KR20090111786A - 광빔의 파면을 분석하기 위한 방법, 위상 격자 및 장치 - Google Patents

광빔의 파면을 분석하기 위한 방법, 위상 격자 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소스(S)로부터 렌즈(O1)의 초점으로의 광빔(F)의 파면을 분석하기 위한 방법에 관한 것이다. 빔(F)은 분석면(PD)상에 위치하며 결함(D1)을 갖는 시료(LA)를 비춘다. 면(PC)의 회절 격자(GR)는 초점 시스템(O2, O3, O4)을 통해 분석면(PD)의 접합면(conjugate)이다. 격자면(GR)으로부터 거리(d)에 위치한 면(PS)에 이미지가 형성되며, 처리 수단(UT)에 의해 분석된다. 본 발명은 상기 격자(GR)를 2개의 위상 함수를 곱한 결과인 위상 함수에 의해 인코드하며, 2개의 위상 함수들은 분석하고자 하는 빔을 광펜슬빔의 형태로 전송하는 유용 영역들의 메쉬를 정의하는 제1 배타 함수 및 배타 격자의 인접하는 메쉬들로부터 나오는 2개의 광펜슬빔 사이에 위상 대립(opposition)을 생성하는 제2 위상 기초 함수이다.

Description

광빔의 파면을 분석하기 위한 방법, 위상 격자 및 장치{Method, phase grating and device for analyzing a wave surface of a light beam}
본 발명은 광학 제어를 위하여 광빔의 파면을 분석하기 위한 방법, 위상 격자 및 장치에 관한 것이다.
이러한 형태의 분석은 광학 소자들의 제어 및 광학 장치들의 품질 검사(qualification) 뿐만 아니라 능동(active) 또는 적응(adaptive) 광학에 사용되는 변형 가능한 광학 소자를 위한 것이다.
또한 이러한 분석은, 지상의 대기 또는 풍동(wind tunnel) 파이프 내를 통과할 때 조우할 수 있는 요란(搖亂) 매질(turbulent media) 내의 광학 인덱스(optical index)의 변이와 같이, 비 직접적으로 측정가능한 물리적 현상을 연구할 수 있도록 한다. 또한 이러한 분석은 예컨대 매트릭스 초점면과 같이 전기 부품의 평탄도를 제어하기 위해 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 전력 레이저 빔 정형(shaping)에도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 이러한 형태의 분석은, 보다 상세하게는 예컨대 FR 2 682 761호 및 FR 2 712 978호 특허에 기재되고 구현되는 멀티래터럴(multilateral) 시 프트 간섭측정법(interferometry)에 의존한다.
상기 형태의 파면(wave surface) 분석은, 분석하고자 하는 빔의 경로에 위치하는 2차원의 회절 격자의 활용에 기초한다.
본 명세서의 다음 부분에서 이러한 격자는, 위상, 강도, 또는 위상 및 강도에 주기적인 변이를 가져오는 광학 장치로 정의된다. 따라서 모든 격자는 2가지 함수의 곱에 의하여 특징지어진다. 하나의 함수는 위상 함수로도 불리는 것으로 위상 격자에 의하여 도입된 주기적인 위상 변이를 나타내며, 다른 하나의 함수는 강도 함수로도 불리는 것으로 강도 격자에 의해 도입된 주기적인 강도 변이를 나타낸다.
출원인 명의의 특허 FR 2 712 978호에 따라, 2차원 격자의 구성 모드(composition mode) 및 정의가 이하에서 언급된다. 2개의 방향을 따라 일정하게 위치하는 점들의 집합은 면 메쉬(plane meshing)를 제공한다. 이러한 점들은 기본(elementary) 메쉬를 정의한다. 기본 메쉬란, 면들을 틈 없이 이어붙이는 것을 가능하도록 하는 가장 작은 면이다. 기본 메쉬의 다각형은 최소면의 다각형으로서, 기본 메쉬의 다각형의 각 변은, 집합 내의 어느 점 및 이와 가장 인접한 점을 연결하는 세그먼트(segment)의 수직 이등분선에 의하여 지지된다. 2차원 격자는 면 메쉬에 따라 위치하는 기본 패턴의 임의의 반복이다. 면 메쉬는 6각형 또는 4각형 기본 메쉬들을 정의할 수 있으며, 정사각형 메쉬는 단지 4각형 기본 메쉬의 특수한 경우이다.
회절 격자에 입사빔으로 불리는 광빔이 비추어지면, 이머징 빔(emerging beam)으로도 불리우는 격자에 의하여 회절된 광빔이 동등한 2개의 접근법에 따라 기술될 수 있다.
첫 번째 접근법은 이머징 빔을 입사빔의 복사물로 고려하는 것으로 구성된다. 이들은 서브빔(sub-beam)으로 불리우며, 각각은 격자 회절 차수(grating diffraction order)에 대응된다.
두 번째 접근법은 이머징 빔을 격자의 각 메쉬에 의해 전송된 빔으로 고려하는 것으로 구성된다. 이들은 2차 빔으로도 불리운다.
출원인 명의의 특허 FR 2 712 978호 및 FR 2 798 175호에서는, 회절 격자에 기초한 트라이래터럴(trilateral) 및 쿼드리래터럴(quadrilateral) 시프트 간섭계가 상세하게 기재된다. 회절 격자에 기초한 집합을 이용하여, 분석하고자 하는 빔이 3개의(트라이래터럴) 또는 4개의(쿼드리래터럴) 이머징 빔으로 광학적으로 분할된다. 이렇게 얻어진 이머징 빔에 대한 특정 광학 처리를 통해, 파면의 경사도(gradient)에 민감한 점 메쉬(spot meshing)로 이루어지는 간섭 무늬를 볼 수 있다.
상세하게는, 전술한 FR 2 712 978호 특허에서는, 기재된 트라이래터럴 시프트 간섭계가 위상 및/또는 강도 2차원 격자 및 공간 필터링 시스템을 구현한다. 서브빔으로 분할하는 접근법에서는, 격자가, 분석하고자 하는 입사빔을 결함(defect)의 접합면(conjugated plane)에서 3개의 서브빔으로 광학적으로 분할한다. 3개의 서브빔에 대한 특정 광학 처리를 통하여, 광점(light spot)의 6각형 메쉬로 이루어진 간섭무늬를 볼 수 있으며, 관측면을 어떻게 선택하더라도 그 대비(contrast)는 고정되어 있다. 상기 간섭무늬는 파면의 경사도에 민감하며 역학 및 민감도를 계속 적으로 조절하더라도 마찬가지이다.
관측거리는, 소위 영(null) 민감도 면으로부터 선택된 관측면이 떨어져있는 거리로 정의되며, 영 민감도 면은 공간 필터링의 하향경로(downstream)에 위치하는 회절 격자의 접합면(conjugated plane)이다. 출원인은 1995년 12월 출간된 미국 광학회 저널 제12권 제12번에 "색지움 3-파동(또는 그 이상) 래터럴 전단 간섭계[Achromatic Three-Wave (or more) Lateral Shearing Interferometer" 의 기사를 통하여 이러한 간섭계를 쿼드리래터럴 시프트 간섭계로 변형하는 것에 대해 기재하였으며, 이때 간섭무늬에서 보여지는 광점들의 2차원 메쉬는 사각형이므로, 활성 광학 또는 적응 광학의 구동에 더욱 용이하게 적용될 수 있다.
이러한 형태의 분석기는 색수차가 없다. 반면, 이의 구현은 격자 및 광학 간섭 무늬 시스템(interference fringe system)의 관찰면 사이의 서브빔(sub-beam)을 선택하기 위한 공간 필터링 시스템의 삽입으로 인하여 복잡하다. 더욱이, 공간 필터링 시스템은 심하게 요동된(disturbed) 광빔 또는 매우 넓은 스펙트럼 대역을 갖는 광빔의 측정에 있어서 제한을 가져온다.
FR 2 795 175호 특허에서 출원인은 상기 시스템의 첫 번째 발전을 제시한다. 상기 특허는, FI로 표시되는 강도 함수 및 FP로 표시되는 위상 함수로 구성된 사각형 메쉬에 따른 2차원 격자를 기술한다. 강도 함수는 서브퓨필(sub-pupil)들의 사각형 메쉬를 정의하고, 위상 함수는 2개의 인접한 서브퓨필 사이를 진행하는 2개의 빔(2차빔으로 불리운다) 사이에 π[모듈로(modulo) 2π]에 가까운 시프트를 가져온다.
강도 함수 FI는 하나의 방향을 따라 길이 "L" 및 다른 방향을 따라 길이 "l"을 갖는 4각형 기본 메쉬를 가지며, 위상 함수 FP는 하나의 방향을 따라 길이 2L 및 다른 방향을 따라 길이 2l을 갖는 기본 메쉬를 갖는다. 이들 메쉬들상에 기본 강도 또는 위상 패턴이 위치한다. 위상 격자의 메쉬들의 변 및 강도 격자의 메쉬들의 변은 일치한다. 2차원의 격자는 분석하고자 하는 광빔과 수직한 면에 위치하거나 또는 상기 면에 근접하여 위치하며, 상기 빔으로부터 여러 개의 상이한 2차빔으로의 회절을 야기한다. 이머징 빔들의 간섭에 의하여 형성되는 이미지가 생성되며, 분석면이라고도 불리우는 면에서 관찰된다.
따라서, 상기 형태의 분석기는 특허 FR 2 712 978호에 의해 기재되는 분석기의 특성을 가지며, 더욱이 휴대성이 향상되고 구현이 용이하다.
특허 FR 2 896 583호에서, 출원인은 상기 시스템의 변형을 제공한다. 상기 특허는 FI로 표시되는 강도 함수 및 FP로 표시되는 위상 함수로 구성되는 6각형 메쉬에 따른 2차원 격자를 기술한다. 강도 함수는 서브퓨필들의 6각형 메쉬를 정의하고, 위상 함수는 2개의 인접한 서브퓨필 사이를 진행하는 2개의 2차빔 사이에 2π/3[모듈로 2π]에 가까운 위상 시프트를 가져온다.
마지막으로, 특허 FR 2 897 426호에서 출원인은, 파면 단편들을 측정하는 데에 있어 조각들 사이의 레벨 차이의 크기에 있어 어떠한 제한도 없도록 하기 위하여 전술한 특허들에 기재된 기술의 향상을 제안한다. 파면 단편이란, 각 조각 사이에 간격을 가질 수 있으며 상이한 크기일 수 있고 각 조각 사이의 레벨의 차이를 가지는 면 단편들이 불연속적으로 위치하여 이루어지는 면으로 정의될 수 있다. 기 재된 기술은, 파면을 대량의 측정 역학에 의해 분석하기 위하여 2개의 상이한 색으로 수행된 2개의 간섭무늬를 처리한다.
2차원 강도 및 위상 격자를 만들기 위하여, 출원인은 동일한 판에 식각 및 금속 증착을 수행하여 강도 함수 FI 및 위상 함수 FP를 인코드(encode)한다.
상기 형태의 강도 및 위상 격자를 만들기 위하여, 공지된 포토리소그래피(photolithography) 기술에 기초한 특수한 제조 방법이 존재한다. 인코드하고자 하는 패턴의 형태에 따라 이러한 기술들은 다음과 같다.
- 위상 패턴을 식각하는 기술(TP): 이는 수지(resin)층을 증착하는 단계, 이를 절연시키는 단계 및 현상하는 단계를 포함한다. 현상된 수지는 양각(in relief)으로 위상 패턴을 인코드하며 이는 건식 식각 방법을 이용하여 기판에 전사된다.
- 강도 패턴을 식각하는 기술(TI): 이는 수지층을 증착하는 단계, 이를 절연시키는 단계 및 현상하는 단계를 포함한다. 현상된 수지는 양각으로 위상 패턴을 인코드한다. 금속층이 상기 현상된 수치의 층상에 증착된다. 그리고 이러한 집합은 화학 용액 내에 넣어져 수지가 용해되고 수지를 덮는 금속화된 영역이 제거된다(이러한 방법은 "리프트 오프"로 알려져 있다).
특허 FR 2 795 175호에 기재된 것과 동일한 형태의 강도 및 위상 격자를 만들기 위해서는, 상기 단계(TP 및 TI)들이 각각에 대해 엄밀하게 정렬되어 연속적으로 수행되어야 하는데 이는 매우 어려운 일이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 격자가 단지 하나의 단계(TP)에 의해 제조될 수 있도록 이를 단순화할 것을 제안한다. 나아가, 본 발명은 몰딩(molding) 또는 프레싱(pressing)에 의해 마스터 부품(master component)으로부터 격자들의 일련의 복제품을 제조할 수 있도록 하며, 이는 종래의 방법으로는 가능하지 않았던 것이다.
따라서 본 발명은 상기 방향으로의 본질적인 진보를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 방법은 2개의 위상 함수들의 곱(multiplication) 결과인 위상 함수에 기초하며, 2개의 위상 함수는 배타 영역(exclusion zone)을 인코드하는 제1 위상 함수 및 제2 위상 시프트 기초 함수이다.
보다 정확하게는, 본 발명은 다음으로부터 광빔의 파면을 분석하는 방법을 목적으로 한다:
a) 분석하고자 하는 광빔과 수직이며 파면의 분석면(PD)에 광학적으로 접합된 면(PC)에 실질적으로 위치하고, 빔으로부터 상이한 이머징 빔들로의 회절을 야기하는 2차원 격자(GR)에 의하여 도입된 위상 함수,
b) 강도 함수, 및
c) 이머징 빔들의 간섭에 의하여 생성되고 격자면(PC)으로부터 선택된 거리에 위치하는 면(PS)에서 생성되고 관찰되는 이미지의 분석된 파면의 경사도에 관련된 변형.
상기 방법에서, 강도 함수는 상기 격자의 전체 표면에서 균일하며, 상기 단계 a)는 다음을 곱하는 단계를 포함한다.
a1) 배타 함수(FPE)로도 불리우며, 유용 영역들의 메쉬를 정의하고, 분석된 빔의 광의 전송 또는 반사에 있어 공간 위상 변이를 가져오지 않으며, 빠른 위상 변이를 가져오는 제1 위상 함수, 및
a2) 기초 위상 함수(FPF)로도 불리우며, 이웃하는 2개의 광펜슬빔(light pencil beam) 사이에, 4각형 및 6각형 메쉬로부터 선택된 메쉬에 대응되는 위상 시프트(PHI)를 가져오는 제2 위상 함수.
경우에 따라서는, PHI는 사각형[또는 카르테시안(Cartesian)] 메쉬에서는 π의 값이며, 또는 6각형 메쉬에서는 2kπ/3(k는 0, 1 또는 2)의 값이다.
본 발명에 따르면, 배타 영역은 제1 위상 함수에 의해 인코드되며, 이를 통과하는 입사빔의 일부를 기생 이머징 빔(parasitic emerging beam)의 형태로 전송한다.
상기 배타 영역은, 상기 기생 이머징 빔에 소위 빠른 위상 변이를 가져온다. 빠른 위상 변이란, 격자면의 하나 이상의 방향을 따른 공간 진화 특성 길이(spartial evolution characteristic dimension)가 상기 방향을 따른 메쉬의 길 이의 단편에 포함되는 변이를 의미하며, 상세하게는 상기 길이의 21 분의 1 및 3분의 1 사이이다.
상기 빠른 변이는 기생 이머징 빔이 전파 방향으로 회절되는 결과를 낳으며, 이는 서브퓨필에 의해 전송되는 광펜슬빔들의 그것과는 상이하다. 따라서, 본 발명에 따라 제1 위상 함수에 의해 인코드된 배타 영역은, 광펜슬빔들에 있어 격자에 의해 회절된 에너지에 실질적으로 영향을 끼지치 않는다.
제2 위상 함수는 4각형 또는 6각형 메쉬의 본래의 함수로서 적용된 2개의 광펜슬빔 사이에 위상 시프트를 가져오며, 이는 종래의 위상 함수에 의해 도입되는 것과 동일한 형태이다.
따라서, 회절 격자는 이와 같이 정의된 함수들의 곱을 만들며, 전파되고 서로 간섭하는 광펜슬빔들의 4각형 또는 6각형 메쉬를 회절시킨다. 따라서, 격자면과 평행한 어떠한 관찰면에서도, 광점의 4각형 또는 6각형 메쉬 형상의 이미지가 생성되며, 그 주기는 배타 함수의 메쉬의 주기이고, 그 대비는 관찰 거리 뿐만 아니라 파장과 실질적으로 독립적이다.
광점의 메쉬는 격자면 및 영 민감도 면(null sensitivity plane)에서 관찰될 수도 있다. 메쉬는 바람직하게는 분석하고자 하는 파면의 경사도 및 요구되는 위상 역학의 함수로서 사용자에 의해 선택된 관찰 거리에 위치하는 면에서 관찰될 수 있다.
상기 방법은 다색(polychromatic) 광에서 동작할 수 있으며, 관찰 거리를 조절하고, 장치 민감도 및 역학을 연속적으로 조절하는 것에 의해 강하게 요동 된(disturbed) 광빔의 측정을 가능하게 한다.
나아가, 상기 방법은 FR 2 897 426호의 특허 출원에 기재된 조각들 사이의 레벨의 차이의 크기(amplitude)에 대해 어떠한 제한 없이 파면의 단편들을 측정할 수 있도록 한다.
따라서, 사용자는 회절 격자에 기초하여 그/그녀의 재량에 따라 멀티래터럴 시프트 간섭계에 관해 동적이고 연속적이며 유연하게 조절할 수 있으며, 회절 격자의 전달 함수(transfer fuction)는 단지 2개의 위상 함수만을 곱한 것이다. 또한 사용자는 그/그녀의 재량에 따라 파면 단편들의 2색 측정 모드도 가능하다.
본 발명의 본질적인 이점은, 종래 기술에서 강도 격자 및 위상 격자를 세밀하게 정렬하는 단계를 생략함으로써 양방향 격자를 만들 수 있도록 하는 것으로 구성된다. 사실, 위상 패턴 식각 기술에 따르면, 본 발명에 따른 배타 영역 및 유용 영역을 포함하는 격자는 단지 하나의 동작에 의해 만들 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 방법을 구현하기 위한 위상 격자를 목적으로 한다. 이러한 위상 인코드된(encoded) 2차원 격자는 서로 일치하는 메쉬들의 2개의 격자로 구성된다.
- 배타 함수를 인코드하며, 입사파의 위상이 조절되지 않는 제1 유용 영역 및 빠른 위상 변이가 인코드되는 제2 배타 영역으로 이루어지는 기본 메쉬를 갖는 배타 위상 격자; 및
- 기초 위상 함수를 인코드하며, 배타 격자의 인접하는 2개의 메쉬로부터 나오는 2개의 광펜슬빔 사이의 메쉬에 대응되는 위상 시프트(PHI)를 가져오는 위상 기본 패턴을 포함하는 기본 메쉬를 갖는 기초 위상 격자.
배타 함수를 인코드하기 위한 바람직한 2차원 위상 배타 격자는, 제1 메쉬 방향을 따라 L의 길이를 가지며 다른 방향을 따라 l의 길이를 갖는 사각형 기본 메쉬를 가지며, 유용 영역 및 배타 영역의 2개의 영역으로 구분되고, 유용 영역의 표면은 메쉬의 전체 표면의 50%에 가깝다. 유용 영역을 정의하는 영역은 배타 격자의 기본 메쉬의 비례적인 변형으로 구성되며, 유용 영역을 정의하는 영역은 배타 격자의 기본 메쉬의 2개의 변과 일치하는 2개의 변을 갖는다.
바람직하게는, 배타 격자는 정사각형 메쉬를 정의한다.
바람직한 위상 배타 격자에서는, 배타 영역에 4개의 정사각형 체스판이 적용되며, 체스판의 각 정사각형은 일 방향을 따라 길이 L의 단편 a를 길이로 가지며, 다른 방향을 따라 폭 l의 단편 b를 폭으로 갖는다. 배타 영역의 위상 기본 패턴은 체스판의 2개의 정사각형들을 통과하는 2개의 빔 사이에 π(모듈로 2π)에 가까운 위상 시프트를 가져온다. 이러한 방식으로, 배타 영역의 입사빔은 강하게 편향된다(deviated).
약간의 두께 및 전송율(transmission index)을 갖는 물질로 만들어지는 바람직한 기초 위상 2차원 격자는 4개의 정사각형 체스판 형상의 위상 기본 패턴을 가지며, 체스판의 각 정사각형은 길이 L 및 폭 l을 가지고, 인접하는 2개의 정사각형은 상이한 두께를 가져, 인덱스(index)의 변이를 통해 정의된 위상 함수를 만든다.
식각 공정은 소정의 두께를 갖는 블레이드(blade)의 면들 중 하나에 수행된다. 그 결과 생성된 격자는 먼저 식각된 면에 빛을 비추는 것에 의해 사용된다. 상 기 면상의 굴절 각도는 한계각 arcSin(1/n)(n은 블레이드의 광학 인덱스)보다 크며, 배타 영역에 의해 회절된 기생 이머징 빔은 기판의 식각 반대편 면상에서 전반사하게 된다. 따라서, 기생 이머징 빔은 분석면에 도달하지 않으며 광연필빔만이 분석면 방향으로 전파되고 서로 간섭한다.
특정 실시예들에 따르면:
- 배타 격자는 격자의 일 방향을 따라 고정된 패턴이 적용되는 배타 영역을 가져 사각형들로 구성된 기하 구조를 형성하고, 기하 구조의 큰 변은 메쉬의 변 L 또는 l과 일치하며 작은 변은 이러한 큰 변의 단편으로서 각각 b 또는 a와 일치한다. 이러한 구조는 주기를 가져 기초 위상 격자의 기본 메쉬의 단편을 구성하며, 배타 영역의 위상 기본 패턴은, 두께의 변이를 통해, 2개의 연속적인 스트립들을 통과하는 2개의 빔들 사이에 π(모듈로 2π)에 가까운 위상 시프트를 가져온다.
- 배타 격자는 통과하는 이를 입사 흐름을 산란시키는 배타 영역을 갖는다.
- 배타 격자는 주기적인 두께 변이("e")의 단차(step)를 갖는 배타 영역을 갖는다;
- 기초 위상 격자(GPF)는 두께 차이를 갖는 상이한 레벨들을 갖는 체스판 형태이다.
따라서, 본 발명은 또한 이러한 격자를 통합한 분석 장치에 관한 것이다. 상기 분석 장치는 다음을 포함하는 형태이다:
α) 기준면을 파면이 분석되는 면과 접합(optically conjugate)하는 입력 광학기,
β) 격자에 수직하게 상기 기준면에 위치하며, 빔으로부터 다양한 이머징 빔으로의 회절을 야기하는 이상에서 정의한 위상 인코드된 2차원 격자, 및
γ) 이머징 빔들의 간섭에 의하여 생성되며, 분석된 파면의 경사도(gradient)에 관련하여 변형되는 이미지를 관찰하기 위한 수단.
특정 실시예들에 따르면:
- 위상 격자는, 기판의 면들 중 하나에 식각되며, 배타 메쉬들을 통과하는 것에 의해 광펜슬빔들을 형성하고, 상기 광펜슬빔들은 기판의 다른 면에서의 전반사에 있어 편향된다;
- 위상 격자는 전송 동작을 한다.
- 위상 격자는 반사 동작을 한다.
본 발명은 광학 제어를 위하여 광빔의 파면을 분석하기 위한 방법, 위상 격자 및 장치에 관한 것이다.
이러한 형태의 분석은 광학 소자들의 제어 및 광학 장치들의 품질 검사(qualification) 뿐만 아니라 능동(active) 또는 적응(adaptive) 광학에 사용되는 변형 가능한 광학 소자를 위한 것이다.
또한 이러한 분석은, 지상의 대기 또는 풍동(wind tunnel) 파이프 내를 통과할 때 조우할 수 있는 요란(搖亂) 매질(turbulent media) 내의 광학 인덱스(optical index)의 변이와 같이, 비 직접적으로 측정가능한 물리적 현상을 연구할 수 있도록 한다. 또한 이러한 분석은 예컨대 매트릭스 초점면과 같이 전기 부품 의 평탄도를 제어하기 위해 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 전력 레이저 빔 정형(shaping)에도 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1a 및 1b는 본 발명을 구현할 수 있도록 하는 2개의 예시적인 장치를 도시한다.
도 1a에서는, 다색(polychromatic) 광원(S)이 시준 렌즈(collimating lens)(O1)의 초점에 위치한다. 렌즈(O1)에 의해 전달된 평행광의 빔(F)은 시험될 시료를 비추며, 이는 면(Pd)에 위치하며 평탄도 결함(D1)이 있는 평행면(LA)들을 구비한 블레이드(blade)로 개략적으로 도시된다. 시료는 다른 어떤 광학 시스템(렌즈 또는 거울, 상세하게는 망원경 거울) 또는 단순히 예컨대 흐름에 의하여 요동(disturb)되는 기체 매질의 영역일 수 있다.
천문학에 적용되는 경우, 본 발명을 구현할 수 있는 장치가 도 1b에 도시된다. 원거리의 소스, 예컨대 별에 의해 공급된 평면파(OP)가 요란(搖亂) 매질(turbulent media)을 통과하며, 상기 매질의 인덱스 변이가 포선(convolute line)에 의하여 표시된다.
광 적응을 구현하는 입력기 집합(input assembly)은 본 발명에 따른 방법을 구현할 수 있도록 한다.
상기 적응은 바람직하게는 2개의 렌즈(O2, O4) 및 중간 위치의 대물 렌즈(O3)로 구성되며 축 X'X를 갖는 초점 시스템에 의하여 수행된다. 상기 초점 시스템은, 면(Pd)에서 분석되는 빔의 지름을, 면(PC)에 위치한 2차원 격자의 크기(dimension)에 적응시키는 기능을 구비하는 한편, 분석될 결함이 위치하는 면(Pd)을 면(PC)과 광학적으로 접합(optically conjugate)하는 기능을 구비한다.
이들 면 사이의 상기 광학 접합을 구현하는 다른 수단이 사용될 수 있다.
분석면(PC)에 2차원 격자(GR)가 위치하며(도 1a 및 1b 참조), 위상 함수들의 조합을 만들어낼 수 있다. 물질적으로 상기 격자는 격자(GE 및 GPF)를 예컨대 도 5와 같이 일치하여 위치시킴으로써 구성될 수 있으며, 2 이상을 포함할 수도 있다. 이는 본 발명의 격자를 특징짓는 함수들의 특수한 조합이다.
도시된 실시예에서, 격자는 배타 위상 격자(GE) 및 기초 위상 격자(GPF)로 구성된다.
두 위상 함수들, 즉, 배타 함수 및 기초 위상 함수는 이하에서 동일한 위상 함수의 구성 요소로서 서브-함수(sub-function)들로도 불리운다.
배타 격자(GE)는, FPE로도 불리우며 분석하고자 하는 광빔에 위상 공간 변이를 가져오지 않고 여러 개의 광펜슬빔(light pencil beam)으로 전송하는 유용 영역 사각형 메쉬를 정의하는 배타 위상 서브-함수를 만든다.
기초 위상 격자(GPF)는, FPF로도 불리우며 2개의 인접한 광펜슬빔 사이에 π[모듈로(modulo) 2π]에 가까운 평균 위상 시프트(mean phase shift)를 가져오는 기초 위상 서브-함수를 만든다.
이들 2개의 함수가 면상에서 수행되는 순서는 중요하지 않다.
본 발명에 따르면, 간섭 무늬(interferogram)는 점(spot)들의 사각형 메쉬로 구성된다.
면(PC)은 영 민감도 면(null sensitivity plane)이다.
면(PC)으로부터 선택된 관찰 거리 "d" 에 위치한 면(PS)에서 관찰이 수행된다. 광학 처리 수단과, 광펜슬빔들의 간섭으로 구성되는 이미지 관찰 수단은 이하에서 UT로 언급된다.
장치 역학 및 민감도는 관찰 거리에 따라 변화한다. 따라서, "d" 가 영(null)인 경우, 관찰면은 격자가 위치하는 분석면(PC)과 겹쳐지며 민감도는 영이 된다.
일반적으로, 면(PS)을 관찰하기 위한 추가적인 수단, 예컨대 면(PS)과 보다 접근이 용이한 작업면 사이에 광학 접합(optical conjugation)을 만드는 렌즈가 사용될 수 있다.
도 2는 길이 "L" 및 폭 "l"의 사각형 기본 메쉬에 의해 특징지워지는 사각형 메쉬를 구비한 2차원 격자(GR)를 도시한다. 디지털 값 L 및 l 은 일반적으로 50 내지 200 ㎛로 구성된다. 점선으로 도시된 메싱(meshing)(MA)은 최종의 격자에서는 반드시 눈에 보이는 것은 아니다. 각 메쉬(ME)에는 패턴(MO)이 도시되며, 이는 입사광빔의 강도, 위상, 또는 강도 및 위상에 변이를 가져온다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 방법에 따라 배타 함수를 수행하기 위한 단순한 수단을 제공하는 배타 2차원 격자를 도시한다. 메쉬는 배타 영역에 해당하는 회색 영역(ZE) 및 투명하거나 반사성의 유용 영역(ZU)들을 포함한다.
도 3a는 길이 L 및 폭 l의 사각형 메쉬를 구비한 격자(GE3A)를 도시한다. 밝은 영역은 유용 영역(ZU)이다. 특수한 방법으로, 밝은 영역의 변(LE 및 lE)들은 각각 2L/3 및 2l/3 에 가깝다. 따라서, 유용 영역의 표면이 기본 메쉬(ME)의 표면의 절반에 가깝다.
도 3b는 변 L의 정사각형 메쉬 형태의 배타 위상 격자(GE3B)를 도시한다. 이는 광점(light spot)들의 정사각형 메쉬로 인해, 형성된 이미지의 광학 처리가 용이하게 되므로, 본 발명의 가장 유리한 실시예이다.
도 3c는 본 발명의 방법에 따른 배타 함수를 수행하기 위한 단순한 수단을 제공하는 사각형 메쉬를 구비한 예시적인 배타 격자(GE3C)의 부분 사시도이다. 상기 도면은, MD로 표시되는 4개의 정사각형 체스판 패턴(점선 영역으로 표시된 패턴)을 갖는 배타 영역(ZE)을 도시한다.
체스판상의 각 정사각형(KC)은 기초 위상 격자(GPF)(도 4에 도시된 형태의 GPF4)의 메쉬의 길이 L의 단편 "a" 와 동일한 길이를 가지며, 기초 위상 격자의 메쉬의 폭 l의 단편 "b" 와 동일한 폭을 갖는다. 도시된 예에서, 상기 단편은 1/9과 동일하다. 배타 격자(GE3C)에서 기초 위상 격자(GPF4)의 유용 영역의 통합이 도 5 에 도시된다.
배타 영역을 덮는 격자는, 주기적인 두께 변이 "e"의 단차(step)를 가지며, 인접 단차의 두께 차이(e)는 다음의 관계식을 따른다.
Figure 112009024314704-PAT00001
여기서,
- λ는 평균 사용 파장이며,
- "n" 은
- 위상 격자가 전송에 사용되는 경우 물질의 굴절율이거나, 또는
- 위상 격자가 반사에 사용되는 경우 상수 3 이며,
- k 는 정수이다.
도 4는 예시적인 기초 2차원 위상 격자(GPF)를 도시한 사시도이다. 도시된 예에서 GPF4는 본 발명의 방법에 따른 위상 함수를 만들기 위한 단순한 수단을 제공한다. 격자(GPF4)는 2L 및 2l의 변을 구비한 패턴(M2D)(도면에서 점선으로 한정되는 패턴)의 사각형 메쉬를 구비한 체스판 형태이다. 격자(GPF4)는 주기적인 두께 변이의 단차를 가지며, 인접 단차(step)의 두께 차이 "e"는 전술한 배타 격자의 메쉬와 동일한 형태의 하기 관계식을 따른다.
Figure 112009024314704-PAT00002
격자(GPF4)의 회색 표면들은 전송에 사용되는 격자의 경우 투명하거나, 또는 반사에 사용되는 격자의 경우 반사성일 수 있다.
격자(GE 및 GPF)(도 1a 및 1b 참조)를 구현하기 위한 유리한 수단은, 반도체 산업 분야에서 일반적으로 사용되는 포토리소그래피(photolithography) 식각 기술을 이용하여 구성된다. 따라서 격자(GE 및 GPF)는 기판의 하나의 블레이드(blade)를 식각하여 만들어질 수 있다. 상기 기술을 이용하여, 기판의 하나의 블레이드만을 이용하여 2개의 서브-함수들(FPE 및 FPF), 즉 격자(GE 및 GPF)를 결합한 2차원 격자를 만들 수 있다.
예컨대, 간섭 무늬 광감응 평판(photosensitive plate)에 기록하는 원칙에 기초하여 격자(GE 및 GPF)에 의한 2개의 함수(FPE 및 FPF)의 다른 실시예들이 고려될 수 있으며, 따라서 홀로그래픽(holographic) 격자의 실시예를 얻을 수 있다. 몰딩(molding) 또는 프레싱(pressing)에 기초한 방법 또한 시스템화된 복제 및 단일 단계에 의한 총체의 2차원 위상 격자를 위해 고려될 수 있다.
격자(GE 및 GPF)의 조합은, 분석하고자 하는 광빔의 경로에 위치시켰을 때, 4개의 광펜슬빔뿐만 아니라 기생 이머징 빔도 회절시키는 전체적인 위상-인코드된(phase-encoded) 격자를 생성하는 것을 가능하게 한다. 광펜슬빔은 분석면에서 간섭하여, 회절 격자면에 평행한 임의의 분석면에서 광점의 사각형 메쉬의 형상의 이미지를 생성할 수 있다.
기생 이머징 격자는 강하게 편향될(deviated) 수 있어 회절 격자와 분석면 사이의 거리가 충분하다면 분석면에 절대 닿지 않는다. 또한 이는 계산된 각도로부터 편향되어, 식각 반대쪽의 기판 면에서 전반사 동작하도록 할 수도 있다. 또한 이는 관찰 강도에 대해 강도의 과조절(over-modulation)을 생성하며, 과조절의 단계는 분석면의 픽셀에 의해 필터링되도록 선택될 수도 있다. 결과적으로, 배타 영역은 광빔을 산란시킬 수 있으며 따라서 광펜슬빔에 의해 생성되는 간섭 모양과 겹쳐지는 균일한 배경을 생성할 수 있다.
도 5는 배타 격자(GE3C)(도 3c) 및 기초 위상 격자(GPF4)(도 4)를 일치시킴으로써 배타 및 기초 위상 함수들을 결합하여 위상 함수를 생성할 수 있는 예시적인 2차원 격자(GR)를 도시한다. 기초 위상 격자(GPF4)는 격자(GE3C)의 메쉬(MD)의 빈 공간에 위치한다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 광학 소자의 제어를 위한 예시적인 장치의 광학 구성도이다.
도 1b는 요란(搖亂) 매질(turbulent media), 상세하게는 별과 같은 다색 소스에 의해 전달된 빔이 통과한 지상 대기의 측정을 위한 예시적인 장치의 광학 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 4각형 메쉬를 구비한 예시적인 2차원 격자의 도면이다.
도 3a는 본 발명에 따른 장치의 4각형 메쉬를 구비한 배타 격자의 메쉬의 예시적인 기하적 배열(geometry)을 도시한다.
도 3b는 본 발명에 따른 장치의 정사각형 메쉬를 구비한 배타 격자의 메쉬의 예시적인 기하적 배열을 도시한다.
도 3c는 본 발명에 따른 장치의 4각형 메쉬를 구비한 예시적인 배타 격자의 부분 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 장치의 4각형 메쉬를 구비한 예시적인 기초 위상 격자의 부분 사시도이다.
도 5는 본 발명에 의한 4각형 메쉬를 구비한 예시적인 격자의 사시도이다.

Claims (16)

  1. 광학 제어에 있어 광빔의 파면을 분석하기 위한 방법으로서,
    a) 분석하고자 하는 상기 광빔과 수직이며 상기 파면의 분석면(PD)에 광학적으로 접합된 면(PC)에 실질적으로 위치하고, 상기 빔으로부터 다양한 이머징 빔으로의 회절을 야기시키는 2차원 격자(GR)에 의하여 도입되는 위상 함수,
    b) 강도 함수, 및
    c) 이머징 빔의 간섭에 의하여 생성되고 격자면(PC)으로부터 선택된 거리에 위치하는 면(PS)에서 생성되고 관찰되는 이미지의 분석된 파면의 경사도에 관련된 변형으로부터 수행되며,
    상기 강도 함수는 상기 격자의 전체 표면에서 균일하고,
    상기 a)는,
    a1) 소위 배타 함수(FPE)로서, 분석된 빔의 광의 전송 또는 반사에 있어 위상 공간 변이를 가져오지 않는 유용 영역(ZU)들 및 빠른 위상 변이를 가져오는 배타 영역(ZE)들의 메쉬를 정의하는 제1 위상 함수, 및
    a2) 소위 기초 위상 함수로서, 이웃하는 2개의 광펜슬빔 사이에, 4각형 및 6각형 메쉬로부터 선택된 메쉬에 대응되는 위상 시프트(PHI)를 가져오는 제2 위상 함수(FP)를 곱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 따른 방법을 구현하기 위한 2차원 메쉬를 구비한 위상 격자(GR)로서, 서로 일치하는 메쉬들의 2개의 격자로 이루어지며,
    상기 2개의 격자는,
    - 배타 함수(FPE)를 인코드하며, 입사파의 위상이 조절되지 않는 제1 유용 영역 및 빠른 위상 변이가 인코드되는 제2 배타 영역의 2개의 영역으로 이루어지는 기본 메쉬를 갖는 배타 위상 격자(GE); 및
    - 기초 위상 함수(FPF)를 인코드하며 위상 기본 패턴이 위치하는 기본 메쉬를 갖는 기초 위상 격자(GPF)이고,
    상기 기초 위상 격자(GPF)의 상기 위상 기본 패턴은, 상기 배타 격자의 인접하는 2개의 메쉬로부터 나오는 2개의 광펜슬빔 사이의 메쉬에 대응되는 위상 시프트(PHI)를 가져오는 것을 특징으로 하는 위상 격자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 배타 격자(GE3A, GE3B, GE3C)는,
    제1 메쉬 방향을 따라 L의 길이를 가지며 다른 방향을 따라 l의 길이를 갖는 사각형 기본 메쉬를 가지며, 실질적으로 동일한 표면을 갖는 유용 영역(ZU) 및 배타 영역(ZE)의 2개의 영역으로 구분되고,
    각 유용 영역(ZU)은, 상기 배타 격자의 상기 기본 메쉬의 비례적인 변형을 구성하며, 배타 영역(ZE)의 2개의 변과 일치하는 2개의 변을 갖는 것을 특징으로 하는 위상 격자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 배타 격자(GE3A, GE3B)는 유용 영역(ZU)들의 메쉬를 정의하며,
    상기 유용 영역(ZU)의 표면은 상기 배타 격자의 메쉬의 상기 기본 메쉬(GPF4)의 표면의 반에 가까운 것을 특징으로 하는 위상 격자.
  5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 배타 격자(GE3B)는 정사각형 메쉬를 갖는 것을 특징으로 하는 위상 격자.
  6. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 배타 격자(GE3C)는 4개의 정사각형 체스판 패턴(Ka)을 갖는 배타 영역(Ze)을 가지며,
    상기 체스판의 각 정사각형은 일 방향을 따라 상기 격자(GR)의 메쉬의 길이 L의 단편 (a)를 길이로 가지며, 다른 방향을 따라 상기 격자(GR)의 메쉬의 폭 l의 단편 (b)를 폭으로 갖고,
    상기 배타 영역(Ze)의 기본 위상 패턴은 상기 체스판의 2개의 정사각형들을 통과하는 2개의 빔 사이에 π(모듈로 2π)에 가까운 위상 시프트를 가져오는 것을 특징으로 하는 위상 격자.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 배타 격자(GE)는 상기 격자의 일 방향을 따라 고정된 패턴이 적용되는 배타 영역을 가져 스트립들의 변형을 생성하고,
    상기 스트립들의 주기는 상기 기초 위상 격자(GPF4)의 상기 기본 메쉬의 단편을 구성하며,
    상기 배타 영역의 기본 위상 패턴은 2개의 연속적인 스트립들을 통과하는 2개의 빔들 사이에 π(모듈로 2π)에 가까운 위상 시프트를 가져오는 것을 특징으로 하는 위상 격자.
  8. 제 2항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배타 격자(GE)는, 통과하는 입사 선속을 산란시키는 배타 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 위상 격자
  9. 제 2항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배타 격자는 주기적인 두께 변이("e")의 단차를 갖는 배타 영역(ZE)을 가지며,
    인접 단차 사이의 두께 차이(e)는 하기 관계식을 따르고:
    Figure 112009024314704-PAT00003
    λ는 평균 사용 파장이며, "n"은 상기 위상 격자가 전송에 사용되는 경우 물질의 굴절율이거나 또는 상기 위상 격자가 반사에 사용되는 경우 상수 3이며, k는 정수인 것을 특징으로 하는 위상 격자.
  10. 제 2항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기초 위상 격자(GPF)는 두께 차이(e)를 갖는 상이한 레벨들을 갖는 체스판 형태인 것을 특징으로 하는 위상 격자.
  11. 제 2항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기초 위상 격자(GPF4)는 인접 단차 사이의 주기적인 두께 변이("e")이가 하기 관계식에 따르는 단차를 가지며:
    Figure 112009024314704-PAT00004
    λ는 평균 사용 파장이며, n은 상기 위상 격자가 전송에 사용되는 경우 물질의 굴절율이거나 또는 상기 위상 격자가 반사에 사용되는 경우 상수 3이며, k는 정수인 것을 특징으로 하는 위상 격자.
  12. 제 2항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 분석 장치의 2차원 격자로서, 마스터 부품으로부터 몰딩 또는 프레싱에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 분석 장치의 2차원 격자.
  13. 제 1항에 따른 방법을 구현하기 위해, 광학 제어에 있어 광빔의 파면을 분석하기 위한 장치로서,
    α) 기준면(PC)을 상기 파면이 분석되는 면(PD)과 광학적으로 접합하는 입력 광학기(O2, O3, O4),
    β) 상기 기준면(PC)에 위치하며, 상기 빔으로부터 다양한 이머징 빔으로의 회절을 야기하는 제 2항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 2차원 격자, 및
    γ) 상기 이머징 빔들의 간섭에 의하여 생성되며, 분석된 파면의 경사도에 관련되어 변형되는 이미지를 관찰하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 위상 격자(GR)는 기판의 면들 중 하나에 식각되며 상기 배타 메쉬들의 교차에 의해 광펜슬빔들을 형성하고,
    상기 광펜슬빔들은 상기 기판의 다른 면에서의 전반사에 있어 편향되는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 위상 격자(GR)는 전송 동작을 하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 위상 격자(GR)는 반사 동작을 하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
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