KR20150014370A

KR20150014370A - 고강도의 광빔을 측정하는 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20150014370A
Application number: KR1020140086894A
Authority: KR
Inventors: 세르게이 아니키트체프; 데이비드 게인즈
Original assignee: 울트라테크 인크.
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2015-02-06
Also published as: CN104501946A; TW201504600A; SG10201403901SA; US20150029497A1; US8988674B2; JP2015042972A; TWI493159B; CN104501946B; JP5774754B2

Abstract

광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 방법은, 2개의 투명한 판에 의해 끼여 있는 얇은 프리즘을 포함하는 프리즘 어셈블리 안으로 광빔을 조향하는 단계; 광빔의 일부를 내부 전반사에 의해 통합 구체로 반사하고, 광빔의 나머지 부분을 2개의 투명한 판을 통과하여 빔 덤프로 전송하는 단계를 포함한다. 또한 이 방법은, 통합 구체에 의해 캡처된 상기 광빔의 일부를 검출하는 단계; 및 검출된 광빔으로부터 광빔의 강도 특성을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

고강도의 광빔을 측정하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR MEASURING HIGH-INTENSITY LIGHT BEAMS}

본 발명은 광빔의 강도를 측정하는 것에 관한 것이며, 특히 고강도(high-intensity)의 광빔에 대해 1개 이상의 강도 특성을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

고강도(또는 높은 광 파워)의 광빔은 반도체 기판의 열처리를 포함하여 다수의 응용에서 사용된다. 대부분의 응용은 높은 강도의 광빔이 윤곽이 뚜렷한 강도 프로파일(profile)을 갖는 것을 요구한다. 예를 들면, 레이저 어닐링(laser annealing) 응용에서, 고강도의 빔은 라인 이미지(line image)를 형성하며 단축(short axis)을 따라서 대략 가우시안 강도 분포를 갖고 장축(long axis)을 따라서 대략 균일한 강도 분포를 가진다. 반도체 기판의 열처리에서 사용되는 라인 이미지의 전형적인 규격은 폭(단축)이 수백 마이크로미터이고 길이(장축)가 수십 밀리미터이다. 그와 같은 라인 이미지 내 파워 양은 수 킬로와트(kW)에 이를 수 있다.

광빔(light beam)은 측정장치를 손상시킬 수 있기 때문에 고강도 광빔의 강도 프로파일과 같은 강도 특성을 정확히 측정하는 것이 어렵다. 측정장치 중 한 종류는 고강도 광빔을 적당한(손상을 주지 않는) 파워 레벨로 감쇠시키고 그 감쇠된 광빔을 CCD 또는 CMOS 카메라와 같은 광검출기에 유도하기 위해 감쇠기와 이미지 센서를 사용한다.

안타깝게도, 이 방법은 정확성이 현저히 떨어지는데, 이는 감쇠에 항상 수차(aberration)가 수반되고 또한 낮은 파워에서의 측정이 실제로 광빔이 사용되는 높은 파워에서 실현된 강도 프로파일 분포를 정확히 나타내지 않기 때문이다.

다른 유형의 측정 방법은, 대향하는 블레이드(blades)에 의해 형성된 좁은 애퍼처(예컨대, 슬릿 애퍼처(slit aperture))를 통해 고강도 광빔을 스캐닝하는 것에 기초한다. 그러나 높은 파워 밀도가 관련될 때, 측정은 낮은 파워 설정에서 수행될 필요가 있다. 이것은 이미지센서-기반 측정 방법과 본질적으로 동일한 이유로 측정 정확도를 감소시킨다. 한편, 정확한 측정치를 얻기 위해 높은 파워에서 강도 프로파일을 측정하려는 시도는 결국 블레이드를 과열시켜 손상시킨다. 블레이드 재료의 열 팽창은 슬릿 애퍼처의 크기 및/또는 형상을 변경할 수 있으며 측정치를 손상시킨다. 이것은 낮은 파워에서도 일어날 수 있다.

라인-형성 광빔의 단축 강도 프로파일 측정은 장축 측정보다 훨씬 더 어려운데 이는 단축 방향에서의 스캐닝이 아주 작은 슬릿(slit) 또는 심지어 핀홀(pinhole)을 필요로 하기 때문이다. 작은 애퍼처의 열 팽창은 큰 애퍼처의 열 팽창보다 더욱 뚜렷하다. 이러한 이유로, 라인-형성 광빔의 단축을 따르는 강도 프로파일의 측정은, 큰 감쇠도를 갖거나 심지어 레이저 문턱(laser threshold)보다 낮은 카메라를 사용하여 보통 실행된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 측정 정확도는 나빠진다.

본 발명의 측면들은 고강도 광빔에 대해 1개 이상의 강도 특성을 측정하는 것이다. 강도 특성의 예로는 강도 프로파일(1개 이상의 공간 좌표의 함수로서 단위 면적당 파워), 종합적인 또는 총계 강도(파워/단위 면적), 및 광 파워(강도 x 면적). 본 명세서에서, 용어 "파워(power)"는 달리 언급되지 않는다면 "광 파워(optical power)"를 의미한다.

본 발명의 일 측면은 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법이다. 이 방법은, 2개의 투명한 판에 의해 끼여 있는 얇은 프리즘을 포함하는 프리즘 어셈블리 안으로 상기 광빔을 조향하는 단계; 상기 광빔의 일부는 내부 전반사(TIR: total-internal reflecting) 표면에 의해 통합 구체로 반사시키고, 상기 광빔의 나머지 부분은 상기 2개의 투명한 판을 통과하여 빔 덤프(beam dump)로 전송하는 단계; 상기 통합 구체에 의해 캡처된 상기 광빔의 일부를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 광빔으로부터 상기 광빔의 강도 특성을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 얇은 프리즘은 면적을 가진 상기 TIR 표면과 폭(d)을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에서, 상기 통합 구체에 의해 캡처된 상기 광빔의 일부를 검출하는 단계는 광 파워의 양을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 검출된 광빔으로부터 상기 광빔의 강도 특성을 결정하는 단계는 상기 측정된 광 파워의 양을 상기 TIR 표면의 면적으로 나누어 강도를 결정하는 단계를 포함하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에서, 상기 광빔의 상이한 부분들에 대한 강도를 측정하여 상기 광빔에 대한 강도 프로파일을 결정하기 위해 상기 단계들을 반복하는 단계를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에서, 상기 광빔의 상이한 부분들에 대한 강도를 측정하기 위해 상기 프리즘 어셈블리에 대해 상기 광빔을 이동(translating)시키는 단계를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에서, 상기 광빔은 라인 이미지를 형성하는 라인-형성 빔을 포함하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에서, 상기 얇은 프리즘의 두께(d)는 0.05 mm ~ 1 mm 범위에 있는 것이다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에서, 상기 투명한 판들은 실질적으로 5각형 형상이고 상기 얇은 프리즘은 실질적으로 사다리꼴 형상인 것이다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에서, 상기 얇은 프리즘은 입사 표면 및 출사 표면을 갖고, 상기 입사 표면 및 출사 표면은, 상기 광빔이 상기 입사 표면을 실질적으로 직각으로 통과하고 상기 광빔의 반사된 부분이 상기 출사 표면을 실질적으로 직각으로 통과하도록 구성되는 것이다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에서, 상기 얇은 프리즘의 상기 입사 표면 및 출사 표면은 반사방지 코팅제로 코팅되는 것이다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에서, 상기 얇은 프리즘 및 투명한 판들은 광-투과 표면들을 갖고, 상기 광-투과 표면들은 반사방지 코팅제로 코팅되는 것이다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에서, 상기 광빔을 프리즘 어셈블리 안으로 조향하는 단계는, 상기 광빔이 상기 TIR 표면에서 실질적으로 초점을 형성하도록 상기 광빔을 집속하는 단계를 포함하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에서, 상기 광빔은 10 W ~ 5 kW의 광 파워 양을 가지는 것이다.

본 발명의 다른 측면은 광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템이다. 이 시스템은, 입사 측면에서 상기 광빔을 수광하도록 정렬되고, 2개의 투명한 판에 의해 끼여 있는 얇은 프리즘을 포함하는 프리즘 어셈블리; 상기 광빔의 반사된 부분을 수광하도록 상기 프리즘 어셈블리의 제1 출사 측면에 인접하여 정렬된 통합 구체; 상기 프리즘 어셈블리의 제2 출사 측면에 인접하여 정렬되고 상기 광빔의 반사되지 않은 부분을 수광하도록 정렬된 빔 덤프; 상기 통합 구체에 대하여 동작 가능하게 정렬되고, 상기 통합 구체에 의해 수광된 광 파워의 양을 측정하고 상기 측정된 광 파워의 양을 나타내는 전기 검출기 신호를 발생시키는 광검출기; 및 상기 광검출기에 전기적으로 접속된 프로세서를 포함하고, 상기 얇은 프리즘은 내부 전반사(TIR) 표면 및 폭(d)을 갖고, 상기 TIR 표면은 상기 광빔의 일부를 반사하고, 그에 의해 상기 광빔의 반사되지 않은 부분을 구획하고, 상기 프로세서는, 상기 프로세서에 상기 광빔의 반사된 부분의 강도 특성을 결정하게 하고 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체 내에 저장된 명령을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템에서, 상기 TIR 표면은 면적을 갖고, 상기 프로세서는 상기 측정된 광 파워의 양을 상기 TIR 표면의 면적으로 나누어 강도를 결정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템에서, 상기 얇은 프리즘의 폭(d)은 0.05 mm ~ 1 mm 범위에 있는 것을 특징으로 한다. 즉, (0.05 mm ≤ d ≤ ~ 1 mm).

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템에서, 상기 광빔에 대해 상기 프리즘 어셈블리를 이동 가능하게 지지하는 이동식 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템에서, 상기 투명한 판들은 실질적으로 5각형 형상을 갖고, 상기 얇은 프리즘은 실질적으로 사다리꼴 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템에서, 상기 얇은 프리즘은 입사 표면 및 출사 표면을 갖고, 상기 입사 표면 및 출사 표면은, 상기 광빔이 상기 입사 표면을 실질적으로 직각으로 통과하고 상기 광빔의 반사된 부분이 상기 출사 표면을 실질적으로 직각으로 통과하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템에서, 상기 얇은 프리즘 및 투명한 판들은 광-투과 표면들을 가지며, 상기 광-투과 표면들은 반사방지 코팅제로 코팅되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템에서, 상기 광빔은 실질적으로 상기 TIR 표면에서 집속되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템에서, 상기 프리즘 어셈블리에 대해 상기 광빔을 스캐닝하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템에서, 상기 광빔은 100 W ~ 5 kW의 광 파워 양을 갖는 특징으로 한다.

본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 다음 상세한 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로는 다음의 상세한 설명, 청구범위, 첨부된 도면을 포함하여 본 명세서에 설명된 바와 같은 발명을 실행하는 것에 의해 인식되거나 또는 설명으로부터 당업자에게 용이하게 인식될 것이다. 전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 본 발명의 실시예를 제시하고 청구되는 바와 같은 본 발명의 성질과 특성을 이해하기 위한 개관 또는 골격을 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다.

본 발명에 의하면, 고강도(high-intensity)의 광빔에 대해 1개 이상의 강도 특성을 측정하는 시스템 및 방법이 제공된다.

첨부 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 여러 실시예를 도시하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 동작과 원리를 설명하는 역할을 한다. 따라서, 아래와 같은 첨부된 도면과 함께 발명의 상세한 설명을 참조함으로써 본 발명은 더욱 완전히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 광빔 강도 측정 시스템의 일 실시예를 도시하고,
도 1b는 본 발명에 따른 광빔 강도 측정 시스템의 또 다른 예를 도시하고,
도 2는 실시예 라인-형성 빔과, 이것이 이미지 평면에서 형성하는 집속된 라인 이미지(focused line image)의 확대도이고,
도 3a는 실시예 프리즘 어셈블리(prism assembly)의 분해도이고,
도 3b는 실시예 프리즘 어셈블리의 조립도이고,
도 4a는 프리즘 어셈블리를 도시하는 도면으로서, 실시예 라인-형성 빔과, 프리즘 어셈블리에 의해 투과되고 반사되는 상기 라인-형성 빔의 부분들의 광선 트레이스(ray trace)를 포함하고,
도 4b는 프리즘 어셈블리의 프런트-엔드(front-end) 도시로서, TIR 프리즘 어셈블리의 정면에 초점이 흐려진(defocused) 라인 이미지를 도시하고,
도 4c는 도 4b와 유사한 도면으로서, TIR 프리즘 어셈블리의 정면에 회전되고 초점이 흐려진 라인 이미지를 도시하고,
도 5a는 TIR 프리즘 어셈블리의 판(plate)들의 단면도로서, 광빔의 한 부분이 판들을 통해 어떻게 투과되는지 도시하고,
도 5b는 TIR 프리즘 어셈블리의 TIR 프리즘의 단면도로서, 광빔의 또 다른 부분이 TIR 프리즘의 TIR 표면에 의해 어떻게 반사되는지 도시하고,
도 6a는 라인-형성 빔에 의해 형성된 라인 이미지의 실시예 강도 프로파일(intensity profile)을 도시하고,
도 6b는 도 6a와 유사한 도면으로서, 라인-이미지 강도 프로파일의 일부에 중첩된 TIR 프리즘 어셈블리에 의해 구획된 슬롯(slot)을 도시하고,
도 7은 슬롯 경사 각도

= 90°에서, 도 6a의 라인 이미지에 대한 정확한 프로파일과 함께, 슬롯 폭(d)의 상이한 값들에 대한 x(mm)와 강도(상대 단위) 사이의 관계 그래프를 도시하고,
도 8은 도 6b와 유사한 도면으로서 상이한 슬롯 크기와 슬롯 경사 각도(

)를 보여주고,
도 9a는 고정된 슬롯 경사 각도

= 5°와 상이한 슬롯 폭(d)에 대한 Y(mm)와 상대 강도의 관계 그래프를 도시하고,
도 9b는 상이한 슬롯 경사 각도(

)와 고정된 슬롯 폭 d = 0.25 mm에 대한 Y(mm)와 상대 강도의 관계 그래프를 도시하고,
도 10a는 도 8과 유사한 도면으로서, X-방향에서 대안의 스캔 방향의 실시예를 도시하며,
도 10b는 x·tan(

)와 상대 강도의 관계를 도시하는 그래프로서 수평 스캔 결과, 수직 스캔 결과, 및 정확한 강도 분포를 도시한다.

이제 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 가능한 한, 동일한 또는 유사한 참조 번호와 기호가 동일하거나 유사한 부분을 나타내도록 도면 전체에서 사용된다. 도면에서 축척은 필수적인 것은 아니며, 당해 기술분야의 숙련된 기술자는 본 발명의 주요 측면을 도시하기 위해 도면의 어느 부분이 간략화되었는지 인식할 수 있을 것이다.

첨부된 청구항들은 본 명세서의 일부를 구성하고, 참조에 의해 상세한 설명에 포함된다.

여기서 언급된 공개 또는 특허 문헌의 전체 개시는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

도면들 중 일부에서는, 기준을 위해 직각좌표계가 제시되며 이것은 방향 또는 방위를 한정하려는 의도는 아니다.

도 1a 및 도 1b는 광빔 강도 측정 시스템(이하, "시스템"이라 함)(10)의 2개의 실시예를 도시한다. 시스템(10)은 상대적으로 고강도의 또는 높은 광 파워의 광빔(이하, "광빔(light beam)"이라 함)(22), 예를 들면 10 W 이상이고 추가 실시예에서 최대 5 kW의 광 파워를 가진 광빔을 수광하여 처리하도록 구성된다.

도 1a는 광빔(22)이 어떻게 형성될 수 있는지의 실시예를 도시한다. 광원(12)이 광축(A1)을 따라서 파장(λ)의 최초 광빔(12)을 방출한다. 광원(12)은 다이오드 레이저와 같은 레이저를 포함할 수 있으며, 그것은 높은 파워의 최초 광빔(14)을 방출하고, 여기서 파장(λ)은 명목상 0.8과 1 마이크로미터 사이에 있다. 빔-형성 광학시스템(20)은 최초 광빔(14)을 수광하여, 레이저 어닐링 또는 다른 종류의 재료 처리와 같은 주어진 응용에서 사용될 광빔(22)을 형성한다.

일 실시예에서, 광빔(22)은 길이(즉, 진행 방향)를 따라서 가장 좁아지는, 즉, 도 2의 확대도에 도시한 것과 같이, 광빔(22)이 이미지 평면(IP)에서 라인 이미지(24)를 형성하는 위치를 가진다. 도 2에 도시한 실시예에서, 광빔(22)은 X방향에서 길이 L과 Y방향에서 폭 W를 가진 라인 이미지(24)를 형성하는 모이는 또는집속된(focused) 광빔이다.

이하의 설명에서, 라인 형태의 이미지(즉, "라인 이미지(24)")는 본 발명의 시스템 및 장치의 논의를 용이하기 하기 위해 단지 예시로서 사용된다. 최초 광빔(14)이 라인 이미지(24)를 형성할 때, 그것은 "라인-형성 빔"으로 지칭된다. 저강도 광빔 및 이미지들, 또는 다른 형상의 광빔 및 이미지들을 포함하는 다른 유형의 광빔 및 이미지들 역시 유사한 방식으로 측정될 수 있다. 본 발명에 의한 시스템 및 방법은 전술한 부작용을 일반적으로 피할 수 있기 때문에 고강도 광빔의 강도를 측정하기에 유리하다.

도 1a를 다시 참조하면, 시스템(10)은 옵션으로, 광축(A1) 상에, 시스템(10)을 접어서 제1 접힌 광축(A1')을 형성하고 또한 시스템(10)을 더욱 콤팩트(compact)하게 만드는 폴드 미러(FM: fold mirror)를 포함한다. 일 실시예에서, 폴드 미더(FM)는, 제1 접힌 광축(A1')이 연장하는 방향이 역시 조정 가능하도록, 조정 가능하다. 이것은 시스템(10)이 광빔(22)의 진행 방향에 대하여 위치될 수 있는 위치에서 약간의 유연성을 허용한다. 일 실시예에서, 폴드 미러(FM)는 주어진 파장(λ)에 대해 또는 광빔(22)과 관련된 주어진 파장 대역(△λ)에 대해 알려진 양의 반사율을 제공하도록 구성된다. 편의상, 폴드 미러(FM)는 광빔(22)에 대해 단지 최소의 감쇠만을 초래하는 것으로 가정한다.

시스템(10)은, 제1 접힌 광축(A1')을 따라서, TIR 프리즘 어셈블리(50)를 포함하며, 이것은 도 3a에서 분해도로 도시되고, 도 3b에서 조립도로서 도시되어 있다. 실시예 TIR 프리즘 어셈블리(50)는 5개의 측면(52~56)을 가진다(즉, 실질적으로 5각형이다). TIR 프리즘 어셈블리(50)는 얇은 평면 TIR 프리즘 어셈블리(51B)를 포함하며, 이것은 일 실시예에서 4개의 측면(52B ~ 55B)을 포함한다(예컨대, 실질적으로 사다리콜이다). TIR 프리즘(51B)은 두께(d)를 가지며, 이것은 일 실시예에서, 0.05 mm ~ 1 mm 범위에 있고 또 다른 실시예에서는 0.25 mm ~ 1 mm 범위에 있다. TIR 프리즘(51B)은 2개의 판(51A, 51C) 사이에 끼여 있으며, 이것은 일 실시예서 광빔(22)에 대해 실질적으로 투명하다.

일 실시예에서, TIR 프리즘(51B) 및 판(51A, 51C)은 실리카(silica)로 만들어진다. 연마 및 코팅의 편의상, 판(51A, 51C)은 TIR 프리즘(51B)과 유사하게 성형될 수 있고, 또한 TIR 프리즘(51B)에 광학상 접촉되거나 접착되어 TIR 프리즘 어셈블리(50)을 형성할 수 있으며, 그에 의해, 광빔(22)의 일부를 흡수함으로써 TIR 프리즘 어셈블리(50)에 손상을 초래할 수 있는 접착제의 필요를 제거한다.

일 실시예에서, 투명한 판(51A, 51C)은 각각 5개의 측면(52A~56A, 52C~56C)을 가진다. 일 실시예에서, TIR 프리즘 어셈블리(50)는, TIR 프리즘(51B)의 측면(55B)의 표면이, 이하에서 더욱 상세히 설명되는 것과 같이, 면적(A)을 가진 TIR 프리즘 표면을 규정하도록 구성된다. 상기 표면은 또한 제2 접힌 광축(A1")을 규정한다.

또한 일 실시예에서, TIR 프리즘 어셈블리(50)는 측면(52A ~ 52C)이 측면(52)에서 공통 평면 내에 위치하도록 구성된다. TIR 프리즘 어셈블리(50)는 측면(52)이 입사 측면을 규정하고, 측면(54, 55)이 제1 및 제2 출사 측면을 규정하도록 정렬된다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 출사 측면(54, 55)은 각각 상기 접힌 광축(A1", A1')에 직각이다.

다시 도 1a를 참조하면, 시스템(10)은 제2 출사 측면(55)에 인접하여 제1 접힌 광축(A1')을 따라서 정렬된 빔 덤프(beam dump)(80)를 포함한다. 시스템(10)은 또한 제2 접힌 광축(A1")을 따라서 정렬된 광검출기 시스템(70)을 포함한다. 일 실시예에서, 광검출기 시스템(70)은 입구(input aperture)(72)와 내부(73)를 가진 통합 구체(integrating shpere)(71)를 포함한다. 광검출기(74)는, 통합 구체(71)의 내부(73)의 확산광(22D)을 측정하고 그에 따라 상기 검출된 확산광(22D)을 나타내는 전기 검출기 신호(SD) 발생시키도록, 동작가능하게 정렬된다.

도 1b는 TIR 프리즘 어셈블리(50)가 도 1a에서와 같은 방향을 가진 시스템(10)의 평면도로서, '71A' 및 '71B'로 표시된 2개의 통합 구체(71)를 이용하는 일 실시예를 도시한다. 통합 구체(71A)는 수평 스캔의 결과를 측정하기 위해 이용되는 반면, 통합 구체(71B)는 수직 스캔 동안에 내부 전반사 되는 광을 측정한다. 수직 스캔에 있어서, 폴드 미러(FM), TIR 프리즘 어셈블리(50), 및 빔 덤프(80)는 90도 회전된다. 이것이 내부 전반사 된 유용한 광을 통합 구체(71B) 안으로 자동으로 방향을 바꾸는 동안, 통합 구체(71A)는 이 측정 동안 휴지상태에 있다.

시스템(10)은 또한 컴퓨터 형태로 도시된 프로세서(100)를 포함하며, 이것은 상기 전기 검출기 신호(SD, SD_A, SD_B)를 수신 및 처리한다. 일 실시예에서, 프로세서(100)는, 프로세서(100)로 하여금 이하에서 설명되는 것과 같은 어떤 계산을 수행하도록 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체 내에 저장된 명령을 포함한다.

동작 방법( Method of Operation )

시스템(10)의 동작에 있어서, 광빔(22)은 폴드 미러(FM: fold mirror)에 의해 TIR 프리즘 어셈블리(50)의 입사 측면(52)에 입사되도록 조향되거나 그 위에 직접 입사된다. 광빔(22)이 모이는 일 실시예에서, 광빔(22)은 집속되어 TIR 프리즘(51B)의 측면(55B)의 표면에 라인 이미지(24)를 형성한다. 따라서, 도 3b 및 도 4a에서 가장 잘 도시된 것과 같이, 초점이 흐려진 라인 이미지(24')는 TIR 프리즘 어셈블리(50)의 입사 측면(52)과 제2 출사 측면(55)에 형성된다. 이 상황은 TIR 프리즘 어셈블리(50)의 입사 및 출사 측면(52, 55)에서 에너지 밀도를 감소시키는 이점을 가지며, 이것은 이들 측면(52, 55)을 손상시킬 기회를 감소시킨다.

TIR 프리즘(51B)의 측면(55B)의 표면은, TIR 표면에 의해 광빔(22)의 상대적으로 작은 반사된 광빔 부분(22B)을 반사시켜 제2 접힌 광축(A1")을 따라 TIR 프리즘 어셈블리(50)의 제1 출사 측면(54)에서 측면(54B)을 통과하여 진행하도록 각을 이룬다. 상기 반사된 광빔 부분(22B)의 광의 양은 TIR 프리즘(51B)의 폭에 의해 정해진다. TIR 프리즘(51B)은 광빔 부분(22B)을 (측면(52B)에서) 통과시키고 (TIR 프리즘(51B)의 측면(55B)의 표면에서) 반사하는 폭(d)의 슬롯을 규정하는 것으로 생각될 수 있다.

광빔(22)의 강도 프로파일을 측정하기 위해, 광빔(22)의 원하는 양이 샘플링될 때까지 광빔(22)을 복수 측정하도록 광빔(22)이 TIR 프리즘 어셈블리(50)에 대해서 이동(translation) 된다. 이것은 광빔(22)을 (도 4B의 화살표(AW1) 방향으로) 이동시키거나, TIR 프리즘 어셈블리(50)를 (화살표(AW2) 방향으로) 이동시키거나, 이들 이동의 조합에 의해 달성될 수 있다. 또한, 빔-형성 광학 시스템(20)이 광빔(22)을 이동시키도록 구성되거나, 광원(12)이 최초 광빔(14)을 이동시키고 따라서 광빔(22)을 이동시키도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, TIR 프리즘 어셈블리(50)에 대해 광빔(22)을 이동시키기 위해, 이동식 스테이지(120)가, 광원(12), 빔-형성 광학 시스템(20) 및 TIR 프리즘 어셈블리(50)의 1개 이상에 대해 조작 가능하게 정렬될 수 있다. 다른 실시예들에서, 도 4c에 도시한 것과 같이, 광빔(22)의 상이한 방위각(방위각

로 표시됨)이 샘플링될 수 있도록 TIR 프리즘(51B)에 대해 광빔(22)을 회전시키기 위해, 1개 이상의 이동식 스테이지(120)가 사용된다.

도 5a는 광빔(22)의 일부(22A, 22C)가 어떻게 투명판(51A, 51C)을 통해 직접 진행하는지를 도시하고, 도 5b는 TIR 프리즘(51B)의 측면(55B)의 표면에 의해 반사된 광빔 부분(22B)이 어떻게 측면(54B) 밖으로 및 입구(72)를 통해 통합 구체(71) 안으로 조향되는지 도시한다. 실시예들에서, 광 투과를 최적화하기 위해 반사방지 코팅(AR)이 투명한 판(51A, 51C)의 측면(52A, 52C, 55A, 55C)들 중 1개 이상과 TIR 프리즘(51B)의 측면(52B, 54B) 위에 채용된다.

강도 계산( Intensity Calculations )

도 6a는 실시예 라인 이미지(24)를 등 강도 컨투어(contour)를 가진 2차원 강도 분포(강도 프로파일) I _H = I(x,y)로 보여준다. 길이 L_X 및 폭 W = L_Y는 대략 세 번째로 작은 강도 컨투어에 기초한 직사각형 근사(진한 파선(RA))에 대응하는 것으로 도시되어 있다.

도 6b는 도 6a와 유사한 도면이지만 '55B'로 표시된 슬릿 애퍼처를 추가로 보여주는데, 이는 그것이 TIR 표면에 의해 효과적으로 규정되기 때문이다. 슬릿 애퍼처(55B)는 X-Y 좌표계 내 위치(χ,η)에 중심을 두고 있고 X축에 대해서

만큼 기울어져 있다. 슬릿 애퍼처(55B)를 통해 투과되는(또는 더 정확하게는, TIR 프리즘(51B)의 측면(55B)의 표면에 의해 반사되는) 라인 이미지(24)의 광은 통합 구체(71) 안으로 들어가며, 그 안에서 상기 광은 확산광(22D)을 형성한다. 상기 확산광(22D)의 일부는 광검출기(74)에 의해 측정된다.

측정된 파워(P)는 다음 식으로 주어진다:

따라서 파워밀도(ρ)는 P/A, 또는

에 의해 정의되며, 위의 식에서, A는 TIR 프리즘(51B)의 측면(55B)의 표면의 전술한 면적이고, S는 TIR 표면(예컨대, 직사각형)의 형상함수(shape function)이다. 상기 형상함수(S)가 작은 핀홀일 때, 파워밀도 ρ(x,y,

)는 C·I(x,y)에 접근한다.

거의 모든 유용한 응용을 대표하는, 가장 간단하지만 가장 흔한 경우에 있어서, 상기 강도 분포는 분리 가능하다. 즉, I(x,y)

i _X (x)· i _Y (y)이며 따라서:

도 7은 슬롯 폭이 1 mm, 0.7 mm, 0.4 mm인 경우의 x(mm)와 장축 강도 분포 I(x) 사이의 관계 그래프와 이상적인(정확한) 프로파일을 도시한다.

도 8은 도 6b와 유사한 도면으로서, Y 방향에서 스캔하는 슬릿 애퍼처(55B)의 실시예를 도시한다. 그와 같은 스캔은 식 (1)에 의해 주어진 것과 같은 함수 ρ(0,y,

)에 의해 기술된 신호를 나타낸다.

만일 다시 I(x,y)

i _X (x)· i _Y (y)이면, 다음과 같다:

이것은 수직 축에서 강도 분포를 측정하기 위한 처방을 제공한다. d 및

의 허용 가능한 최대 크기는 측정의 지정된 정확도에 의해 결정된다.

도 9a는 d의 값이 0.7 mm, 0.5 mm 및 0.25 mm이고 각도

= 5도인 경우에 대해 y(mm)와 상대 강도 I(y) 사이의 관계 그래프와 이상적인(d -> 0 mm) 프로파일을 나타낸다. 도 9b는 도 9a와 유사하며 d=0.25 mm이고 각도

가 7도, 5도 및 2도인 경우에 대해 Y(mm)와 상대 강도 I(y) 사이의 관계 그래프 및 이상적인 프로파일을 도시한다.

도 9a 및 도 9b에서, 만일 광빔의 폭이 약 1 mm 이면, 슬릿 측정은 상대적으로 작은 시스템 오류를 초래할 것이며, 그것은 최종 강도 측정에서 고려될 수 있다.

시스템(10)은 수직(y) 스캔의 결과가 수평(x) 스캔으로부터 계산될 수 있다는 것을 인식함으로써 단순화될 수 있다. 이것은 측정 셋업에 오직 하나의 이동 스테이지만이 필요하다는 것을 의미한다. 이들 스캔은 완전히 동일하다; 즉 좌표 x를 x·tan(

)로 단지 대체하는 것이 필요하다. 도 10a는 X 방향에서 대안의 스캔 방향의 예를 보여주고, 도 10b는 x·tan

와 상대 강도의 관계를 보여주는 그래프의 예이다.

이상에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 다양한 변형이 첨부된 청구항들에 정의된 것과 같은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음은 당해 기술분야의 숙련자에게는 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항과 그 균등물의 범위 안에 있는 한 본 발명에 대한 변경과 변형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

10: 광빔 강도 측정 시스템 12: 광원
14: 최초 광빔 20: 빔-형성 광학시스템
22: 고강도 광빔 22A, 22C: 투과된 광빔의 일부
22B: 반사된 광빔의 일부 22D: 확산광
50: TIR 프리즘 어셈블리
52 ~ 56: TIR 프리즘 어셈블리의 측면 70: 광검출기 시스템
71: 통합 구체 72: 광검출기 시스템(70)의 입구
73: 광검출기 시스템(70)의 내부 74: 광검출기
80: 빔 덤프(beam dump) 100: 프로세서
120: 이동식 스테이지 A1, A1', A1": 광축
SD, SD_A, SD_B: 전기 검출기 신호

Claims

광빔의 강도 특성을 측정하는 방법에 있어서,
2개의 투명한 판에 의해 끼여 있는 얇은 프리즘을 포함하는 프리즘 어셈블리 안으로 상기 광빔을 조향하는 단계;
상기 광빔의 일부는 내부 전반사(TIR: total-internal reflecting) 표면에 의해 통합 구체로 반사시키고, 상기 광빔의 나머지 부분은 상기 2개의 투명한 판을 통과하여 빔 덤프(beam dump)로 전송하는 단계;
상기 통합 구체에 의해 캡처된 상기 광빔의 일부를 검출하는 단계; 및
상기 검출된 광빔으로부터 상기 광빔의 강도 특성을 결정하는 단계를 포함하고,
상기 얇은 프리즘은 면적을 가진 상기 TIR 표면과 폭(d)을 가지는, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 통합 구체에 의해 캡처된 상기 광빔의 일부를 검출하는 단계는 광 파워의 양을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 검출된 광빔으로부터 상기 광빔의 강도 특성을 결정하는 단계는 상기 측정된 광 파워의 양을 상기 TIR 표면의 면적으로 나누어 강도를 결정하는 단계를 포함하는, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 광빔의 상이한 부분들에 대한 강도를 측정하여 상기 광빔에 대한 강도 프로파일을 결정하기 위해 상기 단계들을 반복하는 단계를 더 포함하는, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 광빔의 상이한 부분들에 대한 강도를 측정하기 위해 상기 프리즘 어셈블리에 대해 상기 광빔을 이동(translating)시키는 단계를 더 포함하는, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 광빔은 라인 이미지를 형성하는 라인-형성 빔을 포함하는, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 얇은 프리즘의 두께(d)는 0.05 mm ~ 1 mm 범위에 있는, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 투명한 판들은 실질적으로 5각형 형상이고 상기 얇은 프리즘은 실질적으로 사다리꼴 형상인, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 얇은 프리즘은 입사 표면 및 출사 표면을 갖고,
상기 입사 표면 및 출사 표면은, 상기 광빔이 상기 입사 표면을 실질적으로 직각으로 통과하고 상기 광빔의 반사된 부분이 상기 출사 표면을 실질적으로 직각으로 통과하도록 구성되는, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 얇은 프리즘의 상기 입사 표면 및 출사 표면은 반사방지 코팅제로 코팅되는, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 얇은 프리즘 및 투명한 판들은 광-투과 표면들을 갖고,
상기 광-투과 표면들은 반사방지 코팅제로 코팅되는, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 광빔을 프리즘 어셈블리 안으로 조향하는 단계는, 상기 광빔이 상기 TIR 표면에서 실질적으로 초점을 형성하도록 상기 광빔을 집속하는 단계를 포함하는, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 광빔은 10W ~ 5kW의 광 파워 양을 가지는, 광빔의 강도 특성 측정 방법.
광빔의 강도 특성을 측정하는 시스템에 있어서,
입사 측면에서 상기 광빔을 수광하도록 정렬되고, 2개의 투명한 판에 의해 끼여 있는 얇은 프리즘을 포함하는 프리즘 어셈블리;
상기 광빔의 반사된 부분을 수광하도록 상기 프리즘 어셈블리의 제1 출사 측면에 인접하여 정렬된 통합 구체;
상기 프리즘 어셈블리의 제2 출사 측면에 인접하여 정렬되고 상기 광빔의 반사되지 않은 부분을 수광하도록 정렬된 빔 덤프;
상기 통합 구체에 대하여 동작 가능하게 정렬되고, 상기 통합 구체에 의해 수광된 광 파워의 양을 측정하고 상기 측정된 광 파워의 양을 나타내는 전기 검출기 신호를 발생시키는 광검출기; 및
상기 광검출기에 전기적으로 접속된 프로세서를 포함하고,
상기 얇은 프리즘은 내부 전반사(TIR) 표면 및 폭(d)을 갖고,
상기 TIR 표면은 상기 광빔의 일부를 반사하고, 그에 의해 상기 광빔의 반사되지 않은 부분을 구획하고,
상기 프로세서는, 상기 프로세서에 상기 광빔의 반사된 부분의 강도 특성을 결정하게 하고 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체 내에 저장된 명령을 포함하는, 광빔의 강도 특성 측정 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 TIR 표면은 면적을 갖고,
상기 프로세서는 상기 측정된 광 파워의 양을 상기 TIR 표면의 면적으로 나누어 강도를 결정하는, 광빔의 강도 특성 측정 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 얇은 프리즘의 폭(d)은 0.05 mm ~ 1 mm 범위에 있는, 광빔의 강도 특성 측정 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 광빔에 대해 상기 프리즘 어셈블리를 이동 가능하게 지지하는 이동식 스테이지를 더 포함하는, 광빔의 강도 특성 측정 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 투명한 판들은 실질적으로 5각형 형상을 갖고, 상기 얇은 프리즘은 실질적으로 사다리꼴 형상을 갖는, 광빔의 강도 특성 측정 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 얇은 프리즘은 입사 표면 및 출사 표면을 갖고,
상기 입사 표면 및 출사 표면은, 상기 광빔이 상기 입사 표면을 실질적으로 직각으로 통과하고 상기 광빔의 반사된 부분이 상기 출사 표면을 실질적으로 직각으로 통과하도록 구성되는, 광빔의 강도 특성 측정 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 얇은 프리즘 및 투명한 판들은 광-투과 표면들을 가지며,
상기 광-투과 표면들은 반사방지 코팅제로 코팅되는, 광빔의 강도 특성 측정 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 광빔은 실질적으로 상기 TIR 표면에서 집속되는, 광빔의 강도 특성 측정 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 프리즘 어셈블리에 대해 상기 광빔을 스캐닝하는 수단을 더 포함하는, 광빔의 강도 특성 측정 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 광빔은 10W ~ 5kW의 광 파워 양을 갖는, 광빔의 강도 특성 측정 시스템.