TWI576611B - 光束成形模組及用於該光束成形模組的控制系統 - Google Patents

光束成形模組及用於該光束成形模組的控制系統 Download PDF

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Description

光束成形模組及用於該光束成形模組的控制系統
本發明係關於用於成形同調光束之技術。更具體而言，本發明提供可校正光束成形系統及用於校正該可校正光束成形系統之方法，且本發明目的在於以高精度成形具有短波長之光束的強度分佈及波前。
在此技術中存在各種光束成形技術，該等光束成形技術用於成形不同波長範圍之光束(諸如雷射光束)之輪廓。基於折射光束成形部件及/或繞射光束成形部件的技術利用雙/多元件同調光束成形器，該成形器包括操作同調光束之強度分佈及相位的兩個光學元件。
在(例如)Kreuzer等人之美國專利第3,476,463號中描述折射光束成形技術之原理。根據此技術，同調光之輸入光束之射線經再分佈以產生不同預定強度分佈之輸出光束。射線之光徑長度在輸入光束之等相位面與具有預定強度分佈之輸出光束之期望等相位面之間維持恆定。使用至少兩個有效表面，該等表面通常為非球面。對於雙元件系統給出 設計方程式，該雙元件系統將高斯分佈之準直輸入光束轉換成為均勻分佈之準直輸出光束。
本文中稱為衰減光束成形技術之其他技術利用濾光器來不同地衰減待成形之光束之光線，且從而實現光束成形。通常，在此等光束成形技術中，一或更多個特別設計之空間不均勻自然密度(natural-density；ND)濾光器用來衰減且成形光束之強度分佈(亦即，光之一維側向強度輪廓或二維側向強度輪廓)。根據入射光束之側向強度分佈及在輸出端中待獲得之期望側向強度分佈設計過濾性質在濾波器中之空間分佈。
第1圖示意性圖示在此技術領域中所熟知的通常用於深紫外光之光束成形之衰減光束成形系統的操作。此系統利用特別設計之ND濾波器ND連同適當的光束阻斷器BB(例如孔徑)元件。ND濾波器及阻斷器設計用於對具有高斯側向強度分佈之入射光束之強度產生不均勻衰減，以形成在輸出光束之寬度上具有平坦(頂帽)強度分佈之輸出光束。在此，自然密度濾光器經設計以對靠近光束中心之光強度提供較高衰減(較低透射率)且對接近光束邊緣之光強度提供較高透射率(邊緣本身藉由機械孔徑定限)。
在此技術領域需要一種新穎光束成形技術，該技術能夠以高精度及最小損耗成形同調光束之強度分佈及波前。具體而言，在此技術領域中需要一種光束成形技術，該技術適合於與短波長之光一起使用，諸如在紫外線(UV)範圍及深 UV範圍中，且該技術可經校正以在可變條件(例如，變化的溫度、光束寬度等)下精確地操作。
折射光束成形技術及繞射光束成形技術通常是極為有效的，該等光束成形技術能夠在不顯著減少光束之總體強度的情況下成形光束(例如提供大約75%至95%的透射率)。該等技術利用兩個光學模組/元件之光學配置，第一個光學模組為影響光束之強度輪廓的強度再分佈模組且第二個光學模組為影響光束之波前的相位修正模組。光學模組可為折射模組及/或繞射模組。為清晰起見，折射光束成形技術及繞射光束成形技術兩者在本文皆稱為強度及相位光束成形。
然而，強度及相位光束成形技術大體對光學元件與光學軸之精確對準極為敏感，該光學軸藉由入射光束輪廓之對稱軸界定。因此，此等技術對在光束成形設備之操作條件中的變更及/或光源中的變更敏感。此等變更可導致在光學元件本身之間及/或在光學元件與光束之間的幾何失配，且可因此顯著影響輸出光束之形狀及波前誤差。
綜上所述，在很多情況下，基於衰減之技術用來尤其在要求準確及強健的光束成形結果之情況中成形光束。然而，如自第1圖可見，衰減光束成形技術通常與低能量效率相關聯。此等技術之典型能量效率取決於入射光束之強度輪廓/分佈及在輸出光束中待獲得之期望強度輪廓為大約50%且甚至更低。
具有低能量效率之光束成形大體是不期望的，因為具有低能量效率之光束成形增加用於產生期望輸出光束之裝 置的能量消耗及熱產生。此外，使用低能量效率光束成形減弱系統傳遞給裝置之訊號。舉例而言，對於在UV狀態下操作的掃描系統，系統之訊雜比(Signal to Noise Ratio；SNR)與系統之光學透射率有關且因此使用衰減光束成形裝置導致掃描之SNR降低。
本發明提供一種新穎光束成形技術及用於校正該新穎光束成形技術的方法。本發明之系統及方法可用於以高精度及高能量效率(例如，大約75%及高達95%，且甚至更高)成形同調光束。另外，與習知強度及相位光束成形技術相比較，本發明之技術改進成形光束之準確度及精確度，因此使本發明之光束成形能夠用於高度精確應用及/或短波長範圍中。此藉由提供可校正強度及相位光束成形器系統及用於校正該可校正強度及相位光束成形器系統的方法而實現。強度及相位光束成形器系統可基於折射光學元件及/或繞射光學元件。
本發明之技術基於以下理解：在成形光束之強度及相位中的顯著誤差起因於光束成形系統之光學元件/模組相對於光束之小的側向不對準。
強度及相位光束成形系統包括至少兩個光學模組，該至少兩個光學模組為強度再分佈模組及相位修正器模組，該等光學模組應相對於光學路徑而精確定位(例如與光學路徑橫向對準)。根據習知方法校正此系統基於在彼等至少兩個光學元件/模組之位置的多重組合上搜尋/掃描，其中與兩個光學模組之側向位置相關聯之至少兩個(或更多)自由度 (DOF/參數)跨越解空間。此要求冗長的校正程式，該校正程式常常導致不良準確度。
本發明藉由提供可校正光束成形系統及校正方法來解決此問題，根據該校正方法可獨立且單獨地調整光束成形系統之光學模組之操作參數(DOF)。舉例而言，單獨且獨立地調整操作參數中之每一操作參數，該等參數包括強度再分佈光學模組及相位修正器光學模組中之每一光學模組之位置/側向對準以及此光束成形系統之光束放大器光學模組之放大率(放縮)及/或準直參數。分開校正變數/參數允許更快的校正程式，因為獨立校正每一參數，因此消除了對在該等DOF之各種組合上搜尋/掃描的需要(掃描藉由多個可校正參數跨越之解的空間)。反之，根據本發明，分別校正每一光學模組之一或更多個DOF，因此允許更快的校正光束成形系統及更好的校正準確度。
因此，本發明利用一或更多個第一光學模組/元件(為強度再分佈光學模組)及一或更多個第二光學模組/元件(為相位修正器光學模組)，兩者皆沿著光學路徑安裝用於成形光束。第一光學元件及第二光學元件安裝在單獨的對準模組(例如，小型平臺)上，因此允許該等光學元件相對於待成形之光束獨立的對準。本發明亦提供一種校正技術(系統及方法)，該校正技術(系統及方法)使得在第一光學模組與第二光學模組之間的精確對準成為可能。順序地執行光學模組之校正(例如對準)，以使得視需要首先校正入射光束之寬度，隨後調整第一光學模組之對準且最終調整第二光 學模組之對準。
術語對準在本文可指示光學元件/模組之位置及/或定向(亦即，相對於多達6個自由度；多達三個相關位置及三個相關定向的自由度)。然而，本發明之發明人已注意到，強度及相位光束成形系統之光學強度再分佈模組及相位修正器模組之側向對準對此光束成形系統之效能具有顯著影響。因此，在如下所述之本發明之一些實施例中，特別尋求校正該等光學模組之側向對準。為此，術語側向(一或更多個側向方向)應視為再成形光束強度之一或更多個方向(亦即，與光束傳播通過系統之光學路徑/軸垂直之方向)。因此，本發明提供強度再分佈光學模組及相位修正器光學模組相對於光束通過光束成形器之光學路徑的側向對準(例如，使位置居中)。
與諸如基於衰減之光束成形器的其他光束成形技術相比較，本發明之技術提供改進之能量效率，該改進之能量效率係與光束成形系統的改進之光學透射率相關聯。因此，本發明之光束成形系統可有利地與掃描系統合併以改進掃描系統之光學透射率且藉此改進掃描器之訊雜比(SNR)。
系統可例如經配置以對具有高斯能量分佈之DUV雷射光束之輸入操作、藉由光束放大器放大光束及沿一個方向成形光束以形成平坦的(頂帽)強度輪廓。舉例而言，本發明之光束成形系統可經整合進入基於飛點之光學顯微鏡，該光學顯微鏡於物面上產生條紋線，該條紋線藉由光學偵測器/光收集模組而成像。此光學顯微鏡之訊號為藉由光源產生 之功率及通過光學路徑之光學透射率的乘積，且因此藉由在此光學顯微鏡中整合本發明之光束成形系統可實質上改進光學顯微鏡之訊號。在此等顯微鏡之一些類型(亦即，稱為「射雜訊受限」)中，雜訊與訊號之平方根成比例，因此當改進光學透射率時，SNR增加。
根據本發明之廣泛態樣，提供一種光束成形模組，該光束成形模組包括第一光學模組及第二光學模組且對入射在該等光學模組上的光順序地應用光束成形，該等光學模組以距離隔開的關安置在光傳播通過光束成形模組之光學路徑中。第一光學模組及第二光學模組分別耦接第一對準模組及第二對準模組，該等對準模組適合攜帶第一光學模組及第二光學模組。第一對準模組及第二對準模組中之每一對準模組經配置且可操作用於相對於光學路徑側向定位由該等對準模組攜帶之各個光學模組。光束成形模組亦包括校正模組，該校正模組可連接至第一對準模組及第二對準模組且經配置且可操作以順序地校正第一光學模組及第二光學模組之各個側向位置，且相對於光學路徑對準該等光學模組之各個側向位置，且使給定的預定波前及側向強度分佈之入射光束能夠成形，以因此形成具有期望波前及期望側向強度分佈之輸出光束。
根據本發明之一些實施例，第一光學模組在與光學路徑側向對準時在沿著第一光學模組下游之光學路徑的某一光學距離處自入射光束形成中間光束，該中間光束具有期望側向強度分佈及某些中間波前。第二光學模組在與光學路徑 側向對準時自中間光束形成具有該期望波前及該期望側向強度分佈的輸出光束。
為此，校正模組可適合順序地執行下列各者：i.決定第一光學模組相對於沿著光學路徑朝向第一模組傳播之入射光束的不對準；ii.操作第一對準模組以對準第一光學模組相對於入射光束之側向位置，藉此在中間光束中形成期望側向強度分佈；iii.決定第二光學模組相對於沿著光學路徑朝向第二光學模組傳播之中間光束的不對準；及iv.操作第二對準模組以對準第二光學模組相對於中間光束之側向位置，以藉此在輸出光束中形成期望波前及期望側向強度分佈。
根據一些實施例，校正模組可操作用於重複i及ii直至在i中決定第一光學模組之對準位置且重複iii及iv直至在iii中決定第二光學模組之對準位置。
校正模組可包括成像器及至少一個光學路由組件，該至少一個光學路由組件經配置且可操作用於與中間光束及輸出光束中之至少一個光束可控制地互動以將至少一部分光，束引導至成像器。校正模組亦可包括校正控制器，該校正控制器可連接至至少一個光學路由組件及可連接至成像器，且經配置以執行以下各者：- 在上文操作i中：操作至少一個光學路由組件以自成像器獲得第一圖像資料，該第一圖像資料指示中間光束在第一光學模組下游之某一光學距離處的強度分佈，及處理第一圖像資 料以決定資料，該資料指示第一光學模組相對於至少一個側向軸及/或相對於光束之不對準；- 在上文操作iii中：操作至少一個光學路由組件以自該成像器獲得第二圖像資料，該第二圖像資料指示該輸出光束在相對於第二光學模組之中場及遠場中之一者處的強度分佈，及處理第二圖像資料以決定資料，該資料指示第二光學模組相對於至少一個側向軸及/或相對於光束之不對準。
在本發明之一些實施例中，處理第一圖像資料及第二圖像資料中之每一圖像之步驟包括以下步驟：決定圖像中之感興趣區(region of interest；ROI)；及決定不對稱參數值，該不對稱參數值指示ROI中之強度輪廓相對於至少一個側向軸之不對稱。
根據本發明之一些實施例，光束成形模組經配置且可操作用於以預定側向強度分佈成形入射光束，該預定側向強度分佈相對於至少一個側向軸為實質上高斯分佈，且以形成期望強度分佈之輸出光束，該期望強度分佈相對於彼某一側向軸為實質上頂帽強度分佈。為此，光束成形相對於兩個側向軸可為不同的，且在此情況下，該等第一光學模組及第二光學模組中之至少一個光學模組可為非球面光學元件。
在一些實施例中，光束成形模組經配置且可操作用於對波長在UV至DUV波長範圍內之輸入光束操作。校正模組可適合校正第一光學模組及第二光學模組中之至少一個光學模組的對準位置，且精確度高達數十微米。
根據本發明之一些實施例，光束成形模組亦包括光 束放大器，該光束放大器具有可調整放大比率。光束放大器可沿著入射光束在第一光學模組上游之光學路徑而定位。校正模組可經配置且可操作用於藉由控制光束放大器之放大比率將入射光束之寬度校正至預定尺寸，且因此改進成形入射光束之準確度。為此，光束成形模組可包括光學路由組件，該光學路由組件適合將與光束放大器互動之光可控制地引導至成像器。校正模組可包括校正控制器，該校正控制器可連接至成像器用於自成像器接收圖像資料且產生用於控制放大比率之操作指令，該圖像資料指示入射光束之寬度。舉例而言，校正模組可經配置且可操作以在順序校正第一光學模組及第二光學模組之位置之前校正入射光束之寬度。
根據本發明之另一廣泛態樣，提供另一種光束成形模組，該光束成形模組包括第一光學模組及第二光學模組且對入射在該等光學模組上的光順序地應用光束成形，該等光學模組以距離隔開的關安置在光傳播通過光束成形模組之光學路徑中。光束成形模組亦包括校正模組，該校正模組包括：- 成像器；- 至少一個光學路由組件，該至少一個光學路由組件經配置且可操作用於與傳播通過光學路徑之光可控制地互動以引導至少一部分光至成像器；及- 校正控制器，該校正控制器可連接至分別與第一光學模組及第二光學模組相關聯之第一對準模組及第二對準模組，且可操作用於藉由執行關於上文操作(i)及操作(iii)所指示之校正操作來順序地校正第一光學模組及第二光學模組相對於沿 光學路徑傳播之光束的各個側向位置。
具體而言，校正控制器可執行以下各者：操作光學路由組件以自成像器獲得第一圖像資料，該第一圖像資料指示中間光束在第一光學模組下游之某一光學距離處的強度分佈，及處理第一圖像資料以決定指示第一光學模組之不對準的資料，且操作該第一對準模組以相對於光束對準第一光學模組；操作光學路由組件以自成像器獲得第二圖像資料，該第二圖像資料指示光束在相對於第二光學模組之中場及遠場之一者中的強度分佈，處理第二圖像資料以決定指示第二光學模組之不對準的資料，及操作第二對準模組以相對於光束對準第二光學模組。具有期望波前及期望側向強度分佈之輸出光束藉由相應地對準第一光學模組及第二光學模組而形成。
根據本發明之又一廣泛態樣，提供一種控制系統，該控制系統用於校正通過光束成形模組之入射光束的強度及相位，該光束成形模組具有與入射光束順序互動的第一光學模組及第二光學模組。控制系統包括校正控制器，該校正控制器經配置且可操作用於控制第一光學模組及第二光學模組中之每一光學模組與光學路徑的側向對準，以因此使給定預定波前及側向強度分佈之同調入射光束能夠成形而形成具有期望波前及期望側向強度分佈之輸出光束。
根據一些實施例，校正控制器經配置且可操作以順序地執行以下各者：i.監視藉由入射光束與第一光學模組互動形成之中間光束 之強度分佈，決定指示第一光學模組之側向不對準的資料，及操作第一側向對準模組以對準第一光學模組用於形成中間光束在某一光學表面處的期望強度分佈；及ii.對應於輸出光束之波前結構監視輸出光束在相對於第二光學模組之中場及遠場之至少一者中的強度分佈，及因此決定指示第二光學模組之側向不對準的資料，及操作該第二側向對準模組以對準該第二光學模組來形成具有期望強度分佈及波前的輸出光束。
在一些情況中，決定第一光學模組及第二光學模組中之至少一個光學模組的側向不對準之步驟包含以下步驟：處理對應強度分佈以決定指示側向不對準之不對稱參數值，該對應強度分佈分別與中間光束及輸出光束之一者相關聯。
根據本發明之又一態樣，提供一種用於校正光束成形模組的方法，該光束成形模組包括順序地與光束互動以成形光束之強度輪廓及波前的第一光學模組及第二光學模組。方法包括順序地執行以下步驟：i.藉由下列各者校正第一光學模組之側向位置：在光束與第一光學模組互動之後使光束成像以捕獲第一圖像資料，該第一圖像資料指示光束在第一光學模組下游之某一光學距離處的第一強度分佈，及利用第一強度分佈決定第一光學模組之側向對準位置；及ii.藉由以下各者校正第二光學模組之側向位置：在光束與其中第一光學模組處於側向對準之位置時的第一光學模組及第二光學模組互動之後使光束成像以藉此捕獲第二圖像資料，該第二圖像資料指示光束在第二光學模組下 游之某一位置處的第二強度分佈。隨後利用第二強度分佈決定第二光學模組之側向對準位置。
因此，該方法允許校正光束成形模組用於成形預定側向強度分佈之同調入射光束而形成具有不同側向強度分佈之輸出光束。
根據此方法之以下實施例，在上文操作(i)中，捕獲該第一圖像資料之某一光學距離實質上等於在第一光學模組與第二光學模組之間的光學長度。同樣在上文操作(ii)中，捕獲第二圖像資料之某一位置處於相對於第二光學模組之中場/遠場中。
此外，決定第一光學模組及第二光學模組中之至少一個特定光學模組之側向對準位置之步驟可包括以下步驟：處理第一強度分佈及第二強度分佈之對應特定強度分佈以決定在特定強度分佈中之不對稱參數值，該不對稱參數值指示在特定光學模組處的側向不對準。
200‧‧‧方法
210‧‧‧步驟
220‧‧‧步驟
230‧‧‧步驟
240‧‧‧步驟
300‧‧‧光束成形設備
301‧‧‧光束成形系統
302‧‧‧光束放大器
302R‧‧‧光學路由組件
303‧‧‧光學模組
303A‧‧‧對準模組
303R‧‧‧光學路由組件
304‧‧‧光學模組
304A‧‧‧對準模組
304R‧‧‧光學路由組件
305‧‧‧校正系統
306‧‧‧成像組件
308‧‧‧校正控制器
308M‧‧‧記憶體/儲存模組
308P‧‧‧處理器
400‧‧‧光束成形設備
401‧‧‧光束成型器/光束成形系統/模組/光學元件
402‧‧‧光束放大器
403‧‧‧光學元件
404‧‧‧光學元件
405‧‧‧校正系統/模組
406‧‧‧成像器
408‧‧‧控制器
415‧‧‧光束放大組件
500‧‧‧流程圖/方法
510‧‧‧步驟
520‧‧‧步驟
530‧‧‧步驟
FG1‧‧‧圖
FG2‧‧‧圖
FG3‧‧‧圖
G0‧‧‧圖
G1‧‧‧圖
G2‧‧‧圖
G3‧‧‧圖
G4‧‧‧圖
G5‧‧‧圖
MG1‧‧‧圖
MG2‧‧‧圖
PG1‧‧‧圖
PG2‧‧‧圖
PG3‧‧‧圖
PG4‧‧‧圖
SG1‧‧‧圖
SG2‧‧‧圖
SG3‧‧‧圖
OX‧‧‧光學路徑
為理解本發明且瞭解在實踐中可如何執行本發明，現在將僅經由非限制實例、參閱隨附圖式描述實施例，其中：
第1圖為在此技術領域中熟知的通常用於深紫外光之光束成形之衰減光束成形系統的示意性圖解。
第2圖為圖示根據本發明用於成形光束之強度分佈及波前的方法200的方塊圖。
第3A圖為示意性圖示光束成形設備300之方塊圖，該光束成形設備300根據本發明經配置且可操作且包括 光束成形系統301及校正系統305。
第3B圖及第3C圖圖示第3A圖中圖示之光束成形系統301之強度再分佈光學模組(303)及相位修正器光學模組(304)之光學操作。
第3D圖至第3F圖圖示強度再分佈光學模組及相位修正器光學模組之光學操作，該等光學模組利用繞射光學元件而實施。
第4圖為示意性圖示本發明之光束成形設備400之方塊圖，該光束成形設備400經配置且可操作用於成形具有高斯強度分佈之平面輸入光束，以形成在一側向軸具有頂帽強度輪廓且在第二側向軸具有高斯強度輪廓的平面輸出光束。
第5A圖為根據本發明用於校正本發明之光束成形系統之校正方法的流程圖500。
第5B圖至第5H圖以圖解形式且示意性地圖示第5A圖之方法500之方法步驟510、方法步驟520及方法步驟530的操作。
第6圖示意性圖示在使用第5A圖之校正方法500之後第4圖之系統400之操作。
第7圖圖示光束平滑模組之操作，該光束平滑模組包括在第6圖之光束成形系統中。
參考第2圖，第2圖圖示根據本發明用於成形光束之強度分佈及波前之方法200的方塊圖。方法200根據強度 及相位光束成形技術可操作，因此以光強度中之低能量損耗提供高透射率效率。方法200尤其適合於用在光束成形模組中，該等光束成形模組適合成形同調光束及通常實質上準直光束之強度分佈。此外，該方法可用於成形例如在UV狀態及深UV狀態中之短波長的光束。如下所述，此係藉由提供用於精確校正光束成形光學組件相對於光束之光學路徑之位置的技術來實現。方法200包括以下步驟：
(210)提供光束成形系統，該光束成形系統包括沿著光學路徑佈置之強度再分佈光學模組及相位修正器光學模組且視需要亦包括定位在強度再分佈光學模組及相位修正器光學模組上游的光束放大器模組。強度再分佈光學模組經配置用於與具有某一預定強度輪廓(亦即，強度分佈)之入射光束互動且用於影響該入射光束之傳播以在某一光學表面形成具有某一期望強度輪廓之中間光束，該光學表面定位在沿著強度再分佈光學模組下游之中間光束之光學路徑的某一距離處。相位修正器光學模組定位在強度再分佈光學模組下游之約彼某一距離處(例如，在彼某一光學表面處)且經配置用於影響具有某一預定波前之中間光束之相位以形成具有某一期望波前之輸出光束。可選光束放大器模組係適合與強度再分佈光學模組上游之入射光束互動且使得入射光束之寬度的調整成為可能，以獲得入射光束之預定強度輪廓。
(220)安裝強度再分佈光學模組及相位修正器光學模組中之每一光學模組用於相對於光學路徑之可調整側向運動。在與一維光束成形及/或二維光束成形相關聯之本發明之 各種實施例中，光學模組之側向位置可相對於與光學路徑垂直之一個側向軸或兩個側向軸而可調整。
(230)提供校正模組，該校正模組經配置用於決定強度再分佈光學模組及相位修正器光學模組之期望側向對準，及視需要亦決定光束放大器之期望光束放大(縮放)。為對準強度再分佈光學模組，校正模組經配置用於在中間光束與強度再分佈光學模組互動之後及在中間光束與相位修正器光學模組互動之前與中間光束可控制的互動。校正模組適合用於量測受強度再分佈光學模組影響之光束之強度輪廓，且因此決定在強度再分佈光學模組與入射光束之間的期望側向對準，用於獲得輸出光束之某一期望強度輪廓。具體而言，在本發明之一些實施例中，強度輪廓之一或更多個對稱參數/不對稱參數在此階段經量測及/或處理以提供對強度再分佈光學模組之側向對準(例如，對準/不對準之程度)的指示。為對準相位修正器光學模組，校正模組經配置用於在輸出光束與相位修正器光學模組互動之後與輸出光束可控制的互動。校正模組適合用於量測光束在中場及/或遠場之強度輪廓(亦即，菲涅爾狀態)。在此區域(中場)及/或在遠場狀態，波前誤差轉換成為光束輪廓之強度的不對稱(例如，由於形成於在自由空間傳播之頂帽輪廓邊緣上的中場的快速繞射效應及/或影響遠場圖案的繞射效應)。為此，在本發明之一些實施例中，輪廓之一或更多個對稱參數/不對稱參數在此階段經量測及/或處理以提供對相位修正器光學模組之側向對準(例如，對準/不對準之程度)的指示。因此，校正模組利用所量 測之不對稱來因此決定相位修正器光學模組相對於中間光束之期望側向對準，以獲得輸出光束之某一期望波前。視需要，校正模組亦適合校正可選光束放大器之放大比率，該可選光束放大器可包括在光束成形系統內。在此情況下，校正模組適合在入射光束與光束放大器互動之後且在入射光束與強度再分佈模組互動之前與入射光束互動，且用於量測入射光束之強度輪廓(例如，決定寬度)且因此決定藉由光束放大器模組待提供之期望放大比率(縮放)，以獲得具有期望強度分佈及波前之輸出光束。
(240)藉由操作在230中提供之一或更多個上述校正模組校正輸出光束之強度分佈及波前以順序地執行以下各者：首先，視需要調整光束放大器之放縮；隨後，調整在強度再分佈光學模組與入射光束之間的側向對準；及最終調整在相位修正器模組與中間光束之間的側向對準。
因此，上述之方法200允許對某一預定強度分佈及波前之輸入光束應用光束成形且獲得具有期望強度分佈及波前之輸出光束。該方法可以大約75%至95%的高效率操作用於將高斯強度分佈之同調光束轉換為頂帽強度分佈之同調光束。大約5%至25%的剩餘損耗可例如來自：(i)光學部件之不理想光學透射率；(ii)具有某些能量之無限尾部的高斯光束，該無限尾部由於光學元件之有限大小而定限；及元件及/或該等元件之對準的公差。
現在參考第3A圖，第3A圖圖示方塊圖300，方塊圖300示意性圖示根據本發明配置且可操作的光束成形設 備。上文方法200之原理及操作可進一步關於實施方法200之光束成形設備300之配置及操作而理解。設備300包括根據強度及相位光束成形技術操作的光束成形系統301及可連接至光束成形系統301之校正系統305。在此實例中，光束成形系統301經配置且可操作用於對輸入至光束成形系統301之同調光束應用預定強度及相位光束成形，以產生具有期望形狀(強度輪廓及波前)的輸出同調光束。在一些情況中，系統適合接收具有某一側向強度分佈之準直輸入光束(具有實質上平面波前)且成形光束以在輸出處產生具有期望預定強度分佈之準直光束(亦即，平面波前)。校正系統305經配置且可操作用於調整系統301之光學操作，以成形具有某一預定強度輪廓/分佈及波前的入射光束B i ，以形成具有某一期望強度分佈及波前的輸出光束B o 。
光束成形系統301包括強度再分佈光學模組303及相位修正光學模組304，強度再分佈光學模組303及相位修正光學模組304兩者皆沿著光束B i 之縱向光學路徑OX佈置且安裝用於與該縱向光學路徑OX側向對準。相位修正光學模組304位於強度再分佈光學模組303相對於光傳播方向之下游的某一預定距離處。系統301亦包括兩個對準模組303A及304A(例如可調整小型平臺)，該兩個對準模組303A及304A分別與光學模組303及光學模組304耦接且適於賦能調整該等對準光學模組之各個光學模組303及光學模組304相對於光束B i 之光傳播路徑(例如軸)OX之側向對準(例如藉由沿與光學路徑OX垂直之一或更多個方向側向移動光學模 組)。視需要，系統301亦包括光束放大器302，該光束放大器302定位在強度再分佈光學模組303上游且經配置且可操作以可控制地擴展及/或縮短入射光束B i 相對於與光學路徑OX相交/垂直之至少一個側向方向的寬度。光束放大器通常適合與入射之準直光束互動以改變該光束之寬度同時在該光束放大器之輸出處提供準直光束。
校正系統305經配置且可操作以監視/決定及校正光束成形系統301之光學操作且可控制地調整系統301之一或更多個光學模組之操作。校正系統305包括成像組件306，該成像組件306包括一或更多個成像器，且該成像組件306經配置且可操作用於使沿著光學路徑OX自某些位置引導至成像組件之光束B i 之一或更多個部分的強度輪廓(亦即，一維強度分佈或二維強度分佈)成像。校正系統305亦包括校正控制器308，校正控制器308可連接至成像組件306用於自成像組件306接收圖像資料。校正控制器308經配置且可操作用於在與光束強度分佈與系統301之某些光學元件/模組互動之後處理與光束強度分佈相關聯之圖像資料且決定指示彼等光學模組之期望對準位置的對準資料。為此，校正控制器308可包括處理器308P，諸如通用處理器或數位訊號處理器(DSP)，該處理器308P經配置且可操作用於處理及分析自成像組件306接收之圖像資料，以決定待應用至光束成形系統301之校正操作。校正控制器308亦可包括記憶體/儲存模組308M，該記憶體/儲存模組308M用於儲存資料/公式/演算法，該等資料/公式/演算法由校正控制器308(例如藉由處理 器308P)用於決定校正操作。
校正系統305亦可包括致動模組303ACT及致動模組304ACT，致動模組303ACT及致動模組304ACT分別耦接至光束成形系統301之對準模組303A及對準模組304A。控制器308可連接至致動模組303ACT及致動模組304ACT且經配置以產生操作指令(例如，操作校正資料/訊號)，用於根據所決定之對準資料操作致動模組303ACT及致動模組304ACT，以因此對準系統301之光學模組303及光學模組304相對於光學路徑OX之位置。
通常，為獲得具有期望強度分佈及波前之輸出光束，輸入至強度再分佈光學模組303之入射光束B C 應具有在某一公差位準(例如，離某一系統所設計的標稱寬度約2%)內之某一預定寬度。此係因為中間光束B M 在光學表面OS處的強度分佈通常對輸入光束B C 之寬度敏感。
為此，視需要根據本發明之一些實施例，校正系統305適合校正入射光束B C 之寬度。在此等實施例中，校正系統305適合在光束B C 與光束放大器302互動之後檢驗(例如，成像及分析)光束B C 之性質，且產生操作指令用於操作光束放大器302，以將光束之寬度適當地調整至特定寬度。校正系統305可與光學路由組件302R相關聯，該光學路由組件302R可經操作以與輸入光束B C 接合用於引導輸入光束B C 之至少一部分B CP 與成像組件306互動。部分B CP 可在光與光束放大器互動之後經重定向至成像組件306。成像組件306為控制器308提供指示部分B CP 之圖像資料，且进而，控制器308 處理所提供之圖像資料、決定光束B C 寬度，且因此產生操作指令用於調整光束放大器302之放縮性質。在此情況中，光束放大器302可為具有可變放縮能力之可調整光束放大器，且校正控制器308可與光束放大器302之致動模組302ACT相關聯用於操作該致動模組302ACT以控制光束放大器302之放大比率(縮放)，且因此影響光束B C 之寬度。此校正入射光之寬度的程式可經重複直至輸入光束B C 到達在某一期望公差閾值內之期望寬度。通常，致動模組302ACT包括兩個步進電動機，該兩個步進電動機經操作以設置期望光學放縮(亦即，獲得期望光束寬度)同時維持光束之準直。
如上所指出，本發明之光束成形模組301可根據強度及相位光束成形技術操作。為此，強度再分佈光學模組303適於接收某一寬度、強度分佈及波前之光束B C 作為輸入，且重新分佈彼光束之光線從而能夠在強度再分佈光學模組303下游之某一光學表面OS處形成具有某一期望強度分佈及寬度的中間光束B M 。通常，此強度再分佈光學模組303可藉由一或更多個透鏡(亦即，繞射透鏡及/或折射透鏡，例如可能利用單個非球面透鏡)之組合而實施，該一或更多個透鏡之組合係根據輸入光束B C 之波前及強度分佈及根據藉由中間光束B M 在光學表面OS處待獲得之期望強度分佈而設計。
中間光束B M 在光學表面OS處的強度分佈通常對在強度再分佈光學模組303與輸入光束B C 之間的側向對準敏感。實際上，在某些情況中(例如，對於諸如可見光之某一光波長)，在此側向對準中之失配可在系統操作上呈現可容 忍效應。此係因為通常在光學元件之間的距離與波長成正比例/正比。因此，對於某一光束寬度，在光學元件之間的距離與該等光學元件之寬度的比值隨波長而增加。因此，所要求之對準準確度可對較長波長之丟失。然而，對於運動短波長之光(諸如對於在UV狀態及深UV狀態中的光)，即使在介於強度再分佈光學模組303與光束B C 之間的側向對準中的微小失配也可能對在光學表面OS處獲得之強度分佈中引入顯著誤差。
在很多情況下(例如，當成形短波長之光束時)，應精確地校正在強度再分佈光學模組303與光束B C 之間的對準。此舉根據本發明藉由配置校正系統305用於監視/偵測中間光束B M 之強度分佈及因此相對於光束B C 對準光學模組303而實現。
根據本發明之一些實施例，校正系統305與光學路由組件303R相關聯，該光學路由組件303R可經操作以與中間光束B M 互動以引導中間光束B M 之至少一部分B MP 與成像組件306互動。进而，成像組件使彼光部分B MP 之強度輪廓/分佈成像且提供對應成像資料(在本文稱為第一圖像)至控制器308。控制器308分析所提供之第一圖像資料，且決定操作指令用於對準強度再分佈光學模組303。
根據本發明之一些實施例，在強度再分佈光學模組303與成像組件306之間的光學路徑之長度經配置為實質上等於在再分佈光學模組303與光學表面OS之間的光學距離，光部分B MP 沿著在強度再分佈光學模組303與成像組件306 之間的該光學路徑傳播。舉例而言，光學路由組件303R可適合於引導一或更多個光部分B MP 沿著光學路徑OP1傳播，該光學路徑OP1具有實質上等於在光學模組303與表面OS之間的光學長度的光學長度。因此，成像組件306捕獲中間光束B M 之強度分佈之圖像(亦即，第一圖像資料)，正如在路由元件303R沒有與中間光束B M 接合時出現在光學表面OS處。控制器308利用模型(例如演算法)決定致動指令用於強度再分佈光學模組303之適當對準，該模型(例如演算法)指示光學模組303之不對準對第一圖像(亦即，指示中間光束在表面OS處之強度分佈的強度圖像)之影響。此模型可例如儲存在控制器記憶體模組308M中。模型可指示在光學模組303之不同對準與中間光束B M 之所得強度分佈之間的對應。模型可與中間光束部分B MP 之捕獲之第一圖像資料一起使用(例如比較)，以決定在當前輸出強度分佈與期望輸出強度分佈之間的偏差，且因此決定指示強度再分佈光學模組303之不對準的資料。
應注意，根據本發明之各種實施例，路由組件303R可經配置以引導光束部分B MP 沿著具有不同長度之各種光學路徑OP1傳播至成像組件306成像器。因此，控制器308可利用不同模型或可能利用其他技術以決定光學模組303之側向對準。
更具體而言，在本實例中，為獲得光學模組303相對於側向X軸之對準位置，期望在表面OS處之強度分佈為相對於彼軸(X)而實質上對稱，同時期望光學模組303相對於 彼軸之側向不對準產生強度分佈中的各個不對稱。在其中系統經配置為高斯至平坦光束成形器的特定情況中，當將強度再分佈光學模組303適當地對準時，在光束與強度再分佈光學模組303互動之後在表面OS處將獲得實質上對稱的頂帽強度輪廓(例如，具有約零斜率之平坦頂帽強度輪廓)。在此情況中，強度再分佈光學模組303之不對準將引入表現為非平坦頂帽的非對稱輪廓。
因此，校正控制器308可經配置以決定相對於強度分佈中之彼某一軸(X)的不對稱量測，且因此決定光學模組303是否未對準、不對準之方向及亦可能不對準之幅值。不對稱之量測可由校正控制器308藉由處理強度分佈及執行等效於反對稱函數乘以強度分佈之操作及積分乘法結果以獲得不對稱參數/指示符(例如純量值)而獲得。或者或另外，亦可利用其他合適技術獲得不對稱(不對稱參數值)之量測。舉例而言，當待由光束成形獲得頂帽強度分佈時，不對稱之量測可對應於頂帽之平坦度(例如，所得頂帽強度輪廓之平均斜率/導數)。
就此而論，應理解，在本發明之一些實施例中，僅分析圖像資料之感興趣區(ROI)(例如，對應於光點/光束之中心部分，在此處頂帽為平坦的)。例如在下文結合第5圖之方法步驟520及方法步驟530而更具體地描述用於決定圖像資料中之ROI的技術。
對於二維情況，二維強度分佈(INd[x,y])可經處理以決定分佈相對於側向軸中之一者或兩者之不對稱之量測以因 此使光學模組303相對於側向軸(X,Y)之任何一者或兩者能夠對準。舉例而言，為決定相對於某一側向軸(X)之不對稱量測，對應於彼軸之一維強度輪廓(INd[x])可自二維強度分佈獲得(例如，藉由適當選擇/剪裁二維強度分佈圖像之薄片及/或藉由沿垂直於某一側向方向之側向方向積分強度分佈圖像)。一維強度輪廓之不對稱量測可隨後藉由用反對稱函數乘以輪廓及在彼某一側向軸(X)上積分而獲得。應注意，可獨立地執行上述程式以沿著兩個側向軸(X,Y)對準強度再分佈模組。
不對稱參數值可指示光學模組303相對於某一側向軸之不對準之方向及亦可能指示不對準之幅值。就此點而言，應注意，反對稱函數可經選擇以使得能够例如藉由選擇一種函數(例如，藉由選擇合適奇階/冪之多項式函數)來以改進之精度決定不對稱指示(不對稱參數值)，該函數對強度分佈之不同區域/部分給予不同權重。
校正控制器308可經配置以遞回地決定不對稱參數且將匹配對準調整應用至光學模組303，且重複此過程直至獲得光學模組303之充分對準位置(藉由不對稱參數之充分對稱值指示)。或者或另外，反對稱函數可經選擇以在藉此獲得的不對稱參數值與光學模組之不對準之幅值之間產生某一函數關係。亦即，該函數可例如經選擇以使得在不對稱參數與光學模組303之不對準距離之間獲得線性對應。視需要，或者或另外，為估計不對準之幅值/距離，控制器308可利用模型(例如查閱資料表(lookup table；LUT)或公式)，該模型 使不對稱參數值與不對準幅值/距離相關。
在已決定指示強度再分佈光學模組303之不對準之資料的情況下，校正控制器308經配置且可操作以調整強度再分佈光學模組303相對於光學路徑OX之位置/對準。為此，校正控制器308可連接至致動模組303ACT且適合產生用於操作致動模組303ACT之操作指令，以更好對準光學模組303(例如，藉由致動對準模組303A)。隨後可重複對準/校正光學模組303之位置(及可能的定向)的程式直至光學模組303相對於輸入光束B C 適當地定位一直到充分公差位準。
在已將光學模組303適當地對準以提供期望輸出強度分佈之後，執行相位修正光學模組304之對準以在不影響強度輪廓的情況下修正中間光束B M 在光學表面OS處之光線的相位，且因此提供具有期望波前之輸出光束。應注意，光學模組303之位置影響中間光束B M 之相位，且因此僅在適當地對準/校正強度再分佈光學模組303之位置之後藉由校正/對準相位修正器光學模組304而較佳地修正中間光束B M 之相位。
校正模組305經配置且可操作用於決定在輸出光束B E 與相位修正光學模組304互動之後指示輸出光束B E 之波前的資料且決定相位修正光學模組304之不對準。就此點而言，決定波前(亦即，光束在某一光學表面的相位分佈)並不是直接了當的。波前可借助於波前感測器(亦即，干涉儀、Shack Hartmann感測器等)來量測，但添加此類波前感測器至系統300將顯著添加系統300的複雜性。
本發明藉由注意到以下而解決此問題：光束在近場光學區域(例如，在光學表面OS附近)之相位分佈(波前結構)影響在中場區域及/或遠場區域之光強度分佈。為此，光束在近場(OS附近)之波前結構可藉由量測(例如，成像)光束在相對於表面OS之遠場狀態/中場狀態之強度分佈而以良好準確度決定/估計，且因此可利用在遠場/中場之一或更多個此類量測而調諧在近場之波前。應注意，術語近場在此可被認為是光場之區域，該區域之菲涅耳數F大於或等於1(例如，，其中a為孔徑/光學元件之特性大小，L為離孔徑/光學元件之距離，且λ為波長)。術語中場及遠場可被認為是菲涅耳數F小於1的區域(例如，遠場為其中菲涅耳數F<<1的區域而中場為其中F~1的區域)。
具體而言，根據本發明，頂帽光束在近場之波前誤差對光束在中場/遠場之繞射圖案的影響可經量測且用來估計/修正相位修正光學模組304之不對準。在近場(及中場/遠場)狀態，傳播具有銳利邊緣之頂帽光束之直接效應將是長出角。以畸變波前為特徵的頂帽將長出不均勻的角。換言之，光之波前誤差可藉由量測(例如成像)繞射(亦即，在於自由空間中傳播之後)之平坦光束之強度分佈而指示且調諧。
因此，根據本發明之一些實施例，校正系統305可與光學路由組件304R相關聯，該光學路由組件304R適於在光束B E 之至少一部分B EP 與相位修正光學模組304互動之後與光束B E 在至少一部分B EP 可控制的接合，且用於引導彼部分B EP 沿著光學路徑OP2傳播至成像組件306，該成像組件 306經選擇以提供彼部分B EP 之繞射之頂帽成像。成像組件306捕獲指示光束B E 之中場/遠場強度分佈之圖像資料(此圖像資料在本文稱為第二圖像資料)，且校正控制器308可利用中場/遠場強度分佈(亦即，第二圖像資料)決定對準資料，該對準資料指示相位修正光學模組304相對於中間光束B IM 之位置。
校正控制器308可適合利用模型(資料、公式或演算法)來處理指示光束B E 之遠場/中場強度分佈之所捕獲的圖像資料(第二圖像資料)，以因此產生用於對準相位修正光學模組304之操作指令(操作資料/訊號)。舉例而言，決定在所捕獲之圖像資料中的ROI且與強度分佈之模型比較圖像之ROI且利用彼比較以決定指示光學模組304之不對準之方向及/或幅值的不對準資料，該強度分佈之模型應在相位修正光學模組304之對準狀態在中場中獲得。隨後，可相應地產生操作指令用於操作致動模組304ACT，以對準光學模組304。可視需要重複校正/對準相位修正器光學模組304之程式直至光學模組304經對準高達一充分公差位準。
為此，例如在光學模組304之對準狀態中，中場/遠場強度分佈大體為實質上對稱的同時甚至在光學模組304之少量不對準(例如，數十微米之不對準)中呈現實質不對稱。因此，可藉由決定在所捕獲中場/遠場強度分佈中之不對稱而獲得指示光學模組之不對準(方向及/或距離)之資料。可藉由處理中場/遠場強度分佈之ROI及決定指示ROI中之強度分佈之不對稱的不對稱參數而獲得光學模組304之不對準資料 之決定。決定不對稱參數可以如熟習此項技術者將容易瞭解的任何合適方式執行。舉例而言，與上文所述類似，校正控制器308可經配置以用反對稱函數乘以所捕獲之中場/遠場強度分佈。函數相對於側向軸可為反對稱，不對準應相對於該側向軸而決定。隨後，校正控制器308可積分乘法結果以獲得指示光學模組304沿著此側向軸之不對準的某一不對稱參數值。類似程式亦可經執行用於沿著第二側向軸對準光學模組304。
如上所提及，反對稱函數亦可經特別選擇以操作作為加權函數用於改進在所得不對稱參數值與模組304之不對準狀態之方向/幅值之間的相關。可能使用模型(例如，資料、LUT或公式)連同如此獲得之不對稱參數值以決定模組304之側向不對準之幅值(距離)。因此，不對稱參數值可用來決定用於對準相位修正光學模組304之操作指令。
現在參考第3B圖及第3C圖，第3B圖及第3C圖示意性圖示光束成形系統301之強度再分佈光學模組303及相位修正器光學模組304之光學操作。光學模組303及光學模組304對入射光束B C 之操作圖示狀態中，該狀態中模組303及模組304兩者皆相對於光束實質上側向對準。
在此，光學元件303及光學元件304經設計以相對於具有平面波前WvFnt C 及高斯強度分佈IntD C 之入射光束B C 對準操作，且影響彼光束之傳播用於產生具有平面波前WvFnt E 及頂帽強度分佈IntD E 之輸出光束B E 。強度再分佈光學元件303經設計具有合適的聚焦區域FR及去焦區域DFR， 該等聚焦區域FR及去焦區域DFR經配置以重定向高斯分佈之入射光束B C 之光線，從而能夠在光學表面OS處形成具有頂帽強度分佈之中間光束B M 。光束之強度係藉由指示光束之光線的箭頭密度而在圖式中指定。在與強度再分佈光學元件303互動之後，中間光束B IM 之波前WvFnt 1 變得不同於入射光束B C 之平面波形WvFnt C ，且在光束朝向光學表面OS傳播期間進一步改變成波前WvFnt 2 ，期望之輸出強度分佈(例如，頂帽)係在該光學表面OS處獲得。相位修正器光學模組304係定位在表面OS附近。相位修正器模組經配置以影響中間光束之波前WvFnt 2 ，來產生輸出光束B E 之期望波前WvFnt E (例如，平面波前)。
在第3B圖之實例中，強度再分佈光學模組303及相位修正器光學模組304藉由折射光學元件/透鏡實施。第3C圖示意性圖示入射光束B C 之高斯側向強度輪廓及輸出光束B E 自此等折射光學元件之頂帽側向輪廓。藉由折射光學元件之此配置獲得之總體強度透射率效率在第3C圖中經指示為約90%。
現在參考第3D圖，第3D圖示意性圖示根據本發明之實施例之光束成形系統301之光學操作，光束成形系統301中利用繞射光學元件來配置及實施強度再分佈光學模組303及相位修正器光學模組304。就此點而言，如上所指出，可利用折射及/或繞射的光學模組/元件來實施本發明之強度及相位光束成形系統301，其中上文參閱第3B圖所述之強度再分佈及相位修正之相同原理亦可適用於第3D圖之繞射情況。就 此而論，類似於第3B圖中用於表示光束性質(例如，強度分佈及波前)之彼等參考符號的參考符號亦用於第3D圖。
繞射方法基於兩個繞射元件(亦即，光學元件/模組，諸如光柵)之使用，該兩個繞射元件分別經配置用於與上文所述類似之強度光束成形及相位調整/修正。因此，系統校正亦類似於上述之系統校正且將在下文進一步描述。在第3D圖之本實例中，光束成形系統經配置以操作於繞射之第一布拉格階(亦稱為離軸階1)上。因為系統在第一布拉格階中操作，故相位修正器光學模組304相對於強度再分佈模組303之位置而側向偏移。在光束與繞射再分佈模組303互動期間獲得根據第一布拉格繞射階之偏轉配置的相位修正器光學模組304之偏移。
繞射光學模組303及繞射光學模組304(繞射光學模組303及繞射光學模組304在此實例中經配置而以第一布拉格繞射階操作)中之每一繞射光學模組的繞射效率約為90%。因此，當光束成形系統301經配置以操作於第一布拉格繞射階上時，藉由光束成形系統301獲得之整體效率約為75%。在此光束成形系統之一些折射實施中，可獲得約95%之效率。
應理解，本發明之系統301亦可以經配置操作在其他布拉格繞射階的光學模組303及光學模組304來實施。具體而言，第3E圖為繞射強度再分佈模組303之示意圖解，該繞射強度再分佈模組303用於第3D圖之實施例且經配置以將適當的強度光束成形應用至第一(離軸)布拉格繞射階。第 3F圖為繞射強度再分佈模組303之示意圖解，該繞射強度再分佈模組303根據本發明之某些實施例而使用，其中光束成形應用至同軸繞射階。具體而言，此繞射強度再分佈模組303經配置以將適當的強度光束成形應用至零(同軸)布拉格繞射階。
如上所提及，輸出光束B E 之性質可大體對光學模組303及光學模組304之位置以及定向敏感。因此，設備300可視需要經配置用於校正光學模組303及光學模組304之位置/對準及定向兩者。然而，在某些實施例中，輸出光束B E 之強度分佈及波前可能對光學模組303及光學模組304相對於一個側向方向或兩個側向方向之側向對準特別敏感，而對該等光學模組之位置及定向之其他性質較不敏感，該一個側向方向或兩個側向方向實質上與光學路徑OX垂直。因此，在此等實施例中，設備300可經配置用於校正光學模組303及光學模組304僅相對於彼等一個側向方向或兩個側向方向之對準。
亦應注意，第3A圖之光束成形系統301可經配置且可操作用於一維或二維光束成形。亦即，系統301可適合影響光束相對於僅一個側向方向之強度分佈及波前，或系統301可影響光束之二維強度分佈及波前(亦即，相對於與光束之光學路徑垂直的兩個側向方向)。為此，在第一種情況(一維光束成形)中，光學模組303及光學模組304及亦可能光學模組302可包括且利用圓柱形光學元件用於影響光束相對於僅一個側向方向之強度分佈。此外，可要求此類圓柱形光 學元件相對於單個側向方向之對準。因此，小型平臺303A及小型平臺304A可適合僅相對於彼一個側向方向之側向對準。在後一種情況(二維光束成形)中，可要求在相對於光學路徑OX之兩個側向方向上之側向對準。因此，小型平臺303A及小型平臺304A可經配置用於二維側向對準。應注意，在其中系統301經配置以影響光束之二維強度分佈及波前的各種實施例中，系統可經配置用於影響相對於兩個側向方向之不同光束成形或類似光束成形。因此，光學模組303及光學模組304可包括/利用圓柱形光學元件及/或徑向對稱的光學元件。
現在參考第4圖，第4圖為示意性圖示根據本發明之實施例之光束成形設備/系統400之方塊圖。系統400經配置且可操作用於接收具有平面波前及徑向對稱高斯強度分佈之輸入光束，及由此光束產生輸出光束，該輸出光束具有沿著第一側向方向(X)的平面波前及頂帽強度分佈/輪廓及沿著垂直於第一側向方向之第二側向方向(Y)的高斯強度輪廓。光束成形系統400亦經配置以對光束提供非各向同性的放大率，而提供相對於第一側向方向之第一放大比率及相對於第二側向方向之第二放大比率(例如在一些情況中，不存在相對於第二側向方向之放大率，亦即，第二放大比率為一)。
光束成形系統400包括光束成形系統/模組401及校正系統/模組405。光束成形模組401包括可調整球形光束放大器402(例如，具有各向同性的放大率)、一或更多個非各向同性的(例如一維的)強度再分佈光學元件403、一或更多 個對應的一維相位修正光學元件404及一維光束放大組件415。光學元件401、光學元件403、光學元件404及光束放大組件415按次序順序地佈置以沿著通過光束成形模組401之光學路徑(例如，沿著光束B之光傳播路徑)間隔開。光束成形模組401亦包括兩個對準模組(例如，小型平臺；圖式中未圖示)，該等對準模組分別耦接至一維強度再分佈光學元件403及相位修正光學元件404，且經配置以允許該等對準模組相對於光學路徑OX之側向對準。校正模組包括控制器408、可連接至控制器用於提供圖像資料至控制器之CCD成像器406，及包括鏡子M1至鏡子M4、透鏡L3及合適致動器的光路由光學元件，該等光路由光學元件經配置用於與光學路徑OX在光學路徑OX之不同區段處之可控制光學接合。
在本實例中，強度再分佈光學元件403經配置且可操作以映射入射光(在某一側向軸X上)之高斯強度輪廓，以在離光學元件403位置特定距離處形成平坦強度輪廓(相對於彼側向軸)。相位修正光學元件404經配置以重構/重建光束之平面波波前，同時經定位在其中第一元件經設計以產生平坦強度輪廓的平面處。強度再分佈光學元件403及相位修正光學元件404可經實施為非球面柱狀透鏡。因此，光束成形器401形成在某一側向方向具有高斯強度輪廓之進入光束成形器401之光束，以在彼側向方向具有頂帽強度輪廓，同時在第二側向方向中之該光束之波前及該光束之強度輪廓兩者皆不在自相位元修正光學元件404輸出處實質上受影響。一維光束放大組件415亦可包括柱狀透鏡，該等柱狀透 鏡經配置用於光束相對於第一側向方向之放大率同時不影響相對於第二側向方向之放大率。
包括鏡子(例如，潛望鏡型鏡子)M1、鏡子M2、鏡子M3及鏡子M4及透鏡L3之光路由光學元件經佈置以形成適於將光自光學路徑OX之不同區段選擇性引導至成像器406之路由組件，而使得能夠以類似於上文相對於第3A圖描述之彼者的方式光學校正及對準光學模組402、光學模組403及光學模組404。另外，在本實例中，強度再分佈光學模組403經可移動地安裝用於自光學路徑回縮，以允許將光自光束放大器402引導至成像器406而無彼光與光學模組403互動。該等路由光學元件之配置將在下文相對於第5A圖至第5G圖之描述更詳細地描述。
現在轉至第5A圖至第5H圖，第5A圖至第5H圖圖示根據本發明之實施例用於校正光束成形系統之方法。具體而言，光束成形系統(諸如第4圖之光學模組(401))可要求以在入射高斯光束之寬度上以及在介於光束之光學軸(高斯中心)與光學元件403及光學元件404之光學軸之間的相對側向距離上的嚴格公差來操作。舉例而言，在入射光束之寬度上的可接受公差可為約1.5%，且光學元件403及光學元件404應在分別小於5μm及15μm之誤差內側向對準。
第5A圖提供流程圖500以圖示用於校正本發明之光束成形系統(例如，第4圖之401)的本發明之校正方法之實例。方法500為上述方法200之操作步驟240的實例。方法500包括三個校正步驟510、520及530，該等校正步驟(以 有序方式)順序地執行。步驟510為其中調整入射光束之寬度的可選步驟。步驟520經執行以藉由調整在入射光束與強度分佈光學模組(例如，第4圖之透鏡403)之間的對準而校正輸出光束之強度分佈。步驟530此後經執行以藉由在獲得光束之期望強度分佈的位置處相對於光束對準相位修正器模組(例如，第4圖之透鏡404)，而校正輸出光束之波前。在下文，該等步驟詳細地描述且該等步驟之操作參閱第4圖之系統400而得以舉例說明。
為此，校正方法500提供用於分別且順序地校正自由度(DOF)，該等自由度(DOF)與本發明之光束成形系統之不同光學元件/模組(例如，光學系統之單獨的DOF矩陣)相關聯。具體而言，與不同光學模組相關聯之每一DOF藉由為步驟510、步驟520及步驟530中之一個步驟的獨立校正步驟而得以獨立且順序地校正。校正方法500為該等獨立步驟之順序組合。
詳言之，在可選步驟510中首先執行入射光束大小(例如，側向寬度/半徑)之校正。根據本發明之一些實施例，此步驟藉由以下各者執行：
i.引導入射光束(入射光束B C 或入射光束B C 之一部分B CP )直接朝向成像器406(例如，引導光束/使光束偏轉以沿著光學路徑傳播至成像器及/或遠離此光學路徑移動光束成形光學模組403)。此係圖示在第5B圖中，其中在光束放大器402與成像器之間的光學路徑藉由回復性鏡子M1及回復性鏡子M2之適當定位而形成。
ii.校正入射光束B C 之寬度及/或準直(校正光束放大器402之縮放及/或準直)。光束之圖像自成像器406抓取且決定光束之強度輪廓(例如，沿著X側向軸之一維強度輪廓)。可隨後例如藉由利用高斯近似法來決定光束寬度。隨後，可此後基於光束寬度，例如利用查閱資料表(指示與光束放大器狀態對比之放大器縮放的LUT)或使量測之光束寬度與期望放大率相關之公式及/或藉由基於自成像器406之圖像的進一步處理的回饋，而獲得調整光束放大器之縮放狀態之新放大率值。特定而言，在其中入射光束具有高斯強度輪廓的情況中，高斯光束之寬度可藉由擬合由成像器406獲取之光束之圖像的強度輪廓與形式的高斯分佈而擷取，其中A為在高斯中心的光束強度，ω為高斯半寬度且x為沿著X軸的座標。光束之寬度ω可藉由擬合光束之圖像的強度輪廓與此高斯函數而估計。
在校正入射光束B C 之大小之後，校正強度再分佈光學模組403在步驟520中例如藉由執行以下各者而執行：
i.強度再分佈光學模組403(例如，藉由移動光學模組403至光學路徑內)經引入在光束放大器402與成像器406之間的光束B C 之光學路徑，以形成傳播至成像器406的中間光束B M (或中間光束B M 之一部分B MP )。
ii.自成像器406獲取中間光束B M 之圖像。特定而言，在其中光束成形系統400經配置為高斯至平坦光束成形器的情況中，獲得中間光束B M 之「頂帽」圖像。
iii.評估因此獲得之頂帽圖像之對稱/平坦度參數(例如，決定 頂帽圖像之不對稱參數)。評估之參數(例如，不對稱參數)指示再分佈光學模組403之不對準。特定而言，在其中相對於X側向軸尋求光束成形(例如，一維光束成形)之情況中，可將頂帽強度輪廓沿著X軸之平坦度決定如下：
a.決定表示光束相對於感興趣側向軸(X軸)之強度輪廓的圖像之部分/薄片。例如，考慮圖像沿著Y側向軸(例如，垂直於X)之高斯強度輪廓且將該高斯強度輪廓擬合到高斯以擷取該高斯強度輪廓之峰值座標。頂帽圖像之薄片係相對於如所計算之Y側向軸在高斯強度輪廓之中心周圍剪裁/獲取。此圖像薄片可相對於Y軸進一步平均以獲得光束相對於X軸(X強度輪廓)之平均強度輪廓。
b.決定在因此獲得之X強度輪廓中的感興趣區(ROI)。此目的在於決定頂帽在X強度輪廓中之寬度/邊界(例如，決定強度輪廓之半高全寬FWHM)。舉例而言，剪裁薄片之平均/原始資料可與形式之超洛仁子擬合，其中在此，A為洛仁子之標度因數，x為沿著X軸之座標且ω為擬合之洛仁子之寬度。擬合之洛仁子之寬度ω對應於ROI之寬度。
c.決定對應於ROI內頂帽成形之強度輪廓之線性/平坦度的不對稱參數。舉例而言，計算指示強度輪廓在ROI內之線性斜率的參數/分數。
iv.掃描/移動強度再分佈光學模組403同時在每一掃描位置重複子步驟ii及子步驟iii，以決定光束之所獲得圖像/強度輪廓之對稱/平坦度。在每次重複時，強度再分佈光學模組403 沿著側向X軸稍微移動(例如，沿著X掃描/移動強度再分佈光學模組403且在約0.5mm之行程上的掃描步驟間距約為10μm)。在每一掃瞄位置，不對稱參數/分數(例如，彼頂帽圖像之線性斜率)在子步驟iii中決定。不對稱參數指示再分佈光學模組403之不對準，且因此掃描強度再分佈光學模組403之位置同時決定在不同位置處之不對稱參數值提供用於決定強度再分佈光學模組403之對準位置。舉例而言，第5D圖在下文進一步描述，第5D圖圖示在強度再分佈光學模組403之三個不同側向X位置獲取之光束的三個圖像及圖示自彼等圖像擷取之光束的X強度輪廓的三個對應圖。
v.隨後，強度再分佈光學模組403係藉由將強度再分佈光學模組403之側向X位置調整至自光學模組403之全部掃描位置得到最對稱的X強度輪廓之位置(例如，調整到其中X強度輪廓為最平坦/正具有及/或具有最小絕對斜率的位置)而相對於X軸側向對準。
應注意，在其中相對於X側向軸及Y側向軸兩者來尋求二維光束成形的情況中，上文之子步驟(i)至子步驟(v)可執行兩次，每一軸一次。
最終，在校正強度再分佈光學模組403之後，例如藉由執行以下各者而在步驟530中執行校正相位修正器光學模組404：
i.將相位修正器光學模組404引入光束B M 之光學路徑以形成傳播至成像器406之輸出光束B E (輸出光束B E 之一部分B EP )。具體而言，至成像器的光學路徑可經配置以使得成像 器相對於相位修正器光學模組404定位於中場/遠場。舉例而言，藉由在光學路徑中利用合適的透鏡如例如第2F圖所圖示且如下所述。
ii.自成像器406獲取輸出光束B E 之圖像。特定而言，在其中光束成形系統400經配置為高斯至平坦光束成形器且成像器相對於相位修正器404定位於中場的情況中，獲得輸出光束B E 之頂帽圖像/強度輪廓。在其中成像器相對於相位修正器404定位於遠場的情況中(例如，在透鏡L1之焦平面處獲取)，獲得輸出光束B E 之「Sinc」圖像。
iii.評估在子步驟ii中獲得之圖像的不對稱。圖像之不對稱(例如，評估之不對稱參數值)為指示相位修正器404之不對準的資料。在相對於X側向軸之一維光束成形的情況中，不對稱可經評估如下(在二維光束成形情況中，可對兩個側向軸中之每一者使用類似原理而評估不對稱)：
a.決定/選擇表示光束相對於感興趣側向軸(X軸)之強度輪廓的圖像之部分/薄片。考慮圖像沿著Y側向軸(例如，垂直於X)之高斯強度輪廓且將該圖像擬合至高斯以擷取該圖像之峰值座標。相對於所計算之Y側向軸在高斯強度輪廓之中心周圍剪裁/獲取頂帽圖像之薄片。薄片可相對於Y軸進一步平均以獲得光束相對於X軸(X強度輪廓)之平均強度輪廓。
b.決定在因此獲得之X強度輪廓中的感興趣區(ROI)。將剪裁薄片之平均/原始資料與對應匹配函數擬合。具體而言，在成像器相對於相位修正器304定位於中場的情況下，期望X強度輪廓具有頂帽形狀且因此該X強度輪廓以類似於上文在 步驟520子步驟iii部分b中所描述之彼者的方式與超洛仁子擬合。
c.或者，在成像器相對於相位修正器404定位於遠場的情況下，期望X強度輪廓具有Sinc形狀且因此將該X強度輪廓與 擬合以決定圖像中之感興趣區(ROI)之寬度ω。決定X強度輪廓在ROI內的不對稱(例如，不對稱參數)。可(例如)藉由以對稱加權函數S(x)(反對稱函數)乘以ROI內之強度輪廓且沿著ROI積分以獲得指示不對稱參數之參數/分數而計算此不對稱參數值。根據一些實施例，對稱加權函數為S(x)=(x/ω)5形式之不對稱函數。不對稱參數指示符對於相位修正器404之標稱位置產生小的絕對值(亦即，接近零)且對於相位修正器404沿著X軸相對於光學路徑OX之正/負不對準產生正/負值。可或者或另外藉由量測在中場及/或遠場中獲得之輸出圖像之自相關而決定強度輪廓之不對稱。
iv.掃描/移動相位修正器光學模組403同時在每一掃描位置重複子步驟ii及子步驟iii，以決定光束之所獲得圖像/強度輪廓之對稱/不對稱。在每一掃描處，修正器光學模組404沿著側向X軸稍微移動(例如，以約20μm之掃描步驟間距)。在每一掃描位置，上文之步驟iii經重複以決定所獲得X強度輪廓之對稱(中場頂帽圖像或遠場Sinc圖像)。在此階段決定之不對稱參數值係指示光學相位修正器404之不對準。因此，藉由掃描相位修正器404之位置同時決定在不同位置處的不對稱參數值而決定相位修正器404之對準位置。在下文 進一步描述之第5G圖舉例說明經由上述光束之中場影像處理所獲得之光束之兩個X強度輪廓(在此情況中為頂帽輪廓)，該兩個X強度輪廓在相位修正器光學模組404之兩個側向X位置獲取。亦在下文描述之第5H圖圖示三個圖，該三個圖圖示自模組415之透鏡L1之焦平面所擷取之光束之X強度輪廓(Sinc輪廓)。彼等圖像經由在相位修正器光學模組404之三個各個側向X位置中捕獲之光束之三個遠場圖像的上述處理而獲得。
隨後，藉由將相位修正器光學模組404之側向X位置調整至得到最對稱X強度輪廓X位置而側向對準相位修正器光學模組404。
分別參閱第5B圖、第5C圖及第5F圖在下文進一步描述第4圖之系統400在方法步驟510、方法步驟520及方法步驟530中之每一方法步驟期間的操作。第5B圖圖示步驟510在系統400中之操作。在此步驟中，校正控制器408使路由組件與自光束放大器402輸出之光接合。控制器408操作以自光束之光學路徑回縮強度再分佈模組/透鏡403，且鏡子M1經引入光學路徑且經佈置用於引導自光束放大器402輸出之光束傳播通過鏡子M2至成像器(CCD)406。應注意，鏡子M1及鏡子M2連同與強度再分佈模組/透鏡403及鏡子M1相關聯之回縮機構(未圖示)充當第一路由組件(例如，第3A圖之302R)之部分，該第一路由組件將光束自光束放大器402引導至校正模組405。
在步驟510期間，自光束放大器402輸出之光束的 強度分佈圖像係藉由CCD 406捕獲。校正控制器408對自CCD 406之圖像資料作出反應且利用彼圖像資料控制光束放大器402之放大率/縮放，以調整光束之寬度同時維持在光束放大器402之輸出處準直的光束。校正控制器可處理光束之圖像(以上文指出的方式)以決定光束之寬度，與光束之期望寬度相比較，且因此決定致動及/或調整光束放大器所需要的適當操作指令，以使得在光束的輸出光埠處獲得具有期望預定寬度的光束。
第5C圖圖示步驟520之操作，其中校正系統405經操作以對準系統400之強度再分佈模組403之側向位置。在此，藉由強度再分佈模組403獲得之光束之強度分佈的圖像係藉由CCD 406捕獲。較佳地在一些實施例中，CCD感測器406及相位修正器光學模組404處於與強度再分佈模組403相等距離，以使得使自強度再分佈模組403輸出之光束的期望平坦強度輪廓(沿一個側向方向的頂帽輪廓)得以成像。
在步驟520中，校正控制器408操作以將強度再分佈模組/透鏡403以及鏡子M1引至光束之光學路徑。鏡子M1經佈置用於在光束與透鏡403互動之後引導光束傳播通過鏡子M2至成像器(CCD)406。因此，在此，鏡子M1及鏡子M2連同透鏡403及鏡子M1之回縮機構(未圖示)充當第二路由組件(例如，第3A圖之303R)之部分。CCD 406及鏡子M1及鏡子M2之位置經設計以使得在透鏡403與CCD 406之間的光學長度實質上等於在透鏡403與相位修正器透鏡404之間的光學長度。此配置提供：藉由CCD 406捕獲之圖像係指 示光束在相位修正器透鏡404之位置處的強度分佈。校正控制器408對自CCD 406接收之圖像資料作出反應，以控制強度再分佈透鏡403相對於光束之對準位置，且因此調整光束在位於相位修正器模組404附近之光學表面處的強度分佈。
結合第5D圖更詳細地描述校正控制器408之操作連同步驟520。第5D圖圖示對於強度再分佈透鏡403之三個不同側向對準所獲得之三個圖像Img1、Img2及Img3，該三個圖像Img1、Img2及Img3指示光束在相位修正器404附近的強度分佈。應注意，當強度再分佈模組403之中心經置放相對接近於光束之高斯中心時(例如，在介於±50μm之間的側向對準位置內)，所捕獲之強度輪廓的能量分佈在CCD平面沿著截面變為線性。此允許精確地決定及修正強度再分佈模組403之不對準。
更具體而言，由沿柱狀強度再分佈透鏡403之主軸/縱軸之X側向方向自對準位置相對於光學路徑OX之10微米位移之側向偏移而獲得圖像Img1。亦即，柱狀強度再分佈透鏡403之主軸PX沿X側向方向自對準/集中位置相對於光束之路徑位移了10微米。圖像Img2及圖像Img3分別由自透鏡403之主軸相對於光學路徑OX之對準位置之20微米及80微米之側向偏移而獲得。在該等圖像中之強度分佈經圖示為相對於一個側向方向(Y)為實質上高斯且在光束之第二側向方向(X)為接近頂帽分佈。
第5E圖圖示柱狀透鏡CL相對於光學路徑OX之主軸PX及次軸SX，該柱狀透鏡CL可經配置為透鏡403及/或 透鏡404。在光束成形系統400中，操作為透鏡403或者透鏡404之柱狀透鏡CL大體經定向以使得該柱狀透鏡CL之主軸PX及次軸SX分別平行於Y側向方向及X側向方向。柱狀透鏡CL經圖示耦接至對準模組AS。對準模組AS可例如為與諸如電動機或壓電元件之電致動器耦接之小型平臺。圖示在柱狀透鏡CL之主軸PX與光學路徑OX之間的D微米的不對準。此不對準可藉由適當的致動對準模組AS以沿透鏡之次軸SX之方向移動透鏡而修正。
回到第5D圖，如自圖像可見，當增加強度再分佈透鏡403之側向偏移時，強度分佈相對於側向方向Y變得更不對稱。為此，對於UV光及深UV光應注意，強度分佈甚至對於大約數十微米之透鏡404之小的不對準變得實質上不對稱。
如上所指出，校正控制器408處理自CCD 406獲得之圖像且決定在圖像相對於至少一個側向方向(Y)中的不對稱度，該不對稱度在此情況中對應透鏡403沿透鏡次軸方向與光學軸的偏移(亦即，在透鏡主軸之位置與光學路徑之間的偏移)。為此，校正控制器408可例如平均CCD圖像沿Y側向方向之像素值(例如，平均在高斯峰值周圍的像素)且因此獲得表示光束沿X側向方向之強度輪廓的資料(例如，圖)。在圖式中圖示分別對應於圖像Img1、圖像Img2及圖像Img3之光束之側向強度輪廓的圖G1、圖G2、圖G3。圖G0亦呈現在圖式中以指示在光束成形之後待獲得之寬度約1.5mm的期望頂帽強度分佈。自圖G1、圖G2、圖G3中之 每一圖，指示不對稱度之資料可藉由如上所指出之校正控制器408計算。具體而言，自圖G1、圖G2及圖G3計算之平坦度值分別約為6.84%、7.13%及11.79%。
現在轉到第5F圖，參閱系統400而舉例說明步驟530之操作。在此步驟中，校正控制器408操作以在光束與強度再分佈透鏡/模組403及相位修正透鏡/模組404互動之後將可回縮鏡子M3引至光束之光學路徑。鏡子M3之回縮機構不具體圖示在圖式中。鏡子M3及鏡子M4之位置經佈置以使得光束經引導傳播至成像器/CCD 406同時沿著光束之路徑與一或更多個光學模組(例如，透鏡L1及透鏡L2)互動，該等光學模組經配置以影響光傳播以使得藉由成像器406捕獲光束之中場及/或遠場圖像。在此，將透鏡L3引入至成像器之光學路徑中。透鏡L3經設計以使得光束在自由空間中傳播至成像器406(亦即，經由均勻介質傳播而不與光學/機械部件互動)，同時成像器406處於相對於相位修正透鏡/模組404之中場/遠場狀態。因此，在所捕獲之圖像中(上文稱為第二圖像資料)，在成像之光束輪廓(例如，頂帽輪廓)中加重藉由相位修正透鏡/模組404之不對準引入之波前誤差。在此，鏡子M3及鏡子M4連同鏡子M3及透鏡L1及透鏡L2之回縮機構(未圖示)充當第三光學路由組件(例如，第3A圖之304R)之部分，該第三光學路由組件在光束之波前受相位修正器模組404影響之後適於光束之中場/遠場成像。
在本實例中，兩個透鏡L1及L2經佈置在光之光學路徑中，以造成光束之中場成像。透鏡L1亦充當一維光束放 大器模組415之部分，該一維光束放大器模組415在此情況中經配置用於進一步擴展輸出光束之頂帽側向強度分佈。作為一維光束放大器組件415之部分，透鏡L1經置放以使得相位修正器處於透鏡L1之後焦平面。透鏡L3沿著在透鏡L1與成像器之間的光學路徑置放，以使得頂帽光束之近場圖像將落到成像器406上。透鏡經設計以使得具有繞射之頂部將主要顯現在頂帽邊緣上，因此將加重不對稱以因此賦能離開相位修正器模組404之光束的不對準。
在光束之中場遠場圖像已藉由CCD 406捕獲的情況下，校正控制器408經配置以接收圖像資料且控制相位修正器模組/透鏡404相對於光學路徑之對準位置，以因此調整光束之波前。根據本發明之一些實施例，校正控制器408處理自CCD 406獲得之圖像且決定光束之強度分佈/輪廓(例如，光束之側向截面在中場/遠場狀態中之強度分佈/輪廓)。隨後，藉由識別強度分佈/輪廓相對於至少一個側向方向(Y)在光束截面中之不對稱而決定不對準資料/參數值。此不對稱可對應於在透鏡404之主軸與光學路徑OX之間的側向偏移。如上所指出，校正控制器408可例如平均CCD圖像沿Y側向方向之像素值以獲得表示光束之遠場/中場圖像沿X側向方向之強度輪廓的資料(例如，圖解資料)。
發明人已發現：對於中場成像，在頂帽強度分佈之邊緣中的不對稱對相位修正器模組之不對準極端敏感，該不對稱係藉由CCD成像。具體而言，當具有頂帽強度輪廓之光束正自由傳播時，該光束之能量分佈自在極近場之完美或幾 乎完美的頂帽轉換至在遠場之Sinc(亦即，Sinc(α)=Sin(α)/α)。在標稱中場位置，兩個對稱的「角」係顯現在頂帽輪廓之邊緣處。在相位修正器模組404未經完美對準(而對準了強度再分佈模組403)的情況下，角出現不對稱。
第5G圖圖示圖MG1及圖MG2，該等圖圖示沿著對於相位修正器模組404之對準位置及未對準位置所捕獲之各個圖像之X軸方向的側向強度輪廓。如自該等圖可見，對於相位修正器模組404之對準位置，在光束之中場圖像中獲得對稱強度輪廓(圖MG1)。然而，即使對於幾微米的少量不對準亦有實質不對稱顯現在強度輪廓中。例如，20微米之不對準影響圖MG2之實質上不均勻的邊緣(「角」)之顯現。介於強度分佈圖之兩個邊緣處的強度之間的比值自相位修正器模組之對準位置中的1：1(圖MG1)改變至相位修正器模組之20微米遠離中心/未對準位置中的3：5(圖MG2)。
應注意，強度分佈圖MG1及強度分佈圖MG2之中心區域(在邊緣/「角」之間)亦可攜帶關於相位修正器模組之最佳位置的邊限資訊。然而，在本發明之一些實施例中，期望抑制強度分佈之中心區域之效應，以允許獲得不對稱在圖中之良好量測。根據某些實施例藉由加權函數乘以強度輪廓圖中之ROI而實現抑制強度分佈圖之中心區域之效應，該加權函數在強度輪廓之邊緣附近具有較高值。舉例而言，滿足該等需求之函數為第五階多項式(亦即，S(x)=x5)，其中，原點位於輪廓之中心。
第5G圖舉例說明本發明之較佳實施例，根據本發 明之該較佳實施例，相位修正器模組404之校正係基於在相對於相位修正器模組404之中場獲得之強度輪廓(例如，其中繞射受限之光點係在相位修正器模組404之焦平面處獲得)。然而，如上所指出，相位修正器模組404之側向位置亦可基於回饋資料而校正，該回饋資料指示光束在相對於光學模組404之遠場的強度圖案/輪廓。
校正相位修正器模組404之對準亦可藉由使光束在相對於光學模組404之遠場處成像而實現。第5H圖圖示三個圖FG1至FG3，該等圖表示光束之遠場圖像對於相位修正器模組404之三個側向位置之X軸方向強度輪廓，在該等側向位置處，光束分別側向未對準+50微米、0微米(實質上對準)及-50微米。第5H圖係藉由沿著光學路徑將成像器置放在透鏡L1之前焦平面以獲得遠場成像而獲得(此亦可藉由利用路由光學器件中繼焦平面之圖像至成像器且沿側向方向整合圖像以獲得對應於垂直側向方向之光束的強度輪廓而獲得)。如自此圖式可見，為了獲得模組404之理想對準(圖解FG2)，遠場強度輪廓產生幾乎完美的Sinc。然而，甚至幾微米(上至數十微米)之少量不對準導致在捕獲之遠場圖像之強度輪廓中顯現實質的不對稱。此不對稱係藉由在圖FG1及圖FG3中圖示之強度輪廓中出現之非對稱/非均勻旁瓣而呈現。在圖式中呈現之圖SG1至圖SG3分別圖示最接近量測之強度輪廓FG1至強度輪廓FG3的近似Sinc函數。亦在圖式中指示彼等近似之Sinc函數之寬度。
因此，在步驟530中，校正控制器408可經配置用 於處理在相對於相位修正器模組之中場及/或遠場中捕獲之光束的圖像且分析彼圖像以決定操作對準指令用於致動/對準相位修正器透鏡404。
應注意，步驟520之修正操作係通常對光束之寬度敏感，且因此步驟520係在可選步驟510之操作之後執行，光束寬度在可選步驟510處校正。在其中入射光束具有預定寬度的情況中，在某一公差閾值內可消除步驟510之操作。此外，步驟530之修正操作取決於強度再分佈透鏡403之準確對準，因此，步驟530僅在步驟520用於對準透鏡403之後執行。
此外，在本實例中，舉例說明光學模組403及光學模組404相對於僅一側向方向之側向對準。然而，在本發明之各種實施例中，相同原理可同樣用於相對於額外方向(例如，相對於與光傳播方向垂直之兩個側向方向)對準光學模組。另外或或者，本發明之原理可用於獲得光學模組相對於光學路徑之適當定向。本發明之技術可適合獲得光學模組相對於多達6個自由度之位置及定向校正。
參考第6圖，第6圖以明顯方式示意性圖示在如上所述參閱第5A圖至第5H圖使用流程圖500中圖示之校正方法之後，系統400之操作。光束沿著X側向方向之強度輪廓藉由輪廓圖PG1至輪廓圖PG4圖示。如圖所示，深UV雷射束經引至具有寬度約1mm之高斯強度分佈的各向同性光束放大器402。光束放大器402對光束應用X3放大率，得到3mm寬高斯光束。在與對準之強度分佈光學模組403及相位修正 光學模組404互動之後，雷射光束獲取沿側向X方向具有4.2mm寬度的頂帽強度輪廓。沿Y側向方向之強度輪廓保持實質上不受影響(亦即，高斯)。雷射光束隨後穿過一維光束放大器組件415，該一維光束放大器組件415適合將額外放大率(~X16)相對於X方向應用至光束，以因此得到65mm寬的頂帽深UV光束。
應注意，在自本發明之強度及相位光束成形模組(例如，分別自第3A圖及第4圖之模組301/模組401)輸出之光的強度輪廓中的微小空間波動可藉由利用強度平滑光學模組平滑。根據本發明之一些實施例，第3A圖、第4圖及第5圖中之任何一者的光束成形系統亦可包括強度平滑模組，該強度平滑模組未具體圖示在彼等圖式中。此強度平滑模組可例如包括位於光束成形光學模組下游(例如，分別在第3A圖及第4圖之模組303/模組403及模組304/模組404之後)之一或更多個行進透鏡(traveling lens；TL)調變器。強度平滑模組可適合平滑光束相對於一或更多個側向方向的強度。
參考第7圖，第7圖圖示光束平滑模組之操作，該光束平滑模組包括在第6圖之系統400中。光束平滑模組可沿著雷射光束之光學路徑定位在一維光束放大器415之後。在此實例中，光束平滑模組係基於一維行進透鏡模組，該一維行進透鏡模組包括晶體，該晶體藉由聲波調變以形成沿X側向方向(對應於如上所述之光束成形系統之側向X方向)在晶體內傳播之行進透鏡。行進透鏡折射源自光束成形模組401之光束的光線，因此平滑光束在X側向方向之強度輪廓 中的波動。具體而言，行進透鏡使用藉由光束成形器及延續光學器件執行之~1/11之線寬度。行進透鏡在整個輪廓上執行(掃描)。每一行進透鏡位置於正產生掃描線的物件上產生光點。因此，行進透鏡實際上執行卷積動作，得到平滑光束。
第7圖圖示圖G4以圖示在光束已藉由光束成形模組401成形之後光束之頂帽強度輪廓。此圖大體類似於第6圖之圖PG3。第7圖之圖G5更詳細地圖示在頂帽強度輪廓中之強度波動。圖G6圖示在光束藉由行進透鏡光束平滑模組平滑之後光束之頂帽強度輪廓。
200‧‧‧方法
210‧‧‧步驟
220‧‧‧步驟
230‧‧‧步驟
240‧‧‧步驟

Claims (11)

  1. 一種光束成形模組，該光束成形模組包含：一第一光學模組及一第二光學模組，該等光學模組以一距離隔開之關係安置在傳播通過該光束成形模組的光之一光學路徑中，且對入射在該等光學模組上之光順序地應用光束成形；一第一對準模組及一第二對準模組，該等對準模組分別攜帶該第一光學模組及該第二光學模組，該第一對準模組及該第二對準模組中之每一者對準模組經配置且可操作用於相對於該光學路徑側向定位由該等對準模組所攜帶之一各別光學模組；及一校正模組，該校正模組可連接至該第一對準模組及該第二對準模組，且該校正模組經配置且可操作以順序地校正該第一光學模組及該第二光學模組之各別側向位置且相對於該光學路徑對準該等光學模組之各別側向位置，且使得給定預定波前及側向強度分佈之一入射光束之成形成為可能，以形成具有期望波前及期望側向強度分佈之一輸出光束。
  2. 如請求項1所述之光束成形模組，其中該第一光學模組在與該光學路徑側向對準時沿著該第一光學模組下游之該光學路徑在某一光學距離處自該入射光束形成具有一期望側向強度分佈及某一中間波前之一中間光束；且該第二光學模組在與該光學路徑側向對準時自該中間光束形成具有該期望波前及該期望側向強度分佈之該輸出光束。
  3. 如請求項2所述之光束成形模組，其中該校正模組適合於順序地執行以下各者：i.決定該第一光學模組相對於沿著該光學路徑朝向該第一模組傳播之該入射光束的不對準；ii.操作該第一對準模組以對準該第一光學模組相對於該入射光束之該側向位置，因此形成該中間光束中之該期望側向強度分佈；iii.決定該第二光學模組相對於沿著該光學路徑朝向該第二光學模組傳播之該中間光束的不對準；及iv.操作該第二對準模組以對準該第二光學模組相對於該中間光束之該側向位置，因此形成在該輸出光束中之該期望波前及該期望側向強度分佈。
  4. 如請求項3所述之光束成形模組，其中該校正模組可操作用於重複i及ii直至在i中決定該第一光學模組之一對準位置，且重複iii及iv直至在iii中決定該第二光學模組之一對準位置。
  5. 如請求項3所述之光束成形模組，其中該校正模組包含：一成像器及至少一個光學路由組件，該至少一個光學路由組件經配置且可操作用於與該中間光束及該輸出光束中之至少一者可控制地互動，以將該中間光束及該輸出光束之至少一部分引導至該成像器，且其中該校正模組包含：一校正控制 器，該校正控制器可連接至該至少一個光學路由組件且可連接至該成像器；該校正控制器經配置以執行以下各者：在i中：操作該至少一個光學路由組件以自該成像器獲得一第一圖像資料，該第一圖像資料指示該中間光束在該第一光學模組下游之該某一光學距離處的該強度分佈，且處理該第一圖像資料以決定指示該第一光學模組相對於至少一個側向軸之不對準的資料；在iii中：操作該至少一個光學路由組件以自該成像器獲得一第二圖像資料，該第二圖像資料指示該輸出光束在相對於該第二光學模組之中場及遠場中之一者內的該強度分佈，且處理該第二圖像資料以決定指示該第二光學模組相對於該至少一個側向軸之不對準的資料。
  6. 如請求項1所述之光束成形模組，該光束成形模組包含：一光束放大器，該光束放大器具有一可調整放大比率且沿著該第一光學模組上游之該入射光束之該光學路徑定位；該校正模組經配置且可操作用於藉由控制該光束放大器之一放大比率將該入射光束之一寬度校正至一預定大小，因此改進該入射光束之成形的準確度。
  7. 如請求項6所述之光束成形模組，該光束成形模組與一光學路由組件相關聯，該光學路由組件適合將與該光束放大器互動之光可控制地引導至一成像器，該校正模組包含：一校正控制器，該校正控制器可連接至該成像器以自該成像器 接收指示該入射光束之一寬度的圖像資料，且產生用於控制該放大比率之操作指令。
  8. 如請求項7所述之光束成形模組，其中該校正模組經配置且可操作以在順序校正該第一光學模組及該第二光學模組之該等位置之前校正該入射光束之一寬度。
  9. 一種用於校正通過一光束成形模組之一入射光束之一強度及一相位的控制系統，該光束成形模組具有：與該入射光束順序互動之第一光學模組及第二光學模組，該控制系統包含：一校正控制器，該校正控制器經配置且可操作用於控制該第一光學模組及該第二光學模組中之每一光學模組與該光學路徑之側向對準，以因此使得給定預定波前及側向強度分佈之一同調入射光束之成形成為可能，以形成具有期望波前及期望側向強度分佈之一輸出光束。
  10. 如請求項9所述之控制系統，其中該校正控制器經配置且可操作以順序地執行以下各者：i.監視藉由該入射光束與該第一光學模組之互動形成之一中間光束之一強度分佈，決定指示該第一光學模組之一側向不對準之資料，且操作該第一側向對準模組以對準該第一光學模組以形成該中間光束之該期望強度分佈；及ii.對應於該輸出光束之該波前結構，監視該輸出光束相對於該第二光學模組在該中場及該遠場之至少一者中的 一強度分佈，且因此決定指示該第二光學模組之一側向不對準的資料，且操作該第二側向對準模組以對準該第二光學模組來形成具有該期望強度分佈及該期望波前的該輸出光束。
  11. 如請求項10所述之控制系統，其中決定該第一光學模組及該第二光學模組中之至少一個光學模組的側向不對準之步驟包含以下步驟：處理該對應強度分佈以決定指示該側向不對準之不對稱參數值，該對應強度分佈分別與該中間光束及該輸出光束中之一個光束相關聯。
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