KR101831370B1 - 캘리브레이션 가능한 빔 성형 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

빔 성형을 그에 입사하는 광에 순차적으로 적용하기 위해 시스템을 통한 광의 광로에서 간격을 두고 떨어진 관계로 수용되는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 시스템이 개시된다. 빔 성형 시스템은 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 각각 운반하는 제 1 및 제 2 정렬 모듈들을 포함하고, 광로에 대하여 광학 모듈들을 가로로 위치시키도록 동작 가능하다. 빔 성형 시스템의 캘리브레이션 모듈은 제 1 및 제 2 정렬 모듈들에 연결 가능하고 광로에 대하여 제 1 및 제 2 광학 모듈들의 각각의 가로 위치들을 순차적으로 캘리브레이션 및 정렬하도록 동작 가능하다. 시스템은 그에 의해 주어진 미리 결정된 파면 및 가로 세기 분포의 인입 광 빔의 성형이 원하는 파면 및 원하는 가로 세기 분포를 갖는 출력 광 빔을 형성할 수 있게 한다.

Description

캘리브레이션 가능한 빔 성형 시스템 및 방법{CALIBRATABLE BEAM SHAPING SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 코히런트(coherent) 광 빔들을 성형하기 위한 기법들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 캘리브레이션 가능한(calibratable) 빔 성형 시스템 및 이를 캘리브레이션하기(calibrate) 위한 방법을 제공하고, 단파장들을 갖는 광 빔들의 세기 분포 및 파면(wave-front)을 고정밀로 성형하는 것을 목표로 한다.
상이한 파장 범위들의 (레이저 광 빔들과 같은) 광 빔들의 프로파일을 성형하기 위해 사용되는 기술분야에 다양한 빔 성형 기법들이 있다. 굴절 및/또는 회절 빔 성형 컴포넌트들에 기반하는 기법들은 코히런트 광 빔의 세기 분포 및 위상을 조작하는 2개의 광학 엘리먼트들을 포함하는 이중/다중 엘리먼트 코히런트 빔 쉐이퍼(shaper)를 이용한다.
굴절 빔 성형 기법의 원리들은, 예를 들면, Kreuzer 등의 미국 특허 제3,476,463호에서 설명된다. 이 기법들에 따르면, 코히런트 광의 입력 빔의 광선들(rays)은 상이한 미리 결정된 세기 분포의 출력 빔을 산출하기 위해 재분배된다. 상기 광선들의 광로(optical path) 길이들은 입력 빔의 동위상 면(equiphase surface)과 미리 결정된 세기 분포를 갖는 출력 빔의 원하는 동위상면 사이에서 일정하게 유지된다. 일반적으로 비구면의 적어도 2개의 활성 면들이 사용된다. 가우스 분포(Gaussian distribution)의 시준된 입력 빔(collimated input beam)을 균일 분포의 시준된 출력 빔으로 변환하는 2개의 엘리먼트 시스템에 대하여 설계 방정식들이 주어진다.
본 명세서에서 감쇠 빔 성형 기법들로 지칭되는 다른 기법들은 성형될 광 빔의 광선들을 상이하게 감쇠시키기 위해 광학 필터를 이용하고 그에 의해 빔 성형을 달성한다. 전형적으로, 이러한 빔 성형 기법들에서, 특별히 설계된 공간적으로 비균질한 천연 밀도(natural-density; ND) 광학 필터(들)가 광 빔들의 세기 분포(즉, 광의 1 또는 2차원 가로(lateral) 세기 프로파일)를 감쇠 및 성형하기 위해 사용된다. 필터에서 여과 속성들의 공간 분포는 인입(incoming) 광 빔의 가로 세기 분포 및 출력에서 획득될 원하는 가로 세기 분포에 따라 설계된다.
도 1은 전형적으로 심자외선광(deep-ultraviolet light)의 빔들을 성형하는데 사용되는 기술분야에서 공지된 감쇠 빔 성형 시스템의 동작을 개략적으로 도시하고 있다. 이러한 시스템은 적절한 빔 차단기(blocker)(BB)(예를 들면, 조리개(aperture)) 엘리먼트와 함께 특별히 설계된 ND 필터(ND)를 이용한다. ND 필터 및 차단기는 출력 광 빔의 폭에 걸쳐 평탄한(톱-햇(top-hat)) 세기 분포를 갖는 출력 광 빔을 형성하기 위해 가우스 가로 세기 분포를 갖는 인입 광 빔의 세기에 대한 균등하지 않은 감쇠를 발생하도록 설계된다. 여기서, 천연 밀도 광학 필터는 광 빔의 중심 부근의 광 세기에 대한 더 높은 감쇠(더 낮은 전송) 및 광 빔의 에지(edge)에 근접하여 더 높은 전송을 제공하도록 설계된다(에지들 자체들은 기계적 조리개에 의해 한계가 정해짐).
고정밀 및 최소 손실들을 갖는 코히런트 광 빔들의 세기 분포 및 파면을 성형할 수 있는 신규한 빔 성형 기법들에 대해 기술분야에서 요구된다. 특히, 자외선(UV) 및 심 UV 체계들에서와 같은 단파장들의 광용으로 사용하기에 적당하고, 가변 조건들(예를 들면, 변화하는 온도, 빔 폭 등) 하에서 정확하게 동작하도록 캘리브레이션될 수 있는 빔 성형 기법에 대해 기술분야에서 요구된다.
굴절 및 회절 빔 성형 기법들은 일반적으로 매우 효율적이고 그의 전체 세기를 상당히 감소시키지 않으면서(예를 들면, 대략 75 내지 95 퍼센트의 전송을 제공함) 광 빔을 성형할 수 있다. 이들 기법들은 2개의 광학 모듈들/엘리먼트들의 광학 배열을 이용하며, 첫 번째 것은 광 빔의 세기 프로파일에 영향을 미치는 세기 재분배 모듈이고, 두 번째 것은 광 빔의 파면에 영향을 미치는 위상 교정(correction) 모듈이다. 광학 모듈들은 굴절 및/또는 회절 모듈들일 수 있다. 명료성을 위해, 굴절 및 회절 빔 성형 기법들 양자는 본 명세서에서 세기 및 위상 빔 성형으로 지칭된다.
그러나, 세기 및 위상 빔 성형 기법들은 일반적으로 입사 빔 프로파일의 대칭 축에 의해 정의된 광학 축에 대한 광학 엘리먼트들의 정밀한 정렬에 매우 민감하다. 따라서, 이러한 기법들은 빔 성형 장치의 동작 조건들 및/또는 광원의 동작 조건들에서의 변동들에 민감하다. 이러한 변동들은 광학 엘리먼트들 자체들 사이 및/또는 광학 엘리먼트들과 빔 사이의 기하학적 불일치들(mismatches)을 초래할 수 있고, 그에 의해 출력 빔의 형상 및 파면 오차(error)에 상당히 영향을 미칠 수 있다.
상기를 고려하여, 많은 경우들에, 감쇠 기반 기법들이 광 빔들을 성형하기 위해, 특히 정확하고 강력한 빔 성형 결과들이 요구되는 경우에 사용된다. 그러나, 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 감쇠 빔 성형 기법들은 전형적으로 낮은 에너지 효율과 관련된다. 이러한 기법들의 전형적인 에너지 효율은 인입 빔의 세기 프로파일/분포 및 출력 빔에서 획득될 원하는 세기 프로파일에 따라 대략 50%이고 심지어 50% 미만이다.
낮은 에너지 효율을 갖는 빔 성형은 원하는 출력 빔의 생성에 사용되는 디바이스의 에너지 소모 및 열 발생을 증가시키기 때문에, 일반적으로 바람직하지 않다. 또한, 낮은 에너지 효율 빔 성형의 사용은 디바이스에 대한 시스템 신호를 감소시킨다. 예를 들면, UV 체계에서 동작하는 시스템들을 스캐닝하기 위해, 시스템의 신호 대 잡음비(SNR)는 시스템의 광학 전송과 관련되고, 따라서 감쇠 빔 성형 디바이스들의 사용은 스캐닝의 감소된 SNR을 초래한다.
본 발명은 신규한 빔 성형 기법 및 이를 캘리브레이션하기 위한 방법을 제공한다. 본 발명의 시스템 및 방법은 (예를 들면, 대략 75% 그리고 95%까지의, 그리고 심지어 그 초과의) 고정밀도 및 고 에너지 효율을 갖는 코히런트 광 빔들을 성형하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 기법은 종래의 세기 및 위상 빔 성형 기법들과 비교하여 성형된 빔의 정확도 및 정밀도를 개선하고, 따라서 매우 정밀한 애플리케이션들에서 및/또는 단파장 범위들에서 본 발명의 빔 성형의 사용을 가능하게 한다. 이는 캘리브레이션 가능한 세기 및 위상 빔 쉐이퍼 시스템 및 이를 캘리브레이션하기 위한 방법을 제공함으로써 달성된다. 세기 및 위상 빔 쉐이퍼 시스템은 굴절 및/또는 회절 광학 엘리먼트들에 기반할 수 있다.
본 발명의 기법은 성형된 빔의 세기 및 위상에서의 상당한 부정확성들이 광 빔에 대한 빔 성형 시스템의 광학 엘리먼트들/모듈들의 작은 가로 오정렬들에 기인한다는 것을 이해함에 기반한다.
세기 및 위상 빔 성형 시스템들은 광로에 대하여 정확하게 위치(예를 들면, 가로로 정렬)되어야 하는 세기 재분배 및 위상 교정기 모듈들인 적어도 2개의 광학 모듈들을 포함한다. 종래의 접근법에 따라 이러한 시스템을 캘리브레이션하는 것(calibrating)은 적어도 2개의 광학 엘리먼트들/모듈들에서 이들의 위치들의 복수의 조합들에 걸친 서치/스캐닝에 기반하고, 여기서, 해(solution)들의 공간은 2개의 광학 모듈들의 가로 위치들과 관련된 적어도 2(또는 그 초과)의 자유도(degrees-of-freedom(DOF/파라미터들))에 의해 스팬된다(spanned). 이는 종종 불량한 정확도를 초래하는 캘리브레이션의 너무 긴 절차를 필요로 한다.
본 발명은 빔 성형 시스템의 광학 모듈들의 동작 파라미터들(DOF)이 독립적으로 그리고 개별적으로 조정될 수 있는 것에 따른 캘리브레이션 가능한 빔 성형 시스템 및 캘리브레이션 방법을 제공함으로써 이러한 문제를 해결한다. 예를 들면, 세기-재분배 및 위상-교정기 광학 모듈들의 각각의 위치들/가로-정렬들을 포함하는 동작 파라미터들의 각각뿐만 아니라, 이러한 빔 성형 시스템의 빔 확대기 광학 모듈의 배율(줌) 및/또는 시준(collimation) 파라미터들이 개별적으로 그리고 독립적으로 조정된다. 캘리브레이션 변수들/파라미터의 분리는, 각 파라미터가 독립적으로 캘리브레이션되고 그에 의해 이들 DOF들의 다양한 조합들에 대해 서치/스캔할 필요성(복수의 캘리브레이션 가능한 파라미터들에 의해 스팬되는 해들의 공간을 스캔)을 배제하기 때문에, 더 빠른 캘리브레이션 절차들을 허용한다. 대신, 본 발명에 따르면, 각 광학 모듈의 DOF(들)가 개별적으로 캘리브레이션되고, 그 결과 빔 성형 시스템의 더 빠른 캘리브레이션 및 더 우수한 캘리브레이션 정확도를 허용한다.
따라서, 본 발명은 (세기 재분배 광학 모듈인) 제 1 광학 모듈/엘리먼트(들) 및 (위상 교정기 광학 모듈인) 제 2 광학 모듈/엘리먼트(들)를 이용하고, 이 둘은 광 빔을 성형하기 위해 광로를 따라 장착된다. 제 1 및 제 2 광학 엘리먼트들은 그에 의해 성형될 광 빔들에 대한 그들의 독립적인 정렬을 허용하는 개별 정렬 모듈들(예를 들면, 미니-스테이지들) 상에 장착된다. 본 발명은 또한 제 1 및 제 2 광학 모듈들 사이의 정확한 정렬을 가능하게 하는 캘리브레이션 기법(시스템 및 방법)을 제공한다. 광학 모듈들의 캘리브레이션(예를 들면, 정렬)은 선택적으로 입사 빔의 폭이 먼저 캘리브레이션되고, 그 다음 제 1 광학 모듈의 정렬이 조정되며 마지막으로 제 2 광학 모듈의 정렬이 조정되도록 순차적으로 수행된다.
용어 정렬은 본 명세서에서 광학 엘리먼트들/모듈들(즉, 6 자유도까지에 대하여; 3개의 위치 관련 및 3개의 배향 관련 자유도까지)의 위치 및/또는 배향을 나타낼 수 있다. 그러나, 본 발명의 발명자들은 세기 및 위상 빔 성형 시스템의 광학 세기 재분배 및 위상 교정기 모듈들의 가로 정렬이 이러한 빔 성형 시스템의 성능에 상당한 영향을 준다는 것에 주목했다. 따라서, 아래에 설명된 바와 같은 본 발명의 일부 실시예들에서, 이들 광학 모듈들의 가로 정렬을 캘리브레이션하는 것이 특별히 시도된다. 이것을 위해, 가로(가로 방향(들))라는 용어들은 빔 세기의 방향(들)이 다시 만들어지는 것(즉, 시스템을 통한 광 빔 전파의 광로/축에 직교 방향)으로 해석되어야 한다. 본 발명은 따라서 세기 재분배 및 위상 교정기 광학 모듈들을 빔 쉐이퍼를 통한 광-빔의 광로에 대하여 가로로 정렬을 제공한다(예를 들면, 위치들을 집중시킨다).
본 발명의 기법은 감쇠 기반 빔 쉐이퍼들과 같은 다른 빔 성형 기법들과 비교하여 빔 성형 시스템의 개선된 광학 전송과 관련되는 개선된 에너지 효율을 제공한다. 따라서, 본 발명의 빔 성형 시스템은 스캐닝 시스템의 광학 전송을 개선하기 위해 그리고 그에 의해 스캐너의 신호 대 잡음비(SNR)를 개선하기 위해 스캐닝 시스템들과 유리하게 통합될 수 있다.
상기 시스템은, 예를 들면, 빔 확대기에 의해 빔을 확대하기 위해 그리고 평탄한(톱-햇) 세기 프로파일을 형성하도록 하나의 방향으로 빔을 성형하기 위해 입력 상에 가우스 에너지 분포를 갖는 DUV 레이저 빔을 동작시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 빔 성형 시스템은 광학 검출기/광-수집-모듈에 의해 이미징되는(imaged) 객체 평면(object plane) 상에 스트릭 라인(streak line)을 생성하는 비점(flying spot) 기반 광학 현미경 안으로 통합될 수 있다. 이러한 광학 현미경의 신호는 광원 및 광로를 통한 광학 전송에 의해 발생된 전력의 산물이며, 따라서 이러한 광학 현미경에 본 발명의 빔 성형 시스템을 통합시킴으로써, 광학 현미경의 신호는 실질적으로 개선될 수 있다. 이러한 현미경들의 일부 유형들(즉, '제한된 산탄 잡음 (shot noise limited)'으로 알려짐)에서, 잡음은 신호의 제곱근에 비례하고 따라서 SNR은 광학 전송이 개선됨에 따라 증가한다.
본 발명의 폭넓은 양상에 따르면, 상기 빔 성형 모듈을 통하여 전파하고 그에 입사하는 광에 순차적으로 빔 성형을 적용하는 광의 광로에서 간격을 두고 떨어진(spaced-apart) 관계로 수용되는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈이 제공되어 있다. 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들은 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 운반하도록 구성된 제 1 및 제 2 정렬 모듈들에 각각 커플링된다. 상기 제 1 및 제 2 정렬 모듈들의 각각은 그에 의해 상기 광로에 대하여 운반되는 각각의 광학 모듈을 가로로(laterally) 위치시키도록 구성되고 동작 가능하다. 상기 빔 성형 모듈은 또한 캘리브레이션 모듈을 포함하며, 캘리브레이션 모듈은 상기 제 1 및 제 2 정렬 모듈들에 연결 가능하고, 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들의 상기 각각의 가로 위치들을 순차적으로 캘리브레이션하며 그들의 각각의 가로 위치들을 상기 광로에 대하여 정렬하고 주어진 미리 결정된 파면 및 가로 세기 분포의 인입 광 빔의 성형이 그에 의해 원하는 파면 및 원하는 가로 세기 분포를 갖는 출력 광 빔을 형성할 수 있게 하도록 구성되고 동작 가능하다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 광학 모듈은, 상기 광로와 가로로 정렬되는 경우, 상기 인입 광 빔으로부터, 상기 제 1 광학 모듈로부터 아래로(downstream) 상기 광로를 따라 특정(certain) 광학적 거리에서 원하는 가로 세기 분포 및 특정 중간 파면을 갖는 중간 광 빔을 형성한다. 상기 제 2 광학 모듈은, 상기 광로와 가로로 정렬되는 경우, 상기 중간 광 빔으로부터 상기 원하는 파면 및 상기 원하는 가로 세기 분포를 갖는 상기 출력 광 빔을 형성한다.
이를 위해 상기 캘리브레이션 모듈은 다음을 순차적으로 수행하도록 구성될 수 있다:
ⅰ. 상기 제 1 광학 모듈을 향하여 상기 광로를 따라 전파하는 상기 인입 광 빔에 대한 상기 제 1 광학 모듈의 오정렬을 결정하고;
ⅱ. 상기 인입 광 빔에 대하여 상기 제 1 광학 모듈의 상기 가로 위치를 정렬하고 그에 의해 상기 중간 광 빔에서 상기 원하는 가로 세기 분포를 형성하도록 상기 제 1 정렬 모듈을 동작시키며;
ⅲ. 상기 제 2 광학 모듈을 향하여 상기 광로를 따라 전파하는 상기 중간 광 빔에 대한 상기 제 2 광학 모듈의 오정렬을 결정하고; 그리고
ⅳ. 상기 중간 광 빔에 대하여 상기 제 2 광학 모듈의 가로 위치를 정렬하고 그에 의해 상기 출력 광 빔에서 상기 원하는 파면 및 상기 원하는 가로 세기 분포를 형성하도록 상기 제 2 정렬 모듈을 동작시킨다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 캘리브레이션 모듈은 상기 제 1 광학 모듈의 정렬된 위치가 ⅰ에서 결정될 때까지 ⅰ 및 ⅱ를 반복하고, 상기 제 2 광학 모듈의 정렬된 위치가 ⅲ에서 결정될 때까지 ⅲ 및 ⅳ를 반복하도록 동작 가능하다.
상기 캘리브레이션 모듈은 이미저(imager) 및 중간 및 출력 광 빔들의 적어도 일부를 상기 이미저로 지향하기 위해 상기 중간 및 출력 광 빔들 중 적어도 하나와 제어 가능하게 상호작용하도록 구성되고 동작 가능한 적어도 하나의 광학 라우팅 조립체를 포함할 수 있다. 상기 캘리브레이션 모듈은 또한 상기 적어도 하나의 광학 라우팅 조립체 및 상기 이미저에 연결 가능하고 다음을 수행하도록 구성되는 캘리브레이션 제어기를 포함할 수 있다 :
상기 동작 ⅰ에서 : 상기 이미저로부터, 상기 제 1 광학 모듈로부터 아래로 특정 광학적 거리에서 상기 중간 광 빔의 상기 세기 분포를 나타내는 제 1 영상 데이터를 획득하도록 상기 적어도 하나의 광학 라우팅 조립체를 동작시키고, 적어도 하나의 가로 축에 대한 및/또는 상기 광 빔에 대한 상기 제 1 광학 모듈의 오정렬을 나타내는 데이터를 결정하기 위해 상기 제 1 영상 데이터를 처리하며;
상기 동작 ⅲ에서 : 상기 이미저로부터, 상기 제 2 광학 모듈에 대한 중간 장(mid-field) 및 원거리 장(far-field) 중 하나에서 상기 출력 광 빔의 상기 세기 분포를 나타내는 제 2 영상 데이터를 획득하도록 상기 적어도 하나의 광학 라우팅 조립체를 동작시키고, 상기 적어도 하나의 가로 축에 대한 및/또는 상기 광 빔에 대한 상기 제 2 광학 모듈의 오정렬을 나타내는 데이터를 결정하기 위해 상기 제 2 영상 데이터를 처리한다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 제 1 및 제 2 영상 데이터의 각 영상의 처리는 상기 영상에서의 관심 영역(region of interest(ROI))의 결정 및 상기 적어도 하나의 가로 축에 대한 ROI에서의 세기 프로파일의 비대칭을 나타내는 비대칭 파라미터 값의 결정을 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 빔 성형 모듈은 적어도 하나의 가로 축에 대하여 실질적으로 가우스인 미리 결정된 가로 세기 분포를 갖는 인입 광 빔을 성형하도록, 그리고 그 특정 가로 축에 대하여 실질적으로 톱-햇 세기 분포인 원하는 세기 분포의 출력 광 빔을 형성하도록 구성되고 동작 가능하다. 이를 위해, 빔 성형은 2개의 가로 축들에 대하여 상이할 수 있고, 이러한 경우들에, 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들 중 적어도 하나는 비구면 광학 엘리먼트일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 빔 성형 모듈은 UV 내의 파장의 입력 광 빔들을 DUV 파장 범위로 동작하도록 구성되고 동작 가능하다. 상기 캘리브레이션 모듈은 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들 중 적어도 하나에 대한 정렬의 위치를 수십 미크론까지의 정확도로 캘리브레이션하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 빔 성형 모듈은 또한 조정 가능한 배율비(magnification ratio)를 갖는 빔 확대기(expander)를 포함한다. 상기 빔 확대기는 상기 제 1 광학 모듈의 위로(upstream) 상기 인입 광 빔의 광로를 따라 위치될 수 있다. 상기 캘리브레이션 모듈은 상기 빔 확대기의 배율비를 제어함으로써 상기 인입 광 빔의 폭을 미리 결정된 크기로 캘리브레이션하고, 그에 의해 상기 인입 광 빔의 성형의 정확도를 개선하도록 구성되고 동작 가능할 수 있다. 이를 위해, 상기 빔 성형 모듈은 상기 빔 확대기와 상호작용하는 광을 이미저로 제어 가능하게 지향시키도록 구성된 광학 라우팅 조립체를 포함할 수 있다. 상기 캘리브레이션 모듈은 그것으로부터 상기 인입 광 빔의 폭을 나타내는 영상 데이터를 수신하고 상기 배율비를 제어하기 위한 동작 명령들을 생성하기 위한, 상기 이미저에 연결 가능한 캘리브레이션 제어기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 캘리브레이션 모듈은 상기 제 1 광학 모듈 및 제 2 광학 모듈의 위치들의 순차적인 캘리브레이션 이전에 상기 인입 광 빔의 폭을 캘리브레이션하도록 구성되고 동작 가능할 수 있다.
본 발명의 다른 폭넓은 양상에 따르면, 상기 빔 성형 모듈을 통하여 전파하는 광의 광로에서 간격을 두고 떨어진 관계로 수용되고, 빔 성형을 그에 입사하는 광에 순차적으로 적용하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈이 제공되어 있다. 상기 빔 성형 모듈은 또한,
- 이미저,
- 상기 광로를 통하여 전파하는 광의 적어도 일부를 상기 이미저로 지향하도록 상기 광로를 통하여 전파하는 광과 제어 가능하게 상호작용하도록 구성되고 동작 가능한 적어도 하나의 광학 라우팅 조립체; 및
- 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들과 각각 관련된 제 1 및 제 2 정렬 모듈들에 연결 가능하고, 상기 동작들 (ⅰ) 및 (ⅲ)에 관하여 지시된 캘리브레이션 동작들을 수행함으로써 상기 광로에서 전파하는 광 빔에 대한 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들의 각 가로 위치들을 순차적으로 캘리브레이션하도록 동작 가능한 캘리브레이션 제어기를 포함하는 캘리브레이션 모듈을 포함한다.
특히, 상기 캘리브레이션 제어기는 다음을 수행할 수 있다 : 상기 이미저로부터, 상기 제 1 광학 모듈로부터 아래로 상기 특정 광학적 거리에서 상기 중간 광 빔의 상기 세기 분포를 나타내는 제 1 영상 데이터를 획득하도록 상기 광학 라우팅 조립체를 동작시키고, 상기 제 1 광학 모듈의 오정렬을 나타내는 데이터를 결정하기 위해 상기 제 1 영상 데이터를 처리하며 상기 광 빔에 대하여 상기 제 1 광학 모듈을 정렬하도록 상기 제 1 정렬 모듈을 동작시키고; 그리고
상기 이미저로부터, 상기 제 2 광학 모듈에 대한 중간 장 및 원거리 장 중 하나에서 상기 출력 광 빔의 상기 세기 분포를 나타내는 제 2 영상 데이터를 획득하도록 상기 광학 라우팅 조립체를 동작시키고, 상기 제 2 광학 모듈의 오정렬을 나타내는 데이터를 결정하기 위해 상기 제 2 영상 데이터를 처리하며, 상기 광 빔에 대하여 상기 제 2 광학 모듈을 정렬하도록 상기 제 2 정렬 모듈을 동작시킨다. 따라서, 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 정렬시킴으로써, 원하는 파면 및 원하는 가로 세기 분포를 갖는 출력 광 빔이 형성된다.
본 발명의 또 다른 폭넓은 양상에 따르면, 인입 광 빔과 순차적으로 상호작용하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 갖는 빔 성형 모듈을 통과한 상기 인입 광 빔의 세기 및 위상을 캘리브레이션하는데 사용하기 위한 제어 시스템이 제공되어 있다. 상기 제어 시스템은 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들의 각각의 상기 광로와의 가로 정렬을 제어하고 그에 의해 주어진 미리 결정된 파면 및 가로 세기 분포의 코히런트 인입 광 빔의 성형이 원하는 파면 및 원하는 가로 세기 분포를 갖는 출력 광 빔을 형성할 수 있게 하도록 구성되고 동작 가능한 캘리브레이션 제어기를 포함한다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 캘리브레이션 제어기는 다음을 순차적으로 수행하도록 구성되고 동작 가능하다 :
ⅰ. 상기 인입 광 빔과 상기 제 1 광학 모듈의 상호작용에 의해 형성된 중간 광 빔의 세기 분포를 모니터링, 상기 제 1 광학 모듈의 가로 오정렬을 나타내는 데이터를 결정, 및 상기 어떤 광학 표면에서 상기 중간 광 빔의 상기 원하는 세기 분포를 형성하기 위해 상기 제 1 광학 모듈을 정렬하도록 상기 제 1 가로 정렬 모듈을 동작; 및
ⅱ. 상기 출력 광 빔의 파면 구조에 대응하는 상기 제 2 광학 모듈에 대한 중간 및 원거리 장들 중 적어도 하나에서의 상기 출력 광 빔의 세기 분포를 모니터링, 및 그에 의해 상기 제 2 광학 모듈의 가로 오정렬을 나타내는 데이터를 결정 및 원하는 세기 분포 및 파면을 갖는 상기 출력 광 빔을 형성하기 위해 상기 제 2 광학 모듈을 정렬하도록 상기 제 2 가로 정렬 모듈을 동작.
일부 경우들에서, 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들 중 적어도 하나에서의 가로 오정렬의 결정은 상기 가로 오정렬을 나타내는 비대칭 파라미터 값을 결정하기 위해 상기 중간 및 출력 광 빔들 중 하나와 각각 관련되는 대응하는 세기 분포의 처리를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 광 빔의 세기 프로파일 및 파면을 성형하기 위해 광 빔과 순차적으로 상호작용하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법이 제공되어 있다. 상기 방법은 다음 단계들을 순차적으로 수행하는 단계를 포함한다 :
ⅰ. 상기 제 1 광학 모듈로부터 아래로 특정 광학적 거리에서 상기 광 빔의 제 1 세기 분포를 나타내는 제 1 영상 데이터를 캡쳐하기(capture) 위해 상기 제 1 광학 모듈과의 상호작용 후에 상기 광 빔을 이미징(imaging)하고, 상기 제 1 광학 모듈의 가로로 정렬된 위치를 결정하기 위해 상기 제 1 세기 분포를 이용함으로써, 상기 제 1 광학 모듈의 가로 위치를 캘리브레이션하는 단계; 및
ⅱ. 상기 제 1 광학 모듈이 상기 가로 정렬된 위치에 있는 경우, 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들과의 상호작용 후에 상기 광 빔을 이미징함으로써 그에 의해 상기 제 2 광학 모듈로부터 아래로 특정 위치에서 상기 광 빔의 제 2 세기 분포를 나타내는 제 2 영상 데이터를 캡쳐하도록 상기 제 2 광학 모듈의 가로 위치를 캘리브레이션하는 단계. 그 다음 상기 제 2 광학 모듈의 가로로 정렬된 위치를 결정하기 위해 상기 제 2 세기 분포를 이용한다. 상기 방법은 그에 의해 상이한 가로 세기 분포를 갖는 출력 광 빔을 형성하기 위해 미리 결정된 가로 세기 분포의 코히런트 인입 광 빔을 성형하기 위한 상기 빔 성형 모듈의 캘리브레이션을 허용한다.
이러한 방법의 일부 실시예들에 따르면, 상기 동작 (ⅰ)에서, 상기 제 1 영상 데이터가 캡쳐되는 상기 특정 광학적 거리는 실질적으로 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들 사이의 광학적 길이와 동일하다. 또한, 상기 동작 (ⅱ)에서, 상기 제 2 영상 데이터가 캡쳐되는 상기 특정 위치는 상기 제 2 광학 모듈에 대하여 중간/원거리 장에 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들 중 적어도 하나의 특정 광학 모듈의 가로로 정렬된 위치의 결정은 특정 광학 모듈의 가로 오정렬을 나타내고 있는 특정 세기 분포에서의 비대칭 파라미터의 값을 결정하기 위해 상기 제 1 및 제 2 세기 분포 중 대응하는 특정 세기 분포의 처리를 포함할 수 있다.
본 발명을 이해하기 위해 그리고 본 발명이 실제로 어떻게 수행될 수 있는지를 알기 위해, 이제 첨부된 도면들을 참조하여 단지 비제한적인 예로서만 실시예들이 설명될 것이다.
도 1은 심-자외선의 빔들을 성형하는데 전형적으로 사용되며 기술분야에서 공지된 감쇠 빔 성형 시스템의 개략도이다.
도 2는 광 빔의 세기 분포 및 파면을 성형하기 위한 본 발명에 따른 방법(200)을 설명하는 블록도이다.
도 3a는 본 발명에 따라 구성되고 동작 가능하며 광학 빔 성형 시스템(301) 및 캘리브레이션 시스템(305)을 포함하는 빔 성형 장치(300)를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3b 및 도 3c는 도 3a에 도시된 광학 빔 성형 시스템(301)의 세기-재분배(303) 및 위상-교정기(304) 광학 모듈들의 광학 동작을 도시한다.
도 3d 내지 도 3f는 회절 광학 엘리먼트들을 이용하여 구현되는 세기-재분배 및 위상-교정기 광학 모듈들의 광학 동작을 도시한다.
도 4는 하나의 가로 축에서 톱-햇 세기 프로파일 및 제 2 가로 축에서 가우스 세기 프로파일을 갖는 평면 출력 빔을 형성하기 위해 가우스 세기 분포를 갖는 평면 입력 광 빔을 성형하도록 구성되고 동작 가능한 본 발명의 빔 성형 장치(400)를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 5a는 본 발명의 광학 빔 성형 시스템들의 캘리브레이션에 사용하기 위한, 본 발명에 따른 캘리브레이션 방법의 흐름도(500)이다.
도 5b 내지 도 5h는 도 5a의 방법(500)의 방법 단계들(510, 520 및, 530)의 동작을 도표로 그리고 개략적으로 도시한다.
도 6은 도 5a의 캘리브레이션 방법(500)이 사용된 후 도 4의 시스템(400)의 동작을 개략적으로 도시한다.
도 7은 도 6의 광학 빔 성형 시스템에 포함되는 빔 평활(smoothing) 모듈의 동작을 도시한다.
광 빔의 세기 분포 및 파면을 성형하기 위한 본 발명에 따른 방법의 블록 다이어그램(200)을 도시하는 도 2가 참조된다. 방법(200)은 세기 및 위상 빔 성형 기법들에 따라 동작 가능하고 따라서 광 세기에서의 저 에너지 손실들을 갖는 고 전송 효율을 제공한다. 방법(200)은 특히 코히런트 광 빔들 및 전형적으로는 실질적으로 시준된 광 빔들의 세기 분포를 성형하도록 구성된 빔 성형 모듈들에서 사용하기에 적합하다. 또한, 상기 방법은, 예를 들면 UV 및 심 UV 체계들에서 단파장들의 광 빔들을 성형하기 위해 사용될 수 있다. 이는, 아래에 설명된 바와 같이, 광 빔의 광로에 대한 빔 성형 광학 엘리먼트들의 위치들의 정확한 캘리브레이션을 위한 기법을 제공함으로써 달성된다. 방법(200)은 다음을 포함한다 :
광로를 따라 배열된 세기-재분배 및 위상-교정기 광학 모듈들을 포함하고 그리고 선택적으로 또한 세기-재분배 및 위상-교정기 광학 모듈들로부터 위로 위치된 빔 확대기 모듈을 포함하는 빔 성형 시스템을 제공하는 단계(210). 세기-재분배 광학 모듈은 특정한 미리 결정된 세기 프로파일(즉, 세기 분포)을 갖는 인입 광 빔과 상호작용하도록 그리고 중간 광 빔의 광로를 따라 세기-재분배 광학 모듈로부터 아래로 특정 거리에 위치된 특정 광학 표면에서 특정한 원하는 세기 프로파일을 갖는 중간 광 빔을 형성하기 위해 그 전파에 영향을 미치도록 구성된다. 위상-교정기 광학 모듈은 세기-재분배 광학 모듈로부터 아래로 대략 그 특정 거리에(예를 들면, 그 특정 광학 표면에) 위치되고 그리고 특정한 원하는 파면을 갖는 출력 광 빔을 형성하기 위해 특정한 미리 결정된 파면을 갖는 중간 광 빔의 위상에 영향을 미치도록 구성된다. 광학 빔 확대기 모듈은 세기-재분배 광학 모듈로부터 위로 인입 광 빔과 상호작용하도록 그리고 인입 광 빔의 미리 결정된 세기 프로파일을 획득하기 위해 인입 광 빔의 폭의 조정을 가능하게 하도록 구성된다.
세기-재분배 및 위상-교정기 광학 모듈들의 각각을 광로에 대하여 조정가능한 가로 이동을 위해서 장착하는 단계(220). 1 및/또는 2 차원 빔 성형과 관련된 본 발명의 다양한 실시예들에서, 광학 모듈들의 가로 위치들은 광로에 직교하는 하나 또는 두개의 가로 축들에 대하여 조정 가능할 수 있다.
세기-재분배 및 위상-교정기 광학 모듈들의 원하는 가로 정렬들을 결정하고, 그리고 선택적으로 또한 빔 확대기에 의해 원하는 빔 확대(줌)를 결정하도록 구성된 캘리브레이션 모듈을 제공하는 단계(230). 세기-재분배 광학 모듈을 정렬하기 위해, 캘리브레이션 모듈은 세기-재분배 광학 모듈과 그의 상호작용 이후에 그리고 위상-교정기 광학 모듈과의 그 상호작용 이전에 중간 광 빔과의 제어 가능한 상호작용을 위해 구성된다. 캘리브레이션 모듈은 출력 광 빔의 특정한 원하는 세기 프로파일을 획득하기 위해, 세기-재분배 광학 모듈에 의해 영향받는 바와 같이, 광 빔의 세기 프로파일을 측정하도록 그리고 그에 의해 세기-재분배 광학 모듈과 인입 광 빔 사이의 원하는 가로 정렬을 결정하도록 구성된다. 특히, 본 발명의 일부 실시예들에서, 세기 프로파일의 대칭/비대칭 파라미터(들)는/은 세기-재분배 광학 모듈의 가로 정렬에 대한 표시(예를 들면, 정렬/오정렬의 정도)를 제공하는 이러한 스테이지에서 측정 및/또는 처리된다. 위상-교정기 광학 모듈을 정렬하기 위해, 캘리브레이션 모듈은 출력 광 빔의 위상-교정기 광학 모듈과의 상호작용 이후에 출력 광 빔과 제어 가능하게 상호작용하도록 구성된다. 캘리브레이션 모듈은 중간- 및/또는 원거리- 장(즉, 프레넬(Fresnel) 체계)에서 광 빔의 세기 프로파일을 측정하도록 구성된다. 이러한 구역(중간-장)에서 및/또는 원거리-장 체계에서, 파면 오차들은 비대칭의 빔 프로파일의 세기로 전환된다(예를 들면, 자유 공간에서 전파하는 톱-햇 프로파일의 에지들 상의 중간-장에서 전개된 급격한 회절 효과들 및/또는 원거리-장 패턴에 영향을 미치는 회절 효과에 기인함). 이를 위해, 본 발명의 일부 실시예들에서, 프로파일의 대칭/비대칭 파라미터(들)는 위상-교정기 광학 모듈의 가로 정렬(예를 들면, 정렬/오정렬의 정도)에 대한 표시를 제공하는 이러한 스테이지들에서 측정 및/또는 처리된다. 따라서, 캘리브레이션 모듈은 그에 의해 출력 광 빔의 특정한 원하는 파면을 획득하도록 중간 광 빔에 대한 위상-교정기 광학 모듈의 원하는 가로 정렬을 결정하기 위해 측정된 비대칭을 이용한다. 선택적으로, 캘리브레이션 모듈은 또한 빔 성형 시스템에 포함될 수 있는 광학 빔 확대기의 배율비를 캘리브레이션하도록 구성된다. 이러한 경우들에서, 캘리브레이션 모듈은 빔 확대기와 인입 광 빔의 상호작용 이후 및 세기-재분배 모듈과 인입 광 빔의 상호작용 이전에, 인입 광 빔과 상호작용하도록 그리고 인입 광 빔의 (예를 들면, 폭을 결정하는) 세기 프로파일을 측정하도록 구성되고, 그에 의해 원하는 세기 분포 및 파면을 갖는 출력 광 빔을 획득하기 위해 빔 확대기 모듈에 의해 제공될 원하는 배율비(줌)를 결정한다.
다음을 순차적으로 수행하도록 230에서 제공된, 위의 설명된 캘리브레이션 모듈(들)을 동작시킴으로써, 출력 광 빔의 세기 분포 및 파면을 캘리브레이션하는 단계(240) : 먼저, 선택적으로, 빔 확대기의 줌을 조정; 그리고 나서 세기-재분배 광학 모듈과 인입 광 빔 사이의 가로 정렬을 조정; 및 최종적으로 위상-교정기 모듈과 중간 광 빔 사이의 가로 정렬을 조정.
따라서, 위에서 설명된 방법(200)은 빔 성형을 특정한 미리 결정된 세기 분포 및 파면의 입력 광 빔에 적용하게 하고 원하는 세기 분포 및 파면을 갖는 출력 광 빔을 획득하게 한다. 상기 방법은 가우스 세기 분포의 코히런트 빔을 톱-햇 세기 분포의 코히런트 빔으로 변환하기 위해 대략 75 내지 95 퍼센트의 고효율로 동작될 수 있다. 대략 5 내지 25 퍼센트의 잔류 손실들은, 예를 들면, (ⅰ) 광학 컴포넌트들의 불완전한 광학 전송; (ⅱ) 광학 엘리먼트들의 유한 크기에 기인하여 한계가 정해진 일부 에너지의 무한 테일(tail)을 갖는 가우스 빔; 및 엘리먼트들 및/또는 그의 정렬의 공차들을 초래할 수 있다.
이제 본 발명에 따라 구성되고 동작 가능한 빔 성형 장치를 개략적으로 나타내는 블록 다이어그램(300)을 도시하는 도 3a를 참조한다. 위의 방법(200)의 원리들 및 동작은 방법(200)을 실시하는 빔 성형 장치(300)의 구성 및 동작과 관련하여 더 이해될 수 있다. 장치(300)는 세기 및 위상 빔 성형 기법에 따라 동작하는 광학 빔 성형 시스템(301), 및 빔 성형 시스템(301)에 연결 가능한 캘리브레이션 시스템(305)을 포함한다. 이러한 예에서의 광학 빔 성형 시스템(301)은 원하는 형상(세기 프로파일 및 파면)을 갖는 출력 코히런트 광 빔을 생성하기 위해 미리 결정된 세기 및 위상 빔 성형을 그 시스템에 입력되는 코히런트 광 빔에 적용하도록 구성되고 동작 가능하다. 일부 경우들에서, 상기 시스템은 특정 가로 세기 분포를 갖는 (실질적으로 평면 파면을 갖는) 시준된 입력 빔을 수신하도록 그리고 출력에서 원하는 미리 결정된 세기 분포를 갖는 시준된 빔(즉, 평면 파면)을 생성하기 위해 빔을 성형하도록 구성된다. 캘리브레이션 시스템(305)은 특정한 원하는 세기 분포 및 파면을 갖는 출력 광 빔(Bo)을 형성하기 위해 특정한 미리 결정된 세기 프로파일/분포 및 파면을 갖는 인입 광 빔(Bi)을 성형하기 위한 시스템(301)의 광학 동작을 조정하도록 구성되고 동작 가능하다.
광학 빔 성형 시스템(301)은 세기 재분배 광학 모듈(303) 및 위상 교정 광학 모듈(304)을 포함하고, 이 둘은 광 빔(Bi)의 세로 광로(OX)를 따라 배열되고 그와 가로 정렬되도록 장착된다. 위상 교정 광학 모듈(304)은 광 전파 방향에 대하여 세기 재분배 광학 모듈(303)로부터 아래로 특정한 미리 결정된 거리에 위치된다. 시스템(301)은 또한 광학 모듈들(303 및 304)과 각각 커플링되고 (예를 들면, 광로(OX)에 직교하는 하나 또는 둘 이상의 방향들로 가로로 이동하는 광학 모듈들에 의해) 광 빔(Bi)의 광 전파 경로(예를 들면, 축)(OX)에 대하여 그의 각각의 광 모듈들(303 및 304)의 가로 정렬의 조정을 가능하게 하도록 구성되는 2개의 정렬 모듈들(303A 및 304A)(예를 들면, 조정 가능한 미니 스테이지들)을 포함한다. 선택적으로 시스템(301)은 또한 세기 재분배 광학 모듈(303)로부터 위로 위치되고 광로(OX)에 교차하는/수직인 적어도 하나의 가로 방향에 대해서 인입 광 빔(Bi)의 폭을 제어 가능하게 확대 및/또는 수축하도록 구성되고 동작 가능한 빔 확대기 모듈(302)을 포함한다. 빔 확대기는 전형적으로 그 출력에서 시준된 광 빔을 제공하면서 그 폭을 변경하기 위해 인입 시준된 광 빔과 상호작용하도록 구성된다.
캘리브레이션 시스템(305)은 광학 빔 성형 시스템(301)의 광학 동작을 모니터링/결정 및 캘리브레이션하도록 그리고 시스템(301)의 하나 또는 둘 이상의 광학 모듈들의 동작을 제어 가능하게 조정하도록 구성되고 동작 가능하다. 캘리브레이션 시스템(305)은 이미징 조립체(306)를 포함하는데, 이는 하나 또는 둘 이상의 이미저를 포함하고 광로(OX)를 따라 특정 위치들로부터 이미징 조립체로 지향되는 광 빔(Bi)의 부분(들)의 세기 프로파일들(즉, 1 또는 2 차원 세기 분포)을 이미징하도록 구성되고 동작 가능하다. 캘리브레이션 시스템(305)은 또한 그로부터 영상 데이터를 수신하는 이미징 조립체(308)에 연결 가능한 캘리브레이션 제어기(308)를 포함한다. 캘리브레이션 제어기(308)는, 시스템(301)의 특정 광학 엘리먼트들/모듈들과 그의 상호작용 이후에 광 빔 세기 분포와 관련된 영상 데이터를 처리하고, 그들 광학 모듈들의 원하는 정렬된 위치를 나타내는 정렬 데이터를 결정하도록 구성되고 동작 가능하다. 이를 위해, 캘리브레이션 제어기(308)는 범용 프로세서 또는 디지털-신호-프로세서(DSP)와 같은 프로세서(308P)를 포함할 수 있고, 빔 성형 시스템(301)에 적용될 캘리브레이션 동작들을 결정하기 위해 이미징 조립체(306)로부터 수신된 영상 데이터를 처리 및 분석하도록 구성되고 동작 가능하다. 캘리브레이션 제어기(308)는 또한 캘리브레이션 동작들의 결정시 캘리브레이션 제어기(308)에 의해(예를 들면, 프로세서(308P)에 의해) 사용되는 데이터/공식/알고리즘들을 저장하기 위한 메모리/저장 모듈(308M)을 포함할 수 있다.
캘리브레이션 시스템(305)은 또한 광학 빔 성형 시스템(301)의 정렬 모듈(303A 및 304A)에 각각 커플링되는 구동 모듈들(303ACT 및 304ACT)을 포함할 수 있다. 제어기(308)는 구동 모듈들(303ACT 및 304ACT)에 연결 가능하고, 구동 모듈들(303ACT 및 304ACT)을 동작시키기 위한 동작 명령들(예를 들면, 동작 캘리브레이션 데이터/신호들)을 생성하여, 결정된 정렬 데이터에 따라서 그에 의해 광로(OX)에 대하여 시스템(301)의 광학 모듈들(303 및 304)의 위치들을 정렬하도록 구성된다.
전형적으로 원하는 세기 분포 및 파면을 갖는 출력 빔을 획득하기 위해, 세기 재분배 광학 모듈(303)로 입력된 인입 빔(BC)은 (예를 들면, 시스템이 설계되는 특정한 통상 폭으로부터 약 2 퍼센트의) 특정 공차 레벨내에서 특정한 미리 결정된 폭을 가져야 한다. 이는 광학 면(OS)에서의 중간 광 빔(BM)의 세기 분포가 전형적으로 입력 광 빔(BC)의 폭에 민감하기 때문이다.
이를 위해, 선택적으로, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 캘리브레이션 시스템(305)은 인입 광 빔(BC)의 폭을 캘리브레이션하도록 구성된다. 이러한 실시예들에서, 캘리브레이션 시스템(305)은 빔 확대기 모듈(302)과의 그 상호작용 후에 빔(BC)의 속성들을 검사(예를 들면, 이미징 및 분석)하도록 그리고 광 빔의 폭을 특정 폭으로 적절하게 조정하도록 빔 확대기(302)를 동작시키기 위한 동작 명령을 생성하도록 구성된다. 캘리브레이션 시스템(305)은 이미징 조립체(306)와 상호작용하도록 적어도 그의 부분(BCP)을 지향시키기 위해 입력 광 빔(BC)과 맞물리도록 동작될 수 있는 광학 라우팅 조립체(302R)와 관련될 수 있다. 부분(BCP)은 광이 빔 확대기와 상호작용한 다음 이미징 조립체(306)로 재전송될 수 있다. 이미징 조립체(306)는 제어기(308)에 부분(BCP)을 나타내는 이미징 데이터를 제공하고, 또한 제어기(308)는 제공된 이미징 데이터를 처리하고, 광 빔(BC)의 폭을 결정하며, 따라서 빔 확대기(302)의 줌 속성을 조정하기 위한 동작 명령들을 발생한다. 빔 확대기(302)는, 이러한 경우, 가변 줌 능력들을 갖는 조정 가능한 빔 확대기일 수 있고, 캘리브레이션 제어기(308)는 빔 확대기(302)의 배율비(줌)를 제어하도록 그것을 동작시키고 그에 의해 광 빔(BC)의 폭에 영향을 미치기 위해 빔 확대기(302)의 구동 모듈(302ACT)과 관련될 수 있다. 인입 광의 폭을 캘리브레이션하는 이러한 절차는 입력 광 빔(BC)이 특정한 원하는 공차 임계치 내에서 원하는 폭에 이를 때까지 반복될 수 있다. 전형적으로, 구동 모듈들(302ACT)은 빔의 시준을 유지하면서 원하는 광학 줌을 설정하기 위해(즉, 원하는 빔 폭을 얻기 위해) 동작되는 2개의 스텝퍼 모터들을 포함한다.
위에서 지적된 바와 같이, 본 발명의 광학 빔 성형 모듈(301)은 세기 및 위상 빔 성형 기법에 따라 동작 가능하다. 이를 위해, 세기 재분배 광학 모듈(303)은 입력으로서 특정 폭, 세기 분포 및 파면의 광 빔(BC)을 수신하도록 구성되고 그리고 세기 재분배 광학 모듈(303)로부터 아래의 특정 광학 표면(OS)에서 특정한 원하는 세기 분포 및 폭을 갖는 중간 광 빔(BM)을 형성하기 위해서와 같이 그 광 빔의 광선들을 재분배하도록 구성된다. 전형적으로, 이러한 세기 재분배 광학 모듈(303)은 입력 광 빔(BC)의 파면 및 세기 분포에 따라 그리고 광학 표면(OS)에서의 중간 광 빔(BM)에 의해 획득될 원하는 세기 분포에 따라 설계된 하나 또는 둘 이상의 렌즈들의 조립체(즉, 예를 들면, 가능하면 단일 비구면 렌즈를 이용하는 회절 및/또는 굴절 렌즈들)에 의해 실시될 수 있다.
광학 표면(OS)에서의 중간 광 빔(BM)의 세기 분포는 전형적으로 세기 재분배 광학 모듈(303)과 입력 광 빔(BC) 사이의 가로 정렬에 민감하다. 실제로, 일부 경우들에서(예를 들면, 가시광과 같은 특정 광 파장들에 대하여), 이러한 가로 정렬에서의 불일치들은 시스템들 동작에 관한 허용할 수 있는 효과들을 나타낼 수 있다. 이는 전형적으로 광학 엘리먼트들 사이의 거리가 파장에 대하여 정비례/양적 비례(positive proportion)하기 때문이다. 따라서, 특정 빔 폭에 대하여, 광학 엘리먼트들 사이의 거리와 그 폭의 비율은 파장에 따라 증가한다. 따라서, 요구되는 정렬 정확도는 더 긴 파장들에 대하여 감소될 수 있다. 그러나, (UV 및 심-DUV 체계들에서의 광과 같은) 단파장들을 스포팅(sporting)하는 광에 대하여, 세기 재분배 광학 모듈(303)과 광 빔(BC) 사이의 가로 정렬에서의 작은 불일치들이라도 광학 표면(OS)에서 획득된 세기 분포에 대한 상당한 오차들을 초래할 수 있다.
많은 경우들에서(예를 들면, 단파장들의 광 빔들을 성형하는 경우), 세기 재분배 광학 모듈(303)과 광 빔(BC) 사이의 정렬은 정확하게 캘리브레이션되어야 한다. 이는 중간 광 빔(BM)의 세기 분포를 모니터링/검출하고 따라서 광 빔(BC)에 대하여 광학 모듈(303)을 정렬하기 위한 캘리브레이션 시스템(305)을 구성함으로써 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 캘리브레이션 시스템(305)은 이미징 조립체(306)와 상호작용하기 위해 적어도 그의 부분(BMP)을 지향시키기 위해 중간 광 빔(BM)과 상호작용하도록 동작될 수 있는 광학 라우팅 조립체(303R)와 관련된다. 또한, 이미징 조립체는 그 광 부분(BMP)의 세기 프로파일/분포를 이미징하고 대응하는 이미징 데이터(본 명세서에서 제 1 영상으로 지칭됨)를 제어기(308)로 제공한다. 제어기(308)는 제공된 제 1 영상 데이터를 분석하고 세기 재분배 광학 모듈(303)의 정렬을 위한 동작 명령들을 결정한다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 광 부분(BMP)이 그에 따라 전파하는 세기 재분배 광학 모듈(303)과 이미징 조립체(306) 사이의 광로의 길이는 재분배 광학 모듈(303)과 광학 표면(OS) 사이의 광학적 거리와 실질적으로 동일하도록 구성된다. 예를 들면, 광학 라우팅 조립체(303R)는 광학 모듈(303)과 표면(OS) 사이의 광학적 길이와 실질적으로 동일한 광학적 길이를 갖는 광로(OP1)를 따라 전파하기 위해 광 부분(들)(BMP)을 지향시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 이미징 조립체(306)는 라우팅 조립체(303R)가 중간 광 빔(BM)과 맞물리지 않았으면, 그것이 광학 표면(OS)에서 나타날 것이기 때문에 중간 광 빔(BM)의 세기 분포의 영상(즉, 제 1 영상 데이터인)을 캡쳐한다. 제어기(308)는 세기 재분배 광학 모듈(303)의 적절한 정렬을 위한 구동 명령들을 결정하기 위해 모델(예를 들면, 알고리즘)을 이용하는데, 이는 제 1 영상(즉, 표면(OS)에서 중간 광 빔의 세기 분포를 나타내는 세기 영상)에 관한 광학 모듈(303)의 오정렬의 효과들을 나타낸다. 이러한 모델은, 예를 들면, 제어기 메모리 모듈(308M)에 저장될 수 있다. 모델은 광학 모듈(303)의 상이한 정렬들과 중간 광 빔(BM)의 결과적인 세기 분포 사이의 대응을 나타낼 수 있다. 모델은 현재와 원하는 출력 세기 분포 사이의 편차를 결정하고 그에 의해 세기 재분배 광학 모듈(303)의 오정렬을 나타내는 데이터를 결정하기 위해, 중간 광 빔 부분(BMP)의 캡쳐된 제 1 영상 데이터와 함께 사용될 수 있다(예를 들면, 비교될 수 있다).
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 라우팅 조립체(303R)는 상이한 길이들을 갖는 다양한 광로들(OP1)을 따라 이미징 조립체(306) 이미저로 전파하기 위해 광 빔 부분(BMP)을 지향시키도록 구성될 수 있음에 주목해야 한다. 따라서, 제어기(308)는 광학 모듈(303)의 가로 정렬을 결정하기 위해 상이한 모델들, 또는 가능하면 다른 기법들을 이용할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 예에서, 가로 X 축에 대한 광학 모듈(303)의 정렬된 위치에 대하여, 표면(OS)에서의 세기 분포는 축(X)에 대하여 실질적으로 대칭되도록 기대되는 한편, 그 축에 대한 광학 모듈(303)의 가로 오정렬들은 세기 분포에서 각각의 비대칭들을 생성하도록 기대된다. 시스템이 가우스 투 평탄한 빔 쉐이퍼(Gaussian to Flat beam shaper)로서 구성되는 특정한 경우들에서, 실질적으로 대칭의 톱-햇 세기 프로파일(예를 들면, 약 0 기울기를 갖는 평탄한 톱-햇 세기 프로파일)은 빔들이 세기 재분배 광학 모듈(303)과 상호작용한 다음에 세기 재분배 광학 모듈이 적절하게 정렬된 경우 표면(OS)에서 획득될 것이다. 세기 재분배 광학 모듈(303)의 오정렬은, 이러한 경우, 비-평탄한 톱-햇으로 나타나는 비-대칭 프로파일을 도입할 것이다.
따라서, 캘리브레이션 제어기(308)는 세기 분포에서 그 특정한 축(X)에 대한 비대칭의 양(measure)을 결정하고 그에 의해 광학 모듈(303)이 오정렬되는지 여부, 오정렬의 방향 및 가능하다면 또한 오정렬의 크기를 결정하도록 구성될 수 있다. 비대칭의 양은 세기 분포를 처리하고 세기 분포를 역대칭 함수로 곱하며, 비대칭 파라미터/지표(예를 들면, 스칼라 값)를 획득하기 위해 곱셈 결과를 적분하는 것과 동등한 동작들을 수행함으로써 캘리브레이션 제어기(308)에 의해 획득될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 비대칭의 양(비대칭 파라미터 값)은 또한 다른 적절한 기법들을 이용하여 획득될 수 있다. 예를 들면, 톱-햇 세기 분포가 빔 성형에 의해 획득될 경우, 비대칭의 측정은 톱-햇의 평탄도(예를 들면, 결과적인 톱-햇 세기 프로파일의 평균 기울기/도함수(derivative))에 대응할 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명의 일부 실시예들에서, (예를 들면, 톱-햇이 평탄한 스팟(spot)/빔의 중심 부분에 대응하는) 영상 데이터의 단지 관심 영역(ROI)만이 분석됨이 이해되어야 한다. 영상 데이터에서의 ROI를 결정하기 위한 기법은, 예를 들면, 도 5의 방법 단계들(520 및 530)과 관련하여 아래에서 보다 구체적으로 설명된다.
2차원 경우에 대하여, 2차원 세기 분포(INd[x,y])는 가로 축들 중 하나 또는 둘 모두에 대한 분포의 비대칭의 양을 결정하기 위해 처리될 수 있어서 그에 의해 광학 모듈(303)을 가로 축들(X,Y) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 대하여 정렬할 수 있다. 예를 들면, 특정 가로 축(X)에 대한 비대칭 양을 결정하기 위해, 그 축에 대응하는 1차원 세기 프로파일(INd[x])은 (예를 들면, 2차원 세기 분포 영상의 조각(slice)의 적절한 선택/크로핑(cropping)에 의해 및/또는 세기 분포 영상을 특정 가로 방향에 수직인 가로 방향으로 적분함으로써) 2차원 세기 분포로부터 획득될 수 있다. 1차원 세기 프로파일의 비대칭 양은 그 후 프로파일을 역대칭 함수로 곱하고 그 특정 가로 축(X)에 걸쳐 적분함으로써 획득될 수 있다. 위의 절차들은 세기 재분배 모듈을 2개의 가로 축들(X,Y)을 따라 정렬하기 위해 독립적으로 수행될 수 있음이 주목된다.
비대칭 파라미터의 값은 특정 가로 축에 대한 광학 모듈(303)의 오정렬의 방향 및 가능하면 또한 오정렬의 크기를 나타낼 수 있다. 이 점에서, 역대칭 함수가, 예를 들면, 상이한 가중치들을 세기 분포의 상이한 구역들/부분들에 제공하는 함수를 선택함으로써(예를 들면, 적합한 기수 차수/거듭제곱의 다항 함수를 선택함으로써), 개선된 정확도로 비대칭 표시(비대칭 파라미터 값)의 결정을 가능하게 하도록 선택될 수 있음에 주목해야 한다.
캘리브레이션 제어기(308)는 비대칭 파라미터를 반복적으로 결정하고 광학 모듈(303)에 대한 매칭 정렬 조정을 적용하며 그리고 광학 모듈(303)의 충분히 정렬된 위치가 획득될 때까지(비대칭 파라미터의 충분하게 대칭인 값에 의해 나타날 때까지) 이러한 프로세스를 반복하도록 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 역대칭 함수는 그에 의해 획득되는 비대칭 파라미터 값과 광학 모듈의 오정렬의 크기 사이의 특정 함수 관계를 생성하도록 선택될 수 있다. 즉, 함수는, 예를 들면, 비대칭 파라미터와 광학 모듈(303)의 오정렬 거리 사이에 선형 대응이 획득되도록 선택될 수 있다. 선택적으로, 대안적으로 또는 추가적으로, 오정렬의 크기/거리를 추정하기 위해, 제어기(308)는 비대칭 파라미터 값들을 오정렬 크기들/거리들과 관련시키는 모델(예를 들면, 룩업 테이블(lookup table; LUT) 또는 공식)을 이용할 수 있다.
세기 재분배 광학 모듈(303)의 오정렬을 나타내는 데이터를 결정하면, 캘리브레이션 제어기(308)는 광로(OX)에 대한 세기 재분배 광학 모듈(303)의 위치/정렬을 조정하도록 구성되고 동작 가능하다. 이를 위해, 캘리브레이션 제어기(308)는 구동 모듈(303ACT)에 연결 가능할 수 있고 (예를 들면, 정렬 모듈(303A)을 구동함으로써) 광학 모듈(303)을 더 잘 정렬하도록 구동 모듈(303ACT)을 동작시키기 위한 동작 명령들을 생성하도록 구성될 수 있다. 광학 모듈(303)의 위치(및 가능하면 배향)의 정렬/캘리브레이션의 절차는 그 후 광학 모듈(303)이 입력 광 빔(BC)에 대하여 충분한 공차 레벨까지 적절하게 위치될 때까지 반복될 수 있다.
광학 모듈(303)이 원하는 출력 세기 분포를 제공하기 위해 적절하게 정렬된 다음, 세기 프로파일에 영향이 없이 광학 표면(OS)에서의 중간 광 빔(BM)의 광선들의 위상들을 교정하기 위해 그리고 그에 의해 원하는 파면을 갖는 출력 광 빔을 제공하기 위해 위상 교정 광학 모듈(304)의 정렬이 수행된다. 광학 모듈(303)의 위치가 중간 광 빔(BM)의 위상에 영향을 미치고 따라서 중간 광 빔(BM)의 위상이 바람직하게는 세기 재분배 광학 모듈(303)의 위치가 적절하게 정렬/캘리브레이션된 다음에만 위상 교정 광학 모듈(304)을 캘리브레이션함으로써/정렬함으로써 교정됨이 주목된다.
캘리브레이션 모듈(305)은 위상 교정 광학 모듈(304)과 그의 상호작용 후에 출력 광 빔(BE)의 파면을 나타내는 데이터를 결정하도록 그리고 위상 교정 광학 모듈(304)의 오정렬을 결정하도록 구성되고 동작 가능하다. 이 점에서, 파면(즉, 특정 광학 표면에서의 광 빔의 위상-분포)의 결정은 간단하지 않다. 파면은 파면 센서(즉, 간섭계, 샥 하트만(Shack hartmann) 센서 등)의 도움으로 측정될 수 있지만, 이를 시스템(300)에 부가하는 것은 그 복잡도를 상당히 증가시킬 것이다.
이러한 문제는 근거리 장(near field) 광학 구역에서(예를 들면, 광학 표면(OS)의 주변에서)의 광 빔의 위상 분포(파면 구조)는 중간 및/또는 원거리 장 구역들에서의 광 세기 분포에 영향을 미침에 주목함으로써 본 발명에 의해 해결된다. 이를 위해, 근거리 장(OS 부근)에서의 광 빔의 파면 구조는 표면(OS)에 대한 원거리/중간 장들/체계들에서의 광 빔의 세기 분포를 측정(예를 들면, 이미징)함으로써 우수한 정확도로 결정/추정될 수 있고, 따라서 근거리 장에서의 파면은 원거리/중간 장들에서의 하나 또는 둘 이상의 이러한 측정들을 이용하여 조정될 수 있다. 여기서 용어 근거리 장은 프레넬 수(Fresnel number) F가 1보다 크거나 그와 같은(예를 들면, F = a2/(Lλ)≥ 1, 여기서, a는 조리개/광학-엘리먼트의 특성 크기이고, L은 조리개/광학-엘리먼트로부터의 거리이며, λ는 파장임) 광계(optical field)의 구역으로서 고려될 수 있음에 주목해야 한다. 용어들 중간- 및 원거리 장들은 프레넬 수 F가 1보다 작은(예를 들면, 원거리-장은 프레넬 수 -F << 1인 구역인 반면 중간 장이 F~1임) 구역들로 고려될 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면, 중간/원거리 장들에서의 빔의 회절된 패턴에 대한 근거리 장에서의 톱-햇 빔의 파면 오차의 영향이 측정될 수 있고 위상 교정 광학 모듈(304)의 오정렬을 추정/교정하기 위해 사용될 수 있다. 근거리(및 중간/원거리) 장 체계에서, 뾰족한 에지들을 갖는 톱-햇 빔을 전파하는 즉각적인 영향은 혼(horn)들을 증가시킬 것이다. 일그러진 파면에 의해 특징된 톱-햇은 평탄하지 않은 혼들을 증가시킬 것이다. 다시 말해서, 회절된(즉, 자유 공간에서의 전파 이후에) 평탄한 광 빔의 세기 분포를 측정(예를 들면, 이미징)함으로써, 광의 파면 오차가 표시되고 조정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 캘리브레이션 시스템(305)은 위상 교정 광학 모듈(304)과 그의 상호작용 이후에 광 빔(BE)의 적어도 부분(BEP)과의 제어 가능한 맞물림을 위해 구성되고, 그리고 그 부분(BEP)의 회절된 톱-햇 이미징을 제공하기 위해 선택된 광로(OP2)를 따라 이미징 조립체(306)로 그 부분(BEP)을 전파하도록 지향시키기 위해 구성되는 광학 라우팅 조립체(304R)와 관련될 수 있다. 이미징 조립체(306)는 광 빔(BE)의 중간-/원거리 장 세기 분포를 나타내는 영상 데이터(이러한 영상 데이터는 본 명세서에서 제 2 영상 데이터로 지칭됨)를 캡쳐하고 캘리브레이션 제어기(308)는 중간 광 빔(BIM)에 대한 위상 교정 광학 모듈(304)의 위치를 나타내는 정렬 데이터를 결정하기 위해 중간-/원거리-장 세기 분포(즉, 제 2 영상 데이터)를 이용할 수 있다.
캘리브레이션 제어기(308)는 그에 의해 위상 교정 광학 모듈(304)의 정렬을 위한 동작 명령들(동작 데이터/신호들)을 생성하도록 광 빔(BE)의 원거리-/중간-장 세기 분포를 나타내는 캡쳐된 영상 데이터(제 2 영상 데이터)를 처리하기 위한 모델(데이터, 공식 또는 알고리즘)을 이용하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 캘리브레이션 제어기(308)는, 캡쳐된 영상 데이터에서의 ROI를 결정하고, 위상 교정 광학 모듈(304)의 정렬된 상태에서 중간 장에서 획득되어야 하는 세기 분포의 모델에 대해 영상의 ROI를 비교하고, 그리고 광학 모듈(304)의 오정렬의 방향 및/또는 크기를 나타내는 오정렬 데이터를 결정하기 위해 그러한 비교를 이용하도록 구성 및 동작가능하다. 그 다음 동작 명령들이 그에 따라 광학 모듈(304)을 정렬하기 위해 구동 모듈(304ACT)을 동작시키도록 생성될 수 있다. 위상 교정기 광학 모듈(304)을 캘리브레이션/정렬하는 절차는 광학 모듈(304)이 충분한 공차 레벨까지 정렬될 때까지 선택적으로 반복될 수 있다.
이를 위해, 예를 들면, 광학 모듈(304)의 정렬된 상태에서, 중간-/원거리-장 세기 분포는 광학 모듈(304)의 작은 오정렬들(예를 들면, 수십 미크론의 오정렬)에서조차도 실질적인 비대칭을 나타내지만, 일반적으로는 실질적으로 대칭이다. 따라서, 캡쳐된 중간-/원거리-장 세기 분포에서의 비대칭을 결정함으로써, 광학 모듈의 오정렬을 나타내는 데이터(방향 및/또는 거리)가 획득될 수 있다. 광학 모듈(304)에 대한 오정렬 데이터의 결정은 중간-/원거리-장 세기 분포의 ROI를 처리하고 ROI에서의 세기 분포의 비대칭을 나타내는 비대칭 파라미터를 결정함으로써 획득될 수 있다. 비대칭 파라미터의 결정은 당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같은 임의의 적합한 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 위의 설명된 것과 유사하게, 캘리브레이션 제어기(308)는 캡쳐된 중간-/원거리-장 세기 분포를 역대칭 함수로 곱하도록 구성될 수 있다. 함수는 가로 축에 대하여 역대칭일 수 있으며, 이 가로축에 대하여 오정렬이 결정되어야 한다. 그 다음, 캘리브레이션 제어기(308)는 이러한 가로 축을 따라 광학 모듈(304)의 오정렬을 나타내는 특정한 비대칭 파라미터 값을 획득하기 위해 곱셈의 결과를 적분할 수 있다. 유사한 절차가 또한 제 2 가로 축을 따라 광학 모듈(304)을 정렬하기 위해 수행될 수 있다.
위에 지적된 바와 같이, 역대칭 함수는 결과의 비대칭 파라미터 값과 모듈(304)의 오정렬 상태의 방향/크기 사이의 상관관계(correlation)를 개선하기 위한 가중 함수로서 또한 작용하도록 특별히 선택될 수 있다. 가능하면, 모델(예를 들면, 데이터, LUT 또는 공식)이 그에 의해 획득된 비대칭 파라미터 값과 함께 모듈(304)의 가로 오정렬의 크기(거리)를 결정하기 위해 사용된다. 따라서, 비대칭 파라미터 값은 위상 교정 광학 모듈(304)을 정렬하기 위한 동작 명령들을 결정하도록 사용될 수 있다.
이제 광학 빔 성형 시스템(301)의 세기-재분배 및 위상-교정기 광학 모듈들(303 및 304)의 광학 동작을 개략적으로 도시하는 도 3b 및 도 3c를 참조한다. 인입 광 빔(BC) 상의 광학 모듈들(303 및 304)의 동작이 모듈들(303 및 304) 모두가 광 빔에 대하여 실질적으로 가로로 정렬되는 상태로 도시된다.
여기서, 광학 엘리먼트들(303 및 304)은 평면 파면(WvFntC) 및 가우스 세기 분포(IntDC)를 갖는 인입 광 빔(BC)에 대하여 정렬되어 동작하도록 그리고 평면 파면(WvFntE) 및 톱-햇 세기 분포(IntDE)를 갖는 출력 광 빔(BE)을 생성하기 위한 광 빔의 전파에 영향을 미치도록 설계된다. 세기 재분배 광학 엘리먼트(303)는 광학 표면(OS)에서의 톱-햇 세기 분포를 갖는 중간 광 빔(BM)을 형성하는 바와 같은 가우스 분포된 인입 빔(BC)의 광선들을 재지향시키도록 구성되는 적합한 포커싱(focusing) 및 디포커싱(de-focusing) 구역들(FR 및 DFR)을 갖도록 설계된다. 광 빔들의 세기는 도면에서 광 빔의 광선들을 나타내는 화살표들의 밀도로 지정된다. 세기 재분배 광학 엘리먼트(303)와 상호작용 이후에, 중간 광 빔(BIM)의 파면(WvFnt1)은 인입 광 빔(BC)의 평면 파형(WvFntC)과 상이하게 되고, 원하는 출력 세기 분포(예를 들면, 톱-햇)가 획득되는 광학 표면(OS)으로의 광 빔의 전파 동안 파면(WvFnt2)으로 더 변화된다. 표면(OS)의 부근에서, 위상 교정기 광학 모듈(304)이 위치된다. 위상 교정기 모듈은 출력 빔(BE)의 원하는 파면(WvFntE)(예를 들어, 평면 파면)을 생성하기 위해 중간 광 빔의 파면(WvFnt2)에 영향을 미치도록 구성된다.
도 3b의 예에서, 세기 재분배 광학 모듈(303) 및 위상 교정기 광학 모듈(304)은 굴절 광학 엘리먼트들/렌즈들에 의해 실시된다. 이러한 굴절 광학 엘리먼트들로부터의 인입 광 빔(BC)의 가우스 가로 세기 프로파일 및 출력 광 빔(BE)의 톱-햇 가로 프로파일이 도 3c에 개략적으로 도시된다. 굴절 광학 엘리먼트들의 이러한 배열에 의해 획득된 전체 세기 전송 효율은 도 3c에서 약 90%로 나타난다.
이제 도 3d를 참조하면, 세기-재분배 및 위상-교정기 광학 모듈들(303 및 304)이 회절 광학 엘리먼트들을 이용하여 구성되고 실시되는 본 발명의 실시예에 따른 광학 빔 성형 시스템(301)의 광학 동작이 개략적으로 도시되어 있다. 이 점에서, 위에서 언급된 바와 같이, 본 발명의 세기 및 위상 빔 성형 시스템(301)은 굴절 및/또는 회절 광학 모듈들/엘리먼트들을 이용하여 실시될 수 있고, 여기서 도 3b를 참조하여 위에서 설명된 세기 재분배 및 위상 교정의 동일한 원리들이 또한 도 3d의 회절 경우에 대해 적용 가능하다. 이런 이유로, 광 빔 속성들(예를 들면, 세기 분포 및 파면)을 지정하기 위해 도 3b에 사용된 것과 유사한 참조 번호들이 또한 도 3d에 사용된다.
회절 접근법은 위에 설명된 것과 유사한 세기 빔 성형 및 위상 조정/교정을 위해 각각 구성되는 2개의 회절 컴포넌트들(즉, 격자들과 같은 광학 엘리먼트들/모듈들)의 사용에 기초한다. 따라서, 또한 시스템 캘리브레이션은 또한 위에서 설명된 것 및 아래에 더 설명될 것과 유사하다. 도 3d의 본 예에서, 빔 성형 시스템은 회절의 제 1 브래그 차수(Bragg order)(또한 편축(off axis) 차수 1로서 알려진)에 대해 동작하도록 구성된다. 1차 브래그 차수에서의 시스템의 동작의 결과, 위상 교정기 광학 모듈(304)은 세기 재분배 모듈(303)의 위치에 대하여 가로로 오프셋된다. 위상 교정기 광학 모듈(304)의 오프셋은 빔의 회절 재분배 모듈(303)과의 상호작용 동안 획득되는 제 1 브래그 회절 차수의 편향에 따라 구성되었다.
(본 예에서, 제 1 브래그 회절 차수로 동작도록 구성되는) 회절 광학 모듈들(303 및 304)의 각각의 회절 효율은 대략 90%이다. 따라서, 빔 성형 시스템(301)에 의해 획득된 전체 효율은 제 1 브래그 회절 차수로 동작하도록 구성된 경우 약 75%이다. 이러한 빔 성형 시스템의 일부 굴절 이행들에서, 약 95%의 효율이 획득될 수 있다.
본 발명의 시스템(301)이 또한 다른 브래그 회절 차수들로 동작하도록 구성되어 있는 광학 모듈들(303 및 304)로 실시될 수 있음이 이해되어야 한다. 특히, 도 3e는 도 3d의 실시예들에서 사용되고 적절한 세기 빔 성형이 제 1(편축) 브래그 회절 차수에 적용되도록 구성되는 회절 세기 재분배 모듈(303)의 개략적인 예시이다. 도 3f는 빔 성형이 축-상(on-axis) 회절 차수에 적용되는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 사용되는 회절 세기 재분배 모듈(303)의 개략적인 예시이다. 특히, 이러한 회절 세기 재분배 모듈(303)은 적절한 세기 빔 성형이 영(zeros)(축-상) 브래그 회절 차수에 적용되도록 구성된다.
위에서 언급된 바와 같이, 출력 광 빔(BE)의 속성들은 일반적으로 광학 모듈들(303 및 304)의 위치뿐만 아니라 배향에 민감할 수 있다. 따라서, 장치(300)는 광학 모듈들(303 및 304)의 위치/정렬 및 배향 양자를 캘리브레이션하도록 선택적으로 구성될 수 있다. 그러나, 특정 실시예들에서, 출력 광 빔(BE)의 세기 분포 및 파면은 광학 모듈들의 위치 및 배향의 다른 속성들에 덜 민감하면서, 광로(OX)에 대하여 실질적으로 직교하는 하나 또는 2개의 가로 방향들에 대한 광학 모듈들(303 및 304)의 가로 정렬에 특별히 민감할 수 있다. 따라서, 이러한 실시예들에서, 장치(300)는 이들 하나 또는 2개의 가로 방향들에 대해서만 광학 모듈들(303 및 304)의 정렬을 캘리브레이션하도록 구성될 수 있다.
도 3a의 광학 빔 성형 시스템(301)은 1 또는 2 차원 빔 성형을 위해 구성되고 동작 가능할 수 있음에 또한 주목해야 한다. 즉, 시스템(301)은 단지 하나의 가로 방향에 대해서만 광 빔의 세기 분포 및 파면에 영향을 미치도록 구성될 수 있거나, 그것은 광 빔의 2 차원 세기 분포 및 파면에(즉, 빔의 광로에 수직인 2개의 가로 방향들에 대하여) 영향을 미칠 수 있다. 이를 위해, 제 1 경우(1차원 빔 성형)에서, 광학 모듈들(303 및 304 및 가능하면 또한 302)은 단지 하나의 가로 방향에 대한 빔의 세기 분포에 영향을 미치기 위한 원통형 광학 엘리먼트들을 포함하고 이용할 수 있다. 또한, 이러한 원통형 광학 엘리먼트들의 정렬은 단일 가로 방향에 대하여 요구될 수 있다. 따라서, 미니-스테이지들(303A 및 304A)은 단지 그 하나의 가로 방향에 대해서만 가로 정렬하도록 구성될 수 있다. 후자의 경우(2차원 빔 성형), 가로 정렬은 광로(OX)에 대한 2개의 가로 방향들에서 요구될 수 있다. 따라서, 미니-스테이지들(303A 및 304A)은 2차원 가로 정렬들을 위해 구성될 수 있다. 시스템(301)이 광 빔의 2차원 세기 분포 및 파면에 영향을 미치도록 구성되는 다양한 실시예들에서, 시스템은 2개의 가로 방향들에 대하여 상이한 또는 유사한 빔 성형에 영향을 미치도록 구성될 수 있음에 주목해야 한다. 따라서, 광학 모듈들(303 및 304)은 원통형 및/또는 방사상 대칭 광학 엘리먼트들을 포함/이용할 수 있다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 빔 성형 장치/시스템(400)을 개략적으로 나타내는 블록 다이어그램을 도시하는 도 4를 참조한다. 시스템(400)은 평면 파면 및 방사상으로 대칭인 가우스 세기 분포를 갖는 입력 광 빔을 수신하도록 그리고 그로부터 제 1 가로 방향(X)을 따른 평면 파면 및 톱-햇 세기 분포/프로파일 및 제 1 가로 방향에 수직인 제 2 가로 방향(Y)을 따른 가우스 세기 프로파일을 갖는 출력 빔을 생성하도록 구성되고 동작 가능하다. 빔 성형 시스템(400)은 또한 제 1 가로 방향에 대한 제 1 배율비 및 제 2 가로 방향에 대한 제 2 배율비를 제공하는(예를 들면, 일부 경우들에서, 제 2 가로 방향에 대한 배율이 없고 - 제 2 배율비는 1임) 빔에 비등방성 배율을 제공하도록 구성된다.
빔 성형 시스템(400)은 광학 빔 성형 시스템/모듈(401) 및 캘리브레이션 시스템/모듈(405)을 포함한다. 빔 성형 모듈(401)은 (예를 들면, 등방성 배율을 갖는) 조정 가능한 구면 빔 확대기(402), (예를 들면, 1차원) 비등방성 세기 재분배 광학 엘리먼트(들)(403), 대응하는 1차원 위상 교정 광학 엘리먼트(들)(404) 및 1차원 빔 확대 조립체(415)를 포함한다. 광학 엘리먼트들(401,403,404) 및 빔 확대 조립체(415)는 빔 성형 모듈(401)을 통한 광로를 따라(예를 들면, 광 빔(B)의 광 전파 경로를 따라) 그 순서로 순차적으로 배열되고, 서로 간격을 두고 떨어진다. 빔 성형 모듈(401)은 또한 1차원 세기 재분배 광학 엘리먼트(403) 및 위상 교정 광학 엘리먼트(404)에 각각 커플링되고 광로(OX)에 대한 그의 가로 정렬을 허용하도록 구성되는 2개의 정렬 모듈들(예를 들면, 미니-스테이지들; 도면에 도시되지 않음)을 포함한다. 캘리브레이션 모듈은 제어기(408), 영상 데이터를 그에 제공하기 위해 제어기에 연결 가능한 CCD 이미저(406), 및 미러들(M1 내지 M4), 렌즈(L3) 및 그의 상이한 단면들에서 광로(OX)와 조정 가능한 광학적 맞물림을 위해 구성되는 적합한 액추에이터들을 포함하는 광 라우팅 광학 엘리먼트들을 포함한다.
본 예에서, 세기 재분배 광학 엘리먼트(403)는 광학 엘리먼트(403)의 위치로부터 특정 거리에서 (그 가로 축에 대해) 평탄한 세기 프로파일을 형성하기 위해 (특정 가로 축(X)에서) 인입 광의 가우스 세기 프로파일을 매핑하도록(map) 구성되고 동작 가능하다. 위상 교정 광학 엘리먼트(404)는 제 1 엘리먼트가 평탄한 세기 프로파일을 생성하도록 설계되었던 평면에 위치되면서 광 빔의 평면파 파면을 복원/재구성하도록 구성된다. 세기 재분배 및 위상 교정 광학 엘리먼트들(403 및 404)은 비구면 원통형 렌즈들로서 실시될 수 있다. 따라서, 어떤 가로 방향에서 가우스 세기 프로파일을 갖는 빔 쉐이퍼(401)로 진입하는 광 빔은 빔 쉐이퍼(401)에 의해 제 2 가로 방향에서 그의 파면도 그의 세기 프로파일도 실질적으로 위상 교정 광학 엘리먼트(404)로부터의 출력에서 영향받지 않으면서 그 가로 방향으로 톱-햇 세기 프로파일을 갖도록 형성된다. 1차원 빔 확대 조립체(415)는 또한 제 2 가로 방향에 대하여 배율에 영향을 미치지 않으면서 제 1 가로 방향에 대해 광 빔에 대한 배율을 위해 구성되는 원통형 렌즈들을 포함할 수 있다.
미러들(예를 들면, 잠망경 미러들)(M1,M2,M3 및 M4) 및 렌즈(L3)를 포함하는 광 라우팅 광학 엘리먼트들은 도 3a에 대하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 광학 모듈들(402,403 및 404)의 광학 캘리브레이션 및 정렬을 가능하게 하기 위해 광로(OX)의 상이한 단면들로부터 이미저(406)로 광을 선택적으로 지향시키도록 구성되는 라우팅 조립체들을 형성하도록 배열된다. 추가적으로, 본 예에서, 세기 재분배 광학 모듈(403)은 그 광이 광학 모듈(403)과 상호작용하지 않고 빔 확대기(402)로부터 이미저(406)로 광을 지향시킬 수 있도록 하기 위해 광로로부터 철회되도록 이동 가능하게 장착된다. 이들 라우팅 광학 엘리먼트들의 배열은 도 5a 내지 도 5g의 설명에 대하여 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
이제 도 5a 내지 도 5h로 돌아와서, 본 발명의 실시예에 따른 빔 성형 시스템을 캘리브레이션하기 위한 방법이 도시되어 있다. 특히, 도 4의 시스템(401)과 같은 빔 성형 시스템은 인입 가우스 빔의 폭에 관해서뿐만 아니라 빔의 광학 축(가우스 중심)과 광학 엘리먼트들(403 및 404)의 광학 축 사이의 상대적인 가로 거리에 관하여 엄격한 공차로 동작하는 것을 필요할 수 있다. 예를 들면, 인입 빔의 폭에 대한 허용할 수 있는 공차는 약 1.5%이고 광학 엘리먼트들(403 및 404)은 5㎛ 및 15㎛보다 작은 오차 내에서 각각 가로로 정렬되어야 한다.
도 5a에서, 흐름도(500)는 본 발명의 광학 빔 성형 시스템들(예를 들면, 도 4의 401)을 캘리브레이션하기 위한 본 발명의 캘리브레이션 방법의 예를 설명하도록 제공된다. 방법(500)은 위에서 설명된 방법(200)의 단계 240의 동작의 예이다. 방법(500)은 순차적으로 (차례로 된 방식으로) 수행되는 3개의 캘리브레이션 단계들(510,520 및 530)을 포함한다. 단계 510은 인입 광 빔의 폭이 조정되는 선택적인 단계이다. 단계 520은 인입 광 빔과 세기 재분배 광학 모듈(예를 들면, 도 4의 렌즈(403)) 사이의 정렬을 조정함으로써 출력 빔의 세기 분포를 캘리브레이션하도록 수행된다. 단계 530은 그 이후에 광 빔의 원하는 세기 분포가 획득되는 위치에서 위상 교정기 모듈(도 4의 렌즈(404))을 광 빔에 대하여 정렬함으로써 출력 빔의 파면을 캘리브레이션하도록 수행된다. 다음에서, 이들 단계들은 상세하게 설명되고 그들의 동작은 도 4의 시스템(400)을 참조하여 예시된다.
이를 위해, 캘리브레이션 방법(500)은 (예를 들면, 광학 시스템의 DOF 매트릭스를 분리하는) 본 발명의 광학 빔 성형 시스템의 상이한 광학 엘리먼트들/모듈들과 관련되는 자유도들(DOF)을 독립적으로 그리고 순차적으로 캘리브레이션하도록 제공된다. 특히, 상이한 광학 모듈과 관련된 각 DOF는 단계들(510,520 및 530) 중 하나인 독립적인 캘리브레이션 단계에 의해 독립적으로 그리고 순차적으로 캘리브레이션된다. 캘리브레이션 방법(500)은 이들 독립적인 단계들의 순차적인 조합이다.
특히, 선택적인 단계 510에서, 입사 빔 크기(예를 들면, 가로 폭들/반경들)의 캘리브레이션이 먼저 수행된다. 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 이는 다음에 의해 수행된다 :
ⅰ. 입사 광학 빔(인입 빔(BC) 또는 그의 부분(BCP))을 이미저(406)를 향하여 곧바로 지향시킴(예를 들면, 빔을 광로를 따라 이미저로 전파되도록 지향/편향시킴 및/또는 빔 성형 광학 모듈(403)을 이러한 광로로부터 멀리 이동시킴). 이는 빔 확대기(402)와 이미저 사이의 광로가 역 미러(retro mirror)들(M1 및 M2)의 적절한 위치결정에 의해 형성되는 도 5b에 도시된다.
ⅱ. 인입 빔(BC)의 폭 및/또는 시준을 캘리브레이션 함(빔 확대기(402)의 줌 및/또는 시준을 캘리브레이션). 빔의 영상은 이미저(406)로부터 획득되고 광 빔의 세기 프로파일(예를 들면, X 가로 축을 따른 1차원 세기 프로파일)이 결정된다. 빔 폭은 그 뒤 예를 들면, 가우스 근사치를 이용함으로써 결정될 수 있다. 그 다음 빔 확대기의 줌 상태를 조정하기 위한 새로운 배율 값들이 그 후에 예를 들면, 룩-업 테이블(확대기들 줌 대 빔 확대기 상태를 나타내는 LUT)을 이용한 빔 폭 또는 측정된 빔 폭을 원하는 배율로 관련시키는 공식에 기초하여 및/또는 이미저(406)로부터의 영상들의 추가 처리에 기반한 피드백에 의해 획득될 수 있다. 특히, 인입 빔이 가우스 세기 프로파일을 갖는 경우들에, 가우스 빔의 폭은 이미저(406)에 의해 획득된 빔의 영상의 세기 프로파일을 식
Figure 112017037448862-pat00001
의 가우스 프로파일로 피팅(fitting)함으로써 추출될 수 있는데, 여기서 A는 가우스 중심에서의 빔들 세기이고, ω는 가우스 절반 폭이며, x는 X 축을 따른 좌표이다. 빔의 영상의 세기 프로파일을 이러한 가우스 함수로 피팅함으로써, 빔의 폭(ω)이 추정될 수 있다.
*입사 빔(BC)의 크기의 캘리브레이션 이후에, 세기-재분배 광학 모듈(403)의 캘리브레이션은, 예를 들면, 다음을 수행함으로써 단계 520에서 실행된다 :
ⅰ. 세기-재분배 광학 모듈(403)은 이미저(406)로 전파하는 중간 광 빔(BM)(또는 그의 부분(BMP))을 형성하기 위해 (예를 들면, 광학 모듈(403))을 광로 안으로 이동시킴으로써) 빔 확대기(402)와 이미저(406) 사이의 빔(BC)의 광로 안으로 도입된다.
ⅱ. 중간 광 빔(BM)의 영상을 이미저(406)로부터 획득함. 특히, 빔 성형 시스템(400)이 가우스 투 평탄한 빔 쉐이퍼로 구성되는 경우들에, 중간 광 빔(BM)의 '톱-햇' 영상이 획득된다.
ⅲ. 그에 따라 획득된 톱-햇 영상의 대칭/평탄도 파라미터를 평가(예를 들면, 톱-햇 영상의 비대칭 파라미터를 결정함). 평가된 파라미터(예를 들면, 비대칭 파라미터)는 재분배 광학 모듈(403)의 오정렬을 나타냄. 특히, X 가로 축에 대하여 빔 성형이 얻어지는 경우들에서(예를 들면, 1차원 빔 성형), X 축을 따른 톱-햇 세기 프로파일의 평탄도는 다음과 같이 결정될 수 있다 :
a. 관심대상(interest)의 가로 축(X 축)에 대한 빔의 세기 프로파일을 나타내는 영상의 부분/조각을 결정. 예를 들면, (예를 들면, X에 수직인) Y 가로 축을 따른 영상의 가우스 세기 프로파일을 고려 및 그의 피크 좌표를 추출하기 위해 그것을 가우스로 피팅. 톱-햇 영상의 조각은 연산된 바와 같이 Y 가로 축에 대한 가우스 세기 프로파일의 중심 부근에서 잘라지고/취해진다. 이러한 영상 조각은 X 축에 대한 빔의 평균 세기 프로파일(X 세기 프로파일)을 획득하기 위해 Y 축에 대하여 더 평균될 수 있다.
b. 그에 따라 획득된 X 세기 프로파일에서의 관심 영역(ROI)을 결정. 이는 X 세기 프로파일에서 톱-햇의 폭/경계들의 결정을 목표로 한다(예를 들면, 세기 프로파일의 반값 전폭(full width at half maximum; FWHM)을 결정한다). 예를 들면, 잘라진 조각의 평균/미가공(raw) 데이터는 식
Figure 112017037448862-pat00002
의 슈퍼-로렌츠(super-Lorenzian)로 피팅될 수 있는데, 여기서 A는 로렌츠의 스케일 팩터(scale factor)이고, x는 X 축을 따른 좌표이며, ω는 피팅된 로렌츠의 폭이다. 피팅된 로렌츠의 폭(ω)은 ROI의 폭에 대응한다.
c. ROI 내에서 톱-햇 성형된 세기 프로파일의 선형성/평탄도에 대응하는 비대칭 파라미터를 결정. 예를 들면, ROI에서의 세기 프로파일의 선형 기울기를 나타내는 파라미터/스코어가 연산된다.
ⅳ. 획득된 빔의 영상/세기-프로파일의 대칭/평탄도를 결정하기 위해 각 스캔 위치에서 서브-단계들(ⅱ 및 ⅲ)을 반복하면서 세기-재분배 광학 모듈(403)을 스캐닝/시프트. 각 반복에서, 세기-재분배 광학 모듈(403)은 가로 X 축을 따라 조금 시프트된다(예를 들면, 약 0.5㎜의 이동 범위에 걸쳐 약 10㎛의 단계 피치를 스캐닝하면서 세기-재분배 광학 모듈(403)을 X축을 따라 스캐닝/시프트함). 각 스캔 위치에서, 비대칭 파라미터/스코어(예를 들면, 그 톱-햇 영상의 선형 기울기)가 서브-단계 ⅲ에서 결정된다. 비대칭 파라미터는 재분배 광학 모듈(403)의 오정렬을 나타내고, 따라서 상이한 위치들에서 비대칭 파라미터의 값들을 결정하면서 세기-재분배 광학 모듈(403)의 위치를 스캐닝하는 것이 세기-재분배 광학 모듈(403)의 정렬된 위치를 결정하도록 제공된다. 예를 들면, 아래에 더 설명되는 도 5d는 세기-재분배 광학 모듈(403)의 3개의 상이한 가로 X 위치들에서 취해진 광 빔의 3개의 영상들 및 이들 영상들로부터 추출되는 바와 같은 빔의 X 세기 프로파일을 나타내는 3개의 대응하는 그래프들을 도시한다.
ⅴ. 그 다음, 세기-재분배 광학 모듈(403)은 광학 모듈(403)의 모든 스캐닝된 위치들로부터 가장 대칭적인 X 세기 프로파일을 초래하는 위치에 대하여; 예를 들면, X 세기 프로파일이 가장 평탄한/최소 절대 기울기를 갖고 있거나 및/또는 갖는 위치에 대하여, 그 가로 X 위치를 조정함으로써 X 축에 대하여 가로로 정렬된다.
2차원 빔 성형이 X 및 Y 가로 축들 모두에 대하여 얻어지는 경우들에서, 위의 서브-단계들 (ⅰ) 내지 (ⅴ)는 2번, 각 축에 대하여 한번 수행될 수 있음에 주목해야 한다.
마지막으로, 세기-재분배 광학 모듈(403)이 캘리브레이션된 다음, 위상 교정기 광학 모듈(404)의 캘리브레이션은 예를 들면, 다음을 수행함으로써 단계 530에서 실행된다 :
ⅰ. 위상 교정기 광학 모듈(404)이 이미저(406)로 전파하는 출력 빔(BE)(또는 그의 부분(BEP))을 형성하기 위해 빔(BM)의 광로 안으로 도입된다. 특히, 이미저로의 광로는 이미저가 위상 교정기 광학 모듈(404)에 대하여 중간/원거리 장에서 위치되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이것은, 예를 들어 도 2f에 도시되고 아래에 설명되는 바와 같이 광로에서 적합한 렌즈들을 이용함으로써 달성될 수 있다.
ⅱ. 출력 빔(BE)의 영상을 이미저(406)로부터 획득. 특히, 빔 성형 시스템(400)이 가우스 투 평탄한 빔 쉐이퍼로 구성되고 이미저가 위상 교정기(404)에 대하여 중간 장에 위치되는 경우들에, 출력 빔(BE)의 톱-햇 영상/세기 프로파일이 획득된다. 이미저가 (예를 들면, 렌즈(L1)의 초점 평면에서 취해진) 위상 교정기(404)에 대하여 원거리 장에 위치되는 경우들에서, 출력 빔(BE)의 'Sinc' 영상이 획득된다.
ⅲ. 서브 단계 ⅱ에서 획득된 영상의 비대칭을 평가. 영상의 비대칭(예를 들면, 비대칭 파라미터의 평가된 값)은 위상 교정기(404)의 오정렬을 나타내는 데이터임. X 가로 축에 대한 1차원 빔 성형의 경우들에서, 비대칭은 다음과 같이 평가될 수 있다(비대칭이 2개의 가로 축들 중 각각에 대하여 유사한 원리들을 이용하여 평가될 수 있는 2차원 빔 성형 경우들에서) :
a. 관심대상의 가로 축(X 축)에 대한 빔의 세기 프로파일을 나타내는 영상의 부분/조각을 결정/선택. (예를 들면, X에 수직인) Y 가로 축을 따른 영상의 가우스 세기 프로파일을 고려 및 그의 피크 좌표를 추출하기 위해 그것을 가우스로 피팅. 톱-햇 영상의 조각은 연산된 바와 같이 Y 가로 축에 대한 가우스 세기 프로파일의 중심 부근에서 잘라지고/취해진다. 조각은 X 축에 대한 빔의 평균 세기 프로파일(X 세기 프로파일)을 획득하기 위해 Y 축에 대하여 더 평균될 수 있다.
b. 이와 같이 획득된 X 세기 프로파일에서의 관심 영역(ROI)을 결정. 잘라진 조각의 평균/미가공 데이터는 대응하는 매칭 함수로 피팅된다. 특히, 이미저가 위상 교정기(404)에 대하여 중간 장에 위치되는 경우, X 세기 프로파일은 톱-햇 형상을 갖는 것으로 예상되고 따라서 그것은 단계520 서브-단계 ⅲ 파트 b에서 전술된 것과 유사한 방식으로 슈퍼-로렌츠
Figure 112017037448862-pat00003
로 피팅된다.
c. 대안적으로, 이미저가 위상 교정기(404)에 대하여 원거리-장에 위치되는 경우에, X 세기 프로파일은 Sinc 형상을 갖는 것으로 예상되고, 따라서 그것은 영상에서의 관심 영역(ROI)의 폭(ω)을 결정하기 위해
Figure 112017037448862-pat00004
로 피팅된다. ROI 내에서 X 세기 프로파일의 비대칭(예를 들면, 비대칭 파라미터)이 결정됨. 이러한 비대칭 파라미터의 값은, 예를 들면, ROI 내의 세기 프로파일을 대칭 가중 함수 S(x)(역대칭 함수)와 곱하고, 비대칭 파라미터를 나타내는 파라미터/스코어를 획득하기 위해 ROI를 따라 적분함으로써 연산될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 대칭 가중 함수는 식 S(x)= (x/ω)5의 비대칭 함수이다. 비대칭 파라미터 표시자는 위상 교정기(404)의 명목상 위치에 대하여 작은(즉, 0에 가까운) 절댓값 및 광로(OX)에 대하여 X 축을 따라 위상 교정기(404)의 양/음 오정렬에 대한 양/음을 산출한다. 세기 프로파일의 비대칭은 대안적으로 또는 추가적으로 중간-및/또는 원거리-장들에서 획득된 출력 영상의 자기상관(auto-correlation)을 측정함으로써 결정될 수 있다.
ⅳ. 획득된 빔의 영상/세기-프로파일의 대칭/비대칭을 결정하기 위해 각 스캔 위치에서 서브-단계들(ⅱ 및 ⅲ)을 반복하면서 위상 교정기 광학 모듈(404)을 스캐닝/시프팅. 각 스캔에서, 교정기 광학 모듈(404)은 (예를 들면, 약 20㎛의 피치를 스캐닝하는 단계를 이용하여) 가로 X 축을 따라 조금 시프트된다. 각 스캔 위치에서, 위의 단계 ⅲ는 획득된 X 세기 프로파일의 대칭을 결정하도록 반복된다(중간 장 톱-햇 영상 또는 원거리-장 Sinc 영상). 이러한 단계에서 결정된 비대칭 파라미터의 값은 광학 위상 교정기(404)의 오정렬을 나타낸다. 따라서, 상이한 위치들에서 비대칭 파라미터의 값들을 결정하면서 위상 교정기(404)의 위치를 스캐닝함으로써, 위상 교정기(404)의 정렬된 위치가 결정된다. 아래에 더 설명되는 도 5g는 위상 교정기 광학 모듈(404)의 2개의 가로 X 위치들에서 취해진 빔의 중간-장 영상들의 전술된 처리를 통하여 획득된 바와 같은 광 빔의 2개의 X 세기 프로파일들(이러한 경우에 톱-햇 프로파일들)을 예로 든다. 또한 아래에 설명되는 도 5h는 모듈(415)의 렌즈(L1)의 초점 평면으로부터 추출된 바와 같은 빔의 X 세기 프로파일(Sinc 프로파일들)을 나타내는 3개의 그래프들을 도시한다. 빔의 3개의 원거리-장 영상들의 위에서 설명된 처리를 통하여 획득된 바와 같은 이들 영상들은 위상 교정기 광학 모듈(404)의 3개의 각각의 가로 X 위치들에서 캡쳐되었다.
그 다음, 위상 교정기 광학 모듈(404)은 가장 대칭적인 X 세기 프로파일을 초래하는 X 위치에 대한 그의 가로 X 위치를 조정함으로써 가로로 정렬된다.
도 4의 시스템(400)의 동작은, 방법 단계들(510,520 및 530)의 각각 동안, 도 5b, 도 5c 및 도 5f를 각각 참조하여 다음에서 더 설명된다. 도 5b는 시스템(400)에서 단계 510의 동작을 도시한다. 이러한 단계에서, 캘리브레이션 제어기(408)는 라우팅 조립체를 빔 확대기(402)로부터 출력된 광과 맞물리게 한다. 제어기(408)는 세기 재분배 모듈/렌즈(403)를 광 빔의 광로로부터 철회하도록 작동하고, 미러(M1)는 광로 안으로 도입되며 미러(M2)를 통하여 이미저(CCD)(406)로 전파하기 위해 빔 확대기(402)로부터 출력된 광 빔을 지향시키도록 배열된다. 철회 메커니즘들(미도시)과 함께 미러들(M1 및 M2)은 세기 재분배 모듈/렌즈(403)와 관련되었고, 미러(M1)는 빔을 빔 확대기(402)로부터 캘리브레이션 모듈(405)로 지향시키는 제 1 라우팅 조립체(예를 들면, 도 3a의 302R)의 일부로서 작용함이 주목된다.
단계 510 동안, 빔 확대기(402)로부터 출력된 빔의 세기 재분배 영상은 CCD(406)에 의해 캡쳐된다. 캘리브레이션 제어기(408)는 CCD(406)로부터의 영상 데이터에 반응하고, 빔 확대기(402)의 출력에서 시준된 빔을 유지하면서 광 빔의 폭을 조정하도록 빔 확대기(402)의 배율/줌을 제어하기 위한 영상 데이터를 이용한다. 캘리브레이션 제어기는 광 빔의 원하는 폭과 비교하여 광 빔의 폭을 결정하기 위해 (위에서 언급된 방식으로) 광 빔의 영상을 처리할 수 있고, 따라서 원하는 미리 결정된 폭을 갖는 광 빔이 그 출력 광 포트에서 획득되도록 빔 확대기를 구동 및/또는 조정하기 위해 필요한 적절한 동작 명령들을 결정한다.
도 5c는 캘리브레이션 시스템(405)이 시스템(400)의 세기 재분배 모듈(403)의 가로 위치를 정렬하도록 동작되는 단계 520의 동작을 도시한다. 여기서, 세기 재분배 모듈(403)에 의해 획득되는 빔의 세기 분포의 영상이 CCD(406)에 의해 캡쳐된다. 바람직하게는, 일부 실시예들에서, CCD 센서(406) 및 위상 교정기 광학 모듈(404)은 바람직하게 세기 재분배 모듈(403)로부터 출력되는 광 빔의 평탄한 세기 프로파일(하나의 가로 방향에서 톱-햇 프로파일)이 이미징되도록 세기 재분배 모듈(403)에 대하여 등거리이다.
단계 520에서, 캘리브레이션 제어기(408)는 세기 재분배 모듈/렌즈(403)뿐만 아니라 미러(M1)를 광 빔의 광로로 도입하도록 작동한다. 미러(M1)는, 렌즈(403)와 그의 상호작용 이후에, 미러(M2)를 통하여 이미저(CCD)(406)로 전파하도록 광 빔을 지향시키도록 배열된다. 따라서, 여기서, 렌즈(403) 및 미러(M1)의 철회 메커니즘들(미도시)과 함께 미러들(M1 및 M2)은 제 2 라우팅 어셈블리(예를 들면, 도 3a의 303R)의 부분들로서 기능한다. CCD(406) 및 미러들(M1 및 M2)의 위치들은 렌즈(403)와 CCD(406) 사이의 광학적 길이가 렌즈(403)와 위상 교정기 렌즈(404) 사이의 광학적 길이와 실질적으로 동일하도록 설계된다. 이러한 배열은 CCD(406)에 의해 캡쳐되는 영상이 위상 교정기 렌즈(404)의 위치에서 광 빔의 세기 재분배를 나타내는 것을 제공한다. 캘리브레이션 제어기(408)는 광 빔에 대한 세기 재분배 렌즈(403)의 정렬 위치를 제어하기 위해 그리고 그에 의해 위상 교정기 모듈(404) 부근에서의 광학 표면에서 광 빔의 세기 분포를 조정하기 위해 CCD(406)로부터 수신된 영상 데이터에 빠른 반응을 보인다.
단계 520과 관련하여 캘리브레이션 제어기(408)의 동작이 도 5d에 관련하여 보다 상세히 설명된다. 도 5d는 세기 재분배 렌즈(403)의 3개의 상이한 가로 정렬들에 대해 획득된 바와 같은, 위상 교정기(404) 주변에서의 광 빔의 세기 분포를 나타내는 3개의 영상들(Img1, Img2 및 Img3)을 도시한다. 세기 재분배 모듈(403)의 중심이 (예를 들면, ±50㎛ 사이의 가로 정렬 위치 내에서) 빔의 가우스 중심에 상대적으로 근접하게 배치되는 경우, 캡쳐된 세기 프로파일의 에너지 분포는 CCD 평면에서 단면을 따라 선형이 되는 것이 주목된다. 이는 세기 재분배 모듈(403)의 오정렬을 정확하게 결정 및 교정하게 한다.
보다 구체적으로, 영상(Img1)은 광로(OX)에 대하여 정렬된 위치로부터 원통형 세기 재분배 렌즈(403)의 주요/세로 축의 X 가로 방향에서 10미크론 변위의 가로 오프셋으로 획득된다. 즉, 원통형 세기 재분배 렌즈(403)의 주요 축(PX)이 X 가로 방향으로 광 빔의 경로에 대하여 정렬된/집중된 위치로부터 10미크론만큼 변위된다. 영상들(Img2 및 Img3)은 광로(OX)에 대하여 렌즈(403)의 주요 축의 정렬된 위치로부터 20 및 80 미크론의 가로 오프셋들을 갖고 각각 획득된다. 이러한 영상들에서의 세기 분포는 하나의 가로 방향(Y)에 대하여 실질적으로 가우스 및 빔의 제 2 가로 방향(X)에서 거의 톱-햇 분포인 것으로 도시된다.
렌즈(403 및/또는 404)로서 구성될 수 있는 원통형 렌즈(CL)의 주요 및 제 2 축들(PX 및 SX)은 광로(OX)에 대하여 도 5e에 도시된다. 빔 성형 시스템(400)에서, 렌즈(403 또는 404)로서 동작하는 원통형 렌즈(CL)는 일반적으로 그의 주요 및 제 2 축들(PX 및 SX)이 Y 및 X 가로 방향들 각각에 평행하도록 배향된다. 정렬 모듈(AS)에 결합되는 원통형 렌즈(CL)가 도시된다. 정렬 모듈(AS)은, 예를 들면, 모터 또는 압전 엘리먼트와 같은 전기 액추에이터와 커플링되는 미니-스테이지일 수 있다. 원통형 렌즈(CL)의 주요 축(PX)과 광로(OX) 사이의 D 미크론의 오정렬이 도시된다. 이러한 오정렬은 그의 제 2 축(SX)의 방향으로 렌즈를 시프트하도록 정렬 모듈(AS)의 적절한 구동에 의해 교정될 수 있다.
도 5d로 다시 돌아와서, 영상들로부터 알 수 있는 바와 같이, 세기 재분배 렌즈(403)의 가로 오프셋이 증가함에 따라, 세기 분포들은 가로 방향 Y에 대하여 더 비대칭으로 된다. 이 때문에, UV 및 심UV 광에 대하여, 세기 분포가 렌즈(404)의 작은 오정렬에 대해서도 대략 수십 미크론으로 실질적으로 비대칭으로 됨이 주목된다.
위에서 언급된 바와 같이, 캘리브레이션 제어기(408)는 CCD(406)로부터 획득된 영상을 처리하고, 적어도 하나의 가로 방향(Y)에 대하여 영상에서의 비대칭의 정도를 결정하는데, 비대칭의 정도는 이러한 경우에 렌즈의 제 2 축의 방향에서 광학 축으로부터 렌즈(403)의 오프셋(즉, 광로로부터 렌즈의 주요 축의 위치 사이의 오프셋)에 대응한다. 이를 위해, 캘리브레이션 제어기(408)는, 예를 들면, Y 가로 방향에서의 CCD 영상의 픽셀들의 값들을 평균할 수 있고(예를 들면, 가우스 피크 주변의 픽셀들을 평균), 그리고 그에 의해 X 가로 방향에서의 빔의 세기 프로파일을 나타내는 데이터(예를 들면, 그래프들)를 획득할 수 있다. 영상들(Img1, Img2 및 Img3)에 각각 대응하는 빔의 가로 세기 프로파일의 그래프들(G1,G2,G3)이 도면에 도시된다. 그래프들(G0)은 또한 빔 성형 후에 획득될 약 1.5㎜의 폭의 원하는 톱-햇 세기 분포를 나타내도록 도면에 표시된다. 그래프들(G1,G2,G3)의 각각으로부터, 비대칭의 정도를 나타내는 데이터는 위에서 언급된 바와 같은 캘리브레이션 제어기(408)에 의해 연산될 수 있다. 특히, 그래프들(G1,G2 및 G3)로부터 연산된 평탄도 값들은 각각 약 6.84%, 7.13% 및 11.79%이다.
이제 도 5f로 돌아와서, 단계 530의 동작은 시스템(400)에 관하여 예를 든다. 이러한 단계에서, 캘리브레이션 제어기(408)는 광 빔의 세기 재분배 및 위상 교정 렌즈들/모듈들(403 및 404)과의 상호작용 이후에 수축가능한 미러(M3)를 광 빔의 광로로 도입하도록 동작한다. 미러(M3)의 수축 메커니즘은 도면에서 구체적으로 도시되지 않는다. 미러들(M3 및 M4)의 위치는 광 빔의 중간- 및/또는 원거리-장 영상이 이미저(406)에 의해 캡쳐되도록 광 전파에 영향을 미치도록 구성되는 하나 또는 둘 이상의 광학 모듈들(예를 들면, 렌즈들(L1 및 L2))과 그 경로를 따라 상호작용하면서 광 빔이 이미저/CCD(406)로 전파하기 위해 지향되도록 배열된다. 여기서, 렌즈(L3)는 광로에서 이미저로 도입된다. 이미저(406)가 위상 교정 렌즈들/모듈들(404)에 대하여 중간/원거리 장 체계에 있지만, 렌즈(L3)는 빔이 자유 공간에서 이미저(406)로 전파되도록(즉, 광학/기계적 컴포넌트들과의 상호작용 없이 균일한 매체를 통하여 전파함) 설계된다. 따라서, (위에서 제 2 영상 데이터로 지칭되는) 캡쳐된 영상에서, 위상 교정 렌즈들/모듈들(404)의 오정렬에 의해 도입되는 파면 오차들은 이미징된 빔 프로파일(예를 들면, 톱-햇 프로파일)에서 강조된다. 여기서, 미러(M3) 및 렌즈들(L1 및 L2)의 수축 메커니즘들(미도시)과 함께 미러들(M3 및 M4)은 그의 파면이 위상 교정기 모듈(404)에 의해 영향을 받은 이후에 광 빔의 중간/원거리 장 이미징을 위해 구성되는 제 3 광학 라우팅 조립체(예를 들면, 도 3a의 304R)의 부분들로서 기능한다.
본 예에서, 2개의 렌즈들(L1 및 L2)은 광 빔의 중간-장 이미징을 초래하기 위해 광의 광로 내에 배열된다. 렌즈(L1)는 또한 이러한 경우에, 출력 광 빔의 톱-햇 가로 세기 분포를 더 확장하도록 구성된 1차원 빔 확대기 모듈(415)의 부분으로서 기능한다. 1-D 빔 확대기 조립체(415)의 일부이면, 렌즈(L1)는 위상 교정기가 그의 후초점 평면(back focal plane)에 있도록 배치된다. 렌즈(L3)는 톱-햇 빔의 근거리 장 영상이 이미저(406) 상에 있도록 렌즈(L1)와 이미저 사이의 광로를 따라 배치된다. 렌즈는 톱-햇 회절이 주로 톱-햇 에지들 상에서 전개되도록 설계되었고, 그래서 비대칭이 강조될 것이며, 그에 의해 위상 교정기모듈(404)을 빠져나간 광 빔의 오정렬을 가능하게 한다.
광 빔의 중간/원거리 장 영상이 CCD(406)에 의해 캡쳐되기 때문에, 캘리브레이션 제어기(408)는 영상 데이터를 수신하고 광로에 대하여 위상 교정기 모듈/렌즈(404)의 정렬 위치를 제어하며 그에 의해 광 빔의 파면을 조정하도록 구성된다. 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 캘리브레이션 제어기(408)는 CCD(406)로부터 획득된 영상을 처리하고 빔의 (예를 들면, 중간/원거리 장 체계에서 그의 가로 단면의) 세기 분포/프로파일을 결정한다. 그 다음, 오정렬 데이터/파라미터-값은 빔의 단면에서의 적어도 하나의 가로 방향(Y)에 대한 세기 분포/프로파일에서 비대칭을 식별함으로써 결정된다. 이러한 비대칭은 렌즈(404)의 주요 축과 광로(OX) 사이의 가로 오프셋에 대응할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 캘리브레이션 제어기(408)는 X 가로 방향에서, 빔의 원거리/중간 장 영상의 세기 프로파일을 나타내는 데이터(예를 들면, 그래프 데이터)를 획득하기 위해, 예를 들면, Y 가로 방향에서 CCD 영상의 픽셀들의 값들을 평균할 수 있다.
본 발명자들은 중간-장 이미징에 대하여, CCD에 의해 이미징되는 톱-햇 세기 분포의 에지들에서의 비대칭이 위상 교정기 모듈의 오정렬에 극히 민감함을 발견하였다. 특히, 톱-햇 세기 프로파일을 갖는 광 빔이 자유롭게 전파하고 있는 경우, 그 에너지 분포는 바로 근거리 장에서 완벽한 또는 거의 완벽한 톱-햇으로부터 원거리 장에서의 Sinc(즉, Sinc(α)=sin(α)/α)로 변환된다. 명목상의 중간 장 위치에서, 2개의 대칭적인 '혼들'은 톱-햇 프로파일의 에지들에서 전개된다. 위상 교정기 모듈(404)이 완벽하게 정렬되지 않은 경우(세기 재분배 모듈(403)이 정렬되지만), 혼들의 비대칭이 나타난다.
위상 교정기 모듈(404)의 정렬된 및 오정렬된 위치들에 대하여 캡쳐된 각각의 영상들의 X 방향을 따라 가로 세기 프로파일을 도시하는 그래프들(MG1 및 MG2)이 도 5g에 도시된다. 이들 그래프들로부터 알 수 있는 바와 같이, 위상 교정기 모듈(404)의 정렬된 위치에 대하여, 광 빔의 중간-장 영상에서 대칭 세기 프로파일이 획득된다(그래프 MG1). 그러나, 심지어 몇 미크론의 작은 오정렬들에 대해서도 세기 프로파일에서 실질적인 비대칭이 나타난다. 예를 들면, 20 미크론의 오정렬은 그래프 MG2의 실질적으로 평탄하지 않은 에지들('혼들')의 발생에 영향을 미친다. 세기 분포 그래프들의 2개의 에지들에서의 세기 사이의 비율은 위상 교정기 모듈의 정렬된 위치(그래프 MG1)에서의 1:1로부터 그의 20 미크론 중심 분산된/오정렬된 위치(그래프 MG2)에서의 3:5로 변경된다.
세기 분포 그래프들(MG1 및 MG2)의 중심 구역(에지들/'혼들' 사이)은 또한 위상 교정기 모듈의 최적 위치에 대한 마진(marginal) 정보를 수반할 수 있음이 주목된다. 그러나, 본 발명의 일부 실시예들에서, 그래프들에서 우수한 비대칭의 측정을 획득하도록 하기 위해 세기 분포의 중심 구역의 영향들을 억제하는 것이 바람직하다. 세기 분포 그래프들의 중심 구역의 영향들을 억제하는 것은, 일부 실시예들에 따르면, 세기 프로파일 그래프에서 ROI에 세기 프로파일의 에지들 부근에서 더 높은 값을 갖는 가중 함수를 곱함으로써 달성된다. 예를 들면, 이들 조건을 충족하는 함수는 원점이 프로파일의 중심에 놓인 5차 다항식(즉, S(x)=x5)이다.
도 5g는 위상 교정기 모듈(404)의 캘리브레이션이 위상 교정기 모듈(404)에 대하여 중간-장에서 획득된 세기 프로파일에 기초함에 따른 본 발명의 바람직한 실시예를 예로 든다(예를 들면, 회절 제한된 스팟(diffraction limited spot))이 위상 교정기 모듈(404)의 초점 평면에서 획득된다). 그러나, 위에서 언급된 바와 같이, 위상 교정기 모듈(404)의 가로 위치는 또한 광학 모듈(404)에 대하여 원거리-장에서 빔의 세기 패턴/프로파일을 나타내는 피드백 데이터에 기초하여 캘리브레이션될 수 있다.
위상 교정기 모듈(404)의 정렬의 캘리브레이션은 또한 광학 모듈(404)에 대하여 원거리-장에서 광 빔을 이미징함으로써 달성될 수 있다. 도 5h는, 그것이 +50 미크론, (실질적으로 정렬된) 0 미크론 및 -50 미크론만큼 각각 가로로 오정렬되었던 위상 교정기 모듈(404)의 3개의 가로 위치들에 대한 광 빔의 원거리-장 영상들의 X 방향 세기 프로파일을 나타내는 3개의 그래프들(FG1 내지 FG3)을 도시한다. 도 5h는 원거리-장 이미징을 획득하기 위해 렌즈(L1)의 전초점 평면(front focal plane)에서 광로를 따라 이미저를 배치시킴으로써 획득되었다(이는 또한 초점 평면의 영상을 이미저로 전달하기 위해 라우팅 광학계(routing optics)를 이용함으로써 그리고 직교하는 가로 방향에 대응하는 빔의 세기 프로파일을 획득하기 위해 가로 방향으로 그것들을 통합시킴으로써 획득될 수 있다). 이러한 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 모듈(404)(그래프 FG2)의 완전한 정렬에 대하여, 원거리 장 세기 프로파일은 거의 완벽한 Sinc를 산출한다. 그러나, 심지어 (수십 미크론까지의) 수 미크론의 작은 오정렬들은 원거리-장 영상의 캡쳐된 세기 프로파일에서의 실질적인 비대칭의 발생을 초래한다. 이러한 비대칭은 그래프들(FG1 및 FG3)에 도시되는 세기 프로파일들에서 생기는 비대칭/평탄하지 않은 사이드-로브(side-lob)들에 의해 나타난다. 도면에 제공되는 그래프들(SG1 내지 SG3)은 각각 측정된 세기 프로파일들(FG1 내지 FG3)에 가장 근접한 근사화된 Sinc 함수들을 도시하다. 이들 근사화된 Sinc 함수들의 폭들이 또한 도면에 나타난다.
따라서, 단계 530에서, 캘리브레이션 제어기(408)는 위상 교정기 모듈에 대하여 중간- 및/또는 원거리-장들에서 캡쳐된 광 빔의 영상을 처리하도록 구성될 수 있고, 위상 교정기 렌즈(404)를 구동/정렬하기 위한 동작 정렬 명령을 결정하기 위해 그 영상이 분석될 수 있다.
단계 520의 교정 동작이 전형적으로 광 빔의 폭에 민감하고, 따라서 단계 520은 빔 폭이 캘리브레이션되는 선택 단계 510의 동작 이후에 수행됨에 주목해야 한다. 인입 광 빔이 미리 결정된 폭이고, 특정 공차 임계치 내인 경우들에, 단계 510의 동작이 제거될 수 있다. 또한 단계 530의 교정 동작은 세기 재분배 렌즈(403)의 정확한 정렬에 의존하며, 따라서, 단계 530은 단계 520이 렌즈(403)를 정렬하도록 사용되었던 이후에만 수행된다.
또한, 본 예에서, 단지 하나의 가로 방향에 대한 광학 모듈들(403 및 404)의 가로 정렬을 예로 들었다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시예들에서, 동일 원리들이 또한 추가 방향들에 대해서도(예를 들면, 광 전파의 방향에 직각인 2개의 가로 방향들에 대하여) 광학 모듈들을 정렬하도록 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로, 본 발명의 원리들은 광로에 대하여 광학 모듈들의 적절한 배향들을 획득하도록 사용될 수 있다. 본 발명의 기법은 6 자유도 까지에 대하여 광학 모듈들의 위치 및 배향 캘리브레이션을 획득하도록 구성될 수 있다.
흐름도(500)에 도시된 캘리브레이션 방법이 도 5a 내지 도 5h에 관하여 위에서 설명된 바와 같이 사용된 이후에 시스템(400)의 동작을 자명한 방식으로 개략적으로 도시하는 도 6을 참조한다. X 가로 방향을 따른 광 빔의 세기 프로파일이 프로파일 그래프들(PG1 내지 PG4)에 의해 도시된다. 도시된 바와 같이, 심-UV 레이저 빔이 약 1㎜의 폭을 갖는 가우스 세기 분포로 등방성 빔 확대기(402)로 도입된다. 빔 확대기(402)는 ×3 배율을 빔에 적용하여 3㎜ 와이드 가우스 빔을 초래한다. 정렬된 세기-재분배 및 위상-교정 광학 모듈들(403 및 404)과의 상호작용 이후에, 레이저 빔은 4.2㎜의 폭을 갖는 가로 X 방향으로 톱-햇 세기 프로파일을 획득한다. Y 가로 방향에서의 세기 프로파일은 실질적으로 영향을 받지 않고 남아 있다(즉, 가우스). 레이저 빔은 그 다음 X 방향에 대하여 추가 배율(~×16)을 광 빔에 적용하도록 구성되고 그에 따라 65㎜ 와이드 톱-햇 심-UV 광 빔을 초래하는 1차원 빔 확대기 조립체(415)를 횡단한다.
본 발명의 세기 및 위상 빔 성형 모듈로부터(예를 들면, 각각 도 3a 및 도 4의 모듈들(301/401)로부터) 출력된 광의 세기 프로파일에서의 약간의 공간 변동(fluctuation)은 세기 평탄화 광학 모듈을 이용함으로써 평탄화될 수 있음이 주목된다. 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 도 3a, 도 4 및 도 5 중 어느 하나의 빔 성형 시스템들은 또한 이들 도면들에서 특별히 도시되지 않은 세기 평탄화 모듈을 포함할 수 있다. 이러한 세기 평탄화 모듈은, 예를 들면, 빔 성형 광학 모듈들로부터 아래로 위치되는(예를 들면, 도 3a 및 도 4의 모듈들(303/403 및 304/404) 각각 다음에) 하나 또는 둘 이상의 이동 렌즈(traveling lens; TL) 변조기들을 포함할 수 있다. 세기 평탄화 모듈은 하나 또는 둘 이상의 가로 방향들에 대하여 광 빔의 세기를 평탄화하도록 구성될 수 있다.
도 6의 시스템(400)에 포함되는 빔 평탄화 모듈의 동작을 도시하는 도 7을 참조한다. 빔 평탄화 모듈은 1차원 빔 확대기(415) 이후에 레이저 빔의 광로를 따라 위치될 수 있다. 본 예에서, 빔 평탄화 모듈은 (위에서 설명된 바와 같은 빔 성형 시스템의 가로 X 방향에 대응하는) X 가로 방향에서 크리스탈 내에서 전파하는 이동 렌즈들을 형성하기 위해 음파들에 의해 변조되는 크리스탈을 포함하는 1차원 이동 렌즈 모듈에 기반한다. 이동 렌즈들은 빔 성형 모듈(401)로부터 나오는 광 빔의 광선들을 굴절시키고 그에 의해 X 가로 방향에서 광 빔의 세기 프로파일에서의 변동들을 평탄화한다. 특히, 이동 렌즈는 빔 쉐이퍼 및 연속하는 광학계들에 의해 수행되는 ~1/11의 선 폭을 이용한다. 그것은 전체 프로파일에 걸쳐 이어진다(스캔한다). 각각의 이동 렌즈 위치는 스캔 라인이 생성하고 있는 것 상에 스팟을 생성한다. 따라서 이동 렌즈는 빔의 평탄화를 초래하는 컨볼루션(convolution) 동작을 실제로 수행한다.
그래프 G4는 광 빔의 톱-햇 세기 프로파일이 빔 성형 모듈(401)에 의해 성형된 이후의 광 빔의 톱-햇 세기 프로파일을 나타내도록 도 7에 도시된다. 이러한 그래프는 일반적으로 도 6의 그래프 PG3과 유사하다. 톱-햇 세기 프로파일에서의 세기 변동들은 도 7의 그래프 G5에서 보다 상세히 도시된다. 그래프 G6은 광 빔의 톱-햇 세기 프로파일이 이동 렌즈 빔 평탄화 모듈에 의해 평탄화되었던 이후의 광 빔의 톱-햇 세기 프로파일을 도시한다.

Claims (20)

  1. 광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법으로서,
    i. 상기 제 1 광학 모듈로부터 하류로(downstream) 특정 광학 거리에서, 상기 제 1 광학 모듈에 의한 성형 후에 상기 광 빔의 제 1 세기 분포를 측정하고, 상기 제 1 광학 모듈의 가로 오정렬(misalignment)을 결정하기 위해 상기 제 1 세기 분포를 이용하고, 상기 결정된 제 1 광학 모듈의 가로 오정렬에 기초해 상기 제 1 광학 모듈의 가로 위치를 캘리브레이션 하는 단계; 및
    ii. 상기 제 1 광학 모듈이 가로 정렬된 위치에 있을 때, 상기 제 2 광학 모듈로부터 하류의 특정 위치에서 상기 광 빔의 제 2 세기 분포를 측정하고, 상기 제 2 광학 모듈의 가로 오정렬을 결정하기 위해 상기 제 2 세기 분포를 이용하고, 상기 결정된 제 2 광학 모듈의 가로 오정렬에 기초해 상기 제 2 광학 모듈의 가로 위치를 캘리브레이션 하는 단계
    를 수행하는 단계를 포함하는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 빔은 코히런트(coherent) 광 빔이고, 상기 캘리브레이션은 상이한 가로 세기 분포를 갖는 출력 광 빔을 형성하기 위해 상기 코히런트 광 빔의 미리결정된 인입 가로 세기 분포의 성형을 제공하는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 모듈은, 특정한 미리결정된 인입 세기 분포를 갖는 상기 광 빔을 성형하고 그리고 상기 광 빔의 특정한 원하는 세기 분포가 상기 제 1 광학 모듈로부터 하류로 특정 거리에서 형성되도록 구성되고 동작가능한 세기-재분포 광학 모듈인,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 세기 분포를 측정하는 것은 상기 제 1 세기 분포를 나타내는 제 1 영상 데이터를 캡쳐(capture)하기 위해 상기 제 1 광학 모듈에 의한 성형으로부터 하류로 상기 특정 광학 거리에서 상기 광 빔을 이미징(imaging)하는 것을 포함하는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 특정 광학 거리는 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들 사이의 광학 거리와 실질적으로 동일한,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 모듈의 가로 오정렬을 결정하는 것은 상기 제 1 세기 분포의 비대칭 파라미터를 결정하기 위해 상기 제 1 광학 모듈에 의한 성형 이후에 상기 광 빔의 상기 제 1 세기 분포를 처리(processing)하는 것을 포함하고, 상기 비대칭 파라미터는 상기 제 1 광학 모듈의 가로 오정렬을 나타내는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 모듈의 가로 오정렬을 추정하기 위해 상기 제 1 세기 분포의 비대칭 파라미터를 이용하는 단계를 포함하는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 모듈의 가로 정렬된 위치를 향해 상기 제 1 광학 모듈을 구동하도록 제 1 동작 정렬 명령들을 생성하기 위해 상기 제 1 광학 모듈의 상기 결정된 가로 오정렬을 이용하는 단계를 포함하는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 모듈은, 상기 제 1 광학 모듈로부터 하류로 특정 거리에 위치되며 그리고 상기 광 빔의 특정한 원하는 파면이 형성되도록 상기 광 빔의 광선들의 위상들에 영향을 미치기 위해 특정한 미리결정된 파면을 갖는 상기 광 빔을 성형하도록 구성되고 동작가능한 위상-교정기 광학 모듈인,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 세기 분포를 측정하는 것은 상기 제 2 광학 모듈로부터 하류로 상기 특정 위치에서 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들에 의한 성형 이후에 상기 광 빔을 이미징하고, 이에 의해 상기 제 2 세기 분포를 나타내는 제 2 영상 데이터를 캡쳐하는 것을 포함하는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 특정 위치는 상기 제 2 광학 모듈에 관한 중간/원거리 장 체계(mid/far field regime) 내에 있는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 중간/원거리 장 체계는 프레넬(Fresnel) 값에 의해 결정되고, 상기 중간/원거리 장 체계에서 상기 제 2 광학 모듈에서 빠져나가는 상기 광 빔에서의 파면 에러들이 상기 광 빔의 세기 분포의 비대칭으로 변환되는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 모듈의 가로 오정렬을 결정하는 것은 상기 제 2 세기 분포의 비대칭 파라미터를 결정하기 위해 상기 제 2 세기 분포를 처리하는 것을 포함하고, 상기 비대칭 파라미터는 상기 제 2 광학 모듈의 가로 오정렬을 나타내는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 모듈의 가로 오정렬을 추정하기 위해 상기 제 2 세기 분포의 비대칭 파라미터를 이용하는 단계를 더 포함하는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 모듈의 상기 결정된 가로 오정렬을 이용하는 단계 및 상기 제 2 광학 모듈의 가로 정렬된 위치를 향해 상기 제 2 광학 모듈을 구동하도록 제 2 동작 정렬 명령들을 생성하는 단계를 포함하는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 성형 모듈은 빔 확대기를 포함하고, 상기 방법은 상기 광 빔의 폭을 측정하는 단계 및 원하는 폭을 갖는 출력 광 빔을 획득하기 위하여 상기 빔 확대기의 배율비를 캘리브레이션하는 단계를 포함하는,
    광 빔을 순차적으로 성형하는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 방법.
  17. 빔 성형 모듈을 통해 전파하는 광의 광학 경로를 따라 수용되는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 캘리브레이션 시스템으로서,
    상기 제 1 광학 모듈로부터 하류로 특정 광학 거리에서, 상기 제 1 광학 모듈에 의한 성형 후에 광 빔의 제 1 세기 분포를 측정하기 위해, 상기 광학 경로로부터 광 빔을 선택적으로 지향하도록 적응되는 제 1 라우팅 조립체;
    상기 제 2 광학 모듈로부터 하류로 특정 위치에서 상기 제 2 광학 모듈에 의한 성형 후에 상기 광 빔의 제 2 세기 분포를 측정하기 위해, 상기 광학 경로로부터 광 빔을 선택적으로 지향하도록 적응되는 제 2 라우팅 조립체; 및
    상기 제 1 광학 모듈의 가로 오정렬을 결정하기 위해 상기 제 1 세기 분포를 처리하고 그리고 상기 제 2 광학 모듈의 가로 오정렬을 결정하기 위해 상기 제 2 세기 분포를 처리하도록 적응되는 캘리브레이션 제어기
    를 포함하고,
    상기 결정된 제 1 광학 모듈의 가로 오정렬 및 상기 결정된 제 2 광학 모듈의 가로 오정렬에 기초하여 상기 빔 성형 모듈을 캘리브레이션 하는,
    빔 성형 모듈을 통해 전파하는 광의 광학 경로를 따라 수용되는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 캘리브레이션 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 라우팅 조립체는 상기 제 1 세기 분포를 나타내는 제 1 영상 데이터를 생성하기 위하여 상기 제 1 광학 모듈로부터 하류의 상기 특정 광학 거리에서 이미저(imager)에 의해 캡쳐될 상기 광 빔을 지향시키도록 적응되고, 상기 제 1 광학 라우팅 조립체는 상기 특정 광학 거리가 상기 제 1 및 제 2 광학 모듈들 사이의 광학 거리와 실질적으로 동일하여, 이에 의해 상기 제 1 세기 분포의 비대칭이 상기 제 1 광학 모듈의 가로 오정렬을 나타냄을 제공하게 되도록 구성되는,
    빔 성형 모듈을 통해 전파하는 광의 광학 경로를 따라 수용되는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 캘리브레이션 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 라우팅 조립체는 상기 제 2 세기 분포를 나타내는 제 2 영상 데이터를 생성하기 위하여 상기 제 2 광학 모듈로부터 하류의 상기 특정 위치에서 이미저에 의해 캡쳐될 상기 광 빔을 지향시키도록 적응되고, 상기 제 2 광학 라우팅 조립체는 상기 특정 위치가 상기 제 2 광학 모듈에 관한 중간/장거리 장 체계 내에 있어서, 이에 의해 상기 제 2 광학 모듈에서 빠져나가는 상기 광 빔의 파면 에러들이 상기 특정 위치에서 상기 광 빔의 상기 제 2 세기 분포의 비대칭으로 변환됨을 제공하도록 구성되고, 상기 비대칭은 이에 의해 상기 제 2 광학 모듈의 가로 오정렬을 나타내는,
    빔 성형 모듈을 통해 전파하는 광의 광학 경로를 따라 수용되는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 캘리브레이션 시스템.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 제어기는 상기 제 1 세기 분포의 비대칭 파라미터를 결정하고, 이에 의해 상기 제 1 광학 모듈의 가로 오정렬을 추정하고, 그리고 상기 제 2 세기 분포의 비대칭 파라미터를 결정하고, 이에 의해 상기 제 2 광학 모듈의 가로 오정렬을 추정하도록 구성되고 동작가능한,
    빔 성형 모듈을 통해 전파하는 광의 광학 경로를 따라 수용되는 제 1 및 제 2 광학 모듈들을 포함하는 빔 성형 모듈을 캘리브레이션하기 위한 캘리브레이션 시스템.
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