DE69222113T2

DE69222113T2 - Optische vorrichtung und optisches bearbeitungssystem unter verwendung der optischen vorrichtung

Info

Publication number: DE69222113T2
Application number: DE69222113T
Authority: DE
Inventors: Jun Amako; Hirotuna Miura; Tomio Sonehara
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1991-05-21
Filing date: 1992-05-20
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2012-05-21
Also published as: US5589955A; EP0540759B1; EP0540759A1; EP0540759A4; DE69222113D1; WO1992021050A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich (1) auf eine optische Vorrichtung für die Musterreproduktion, die eine kohärente Lichtquelle und einen räumlichen bzw. Orts-Lichtmodulator verknüpft, und (2) auf ein optisches Verarbeitungssystem, bei dem diese optische Vorrichtung verwendet wird.

Hintergrund der Erfindung

Die herkömmliche Technologie wird nun unter Bezugnahme auf die Muster-Ritztechnik bzw. -Zeichnungstechnik, die unter Verwendung von Licht arbeitet, erläutert.
Herkömmliche Muster-Ritzvorrichtungen bzw. -Zeichenvorrichtungen (Laser-Ritzvorrichtungen bzw. -Zeichenvorrichtungen), die mit Licht arbeiten, werden allgemein in die beiden nachfolgenden Methoden unterteilt. (1) Laserstrahl-Abtastungsverfahren, und (2) Maskenverfahren.
Bei dem Verfahren (1) wird das Zeichnen auf dem Material bzw. das Ritzen des Materials dadurch bewirkt, daß der Laserstrahl zweidimensional in Übereinstimmung mit einem Muster mit Hilfe eines Galvano-Spiegels oder eines polygonalen Spiegels abgelenkt wird (JP-A-56-118860).
Bei dem Verfahren (2) wird das Zeichnen bzw. Ritzen dadurch bewirkt, daß eine Maske, in der das zu zeichnende bzw. ritzende Muster in Form von Öffnungen ausgebildet ist, durch einen Laserstrahl bestrahlt wird und das Muster in verkleinerter Form über eine Abbildungslinse auf das Material projiziert wird. Anfänglich wurden Metallplatten, in denen die Öffnungen ausgebildet waren, als das Maskenmaterial eingesetzt. Aufgrund der Kosten und Schwierigkeiten bei der Herstellung der Masken haben jedoch mit Flüssigkristallen arbeitende räumliche Lichtmodulatoren in den letzten Jahren Beachtung hinsichtlich ihres Einsatzes als variable Masken gefunden.
Bei dem Verfahren, bei dem ein räumlicher Flüssigkristall-Lichtmodulator bzw. Flüssigkristall-Orts- Lichtmodulator als variable Maske eingesetzt wird, wird die zweidimensionale, optische Schaltwirkung eines räumlichen Flüssigkristall-Lichtmodulators zur Aufzeichnung des Musters in unveränderter Form sowie in Form einer Intensitätsverteilung eingesetzt. In Fig. 20 ist die Ausgestaltung einer herkömmlichen Laser-Ritzvorrichtung bzw. -Zeichenvorrichtung dargestellt. Das von der Laserquelle 2001 ausgesandte Licht beleuchtet den räumlichen, mit Flüssigkristallen im TN-Modus (verdrillt nematischer Modus) arbeitenden Lichtmodulator 2004, auf dem die Dichtemaske des Musters aufgezeichnet ist. Das durchgelassene Licht wird durch die Linse 2005 zur Abbildung des Musters auf der Oberfläche des Materials 106 gebündelt. Diejenigen Teile der Materialoberfläche, auf denen das Muster abgebildet wird, werden durch die Hitze des Lasers verdampft, wodurch das Muster geritzt bzw. eingeschrieben wird. Als der räumliche, mit Flüssigkristallen arbeitende Lichtmodulator wird (1) der TN-Modus (verdrillt nematischer Flüssigkristall) (JP-A-60-174671, JP-A-1-176563, JP-A-1-176564 und JP-A-1-216851) oder (2) der Streuungsmodus (JP-A-1-1577912 und JP-A-3-18491) ausgenutzt.
Zusätzlich zu diesen Gestaltungen gibt es Anwendungen im Hinblick auf Laser-Ritzvorrichtungen, bei denen ein räumlicher Flüssigkristall-Lichtmodulator als variable Maske eingesetzt wird. Hierbei handelt es sich um die bislang ermittelten Druckschriften: JP-A-62-127710 und JP-A-1-257821, US-PS-458605, US-PS-4734558, US-PS-4818835 und US-PS-4937424. Da jedoch bei den herkömmlichen Laser-Ritzvorrichtungen das variable Muster, das auf dem räumlichen, mit Flüssigkristall arbeitenden Lichtmodulator angezeigt wird, als Maske eingesetzt wird, ist ihr Lichtausnutzungswirkungsgrad niedrig. Wenn daher das zu ritzende Muster eine kleine Gesamtfläche aufweist, wie es bei kurzen Zeichenfolgen oder Linienbildern der Fall ist, ist eine Laserquelle mit hoher Ausgangsleistung (oder eine Erregungslichtquelle) erforderlich, wodurch der Produktionswirkungsgrad erheblich verringert wird. Weiterhin ist es zum Ritzen bzw. Einschreiben eines Musters auf einer gekrümmten Oberfläche notwendig, die Linse, den Spiegel und weitere optische Elemente mit hoher Geschwindigkeit in der Tiefenrichtung zu bewegen, wodurch der Aufbau der Vorrichtung in starkem Maße kompliziert wird.
Eine optische Vorrichtung in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der JP-A-2-20823 offenbart. Wie im weiteren Text in größeren Einzelheiten erläutert wird, ergibt sich bei diesem Stand der Technik ein nachteiliger Einfluß aufgrund von fleckenförmigen Störungen in dem rekonstruierten Muster.
In dem Dokument "Applied Optics", Volume 12/10, Oktober 1973, ist ein Verfahren zum Berechnen von Kinoformen bzw. Kinovorlagen (kinoforms) beschrieben, bei dem Bildrekonstruktionsfehler verringert sind. Es ist eine iterative Methode beschrieben, bei der ein Zufallszahlengenerator für die Zuordnung von Zufallszahlen zu dem Satz aus Phasenwerten von Abtastwerten einer Bildfunktion eingesetzt wird.
Die Erfindung zielt auf die Lösung dieser Probleme ab und hat als Aufgabe (1) die Bereitstellung einer optischen Vorrichtung, die einen hohen Lichtausnutzungsgrad aufweist und Muster auf gekrümmten Oberflächen mit Hilfe einer einfachen Einrichtung ohne oder mit nur geringen flächenförmigen Störungen ritzen bzw. zeichnen kann, und (2) eine optische Vorrichtung zu schaffen, die hohen Lichtausnutzungsgrad aufweist und zur dreidimensionalen Bildung von gekrümmten Oberflächen im Stande ist.
Diese Aufgaben werden durch eine optische Vorrichtung gelöst, wie sie in den Ansprüchen 1 und 2 beansprucht ist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht, in der der Aufbau einer Laser-Ritzvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, in dem der Aufbau der Steuereinrichtung der Laser-Ritzvorrichtung dargestellt ist;
Fig. 3 zeigt die Muster, die in dem Material eingebracht bzw. geritzt sind;
Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Kennlinie der Lichtwellenmodulation des mit Flüssigkristallen arbeitenden, räumlichen Lichtmodulators dargestellt ist;
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht, in der der Aufbau der Laser-Ritzvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht, in der der Aufbau der Laser-Ritzvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht, in der der Aufbau der Laser-Ritzvorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht, in der der Aufbau einer weiteren Laser-Ritzvorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel gezeigt ist;
Fig. 9 zeigt eine Draufsicht, in der der Aufbau der Laser-Ritzvorrichtung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
Fig. 10(a) zeigt eine Seitenansicht, in der der Aufbau des Lichtführungselements gezeigt ist, während in Fig. 10(b) eine Draufsicht gezeigt ist, in der der Aufbau des Lichtführungselements dargestellt ist;
Fig. 11 zeigt eine Draufsicht, in der der Aufbau der Laser-Ritzvorrichtung gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
Fig. 12 zeigt eine Draufsicht, in der der Aufbau des mit dualer bzw. doppelter Beugung arbeitenden optischen Systems dargestellt ist;
Fig. 13 zeigt eine Draufsicht, in der der Aufbau der Laser-Ritzvorrichtung gemäß dem achten Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
Fig. 14 zeigt einen Querschnitt, in dem der Aufbau des in dem neunten Ausführungsbeispiel vorgesehenen, räumlichen Lichtmodulators des Typs mit Amplituden-Phasen-Modulation dargestellt ist;
Fig. 15 zeigt einen Querschnitt, in dem der Aufbau des in dem zehnten Ausführungsbeispiel eingesetzten, mit Flüssigkristallen arbeitenden, räumlichen Lichtmodulators dargestellt ist;
Fig. 16 zeigt eine Draufsicht, in der der Aufbau der Laser-Ritzvorrichtung gemäß dem elften Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
Fig. 17 zeigt eine perspektivische Ansicht, in der der Aufbau des Laser-Ritzsystems gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
Fig. 18 zeigt eine Draufsicht, in der der Aufbau der dreidimensionalen Erzeugungseinrichtung bzw. der Einrichtung für dreidimensionale Erzeugung gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
Fig. 19 zeigt das gehärtete Muster; und
Fig. 20 zeigt eine Seitenansicht, in der der Aufbau einer herkömmlichen Laser-Ritzvorrichtung dargestellt ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele zur Realisierung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend in Einzelheiten auf der Grundlage von Ausführungsbeispielen erläutert.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Laser-Ritzvorrichtung, bei der die optische Vorrichtung gemäß der Erfindung eingesetzt ist. Der Strahl, der von der Laserquelle 101 ausgesandt wird, wird durch den Strahldehner 102 und die kollimierende Linse 103 zu einem parallelen Strahl ausgedehnt, der den mit Phasenmodulation arbeitenden, räumlichen Flüssigkristall-Lichtmodulator 104 mit elektrisch gesteuertem Doppelbrechungs-Modus (ECB-Modus = electrically controlled birefringence mode) beleuchtet. Das Licht erfährt eine zweidimensionale Phasenmodulation aufgrund der Wirkung eines Computer-Hologramms, das auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator bzw. Flüssigkristall-Orts-Lichtmodulator 104 aufgezeichnet ist. Das vorgegebene Muster wird hierbei auf der Oberfläche des Materials 106 durch die Fourier- Transformations-Linse 105 abgebildet. Als Ergebnis wird derjenige Teil der Oberfläche des Materials, der durch den Laser bestrahlt wird, entweder verdampft oder aufgrund der Wärme geändert, wodurch das Muster geritzt bzw. eingebracht wird. In der Figur bezeichnet 107 die Spannungsquelle für die Ansteuerung des Lasers, 108 die Treiberschaltung für den in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator, und 109 die Steuereinrichtung zur Steuerung dieser Komponenten. Die in das Material einzubringenden Zeichen oder Muster werden von der Eingabeeinrichtung 110 eingespeist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 µm als die Laserquelle verwendet.
Nachfolgend wird eine detaillierte Erläuterung der Art und Weise, wie die auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator aufgezeichneten Daten vorbereitet werden, sowie der Steuereinrichtung 108 gegeben.
Bei der Erfindung wird ein Muster anhand des Computer-Hologramms erzeugt, das auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator aufgezeichnet ist, und es wird dieses Muster auf das Material projiziert und in dieses eingebracht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Kinoform (siehe IBM J. Res. Dev. 13, 150 bis 155 (1969)) als das Computer-Hologramm verwendet, das auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator aufgezeichnet ist. Diese ist aufgrund des extrem hohen Lichtausnutzungsgrads vorgesehen, da eine Kinoform als eine ausschließliche Phasenstruktur aufgezeichnet werden kann. Da weiterhin eine Phasenkomponente einem Bildelement (Pixel) entspricht, kann die begrenzte Anzahl von Bildelementen des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators effektiv ausgenutzt werden.
Das Verfahren, anhand dessen die Phasenstruktur der Kinoform berechnet wird, wird nun erläutert. Zunächst wird eine zufällige Phasenverteilung dem eingegebenen Bild (zu ritzenden bzw. einzubringenden Zeichen oder Muster) überlagert, das in Form einer Amplitudenverteilung vorliegt. Nachfolgend werden diese komplexen Daten einer Fourier-Transformation unterzogen. Das Ergebnis des Herausgreifens lediglich der Phasenkomponente des Fourier-transformierten Bildes ist die Kinoform. Gemäß unseren Experimenten sind zwei Werte für die zufällige Phasenverteilung ausreichend. Das reproduzierte Bild wird durch die inverse Fourier-Transformation der Kinoform erhalten. Jedoch weist dieses reproduzierte Bild im allgemeinen große Fehler im Vergleich zu dem eingegebenen Bild und viele fleckenförmige Störungen auf.
Bei der Erfindung wird eine Multiplex-Belichtung zur Beseitigung solcher fleckenförmiger Störungen und zur Verbesserung der Qualität des reproduzierten Bildes eingesetzt.
Nachfolgend werden die spezifischen Hardware-Gestaltungen zur Verwirklichung der Erfindung erläutert.
Fig. 2 zeigt den Aufbau der Steuereinrichtung 108, die bei diesem Ausführungsbeispiel eingesetzt wird. Steuersignale werden von der Steuerschaltung 201 zu jeder der Schaltungen je nach Bedarf zur wirkungsvollen Ausführung der nachfolgenden Verarbeitung mit der geeigneten Zeitgabe abgegeben.
Die Daten, die von der Eingabeeinrichtung 109 in Form von Zeichencodes eingegeben werden, werden in dem Eingabepuffer 203 gespeichert, nachdem sie in dem Schriftart-ROM 202 in Punktmatrixdaten umgewandelt wurden (oder in unveränderter Form, falls sie bereits anfänglich als Punktmatrixdaten vorgegeben sind). Die Daten werden aus dem Puffer in den Speicher 206 jeweils ein Zeichen zu einem Zeitpunkt ausgelesen.
Die Schaltung 204 zur Erzeugung von Zufallszahlen erzeugt Daten mit zwei Werten (bei diesem Ausführungsbeispiel 1 und -1) in zufälliger Weise. Eine Gruppe, die eine Anzahl dieser Daten enthält, wird in dem Speicher 205 gespeichert, wobei diese Anzahl gleich groß ist wie die Anzahl von Punkten, die durch die Punktmatrixdaten repräsentiert sind. Die Daten in den Speichern 205 und 206 werden in der Multipliziererschaltung 208 für jeden Punkt miteinander multipliziert und in dem Speicher 209 gespeichert.
Diese Daten werden einer Fourier-Transformation in der eine zweidimensionale, komplexe, schnelle Fourier-Transformation durchführenden Schaltung 212 unterzogen und es werden komplexe Amplitudendaten in einem Speicher 213 gespeichert. Linsendaten, die durch die Linsenphasen-Erzeugungsschaltung 210 bereitgestellt werden, werden in einem Speicher 211 gespeichert. Die Daten in den Speichern 211 und 213 werden in der Multipliziererschaltung 214 für jeden Punkt miteinander multipliziert und in einem Speicher 215 gespeichert.
Wenn lediglich die Phasendaten aus diesen Daten durch die eine inverse Tangens-Verarbeitung ausführenden Schaltung 216 herausgegriffen werden und diese in der Quantisierungsverarbeitungsschaltung 217 quantisiert werden (16 Pegel bei diesem Ausführungsbeispiel), werden die Kinoform-Daten erhalten. Diese Kinoform-Daten werden ebenfalls in dem Ausgangspuffer 218 gespeichert und zu der Treiberschaltung 108 des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall- Lichtmodulators in Form jeweils eines Rahmens bzw. Bilds zu einem jeweiligen Zeitpunkt geleitet.
Nachfolgend erfolgt eine Erläuterung der Notwendigkeit von Linsenphasen bei dem vorstehend angegebenen Datenvorbereitungsprozeß. Der maximale Beugungsgrad der Kinoform beträgt idealer Weise 100 Prozent, wobei jedoch dann, wenn diese tatsächlich in einem in räumlicher Hinsicht wirkenden Lichtmodulator aufgezeichnet wird, lediglich ein geringer Lichtanteil vorhanden ist, der in unveränderter Form hindurchtritt, ohne daß er eine Modulation in dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Lichtmodulator erfährt. Dieses Licht wird zu punktförmigen Störungen, die durch die Fourier-Transformations-Linse konvergiert werden. Damit diese punktförmigen Störungen beseitigt werden, wird der Kinoform bei diesem Ausführungsbeispiel eine Linsen- Phasen-Funktion überlagert. Das Licht, das in dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Lichtmodulator eine Modulation erfährt, bildet ein Bild an einer Position (reproduzierte Bildebene), die von der Brennebene der Fourier-Transformations-Linse aufgrund der Linsenphase separiert ist. Hierdurch werden die punktförmigen Störungen unsichtbar. Weiterhin ist es durch Überlagerung der Phasenverteilung der Kinoform durch die Linsen-Phase möglich, das Muster zu reproduzieren, ohne daß eine Fourier-Transformations-Linse oder andere optische Elemente eingesetzt werden. Die Position und die Größe, an bzw. mit der das Muster reproduziert wird, läßt sich frei ändern, indem die Brennweite der Linsenphase ausgewählt wird. Weiterhin kann ein Muster, das Tiefe besitzt, durch Überlagerung und Aufzeichnung einer Mehrzahl von Kinoformen reproduziert werden (siehe Kogaku, 21, 155 bis 156 (1992)).
Für ein Multiplex-Belichtung wird zunächst eine Mehrzahl von Zufallszahlen-Datengruppe für ein eingegebenes Bild vorbereitet. Nachfolgend werden die Kinoform-Daten in der Steuereinrichtung 108 unter Verwendung der jeweiligen Zufallszahlendaten vorbereitet. Wenn diese Kinoformen jeweils eine zu einem Zeitpunkt vorbereitet werden, werden reproduzierte Bilder mit fleckenförmigen Störungen, die keine gegenseitige Korrelation besitzen, erhalten. Daher werden die fleckenförmigen Störungen in dem reproduzierten Bild aufgrund des aufeinanderfolgenden Neuschreibens bzw. Überschreibens dieser Kinoformen einer Mittelwertbildung unterzogen, wodurch das Signal/Stör-Verhältnis des reproduzierten Bildes verbessert ist. Da sich ferner Abweichungen der Eigenschaften zwischen den Bildelementen des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators gegenseitig auslöschen, wird ein reproduziertes Bild mit einer sogar noch höheren Qualität erhalten.
Indem das reproduzierte Bild durch eine Fourier-Transformation der Phasenverteilung der Kinoform bereitgestellt wird, ergibt sich die Intensitätsverteilung I des Musters, die bei Durchführung des Ritzens bzw. der Aufzeichnung unter aufeinanderfolgender Überschreibung der Mehrzahl von Kinoform-Daten erhalten wird, in folgender Weise:
I = S F{K} ² (1)
Hierbei bezeichnet S die Summe der Intensitätsverteilungen, und K die Phasenverteilung der Kinoform. Aus der Gleichung (1) ist ersichtlich, daß zusätzlich zu den fleckenförmigen Störungen auch Schwankungen der Intensität in der reproduzierten Bildebene einer Mittelwertbildung unterzogen werden und unauffällig werden.
Wenn die Kinoform-Daten bei dem Multiplex-Belichtungs-Verfahren berechnet werden, können die Algorithmen verwendet werden, die zum Beispiel in Opt. Eng. 19, 297 bis 305, (1980) und Appl. Opt., 12, 2328 bis 2335 (1973) vorgestellt sind.
In Fig. 3 ist ein Beispiel für experimentelle Ergebnisse dargestellt. Zunächst wird eine Anzahl von Zufallszahlen-Daten für die zwei Werte aufweisenden Daten des eingegebenen Bilds vorbereitet (Zeichenteile haben den Wert 1, während alle anderen Teile den Wert null aufweisen). Nachfolgend werden die Kinoform-Daten unter Verwendung dieser jeweiligen Zufallszahlendaten vorbereitet. Wenn diese Kinoformen jeweils eine nach der anderen reproduziert werden, werden fleckenförmige Störungen ohne gegenseitige Korrelation erzeugt. Diese werden dann mit hoher Geschwindigkeit (hier mit der Videorate bzw. Videofrequenz) überschrieben. Wenn dies erfolgt ist, bewegt sich die Position des reproduzierten Bilds nicht, jedoch sind die fleckenförmigen Störungen in dem reproduzierten Bild gemittelt, so daß das Signal/Stör-Verhältnis des Bildes verbessert ist. Wie in Fig. 3(a) dargestellt ist, sind die fleckenförmigen Störungen in dem geritzten bzw. eingebrachten Abschnitt nicht länger sichtbar. Zu Vergleichszwecken ist das Ergebnis der Ritzung bzw. Einbringung bei Einsatz lediglich einer Kinoform in Fig. 3(b) dargestellt. Die fleckenförmigen Störungen rufen deutliche Ausfälle in den Zeichenabschnitten hervor.
Weiterhin wird ein durch die fleckenförmigen Störungen hervorgerufenes Verlaufen der Linien um das Zeichen herum wahrnehmbar.
Die bei diesem Beispiel vorgesehene Steuereinrichtung 108 kann eine Kinoform (mit 256 x 256 Bildelementen) in ungefähr 10 Millisekunden berechnen. Die Kinoform wird mit der Videofrequenz überschrieben bzw. jeweils neu geschrieben, um sie hierdurch an das Ansprechverhalten des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators anzupassen, und es wird ein Triggersignal zu der Spannungsquelle 107 für eine Laseransteuerung, die mit einer hierzu synchronisierten Zeitsteuerung erfolgt, abgegeben, und es wird der YAG-Laser aktiviert.
Nachfolgend wird eine Erläuterung im Hinblick auf den bei diesem Ausführungsbeispiel eingesetzten, in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator gegeben. Der in räumlicher Hinsicht wirkende Flüssigkristall-Lichtmodulator gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein Matrixansteuerungssystem, das TFT-Elemente bzw. Dünnfilmtransistor-Elemente an jedem Bildelement aufweist, und das zu einem Überschreiben mit mindestens der Videofrequenz im Stande ist. Die anfängliche Orientierung der Flüssigkristallmoleküle stellt eine homogene Orientierung ohne Verdrillung dar, und es kann lediglich die Phase der Lichtquelle kontinuierlich moduliert werden (siehe Extended Abstracts (The 51st Autumn Meeting 1990), 26a-H-10, The Japan Society of Applied Physics). Die Anzahl von effektiven Bildelementen beträgt 256 x 256, und die Größe jedes Bildelements ist 200 x 200 µm². Die Öffnung bzw. Apertur beträgt 190 x 190 µm² und die numerische Öffnung bzw. Apertur ist 90%. Diejenige Seite des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators, auf die der Laser einfällt, ist mit einer nicht reflektierenden Beschichtung versehen.
Die Retardation bzw. Verzögerung und der Flüssigkristallschicht wurde derart einjustiert, daß sie an die Wellenlänge (1,06 µm) der YAG-Laserquelle angepaßt war, und es wurde eine Phasenmodulation von mehr als 2 π realisiert. Die Lichtmodulationseigenschaften des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators sind in Fig. 4 gezeigt. Indem der vor einer Verkippung vorliegende Winkel geringfügig hoch festgelegt wird, wenn die Flüssigkristallmoleküle orientiert werden, kann die Änderung der Amplitude, die eine Phaseneinstellung begleitet, ausreichend stark unterdrückt werden, so daß sie keine Probleme bei dem praktischen Einsatz bereitet. Der Azimuth des linearpolarisierten Lichts, das aus der Laserquelle 101 extrahiert bzw. herausgewonnen wird, und die Orientierung des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators sind in der gleichen Ebene angeordnet. Falls das von der Laserquelle 101 abgegebene Licht ein zufallsverteilt polarisiertes Licht ist, wird eine polarisierende Platte vor dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator angeordnet, derart, daß der Azimuth der Übertragungs- bzw. Durchlässigkeitsachse der polarisierenden Platte parallel zu der Orientierung des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators liegt.
Dieser in räumlicher Hinsicht wirkende Flüssigkristall-Lichtmodulator ist mit einem lichtsperrenden Film (schwarze Streifen) für einen Schutz der TFT-Elemente versehen. Wenn ein Laserstrahl auf ein Objekt mit einer Gitterstruktur wie etwa schwarzen Streifen auftritt, treten allgemein Beugungsbilder höherer Ordnung in der Ebene des reproduzierten Bildes auf. Die Intensitäten dieser Beugungsbilder sind folgendermaßen gegeben:
hm = {(a/p) sinc(πma/p)}&sup4; (2)
Hierbei bezeichnen m die Beugungsordnung, p den Teilungsabstand der Bildelemente, und a die Breite der Bildelement-Apertur.
Unter Berücksichtigung der in Gleichung (2) angegebenen Beziehung wird ein in räumlicher Hinsicht wirkender Flüssigkristall-Lichtmodulator eingesetzt, der eine extrem große Apertur, verglichen mit dem lichtsperrenden Element, aufweist. Hierbei ist p = 200 µm und a = 190 µm. Wenn eine Auswahl in diesem Bereich getroffen wird, überlappt der Nullpunkt (πma/p = π) der sinc-Funktion in der Gleichung (2) die reproduzierten Bilder der ersten Ordnung oder höherer Ordnung nahezu. Bei diesen Verhältnissen beträgt der Anteil des Lichts, der in dem erforderlichen, reproduzierten Bild (gebeugtes Licht nullter Ordnung) gesammelt wird, 82 Prozent des Gesamtwerts. Da die Intensität des gebeugten Lichts einer Ordnung bzw. der ersten Ordnung oder größer, verglichen mit der Intensität des gebeugten Lichts nullter Ordnung, ausreichend schwach ist, so daß es ignoriert werden kann, werden diese duplizierten Bilder nicht in dem Material ausgebildet.
Bei der herkömmlichen Methode mit Amplitudenmaske sind lediglich die Zeichen- oder Musterabschnitte transparent, und es liegt daher der Wirkungsgrad der Ausnutzung des Lichts im Bereich von mehreren Prozent bis zu einer Höhe von ungefähr 10 Prozent. Da es weiterhin notwendig ist, mit maximaler Ausgangsleistung selbst bei Zeichen, die aus wenigen zu schreibenden Punkten bestehen (zum Beispiel Punkte oder Kommata), zu arbeiten, ist es verständlich, daß der Ausnutzungsgrad des Lichts extrem niedrig ist.
Da die Intensität der Beugungsbilder höherer Ordnung schwach ist, ergibt sich hierdurch kein Problem. Wenn aber ein optisches System mit dualer bzw. doppelter Beugung verwendet wird, das ein räumliches Filter bzw. Ortsfilter zwischen zwei Linsen aufweist, können diese Beugungsbilder höherer Ordnung vollständig beseitigt werden. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels beschrieben.
Bei der Laserritzvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Brennpunkt dadurch eingestellt, daß die fokale Länge der Linsendaten, die den Kinoform-Daten überlagert sind, in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall- Lichtmodulator und dem zu ritzenden Material geändert wird. Da das reproduzierte Bild an der gewünschten Position durch Änderung der Brennweite der Linse abgebildet werden kann, kann das Ritzen auf gekrümmten Oberflächen in einfacher Weise verwirklicht werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde das Ritzen durchgeführt, indem Kinoform-Daten auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator aufgezeichnet wurden. Es ist aber auch möglich, holographische Daten zu verwenden, die mittels einer Fresnel-Transformation oder einer anderen optischen Transformation berechnet werden.
Mit Hilfe des vorstehend erläuterten Aufbaus ist es, verglichen mit den Fällen, bei denen ein herkömmlicher, mit Intensitätsmodulation arbeitender, in räumlicher Hinsicht wirkender Flüssigkristall-Lichtmodulator als eine offene Maske eingesetzt wird, möglich:
(1) Muster nicht nur auf Materialien mit flachen Oberflächen, sondern auch auf Materialien mit gekrümmten Oberflächen zu ritzen oder zu schreiben, wobei ein hoher Lichtausnutzungsgrad erzielt wird, und
(2) Bilder zu ritzen bzw. zu schreiben, die dem Vorlagenbild getreu entsprechen und bei denen fleckenförmige Störungen und andere ungleichförmige Intensitätsverteilungen beseitigt sind, indem das Ritzen durchgeführt wird, während eine Mehrzahl von Kinoform-Daten, die ausgehend von einem Eingangsbild vorbereitet sind und gegenseitig unterschiedliche Phasenstrukturen aufweisen, aufeinanderfolgend überschrieben werden.
Bei der Gestaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, einen in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Modulator des Typs mit optischem Schreiben statt eines in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators des Typs mit Matrixansteuerung zu verwenden. Weiterhin kann die Art der Laserquelle in Abhängigkeit von der Art des zu ritzenden Materials und von dessen Oberflächenzustand ausgewählt werden, und es kann ein Argon-Laser, ein Halbleiterlaser usw. zusätzlich bzw. anstelle eines YAG-Lasers verwendet werden. Ferner kann die Retardation des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators in Abhängigkeit von der Laser-Wellenlänge so eingestellt werden, daß eine ausreichende Phasenmodulationscharakteristik erzielt wird.

Zweites Ausführungsbeispiel

Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ist der Ausnutzungsgrad des Lichts bei dem Ritz- bzw. Schreibverfahren gemäß der Erfindung außerordentlich gut, da das Muster durch die regenerierende Wellenfront-Wirkung der Phasenfunktion, die auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator des mit Phasenmoduation arbeitenden Typs aufgezeichnet ist, reproduziert wird. Da jedoch konstantes Licht unabhängig von dem Zeichenmuster hindurchtritt, sind zu ritzende bzw. zu schreibende, nur wenige Punkte aufweisende Zeichen (zum Beispiel Punkte, Kommata) hell, wohingegen Zeichen mit vielen Punkten (zum Beispiel Kanji-Zeichen mit vielen Bildelementen) dunkel sind.
Dies wird durch die nachstehend beschriebene Erfindung gelöst. Die Addiererschaltung 207 wird zu der Steuereinrichtung 108 gemäß Fig. 2 hinzugefügt, und es wird die Anzahl von Anzeigepunkten der Zeichendaten in dem Speicher 206 durch diese Addiererschaltung 207 (Fig. 5) gezählt. Zusätzlich zu dem vorstehend bereits beschriebenen Triggersignal wird ein Signal, das die gesamte Anzahl von Anzeigepunkten angibt, zu der Spannungsquelle 107 für die Laseransteuerung geleitet. Die Spannungsquelle 107 für die Laseransteuerung justiert die Intensität des Erregungslichts in Abhängigkeit von diesem Signal derart ein, daß die Intensität der reproduzierten Bilder konstant ist.
Aufgrund des hohen Ausnutzungsgrads des Lichts bei diesem Verfahren ist der Energieverbrauch aufgrund der kleinen Anzahl von Mustern, die eine hohe Laserausgangsleistung erfordern, gering, was auch hinsichtlich der Kühlung der Vorrichtung vorteilhaft ist.

Drittes Ausführungsbeispiel

Eine weitere Ausgestaltung der Laser-Ritzvorrichtung gemäß der Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt. Die gesamte Ausgestaltung ist die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Jedoch werden bei diesem Ausführungsbeispiel vorab vorbereitete Daten verwendet, wohingegen bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Daten, die an den in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator angelegt werden, aufeinanderfolgend berechnet werden. Da die nachfolgend beschriebene Verarbeitung wirkungsvoll in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Zeitsteuerung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird, werden Steuersignale je nach Bedarf von der Steuerschaltung 301 an jede der Schaltungen abgegeben.
Die Zeichencodes, die über die Tastatur 310 eingegeben werden, werden in dem Eingangspuffer 603 gespeichert. Die Kinoform-Daten, die diesen Zeichencodes entsprechen, werden aufeinanderfolgend aus dem Festwertspeicher ROM 602 oder von einer CD-ROM 604 ausgelesen und in dem Ausgangspuffer 618 gespeichert. Weiterhin werden diese Daten jeweils in Form einzelner Rahmen bzw. einzelner Bilder zu einem jeweiligen Zeitpunkt an die Treiberschaltung 108 des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators angelegt. Zusätzlich zu den Kinoform-Daten ist die Anzahl von Anzeigepunkten der zu ritzenden bzw. zu schreibenden Zeichendaten in dem ROM oder in der CD-ROM gespeichert.
Zur Verringerung der fleckenförmigen Störungen in der Kinoform wird das Schreiben des Musters auch bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß einem Verfahren mit Multiplexbelichtung bzw. mehrfacher Belichtung ausgeführt. Zunächst wird eine Vielzahl von Zufallsdaten für die Daten jeweils eines eingegebenen Bildes vorbereitet. Nachfolgend werden die Kinoform-Daten unter Verwendung dieser jeweiligen Zufallsdaten vorbereitet. Wenn jede dieser Kinoformen reproduziert wird, werden fleckenförmige Störungen ohne gegenseitige Korrelation erzeugt. Wenn diese rasch überschrieben werden (mit der Videorate bzw. Videofrequenz), werden die fleckenförmigen Störungen in der Ebene des reproduzierten Bildes gemittelt, auch wenn sich die Position des reproduzierten Bilds nicht bewegt, und es wird das Signal/Stör-Verhältnis des Bildes verbessert. Da sich die Abweichungen in den Eigenschaften zwischen den Bildelementen des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators gegenseitig auslöschen, wird ein reproduziertes Bild mit hoher Qualität erhalten. Tatsächlich konnten in dem erhaltenen, reproduzierten Bild überhaupt keine fleckenförmigen Störungen erkannt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die 256 Zeichen, die durch den ASCII-Code bestimmt sind, in dem ROM gespeichert, und es sind verschiedenartige Schriftartzeichen und Symbole, einschließlich von Kanji-Zeichen, auf der CD-ROM gespeichert. Weitere Schriftartzeichen und Symbole können durch Austauschen der CD-ROM geritzt bzw. geschrieben werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine CD-ROM als Mittel zum Aufzeichnen von Daten verwendet, jedoch kann auch eine magnetooptische Platte oder eine Festplatte eingesetzt werden. Es ist ebenfalls möglich, eines dieser Elemente bei dem ersten oder dem zweiten Ausführungsbeispiel vorzusehen.

Viertes Ausführungsbeispiel

Dieses Ausführungsbeispiel weist den bei dem dritten Ausführungsbeispiel vorgesehenen Aufbau mit einer zusätzlichen Vorrichtung (Mechanismus) für die Einstellung der Ausgangsleistung des Lasers auf. Zusätzlich zu den Kinoform-Daten ist die Anzahl von Anzeigepunkten der zu ritzenden bzw. zu schreibenden Zeichendaten in dem ROM oder der CD-ROM gemäß Fig. 6 gespeichert. Ein Signal, das diese Anzahl von Anzeigepunkten angibt, wird zu der Spannungsquelle 107 für die Laseransteuerung angelegt. Die Spannungsquelle 107 für die Laseransteuerung legt die Intensität des Erregungslichts in Abhängigkeit von diesem Signal derart fest, daß die Intensität des reproduzierten Bildes konstant ist.
Aufgrund des hohen Lichtausnutzungsgrads bei diesem Verfahren ist der Energieverbrauch aufgrund der kleinen Anzahl von Mustern, die eine große Laserausgangsleistung erfordern, niedrig, was ebenfalls hinsichtlich der Kühlung der Vorrichtung vorteilhaft ist.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Fig. 7 zeigt den Aufbau bei diesem Ausführungsbeispiel. Hierbei trifft das von der Laserquelle erzeugte Licht direkt auf den in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator auf. In der Wellenfront des von der Laserquelle abgegebenen Lichts sind Aberrationen vorhanden, die spezifisch für den Aufbau des Laser-Resonators sind. Daher wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die das Schreiben bzw. Ritzen bewirkt, während die Aberrationen korrigiert werden.
Zunächst werden die Aberrationen bereits vorab gemessen und es werden Daten (Daten für die Aberrationskorrektur), die die komplexe, konjugierte Wellenfront beschreiben, in einem Speicher gespeichert. Der Ort der Speicherung kann einen Teil des Speichers oder einen Teil des Festwertspeichers ROM bei den Gestaltungen gemäß dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel sein, oder es kann ein speziell hierfür vorgesehener Speicher separat vorgesehen sein. Weiterhin werden diese Daten auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator 104 unter Überlagerung mit den Kinoform-Daten synchronisiert mit der zeitlichen Lage des Schreibens bzw. Ritzens aufgezeichnet. Indem die Aberrationen in dem Laserstrahl auf diese Weise korrigiert werden, können korrekte Muster ohne Verzerrung geschrieben bzw. geritzt werden.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der eine Phasenmaske 801, die eine komplexe, konjugierte Wellenfront der die Aberrationen aufweisenden Wellenfront erzeugt, vor dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator angeordnet ist. Die Phasenmaske 801 wird durch Ionenätzen eines Substrats aus Glas oder Quarz hergestellt. Diese Phasenmaske kann bereits vorab auf dem Substrat auf derjenigen Seite des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators, auf die der Laserstrahl einfällt, ausgebildet werden.
Ein anamorphes bzw. anamorphotisches optisches Element oder ein anderes asphärisches optisches Element sind ebenfalls als Mittel zur Korrektur der Aberrationen wirkungsvoll.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch die Anordnung eines Lichtführungselements hinter dem in räumlicher Weise wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator gemäß dem ersten bis fünften Ausführungsbeispiel aus. Dessen Ausgestaltung wird hierbei durch Verknüpfung der Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels mit einem Lichtführungselement erläutert, das aus einer Mehrzahl von Prismen besteht.
Dessen Ausgestaltung ist in Fig. 9 gezeigt. Das vorgegebene Muster wird auf der Oberfläche des Materials 106 über die Fourier-Transformations-Linse 901 und das Lichtführungselement 902 geritzt bzw. geschrieben. Fig. 10(a) und 10(b) zeigen eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht (von oberhalb gesehen) des Lichtführungselements 902. Das Lichtführungselement 902 weist eine Mehrzahl von transparenten Prismen 1001 auf. Der Laserstrahl wandert durch diese Prismen hindurch, wobei er einer Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Prisma und der Luft unterliegt. Aufgrund der Ausnutzung dieser Totalreflexion zur Änderung der Richtung der Fortpflanzung des Laserstrahls ist der Verlust an Lichtenergie sehr viel kleiner als wenn eine Mehrzahl von metallischen Spiegeln verwendet würde. Zur Erfüllung der Bedingungen für die Totalreflexion sind die Brennweite der Fourier-Transformations-Linse 901 und die Brennweite der Linse, die auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator aufgezeichnet ist, selbstverständlich bereits vorab festgelegt.
Die Verwendung eines Lichtführungselements macht es möglich, die Länge des Lichtpfads zu verkürzen und die Vorrichtung kompakter auszugestalten.

Siebtes Ausführungsbeispiel

Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch ein optisches System mit dualer bzw. doppelter Beugung aus, das hinter dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator angeordnet ist und das eine Fourier-Transformations-Linse, ein räumliches Filter bzw. Ortsfilter und eine Hilfslinse aufweist.
Die gesamte Ausgestaltung ist in Fig. 11 dargestellt. Das vorgegebene Muster wird auf der Oberfläche des Materials 106 über das mit doppelter Beugung arbeitende optische System 1101 abgebildet und reproduziert. Der Vergrößerungsmaßstab bzw. Abbildungsmaßstab des mit doppelter Beugung arbeitenden optischen Systems 1101 kann in Abhängigkeit von dem jeweiligen Zweck frei gewählt werden.
Der Aufbau des mit doppelter Beugung arbeitenden optischen Systems ist in Fig. 12 gezeigt. Die Fourier-Transformations-Linse 1201 wird zur Reproduktion des Musters von der Kinoform verwendet, das auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator aufgezeichnet ist. Um hierbei die Länge des Lichtpfads zu verkürzen, wird eine Fourier-Transformations-Linse 1201 mit einer relativ kurzen Brennweite verwendet. Um die Beugungsbilder höherer Ordnung, die aufgrund der Anordnung der Bildelemente auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator erzeugt werden, zu beseitigen, tist ein räumliches Filter bzw. Ortsfilter 1202 nahe bei der Fourier-Transformationsebene der Fourier-Transformations-Linse 1201 angeordnet. Das räumliche Filter 1202 ist derart ausgestaltet, daß die Größe von seiner Apertur bzw. Öffnung je nach Bedarf geändert werden kann. Eine Hilfslinse 1203 ist hinter dem räumlichen Filter 1202 derart angeordnet, daß das zu reproduzierende Muster hinsichtlich seiner Größe vergrößert werden kann und auf die Oberfläche des Materials projiziert werden kann.
Die Einführung des mit doppelter Beugung arbeitenden optischen Systems ermöglicht es, Bilder höherer Ordnung und anderes störendes Streulicht zu beseitigen, so daß das vorgegebene Muster scharf eingeritzt bzw. geschrieben werden kann.

Achtes Ausführungsbeispiel

Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch einen Antriebsmechanismus für die Hilfslinse in der Ausgestaltung des siebten Ausführungsbeispiels (derjenigen Ausgestaltung, durch die ein mit doppelter Beugung arbeitendes optisches System eingegliedert wird) und durch ein Lichtführungselement aus, das an dem Lichtpfad des mit doppelter Beugung arbeitenden optischen Systems angeordnet ist.
Die Ausgestaltung ist in Fig. 13 gezeigt. Hierbei ist das räumliche Filter 1202 außerhalb des Lichtführungselements 1301 angeordnet, kann jedoch auch innerhalb des Lichtführungselements 1301 vorgesehen sein. Der Antriebsmechanismus 1302 steuert die Position der Hilfslinse 1203. Der Abbildungsmaßstab des Musters kann in einem breiten Bereich geändert werden, indem die Position der Hilfslinse 1203 durch den Antriebsmechanismus 1302 eingestellt wird. Da sich die Abbildungsebene des Musters hierbei nach hinten und vorne verschiebt, ist es notwendig, die Fourier-Transformations-Linse 1201 und das räumliche Filter 1202 zur gleichen Zeit zu verschieben. Bei dieser Ausgestaltung sind die Fourier-Transformations-Linse 1201 und das räumliche Filter 1202 an einem Trägerelement befestigt, und es muß somit lediglich das Trägerelement bewegt werden. Weiterhin kann die Größe des zu ritzenden bzw. zu zeichnenden Musters fein eingestellt werden, indem die Brennweite der Linsen-Phasenfunktion geändert wird, die den Kinoform-Daten überlagert ist.

Neuntes Ausführungsbeispiel

Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet mit einem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall- Lichtmodulator des mit Amplituden-Phasen-Modulation arbeitenden Typs, der im Stande ist, die Amplitude und die Phase der Lichtwelle gleichzeitig und unabhängig zu steuern, wobei die Amplituden und Phasensteuerung die Mittel zur Aufzeichnung der Hologrammdaten für die Musterreproduktion darstellen. Andere wesentliche Gestaltungselemente sind die gleichen wie bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen.
Fig. 14 zeigt den Aufbau des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator des mit Amplituden-Phasen-Modulation arbeitenden Typs. Bei diesem Aufbau sind ein in räumlicher Hinsicht wirkender Flüssigkristall-Lichtmodulator 1401 des verdrillt nematischen Modus (TN- Modus) und ein in räumlicher Hinsicht wirkender Flüssigkristall-Lichtmodulator 1402 des ECB- Modus miteinander mit einem geeigneten Abstand gekoppelt, wobei ihre sich jeweils entsprechenden Bildelemente einander zugewandt sind. Die Amplitude der Lichtwelle wird durch den in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator 1401 des TN-Modus moduliert, wohingegen die Phase durch den in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator 1402 des ECB-Modus moduliert wird (siehe Extended Abstracts (The 52nd Autumn Meeting 1991; 52. Herbsttreffen 1991), 10a-ZK-2, The Japan Society of Applied Physics). Die schraffierten Bereiche in dieser Figur bezeichnen die Flüssigkristallschichten in den jeweiligen, in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulatoren.
Durch Verwendung eines in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators des mit Amplituden- und Phasenmodulation arbeitenden Typs läßt sich ein gutes, dreidimensionales Bild reproduzieren, wodurch das Ritzen bzw. Schreiben auf einem Material mit gekrümmten Oberflächen unter Einhaltung hoher Qualität erleichtert wird.

Zehntes Ausführungsbeispiel

Fig. 15 zeigt den Aufbau des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators in der optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Der in räumlicher Hinsicht wirkende Flüssigkristall-Lichtmodulator weist die beiden in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulatoren a und b des mit Phasenmodulation arbeitenden Typs auf, die vorwärts und rückwärts derart angeordnet sind, daß ihre jeweils entsprechenden Bildelemente korrekt einander zugewandt sind. Die in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulatoren a und b sind beide vom Matrixansteuerungs-Typ des ECB-Modus, und ihre jeweiligen molekularen Flüssigkristall-Orientierungen verlaufen rechtwinklig zueinander. Der in räumlicher Hinsicht wirkende Flüssigkristall-Lichtmodulator a bewirkt eine Phasenmodulation von einer der beiden polarisierten Komponenten, wohingegen der in räumlicher Hinsicht wirkende Flüssigkristall-Lichtmodulator b eine Phasenmodulation der anderen, polarisierten Komponente bewirkt. In der Figur bezeichnen 1501, 1502 und 1503 das Elementsubstrat, die Flüssigkristallschicht bzw. das gegenüberliegende Substrat des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators a. In gleichartiger Weise bezeichnen 1504, 1505 und 1506 das Elementsubstrat, die Flüssigkristallschicht bzw. das gegenüberliegende Substrat des räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators b. Weiterhin bezeichnen die schraffierten Bereiche in den Flüssigkristallschichen 1502 und 1505 lichtsperrende Filme.
Wenn die gegenüberliegenden Substrate 1503 und 1504 ausreichend dünn ausgelegt werden und die Größe der Apertur des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators b optimiert wird, wird verhindert, daß gebeugtes Licht, das durch die gewünschten Bildelemente des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators a hindurchgeht, zu der Apertur der Bildelemente des räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators b unerwünscht als Störung gelangt. Die Gestaltung vor und hinter diesen in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulatoren und deren Wirkung sind die gleichen wie bei den Ausgestaltungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, mit der Ausnahme, daß die Anzahl von Treiberschaltungen der in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall- Lichtmodulatoren unterschiedlich ist.
Mit Hilfe der vorstehend angegebenen Gestaltung können alle polarisierten Komponenten des Lichts, das von der Lichtquelle ausgesandt wird, zum Ritzen bzw. Schreiben von Mustern eingesetzt werden.

Elftes Ausführungsbeispiel

Fig. 16 zeigt den Aufbau der optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung. Der Strahl, der von der Laserquelle 101 ausgesendet wird, wird durch den Strahldehner 102 und die kollimierende Linse 103 in einen erweiterten parallelen Lichtstrahl umgesetzt, wobei die Wirkung des polarisierten Strahlteilers bzw. Polarisationsstrahlteilers 1601 diesen Lichtstrahl in zwei polarisierte Komponenten aufteilt, die senkrecht aufeinander stehen und die dann auf die in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulatoren 1605a und 1605b des mit Phasenmodulation arbeitenden Typs mit ECB-Modus auftreffen. Die vorgegebenen Muster werden hierbei durch die jeweiligen, polarisierten Komponenten aufgrund der Wirkung der Kinoform-Daten des Fresnel- Transformations-Typs reproduziert, die in den in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall- Lichtmodulatoren 1605a und 1605b aufgezeichnet sind. Die Kinoform-Daten, die in den beiden, in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulatoren 1605a und 1605b aufgezeichnet sind, können gleich oder unterschiedlich sein. Die Richtungen der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle in den, in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulatoren 1605a und 1605b sind derart angeordnet, daß sie rechtwinklig zueinander verlaufen. Die beiden polarisierten Komponenten, die durch die in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall- Lichtmodulatoren 1605a und 1605b hindurchgehen, werden durch die Spiegel 1603 und 1604 geführt und in dem Polarisationsstrahlteiler 1602 wieder zusammengefaßt, von dem ausgehend sie auf das mit doppelter Beugung arbeitende optische System auftreffen. Die nachfolgende Gestaltung und Wirkung sind die gleichen wie bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen, mit Ausnahme der Anzahl von Treiberschaltungen für die in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulatoren. In der Figur bezeichnen 1606a und 1606b die jeweiligen Treiberschaltungen der Flüssigkristallelemente 1605a und 1605b. Die Beschreibungen der Steuereinrichtung, der Eingabeeinrichtung und der Laserleistungsquelle, die in der Zeichnung dargestellt sind, entfallen hierbei.
Der in Fig. 16 gezeigte Aufbau basiert auf dem siebten Ausführungsbeispiel, ist aber nicht hierauf beschränkt und kann auf irgendeinem der ersten bis achten Ausführungsbeispiele beruhen.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Gestaltung können alle polarisierten Komponenten des Lichts, das von der Laserquelle ausgesandt wird, zum Schreiben von Mustern eingesetzt werden.

Zwölftes Ausführungsbeispiel

Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch eine Einrichtung zum Messen der Oberflächenform des zu ritzenden bzw. zu beschreibenden Materials an dem Ort des Ritzens bzw. Beschreibens aus.
Die Einrichtung, die die Oberflächenform des zu beschreibenden Materials mißt, enthält ein Autofokus-Verfahren, ein Musterprojektionsverfahren und/oder ein Lichtinterferenz-Verfahren (siehe O plus E, Nummer 126, 87096 (1990)). Die Kinoform-Daten (oder Hologramm-Daten) werden durch einen Computer anhand der durch diese Einrichtungen ermittelten Form- bzw. Gestalt-Daten vorbereitet und auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator angezeigt.
Indem eine Einrichtung zum Messen der Form der Oberfläche des zu ritzenden bzw. zu beschreibenden Materials vorgesehen wird, läßt sich das Ritzen bzw. Beschreiben noch rascher auf einer Vielzahl von Materialien ohne eine spezifische Oberflächenform durchführen.

Dreizehntes Ausführungsbeispiel

Fig. 17 zeigt einen Roboter, an dem die Laser-Ritzvorrichtung gemäß der Erfindung angebracht ist. Der Roboter ist ein gelenkiger Roboter, und es ist die die bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erläuterte Laser-Ritzvorrichtung 1705 an dem Arm 1704 angebracht. Die Laserquelle 1701 ist separat von der Hauptrobotereinheit 1703 angeordnet. Der ausgesandte Strahl wird daher durch die optische Faser 1702 geführt und bestrahlt, nachdem er durch die kollimierende, in der Laser-Ritzvorrichtung 1705 angeordnete Linse zu einem parallelen Strahl umgeformt worden ist, den in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator, der ebenfalls in der Laser-Ritzvorrichtung 1705 angeordnet ist. Weiterhin wird das Muster von der Kinoform reproduziert, die auf den in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator aufgezeichnet ist, und wird auf dem Material geritzt bzw. eingeschrieben.
In Abhängigkeit von der Gestaltung des Roboters und der Arbeitsumgebung kann die optische Faser (1) entweder an der Oberfläche des Gehäuses des Roboters, oder (2) im Inneren des Gehäuses angeordnet sein. In Fig. 17 sind die Treiberschaltung für den in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator, der Speicher, der Computer usw. nicht dargestellt.
Wenn die Laser-Ritzvorrichtung an einem gelenkigen Roboter angebracht ist, ergeben sich die folgenden Möglichkeiten.
(1) Eine Vielzahl von unterschiedlichen Mustern kann auf einem Material geritzt bzw. geschrieben werden, indem die Phasenstruktur, die auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall- Lichtmodulator aufgezeichnet ist, synchron mit der Bewegung des Roboterarms aktualisiert wird.
(2) Unterschiedliche Muster können auf einer Mehrzahl von Materialien geritzt bzw. geschrieben werden, indem die Phasenstruktur, die auf dem in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall- Lichtmodulator aufgezeichnet ist, synchron mit der Bewegung des Roboterarms aktualisiert wird.
(3) Ein Schreiben mit hoher Qualität kann selbst auf komplexe Gestaltungen aufweisenden Materialien durchgeführt werden, da die Position des in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators mit hoher Genauigkeit durch Steuerung des Arms bestimmt werden kann.
Bei der Ausgestaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel können die Laserquelle, die Treiberschaltung für den in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulator, der Speicher, der Computer usw. sämtlich im Inneren des Robotergehäuses angeordnet sein.

Vierzehntes Ausführungsbeispiel

Es wird eine dreidimensionale Formungseinrichtung bzw. eine Einrichtung zur dreidimensionalen Formgebung erläutert, bei der die optische Vorrichtung gemäß der Erfindung eingesetzt wird.
Fig. 18 zeigt den Aufbau der dreidimensionalen Formungseinrichtung. Zunächst wird unter Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 1803 ein zweidimensionales Muster 1804 in einem Harzbad 1801 reproduziert, das mit einem fotohärtbaren Harz 1802 gefüllt ist. Dies bewirkt eine Aushärtung des Harzes in der Form des Musters 1804. Nachfolgend wird die Brennweite der Linsenfunktion geändert, die den Kinoform-Daten überlagert ist, es wird ein Muster, das einem anderen Teil entspricht, reproduziert, und das Harz an diesem Teil wird ausgehärtet. Durch Wiederholung dieser Vorgehensweise wird letztendlich ein dreidimensionales Objekt gebildet.
Mit Hilfe der Erfindung wird auch die Erzeugung von fleckenförmigen Störungen aufgrund des Einsatzes der in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Methode zur Multiplex-Aufzeichnung unterdrückt, wodurch es möglich wird, ein gleichförmiges Aushärten des Harzes ohne irgendwelche Ungleichmäßigkeiten zu erzielen. Beispiele für experimentelle Ergebnisse sind in Fig. 19 gezeigt. Fig. 19(a) zeigt das zu reproduzierende Muster. Es wird lediglich 1901 in dem quadratischen Bereich ausgehärtet, und es wird der Bereich außerhalb dieses Bereichs ungehärtet belassen. Wenn ein Satz von Kinoform-Daten reproduziert wird, nimmt die Intensitätsverteilung entlang der geraden Linie 1902 in Fig. 19(a) die in Fig. 19(b) gezeigte Form an. Abweichungen in dieser Intensität sind fleckenförmigen Störungen zuzuschreiben. Wenn eine Mehrzahl von Kinoform-Daten reproduziert wird, während diese aufeinanderfolgend aufgrund der Multiplex- Aufzeichnungsmethode neu geschrieben werden, werden jedoch die fleckenförmigen Störungen einer Mittelwertbildung unterzogen und es werden Abweichungen der Intensität beseitigt, wie es in Fig. 19(c) gezeigt ist. Durch ein Aushärten des Harzes in dieser Weise härtet das Harz außerhalb des quadratischen Bereichs selbst dann nur sehr wenig aus, wenn relativ starkes Licht momentan auf das Harz auftreffen sollte, da die aufsummierte Belichtung klein ist. Innerhalb des Quadrats ist jedoch die aufsummierte Belichtung überall gleichförmig und es gibt keine Ausfälle in dem Muster.
Wie vorstehend erläutert, werden, während das Harz an einer ebenen Oberfläche ausgehärtet wird, Muster reproduziert, während eine Vielzahl von Kinoform-Daten durch mehrfache Belichtungen aufeinanderfolgend neu geschrieben werden und das Aushärten des Harzes fortschreitet. Wenn es ausreichend ausgehärtet ist, wird die Brennweite der Linsenfunktion, die den Kinoform- Daten überlagert ist, geändert und es wird der gleiche Prozeß wiederholt. Aufgrund dieser Mittel wird ein dreidimensionales, hohe Qualität besitzendes Objekt gebildet.
Da der Lichtausnutzungsgrad hoch ist und da keine Notwendigkeit für eine zweidimensionale Abtastung bzw. Ablenkung des Laserstrahls bei diesem Ausführungsbeispiel vorhanden ist, können dreidimensionale Objekte rasch gebildet werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde ein in räumlicher Hinsicht wirkender Flüssigkristall- Lichtmodulator des mit Phasenmodulation arbeitenden Typs eingesetzt, jedoch kann bei Einsatz eines in räumlicher Hinsicht wirkenden Flüssigkristall-Lichtmodulators des mit Amplituden/Phasen-Modulation arbeitenden Typs ein dreidimensionales Bild insgesamt sofort reproduziert werden, wodurch die dreidimensionale Formgebung noch weiter vereinfacht wird.

Claims

1. Optische Vorrichtung zum Reproduzieren eines gewünschten Musters auf einem Objekt, mit:

einer Quelle (101) für kohärentes Licht,

einer Orts-Lichtmodulationseinrichtung (104) zum zweidimensionalen Phasenmodulieren der Wellenfront des von der Quelle (101) für kohärentes Licht stammenden Lichts,

einer Einrichtung zum Aufbringen der modulierten Wellenfront auf das Objekt, und

einer Steuereinrichtung (108 bis 110) zum Steuern der Orts-Lichtmodulationseinrichtung (104) in Abhängigkeit von Hologramm-Daten, um hierdurch ein dem gewünschten Muster entsprechendes Hologramm auf der Modulationseinrichtung (104) darzustellen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (108 bis 110) umfaßt:

eine Speichereinrichtung (206) zum Speichern von Punktmatrixdaten, die das gewünschte Muster repräsentieren,

eine Zufallszahlen-Erzeugungseinrichtung (204) zum Erzeugen einer Mehrzahl von nicht miteinander korrelierten Gruppen von Zufallszahlen, wobei jede Gruppe eine Zahl für jedes Stück der Punktmatrixdaten aufweist,

eine Multipliziereinrichtung (208) zum Erzeugen einer Mehrzahl von Produktgruppen durch Multiplikation der Punktmatrixdaten jeweils mit jeder Zufallszahlengruppe, und

eine Transformationseinrichtung (212) zum Transformieren jeder Produktgruppe in eine entsprechende Gruppe von Hologrammdaten, wobei die Gruppen von Hologrammdaten aufeinanderfolgend an die Modulationseinrichtung (104) für die aufeinanderfolgende Modulation der Wellenfront in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Hologrammen angelegt werden.

2. Optische Vorrichtung zum Reproduzieren eines gewünschten Musters auf einem Objekt, mit:

einer Quelle (101) für kohärentes Licht,

einer Steuereinrichtung (108 bis 110) zum Steuern der Orts-Lichtmodulationseinrichtung (104) in Abhängigkeit von Hologrammdaten, um hierdurch ein dem gewünschten Muster entsprechendes Hologramm auf der Modulationseinrichtung (104) darzustellen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (108 bis 110) umfaßt:

eine Speichereinrichtung zum Speichern einer jeweiligen Gruppe von Hologrammdaten für jedes auf einer Mehrzahl von Hologrammen, und

eine Einrichtung zum aufeinanderfolgenden Lesen der Gruppen von Hologrammdaten aus der Speichereinrichtung und zum Steuern der Modulationseinrichtung (104) auf der Basis der ausgelesenen Hologrammdaten derart, daß die Mehrzahl von Hologrammen aufeinanderfolgend dargestellt wird, wobei die Hologrammdaten durch

eine Einrichtung zur Bereitstellung von Punktmatrixdaten, die das gewünschte Muster repräsentieren,

eine Einrichtung zur Erzeugung einer Mehrzahl von nicht miteinander korrelierten Gruppen von Zufallszahlen, wobei jede Gruppe eine Zahl für jedes Stück der Punktmatrixdaten aufweist,

eine Einrichtung zur Erzeugung einer Mehrzahl von Produktgruppen durch Multiplikation der Punktmatrixdaten jeweils mit jeder Gruppe von Zufallszahlen, und

eine Einrichtung zum Transformieren jeder Produktgruppe in eine jeweilige Gruppe von Hologrammdaten erhalten werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die weiterhin eine Einrichtung (207, 107) zum Steuern des von der Quelle (101) für kohärentes Licht ausgesandten Lichts in Abhängigkeit von der gesamten Anzahl von nicht den Wert null aufweisenden Stücken der Punktmatrixdaten umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der jede Gruppe von Zufallszahlen eine Zufallsfolge von 1 und -1 aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Modulationseinrichtung (104) eine Orts-Flüssigkristall-Lichtmodulationseinrichtung aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Lichtmodulationseinrichtung zwei Flüssigkristall-Orts-Lichtmodulationseinrichtungen (1501 bis 1503 a, b) des mit Phasenmodulation arbeitenden Typs aufweist, die derart aneinandergesetzt sind, daß sich ihre entsprechenden Bildelemente jeweils korrekt gegenüberliegen und die Orientierungen der Direktoren ihrer Flüssigkristallmoleküle rechtwinklig zueinander verlaufen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Lichtmodulationseinrichtung eine Flüssigkristall-Orts-Lichtmodulationseinrichtung des mit Amplituden und Phasenmodulation arbeitenden Typs ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Lichtmodulationseinrichtung eine Flüssigkristall-Orts-Lichtmodulationseinrichtung (1401) des im verdrillt nematischen Modus und mit Amplitudenmodulation arbeitenden Typs und eine Flüssigkristall-Orts-Lichtmodulationseinrichtung (1402) des mit elektrisch gesteuertem Doppelbrechungs-Modus und Phasenmodulation arbeitenden Typs aufweist, die derart aneinandergesetzt sind, daß sich ihre entsprechenden Bildelemente korrekt gegenüberliegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Modulationseinrichtung (104) eine Flüssigkristall-Orts-Lichtmodulationseinrichtung des mit Aktivmatrix arbeitenden Typs ist, die die gleiche Bildelementgröße sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Richtung aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Flüssigkristall-Orts-Lichtmodulationseinrichtung in optischer Weise zur Anzeigung des computer-generierten, auf der Modulationseinrichtung dargestellten Hologramms gesteuert wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Orts-Lichtmodulationseinrichtung einen ersten Strahlteiler (1601) zum Aufteilen des von der Quelle (101) für kohärentes Licht stammenden Lichts in einen ersten und einen zweiten Lichtstrahl, deren Polarisationsrichtungen rechtwinklig zueinander orientiert sind, einen ersten und einen zweiten Flüssigkristall-Orts- Lichtmodulator (1605a, 1605b), bei denen die Direktoren ihrer Flüssigkristallmoleküle rechtwinklig zueinander zum Modulieren des ersten bzw. des zweiten Lichtstrahls orientiert sind, und einen zweiten Strahlteiler (1602) zum erneuten Zusammenfassen der modulierten Lichtstrahlen umfaßt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine Fourier- Transformations-Linse aufweist, die die Wellenfront des Lichts, das durch die Orts-Lichtmodulationseinrichtung hindurchgetreten ist, empfängt und auf diese einwirkt, und das gewünschte Muster auf dem Objekt rekonstruiert.