KR20070018918A - 광 빔 균일화 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 균일화될 빔의 통과를 위한 또는 균일화될 빔의 반사를 위한 하나 이상의 광학 기능 경계면, 및 상기 하나 이상의 광학 기능 경계면 상에 배치된 다수의 렌즈 소자들(4, 5) 또는 거울 소자들을 포함하는 광 빔 균일화 장치에 관한 것이다. 상기 렌즈 소자들(4, 5) 또는 거울 소자들은 각각 그들의 에지 영역에서, 회절과 관련된 효과가 감소하도록 휘어진다.
Description
본 발명은 균일화될 빔의 통과를 위한 또는 균일화될 빔의 반사를 위한 하나 이상의 광학 기능 경계면들, 및 상기 하나 이상의 광학 기능 경계면들 상에 배치된 다수의 렌즈 소자들 또는 거울 소자들을 포함하는 광 빔 균일화 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 균일화될 빔의 통과를 위한 또는 균일화될 빔의 반사를 위한 하나 이상의 광학 기능 경계면들, 및 상기 하나 이상의 광학 기능 경계면들 상에 배치된 다수의 렌즈 소자들 또는 거울 소자들을 포함하는 광 빔 균일화 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
미국 특허 제 6,239,913 호에는 전술한 방식의 장치 및 방법이 공지되어 있다. 거기에 개시된 장치는 투명한 기판을 가지며, 상기 기판에서 광 입사면과 광 출사면 상에는 실린더 렌즈의 어레이들이 배치된다. 실린더 렌즈의 어레이들은 서로 수직인 실린더 축을 갖는다. 개별 실린더 렌즈는 2차(second order)의 구형 또는 비구형 횡단면을 가질 수 있다. 빔 균일화를 위해, 예컨대 콜리메이트된 레이저 빔이 장치를 통해 안내되고, 상기 장치에 후속해서, 푸리에 렌즈로서 사용되는 콜렉팅 렌즈에 의해 동작 평면 내로 함께 안내된다. 개별 렌즈 소자에 의해 굴절된 광은 푸리에 렌즈에 의해 동작 평면에서, 원래 레이저 빔의 균일화가 이루어지도록 중첩된다.
상기 방식의 장치에서의 단점은 회절 효과로 인해 개별 렌즈 소자를 통과한 광의 배광이 현저한 세기 변동을 갖는다는 것이다(도 2 참고). 개별 렌즈 소자의 배광의 세기 변동은 모든 렌즈 소자들의 광들의 중첩시에도 사라지지 않는데, 그 이유는 개별 렌즈 소자를 통과한 광이 각각의 렌즈 소자에 대한 동작 평면에서 유사하게 중첩되기 때문이다.
도 1a는 본 발명에 따른 장치의 개략적인 측면도.
도 1b는 상기 장치를 도 1a에 대해 90° 회전시킨 측면도.
도 2는 선행 기술에 따른 렌즈 소자를 통과한 광의 배광을 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 렌즈 소자를 통과한 광의 배광을 나타낸 개략도,
도 4는 선행 기술에 따른 개별 렌즈 소자에 비한 본 발명에 따른 장치의 개별 볼록 렌즈 소자의 횡단면도.
도 5는 도 4에 따른 본 발명에 따른 장치의 렌즈 소자의 횡단면의 에지 영역의 세부도.
도 6은 본 발명에 따른 장치의 오목 렌즈 소자의 다른 실시예의 횡단면도.
도 7은 도 6에 따른 횡단면의, 렌즈 소자의 에지를 나타내는 세부도.
도 8은 도 6에 따른 렌즈 소자를 통과하는 광의 배광을 나타낸 개략도.
본 발명의 목적은 비교적 적은 세기 변동을 가진 균일화된 광을 발생시킬 수 있는 상기 방식의 장치를 제공하는 것이다. 또한, 균일화된 광이 비교적 적은 세기 변동을 갖는 광 빔 균일화 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
장치에 관련한 상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징 및 청구항 5의 특징을 가진 전술한 방식의 장치에 의해 달성되고, 방법과 관련한 상기 목적은 청구항 8의 특징을 가진 전술한 방식의 방법에 의해 달성된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것이다.
청구항 1에 따라 렌즈 소자들 또는 거울 소자들은 각각 그 에지 영역에서 회절과 관련된 효과가 감소하도록 휘어진다. 방지되어야 할 효과는 주로 에지 회절 효과와 유사한 효과이다. 에지 영역을 본 발명에 따라 변경함으로써, 이러한 에지 회절 효과는 변할 수 있거나, 특히 개별 렌즈 소자를 통과한 배광의 또는 개별 거울 소자에서 반사된 배광의 세기 변동이 전체적으로 매우 감소할 수 있도록, 줄어들 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 원 적외선 범위로부터 X선 범위까지의 넓은 스펙트럼 범위에 대해 적합하다. 특히 VUX, XUV 및 X 선 범위에서는 렌즈 소자들 대신에 거울 소자들을 사용하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
하나 이상의, 예컨대 2개 또는 4개의 광학 기능 경계면을 제공하는 것이 가능하다. 전체의 또는 단일 광학 기능 경계면의 렌즈 소자 또는 거울 소자들은, 광의 보다 양호한 균일화가 얻어지도록 변경될 수 있다.
청구항 2에 따라, 렌즈 소자들 또는 거울 소자들은 중간 영역에 2차의 비구형 횡단면, 예컨대 쌍곡선 또는 포물선형 횡단면에 상응하는 횡단면을 갖는다. 청구항 3에 따라, 렌즈 소자들 또는 거울 소자들은 그 에지 영역에, 2차의 비구형 횡단면과는 다른, 특히 매우 다른 횡단면을 갖는다. 상기 편차는 청구항 4에 따라 렌즈 소자들 또는 거울 소자들이 그 에지 영역에, 다항식의 더 높은 차수에 의해, 특히 다항식의 더 높은 우수 차수에 의해 지배되는 횡단면을 갖도록 형성될 수 있다. 경우에 따라 에지 영역들은 수학적으로 중간 영역과는 별도로만 다항식으로 표시될 수 있다. 다항식의 보다 높은 차수에 의한 렌즈 소자들 또는 거울 소자들의 에지 영역에서의 횡단면의 지배에 의해, 상기 에지 회절 효과에 의도적으로 영향을 주고, 그 결과 비교적 효과적으로 균일화기 또는 상기 균일화기의 개별 렌즈 소자들로부터 나온 또는 개별 거울 소자들에 의해 반사된 배광이 평활화될 수 있다.
청구항 5에 따라, 렌즈 소자들 또는 거울 소자들의 각각은 파형 또는 사인형 구조물을 갖는다. 특히, 청구항 6에 따라 상기 구조물의 주기성은 비교적 작고, 특히 개별 렌즈 소자들 또는 거울 소자들이 서로 나란히 배치되는 주기성보다 작다. 예컨대, 청구항 7에 따라 렌즈 소자들 또는 거울 소자들의 각각은 파형 또는 사인형 구조물에 기초가 되는 기본 구조를 가지며, 상기 기본 구조는 구형 또는 비구형 2차수이다. 각각의 렌즈 소자 또는 거울 소자 상의 파형 또는 사인형 구조물에 의해, 균일화기의 배광의 세기 평균화가 이루어질 수 있고, 그 결과 전체적으로 배광이 균일하게 형성될 수 있다.
청구항 8에 따른 방법은 하기 단계를 특징으로 한다:
- 하나 이상의 광학 기능 경계면들, 및 상기 광학 기능 경계면들 상의 다수의 렌즈 소자들 또는 거울 소자들을 가진 광 빔 균일화 장치를 형성하는 단계;
- 다수의 렌즈 소자들 중 개별 렌즈 소자를 통과한 광 또는 다수의 거울 소자들 중 개별 거울 소자에 의해 반사된 광의 배광을 검출하는 단계;
- 상기 검출된 배광에 대해 상보적인 구조물을 상기 렌즈 소자들 또는 상기 거울 소자들 중 각각 상에 부착하는 단계.
특히, 청구항 9에 따라 상기 부착된 구조물은 렌즈 소자들 또는 거울 소자들의 에지 영역에서 렌즈 소자들 또는 거울 소자들의 중간 영역에서 보다 큰 진폭을 갖는다. 청구항 10에 따라 제 1 단계에서 형성된 렌즈 소자들 또는 거울 소자들은 규칙적인 횡단면, 특히 2차의 구형 또는 비구형 횡단면을 갖는다. 따라서, 제 1 단계에서 형성된 렌즈 소자들 또는 거울 소자들은 간단한 수단으로 제조될 수 있다. 배광의 검출 후에 렌즈 또는 거울 상에 부착된 상보 구조물은 적절한 제조 비용으로 배광의, 회절에 관련된 예상 간섭에 정확히 매칭됨으로써, 이러한 구조물을 가진 균일화 장치를 통과한 광은 통과 후에 매우 균일한 배광을 갖거나, 또는 상응하는 거울 소자의 사용시 장치에서 반사 후에 매우 균일한 배광을 갖는다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참로로 하는 하기의 실시예 설명에 나타난다.
이하, 본 발명을 균일화될 광의 통과를 위한 렌즈 소자의 실시예로 설명한다. 본 발명에 따라 균일화를 위해서도 사용될 수 있는 거울 소자들은 렌즈 소자들과 유사하게 또는 정확히 동일하게 형성될 수 있으며, 다만 그들이 균일화될 광의 파장에 대해 적어도 부분적으로 반사하도록 형성된다는 것이 다르다. 이를 위해, 예컨대 하기에 설명되는 렌즈 소자가 상응하는 반사 코팅을 가질 수 있다. 균일화될 광은 예컨대 개별 거울 소자에서 제로가 아닌 각으로 반사될 수 있다.
도면들 중 몇몇에는 본 발명에 따른 장치의 보다 나은 명확화를 위해 카아티이젼 좌표가 도시되어 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 광 빔 균일화 장치의 실시예를 개략적으로 도시한다. 특히, 도 1a 및 도 1b는 광의 입사면(2) 및 출사면(3)을 가진 투명한 재료로 이루어진 기판(1)을 도시한다. 입사면(2) 상에 다수의 서로 평행한 렌즈 소자들(4)이 제공되며, 상기 렌즈 소자들은 실린더 렌즈로서 형성된다. 상기 실린더 렌즈들의 실린더 축들은 Y-방향으로 연장한다. 출사면(3) 상에도 마찬가지로 다수의 렌즈 소자(5)가 배치되고, 상기 렌즈 소자들도 서로 평행하게 그리고 이격되어 배치된 실린더 렌즈로서 형성된다. 렌즈 소자(5)의 실린더 축은 X-방향으로 연장하기 때문에, 렌즈 소자(4)의 실린더 축에 대해 수직으로 배치된다.
서로 교차되어 실린더 렌즈로서 형성된 렌즈 소자들(4, 5)에 의해, 광이 입사면(2) 및 출사면(3)을 통과할 때 통과된 광 빔은 X-방향 및 Y-방향으로 굴절되기 때문에, 렌즈 소자들(4, 5)은 상호 작용하여 다수의 구형 렌즈 소자들과 유사한 작용을 한다. 본 발명에 따라, 교차된 실린더 렌즈 대신에, 구형 렌즈 소자들의 2차원 어레이를 제공할 수 있다. 이러한 어레이는 입사면(2)과 출사면(3) 상에 뿐만 아니라, 입사면(2) 상에만 또는 출사면(3) 상에만 배치될 수 있다. 또한, 입사면(2) 상에만 또는 출사면(3) 상에만 실린더 렌즈의 어레이를 배치함으로써, 광이 방향 X, Y 중 하나에 대해서만 굴절될 수 있다. 또한, 개별 렌즈 소자 또는 거울 소자들 사이의 이행 영역에서의 손실을 피하기 위해, 하나의 광학 기능 경계면 또는 각각의 광학 기능 경계면 상에서 서로 나란히 배치된 렌즈 소자 또는 거울 소자는 교대로 오목 및 볼록하게 형성될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 본 발명에 따른 장치의 실시예는 레이저 빔의 균일화를 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 평행한 광은 장치로 안내되고, 빔 방향으로 볼 때 장치의 후방에 푸리에 렌즈로서 사용되는 콜렉팅 렌즈가 제공될 수 있다. 상기 푸리에 렌즈는 푸리에 렌즈의 초점 평면에서 렌즈 소자들(4, 5) 중 많은 또는 전체의 렌즈 소자들을 통과한 광을 중첩시킨다. 이러한 초격자 구조는 선행 기술에 충분히 공지되어 있다. 이에 대한 대안으로서, 개별 렌즈 소자들(4, 5)의 약간 상이한 기울기도 원거리 장에서 중첩을 일으킨다. 이 경우에는 별도의 푸리에 렌즈가 생략될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에는 개별 렌즈 소자들(4, 5)이 반원으로 개략적으로 도시된다. 개별 렌즈 소자의 형상은 개략적으로만 도시된다. 도 4에는 본 발명에 따른 장치의 렌즈 소자의 실시예의 형상이 상세히 나타난다. 특히, 도 4에서 상부 그래픽은 2차의 비구형 횡단면을 가진 선행 기술에 공지된 실린더 렌즈의 횡단면(6)을 도시한다. 도 4의 하부 그래픽은 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예의 렌즈 소자의 횡단면(7)을 도시한다. 도 4에서는 특히 렌즈 소자의 에지 영역에서의 횡단면(7)이 선행 기술에 따른 2차의 비구형 횡단면(6)과는 다르다는 것을 알 수 있다. 도 4에서는 상부로 Z 방향으로(도 1a 및 도 1b 참고) 렌즈 소자의 연장을 도시한다. 도 4에 따른 그래픽의 횡좌표는 렌즈 소자의 X 좌표를 밀리미터로 나타내며, 여기서 0은 렌즈 소자의 횡단면의 중심점에 배치된다. 도 4에 따른 그래픽에서는 X값 ≤-0.4 mm 또는 ≥0.4 mm 에 있어서 본 발명에 따른 장치의 렌즈 소자의 횡단면(7)이 선행 기술에 따른 포물선형 횡단면(6)과 차이난다는 것이 명확히 나타난다.
특히 도 5에서는 렌즈 소자의 에지 영역에서 횡단면이 이것에 이어지는 영역에서 보다 훨씬 더 휘어지는 것이 나타난다. 특히, X 값 ≤ -0.647 mm 일 때 또는 X 값 ≥ 0.647 mm 일 때 횡단면 곡률의 매우 현저한 증가가 나타난다.
도 2는 선행 기술에 따른 2차의 비구형 횡단면(6)을 가진 렌즈 소자의 출사각에 대한 광 분포를 광 세기로 도시한다. 특히, 여기서는 상이한 광 출사각에 있어서 회절과 관련된 세기 변동이 나타난다. 도 3은 본 발명에 따른 장치의 도 4에 따른 횡단면(7)을 가진 렌즈 소자(4, 5)의 배광을 동일한 척도로 나타낸다. 여기서는 회절과 관련된 세기 변동이 현저히 감소되는 것이 명확히 나타난다. 이러한 세기 변동의 감소는 렌즈 소자들(4, 5)의 에지 영역에서 2차의 비구형과는 다른 횡단면 때문이다.
도 6 및 도 7에는 본 발명에 따른 장치의 렌즈 소자(4, 5)의 제 2 실시예가 도시된다. 특히, 도 7은 이 실시예도 그 에지 영역에서 곡률의 현저한 증가를 갖는 것을 나타낸다. 도 8은 이러한 렌즈 소자(4, 5)를 통과한 광의 배광을 출사각에 따라 광 세기로 나타낸다. 상기 배광은 상이한 출사각에 대해 현저한 세기 변동을 나타내지 않는데, 이는 여기서도 렌즈 소자(4, 5)의 에지 영역에서의 특별한 형상 때문이다.
이하에서는 도 6 및 도 7에 도시된 렌즈 소자(4, 5)의 횡단면에 대한 실시예를 상세히 설명한다. 특히, 상기 횡단면은 수학적으로 부분적으로 하기 식에 따라 12차 다항식으로 나타낼 수 있다:
하기의 계수로:
0 ≤|x|< 0.560 인 제 1 x 값 범위에서
0.560 ≤|x|<0.650 인 제 2 x 값 범위에서
0.650 ≤|x|<0.688 인 제 3 x 값 범위에서
0.688 ≤|x|<0.698 인 제 4 x 값 범위에서
렌즈 소자의 중간 영역에서 즉, 중심점으로부터 약 0.56 mm 까지 연장된 범위에 걸쳐, 횡단면의 형상이 실질적으로 X의 2차 항에 할당된 계수 U2 에 의해 결정된다. 달리 표현하면, 상기 중간 영역에서는 렌즈 소자의 횡단면의 2차의 비구형 형상이 주어진다. 비교적 큰 계수 U2 에 비해 다른 계수 U4, U6, U8, U10, U12 는 무시할 수 있을 정도로 작다. 또한, 모든 기수의 계수 U1, U3, U5, U7, U9, U11 은 0과 동일한 것으로 나타난다.
0.56 내지 0.65의 제 2 x 값 범위에서는 렌즈 소자의 횡단면의 형상이 더 이상 계수 U2 에 의해 결정되지 않는데, 그 이유는 예컨대 X의 1차 항에 할당된 계수 U1 이 U2 와 유사한 차수를 갖기 때문이다. 또한, X의 보다 높은 차수에 할당된 계수가 현저히 더 커지기 때문에, 이것이 부분적으로 중요하다; 여기서는 계수 U12 를 예시한다.
X의 더 높은 차수에 할당된 계수의 상기 확대는 제 3 값 범위 및 특히 제 4 값 범위에서 계속되고, 제 4 값 범위에서 계수 U12 는 계수 U2 보다 20 차수 이상 만큼 더 크다.
본 발명에 따른 장치의 도시되지 않은 다른 실시예에서는 예컨대 2차의 비구형 횡단면을 가진 규칙적으로 구조화된 렌즈가 사용될 수 있다. 물론, 여기서는 전체 렌즈 소자에 미세한, 특히 파형 또는 사인형 구조가 압인된다. 상기 구조의 주기성은 비교적 작으며, 특히 개별 렌즈 소자들(4, 5)이 입사면(2) 또는 출사면(3) 상에 서로 나란히 배치되는 주기성 보다 작다. 렌즈 소자(4, 5) 상에 제공된 이러한 미세한 구조에 의해 개별 렌즈 소자들 또는 전체 장치로부터 방출되는 배광의 평균화가 이루어짐으로써, 도 2에 도시된 간섭도 감소될 수 있다.
본 발명의 마찬가지로 도시되지 않은 다른 실시예에서는, 예컨대 도 2에 도시된 간섭에 대해 상보적인 구조물이 개별 렌즈 소자(4, 5) 상에 부착된다. 이것은 본 발명에 따른 방법에 따라, 제 1 단계에서 규칙적인 횡단면, 예컨대 2차의 구형 또는 비구형 횡단면을 가진 렌즈 소자가 기판에 제공됨으로써 구현된다. 그리고 나서, 이러한 렌즈 소자를 통과한 광의 배광이 검출된다. 이러한 배광은 예컨대 도 2에 따른 배광에 상응한다. 그리고 나서, 기존 렌즈 소자들은, 상기 소자들이 도 2에 예시적으로 도시된 간섭에 대해 상보적인 구조를 가지거나, 또는 예컨대 도 2에 대해 상보적인 구조를 가진 횡단면의 새로운 렌즈 소자가 새로운 기판 또는 동일한 기판 내에 형성되도록, 변경된다.
특히, 렌즈 소자의 에지 영역에서 렌즈의 중간 영역에서 보다 큰 진폭으로 변하는 구조물이 2차의 구형 또는 비구형 횡단면을 가진 렌즈 소자 상에 부착된다.
Claims (10)
- 균일화될 빔의 통과를 위한 또는 균일화될 빔의 반사를 위한 하나 이상의 광학 기능 경계면, 및상기 하나 이상의 광학 기능 경계면 상에 배치된 다수의 렌즈 소자(4, 5) 또는 거울 소자를 포함하는 광 빔 균일화 장치에 있어서,상기 렌즈 소자들(4, 5) 또는 상기 거울 소자들은 각각 그 에지 영역에서 회절과 관련된 효과가 감소하도록 휘어지는 것을 특징으로 하는, 광 빔 균일화 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 렌즈 소자들(4, 5) 및 상기 거울 소자들은 중간 영역에, 2차의 비구형 횡단면, 예컨대 쌍곡선 또는 포물선형 횡단면(6)에 상응하는 횡단면(7)을 갖는 것을 특징으로 하는, 광 빔 균일화 장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 렌즈 소자들(4, 5) 또는 상기 거울 소자들은 그 에지 영역에서 2차의 비구형 횡단면(6)과는 다른 횡단면(7)을 갖는 것을 특징으로 하는, 광 빔 균일화 장치.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 렌즈 소자들(4, 5) 또는 상기 거울 소자들은 그 에지 영역에, 다항식의 더 높은 차수, 특히 다항식의 더 높은 우수 차수에 의해 지배되는 횡단면(7)을 갖는 것을 특징으로 하는, 광 빔 균일화 장치.
- 제 1항의 전제부에 있어서, 상기 렌즈 소자들(4, 5) 또는 상기 거울 소자들의 각각은 파형 또는 사인형 구조물을 갖는 것을 특징으로 하는, 광 빔 균일화 장치.
- 제 5항에 있어서, 상기 구조물의 주기성이 비교적 작은, 특히 개별 렌즈 소자들(4, 5) 또는 거울 소자들이 서로 나란히 배치되는 주기성 보다 작은 것을 특징으로 하는, 광 빔 균일화 장치.
- 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 렌즈 소자들(4, 5) 또는 상기 거울 소자들의 각각은 파형 또는 사인형 구조물에 기초가 되는 기본 구조를 가지며, 상기 기본 구조는 구형 또는 비구형 2차수인 것을 특징으로 하는, 광 빔 균일화 장치.
- 균일화될 빔의 통과를 위한 또는 균일화될 빔의 반사를 위한 하나 이상의 광학 기능 경계면들, 및 상기 하나 이상의 광학 기능 경계면들 상에 배치된 다수의 렌즈 소자들(4, 5) 또는 거울 소자들을 포함하는 광 빔 균일화 장치의 제조 방법에 있어서,하나 이상의 광학 기능 경계면들, 및 상기 광학 기능 경계면들 상의 다수의 렌즈 소자들(4, 5) 또는 거울 소자들을 가진 광 빔 균일화 장치를 형성하는 단계;다수의 렌즈 소자들(4, 5) 중 개별 렌즈 소자를 통과한 광 또는 다수의 거울 소자들 중 개별 거울 소자에 의해 반사된 광의 배광을 검출하는 단계;상기 검출된 배광에 대해 상보적인 구조물을 상기 렌즈 소자들(4, 5) 또는 상기 거울 소자들 각각에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광 빔 균일화 장치의 제조 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 부착된 구조물은 상기 렌즈 소자들(4, 5) 또는 상기 거울 소자들의 에지 영역에서 상기 렌즈 소자들(4, 5) 또는 상기 거울 소자들의 중간 영역에서 보다 큰 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 광 빔 균일화 장치의 제조 방법.
- 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 제 1 단계에서 형성된 렌즈 소자들(4, 5) 또는 거울 소자들은 규칙적인 횡단면, 특히 2차의 구형 또는 비구형 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 광 빔 균일화 장치의 제조 방법.
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