KR102172136B1 - 내부 전반사를 이용한 doe 결함 모니터링 - Google Patents

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Abstract

광학 장치(20)는 적어도 하나의 광학 표면, DOE의 적어도 하나의 광학 표면에 평행하지 않은 측부 표면(34, 36), 및 그레이팅 상에 입사하는 제1 방사선을 수광하고 회절시키도록 적어도 하나의 광학 표면 상에 형성되는 그레이팅(30)을 갖는 회절 광학 소자(DOE, 26)를 포함한다. 장치는 추가로 적어도 하나의 이차 방사선원(radiation source)(38)을 포함하며, 이는 제2 방사선이 측부 표면 상에 충돌하도록 인도하여, 제2 방사선의 적어도 일부가 그레이팅으로부터 내부적으로 회절하는 동안 DOE 내에 전파되도록 하고 측부 표면을 통해 빠져나가게 하도록 구성된다. 장치는 또한 측부 표면을 통해 빠져나간 제2 방사선을 수광 및 제2 방사선의 세기를 감지하도록 위치설정된 적어도 하나의 방사선 검출기(40)를 포함한다.

Description

내부 전반사를 이용한 DOE 결함 모니터링
본 발명은 일반적으로 회절 광학체에 관한 것으로, 구체적으로 회절 광학 소자(DOE)의 결함에 대한 모니터링에 관한 것이다.
회절 광학체는 매우 다양한 응용에 사용된다. 일부 응용들에서, 광학 3차원(3D) 맵핑, 영역 조명, 및 LCD 백라이팅과 같은 목적을 위해 회절 광학 소자(DOE)가 바람직한 투사 패턴을 생성하는 데 사용된다. DOE 계열 프로젝터 설계는, 개시내용이 본 명세서에 참조로서 포함되는, 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2009/0185274호에 기재되어 있다.
DOE의 "효율"은 입사 빔의 에너지에 관하여 DOE가 회절하는 입력 에너지의 양의 척도이다. 이 효율은 제조 공차로 인해 생산 시 달라질 수 있다. 이것은 또한 다양한 이유로 DOE의 수명 및 동작 동안 변할 수 있다. 예를 들어, 습도 및 기타 증기가 DOE 표면 상에 응축되어 그것의 효율을 떨어뜨리거나, 또는 오작동 또는 오용으로 인한 과열은 DOE를 변형시키고, 그것의 효율을 변화시킬 수 있다. 그러한 효율의 변화는 투사 광학체에 의해 회절되지 않아서 계속해서 DOE를 통해 투사 부피에 직전하는 0차 회절의 세기의 바람직하지 않은 증가를 야기할 수 있다.
개시내용이 본 명세서에 참조로서 포함된 미국 특허 제8,492,696호는, 일체형 광학 검출기의 형태의, 빌트인 빔 모니터를 구비한 DOE 기반 프로젝터를 기술한다. 검출기 신호는 DOE 효율을 평가하고, 신호가 소정 범위 밖에 있는 경우 프로젝터의 동작을 제지하기 위하여 제어기에 의해 지속적으로 또는 간헐적으로 모니터링될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 DOE의 성능을 모니터링하기 위한 개선된 방법 및 디바이스를 제공한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따라, 적어도 하나의 광학 표면, DOE의 적어도 하나의 광학 표면에 평행하지 않은 측부 표면, 및 적어도 하나의 광학 표면 상에 형성되어 그레이팅에 입사하는 제1 방사선을 수신하고 회절시키도록 그레이팅을 갖는 회절 광학 소자(DOE)를 포함하는 광학 장치가 제공된다. 장치는 추가로 적어도 하나의 이차 방사선원(radiation source)을 포함하며, 이는 제2 방사선이 측부 표면 상의 제1 위치 상에 충돌하도록 인도하여, 제2 방사선의 적어도 일부가 그레이팅으로부터 내부적으로 회절하는 동안 DOE 내에 전파되도록 하고 측부 표면 상의 적어도 하나의 제2 위치를 통해 빠져나가게 하도록 구성된다. 장치는 또한 적어도 하나의 방사선 검출기를 포함하며, 이는 적어도 하나의 제2 위치에 근접하게 위치설정되어 측부 표면을 통해 빠져나간 제2 방사선의 수광 및 세기를 감지하도록 한다.
개시된 실시예에서, 측부 표면은 DOE의 적어도 하나의 광학 표면에 수직이다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 방사선 검출기는 DOE의 측부 표면과 접촉하는 전방 표면을 포함한다.
추가적인 실시예들에서, 장치는 제어기를 포함하며, 이는 적어도 하나의 방사선 검출기로부터 측부 표면을 빠져나간 제2 방사선의 세기를 나타내는 적어도 하나의 신호를 수신하고, 적어도 하나의 신호에 응답하여 DOE의 성능을 모니터링하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 방사선 검출기는 적어도 제1 방사선 검출기 및 제2 방사선 검출기를 포함하고, 제어기는 제1 방사선 검출기 및 제2 방사선 검출기로부터 각각 제1 신호 및 제2 신호를 수신하도록 결합되고, 제1 신호와 제2 신호 사이 사이의 차이에 응답하여 성능을 모니터링하도록 구성된다.
다른 실시예들에서, 장치는 제1 방사선을 DOE의 적어도 하나의 광학 표면을 향해 인도하도록 구성되는 일차 방사선원을 포함하며, 제어기는 모니터링되는 성능에 응답하여 일차 방사선원의 동작을 제어하도록 결합된다.
추가적인 실시예들에서, 제어기는 적어도 하나의 신호가 사전정의된 범위 밖에 있을 때 일차 방사선원의 동작을 제지하도록 구성된다.
더 추가적인 실시예들에서, 그레이팅은 제1 방사선을 다중 차수의 회절로 인도하도록 구성되고, 적어도 하나의 신호의 변화는 0차(zero order)의 회절의 세기의 증가를 나타낸다. 제어기는 변화가 사전정의된 임계치를 초과할 때 일차 방사선원의 동작을 제지하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 일차 방사선원 및 적어도 하나의 이차 방사선원은 각각 제1 및 제2 방사선을 상이한, 각자의 파장에서 방출하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따라, 그레이팅이 형성된 적어도 하나의 광학 표면 및 적어도 하나의 광학 표면에 평행하지 않은 측부 표면을 가지며, 그레이팅 상에 입사되는 제1 방사선을 수신 및 회절하기 위한 회절 광학 소자(DOE)를 위치설정하는 단계를 포함하는, 광학적 방법이 또한 제공된다. 제2 방사선은 측부 표면 상의 제1 위치 상에 충돌하도록 인도되어, 제2 방사선의 적어도 일부가 그레이팅으로부터 내부적으로 회절하는 동안 DOE 내에 전파되도록 하고 측부 표면 상의 적어도 하나의 제2 위치를 통해 빠져나가게 하도록 구성된다. 측부 표면을 빠져나간 제2 방사선의 세기가 수신되고 감지된다. 일 실시예에서, DOE의 성능은 측부 표면을 빠져나간 제2 방사선의 세기를 나타내는 적어도 하나의 신호에 응답하여 모니터링된다.
본 발명은 다음의 도면들과 함께 취해진 본 발명의 실시예들의 아래의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 빔 모니터를 구비한 광학 프로젝터의 개략적 측면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 추가적인 실시예들에 따른, 빔 모니터를 구비한 DOE의 개략적 평면도이다.
회절 광학 소자들(DOE)에 기초한 광학 프로젝터는, 위에 언급된 US2009/0185274에서 기재된 바와 같이, 때때로 실질적인 0차 방사선을 통과시키며: 프로젝터의 입력 빔의 일부분(0차 회절)은 투사 광학체에 의해 회절되지 않을 수 있고 따라서 투사 부피까지 이어질 수 있다. 0차 세기의 증가에 수반되는 DOE의 효율의 변화는 시스템 성능을 위태롭게 할 수 있고, 다양한 다른 바람직하지 않은 결과들을 가질 수 있다.
임의의 DOE는 적어도 진입 표면 및 탈출 표면을 포함하는 다수의 광학 표면을 포함한다. DOE의 회절 효과는 이러한 광학 표면들(이는 진입 표면, 탈출 표면, 또는 DOE 내의 내부 표면일 수 있음) 중 하나의 광학 표면 상의 그레이팅에 의해, 또는 다수의 광학 표면 상의 다수의 그레이팅에 의해 제공된다. 그러한 그레이팅들은 DOE가 생성할 회절 패턴에 따라, 임의의 적합한 형상 및 형태를 가질 수 있다. 그레이팅들은, 일차 방사선원에 의해 방출되어, 진입 표면을 통해 DOE에 진입하는 제1 방사선을 수신하고, 제1 방사선을 탈출 표면을 통해 DOE를 빠져나가는 다중 회절 차수들을 포함하는 사전정의된 패턴으로 회절한다.
DOE의 그레이팅들의 각각의 회절 효율은 예를 들어, 기계적 변형(스크래치, 패인 자국, 국부적인 그레이팅 삭제)과 같은 국부적인 결함, 오염, 또는 응축에 의해 영향을 받을 수 있다. 이러한 회절 효율의 변화는 DOE에 의해 전달되는 0차 방사선의 양의 증가를 야기하거나 또는 기여할 수 있고, DOE의 회절된 차수들의 굴절력의 다른 변화를 야기할 수 있다. DOE에 기초한 광학 프로젝터의 적절한 동작을 보장하기 위하여, DOE의 그레이팅의 성능의 실시간 모니터링이 매우 바람직하다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예들은, 전체 DOE 조립체의 크기 및 비용에 최소한의 영향만을 주면서 구현될 수 있는 최소한의 추가적인 하드웨어만을 이용하여, DOE의 성능의 철저한, 실시간 모니터링을 가능하게 한다. 또한, 이 실시예들은 DOE가 포함되는 광학 프로젝터의 기능을 방해하지 않으면서 모니터링이 일어나게 한다. 다음의 설명에서, 그러한 프로젝터 내의 일차 방사선원은 소정 파장의 제1 방사선을 DOE의 광학 표면들을 통해 인도하여, 그레이팅에 의해 회절되도록 한다는 것이 가정된다.
개시된 실시예들에서, LED(발광 다이오드) 또는 레이저와 같은 이차 방사선원이 제2 방사선을 DOE 안으로 보낼 수 있도록 DOE의 측부 표면 상의 제1 위치에 근접하게 위치설정된다. (본 명세서 및 청구범위의 용어 "측부 표면"은 광학 표면들에 평행하지 않고 의도된 회절 패턴의 경로 밖에 있는 DOE의 표면을 지칭한다. 측부 표면은 DOE의 형상에 따라, 하나 또는 다수의 세그먼트들을 포함할 수 있음.) 하나 이상의 방사선 검출기들은 측부 표면 상의 제2 위치, 예를 들어 제1 위치에 반대편의 위치에 근접하게 위치설정되어, DOE 내에 전파된 제2 방사선을 수신 및 감지하도록 한다.
DOE에 진입한 제2 방사선은 전형적으로 연속적 또는 이산적 각도의 스펙트럼과 같은 다수의 광선들(또는 전파의 방향들)을 포함한다. 이 제2 방사선은 이 제2 방사선이 측부 표면 상의 제1 위치를 통해 DOE에 진입한 지점으로부터의 내부 전반사 및 회절의 조합으로서 측부 표면 상의 제2 위치에 도달하여 DOE를 빠져나갈 때까지 DOE 내에서 전파될 것이다. 제2 방사선의 전파를 위하여, DOE는 슬래브 도파관(slab waveguide)의 기능을 한다. DOE에 대한 이차 방사선원의 거리 및 결합은 내부 전반사로의 결합 효율을 최적화하는 것뿐만 아니라, 그레이팅의 조명의 균일도를 최적화하는 데 사용될 수 있다. 광원 거리 및 결합은 또한 내부 전반사를 이용하여 계속해서 전파되는 광선들에 대하여 높은 내부 회절 효율을 달성하고, 내부 전반사를 위한 조건을 충족시키지 않는, 즉, DOE로부터 "누설"될 수 있는 광선들에 대하여 낮은 내부 회절 효율을 달성하는 데 사용될 수 있다.
DOE 내의 그것의 전파 동안, 제2 방사선은 DOE의 완전성을 실시간으로 탐색하는데, 제2 방사선의 광선들의 조성은 DOE의 광학 표면들 상의 임의의 결함들에 의해 영향을 받기 때문이다. 결함들의 이러한 영향은 자체적으로 제2 방사선이 방사선 검출기들 상에 충돌할 때 전체 전력의 변화로서 그리고 방사 조도의 공간 분포로서 나타난다.
제2 방사선의 단일 검출기가 충분할 수 있어도, 여러 대의 검출기를 사용함으로써 DOE를 빠져나가는 방사 조도의 공간 분포의 변화를 감지할 수 있다. 그것은 또한 검출기들의 쌍들 간의 상이한 측정을 가능하게 하여, 이차 방사선원의 전력 레벨의 변동의 효과뿐만 아니라 이차 방사선원과 방사선 검출기들의 광학적 정렬의 사소한 변화의 영향들을 감소시킨다.
방사선 검출기들뿐만 아니라 이차 방사선원의 직경은 전형적으로 DOE의 두께보다 작고; 일부 실시예들에서 이러한 컴포넌트들은 간결하고 튼튼한 조립체를 위하여 그리고 DOE 안으로 우수한 광학적 결합을 위하여 DOE의 측부 표면 상에 접합된다.
일부 실시예들에서, 이차 방사선원의 스펙트럼은 제1 방사선의 스펙트럼과 상이하게 선택되는데, 즉, 일차 방사선원은 제1 투과 스펙트럼을 갖는 반면, 이차 방사선원은 제1 투과 스펙트럼과 상이한 제2 투과 스펙트럼을 갖는다. 광학 프로젝터로부터 제1 방사선을 수광하는 검출기들 및 DOE 성능을 모니터링하는 방사선 검출기들에 대한 적절한 스펙트럼 필터링이 제1 방사선과 제2 방사선 간의 크로스토크를 감소시켜, DOE 모니터와 광학 프로젝터 사이의 간섭을 방지하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 투과 스펙트럼 및 제2 투과 스펙트럼은 중첩되지 않도록 선택되며, DOE 성능을 모니터링하는 방사선 검출기 상에 입사하는 방사선은 제1 투과 스펙트럼을 걸러내고 제2 투과 스펙트럼의 적어도 일부분을 통과하게 하는 필터에 의해 필터링된다. 이러한 스펙트럼 배열은 동시 시험 및 패턴 투사에 특히 유용하다.
추가적으로 또는 대안적으로, 본 실시예들은 다른 접근법들과 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 검출기들은 이차 광원이 켜져 있지 않을 때 일차 광원으로부터의 DOE 내의 자연 내부 전반사를 측정하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 제1 투과 스펙트럼 및 제2 투과 스펙트럼이 상이하면, 하나 이상의 검출기들은 이차 광원을 모니터링할 수 있고, 그 동안 하나 이상의 다른 검출기들은 일차 광원으로부터의 내부 전반사를 모니터링한다.
일차 방사선원에 독립적인 이차 방사선원을 이용함으로써, 일차 방사선원을 켜지 않아도 DOE를 모니터링할 수 있는 추가적인 이득이 있다. 따라서, DOE는 전형적으로 이차 방사선원보다 더 높은 전력의 일차 방사선원과 연관된 전력 소비 없이 모니터링될 수 있다. 또한, 유해 사건(예컨대, 광학 프로젝터를 떨어뜨림)에 의해 DOE에 가해진 손상의 의심이 있는 경우에, DOE의 상태가 일차 방사선원을 켜지 않고 검증될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제어기가 DOE의 그레이팅의 회절 효율의 변화를 나타내는 신호들을 방사선 검출기들로부터 수신하고, 그에 따라 DOE의 성능을 모니터링할 수 있다. 이 신호들에 기초하여, 제어기는 일차 방사선원의 동작을 제어할 수 있고 신호들이 사전정의된 범위 밖에 있을 때 일차 방사선원의 동작을 제한할 수 있다.
예를 들어, 그레이팅 프로파일의 부분 삭제로 인해 "평활해진" 그레이팅을 고려해본다. 더 낮은 프로파일을 구비한 그레이팅은 전형적으로 더 낮은 회절 효율을 가지므로, 제1 방사선의 회절을 감소시키고, 따라서 0차의 세기를 증가시킨다. 같은 이유에서, 제2 방사선에 의해 경험되는 내부 회절 손실은 감소되는, 즉, 제2 방사선은 결함 영역 근처에서 감소된 회절을 경험하고 0차/내부 전반사 세기를 증가시킨다. 결과적으로, 탐색 신호의 세기가 증가된다. 이러한 경우에, 제어기는 제2 방사선의 내부 회절 손실의 감소를 제1 방사선의 0차의 세기의 증가 가능성으로 해석할 수도 있다. 제어기는 이제 전형적으로 신호가 소정 임계치보다 많이 변화하면, 가능한 단순히 방사선원을 끔으로써 방사선원의 동작을 제한할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, DOE 모니터를 구비한 광학 프로젝터(20)의 개략적 측면도이다. 일차 방사선원(22)은 DOE(26)를 향해 제1 방사선의 빔(24)을 방출한다. 전형적으로, 방사선은 가시광선, 적외선 또는 자외선 범위(일반적으로 "광"으로 지칭되는 스펙트럼 영역) 내의 코히어런트 광학 방사선이다. 일차 방사선원(22)은 레이저 다이오드, 예를 들어, 또는 레이저 다이오드들의 어레이, VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser) 어레이를 포함할 수 있다.
DOE(26)는 투명 기판(28), 예컨대, 유리 또는 적합한 플라스틱, 예를 들어 폴리카보네이트를 포함하여, 그레이팅(30)이 그것의 광학 표면들 상에 형성된다. 도시된 예에서, 그레이팅(30)은 방사선원(22)으로부터 멀리, DOE(26)의 탈출 표면 상에 형성되고, 빔(24)은 진입 표면(32)을 통해 DOE(26)에 진입한다. DOE(26)는 추가로 측부 표면 세그먼트들(34, 36)을 포함하는 측부 표면을 포함한다. (다른 측부 표면 세그먼트들은 이 도면에서 도시되지 않는다. 다수의 측부 표면 세그먼트들은 함께 DOE(26)의 측부 표면을 구성하지만, 예를 들어, 원형 DOE는 단 하나의 세그먼트를 포함하는 측부 표면을 갖게 될 것이다.) 도 1의 도시에서, DOE(26)의 치수(폭 및 높이), 뿐만 아니라 그레이팅(30)의 주기 및 진폭은 동일한 스케일이 아니다.
DOE(26)는 빔(24)으로부터 0차 및 1차 회절(37)을 포함하는 패턴을 생성하며, 이는 그레이팅(30)으로부터 DOE(26)를 빠져나간다. 다른 실시예들에서, 다른 차수의 회절, 예컨대, 2차원 회절 패턴들을 포함하는 패턴들이 생성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 앞서 언급된 바와 같이, DOE(26)는 진입 표면(32) 또는 하나 이상의 내부 광학 표면들(미도시) 상에 형성된 하나 이상의 그레이팅들을 포함할 수 있다. 그레이팅들은, 예를 들어, 본 명세서에 참조로서 포함된, 미국 특허 제8,384,997호에 기재된 바와 같이, 스폿들의 패턴의 다수의, 인접한 인스턴스들을 생성하도록 구성될 수 있다. 그러한 패턴들은 미국 특허 제8,384,997호, 및 위에 언급된 미국 특허 제8,492,696호에 기재된 바와 같이 3D 맵핑(이미징 조립체와 연관되어)에 특히 유용하다.
DOE(26)의 결함들은 이차 방사선원(38), 예를 들어 LED 또는 레이저 다이오드, 및 하나 이상의 방사선 검출기들(40), 예를 들어 포토다이오드들을 이용하여 모니터링된다. 이차 방사선원(38)과 방사선 검출기들(40)은 둘 모두 제어기(42)에 연결된다. 제어기(42)는 또한 일차 방사선원(22)에 연결된다.
오직 단일 방사선원(38) 및 단일 방사선 검출기(40)가 도 1 및 도 2에 도시되지만, 본 발명의 대안적인 실시예들은 임의의 개수의 방사선원 및 검출기, 예컨대 1개, 2개, 3개, 4개 이상의 방사선 검출기들을 사용할 수 있다. 검출기들은 (도 1 및 도 2의 수직축을 따라) 다른 것 위에 장착되고/되거나 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, DOE의 측부 표면을 따라 분포될 수 있다. 그것들의 작은 크기로 인해, 이차 방사선원들(38) 및 방사선 검출기들(40)(또는 가능한 추가적인 방사선 검출기들)은 광학 프로젝터(20)의 크기에 단지 작은 영향만을 줄 것이다. 일부 실시예들에서, 이차 방사선원(38)의 방출 스펙트럼은 일차 방사선원(22)의 방출 스펙트럼과 별개로 선택되어서, ― 적합한 스펙트럼 필터링을 채용함으로써 ― 광학 프로젝터(20)의 기능에 제2 방사선의 어떠한 영향도 줄 수 없도록 한다.
일차 방사선원(22)과 이차 방사선원(38)이 완전히 서로 독립적이기 때문에, 이차 방사선원(38)은 일차 방사선원(22)이 꺼진 동안 DOE(26)를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 이 동작 모드가 휴대용 디바이스에서 전력을 아끼는 데 유리하다. 또한 이를 통해, 특히, 예를 들어, 광학 프로젝터(20)에 대한 기계적 충격과 같은 유해 사건 후에 제1 방사선의 존재 없이 DOE(26)를 모니터링할 수 있다.
이차 방사선원(38)은 측부 표면 세그먼트(34) 상에 위치설정되어 제2 방사선(44)을 측부 표면 세그먼트(34)를 통해 DOE(26) 안으로 방출하도록 한다. DOE(26)에 진입한 제2 방사선(44)이 전형적으로 연속적 또는 이산적 각도의 스펙트럼과 같은 여러 방향의 광선을 포함하지만, 명료함을 위해, 제2 방사선(44)은 단일 광선을 이용하는 것으로 도시된다. 제2 방사선(44)의 방향은 또한 이차 방사선원(38)의 적합한 선택 및 그것의 방사선 패턴의 배향에 의해, 내부 전반사에 의해 진입 표면(32)으로부터 반사되도록 구성된다. 예를 들어, 굴절률 n = 1.57의 폴리카보네이트 기판에서, 내부 전반사를 위한 최소각도는 39.5°이고, 따라서 진입 표면(32) 상의 입사각이 39.5°를 넘는 제2 방사선(44)은 내부 전반사의 조건을 충족시킨다.
측부 표면(36)을 향해 DOE(26)를 가로지르는 제2 방사선(44)의 전파는 다발적인 내부 전반사와 회절의 조합을 통해 일어난다. 이는 제2 방사선(44)(실선)을 나타내는 화살표를 따라 감으로써 관찰자에게 더 명확해질 것이다. 제2 방사선(44)이 진입 표면(32)에 충돌하는 각각의 지점에서, 그것은 내부 전반사에 의해 반사된다. 제2 방사선(44)이 그레이팅(30) 상에 충돌하는 각각의 지점에서, 그것의 일부는 점선으로 도시된 더 높은(0 아님) 차수로 회절하는 반면, 제2 방사선(44)의 잔여 부분은 내부 전반사에 의해 반사된다(회절된 0차와 동등함). 회절된 더 높은 차수들은 다시 진입 표면(32)으로부터 내부 전반사에 의해 반사된다. 이러한 회절 및 내부 전반사의 프로세스는 반사 및 회절된 제2 방사선(44)이 측부 표면 세그먼트(36)에 충돌할 때까지 제2 방사선(44)이 그레이팅(30) 및 진입 표면(32)을 탐색하며, DOE(26)의 폭에 걸쳐 계속된다.
이차 방사선원(38)의 측부 표면 세그먼트(34) 안으로의 거리 및 결합은 그레이팅(30) 상에 제2 방사선(44)에 의해 균일한 조명을 제공하도록 최적화될 수 있다. 최적화는 추가로 DOE(26) 내에서 전파되는 회절 모드에 대하여 그레이팅(30)으로부터 높은 내부 회절 효율을 달성하고, 내부적으로 전반사되지 않는, 즉 DOE(26)를 "빠져나갈" 회절 모드에 대하여 낮은 회절 효율을 달성하도록 사용될 수 있다.
전형적으로, 측부 표면 세그먼트(36)는 투명하고 DOE(26)의 광학 표면들에 수직하여, 제2 방사선(44)이 측부 표면을 통해 빠져나가도록 한다. 대안적으로, 반사 및 회절된 제2 방사선(44)은 광학 표면들에 평행하지 않은 임의의 적합한 각도로 배향된 광전송 측부 표면을 통해 빠져나갈 수 있다.
방사선 검출기들(40)은 측부 표면 세그먼트(36)를 통해 DOE(26)를 빠져나가는 제2 방사선(44)의 각 부분들을 수신 및 감지한다. 도시된 실시예에서, 방사선 검출기들(40)의 전방 표면들은 DOE(26)의 측부 표면 세그먼트(36)와 접촉하도록 고정된다. 둘 이상의 방사선 검출기를 사용함으로써, 측부 표면에서 제2 방사선(44)의 공간적 프로파일을 감지하고, DOE(26)를 모니터링하기 위해 공간적 프로파일 내의 추가적인 정보를 활용할 수 있다. 둘 이상의 방사선 검출기는 또한 검출기들로부터 신호들의 상이한 감지를 가능하게 한다. 이는, 결과적으로, 공통-모드 제2 방사선원(38)의 전력 변동과 같은 신호들의 변화에 대한 감지의 민감성, 및 제2 방사선원(38)과 방사선 검출기들(40)의 사소한 정렬 오류에 대한 민감성을 감소시킨다.
제어기(42)는 그레이팅(30)의 효율을 나타내는 방사선 검출기들(40)로부터의 신호들을 모니터링한다. 그레이팅(30)이 열화되거나 또는 완전히 망가지면, 반사 및 회절된 제2 방사선(44)의 세기들이 영향을 받게 될 것이고, 방사선 검출기들(40)에 의해 출력되는 신호들이 그에 따라 변하게 될 것이다.
신호가 소정의 허용된 범위 밖에 있는 경우, 특히 신호가 소정 임계치보다 많이 변하는 경우 - 사전정의된 최소 레벨 밑으로 떨어지거나 또는 사전정의된 최대치를 초과하는 경우 - 제어기(42)는 일차 방사선원(22)의 동작을 제한할 것이고, 간단히 일차 방사선원 전체를 끌 수 있다. 이러한 방식으로, 제어기(42)는 간접적으로 제1 방사선으로부터, 그레이팅 효율이 떨어짐에 따라 더 강해지는, 0차 회절의 세기를 모니터링하고, 이러한 모니터링에 의해, 회절된 차수들(37) 간의 그것의 정상적인 균형을 벗어난 광학 프로젝터(20)의 동작을 방지할 수 있다. 위의 기능들을 수행하기 위하여, 제어기(42)는, 예를 들어, 내장된 마이크로제어기 또는 광학 프로젝터(20)와 통합될 수 있는 단순한 임계 감지 로직 디바이스를 포함할 수 있다. 대안적으로, 제어기(42)의 기능들은 마이크로프로세서에 의해 수행될 수 있으며, 이는 또한 광학 프로젝터(20)가 통합된 시스템에서 다른 기능들을 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광학 프로젝터(20)의 개략적 측면도이고, 그레이팅(30)의 피리어드(46)를 제거한 효과를 보여준다(그레이팅(30)의 국부적인 삭제를 모방함). 피리어드(46)의 국부적인 삭제로 인해, 그 위치에서 제2 방사선(44)의 회절이 일어나지 않는다. 이러한 회절의 결손은 도 1에 비교하여 측부 표면(36)에서 회절되지 않은 제2 방사선(44)과 회절된 제2 방사선(44) 사이의 균형을 변경시켜, 결과적으로 방사선 검출기들(40)로부터의 신호들 사이의 균형을 변경시킨다. 이러한 변화된 균형은 제어기(42)에 의해 검출될 것이고, 변경이 주어진 한계를 초과하는 경우에, 제어기(42)로 하여금 일차 방사선원(22)의 동작을 제한하게 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 모니터를 구비한 DOE(26)의 개략적 평면도이다. DOE(26)는 기판(28)의 상부 상의 그레이팅(30), 진입 표면(32)(이 도면에 도시되지 않음), 및 4개의 측부 표면 세그먼트들을 포함하며, 이들중 본 설명에 관련된 것들은 세그먼트들(34, 36)이다. 도 1 및 도 2에서와 같이, 이차 방사선원(38) 및 방사선 검출기들(40)은 측부 표면 세그먼트들(34, 36)에, 각각 부착된다. 도 3에 도시된 도면에서, 그러나, 측부 표면 세그먼트(36)의 길이 방향을 따라 배열된 별개의 방사선 검출기들(40a 내지 40c)이 도시되는데, 방사선 검출기(40b)는 측부 표면 세그먼트(36)의 중간에 위치되고 남은 두 검출기들은 기판(28)의 코너를 향해, 대칭적으로 방사선 검출기(40b)에 대하여 대칭적으로 위치한다. 제어기(42)는 이차 방사선원(38), 방사선 검출기들(40a 내지 40c), 및 일차 방사선원(22)(미도시)에 연결된다.
도 3에서, 예로서, 검출기들(40a 내지 40c)은 방사선원(38)에 대하여 대칭적으로 위치설정되고 세그먼트(36)의 중간 및 코너들에 위치설정된다. 이러한 특징부들 중 어느 것도 필수가 아니며, 오히려, 광원(38) 및 검출기들(40)은 다양한 상이한 위치들에 적절한 임의의 방식으로 배치될 수 있다. 추가적으로, 각각의 검출기는 이론적으로 DOE(26)의 모든 부분으로부터의 광을 샘플링하지만, 주어진 검출기(40)는 광원(38)과 검출기 사이의 광학 경로를 따라 또는 그에 가깝게 발생하는 결함들에 더 민감할 것이다. 향상된 검출을 위하여, 소정 개수의 검출기들을 갖고/갖거나 검출기들이 하나 이상의 측부 표면들의 소정 백분율의 측방향 영역을 차지하도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
도 3의 방사선원(38)은 DOE의 폭의 서브세트만을 차지하며, 이는 가능성있게 그레이팅에 걸쳐 불균일한 방사선 투과를 야기할 수 있다. 일부 경우들에서, 방사선원의 폭이 적어도 그레이팅의 폭이 되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 경우들에서, 다수의 개별적으로 어드레스가능한 방사선원들을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이러한 후자 종류의 빔 모니터를 구비한 DOE(26)의 개략적 평면도이다. 이 실시예에서 다수의 방사선원들(38a 내지 38c)은 동시에 또는 순차적으로 조명될 수 있다. 3개의 광원을 구비한 본 예에서, 방사선원(38a)을 활성화시킴으로써 DOE(26)의 좌측에서 결함들의 검출을 용이하게 하도록 도울 수 있고; 방사선원(38b)을 활성화시킴으로써 DOE의 중간 부분에서의 검출 등을 용이하게 할 수 있다. (그러나, 다른 쪽의 광원이 활성화되어 있는 동안 DOE의 한 면에서 결함들을 검출하는 것이 또한 가능할 수 있다는 것이 이해할 것이다.)
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예의 빔 모니터를 구비한 DOE(26)의 개략적 평면도이고, 검출기들(40)은 DOE의 측부 표면(36)의 다수의 상이한 세그먼트들 상에 위치설정된다. 이러한 접근법은 검출기 배치에 따라, 그레이팅들의 사이한 부분들 상에서 결함들을 검출하는 감도를 증가시킬 수 있다. 이 도면에서 DOE(26)의 3면의 세그먼트들 상에 위치설정되어 있는 것으로 도시되지만, 검출기들(40)은 대안적으로 두 면, 또는 그 이상의 면 상에 (DOE가 얼마나 많은 측부 표면 세그먼트들을 갖는지에 따라) 위치설정될 수 있다.
다른 실시예들에서(도면들에 도시되지 않았지만), DOE(26)는 다수의 측부 표면 세그먼트들 상에 방출기를 가지며 다수의 측부 표면 세그먼트들 상에 검출기들을 가질 수 있다. 각각의 표면 세그먼트는 단지 방출기들만을 갖거나 또는 단지 검출기들만을 가질 수 있으며, 이는 위에 도시된 실시예들에 도시된 바와 같다. 대안적으로, 하나 이상의 표면들에는 방출기들 및 검출기들이 대칭적 또는 비대칭적 배열로 위치설정될 수 있다. (본 명세서에서 방출기들 및 검출기들을 측부 표면 세그먼트 "상에" 배치하는 것에 관한 지칭들은 방출기들이 방사선을 전송하고 검출기들은 측부 표면으로부터 방사선을 수광하지만, 측부 표면과 직접 물리적으로 접촉해야하는 것은 아니라는 것을 이해되어야 한다.)
본 발명의 일부 실시예들에서(도면들에 도시되지 않음), 이차 방사선원들 및 검출기들은, 위에 기재된 바와 같이, 위에 언급된 미국 특허 출원 공개 제2009/0185274호에 도시된 배열들과 같이, 다중 적층된 DOE들에 적용된다. 그러한 실시예들에서, 각각의 개별적인 DOE에 대하여 이차 방사선원들 및 검출기들을 구비한 별개의 시험 장치가 있을 수 있다. 일부 경우들에서, 하나의 DOE에 대한 이차 방사선원은 다른 DOE에 대한 이차 방사선원과 동일한 방출 스펙트럼을 가질 수 있거나, 또는 상이한 방출 스펙트럼을 가질 수 있다. 이러한 경우들 중 일부에서, DOE들은 시간-다중화 방식으로 확인될 수 있다(예컨대, 두 DOE 간의 크로스토크를 감소시키기 위함). 다른 경우들에서, DOE들은 동시에 확인될 수 있다. 예를 들어, 방사선원들이 상이한 방출 스펙트럼을 갖는 경우들에서, 하나의 DOE에 대한 검출기들은 다른 DOE의 스펙트럼 밖에 있는 소정 파장에 대해 선택적으로 민감할 수 있고 (예컨대, 필터를 통해), 그 반대일 수 있다. 방사선원들 및 검출기들은 두 DOE의 동일한 측면 상에 위치설정될 수 있거나, 또는 그것들은 상이한 검출 배열에 임의의 적절한 상대적인 배향으로 위치될 수 있다.
전술된 실시예들은 예로서 인용되어 있고 본 발명은 이상의 본 명세서에서 특히 도시되고 기술된 것으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 이상의 본 명세서에서 기술된 다양한 특징부들의 조합들 및 하위조합들 모두를 포함할 뿐만 아니라, 전술된 설명을 읽을 때 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 생각이 떠오를 것이고 종래 기술에서 개시되지 않은 변형들 및 변경들도 포함한다.

Claims (18)

  1. 광학 장치로서,
    회절 광학 소자(DOE) - 상기 회절 광학 소자는:
    적어도 하나의 광학 표면;
    측부 표면 - 상기 측부 표면은 상기 DOE의 상기 적어도 하나의 광학 표면에 평행하지 않음 -; 및
    그레이팅 - 상기 그레이팅은 상기 적어도 하나의 광학 표면 상에 형성되어 상기 그레이팅 상에 입사되는 제1 방사선을 수광하고 회절시키도록 함 -; 을 포함함 -;
    일차 방사선원 - 상기 일차 방사선원은 상기 제1 방사선을 상기 DOE의 상기 적어도 하나의 광학 표면을 향해 지향시키도록 구성되고, 상기 그레이팅은 상기 제1 방사선을 다중 차수의 회절로 지향시키도록 구성됨 -;
    적어도 하나의 이차 방사선원 - 상기 적어도 하나의 이차 방사선원은 제2 방사선을 상기 측부 표면 상의 제1 위치 상에 충돌하도록 지향시켜, 제2 방사선의 적어도 일부로 하여금 상기 그레이팅으로부터 내부적으로 회절하면서 상기 DOE 내에 전파되고 상기 측부 표면 상의 적어도 하나의 제2 위치를 통해 빠져나가게 하도록 구성됨 -;
    상기 적어도 하나의 제2 위치에 근접하에 위치설정되어 상기 측부 표면을 통해 빠져나간 상기 제2 방사선을 수광하고 상기 제2 방사선의 세기를 감지하도록 하는 적어도 하나의 방사선 검출기; 및
    제어기 - 상기 제어기는 상기 측부 표면을 통해 빠져나간 상기 제2 방사선의 상기 세기를 나타내는 상기 적어도 하나의 방사선 검출기로부터 적어도 하나의 신호를 수신하고, 상기 적어도 하나의 신호에 응답하여 상기 DOE의 성능을 모니터링하도록 결합됨 - 를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 신호의 변화는 0차의 상기 회절의 세기의 증가를 나타내고, 상기 제어기는 상기 변화가 사전정의된 임계치를 초과할 때 상기 일차 방사선원의 동작을 제지하도록 구성된, 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 측부 표면은 상기 DOE의 상기 적어도 하나의 광학 표면에 수직인, 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 방사선 검출기는 상기 DOE의 상기 측부 표면과 접촉하는 전방 표면을 포함하는, 광학 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 방사선 검출기는 적어도 제1 방사선 검출기 및 제2 방사선 검출기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 제1 방사선 검출기 및 상기 제2 방사선 검출기로부터 각각 제1 신호 및 제2 신호를 수신하도록 결합되고, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호 사이의 차이에 응답하여 상기 성능을 모니터링하도록 구성된, 광학장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 일차 방사선원 및 상기 적어도 하나의 이차 방사선원은 상기 제1 방사선 및 상기 제2 방사선을 각각 상이한, 각자의 파장에서 방출하도록 구성된, 광학 장치.
  10. 광학적 방법으로서,
    그레이팅이 그 위에 형성되는 적어도 하나의 광학 표면 및 상기 적어도 하나의 광학 표면에 평행하지 않은 측부 표면을 갖는 회절 광학 소자(DOE)를, 일차 방사선원으로부터 지향되고 상기 그레이팅의 상기 적어도 하나의 광학 표면 상에 입사하는 제1 방사선을 수광 및 회절시키도록 위치설정하는 단계 - 상기 그레이팅은 상기 제1 방사선을 다중 차수의 회절로 지향시키도록 구성됨 -;
    제2 방사선을 상기 측부 표면 상의 제1 위치 상에 충돌하도록 지향시켜, 상기 제2 방사선의 적어도 일부로 하여금 상기 그레이팅으로부터 내부적으로 회절하면서 상기 DOE 내에 전파되고 상기 측부 표면 상의 적어도 하나의 제2 위치를 통해 빠져나가게 하도록 하는 단계;
    상기 측부 표면을 통해 빠져나간 상기 제2 방사선을 수광하고 상기 제2 방사선의 세기를 감지하여, 상기 측부 표면을 통해 빠져나간 제2 방사선의 세기를 나타내는 적어도 하나의 신호에 응답하여 상기 DOE의 성능을 모니터링하는 단계; 및
    상기 모니터링되는 성능에 응답하여 상기 일차 방사선원의 동작을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 신호의 변화는 0차의 상기 회절의 세기의 증가를 나타내고, 상기 일차 방사선원의 동작을 제어하는 단계는 상기 변화가 사전정의된 임계치를 초과할 때 상기 동작을 제지하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 측부 표면은 상기 DOE의 상기 적어도 하나의 광학 표면에 수직인, 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 수광하고 세기를 감지하는 단계는 상기 DOE의 측부 표면과 접촉하는 전방 표면을 갖는 방사선 검출기를 이용하여 상기 세기를 감지하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 신호는 적어도 제1 신호 및 제2 신호를 포함하고, 상기 DOE의 성능을 모니터링하는 단계는 상기 제1 신호와 상기 제2 신호 사이의 차이에 응답하여 상기 성능을 모니터링하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제10항에 있어서, 상기 제1 방사선 및 상기 제2 방사선은 상이한, 각자의 파장에서 방출된, 방법.
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