KR101686977B1 - 가간섭성 방사선을 균질화하는 장치 - Google Patents

가간섭성 방사선을 균질화하는 장치 Download PDF

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Abstract

광선(20)을 균질화하는 장치(300; 400)가 제공된다. 상기 장치(300; 400)는 주기적 렌즈 장치(10)와 집광기(12)를 포함한다. 상기 렌즈 장치(10)는 광선(20)의 입사 방향(18)과 실질적으로 직교하는 적어도 하나의 평면 내에 배치되어 있는 복수의 렌즈들(16)을 포함한다. 상기 주기적 렌즈 장치(10)는 복수의 광속들(20a, 20b, 20c) 하나하나가 입사되는 복수의 섹션들(10a, 10b, 10c)을 포함한다. 집광기(12)는 주기적 렌즈 장치(10)를 나온 광선을 조명 시야(14)에 결상하도록 배치된다. 집광기(12)는 복수의 광속들(20a, 20b, 20c)이 조명 시야(14) 상에서 측 방향 오프셋(V)되어 결상되도록 추가로 배치된다. 상기 측 방향 오프셋(V)의 크기는 주기적 렌즈 장치(10)에서 복수의 광속들(20a, 20b, 20c)의 회절에 의한 상호간의 강도 변조(30a, 30b, 30c)를 실질적으로 보상하도록 정해진다.

Description

가간섭성 방사선을 균질화하는 장치{APPARATUS FOR HOMOGENIZING COHERENT RADIATION}
본 발명은 가간섭성 광, 특히 레이저 방사선을 균질화하는 광학 장치에 관한 것이다.
본 명세서에서 "광"(light)이란 용어는 전자기 방사선 즉, 특히 전자기 스펙트럼의 비가시성 파장을 포함하는 총체적인 용어로 이해되어야 한다. 특히, 본 발명은 주파수-배가 고체 레이저(frequency-doubled solid-state laser)를 사용하여 발생될 수 있는 것과 같은 방사선에 관한 것이다. 광학 분야의 당업자에게는 주지되어 있는 바와 같이, 시간적으로나 공간적으로 방사선의 분포는 진폭
Figure 112010021347349-pat00001
와 상
Figure 112010021347349-pat00002
을 사용하여 복소값(여기서는 광의 편파 상태는 고려하지 않음)을 갖는 진폭
Figure 112010021347349-pat00003
로 기술될 수 있다. "가간섭성 광"(coherent light)은 응용분야에 의해 결정되는 공간상 또는 시간상의 상
Figure 112010021347349-pat00004
의 상관관계로 특징 지워진다.
레이저에서 방출된 방사선은 가간섭성 광을 사용하는 경우가 중요하다. 응용 분야에 따라, 방사선의 단면 영역과 관련된 단색성 또는 고출력도 중요한 방사선 특성이 된다. 출력은 진폭의 절대값의 제곱
Figure 112010021347349-pat00005
에 비례하며, 시간적 평균값으로 방사선 강도가 호칭된다. 응용 분야는 일례로 실리콘 박막의 결정화를 포함한다. 본 발명은 특히 이러한 응용 분야에 관한 것이다. 이를 위해, 일정한 보어 깊이, 직경, 에지 또는 플랜지 품질을 얻기 위해서는, 방사선 단면에서 강도 분포가 일정하여야 한다. 또한, 일례로 마스크 프로젝션 공법도 균일한 강도 분포를 필요로 한다.
레이저 방사선의 강도 분포가 균일하지 않은 경우도 종종 있는데, 이러한 비균일 강도 분포를 "비균질 프로파일"(inhomogeneous profile)이라 부른다. 이는 여러 레이저 발생원에 해당된다. 따라서, 일례로 여러 종류의 레이저에서 방출되는 방사선은 제1 축을 따르는 방향으로 소위 가우시안 프로파일을 갖지만, 상기 방향과 직교하는 강도 분포는 대략 사다리꼴이다. 또한, 방사선의 진행은 방사선의 강도 분포에 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 예를 들어 형상-불변 방식으로 자유 공간내로 전파될 때에, 가우시안 프로파일이 넓어진다.
"균질화"(homogenizing)란 용어는 실질적으로 균일한 강도 분포를 갖는 방사선을 얻기 위해, 강도 분포가 균일하지 않은 방사선을 광학적으로 결상하는 것을 의미한다. 독일 특허 DE 42 20 705 C2호는 그러한 광학 결상의 기본 구성을 기재하고 있는데, 본 발명은 상기 특허로부터 나온 것이다. 상기 특허 문헌에는 입사 측에 "렌즈 어레이"가 배치되어 있는 장치가 기재되어 있다. 상기 렌즈 어레이는 입사 방사선의 진행 방향과 직교하게 배치되어 있는 평면 내에 배치되는 복수의 렌즈들이 주기적으로 배치되어 있는 장치이다. 출구 측에는, 상기 렌즈 어레이 뒤쪽의 광 경로 상에 적어도 하나의 집광렌즈가 배치되어 있다. 상기 렌즈 어레이의 각 렌즈로부터 2개의 부분 광선이 각각 방출된다. 상기 부분 광선의 총체는 중첩되어, 집광렌즈에 의해 결상된 방사선이 대체로 균질화, 즉 공간적으로 정합된다.
균질화하는 이러한 광학 장치의 개발은 독일 특허 DE 102 25 674 A1호 문헌에서도 발견된다. 상기 문헌에서 광 경로 상에 2개의 렌즈 어레이가 앞뒤로 배치되어 있으며, 맨 뒤의 렌즈 어레이는 2개의 서브-어레이로 구성되어 있다. 이에 의해 입사 측에 방사선 진행 방향과 직교하는 총 3개의 평면 내에 복수의 렌즈들로 구성된 주기적 장치가 형성된다.
그러나, 가간섭성 방사선 출력원을 사용할 때에, 렌즈 장치의 주기성으로 인해, 출사 측의 강도 분포에 간섭 패턴이 발생하며, 이 간섭 패턴은 균질성을 악화시킨다.
"프라운호퍼 아이오에프 야흐레스베리흐트 2007"(Fraunhofer IOF Jahresbericht 2007) 문헌의 46쪽 및 47쪽에는, 렌즈 장치의 주기성이 출사측 상에서 얻어지는 강도 분포의 균질성의 개선을 위한 쇄기형 장치에 의해 어떻게 해소될 수 있는 지에 대해 기재하고 있다. 그러나, 간섭에 의한 영향은 여전히 남아 있을 수 있고, 쇄기형 렌즈 장치로 인한 쇄기 방향을 따라 강도 분포가 변할 수도 있다. "포토닉 3/2006"(Photonik 3/2006) 문헌의 76 내지 79쪽에는 주기적 렌즈 장치에 의해 야기되는 간섭 패턴을 감소시키기 위해, 광 경로 상에 확산 디스크 또는 디퓨저 스크린을 사용하는 것을 기재하고 있다. 제조 공정에 따라, 디퓨저 스크린은 확률적(stochastic) 표면 구조를 가지는데, 이는 사전에 결정된 솔리드 앵글 내에서 입사광을 균일하게 산란시킨다. 디퓨저 스크린을 사용할 때의 약점은 부분적으로 고출력이 손실된다는 것이다.
독일 특허 DE 197 51 106 A1호는, 광축을 따라, 광원으로 복수의 방사선 발생원 세그먼트(레이저 다이오드)로 세분화된 레이저 다이오드 어레이; 상기 방사선 발생원 세그먼트에 대응하는 복수의 레이저 렌즈로 세분화된 레이저 렌즈 장치 요소; 광축, 제1 이미지 대물렌즈 및 제2 이미지 대물렌즈와 직교하는 평면 내에 세그먼트로 주기적으로 배치되어 있는 복수의 구면 렌즈를 구비하는 플라이-아이 적분기; 프린팅 렌즈; 변조기 및 미디어 평면 요소 그룹들을 포함하는 레이저 프린터를 기재하고 있다. 레이저 다이오드 어레이로부터 나온 광은 모든 방사선 발생원 세그먼트에 걸쳐 비간섭성이다. 상기 문헌은 그 자체로는 가간섭성이지만, 서로에 대해서는 쌍대 비간섭성(pair-wise incoherent)인 복수의 광속을 구비하는 광선의 균질화에 대해서는 언급하고 있지 않다. 상기 플라이-아이 적분기는 세그먼트로 주기적으로 배치되어 있는 복수의 구면 렌즈들 외에도 제1 및 제 2 이미지 대물렌즈들도 포함하고 있다. 따라서, 상기 문헌은 세그먼트로 주기적으로 배치되어 있는 하나의 렌즈 장치와 하나의 집광기만을 구비하는 장치를 개시하고 있지는 않다.
이하에서, 본 명세서에서 전술한 종래 기술은 공지된 것으로 간주한다. 도 1은 주기적 렌즈 장치(10)와 집광기(12)를 사용하여 레이저 방사선을 균질화하는 광학 장치의 기본 원리를 개략적으로 나타낸다. 도 1에서, 레이저 방사선이 도면의 좌측에서부터 주기적 렌즈 장치 상에 입사한다. 주기적 렌즈 장치 후방에서, 상기 렌즈 장치 내의 각 렌즈로부터 부분 광속들이 다른 출구 각으로 나오지만, 도 1에서는 명료함을 위해 단지 하나의 출구 각(α)만을 도시하였다. 출구 각에 따라, 이웃 부분 광속들 사이에는 광 경로 차(Δ)가 발생한다. 출구 각에 따라, 집광기는 각 부분 광속들을 결상 시야(imaging field)(14)에 결상한다. 결상 시야(14) 위에서 광속들이 간섭 또는 중첩한다. 간섭은 상쇄 간섭 패턴을 발생시켜 빔 프로파일의 균질성을 악화시킨다. 이러한 간섭 패턴의 기원은 격자에서의 회절과 유사한 것으로 광학 분야의 당업자들에게 알려져 있다.
본 발명은, 고출력이 손실되지 않으면서도 상쇄 간섭 패턴을 감소시키도록, 서두에 언급한 종류의 광학 장치를 추가로 개선하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은 청구항 1에 개시되어 있는 특징을 구비하는, 사전에 결정된 파장의 광선을 균질화하는 장치에 의해 달성된다. 이를 위해, 상기 장치는, 광선의 입사 방향에 실질적으로 직교하게 배치되어 있는 적어도 하나의 평면 내에 위치하는 복수의 렌즈들을 포함하는 주기적 렌즈 장치와, 주기적 렌즈 장치로부터 나온 광선이 집광기의 초점 거리에 상응하는 거리만큼 이격되어 배치되어 있는 조명 시야(illumination field) 내에 또는 위에 결상하도록 배치되어 있는 집광기를 포함한다. 상기 주기적 렌즈 장치는 사전에 결정된 파장을 갖는 복수의 광속(bundle of ray)들 하나하나가 입사되기 위한 복수의 섹션들을 포함하고, 주기적 렌즈 장치는 상기 섹션들 내에서 상기 렌즈들이 주기적으로 형성되어 있다. 상기 집광기는 복수의 광속들이 조명 시야 상에 측 방향으로 오프셋 또는 변위되어 결상되도록 배치되어 있다. 상기 오프셋의 크기는 주기적 렌즈 장치에서 복수의 광속들의 회절에 의한 강도 변조(intensity modulation)가 실질적으로 보상되도록 정해진다.
만약 상기 복수의 광속들 하나하나가 상기 하나하나의 섹션들 위에 입사한다면, 상기 장치는 상기 광속들을 광속들 서로에 대해 변위 또는 오프셋시켜 상기 조명 시야 상에 결상시킬 수 있다. 이로써, 개별 광속들이 균질화될 수 있으며, 또한 간섭 변조들의 "골"(valley)과 "피크"(peak)가 합해져서 실질적으로 보상되도록, 간섭 변조들이 오프셋(변위) 중첩될 수 있다. 복수의 광속들의 수량이 많을수록, 상기 장치는 광선을 더 균일하게 균질화할 수 있다.
상기 섹션의 경계 영역에서 출력이 손실되는 것을 줄이기 위해, 상기 주기적 렌즈 장치의 복수의 섹션들은 서로에 대해 측 방향으로 이격될 수 있다.
회절에 의한 강도 변조의 측 방향 주기가 P이고 복수의 광속 수량이 N인 경우, 최대한으로 균일한 총 강도를 얻기 위해서, 측 방향 오프셋은 P/N과 실질적으로 동일할 수 있다.
제1 실시형태에서, 집광기는 복수의 부분으로 세분된(sub-divided) 적어도 하나의 집광렌즈를 포함할 수 있으며, 상기 각 부분은 상기 복수의 광속들 하나하나를 오프셋시켜 결상하도록 배치될 수 있다.
오프셋을 결정하기 위해, 상기 세분된 집광렌즈의 상기 부분은 서로에 대해 공간상에서 측 방향으로 이격될 수 있고 및/또는 서로에 대해 기울어지거나 또는 경사질 수 있다. 상기 부분이 상기 입사 방향에 직교하는 평면을 벗어나게 함으로써 경사지게 할 수 있다.
제2 실시형태에서, 복수의 광속들 중 일부 광속의 광 경로 상에 하나의 평면-평행 또는 동일평면 플레이트가 배치될 수 있다.
상기 오프셋을 결정하기 위해, 동일평면 플레이트들이 서로에 대해 기울어지거나 또는 경사질 수 있다. 상기 동일평면 플레이트가 상기 입사 방향에 직교하는 평면을 벗어나게 함으로써 경사지게 할 수 있다.
복수의 광속들 사이의 간섭을 방지하기 위해, 상기 장치는 복수의 광원을 포함할 수 있다. 여기서, 각 광원은 상기 광속들 하나하나를 발생시키기에 적합하다. 그 자체로 가간섭성인 광속들을 발생시키기 위해, 레이저들 및/또는 레이저 다이오드들이 광원으로 사용될 수 있다. 특히, 복수의 엑시머 레이저들이 광원으로 사용될 수 있다.
복수의 광속들의 발생을 간단하게 하기 위해, 상기 장치는 광선을 수용하는 광 가이드 또는 광섬유를 추가로 포함할 수 있다. 여기서 광섬유 각각은 상기 복수의 광속들 중 하나를 분기(coupling out)시키는 분기 포인트를 포함한다. 상기 분기 포인트들 사이의 광 경로 길이가 광선의 가간섭성 길이보다 크다. 이에 따라, 서로에 대해 쌍대 비간섭성인 광속들이 가간섭성 광원들 중 하나 또는 일부 광원들로부터 발생될 수 있다.
집광기를 바람직하게 또는 유리하게 제조하기 위해, 집광기는 적어도 하나의 집광렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 측면은 광선을 균질화하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 복수의 광속들이 서로에 대해서는 비간섭성이지만, 그 각각은 가간섭성인 복수의 광속들을 발생시키는 단계와, 상기 복수의 광속들 하나하나의 광속이 상기 복수의 섹션들 하나하나에 해당(입사)되도록 하기 위해, 광선을 균질화하는 전술한 장치의 복수의 섹션들을 구비하는 렌즈 장치를 향해 상기 복수의 광속들을 지향시키는 단계를 포함한다.
비균질 빔 프로파일을 갖는 가간섭성 입사 광이 본 발명에 의한 장치를 사용하여 균질화될 수 있다. 즉, 비균질 빔 프로파일의 가간섭성 입사 광이 조명 시야 상에 일정한 측 방향 강도 분포로 결상되어서, 본 발명 실시형태들은 주기적 렌즈 장치에서의 회절 효과에 의해 간섭 변조들이 방해되는 것을 성공적으로 줄일 수가 있다.
이하에서, 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 가간섭성 광속을 균질화하는 렌즈 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 각각이 가간섭성인 복수의 광속들을 균질화하는, 도 1의 렌즈 시스템의 제1 개선 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 광선을 균질화하는 장치의 제1 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 광선을 균질화하는 장치의 제2 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 5는 3개의 레이저를 사용하는 경우, 이들 레이저들의 중첩 및 회절에 의한 강도 변조의 개략도이다.
도 6은 2개의 레이저를 사용하는 경우, 이들 레이저들의 중첩 및 회절에 의한 강도 변조의 개략도이다.
도 7은 제1 주기적 렌즈 장치를 사용할 때에 2개의 레이저를 사용하는 조명 시야의 개략도이다.
도 8은 제2 주기적 렌즈 장치를 사용할 때에 2개의 레이저를 사용하는 조명 시야의 개략도이다.
도 9는 하나의 레이저를 사용하여 3개의 광속을 발생시키는 광학 섬유 장치의 개략도로, 여기서 광속들은 서로에 대해 쌍대 가간섭성이다.
도 1은 종래 기술에 따른 렌즈 시스템을 나타내며, 렌즈 시스템은 일반적으로 도면부호 100으로 지시된다. 렌즈 시스템(100)은 입사 측의 주기적 렌즈 장치(10)와 렌즈 시스템의 출사 측의 집광기(12)를 포함한다. 집광기(12)는 주기적 렌즈 장치(10) 뒤쪽의 광로 상에 배치되어서, 주기적 렌즈 장치(10)로부터 나오는 평행 광속(bundle of ray)이 조명 시야(14) 내에 집속되도록 한다. 이를 위해, 집광기(12)와 조명 시야(14)는 집광기(12)의 초점거리(f)에 상당하는 거리만큼 이격 배치되어 있다.
주기적 렌즈 장치(10)는 복수의 집광렌즈(16)를 포함한다. 집광렌즈(16)는 도 1의 좌측으로부터 입사하며 파장이 λ인 가간섭성 광속(20)의 진행 방향(18)과 실질적으로 직교하는 평면 내에 배치되어 있다. 간단하게 할 목적으로, 도 1의 주기적 렌즈 장치(10)는 한 평면 내에 4개의 집광렌즈(16)만을 갖는 것으로 도시하였다. 대부분은 10개 내지 20개의 집광렌즈를 보유하지만, 각 평면당 100개의 렌즈를 보유하는 것도 드물지는 않으며, 그러한 평면들 복수 개가 앞뒤로 나란하게 배치되어 있는 주기적 렌즈 장치가 사용되기도 한다. 이 경우, 출구 각(α)은 진행 방향(18)에서 렌즈들의 최후(맨 뒤쪽) 평면의 뒤쪽으로 나가는 각도이다. 이에 따라, "주기적 렌즈 장치"(periodic lens arrangement)란 용어는 평면 배치뿐 아니라 일반적으로 공간상의 배치도 포함한다. 또한, 도면에 도시되어 있는 양면이 볼록한 집광렌즈(16) 대신에, 평면-볼록 집광렌즈가 주기적 렌즈 장치(10) 내에 사용될 수도 있다.
결국, 가간섭성 광선(coherent light radiation)은 입사(incident, incoming) 가간섭성 광속(20)에 의해 조명되는 집광렌즈(16)로부터 서로 다른 출구 각(α)으로 나오게 된다. 이해를 돕기 위해, 도 1에는 단일 출구 각(α)에 대응하는 일부 광속만을 도시하였다. 이하의 설명은 임의의 출구 각(α)에 대한 원리에도 유효하다.
조명된 각 집광렌즈(16)로부터 하나의 부분 광속(22)이 방사된다. 출구 각(α)에 따라, 이웃하는 부분 광속들(22, 24) 사이에는 광 경로 차가 생긴다. 광학계의 당업자라면 배치되어 있는 형상으로부터 광 경로 차(Δ)와 출구 각(α) 사이에는 다음의 관계가 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
Figure 112010021347349-pat00006
여기서, b는 집광렌즈(16)의 측면 폭을 나타낸다. 부분 광속들(22, 24)은 집광기(12)에 의해 조명 시야(14) 내의 초점(26)에서 중첩되는 수렴 부분 광속들(22', 24')로 상이 맺혀진다. 초점(26)의 위치(x)는 집광기(12)의 초점 거리(f)와 출구 각(α)에 의해 다음 식에 따라 주어진다.
Figure 112010021347349-pat00007
도 1에서, 집광기(12)는 초점 거리(f)를 갖는 집광렌즈(28)로 간단한 방식으로 감지된다. 집광기(12)는 또한 복수의 집광렌즈 시스템을 포함할 수 있다. 이 경우에, 초점 거리(f)는 상기 시스템의 총 초점 거리를 나타낸다.
광 경로 차(Δ)가 있는 부분 광속들(22', 24')의 중첩으로 인해, 초점(26)에 보강 간섭 또는 상쇄 간섭이 일어나게 된다. 광 경로 차(Δ)가 입사 가간섭성 광속(20)의 파장(λ)의 정수 배일 때에, 보강 간섭, 즉 강도의 증폭이 최대로 된다. 광 경로 차(Δ)가 파장(λ)의 반정수(정수배가 아닌)이면, 상쇄 간섭 즉 강도가 감쇠되어 강도(I)가 소멸된다. 출구 각(α)이 작은 경우, 사인함수와 탄젠트함수는 충분히 정밀한 범위에서 일치(소위 근축 근사)하므로, 식 (1)과 (2)에 따라 광 경로 차(Δ)는 다음 식에 따라 조명 시야(14) 상의 위치(x)에 따라 변하게 된다.
Figure 112010021347349-pat00008
보강 간섭과 상쇄 간섭이 교대로 일어남에 따라 강도 I(x)의 주기적 변조(30)가 일어난다.
이에 따라, 주기적 렌즈 장치(10)에서, 입사 가간섭성 광속(20)의 회절에 의한 강도 변조(30)가 일어난다. 강도 변조는 입사 광속(20)의 균질화를 방해한다.
도 2는 일반적으로 도면 부호 200으로 지시되는 렌즈 시스템을 도시한다. 상기 렌즈 시스템은 주기적 렌즈 장치(10), 집광기(12) 및 결상 시야(imaging field)(14)를 포함한다. 주기적 렌즈 장치(10)는 그 자체로는 가간섭성인 3개의 광속들(20a, 20b, 20c)이 분리되어 입사하는 3개의 섹션(10a, 10b, 10c)을 포함한다. 그 자체로는 가간섭성인 광속들(20a, 20b, 20c) 사이에는, 상당한 상 상관관계(phase correlation)가 없다. 이는 각 광속들(20a, 20b, 20c)은 서로에 대해서는 쌍대 비간섭성(pair-wise incoherent)이라는 것을 의미한다.
입사 광속들(20a, 20b, 20c)로 주기적 렌즈 장치(10)를 조명할 때에, 렌즈 시스템(100)에서와 같이, 주기적 렌즈 장치(10)의 각 렌즈(16)로부터 부분 광속들(22a, 22b, 22c)이 나온다. 각 광속들(22a, 22b, 22c)은 대응하는 광속들(20a, 20b, 20c)로부터 나오며, 특히 그들의 가간섭성 특성을 보유하고 있다. 집광기(12)는 광속(20a)의 모든 부분 광속(22a)을 수렴 광속(20'a)으로 결상하며, 수렴 광속(20'a)은 그 자체로는 가간섭성인 각 광속(20b, 20c)에 대응하는 다른 수렴 광속(22'b, 22'c)과 초점(26)에서 중첩된다. 그 자체로는 가간섭성인 각 광속(20a, 20b, 20c)은 상기 조명 시야(14)의 조명 강도 I(x)에 기여한다. 도 1의 렌즈 시스템(100)에서와 같이, 그 자체로는 가간섭성인 각 광속(20a, 20b, 20c)은 조명 시야(14) 내(위)에 결상할 때에, 주기적 강도 변조(30a. 30b, 30c)를 갖는 강도 분포(I(x))를 형성한다. 그 자체로는 가간섭성인 광속(20a, 20b, 20c)은 서로에 대해서는 쌍대 비간섭성이기 때문에, 초점(26)에서 수렴 광속들(20'a, 20'b, 20'c)의 중첩에 있어 더 이상 간섭되지 않으므로, 각 가간섭성 광속(20a, 20b, 20c)의 주기적 강도 변조(30a. 30b, 30c)는 주기적 총 강도(30)로 가산되는 방식으로 중첩한다.
따라서, 통상의 렌즈 시스템과 비교하여, 렌즈 시스템(200)에서, 서로에 대해 쌍대 비간섭성인 복수의 광속(20a, 20b, 20c)에 의해 조명될 때에, 주기적 강도 변조(30a. 30b, 30c)는 증폭되게 된다.
도 3은 장치(300)의 제1 실시형태를 나타낸다. 장치(300)는 주기적 렌즈 장치(10)에 의한 비균질 빔 프로파일을 갖는 복수의 입사 가간섭성 광속(20a, 20b, 20c)을 균질화하는 데에 적합하고, 동시에 회절에 의한 강도 변조(30a. 30b, 30c)를 줄이는 데에 적합하다. 이를 위해, 장치(300)는 광속들(20a, 20b, 20c)의 개수에 따라 세분되어 있으며, 서로에 대해 쌍대 비간섭성이고 (측)부분들(32a, 32b, 32c)을 구비하는 집광렌즈들(32)을 구비하는 집광기를 포함한다. 세분된 집광렌즈(32)의 각 부분들(32a, 32b, 32c)은 서로에 대해 측 방향으로 오프셋 또는 변위(V)만큼 이격되어 있는데, 그 변위는 조명 시야(14)에서 각 강도 변조들(30a. 30b, 30c) 사이의 오프셋 양에 대응한다. 오프셋(V)은 강도 변조(30a)의 "골"(valley)이 오프셋된(변위된) 강도 변조들(30b, 30c)에 의해 보상되도록 선택된다. 강도 변조들(30a. 30b, 30c)의 주기(P)는 일정하기 때문에, 전체 조명 시야(14)에 걸쳐 실질적으로 일정한 총 강도(36)가 얻어진다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 장치(300)의 실시형태는, 주기적 렌즈 장치(10)의 각 섹션들(10a, 10b, 10c)이 서로에 대해 측 방향 오프셋(V)에 실질적으로 대응하는 거리만큼 이격되는 방식으로, 추가로 개선될 수 있다. 이와 같이 (측 방향으로) 분할된 배치에 의해, 섹션들(10a, 10b, 10c) 또는 부분들(32a. 32b, 32c)의 경계 영역에서의 손실이 감소될 수 있다. 장치(200)의 추가 개선 예에서, 집광렌즈들(32)의 각 부분들(32a. 32b, 32c)은 입사 광속들(20a, 20b, 20c)의 진행 방향(18)과 직교하는 평면에 대해 회전하는 방향(38)으로 각각 경사 또는 틸팅될 수 있다. 각 강도 변조(30a. 30b, 30c)는 경사진 정도에 따라 오프셋(변위)(V')만큼 서로에 대해 각각 변위 또는 이동할 수 있다. 집광기(32)의 부분들(32a. 32b, 32c)의 경사에 부가하여 또는 이들 경사와는 선택적으로, 섹션들(10a, 10b, 10c) 또는 부분들(32a. 32b, 32c)은 서로에 대해 일정 거리만큼 이격될 수 있다.
도 4는 서로에 대해 쌍대 비간섭성인, 가간섭성 광속들(20a, 20b, 20c)의 비균질 빔 프로파일을 균질화하는 장치(400)의 제2 실시형태를 나타낸다. 상기 장치(300)의 경우에 대해 기재한 바와 같이, 균질화는 주기적 렌즈 장치(10)에 의해 이루어진다. 주기적 렌즈 장치(10)는 선택적으로 서로에 대해 일정 거리만큼 이격되어 있는 개별 섹션들(10a, 10b, 10c)을 포함할 수 있다. 외각 가간섭성 광속들(20'a, 20'c)의 광 경로에는, (적어도 사용되는 파장 영역에서는 투과성인) 동일 평면(coplanar) 또는 평면-평행(plane-parallel) 플레이트들(40a, 40b)이 배치되어 있다. 광학 분야의 당업자에게는 잘 알려져 있듯이, 동일평면 플레이트들(40a, 40b) 상에 광속들(20'a, 20'c)이 직각이 아닌 방향으로 입사하는 경우, 측 방향 오프셋(변위)(V)이 발생하는데, 이는 동일평면 플레이트들(40a, 40b)의 굴절률(n)이 주변 영역의 굴절률과 다르기 때문이다. 동일평면 플레이트들(40a, 40b)을 빠져나온 광속들(20"a, 20"c)은 측 방향 오프셋(V)만큼 광속들(20'a, 20'c)에 대해 시프트된다. 상기 동일평면 플레이트들(40a, 40b)을 각각 42a 및 42c 방향으로 회전시킴으로써, 오프셋(V)이 결정될 수 있다. 광속들(20a, 20b, 20c)은 서로에 대해 쌍대 비간섭성이므로, 이들의 강도 변조들(30a. 30b, 30c)은 부가되는 방식으로 중첩(간섭)된다. 오프셋(V)의 선택에 따라, 상기 장치(300)와 관련하여 설명한 바와 같이, 얻어지는 총 강도(36)는 실질적으로 일정 또는 균질하다. 이에 따라, 입사 광속들(20a, 20b, 20c)의 비균질 빔 프로파일이 주기적 렌즈 장치(10)에 의해 균질화될 뿐만 아니라, 주기적 렌즈 장치(10)에서의 회절에 의한 강도 변조들(30a. 30b, 30c)은 대부분 감소된다.
균질화하는 장치(300, 400)와 통상의 렌즈 시스템(100)은 대체로 푸리에 광학(Fourier optics) 물리 법칙을 따른다. 이하의 이중 상관성(duality relation)은 이에 속한다. 한편으로는, 렌즈 장치(렌즈 어레이)의 하나의 단일 렌즈보다 크기가 작은 구조의 입구측 상의 비균질 빔 프로파일의 부분 구조는 출구측 상의 조명 시야(14) 상에서 넓어져서(확장되어) 매끄러워진다. 간단히 표현하면, 입구 측의 소형 구조가 출구 측에서는 대형 구조로 된다. 다른 한편으로, 렌즈 장치(렌즈 어레이)의 주기적 구조는 간섭 변조된다. 여기서 간섭 변조의 주기는 출구 측의 조명 시야(14)의 주기보다 작다. 따라서 이를 간단하게 표현하면, 입구 측상의 큰 주기가 출구 측상에서는 작은 주기로 된다.
종래 기술에 따른 렌즈 장치(렌즈 어레이)에 의한 균질화는 전술한 제1 결상 효과를 이용한다. 이를 위해, 광선 광학적(비-푸리에 광학) 관점에서 출발하여도 충분하다. 그러나, 광선 광학적 관점은 불가피한 제2의 전술한 회절 효과를 간과한다. 본 발명은 이러한 회절 효과를 해소할 수 있다.
함수 메커니즘을 상세하게 고려하기 위해, 강도 변조들(30a. 30b, 30c)은 프라운호퍼 회절 적분에 의해 대략적으로 다음과 같이 표현된다.
Figure 112010021347349-pat00009
여기서, A10(y)은 주기적 렌즈 장치(10) 후방을 빠져나오는(주기적 렌즈 장치(10)의 뒤에서 나오는) 광선의 복소-값 진폭(complex-valued amplitude)이고,
Figure 112010021347349-pat00010
은 진폭 A10의 푸리에 변환 함수이다. 보다 정확하게는, A10(y)은 렌즈 장치 후방, 즉 렌즈 장치 뒤쪽의 초점 평면(미도시) 내의 광선의 복소-값 진폭을 나타낸다. 이에 따라, A14(x)는 조명 시야(14) 내의 광선의 복소-값 진폭을 나타낸다. 식 (4)의 적분은 주기적 렌즈 장치(10)의 섹션들(10a, 10b, 10c) 중 하나 하나에 대해, 도 3 및 도 4에 도시된 y-축을 따라 이루어진다.
주기적 렌즈 장치(10)의 후방 측의 복소-값 진폭 A10은 입사 가간섭성 광속들(20a, 20b, 20c)의 진폭 A20과 주기적 렌즈 장치(10)의 (광속에 의해 조명되는 섹션들(10a, 10b, 10c) 중의 어느 하나의) 이미징 함수 L(y)의 합성곱(convolution)으로 대략적으로 얻어진다.
Figure 112010021347349-pat00011
여기서 애스터리스크(*)는 함수들 간의 합성곱을 나타낸다. 일례로 가우시안 프로파일의 경우, 입사 가간섭성 광속들(20a, 20b, 20c) 각각의 측 방향 진폭 분포는 다음 형태를 띤다(일정 프리팩터는 제외).
Figure 112010021347349-pat00012
여기서, σ20은 가우시안 프로파일의 특성 폭을 나타낸다. 이미징 함수 L(y)는 대략적으로 하나의 단일 렌즈(16)에 대한 단일 이미징 함수 ℓ(y)와 주기적 렌즈 장치(10)(이에 따른 섹션들(10a, 10b, 10c)) 내의 렌즈들(16)의 주기적 장치에 대응하는 격자 함수 g(y)의 합성곱이다.
Figure 112010021347349-pat00013
이에 따라, 식 (5)와 식 (7)에 의하면, 복소-값 진폭 A10은 다음과 같다.
Figure 112010021347349-pat00014
점별 곱(pointwise product)(·)과 합성곱(*)은 서로 대체될 수 있기 때문에, 조명 시야(14)에서 얻어지는 복소-값 진폭 A14에 대한 결과는 다음과 같다.
Figure 112010021347349-pat00015
이에 따라, 입사 가간섭성 광속들(20a, 20b, 20c)의 식 (6)의 가우시안 프로파일 A20(y)은
Figure 112010021347349-pat00016
에 따라 확장된 가우시안 프로파일
Figure 112010021347349-pat00017
로 변환되고, 이로부터 푸리에 변환된 싱글 이미징 함수
Figure 112010021347349-pat00018
는 대략 직사각형 강도 프로파일을 만들어 낸다. 그러나, 식 (9)에 따르면, 격자 함수
Figure 112010021347349-pat00019
는 상기 직사각형 프로파일 상에 배수적(multiplicatively)으로 중첩된다. 격자 함수
Figure 112010021347349-pat00020
는 식 (7)의 주기적 격자 함수 g(y)의 푸리에 변환에 의해 얻을 수 있으며, 광학 분야의 당업자에게는 다음 식으로 주지되어 있다.
Figure 112010021347349-pat00021
식 (11)에, 장치(300, 400)(각각 장치(300, 400)의 방법의 사용)의 파라미터로, 집광기(12, 32)의 초점 거리(f), 입사 가간섭성 광속들(20a, 20b, 20c)의 파장(λ), 주기적 렌즈 장치(10)(섹션들(10a, 10b, 10c) 중 어느 하나)의 광속들(20a, 20b, 20c) 중 어느 하나에 의해 각각 조명되는 렌즈(16)의 개수(J) 및 렌즈 장치(10)의 격자 주기(b)가 있다.
서두에 언급한 바와 같이, 조명 스크린(14) 상의 광선의 강도 I(x)는 복소-값 진폭 A14의 절대값의 제곱에 비례한다.
Figure 112010021347349-pat00022
이러한 이유로, 그 자체로 가간섭성인 각 단일 광속들(20a, 20b, 20c)은 다음 식에 따라 조명 시야(14)의 조명에 대한 강도 변조들(30a. 30b, 30c)이 총 강도 I36이 되도록 한다.
Figure 112010021347349-pat00023
식 (12)에서, 강도 함수 Ik(x)의 지수 k는 일련번호 k=0, 1, 2를 사용하여 각 광속들(20a, 20b, 20c)을 나타낸다. 식 (12)에 의하면, 각 광속들(20a, 20b, 20c)은 서로에 대해 오프셋(V)만큼씩 측 방향으로, 즉 도 3 및 도 4에 도시한 x-방향으로 시프트한다. 간섭 변조들(30a, 30b, 30c)의 주기(P)도 식 (12)에 따라 결정된다. 오프셋(변위)(V)의 바람직한 선택은 다음과 같다.
Figure 112010021347349-pat00024
여기서, N은 그 자체로 가간섭성이며, 측 방향으로 변위되어 결상된 광속들(20a, 20b, 20c)의 수량이다. 각각 N=3, N=2에 대해 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 선택은 실 상황에서 (적어도 전술한 추정 및 가정 하에서) 총 강도(36) 분포가 실질적으로 균질화된다. 이에 대한 이유는 쌍대 비간섭성 광속들(20a, 20b, 20c)이 간섭에 의한 것이 아니고, 그들의 강도들 Ik(x)이 배가적으로 중첩하기 때문이다.
Figure 112010021347349-pat00025
경향으로 볼 때, 실 상황에서 상호 쌍대 비간섭성 광속들의 개수 N이 커질수록, 장치들(300, 400)은 조명 시야(14)를 보다 균일하게 조명한다.
전술한 논의들은 강도 변조들(30a, 30b, 30c)의 1차원 측 방향 구조(x 방향)에 관한 것이다. 이러한 경우는, 예를 들어, 주기적 렌즈 장치(10)의 각 렌즈들(16)이 원통형 렌즈이고, 이들 렌즈가 각각 도 3 및 도 4의 도면의 평면에 직교하게 배치되어 있는 경우에 해당된다. 이러한 측면에서, 도 7은 N=2인 광속들(20a, 20b)의 경우에 있어서 각각 강도 최대값들(42a, 42b)을 개략적으로 나타낸다. 이 실시형태에서, 오프셋(변위)(V)은 44 방향, 여기서는 x-방향으로 취해진다.
도 8은 N=2인 광속들(20a, 20b)에 대응하는 각각의 최대값(42a, 42b)을 갖는 강도 변조들(30a, 30b)의 2차원 구조를 나타낸다. 이 실시형태에서, 강도 변조들은 46 방향으로 오프셋(V) 양만큼 서로에 대해 시프트되어 있는 방식으로 배치되어 있다. 방향 벡터(46)는 광학 분야의 당업자에게 알려져 있는 역격자 벡터(reciprocal lattice vector)의 N번째 부분이다. 이에 따라, 당업자라면, 최종 역격자(42a, 42b)를 갖는 각 렌즈들(16)의 임의의 주기적 렌즈 장치(10)로 전술한 장치들을 일반화할 수 있을 것이다.
위에서 여러 번 강조한 바와 같이, 각 장치(300, 400)는 그 자체로는 각각이 가간섭성이고, 서로에 대해서는 쌍대 비간섭성인 복수의 광속들(20a, 20b, 20c)에 기초하고 있다. 이것은, 대응 관련(상-결합되지 않은)(non-phase-coupled) 레이저에 의해 각각 발생될 수 있다. 이에 추가하여 또는 이와는 선택적으로, 광속들(20a, 20b, 20c)의 개별(단일) 광속 또는 이들 광속 모두가 하나 또는 여러 개의 레이저에 의해 발생될 수 있다. 이러한 측면에서, 도 9는 하나의 레이저(48)와 광 가이드(광섬유)(50)를 포함하는 장치를 도시한다. 레이저(48)에 의해 방사된 레이저 방사선(52)이 광 가이드 내에서 결합(coupled in)되어 있다. 포인트(54)에서, 광속들(20a, 20b, 20c)이 분기(coupled out)된다. 광속들(20a, 20b, 20c)은 그 자체로는 가간섭성이며, 레이저(48)의 레이아웃(디자인 형태)에 따라 하나의 가간섭 거리(coherence length)를 갖는다. 분기되는 포인트들(54)이, 분기되는 이웃 포인트(54) 사이의 광 가이드(50) 내의 광 경로 길이가 가간섭성 거리보다 크게 되도록 선택되기 때문에, 광속들(20a, 20b, 20c)은 서로에 대해서는 쌍대 비간섭성이다.
100 종래 기술에 의한 렌즈 시스템
200 렌즈 시스템의 제1 추가 개선 예
300, 400 본 발명에 따른 장치
10 주기적 렌즈 장치(periodic lens arrangement)
12 집광기(condenser)
14 조명 시야(illumination field)
16 집광렌즈(collecting lens)
18 입사 광선의 진행 방향
20, 20a, 20b, 20c 가간섭성 광속(coherent bundle of ray)
22, 24 부분 광속
26 초점(focal point)
28 집광렌즈(condenser lens)
30, 30a, 30b, 30c 강도 변조(intensity modulation)
32 세분된 집광렌즈
36 총 강도(total intensity)
38 회전 또는 경사 방향
40a, 40b 동일평면 플레이트(coplanar plate)
42a, 42b 간섭 최대값(interference maxima)
44, 46 1D 또는 2D용 오프셋 벡터
48 레이저
50 광 가이드 또는 광섬유
52 방출된 레이저 방사선
54 분기 포인트(point of coupling out)

Claims (13)

  1. 복수의 광속들(20a, 20b, 20c)과 사전에 결정된 파장을 구비하는 광선(20)을 균질화하는 장치(300; 400)에 있어서, 상기 광속들은 그 자체로는 가간섭성이고, 개별 광속들은 서로에 대해 쌍대 비간섭성이며, 상기 장치는,
    - 광선(20)의 입사 방향(18)에 직교하게 배치되어 있는 적어도 하나의 평면 내에 위치하는 복수의 렌즈들(16)을 포함하는 주기적 렌즈 장치(10)와,
    - 주기적 렌즈 장치(10)로부터 나온 광선을 집광기(12)의 초점 거리(f)에 상응하는 거리만큼 이격 배치되어 있는 조명 시야(14) 내로 결상하도록 배치되어 있는 집광기(12)를 포함하며,
    상기 주기적 렌즈 장치(10)는 사전에 결정된 파장을 갖는 복수의 광속들(20a, 20b, 20c) 하나하나가 입사되는 복수의 섹션들(10a, 10b, 10c)을 포함하고, 주기적 렌즈 장치(10)는 상기 렌즈들(16)과 관련된 섹션들 내에 주기적으로 형성되어 있으며, 상기 집광기(12)는 복수의 광속들(20a, 20b, 20c)이 조명 시야(14) 상에서 측 방향 오프셋(V)되어 결상되도록 배치되며, 상기 오프셋의 크기는 주기적 렌즈 장치(10)에서 복수의 광속들(20a, 20b, 20c)의 회절에 의한 상호간의 강도 변조(30a, 30b, 30c)를 보상하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 광선 균질화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주기적 렌즈 장치(10)의 복수의 섹션들(10a, 10b, 10c)은 서로에 대해 측 방향으로 일정 거리만큼 이격 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광선 균질화 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 회절에 의한 강도 변조(30a, 30b, 30c)의 측 방향 주기는 P이고, 복수의 광속들(20a, 20b, 20c)의 개수를 N이라 할 때, 측 방향 변위(V)는 P/N와 동일한 것을 특징으로 하는 광선 균질화 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 집광기(12)는 복수의 부분들(32a, 32b, 32c)로 세분되어 있는 적어도 하나의 집광렌즈(32)를 포함하고, 각 부분들(32a, 32b, 32c)은 복수의 광속들(20a, 20b, 20c) 하나하나가 오프셋되어 결상되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광선 균질화 장치.
  5. 제4항에 있어서, 세분된 집광렌즈(32)의 상기 부분들(32a, 32b, 32c)은 측 방향으로 서로에 대해 일정거리만큼 이격 및/또는 서로에 대해 경사져 있는 것을 특징으로 하는 광선 균질화 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 광속들(20a, 20b, 20c) 중 일부 광속의 광 경로 내의 상기 집광기(12) 후방에, 동일평면 플레이트(40a, 40b)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광선 균질화 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 동일평면 플레이트(40a, 40b)는 서로에 대해 경사져 있는 것을 특징으로 하는 광선 균질화 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 광원을 또한 포함하고, 각 광원은 복수의 광속들(20a, 20b, 20c) 하나하나를 각각 발생시키기에 알맞은 것을 특징으로 하는 광선 균질화 장치.
  9. 제8항에 있어서, 광원으로서 레이저 및/또는 레이저 다이오드를 포함하거나 주파수-배가 고체 레이저(frequency-doubled solid-state laser)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 균질화 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광선(20)을 수용하는 광섬유(50)를 또한 포함하고, 상기 광섬유(50)는 복수의 광속들(20a, 20b, 20c) 하나하나를 분기하는 포인트(54)를 포함하되, 상기 분기 포인트(54) 사이의 광 경로 길이는 광선(20)의 가간섭성 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 광선 균질화 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 집광기(12)는 적어도 하나의 집광렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 균질화 장치.
  12. 사전에 결정된 파장의 광선(20)을 균질화하는 방법으로서,
    - 사전에 결정된 파장을 가지며, 각 광속들 자체로는 가간섭성이고, 서로에 대해서는 비간섭성인 복수의 광속들(20a, 20b, 20c)을 발생시키는 단계와,
    - 상기 복수의 광속들(20a. 20b, 20c) 하나하나가 복수의 섹션들(10a, 10b, 10c) 하나하나에 각각 해당되도록, 제1항 또는 제2항에 따르는 장치(300; 400)에서, 복수의 섹션들(10a, 10b, 10c)을 구비하는 렌즈 장치(10)를 향해 광속들(20a. 20b, 20c)을 지향시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 균질화 방법.
  13. 삭제
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