階
D〇Eセノレサイズ： a = 20 μ m, b = 20 μ m
DOE全サイズ： a R= 20mm、 b S = 2 0mm .
D O E全セノレ数： R = 1 00 0セノレ、 S = 1 0 0 0セノレ
分岐ビーム数： 4 9 (= 7 X 7)
【 0 1 4 6】
分岐パターン：図 3の通り、 9 3 7 0 1 m r a d、 P 2 = 3. 9 3 70 1 m r a d、 δ J = 0. 1 5 7 4 8 m r a d、 δ 2 = 0. 0 7 8 7 4 m r a d
【 0 1 4 7】
フレネル型レンズ ： 焦点距離 f =— 5 o 0 mm
【 0 1 4 8】
実施例 1 (フラウンホーファー型） と異なるところは D O Eがフレネル型であってレ ンズを兼ねているということである。 実施例 3で追加すべきレンズは f =一 5 0 0 mm の凹レンズである。 もちろん凸レンズを組み合わせることも可能である。
【 0 1 4 9】
実施例 3でも （実施例 1 と同じように） 、 U= S 1 = 0. 1 5 7 4 8 m r a d、 V = δ a = 0. 0 7 8 7 4 m r a d となる。
【 0 1 5 0】
λ / a S = λ / b S = 0. 5 3 m r a dであるから、 Uくえ/ a R、 Vく え/ b S と いう条件を満足している。
【 0 1 5 1】
[B . 設計結果]
回折効率 8 2. 2 %、 強度ばらつき （標準偏差） 1 . 6 %、 最大ノイズ強度 3. 6 % である。
【 0 1 5 2】
[C . レーザ加工装置]
上記の D O Eと平凸レンズ （焦点距離 1 2 7 mm、 直径 5 0. 8 mm, Z n S e製） を用いたレーザ加工装置を作製した。 像面のスポッ ト直径は 1 7 1 μ πι ψ と した。
【 0 1 5 3】
図 9は本発明の計算法によって設計された実施例 3のフレネル型 D Ο Εのパターン を示す。 同心状のパターンが優越して見えるが、それはレンズ成分からく るものである。 パターンは不定形であるがサイズがかなり大きいのは目的とする回折像の広がりが小 さいからである。
【実施例 4】
【 0 1 5 4】
[実施例 4 (フレネル型 D O Ε、 大分岐角） ] [A. D O Eの主な仕様]
波長 ： 1 0 . 6 μ m
モー ド ： T E M0 0
1 / e 2ビーム直径： 1 0 mm
D O E位相 ： 1 6段階
D O Eセノレサイズ ： a = 2 0 β ΐ , b = 2 0 μ m
D〇 Ε全セル数： R = 1 0 0 0セル、 S = 1 0 0 0セル
D O E全寸法： a R = 2 0 mm、 b S = 2 0 mm
分岐ビーム数： 4 9 (= 7 X 7 )
分岐パターン：図 3の通り、 3 7 0 0 8 m r a d、 P 2 = 3 9 . 3 7 0 0 8 m r a d、 δ j = 0 . 1 5 7 4 8 m r a d、 δ 2 = 0 . 0 7 8 7 4 m r a d
【 0 1 5 5】
フレネノレ型レンズ ： 焦点距離 f =一 5 0 0 mm
【 0 1 5 6】
目的とするパターンはこの場合も図 3の揺らぎのある 7 X 7のドッ ト配列パターン である。 大分岐角の場合の状況を調べるため実施例 4では 3 7 0 0 8 m r a d、 P a = 3 9 . 3 7 0 0 8 m r a dとしている。 実施例 2とそこまでは同一である が実施例 4ではレンズを D O Eに結合している。
【 0 1 5 7】
そこが違うので D O Eのパターンは図 7 (実施例 2 ) と全く違う。 違うのである力 、 図 7の細かい交差のパターンにレンズの同心パターンを組み合わせたようなパターン となっており首肯できる結果である。
実施例 4の場合も、 x、 y方向の分解能 U、 Vは
【 0 1 5 8】
U = δ ！ = 0 . 1 5 7 4 8 m r a d
V = δ 2 = 0 . 0 7 8 7 4 m r a d
【 0 1 5 9】
である。 a R = 2 0 mm ( 2 0 0 0 0 μ m) 、 b S = 2 0 mm ( 2 0 0 0 0 m) なの で、 え Z a R = i / b S = 0 . 5 3 m r a dであり、 【 0 1 6 0】
U ( 0. 1 5 748m r a d) < λ a R (0. 5 3 m r a d )
V (0. 0 7 8 74m r a d) < λ b S (0. 5 3 m r a d )
という不等式が成り立つ。
【 0 1 6 1】
[Β. 設計結果]
回折効率 7 1. 6 %、 強度バラツキ 1. 7 %、 最大ノイズ強度 3. 5 %
【 0 1 6 2】
[C. レーザ加工装置]
上記の D〇 Εと f s i η Θ レンズ （焦点距離 1 2 7 mm) を用いたレーザ加工装置を 作製した。 像面のスポッ ト直径は 1 7 1 μ πι φとした。 この f s i n 0 レンズは既に述 ベた本発明者になる従来例 （ 2) 特許第 3 34 6 3 74号に記載の手法によって製作し たレンズである。
【 0 1 6 3】
図 1 0は本発明の計算法によって設計された実施例 4のフレネル型 DO Eのパター ンを示す。 細かい同心状のパターンが優越して見えるが、 それはレンズ成分からくるも のである。 パターンは不定形であるがサイズがかなり細かいのは目的とする回折像の広 がりが大きいからである。 それは実施例 2の図 7の細かい交差縞模様のパターンに同心 のレンズパターンを重畳したものであり、 その結果は理解しやすい。
【図面の簡単な説明】
【 0 1 6 3】
【図 1】
従来の回折型光学部品において、 P XQのセルからなる同一のュ-ッ トパターンの繰 り返しによって D O Eが構成され、 自由度は P XQであり回折像においては P X Qの角 度格子点だけに回折光が存在し格子点での強度だけが問題で F F Tによって D O Eか ら角度格子点での回折強度分布 I P qを計算できるということを示すための従来例の回 折型光学部品の説明図。
【図 2】 本発明の回折型光学部品においては、 同一ュニッ トパターンの繰り返しというような ことはなくて、 R X S個のセルの全てが自由に決定できるパラメータとなり任意の方向 へ回折光を出すことができ格子点という概念は存在せず高速フーリェ変換では D O E から回折強度分布を計算することができず回折積分式を直接に計算する他はないとい うことを示すための本発明の回折型光学部品の説明図。
【図 3】
本発明の実施例 1〜4において DOEによってビームを分岐回折させる目的となる 49分岐ビームの分岐角度配置図。 スポッ トは規則正しい格子点になく、 それからいく ぶんずれている。 分かりやすくするためズレは誇張して書いてある。 格子点からのズレ δ δ 2が最低限必要な分解能であり、 それは格子点の間隔よりもずっと小さい。 従来 の方法では分解能は格子間隔だけあればよいのであるが本発明は格子点から微妙にず れた位置にスポッ トを形成するものだから細かい分解能が必要になり本発明はそのよ うな厳しい要求に応えることができる。
【図 4】
実施例 1〜4で用いた炭酸ガスレーザ入射ビームの強度分布図。 強度分布はガウシァ ンとした。
【図 5】
図 3の回折パターン （？ 丄 ョ . 9 3 7 0 1 m r a d) を作り出すため本発明の実施 例 1によって設計された D O Eのパターンを示す図。 DO Eの厚みを白黒の濃淡によつ て表現している。 全く同一のパターンが繰り返しているということはなくてュニッ トパ ターンという概念がすでに存在しないことがわかる。
【図 6】
図 3の回折像を得るため実施例 1によって設計された DOEによって炭酸ガスレー ザビームを回折させたときの回折像のビームスポッ ト像。 回折像の 1辺の寸法は 3 9. 7 5m r a dである。 正確な格子点上でなく彎曲した曲線格子の上にスポッ トが並ぶ図 3のパターンと同じものが再現されていることがわかる。 スポッ トの強度も均一であつ てパワーが均一であるということもわかる。
【図 7】
実施例 1を 1 0倍にした図 3の目的回折パターン 3 7 0 0 8 m r a d) を作り出すため本発明の実施例 2によって設計された DOEのパターンを示す図。 目的 回折パターンが 1 0倍になるので DOEのパターンは 1ノ 1 0の程度に小さくなる。 D 〇Eの厚みを白黒の濃淡によって表現している。
【図 8】
図 3の目的回折像 （？ = 3 9. 3 70 0 8m r a d) を作り出すために本発明の実 施例 2によって設計された図 7の D O Eによって得られた回折像を示す。 回折像の 1辺 の角度寸法は 3 3 1. 2 5 m r a dである。 実施例 1の図 6 と比べてスポッ トの揺れが 小さいが、 それは図 3の目的回折像における δい 52の？ぃ Ρ 2に対する比率が 1/ 1 〇だからである。 目的とする回折パターンを再現しているという点では満足のゆくも のである。 図 6に比べ光点のサイズが小さいのは縮尺が約 1ノ 1 0となっているからで める。
【図 9】
フラウンホーファー型 DOEと集光レンズを結合したフレネル型の D〇Eによって 実施例 1のよ うな揺らぎあるスポッ ト群を得るための実施例 3の DOEのパターン。 つ まり実施例 1 9 3 7 0 1 m r a d) +レンズの D O Eのセルの厚み分布を 明暗パターンによって示す。 ュニッ トパターンというものは存在しない。 それよりも同 心状のパターンが優越してみえる。 それはレンズを重畳させたからである。 レンズを D OEに重畳するとフレネル型レンズと同じような原理で同心のパターンとなるから、 そ れが全体のパターンを同心形状にしているのである。 DOEパターンの繰り返しピッチ が荒いのは目的回折像の光点間隔 （サイズ） が狭いからである。
【図 1 0】
フラゥンホーファ一型 DOEと集光レンズを結合したフレネル型の DOEによって 実施例 2のような揺らぎあるスポッ ト群を得るための実施例 4の D〇 Eのパターン。 つ まり実施例 2 ( P x = 3 9. 37 0 0 8m r a d) +レンズの D O Eのセルの厚み分布 を明暗パターンによって示す。 ュニッ トパターンというものは存在しない。 それよりも 同心状のパターンが優越してみえる。 それはレンズを重畳させたからである。 レンズを DOEに重畳するとフレネル型レンズと同じような原理で同心のパターンとなるから、 それが全体のパターンを同心形状にしているのである。 DOEパターンの繰り返しピッ チが細かいのは目的回折像の光点間隔 （サイズ） が広いからである。 【符号の説明】
【 0 1 6 4】
C セノレ (画素)
T ユニッ トノヽ0ターン
D O E 回折型光学部品
F F T 高速フーリエ変換
a セルの横寸法
b セルの縦寸法
P ユニッ トパターンの横方向に並ぶセルの数
Q ユニッ トパターンの縦方向に並ぶセルの数
p 規則正しく等間隔で並ぶ角度格子点へ D O Eから回折する光の X方向の回折角を 表す次数 （離散量、 ディスクリート）
q 規則正しく等間隔で並ぶ角度格子点へ D O Eから回折する光の y方向の回折角を 表す次数 （離散量、 ディスクリート）
Wp q D O Eから p， q方向に回折される回折光の複素振幅 （p , q以外は 0 ) I p q D O Eから p , q方向に回折される回折光の強度 （p， q以外は 0 ) k 回折ビームの番号
mk k番目のビームの回折次数
t mn 横 m番目、 縦 n番目のセルの振幅透過率
λ レーザ光波長
Λ ユニッ トパターンの寸法 （= a Ρ， b Q)
P ユニッ トパターンの横辺に並ぶセルの数
Q ユニッ トパターンの縦辺に並ぶセノレの数
a D O Eから回折される光の X方向の回折角 （連続量）
β D〇Eから回折される光の y方向の回折角 （連続量）
W ( α , β ) D O Eから α：、 ^方向に回折される回折光の複素振幅 （連続量） I ( , β ) D O Eから 、 ]3方向に回折される回折光の強度 （連続量）
U 回折光の X方向角度分解能
V 回折光の y方向角度分解能 R D O Eの横辺に並ぶセルの数
S D O Eの縦辺に並ぶセルの数
G DOEの横辺に並ぶユニッ トパターンの数 （R/P)
H DOEの縦辺に並ぶユニッ トパターンの数 （S/Q)
E 評価関数
W1 W2、 W3、 評価関数における変化量 2乗差に掛ける重み
R ' t mn = 0の領域を周囲に追加した時の D O Eの横辺に並ぶセルの数
S ' t mn = 0の領域を周囲に追加した時の D〇 Eの縦辺に並ぶセルの数

Claims

請求の範囲 【請求項 1 】 レーザ光の 1波長分に対応する g通りの厚みをとる寸法 a X bで厚 みに対応して g通りの複素振幅透過率 t mnが与えられる透明矩形セルを縦横に R X S 個並べた構造を有し、 入射した平行ビームを、 光軸に対して （α 1(, β k) の角度をなす 有限個の分岐ビーム k ( k = l、 2、 ···、 K) に分岐する回折型光学部品であって、 同一のセル配置を有するュ-ッ トパターンが繰り返すという構造をもたず、 R S個の セルは全て他のセルの値に拘束されずに複素振幅透過率 t mnを与えることができ、K個の分岐ビームの角度 （ ひ い /3 k) が二つの正の定数 Uと Vと公約数のない k個の 適当な整数 HI k、 n kによって s i n a k = m k U s i n ]3 k = n k V というように表現され、 かつ前記正の定数 U、 Vの両方あるいはどちらかがレーザ光波 長 Iを回折型光学部品の寸法 a R、 b Sで割った値よりも小さい U < λ / a R V < λ / b S というものであるようにした事を特徴とする回折型光学部品。 ' 【請求項 2】 回折型光学部品の a X bの大きさの横 m番目、縦 n番目のセル（m， n )がレーザ光の 1波長； 分に対応する g通りの t mnの振幅透過率をもち、横回折角 α、 縦回折角 j3で回折された場合の回折光の複素振幅を W ( α , β ) として
【数 1】
W(a ,β) = ∑ " ex -ゾ (顧" + n
Figure imgf000035_0001
η によって与え、 高速フーリエ変換 （F F T) を用いないで計算し、 有限の W ( α , j3 ) を与える （α , β ) の幾つかは等角度で縦横に分布する格子点から外れた角度であるよ うにし、
光軸に対して （o; k, β k) の角度をなす有限個の分岐ビーム k ( k = l、
2、 ·'·、 K) に分岐する場合は、
Κ個の分岐ビームの角度 （ ひ い β J が二つの正の定数 Uと Vと公約数のない k個の 適当な整数 mk、 n 1(によって
s i η α 1( = m k U
s i n |3 k = n k V
というように表現され、 かつ前記正の定数 U、 Vの両方あるいはどちらかがレーザ光波 長； Lを回折型光学部品の寸法 a R、 b Sで割った値よりも小さい
Uくえ/ a R
V < λ / b S
というものであるようにした事を特徴とする回折型光学部品。
【請求項 3】 無限大の焦点距離を有するフラゥンホーファー型であることを特徴 とする請求項 1または 2に記載の回折型光学部品。
【請求項 4】 有限の焦点距離を有するフレネル型であることを特徴とする請求項 1または 2に記載の回折型光学部品。
【請求項 5】 D O Eからの分岐ビームの計算を高速フーリエ変換を用いることな く各々の画素からの寄与を全部足し合わせることによって全体の振幅透過率パターン を決定するようにした請求項 1に記載の回折型光学部品。
【請求項 6】 所望の方向の分岐ビーム （a k， 13 J の回折振幅 W ( a k, β 計 算は高速フーリェ変換を用いず、 分岐ビームの周辺のノィズ光の計算を高速フーリェ変 換 F F Tによって行いノィズ光のための計算時間を削減し、 所望の分岐ビーム強度と、 ノィズ低減という二つの目的を満足するようにセルの振幅透過率分布 t mnを決定する ことを特徴とする請求項 1〜 5の何れかに記載の回折型光学部品。
【請求項 7】 レーザ光を発生するレ一ザ装置と、
レーザ光の 1波長分に対応する g通りの厚みをとる寸法 a X bで厚みに対応して g 通りの複素振幅透過率 t mnが与えられる透明矩形セルを縦横に R X S個並べた構造を 有し、 入射した平行ビームを、 光軸に対して （ い β k) の角度をなす有限個の分岐ビ ーム k ( k = l、 2、 ···、 K) に分岐する回折型光学部品であって、 同一のセル配置を 有するュニッ トパタ一ンが繰り返すという構造をもたず、 R S個のセルは全て他のセル の値に拘束されずに複素振幅透過率 t mnを与えることができ、 K個の分岐ビームの角度
( a k, β k) が二つの正の定数 Uと Vと公約数のない k個の適当な整数 m k、 n kによ って s i n α k = mk U、 s i n i3 k = n k Vとレ、うように表現され、 かつ前記正の定数 U、 Vの両方あるいはどちらかがレーザ光波長； Iを回折型光学部品の寸法 a R、 b Sで 割った値よりも小さい LK Z a R V< λ / h Sというものであるようにした回折型 光学部品と、
回折型光学部品で生成された分岐ビームを対象物の所望の多点に集光するレンズと よりなる事を特徴とするレーザ加工装置。
【請求項 8】 集光レンズが f s i n 0 レンズであることを特徴とする請求項 7に 記載のレーザ加工装置。
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