KR101663702B1 - 레이저 빔 품질 향상 장치 - Google Patents

레이저 빔 품질 향상 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 빔 품질 향상 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고품질의 레이저 빔 파면을 유지하기 위하여 파면측정부, 제어부 및 파면보정부로 이루어지는 레이저 빔 품질 향상 장치에 파면 정보가 없는 무정보 영역이 존재할 때 이를 보간하는 능동적 파면정보 추출부, 또는 계산된 보정 전압에서 포화 전압이 존재할 때 보정 전압을 재계산하는 능동적 보정전압 계산부, 또는 장치의 성능을 사전에 파악하는 사전 검사부,를 더 포함함으로써, 열악한 환경에서도 안정적인 운용이 가능할 뿐만 아니라 파면 품질도 우수한 레이저 빔을 생성할 수 있도록 한 레이저 빔 품질 향상 장치에 관한 것이다.

Description

레이저 빔 품질 향상 장치{Quality improvement apparatus of laser beam}
본 발명은 레이저 빔 품질 향상 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입사 레이저 빔의 파면 왜곡을 보다 정밀하게 보정함으로써 파면 품질이 우수한 레이저 빔을 생성할 수 있도록 한 레이저 빔 품질 향상 장치에 관한 것이다.
고출력레이저를 이용하여 전자부품이나 반도체, 철판 등에 대해 정밀 절단이나 용접 등을 수행할 때, 파면 왜곡이 큰 입사 레이저 빔을 집속하면 집속된 빔의 직경이 커지고 에너지 밀도도 낮아진다.
따라서 파면 왜곡이 큰 입사 레이저 빔은 좁은 면적에 강한 에너지를 모으지 못하기 때문에 두꺼운 재료를 절단할 수 없고, 정밀한 가공이 불가능하다.
또한 입사 빔이 조명 광원이라면, 조명광원으로 관측되는 영상이 흐려 보이게 된다.
따라서 정밀 용접 및 절단 작업 시 입사 레이저 빔의 파면 왜곡을 측정하고 이를 보정하는 적응광학 시스템을 적용하고 있다. 이렇게 파면 왜곡이 보정된 레이저 빔을 집속하면 집속된 레이저 빔의 직경이 작아지고 좁은 면적에 강한 에너지를 모을 수 있다. 즉, 빔 포커싱 직경이 작기 때문에 두꺼운 재료도 절단할 수 있으며, 정밀한 가공이 가능해진다.
이와 관련된 기술로 한국공개특허 제 10-2005-0072259호("형상가변거울을 이용한 파면에러 보정장치")가 개시된 바 있으며, 상기 선행기술은 파면측정기로 파면왜곡을 측정하고 PZT(Piezoelectric Thick films)형 배열 구동기를 가진 형상가변거울을 사용하여 파면 에러를 보정하는 보정장치에 관한 것이다.
형상가변거울은 파면을 보정하는데 핵심적인 역할을 하는 것으로, 형상가변거울에 수직인 방향으로 전압을 인가할 수 있는 배열 구동기를 포함하며 이 배열 구동기에 개별적으로 전압을 인가하여 연속적으로 이루어진 형상가변거울 경면의 형태가 제어됨으로써 파면이 보정된다.
그러나 상기 선행기술에 따른 보정장치는 형상가변거울의 경면을 변형시키기 위한 제어신호를 산출하는데 있어서 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 구체적으로, 외부 환경이 열악하여 입사 레이저 빔의 파면 왜곡이 심한 경우 입사 레이저 빔의 보정 성능이 떨어지는 문제가 있으며, 또한 파면에러 보정장치 자체의 성능 저하는 고려하지 않고 있다.
한국공개특허 제 10-2005-0072259호("형상가변거울을 이용한 파면에러 보정장치")
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 입사 레이저 빔을 보정함에 있어서 새로운 기능을 추가함으로써, 열악한 환경에서도 안정적인 운용이 가능할 뿐만 아니라 파면 품질도 우수한 레이저 빔을 생성할 수 있도록 한 레이저 품질 향상 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 사전에 보정 성능을 파악할 수 있도록 함으로써 최상의 상태로 입사 레이저 빔의 파면 왜곡을 보정할 수 있도록 한 레이저 품질 향상 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치는 입사 레이저 빔의 파면 왜곡을 보정하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 입사 레이저 빔의 파면 점 영상을 측정하고 측정된 상기 파면 점 영상으로부터 파면 왜곡 정보를 추출하는 파면측정부; 상기 파면측정부에서 측정한 상기 파면 점 영상에서 파면 정보가 없는 무정보 영역이 존재하는지 판별하는 무정보 판별기, 및 무정보 영역이 있을 경우 보간법을 이용하여 상기 무정보 영역을 보간함으로써 상기 파면 왜곡 정보를 업데이트하는 무정보 영역 보간기,를 포함하여 이루어지는 능동적 파면정보 추출부; 상기 능동적 파면정보 추출부로부터 전달된 파면 왜곡 정보를 바탕으로 파면보정부에 인가할 보정 전압 배열을 계산하는 제어부; 및 각 구동축에 인가되는 상기 보정 전압 배열에 따라 형상이 변화되는 변형거울, 및 상기 제어부에서 계산된 상기 보정 전압 배열을 상기 구동축에 인가하여 상기 변형거울을 구동하는 변형거울 드라이버,로 구성되어, 상기 입사 레이저 빔의 파면 왜곡을 보정하는 파면보정부;를 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 상기 파면측정부는 상기 입사 레이저 빔을 각 하부 개구(sub-aperture) 별로 분할하여 집속하는 배열렌즈, 및 각 하부 개구 별로 분할된 상기 입사 레이저 빔의 광 신호를 전기적 신호로 변환하여 상기 파면 점 영상을 생성하는 2차원 영상센서를 포함하여 상기 파면 점 영상에서 각 하부 개구 별로 파면 왜곡 정보를 추출하는 파면센서,로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치는 상기 무정보 판별기로부터 상기 무정보 영역의 존재 여부를 수신하여 에 무정보 영역이 존재하면 조날 제어모드로 제어모드를 설정하고, 무정보 영역이 존재하지 않으면 기설정된 제어모드를 유지하는 방식으로 보정 방법을 선택하는 능동적 보정모드 선택부;를 더 포함할 수 있다.
또, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치는 상기 제어부에서 계산한 상기 보정 전압 배열에 포화 전압이 존재할 경우 상기 파면보정부에 인가할 전압을 재계산하여 2차 보정 전압 배열을 생성하는 능동적 보정전압 계산부;를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 능동적 보정전압 계산부는,
상기 제어부에서 계산된 상기 보정 전압 배열에서 포화 전압이 존재하는지 여부를 판별하는 포화 전압 판별기, 포화 전압이 존재할 경우 해당 위치의 상기 구동축에 대한 고유값을 0 또는 전체 고유값 평균의 10% 이하인 값으로 설정하는 고유값 제어기, 및 포화 전압이 존재할 경우 상기 보정 전압 배열을 재계산하여 상기 2차 보정 전압 배열을 생성하고 상기 파면보정부로 전달하는 보정전압 재계산기,를 포함하여 이루어질 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치는 상기 입사 레이저 빔의 파면 왜곡을 보정하기 전에 상기 레이저 빔 품질 향상 장치의 성능을 파악하는 사전 검사부;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 사전 검사부는 상기 파면측정부와 상기 파면보정부의 정렬 틀어짐 정보를 제공하는 사전 정렬 검사기를 포함하며,
상기 사전 정렬 검사기는 상기 변형거울 구동축의 고유값들의 무게중심 이동량을 이용하여 정렬 틀어짐 정보를 제공할 수 있다.
또, 상기 사전 검사부는 상기 변형거울 각 구동축의 포화 민감도를 제공하는 국소포화 감시기,를 포함하며, 상기 국소포화 감시기는 역영향함수에서 상기 각 구동축의 실효치 값을 이용하여 상기 각 구동축의 전압값 포화 민감도 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치는 파면측정부, 제어부 및 파면보정부에 능동적 파면정보 추출부를 더 포함함으로써, 파면측정부에서 특정 구역의 신호가 약하게 들어오거나 없더라도, 해당 구역의 정보를 적절히 보간함으로써 안정적이면서 높은 효율로 파면 보정이 가능한 효과가 있다.
또한, 능동적 보정전압 계산부를 더 포함함으로써, 필요에 따라 제어부에서 계산된 보정 전압 배열을 재계산하므로, 종래와 같이 한계치를 벗어나는 영역이 존재하여 파면보정부가 파면 왜곡을 일으키는 문제를 해결할 수 있으므로, 보정범위를 개선하는 효과가 있다.
또한, 사전 검사부를 더 포함함으로써, 연속적인 파면보정을 시작하기 전에 장치의 정밀한 정렬 정보를 자동으로 제공하므로, 성능이 저하된 상태에서 본 발명이 운용되는 것을 방지하여 우수한 품질의 입사 레이저 빔을 생성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치의 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 파면측정부와 파면보정부의 배치 관계를 나타낸 일 예.
도 3은 도 1에 도시된 파면측정부에서 측정된 파면 점 영상의 일 예.
도 4은 도 1에 도시된 파면측정부의 각 하부 개구에서 측정하는 파면 기울기를 나타낸 일 예.
도 5는 파면정보 추출이 어려운 정도의 파면 점 영상의 일 예.
도 6은 도 1에 도시된 사전검사부에서 정렬이 잘된 경우에 장치의 성능을 나타내는 고유값 그래프 예.
도 7은 도 1에 도시된 사전검사부에서 정렬이 틀어진 경우에 장치의 성능을 나타내는 고유값 그래프 예.
도 8은 도 1에 도시된 사전검사부에서 정렬이 잘된 경우에 장치의 성능을 나타내는 역영향함수의 실효치 값 그래프 예.
도 9 는 도 1에 도시된 사전검사부에서 정렬이 틀어진 경우에 장치의 성능을 나타내는 역영향함수의 실효치 값 그래프 예.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 품질향상 장치를 이용하여 바람속도 0.5m/s로 모사하는 환경에서 정렬 조건에 따른 보정 시험 결과 그래프 예.
이하, 본 발명의 레이저 빔 품질 향상 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치의 개념도이다.
본 발명은 입사 레이저 빔의 파면 왜곡을 보정하기 위한 장치에 관한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치는 크게 파면측정부(10), 제어부(40) 및 파면보정부(60)로 이루어진다.
입사 레이저 빔(B)은 빔 분할기(1), 파면보정부(60)의 변형거울(62) 및 거울(2)에 반사되어 통과되며, 이 과정에서 파면 왜곡이 보정된다.
구체적으로, 빔 분할기(1)는 대부분의 입사 레이저 빔(B)의 방향을 파면보정부(60) 측으로 반사시키되, 일부는 투과시켜 파면측정부(10)로 전달한다. 파면측정부(10)가 입사 레이저 빔(B)의 파면 점 영상을 측정하고 측정된 파면 점 영상으로부터 파면 왜곡 정보를 추출하며, 제어부(40)가 파면측정부(10)에서 추출된 파면 왜곡 정보를 전달받아 파면보정부(60)에 인가할 보정 전압 배열을 계산한다. 또한, 파면보정부(60)는 변형거울(62)과 변형거울(62)을 구동하는 변형거울 드라이버(61)로 구성되어, 변형거울 드라이버(61)가 제어부(40)에서 계산된 보정 전압 배열 정보를 전달받아 변형거울(62)의 각 구동축에 인가한다. 이때, 변형거울(62)은 각 구동축에 인가되는 보정 전압 배열에 따라 형상이 변화된다. 따라서 빔 분할기(1)에서 반사되어 변형거울(62)로 입사되는 입사 레이저 빔(B)은 변형거울(62)에서 반사되는 과정에서 파면 왜곡이 보정되고 마지막으로 거울(2)에 반사됨으로써, 파면 왜곡이 보정된 레이저 빔이 생성되는 것이다.
이때, 변형거울(62)의 경면은 알루미늄 등으로 코팅처리 되어 코팅면이 거울과 같은 역할을 수행할 수 있다. 경면은 수백 마이크로미터 정도의 얇은 막일 수 있으며, 바람직하게는 실리콘질화물(siliconnitride) 등과 같은 고탄성을 지닌 박막일 수 있다. 따라서 변형거울 드라이버(61)가 변형거울(62)의 구동축에 보정 전압 배열을 인가하면 변형거울(62)의 형태가 변형되게 된다.
한편, 파면측정부(10)는 배열렌즈(11) 및 파면센서(12)로 이루어지며, 배열렌즈(11)는 입사 레이저 빔(B)을 각 하부 개구(sub-aperture) 별로 분할하여 집속하며, 파면센서(12)는 배열렌즈(11) 뒷 단에 구비되어 각 하부 개구 별로 분할된 입사 레이저 빔(B)의 광 신호를 전기적 신호로 변환하여 파면 점 영상을 생성하는 2차원 영상센서를 포함하며, 측정된 파면 점 영상에서 각 하부 개구 별로 파면 왜곡 정보를 추출한다. 이때, 파면센서(12)로 샥-하트만(Shack-Hartmann) 파면측정 센서를 사용하여 각 하부 개구 별로 파면 왜곡 정보인 파면 기울기 정보 S(x,y)를 획득할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 파면측정부(10)와 파면보정부(60)의 배치 관계를 나타낸 일 예로, 구체적으로 파면측정부(10)의 파면센서(12)와 파면보정부(60)의 변형거울(62) 구동축이 배치된 위치를 나타낸 것이다.
이때, 1 ~ 69까지의 정수 번호는 변형거울(62)의 뒷면에 부착되어 있는 각 구동축의 번호를 나타내고, 점선으로 나타낸 원 내부의‘+’기호는 파면 왜곡이 없을 때 파면센서(12)에서 각 하부 개구 별로 파면 점 영상이 맺히는 위치를 도시한 것이다. 도면상의 Wx 는 파면센서(12)에서 각 위치에 대한 X축 방향의 위치 값을 나타내고, Wy는 Y축 방향의 위치 값을 나타내며, Dx는 변형거울(62)의 각 구동축에 대한 X축 방향의 위치 값을 나타내고, Dy는 Y축 방향의 위치 값을 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 파면측정부(10)에서 측정된 파면 점 영상의 일 예이며, 도 4은 도 1에 도시된 파면측정부(10)의 각 하부 개구에서 측정하는 파면 기울기를 나타낸 일 예이고, 도 5는 파면정보 추출이 어려운 정도의 파면 점 영상의 일 예를 나타낸다.
도 3에 도시된 것처럼, 파면센서(12)의 탐색 영역인 하부 개구 영역에서 중앙에 사각형 점선으로 구분된 영역은 파면 왜곡이 거의 없는 9개의 점 영상을 표시한 것이며, 상측 타원형 점선으로 구분된 영역은 심한 파면왜곡이 발생한 영역이고, 좌측 원형 점선은 파면 정보가 전혀 없는 영역을 나타낸다.
파면측정부(10)의 파면센서(12)가 도 3의 파면 점 영상에서 각 하부 개구 별로 파면 왜곡 정보를 추출하는 과정을 도 4를 참고하여 설명하면, 하나의 하부 개구의 파면 점 영상의 중심으로부터의 이동 값을 추출하여 파면 기울기 정보를 추출하는 것이다. 다시 말해, 중심을 기준으로 하여 파면 왜곡으로 인해 이동되는 점 영상의 상대적인 변이가 파면 왜곡 정보 즉, 파면 기울기 정보를 의미한다.
예를 들어, 파면왜곡이 없을 때는 큰’+’가 있는 중심부에 점 영상이 있으며 파면왜곡이 발생하면 점 영상은 작은 ‘+’위치로 이동하게 된다. 이때 파면 왜곡 정보 추출부는 이 점 영상의 X축 방향의 이동량 Sx와 Y축 방향의 이동량 Sy를 측정하여 해당 하부 개구에서의 파면 기울기 정보를 획득한다. 이와 같이 파면측정부(10)는 모든 하부 개구에서의 파면 기울기 정보를 추출하여 전체 레이저 빔의 파면 기울기 정보를 획득한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치는 능동적 파면정보 추출부(20) 및 능동적 보정모드 선택부(30)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
능동적 파면정보 추출부(20)는 파면측정부(10)에서 측정한 파면 점 영상에서 파면 정보가 없는 무정보 영역이 존재하는지 판별하는 무정보 판별기(21) 및 무정보 영역이 있을 경우 보간법을 이용하여 무정보 영역을 보간함으로써 파면 왜곡 정보를 업데이트하는 무정보 영역 보간기(22)를 포함하여 구성될 수 있으며, 능동적 보정모드 선택부(30)는 무정보 영역의 존재 여부에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치의 레이저 빔 보정 방법을 선택한다.
구체적으로, 능동적 파면정보 추출부(20)는 무정보 판별기(21)에서 무정보 영역이 존재하지 않는 것으로 판별되면 곧바로 파면측정부(10)에서 전송받은 파면 왜곡 정보를 능동적 보정모드 선택부(30)로 전송한다. 그러나, 무정보 영역이 존재한다면, 상술한 바와 같이 무정보 영역 보간기(22)를 통해 무정보 영역을 보간을 실시한다.
이때, 무정보 판별기(21)는 각 하부 개구의 파면 점 영상이 너무 약해서 점 영상이 배경 잡음과 구분이 되지 않는 경우, 정보가 없는 무정보 영역으로 판별한다. 예를 들어 하나의 하부 개구 내 모든 픽셀 강도의 평균값이 사용자가 미리 설정한 일정 경계 값 이하이면 무정보 영역으로 판단할 수 있다. 또한 무정보 판별기(21)는 도 5에 도시된 바와 같이 하나의 하부 개구 내의 점 영상이 지나치게 찌그러지면 무정보 영역으로 판단할 수 있다. 구체적으로, 도 5의 실선‘+’부분과 같이 X축과 Y축 방향으로의 폭의 비율이 일정 비율 이상이거나, 45도 각도의 점선 ‘+’ 방향으로의 폭의 비율이 일정 비율 이상이면 유효한 파면 정보를 얻을 수 없는 왜곡된 점 영상으로 판단하여 무정보 영역으로 판단하는 것이다. 일 예로, 그 비율이 3.0이상이면 무정보 영역으로 판단할 수 있다. 이때, 비교를 위한 ‘+’ 중심부는 하부 개구 내에서 픽셀 강도가 가장 큰 위치로 선택한다.
또한, 무정보 영역 보간기(22)에 적용되는 보간 방법은 이웃 영역의 평균값을 사용하여 보간하는 방법이나, 선형 피팅 혹은 비선형 피팅을 통한 보간 방법일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이웃 영역의 평균값을 사용한 보간 방법을 예로 들면, 상하좌우 4개의 영역에 파면 기울기 정보가 존재하면 4개의 정보를 모두 더하고 4로 나누어 값을 구하고, 1개의 파면 정보만 있다면 그 값을 그대로 복사해서 채워 넣는다. 즉, 파면측정부(10)에서 전송받은 파면 기울기 정보에서 (i,j) 위치에 정보가 없으면 파면 기울기 정보 Sx(i,j)와 Sy(i,j)는 이웃한 정보들부터 보간하여 생성함으로써, 파면 왜곡 정보를 업데이트하는 것이다. 이를 하기의 수식으로 나타내었다.
Figure 112015015911355-pat00001
여기서, Nx값은 더해진
Figure 112015015911355-pat00002
의 총 수를 의미하고, Ny값은 더해진
Figure 112015015911355-pat00003
의 총 수를 의미하며,
Figure 112015015911355-pat00004
값이나
Figure 112015015911355-pat00005
값들 중에서 값이 존재하지 않는 경우 계산에 넣지 않는다.
또, 상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 능동적 보정모드 선택부(30)는 보정모드 선택기(31)를 포함하여 이루어져, 능동적 파면정보 추출부(20)에서 무정보 영역이 존재한다고 판별했을 경우 제어모드(보정 방법)를 조날(Zonal) 제어모드로 변환하여 제어부(40)가 조날 제어모드에서 파면보정부(60)에 인가할 보정 전압 배열을 계산하도록 한다. 반대로, 무정보 영역이 존재하지 않으면, 제어부(40)가 기존에 사용자가 선택한 제어모드에서 파면 보정을 수행하도록 한다. 예를 들어, 평상 시 사용자가 조날 제어모드를 선택해 놓았다면 조날 제어모드에서, 모달(Modal) 제어모드로 선택해 놓았다면 모달 제어모드로 파면 보정을 수행하며, 능동적 무정보 영역이 발생하면 조날 제어모드에서 파면 보정을 수행한다.
조날 제어모드는 변형거울(62)의 각 구동축이 국소 영역을 담당하여 제어하므로 무정보 영역 발생으로 측정에 큰 오차가 발생하더라도 보정 과정에서 에러가 커지는 것을 줄일 수 있는 장점이 있기 때문에, 조날 제어모드는 무정보 영역이 발생하면 모달 제어모드보다 우수한 성능을 제공한다. 조날 제어모드 및 모달 제어모드에 대한 상세한 설명은 후술한다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치는 능동적 파면정보 추출부(20)와 능동적 보정모드 선택부(30)가 더 포함되어 구성됨으로써, 측정과정에서 특별한 경우에 발생할 수 있는 파면 정보가 없는 영역을 신속히 검출하여 효과적으로 대처할 수 있으므로 파면측정 과정에서 파면정보가 없는 경우 발생할 수 있는 시스템 성능 저하를 막을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 제어부(40)는 컴퓨터 장치로, 주변 장치 제어와 신호처리를 담당한다. 왜곡된 파면을 보정하기 위해서는 파면측정부(10)와 파면보정부(60)의 상관관계를 구해 보정 전압을 계산하는 과정이 필요하며, 제어부(40)가 이러한 역할을 담당한다. 즉, 능동적 보정모드 선택부(30)에서 전달받은 파면 왜곡 정보(파면 기울기 정보) S(x,y)를 이용하여 조날 제어모드 또는 모달 제어모드에서 보정 전압 배열을 계산한다. 하기의 수학식 2는 조날 제어모드에서 보정 전압 배열을 산출하는 계산식이며, 수학식 3은 모달 제어모드에서의 계산식이다.
Figure 112015015911355-pat00006
Figure 112015015911355-pat00007
여기서 [V]는 파면 왜곡을 보정하기 위하여 제어부(40)에서 계산된 변형거울(62)의 각 구동축에 인가할 전압 값을 모은 행렬, 즉 보정 전압 배열을 의미하며, [S]는 파면측정부(10)에서 각 하부 개구 별로 측정한 파면 기울기 정보를 모은 행렬을 의미한다. 그리고 M+는 변형거울(62) 각 구동축의 영향 값을 모아놓은 영향함수 M의 유사 역행열 행렬(matrix)을 의미하며, 이때, 영향함수는 각 구동축에 단위전압을 인가했을 때 나타나는 경면의 형태를 의미한다. 보정된 파면은 각 영향함수들의 선형조합으로 이루어지기 때문에 영향함수는 변형거울(62)이 파면 오차를 얼마나 잘 보정할지를 결정하는 척도가 된다. 영향함수는 구동축의 배치, 경면과 구동축의 상대적인 강성, 접촉부의 설계 등에 따라서 달라질 수 있다. 이러한 영향함수 M의 유사 역행렬 M+ 특이값 분해 방법에 기초하여 구할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 Z는 파면센서(12)가 현재 측정한 파면 왜곡에 대한 제르니케(Zernike) 계수 행렬이며, 행렬 [T]는 [T]=[M+][Zb]이다. 여기서 행렬 Zb는 기본 함수인 제르니케 계수 영상별로 추출한 계수별 제르니케 기울기를 모아놓은 제르니케 기본함수 행렬이다. 이때, 제르니케 다항식을 이용하는 방법은 통상의 기술자에게 자명한 것으로, 자세한 설명은 생략한다.
한편, 샥-하트만 파면센서(12) 앞 단의 배열렌즈(11) 하부 개구 수가 N개이고 변형거울(62)의 구동축이 K개인 경우의 변형거울(62)에 대한 영향함수 행렬 M은 하기와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015015911355-pat00008
여기서 행렬 M의
Figure 112015015911355-pat00009
는 i 번째 변형거울 구동축에 일정한 전압(단위전압)을 인가하였을 때, j번째 샥-하트만 파면센서(12) 배열렌즈(11) 점 영상의 X축 방향의 기울기 데이터를 의미하고,
Figure 112015015911355-pat00010
는 같은 조건의 Y축 방향의 기울기 데이터를 의미한다.
한편, 영향함수 행렬 M의 유사 역행렬 M+를 구하기 위해 특이값 분해를 이용할 경우, 행렬 M이 m × n 크기일 때 행렬 M은 m × m 크기의 유니터리(unitary) 행렬 U와 m × n 대각행렬인 고유값 행렬 S와 n × n 크기의 유니터리 행렬 UT로 분해된다. 이때 고유값 행렬 S의 대각 성분인 고유값을 제어하여 변형거울(62)의 각 구동축의 동작 크기를 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이 제어부(40)는 조날 제어모드 또는 모달 제어모드에서 보정 전압 값을 계산할 수 있으며, 이때, 조날 제어모드는 영역별로 나누어 변형거울(62)의 각 구동축 위치에 대응하는 신호를 발생하여 보정하는 방법이며, 모달 제어모드는 파면의 정보를 제르니케 다항식과 같은 일정한 기저함수들의 선형 합으로 표현한 뒤 각 모드에 해당하는 제어신호를 발생하여 전체 파면을 보정하는 방법이다.
즉, 조날 제어모드에서 파면은 국부적인 영향함수로 분해되고, 이 분해는 각 국부영역의 보정에 필요한 구동 신호에 대응되는 위상 기울기나 틸트(tilt)를 만든다. 반면, 모달 제어모드에서 파면은 다양한 모드로 분해되며, 제르니케 다항식은 원형개구의 수차모드를 나타낸다.
따라서 대기에 의해 발생된 왜곡과 같이 보정해야 할 모드의 수가 많은 경우 조날 제어모드가 유용하며, 레이저 빔이나 광학렌즈와 같이 저차 수차왜곡이 큰 경우에는 보정해야 할 모드의 수가 적으므로 국부적으로 약간의 불규칙성을 갖기 쉬운 조날 제어모드보다 전체 개구와 관계된 모달 제어모드가 유리하다.
정리하자면, 제어부(40)는 영향함수 행렬 M의 유사 역행렬 M+과 파면측정부(10)에서 측정한 파면 왜곡 정보를 이용함으로써 파면보정부(60)에 인가할 보정 전압 배열 [V]을 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 품질 향상 장치는 능동적 보정전압 계산부(50)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 능동적 보정전압 계산부(50)는 제어부(40)에서 계산한 보정 전압 배열에 포화 전압이 존재할 경우 파면보정부(60)에 인가할 전압을 재계산하여 2차 보정 전압 배열을 생성하는 것으로, 포화전압 판별기(51), 고유값 제어기(52) 및 보정전압 재계산기(53)로 구성된다.
포화전압 판별기(51)는 제어부(40)에서 계산된 보정 전압 배열에서 포화 전압이 존재하는지 여부를 판별하는 역할을 담당하는 것으로, 변형거울(62)의 각 구동축에 인가될 전압이 한계치를 초과하는 포화 전압이 있으면 이후 보정 전압을 재계산하지만 포화전압이 없다면 제어부(40)에서 계산된 보정 전압 배열은 파면보정부(60)의 변형거울 드라이버(61)로 전달된다.
만약 포화 전압이 존재한다면, 고유값 제어기(52)는 해당 위치의 구동축에 대한 고유값을 0이나 0에 가까운 작은 값(전체 고유값 평균의 10% 이하)으로 설정한다. 이후 보정전압 재계산기(53)는 상술한 제어부(40)의 동작과 같이 조날 제어모드일 경우 상기 수학식 2를 이용하고, 모달 제어모드일 경우 상기 수학식 3을 이용하여 새로운 보정 전압을 계산한다. 보정전압 재계산기(53)에서 계산된 각 구동축 전압 값인 2차 보정 전압 배열은 변형거울 드라이버(61)로 전송되어 변형거울(62)에 인가된다.
따라서 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치에 능동적 보정전압 계산부(50)를 더 포함함으로써, 파면 보정 과정에서 변형거울(62)의 특정 구동축에 인가되는 전압이 포화됨으로써 발생할 수 있는 보정 에러를 미리 검출하여 효과적으로 대처 가능하므로 파면 보정 과정에서 구동축 전압 포화로 발생할 수 있는 시스템 성능 저하를 완화할 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치는 사전 검사부(70)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 사전 검사부(70)는 입사 레이저 빔(B)의 파면 왜곡을 보정하기 전, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질향상 장치의 성능을 파악하는 장치로, 파면 보정 시작단계에서 발생하는 성능저하를 막기 위해 구비된다. 일반적으로 레이저 빔 품질 향상 장치는 도 2에 도시된 것처럼, 파면측정부(10)와 파면보정부(60)가 정렬된 상태에서 운영이 된다. 파면측정부(10)와 파면보정부(60) 사이에 정렬이 잘 된 경우에 각 구동축으로 매핑한 고유전압의 형태는 도 6과 같이 X축과 Y축 방향으로 균형이 잘 이루어져 있다. 하지만 시간이 지남에 따라 부품 정렬에 미세한 틀어짐이 발생할 수 있다. 이 경우, 장치의 파면 보정 능력은 떨어진 상태이지만 사용자는 이를 인지하지 못하고 그대로 보정을 시작할 수 있다. 일반적으로 사용자는 보정 성능이 떨어졌을 경우에 새로운 영향함수를 구하여 성능 개선을 추구하지만, 이 경우에는 현재 조건에서는 최적의 성능을 낼 수 있더라도, 미세 정렬이 틀어짐으로 인해 발생하는 근본적인 성능개선은 이루어지지 않게 된다.
사전 검사부(70)는 사전 정렬 검사기(71)를 포함하여 구성될 수 있으며, 사전 정렬 검사기(71)는 파면측정부(10)와 파면보정부(60)의 틀어짐 정보를 제공한다. 즉, 현재 영향함수의 고유값 정보를 구동축에 매핑하여 보여주고 그 무게 중심 이동량을 알려줌으로써 정렬 틀어짐 정보를 제공하는 것으로, 사용자는 이 정보를 이용하여 파면센서(12)와 변형거울(62) 간의 틀어진 정도를 알 수 있고, 만약 틀어짐이 크다면 XY위치 이동기(63)를 이용하여 변형거울(62)을 이동시켜 틀어짐을 고칠 수 있다. 그러므로, 파면보정부(60)는 재정렬용으로 변형거울(62)을 이동시키는 XY 위치 이동기(63)를 더 포함하게 된다. 도 7은 변형거울(62)의 구동축을 X축 방향으로 약 200㎛ 정도 이동한 경우의 고유값 행렬을 나타낸 것으로, X축 방향으로 균형이 크게 틀어져 있음을 알 수 있다.
더욱 상세하게는, 사전 정렬 검사기(71)는 하기의 수학식 5를 이용하여 X축 방향과 Y축 방향으로의 틀어짐 정보 Tx와 Ty를 제공한다.
Figure 112015015911355-pat00011
여기서 V(x,y)는 변형거울(62)의 각 구동축으로 매핑된 (x,y)위치에서의 고유값이고, Dx와 Dy는 도 2에 도시한 바와 같이 각 구동축의 X축 방향과 Y축 방향에서의 위치값이다.
예를 들어 도 6과 도 7에서 구한 X축 방향으로의 무게 중심 값은 0.08과 0.59이다. 이와 같이 사용자는 사전 정렬 검사기(71)가 알려주는 틀어짐 정보를 활용하여 틀어짐을 방지함으로써 시스템의 성능 저하를 사전에 막을 수 있다.
또한, 사전 검사부(70)는 사전 정렬 검사기(71)뿐만 아니라, 변형거울(62) 각 구동축의 포화 민감도를 제공하는 국소포화 감시기(72)를 더 포함할 수 있다. 국소포화 감시기(72)는 각 구동축에 해당하는 역영향함수의 실효(RMS: root-mean-square)값과 전체의 평균값을 이용하여 전압포화 민감도 정보를 제공한다. 사용자는 이 포화 민감도 값을 보고, 특정 구동축에 지나치게 많은 전압이 바이어스 되었는지 파악하고, 이를 방지하도록 장치의 정렬을 조절할 수 있다.
일 예로, 틀어짐이 거의 없이 잘 정렬된 초기 장치에서의 국소포화 감시기(72)에서 제공하는 데이터는 도 8과 같고, 도 7과 같이 200㎛ 틀어진 환경에서의 데이터는 도 9와 같다. 도 8에서 A 데이터는 전체의 평균데이터이다.
정렬이 잘 된 도 8에서는 평균치에 비하여 값들이 크게 차이 나지 않지만, 정렬이 틀어진 도 9에서는 평균치에 비하여 3배 이상으로 민감하게 바이어스된 값들이 보인다. 이러한 값을 가지는 변형거울의 구동축은 쉽게 전압값이 포화될 수 있으므로 시스템을 재정렬하여 시스템의 안정도를 높여야 한다. 즉, 특정 구동축의 전압이 한계치 이상으로 포화되어 성능이 저하되는 것을 방지함으로써 장치의 성능을 개선할 수 있다.
도 10은 바람 속도가 약 50cm/s에 해당하는 회전하는 위상판을 사용하여 파면왜곡을 발생시키고, 폐루프 레이저 빔 품질 향상 장치로 보정하였을 경우의 스테렐 비를 나타낸다. 여기서 A는 잘 정렬된 상태이고, B는 X축 방향으로 변형거울(62)이 약 100㎛ 이동하여 틀어진 상태이고, C는 200㎛ 틀어진 상태이다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 빔 품질 향상 장치에 사전 검사부(70)를 추가하여 저성능 상태로 장치를 운영할 수 있는 오류를 방지할 수 있다. 즉, 사전검사부(70)의 사전 정렬 검사기(71)는 변형거울(62)과 파면센서(12)의 틀어짐 정보를 제공하여 사용자는 사전에 틀어짐으로 인해 발생할 수 있는 보정성능 저하 정보를 인식하여 틀어짐을 보정함으로써 보정 성능을 향상시킬 수 있으며, 국소포화 감시기(72)는 변형거울(62) 각 구동축의 민감도의 바이어스 정보를 제공함으로써 어느 특정 구동축의 전압이 쉽게 포화될 가능성이 높은 지에 대한 정보를 제공한다. 그러므로 사용자는 사전에 이를 인지하고, 다이나믹 보정 범위(dynamic correction range)가 넓도록 변형거울(62)에 부착된 XY 위치 이동기(63)를 이용하여 시스템 정렬을 수정함으로써 보정성능이 높은 상태에서 보정을 시작하도록 할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
B : 입사 레이저 빔
10 : 파면측정부 11 : 배열렌즈
12 : 파면센서
20 : 능동적 파면정보 추출부 21 : 무정보 판별기
22 : 무정보 영역 보간기
30 : 능동적 보정모드 선택부 31 : 보정모드 선택기
40 : 제어부
50 : 능동적 보정전압 계산부 51 : 포화전압 판별기
52 : 고유값 제어기 53 : 보정전압 재계산기
60 : 파면보정부 61 : 변형거울 드라이버
62 : 변형거울 63 : XY 위치 이동기
70 : 사전 검사부 71 : 사전 정렬 검사기
72 : 국소포화 감시기

Claims (8)

  1. 입사 레이저 빔의 품질을 향상시키기 위한 장치에 있어서,
    상기 입사 레이저 빔의 파면 점 영상을 측정하고 측정된 상기 파면 점 영상으로부터 파면 왜곡 정보를 추출하는 파면측정부;
    상기 파면측정부에서 측정한 상기 파면 점 영상에서 파면 정보가 없는 무정보 영역이 존재하는지 판별하는 무정보 판별기, 및 무정보 영역이 있을 경우 보간법을 이용하여 상기 무정보 영역을 보간함으로써 상기 파면 왜곡 정보를 업데이트하는 무정보 영역 보간기를 포함하여 이루어지는 능동적 파면정보 추출부;
    상기 무정보 판별기로부터 상기 무정보 영역의 존재 여부를 수신하여 무정보 영역이 존재하면 조날 제어모드로 제어모드를 설정하고, 무정보 영역이 존재하지 않으면 기설정된 제어모드를 유지하는 방식으로 보정 방법을 선택하는 능동적 보정모드 선택부;
    상기 능동적 보정모드 선택부로부터 전달된 파면 왜곡 정보를 바탕으로 파면보정부에 인가할 보정 전압 배열을 계산하는 제어부; 및
    각 구동축에 인가되는 상기 보정 전압 배열에 따라 형상이 변화되는 변형거울, 및 상기 제어부에서 계산된 상기 보정 전압 배열을 상기 구동축에 인가하여 상기 변형거울을 구동하는 변형거울 드라이버,로 구성되어, 상기 입사 레이저 빔의 파면 왜곡을 보정하는 파면보정부;
    를 포함하여 이루어지는 레이저 빔 품질 향상 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부에서 계산한 상기 보정 전압 배열에 포화 전압이 존재할 경우 상기 파면보정부에 인가할 전압을 재계산하여 2차 보정 전압 배열을 생성하는 능동적 보정전압 계산부;
    를 더 포함하여 이루어지는 레이저 빔 품질 향상 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 능동적 보정전압 계산부는,
    상기 제어부에서 계산된 상기 보정 전압 배열에서 포화 전압이 존재하는지 여부를 판별하는 포화 전압 판별기,
    포화 전압이 존재할 경우 해당 위치의 상기 구동축에 대한 고유값을 0 또는 전체 고유값 평균의 10% 이하인 값으로 설정하는 고유값 제어기, 및
    포화 전압이 존재할 경우 상기 보정 전압 배열을 재계산하여 상기 2차 보정 전압 배열을 생성하고 상기 파면보정부로 전달하는 보정전압 재계산기,
    를 포함하여 이루어지는 레이저 빔 품질 향상 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 입사 레이저 빔의 파면 왜곡을 보정하기 전에 상기 레이저 빔 품질 향상 장치의 성능을 파악하는 사전 검사부;
    를 포함하여 이루어지는 레이저 빔 품질 향상 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 사전 검사부는,
    상기 파면측정부와 상기 파면보정부의 정렬 틀어짐 정보를 제공하는 사전 정렬 검사기를 포함하며,
    상기 사전 정렬 검사기는 상기 변형거울 구동축의 고유값들의 무게중심 이동량을 이용하여 정렬 틀어짐 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 품질 향상 장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 사전 검사부는,
    상기 변형거울 각 구동축의 포화 민감도를 제공하는 국소포화 감시기를 포함하며,
    상기 국소포화 감시기는 역영향함수에서 상기 각 구동축의 실효치 값을 이용하여 상기 각 구동축의 전압값 포화 민감도 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 품질 향상 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 파면측정부는,
    상기 입사 레이저 빔을 각 하부 개구(sub-aperture) 별로 분할하여 집속하는 배열렌즈, 및
    각 하부 개구 별로 분할된 상기 입사 레이저 빔의 광 신호를 전기적 신호로 변환하여 상기 파면 점 영상을 생성하는 2차원 영상센서를 포함하여 상기 파면 점 영상에서 각 하부 개구 별로 파면 왜곡 정보를 추출하는 파면센서,
    로 이루어지는 레이저 빔 품질 향상 장치.
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