JP2019203960A - Diffraction element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光の強度パターンを変換する機能を有する回折素子に関する。 The present invention relates to a diffraction element having a function of converting a light intensity pattern.
フレネルレンズに代表される光回折素子は、光の波動としての性質を利用して、光強度のパターンを変換する光学部品であり、様々な産業領域で用いられている。フレネルレンズは、一定の波長をもつ光について、波長のピッチでの周期性があることを利用し、一般的には肉厚のレンズを薄型化したもので、光を集光する機能を有する。フレネルレンズ以外にも、現在では波動光学を活用して、光ビームの形をさまざまに変換するような回折素子が多く開発され、用いられている。 An optical diffractive element typified by a Fresnel lens is an optical component that converts a light intensity pattern by utilizing a property as a wave of light, and is used in various industrial fields. A Fresnel lens is a thin lens made of a thin lens and has a function of condensing light by utilizing the fact that light having a certain wavelength has periodicity at a wavelength pitch. In addition to Fresnel lenses, many diffractive elements that use wave optics to convert the shape of a light beam in various ways have been developed and used.
光ビームを高い自由度で波面変換する技術に、ホログラフィーがある。ホログラフィーでは、物体光と呼ばれる多くの情報を含んだ光と、参照光と呼ばれる光とを干渉させ、このときの干渉縞を感光媒体に写し取る。この写し取られた干渉縞をホログラムと呼ぶ。このホログラムに先に用いた参照光のみを照射すると、強度と位相が変調され、作製時に用いた物体光を再生する光が生成される。つまり、この一種の回折素子により、参照光から物体光へと光ビームが変換される。ホログラフィーの原理を用いた回折素子は、非常に忠実度高く、元の物体光を再生することができる。 Holography is a technique for converting a wavefront of a light beam with a high degree of freedom. In holography, light including a lot of information called object light and light called reference light are caused to interfere with each other, and interference fringes at this time are copied onto a photosensitive medium. This copied interference fringe is called a hologram. When only the reference light previously used for this hologram is irradiated, the intensity and phase are modulated, and light for reproducing the object light used in production is generated. That is, the light beam is converted from the reference light to the object light by this kind of diffraction element. A diffractive element using the principle of holography has a very high fidelity and can reproduce the original object light.
しかし、上述したように、ホログラフィーでは入射光（参照光）の位相を変調するとともに、強度も変調する。物体光を忠実に再生するために不要な光は、吸収したり散乱したりして、取り除かれる。このため、入射光のトータルのパワーに対し、出射光（再生物体光）のパワーは減衰することは避けられず、パワーの点では、変換の効率は必ずしも十分に高くはならない。 However, as described above, in holography, the phase of incident light (reference light) is modulated and the intensity is also modulated. Light that is unnecessary to faithfully reproduce the object light is absorbed or scattered and removed. For this reason, the power of the outgoing light (reproduced object light) is unavoidably attenuated with respect to the total power of the incident light, and the conversion efficiency is not necessarily sufficiently high in terms of power.
一方、上述したホログラムとは異なり、光位相の変調のみを行い、光強度は変化させない回折素子があり、キノフォームと呼ばれている（例えば、非特許文献１参照）。キノフォームは、ガラス基板の表面に凹凸パターンを加工し、この基板に概ね垂直に入射した光の光路長に変調をかけ、これによって光位相の変調を行うが、これによって強度の変調は起こらない。前述のフレネルレンズは、このキノフォームの特殊例ともいえる。レーザ加工用途など、高いパワーの光を入射する場合、ホログラムのように光吸収がある回折素子では、吸収したパワーによる発熱で素子が破壊されることも想定され、強度変調を行わないキノフォームの方が有利なことがある。 On the other hand, unlike the hologram described above, there is a diffraction element that only modulates the optical phase and does not change the light intensity, and is called a kinoform (see, for example, Non-Patent Document 1). Kinoform processes a concavo-convex pattern on the surface of a glass substrate and modulates the optical path length of light that is incident substantially perpendicularly on the substrate, thereby modulating the optical phase, but this does not cause intensity modulation. . The aforementioned Fresnel lens is a special example of this kinoform. When high-power light is incident, such as in laser processing applications, a diffraction element that absorbs light, such as a hologram, is assumed to break down due to heat generated by the absorbed power. May be more advantageous.
位相の変調のみを行うキノフォームは、強度変調を行うホログラムよりも優れる点があるが、その代わりに、位相変調のみに制約されるため、ホログラムと同様な波面の変換は困難であり、それがパワーの変換の効率を制限していた。 A kinoform that performs only phase modulation has an advantage over a hologram that performs intensity modulation, but instead, it is limited to only phase modulation, so it is difficult to convert the wavefront in the same way as a hologram. The power conversion efficiency was limited.
本発明の目的は、強度変調を行わないキノフォームにおいて、目的の光強度パターンを高い忠実度でムラを少なく実現し、かつ、高いパワー変換効率を実現する回折素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a diffractive element that realizes a target light intensity pattern with high fidelity with less unevenness and high power conversion efficiency in a kinoform that does not perform intensity modulation.
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、回折素子面においてガウシアン関数型の光強度分布を有する入射光を、結像面において所望の光強度分布を有する出射光となるように変換する回折素子であって、前記所望の光強度分布は、ガウシアン関数型の光強度分布を有する微小な画素により規定され、前記画素が一定の間隔で直線状に配列された画素列が、前記直線と垂直な方向に複数列配置され、任意の画素列は、隣り合う画素列と前記直線と平行な方向に互いにずらして配置されており、前記所望の光強度分布に基づいて、前記回折素子面の光強度分布が決定され、該回折素子面の光強度分布における光の位相の分布から決定された厚さの分布を有することを特徴とする。 In order to achieve such an object, according to one embodiment of the present invention, incident light having a Gaussian function type light intensity distribution on a diffraction element surface is used as outgoing light having a desired light intensity distribution on an imaging surface. The desired light intensity distribution is defined by minute pixels having a Gaussian function type light intensity distribution, and the pixel array in which the pixels are linearly arranged at a constant interval Are arranged in a plurality of columns in a direction perpendicular to the straight line, arbitrary pixel columns are arranged to be shifted from each other in a direction parallel to the adjacent pixel columns and the straight line, and based on the desired light intensity distribution, The light intensity distribution on the surface of the diffraction element is determined, and has a thickness distribution determined from the light phase distribution in the light intensity distribution on the surface of the diffraction element.
本発明によれば、所望の光強度分布をガウシアン関数型の光強度分布を有する微小な画素により規定することにより、光の振幅分布の不整合がなくなり、目的の光強度パターンを高い忠実度で実現することができる。また、任意の画素列を、隣り合う画素列と平行な方向に互いにずらして配置することにより、ムラを少なくすることができ、高いパワー変換効率を実現することができる。 According to the present invention, by defining a desired light intensity distribution with a small pixel having a Gaussian function type light intensity distribution, there is no mismatch in the light amplitude distribution, and the target light intensity pattern can be obtained with high fidelity. Can be realized. Further, by arranging arbitrary pixel columns so as to be shifted from each other in a direction parallel to the adjacent pixel columns, unevenness can be reduced and high power conversion efficiency can be realized.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１に、回折素子が配置される回折素子面と結像面との関係を示す。図１においては、回折素子面１に配置された回折素子に光が入射すると、回折素子において位相変調が加えられてから、右方向に進み、結像面２において所望の像を結ぶように設計されている。回折素子面１の面内にｘｙの直交座標をおいており、さらにこれに直交するｚ座標を設定する。また、同様にして結像面２の面内にｘ’ｙ’の直交座標をおき、これに直交するｚ’座標を設定する。このような説明ではｘｙ座標の軸とｘ’ｙ’座標の軸は平行で、原点がｚ方向にずれているだけ、とするのが分かりやすく、よく用いられている。回折素子が光を反射するタイプの場合、回折素子面１と結像面２とは平行にならない場合もあり、図１はこの様子を表している。なお、本明細書では、「ベクトル」をブロック体で表したり、＜＞で囲んで表す。 FIG. 1 shows the relationship between the diffraction element surface on which the diffraction element is arranged and the imaging plane. In FIG. 1, when light enters a diffractive element disposed on the diffractive element surface 1, phase modulation is applied to the diffractive element, and then proceeds to the right and a desired image is formed on the image plane 2. Has been. In the plane of the diffractive element surface 1, xy orthogonal coordinates are set, and a z coordinate orthogonal to this is set. Similarly, x′y ′ orthogonal coordinates are set in the plane of the imaging plane 2, and z ′ coordinates orthogonal thereto are set. In such an explanation, it is easy to understand that the xy coordinate axis and the x′y ′ coordinate axis are parallel and the origin is shifted in the z direction, which is often used. When the diffractive element is of a type that reflects light, the diffractive element surface 1 and the imaging surface 2 may not be parallel, and FIG. 1 shows this state. In this specification, “vector” is represented by a block or enclosed by <>.
任意の点Ｐの座標をｘｙｚ座標で＜ｒ＞＝（ｘ，ｙ，ｚ）、ｘ’ｙ’ｚ’座標で＜ｒ’＞＝（ｘ’，ｙ’，ｚ’）としたとき、これらは直交行列Ｃによる回転とベクトル＜ｂ＞による平行移動で結ばれているとする。つまり、 When the coordinates of an arbitrary point P are <r> = (x, y, z) in xyz coordinates and <r ′> = (x ′, y ′, z ′) in x′y′z ′ coordinates, these Is connected by rotation by the orthogonal matrix C and translation by the vector <b>. That means
とする。ここで、回折素子面１でのスカラー電磁場を複素振幅でＵ（ｘ，ｙ）とすると、結像面２でのスカラー電磁場Ｕ’（ｘ’，ｙ’）は、 And Here, if the scalar electromagnetic field on the diffraction element surface 1 is U (x, y) with a complex amplitude, the scalar electromagnetic field U ′ (x ′, y ′) on the imaging surface 2 is
と表される。積分は、回折素子面内全域について行う。また、 It is expressed. The integration is performed over the entire area of the diffraction element surface. Also,
は、回折素子面１上の１点＜ｒｐ＞＝ （ｘ，ｙ，０）と結像面２上の１点＜ｒｐ’＞＝（ｘ’，ｙ’，０）との相関を表す関数であり、 Is a correlation between one point <r p > = (x, y, 0) on the diffraction element surface 1 and one point <r p '> = (x ′, y ′, 0) on the imaging surface 2. A function that represents
である。ここで、ｊは虚数単位、λ０は波長、ｋは波数であり、ｋ＝２π／λ０である。簡単な例として、ｘ’軸とｘ軸、ｙ’軸とｙ軸が平行であり、ｚ’軸とｚ軸は重なっていてｚ０のずれがある場合、 It is. Here, j is an imaginary unit, λ 0 is a wavelength, k is a wave number, and k = 2π / λ 0 . As a simple example, when the x ′ axis and the x axis, the y ′ axis and the y axis are parallel, the z ′ axis and the z axis overlap and there is a shift of z 0 ,
となるから、 So,
であるので、 So
と書くことができる。 Can be written.
以上で、回折素子面１での電磁場から結像面２での電磁場を求める方法について述べたが、逆に結像面２の電磁場から回折素子面１での電磁場を求めることも同様にできる。 The method for obtaining the electromagnetic field on the imaging surface 2 from the electromagnetic field on the diffraction element surface 1 has been described above. Conversely, the electromagnetic field on the diffraction element surface 1 can be obtained similarly from the electromagnetic field on the imaging surface 2.
ここで、＊は複素共役を表し、また、 Where * represents a complex conjugate, and
である。あるいは、 It is. Or
としてもよい。（２）式などの積分は、いわゆるホイヘンスの原理を式で表したものと考えてもよい。Ｇ（ｘ，ｙ：ｘ’，ｙ’）は、１点から周囲に放射状に伝搬してゆく球面波を表しており、回折素子面１の面上の全ての点から発生する球面波を重ねあわされたものが、結像面２の面内で形成される電磁場であると考える。あるいは、（８）式によれば、結像面２の面上の点光源から発生する球面波を重ねあわせて回折素子面１の面内の電磁場を計算する。回折素子面１に左側から入射するスカラー電磁場Ｕ０（ｘ，ｙ）なる光を、結像面２でＵ’（ｘ’，ｙ’）となるような光に変換するためには、まず結像面２のＵ’（ｘ’，ｙ’）から回折素子面１のＵ（ｘ，ｙ）を計算する。ここから、 It is good. The integration such as equation (2) may be considered as an expression of the so-called Huygens principle. G (x, y: x ′, y ′) represents a spherical wave that propagates radially from one point to the periphery, and the spherical waves generated from all points on the surface of the diffraction element surface 1 are superimposed. It is considered that what is radiated is an electromagnetic field formed in the plane of the imaging plane 2. Alternatively, according to the equation (8), the electromagnetic field in the plane of the diffraction element surface 1 is calculated by superimposing the spherical waves generated from the point light sources on the surface of the imaging plane 2. In order to convert the light of the scalar electromagnetic field U 0 (x, y) incident on the diffraction element surface 1 from the left side into light that becomes U ′ (x ′, y ′) on the imaging surface 2, first of all, U (x, y) of the diffraction element surface 1 is calculated from U ′ (x ′, y ′) of the image plane 2. from here,
となるような光変調Ｈ（ｘ，ｙ）をする機能を回折素子に持たせればよい。ところで、Ｕ０（ｘ，ｙ）などは複素数であるから、これらを、実関数二つを使って極座標表示する。 What is necessary is just to give a diffraction element the function to perform the light modulation H (x, y) as follows. By the way, since U 0 (x, y) and the like are complex numbers, they are displayed in polar coordinates using two real functions.
シンボルＡとΦとは実関数であり、シンボルＡは光の振幅、シンボルΦは光の位相を表す。また、光の強度は振幅の２乗であり、例えば、回折素子面１上での光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は、 Symbols A and Φ are real functions, symbol A represents the amplitude of light, and symbol Φ represents the phase of light. The intensity of light is the square of the amplitude. For example, the light intensity distribution I (x, y) on the diffraction element surface 1 is
となる。このような表示を用いると、（１１）式より、 It becomes. Using such a display, from equation (11):
となるように回折素子を設計すればよいことが分かる。（１３）式の後者のΦＨの方は、前述のようにガラス板などの表面を凹凸加工すれば実現できる。例えば、屈折率ｎのガラス板の表面に凹凸がついており、その厚さがｄ（ｘ，ｙ）なる分布をもっている場合、このガラス板に垂直に光を入射して透過させることにより、 It can be seen that the diffraction element should be designed so that (13) the latter [Phi H of formula, can be realized by the roughened surface such as a glass plate as described above. For example, when the surface of a glass plate having a refractive index n has irregularities and the thickness thereof has a distribution of d (x, y), by allowing light to enter and pass through the glass plate vertically,
のように位相が変調される。前者のＡＨについても、クロム膜などを用いた変調が可能である。すなわちガラス板にクロム膜を形成して、光の強度を変調する（減衰させる）ことができる。しかしこのとき、光の強度を増幅することは困難であるので、減衰させることになる（ＡＨ＜１）。その結果、光パワーの変換効率を下げることになるし、高いパワーのレーザを用いる場合には、減衰させた光パワーによる発熱で素子が破壊されてしまう。 The phase is modulated as follows. For even the former A H, it is possible modulation using the chromium film. That is, a chromium film can be formed on a glass plate to modulate (attenuate) light intensity. However, at this time, since it is difficult to amplify the intensity of light, it is attenuated (A H <1). As a result, the conversion efficiency of the optical power is lowered, and when a high power laser is used, the element is destroyed by the heat generated by the attenuated optical power.
ここで、光パワーを減衰させない最適解はＡＨ＝１である。しかしながら前述のように、回折素子面１の面内の電磁場Ｕ（ｘ，ｙ）は、結像面２の面上の点光源から発生する光波を重ねあわせたものであるので、干渉縞が発生する。これに対し、入射光にはガウシアンビームが用いられることが多いので、入射光の振幅部分であるＡ０（ｘ，ｙ）の形はＡ（ｘ，ｙ）とは大きく異なり、振幅部分を一致させることは必ずしも容易ではない。そこで、本実施形態では、このような回折素子における光の振幅分布の不整合がないように回折素子を設計する。 Here, the optimal solution that does not attenuate the optical power is A H = 1. However, as described above, the electromagnetic field U (x, y) in the plane of the diffractive element surface 1 is a superposition of light waves generated from point light sources on the surface of the imaging plane 2, and thus interference fringes are generated. To do. On the other hand, since a Gaussian beam is often used for incident light, the shape of A 0 (x, y), which is the amplitude part of the incident light, is significantly different from A (x, y), and the amplitude part is the same. It is not always easy to do. Therefore, in this embodiment, the diffractive element is designed so that there is no mismatch in the amplitude distribution of light in such a diffractive element.
本実施形態の設計手法の第１は、結像面で生成する電磁場分布Ｕ’（ｘ’，ｙ’）を、微小サイズの領域により規定する。この領域の１つ１つを、電磁場分布をＰｍｎ（ｘ’，ｙ’）を有する画素と定義する。ｍとｎは整数であり、画素の番号を示す。これを用いると、Ｕ’（ｘ’，ｙ’）は、 In the first design method of the present embodiment, the electromagnetic field distribution U ′ (x ′, y ′) generated on the imaging plane is defined by a micro-sized region. Each of the regions is defined as a pixel having an electromagnetic field distribution having P mn (x ′, y ′). m and n are integers and indicate pixel numbers. Using this, U ′ (x ′, y ′) is
と表される。また、Ｐｍｎ（ｘ’，ｙ’）も次のように極座標表示する。 It is expressed. Further, P mn (x ′, y ′) is also displayed in polar coordinates as follows.
ａｍｎ（ｘ’，ｙ’）として次のようなガウシアン関数を用いる。 The following Gaussian function is used as a mn (x ′, y ′).
ａｍｎ、Δｘ、Δｙ、ｗ０’は実定数であるが、このうちΔｘとΔｙとは画素の配列におけるピッチを表す。また、画素１個の光強度分布がａｍｎ ２（ｘ’，ｙ’）であることを考慮すると、ｗ０’は、画素の強度が１／ｅ２になる円形領域の半径（１／ｅ２半径）であることが分かる。 a mn , Δ x , Δ y , and w 0 ′ are real constants, among which Δ x and Δ y represent the pitch in the pixel array. Further, considering that the light intensity distribution of one pixel is a mn 2 (x ′, y ′), w 0 ′ is the radius (1 / e of the circular region where the pixel intensity is 1 / e 2. 2 radius).
（１６）式に出てくる関数φｍｎ（ｘ’，ｙ’）の特殊な場合として、ｘ’にもｙ’にも依存しない定数であった場合、この画素に関する光は一般的なガウシアンビームとして扱うことができる。ガウシアンビームは、空間中の伝搬に伴って振幅部分も位相部分も変化するものの、振幅部分については、大きさは変わっても形は常にガウシアン関数のまま変わらない光ビームである。つまり、結像面２内で（１７）式のような振幅関数を有し、かつ、回折素子面１内でも振幅関数がガウシアン関数になるようなガウシアンビームを実現することが可能である。従って、回折素子面１内での振幅関数を、やはりガウシアンビームである入射光の振幅関数と一致させ、ＡＨ＝１とすることが容易となり、その結果、効率的な光の変換が可能となる。 As a special case of the function φ mn (x ′, y ′) appearing in the equation (16), if the constant is independent of x ′ and y ′, the light related to this pixel is a general Gaussian beam. Can be treated as The Gaussian beam is a light beam whose amplitude part and phase part change with propagation in space, but the amplitude part is always a Gaussian function even if its size changes. That is, it is possible to realize a Gaussian beam that has an amplitude function as shown in Expression (17) in the imaging plane 2 and that has an amplitude function in the diffraction element plane 1. Therefore, it is easy to make the amplitude function in the diffraction element surface 1 coincide with the amplitude function of incident light which is also a Gaussian beam and to make A H = 1, and as a result, efficient light conversion is possible. Become.
ただし、この方法は、画素一点を生成する場合のことである。実際には、この画素を一定間隔で並べ、所望の光強度パターンを生成することが目的となる。このとき、ピッチを小さくして隣り合う画素同士がくっついた状態になっていると、大きなサイズの画素を用いたのと同じこととなってしまう。このことは、光強度パターンに対応する回折素子面１の上での光電磁場分布Ｕ（ｘ，ｙ）が、パワーの集中する領域が小さく限定されてしまい、入射光のサイズよりも小さくなって効率が低下することになる。 However, this method is a case where one pixel is generated. In practice, the purpose is to arrange these pixels at regular intervals to generate a desired light intensity pattern. At this time, if the pitch is reduced and the adjacent pixels are in contact with each other, it is the same as using a large size pixel. This is because the photoelectric magnetic field distribution U (x, y) on the diffractive element surface 1 corresponding to the light intensity pattern is limited to a region where power is concentrated, and becomes smaller than the size of the incident light. Efficiency will decrease.
図２に、ガウシアン関数型の画素を一定ピッチで配置したときの光強度分布を示す。１個の画素の１／ｅ２半径は１０μｍである。ピッチが５０μｍであった場合は、光強度の差が大きく、画素の分離がはっきりしている。ピッチを小さくするにつれ、光強度の差が小さくなって画素同士が融合し、ピッチが１３μｍになると、画素の痕跡が分からなくなる。光パワーの変換効率を高くするためには、ピッチは１／ｅ２半径よりも大きくする必要がある。ところが、ピッチを大きく取った場合は、当然のことながら光強度が強い場所と弱い場所との差が大きい。レーザ加工などの用途では、この光の強弱が、加工上のムラとして問題となる場合がある。 FIG. 2 shows the light intensity distribution when the Gaussian function type pixels are arranged at a constant pitch. The 1 / e 2 radius of one pixel is 10 μm. When the pitch is 50 μm, the difference in light intensity is large and the separation of pixels is clear. As the pitch is reduced, the difference in light intensity is reduced and the pixels are merged. When the pitch is 13 μm, the traces of the pixels are not known. In order to increase the optical power conversion efficiency, the pitch needs to be larger than the 1 / e 2 radius. However, when the pitch is increased, the difference between the place where the light intensity is strong and the place where the light intensity is weak is large. In applications such as laser processing, the intensity of this light may pose a problem as uneven processing.
そこで、本実施形態の設計手法の第２は、（１７）式で表したように碁盤の目状に規則正しく画素を配置するのではなく、結像面での画素の位置をずらして配置する。 Therefore, in the second design method of the present embodiment, the pixels are not arranged regularly in a grid pattern as expressed by the equation (17), but are arranged by shifting the pixel positions on the imaging plane.
図３に、本実施形態にかかる回折素子の設計方法における画素の配置を示す。図３（ａ）は、碁盤の目状の配置である。ｘ’方向に横一列の画素列、すなわち画素が一定の間隔で直線状に配列された画素列が、ｘ’方向と垂直な方向に複数列配置されている。これに対して図３（ｂ）は、画素列を１列おきにｘ’方向に画素をずらしている。ずらし量は、ｘ’方向のピッチの半分である。このようにずらして配置すれば、画素同士は離れているので、互いに融合することはない。従って、回折素子面１上で光パワーの集中する領域が小さく限定されたものになった結果、パワー変換効率が下がる、ということはない。 FIG. 3 shows an arrangement of pixels in the method for designing a diffraction element according to the present embodiment. FIG. 3A shows a grid-like arrangement of the grid. A plurality of pixel rows arranged in a line in the x ′ direction, that is, pixel rows in which pixels are linearly arranged at regular intervals are arranged in a direction perpendicular to the x ′ direction. On the other hand, in FIG. 3B, every other pixel column is shifted in the x ′ direction. The shift amount is half of the pitch in the x ′ direction. If the pixels are shifted in this way, the pixels are separated from each other, so that they do not merge with each other. Therefore, the region where the optical power is concentrated on the diffraction element surface 1 is limited to a small size, so that the power conversion efficiency does not decrease.
一方、光強度が強い場所と弱い場所との差が大きいことは、図３（ａ）の場合も図３（ｂ）の場合も変わりない。実際のレーザ加工の用途において、加工対象に対して図３のｙ’方向に光パターンを移動して、すなわちｙ’方向に回折素子を移動して用いる場合、光パターンの強度をｙ’方向に積分した値が、ｘ’方向にどのようなプロファイルを有するか、ということが加工精度に影響する。図３（ｂ）のパターンでは、ｘ’方向に横一列だけの画素列を取り出すとｘ’方向に５０μｍピッチのプロファイルであるが、ｙ’方向に積分した値をｘ’方向のプロファイルとすると、図２に示した２５μｍピッチのプロファイルのようになる。従って、パワー変換効率を下げることなく、強度変動の大きさによる加工上のムラは小さく抑えられる。 On the other hand, the difference between the place where the light intensity is strong and the place where the light intensity is weak is the same in both the case of FIG. 3A and the case of FIG. In an actual laser processing application, when the light pattern is moved in the y ′ direction of FIG. 3 with respect to the processing target, that is, the diffraction element is moved in the y ′ direction, the intensity of the light pattern is set in the y ′ direction. What kind of profile the integrated value has in the x ′ direction affects the machining accuracy. In the pattern of FIG. 3B, when only one horizontal pixel row is taken out in the x ′ direction, a profile with a pitch of 50 μm in the x ′ direction is obtained. If the value integrated in the y ′ direction is a profile in the x ′ direction, It becomes like the profile of 25 micrometers pitch shown in FIG. Therefore, the processing unevenness due to the magnitude of the intensity fluctuation can be suppressed to a low level without reducing the power conversion efficiency.
図３（ｂ）における画素のずらし量δｘは、δｘ＝Δｘ／２であった。図３（ｃ）は、δｘ＝Δｘ／３の場合である。この場合、ｙ’方向に積分した値をｘ’方向のプロファイルとすると、図２に示した１７μｍピッチのプロファイルのようになり、図３（ｂ）の場合よりも均一性がよくなる。 The pixel shift amount δ x in FIG. 3B was δ x = Δ x / 2. FIG. 3C shows the case where δ x = Δ x / 3. In this case, if the value integrated in the y ′ direction is taken as the profile in the x ′ direction, it becomes the profile of the 17 μm pitch shown in FIG. 2, and the uniformity is better than in the case of FIG.
一般には、画素ずらし量δｘは、 In general, the pixel shift amount δ x is
とする（Ｎは整数）。ただし、本実施形態の効果をより強くするためには、 (N is an integer). However, in order to strengthen the effect of this embodiment,
とするのが好適である。 Is preferable.
図３（ｃ）の画素の配置において、最上段のｘ’方向に横一列の画素列の位置を基準とすると、上から２段目の画素列はδｘ、３段目の画素列は２δｘだけずらしている。３段目の画素列は３δｘ＝Δｘだけずらした結果、最上段の画素列からのずれがなくなっている。同様に、一般にはトータルのずれが０の列、δｘの列、２δｘの列．．．（Ｎ−１）δｘのＮ種類の画素列がある。Ｎ種類の画素列を一組として、この一組の中では、必ずしもこの順番に縦に並んでいなくてもよく、順番は問題とならない。例えば、トータルのずれが０の列の次が（Ｎ−１）δｘの列、その次がδｘの列、さらにその次が（Ｎ−２）δｘの列、という順番に縦に並んでいてもよい。 In the pixel arrangement of FIG. 3C, when the position of the horizontal pixel row in the uppermost x ′ direction is used as a reference, the second pixel row from the top is δ x , and the third pixel row is 2δ. It is shifted by x . Pixel column of the third stage result shifted by 3δ x = Δ x, are gone deviation from the uppermost pixel row. Similarly, in general, a column with a total deviation of 0, a column of δ x, a column of 2δ x ,. . . There are (N-1) δ N types of pixel columns of x. N types of pixel columns are taken as one set, and in this set, they do not necessarily have to be arranged vertically in this order, and the order does not matter. For example, the deviation of the total is the following columns of 0 (N-1) column of [delta] x, column of the following [delta] x, further the following (N-2) δ x rows of aligned vertically in order of You may go out.
しかし、全体の光パターンの中で、これらのＮ種類の画素列は、どの画素列も全て出現回数を等しくして配置するのが好適である。例えば、Ｎ＝４の場合、トータルのずれδｘの列、２δｘの列、３δｘの列がすべて１列ずつ配置されている一方で、トータルのずれが０の画素列が２列配置された、合計５列の構成のパターンを考える。この場合、ずれが０の画素列のうちの１列を除いた４列の強度を積分すると、図２に示した１３μｍピッチのプロファイルのように非常に均一な強度となる。ここに、残っていたずれが０の１列を含めると、図２に示した５０μｍピッチのプロファイルを足し算したものとほぼ等しくなり、明らかに均一性が悪く、最後の１列がない方が良かった、ということになる。Ｎ種類の画素列の全ての出現回数を等しくして光パターンを構成するための必要条件は、整数Ｍを用いて、全列数がＭ組×Ｎ列となることである（充分条件ではない）。 However, in the entire light pattern, it is preferable to arrange these N types of pixel columns so that all the pixel columns have the same number of appearances. For example, in the case of N = 4, the total deviation δ x column, the 2δ x column, and the 3δ x column are all arranged one by one, while two pixel columns having a total deviation of 0 are arranged. Also, consider a pattern with a total of five columns. In this case, if the intensity of four columns excluding one of the pixel columns with zero deviation is integrated, the intensity becomes very uniform as in the 13 μm pitch profile shown in FIG. Including one row where the remaining deviation is 0 is almost the same as the sum of the 50 μm pitch profile shown in FIG. 2, which is clearly inferior in uniformity and should have no last row. It means that. A necessary condition for constructing a light pattern by making the number of appearances of all N types of pixel columns equal is that the number of all columns is M sets × N columns using an integer M (not a sufficient condition). ).
図４に、実施例１にかかる回折素子の目的とする光強度パターンを示す。ｘ’方向の幅が５ｍｍ、ｙ’方向の幅が２ｍｍの長方形状の光強度パターンを生成することを目的として回折素子を作製した。結像面で生成する電磁場分布Ｕ’（ｘ’，ｙ’）を、微小サイズの画素により規定するため、１／ｅ２半径ｗ０’が１０μｍのガウシアン関数型画素を、ｘ’方向、ｙ’方向ともにピッチ５０μｍで並べた構成により、近似することとした。 FIG. 4 shows a target light intensity pattern of the diffraction element according to the first example. A diffraction element was produced for the purpose of generating a rectangular light intensity pattern having a width in the x ′ direction of 5 mm and a width in the y ′ direction of 2 mm. In order to define the electromagnetic field distribution U ′ (x ′, y ′) generated on the imaging plane with pixels of a minute size, a Gaussian function type pixel having a 1 / e 2 radius w 0 ′ of 10 μm is represented in the x ′ direction, y It was approximated by a configuration where the pitch was 50 μm in both directions.
画素の配置は、図３（ｃ）に示したように、ｘ’方向に横一列の画素列ごとに位置をずらして配置する。最上端の画素列を基準とし、第２列はｘ’方向に５μｍずらし、第３列はさらに５μｍずらして合計１０μｍとして、５μｍずつずらした。Ｎは１０であり、（１９）式の条件を満たしている。この１０種類の列を一組とし、この配列がｙ’方向に４回繰り返す配置とした。このため、ｙ’方向には４０列並ぶことになり、結果として、最上段の画素の中心から最下段の画素の中心までは、正確には２ｍｍではなく、１．９５ｍｍとなった。 As shown in FIG. 3C, the pixels are arranged with their positions shifted in the horizontal direction in the x ′ direction. Using the uppermost pixel column as a reference, the second column was shifted by 5 μm in the x ′ direction, and the third column was further shifted by 5 μm, for a total of 10 μm, and shifted by 5 μm. N is 10, which satisfies the condition of the equation (19). The 10 types of rows were set as one set, and this arrangement was arranged to repeat four times in the y ′ direction. For this reason, 40 columns are arranged in the y ′ direction, and as a result, the distance from the center of the uppermost pixel to the center of the lowermost pixel is not exactly 2 mm but 1.95 mm.
回折素子面１と結像面２との間の距離Ｌは２００ｍｍとし、入射光は波長１．０６μｍのガウシアンビームで、１／ｅ２半径ｗ０は６μｍとした。 The distance L between the diffraction element surface 1 and the imaging surface 2 was 200 mm, the incident light was a Gaussian beam with a wavelength of 1.06 μm, and the 1 / e 2 radius w 0 was 6 μm.
このような光強度パターンに対して、画素ごとにランダムな位相変調を加えて関数Ｕ’（ｘ’，ｙ’）を決定し、（１０）式を用いてＵ（ｘ，ｙ）を計算した。このＵ（ｘ，ｙ）より、（１２）式に従ってΦ（ｘ，ｙ）を計算した。さらに（１３）式を用いてΦＨ（ｘ，ｙ）を決め、この位相変調を行う透過型の回折素子を、ガラス基板を用いて作製した。求めたΦＨ（ｘ，ｙ）から（１４）式によって決定した厚さの分布となるよう、表面の微細加工を行った。ただし、光の周期性を利用し、位相変調は０から２πまでとした。すなわち、整数Ｎを用いて、 For such a light intensity pattern, random phase modulation is applied to each pixel to determine a function U ′ (x ′, y ′), and U (x, y) is calculated using equation (10). . From this U (x, y), Φ (x, y) was calculated according to the equation (12). Further, Φ H (x, y) was determined using equation (13), and a transmissive diffraction element for performing this phase modulation was fabricated using a glass substrate. The surface was finely processed so as to obtain a thickness distribution determined by the equation (14) from the obtained Φ H (x, y). However, the phase modulation was set to 0 to 2π using the periodicity of light. That is, using the integer N,
を満たすような、０から２πまでに限定された位相変調ΦＨＲを用いた。 That satisfies the, using phase modulation [Phi HR which is limited to 2π 0.
ガラス板の微細加工によって作製された板状の回折素子に、上記のガウシアンビームの入射光を垂直に入射すると、目的とした図４の光強度パターンが、回折素子から２００ｍｍ離れたところに生成された。光パワーの変換効率は８０％と、良好であった。また、画素の大きさは１／ｅ２半径では１１μｍであり、画素ピッチ５０μｍと比べると小さく、光強度の変動は大きかった。規定した微小サイズの画素の位置をずらして配置することにより、光パターンの強度をｙ’方向に積分すると、強度のムラは著しく減少して、±５％以下となり、レーザ加工上のムラとしては問題とならないレベルとなった。 When the incident light of the above Gaussian beam is vertically incident on a plate-like diffraction element produced by fine processing of a glass plate, the intended light intensity pattern in FIG. 4 is generated at a distance of 200 mm from the diffraction element. It was. The optical power conversion efficiency was as good as 80%. Further, the pixel size was 11 μm at the 1 / e 2 radius, which was smaller than the pixel pitch of 50 μm, and the fluctuation of the light intensity was large. When the intensity of the light pattern is integrated in the y ′ direction by shifting the position of the specified minute pixel, the intensity unevenness is remarkably reduced to ± 5% or less. It became the level which does not become a problem.
Claims (2)
前記所望の光強度分布は、ガウシアン関数型の光強度分布を有する微小な画素により規定され、前記画素が一定の間隔で直線状に配列された画素列が、前記直線と垂直な方向に複数列配置され、任意の画素列は、隣り合う画素列と前記直線と平行な方向に互いにずらして配置されており、
前記所望の光強度分布に基づいて、前記回折素子面の光強度分布が決定され、該回折素子面の光強度分布における光の位相の分布から決定された厚さの分布を有することを特徴とする回折素子。 A diffractive element that converts incident light having a Gaussian function type light intensity distribution on a diffractive element surface to become outgoing light having a desired light intensity distribution on an imaging surface,
The desired light intensity distribution is defined by minute pixels having a Gaussian function type light intensity distribution, and a plurality of pixel columns in which the pixels are arranged in a straight line at regular intervals in a direction perpendicular to the straight line. Arranged, arbitrary pixel columns are arranged to be shifted from each other in a direction parallel to the adjacent pixel column and the straight line,
Based on the desired light intensity distribution, the light intensity distribution of the diffractive element surface is determined, and has a thickness distribution determined from the distribution of light phases in the light intensity distribution of the diffractive element surface. Diffraction element.
前記画素の前記一定の間隔をΔｘとしたとき、前記一組の画素列の中の１種類の画素列の位置を基準としたとき、他のＮ−１種類の画素列がそれぞれ、Δｘ／Ｎ、２Δｘ／Ｎ、３Δｘ／Ｎ．．．（Ｎ−１）Δｘ／Ｎだけ前記直線と平行な方向にずらして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回折素子。 The pixel columns are arranged in a plurality of columns, each including N types of pixel columns (N is an integer),
When the fixed interval between the pixels is Δ x, and the position of one type of pixel column in the set of pixel columns is used as a reference, the other N−1 types of pixel columns are respectively Δ x / N, 2Δ x / N, 3Δ x / N. . . The diffraction element according to claim 1, wherein the diffraction element is arranged so as to be shifted in a direction parallel to the straight line by (N−1) Δ x / N.
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