ES2961538T3

ES2961538T3 - Sistema y procedimiento para analizar un haz de luz guiado por una óptica de guía de haz

Info

Publication number: ES2961538T3
Application number: ES15724539T
Authority: ES
Inventors: Matthias Manger; Florian Baumer
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2035-05-08
Also published as: EP3140628B9; PL3140628T3; US20170122803A1; JP2017519222A; EP3140628A1; DE102014208792A1; EP3140628B1; JP6576435B2; WO2015169937A1; US9823119B2; EP3140628C0

Abstract

La invención se refiere a un sistema y a un método para analizar un haz de luz conducido por una unidad óptica conductora de haz. Un sistema según la invención comprende un conjunto de filtro de densidad neutra graduado (120, 520), que está dispuesto en un plano de campo lejano de la unidad óptica conductora de haz y tiene al menos un filtro de densidad neutra graduado (121, 521). , 522, 523) que tiene transmitancia que varía espacialmente, y un conjunto de sensor de intensidad de luz que tiene al menos un sensor de intensidad de luz (140, 540), cuyo conjunto de sensor de intensidad de luz está dispuesto en un plano de campo cercano de la unidad óptica conductora de haz y medidas (141, 541, 542, 543), para cada filtro graduado de densidad neutra (121, 521, 522, 523) del conjunto de filtro graduado de densidad neutra (120, 520), la intensidad de la luz transmitida por el filtro graduado de densidad neutra filtro de densidad. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y procedimiento para analizar un haz de luz guiado por una óptica de guía de haz

La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente alemana DE 102014 208792.9, presentada el 09 de mayo de 2014.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Campo de la invención

La invención se refiere a un sistema y a un procedimiento para analizar un haz de luz guiado por una óptica de guía de haz. La invención se puede utilizar en particular para analizar un haz de luz (en particular un rayo láser), por ejemplo en su posición y/o sus propiedades de enfoque, y para obtener información tanto sobre los parámetros geométricos del haz como sobre la calidad del haz.

La invención es adecuada en particular para analizar radiación electromagnética, como se usa, por ejemplo, en fuentes de plasma láser (por ejemplo, en una fuente EUV de una instalación de iluminación por proyección microlitográfica), sin embargo no se limita a esto. En otras aplicaciones, la invención también es adecuada en general para analizar la radiación electromagnética que se usa para cualquier propósito (en particular, de medición).

Estado de la técnica

Las fuentes de plasma láser se utilizan, por ejemplo, en litografía. Así, por ejemplo, en el funcionamiento de una instalación de iluminación de proyección diseñada para el intervalo EUV (por ejemplo, en longitudes de onda de por ejemplo aproximadamente 13 nm o aproximadamente 7 nm), se realiza la generación de la luz EUV requerida por medio de una fuente de luz EUV basada en excitación de plasma, para lo cual la figura 14 muestra una estructura convencional a modo de ejemplo.

Esta fuente de luz EUV presenta inicialmente un láser de alta energía (no mostrado), por ejemplo para generar radiación infrarroja 706 (por ejemplo, láser de CO<2>con una longitud de onda de 10,6 pm), que se enfoca mediante óptica de enfoque, pasa a través de una abertura 711 presente en un espejo colector 710 configurado como elipsoide y se desvía sobre un material objetivo 732 (por ejemplo, gotitas de estaño) generado por medio de una fuente objetivo 735 y alimentado a una posición de ignición del plasma 730. La radiación infrarroja 706 calienta el material objetivo 732 situado en la posición de ignición del plasma 730 de tal manera que convierte éste en un estado de plasma y emite radiación EUV. Esta radiación EUV se enfoca a través del espejo colector 710 sobre un foco intermedio IF (= "Intermediate Focus") y a través de éste llega a un dispositivo de iluminación posterior, cuyo borde 740 está únicamente indicado y que presenta una abertura 741 libre para la entrada de luz.

Lo esencial para la estabilidad de la dosis o la estabilidad temporal de la característica de emisión EUV que puede conseguirse en una fuente de luz EUV o fuente de plasma láser y la eficacia luminosa EUV alcanzable es a este respecto que las gotitas de estaño "que vuelan" en la fuente de plasma de láser muy rápidamente a medida que aumenta la necesidad de luz (por ejemplo, con un velocidad de inyección en el intervalo de 100 kHz o en un intervalo temporal de por ejemplo 10 ps) se encuentran individualmente con alta precisión (por ejemplo, con una exactitud de menos de 1 pm) y de manera reproducible con el rayo láser que atomiza la gotita. En la estructura mencionada anteriormente, esto requiere a su vez un ajuste muy preciso de la posición de la gotita, así como un seguimiento muy preciso de la radiación infrarroja 706 generada por ejemplo por el láser de CO<2>.

Tanto la determinación de la posición de las gotitas como la determinación de la posición de enfoque de los rayos láser a seguir de manera correspondiente se pueden realizar con una denominada cámara de propagación de rayos, en donde tanto los rayos láser en la "dirección de avance" (es decir, la radiación infrarroja 706 antes de impactar con las respectivas gotitas objetivo) como los rayos láser en "dirección inversa" (es decir, la radiación infrarroja 706 reflejada desde la respectiva gotita objetivo) se registran y se obtienen los datos de medición necesarios para el guiado del rayo láser así como de las gotitas.

En este sentido, en la práctica surge entre otras cosas el problema de que la radiación infrarroja 706 reflejada por las gotitas objetivo tiene una intensidad comparativamente débil, lo que dificulta un registro técnico de medición exacto de la posición de las gotitas y, con ello, también el seguimiento altamente preciso de la radiación infrarroja 706 generada por el láser de CO<2>. Con respecto al estado de la técnica se hace referencia, a modo de ejemplo, a los documentos US 8.237.922 B2 y US 5.329.350.

La figura 13 sirve para explicar un posible enfoque convencional para el análisis del haz de luz. A este respecto, el haz de luz a analizar se enfoca con una lente de enfoque 10 sobre un sensor de cuatro cuadrantes 20 dispuesto en su plano focal del lado de la imagen, que se compone de cuatro sensores 21-24 que miden la intensidad de la luz, en donde la posición del haz de luz se determina a partir de la compensación de las intensidades de luz medidas con estos cuatro sensores 21-24.

Sin embargo, en este sentido, en la aplicación descrita anteriormente del análisis por ejemplo de la radiación infrarroja en una fuente de luz EUV o fuente de plasma láser, surge en la práctica el problema de que el haz de luz a medir está expuesto a fuertes variaciones, en donde se modifican en particular la divergencia del haz de luz en el caso de un desenfoque del haz de luz o rayo láser con respecto a la gotita objetivo así como la dirección del haz de luz (correspondiente a una "apuntación" del haz) y en donde además se produce también un desplazamiento lateral del haz.

El documento US 4037 959 A divulga, entre otras cosas, una disposición para la caracterización en tiempo real de una fuente láser, en donde la radiación registrada por un colector o receptor ("receiver") se dirige a detectores, entre otras cosas, a través de filtros con geometría en forma de cuña o curva de transmisión lineal, en donde el haz se divide en una multiplicidad de canales y en donde se determinan, entre otras cosas, la amplitud y la duración del impulso, así como la frecuencia óptica de la radiación.

El documento US 3 538 335 A divulga, entre otras cosas, un sistema de control de iluminación para controlar la intensidad de la luz transmitida sobre una superficie fotográfica con un filtro gris variable dispuesto delante de un receptor de imágenes.

El documento US 5329350 A divulga, entre otras cosas, un sistema para medir parámetros de rayo láser con filtros de geometría en forma de cuña dispuestos en la trayectoria del rayo delante de un dispositivo de medición, que están dispuestos de forma móvil transversalmente a la dirección de propagación de la luz.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema y un procedimiento para analizar un haz de luz guiado por una óptica de guía de haz, que permitan un análisis del haz de luz más preciso posible (por ejemplo, determinación de la posición del haz) con la menor sensibilidad posible a las variaciones del haz parásitas mencionadas anteriormente.

Este objetivo se soluciona de acuerdo con las características de las reivindicaciones independientes.

Un sistema de acuerdo con la invención para analizar un haz de luz colimado guiado por una óptica de guía del haz presenta:

- una primera óptica de Fourier formada por una primera lente de enfoque con una primera distancia focal (f<1>);

- una disposición de filtro de gradiente gris que, con respecto a la trayectoria del haz, está dispuesta después de la primera lente de enfoque a una distancia de la primera distancia focal (f<1>);

- una segunda óptica de Fourier formada por una segunda lente de enfoque con una segunda distancia focal (f<2>) que, con respecto a la trayectoria del haz, está dispuesta después de la disposición de filtro de gradiente gris a una distancia de la segunda distancia focal (f<2>); y

- una disposición de sensor de intensidad de luz que, con respecto a la trayectoria del haz, está dispuesta después de la segunda lente de enfoque a una distancia de la segunda distancia focal (f<2>), en donde la disposición de sensor de intensidad de luz presenta al menos un sensor de intensidad de luz;

- en donde la disposición de sensor de intensidad de luz está configurada de manera que ésta mide en cada caso la intensidad de la luz transmitida a través de este filtro de gradiente gris para cada filtro de gradiente gris de la disposición de filtro de gradiente gris; y

- en donde la disposición de filtro de gradiente gris presenta un primer filtro de gradiente gris con curva de transmisión lineal en una primera dirección espacial y un segundo filtro de gradiente gris con curva de transmisión lineal en una segunda dirección espacial diferente de la primera dirección espacial, y/o en donde la disposición de filtro de gradiente gris presenta al menos un filtro de gradiente gris con un gradiente de transmisión parabólico al menos en una dirección espacial predeterminada.

La invención se basa en particular en el concepto de colocar un filtro con transmisión localmente variable - que se denomina en este caso y en lo sucesivo brevemente "filtro de gradiente gris" - en el plano del campo lejano de una óptica de guía de haz, en particular en una denominada "estructura 2f-2f", como por ejemplo una estructura de telescopio Kepler, y así traducir primero la información que caracteriza el haz de luz a analizar, que incide en el sistema (por ejemplo, información de posición del haz de luz a determinar) en una información de intensidad pura. La luz transmitida a través del filtro de gradiente gris se recoge entonces en un sensor de intensidad luminosa dispuesto en el plano del campo cercano de la óptica de guía de haz, que mide exclusivamente la intensidad como integral sobre la superficie del sensor.

Mediante este enfoque se consigue en particular que las variaciones parásitas del haz mencionadas anteriormente (como por ejemplo divergencias, etc.), que se producen, por ejemplo, en el funcionamiento de una fuente de luz EUV o fuente de plasma láser, no tengan un efecto significativo en el lugar de la disposición del sensor de intensidad de luz. Esto es de gran importancia en tanto que los sensores de intensidad (que pueden basarse, por ejemplo, en un sistema de material de mercurio-cadmio-telurito) disponibles en particular para el caso de aplicación con una longitud de onda del haz de luz a analizar en el intervalo de infrarrojos de onda larga presentan una marcada característica no lineal debido a la saturación que se produce y además son espacialmente no homogéneos. A este respecto, de acuerdo con la invención resulta especialmente ventajoso que la luz a analizar se diluya suficientemente o se distribuya lo más ampliamente posible mediante la colocación de la disposición de sensor de intensidad de luz en el campo óptico cercano (es decir, un plano de pupila con haz de luz colimado en esta zona), de modo que las variaciones parásitas del haz descritas anteriormente en este plano de campo cercano no se transmiten como variaciones en la disposición del sensor de intensidad de luz o no entran en juego en el sensor de intensidad de luz respectivo o al menos se suprimen de manera suficientemente fuerte.

Con otras palabras, la invención incluye en particular el concepto de realizar un análisis del haz de luz en el intervalo de infrarrojos de onda larga, a pesar de la tecnología de sensores disponible de manera muy limitada en este intervalo de longitud de onda, debido a que el uso de un sensor de intensidad de luz (o una disposición de una pluralidad de tales sensores de intensidad de luz) que mide únicamente la intensidad y está colocado en un plano de campo cercano se combina con el uso de un filtro de gradiente gris (o una disposición de una multiplicidad de filtros graduados grises) en el plano de campo o plano de campo lejano y se consigue de modo que la determinación de la posición puede realizarse sin las interferencias ya mencionadas, ya que dichas interferencias se encuentran en el plano de campo cercano o ya no son efectivas en el lugar del sensor de intensidad de luz.

En el sentido de la presente solicitud se entiende por óptica de guía de haz un sistema óptico que está dispuesto delante del propio sistema que sirve para el análisis y alimenta el haz de luz a analizar al sistema que sirve para el análisis desde un sistema superior, que genera o define el haz de luz (por ejemplo, una fuente de luz EUV o un sistema de procesamiento de materiales). En este caso, el sistema superior presenta ya al menos un plano de campo cercano y al menos un plano de campo lejano, en donde la óptica de guía de haz proporciona para ello en cada caso planos conjugados (es decir, también al menos un plano de campo cercano y al menos un plano de campo lejano), a los que se acopla el sistema que sirve para el análisis.

Como campo cercano se designa la distribución de amplitud/intensidad en un plano de sección perpendicular a la dirección de propagación en el régimen del haz colimado (expandido = casi libre de divergencia). El campo lejano, por otra parte, corresponde a la distribución amplitud/intensidad en un plano de cuello reducido o cercano al foco perpendicular a la propagación del haz en el régimen del haz enfocado o convergente. La generación de un haz enfocado a partir del haz colimado y viceversa se realiza habitualmente a través de las ópticas de Fourier. Los términos "plano de campo cercano" y "plano de campo lejano" se utilizan en este sentido de manera análoga a los términos "plano de pupila" o "plano de campo" de un sistema óptico de imágenes.

Las formulaciones según las cuales el dispositivo de filtro de gradiente gris está dispuesto en un plano de campo lejano de la óptica de guía de haz y el dispositivo de sensor de intensidad de luz está dispuesto en un plano de campo cercano de la óptica de guía de haz, deben entenderse en cada caso de modo que también las desviaciones menores de la disposición exacta en el plano correspondiente deben incluirse, en particular mientras la disposición se realice aún en el intervalo de profundidad de campo respectivo.

De acuerdo con una forma de realización, el sistema presenta una primera óptica de Fourier y una segunda óptica de Fourier en una estructura de telescopio Kepler, en donde el plano de campo lejano de la óptica de guía de haz se encuentra entre la primera y la segunda óptica de Fourier con respecto a la trayectoria del haz óptico y en donde el plano de campo cercano de la óptica de guía de haz se encuentra detrás de la segunda óptica de Fourier con respecto a la trayectoria del haz óptico.

De acuerdo con la invención, la disposición de filtro de gradiente gris presenta un primer filtro de gradiente gris con una curva de transmisión lineal en una primera dirección espacial y un segundo filtro de gradiente gris con una curva de transmisión lineal en una segunda dirección espacial diferente de la primera dirección espacial, y/o el filtro de gradiente gris presenta una curva de transmisión parabólica al menos en una dirección espacial predeterminada para, como se explica más detalladamente a continuación, determinar el tamaño del punto del haz de luz a analizar como alternativa o adicionalmente a la posición del haz. A este respecto, en particular, la segunda dirección espacial puede ser perpendicular a la primera dirección espacial para poder determinar tanto la componente x como la componente y de la posición del haz (para una dirección de propagación de la luz a lo largo de la dirección z en el sistema de coordenadas).

En particular, como se describe con más detalle a continuación, se puede usar una disposición de filtro de gradiente gris que consta de tres filtros de gradiente gris para determinar la posición del haz en combinación con una disposición de sensor de intensidad de luz que consta de tres sensores de intensidad de luz, en donde (para una dirección de propagación de luz a lo largo de la dirección z en el sistema de coordenadas) un primer filtro de gradiente gris presenta una curva de transmisión lineal en la dirección x, un segundo filtro de gradiente gris presenta una curva de transmisión lineal en la dirección y, y un tercero de los filtros de gradiente gris presenta una curva de transmisión constante con el fin de normalizar la intensidad.

De acuerdo con una forma de realización, al menos un filtro de gradiente gris tiene una curva de transmisión con geometría en forma de paraboloide en rotación o en forma de silla de montar.

De acuerdo con una forma de realización, al menos un filtro de gradiente gris tiene una curva de transmisión constante para permitir una normalización de la intensidad. Esta normalización de la intensidad permite tener en cuenta posibles fluctuaciones en la intensidad del haz de luz o rayo láser y distinguirlas de las fluctuaciones de intensidad que resultan de un cambio de posición del haz de luz a analizar. Mediante esto se tiene en cuenta que las fluctuaciones de intensidad en el haz de luz a analizar pueden conducir a fluctuaciones en las señales de intensidad medidas y, con ello, a falsificaciones de la información de posición deseada. Para eliminar la influencia de las fluctuaciones del láser se puede medir, por consiguiente, una señal de referencia, que por sí sola representa la intensidad integral, y normalizar las señales para obtener los parámetros de haz del haz de luz a analizar con respecto a esta señal de referencia.

Sin embargo, la invención no se limita al uso de un filtro de gradiente gris (adicional) de este tipo con una curva de transmisión constante, ya que la información de intensidad del haz de luz a analizar necesaria para la normalización de la intensidad se puede proporcionar en principio también de otra manera.

De acuerdo con una forma de realización, la disposición de filtro de gradiente gris presenta una matriz de una multiplicidad de filtros de gradiente gris. Además, la disposición de sensores de intensidad de luz puede presentar una matriz de una multiplicidad de sensores de intensidad de luz.

De acuerdo con una forma de realización, al menos un filtro de gradiente gris está formado por estructuras binarias, en donde los tamaños estructurales de estas estructuras binarias son más pequeños que la longitud de onda del haz de luz a analizar. Por formación de un filtro de gradiente gris a partir de estructuras binarias se entiende en este sentido la formación de estructuras que son completamente absorbentes o completamente reflectantes para la radiación a analizar. Por medio de una configuración de este tipo puede conseguirse que promediado a través de un intervalo determinado (por ejemplo de manera correspondiente al tamaño del punto del haz de luz a analizar) se obtengan valores de transmisión efectivos o valores de grises entre cero y uno en promedio, con lo que puede realizarse como resultado una curva de transmisión deseada (por ejemplo, una curva de transmisión lineal en una dirección espacial predeterminada) con alta precisión.

Mediante esto se tiene en cuenta que en el concepto de acuerdo con la invención se imponen exigencias comparativamente altas a la calidad del filtro o filtros de gradiente gris utilizados, ya que esto determina directamente la precisión lograda en la medición de la posición y las posibles fluctuaciones en la curva de transmisión tienen como consecuencia correspondientes errores de medición en el análisis del haz.

De acuerdo con una forma de realización, el sistema presenta una estructura de división del haz (por ejemplo, una rejilla óptica) dispuesta aguas arriba de la disposición de filtro de gradiente gris con respecto a la dirección de propagación de la luz para dividir el haz de luz a analizar en una multiplicidad de haces parciales, de manera que el haz de luz a analizar pueda replicarse en primer lugar en haces parciales con propiedades ópticas correspondientes, en donde estos haces parciales pueden analizarse por separado mediante las en cada caso siguientes combinaciones de filtro gris y sensor de intensidad de luz para determinar diferentes informaciones del haz. En otras configuraciones, la estructura de división del haz también puede presentar uno o más prismas o espejos. La estructura de división del haz (por ejemplo, difractiva) está dispuesta preferentemente en un plano de campo cercano de la óptica de guía de haz.

De acuerdo con una forma de realización, el haz de luz a analizar es un rayo láser, en particular un rayo láser con una longitud de onda en el intervalo de infrarrojos.

La invención se refiere además también a un procedimiento para analizar un haz de luz colimado guiado por una óptica de guía de haz

- en donde un haz de luz a analizar se focaliza a través de una primera óptica de Fourier formada por una primera lente de enfoque con una primera distancia focal (f<1>) en una disposición de filtro de gradiente gris que se encuentra con respecto a la trayectoria del haz después de la primera lente de enfoque a una distancia de la primera distancia focal (f<1>);

- en donde con respecto a la trayectoria del haz después de la disposición de filtro de gradiente gris está dispuesta una segunda óptica de Fourier formada por una segunda lente de enfoque con una segunda distancia focal (f<2>) a una distancia de la segunda distancia focal (f<2>); y

- en donde una disposición de sensor de intensidad de luz que, con respecto a la trayectoria del haz, está dispuesta después de la segunda lente de enfoque a una distancia de la segunda distancia focal (f<2>) y presenta al menos un sensor de intensidad de luz, mide para cada filtro de gradiente gris de la disposición de filtro de gradiente gris en cada caso la intensidad de la luz transmitida a través de este filtro de gradiente gris;

De acuerdo con otro aspecto, la invención también se refiere al uso de un filtro de gradiente gris para el análisis del haz de luz, en particular en un sistema con las características descritas anteriormente, en donde el filtro de gradiente gris está formado de estructuras binarias, y en donde los tamaños estructurales de estas estructuras binarias son más pequeños que la longitud de onda de un haz de luz a analizar.

Otras mejoras de la invención se encuentran en la descripción y en las reivindicaciones subordinadas.

La invención se explica con más detalle a continuación utilizando ejemplos de realización representados en las figuras adjuntas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Muestran:

Figura 1 una representación esquemática para explicar el principio en el que se basa la presente invención;

Figura 2-3 representaciones esquemáticas de una estructura básica posible en una fuente de plasma láser tanto para determinar la posición de la gotita objetivo como para analizar los rayos láser a seguir correspondientemente;

Figura 4 representaciones esquemáticas para explicar diferentes filtros de gradiente gris que pueden usarse en el contexto de la presente invención;

Figura 5 una representación esquemática para explicar una posible estructura de un sistema de acuerdo con la invención con una disposición de filtro de gradiente gris en una forma de realización concreta;

Figura 6-10 representaciones esquemáticas para explicar otras formas de realización de filtros de gradiente gris que pueden usarse en el contexto de la presente invención;

Figura 11-12 representaciones esquemáticas para explicar formas de realización concretas de un filtro de gradiente gris con estructuras binarias sublambda que pueden usarse en el contexto de la presente invención;

Figura 13 una representación esquemática para explicar un enfoque convencional para el análisis de haz; y

Figura 14 una representación esquemática de la estructura básica de una fuente de luz EUV de acuerdo con el estado de la técnica.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE FORMAS DE REALIZACIÓN PREFERIDAS

La figura 1 muestra una representación esquemática para explicar el principio en el que se basa la presente invención y la estructura básica de un sistema de acuerdo con la invención para el análisis del haz.

De acuerdo con la figura 1, un haz de rayos colimado incide primero en una primera óptica de Fourier 110 a lo largo de la dirección z en el sistema de coordenadas mostrado y se enfoca mediante éste sobre una disposición de filtro de gradiente gris 120, que está dispuesta en la trayectoria del haz óptico en un plano de campo lejano de la óptica de guía de haz (a veces también llamada "plano de filtro espacial") y en el ejemplo de realización mostrado presenta un único filtro de gradiente gris 121 con una curva de transmisión lineal en la dirección y (e indicada únicamente de manera esquemática mediante un cuña). La radiación transmitida a través de la disposición de filtro de gradiente gris 120 o el filtro de gradiente gris 121 llega a través de una segunda óptica de Fourier 130 a una disposición de sensor de intensidad de luz 140 dispuesta en un plano de campo cercano de la óptica de guía de haz, que en el ejemplo de realización presenta un único sensor de intensidad de luz 141, que mide un valor de intensidad integrado sobre toda la superficie del sensor.

Con respecto a las ópticas de Fourier 110, 130, la invención no está limitada a una configuración concreta, en donde son posibles en particular diseños refractivos, difractivos, multifocales difractivos o reflectantes. Si es necesario, también puede omitirse la segunda óptica de Fourier 130 si el sensor de intensidad de luz 141 es suficientemente uniforme.

Además, la invención no está limitada a una realización específica con respecto a la configuración de la disposición de sensor de intensidad de luz 140 o del sensor de intensidad de luz 141, en donde el sensor de intensidad de luz 141 puede configurarse, por ejemplo, de manera fotovoltaica, fotoconductora, piroelectromagnética o también de manera térmica o bolométrica.

Con respecto al principio de atenuación, el o los filtros de gradiente gris 121 de la disposición de filtro de gradiente gris 120 pueden estar configurados como absorbentes de superficie o absorbentes de volumen (por ejemplo, cuña), eventualmente también de manera retrorreflectante.

La disposición del filtro de gradiente gris 141 (de acuerdo con la figura 1 en el "plano de acción" de un telescopio Kepler) tiene ventajosamente como consecuencia que para la colocación del sensor de intensidad de luz 141 se vuelve accesible un plano de campo cercano, que se caracteriza, entre otras cosas, porque la forma y el tamaño de la "estructura de intensidad" presente allí son independientes de la dirección del haz y la divergencia del haz, con un acoplamiento afocal correcto en la trayectoria del haz óptico y, además, la energía de la radiación electromagnética se encuentra suficientemente diluida evitando efectos de saturación local. De este modo o bien se eliminan todas las fuentes principales de interferencias, como en el caso de la dirección y divergencia del haz, o, como en el caso del descentrado del haz y la variación del tamaño del haz, al menos se suprimen lo suficiente de modo que los artefactos perturbadores del sensor de intensidad de luz (en particular, su falta de homogeneidad espacial y su saturación) no entran en juego o sólo lo hacen de forma muy reducida.

Mediante el efecto integrador de la disposición de sensor de intensidad de luz 140 o del sensor de intensidad de luz 141 resulta la señal del sensor S suministrada por la disposición de sensor de intensidad de luz 140 en

mediante la integración ponderada con la función de transmisiónT(x,y)sobre la distribución de intensidadÍFF(x,y)presente en el campo lejano (plano de Fourier de la lente de entrada). En la elección de los límites de integración se parte del supuesto de que la intensidad de la radiación o de la "estructura de luz" desciende espacialmente con suficiente rapidez. Mediante la elección adecuada de ka curva de transmisión T(x,y) pueden hacerse accesibles, por ejemplo, los momentos

de la distribución de luz directamente mediante tecnología de medición.

En aras de la simplicidad, el principio de acuerdo con la invención se describió en primer lugar anteriormente para una estructura con únicamente un par de un filtro de gradiente gris y un sensor de intensidad de luz. Para determinar la posición del haz (completa, es decir definida en las tres direcciones espaciales) del haz de luz a analizar, como se describe a continuación con referencia a la figura 5, puede utilizarse una disposición de filtro de gradiente gris 520 compuesta por tres filtros de gradiente gris 521-523 en combinación con una disposición de sensor de intensidad de luz 540 de tres sensores de intensidad de luz 541 -543, en donde un primero de los filtros de gradiente gris 521 presenta una curva de transmisión lineal en la dirección y con respecto al sistema de coordenadas mostrado, un segundo de los filtros de gradiente gris 523 presenta una curva de transmisión lineal en la dirección y, y un tercero de los filtros de gradiente gris 522 presenta una curva de transmisión constante con el fin de normalizar la intensidad.

Además es posible registrar también, por ejemplo, el tamaño del punto o los momentos más altos de la radiación a analizar, en donde puede utilizarse, por ejemplo, un filtro de gradiente gris con una curva de transmisión parabólica para determinar el tamaño del punto, como se ha explicado con más detalle.

Con referencia de nuevo a la figura 5, un haz de rayos colimado incide primero en una estructura difractiva o una rejilla óptica 505 a lo largo de la dirección z en el sistema de coordenadas mostrado, a través de la cual el haz de rayos se replica en rayos parciales, que solo están separados espacialmente entre sí y por lo demás presentan propiedades de haz óptico idénticas uno con respecto a otro. De acuerdo con la figura 5, esta replicación se realiza en los tres órdenes de difracción "+1", "0" y "-1". El diseño se selecciona a este respecto preferentemente de modo que se soliciten los haces parciales con un diámetro máximo dmáx y se separen con la máxima variación de posiciónrmáx(en cada caso con respecto al plano de campo lejano) de manera que se evite una interacción perturbadora debido a efectos de interferencia.

De manera correspondiente con la separación de los haces parciales lograda por la rejilla óptica 505, la disposición de filtro de gradiente gris 520 presenta una disposición (por ejemplo, monolítica) de filtros de gradiente gris 521-523 (matriz de filtro gris), que pueden diseñarse como se indica en una vista superior en la figura 5b. Además, de acuerdo con la figura 5a se han sustituido la óptica de Fourier 130 en el lado de salida y el sensor de intensidad luminosa 140 de la figura 1 por una disposición (por ejemplo, monolítica) de ópticas de Fourier (en forma de una matriz de lentes) 531 -533 o bien una disposición de varios sensores de intensidad de luz 541 -543.

A continuación se describen la generación de señal y la determinación de la información de posición buscada para la configuración mostrada en la figura 5 para la medición de posición con tres filtros de gradiente gris 521 -523 ("canales de filtro gris").

La curva de transmisión de un filtro de gradiente gris con curva de transmisión lineal se parametriza a este respecto por

r (, ) = - ^(3)

2W

En ésta designa s la coordenada de posición en la dirección de recorrido, S<0>la posición del valor de transmisión 1/<2>yWla anchura de la zona de aumento completo de la transmisión desde el valor cero al valor uno.

Con ello resultan las señales S<1>a S3 de los tres canales de medición (de manera correspondiente a los tres filtros de gradiente gris 521 -523 o sensores de intensidad de luz 541 -543 de la configuración de la figura 5) con

Los parámetrosWxyWyasí comoX0e y<0>caracterizan los dos filtros de gradiente gris 521, 523 con curva de transmisión lineal. Los parámetros n a^ 3representan las sensibilidades de detección de los canales, que pueden variar por diversas razones (por ejemplo, fluctuaciones de componentes, etc.).

Mediante la normalización a una señal de referencia, que aquí se obtiene mediante un filtro de gradiente gris 522 uniforme con curva de transmisión constante (por ejemplo, con la transmisión / ) , se eliminan las fluctuaciones de energía (fluctuaciones del pulso de láser). Las dos señales estandarizadas contienen entonces la información del centro de gravedad del haz de luz a analizar y son:

Los parámetros de diseño pueden resumirse en esto en cuatro parámetros efectivos, dos valores de compensaciónCxyCyy dos valores de gananciaGxy G<y>, que pueden determinarse, por ejemplo, mediante calibración y, por lo tanto, se denominan en lo sucesivo parámetros de calibración.

Al cambiar la ecuación con conocimiento de los cuatro parámetros de calibración, finalmente se obtienen las posiciones del centro de gravedad a partir de las señales de medición con

Los sistemas para el análisis del haz de luz descritos anteriormente con referencia a la figura 1 o bien la figura 5 pueden usarse en particular en una fuente de plasma láser (tal como por ejemplo aquella en la figura 14) tanto para la determinación de la posición de gotita objetivo como también para el análisis de la estructura básica posible de manera correspondiente a los rayos láser que han de seguirse, para lo que la figura 2 muestra una representación esquemática de una posible estructura total básica. En este sentido se evalúan tanto los rayos láser en la "dirección de avance" (antes de incidir en la respectiva gotita objetivo) como los rayos láser en la "dirección inversa" (es decir, la radiación infrarroja reflejada de vuelta por la respectiva gotita objetivo).

De acuerdo con la figura 2, una parte del rayo láser incidente con perfil gaussiano se acopla en un primer espejo 203 parcialmente transparente y se analiza con una primera unidad de análisis 201, que en particular puede presentar un sistema análogo a la figura 1 o a la figura 5. La parte del rayo láser incidente que pasa a través del espejo 203 parcialmente transparente y otro espejo 204 parcialmente transparente alcanza una gotita objetivo 206 metálica (por ejemplo, de estaño) a través de una óptica de enfoque 205, donde una parte del rayo láser se refleja hacia atrás y regresa de manera colimada a través de la óptica de enfoque 205 al espejo 204 parcialmente transparente. En el espejo 204 parcialmente transparente se acopla a su vez una parte del rayo láser a una segunda unidad de análisis 202, que en particular también puede presentar un sistema análogo a la figura 1 o a la figura 5. Además, pueden estar previstas trampas de rayos (no mostradas en la figura 2) para recoger la porción no utilizada en cada caso de la radiación que incide sobre el espejo 203 o 204 parcialmente transparente.

En la figura 3 está representada una trayectoria del haz esquemática para analizar el rayo láser en la "dirección inversa", en donde en cada caso están designados los planos de campo con "F" y los planos de pupila con "P". "206" designa la gotita objetivo metálica en la figura 3, "350" es un grupo de telescopio afocal y "120" representa la disposición de filtro de gradiente gris descrita por medio de la figura 1 (con posterior segunda óptica de Fourier, sin embargo no representada en la figura 3 y disposición de sensores de intensidad de luz). Un cambio en la posición de la gotita objetivo 206 da como resultado un cambio en el resultado de la medición obtenido con la disposición de sensores de intensidad de luz.

El análisis de los rayos láser tanto en la "dirección de avance" (rayo láser antes de incidir en la respectiva gotita objetivo 206, "haz de avance") como en la "dirección inversa" (rayo láser después de la reflexión sobre la respectiva gotita objetivo 206, "haz inverso") permite así una declaración sobre el ajuste relativo del rayo láser y la gotita objetivo 206 entre sí, en donde - con referencia de nuevo a la figura 1 - del resultado obtenido con la primera unidad de análisis 201 puede concluirse sobre el ajuste o posición de enfoque del rayo láser y del resultado obtenido con la segunda unidad de análisis 202 puede concluirse sobre la posición de la gotita.

Algunos fundamentos de la imagen afocal se explican a continuación en el fondo. Según el formalismo de matriz de transferencia (matriz ABCD) comúnmente utilizado en óptica paraxial, la matriz de imagen de la trayectoria del haz enlazado de acuerdo con la figura 3 se obtiene multiplicando correspondientemente las matrices de sección parcial

Lente en el lado de la imagenTelescopioLente en el lado del objeto

(del plano de Fourier al plano del sensor) (del plano del objeto al plano de Fourier)

(7)

Las distancias focales en el lado del objeto y de la imagenfyfasí como la escala de imágenes del telescopiomagse vuelven evidentes a partir de la figura 3 (espacio del objeto suprimido, espacio de la imagen no suprimido), y las posiciones z' y z se refieren al plano focal de la óptica de Fourier respectiva. La matriz de transferencia facilita la transformación de los vectores de haz definidos por la posición del haz x y el ángulo del hazu ~tan(u) entre el espacio del objetora£= (x',u) y espacio de imagenray= (x,u) de acuerdo con

representa la escala de imagen de la imagen de campo lejano.

Una imagen nítida se produce cuando todos los haces que emanan de un punto del objeto se reúnen en un punto de imagen, independientemente del ángulo del haz. La condición de enfoque es en consecuencia

De esto se deriva directamente la condición de imagen z =Mag2z'.

Se parte de que un haz de rayos en forma de cono que parte de un punto de objeto en la ubicación (x ',y , z)se limita por sus rayos marginaleserav'=(x, u ’+ S'sen(^),y V+ S'cos(^)) está limitado en el lado del objeto, en dondeu’yv' designan los ángulos de haz pesado y&el ángulo de apertura o divergencia. La propagación del haz de rayos a través de la óptica de imagen con el sensor de imagen en la posición z = 0 (en el plano focal de la óptica de Fourier en el lado de la imagen) se realiza de acuerdo con el formalismo de la matriz de transferencia (extendido por la dirección perpendicular a la dirección de propagación).

De esto finalmente resultan las ecuaciones de imágenes geométrico-ópticas con

La barra transversal encima del símbolo indica a este respecto el haz pesado.

En principio, según el caso, son posibles y habituales diferentes convenciones para la medida del tamaño del haz y para la medida de la divergencia. En el campo de la tecnología láser, por ejemplo, sirven a menudo los momentos

como base para una definición del tamaño del haz de manera correspondiente a

w(z) - yjw2x{z) w2y(z) (14)

o

w(z) - $Jw2(z)w2(z) (15)

En este casol(x,y;z)designa la intensidad de la luz para el plano de corte seleccionado.

Con la definición de momento de manera correspondiente a la ecuación (2) resultan el centro de gravedad (x,y) y los parámetros del tamaño del haz

w2,w2,w2=w2+w2

tal como sigue:

Al analizar el haz de avance y el haz inverso en la estructura básica de la figura 2, cabe señalar que sólo el haz de avance puede considerarse de manera idealizada como "haz gaussiano", para lo cual en la zona del foco en el lado de imagen para el tamaño del haz w en función de la coordenada de propagación z se aplica en buena aproximación

w(z) = y¡w ¡+ e - (z -z „ f(17)

en donde designanW0el tamaño del talle,6la divergencia y Z<0>la posición del talle (posición de enfoque).

A continuación se discutirán brevemente los problemas que surgen, por ejemplo en el caso del análisis del haz inverso en la segunda unidad de análisis 120, del hecho de que el haz a examinar no es un haz gaussiano ideal, sino un haz comparativamente muy limitado (en lo sucesivo también denominado "haz Tophat"). En el caso de un haz muy limitado, en el enfoque (campo lejano) así como en el caso ideal sin aberraciones se obtiene la distribución de la luz de Airy

designa la longitud característica,Pla potencia total transmitida a través del sistema y J<1>(x) la función de Bessel de primer orden. Debido a la desintegración asintótica

sin embargo, en esta distribución de la luz no están definidos los momentos de manera correspondiente a la ecuación (12). El problema resultante de esto de evaluar incluso el haz inverso "muy limitado" puede superarse mediante una apodización "artificial" adecuada: En una forma de realización, una apodización (en el sentido anterior "suave") puede realizarse

introduciendo un filtro gris estructurado con el perfil correspondiente en el campo cercano o en un plano de pupila. En este sentido designan u(x,y;z) la amplitud del haz (que a través de /(x,y;z) = |u(x,y;z)|2 determina la intensidad) yRnael radio de apertura (que define la apertura o bien apertura numéricaNA).Para ello es adecuada, por ejemplo, la función que sólo es discontinua a partir de la segunda derivada

con el radio de reducciónRen el área alrededor deRna.

Con referencia a las figuras 6 y siguientes se describen a continuación con más detalle diferentes formas de realización posibles o curvas de transmisión de filtros de gradiente gris que se pueden utilizar de acuerdo con la invención. La figura 6a muestra una disposición lineal de tres filtros de gradiente gris 621-623, como se usa en la estructura de la figura 5. La figura 6b muestra una disposición 2-D plegada (por ejemplo, con respecto a las restricciones de espacio de instalación existentes) de cuatro filtros de gradiente gris (o "canales"), que, además de los filtros de gradiente gris 621-623 de la figura 6a, presenta un filtro de gradiente gris 625 adicional que es radialmente parabólico en su curva de transmisión (con el fin de medir o ajustar el tamaño del punto). La figura 6c muestra una disposición 2-D plegada redundante, que, además de dos filtros de gradiente gris 621,623 con curva de transmisión lineal en la dirección x o y, presenta dos filtros de gradiente gris 626, 627 con curva de transmisión lineal en la dirección diagonal (45°) con respecto a esto. En la figura 6c, se omite el filtro de gradiente gris 622 con curva de transmisión constante, en donde se supone que la señal para la normalización de intensidad está disponible de otra manera. La figura 7 ilustra la disposición arbitraria de filtros de gradiente gris partiendo de una disposición lineal hasta una disposición de matriz 2D.

Una normalización de energía también se puede obtener mediante el uso de pares de filtros de gradiente gris opuestos (o "filtros de gradiente de cuña"). Esto se explica brevemente a continuación para la disposición de filtro de gradiente gris 821 mostrada como ejemplo en la figura 8a, que presenta en cada caso dos curvas de transmisión lineales en dirección x o y positiva y negativa para medir las coordenadas de la posición de enfoque de un rayo láser que va a caracterizarse.

Para el ejemplo de realización de la figura 8a, las señales del sensor resultan en:

Para simplificar la explicación del principio, se supone un valor de ganancia uniforme G y un ancho uniforme (de "cuña") W de la curva de transmisión lineal para todos los filtros de gradiente gris. Los "desplazamientos de cuña" X<1>e /3 se seleccionan igualmente iguales por parejas.Irepresenta la intensidad total integrada en toda la estructura luminosa.

Mediante la formación de adición y diferencia resulta

Las dos señales de suma "S<1>+S<2>" y "S<3>+S<4>" dan como resultado la intensidad total en cada caso de acuerdo con el sistema de ecuaciones (23). Esto puede utilizarse para normalizar las dos señales de diferencia con el fin de extraer en última instancia las posiciones deseadas del centro de gravedad.

Los filtros de gradiente gris de segundo orden, que tienen una curva de transmisión parabólica, ofrecen la posibilidad de medir los segundos momentos de la distribución de la luz y, con ello, el tamaño del haz de luz a analizar (o la "estructura de luz"). El recorrido de un filtro de gradiente gris con curva de transmisión parabólica se parametriza por la función de transmisión

En ésta designa s la coordenada de posición en la dirección de recorrido, S<0>la posición del vértice y W la anchura del área sobre la cual se produce el aumento completo del coeficiente de transmisión desde el valor cero al valor uno. La figura 8b muestra a modo de ejemplo y esquemáticamente una configuración de una disposición de filtro de gradiente gris 822 con cinco filtros de gradiente gris (o "canales de medición"), que presentan un filtro de gradiente gris con curva de transmisión lineal en la dirección x, un filtro de gradiente gris con curva de transmisión lineal en la dirección y, un filtro de gradiente gris uniforme con curva de transmisión constante como referencia, un filtro de gradiente gris con curva de transmisión parabólica en la dirección x así como un filtro de gradiente gris con curva de transmisión parabólica en la dirección y. Para este diseño resultan las señales S<1>S5en:

Los parámetrosWi, W2, Wa y W5 así como x i, y<2>,xae y5 caracterizan los cuatro filtros de gradiente gris. Los parámetros ni an5representan las sensibilidades de detección de los canales, cuya variación puede tener diversas causas (por ejemplo, fluctuaciones de componentes, etc.). Mediante la normalización a una señal de referencia, que aquí se obtiene mediante el filtro de gradiente gris uniforme con la transmisión 1/<2>, se eliminan las fluctuaciones de energía (fluctuaciones del pulso de láser). Las cuatro señales normalizadas contienen entonces la información sobre la distribución de la luz y son:

Los parámetros de diseño se resumen en esto parcialmente en parámetros efectivos. Mediante calibración o de otro modo quedan por determinar entonces los dos valores de compensación Ci y C2, los cuatro valores de ganancia Gi, G<2>, G<a>y G<5>así como las dos capas de vértices<xa>e y5. Al cambiar las ecuaciones del sistema de ecuaciones (2 i) y conocer los ocho parámetros de calibración, la información sobre la posición del haz y el tamaño del haz se obtiene en última instancia a partir de las señales de medición de manera correspondiente a

En resumen, los filtros de gradiente gris de segundo orden también brindan acceso técnico de medición a los parámetros del tamaño del haz

i4

y

Si solo es de interés el tamaño del haz

, entonces, a partir de la forma de realización de la figura 8b, los dos filtros de gradiente gris con curva de transmisión parabólica se pueden reemplazar por un único filtro de gradiente gris con curva de transmisión en forma de paraboloide de rotación para obtener una disposición de filtro de gradiente gris 823 de acuerdo con la figura 8c. La adquisición de la señal debe ajustarse en consecuencia de acuerdo con el esquema descrito anteriormente.

Cuando se utilizan curvas de transmisión parabólicas desplazadas espacialmente, también es posible realizar un sensor de posición de enfoque y tamaño de enfoque que no requiere el uso de curvas de transmisión lineales. En la figura 8d se muestra una configuración de modo de ejemplo de dicha disposición de filtro de gradiente gris 824. El principio se basa en pares de filtros de gradiente gris de forma parabólica, cuyos vértices se desplazan por parejas en direcciones opuestas a lo largo del eje del gradiente.

Para este diseño resultan las señales normalizadas a la referencia en:

Para simplificar la explicación del principio, se supone un valor de ganancia uniforme G para todos los filtros de gradiente gris (o "canales"). Los desplazamientos de vértices son<x>= X<0>, X<2>= -X<0>, y4 = y<0>e y5 = -y<0>. Mediante la formación de sumas y diferencias se obtienen las siguientes ecuaciones, de las cuales se pueden extraer a su vez las coordenadas del centro de gravedad y los tamaños de los puntos, dado el conocimiento de los desplazamientos de vértices.

El esquema descrito anteriormente puede continuarse según se desee para medir momentos de orden superior. Los momentos con respecto al centro de gravedad

representan a este respecto los aspectos de forma de la distribución de intensidad (3. momentos: "asimetría", 4. momentos: curvatura o "curtosis", ...).

Además, con referencia a las figuras 9a-c, se considerará con más detalle una forma de realización de una disposición de filtro de gradiente gris 920 que utiliza cuatro filtros de gradiente gris 921-924. A este respecto, la disposición de filtro de gradiente gris 920 de acuerdo con la figura 9a presenta un primer filtro de gradiente gris 921 con curva de transmisión lineal en la dirección x, un segundo filtro de gradiente gris 922 con curva de transmisión lineal en la dirección y, un tercer filtro de gradiente gris 923 con curva de transmisión constante como referencia así como un cuarto Jiltro de gradiente gris 924 con curva de transmisión paraboloide de rotación, con lo que los parámetros del haz x,yy

w<2>= wx<2>+wy<2>

se vuelven accesibles de manera técnica de medición después del enfoque.

Los círculos completos en la figura 9a simbolizan las lentes de la disposición de lentes que siguen a la disposición de filtro de gradiente gris 920 y los cuadrados redondeados y discontinuos simbolizan los sensores de intensidad de luz de la disposición de sensores de intensidad de luz. Un orden de difracción parásito cero y los órdenes de difracción parásitos superiores no se transmiten.

Para dividir el haz de luz a analizar, como se describe anteriormente, se necesita una cuadrícula 2D que concentre la energía en los primeros cuatro órdenes de difracción diagonales. Para este propósito, se puede usar una cuadrícula binaria híbrida (diseño de cuadrícula de tablero de ajedrez) indicada en la figura 9c (es decir, configurada como DOE combinado de fase y amplitud), como se muestra en las figuras 9b-c. La figura 9b muestra una celda unitaria de la cuadrícula híbrida de tablero de ajedrez optimizada para la concentración de energía en los primeros cuatro órdenes de difracción diagonales. Las áreas blancas tienen la transmisión 1 y tienen una fase constante correspondiente al valor especificado en el campo. La figura 9c muestra la fuerza del orden de difracción. Mediante el diseño especial de la cuadrícula, el 89 % de la energía transmitida se concentra en los primeros cuatro órdenes de difracción diagonal. En particular, en una red idealmente fabricada no se producen ni el orden cero ni todos los órdenes superiores de difracción.

En la figura 10 se ilustra un diseño a modo de ejemplo de un filtro de gradiente gris 950. Los parámetros que determinan el diseño son:

- Radio Smáx. de la estructura de intensidad. Éste está determinado en gran medida por las propiedades básicas del haz (apertura, divergencia) y sus variaciones (aberraciones, variación del foco, etc.) y debe definirse de tal manera que las estructuras de intensidad replicadas vecinas, cuyos círculos límite apenas se tocan entre sí, nunca se superponga durante la operación o no interfiera en absoluto.

- Radio Smáx del área en el espacio angular que limita las variaciones de dirección del haz que se producen (y que deben medirse).

- Radio de la zona útil en el campo lejano (=plano de filtro de gradiente) rmáx. De acuerdo a la geometría mostrada en la imagen 21 se aplica /máx = SmáxfFF+ Smáx. En estofFFrepresenta la distancia focal de la lente de enfoque.

- La anchura de la curva en cuñaW,en el que la transmisión baja de 1 a 0, se ha proporcionado con ello medianteW= 2k1/máx. La elección del parámetro de desbordamiento K<1>(>1,5) depende de las reservas necesarias para el ajuste o la configuración del sistema.

- Magnitud del ángulo de difracciónAede los primeros órdenes de la cuadrícula de tablero de ajedrez 2D replicada se determina por la distancia de los centros de filtros de gradiente del eje óptico, de manera correspondiente a

fpp A = K1V2w

, fe > 0,5. El factor

tiene en cuenta la disposición de canales diagonales. Ventajosamente, el efecto de un orden cero parásito se bloquea mediante una zona oscura del tamaño de un filtro gris, lo que corresponde a fe~1.

Las figuras 11a-c y 12a-d muestran representaciones esquemáticas para explicar formas de realización concretas de un filtro de gradiente gris con subestructuras binarias de longitud de onda que se pueden usar en el contexto de la presente invención. Mediante estas formas de realización se tiene en cuenta que en el concepto de acuerdo con la invención se imponen exigencias comparativamente altas a la calidad del filtro o filtros de gradiente gris utilizados, ya que esto determina directamente la precisión lograda en la medición de la posición y las posibles fluctuaciones en la curva de transmisión tienen como consecuencia correspondientes errores de medición en el análisis del haz.

En el caso de las dimensiones típicas de todo el dispositivo de medición y para lograr sensibilidades suficientemente altas al determinar la dirección del haz, normalmente en distancias cortas se requieren fuertes variaciones de transmisión del filtro o filtros de gradiente gris utilizados (por ejemplo, gradientes de transmisión típicos en el intervalo de 0,2 mm-1 a 5 mm-1). Con relaciones típicas deseadas de "precisión frente a intervalo de medición" de 1:1000 (por ejemplo: intervalo de medición en la determinación del ángulo del haz: ±1 mrad con precisión ±1 prad) también puede ser necesario, por ejemplo, que la desviación de la transmisión local no sea mayor que 1/1000 de todo el intervalo de transmisión.

Al implementar las subestructuras binarias de longitud de onda mencionadas anteriormente, por ejemplo, cada filtro de gradiente gris presenta un sustrato transmisor, plano sobre el cual se aplican subestructuras binarias de longitud de onda no transmisoras u opacas (es decir, completamente absorbentes o completamente reflectantes). A modo de ejemplo, un filtro de gradiente gris puede tener un tamaño de aproximadamente 1 mm*1 mm y estar impreso con una estructura de 1000*1000 píxeles, de modo que se obtienen elementos estructurales de aproximadamente 1 pm, cuyo tamaño se encuentra por tanto muy por debajo de la longitud de onda a modo de ejemplo de aproximadamente 10,6 pm de un haz de luz a analizar en el intervalo infrarrojo de onda larga.

A diferencia de las cuadrículas de difracción (con estructuras aproximadamente del tamaño de la longitud de onda o mayores), estas subestructuras de longitud de onda tienen un período menor que la longitud de onda, lo que conduce a que no se produce una difracción definida (es decir, casi sólo se transmite el orden cero). Las estructuras binarias de acuerdo con la invención se disponen ahora de tal manera que, promediados en un rango determinado (que corresponde aproximadamente al tamaño del punto del haz de luz a analizar), se obtienen en promedio valores de transmisión efectivos o valores de grises entre cero y uno.

Para evitar periodicidades no deseadas (que a su vez darían lugar a efectos de difracción no deseados), en principio se pueden utilizar por ejemplo procedimientos conocidos por la técnica de impresión (por ejemplo, el algoritmo de Floyd-Steinberg). Un procedimiento de este tipo se aplicó en la forma de realización mostrada en las figuras 11a-b. A este respecto la figura 11 a muestra la curva de transmisión realizada (gradiente gris) 961, y la figura 11 b muestra la estructura binaria 962 utilizada para este propósito. Como se desprende de la correspondiente transformación de Fourier 963 de acuerdo con la figura 11c, no se producen estructuras periódicas indeseables.

El promedio local, que es necesario para obtener una transmisiónTettlocal eficaz de las estructuras binarias, se realiza por consiguiente mediante integración sobre el tamaño del haz finito:

co

j d x d y l 0(x,y) T(x,y<)>

E / / = ^ ------------------- (31)

jd x d y l 0(x,y)

-oo

En este sentido eslo(x,y)la distribución de intensidad entrante yT(x,y)la transmisión (binaria) del filtro de gradiente gris. Para lograr la linealidad requerida del filtro de gradiente gris, en el área de integración del haz debe encontrarse un número suficientemente grande de elementos estructurales binarios. Por ejemplo, para lograr una relación "precisión frente a alcance" de 1:1000, el acero puede cubrir por ejemplo aproximadamente 100*100 elementos estructurales.

De acuerdo con la figura 12b, por ejemplo, en una simulación de la subestructura binaria de longitud de onda de un filtro de gradiente gris que se muestra en la figura 12a, un punto de luz con forma gaussiana se mueve de izquierda a derecha, en donde en el gráfico de la figura 12c resulta una muy buena linealidad para la intensidad de la luz transmitida a través del filtro de gradiente gris (en particular sin granularidades indeseables debido a los elementos estructurales). Un error de posición mostrado en la figura 12d, resultante de desviaciones muy pequeñas de la linealidad, se encuentra muy por debajo de 1 pm en una distancia de aproximadamente 600 pm, de modo que se obtiene una muy buena relación entre el error de medición y el intervalo de medición.

Aunque la invención también se ha descrito utilizando formas de realización específicas, numerosas variaciones y formas de realización alternativas resultarán evidentes para los expertos en la materia, p. ej. combinando y/o intercambiando características de formas de realización individuales. En consecuencia, los expertos en la materia entenderán que dichas variaciones y formas de realización alternativas están abarcadas por la presente invención y que el alcance de la invención está limitado únicamente en términos de las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema para analizar un haz de luz colimado guiado por una óptica de guía de haz, con

• una primera óptica de Fourier (110, 510) formada por una primera lente de enfoque con una primera distancia focal (f1);

• una disposición de filtro de gradiente gris (120, 520) que, con respecto a la trayectoria del haz, está dispuesta después de la primera lente de enfoque a una distancia de la primera distancia focal (f<1>);

• una segunda óptica de Fourier (130, 531, 532, 533) formada por una segunda lente de enfoque con una segunda distancia focal (f<2>) que, con respecto a la trayectoria del haz, está dispuesta después de la disposición de filtro de gradiente gris (120, 520) a una distancia de la segunda distancia focal (f<2>); y

• una disposición de sensor de intensidad de luz (140, 540) que, con respecto a la trayectoria del haz, está dispuesta después de la segunda lente de enfoque a una distancia de la segunda distancia focal (f<2>), en donde la disposición de sensor de intensidad de luz (140, 540) presenta al menos un sensor de intensidad de luz (141,541,542, 543); • en donde la disposición de sensor de intensidad de luz (140, 540) está configurada de manera que ésta mide en cada caso la intensidad de luz transmitida a través de este filtro de gradiente gris para cada filtro de gradiente gris (121,521,522, 523) de la disposición de filtro de gradiente gris (120, 520); y

• en donde la disposición de filtro de gradiente gris presenta un primer filtro de gradiente gris (521) con curva de transmisión lineal en una primera dirección espacial y un segundo filtro de gradiente gris (523) con curva de transmisión lineal en una segunda dirección espacial diferente de la primera dirección espacial, y/o en donde la disposición de filtro de gradiente gris presenta al menos un filtro de gradiente gris con una curva de transmisión parabólica al menos en una dirección espacial predeterminada.

2. Sistema según la reivindicación 1,caracterizado por quela disposición de filtro de gradiente gris presenta al menos un filtro de gradiente gris que presenta una curva de transmisión con geometría en forma de paraboloide de rotación o en forma de silla de montar.

3. Sistema según la reivindicación 1 o 2,caracterizado por quela disposición de filtro de gradiente gris presenta al menos un filtro de gradiente gris (522) que tiene una curva de transmisión constante para permitir la normalización de la intensidad.

4. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quela disposición de filtro de gradiente gris (520) presenta una matriz de una pluralidad de filtros de gradiente gris (521,522, 523).

5. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quela disposición de sensor de intensidad de luz (540) presenta una matriz de una pluralidad de sensores de intensidad de luz (541,542, 543).

6. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por queéste presenta una estructura (505) de división del haz dispuesta aguas arriba de la disposición de filtro de gradiente gris (520) con respecto a la dirección de propagación de la luz para dividir el haz de luz a analizar en una pluralidad de haces parciales.

7. Sistema según la reivindicación 6,caracterizado por queesta estructura (505) de división del haz está dispuesta con respecto a la trayectoria del haz delante de la primera lente de enfoque a una distancia de la primera distancia focal (f<1>).

8. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quela disposición de filtro de gradiente gris presenta al menos un filtro de gradiente gris que está formado por estructuras binarias, en donde los tamaños estructurales de estas estructuras binarias son más pequeños que la longitud de onda del haz de luz a analizar.

9. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por queel haz de luz a analizar es un rayo láser, en particular un rayo láser con una longitud de onda en el intervalo de infrarrojos.

10. Procedimiento para analizar un haz de luz colimado guiado por una óptica de guía de haz,

• en donde un haz de luz a analizar se focaliza a través de una primera óptica de Fourier (110, 510) formada por una primera lente de enfoque con una primera distancia focal (f<1>) en una disposición de filtro de gradiente gris (120, 520) que se encuentra con respecto a la trayectoria del haz después de la primera lente de enfoque a una distancia de la primera distancia focal (f<1>);

• en donde con respecto a la trayectoria del haz después de la disposición de filtro de gradiente gris (120, 520) está dispuesta una segunda óptica de Fourier (130, 531, 532, 533) formada por una segunda lente de enfoque con una segunda distancia focal (f<2>) a una distancia de la segunda distancia focal (f<2>); y

• en donde una disposición de sensor de intensidad de luz (140, 540) que, con respecto a la trayectoria del haz, está dispuesta después de la segunda lente de enfoque a una distancia de la segunda distancia focal (f<2>) y presenta al menos un sensor de intensidad de luz (141, 541, 542, 543), mide para cada filtro de gradiente gris (121, 521, 522, 523) de la disposición de filtro de gradiente gris (120, 520) en cada caso la intensidad de luz transmitida a través de este filtro de gradiente gris;

11. Uso de un filtro de gradiente gris en un sistema según una de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el filtro de gradiente gris está formado por estructuras binarias y en donde los tamaños estructurales de estas estructuras binarias son más pequeños que la longitud de onda de un haz de luz a analizar.

12. Uso de un filtro de gradiente gris según la reivindicación 11,caracterizado por queel haz de luz a analizar tiene una longitud de onda en el intervalo de infrarrojos.