JP3475947B2 - Optical device - Google Patents
Optical deviceInfo
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- JP3475947B2 JP3475947B2 JP2001282208A JP2001282208A JP3475947B2 JP 3475947 B2 JP3475947 B2 JP 3475947B2 JP 2001282208 A JP2001282208 A JP 2001282208A JP 2001282208 A JP2001282208 A JP 2001282208A JP 3475947 B2 JP3475947 B2 JP 3475947B2
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- spatial light
- liquid crystal
- light modulator
- data
- crystal spatial
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- Laser Beam Processing (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、コヒーレント光
源と空間光変調器を組み合わせて応用した、パターン再
生のための光学装置、および、この光学装置を用いた
光加工システム、に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical device for reproducing a pattern, which is applied by combining a coherent light source and a spatial light modulator, and an optical processing system using the optical device.
【背景技術】ここでは、光を利用したパターン刻印技術
を引用しながら、従来の技術について説明する。BACKGROUND ART Here, a conventional technique will be described with reference to a pattern marking technique using light.
【0002】従来の光を利用したパターン刻印装置(レ
ーザ刻印装置)には、大きく分けて次のふたつの方式が
あった。The conventional pattern engraving device (laser engraving device) using light is roughly divided into the following two systems.
【0003】(1)レーザビーム走査方式
(2)マスク方式
(1)の方式では、ガルバノミラーやポリゴンミラーに
より、レーザビームをパターンに合わせて2次元的に走
査して、試料へ刻印をおこなっていた(特開昭56−1188
60)。(1) Laser beam scanning system (2) Mask system (1) system uses a galvano-mirror or a polygon mirror to two-dimensionally scan a laser beam according to a pattern to imprint a sample. (Japanese Patent Laid-Open No. 56-1188
60).
【0004】他方、(2)の方式では、刻印したいパタ
ーンが開口部として形成されたマスクへレーザビームを
照射して、結像レンズで試料上へパターンを縮小投影し
て刻印をおこなっていた。マスク媒体には、初期の頃
は、金属板へ開口を形成したものが使用されていた。し
かし、マスク製作に要する費用と工数がかさむため、近
年では、液晶空間光変調器が可変マスクとして注目され
るようになってきた。On the other hand, in the method (2), a mask having a pattern to be marked as an opening is irradiated with a laser beam, and the pattern is reduced and projected onto a sample by an imaging lens to carry out marking. In the early days, a mask medium used had a metal plate with openings formed therein. However, the liquid crystal spatial light modulator has been attracting attention as a variable mask in recent years because the cost and man-hours required to manufacture the mask are high.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本願発明は、原画像パタ
ーンは原画像パターンデータにより表現し、波面を有す
る光を出射するコヒーレント光源と、前記コヒーレント
光源から出射された光の波面を制御することにより複数
の画像パターンを前記物体上に再生するための書き換え
可能な空間光変調器と、複数の計算機ホログラムデータ
を生成し、前記計算機ホログラムデータを前記書き換え
可能な空間光変調器へ時系列に供給するためのデータ処
理手段とを備えた原画像パタ−ンを物体上に再生する光
学装置であって、前記データ処理手段は、原画像パター
ンデータを記憶する手段と、複数の統計的に互いに相関
がないランダム位相分布を生成する手段と、前記原画像
パターンデータと前記複数のランダム位相分布の各々と
を掛け合わせることにより複数のデータセットを生成す
る手段と、前記複数のデータセットを変換することによ
り複数の計算機ホログラムをフレーム単位で生成する手
段とを含み、前記データ処理手段により複数の計算機ホ
ログラムデータは前記書き換え可能な空間光変調器へフ
レーム単位で供給され、前記書き換え可能な空間光変調
器から再生された画像パターンは次々に前記物体上へ投
射する手段と、前記再生された複数の画像パターンが物
体上のほぼ同じ位置において次々に重ねられ、積分され
ることにより原画像パターンが再生される手段とを、有
することを特徴とする。また、前記ランダム位相分布
は、ふたつの数“1”と“−1”の配列からなることを
特徴とする。また、前記データ処理手段は、画像パター
ンのうち光学的に再生される領域に対応するドットを計
数する手段を備え、計数されたドット数の増減に合わせ
て前記コヒーレント光源の出力を増減することを特徴と
する。また、前記空間光変調器は液晶空間光変調器であ
ることを特徴とする。また、前記液晶空間光変調器が位
相変調型であるでことを特徴とする。また、前記液晶空
間光変調器がふたつの位相変調型液晶空間光変調器から
成り、前記ふたつの位相変調型液晶空間光変調器対向す
る画素を揃えて配置され、かつ、それぞれの位相変調方
位が直交するように配置されて成ることを特徴とする。
また、前記データ処理手段は、画像パターンのうち光学
的に再生される領域に対応するドット数を記憶する手段
を備え、前記ドット数の増減に合わせて前記コヒーレン
ト光源の出力を増減することを特徴とする。また、前記
光学装置において、フーリエ変換レンズを備え、前記フ
ーリエ変換レンズが前記位相変調型液晶空間光変調器を
通過した光の波面に作用することにより原画像パターン
を前記物体上に再生することを特徴とする。また、前記
光学装置において、位相変調型液晶空間光変調器がアク
ティブマトリクス方式により駆動され、かつ、前記位相
変調型液晶空間光変調器の画素間隔が水平方向と垂直方
向とで等しいことを特徴とする。また、前記光学装置に
おいて、位相変調型液晶空間光変調器が光書き込み方式
により駆動されることを特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to an original image pattern.
Is expressed by original image pattern data and has a wavefront
And a coherent light source that emits light
Multiple by controlling the wavefront of the light emitted from the light source
Rewriting to reproduce the image pattern of
Spatial light modulator and multiple computer generated hologram data
And rewrite the computer generated hologram data
Data processing for time-sequential supply to a possible spatial light modulator
Management means and the original image pattern with a - a down optical device for reproducing on an object, said data processing means includes means for storing an original image pattern data, a plurality of statistically random phase there is no correlation with each other Means for generating a distribution, means for generating a plurality of data sets by multiplying the original image pattern data and each of the plurality of random phase distributions, and a plurality of computers by converting the plurality of data sets A plurality of computer hologram data are supplied to the rewritable spatial light modulator by the data processing means in a frame unit and reproduced from the rewritable spatial light modulator. The image patterns are projected onto the object one after another, and the reproduced image patterns are substantially the same as each other on the object. It superimposed one after another in the original image pattern by being integral, characterized in that the means to be played has. Further, the random phase distribution is composed of an array of two numbers "1" and "-1". Further, the data processing means includes means for counting dots corresponding to an optically reproduced area in the image pattern, and adjusts to increase or decrease in the number of counted dots.
And increasing or decreasing the output of the coherent light source. Further, the spatial light modulator is a liquid crystal spatial light modulator. The liquid crystal spatial light modulator is of a phase modulation type. Further, the liquid crystal spatial light modulator is composed of two phase modulation type liquid crystal spatial light modulators, the two phase modulation type liquid crystal spatial light modulators are arranged so that pixels facing each other are aligned, and each phase modulation direction is It is characterized in that they are arranged so as to be orthogonal to each other.
Further, the data processing means includes means for storing the number of dots corresponding to an optically reproduced area of the image pattern, and increases or decreases the output of the coherent light source in accordance with the increase or decrease in the number of dots. And In the optical device, a Fourier transform lens is provided, and the Fourier transform lens acts on a wavefront of light passing through the phase modulation type liquid crystal spatial light modulator to reproduce an original image pattern on the object. Characterize. In the optical device, the phase modulation type liquid crystal spatial light modulator is driven by an active matrix method, and the pixel intervals of the phase modulation type liquid crystal spatial light modulator are equal in the horizontal direction and the vertical direction. To do. Further, in the above optical device, the phase modulation type liquid crystal spatial light modulator is driven by an optical writing method.
【0006】上記の他にも、液晶空間光変調器を開口マ
スクとして使ったレーザ刻印装置に関する出願がいくつ
かある。これまでに検索した範囲で抽出できたものを以
下にあげておく。
特開昭62−127710、特開昭1−257821、U.S.Patent N
o. 4586053、U.S.Patent No. 4734558、U.S.Pat
ent No. 4818835、U.S.Patent No. 4937424.In addition to the above, there are several applications for a laser marking device using a liquid crystal spatial light modulator as an aperture mask. The following are the items that can be extracted in the range searched so far. JP-A-62-127710, JP-A-1-257821, U.S. Pat. S. Patent N
o. 4586053, U. S. Patent No. 4734558, U. S. Pat
ent No. 4818835, U. S. Patent No. 4937424.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかし従来のレーザ刻
印装置には、液晶空間光変調器に表示された濃淡のパタ
ーンをマスクとして用いるために、光利用効率が低いと
いう問題があった。このために、少数文字列や線画像な
どのように焼き付けたいパターンの総面積が小さい場合
には、大出力のレーザ光源(あるいは励起光源)が必要
になり、生産効率を著しく低めるという問題があった。
また、曲面へのパターンの刻印を実行するには、レン
ズ、ミラーなどの光学素子を奥行き方向へ高速に運動さ
せる必要があり、装置構成が著しく複雑になるという問
題点もあった。However, the conventional laser marking device has a problem that the light utilization efficiency is low because the light and shade pattern displayed on the liquid crystal spatial light modulator is used as a mask. For this reason, when the total area of the pattern to be printed is small, such as a small number of character strings or line images, a large output laser light source (or excitation light source) is required, which causes a problem of significantly lowering production efficiency. It was
In addition, in order to carry out marking of a pattern on a curved surface, it is necessary to move optical elements such as lenses and mirrors in the depth direction at high speed, which causes a problem that the device configuration becomes extremely complicated.
【0008】本発明はこのような問題点を解決するもの
であって、その目的は、簡便な手段により、光利用効
率が高くかつ曲面へのパターン劾印が可能な光学装置を
提供することと、簡便な手段により、光利用効率が高
くかつ曲面の立体成形が可能な光学装置を提供すること
と、これらの装置をロボットヘ搭載して、汎用性の高
い光加工システムを提供することにある。The present invention is to solve such a problem, and an object thereof is to provide an optical device having a high light utilization efficiency and capable of marking a curved surface with a pattern by a simple means. An object of the present invention is to provide an optical device having a high light utilization efficiency and capable of three-dimensionally molding a curved surface by a simple means, and to provide a versatile optical processing system by mounting these devices on a robot.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明は、コヒーレント
光源と、前記コヒーレント光源から出射されたビームの
波面を制御する位相変調型の空間光変調器と、前記空間
光変調器により波面が制御されたビームを試料の表面に
照射するフーリエ変換レンズとを有する光学装置であっ
て、前記空間光変調器の駆動回路に制御信号を送る制御
装置は、再生パターンデータを入力する手段より得られ
るデータと乱数発生回路により発生させるデータをかけ
合わせ、フーリエ変換し、前記駆動回路に制御信号を送
る手段とを備えていることを特徴とする。また、原画像
パタ−ンを物体上に再生する光学装置において、前記原
画像パターンは原画像パターンデータにより表現され、
前記光学装置は、波面を有する光を出射するコヒーレン
ト光源と、前記コヒーレント光源から出射された光の波
面を制御することにより複数の画像パターンを前記物体
上に再生するための書き換え可能な空間光変調器と、複
数の計算機ホログラムデータを生成し、前記計算機ホロ
グラムデータを前記書き換え可能な空間光変調器へ時系
列に供給するためのデータ処理手段とを備え、前記デー
タ処理手段は、原画像パターンデータを記憶する手段
と、複数の統計的に互いに相関がないランダム位相分布
を生成する手段と、前記原画像パターンデータと前記複
数のランダム位相分布の各々とを掛け合わせることによ
り複数のデータセットを生成する手段と、前記複数のデ
ータセットを変換することにより複数の計算機ホログラ
ムを前記空間光変調器にフレーム単位で生成する手段と
を含み、前記データ処理装置により複数の計算機ホログ
ラムデータは前記書き換え可能な空間光変調器へフレー
ム単位で供給され、前記書き換え可能な空間光変調器か
ら再生された画像パターンは次々に前記物体上へ投射さ
れ、前記再生された複数の画像パターンが物体上のほぼ
同じ位置において次々に重 ねられ、そして、積分される
ことにより原画像が再生される、ことを特徴とする。ま
た、前記データ変換手段は、フーリエ変換手段を含み、
前記フーリエ変換手段により前記データを掛け合わせる
手段から生成されたデータをフーリエ変換して複素振幅
データを生成し、さらに、前記フーリエ変換手段の出力
の逆正接を計算する手段と、前記逆正接を計算する手段
の出力を量子化することにより前記計算機ホログラムを
生成する手段とを含むことを特徴とする。また、前記ラ
ンダム位相分布は、ふたつの数“1”と“−1”の配列
からなることを特徴とする。また、前記データ処理手段
は、画像パターンのうち光学的に再生される領域に対応
するドットを計数する手段を備え、計数されたドット数
を用いて前記コヒーレント光源の出力を調整することを
特徴とする。また、前記空間光変調器は液晶空間光変調
器であることを特徴とする。また、前記液晶空間光変調
器が位相変調型であるでことを特徴とする。また、前記
液晶空間光変調器がふたつの位相変調型液晶空間光変調
器から成り、前記ふたつの位相変調型液晶空間光変調器
対向する画素を揃えて配置され、かつ、それぞれの位相
変調方位が直交するように配置されて成ることを特徴と
する。また、前記データ処理手段は、画像パターンのう
ち光学的に再生される領域に対応するドット数を記憶す
る手段を備え、前記ドット数に応じて前記コヒーレント
光源の出力を調整することを特徴とする。また、前記光
学装置において、フーリエ変換レンズを備え、前記フー
リエ変換レンズが前記位相変調型液晶空間光変調器を通
過した光の波面に作用することにより原画像パターンを
前記物体上に再生することを特徴とする。また、前記光
学装置において、位相変調型液晶空間光変調器がアクテ
ィブマトリクス方式により駆動され、かつ、前記位相変
調型液晶空間光変調器の画素間隔が水平方向と垂直方向
とで等しいことを特徴とする。また、前記光学装置にお
いて、位相変調型液晶空間光変調器が光書き込み方式に
より駆動されることを特徴とする。 According to the present invention, a coherent light source, a phase modulation type spatial light modulator for controlling the wavefront of a beam emitted from the coherent light source, and a wavefront controlled by the spatial light modulator. A Fourier transform lens for irradiating the surface of the sample with a focused beam, the controller sending a control signal to the drive circuit of the spatial light modulator is obtained by means of inputting reproduction pattern data.
That combined multiplying data to be generated by the data and a random number generating circuit, a Fourier transform, characterized in that it comprises means for sending a control signal to the driving circuit. Also, the original image
In an optical device for reproducing a pattern on an object, the original
The image pattern is represented by the original image pattern data,
The optical device is a coherent device that emits light having a wavefront.
Light source and a wave of light emitted from the coherent light source
By controlling a surface, a plurality of image patterns can be displayed on the object.
A rewritable spatial light modulator for reproduction
A number of computer hologram data,
Gram data to the rewritable spatial light modulator
Data processing means for supplying the data to the column.
Data processing means is means for storing the original image pattern data.
And multiple random phase distributions that are not statistically correlated with each other
For generating the original image pattern data and the composite image data.
By multiplying each of the random phase distributions of the number
Means for generating multiple data sets, and
Data conversion by converting multiple data sets.
Means for generating a frame on a frame-by-frame basis in the spatial light modulator;
And a plurality of computer hologs by the data processing device.
Lamb data is transmitted to the rewritable spatial light modulator.
Is the rewritable spatial light modulator supplied in units of
The image patterns reproduced from the above are projected onto the object one after another.
And the reproduced plurality of image patterns are almost
One after another heavy Nerare at the same position, and is integrated
The original image is thereby reproduced. Well
Also, the data conversion means includes a Fourier transform means,
Multiply the data by the Fourier transform means
Fourier transform the data generated by the means to obtain the complex amplitude
Generates data and further outputs the Fourier transform means
Means for calculating the arctangent of, and means for calculating the arctangent
By quantizing the output of
And means for generating. Also, the
The random phase distribution is an array of two numbers "1" and "-1".
It is characterized by consisting of. Further, the data processing means
Corresponds to the optically reproduced area of the image pattern
Equipped with a means to count the number of dots
To adjust the output of the coherent light source using
Characterize. The spatial light modulator is a liquid crystal spatial light modulator.
It is characterized by being a container. Also, the liquid crystal spatial light modulation
The device is of the phase modulation type. Also, the above
Liquid crystal spatial light modulator with two liquid crystal spatial light modulators
The two phase modulation type liquid crystal spatial light modulators.
Pixels facing each other are aligned and each phase is
It is characterized in that the modulation directions are arranged so as to be orthogonal to each other.
To do. In addition, the data processing means can generate an image pattern.
Store the number of dots corresponding to the optically reproduced area
Means for controlling the coherence according to the number of dots
It is characterized by adjusting the output of the light source. Also, the light
And a Fourier transform lens,
The Rie conversion lens passes through the phase modulation type liquid crystal spatial light modulator.
By acting on the wavefront of the passing light, the original image pattern is
Reproducing on the object. Also, the light
Phase modulation type liquid crystal spatial light modulator
Driven by the active matrix method, and
The pixel spacing of the tonal liquid crystal spatial light modulator is horizontal and vertical
It is characterized in that and are equal. In addition, in the optical device
Phase modulation type liquid crystal spatial light modulator
It is characterized by being driven more.
【0010】[0010]
【0011】[0011]
【0012】[0012]
【0013】[0013]
【0014】[0014]
【0015】[0015]
【0016】[0016]
【0017】[0017]
【0018】[0018]
【0019】[0019]
【0020】[0020]
【0021】[0021]
【0022】[0022]
【0023】[0023]
【0024】[0024]
【0025】[0025]
【0026】[0026]
【0027】[0027]
【0028】[0028]
【0029】[0029]
【0030】[0030]
【0031】[0031]
【0032】[0032]
【発明の実施の形態】以下では実施例にもとづき、本発
明の内容について詳しく説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The contents of the present invention will be described below in detail based on embodiments.
【0033】(実施例1)図1に本発明の光学装置を応用
したレーザ刻印装置の構成を示す。レーザ光源101から
出射されたビームは、ビームエクスパンダ102とコリメ
ートレンズ103により拡大された平行光となり、ECB(電
界制御複屈折)モードの位相変調型液晶空間光変調器10
4を照明する。光は、液晶空間光変調器104に記録された
計算機ホログラムの作用により、2次元的な位相変調を
受ける。そして、フーリエ変挨レンズ105を介して、試
料106の表面に所定のパターンが結像される。この結
果、レーザが照射された試料表面の部分は熱により蒸発
または変質して、パターンが劾印される。107はレーザ
を駆動するための電源、108は液晶空間光変調器の駆動
回路、109はこれを制御する制御装着である。試料へ刻
印したい文字やパターンは、入力装置110から入力す
る。本実施例では、レーザ光源として、波長1.06μmの
YAGレーザを使用した。Example 1 FIG. 1 shows the configuration of a laser marking device to which the optical device of the present invention is applied. The beam emitted from the laser light source 101 becomes parallel light expanded by the beam expander 102 and the collimator lens 103, and the ECB (electric field control birefringence) mode phase modulation liquid crystal spatial light modulator 10 is provided.
Illuminate 4. The light undergoes two-dimensional phase modulation by the action of the computer generated hologram recorded in the liquid crystal spatial light modulator 104. Then, a predetermined pattern is imaged on the surface of the sample 106 via the Fourier transform lens 105. As a result, the portion of the sample surface irradiated with the laser is evaporated or denatured by heat, and the pattern is stamped. 107 is a power supply for driving the laser, 108 is a drive circuit for the liquid crystal spatial light modulator, and 109 is a control device for controlling this. The character or pattern to be marked on the sample is input from the input device 110. In this embodiment, the laser light source has a wavelength of 1.06 μm.
A YAG laser was used.
【0034】次に、液晶空間光変調器に記録するデータ
の作成方法と制御装置108の詳細について述べる。Next, a method of creating data to be recorded in the liquid crystal spatial light modulator and details of the control device 108 will be described.
【0035】本発明では、液晶空間光変調器に記録した
計算機ホログラムからパターンを再生し、このバターン
を試料上へ投写して刻印をおこなう。この点が、従来の
ようにパターンをそのまま強度分布として液晶空間光変
調器へ表示し、この強度分布をレンズ系で試料上へ投影
して刻印をおこなう方式との大きな違いである。In the present invention, the pattern is reproduced from the computer generated hologram recorded in the liquid crystal spatial light modulator, and this pattern is projected on the sample for imprinting. This point is a big difference from the conventional method in which the pattern is displayed as it is on the liquid crystal spatial light modulator as the intensity distribution, and this intensity distribution is projected on the sample by the lens system to perform marking.
【0036】本実施例では、液晶空間光変調器へ記録す
る計算機ホログラムとして、キノフォーム(IBM J.Re
s.Dev13,150-155(1969)参照)を用いた。キノフォー
ムは位相構造だけで記録できるので、光利用効率がきわ
めて高いからである。さらに、ひとつの画素にひとつの
位相成分が対応しているので、液晶空間光変調器の限ら
れた数の画素を有効に使うことができる、という長所も
ある。In this embodiment, as a computer generated hologram to be recorded in the liquid crystal spatial light modulator, kinoform (IBM J. Re
s. Dev13, 150-155 (1969)) was used. Since kinoform can be recorded only by the phase structure, the light utilization efficiency is extremely high. Further, since one phase component corresponds to one pixel, there is an advantage that a limited number of pixels of the liquid crystal spatial light modulator can be effectively used.
【0037】キノフォームの位相構造の計算方法につい
て説明する。まず、振幅分布として与えられた入力画像
(刻印したい文字やパターン)にランダムな位相分布を
重ねる。つぎに、この複素振幅データをフーリエ変換す
る。得られたフーリエ変換像の位相成分だけを取り出し
たものがキノフォームである。なお、われわれの実験に
よれば、はじめに与えるランダム位相は2値で十分であ
る。このキノフォームをフーリエ逆変換すると再生像が
得られる。ただし、一般には入力画像に対する誤差が大
きく、スペックルノイズの多い再生像なる。A method of calculating the phase structure of kinoform will be described. First, a random phase distribution is superimposed on the input image (characters or patterns to be imprinted) given as the amplitude distribution. Next, this complex amplitude data is Fourier transformed. The kinoform is obtained by extracting only the phase component of the obtained Fourier transform image. In addition, according to our experiment, the binary value of the random phase initially given is sufficient. A reproduction image is obtained by inverse Fourier transforming this kinoform. However, generally, the error with respect to the input image is large and the reproduced image has a lot of speckle noise.
【0038】本発明では、この再生像の品質を改善する
ために、以下のふたつの方法を考案した。
(1)反復計算法
(2)多重露光法
反復計算法とは、入力画像に対する再生像の誤差を補正
しながら繰り返し計算していく方法である。いくつかの
アルゴリズムが提案されており、例えば、Opt.Eng.19,2
97-305(1980)や、Appl.Opt.,12,2328-2335(1973)に
詳細な記述がある。他方、多重露光法とは、ひとつの画
像データから、位相構造が異なる複数のキノフォームを
作り、このキノフォームから次々にパターンを再生し
て、試料上のスペックルノイズを平均化する方法であ
る。以下では、それぞれの方法を実現する具体的なハー
ドウェアの構成について述べる。In the present invention, the following two methods have been devised in order to improve the quality of the reproduced image. (1) Iterative calculation method (2) Multiple exposure method The iterative calculation method is a method of repeatedly calculating while correcting an error of a reproduced image with respect to an input image. Several algorithms have been proposed, for example Opt.Eng.19,2
97-305 (1980) and Appl.Opt., 12, 2328-2335 (1973) have detailed description. On the other hand, the multiple exposure method is a method of making a plurality of kinoforms having different phase structures from one image data, reproducing patterns one after another from the kinoforms, and averaging speckle noise on the sample. . In the following, a specific hardware configuration for realizing each method will be described.
【0039】(1)反復計算法:図2に本実施例で用い
た制御装置108の構成を示す。なお、以下の処理をタイ
ミングを合わせて効率よく行うために、必要に応じて制
御回路201から各回路に制御信号を送る。(1) Iterative calculation method: FIG. 2 shows the configuration of the control device 108 used in this embodiment. Note that a control signal is sent from the control circuit 201 to each circuit as needed in order to efficiently perform the following processing at the same timing.
【0040】入力装置109から文字コードで入力された
データは、フォントROM202でドットマトリックスデータ
に変換してから(はじめからドットマトリックスデータ
で与えられていればそのまま)入力バッファ203に保存
する。このバッファから1文字分のデータごとにメモリ2
06に読み出す。The data input by the character code from the input device 109 is converted into dot matrix data by the font ROM 202 and stored in the input buffer 203 (if it is given by the dot matrix data from the beginning). Memory 2 for each character of data from this buffer
Read to 06.
【0041】一方、乱数発生回路204によって、2値(本
実施例では1と−1)データをランダムに発生させる。こ
の2値データを、文字データのドット数と同じ数ごとに
組にして、メモリ205に保存する。メモリ205と206のデ
ータを乗算回路208で各ドットごとにかけあわせ、メモ
リ209に保有する。On the other hand, the random number generation circuit 204 randomly generates binary data (1 and −1 in this embodiment). This binary data is stored in the memory 205 as a set in the same number as the number of dots of the character data. The multiplication circuit 208 multiplies the data in the memories 205 and 206 for each dot, and stores it in the memory 209.
【0042】このデータを2次元高速複素フーリエ変換
回路212でフーリエ変換し、複素振幅データをメモリ213
に保存する。他方、レンズ位相発生回路210によって作
成したレンズデータをメモリ211に保存する。メモリ211
と213のデータを乗算回路214で各ドットごとにかけあわ
せ、メモリ215に保存する。This data is Fourier transformed by the two-dimensional fast complex Fourier transform circuit 212, and the complex amplitude data is stored in the memory 213.
Save to. On the other hand, the lens data created by the lens phase generation circuit 210 is stored in the memory 211. Memory 211
And the data of 213 are multiplied by each dot by the multiplication circuit 214 and stored in the memory 215.
【0043】このデータから逆正接演算回路216によっ
て位相データだけを取り出して、量子化演算回路217で
量子化(本実施例では16レベル)すると、キノフォーム
データが得られる。そして、このキノフォームデータを
出力バッファ218に保存し、1フレームごとに液晶空間光
変調器の駆動回路108に送る。When only the phase data is extracted from this data by the arctangent calculation circuit 216 and quantized by the quantization calculation circuit 217 (16 levels in this embodiment), kinoform data is obtained. Then, this kinoform data is stored in the output buffer 218 and sent to the drive circuit 108 of the liquid crystal spatial light modulator frame by frame.
【0044】キノフォームの反復計算を行う場合は、メ
モリ213のデータから位相データを取り出し、量子化し
たものをメモリ209に入れればよい。この場合は反復回
数を決めるか、誤差を評価する演算回路を加える必要が
ある。レンズ位相は反復終了後に重ね合わせる。When the kinoform is repeatedly calculated, the phase data is extracted from the data in the memory 213, and the quantized data is stored in the memory 209. In this case, it is necessary to determine the number of iterations or add an arithmetic circuit for evaluating the error. The lens phases are superposed after the repetition.
【0045】ここで、上記のデータ作成過程におけるレ
ンズ位相の必要性について説明しておく。キノフォーム
の回折効率は理想的には最大100%であるが、実際の空
間光変調器に記録した場合、空間光変調器で変調を受け
ずに素通りする光がわずかにある。この光がフーリエ変
換レンズによって集光されるとスポット状のノイズにな
る。このスポット状のノイズを除くために、本実施例で
はキノフォームにレンズ位相関数を重ねた。空間光変調
器で変調を受けた光は、レンズ位相のためにフーリエ変
換レンズの焦点面からずれた位置(再生像面)で像を結
ぶ。こうするとスポットノイズが見えなくなる。また、
キノフォームの位相分布ヘレンズ位相位相を重ねたこと
により、フーリエ変換レンズなどの光学素子を使用せず
に、パターンを再生することも可能になる。レンズ位相
の焦点距離を選べば、パターンの再生位置および大きさ
を自由に変えることができる。さらに、複数のキノフォ
ームを重ねて記録することにより、奥行きのあるパター
ンを再生することもできる(光学,21,155-156(1992)参
照)。Here, the necessity of the lens phase in the above data creation process will be described. The diffraction efficiency of kinoform is ideally up to 100%, but when recorded in an actual spatial light modulator, there is a small amount of light that passes through without being modulated by the spatial light modulator. When this light is condensed by the Fourier transform lens, it becomes spot noise. In order to remove this spot-like noise, a lens phase function was superimposed on the kinoform in this example. The light modulated by the spatial light modulator forms an image at a position (reproduced image plane) deviated from the focal plane of the Fourier transform lens due to the lens phase. This makes the spot noise invisible. Also,
By superimposing the lens distribution on the phase distribution of the kinoform, it becomes possible to reproduce the pattern without using an optical element such as a Fourier transform lens. The reproduction position and size of the pattern can be freely changed by selecting the focal length of the lens phase. Further, by recording a plurality of kinoforms in an overlapping manner, it is possible to reproduce a deep pattern (see optics, 21, 155-156 (1992)).
【0046】この制御装置108で、反復計算法にしたが
って、キノフォームデータを作成して刻印したところ、
量子化誤差に起因する品質の低下をおさえた、スペック
ルノイズの少ない、均一な刻印をおこなうことができ
た。When the control device 108 creates and marks the kinoform data according to the iterative calculation method,
We were able to perform uniform marking with less speckle noise and less deterioration of quality due to quantization error.
【0047】(2)多重露光法:制御装置の構成は図2
と同じである。まず、ひとつの入力画像に対して複数の
乱数データの組を用意する。つぎに、それそれの乱数デ
ータを使って、制御装昔108でキノフォームデータを作
成する。これらのキノフォームをひとつひとつ再生する
と、それそれ互いに相関のないスペックルノイズを有す
る再生像が得られる。したがって、これらのキノフォー
ムを次々に書き換えれば、スペックルノイズは再生像面
の中で平均化され、再生像のS/N比が向上することにな
る。さらに、液晶空間光変調器の画素間の特性のばらつ
きが相殺されるため、いっそう高い品質の再生像が得ら
れる。(2) Multiple exposure method: The structure of the controller is shown in FIG.
Is the same as. First, a plurality of random number data sets are prepared for one input image. Next, using the random number data of each of them, the control device 108 creates kinoform data. When these kinoforms are reproduced one by one, a reproduced image having speckle noise that is not correlated with each other is obtained. Therefore, if these kinoforms are rewritten one after another, the speckle noise is averaged in the reproduced image plane, and the S / N ratio of the reproduced image is improved. Furthermore, since variations in characteristics between pixels of the liquid crystal spatial light modulator are offset, a reproduced image of higher quality can be obtained.
【0048】再生像をキノフォームの位相分布のフーリ
エ変換で与えることにすると、複数のキノフォームデー
タをつぎつぎに書換ながら刻印をおこなった場合に得ら
れるパターンの強度分布Iは
I=Σ|F{K}|2・・・・・(1)
となる。ここで、Σは強度分布の総和を、Kはキノフォ
ームの位相分布を表す。(1)式から、スペックルノイ
ズをはじめ、再生像面内の不均一成分が平均化され、目
立たなくなることが理解できる。If the reproduced image is given by the Fourier transform of the phase distribution of the kinoform, the intensity distribution I of the pattern obtained when a plurality of kinoform data are engraved while rewriting one after another is I = Σ | F { K} | 2 ... (1). Here, Σ represents the sum of intensity distributions, and K represents the phase distribution of kinoforms. From the equation (1), it can be understood that the non-uniform components in the reproduced image plane including the speckle noise are averaged and become inconspicuous.
【0049】このような多重露光法を高速に実行できる
ハードウェア(制御装置108)でキノフォームデータを
計算して刻印したところ、反復計算法に比べてさらに品
質の高い刻印をおこなうことができた。なお、多重露光
法におけるキノフォームデータ計算の際に、先に反復計
算法のところで紹介したアルゴリズム(例えば、Opt.En
g.19,297-305(1980)や、Appl.Opt,12,2328-0000(197
3))を利用することもできる。When the kinoform data was calculated and imprinted by the hardware (control device 108) capable of executing such multiple exposure method at high speed, it was possible to imprint with higher quality than the iterative calculation method. . When calculating kinoform data in the multiple exposure method, the algorithm introduced in the iterative calculation method (for example, Opt.
g.19,297-305 (1980) and Appl.Opt, 12,2328-0000 (197
3)) can also be used.
【0050】図3に実験結果の一例を示す。まず、2値の
入力画像データ(文字の部分が1、他が0)に対して、複
数の乱数データを用意した。つぎに、それそれの乱数デ
ータを用いて、キノフォームデータを作成した。これら
のキノフォームをひとつづつ再生すると、互いに相関の
ないスペックルノイズが生じる。そこで、これらを高速
(ここではビデオレート)で書き換えた。こうすると、
再生像の位置は動かないが、スペックルノイズは再生像
面の中で平均化され、画像のS/N比が向上した。図3
(a)に示すように、刻印周分にはスペックルノイズは
全く見えなかった。比較のために、ひとつのキノフォー
ムデータだけで刻印した時の結果を図3(b)に示す。ス
ペックルノイズのせいで、文字部分に欠けが日立つ。ま
た、文字の周囲にもスペックルノイズによる荒れが目に
つく。FIG. 3 shows an example of experimental results. First, a plurality of random number data were prepared for binary input image data (character part is 1 and others are 0). Next, the kenoform data was created using the random number data. When these kinoforms are reproduced one by one, speckle noise that is uncorrelated with each other is generated. Therefore, these were rewritten at high speed (here, video rate). This way
The position of the reproduced image does not move, but the speckle noise is averaged in the reproduced image plane, improving the S / N ratio of the image. Figure 3
As shown in (a), no speckle noise was visible in the engraved circumference. For comparison, Fig. 3 (b) shows the results when imprinting with only one kinoform data. Due to speckle noise, the letters are missing. Roughness due to speckle noise is also noticeable around the characters.
【0051】本実施例の制御装置108は、約10msでひと
つのキノフォーム(256×256の画素を使用)を計算でき
る。液晶空間光変調器の応答に合わせてビデオレートで
キノフォームを書き換え、これにタイミングを合わせて
レーザ駆動用の電源107にトリガー信号を送り、YAGレー
ザを発振させる。The controller 108 of this embodiment can calculate one kinoform (using 256 × 256 pixels) in about 10 ms. The kinoform is rewritten at the video rate according to the response of the liquid crystal spatial light modulator, and a trigger signal is sent to the power source 107 for driving the laser in synchronization with this to oscillate the YAG laser.
【0052】つぎに、本実施例で用いた液晶空間光変調
器について説明する。本実施例の液晶空間光変調器は、
名画素にTFT(薄膜トランジスタ)素子を備えたマトリ
クス駆動方式で、少なくともビデオレートでの書き換え
が可能である。液晶分子の初期配向はねじれのないホモ
ジニアス配向であり、光波の位相だけを連続的に変調で
きる(第51回応物秋季講演、26a-H-10(1990)参照)。
有効画素数は256×256、画素サイズは200×200μm2で
ある。開口部サイズは190×190μm2であり、開口卒は
90である。液晶空間光変調器のレーザが入射する側には
反射防止コートが施されている。Next, the liquid crystal spatial light modulator used in this embodiment will be described. The liquid crystal spatial light modulator of this embodiment is
It is a matrix drive system that has TFT (thin film transistor) elements in each pixel, and rewriting is possible at least at the video rate. The initial alignment of liquid crystal molecules is a homogeneous alignment with no twist, and only the phase of the light wave can be continuously modulated (see the 51st Symposium on Autumn Fall, 26a-H-10 (1990)).
The number of effective pixels is 256 × 256, and the pixel size is 200 × 200 μm 2 . The opening size is 190 × 190 μm 2
90. An antireflection coating is applied to the laser incident side of the liquid crystal spatial light modulator.
【0053】YAGレ−ザ光源の波長(1.06μm)に合わ
せて液晶層のリターデーション△ndを調節し、2π以
上の位相変調を実現した。液晶空間光変調器の光変調特
性を図4に示す。液晶分子配向時のプレチルト角を高め
に設定することにより、位相変調にともなう振幅の変化
を実用上問題がない程度に抑えることができた。なお、
レーザ光源101からとりだした直線偏光の方位と液晶
空間光変調器の配向は、同じ平面内にそろえてある。レ
ーザ光源101からの光がランダム偏光であれば、液晶
空間光変調器の前に偏光板を配置して、偏光板の透過軸
方位を液晶空間光変調器の配向と平行にする。The retardation Δnd of the liquid crystal layer was adjusted according to the wavelength (1.06 μm) of the YAG laser light source to realize phase modulation of 2π or more. The light modulation characteristics of the liquid crystal spatial light modulator are shown in FIG. By setting the pretilt angle at the time of aligning the liquid crystal molecules to a high value, the change in the amplitude due to the phase modulation could be suppressed to a level where there was no practical problem. In addition,
The azimuth of linearly polarized light taken out from the laser light source 101 and the orientation of the liquid crystal spatial light modulator are aligned in the same plane. If the light from the laser light source 101 is randomly polarized, a polarizing plate is arranged in front of the liquid crystal spatial light modulator so that the transmission axis direction of the polarizing plate is parallel to the orientation of the liquid crystal spatial light modulator.
【0054】この液晶空間光変調器は、TFT素子を保
護するために遮光膜(プラックストライプ)を備えてい
る。一般に、プラスクストライップのような格子構造を
持つものにレーザ光を入射すると、再生画像に高次の回
析像が現れる。これらの回析像の強度は次式で与えられ
る。
ηm={(a/p)sinc(πma/p)}4
……(2)
ここで、mは回析次数、pは画素の1周期の幅、aは画
素開口部の幅をそれぞれ表す。This liquid crystal spatial light modulator is provided with a light shielding film (black stripe) to protect the TFT element. In general, when laser light is incident on an object having a lattice structure such as plast strip, a high-order diffraction image appears in a reproduced image. The intensity of these diffraction images is given by the following equation. η m = {(a / p) sinc (πma / p)} 4 (2) where m is the diffraction order, p is the width of one pixel period, and a is the width of the pixel opening. .
【0055】(2)式の関係を考慮して、本実施例で
は、遮光部に比べ回口部が非常に大きい液晶空間光変調
器を用いた。すなわち、p=200μm、a=190未
μmである。このように選ぶと、(2)式におけるsin
c関数の零点(πma/p=π)が、1次以上の再生像
にほぼ重なる。この時、必要とする再生像(0次回折
光)に集まる光は全体の82にも達する。なお、0次回折
光の強度に対する1次以上の回折光の強度は無視てきる
くらいに弱いので、これらの複製像が試料上に刻印され
ることはない。In consideration of the relationship of the expression (2), in this embodiment, the liquid crystal spatial light modulator having a large opening portion as compared with the light shielding portion is used. That is, p = 200 μm and a = 190 not μm. With this choice, sin in equation (2)
The zero point (πma / p = π) of the c function almost overlaps the reproduced image of the first order or higher. At this time, the light gathered in the required reproduced image (0th-order diffracted light) reaches 82 in total. It should be noted that since the intensities of the 1st and higher orders of the diffracted light with respect to the intensity of the 0th order of the diffracted light are so weak that they can be ignored, these duplicate images are not imprinted on the sample.
【0056】一方、従来の振幅マスク方法では、文字や
パターンを描く線の都分みが開口となっており、光の利
用効率は数%から高々10%程度である。しかも刻印すべ
きドット数の少ない文字(たとえばピリオドやコンマな
ど)に対しても最大の出力で刻印する必要があり、光の
利用効率が非常に低いことがわかる。On the other hand, in the conventional amplitude masking method, the portion of the line that draws a character or a pattern is an opening, and the utilization efficiency of light is from several% to at most 10%. In addition, it is necessary to mark even characters with a small number of dots to be marked (such as periods and commas) with the maximum output, and it can be seen that the light utilization efficiency is very low.
【0057】なお、高次の回折像は強度か弱いのでこの
ままでも問題ないが、ふたつのレンズの間に空間フィル
タを持つ二重回折光学系を用いれば、完全に消すことも
できる。この発明については、後で、別の実施例の中で
述べる。Since the high-order diffraction image has a weak intensity, it can be used as it is, but it can be completely eliminated by using a double-diffraction optical system having a spatial filter between two lenses. The present invention will be described later in another embodiment.
【0058】本実用例のレーザ刻印装着では、液晶空間
光変調器から被刻印試料までの距離に応じて、キノフォ
ームデータに重ねるレンズデータの焦点距離を変えて焦
点調節を行っている。レンズの焦点距離を変えれば任意
の位置に再生像を結像できるので、曲面への刻印も容易
に実現できる。In the laser marking mounting of the present practical example, the focus adjustment is performed by changing the focal length of the lens data superimposed on the kinoform data according to the distance from the liquid crystal spatial light modulator to the sample to be marked. Since the reproduced image can be formed at an arbitrary position by changing the focal length of the lens, marking on a curved surface can be easily realized.
【0059】なお、上記実施例では、液晶空間光変調器
へキノフォームデータを記録して刻印をおこなったが、
フレネル変換その他の光学変換により計算したホログラ
ムデータを用いることも可能である。In the above embodiment, the kinoform data was recorded and marked on the liquid crystal spatial light modulator.
It is also possible to use hologram data calculated by Fresnel conversion or other optical conversion.
【0060】以上の構成により、従来の強度変調型液晶
空間光変調器を開口マスクとして用いた場合に比べて、
(1)はるかに高い光利用効率で、平面ばかりでなく曲
面を有する試料に対してもパターンの刻印か可能にな
り、さらに、(2)ひとつの入力画像から作成した、互
いに異なる位相構造を有する複数のキノフォームデータ
をつぎつぎに書換ながら封印することによって、スペッ
クルノイズその他の不均一な強度分布を除き、原画像に
忠実な刻印が可能になった。With the above structure, compared to the case where the conventional intensity modulation type liquid crystal spatial light modulator is used as the aperture mask,
(1) With much higher light utilization efficiency, it is possible to imprint a pattern not only on a flat surface but also on a curved surface sample, and (2) having different phase structures created from one input image. By sealing a plurality of kinoform data while rewriting them one after another, it is possible to remove the speckle noise and other non-uniform intensity distributions and to imprint accurately on the original image.
【0061】なお、本実施例の構成で、マトリクス駆動
型の液晶空間光変調器の代わりに光書き込み型の液晶空
間光変調器を用いることも可能である。また、レーザ光
源種類は、被刻印試料の材質ならびに表面状態に合わせ
て選択すればよく、YAGレーザの他にも、アルゴンレ
ーザ、半導体レーザなどが使用できる。そして、使用す
るレーザ波長に合わせて、十分な位相変調特性が得られ
るように、液晶空間光変調器のリターデーションを調整
すればよい。In the structure of this embodiment, a liquid crystal spatial light modulator of optical writing type can be used instead of the liquid crystal spatial light modulator of matrix driving type. Further, the laser light source type may be selected according to the material and surface condition of the sample to be stamped, and in addition to the YAG laser, an argon laser, a semiconductor laser or the like can be used. Then, the retardation of the liquid crystal spatial light modulator may be adjusted so as to obtain a sufficient phase modulation characteristic according to the laser wavelength used.
【0062】(実施例2)実施例1で説明したように、位
相変調型液晶空間光変調器に記録された位相関数の波面
再生作用によってパターンを再生しているので、本発明
の刻印方式は、光の利用効率が非常に高い。しかし、文
字パターンによらず一定の光が透過するため、封印すべ
きドット数の少ない文字(たとえばピリオドやコンマな
ど)は明るく、ドット数の多い文字(たとえば画数の多
い漢字など)は暗くなるという問題があった。(Embodiment 2) As described in Embodiment 1, since the pattern is reproduced by the wavefront reproducing action of the phase function recorded in the phase modulation type liquid crystal spatial light modulator, the marking method of the present invention is , The light utilization efficiency is very high. However, because a certain amount of light is transmitted regardless of the character pattern, characters with a small number of dots (such as periods and commas) to be sealed are bright, and characters with a large number of dots (such as kanji with many strokes) are dark. There was a problem.
【0063】本発明ではこれを次のようにして解決し
た。図2の制御装置108へ加算回路207を付加し、
この加算回路207によってメモリ206にある文字デ
ータの表示ドット数をカウントするようにした(図5)。
レーザ駆動用の電源107には、先に述べたトリガー信
号の他に、総表示ドット数を表す信号を送る。レーザ駆
動用の電源107は、この信号従って励起光の強度を調
節し、再生像の強度を一定にする。In the present invention, this is solved as follows. The addition circuit 207 is added to the control device 108 of FIG.
The addition circuit 207 counts the number of display dots of the character data in the memory 206 (FIG. 5).
In addition to the trigger signal described above, a signal indicating the total number of display dots is sent to the power source 107 for driving the laser. The power source 107 for driving the laser adjusts the intensity of the excitation light in accordance with this signal to make the intensity of the reproduced image constant.
【0064】本方式ではもともと光利用効率が高い上
に、大きなレーザ出カを必要とするパターンが少ないの
で、消費するエネルギーも少なく、装置の冷却に関して
も有利になる。In this method, since the efficiency of light utilization is originally high and the number of patterns requiring a large laser output is small, the energy consumed is small and it is advantageous for cooling the apparatus.
【0065】(実施例3)図6に本発明のレーザ刻印装
置の別の構成を示す。全体の構成は実施例1とほぼ同じ
である。ただし、実施例1では液晶空間変調器に送るデ
ータを逐次計算したが、実施例1ではあらかじめ用意し
たデータを用いた。(Embodiment 3) FIG. 6 shows another structure of the laser marking device of the present invention. The overall configuration is almost the same as that of the first embodiment. However, in Example 1, the data to be sent to the liquid crystal spatial modulator was sequentially calculated, but in Example 1, the data prepared in advance was used.
【0066】実施例1と同様、以下の処理をタイミング
を合わせて効率よく行うために、必要に応じて制御回路
301から各回路に制御信号を送る。Similar to the first embodiment, a control signal is sent from the control circuit 301 to each circuit as necessary in order to efficiently perform the following processing at the same timing.
【0067】キーボード310から入力された文字コー
ドは入力パッファ603に蓄えられる。この文字コード
に対応したキノフォームデータをROM602やCD−
ROM604から順に呼び出し、出力バッファ618蓄
える。そして、このデータを1フレームごとに液晶空間
光変調器の駆動回路108に送る。また、ROMやCD
−ROMにはキノフォームデータの他に、刻印される文
字データの表示ドット数を配線してある。The character code input from the keyboard 310 is stored in the input puffer 603. The kinoform data corresponding to this character code is stored in the ROM 602 or CD-
It is called from the ROM 604 in order and stored in the output buffer 618. Then, this data is sent to the drive circuit 108 of the liquid crystal spatial light modulator frame by frame. Also, ROM and CD
In addition to the kinoform data, the ROM is wired with the number of display dots of the character data to be marked.
【0068】本実施例においても、キノフォームのスペ
ックルノイズを低減するために、多重露光法によりパタ
ーン刻印を実行した。まず、ひとつの入力画像データに
対して、複数の乱数データを用意した。つぎに、それぞ
れの乱数データを用いて、キノフォームデータを作成し
た。これらのキノフォームをひとつづつ再生すると、互
いに相関のないスペックルノイズが生じる。そこで、こ
れらを高速(ここではビデオレート)で書き換えれば、
再生像の位置は動かないが、スペックルノイズは再生像
面上で平均化されて、画像のS/N比が向上する、さら
に、液晶空間光変調器の画素間の特性のばらつきが相殺
されるため、高い品質の再生像が得られる。実際に、得
られた再生像には、スペックルノイズは全く見えなかっ
た。Also in this embodiment, in order to reduce the speckle noise of the kinoform, pattern engraving was carried out by the multiple exposure method. First, a plurality of random number data were prepared for one input image data. Next, kenoform data was created using each random number data. When these kinoforms are reproduced one by one, speckle noise that is uncorrelated with each other is generated. So if you rewrite these at high speed (here, video rate),
Although the position of the reproduced image does not move, the speckle noise is averaged on the reproduced image plane to improve the S / N ratio of the image. Furthermore, the variation in the characteristics between the pixels of the liquid crystal spatial light modulator is offset. Therefore, a high quality reproduced image can be obtained. Actually, no speckle noise was visible in the obtained reproduced image.
【0069】多重露光法の他にも、本実施例ではキノフ
ォームデータの計算に、シミュレーテッド・アニーリン
グ法(Science 220,671-680(1983)参照)を用いた。評
価関数値が十分に小さくかつ収束した後のデータを用い
ることにより、位相構造が最適化されたキノフォームデ
ータが得られ、入力画像にほぼ忠実な再生像が得られ
る。したがって、ひとつのキノフォームデータで刻印が
できるため、データを多重化する必要がなく、記憶容量
を大幅に減らすことができた。In addition to the multiple exposure method, the simulated annealing method (see Science 220, 671-680 (1983)) was used for calculating the kinoform data in this example. By using the data after the evaluation function value is sufficiently small and converged, the kinoform data with the optimized phase structure is obtained, and the reproduced image almost faithful to the input image is obtained. Therefore, since engraving can be performed with one kinoform data, there is no need to multiplex the data, and the storage capacity can be significantly reduced.
【0070】本実施例では、ASCIIコードで決めら
れた256文字についてはROMに記録し、漢字を含む
種々なフォントの文字や記号についてはCD−ROM記
録した。CD−ROMのディスクを交換することによ
り、他のフォントの文字や記号刻印することもできる。In this embodiment, 256 characters determined by the ASCII code were recorded in ROM, and characters and symbols of various fonts including Chinese characters were recorded in CD-ROM. By exchanging the CD-ROM disc, it is possible to engrave characters and symbols of other fonts.
【0071】なお、本実施例ではデータを記録する手段
にCD−ROMを用いたが、光磁気ディスクやハードデ
ィスクなどを用いてもよい。また、実施例1あるいは実
施例2の構成と組み合わせることも可能である。Although the CD-ROM is used as the means for recording data in this embodiment, a magneto-optical disk or a hard disk may be used. It is also possible to combine with the configuration of the first or second embodiment.
【0072】(実施例4)実施例3の構成に対して、レー
ザ出力を調節する機構を加えた。図6のROMやCD-R
OMには、キノフォームデータの他に、刻印される文字
データの表示ドット数を記録してある。この表示ドット
数を表す信号をレーザ駆動用の電源107に送る。レー
ザ駆動用の電源107はこれに従って励起光の強度を調
節し、再生像の強度を一定にする。Example 4 A mechanism for adjusting the laser output is added to the configuration of Example 3. ROM and CD-R in Figure 6
In addition to the kinoform data, the number of display dots of the character data to be stamped is recorded in the OM. A signal indicating the number of display dots is sent to the laser driving power source 107. The power source 107 for driving the laser adjusts the intensity of the excitation light accordingly, and makes the intensity of the reproduced image constant.
【0073】本方式では、もともと光利用効率が高い上
に、大きなレーザ出力を必要とするパターンが少ないの
で、消費するエネルギーも少なく、装置の冷却に関して
も有利になる。In this method, since the efficiency of light utilization is originally high and the number of patterns requiring a large laser output is small, the energy consumed is small and it is advantageous in cooling the apparatus.
【0074】(実施例5)本実施例の構成を図7に示
す。ここでは、レーザ光源からの光を直接液晶空間光変
調器へ入射した。レーザ光源からの光の波面には、レー
ザ共振器の構造に固有の収差が存在する。そこで、この
収差を補正しなから刻印がおこなえる手投を考案した。(Embodiment 5) The configuration of this embodiment is shown in FIG. Here, the light from the laser light source is directly incident on the liquid crystal spatial light modulator. The wavefront of the light from the laser light source has aberrations inherent in the structure of the laser resonator. Therefore, we devised a hand throw that can perform engraving without correcting this aberration.
【0075】まず、収差をまえもって計測しておいて、
その複素共役な波面を与えるデータ(収差補正データ)を
メモリヘ格納しておく。格納する場所は、実施例1ない
し4の構成におけるメモリの一部あるいはROMの一部
であってもよいし、別に用意した専用のメモリであって
もよい。そして、刻印のタイミングに合わせてキノフォ
ームデータに重ねて、液晶空間光変調器104へ記録す
る。こうしてレーザビームの収差を補正することによっ
て、歪のない正確なパターンを刻印することができた。First, the aberration is measured in advance,
Data (aberration correction data) giving the complex conjugate wavefront is stored in the memory. The storage location may be a part of the memory or a part of the ROM in the configurations of the first to fourth embodiments, or may be a dedicated memory prepared separately. Then, the data is recorded on the liquid crystal spatial light modulator 104 by superimposing it on the kinoform data at the timing of marking. By correcting the aberration of the laser beam in this way, it was possible to imprint an accurate pattern without distortion.
【0076】図8は別の構成であって、収差波面の複素
共役な波面を発生させる位相マスク801を液晶空間光
変調器の前に配置した。位相マスク801は、ガラスや
石英基板をイオンエツチングして作製する。この位相マ
スクは、液晶空間光変調器のレーザビームが入射する側
の基板上にあらかじめ形成しておいてもよい。FIG. 8 shows another configuration, in which a phase mask 801 for generating a complex conjugate wavefront of the aberration wavefront is arranged in front of the liquid crystal spatial light modulator. The phase mask 801 is produced by ion etching a glass or quartz substrate. This phase mask may be formed in advance on the substrate of the liquid crystal spatial light modulator on the side where the laser beam is incident.
【0077】なお、収差を補正する手段としては、アナ
モルフィック光学素子や、この他の非球面光学素子も有
効である。An anamorphic optical element and other aspherical optical elements are also effective as means for correcting aberrations.
【0078】(実施例6)本実施例は、実施例1ないし
5の構成において、液晶空間光変調器の後ろに導光部を
配置したことを特徽とする。ここでは、実施例1の構成
と、複数プリズムから構成された導光部とを組み合わせ
た構成について説明する。(Embodiment 6) This embodiment is characterized in that the light guide section is arranged behind the liquid crystal spatial light modulator in the structure of Embodiments 1 to 5. Here, a configuration in which the configuration of the first embodiment is combined with the light guide section including a plurality of prisms will be described.
【0079】図9に構成を示す。フーリエ変換レンズ9
01と導光部902を介して、試料106の表面に所定
のパターンを刻印している。導光部902の側面図を図
10(a)に、平面図(上から)を図10(b)にそれぞ
れ示す。導光部902は複数の透明なプリズム1001
から構成される。これらのプリズム中を、プリズムと空
気の界面で全反射を繰り返しながら、レーザ光が進む。
全反射を利用してレーザ光の進行方向を変更するので、
複数の金属ミラーを使用した場合に比べて、光エネルギ
ーの損失が格段に少ない。もちろん、全反射条件を満足
するように、フーリエ変換レンズ801の焦点距離およ
び液晶空間光変調器へ記録するレンズの焦点距離を定め
ておく。FIG. 9 shows the configuration. Fourier transform lens 9
A predetermined pattern is imprinted on the surface of the sample 106 via 01 and the light guide 902. FIG. 10A shows a side view of the light guide portion 902, and FIG. 10B shows a plan view thereof (from above). The light guide unit 902 includes a plurality of transparent prisms 1001.
Composed of. Laser light travels in these prisms while repeating total reflection at the interface between the prism and air.
Since the traveling direction of the laser light is changed using total reflection,
The loss of light energy is much less than when using multiple metal mirrors. Of course, the focal length of the Fourier transform lens 801 and the focal length of the lens to be recorded in the liquid crystal spatial light modulator are set so as to satisfy the total reflection condition.
【0080】導光部を設けることによって光路長が短く
なり、装置サイズをコンパクトにまとめることができ
た。By providing the light guide portion, the optical path length was shortened, and the device size could be made compact.
【0081】(実施例7)本実施例は、液晶空間光変調器
の後ろへ、フーリエ変換レンズと空間フィルタと補助レ
ンズから構成される二重回折光学系を備えていることを
特徴とする。(Embodiment 7) This embodiment is characterized in that a double diffractive optical system including a Fourier transform lens, a spatial filter and an auxiliary lens is provided behind the liquid crystal spatial light modulator. .
【0082】図11に全体の構成を示す。二重回折光学
系1101を介して、試料106の表面に所定のパター
ンが結像再生される。二重回折光学系1101の倍率は
目的に合わせて自由に代えることが可能である。FIG. 11 shows the overall structure. A predetermined pattern is imaged and reproduced on the surface of the sample 106 via the double diffraction optical system 1101. The magnification of the double diffraction optical system 1101 can be freely changed according to the purpose.
【0083】図12に二重回折光学系の構成を示す。フ
ーリエ変換レンズ1201は、液晶空間光変調器に記録
されたキノフォームからパターンを再生するために用い
た。ここでは、光路長を短くするために、比較的焦点距
離が短いフーリエ変換レンズ1201を使用した。液晶
空間光変調器の画素配列のせいで生じる高次回折像を除
くために、空間フィルタ1202をフーリエ変換レンズ
1201のフーリエ変換面付近に配置した。空間フィル
タ1202は、必要に応じて、開口の大きさが変えられ
るようにできている。空間フィルタ1202の後ろには
補助レンズ1203を配置して、再生パターンの大きさ
を拡大して、試料上へ投射できるようにした。FIG. 12 shows the structure of the double diffraction optical system. The Fourier transform lens 1201 was used to reproduce the pattern from the kinoform recorded in the liquid crystal spatial light modulator. Here, in order to shorten the optical path length, the Fourier transform lens 1201 having a relatively short focal length is used. The spatial filter 1202 is arranged in the vicinity of the Fourier transform surface of the Fourier transform lens 1201 in order to remove the high-order diffraction image generated due to the pixel arrangement of the liquid crystal spatial light modulator. The spatial filter 1202 is configured so that the size of the opening can be changed as needed. An auxiliary lens 1203 is arranged behind the spatial filter 1202 to enlarge the size of the reproduction pattern so that the reproduction pattern can be projected onto the sample.
【0084】二重回折光学系を導入することによって、
高次の回折像およびその他の迷光が除かれ、所望のパタ
ーンを鮮明に刻印することが可能になった。By introducing double diffractive optics,
Higher order diffraction images and other stray light have been eliminated, making it possible to clearly engrave the desired pattern.
【0085】(実施例8)本実施例の特徴は、実施例7の
構成(二重回折光学系の導入)において、補助レンズの駆
動機構を備え、さらに、二重回折光学系の光路上に導光
部を配置した点にある。(Embodiment 8) The feature of this embodiment is that in the configuration of Embodiment 7 (introduction of the double diffractive optical system), a driving mechanism for an auxiliary lens is provided, and the light of the double diffractive optical system is further provided. The point is that the light guide section is arranged on the road.
【0086】図13に構成を示す。ここでは、空間フィ
ルタ1202は導光部1301の外に配置したが、導光
部1301の中に配置してもよい。1302は補助レン
ズ1203の位置制御をおこなうための駆動機構であ
る。パターンの結像倍率は、駆動機構1302で補助レ
ンズ1203の位置を調節することによって、広い範囲
で変えることができる。この時にパターンの結像面も前
後にずれるので、フーリエ変換レンズ1201と空間フ
ィルタ1202をいっしょに動かす必要がある。本構成
では、フーリエ変換レンズ1201と空間フィルタ12
02はひとつの支持部材に固定されているので、この支
持部材を動かすだけでよい。さらに、キノフォームデー
タヘ重ねるレンズ位相関数の焦点距離を調節することに
よって、刻印パターンのサイズを細かく調整することも
できる。FIG. 13 shows the configuration. Here, the spatial filter 1202 is arranged outside the light guide section 1301, but it may be arranged inside the light guide section 1301. 1302 is a drive mechanism for controlling the position of the auxiliary lens 1203. The image forming magnification of the pattern can be changed in a wide range by adjusting the position of the auxiliary lens 1203 by the driving mechanism 1302. At this time, the image plane of the pattern also shifts back and forth, so it is necessary to move the Fourier transform lens 1201 and the spatial filter 1202 together. In this configuration, the Fourier transform lens 1201 and the spatial filter 12
Since 02 is fixed to one support member, this support member only needs to be moved. Further, the size of the marking pattern can be finely adjusted by adjusting the focal length of the lens phase function to be superimposed on the kinoform data.
【0087】(実施例9)本実施例の特徴は、パターン再
生のためのホログラムデータを記録する手段として、光
波の振幅と位相を同時にしかも独立に制御できる、振幅
位相変調型空間光変調器を用いた点にある。この他の主
要な構成要素は、先の実施例で述べたものと同様であ
る。(Embodiment 9) A feature of the present embodiment is that an amplitude phase modulation type spatial light modulator capable of simultaneously and independently controlling the amplitude and phase of a light wave is used as a means for recording hologram data for pattern reproduction. It is in the point used. The other main components are the same as those described in the previous embodiment.
【0088】図14に、振幅位相変調型空間光変調器の
構成を示す。TNモードの液晶空間光変調器1401と
ECBモードの液晶空間光変調器1402を、適当な間
隔で、対応する画素を合わせて張り合わせた構成であ
る。TNモードの液晶空間光変調器1401で光波の振
幅を変調し、ECBモードの液晶空間光変調器1402
で位相を変調する(第52回応物秋季講演,10a-ZK-2(19
91)参照)。図中の斜線部分は、各々の液晶空間光変調器
における液晶層である。FIG. 14 shows the structure of an amplitude phase modulation type spatial light modulator. The TN-mode liquid crystal spatial light modulator 1401 and the ECB-mode liquid crystal spatial light modulator 1402 are configured by adhering corresponding pixels at appropriate intervals. The TN mode liquid crystal spatial light modulator 1401 modulates the amplitude of the light wave, and the ECB mode liquid crystal spatial light modulator 1402.
Modulates the phase by (52nd Autumn Bibliography, 10a-ZK-2 (19
See 91)). The shaded area in the figure is the liquid crystal layer in each liquid crystal spatial light modulator.
【0089】振幅位相変調型空間光変調器を用いること
によって、良好な3次元像を再生し、曲面を有する試料
上へ品質が高い刻印をおこなうことができた。By using the spatial light modulator of the amplitude and phase modulation type, it was possible to reproduce a good three-dimensional image and to perform high-quality marking on a sample having a curved surface.
【0090】(実施例10)図15に、本発明の光学装置
における液晶空間光変調器の構成を示す。液晶空間光変
調器は、それぞれの対応する画素が正しく向かい合うよ
うに前後に配置された、ふたつの位相変調型液晶空間光
変調器a、bから成る。液晶空間光変調器a、bはどち
らもECBモード、マトリクス発動型であり、それぞれ
の液晶分子の配向は互いに直交している。液晶空間光変
調器aはふたつの偏光成分の一方に対して、液晶空間光
変調器bはもう一方の偏光成分に対して位相変調を行
う。図中1501、1502、1503は、それぞれ液
晶空間光変調器aの素子基板、液晶層、対向基板であ
る。同様に1504、1505、1506は、それぞれ
液晶空間光変調器bの素子基板、液晶層、対向基板であ
る。また、液晶層1502、1505における斜線部分
は遮光膜である。(Embodiment 10) FIG. 15 shows the structure of a liquid crystal spatial light modulator in the optical device of the present invention. The liquid crystal spatial light modulator is composed of two phase modulation type liquid crystal spatial light modulators a and b which are arranged in front and back so that respective corresponding pixels are correctly faced to each other. Both the liquid crystal spatial light modulators a and b are of the ECB mode and matrix type, and the orientations of the liquid crystal molecules are orthogonal to each other. The liquid crystal spatial light modulator a performs phase modulation on one of the two polarization components, and the liquid crystal spatial light modulator b performs phase modulation on the other polarization component. In the figure, reference numerals 1501, 1502 and 1503 denote an element substrate, a liquid crystal layer and a counter substrate of the liquid crystal spatial light modulator a, respectively. Similarly, 1504, 1505, and 1506 are an element substrate, a liquid crystal layer, and a counter substrate of the liquid crystal spatial light modulator b, respectively. The shaded areas in the liquid crystal layers 1502 and 1505 are light shielding films.
【0091】対向基板1503、1504を充分に薄く
して、かつ液晶空間光変調器bの開□部分の大きさを最
適化することによって、液晶空間光変調器aの任意の画
素を通過した回折光が液晶空間光変調器bの画素の開口
部分へ漏れないようにした。これらの液晶空間光変調器
の前後の構成およびその作用は、液晶空間光変調器の駆
動回路の数が異なる点を除けば、先に述べた実施例の構
成と同じである。By making the opposing substrates 1503 and 1504 thin enough and optimizing the size of the open □ portion of the liquid crystal spatial light modulator b, diffraction through any pixel of the liquid crystal spatial light modulator a can be achieved. The light was prevented from leaking to the opening portion of the pixel of the liquid crystal spatial light modulator b. The front and rear configurations of these liquid crystal spatial light modulators and their functions are the same as the configurations of the above-described embodiments except that the number of drive circuits of the liquid crystal spatial light modulators is different.
【0092】以上の構成により、光源から出射された光
の偏光成分全てを利用してパターンの刻印を行うことが
可能になった。With the above configuration, it becomes possible to perform pattern marking by using all the polarization components of the light emitted from the light source.
【0093】(実施例11)図16に、本発明の光学装置
の構成を示す。レーザ光源101から出射されたビーム
は、ビームエクスパンダ102とコリメートレンズ10
3により拡大された平行光となり、偏光ビームスブリッ
タ1601の作用で、互いに直光するふたつの偏光成分
に分けられて、ECBモードの位相変調型液晶空間光変
調器1605a、1605bへ入射する。そして、それ
ぞれの偏光成分から、液晶空間光変調器1605a、1
605bに記録されたフレネル変換型キノホームの作用
により、所定のパターンが再生される。ふたつの液晶空
間光変調器1605a、1605bに記録するキノホー
ムデータは、同じであってもよいし、またそうでなくも
よい。液晶空間光変調器1605a、1605bにおけ
る液晶分子の配向方向は、互いに直交するようにしてあ
る。液晶空間光変調器1605a、1605bを透過し
たふたつの偏光成分は、ミラー1603、1604によ
り導かれ、偏光ビームスプリッタ1602で再び合成さ
れて二重回析光学系へ入射する。この後の構成およびそ
の作用は、液晶空間光変調器の駆動回路の数が異なる点
を除けば、先に述べた実施例の構成と同じである。16
06a、1606bはそれぞれ液晶素子1605bの駆
動回路である。図中、制御装置、入力装置、レーザ電源
は記述を省略した。(Embodiment 11) FIG. 16 shows the structure of an optical device of the present invention. The beam emitted from the laser light source 101 is a beam expander 102 and a collimator lens 10
The collimated light is expanded by 3, and is divided into two polarization components that are direct lights by the action of the polarization beam splitter 1601 and enters the ECB mode phase modulation type liquid crystal spatial light modulators 1605a and 1605b. Then, from the respective polarization components, the liquid crystal spatial light modulators 1605a, 1605a,
A predetermined pattern is reproduced by the action of the Fresnel conversion type mushroom recorded in 605b. The kinoform data recorded in the two liquid crystal spatial light modulators 1605a and 1605b may or may not be the same. The alignment directions of the liquid crystal molecules in the liquid crystal spatial light modulators 1605a and 1605b are set to be orthogonal to each other. The two polarization components transmitted through the liquid crystal spatial light modulators 1605a and 1605b are guided by mirrors 1603 and 1604, recombined by the polarization beam splitter 1602, and incident on the double diffraction optical system. The subsequent structure and the operation thereof are the same as those of the above-described embodiment except that the number of drive circuits of the liquid crystal spatial light modulator is different. 16
Reference numerals 06a and 1606b are drive circuits for the liquid crystal element 1605b. In the figure, the description of the control device, the input device, and the laser power supply is omitted.
【0094】なお、図16の構成は実施例7の基本にし
ているが、これに限定されるものではなく、実施例1な
いし8のどの構成を基本にしてもよい。Although the configuration of FIG. 16 is based on the seventh embodiment, it is not limited to this, and any configuration of the first to eighth embodiments may be used.
【0095】以上の構成により、レーザ光源から出射さ
れた光の偏光成分全てを利用してパターンの刻印を行う
ことが可能になった。With the above structure, it becomes possible to perform pattern marking by using all the polarization components of the light emitted from the laser light source.
【0096】(実施例12)本実施例の特徴は、被刻印試
料の表面形状をその場で計測する手段を備えていること
を特徴とする。(Embodiment 12) The feature of this embodiment is that it is provided with means for measuring the surface shape of the sample to be engraved on the spot.
【0097】被刻印試料の表面形状を計測する手段に
は、オートフォーカス法、パターン投影法、光干渉法な
どがある(0plusE,No.126,B7-96(1990)参照)。
これらの手段により求めた形状データから、計算機でキ
ノフォームデータ(あるいは、ホログラムデータ)を作
成して液晶空間光変調器へ表示する。Means for measuring the surface shape of the sample to be stamped include an autofocus method, a pattern projection method, an optical interference method (see 0plusE, No. 126, B7-96 (1990)).
A computer creates kinoform data (or hologram data) from the shape data obtained by these means and displays it on the liquid crystal spatial light modulator.
【0098】被刻印試料の表面形状の計測手段を備えた
ことによって、表面形状が不特定な複数の試料に対して
も、短時間で刻印ができるようになった。By providing the means for measuring the surface shape of the sample to be marked, it becomes possible to mark a plurality of samples whose surface shapes are not specified in a short time.
【0099】(実施例13)図17に、本発明のレーザ刻
印装置を搭載したロボットの外観を示す。ロボットは多
間接型ロボットであって、そのアーム1704へ先の実
施例で説明したレーザ刻印装置1705を搭載した。レ
ーザ光源1701は、ロボット本体1703から離して
配置してある。このため、出射ビームを光ファイバ17
02で導いて、レーザ刻印装置1705の中に配置され
たコリメートレンズで平行光にしてから、同じくレーザ
刻印装置1705の中に配置された液晶空間光変調器を
照明した。そして、液晶空間光変調器へ記録されたキノ
フォームからパターンを再生し、試料上へ刻印をおこな
った。(Embodiment 13) FIG. 17 shows the appearance of a robot equipped with the laser marking device of the present invention. The robot is a multi-indirect type robot, and the arm 1704 is equipped with the laser marking device 1705 described in the previous embodiment. The laser light source 1701 is arranged apart from the robot body 1703. Therefore, the outgoing beam is directed to the optical fiber 17
02, and collimated light by a collimating lens arranged in the laser marking device 1705, and then a liquid crystal spatial light modulator also arranged in the laser marking device 1705 was illuminated. Then, the pattern was reproduced from the kinoform recorded in the liquid crystal spatial light modulator, and marking was performed on the sample.
【0100】ロボットの構造および作業環境に応じて、
光ファイバをロボットの筐体の表面を這わせて配置す
るか、筐体の中へ閉じこめて配置するかを決める。図
5で、液晶空間光変調器の駆動回路、メモリ、計算機な
どは省略してある。Depending on the robot structure and work environment,
Decide whether to place the optical fiber along the surface of the robot's housing or to confine it inside the housing. In FIG. 5, a drive circuit, a memory, a calculator and the like of the liquid crystal spatial light modulator are omitted.
【0101】レーザ刻印装置を多関節型ロボットへ搭載
して使用することにより以下のことが可能になる。
(1)ロボットのアームの動きに合わせて液晶空間光変
調器へ記録する位相構造を更新することにより、ひとつ
の試料へ複数の異なるパターンを刻印できる。
(2)ロボットのアームの動きに合わせて液晶空間光変
調器へ記録する位相構造を更新することにより、複数の
試料へ互いに異なるパターンを封印できる。
(3)複雑な形状を有する試料に対しても、アームを制
御して液晶空間光変調器の位置を高精度に決定できるの
で、高品質な封印がおこなえる。By mounting the laser marking device on the articulated robot and using it, the following becomes possible. (1) A plurality of different patterns can be imprinted on one sample by updating the phase structure recorded in the liquid crystal spatial light modulator according to the movement of the robot arm. (2) By updating the phase structure recorded in the liquid crystal spatial light modulator according to the movement of the robot arm, different patterns can be sealed on a plurality of samples. (3) Since the position of the liquid crystal spatial light modulator can be determined with high accuracy by controlling the arm even for a sample having a complicated shape, high quality sealing can be performed.
【0102】なお、本実施例の構成で、レーザ光源、液
晶空間光変調器の駆動回路、メモリ、計算機などは全
て、ロボットの筐体内部へ配置することも可能である。In the structure of this embodiment, the laser light source, the drive circuit for the liquid crystal spatial light modulator, the memory, the computer, etc. can all be arranged inside the robot housing.
【0103】(実施例14)本発明の光学装置を応用した
立体成形装置について述べる。(Embodiment 14) A three-dimensional molding apparatus to which the optical device of the present invention is applied will be described.
【0104】図18に、立体成形装置の構成を示す。ま
ず、光硬化樹脂1802を満たした樹脂漕1801の中
に、本発明の光学装置1803を使って、2次元パター
ン1804を再生した。こうして、パターン1804の
形に樹脂を硬化する。つぎにキノフォームデータに重ね
るレンズ関数の焦点距離を変えて、異なる部位に対応す
るパターンを再生し、その部分の樹脂を硬化する。この
過程を繰り返すことによって、最終的に、立体物の成形
ができる。FIG. 18 shows the structure of the three-dimensional molding apparatus. First, the two-dimensional pattern 1804 was reproduced in the resin tank 1801 filled with the photocurable resin 1802 by using the optical device 1803 of the present invention. In this way, the resin is cured in the shape of the pattern 1804. Next, the focal length of the lens function to be superimposed on the kinoform data is changed to reproduce a pattern corresponding to a different portion, and the resin at that portion is cured. By repeating this process, a three-dimensional object can be finally molded.
【0105】本発明においても、実施例で述べた反復計
算法や多重記録法を用いることによって、スペックルノ
イズの発生を抑えて、むらのない均一な樹脂硬化をおこ
なうことができた。実験結果の一例を図19に示した。
図19(a)が再生したいパターンである。この矩形領
域の内部1901だけを硬化させ、外部は硬化させずに
おきたい。ひとつのキノフォームデータを再生すると、
図19(a)の直線1902上の強度分布は、図19
(b)のようになった。この強度のばらつきは、スペッ
クルノイズのせいで生じる。他方、多重記録法により複
数のキノフォームデータをつぎつぎに書換ながら再生し
た場合は、スペックルノイズが平均化され、図19
(c)のように強度のばらつきがなくなった。このよう
にして樹脂を硬化させれば、矩形領域の外側では、瞬間
的には比較的強い光が当たることはあっても、積算され
た露光量が少ないために、ほとんど樹脂は硬化しない。
一方、矩形領域の内側では、いたるところで積算された
露光量が均一になり、パターンに欠けなどが発生しな
い。Also in the present invention, by using the iterative calculation method and the multiple recording method described in the embodiments, it is possible to suppress the generation of speckle noise and to perform uniform and uniform resin curing. An example of the experimental result is shown in FIG.
FIG. 19A shows a pattern to be reproduced. It is desired to cure only the inside 1901 of this rectangular area and leave the outside uncured. When you play one kenoform data,
The intensity distribution on the straight line 1902 in FIG.
It became like (b). This variation in intensity occurs due to speckle noise. On the other hand, when a plurality of kinoform data are reproduced while being rewritten one after another by the multiplex recording method, the speckle noise is averaged, and FIG.
There is no variation in strength as shown in (c). If the resin is cured in this way, the resin may hardly be cured outside the rectangular region due to the small amount of integrated exposure, although relatively strong light may be momentarily applied.
On the other hand, inside the rectangular area, the integrated exposure amount becomes uniform everywhere, and the pattern is free from chipping.
【0106】以上のように、ある平面上の樹脂を硬化さ
せる間は、反復計算法あるいは多重露光法により、複数
のキノフォームデータをつぎつぎに書換ながらパターン
再生、樹脂硬化を進め、硬化が充分におこなわれたら、
キノフォームデータへ重ねるレンズ関数の焦点距離を変
えて同じことをおこなう。このようにして、品質が高い
立体物を成形することができる。As described above, while the resin on a certain plane is being cured, the pattern reproduction and the resin curing are promoted by rewriting a plurality of kinoform data one after another by the iterative calculation method or the multiple exposure method to sufficiently cure the resin. Once done,
The same is done by changing the focal length of the lens function overlaid on the kinoform data. In this way, a high-quality three-dimensional object can be molded.
【0107】本実施例では、光利用効率が高く、レーザ
光を2次元的に走査する必要がないので、短時間で立体
物を成形できる。In this embodiment, since the light utilization efficiency is high and it is not necessary to scan the laser light two-dimensionally, a three-dimensional object can be molded in a short time.
【0108】なお、本実施例では位相変調型の液晶空間
光変調器を用いたが、振幅位相変調型の液晶空間光変調
器を用いれば、3次元像を一度に再生できるため、立体
成形がいっそう容易になる。Although the liquid crystal spatial light modulator of the phase modulation type is used in this embodiment, if the liquid crystal spatial light modulator of the amplitude phase modulation type is used, a three-dimensional image can be reproduced at one time, so that three-dimensional molding is possible. It will be even easier.
【0109】[0109]
【発明の効果】本発明では、液晶空間光変調器に記録し
た計算機ホログラムからパターンを再生し、このパター
ンを試料上へ投写して刻印をおこなう。この点が、従来
のようにパターンをそのまま強度分布として液晶空間光
変調器へ表示し、この強度分布をレンズ系で試料上へ投
影して刻印をおこなう方式との大きな違いである。According to the present invention, a pattern is reproduced from a computer generated hologram recorded in a liquid crystal spatial light modulator, and this pattern is projected on a sample for imprinting. This point is a big difference from the conventional method in which the pattern is displayed as it is on the liquid crystal spatial light modulator as the intensity distribution, and this intensity distribution is projected on the sample by the lens system to perform marking.
【0110】本発明の光学装置により、以下の効果が生
まれた。The following effects were produced by the optical device of the present invention.
【0111】(1)位相変調型液晶空間光変調器へ記録
した計算機ホログラムからパターンを再生することによ
り、きわめて高い光利用効率で、平面ばかりでなく曲面
へも所望のパターンを刻印することができる。(1) By reproducing a pattern from the computer generated hologram recorded in the phase modulation type liquid crystal spatial light modulator, it is possible to imprint a desired pattern on a curved surface as well as a flat surface with extremely high light utilization efficiency. .
【0112】(2)本文中で述べた反復計算法や多重露
光法により、再生像面に生じる不均一な強度成分を除
き、欠陥や荒れのない高品質な刻印ができる。(2) By the iterative calculation method and the multiple exposure method described in the text, a high-quality marking free from defects and roughness can be obtained except for the non-uniform intensity component generated on the reproduced image plane.
【0113】(3)多くの種類のパターンを少量づつだ
け刻印したいという要求に対しても、液晶空間光変調器
へ入力するデータを変更するだけで容易に対応できる。
このため、マスク製作に要する工数ならびに費用が大幅
に削減できる。(3) The demand for engraving many types of patterns in small quantities can be easily met by changing the data input to the liquid crystal spatial light modulator.
Therefore, the number of man-hours required for mask production and the cost can be significantly reduced.
【0114】(4)さらに、本発明の光学装置をロボッ
トへ搭載して使用することにより、被刻印試料の形状、
姿勢などに対する制約が著しく緩和され、生産効率良く
刻印がおこなえる。(4) Furthermore, by mounting the optical device of the present invention on a robot and using it, the shape of the sample to be imprinted,
Restrictions on posture etc. are remarkably relaxed, and marking can be performed with high production efficiency.
【0115】(5)光硬化樹脂を用いた立体成形へ応用
しても、品質の高い成形を短時間で終了することかでき
る。以上の効果により、光刻印装置ならびに光立体成形
装置の実用化が大きく進むことが期待できる。(5) Even if it is applied to three-dimensional molding using a photocurable resin, high quality molding can be completed in a short time. Due to the above effects, it can be expected that the optical marking device and the optical three-dimensional molding device will be greatly put into practical use.
【図1】 実施例1のレーザ刻印装置の構成を示す平面
図である。FIG. 1 is a plan view showing the configuration of a laser marking device according to a first embodiment.
【図2】 レーザ刻印装置の制御装置の構成を示すブロ
ック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a control device of the laser marking device.
【図3】 刻印パターンの様相を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an aspect of a marking pattern.
【図4】 液晶空間光変調器の光波変調特性を示す図で
ある。FIG. 4 is a diagram showing light wave modulation characteristics of a liquid crystal spatial light modulator.
【図5】 実施例2のレーザ刻印装置の構成を示す平面
図である。FIG. 5 is a plan view showing the configuration of a laser marking device according to a second embodiment.
【図6】 実施例3のレーザ刻印装置の構成を示す平面
図である。FIG. 6 is a plan view showing the configuration of a laser marking device according to a third embodiment.
【図7】 実施例5のレーザ刻印装置の構成を示す平面
図である。FIG. 7 is a plan view showing the configuration of a laser marking device according to a fifth embodiment.
【図8】 実施例5の別なレーザ刻印装置の構成を示す
平面図である。FIG. 8 is a plan view showing the configuration of another laser marking device according to the fifth embodiment.
【図9】 実施例6のレーザ刻印装置の構成を示す平面
図である。FIG. 9 is a plan view showing the configuration of a laser marking device according to a sixth embodiment.
【図10】 (a)導光部の構成を示す側面図である。
(b)導光部の構成を示す平面図である。FIG. 10A is a side view showing the configuration of the light guide section.
(B) It is a top view which shows the structure of a light guide part.
【図11】 実施例7のレーザ刻印装置の構成を示す平
面図である。FIG. 11 is a plan view showing the configuration of a laser marking device of Example 7.
【図12】 二重回折光学系の構成を示す平面図であ
る。FIG. 12 is a plan view showing a configuration of a double diffraction optical system.
【図13】 実施例8のレーザ刻印装置の構成を示す平
面図である。FIG. 13 is a plan view showing the configuration of a laser marking device according to an eighth embodiment.
【図14】 実施例9における振幅位相変調型空間光変
調器の構成を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of an amplitude phase modulation type spatial light modulator in Example 9.
【図15】 実施例10における液晶空間光変調器の構成
を示す断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing a configuration of a liquid crystal spatial light modulator in Example 10.
【図16】 実施例11のレーザ刻印装置の構成を示す平
面図である。FIG. 16 is a plan view showing the configuration of a laser marking device according to an eleventh embodiment.
【図17】 実施例13のレーザ刻印システムの構成を示
す斜視図である。FIG. 17 is a perspective view showing the configuration of a laser marking system of Example 13.
【図18】 実施例14の立体成形装置の構成を示す平面
図である。FIG. 18 is a plan view showing the structure of a three-dimensional molding apparatus of Example 14.
【図19】 硬化パターンの様相を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing an aspect of a curing pattern.
【図20】 従来のレーザ刻印装置の構成を示す側面図
である。FIG. 20 is a side view showing the configuration of a conventional laser marking device.
101・・・レーザ光源 102・・・ビームエクスパンダ 103・・・コリメートレンズ 104・・・液晶空間光変調器 105・・・フーリエ変換レンズ 106・・・被刻印試料 107・・・レーザ騒動電源 108・・・液晶空間光変調器の騒動回路 109・・・制御装置 110・・・入力装置 201・・・制御回路 202・・・フォントROM 203・・・入力バッファ 204・・・数発生回路 205・・・メモリ 206・・・メモリ 207・・・加算回路 208・・・乗算回路 209・・・メモリ 210・・・レンズ位相発生回路 211・・・メモリ 212・・・高速フーリエ変換回路 213・・・メモリ 214・・・乗算回路 215・・・メモリ 216・・・逆正接演算回路 217・・・量子化演算回路 218・・・出力バッファ 601・・・制御回路 602・・・ROM 603・・・入力バッファ 604・・・CD−ROM 609・・・制御装置 610・・・キーボード 618・・・出力バッファ 801・・・収差補正用位相マスク 901・・・フーリエ変換レンズ 902・・・導光部 1001・・・プリズム 1101・・・二重回折光学系 1201・・・フーリエ変換レンズ 1202・・・空間フィルタ 1203・・・補助レンズ 1301・・・導光部 1302・・・補助レンズの駆動機構 1401・・・TNモード液晶空間光変調器 1402・・・ECBモード液晶空間光変調器 1501・・・液晶空間光変調器aの素子基板 1502・・・液晶空間光変調器aの液晶層 1503・・・液晶空間光変調器aの対向基板 1504・・・液晶空間光変調器bの素子基板 1505・・・液晶空間光変調器bの液晶層 1506・・・液晶空間光変調器bの対向基板 1601・・・偏光ビームスプリッタ 1602・・・偏光ビームスプリッタ 1603・・・ミラー 1604・・・ミラー 1605a・・・液晶空間光変調器 1605b・・・液晶空間光変調器 1606a・・・液晶空間光変調器の駆動回路 1606b・・・液晶空間光変調器の駆動回路 1701・・・レーザ電源 1702・・・光ファイバ 1703・・・ロボット本体 1704・・・ロボットのアーム 1705・・・レーザ刻印装置 1801・・・樹脂槽 1802・・・光硬化樹脂 1803・・・本発明の光学装置 1804・・・パターン 1901・・・パターンの一部 1902・・・再生されたパターン上の強度分布 2001・・・レーザ光源 2002・・・ビームエクスパンダ 2003・・・コリメートレンズ 2004・・・液晶空間光変調器 2005・・・結像レンズ 2007・・・レーザ駆動電源 2008・・・液晶空間光変調器の駆動回路 101 ... Laser light source 102 ・ ・ ・ Beam expander 103 ... Collimating lens 104 ・ ・ ・ Liquid crystal spatial light modulator 105 ・ ・ ・ Fourier transform lens 106 ・ ・ ・ Stamped sample 107 ... Laser disturbance power supply 108 ・ ・ ・ Noise circuit of liquid crystal spatial light modulator 109 ... Control device 110 ・ ・ ・ Input device 201 ... Control circuit 202 ・ ・ ・ Font ROM 203: Input buffer 204 ・ ・ ・ Number generation circuit 205 ... Memory 206 ... Memory 207 ... Adding circuit 208: Multiplier circuit 209 ・ ・ ・ Memory 210 ... Lens phase generation circuit 211 ・ ・ ・ Memory 212 ・ ・ ・ Fast Fourier transform circuit 213 ・ ・ ・ Memory 214 ... Multiplication circuit 215 ・ ・ ・ Memory 216 ・ ・ ・ Inverse tangent arithmetic circuit 217 Quantization arithmetic circuit 218 ... Output buffer 601 ... Control circuit 602 ... ROM 603 ... Input buffer 604 ・ ・ ・ CD-ROM 609 ・ ・ ・ Control device 610 ... Keyboard 618 ... Output buffer 801: Aberration correction phase mask 901 ・ ・ ・ Fourier transform lens 902 ... Light guide 1001 ・ ・ ・ Prism 1101 ・ ・ ・ Double diffractive optical system 1201 ・ ・ ・ Fourier transform lens 1202 ・ ・ ・ Spatial filter 1203 ・ ・ ・ Auxiliary lens 1301 ・ ・ ・ Light guide 1302 ・ ・ ・ Auxiliary lens drive mechanism 1401 ・ ・ ・ TN mode liquid crystal spatial light modulator 1402 ・ ・ ・ ECB mode liquid crystal spatial light modulator 1501 ・ ・ ・ Element substrate of liquid crystal spatial light modulator a 1502 ... Liquid crystal layer of liquid crystal spatial light modulator a 1503 ... Counter substrate of liquid crystal spatial light modulator a 1504: Element substrate of liquid crystal spatial light modulator b 1505 ... Liquid crystal layer of liquid crystal spatial light modulator b 1506 ... Opposing substrate of liquid crystal spatial light modulator b 1601 ・ ・ ・ Polarizing beam splitter 1602 ・ ・ ・ Polarizing beam splitter 1603 ・ ・ ・ Mirror 1604 ・ ・ ・ Mirror 1605a ・ ・ ・ Liquid crystal spatial light modulator 1605b ・ ・ ・ Liquid crystal spatial light modulator 1606a ・ ・ ・ Drive circuit for liquid crystal spatial light modulator 1606b ・ ・ ・ Drive circuit for liquid crystal spatial light modulator 1701 ・ ・ ・ Laser power supply 1702 ・ ・ ・ Optical fiber 1703 ・ ・ ・ Robot body 1704 ・ ・ ・ Robot arm 1705 ... Laser marking device 1801 ・ ・ ・ Resin tank 1802 ・ ・ ・ Photocurable resin 1803 ... Optical device of the present invention 1804 ... Pattern 1901 ... Part of the pattern 1902 ・ ・ ・ Intensity distribution on the reproduced pattern 2001 ・ ・ ・ Laser light source 2002 ・ ・ ・ Beam expander 2003 ... Collimating lens 2004 ・ ・ ・ Liquid crystal spatial light modulator 2005: Imaging lens 2007 ・ ・ ・ Laser drive power supply 2008 ・ ・ ・ Drive circuit for liquid crystal spatial light modulator
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G03H 1/32 G03H 1/32 (31)優先権主張番号 特願平4−122136 (32)優先日 平成4年5月14日(1992.5.14) (33)優先権主張国 日本(JP) 前置審査 (56)参考文献 特開 昭61−193177(JP,A) 特開 昭61−83523(JP,A) 特開 平1−302376(JP,A) 尼子淳、曽根原富雄,液晶空間光変調 器を用いたキノホーム,第51回応用物理 学会学術講演会予稿集,第3分冊,第 754頁 N.C.Gallagher,B.L iu,Method of Compu ting Kinoforms tha t Reduces Image Re construction Erro r,Applied Optics,v ol.12,No.10,p.2328−2335 一岡芳樹,キノフォームとその応用, 光学,1973年 6月,第2巻、第3号, 第133−152頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/00 - 1/13 G03H 1/00 - 5/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI G03H 1/32 G03H 1/32 (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 4-122136 (32) Priority date May 14, 1992 Japan (May 14, 1992) (33) Country of priority claim Japan (JP) Preliminary examination (56) References JP 61-193177 (JP, A) JP 61-83523 (JP, A) Kaihei 1-302376 (JP, A) Atsushi Amako, Tomio Sonehara, Kinohome using a liquid crystal spatial light modulator, Proceedings of the 51st Annual Meeting of the Society of Applied Physics, 3rd volume, p.754. C. Gallagher, B .; Liu, Method of Computing Kinoforms that Reduces Image Reconstruction Error, Applied Optics, vol. 12, No. 10, p. 2328-2335 Yoshiki Ichioka, Kinoform and its applications, Optics, June 1973, Volume 2, Issue 3, pages 133-152 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G02F 1/00-1/13 G03H 1/00-5/00
Claims (10)
により表現し、 波面を有する光を出射するコヒーレント光源と、 前記コヒーレント光源から出射された光の波面を制御す
ることにより複数の画像パターンを前記物体上に再生す
るための書き換え可能な空間光変調器と、 複数の計算機ホログラムデータを生成し、前記計算機ホ
ログラムデータを前記書き換え可能な空間光変調器へ時
系列に供給するためのデータ処理手段とを備えた 原画像
パタ−ンを物体上に再生する光学装置であって、 前記データ処理手段は、原画像パターンデータを記憶す
る手段と、 複数の統計的に互いに相関がないランダム位相分布を生
成する手段と、 前記原画像パターンデータと前記複数のランダム位相分
布の各々とを掛け合わせることにより複数のデータセッ
トを生成する手段と、 前記複数のデータセットを変換することにより複数の計
算機ホログラムをフレーム単位で生成する手段とを含
み、 前記データ処理手段により複数の計算機ホログラムデー
タは前記書き換え可能な空間光変調器へフレーム単位で
供給され、 前記書き換え可能な空間光変調器から再生された画像パ
ターンは次々に前記物体上へ投射する手段と、 前記再生された複数の画像パターンが物体上のほぼ同じ
位置において次々に重ねられ、積分されることにより原
画像パターンが再生される手段とを、有することを特徴
とする光学装置。1. An original image pattern is original image pattern data.
The coherent light source that emits light having a wavefront and the wavefront of the light emitted from the coherent light source are controlled by
To reproduce multiple image patterns on the object.
Rewritable spatial light modulator for generating a plurality of computer generated hologram data,
Program data to the rewritable spatial light modulator
An optical device for reproducing an original image pattern on an object, the device including data processing means for supplying a series of data , wherein the data processing means includes means for storing original image pattern data, and a plurality of statistical data. Means for generating random phase distributions that are not correlated with each other, means for generating a plurality of data sets by multiplying each of the original image pattern data and the plurality of random phase distributions, and the plurality of data sets and means for generating a plurality of computer-generated hologram in a frame unit by converting the plurality of computer generated hologram data by the data processing means is supplied in units of frames to the rewritable spatial light modulator, the rewritable space Means for projecting the image pattern reproduced from the light modulator onto the object one after another; Image pattern superimposed one after another at substantially the same position on the object, an optical apparatus original image pattern by being integral, characterized in that the means to be played has.
“1”と“−1”の配列からなることを特徴とする請求
項1記載の光学装置。2. The optical device according to claim 1, wherein the random phase distribution comprises an array of two numbers “1” and “−1”.
うち光学的に再生される領域に対応するドットを計数す
る手段を備え、計数されたドット数の増減に合わせて前
記コヒーレント光源の出力を増減することを特徴とする
請求項1記載の光学装置。3. The data processing means comprises means for counting dots corresponding to an optically reproduced area in the image pattern, and the coherent coherent operation is performed as the number of counted dots is increased or decreased. The optical device according to claim 1, wherein the output of the light source is increased or decreased .
あることを特徴とする請求項1記載の光学装置。4. The optical device according to claim 1, wherein the spatial light modulator is a liquid crystal spatial light modulator.
るでことを特徴とする請求項4記載の光学装置。5. The optical device according to claim 4, wherein the liquid crystal spatial light modulator is of a phase modulation type.
調型液晶空間光変調器から成り、前記ふたつの位相変調
型液晶空間光変調器対向する画素を揃えて配置され、か
つ、それぞれの位相変調方位が直交するように配置され
て成ることを特徴とする請求項4記載の光学装置。6. The liquid crystal spatial light modulator is composed of two phase modulation type liquid crystal spatial light modulators, the two phase modulation type liquid crystal spatial light modulators are arranged so that pixels facing each other are aligned, and the respective phases are arranged. The optical device according to claim 4, wherein the modulation directions are arranged so as to be orthogonal to each other.
うち光学的に再生される領域に対応するドット数を記憶
する手段を備え、前記ドット数の増減に合わせて前記コ
ヒーレント光源の出力を増減することを特徴とする請求
項1記載の光学装置。7. The data processing means comprises means for storing the number of dots corresponding to an optically reproduced area of the image pattern, and increases or decreases the output of the coherent light source in accordance with the increase or decrease in the number of dots. The optical device according to claim 1, wherein:
ンズを備え、前記フーリエ変換レンズが前記位相変調型
液晶空間光変調器を通過した光の波面に作用することに
より原画像パターンを前記物体上に再生することを特徴
とする請求項5記載の光学装置。8. The optical device includes a Fourier transform lens, and the Fourier transform lens acts on a wave front of light passing through the phase modulation type liquid crystal spatial light modulator to reproduce an original image pattern on the object. The optical device according to claim 5, wherein:
空間光変調器がアクティブマトリクス方式により駆動さ
れ、かつ、前記位相変調型液晶空間光変調器の画素間隔
が水平方向と垂直方向とで等しいことを特徴とする請求
項5記載の光学装置。9. In the optical device, the phase modulation type liquid crystal spatial light modulator is driven by an active matrix method, and the pixel intervals of the phase modulation type liquid crystal spatial light modulator are equal in the horizontal direction and the vertical direction. The optical device according to claim 5, wherein:
晶空間光変調器が光書き込み方式により駆動されること
を特徴とする請求項5記載の光学装置。10. The optical device according to claim 5, wherein in the optical device, the phase modulation type liquid crystal spatial light modulator is driven by an optical writing method.
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