JP6508425B1

JP6508425B1 - 光パターン生成装置

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Publication number: JP6508425B1
Application number: JP2018529671A
Authority: JP
Inventors: ゆかり ▲高▼田; 賢一廣澤; 俊平亀山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2038-01-11
Also published as: US20200348508A1; CN111556975A; JPWO2019138479A1; EP3730977A1; WO2019138479A1; EP3730977A4

Abstract

この発明の回折光学素子は、入射光が入射される自要素の表面の位置に応じて該入射光の位相を変更する凹凸形状を表面に有し、入射光が入射されると光パターンを形成する位相分布をもつ光を出射する回折光学素子要素、を複数備え、前記複数の回折光学素子要素は、同一平面上に配置され、該複数の回折光学素子要素それぞれに入射光が入射されることによって形成される互いに異なる光パターンに対応した互いに異なる凹凸形状を表面に有し、自回折光学素子の中心部から外周部に放射状に延びた線によって区切られた自回折光学素子内の異なる領域にそれぞれ配置されることを特徴とする。この構成により、１枚の回折光学素子を用いて複数種類の光パターンを生成し、その複数種類の光パターンを切り替えることが可能となる。

Description

この発明は、レーザ光をもとに光パターンを生成する光パターン生成装置に関する。

入射光を所望の光パターンに形成する回折光学素子は、さまざまな光学装置等に適用されている。代表的なアプリケーションには、材料加工、印刷、光学計測、照明等がある。例えば、レーザ加工機では、回折光学素子は入射ビームを複数のビームに分岐する機能を果たしている。また、分岐光の位置と強度を設計することで、所望の光パターンを生成する照明装置としても適用されている。

回折格子素子(DOE(Diffractive Optical Elements))は、周期的にスリットや凹凸の形状を基盤上につけた素子であり、そのスリットや凹凸形状の影響で発生する回折光を利用し、入射光を目的の強度分布の光に変換する素子である。特に、位相型の回折光学素子は、入射光の位相分布を、像面で所望の光パターンとなるような位相分布を形成するため、振幅型の回折光学素子と比べ、入射光に対する変換後の光のエネルギー効率が非常に高い。そのため、均一な強度分布のような単純な形状だけでなく、複雑な形状の回折パターンを発生する回折光学素子としても適用されている。

従来の光パターンを切り替える方法としては、特許文献１に示すように、液晶を用いた光パターン生成装置にて、光源からの光を液晶に入射し、液晶の位相パターンを、印加電圧を変化させることで液晶を透過する光の位相分布を変化させ、光パターンの切り替えを行うものがある。

また、従来の光パターンを切り替える方法としては、特許文献２に示すように、液晶を用いた光パターン生成装置にて、光源からの光を液晶に入射し、液晶の位相パターンを、印加電圧を変化させることで液晶を透過する光の位相分布を変化させ、光パターンの切り替えを行うものがある。

また、従来の回折光学素子と回転機構を備えた装置としては、特許文献３に示すように、複数の光源を備えたプロジェクターにおいて、円盤状の1枚の素子に各光源の出力波長に応じて、凹凸形状が異なる領域を同心円状に配置した回折光学素子を回転させることにより、空間光変調器に入射する光強度分布を均一にするものがある。

なお、液晶を利用した光パターンを生成する照明装置で光パターンの切替えを行う場合、液晶の印加電圧を変化させるための電圧源が必要となるため、照明装置のサイズが大きくなり、コストも高くなる。さらに、液晶も高価であるため、装置の小型化、低コスト化が難しい。これに対して、回折光学素子を用いた光パターン生成装置では、装置の小型化、低コスト化が行える利点がある。

特開２０１４−２０９２３７号特表２０１３−５０５４７２号特開２０１３−０８４００９号

従来の回折光学素子は、ある特定の波長で像面に所望の光パターンを生成するように回折光学素子の表面凹凸形状を設計するため、１つの光パターンを生成するために、１枚の回折光学素子が必要となる。そのため、生成する光パターン数が増えるほど、必要とされる回折光学素子の数が多くなるという問題がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、複数種類の光パターンを生成し、その複数種類の光パターンの切替えを行うことのできる１枚の回折光学素子を得ることを目的とする。

本発明の光パターン生成装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光が入射される位置に応じて前記レーザ光の位相を変更する凹凸形状を表面に有し前記レーザ光が入射されると光パターンを形成する位相分布をもつ光を出射する光学素子要素を複数備え、該複数の光学素子要素が自素子の中心部から外周部に放射状に延びた線によって区切られた自素子内の異なる領域にそれぞれ配置された回折光学素子と、前記回折光学素子を回転させ、前記回折光学素子に含まれる一の回折光学素子要素に前記レーザ光が入射される状態から、前記回折光学素子に含まれる他の回折光学素子要素に前記レーザ光が入射される状態に変更させる回転機構と、を備え、前記レーザ光源はパルスによって駆動される前記レーザ光を出射し、前記複数の回折光学素子要素はそれぞれに入射光が入射されることによって形成される互いに異なる光パターンに対応した互いに異なる凹凸形状を表面に有し、前記回折光学素子に含まれる隣接する２つの回折光学素子要素はそれぞれに入射光が入射されることによって形成される互いに関連する光パターンに対応した凹凸形状、をそれぞれ表面に有し、前記回転機構は、前記隣接する２つの回折光学素子要素に含まれる一方の回折光学素子要素に前記レーザ光が入射される状態から、前記隣接する２つの回折光学素子要素に含まれる他方の回折光学素子要素に前記レーザ光が入射される状態に変更させることによって、前記隣接する２つの回折光学素子要素から動画を映し出す光パターンを形成する位相分布を持つ光を出射させ、前記回転機構は前記パルスのパルスタイミングに合わせて、前記回折光学素子を回転させることを特徴とする。

本発明によれば、１枚の回折光学素子を用いて複数種類の光パターンを生成し、その複数種類の光パターンを切り替えることが可能となる。

実施の形態１に係る回折光学素子３及び光パターン生成装置１００の構成例。実施の形態１に係る回折光学素子３の配置の一例。実施の形態１に係る回折光学素子３の一動作例。実施の形態１に係る回折光学素子３の図３と異なる一動作例。実施の形態１に係る回折光学素子３により生成される光パターン例を示す図。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回折光学素子３及び光パターン生成装置１００の一構成例を示す図である。光パターン生成装置１００は、１つのレーザ光源１と、１つの回転機構２と、１枚の回折光学素子３と、を備える。図面に垂直な方向をｘ軸方向、レーザ光の光軸５に垂直であり、図面に平行な方向をｙ軸方向、光軸５に平行な方向をｚ軸方向とする。

回折光学素子３は、ガラスや樹脂からなる、周期的にスリットや凹凸の形状を基盤上につけた光学素子であり、そのスリットや凹凸形状の影響で発生する回折光を使用し、回折光学素子３に入射した光を像面５で目的の強度分布の光に変換する。回折光学素子３により生成された位相分布のフーリエ変換像が、伝搬後に生成される光パターンとなる。例えば、位相分布が矩形関数である場合、伝搬後の光パターンは、矩形関数のフーリエ変換像であるsinc関数となる。すなわち、回折光学素子３は入射光の入射される表面上の位置に応じて入射光の位相を変更する凹凸形状を表面に有し、入射光が入射されると光パターンを形成する位相分布をもつ光を出射する。スリットや凹凸形状の構造によって、回折光学素子３の出射面での光の位相分布が生成されるため、一種の凹凸形状構造の回折光学素子３で生成される光パターンは、一種の光パターンとなる。そのため、従来技術では、複数の光パターンを生成する場合は、光パターンの種類ごとに回折光学素子が必要となる。

また、回折光学素子３の表面形状設計方法としては、反復フーリエ変換法がよく用いられる。反復フーリエ変換法は、離散フーリエ変換の周期性を用いた計算アルゴリズムであり、分布の周期性を前提条件として計算されるため、実際の回折光学素子３の凹凸形状分布も、反復フーリエ変換法で求めた位相分布を複数並べた周期的な分布となっている。入射光が1つの位相分布を透過する場合、生成される光パターンは、回折光学素子３出射面での位相分布と矩形関数との畳込み積分となるため、設計に用いた強度分布よりもぼけた分布となる。そのため、現在使用されている回折光学素子３は、位相分布が複数枚並んだものが使用されている。位相分布の繰返し数が多いほど、干渉による強め合い強度が大きくなるため、より明暗が強い光パターンが生成される。よって、回折光学素子３全面を光が透過せず、一部透過する場合でも光パターンを生成することができきる。生成される光パターンは固定であるため、回折光学素子３を平面内で回転させた場合は、回転に応じて生成される光パターンも回転する。

図２は、本実施の形態における回折光学素子３の一構造例を示している。回折光学素子３は、中心角θごとに異なる凹凸形状分布を同一平面上にもつ。回折光学素子３の中心を中心としてｎ等分した場合、中心角θは２π／ｎとなる。図２の回折光学素子要素（以下、素子要素）１１−１と１１−２、素子要素１１−（ｋ−１）と１１−ｋは、それぞれ隣り合う互いに異なる凹凸形状分布を持つ素子要素である。なお、ｋ＝１，２，３，．．．，ｎである。ここで、素子要素は全部でｎ個存在する。素子要素１１−ｋは、素子要素１１−１から反時計回り方向にｋ−１番目の素子要素である。素子要素の中心線１２−ｋは、素子要素１１−ｋの中心から円周に向かう素子要素の中心線であり、素子要素１１−ｋの中心角を等分する。素子要素の中心線１２−ｋの方向は、回折光学素子３の中心を原点とした場合、(ｘ_ｋ，ｙ_ｋ)となる。素子要素１１−１の中心線１２−１の方向を(ｘ_１，ｙ_１)とした場合、素子要素１１−ｋの中心線１２−ｋの方向(ｘ_ｋ，ｙ_ｋ)は、以下のように定義される。
ｘ_ｋ＝ｘ₁・ｃｏｓ（（ｋ−１）θ）−ｙ₁・ｓｉｎ（（ｋ−１）θ）
ｙ_ｋ＝ｘ₁・ｓｉｎ（（ｋ−１）θ）−ｙ₁・ｃｏｓ（（ｋ−１）θ）

回折光学素子３は、各素子要素１１−１〜ｋの中心線の方向が光パターンの中心方向となるように設計される。例えば、素子要素１１−１で生成される１つの光パターンを素子要素１１−１の中心線方向が下方向となるときに映すように設計した場合、その他の素子要素も素子要素の中心線方向が下方向になるときにその素子要素で生成される光パターンを映すように設計する。

なお、凹凸形状は、図２に示すように、扇状の全領域に付与する必要はなく、扇状の一部領域内の光が透過する領域に付与されていれば良い。

図２に示す回折光学素子３の構成は一例であり、必ずしも同一の中心角度θごとに異なる凹凸形状の分布をもつ素子要素によって構成されなくてもよい。例えば、素子要素ごとに中心角度が異なる構成であってもよい。また、複数の素子要素１１−１〜ｋは必ずしも直線で区切られていなくてもよく、複数の素子要素１１−１〜ｋが同一平面上に配置され、回折光学素子３の中心部から外周部に放射状に延びた線によって区切られた自回折光学素子内の異なる領域にそれぞれ配置される構成であればよい。

回転機構２は、回転モータを備え、光軸４に平行な方向を中心に回折光学素子３を回転させる機構である。

レーザ光源１は、単一波長のレーザ光を出射する光源である。このレーザ光源１としては、例えば半導体レーザ、ファイバレーザ又は、固体レーザが用いられる。

光軸４は、レーザ光源１から出射される光が光学系の中心を通る対称軸である。

像面５は、光パターンを映し出す面であり、入射した光を反射または散乱し、光パターンを映し出す面である。像面５は、回折光学素子３から、回折光学素子３の出射光のフラウンホーファ領域となる距離に位置する。

次に、実施の形態１に係る光パターン生成装置１００の動作について説明する。

レーザ光源１から出射されたレーザ光は、回折光学素子３に入射される。回折光学素子３に入射されたレーザ光は、回折光学素子３により位相変調され、表面の凹凸形状に応じた位相分布となる。回折光学素子３から出射された光は、伝搬し、像面５に凹凸形状に応じた位相分布をもつ波面のフーリエ変換像である、光パターンを生成する。

図３は、回折光学素子３にレーザ光源１からのレーザ光が入射する位置を示している。図３に示す回折光学素子３の斜線部は、レーザ光が入射する位置を示している。なお、光軸４は斜線部の領域内であればよく、入射光が斜線部の全領域を透過する必要はなく、一部を透過すれば良い。図３は回折光学素子３の回転前の状態を図４は角度θの時計回りに回転した後の状態を示している。なお、説明のため、回転方向は時計回りの例を示したが、回転方向は、時計回りに限らずレーザ光が入射する素子要素１１−１〜ｋが変わる方向であればよい。また、回転方法は、連続的に変化するように動作しても良く、または、各素子要素１１−１〜ｋが光軸４上に来たときに停止するように動作しても良い。

次に、像面５で光パターンの切替えを行う実施の形態１の効果について説明する。

図５は、像面５に生成される回折光学素子３の回折光による光パターンの一例を示している。素子要素１１−１、素子要素１１−２の位相分布はそれぞれ図５（ａ）、図５（ｂ）に示す光パターンを目標の強度分布として設計される。

回折光学素子３の光パターンの状態が図５（ａ）で示す状態の場合、レーザ光源１からのレーザ光は素子要素１１−１を透過する。すなわち、図５（ａ）に示す素子要素１１−１による光パターンが像面５に生成される。回折光学素子３の光パターンの状態が、図５（ａ）から回折光学素子３の中央を中心として角度θの時計回りに回転した図５（ｂ）の場合、レーザ光源１から出射されたレーザ光は、素子要素１１−２を透過する。各素子要素１１−１〜ｋの中心線方向が下方向となるときに光パターンが映されるように設計されている場合には、図５（ｂ）に示す素子要素１１−２による光パターンが像面５に生成される。なお、複数の素子要素１１−１〜ｋのそれぞれは、それぞれの素子要素１１−１〜ｋが回折光学素子３の中心部に対して特定の方向に位置するときに形成する光パターン、に対応した凹凸形状を表面に有する構成であればよく、各素子要素１１−１〜ｋの中心線方向が下方向となるときに光パターンが映されるように設計されていなくても構わない。

仮に、素子要素１１−１の中心線方向が下方にある状態で図５（ａ）の光パターンとなるように設計され、素子要素１１−１の中心線方向が下方にある状態で素子要素１１−２の光パターンの設計が素子要素１１−１と同じ向きに行われるとする。このとき、素子要素１１−２の中心線が下方にある状態で素子要素１１−２を透過した光が生成する光パターンは、図５（ｃ）のように角度θ回転した光パターンとなる。よって、素子要素１１−１〜ｋごとに生成する光パターンの向きを変えて設計することにより、回折光学素子３が回転しても、図５（ｂ）に示すように光パターンは回転しないという効果を得ることができる。

さらに、隣り合う素子要素１１−１〜ｋによってできる光パターンを関連する光パターンとなるように設計して光パターンの切替えを行うことで、静止画の光パターンを動画として映し出すことができる。関連する光パターンとは、例えば光パターンの一部のみ異なり、その他の部分が同一である光パターンである。

図５（ａ）と図５（ｂ）は互いに関連する光パターンの一例を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）の矢印形状の直線部が図５の（ａ）よりも長くなった光パターンである。図５（ａ）と図５（ｂ）を切替えて映し出すことにより、矢印が動く動画のように映し出すことができる。

以上より、異なる凹凸形状の分布をもつ素子要素１１−１〜ｋを中心角度ごとに配置した１枚の回折光学素子３と、回折光学素子３を回転する回転機構２を用いる構成により、１枚の回折光学素子３で複数の光パターンを切替えて映し出すことができるという効果がある。

さらに、同一面上で異なる凹凸形状をもつ回折光学素子３において、素子要素１１−１〜１１−ｋごとに光パターンの設計方向を変えることにより、回折光学素子３を回転させた場合でも、光パターンを回転させることなく切替えて映し出すことができる。

以上の通り、実施の形態１によれば、異なる凹凸形状の分布をもつ素子要素１１−１〜ｋを中心角度ごとに配置した回折光学素子３を回転させることにより、１枚の回折光学素子３で、複数の光パターンを切替えて映し出すことができる。したがって、１枚の回折光学素子３を使用したパターン生成装置１００であっても、１枚の回折光学素子３と、回折光学素子３を回転する回転機構２とを使用することにより、複数の光パターンを切替えて映し出せるという効果がある。

また、一つの素子要素により生成される光パターンと、その素子要素と隣り合う素子要素によって生成される光パターンとを関連ある光パターンにすることにより、１枚の回折光学素子３を用いた光パターン生成装置１００にて、２つの光パターンを切替えて表示させた場合に、ある光パターンが動いている動画のように映し出すことができる。

さらに、光源１の駆動方法に関しては、連続駆動（ＣＷ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）駆動）またはパルス駆動のどちらの場合でも同様の効果を成すことが可能であるが、例えば光源１の駆動方法をパルス駆動とし、パルスのタイミングを図５（ａ）の状態と図５（ｂ）の状態とを切替えるタイミングと同期させる、つまり、回折光学素子３の素子要素１１−１または素子要素１１−２に光軸４がある場合は光源１をＯＮとし、回折光学素子３が回転動作中のときは、光源１をＯＦＦとする。この構成を用いれば、回折光学素子３に入射する光が、２つの素子要素を含む領域を透過する、例えば素子要素１１−１と素子要素１１−２の両方を含む素子を透過する場合に、像面５にどの素子要素による光パターンでもない像が映し出されることを避けることができる。

よって、実施の形態１によれば、光源１の駆動方法を、パルス駆動とし、回折光学素子３の動きとパルスのＯＮ／ＯＦＦ切替えを、同期させることにより、像面５に各素子要素による光パターン以外の像が映ることを防ぐことができるという効果がある。

さらに、一般的に回折光学素子３は、１枚の板状の基板上に設計位相分布に応じた凹凸形状を形成し、その後、１つの素子に切り出しを行うことで製造される。従って、図２に示すような、位相分布が異なる素子要素を複数備える１枚の回折光学素子３であっても、位相分布が異なる各素子要素をそれぞれ製造し、組み合わせなくても、１度の製造で、位相分布が異なる素子要素を複数備える回折光学素子３を生成することができる。従って、光パターンごとに回折光学素子３を製造する場合よりも、製造工程が少なくなり、凹凸形状を生成するためのマスクの種類も少なくできる。その結果、製造コストを低減することができる。

よって、実施の形態１によれば、複数の位相分布が異なる素子要素を１枚の素子に生成することにより、光パターンごとに回折光学素子３を製造する場合よりも、製造工程や凹凸形状を生成するためのマスクの種類も少なくできる。その結果、製造コストを低減できるという効果がある。

なお、特許文献３に見られる従来のプロジェクターでは、互いに波長が異なる光の回折光学素子への入射位置に応じて表面の凹凸形状分布を変化させて、空間光変調器に入射する光の強度分布を均一化している。特許文献３に見られる従来技術は、光の強度分布を均一化するものの、回折光学素子の回転によって複数種類の光パターンを生成することはできず、光パターンの切替えを行うこともできない。

このように、本実施の形態に係る回折光学素子３は、入射光が入射される自要素の表面の位置に応じて該入射光の位相を変更する凹凸形状を表面に有し、入射光が入射されると光パターンを形成する位相分布をもつ光を出射する回折光学素子要素１１−１〜ｋ、を複数備え、複数の回折光学素子要素１１−１〜ｋは、複数の回折光学素子要素１１−１〜ｋそれぞれに入射光が入射されることによって形成される互いに異なる光パターン、に対応した互いに異なる凹凸形状を表面に有し、同一平面上に配置され、自回折光学素子３の中心部から外周部に放射状に延びた線によって区切られた自回折光学素子内の異なる領域にそれぞれ配置されることを特徴とする。この構成によって、１枚の回折光学素子３で複数の光パターンを映し出すことができる。

また、本実施の形態に係る回折光学素子３において、複数の回折光学素子要素１１−１〜ｋは、複数の回折光学素子要素１１−１〜ｋそれぞれが自回折光学素子３の中心部に対して特定の方向に位置するときに入射光が入射されることによって形成される光パターン、に対応した凹凸形状をそれぞれ表面に有することを特徴とする。この構成によって、回折光学素子３が回転した場合でも、光パターンの向きが回転することなく光パターンを映し出すことができる。

また、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００は、レーザ光を出射するレーザ光源１と、前記レーザ光を入射光とする回折光学素子３と、回折光学素子３を回転させ、回折光学素子３に含まれる一の回折光学素子要素に前記レーザ光が入射される状態から、回折光学素子３に含まれる他の回折光学素子要素に前記レーザ光が入射される状態に変更させる回転機構３と、を備えることを特徴とする。この構成によって、レーザ光の指向性により、回折光学素子３内の一つの素子要素内に光を透過させることができる。

また、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００では、レーザ光は単一波長であることを特徴とする。この構成によって、単一波長のレーザ光が入射された際にそのレーザ光の位相を変更する凹凸形状を表面に備えた回折光学素子３を用いて、複数のパターンを切替えて映し出すことができる。

また、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００では、回折光学素子３に含まれる隣接する２つの回折光学素子要素１１−１〜ｋは、該２つの回折光学素子要素それぞれに入射光が入射されることによって形成される互いに関連する光パターン、に対応した凹凸形状をそれぞれ表面に有することを特徴とする。この構成によって、静止画の光パターンを動画として映し出すことができる。

また、本実施の形態に係る光パターン生成装置１００では、レーザ光源３はパルスによって駆動されるレーザ光を出射し、回転機構２は前記パルスのパルスタイミングに合わせて、回折光学素子３を回転させることを特徴とする。この構成によって、像面５に各素子要素１１−１〜ｋによる光パターン以外の像が映ることを防ぐことができる。

１：光源、２：回転機構、３：回折光学素子、４：光軸、５：像面、１１−１〜ｋ：回折光学素子要素、１２−１〜ｋ：素子要素の中心線、１００：光パターン生成装置

Claims

レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光が入射される位置に応じて前記レーザ光の位相を変更する凹凸形状を表面に有し前記レーザ光が入射されると光パターンを形成する位相分布をもつ光を出射する光学素子要素を複数備え、該複数の光学素子要素が自素子の中心部から外周部に放射状に延びた線によって区切られた自素子内の異なる領域にそれぞれ配置された回折光学素子と、
前記回折光学素子を回転させ、前記回折光学素子に含まれる一の回折光学素子要素に前記レーザ光が入射される状態から、前記回折光学素子に含まれる他の回折光学素子要素に前記レーザ光が入射される状態に変更させる回転機構と、を備え、
前記レーザ光源はパルスによって駆動される前記レーザ光を出射し、
前記複数の回折光学素子要素はそれぞれに入射光が入射されることによって形成される互いに異なる光パターンに対応した互いに異なる凹凸形状を表面に有し、前記回折光学素子に含まれる隣接する２つの回折光学素子要素はそれぞれに入射光が入射されることによって形成される互いに関連する光パターンに対応した凹凸形状、をそれぞれ表面に有し、
前記回転機構は、前記隣接する２つの回折光学素子要素に含まれる一方の回折光学素子要素に前記レーザ光が入射される状態から、前記隣接する２つの回折光学素子要素に含まれる他方の回折光学素子要素に前記レーザ光が入射される状態に変更させることによって、前記隣接する２つの回折光学素子要素から動画を映し出す光パターンを形成する位相分布を持つ光を出射させ、
前記回転機構は前記パルスのパルスタイミングに合わせて、前記回折光学素子を回転させる
ことを特徴とする光パターン生成装置。
前記複数の回折光学素子要素は、該複数の回折光学素子要素それぞれが自回折光学素子の中心部に対して特定の方向に位置するときに前記レーザ光が入射されることで形成される光パターンに対応した凹凸形状、をそれぞれ表面に有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光パターン生成装置。
前記レーザ光は単一波長であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光パターン生成装置。