KR20230041682A - 차폐된 이미징 시스템을 통한 사용을 위해 콘트라스트를 최적화하기 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

차폐된 이미징 시스템을 통한 사용을 위해 콘트라스트를 최적화하기 위한 방법 및 디바이스 Download PDF

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KR20230041682A
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엘리세오 라날리
패트릭 빅로이
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뉴포트 코포레이션
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Abstract

이미징 시스템에 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한 시스템이 본원에 개시되고, 시스템은 공간적 간섭성 신호를 출력하도록 구성된 공간적 간섭성 광원, 그 위에 형성된 제1 디바이스 표면을 갖는 광학 디바이스 본체를 갖고, 적어도 하나의 간섭성 반사 신호를 형성하기 위해 공간적 간섭성 신호의 일부를 반사시키도록 구성된 적어도 하나의 광학 디바이스를 포함한다. 광학 디바이스 본체는 또한, 적어도 하나의 공간적 간섭성 신호를 생성하기 위해, 광학 디바이스 본체를 통해 송신된 공간적 간섭성 광원 출력 신호의 일부를 확산시키도록 구성된 하나 이상의 표면 요철을 갖는 제2 디바이스 표면을 포함한다. 간섭성 반사 신호 및 공간적 비간섭성 신호의 조합은 부분적 공간적 간섭성 광 신호를 형성한다.

Description

차폐된 이미징 시스템을 통한 사용을 위해 콘트라스트를 최적화하기 위한 방법 및 디바이스
연관된 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 7월 22일에 출원되고, 명칭이 "차폐된 이미징 시스템을 통한 사용을 위해 콘트라스트를 최적화하기 위한 방법 및 디바이스"인 미국 가특허출원 일련번호 제63/054,931호에 대한 우선권을 주장하며, 이의 내용은 본원에 참조로 통합된다.
반사 이미징 시스템(catoptric imaging systems)은 넓은 파장 범위에 걸쳐 큰 수차-보정된 필드를 통해 광학 대물렌즈를 실현하기 위한 정규 광학 설계 해결책이다. 도 1-3은 일반적으로 사용되는 다양한 잘 알려진 종래 기술의 반사 이미징 시스템의 도면을 도시한다. 도 1은 오목 반사체(3)(1차 미러) 및 볼록 반사체(5)(2차 미러)을 갖는 종래 기술의 카세그레인 망원경(Cassegrain telescope, 1)의 도면을 도시한다. 사용 중에, 입사광(7)은 오목 반사체(3)로부터 볼록 반사체(5)로 반사된다. 이어서, 볼록 반사체(5)는 반사된 입사광(7)을 오목 반사체(3)에 형성된 광 통로(9)를 통해 초점(11)으로 지향시킨다. 대조적으로, 도 2는 제1 오목 반사체(17)(1차 미러) 및 제2 오목 반사체(19)(2차 미러)를 갖는 그레고리언 망원경(Gregorian telescope, 15)의 도면을 도시한다. 도시된 바와 같이, 입사광(21)은 제1 오목 반사체(17)에 의해 제2 오목 반사체(19)로 반사된다. 제1 미러 초점(23)은 제1 오목 반사체(17)와 제2 오목 반사체(19) 사이에 형성된다. 제2 오목 반사체(19)는 입사광(21)을 제1 오목 반사체(17)에 형성된 통로(25)를 통해 초점(27)으로 반사시킨다. 도 3은 제1 구형 반사체(37)(1차 미러) 및 제2 구형 반사체(39)(2차 미러)를 갖는 전형적인 슈바르츠실트 대물렌즈(Schwarzchild objective, 31)의 도면을 도시한다. 입사광(33)은 제1 구형 반사체(37)에 형성된 광 통로(35)를 통과하고, 제2 구형 반사체(39) 상에 입사되고, 그에 의해 초점(41)으로 반사된다.
도 1-3에 도시된 시스템이 과거에 성공적인 것으로 입증되었지만, 일부 응용에 대해서는 다수의 단점이 확인되었다. 예를 들어, 이러한 아키텍처의 필요한 결과는, 중앙 차폐(central obscuration)에 의해 야기되는 비간섭성 변조 전달 함수의 결과적인 카빙 아웃(carving out)이다. 도 4는 변조 전달 함수(또한, 본원에서 "MTF(modulation transfer function)"로 지칭됨)에 대한 중앙 차폐의 결과(So/Sm)를 그래프로 보여주며, 여기서 숫자 Vo는 주어진 개구수(numerical aperture, N.A.) 및 파장(λ)에 대한 컷오프 공간 주파수(cutoff spatial frequency)를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 차폐가 증가됨에 따라, 특히 중간 공간 주파수에서 변조 전달 함수의 저하가 증가된다. 대조적으로, 간섭성 조명(coherent illumination)이 큰 중앙 차폐를 갖는 이미징 시스템에서 비간섭성 조명(incoherent illumination)의 사용과 연관된 몇 가지 단점을 극복하지만, 큰 중앙 차폐 시스템에 대한 간섭성 조명의 사용은 제한된다. 예를 들어, 비간섭성 조명과 연관된 더 넓은 범위의 관찰 가능한 공간 주파수는 더 많은 정보를 제공하는 경향이 있다. 덧붙여, 간섭성 조명은 낮은 공간 주파수가 필터링되기 때문에, 이미지의 고역 통과 필터링으로 인해 어려움을 겪는 경향이 있다.
전술한 내용에 비추어, 차폐된 이미징 시스템과 사용하기 위해 콘트라스트를 최적화하기 위한 방법 및 디바이스에 대한 지속적인 요구가 있다.
본원에서 개시된 바와 같이 차폐된 이미징 시스템과 사용하기 위한 콘트라스트를 최적화하기 위한 방법 및 디바이스의 새로운 양상은 다음 도면의 고려에 의해 명백해질 것이다:
도 1은 예시적인 종래 기술의 카세그레인 망원경의 개략도를 도시한다.
도 2는 예시적인 종래 기술의 그레고리언 망원경의 개략도를 도시한다.
도 3은 예시적인 종래 기술의 슈바르츠실트 대물렌즈의 개략도를 도시한다.
도 4는 차폐 값에 대한 무-수차 시스템에 대한 변조 전달 함수(MTF)의 그래프를 도시한다.
도 5는 부분적 공간적 간섭성 광을 포커싱/대물렌즈 시스템에 전달하도록 구성된 부분적 공간적 간섭성 광 시스템의 실시예를 통합하는 이미징 시스템의 실시예의 개략도를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 부분적 공간적 간섭성 조명 시스템의 실시예의 평면 단면도를 도시한다.
도 7은 내부에 부분적 공간적 간섭성 광이 생성된 도 5에 도시된 부분적 공간적 간섭성 조명 시스템의 실시예의 단면도를 도시한다.
도 8은 부분적 공간적 간섭성 광을 생성하도록 구성된 모드 스크램블링 시스템(mode scrambling system)의 실시예를 통합하는 이미징 시스템의 실시예의 개략도를 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 이미징 시스템의 실시예에서 사용하기 위한 모드 스크램블링 시스템의 실시예에 결합된 공간적 간섭성 광원의 실시예의 개략도를 도시한다.
도 10은 본원에 개시된 이미징 시스템의 다양한 실시예에서 사용하기 위한 반사 굴절(catadioptric) 포커싱/대물렌즈 시스템의 실시예의 개략도를 도시한다.
도 11a는 조명원으로 공간적 간섭성 광을 이용하는 이미징 시스템의 2D 광학 전달 함수 크기의 표현을 도시한다.
도 11b는 조명원으로 공간적 비간섭성 광을 이용하는 이미징 시스템의 2D 광학 전달 함수 크기의 표현을 도시한다.
도 11c는 조명원으로 부분적 공간적 간섭성 광을 이용하는 이미징 시스템의 2D 광학 전달 함수 크기의 표현을 도시한다.
도 12a는 조명원으로 공간적 간섭성 광을 이용하는 이미징 시스템의 2D 광학 전달 함수 크기의 단면을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 12b는 조명원으로 공간적 비간섭성 광을 이용하는 이미징 시스템의 2D 광학 전달 함수 크기의 단면을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 12c는 조명원으로 본 출원에 개시된 부분적 공간적 간섭성 광을 이용하는 이미징 시스템의 2D 광학 전달 함수 크기의 단면을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 13a는 타겟이 공간적 간섭성 광으로 조명될 때 0.2㎛의 높이를 갖는 USAF 타겟 섹션의 분해능(resolution)의 표현을 도시한다.
도 13b는 타겟이 공간적 비간섭성 광으로 조명될 때 0.2㎛의 높이를 갖는 USAF 타겟 섹션의 분해능의 표현을 도시한다.
도 13c는 타겟이 본원에 개시된 이미징 시스템을 사용하여 부분적 공간적 간섭성 광으로 조명될 때 0.2㎛의 높이를 갖는 USAF 타겟 섹션의 분해능의 표현을 도시한다.
도 14a는 타겟이 공간적 간섭성 광으로 조명될 때 이미지 높이 0.5mm의 회전당 40쌍의 스포크 타겟(spoke target)의 표현을 도시한다.
도 14b는 타겟이 공간적 비간섭성 광으로 조명될 때 이미지 높이 0.5mm의 회전당 40쌍의 스포크 타겟의 표현을 도시한다.
도 14c는 타겟이 본원에 개시된 이미징 시스템을 사용하여 부분적 공간적 간섭성 광으로 조명될 때, 이미지 높이 0.5mm의 회전당 40쌍의 스포크 타겟의 표현을 도시한다.
본 출원은 차폐된 이미징 시스템과 사용하기 위해 콘트라스트를 최적화하기 위한 방법 및 디바이스의 다양한 실시예를 개시한다. 일부 응용에서, 본원에 개시된 다양한 실시예는 하나 이상의 큰 차폐 대물렌즈를 포함하는 이미징 시스템에서 사용될 수 있다. 대안적으로, 본원에 개시된 다양한 실시예는 부분적 공간적 간섭성 광이 바람직한 임의의 다양한 광학 시스템에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본원에 개시된 다양한 실시예는 하나 이상의 큰 차폐 대물렌즈, 망원경 등을 포함하는 임의의 다양한 광학 시스템과 사용될 수 있다.
도 5-7은 부분적 공간적 간섭성 광(이하, PSCL(partially spatially coherent light))을 생성하기 위한 적어도 하나의 시스템을 포함하는 이미징 시스템의 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 이미징 시스템(100)은 적어도 하나의 광원(102)을 포함한다. 예시적인 광원(102)은, 예를 들어 레이저, 레이저 다이오드, 레이저-구동 광원, 초발광(super luminescent) LED, 레이저 다이오드, 증폭된 자발 방출원, 초연속 광원(supercontinuum light sources), 하나 이상의 광섬유에 결합하도록 구성된 광대역 광원, 플라즈마원, 아크 디바이스(arc devices) 등을 포함한다. 또한, 하나 이상의 광섬유(104)는 광원(102)에 결합되거나, 또는 다른 방식으로 광 통신할 수 있다. 광섬유(104)는 광원(102)으로부터 이미징 시스템(100)의 다양한 요소로 적어도 하나의 공간적 간섭성 광원 출력 신호(108)를 전달하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 광섬유(104)는 단일 모드 광섬유를 포함한다. 선택적으로, 광섬유(104)는 다중 모드 광섬유를 포함할 수 있다. 예시적인 광섬유는 단일 모드 섬유, 무한 단일 모드 섬유, 광자 결정 섬유, 광학 결정 섬유, 홀리 섬유(holey fibers), 다중 모드 섬유 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예에서, 이미징 시스템(100)은 광섬유(104)를 포함할 필요가 없다.
다시 도 5를 참조하면, 적어도 하나의 렌즈(106)는 광원(102)으로부터 송신된 공간적 간섭성 광원 출력 신호(108)의 적어도 일부를 포커싱하거나, 또는 다른 방식으로 수정하기 위해 이미징 시스템(100) 내에서 사용될 수 있다. 예시된 실시예에서, 렌즈 또는 광학 요소(106)는 광섬유(104)로부터 광원(102)의 공간적 간섭성 광원 출력 신호(108)를 포커싱하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 렌즈 시스템, 스톱(stops), 빔 스플리터, 센서, 필터, 격자, 조리개(irises) 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 다양한 광학 요소가 렌즈(106)에 추가하여 또는 그 대신에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 이미징 시스템(100)은 렌즈(106)를 포함할 필요가 없다. 또한, 또 다른 실시예에서, 렌즈(106)는 광섬유(104)에 통합되거나 및/또는 이에 결합될 수 있다.
도 5 내지 7에 도시된 바와 같이, 공간적 간섭성 광원 출력 신호(108)는 렌즈(106)에 의해, 부분적 공간적 간섭성 광을 생성하기 위한 적어도 하나의 시스템(110)(이하 PSCL 시스템(110)) 상에 포커싱될 수 있다. 도 6 및 7에 도시된 바와 같이, PSCL 시스템(110)은 제1 디바이스 표면(174) 및 적어도 제2 디바이스 표면(176)을 갖는 광학 디바이스 본체(172)를 갖는 광학 디바이스(170)를 포함한다. 예시된 실시예에서, PSCL 시스템(110)의 광학 디바이스 본체(172)는 광학 축(optical axis, OA)을 중심으로 회전하도록 구성된 유리 또는 실리카-기반 재료 디스크를 포함한다. 선택적으로, 광학 디바이스 본체(172)는 광학 결정, 복합 재료, 세라믹 재료 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 다양한 재료로 제조될 수 있다. 또한, 통상의 기술자는 광학 디바이스 본체(172)가 임의의 다양한 형태 및/또는 구성으로 제조될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 일 실시예에서, 광학 디바이스 본체(172)는 평평한 평면 표면을 갖는 제1 디바이스 표면(174), 및 하나 이상의 표면 요철(irregularities) 또는 확산 피처/재료가 그 위에 형성되거나 또는 이에 결합된 제2 디바이스 표면(176)을 포함한다. 추가로, 제2 디바이스 표면(176)은 그에 도포된 적어도 하나의 반사 코팅(178)(약 99.5%보다 큰 반사율)을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 디바이스 표면(174)은 그에 도포된 적어도 하나의 광학 코팅(미도시)을 포함한다. 선택적으로, 제1 디바이스 표면(174) 및 제2 디바이스 표면(176)은 그에 도포된 적어도 하나의 광학 코팅을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 사용 중에, 광원(102)으로부터의 공간적 간섭성 광원 출력 신호(108)는 렌즈(106)에 의해 광학 디바이스 본체(172)로 지향된다. 공간적 간섭성 광원 출력 신호(108)의 일부는, 간섭성 파워(coherent power) η을 갖는 적어도 하나의 간섭성 반사 신호(162)를 형성하기 위해, PSCL 시스템(110)의 제1 디바이스 표면(174)에 의해 반사된다. 또한, 공간적 간섭성 광원 출력 신호(108)의 적어도 일부는 광학 디바이스 본체(172)에 의해 굴절되고, 광학 디바이스 본체(172)를 통과하여, 그 안에 적어도 하나의 굴절된 신호(164)를 형성한다. 굴절된 신호(164)는 제2 디바이스 표면(176)에 형성된 하나 이상의 표면 요철 상에 입사하고, 제2 디바이스 표면(176)에 도포된 반사 코팅(178)에 의해 반사되어, 적어도 하나의 반사-굴절된 신호(166)를 형성한다. 일 실시예에서, 코팅(178)은 제2 디바이스 표면(176)과 동일한 모폴로지(morphology)(예를 들어, 동일한 표면 요철을 가짐)를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 코팅(178)은 제2 디바이스 표면(176)과 동일한 표면 요철 없이 평면일 수 있다. 반사-굴절된 신호(166)는 PSCL 시스템(110)의 광학 디바이스 본체(172)를 다시 통과한다. 반사-굴절된 신호(166)는 비간섭성 파워 (1-η)2을 갖는 적어도 하나의 공간적 비간섭성 신호(168)를 형성하기 위해, 광학 디바이스 본체(172)의 제1 디바이스 표면(174)을 통해 방출된다. 일 실시예에서, 실질적으로 반사-굴절된 신호(166)의 모두는 제1 디바이스 표면(174)으로부터 방출된다.
다시 도 6 및 도 7을 참조하면, PSCL 시스템(110)의 광학 디바이스 본체(172)의 제1 디바이스 표면(174)에 의해 내부적으로 반사되는 반사-굴절된 신호(166)의 임의의 부분은, 광학 디바이스 본체(172)를 통과하는 제2 굴절된 신호(164')를 형성한다. 제2 굴절된 신호(164')는 제2 디바이스 표면(176)에 의해 반사되어 제2 반사-굴절된 신호(166')를 형성하고, 그의 일부는 제1 디바이스 표면(174)으로부터 방출되어, 제2 비간섭성 파워 η(1-η)2을 갖는 적어도 제2 공간적 비간섭성 신호(168')를 형성한다. 광학 디바이스 본체(172)를 통과하는 반사/굴절된 신호의 이 시퀀스 및 PSCL 시스템(110)으로부터의 비간섭성 신호의 방출은 계속되고, 결국 η3(1-η)2의 비간섭성 파워를 갖는 공간적 비간섭성 신호(168''')의 방출에 이르지만, 통상의 기술자는 광학 디바이스 본체(172)를 통과하는 반사/굴절된 신호의 시퀀스 및 PSCL 시스템(110)으로부터의 공간적 비간섭성 신호의 방출이 임의의 수의 시퀀스에 대해 계속될 수 있음을 인식할 것이다. 도 6 및 7에 도시된 바와 같이, PSCL 광(112)은 PSCL 시스템(110)으로부터 출력된 다수의 공간적 비간섭성 신호(168) 및 간섭성 반사 신호(162)의 혼합으로부터 형성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, PSCL 광(112)은 간섭성 광 및 비간섭성 광의 혼합을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 일 실시예에서, PSCL 광(112)은 약 20% 내지 30%의 간섭성 광 및 약 70% 내지 80%의 비간섭성 광을 포함한다. 다른 실시예에서, PSCL 광(112)은 약 30% 내지 40%의 간섭성 광 및 약 60% 내지 약 70%의 비간섭성 광을 포함한다. 선택적으로, PSCL 광(112)은 약 40% 내지 약 50%의 간섭성 광 및 약 50% 내지 약 60%의 비간섭성 광을 포함할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 적어도 PSCL 광(112)은 약 57%의 비간섭성 광에서 약 43%의 간섭성 광을 포함하지만, 통상의 기술자는 간섭성 광 대 비간섭성 광의 임의의 비율이 적어도 하나의 PSCL 광(112)을 형성하는데 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, PSCL 광(112)은 렌즈(106)에 의해 하나 이상의 반사체 및/또는 미러로 지향될 수 있다. 반사체 및/또는 미러는 PSCL(112) 광의 적어도 일부를 적어도 하나의 포커싱/대물렌즈 시스템(140)으로 지향시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시예에서 PSCL 광(112)은 적어도 하나의 미러(114)에 의해 하나 이상의 선택적으로 이동 가능한 미러로 지향된다. 예시된 실시예에서, 이미징 시스템(100)은 미러(114)와 통신하는 제1 갈보/스캐닝 미러(130) 및 제2 갈보/스캐닝 미러(132)를 포함한다. 통상의 기술자는 임의의 수의 선택적으로 이동 가능한 미러 및/또는 고정 미러가 이미징 시스템(100)에서 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예시된 실시예에서, 제1 갈보/스캐닝 미러(130), 제2 갈보/스캐닝 미러(132) 및/또는 미러(114)는 평면 반사체를 포함한다. 선택적으로, 제1 갈보/스캐닝 미러(130), 제2 갈보/스캐닝 미러(132) 및/또는 미러(114)는 만곡된 미러를 포함할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 제어기(148)는 제1 갈보/스캐닝 미러(130), 제2 갈보/스캐닝 미러(132) 중 적어도 하나 또는 둘 다와 통신할 수 있다. 선택적으로, 이미징 시스템(100)은 그 안에 반사체 및/또는 미러를 포함할 필요가 없다. 또한, 이미징 시스템(100)은 제어기(148)를 포함할 필요가 없다.
다시 도 5를 참조하면, 이미징 시스템(100)은 적어도 하나의 오토포커스 신호(autofocus signal, 122)를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 오토포커스 모듈(120)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 오토포커스 모듈(120)로부터 방출된 오토포커스 신호(122)는 적어도 하나의 광학 요소/빔 결합기(116)에 의해 PSCL 광(112)의 빔 경로에 삽입될 수 있고, 그로 인해 제1 갈보/스캐닝 미러(130), 제2 갈보/스캐닝 미러(132) 중 적어도 하나 또는 둘 다에 입사되는 적어도 하나의 오토-포커스된 부분적 공간적 간섭성 신호(124)를 생성할 수 있다. 사용 중에, 오토포커스 신호(122)는 이미징 시스템(100) 내에서 오토-포커스된 부분적 간섭성 신호(124)의 선택적인 제어, 포커싱 및/또는 위치 지정을 허가하도록 구성될 수 있다. 따라서, 오토포커스 모듈(120)은 제어기(148)와 통신할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 오토-포커스된 부분적 간섭성 신호(124)는 이미징 시스템(100) 내에 위치된 하나 이상의 빔 스플리터(134) 상에 입사될 수 있다. 예시된 실시예에서, 빔 스플리터(134)는 오토-포커스된 부분적 간섭성 신호(124)의 적어도 일부를 적어도 하나의 포커싱/대물렌즈 시스템(140)으로 지향시키고, 그로 인해 적어도 하나의 이미징 시스템 출력 신호(136)를 형성하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 포커싱/대물렌즈 시스템(140)은 제1 포커싱 반사체(142) 및 제1 포커싱 반사체(142)와 광 통신하는 적어도 제2 포커싱 반사체(144)를 포함하고, 제1 포커싱 반사체(142) 및 제2 포커싱 반사체(144)는 이미징 시스템 출력 신호(136)를 적어도 하나의 기판(150) 상에 포커싱하도록 구성된다. 도 5에 예시된 실시예가 슈바르츠실트 대물렌즈를 도시하지만, 통상의 기술자는 포커싱/대물렌즈 시스템(140)이 임의의 다양한 포커싱 및/또는 대물렌즈 시스템을 포함할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 일 실시예에서, 포커싱/대물렌즈 시스템(140)은 큰 파장 범위에 걸쳐 큰 수차 보정된 필드를 갖는 중앙 차폐를 포함한다. 통상의 기술자는 포커싱/대물렌즈 시스템(140)이 중앙 차폐를 포함할 필요가 없다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 임의의 다양한 또는 타입의 포커싱/대물렌즈 시스템(140)이 본 시스템과 사용될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 이미징 시스템(100)은 이미징 시스템(100) 내에서 오토-포커스된 부분적 간섭성 신호(124)의 적어도 하나의 광학 특성을 모니터링하도록 구성된 적어도 하나의 카메라 및/또는 센서(158)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 카메라(158)는 적어도 하나의 반사체(154)를 통해 빔 스플리터(134)와 통신한다. 사용 중에, 빔 스플리터(134)는 오토-포커스된 부분적 간섭성 신호(124)의 적어도 일부를 카메라(158)로 지향시키며, 그로 인해 적어도 하나의 샘플 신호(156)를 형성한다. 카메라(158)는 갈보/스캐닝 미러(130, 132)와 같이, 제어기(148)와 통신할 수 있고, 그로 인해 사용자가 오토-포커스된 부분적 간섭성 신호(124)의 적어도 하나의 광학적 특성을 선택적으로 모니터링하고 제어하는 것을 허가한다. 유사하게, PSCL 시스템(110)은 제어기(148)와 통신할 수 있다. 선택적으로, 포커싱/대물렌즈 시스템(140)은 하나 이상의 이동 가능한 스테이지(미도시)를 포함할 수 있다. 따라서, 포커싱/대물렌즈 시스템(140)의 다양한 요소는 포커싱/대물렌즈 시스템(140)의 포커싱 특성의 선택적인 제어를 허용하는 제어기(148)와 통신할 수 있다.
도 8 및 9는 내부에 적어도 하나의 부분적 간섭성 광 시스템을 포함하는 이미징 시스템의 대안적인 실시예의 다양한 도면을 도시한다. 도시된 바와 같이, 이미징 시스템(230)은 적어도 하나의 광원 시스템(232)을 포함한다. 일 실시예에서, 광원 시스템(232)은 레이저-구동된 광원과 같은, 적어도 하나의 광원 출력 신호(236)를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 광원(234)을 포함한다. 선택적으로, 광원(234)은 레이저, 레이저 다이오드, 초발광 LED, 레이저 다이오드, 증폭된 자발 방출원, 초연속 광원, 또는 하나 이상의 광섬유에 결합하도록 구성된 광대역 광원, 플라즈마 소스, 아크 디바이스 등을 포함하는 임의의 다양한 광원을 포함할 수 있다.
도 8 및 9에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 광학 요소(238)는 광원 출력 신호(236)를 수정하거나 또는 다른 방식으로 조정하는 데 사용될 수 있다. 예시된 실시예에서, 광학 요소(238)는 광원 출력 신호(236)를 적어도 하나의 광대역 간섭성 광학 신호(242)를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 플라즈마 엔벨로프(plasma envelope), 아크 엔벨로프 또는 램프(240)로 포커싱하도록 구성된 렌즈를 포함한다. 일 실시예에서, 광대역 간섭성 광학 신호(242)는 약 150nm 내지 750nm 이상의 파장 범위를 갖는다. 선택적으로, 이미징 시스템(230)은, 광원(234)이 약 150nm 내지 약 750nm 이상의 파장 범위를 갖는 광원 출력 신호(236)를 출력하도록 구성되는 경우 램프(240)를 포함할 필요가 없다. 선택적으로, 다수의 광원(234)의 출력은, 약 150nm 내지 750nm 이상의 파장 범위를 갖는 광원 출력 신호(236)를 제공하도록 결합되고 사용될 수 있다.
다시 도 8 및 9를 참조하면, 광대역 간섭성 광학 신호(242)는 하나 이상의 렌즈 또는 광학 요소(244)에 의해 적어도 하나의 광섬유(256)로 지향될 수 있다. 예시된 실시예에서, 단일 렌즈는 광대역 출력 신호(242)를 광섬유(256)로 포커싱하는 데 사용되지만, 통상의 기술자는 임의의 수의 렌즈, 광학 요소, 스톱, 조리개, 필터, 격자 등이 이미징 시스템(230) 내의 어디에나 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 일 실시예에서, 광섬유(256)는 적어도 하나의 다중 모드 광섬유를 포함한다. 다른 실시예에서, 광섬유(256)는 적어도 하나의 단일 모드 광섬유, 무한 단일 모드 광섬유, 광자 결정 섬유, 광학 결정 섬유, 홀리 섬유 등을 포함한다. 예시된 실시예에서, 광섬유(256)는 그 안에 형성된 적어도 하나의 모드 스크램블링 시스템(250)을 포함한다. 예를 들어, 도 8 및 9에 도시된 바와 같이, 광섬유(256)는 그 안에 형성된 제1 모드 스크램블링 본체(252) 및 적어도 제2 모드 스크램블링 본체(254)를 포함한다. 일 실시예에서, 제1 모드 스크램블링 본체(252) 및 제2 모드 스크램블링 본체(254) 중 적어도 하나는 광섬유의 하나 이상의 루프 및/또는 링을 포함한다. 따라서, 모드 스크램블링 시스템(250)은 스펙클(speckle)을 감소시키거나 제거하도록 구성된 시변 모드 스크램블러로 동작할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 광섬유(256)는 적어도 하나의 모드 스크램블링된 출력 신호(260)를 출력한다. 일 실시예에서, 모드 스크램블링된 출력 신호(260)는 PSCL 광을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 모드 스크램블된 출력 신호(260)는 간섭성 광 및 비간섭성 광의 혼합을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 일 실시예에서, 모드 스크램블된 출력 신호(260)는 약 20% 내지 30%의 간섭성 광 및 약 70% 내지 80%의 비간섭성 광을 포함한다. 다른 실시예에서, 모드 스크램블된 출력 신호(260)는 약 30% 내지 40%의 간섭성 광 및 약 60% 내지 약 70%의 비간섭성 광을 포함한다. 선택적으로, 모드 스크램블링된 출력 신호(260)는 약 40% 내지 약 50%의 간섭성 광 및 약 50% 내지 약 60%의 비간섭성 광을 포함할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 적어도 하나의 모드 스크램블링된 출력 신호(260)는 약 43%의 간섭성 광 및 약 57%의 비간섭성 광을 포함하지만, 통상의 기술자는 임의의 비율의 간섭성 광 대 비간섭성 광이 적어도 하나의 모드 스크램블된 출력 신호(260)를 형성하는 데 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 이전 실시예와 같이, 하나 이상의 미러 및/또는 반사체가 이미징 시스템(230) 내에서 사용될 수 있다. 선택적으로, 미러 및/또는 반사체는 평면 또는 만곡된 미러를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 적어도 하나의 미러(262)는 모드 스크램블링된 광학 신호(260)의 적어도 일부를 적어도 하나의 조향 미러 또는 선택적으로 이동 가능한 미러로 지향시키도록 구성된다. 이전 실시예와 같이, 이미징 시스템(230)은 제1 갈보/스캐닝 미러(274) 및 제2 갈보/스캐닝 미러(278)를 포함하지만, 통상의 기술자는 임의의 수의 갈보/스캐닝 미러가 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 추가로, 도 8에 도시된 이미징 시스템(230)은 적어도 하나의 오토포커스 신호(272)를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 오토포커스 모듈(270)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 오토포커스 신호(272)는 이미징 시스템(230) 내에 위치된 적어도 하나의 광학 요소(264)를 통해 광학 트레인(optical train)에 삽입될 수 있다. 도시된 바와 같이, 광학 요소(264)는 미러(262)와 제1 갈보/스캐닝 미러(274) 사이에 위치될 수 있다. 선택적으로, 광학 요소(264)는 이미징 시스템(230) 내의 어디에나 위치될 수 있다. 사용 중에, 광학 요소(264)는 오토포커스 모드 스크램블링된 신호(288)를 형성하기 위해 오토포커스 신호(272)를 모드 스크램블링된 신호(260)와 결합하도록 구성될 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 적어도 하나의 빔 스플리터(280)는 오토포커스 모드 스크램블링된 신호(288)의 적어도 일부를 적어도 하나의 포커싱/대물렌즈 시스템(290)으로 지향시키고, 그로 인해 적어도 하나의 샘플 광학 신호(284)를 형성하는 데 사용될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 포커싱/대물렌즈 시스템(290)은 오토포커스 모드 스크램블링된 신호(288)를 기판 또는 표본(specimen, 296) 상에 포커싱하도록 구성된 제1 반사체(292) 및 적어도 제2 반사체(294)를 포함한다.
추가로, 빔 스플리터(280)는 샘플 광학 신호(284)의 적어도 일부를 적어도 하나의 카메라, 센서, 또는 유사한 디바이스(282)로 지향시키도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 미러(286)는 샘플 광학 신호(284)를 카메라(282)로 지향시키는 데 사용될 수 있다. 이전 실시예와 같이, 이미징 시스템(230)은 이미징 시스템(230)에 사용되는 적어도 하나의 구성 요소 또는 요소와 통신하는 하나 이상의 제어기 또는 프로세서(300)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제어기(300)는 카메라(282)와 통신한다. 선택적으로, 제어기(300)는 광원 시스템(232), 모드 스크램블링 시스템(250), 오토포커스 모듈(270), 제1 갈보/스캐닝 미러(274), 제2 갈보/스캐닝 미러(270), 포커싱/대물렌즈 시스템(290), 및/또는 사용자가 이미징 시스템(230)의 성능을 선택적으로 모니터링하고 제어하는 것을 허가하는 카메라(282)와 통신할 수 있다. 또한, 제어기(300)는 하나 이상의 외부 네트워크(미도시)와 통신할 수 있다.
도 8은 다시 적어도 하나의 포커싱/대물렌즈 시스템(290)을 포함하는 이미징 시스템의 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 도 5에 도시된 포커싱/대물렌즈 시스템(140)과 유사하게, 포커싱/대물렌즈 시스템(290)은 제1 반사체(292) 및 적어도 제2 반사체(294)를 활용하여, 오토포커스 모드 스크램블링된 신호(288)를 샘플, 기판 및/또는 표본(296) 상에 포커싱한다. 대조적으로, 도 10은 도 5 및 8에 각각 도시된 이미징 시스템(100, 230)과 사용하도록 구성된 포커싱/대물렌즈 시스템(350)의 대안적인 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 포커싱/대물렌즈 시스템(350)은 도 5 및 8에 도시된 포커싱/대물렌즈 시스템(140, 290)에 도시된 반사 요소에 더하여, 하나 이상의 굴절 광학 디바이스 또는 요소를 포함한다. 따라서, 본원에 개시된 이미징 시스템은 하나 이상의 반사 굴절 포커싱/대물렌즈 시스템을 이용하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 도 10에 도시된 포커싱/대물렌즈 시스템(350)은, 제1 굴절 광학기(refractive optic, 352), 제2 굴절 광학기(354) 및 제3 굴절 광학기(356)를 포함한다. 통상의 기술자는 임의의 수의 반사 또는 굴절 광학기가 포커싱/대물렌즈 시스템(350)에 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 오토포커스 모드 스크램블링된 신호(288)는 제1 굴절 광학기(352), 제2 굴절 광학기(354) 및 제3 굴절 광학기(356)를 통과하고, 제1 반사체(358) 상에 입사된다. 제1 반사체(358)는 오토포커스 모드 스크램블링된 신호(288)를 제2 반사체(360)로 지향시키고, 이는 오토포커스 모드 스크램블링된 신호(288)를 표본 또는 샘플(362)로 지향시킨다. 통상의 기술자는 임의의 수의 반사 또는 굴절 광학기 요소가 포커싱/대물렌즈 시스템(350)에서 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 추가로, 스톱, 격자, 조리개, 필터, 센서 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 다양한 추가적인 광학 요소가 포커싱/대물렌즈 시스템(350)에 포함될 수 있다.
도 11a-13c는 공간적 간섭성 광원, 공간적 비간섭성 광원, 및 위에서 설명된 실시예를 사용하여 생성된 부분적 공간적 간섭성 광을 사용한, 도 8에 도시된 이미징 시스템의 성능의 다양한 표현을 도시한다. 도 11a 및 12a는 공간적 간섭성 조명을 사용한 도 8에 도시된 이미징 시스템의 광학 전달 함수 응답을 도시한다. 더욱 구체적으로, 도 11a 및 12a는 외부 링의 반경이 컷오프 주파수의 절반 또는 0.5의 정규화된 반경에 대응하고, 컷오프-분해 스팟(cutoff-resolved spot)에 걸쳐 SNR=50에서 0.47 비트를 생성하는, 양의 공간 주파수에 대한 2D 응답의 크기 및 대응하는 단면을 도시한다. 대조적으로, 도 11b 및 12b는 컷오프-분해 스팟에 걸쳐 SNR=50에서 1.38비트를 생성하는 비간섭성 조명을 사용하는, 도 8에 도시된 이미징 시스템의 대응하는 응답을 도시한다. 도시된 바와 같이, 비간섭성 조명을 통해 분해된 스팟의 강도 측정에 객관적으로 더 많은 정보가 있다. 하지만, 다수의 광학 설계자는 절반의 컷오프에서 상대적으로 낮은 변조 전달 함수(약 17%)에 기인하여, 그의 응답이 간섭성 조명에 대한 응답보다 질이 낮다는 것을 고려할 것이다. 도 11c 및 12c는 위에서 설명되고 도 8 및 9에 도시된 모드 스크램블링 시스템(250)을 사용하여 생성된 최적화된 부분적 공간적 간섭성 광에 대한 대응하는 광학 전달 함수 특성을 도시한다.
도 13a-13c는 도 8에 도시된 이미징 시스템의 객체 평면에 위치된 USAF 타겟의 0.2㎛ 높이 섹션의 다양한 이미지를 도시한다. 도 13a는 간섭성 조명, 비간섭성 조명, 및 위에서 설명되고 도 8 및 9에 도시된 모드 스크램블링 시스템을 사용하여 생성된 부분적 공간적 간섭성 광을 사용하는 이미지를 도시한다. 도 13a는 공간적 간섭성 광으로 조명될 때의 타겟의 이미지를 도시한다. 도시된 바와 같이, 변조 전달 함수가 (상당히 높은 콘트라스트로 도시된 바와 같이) 1에 가깝지만, 타겟의 피처의 과도한 필터링은 인식되는 것을 넘어서 왜곡된다. 또한, 도 13b에 도시된 바와 같이, 비간섭성 광으로 조명된 타겟의 분해능은 간섭성 광으로 조명된 타겟의 분해능보다 더 높다(도 13a 참조). 하지만, 도 13c에서 명백한 바와 같이, 부분적 공간적 간섭성 광을 활용하는 타겟 이미지의 전체 콘트라스트는, 설계가 도 8에 도시된 이미징 시스템에서와 같이 회절-제한될 때에도, 간섭성 및 비간섭성 광을 사용하는 타겟 이미지보다(도 13a 및 도 13b 참조) 훨씬 더 우수하다.
도 14a-14c는 도 8에 도시된 이미징 시스템에 대응하는 이미지 높이 0.5mm의 회전당 40쌍의 스포크 타겟의 다양한 이미지를 도시한다. 스포크 타겟은 다양한(a range of) 방향 및 공간 주파수에 대한 콘트라스트를 정량화하는 데 자주 사용된다. 스포크 타겟 이미지에서 주어진 반경을 따른 콘트라스트는 원주당 40 사이클(밀리미터 단위로 반지름의 2pi 배)에 대응하는 공간 주파수에서 변조 전달 함수의 측정에 직접적으로 대응한다. 도 14a는 공간적 간섭성 광으로 조명될 때 스포크 타겟의 이미지를 도시한다. 도시된 바와 같이, 콘트라스트는 보통 "컷오프" 공간 주파수로 간주되는 것의 절반에 대응하는 최소 반경에서 갑자기 사라진다. 대조적으로, 도 14b는 공간적 비간섭성 조명을 통한 대응하는 스포크 타겟 이미지를 도시한다. 도 14c는 부분적 공간적 간섭성 조명을 통한 대응하는 스포크 타겟 이미지를 도시한다. 명백한 바와 같이, 부분적 공간적 간섭성 조명을 활용한 스포크 타겟 이미지의 전체적인 콘트라스트는 설계가 도 8에 도시된 이미징 시스템에서와 같이 회절-제한될 때에도, 간섭성 및 비간섭성 광을 사용한 타겟 이미지보다(도 14a 및 14b 참조) 훨씬 더 우수하다.
통상의 기술자는 본 발명이 본원의 위에서 특별히 도시되고 설명된 것에 의해 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 본원의 위에서 설명된 다양한 피처의 조합 및 하위-조합뿐만 아니라, 위의 설명을 읽을 때 통상의 기술자에게 일어날 수 있고 종래 기술에는 없는 변형 및 수정을 모두 포함한다.

Claims (17)

  1. 이미징 시스템에 부분적 공간적 간섭성 광(partially spatially coherent light)을 출력하기 위한 시스템으로서,
    적어도 하나의 공간적 간섭성 광원 출력 신호를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 공간적 간섭성 광원;
    적어도 하나의 광학 디바이스 본체를 갖는 적어도 하나의 광학 디바이스;
    상기 적어도 하나의 광학 디바이스 본체 상에 형성되고, 적어도 하나의 간섭성 반사 신호를 형성하기 위해 상기 적어도 하나의 공간적 간섭성 광원 출력 신호의 적어도 일부를 반사하도록 구성된 제1 디바이스 표면;
    상기 적어도 하나의 광학 디바이스 본체 상에 형성된 적어도 제2 디바이스 표면 - 상기 적어도 하나의 제2 디바이스 표면은 상기 제2 디바이스 표면 위에 형성된 하나 이상의 표면 요철(surface irregularities)을 갖고, 상기 하나 이상의 표면 요철은 적어도 하나의 공간적 비간섭성 신호를 생성하기 위해 상기 광학 디바이스 본체를 통해 송신된 상기 적어도 하나의 공간적 간섭성 광원 출력 신호의 적어도 일부를 확산시키도록 구성됨 - ;
    상기 적어도 제2 디바이스 표면에 도포되고, 상기 광학 디바이스 본체 상에 형성된 상기 제1 디바이스 표면을 통해 상기 적어도 제2 디바이스 표면으로부터 상기 적어도 하나의 공간적 비간섭성 신호를 반사시키도록 구성되는 적어도 하나의 반사 코팅을 포함하고; 상기 적어도 하나의 간섭성 반사 신호 및 상기 적어도 하나의 공간적 비간섭성 신호의 조합은 적어도 하나의 부분적 공간적 간섭성 광 신호를 형성하기 위한 것인, 이미징 시스템에 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광학 디바이스 본체는 실리카-기반 유리로 제조되는, 이미징 시스템에 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광학 디바이스 본체는 광학 결정, 복합 재료 및 세라믹 재료로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 제조되는, 이미징 시스템에 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 디바이스 표면에 도포된 적어도 하나의 광학 코팅을 더 포함하는, 이미징 시스템에 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 제2 디바이스 표면에 도포된 적어도 하나의 광학 코팅을 더 포함하는, 이미징 시스템에 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 제2 디바이스 표면에서 상기 제1 디바이스 표면 중 적어도 하나에 도포된 적어도 하나의 광학 코팅을 더 포함하는, 이미징 시스템에 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 광학 요소는 광학 축을 중심으로 선택적으로 회전되도록 구성되는, 이미징 시스템에 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한, 상기 시스템과 광 통신하는 적어도 하나의 이미징 시스템을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 이미징 시스템은 반사 대물렌즈 시스템(catoptric objective system)을 포함하는, 이미징 시스템에 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한, 상기 시스템과 광 통신하는 적어도 하나의 이미징 시스템을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 이미징 시스템은 반사 대물렌즈 시스템을 포함하는, 이미징 시스템에 부분적 공간적 간섭성 광을 출력하기 위한 시스템.
  10. 부분적 공간적 간섭성 광을 사용하는 이미징 시스템으로서,
    적어도 하나의 공간적 간섭성 광원 출력 신호를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 공간적 간섭성 광원;
    상기 적어도 하나의 공간적 간섭성 광원 출력 신호를 수신하고, 적어도 하나의 부분적 공간적 간섭성 광 신호를 송신하도록 구성된 적어도 하나의 부분적 공간적 간섭성 광 시스템; 및
    상기 적어도 하나의 부분적 공간적 간섭성 광 시스템과 광 통신하는 적어도 하나의 반사 포커싱/대물렌즈 시스템(catoptric focusing/objective system)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 반사 포커싱/대물렌즈 시스템은 상기 적어도 하나의 부분적 공간적 간섭성 광 신호를 기판 상의 적어도 하나의 초점으로 포커싱하도록 구성되는, 부분적 공간적 간섭성 광을 사용하는 이미징 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공간적 간섭성 광원 및 상기 적어도 하나의 부분적 공간적 간섭성 광 시스템과 통신하는 적어도 하나의 광섬유를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 광섬유는 상기 적어도 하나의 공간적 간섭성 광원 출력 신호를 상기 적어도 하나의 부분적 공간적 간섭성 광 시스템에 송신하도록 구성되는, 부분적 공간적 간섭성 광을 사용하는 이미징 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광섬유는 단일 모드 섬유를 포함하는, 부분적 공간적 간섭성 광을 사용하는 이미징 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광섬유는 다중-모드 섬유를 포함하는, 부분적 공간적 간섭성 광을 사용하는 이미징 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 부분적 공간적 간섭성 광 시스템은 제1 표면 및 적어도 제2 표면을 갖는 적어도 하나의 광학 디바이스 본체를 포함하고, 상기 제2 표면은 상기 제2 표면 위에 형성된 적어도 하나의 표면 요철 및 상기 제2 표면에 도포된 적어도 하나의 광학 코팅을 갖는, 부분적 공간적 간섭성 광을 사용하는 이미징 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 적어도 하나의 광학 디바이스 본체는 적어도 하나의 광학 축을 중심으로 회전되도록 구성되는, 부분적 공간적 간섭성 광을 사용하는 이미징 시스템.
  16. 제10항에 있어서, 상기 부분적 공간적 간섭성 광 시스템은 상기 부분적 공간적 간섭성 광 시스템 안에 형성된 제1 모드 스크램블링 본체(first mode scrambling body) 및 적어도 제2 모드 스크램블링 본체를 갖는 적어도 하나의 모드 스크램블링 시스템을 포함하는, 부분적 공간적 간섭성 광을 사용하는 이미징 시스템.
  17. 제10항에 있어서, 적어도 하나의 오토포커스 신호(autofocus signal)를 송신하도록 구성된 적어도 하나의 오토포커스 모듈을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 오토포커스 신호는 상기 적어도 하나의 부분적 공간적 간섭성 광 신호와 함께 정렬되는, 부분적 공간적 간섭성 광을 사용하는 이미징 시스템.
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