KR101163167B1

KR101163167B1 - Beam scanning system with axicon lense

Info

Publication number: KR101163167B1
Application number: KR1020100020476A
Authority: KR
Inventors: 김재순; 딘 밀스터 토마스; 홍석준
Original assignee: 김재순; 홍석준; 딘 밀스터 토마스
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2012-07-06
Also published as: KR20110101467A

Abstract

탐색광(보통 레이저 광)을 시료 또는 매체의 표면에 조사하여 피조사물의 표면(또는 저장 자료)을 탐색하는 장치인 광 스캐닝 시스템(beam scanning system)으로서 액시콘 렌즈를 사용한 광 스캐닝 시스템에 관한 개선된 기술이 개시된다.
본 발명에서 제공하는 광 스캐닝 시스템은, 광원으로부터 출사된 빔을 원뿔형의 렌즈면을 통해 회절시켜 광축을 따라 긴 포커스 영역을 형성하는 액시콘 렌즈와; 상기 액시콘 렌즈를 통과하여 입사되는 빔을 단일 또는 복수개의 광학소자로 회절 또는 반사시켜 빔의 광축 위치를 수평 이동시켜 출사시키되 수평 이동 전후의 빔의 광학 경로거리(OPL)는 일정하게 유지하도록 구성된 디센터링 모듈;을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 광 스캐닝 시스템에 의하면, 탐색 광의 경로 변경(decentering)시 포커스 링의 기울어짐을 유발하지 않고 빛의 진행 방향만을 수평 이동시켜 줌으로써 수차 발생 없이 정확한 스캔 작업이 가능하므로 기존의 스캐닝 미러를 사용한 광 스캐닝 시스템에서 나타난 수차 발생 등의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있게 된다.Improvement of an optical scanning system using an axicon lens as a beam scanning system that is a device for irradiating search surface (usually laser light) to the surface of a sample or a medium to search the surface (or stored material) of an irradiated object Technology is disclosed.
An optical scanning system provided by the present invention includes: an axicon lens diffracting a beam emitted from a light source through a conical lens surface to form a long focus area along an optical axis; The beam incident through the axicon lens is diffracted or reflected by a single or a plurality of optical elements to move the optical axis position of the beam horizontally to emit the light, and the optical path distance (OPL) of the beam before and after the horizontal movement is constant. Decentering module; characterized in that comprises a.
According to the optical scanning system of the present invention according to the configuration as described above, by precisely moving the light direction of movement without causing inclination of the focus ring during the decentering of the search light, accurate scanning operation can be performed without generating aberration. It is possible to effectively solve the problems such as aberration generated in the optical scanning system using the scanning mirror of the.

Description

Axicon optical scanning system that enables decentering of beam without deformation of focus ring {BEAM SCANNING SYSTEM WITH AXICON LENSE}

본 발명은 액시콘을 이용한 광 스캐닝 시스템(beam scanning system)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액시콘을 이용한 광 스캐닝 시스템에 있어 탐색 과정에서 탐색 광의 경로 변경(decentering)을 위해 미러를 사용하였던 기존의 광 스캐닝 시스템에서의 문제점을 개선하여 탐색 광의 포커스 링이 기울어짐을 유발하지 않고 빛의 진행 방향만을 바꾸어 줌으로써 수차 발생 없이 정확한 스캔 작업이 가능하도록 한 새로운 방식의 광 스캐닝 시스템에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a beam scanning system using an axicon, and more particularly, to a beam scanning system using an axicon, in which a mirror is used for decentering a search light during a search process. The present invention relates to a novel optical scanning system that improves a problem in an optical scanning system and enables accurate scanning without aberration by changing only the direction of the light without causing the focus ring of the search light to tilt.

일반적으로 광 스캐닝 시스템(beam scanning system)은 탐색광(보통 레이저 광)을 시료 또는 매체의 표면에 조사하여 피조사물의 표면(또는 저장 자료)을 탐색하는 장치로서, 이러한 광 스캐닝 시스템은 현재, 현미경, 반도체회로 검사 장치, CD롬/DVD 롬, 레이저 프린터, 레이저 마킹장치 등 여러 다양한 제품 분야에서 널리 응용되어 사용되고 있다. In general, a beam scanning system is a device for searching a surface (or stored material) of an object by irradiating search light (usually laser light) to the surface of a sample or a medium. It is widely used in various products such as semiconductor circuit inspection device, CD ROM / DVD ROM, laser printer, laser marking device.

이러한 광 스캐닝 시스템의 개략적인 기본 구성을 보게 되면, 일반적으로 레이져 광원으로부터 조사되는 탐색 광을 집광 렌즈로 모아 고밀도로 집적시킨 다음, 이 레이저 탐색 광을 스캐닝 미러를 이용해 방향을 돌려서 피조사물의 표면을 따라 빔 스팟(spot)을 스캐닝하고, 빔 스팟이 쪼여진 부분의 물리적 상태에 의해 변화된 빔을 받아 분석하여 피조사물의 표면 상태나 데이터를 해석하는 구성을 포함하여 이루어지게 된다. When looking at the schematic basic configuration of such an optical scanning system, the search light irradiated from the laser light source is generally collected by a condenser lens and integrated at a high density, and then the laser search light is rotated using a scanning mirror to rotate the surface of the object to be examined. According to the configuration, the beam spot may be scanned, and the beam spot may be analyzed by receiving and analyzing a beam that is changed by the physical state of the split portion.

그런데, 상기와 같은 광 스캐닝 시스템에 있어, 집광 렌즈로서 기존의 구형(求刑) 일반 렌즈를 사용하는 스캐닝 시스템에 의하면, 일반 구형 렌즈의 제한된 촛점 깊이(depth of focus; DOF)로 인해 가동 마진이 극히 적으므로 시료가 있는 면에서의 매우 세심한 위치 제어가 요구된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 일반 렌즈 대신 액시콘(axicon)이라는 특수한 형태의 렌즈를 사용하는 광 스캐닝 방법이 개발된 바 있다. 액시콘이란 매끈한 곡면을 갖는 일반 렌즈와는 달리 원뿔형의 렌즈면을 갖도록 가공된 렌즈로서, 촛점이 한 점에 모이는 일반 렌즈에 비해 훨씬 긴 DOF를 제공하는 특성을 가지는 동시에, 같은 개구수(NA)에서 생성되는 일반적인 에어리 디스크(airy disk)보다 작은 spot size(to first minimum)를 갖는 베셀 빔(Bessel beam)을 만들어 내는 특성을 갖고 있다. However, in the optical scanning system as described above, according to the scanning system using a conventional spherical general lens as the condensing lens, the operating margin is extremely limited due to the limited depth of focus (DOF) of the general spherical lens. Very small positional control is required in the presence of the sample. In order to solve this problem, an optical scanning method using a special type of lens called axicon has been developed instead of a general lens. Axicon is a lens that is processed to have a conical lens surface, unlike a general lens having a smooth curved surface, and has a characteristic of providing a much longer DOF than a general lens that focuses at one point and at the same numerical aperture (NA). It has a characteristic of producing a Bessel beam having a spot size (to first minimum) smaller than that of a conventional airy disk.

이러한 광학 특성으로 인해 액시콘은 빔 스캐닝 장치 분야에서 매우 유용하게 쓰여질 수 있으며, 상기와 같은 액시콘 렌즈를 이용한 빔 스캐닝 방식에 관한 기존 연구에 따르면 액시콘 렌즈를 사용함으로써 일반 렌즈를 사용했을 때에 비해 월등히 긴 DOF를 성공적으로 얻어낼 수 있었다. 하지만, 전술한 것과 같이 미러를 사용하여 광의 디센터링을 수행하는 기존의 시스템에 의할 경우 광의 경로 변경을 위해 스캐닝 미러를 회전시킬 때 급격히 스팟 프로파일(spot profile)이 망가짐으로써 의도하지 않은 수차가 발생하는 문제가 있음이 확인되었다. Due to these optical characteristics, axicon can be used very usefully in the field of beam scanning device. According to the existing researches on beam scanning method using the axicon lens, the axicon has been compared to the case of using a normal lens by using an axicon lens. We were able to successfully obtain an extremely long DOF. However, according to the conventional system that performs the decentering of the light using the mirror as described above, when the scanning mirror is rotated to change the path of the light, an unintended aberration occurs because the spot profile is suddenly broken. It was confirmed that there is a problem.

즉, 기존의 액시콘을 이용한 광 스캐닝 시스템의 개략적인 레이아웃을 도시한 도1에서 보는 바와 같이, 기존의 스캐닝 시스템에 따르면 피조사물(시료 등)의 전체 표면을 스캐닝하기 위해서는 스캐닝 미러(sm)의 방향을 회전시켜 기울기를 변경시킴으로써 반사되는 광의 경로를 이동시켜야 하는데, 이와 같이 스캐닝 미러의 각도를 회전할 때 원래의 빔의 각 지점에 따라 광학 경로거리(optical pass length; OPL)가 길어지거나 짧아짐으로써 촛점이 맺히는 광스팟들을 이은 포커스 링(focussed ring)이 기울어지게 되고 이로 인해 수차가 발생하게 되는 것이다. 간단한 계산에 따르면 도2에서 보는 바와 같이 미러가 Δ만큼 회전할 때 포커스 링은 2Δ만큼 회전한다. That is, as shown in FIG. 1, which shows a schematic layout of a conventional optical scanning system using an axicon, according to the conventional scanning system, a scanning mirror sm is used to scan the entire surface of an object (sample, etc.). The path of the reflected light must be moved by rotating the direction and changing the tilt. As the angle of the scanning mirror is rotated, the optical pass length (OPL) becomes longer or shorter according to each point of the original beam. The focussed ring connecting the focused light spots is inclined, which causes aberration. According to a simple calculation, as shown in Fig. 2, the focus ring rotates by 2Δ when the mirror rotates by Δ.

이러한 수차 발생의 문제점에 대하여 L2 렌즈에 별도의 수차 보상 렌즈를 추가하여 스캐닝 범위를 늘릴 수 있다는 연구가 보고된 바 있으나, 이와 같은 방법으로는 시스템상에 내재된 수차를 근본적으로 없을 뿐 아니라 적절한 렌즈계를 새로 설계하여야 한다는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 스캐닝 미러를 사용한 기존의 스캐닝 시스템의 방식을 근본적으로 변경하여 수차 발생을 근본적으로 억제할 수 있는 새로운 방식의 광 스캐닝 시스템을 제안하고자 하는 것이다. In order to solve the problem of aberration, research has been reported that the scanning range can be increased by adding a separate aberration compensating lens to the L2 lens, but in this way, there is essentially no aberration inherent in the system, There is a problem in that the new design. Accordingly, the present invention is to propose a novel optical scanning system that can fundamentally change the method of the existing scanning system using a scanning mirror to fundamentally suppress aberration generation.

따라서, 본 발명은 액시콘을 이용한 광 스캐닝 시스템(beam scanning system)에 있어 탐색 과정에서 탐색 광의 경로 변경(decentering)을 위해 미러를 회전시켜 광의 반사 각도를 변화시키던 기존의 스캐닝 시스템에서 나타난 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 빔 스캐닝을 위한 디센터링 프로세스에 있어 탐색 광의 포커스 링의 기울어짐을 유발하지 않고도 빔의 경로를 변경할 수 있으므로 수차의 발생 없이 정확한 스캔 작업이 가능한 새로운 방식의 광 스캐닝 시스템을 제공하는 것을 그 해결하고자 하는 과제로 한다.Accordingly, the present invention solves the problem of the conventional scanning system that changes the reflection angle of the light by rotating the mirror for the decentering of the search light in the beam scanning system using an axicon. The present invention provides a novel optical scanning system that enables accurate scanning without aberration because the beam path can be changed without causing tilt of the focus ring of the search light in the decentering process for beam scanning. It is the task to solve.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 광원으로부터 출사된 빔을 원뿔형의 렌즈면을 통해 굴절시켜 광축을 따라 긴 포커스 영역을 형성하는 액시콘 렌즈와; 상기 액시콘 렌즈를 통과하여 입사되는 빔을 단일 또는 복수개의 광학소자로 굴절 또는 반사시키되, 입사된 빔의 진행 방향 각도의 변경 없이 광축 위치를 수평 방향으로 평행 이동시켜 출사시키며, 광축 위치의 수평 이동 전후에 빔의 광학 경로거리(OPL)는 일정하게 유지하도록 구성된 디센터링 모듈;을 포함하여 구성된 는 액시콘을 사용한 광 스캐닝 시스템을 특징적인 구성으로서 제공한다. In order to achieve the above technical problem, in the present invention, the axicon lens to form a long focus area along the optical axis by refracting the beam emitted from the light source through the conical lens surface; The beam incident through the axicon lens is refracted or reflected by a single or a plurality of optical elements, and the optical axis position is emitted in parallel to the horizontal direction without changing the traveling direction angle of the incident beam, and the optical axis position is moved horizontally. The optical path distance OPL of the beams before and after the decentering module is configured to maintain a constant; provides a light scanning system using an axicon as a characteristic configuration.

한편, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 광 스캐닝 시스템의 기본 개념은 다음과 같이 설명될 수 있다. On the other hand, the basic concept of the optical scanning system of the present invention having the above configuration can be described as follows.

도3은 액시콘을 이용한 광 스캐닝 시스템에 있어서 포커스 링(focused ring)의 상태에 따른 베셀 빔의 형성을 보여주는 도면이다. 도3의(a)에 도시된 것과 같이 기존의 스캐닝 미러를 사용한 시스템에 따르면 미러가 초기 45°위치에 있을 때에는 포커스 링이 수직 포컬 평면상에 있기 때문에 완벽한 형태의 베셀 빔이 형성된다. 하지만, 스캐닝 시 광로 변경을 위해 거울을 소정 각도로 회전시키게 되면 그에 따라 포커스 링 역시 기울어지게 되어(Δ만큼 회전시 2Δ의 기울어짐 발생) 도3의(b)에서 보는 것과 같이 찌그러진 형태의 베셀 빔이 만들어짐으로써 수차가 발생하게 된다. 3 is a view illustrating the formation of a vessel beam according to a state of a focused ring in an optical scanning system using an axicon. According to the system using a conventional scanning mirror as shown in Fig. 3A, a perfectly shaped vessel beam is formed because the focus ring is on the vertical focal plane when the mirror is in the initial 45 ° position. However, if the mirror is rotated at a predetermined angle to change the optical path during scanning, the focus ring is also inclined accordingly (tilting by 2Δ occurs when rotating by Δ). As shown in FIG. By this, aberration occurs.

따라서, 상기와 같은 수차의 발생을 근본적으로 피하기 위해서는 도3의(c)에 도시된 것과 같이 빛의 진행을 바꾸어 주더라도 포커스 링이 기울어지지 않도록 해야 할 것이다. 이에 본 발명자가 새로 고안한 방법은 스캐닝 미러의 기울기를 변경하여 빔의 진행 각도를 조절하는 것이 아니라, 빔의 진행 각도는 변하지 않고 진행경로 축의 위치만을 그대로 평행 이동시키는 것으로서, 이와 같은 방법에 따르면 도3의(c)에서와 같이 포커스 링이 기울어지지 않은 상태로 빔의 진행 경로를 변경하여 L2 렌즈로 입사시킬 수 있게 된다. Therefore, in order to fundamentally avoid the occurrence of such aberration, the focus ring should not be inclined even if the light progress is changed as shown in FIG. Therefore, the method newly devised by the present invention is not to adjust the angle of propagation of the beam by changing the inclination of the scanning mirror, but to move only the position of the path of the axis parallel without changing the angle of propagation of the beam. As shown in (c) of FIG. 3, the path of the beam may be changed to enter the L2 lens without tilting the focus ring.

즉, 도4에 도시한 구성과 같이 L1 렌즈를 지나기 전에 빔의 진행 경로를 변경시켜 진행각도의 변경없이 경로 축만을 그대로 평행 이동시키는 디센터링 모듈(10)을 배치 구성하게 되면 도3의(c)에서와 같이 L1 렌즈를 통과한 빔이 포커스 링의 기울어짐 없이 스캐닝을 할 수 있게 된다. 이러한 디센터링 모듈은 프리즘, 거울 등의 일반적인 광학 부품을 사용하여 구성할 수 있다. 이때, 본 발명에 있어 특히 고려된 것은 상기와 같이 디센터링을 함에 있어 디센터링 전후의 광로 거리(optical pass length; OPL)가 동일하게 하여야만 포커스 링의 변화 없이 경로만을 변경할 수 있다는 것으로서, 이와 같이 OPL을 일정하게 유지하며 빔의 경로를 평행 이동시키는 디센터링 모듈을 구비하고 이를 이용해 빔 스캐닝을 하는 것에 본 발명의 가장 중요한 기술적 특징 중의 하나가 있다. That is, when the decentering module 10 is configured to change the path of the beam before passing through the L1 lens and move only the path axis in parallel without changing the angle of travel, as shown in FIG. As can be seen, the beam passing through the L1 lens can be scanned without tilting the focus ring. The decentering module can be configured using general optical components such as prisms and mirrors. In this case, it is particularly considered in the present invention that only the path can be changed without changing the focus ring only when the optical pass length (OPL) before and after decentering is equal in decentering as described above. It is one of the most important technical features of the present invention to have a decentering module for moving the beam path in parallel while maintaining a constant and to perform beam scanning using the same.

이하 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에서는 이와 같이 동일한 OPL을 유지하면서 빔의 경로만을 디센터링 시키는 구체적인 구성 및 방법에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.In the following description, a specific configuration and method for decentering only a beam path while maintaining the same OPL will be described in more detail.

이상과 같은 본 발명의 광 스캐닝 시스템에 따르면, 기존의 구형 렌즈 대신 액시콘을 사용한 광 스캐닝 시스템(beam scanning system)에 있어서, 탐색 광의 경로 변경(decentering)시 포커스 링의 기울어짐을 유발하지 않고 빛의 진행 방향만을 수평 이동시켜 줌으로써 수차 발생 없이 정확한 스캔 작업이 가능하므로 기존의 스캐닝 미러를 사용한 광 스캐닝 시스템에서 나타난 수차 발생 등의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있게 된다.According to the optical scanning system of the present invention as described above, in a beam scanning system using an axicon instead of a conventional spherical lens, when decentering the search light, the focus ring is not caused to tilt. Since only the advancing direction is moved horizontally, accurate scanning can be performed without generating aberrations, and thus, problems such as aberrations generated in an optical scanning system using a conventional scanning mirror can be effectively solved.

도1은 기존의 액시콘을 이용한 광 스캐닝 시스템의 개략적인 레이아웃을 도시한 도면이다.
도2는 기존의 액시콘을 이용한 광 스캐닝 시스템에서 스캐닝 미러의 회전에 따른 포커스 링의 기울어짐을 나타낸 도면이다.
도3은 액시콘을 이용한 광 스캐닝 시스템에 있어서 포커스 링(focused ring)의 상태에 따른 베셀 빔의 형성을 보여주는 도면이다.
도4는 본 발명의 액시콘을 이용한 광 스캐닝 시스템의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 액시콘을 이용한 광 스캐닝 시스템에 있어 디센터링 모듈에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성 및 작용 원리를 도시한 도면이다.
도6은 본 발명의 액시콘을 이용한 광 스캐닝 시스템의 원리를 확장하여 2D 스캐닝 시스템을 구성한 실시예를 도시한 도면이다.
도7은 디센터링 모듈로서 재귀 반사체(retroreflector) 및 프리즘을 이용한 실시예를 도시한 도면이다. 1 is a view showing a schematic layout of a conventional optical scanning system using an axicon.
2 is a view showing inclination of the focus ring according to the rotation of the scanning mirror in the conventional optical scanning system using an axicon.
3 is a view illustrating the formation of a vessel beam according to a state of a focused ring in an optical scanning system using an axicon.
4 is a view showing the overall configuration of an optical scanning system using an axicon of the present invention.
5 is a view showing a schematic configuration and principle of operation of a preferred embodiment for the decentering module in the optical scanning system using an axicon of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating an embodiment in which a 2D scanning system is configured by extending the principle of an optical scanning system using an axicon of the present invention.
FIG. 7 illustrates an embodiment using a retroreflector and a prism as the decentering module.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the configuration and operation of the present invention.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 있어 주요한 기술적 개념은 빔 스캐닝 프로세스를 위해 탐색광의 경로를 변경시킴에 있어, ① 빔의 진행 각도는 변하지 않고 경로 축의 위치만을 평행 이동(decenter)시키되, ② 디센터 전후의 광학 경로거리(Optical Pass Length; OPL)가 동일하게 유지되게 하면, 스캐닝 시 탐색 광의 포커스 링이 기울어짐을 유발하지 않고 빛의 진행 방향만을 바꾸어 줄 수 있으므로 수차 발생 없이 정확한 스캔 작업을 수행할 수 있다는 것으로, 이러한 점에서 본 발명은 스캐닝 미러의 기울기를 변경하여 빔의 진행 각도를 조절함으로써 수차 발생의 문제점을 가지고 있던 기존의 방식과 확실히 구별된다.
As described above, in the configuration of the present invention, the main technical concept is to change the path of the search light for the beam scanning process, in which the advancing angle of the beam does not change but only the center of the path axis is decentered. If the optical path length (OPL) before and after the center is kept the same, the focus ring of the search light can change only the direction of the light without causing the tilt during scanning, thereby performing accurate scanning without aberration. In this respect, the present invention is clearly distinguished from the conventional method which has had the problem of generating aberration by changing the tilt of the scanning mirror to adjust the propagation angle of the beam.

상기와 같은 본 발명의 광 스캐닝 시스템의 개략적인 전체 구성은 도4에 도시되어 있으며, 도4에 도시된 것과 같이 본 발명은 광원(20)로부터 출사된 빔을 집광시키는 렌즈로 구형 렌즈 대신 액시콘(30)렌즈를 사용한 형태의 광 스캐닝 시스템에 관한 것으로서, 특히 스캐닝을 위해 광로를 평행 이동시키기 위한 구성요소로서 디센터링 모듈(10)을 포함하여 구성됨에 주요한 특징이 있다.A schematic overall configuration of the optical scanning system of the present invention as shown above is shown in FIG. 4, and as shown in FIG. 4, the present invention is an axicon instead of a spherical lens as a lens for condensing a beam emitted from the light source 20. (30) The present invention relates to an optical scanning system using a lens. In particular, the optical scanning system includes a decentering module 10 as a component for parallelly moving an optical path for scanning.

도5는 상기와 같이 본 발명에 있어 가장 특징적인 구성 요소인 디센터링 모듈에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성 및 작용 원리를 도시한 도면으로서, 상기 도5를 참조하면 본 발명에 있어서 디센터링 모듈은 전체적으로 볼 때, 광원으로부터 입사되는 탐색광을 반사시켜 경로를 변경하는 광학 프리즘으로서의 반사 프리즘(100)과, 상기 반사 프리즘(100)과는 일정 거리를 두고 이격 배치되며, 상기 반사 프리즘(100)으로부터 입사되는 빔을 반사시켜 다시 상기 반사 프리즘(100)으로 되돌려 보내는 반사 유니트(200)를 포함하여 구성된 것임을 알 수 있다. 5 is a view showing a schematic configuration and principle of operation of a preferred embodiment for a decentering module which is the most characteristic component in the present invention as described above. Referring to FIG. 5, the decentering module in the present invention is shown. As a whole, the reflective prism 100 as an optical prism reflecting the search light incident from the light source and changing the path is spaced apart from the reflective prism 100 at a predetermined distance, and the reflective prism 100 It can be seen that it comprises a reflection unit 200 for reflecting the beam incident from the back to the reflective prism 100.

한편, 도5에 도시된 실시예에 따르면, 상기와 같은 반사 유니트(200)로서 2개의 반사 미러(210)(220)를 사용하여 구성된 형태를 예시하고 있는데, 여기서 상기 2개의 반사 미러(210)(220)는 서로 수직면을 이룸으로써 대략 'ㄱ'자 형태를 가지도록 하되 각 반사면은 상기한 반사 프리즘(100)의 제1 반사면(110) 및 제2 반사면(120)과 각각 평행하게 마주보도록 구성하고 있다. On the other hand, according to the embodiment shown in Figure 5, as a reflection unit 200 as described above, the configuration is configured using two reflection mirrors 210, 220, where the two reflection mirrors 210 The 220 may have a substantially 'a' shape by forming a vertical plane with each other, and each reflecting surface may be parallel to the first reflecting surface 110 and the second reflecting surface 120 of the reflecting prism 100, respectively. It is configured to face each other.

또한, 상기와 같은 구성에서 상기 반사 프리즘(100)과 반사 유니트(200) 중 어느 하나는 수평 방향(도시된 도면을 기준으로)으로 이동 가능하게 설치됨으로써 상기 반사 프리즘(100) 또는 반사 유니트(200)를 좌우로 이동함에 의해 이들의 상대적 위치가 변할 수 있도록 구성되어 있다. 도5에서는 반사 유니트(200)를 고정하고 반사 프리즘(100)을 이동하는 형태를 예시하고 있으나 실제 제품 설계에 따라서는 반대로 반사 프리즘(100)을 그대로 두고 반사 유니트(200)를 수평 이동시키거나, 혹은 양자를 함께 이동시키는 것도 고려할 수 있다. In addition, in the above configuration, any one of the reflective prism 100 and the reflective unit 200 is installed to be movable in a horizontal direction (based on the drawing shown), so that the reflective prism 100 or the reflective unit 200 ) Are moved so that their relative position can be changed by moving left and right. Although FIG. 5 illustrates a form in which the reflective unit 200 is fixed and the reflective prism 100 is moved, the reflective unit 200 is horizontally moved with the reflective prism 100 intact, depending on the actual product design. Or move both together.

상기와 같이 반사 프리즘(100)과 거울형 반사 유니트(200)를 이용하여 구성된 디센터링 모듈(10)의 작동 프로세스 및 작용을 도5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도5의(a)는 디센터링하기 전 초기 상태를 도시한 것으로서, 도5의(a)에서 보는 바와 같이 레이저 광원으로부터 출사되어 액시콘 렌즈에 의해 집광된 빔은 디센터링 모듈(도4의 10)로 들어와 일단 반사 프리즘(100)의 제1 프리즘면(110)에서 90°로 반사되어 반사 유니트(200)의 제1 반사면(210)으로 진행한다. 이와 같이 반사 프리즘(100)에서 반사된 빔은 상기 반사 유니트(200)의 제1 반사면(210)과 제2 반사면(220)에 의해 차례로 직각 반사됨으로써 원래의 입사된 각도와 평행하게 다시 반사 프리즘(100)의 제2 프리즘면(120)으로 되돌려 보내지게 된다. 상기와 같이 반사 유니트(120)를 거쳐 반사 프리즘(100)으로 돌아온 빔은 제2 프리즘면(120)에서 다시 직각 반사되어 처음 디센터링 모듈로 입사된 빔과 동일한 진행 방향으로 나간 후 L1, L2렌즈를 포함하는 대물렌즈계를 거쳐 시료 등의 표면에 조사되어 스캐닝 동작에 이용되게 된다.The operation process and operation of the decentering module 10 configured by using the reflective prism 100 and the mirror-shaped reflective unit 200 as described above will be described with reference to FIG. 5. FIG. 5 (a) shows an initial state before decentering, and as shown in FIG. 5 (a), the beam emitted from the laser light source and focused by the axicon lens is decentering module (10 in FIG. 4). ) Is reflected at 90 ° from the first prism surface 110 of the reflective prism 100 and proceeds to the first reflective surface 210 of the reflective unit 200. As such, the beam reflected by the reflective prism 100 is reflected by the first reflecting surface 210 and the second reflecting surface 220 of the reflecting unit 200 at right angles in order to reflect back in parallel with the original incident angle. The prism 100 is returned to the second prism face 120. As described above, the beam returned to the reflective prism 100 through the reflection unit 120 is reflected at right angles from the second prism surface 120 and exits in the same traveling direction as the beam first incident to the decentering module. It is irradiated onto the surface of the sample and the like through the objective lens system including a is used for the scanning operation.

다음으로, 상기와 같은 본 발명의 디센터링 모듈(10)에서 빔의 경로를 디센터시키는 작동은 이하에서와 같은 과정에 의해 이루어지게 된다. 도5의(b)에서 보는 것과 같이 본 발명의 구성에 따르면 반사 프리즘(100)을 원위치로부터 반사 유니트(120)에 대해 수평으로 일정거리 이동시키게 되면 그에 비례하여 입사된 빔을 편심 이동(decenter)시킬 수 있게 된다. 이때, 반사 프리즘(100)을 δ만큼 이동시킴에 의해 2δ만큼 빔의 진행 위치를 디센터링 시킬 수 있는데, 이는 간단한 기하학적 해석에 의해 직관적으로 쉽게 이해될 수 있다.Next, the operation of decentering the path of the beam in the decentering module 10 of the present invention as described above is made by the following process. According to the configuration of the present invention as shown in FIG. 5B, when the reflective prism 100 is moved horizontally with respect to the reflective unit 120 from its original position, the incident beam is eccentrically decentered. You can do it. At this time, the moving position of the beam can be decentered by 2δ by moving the reflective prism 100 by δ, which can be intuitively understood by simple geometric analysis.

즉, 도5의(a)에 도시된 초기 상태에서 반사 프리즘(100)을 우측으로 δ만큼 수평 이동시키게 되면, 기준점으로부터 반사 프리즘(100)의 제1 프리즘면(110)까지 빔의 진행 거리가 δ만큼 늘어나고(A+δ), 이에 따라 제1 프리즘면(110)에서 반사 거울 유니트(200)까지의 빔의 수직 진행거리 역시 원래보다 δ만큼 늘어나게 된다(B+δ). 그리고, 이와 더불어 빔이 반사 유니트(200)에서 반사되는 수평 위치가 반사 프리즘(100)의 수평 이동거리 δ만큼 우측으로 수평 이동함으로써 제1반사면(210)과 제2반사면(220) 사이의 수평 진행거리는 대칭적으로 2δ만큼 짧아지게 되고(C-2δ), 이에 따라 빔이 반사 프리즘(100)으로 돌아 나가는 수평 위치는 원래에 비해 δ만큼 좌측으로 이동(우측이동분 +δ, 좌측이동분 -2δ)하게 된다. 결과적으로, 상기 반사 유니트(20)의 제2반사면(122)으로부터 반사되어 돌아온 빔이 반사프리즘(100)의 제2프리즘면(120)에 반사되는 지점은, 프리즘(100)의 우측 이동거리 δ와 반사 유니트(120)의 좌측 이동거리 δ의 합으로 인해 원래보다 2δ만큼 위쪽으로 올라가게 되는바((B+δ) - (B-δ) = 2δ), 최종적으로 상기 디센터링 유니트(10)를 통해 나가는 빔의 진행축 위치는 원래 입사된 빔의 위치보다 2δ만큼 편심 이동시킬 수 있게 되는 것이다. That is, when the reflective prism 100 is horizontally moved by δ to the right in the initial state shown in FIG. 5A, the traveling distance of the beam from the reference point to the first prism surface 110 of the reflective prism 100 is increased. By increasing δ (A + δ), the vertical traveling distance of the beam from the first prism surface 110 to the reflective mirror unit 200 is also increased by δ (B + δ) than the original. In addition, the horizontal position at which the beam is reflected by the reflection unit 200 is horizontally moved to the right by the horizontal movement distance δ of the reflective prism 100, so that the distance between the first reflective surface 210 and the second reflective surface 220 is increased. The horizontal travel is symmetrically shortened by 2δ (C-2δ), so that the horizontal position where the beam returns to the reflective prism 100 is shifted left by δ relative to the original (right shift + δ, left shift) -2δ). As a result, the point where the beam reflected from the second reflecting surface 122 of the reflecting unit 20 is reflected on the second prism surface 120 of the reflecting prism 100 is a right moving distance of the prism 100. Due to the sum of δ and the left moving distance δ of the reflecting unit 120, it is raised upward by 2δ from the original ((B + δ) − (B−δ) = 2δ), and finally, the decentering unit 10 The propagation axis position of the beam exiting through) can be eccentrically shifted by 2δ from the position of the originally incident beam.

한편, 전술한 것과 같은 본 발명의 디센터링 모듈(10)의 작용에 있어서, 디센터링 전과 후의 광학경로 길이(Optical Pass Length; OPL)를 각각 계산하여 비교해 보면 다음과 같다. On the other hand, in the operation of the decentering module 10 of the present invention as described above, the optical path length (OPL) before and after decentering is calculated and compared as follows.

먼저, 디센터링 하기 전 초기 위치에서의 OPL을 계산하면 도5의(a)에서 보는 바와 같이, First, when calculating the OPL at the initial position before decentering, as shown in Figure 5 (a),

A + B + C + B + D = (A + 2B + C + D) 가 된다. A + B + C + B + D = (A + 2B + C + D)

다음으로, 도5의(b)를 참조하여 보면, 빔의 디센터링을 위해 반사 프리즘을 δ만큼 이동시킬 경우에 전체 OPL은, Next, referring to FIG. 5 (b), when the reflective prism is moved by δ for decentering the beam, the entire OPL is

(A+δ) + (B+δ) + (C-2δ) + (B-δ) + (D+δ) = (A + 2B + C + D)(A + δ) + (B + δ) + (C-2δ) + (B-δ) + (D + δ) = (A + 2B + C + D)

가 되는바, 반사 프리즘을 이동시키기 전의 OPL과 같음을 알 수 있다.It can be seen that it is the same as OPL before moving the reflective prism.

즉, 이는 반사 프리즘(100)을 움직이면 반사 프리즘(100)과 반사 유니트(120)의 제1 반사면(121)까지의 OPL이 늘어나지만, 반사 유니트(120)의 제2 반사면(122)에 의해 다시 줄어들기 때문에 전체적인 OPL은 이동 여부에 관계없이 항상 일정하게 유지되는 것이다. 따라서, 상기에서 설명한 것과 같은 본 발명에 따르면, 디센터링 전후로 OPL의 변화가 없으므로 포커스 링의 기울어짐을 유발하지 않고 오로지 빔의 진행축 위치만을 그대로 평행 이동시킬 수 있는바 기존의 미러를 이용한 스캐닝 방식에서 나타난 수차 발생의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있게 된다.
That is, when the reflective prism 100 is moved, the OPL between the reflective prism 100 and the first reflecting surface 121 of the reflecting unit 120 increases, but the second reflecting surface 122 of the reflecting unit 120 is increased. The overall OPL remains constant at all times, regardless of whether it is moved or not. Therefore, according to the present invention as described above, since there is no change in OPL before and after decentering, only the traveling axis position of the beam can be moved in parallel without causing inclination of the focus ring. It is possible to effectively solve the problem of occurrence of aberration shown.

한편, 이상과 같은 본 발명의 기본 개념을 확장 적용하면 1차원 스캐닝뿐 아니라 2차원 스캐닝도 간단히 구현할 수 있다. 도6은 전술한 본 발명의 기본 개념을 적용하여 2D 스캐닝 시스템을 구성한 것으로, 이는 상기한 본 발명의 디센터링 유니트 2개 구성을 연결하여 2축 방향의 2D 스캐닝이 가능하도록 구현한 것이다. Meanwhile, if the basic concept of the present invention is extended and applied, not only 1-dimensional scanning but also 2-dimensional scanning can be easily implemented. 6 is a configuration of the 2D scanning system by applying the above-described basic concept of the present invention, which is implemented to enable 2D scanning in the two-axis direction by connecting the two decentering units of the present invention.

즉, 앞서 도5를 통해 설명한 본 발명의 디센터링 모듈(10)에 따르면, 반사 프리즘(100)을 δ만큼 수평 이동함에 의해 빔의 진행 경로를 2δ만큼 디센터링시킬 수 있는바, 이와 같은 본 발명의 디센터링 모듈의 구성 한 쌍을 도6과 같이 서로 다른 두 방향에 대하여 직각으로 배치하여 프리즘(100)(300)과 반사 거울(200)(400)을 서로 다른 두 방향에 대하여 적용하면 2D 스캐닝이 가능하게 된다. That is, according to the decentering module 10 of the present invention described above with reference to FIG. 5, the traveling path of the beam can be decentered by 2δ by horizontally moving the reflective prism 100 by δ. When the pair of components of the decentering module is arranged at right angles to two different directions as shown in Fig. 6, the prism 100, 300 and the reflecting mirrors 200, 400 are applied to two different directions, and thus 2D scanning is performed. This becomes possible.

즉, 도6에 도시된 것과 같이, 반사 프리즘(100)을 움직임에 의해 수직방향(z축 방향)으로 빔의 경로를 조절하고, 2차 반사 프리즘(300)을 움직여 수평방향(x축 방향)으로 빔의 경로를 조절할 수 있는바, 이들 프리즘 소재들을 적절하게 이동시킴으로써 빔의 진행 방향을 z-x 평면에 대해 원하는 대로 자유자재로 조절하여 시료(또는 매체)의 전 표면에 빔 스캐닝을 수행할 수 있게 되는 것이다. That is, as shown in FIG. 6, the beam path is adjusted in the vertical direction (z-axis direction) by moving the reflective prism 100, and the secondary reflection prism 300 is moved to the horizontal direction (x-axis direction). The path of the beam can be adjusted by appropriately moving these prismatic materials so that the direction of the beam can be freely adjusted as desired with respect to the zx plane to perform beam scanning on the entire surface of the specimen (or medium). Will be.

한편, 상기 실시예에서는 반사 유니트로서 반사 거울을 사용한 예를 들어 설명하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 거울 대신 굴절 프리즘을 사용하더라도 충분히 본 발명의 주요 개념을 구현하는 것이 가능하다. 또한, 위 실시예들에서는 반사 유니트를 고정하고 반사 프리즘을 이동하는 구성을 예시하고 있으나 반대로 반사 프리즘을 고정하고 반사 유니트를 이동함에 의해 빔의 경로를 조정하는 것 또한 당업자라면 특별한 어려움 없이 쉽게 고려할 수 있을 것이다. On the other hand, the above embodiment has been described using an example of a reflection mirror as a reflection unit, but is not necessarily limited thereto, and even if a refractive prism is used instead of the mirror, it is possible to sufficiently implement the main concept of the present invention. In addition, the above embodiments illustrate a configuration in which the reflection unit is fixed and the reflective prism is moved. On the contrary, adjusting the path of the beam by fixing the reflection prism and moving the reflection unit can be easily considered by those skilled in the art without particular difficulty. There will be.

나아가, 2차원 스캐닝을 함에 있어 상기한 바에 의하면 반사 프리즘과 반사 거울을 서로 다른 2방향에 대해 적용하여 구현한 예를 들었으나, 이와 같이 2개의 모듈을 가지고 2D 스캐닝 시스템을 구성하는 대신, 예컨대 코너-큐브(corner cube)나 더블 포로 프리즘(double porro prism) 등 다양한 광학 소자의 특성을 이용하여 본 발명의 주요 효과를 구현하는 것도 가능하다. Furthermore, in the two-dimensional scanning, the above-described example is realized by applying the reflection prism and the reflection mirror in two different directions, but instead of configuring the 2D scanning system with two modules, for example, corner It is also possible to implement the main effects of the present invention using the characteristics of various optical elements, such as a cube (corner cube) or a double porro prism.

코너-큐브(corner cube)란 서로 수직한 세 평면으로 이루어진 재귀 반사체(retroreflector)의 일종으로서, 이는 정육면체 또는 직육면체의 한 코너를 절단해 내고 내부를 거울로 만듦으로써 제작할 수 있다. 잘 알려진 바와 같이retroreflector의 주요 특징은 빛이 입사한 방향에 대해 정확하게 반대로 반사된다는 것이다. 즉, Cartesian coordinate에서 빛이 (-1, -1, -1)방향으로 입사했으면 반사되는 빛의 방향은 (1, 1, 1)이 된다. 계산을 간단히 하기 위해 코너-큐브가 x, y, z축을 모서리로 갖는다 정하고 빛이 (-1, -1, -1)방향으로 입사된다고 가정하면, 코너-큐브가 Δx, Δy, Δz만큼 움직였을 때의 OPL의 차이 ΔOPL과 반사되는 빛의(정육면체의 코너를 자른 면에 평행한 임의의 면에 대해) 위치 차이 ΔP를 구하면 아래 [참고도 1]과 같이 정리할 수 있다. A corner cube is a type of retroreflector consisting of three planes perpendicular to each other, which can be manufactured by cutting a corner of a cube or cube and making an interior into a mirror. As is well known, the main feature of retroreflector is that it reflects exactly opposite to the direction of light incident. That is, in the Cartesian coordinate, if the light is incident in the (-1, -1, -1) direction, the direction of the reflected light becomes (1, 1, 1). To simplify the calculation, assume that the corner-cube has corners of the x, y, and z axes, and assume that light is incident in the (-1, -1, -1) direction, the corner-cube moves by Δx, Δy, Δz. The difference between the OPL of ΔOPL and the reflected light (for any plane parallel to the plane where the corner of the cube is cut) can be calculated as shown in [Reference 1] below.

[참고도 1][Reference Figure 1]

여기서, OPL의 차이를 '0'으로 만드는 두 수직한 코너-큐브의 이동방향은 (δ, -δ, 0), (-δ, -δ, 2δ)이다. 상기 두 방향은 결국 정육면체의 코너를 자른 단면에 평행하게 되는바, 따라서 코너-큐브가 이 단면상에서 δ만큼 움직이면 빔의 디센터 변위는 전술한 프리즘-거울 방식에서와 마찬가지로 2δ만큼 이루어지게 된다.Here, the moving directions of the two vertical corner-cubes which make the difference of OPL '0' are (δ, -δ, 0), (-δ, -δ, 2δ). The two directions eventually become parallel to the cross section of the cube, so if the corner-cube moves by δ on this cross section, the decenter displacement of the beam will be 2δ as in the prism-mirror method described above.

도7에는 상기와 같은 retroreflector 및 프리즘을 이용한 스캐닝 시스템에 대한 일예가 도시되어 있다. Figure 7 shows an example of such a retroreflector and a scanning system using a prism.

이 밖에도, 상기 반사 유니트로서 직각 삼각형 형태의 프리즘 2개가 1조를 이루는 더블-포로(porro) 프리즘을 사용할 수도 있다. 더블-포로 프리즘은 광학적 측면에서 볼 때 2개의 반사면을 갖는 프리즘을 수직으로 방향을 달리하여 조합한 것으로 앞서 설명한 프리즘-거울 방식의 2차원 스캐닝 시스템에서 거울 대신 포로 프리즘을 사용한 것과 같은 효과를 내는바, 상기 2개의 포로 프리즘을 각각 수직 및 수평 방향으로 이동함으로써 2차원 스캐닝의 효과를 구현할 수 있게 된다.
In addition, as the reflective unit, a double-porro prism in which two prisms in the shape of a right triangle form a pair may be used. The double-porosity prism is an optically combined prism with two reflecting surfaces vertically and in opposite directions, producing the same effect as using a captive prism instead of a mirror in the prism-mirror two-dimensional scanning system described above. The two captive prisms can be moved in the vertical and horizontal directions, respectively, to realize the effect of two-dimensional scanning.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한 것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정해지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.Although the present invention has been described in detail with reference to the described embodiments, those skilled in the art to which the present invention pertains will be capable of various substitutions, additions and modifications without departing from the technical spirit described above. It is to be understood that such modified embodiments also fall within the protection scope of the present invention as defined by the appended claims.

10 : 디센터링 모듈
100 : 반사 프리즘 200 : 반사 유니트
110 : 제1 프리즘면 120 : 제2 프리즘면
210 : 제1 반사면 220 : 제2 반사면10: decentering module
100: reflection prism 200: reflection unit
110: first prism face 120: second prism face
210: first reflective surface 220: second reflective surface

Claims

An axicon lens refracting the beam emitted from the light source through the conical lens surface to form a long focus area along the optical axis;
The beam incident through the axicon lens is refracted or reflected by a single or a plurality of optical elements, and the optical axis position is emitted in parallel to the horizontal direction without changing the traveling direction angle of the incident beam, and the optical axis position is moved horizontally. A decentering module configured to maintain the optical path distance OPL of the beam before and after;
Axicon light scanning system comprising a.

The method of claim 1, wherein the decentering module,
A reflecting prism having a first prism surface for making an angle of 45 degrees with the optical axis of the beam on which the reflecting surface is incident and reflecting the incident beam at 90 ° and a second prism surface perpendicular to the first prism surface;
A reflection unit disposed to be spaced apart from the reflective prism at a predetermined distance, and reflecting or refracting a beam incident from the first prism surface of the reflective prism and sending the beam back to the second prism surface of the reflective prism; Including;
And one of the reflective prism and the reflective unit is horizontally movable so that the relative positions of the reflective prism and the reflective unit can be changed.

The first reflection surface of claim 2, wherein the reflection unit is formed by forming a first reflection surface that reflects a beam incident from the first prism surface of the reflection prism at 90 degrees, and at a right angle with the first reflection surface. And a second reflecting surface which reflects the beam reflected from the slope back at 90 ° and is incident on the second prism surface of the reflecting prism.

The method according to claim 2 or 3,
A secondary reflection prism having a first prism surface disposed at an angle of 45 degrees with an optical axis of the beam exiting the reflective prism and reflecting an incident beam at 90 ° and a second prism surface formed at a right angle with respect to the first prism surface; And,
The first reflecting surface is spaced apart from the secondary reflecting prism at a predetermined distance and is perpendicular to the first reflecting surface and the first reflecting surface for reflecting a beam reflected by the first prism surface of the secondary reflecting prism at 90 °. A secondary reflection unit having a second reflection surface formed to be formed so as to reflect the beam reflected by the first reflection surface at 90 ° and incident the light at a 45 ° angle with respect to the second prism surface of the second reflection prism;
Further provided with a secondary decentering module including;
And the reflective prism and the secondary reflective prism are formed to be perpendicular to each other so that two-dimensional scanning is possible.

The axicon optical scanning system of claim 2, wherein the reflective unit is a porro prism in which two prisms having a right triangle shape form a pair.

The axicon optical scanning system of claim 2, wherein the reflective unit is a retro-reflector having three reflective surfaces perpendicular to each other.

7. The axicon optical scanning system of claim 6, wherein the retro-reflector is a corner-cube that cuts one corner of the rectangular parallelepiped and has three reflective surfaces perpendicular to each other.