KR101657053B1 - 구조화된 거울 표면을 가진 공간적 광 조절기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SLM, 특히 단순한 시스템 구성, 높은 정확도, 높은 파워 핸들링 능력, 높은 처리량 및/또는 높은 광학 처리 능력을 가진 응용을 위한 반사 마이크로기계적 SLM을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 응용은 광학 데이터 처리, 이미지 투사, 리소그래피, 이미지 향상, 홀로그래피, 광학 메트롤로지, 일관성(coherence), 및 파면 제어를 포함한다. 본 발명의 특별한 태양은 회절성 SLM의 색수차 없앰이고, 이러한 SLM은 순차적으로, 동시에 또는 매우 짧은 펄스에서 스펙트럼 확장의 결과로 다수의 파장으로 이용될 수 있다.
Description
본 발명은 구조화된 거울 표면을 가진 공간적 광 조절기에 관한 것으로서, 본 출원은 미국 가특허출원 제 60/047,715호를 우선권으로 주장한다. 관련된 출원은 참조에 의해 인용된다.
SLM들은 마이크로 기계적 셔터 또는 거울에 기초하거나 또는 반사 액체 크리스탈 또는 다른 전자-광학 셀에 기초하여 투과성 또는 반사성일 수 있다. 이러한 발명의 대부분은 즉, 마이크로 거울 배열과 같은 마이크로 기계적 반사 SLM에 관한 것이다. 마이크로 기계적 SLM을 반사하는 것은, 이러한 SLM이 값싸고 안정적일 수 있으며 높은 파워 핸들링 능력 및 매우 높은 데이터 속도를 가질 수 있다는 장점을 갖는다. SLM은 많은 수백만 거울의 큰 배열에서 설치될 수 있고, 작동 속도는 거울 자체의 작동보다 데이터 로딩 속도에 의해 더욱 제한되는데, 왜냐하면 각각의 거울은 수백 킬로헤르츠 또는 메가헤르츠 범위에서 작동할 수 있기 때문이다. 칩(chip)으로 데이터를 가져오는 장애물 없이, 마이크로 거울 배열은 초당 1012 픽셀 작동에서 쉽게 작동할 수 있다. 다른 장점은, 예를 들어 깊은 UV(deep UV) 또는 더욱 극단적인 UV(소프트 x-ray) 광에서 매우 짧은 파장의 광으로 이용될 수 있다는 점이다.
공간적 광 조절기의 많은 상이한 유형은 특허 및 회의에서 공개되어 왔다. 마이크로 거울 배열의 4개의 상이한 유형은 기술적으로 중요하고, 이하의 거울 배열 SLM들 중에 설계 및 작동 원리에서의 변화를 동시에 나타낸다: 투사에 주로 이용되는 텍사스 인스트루먼트의 DMD 거울 배열(미국 특허 제 5,583,688호); /융블래드 등/으로부터 위상 계단을 가진 SLM을 포함한 리소그래피(미국 특허 제 7,009,753호) 1§0020에 이용된 마이크로닉스사의 기울임 거울; 루슨트(Lucent) 및 FhG-IPMS에 의해 제시된 파면 교정 및 리소그래피를 위한 피스톤 유형 SLM; 및 실리콘 광 머신(미국 특허 제 5,459,610호)에 의해 투사 디스플레이 및 리소그래피를 위한 일차원 배열. 반사하는 마이크로기계적 SLM을 볼 때, 이러한 배열 유형의 성질을 이해하는데 이용된다.
TI의 DMD(미국 특허 제 5,583,688호)와 같이 거울 같은 반사에 의해 일정한 작업과 회절에 의한 나머지는 대부분의 다른 유형과 같다. 회절시, 픽셀 내의 또는 픽셀 사이의 위상차는 광을 조절하는데 이용된다. 거울 같은 반사에서, 픽셀 표면의 방향은 반사된 빔을 옵틱스의 수용 구멍으로 또는 그 밖으로 보낸다. 상이한 SLM 사이의 다른 구별은 광이 인접한 거울 사이에서 간섭성인지 아닌지 일 수 있다. TI의 DMD가 이용될 때, 광은 거울 사이에서 일반적으로 간섭성이 아니고; 피스톤 유형의 SLM에서 이는 간섭성이어야 하며; 실리콘 광 머신의 장치에서 이는 장치 및 시스템 설계에 따라 픽셀 사이에서 간섭성일 수 있거나 또는 아닐 수 있다. 세번째 구별은 구동 유형인데, 즉 거울이 스윙 보드(swing board)와 같이 기울어지거나 또는 피스톤과 같이 위 아래로 이동하는 지이다. 네번째 구별은 거울이 구동될 때 전기장의 위상, 크기, 또는 둘 모두가 조절되는 지이다. 마지막으로, 작동은 온-오프("디지털")일 수 있거나 또는 다중 상태("아날로그")를 가질 수 있다.
위에서 SLM을 분석하는 것과 같이, TI의 DMD 설계는 그 자체로 그룹에 속하는데: 거울 같고, 거울 사이에서 비간섭성이며, 기울어지고, 옵틱스를 통해 광의 양 만을 조절하며, 온-오프된다. 회절에 의한 대부분의 다른 장치 작업은 다중 상태와 인접한 거울 사이에서 적어도 일정한 정도의 간섭성을 갖는다. 이러한 두 그룹을 비간섭성 그리고 간섭성 조절기라고 부를 수 있다. 마이크로닉스의 SLM, 실리콘 광 머신, FhG-IPMS 및 루슨트와 같은 간섭성 조절기 중에서, 조절의 유형 및 구동의 유형은 변한다.
회절성 SLM의 공통 성질은 이들이 단색성이라는 점이다. 이들은 파괴적 간섭을 통해 어두움을 생성하고, 파괴적 위상 관계는 오직 하나의 파장에서 완벽하다. 많은 SLM은 한번에 하나의 파장을 이용하고 상이한 파장 사이의 (아날로그) 구동을 조정함에 의해 상이한 파장에 이용될 수 있다.
회절성 마이크로 거울 배열은 구동될 때 전기장의 위상, 크기 또는 이 둘의 조합을 일반적으로 변경시킨다. 이는 콤플렉스 평면에서 궤적으로서 설명될 수 있고, 이러한 궤적은 거울이 릴렉스(relaxed)된 상태로부터 완전히 활성화될 때(fully activated)로 점진적으로 활성화될 때 반사된 E-필드 위상자는 콤플렉스 평면에서 추적한다. 상이한 응용이 요구되거나 또는 상이한 궤적에 의해 최고로 제공되며, SLM의 궤적은 개시된 방법, 특히 거울 표면 상에서 다른 표면 프로파일 및 높이 계단의 생성에 의해 수정될 수 있다.
다양한 성질을 가진 인가 표면 프로파일은 오직 마이크로 거울의 표면 프로파일을 수정함에 의해 동일한 구동 회로를 이용하여 설치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양은 높이 계단에 의해 기울임 거울은 완전한 콤플렉스 조절기로 이루어질 수 있다는 점이다. 완전한 콤플렉스 조절은 다음의 기술에서 공지되어 있다(Florence,J.M.,"Full Complex Spatial Filtering with a Phase Mostly DMD",Proc.SPIE 1558, pp.487-498(1991); 미국 특허 제 7,227,687호).
디지털 투사기 및 디지털 영화를 위한 텍사스 인스트루먼트의 DLP 마이크로 거울 배열은 반사성 마이크로 기계적 SLM이다. OEM 기초 TI의 장치의 최근의 활용성은 산업 응용의 넓은 범위를 낳았다. TI의 마이크로 거울은 비간섭성 온-오프 조절기이고, 이는 본질적으로 각각의 거울에서 광을 온 및 오프한다. 이러한 조절기는 다양한 응용에 대해 상당한 독창성으로 인가되어왔다. 일정한 응용은 간섭성 조명원을 가진 SLM에 의해 최고로 제공되며, 따라서 DMD에 의해 잘 제공되지는 않는다. OEM 응용에서 DMD의 성공은, 광학적 빌딩 블록으로서 SLM의 전력을 도시하지만, 이상적인 SLM이 나타나는 데에 대한 기다림은 여전히 큰 응용분야이다. 이 출원에서 개시된 SLM은 이러한 다른 응용 분야에서의 이용을 향해 SLM 기술을 진전시키려 한다.
거울로부터 거울로의 광의 위상 및 간섭 성질을 보존하는 간섭성 공간적 광 조절기는 마이크로닉스 레이저에 의해 리소그래피에 이용되어 왔다. 회절성 마이크로 거울 배열은 이미지 조절기로서 이용되고 깊은 UV 광을 포토레지스트에 투사하며, 0.1마이크론과 같이 작은 피쳐를 가진 패턴을 생성한다.
비간섭성 및 간섭성 조절기 사이의 한가지 차이점은 이동 양이다. 간섭성 또는 회절성 조절기는 파장의 일부분에 의해 이동하는 거울을 갖고, 비간섭성 조절기는 상이한 방향으로 거울 같은 반사를 보내도록 기울어지는 거울 플랩(mirror flaps)을 갖는다. 비간섭성 조절기는 엣지에서 10개의 파장을 팁한다(tip). 간섭성 조절기는 완전한 위상 표면을 형성할 수 있고, 위상은 비간섭성 조절기에서 잘 제어되지 않거나 또는 전혀 제어되지 않는다. 좋은 위상 제어는 홀로그래피 및 파면 교정과 같은 일정한 응용에서 중요하다.
회절성 마이크로 기계적 조절기의 두 가지 메인 유형은 피스톤 거울 및 기울임 거울이다. 피스톤 거울은 위 아래로 이동하고, 반사된 광의 크기를 일정하게 유지시키면서 이로부터 반사된 광의 위상을 변화시킨다. 기울임 거울은 반대 성질을 갖는다: 이는 위상을 일정하게 유지하면서 반사된 광의 크기를 변화시킨다. 이러한 두 가지 유형은 상이한 응용을 갖는다. 피스톤 유형은 빔 조정, 파면 교정 및 홀로그래피에 더 적절하다. 다른 한편으로 기울임 유형은 높은 품질 리소그래피에 더 적절하다. 그러나, 응용이 오버랩된다. 피스톤 유형은 더욱 복잡한 래스터화(rasterization)를 가진 리소그래피에 이용될 수 있다. 또한, 일정한 응용에서 어떠한 유형도 완전하지 못한데, 왜냐하면 필요한 것은 실제로 크기 및 위상 모두를 조절할 수 있는 완전한 콤플렉스 장치이기 때문이다. 예를 들면, 홀로그래피는 완전한 콤플렉스 조절기를 필요로 하고, 기울임 및 피스톤 조절기 모두가 근사된다. 완전한 콤플렉스 조절기(fully complex modulator)의 중요한 성질은, 이들이 높은 차수의 이미지 및 거울(다시 말하면 컨쥬게이트(conjugate))의 그리고 0차(즉, 비굴절된) 광의 뛰어난 억제로 광학 축에 밀접한 회절 패턴을 형성하는데 이용될 수 있다는 점이다.
공간적 광 조절기의 많은 상이한 유형은 특허 및 회의에서 공개되어 왔다. 마이크로 거울 배열의 4개의 상이한 유형은 기술적으로 중요하고, 이하의 거울 배열 SLM들 중에 설계 및 작동 원리에서의 변화를 동시에 나타낸다: 투사에 주로 이용되는 텍사스 인스트루먼트의 DMD 거울 배열(미국 특허 제 5,583,688호); /융블래드 등/으로부터 위상 계단을 가진 SLM을 포함한 리소그래피(미국 특허 제 7,009,753호) 1§0020에 이용된 마이크로닉스사의 기울임 거울; 루슨트(Lucent) 및 FhG-IPMS에 의해 제시된 파면 교정 및 리소그래피를 위한 피스톤 유형 SLM; 및 실리콘 광 머신(미국 특허 제 5,459,610호)에 의해 투사 디스플레이 및 리소그래피를 위한 일차원 배열. 반사하는 마이크로기계적 SLM을 볼 때, 이러한 배열 유형의 성질을 이해하는데 이용된다.
TI의 DMD(미국 특허 제 5,583,688호)와 같이 거울 같은 반사에 의해 일정한 작업과 회절에 의한 나머지는 대부분의 다른 유형과 같다. 회절시, 픽셀 내의 또는 픽셀 사이의 위상차는 광을 조절하는데 이용된다. 거울 같은 반사에서, 픽셀 표면의 방향은 반사된 빔을 옵틱스의 수용 구멍으로 또는 그 밖으로 보낸다. 상이한 SLM 사이의 다른 구별은 광이 인접한 거울 사이에서 간섭성인지 아닌지 일 수 있다. TI의 DMD가 이용될 때, 광은 거울 사이에서 일반적으로 간섭성이 아니고; 피스톤 유형의 SLM에서 이는 간섭성이어야 하며; 실리콘 광 머신의 장치에서 이는 장치 및 시스템 설계에 따라 픽셀 사이에서 간섭성일 수 있거나 또는 아닐 수 있다. 세번째 구별은 구동 유형인데, 즉 거울이 스윙 보드(swing board)와 같이 기울어지거나 또는 피스톤과 같이 위 아래로 이동하는 지이다. 네번째 구별은 거울이 구동될 때 전기장의 위상, 크기, 또는 둘 모두가 조절되는 지이다. 마지막으로, 작동은 온-오프("디지털")일 수 있거나 또는 다중 상태("아날로그")를 가질 수 있다.
위에서 SLM을 분석하는 것과 같이, TI의 DMD 설계는 그 자체로 그룹에 속하는데: 거울 같고, 거울 사이에서 비간섭성이며, 기울어지고, 옵틱스를 통해 광의 양 만을 조절하며, 온-오프된다. 회절에 의한 대부분의 다른 장치 작업은 다중 상태와 인접한 거울 사이에서 적어도 일정한 정도의 간섭성을 갖는다. 이러한 두 그룹을 비간섭성 그리고 간섭성 조절기라고 부를 수 있다. 마이크로닉스의 SLM, 실리콘 광 머신, FhG-IPMS 및 루슨트와 같은 간섭성 조절기 중에서, 조절의 유형 및 구동의 유형은 변한다.
회절성 SLM의 공통 성질은 이들이 단색성이라는 점이다. 이들은 파괴적 간섭을 통해 어두움을 생성하고, 파괴적 위상 관계는 오직 하나의 파장에서 완벽하다. 많은 SLM은 한번에 하나의 파장을 이용하고 상이한 파장 사이의 (아날로그) 구동을 조정함에 의해 상이한 파장에 이용될 수 있다.
회절성 마이크로 거울 배열은 구동될 때 전기장의 위상, 크기 또는 이 둘의 조합을 일반적으로 변경시킨다. 이는 콤플렉스 평면에서 궤적으로서 설명될 수 있고, 이러한 궤적은 거울이 릴렉스(relaxed)된 상태로부터 완전히 활성화될 때(fully activated)로 점진적으로 활성화될 때 반사된 E-필드 위상자는 콤플렉스 평면에서 추적한다. 상이한 응용이 요구되거나 또는 상이한 궤적에 의해 최고로 제공되며, SLM의 궤적은 개시된 방법, 특히 거울 표면 상에서 다른 표면 프로파일 및 높이 계단의 생성에 의해 수정될 수 있다.
다양한 성질을 가진 인가 표면 프로파일은 오직 마이크로 거울의 표면 프로파일을 수정함에 의해 동일한 구동 회로를 이용하여 설치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양은 높이 계단에 의해 기울임 거울은 완전한 콤플렉스 조절기로 이루어질 수 있다는 점이다. 완전한 콤플렉스 조절은 다음의 기술에서 공지되어 있다(Florence,J.M.,"Full Complex Spatial Filtering with a Phase Mostly DMD",Proc.SPIE 1558, pp.487-498(1991); 미국 특허 제 7,227,687호).
디지털 투사기 및 디지털 영화를 위한 텍사스 인스트루먼트의 DLP 마이크로 거울 배열은 반사성 마이크로 기계적 SLM이다. OEM 기초 TI의 장치의 최근의 활용성은 산업 응용의 넓은 범위를 낳았다. TI의 마이크로 거울은 비간섭성 온-오프 조절기이고, 이는 본질적으로 각각의 거울에서 광을 온 및 오프한다. 이러한 조절기는 다양한 응용에 대해 상당한 독창성으로 인가되어왔다. 일정한 응용은 간섭성 조명원을 가진 SLM에 의해 최고로 제공되며, 따라서 DMD에 의해 잘 제공되지는 않는다. OEM 응용에서 DMD의 성공은, 광학적 빌딩 블록으로서 SLM의 전력을 도시하지만, 이상적인 SLM이 나타나는 데에 대한 기다림은 여전히 큰 응용분야이다. 이 출원에서 개시된 SLM은 이러한 다른 응용 분야에서의 이용을 향해 SLM 기술을 진전시키려 한다.
거울로부터 거울로의 광의 위상 및 간섭 성질을 보존하는 간섭성 공간적 광 조절기는 마이크로닉스 레이저에 의해 리소그래피에 이용되어 왔다. 회절성 마이크로 거울 배열은 이미지 조절기로서 이용되고 깊은 UV 광을 포토레지스트에 투사하며, 0.1마이크론과 같이 작은 피쳐를 가진 패턴을 생성한다.
비간섭성 및 간섭성 조절기 사이의 한가지 차이점은 이동 양이다. 간섭성 또는 회절성 조절기는 파장의 일부분에 의해 이동하는 거울을 갖고, 비간섭성 조절기는 상이한 방향으로 거울 같은 반사를 보내도록 기울어지는 거울 플랩(mirror flaps)을 갖는다. 비간섭성 조절기는 엣지에서 10개의 파장을 팁한다(tip). 간섭성 조절기는 완전한 위상 표면을 형성할 수 있고, 위상은 비간섭성 조절기에서 잘 제어되지 않거나 또는 전혀 제어되지 않는다. 좋은 위상 제어는 홀로그래피 및 파면 교정과 같은 일정한 응용에서 중요하다.
회절성 마이크로 기계적 조절기의 두 가지 메인 유형은 피스톤 거울 및 기울임 거울이다. 피스톤 거울은 위 아래로 이동하고, 반사된 광의 크기를 일정하게 유지시키면서 이로부터 반사된 광의 위상을 변화시킨다. 기울임 거울은 반대 성질을 갖는다: 이는 위상을 일정하게 유지하면서 반사된 광의 크기를 변화시킨다. 이러한 두 가지 유형은 상이한 응용을 갖는다. 피스톤 유형은 빔 조정, 파면 교정 및 홀로그래피에 더 적절하다. 다른 한편으로 기울임 유형은 높은 품질 리소그래피에 더 적절하다. 그러나, 응용이 오버랩된다. 피스톤 유형은 더욱 복잡한 래스터화(rasterization)를 가진 리소그래피에 이용될 수 있다. 또한, 일정한 응용에서 어떠한 유형도 완전하지 못한데, 왜냐하면 필요한 것은 실제로 크기 및 위상 모두를 조절할 수 있는 완전한 콤플렉스 장치이기 때문이다. 예를 들면, 홀로그래피는 완전한 콤플렉스 조절기를 필요로 하고, 기울임 및 피스톤 조절기 모두가 근사된다. 완전한 콤플렉스 조절기(fully complex modulator)의 중요한 성질은, 이들이 높은 차수의 이미지 및 거울(다시 말하면 컨쥬게이트(conjugate))의 그리고 0차(즉, 비굴절된) 광의 뛰어난 억제로 광학 축에 밀접한 회절 패턴을 형성하는데 이용될 수 있다는 점이다.
본 발명은 SLM, 특히 단순한 시스템 구성, 높은 정확도, 높은 파워 핸들링 능력, 높은 처리량 및/또는 높은 광학 처리 능력을 가진 응용을 위한 반사 마이크로기계적 SLM을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 응용은 광학 데이터 처리, 이미지 투사, 리소그래피, 이미지 향상, 홀로그래피, 광학 메트롤로지, 일관성(coherence), 및 파면 제어를 포함한다. 본 발명의 특별한 태양은 회절성 SLM의 색수차 없앰이고, 이러한 SLM은 순차적으로, 동시에 또는 매우 짧은 펄스에서 스펙트럼 확장의 결과로 다수의 파장으로 이용될 수 있다.
도 1a는 종래 기술에서 공지된 피스톤 거울 배열을 도시한다.
도 1b는 도 1a에서와 동일한 피스톤 거울 배열을 도시하고, 거울의 가장 인접한 열에 대해 선택적으로 동등한 위치를 갖는다.
도 2a는 유닛 원 및 위상자(벡터)를 가진 콤플렉스 평면을 도시하고, 이는 도 1a의 배열의 두 개의 거울로부터 반사된 광의 콤플렉스 진폭을 도시한다.
도 2b는 두 개의 거울에 대한 위상자를 가진 동일한 콤플렉스 평면을 도시하고, 더 긴 파장에서 도 2a에서와 동일한 위상자, 그리고 도 1b에서 도시된 것과 같이 상이한 위치를 가진 거울에 의해 반사된 더 긴 파장에서의 위상자 중 하나를 도시한다.
도 2c는 본문에서 설명된 특정 작동 조건에 대해 색수차가 없어진(achromatized) 거울의 평면도를 도시한다.
도 2d는 도 2c의 조건에서 작동하도록 예비-바이어스되는 두 개의 거울을 도시한다.
도 3a는 이용 가능한 반사된 콤플렉스 진폭의 자취(locus)를 가진 복잡한 평면 및 꼬이는 힌지(torsional hinge)를 가진 기울임 거울을 도시한다.
도 3b는 동일한 피스톤 작용과 이용 가능한 콤플렉스 진폭을 허용하는 꼬이는 힌지를 가진 기울임 거울을 도시한다.
도 3c는 실축(real axis)을 따라 포지티브(positive) 및 네거티브(negative) 이용 가능한 콤플렉스 진폭 모두를 가진 위상 계단 근처의 기울임을 도시한다.
도 3d는 회전축 및 힌지가 거울 표면의 엣지 및 진폭의 결과적인 자취인 기울임 거울을 도시한다.
도 3e는 회전축 및 힌지가 거울 표면의 외부에 그리고 진폭의 결과적인 자취인 기울임 거울을 도시한다.
도 4a는 종래 기술에서 공지된 기울임 거울의 배열을 도시한다.
도 4b는 위상 바이어스(phase bias)를 가진 기울임 거울의 배열을 도시한다.
도 4c는 3개의 바이어스 값을 가진 거울의 6각형 배열을 도시한다.
도 4d는 일정한 거울이 위상 바이어스를 가진 위상 계단 거울의 배열을 도시한다.
도 4e는 도 4d의 A 및 B로 표시된 거울로부터의 이용 가능한 콤플렉스 진폭을 도시한다.
도 4f는 유형 A 및 유형 B의 거울로부터의 진폭에 의해 어떻게 임의의 콤플렉스 진폭이 생성될 수 있는지를 도시한다.
도 5a는 색수차가 없어진 위상 계단 거울을 도시한다.
도 5b 및 5c는 두 개의 색수차가 없어진 위상 계단 거울의 평면도를 도시한다.
도 5d는 색수차가 없어진 위상 바이어스를 가진 8개의 거울을 도시한다.
도 5e 및 5f는 위상 바이어스를 가진 두 개의 위상 계단 거울의 대안적인 구현을 도시한다.
도 6a는 색수차가 없어진 기울임 거울을 도시한다.
도 6b는 도 6a에서 구역(A1 및 A2)의 반사 대 파장의 개략적인 형태를 도시한다.
도 6c는 어떻게 색수차가 없어진 구역이 표면 패턴에 의해 생성될 수 있는지를 도시한다.
도 6d는 도 5f 및 도 6c의 패턴의 조합을 도시한다.
도 7a는 거울 배열을 도시하고, 거울들은 반사된 광의 편광을 변경하는 표면을 갖는다.
도 7b는 임의의 편광된 광 빔을 생성하는데 이용될 수 있는 거울 배열을 도시한다.
도 7c는 임의의 편광을 생성할 수 있는 4개의 편광(polarization) 상태를 가진 푸앵카레-구(Poincare-sphere)를 도시한다.
도 7d는 SLM에서 제어 가능한 편광 요소로서 작용하는 거울을 도시한다.
도 7e는 SLM에서 제어 가능한 편광-회전 요소로서 작용할 수 있는 거울을 도시한다.
도 8a는 완전한 콤플렉스 SLM을 이용하여 홀로그래픽 리소그래픽 프린터를 도시한다.
도 8b-d는 본 발명에 따른 하나 이상의 SLM이 물체의 이미지를 향상시키는데 이용되는 이미징 시스템을 도시한다.
도 9a-9d는 일반적이며 편광적이며 간섭적인 현미경에서 본 발명에 따른 SLM들에 의해 이미지 향상을 개략적인 형태로 도시한다.
도 10a는 큰-스크린 프로젝터를 도시한다.
도 10b는 빔-조종 모드에서 장치에 의해 어떻게 이미지가 유도되는지를 도시한다.
도 10c는 SLM 및 스크린 사이에 옵틱스(optics)가 없는 채로 어떻게 이미지가 투사될 수 있는지를 도시한다.
도 1b는 도 1a에서와 동일한 피스톤 거울 배열을 도시하고, 거울의 가장 인접한 열에 대해 선택적으로 동등한 위치를 갖는다.
도 2a는 유닛 원 및 위상자(벡터)를 가진 콤플렉스 평면을 도시하고, 이는 도 1a의 배열의 두 개의 거울로부터 반사된 광의 콤플렉스 진폭을 도시한다.
도 2b는 두 개의 거울에 대한 위상자를 가진 동일한 콤플렉스 평면을 도시하고, 더 긴 파장에서 도 2a에서와 동일한 위상자, 그리고 도 1b에서 도시된 것과 같이 상이한 위치를 가진 거울에 의해 반사된 더 긴 파장에서의 위상자 중 하나를 도시한다.
도 2c는 본문에서 설명된 특정 작동 조건에 대해 색수차가 없어진(achromatized) 거울의 평면도를 도시한다.
도 2d는 도 2c의 조건에서 작동하도록 예비-바이어스되는 두 개의 거울을 도시한다.
도 3a는 이용 가능한 반사된 콤플렉스 진폭의 자취(locus)를 가진 복잡한 평면 및 꼬이는 힌지(torsional hinge)를 가진 기울임 거울을 도시한다.
도 3b는 동일한 피스톤 작용과 이용 가능한 콤플렉스 진폭을 허용하는 꼬이는 힌지를 가진 기울임 거울을 도시한다.
도 3c는 실축(real axis)을 따라 포지티브(positive) 및 네거티브(negative) 이용 가능한 콤플렉스 진폭 모두를 가진 위상 계단 근처의 기울임을 도시한다.
도 3d는 회전축 및 힌지가 거울 표면의 엣지 및 진폭의 결과적인 자취인 기울임 거울을 도시한다.
도 3e는 회전축 및 힌지가 거울 표면의 외부에 그리고 진폭의 결과적인 자취인 기울임 거울을 도시한다.
도 4a는 종래 기술에서 공지된 기울임 거울의 배열을 도시한다.
도 4b는 위상 바이어스(phase bias)를 가진 기울임 거울의 배열을 도시한다.
도 4c는 3개의 바이어스 값을 가진 거울의 6각형 배열을 도시한다.
도 4d는 일정한 거울이 위상 바이어스를 가진 위상 계단 거울의 배열을 도시한다.
도 4e는 도 4d의 A 및 B로 표시된 거울로부터의 이용 가능한 콤플렉스 진폭을 도시한다.
도 4f는 유형 A 및 유형 B의 거울로부터의 진폭에 의해 어떻게 임의의 콤플렉스 진폭이 생성될 수 있는지를 도시한다.
도 5a는 색수차가 없어진 위상 계단 거울을 도시한다.
도 5b 및 5c는 두 개의 색수차가 없어진 위상 계단 거울의 평면도를 도시한다.
도 5d는 색수차가 없어진 위상 바이어스를 가진 8개의 거울을 도시한다.
도 5e 및 5f는 위상 바이어스를 가진 두 개의 위상 계단 거울의 대안적인 구현을 도시한다.
도 6a는 색수차가 없어진 기울임 거울을 도시한다.
도 6b는 도 6a에서 구역(A1 및 A2)의 반사 대 파장의 개략적인 형태를 도시한다.
도 6c는 어떻게 색수차가 없어진 구역이 표면 패턴에 의해 생성될 수 있는지를 도시한다.
도 6d는 도 5f 및 도 6c의 패턴의 조합을 도시한다.
도 7a는 거울 배열을 도시하고, 거울들은 반사된 광의 편광을 변경하는 표면을 갖는다.
도 7b는 임의의 편광된 광 빔을 생성하는데 이용될 수 있는 거울 배열을 도시한다.
도 7c는 임의의 편광을 생성할 수 있는 4개의 편광(polarization) 상태를 가진 푸앵카레-구(Poincare-sphere)를 도시한다.
도 7d는 SLM에서 제어 가능한 편광 요소로서 작용하는 거울을 도시한다.
도 7e는 SLM에서 제어 가능한 편광-회전 요소로서 작용할 수 있는 거울을 도시한다.
도 8a는 완전한 콤플렉스 SLM을 이용하여 홀로그래픽 리소그래픽 프린터를 도시한다.
도 8b-d는 본 발명에 따른 하나 이상의 SLM이 물체의 이미지를 향상시키는데 이용되는 이미징 시스템을 도시한다.
도 9a-9d는 일반적이며 편광적이며 간섭적인 현미경에서 본 발명에 따른 SLM들에 의해 이미지 향상을 개략적인 형태로 도시한다.
도 10a는 큰-스크린 프로젝터를 도시한다.
도 10b는 빔-조종 모드에서 장치에 의해 어떻게 이미지가 유도되는지를 도시한다.
도 10c는 SLM 및 스크린 사이에 옵틱스(optics)가 없는 채로 어떻게 이미지가 투사될 수 있는지를 도시한다.
이하의 상세한 설명은 도면을 참고로 하여 이루어진다. 바람직한 실시예는 청구항에 의해 정의된 범위를 제한하려는 것은 아니고, 본 발명을 예시하도록 설명된다. 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이하의 상세한 설명 상에서 다양한 동등한 변형을 인식할 것이다.
도 1은 종래 기술의 공간적 광 조절기를 도시한다. 이는 픽셀의 배열을 갖고, 이는 일차원 또는 2차원이며 비활성 구역(passive areas)과 밀집되거나 또는 산재될 수 있다. 거울일 수 있는 각각의 픽셀은 위로 또는 아래로 이동할 수 있고, 이에 의해 상부로부터 충돌하는 광 필드(light field)는 거울 또는 픽셀의 높이에 따라 상이한 위상으로 반사된다. 도 1a에서와 같은 거울 배열은 파면 수정, 신호 처리, 빔 조정, 그리고 상기 언급된 리소그래피에 이용된다. 각각의 픽셀의 높이는 미리 계산되고, 예를 들어 전압 형태의 높이 정보는 거울을 위로 그리고 아래로 이동시키는 액츄에이터로 주입되며, 이는 원하는 이미지 또는 파면을 생성한다.
도 1의 거울은 평면이다. 나는 이제 어떻게 이러한 SLM 픽셀 및 나머지 것들의 성질이 특히 위상 계단 및 서브 파장 주기적 구조에 의해 표면 구조의 부가에 의해 특정 응용 요구로 변경되고 수정될 수 있는지를 나타낼 것이다.
원하는 이미지를 주는 거울 위치의 계산은 단일 파장에 대해 이루어질 수 있다. 다른 파장에 대해서는, 일반적으로 올바르지 않을 것이다. 예를 들어 도 1a의 하나 걸러의 거울에서 반사된 광이 전기적 위상 0도를 갖는다고 가정하자. 나머지 거울(또는 이들로부터의 광과 다른)은 공칭 파장 633nm에서 위상 180도를 갖는다. 그 결과 전기장 진폭이 동일한 강도이나 반대 위상을 갖기 때문에 전기장 진폭이 취소된다. 반사 방향으로(제로 굴절 정도), 반사된 광은 없을 것이다. 제로 정도(zero order)는 특히 파괴적 간섭에 의해 완전히 소광된다.
예를 들어 405nm의 상이한 파장의 광이 동일한 거울로 반사된다면, 405nm에서 두 유형의 거울 사이의 위상은 281도이다. 파괴적 간섭은 파괴되고, 제로 굴절된 정도에서 중요한 광이 있을 것이다. 위상각이 δ이고 파장이 λ라면, 유한 미분 dδ/dλ이 있고, 이는 소광(消光)의 손실을 지배할 것이다. 예에서 상기 dδ/dλ는 대략 nm당 (281-180)/(405-633)=-0.44도이다.
도 1b는 공칭 파장(nominal wavelength) 633nm에서 정확하게 파장의 절반에 변위된 대안적인 위치에서 도 1a의 제 1 열의 거울의 각각을 도시한다. 633nm에서 대안적인 위치들 중 하나가 이용되는 반사된 필드(거울 사이의 경계에서 인접-필드 효과를 무시함)에서 보는 것이 불가능한데, 왜냐하면 두 대안적인 위치 사이의 위상차가 정확히 하나의 파장(광이 반사되기 때문에, 절반 파장 X 2)이기 때문이다. 대안적인 위치는 각각의 거울에 대해 이용될 수 있고, 633nm에서 반사에 영향을 미치지 않을 것이다.
그러나, 상이한 파장에서, 대안적인 위치는 dδ/dλ의 상이한 값을 갖기 때문에, 633nm에 대해 계산된 대안적인 위치의 위상 사이의 큰 차이가 있다. 특히, 일정한 대안적인 위치는 포지티브(positive)를 가질 것이고, 일부는 네거티브 dδ/dλ를 가질 것이다. 일정한 거울에 대해 또는 거울의 일정한 부분에 대해 대안적인 위치를 선택함에 의해, 파장에 대한 의존성을 약분(cancel)하는 것이 가능하다. 거울의 절반은 위상 0을 가지고, 나머지 절반이 위상 -180도 및 +180도의 동일한 구역으로 나뉜다면, 미분 계수(derivatives)의 1차 약분(first-order cancellation)이 있을 것이고, 소광(extinction)은 작은 파장 시프트에 대해 독립적인 파장일 것이다.
더욱 완벽한 분석은, 2차 효과가 있음을 나타낼 것이다: 50% +180도 및 50% -180도를 가진 거울은 파장 오차의 2차 함수에 의해 감소되는 평균 반사율을 가질 것이다. 교정의 다음 레벨은 0도 거울을 50% 0도, 25% 360도, 그리고 25% -360도로 만든다. 이러한 방식으로, 점진적으로 고차의 색수차를 없애는 것이 배열에 부가될 수 있고, 하나의 파장에 대해 뛰어난 소거는 인접한 파장에 대해서도 뛰어난 소거라는 관점에서 색수차가 부가될 수 있다.
색수차를 없애는 원리는, λ0에서 δ0의 위상차는 미분 계수 dδ/dλ= -δ0/λ0을 주고, 동치(同値)(λ0에서) δ0-360도는 미분 계수 dδ/dλ=(360-δ0)/λ0을 주며, 이는 위상 δ0을 가진 구역(A)이 위상 δ1=δ0과 구역 A1=A*((360-δ0)/360)인 하나의 부분 및 위상 δ2=δ0-360과 구역 A2=A*(δ0/360)인 하나의 부분으로 나뉘는 경우이다.
이러한 경우와 더욱 복잡한 경우는 미분 계수 d(Re(Etotal))/dλ 및 d(Im(Etotal))/dλ를 찾음에 의해 풀릴 수 있고, 이 경우 Etotal은 구역 A에 걸쳐 적분된 복소수(integrated complex) E 필드(위상자로서)이고, Re 및 Im은 실제 및 가상 필드(real and imaginary field)를 표시하고, 이들 0과 동일하게 설정한다. dn(Re(Etotal))/dλn 및 dn(Im(Etotal))/dλn(n=2, 3, 또는 그보다 큼)이 파장 범위(wavelength span)에 걸쳐 0 또는 최소값으로 설정된다면, 더욱 완전하게 색수차를 없애는 것이 뒤따른다.
도 2a는 두 개의 위상자(203, 204)에 의해 표시된 두 개의 피스톤 구역(A, B)에 의해 어떻게 임의의 복소값(202)이 생성되는지를 콤플렉스 평면(201)에 도시한다. 각각의 위상자는 콤플렉스 진폭 반사(R)를 표시하고, 위상이 변할 때 위상자가 오리진(origin) 주위로 회전한다. 두 개의 위상자(203, 204)의 각을 선택함에 의해, 원하는 콤플렉스 반사 계수(202)에 부가되도록 이루어질 수 있다. 이는 하나의 파장에 대해서만 정확하고, 회절 성분은 단일-파장 장치로서 일반적으로 고려된다.
파장이 변할 때 일어나는 것은 도 2b에서 도시된다. 일정한 거울 높이에 대한 위상은 그 크기가 더 작아지게 되는데, 왜냐하면 파장이 더 길기 때문이며, 이는 점선 위상자(205)이다. 적분된 복소수 진폭은 이후 (206)이 되고, 이는 예를 들어 오리진에 가깝다. 그러나, A의 위상은 원하는 파장에서 360도에 의해 변경된다면, 위상자는 파장에 따라 반대 의존성을 가지며 이에 의해 A의 위상은 더 긴 파장과 함께 커진다((205)의 반대 의존성). 구역(A)을 (205)와 같은 하나의 부품 및 (208)과 같은 하나의 부품으로 나눔에 의해, 조합된 위상자는 파장에 독립하여 이루어질 수 있다. 동일한 것이 위상자(205)로 수행된다면, 포인트(202)는 파장에 독립적으로 이루어질 수 있다.
피스톤 거울은 긴 스트로크를 가질 수 있는데, 즉 하나의 단일 주기의 외부 또는 0 내지 360도의 위상각을 만드는데 이용될 수 있다. 상기 설명된 색수차 없앰을 위한 방법은 위상각의 작은 범위에서 최고로 작동한다. 따라서, 가장 가능성 있는 또는 가장 중요한 위상 범위를 색수차를 없앰에 입력하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 이는 소거가 파괴적 간섭에 의해 생성되는 경우의 각이다. 색수차 없앰은 이후 이러한 중요한 범위에 대해 위상자에서의 변화를 최소화함에 의해 수행된다.
도 2c는 상기 중요한 범위가 보일 수 있는 경우의 피스톤 거울의 색수차 없앰의 예이다. 도 2c는 피스톤 거울의 규칙적인 카르테시안(Cartesian) 배열을 도시한다. 이는 체커 보드 상에서 검은색 및 흰색 사각형에 대응하는 A 및 B 거울로 나뉜다. "검은색" 거울(A)(209)은 -180 내지 0도의 범위에서 이용되는 것이 바람직하고, "흰색" 거울(B)(210)은 0 내지 180도의 범위에서 이용되는 것이 바람직하다. 어두운 구역을 만들기 위해, A 거울은 -90도로 구동되고, B 거울은 공칭 파장에서 90도로 구동된다. 차이는 180도이고, 거울은 파괴적 간섭에 의해 0차(zero order)를 소거한다. 긴 파장에서, 평면 거울에 대해 위상차는 더 작아질 것이고, 소거는 완전하지 않다. 평면 거울로, 0차는 공칭 파장, 즉 가시 범위의 중앙에서 550nm의 파장에서 소거될 것이다. 더 긴 그리고 짧은 파장이 누설될 것이고, 0차는 자주색으로서 빨강 및 파랑 사이의 혼합일 것이다.
그러나, 도 2c의 거울은 위상 0을 가진 하나의 구역(211)과 A 거울에 대해 +360도의 높은 위상 및 B 거울에 대해 360nm의 낮은 위상을 가진 구역(212)을 가짐에 의해 색수차를 없애게 된다. 총 피스톤 거울의 일부로서 구역(212)의 크기는 어떠한 위상에서 각각의 거울이 최고의 색수차 없앰을 갖는지를 결정한다. 공칭 소거 -90 및 +90도에서 최적이 되기 위해, 시프트된 구역(212)은 비시프트된 구역(211)의 1/3이어야 한다. 이후 0차의 소거는 중앙 파장 주위의 연장된 범위에서 모든 파장에 대해 좋고, 0차는 자주색이 아니고 검은색이다. 연장된 범위에 의해 0-60nm, 바람직하게는 100nm 또는 그 초과를 의미한다. 개시된 기술은 가시 스펙트럼에 걸쳐 0차의 연장을 만들 수 있다고 기대되는데; 즉, 약 400nm 내지 750nm의 파장의 범위에 걸쳐 λ 내지 2λ의 범위 또는 λ 내지 λ+350nm의 범위이다.
도 2d에서 바이어스는 거울에 부가되고, 이에 의해 먼저 동일한 힘이 A 및 B 거울 모두에 대해 필요하고, 이에 의해 이를 각각의 하나의 바람직한 범위의 중앙에 가져오고, 다음으로 45도 바이어스가 있으며, 이에 의해 거울 사이에서 일정한 변화가 있는 경우에 모든 거울은 -180 및 0도의 각으로 오게 될 수 있다.
색수차 없앰에 필요한 스텝 높이(step height)는 중앙 파장의 위상의 약 180도인 것이 일반적이다. 가스 또는 진공에서 가시 파장 및 작동에 대해, 중앙 파장은 대략 540nm이고 물리적 파장 높이는 270nm이다. 융블래드/Ljungblad/에서 위상 계단의 높이는 90도이고, 위상 바이어스는 종종 45도 스텝이다. 이는 두 개의 결과를 갖는다: 먼저 상이한 설계가 부가될 수 있고, 둘째로 135도를 넘는 높이차는 장치의 파장 교정에 영향을 미치고, 색수차 없앰을 위해 부가되었을 수 있다.
기울임 거울
샌드스톰(Sandstorm), 혼벡(Hornbeck) 및 융블래드는 기울임 거울의 다양한 유형을 설명한다. 도 3a는 비틀림 힌지(302)를 가진 거울(301)과 정전기적 액츄에이터(303)를 도시한다. 평균 콤플렉스 반사 계수는 표면 위에 반사의 적분에 의해 발견될 수 있고, 위상 인자는 위치 및 기울임 각(304)으로부터 온다. 거울이 광에 수직일 때, 반사 계수는 1+0j이다(물질의 반사도 손실과 규정화에 의해 거울 주위의 슬릿에서의 손실을 제거함). 거울은 연속적으로 큰 각으로 기울어질 때, 평균 반사 계수는 도 3a에서 삽입된 콤플렉스 평면에서 도시된 것과 같은 직선 라인을 따라 1+0j으로부터 0+0j(실제로 -0.2+0j)이다.
또한, 도 3b에서 비틀림 힌지(305)는 피스톤 효과를 생성하도록 구부려질 수 있다. 도 3b에서 도시된 실시예에서, 다수의 액츄에이터(306, 307, 308)가 있다. 상이한 힘이 액츄에이터에 인가됨에 의해, 거울을 기울일 수 있고, 기울임 없이 액츄에이터를 향해 당기거나 또는 조합된 작용을 할 수 있다. 액츄에이터로부터의 조합된 힘은 피스톤 작용(309)을 일으키고, 우측 액츄에이터 및 좌측 액츄에이터 사이의 차이는 기울임을 일으키며, 이러한 이동은 조정될 수 있고 임의의 콤플렉스 반사 계수를 주도록 거울을 제어하는데 이용될 수 있다. 둘 또는 그 초과의 액츄에이터를 가진 도 3b의 거울은 큰 배열로 만들어질 수 있고, 이는 완전히 콤플렉스 공간적 광 조절기로서 이용된다. 임의의 반사 계수가 어떻게 생성되는지는 삽입된 콤플렉스 평면에서 도시된다. 거울이 기울어질 때, 반사 계수는 유닛 원 상의 높은 반사로부터 오리진의 전부에서 반사가 없도록 변화된다. 피스톤 작용은 궤도가 오리진 주위로 회전하게 한다. 콤플렉스 평면에서의 어느 포인트는 기울임(반경) 및 피스톤(회전)의 조합에 의해 도달될 수 있다.
도 3c는 반사면(313, 314) 사이에서 위상 계단(312)을 가진 거울을 도시하고, 이는 높이에서 90도 또는 공칭 파장에서 180도 지연을 만든다. 반사면이 투사광(미국 특허 제 7,110,159호)에 수직일 때, 이러한 계단은 0차를 소거한다. 거울이 일 측면으로 기울어질 때, 0도의 위상으로 밝아지고, 나머지 측면으로 기울어지면 180도인 위상으로 밝아진다. 이러한 위상 단계 거울은 도 3b에서 피스톤 작용화 조합될 수 있고, 도 3b에서 거울만큼 피스톤 이동의 오직 절반으로 임의의 콤플렉스 반사 계수를 나타낸다.
그러나, 피스톤 및 기울임 작용을 가진 거울은 기계적으로 복잡하고(complex), 이하에서 나타날 것처럼 단순한 기계적 구조를 가진 완전히 복소적인 조정을 갖는 것이 바람직하다. 피스톤 이동은 일정한 거울의 고정된 수직 오프셋에 의해 교체될 수 있다. 도 4a는 종래 기술에서 알려진 거울 배열을 도시한다. 이러한 유형의 배열은 리소그래피에 이용된다(미국 특허 제 7,009,753호). 도 4b에서 이러한 배열은 위상에서 90도만큼 변위된 거울들의 절반을 갖는다. 거울들의 절반은 0+0j로부터 1+0j의 반사도를 갖고, 나머지 거울들은 0+0j로부터 0+1j의 반사도를 갖는다. 이러한 두 유형은 체커보드 패턴으로 배열된다. 또한, 행 또는 열별(columnwise) 그리고 다른 치밀한 패턴이 가능하다. 광학 시스템이 개별적인 거울을 분해하지 않는다면, 0 내지 90도의 위상 및 0 내지 1의 크기의 콤플렉스 반사 계수의 둘 이상의 거울을 넘는 평균은 두 개의 유형의 중첩에 의해 생성될 수 있다. 이는 완전한 콤플렉스 SLMs를 허용하지 아니하지만, 위상각은 구동에 의해 조정될 수 있는 SLM에 대해 허용된다.
도 4c에서 3가지 유형의 거울을 가진 육각형 패턴이 도시된다. 하나의 유형은 0도를 갖고, 두 번째 그리고 세 번째 유형은 각각 120도 및 240도의 상대적 위상을 갖는다. 0 내지 360도의 위상각은 3가지 유형의 조합에 의해 합성될 수 있다. 사실, 어떠한 콤플렉스 계수는 1+0j, 0.5+sqrt(3/4)j, -0.5-sqrt(3/4)j 등에서 코너를 가진 육변형 내에서 합성될 수 있다.
도 4d는 도 4b에서와 유사한 체커보드 패턴을 도시하고, 이는 도 3c에서와 같은 위상-계단 거울을 가지고 있다. 각각의 거울은 -1+0j 내지 +1+0j 또는 0-1j 내지 0+1j로 조정될 수 있다. 두 개의 거울은 함께 단위 원 내에서 콤플렉스 반사 계수를 합성할 수 있고, 즉, 도 4d의 SLM은 완전히 콤플렉스 조절기이다. 어떻게 이렇게 작업되는지는 도 4e 및 4f에서 설명된다. A 거울은 도 4e에서 콤플렉스 평면에서 라인 A를 따라 반사를 준다. B 거울은 라인 B를 따른다. 라인 A 및 B는 두 유형의 거울에 대해 자취 또는 궤적이라고 불릴 수 있다. 도 4f의 어두운 지점에 의해 도시된 임의의 위치는 두 개의 위상자의 합계로서 합성될 수 있고, 하나는 A 궤적을 따르고 그리고 하나는 B 궤적을 따른다.
따라서, 도 4d는 많은 응용에 이용될 수 있는 완전한 콤플렉스 공간적 광 조절기를 도시한다: 패턴 생성, 빔 형상화, 빔 조정, 신호 처리, 부호 매김, 필터링, 실시간 홀로그래피, 그리고 도구 및 산업 처리에서의 많은 다른 이용들.
기울임 거울의 색수차를 없앰
도 3c의 계단 높이는 도 2c와 관련하여 설명된 유사한 방식으로 색수차가 없애진다. 종래 기술의 융블래드/Ljungblad/에서의 위상 계단은 기울임 축과 일치한다. 색수차 없앰은 기울임 축/위상 계단의 각각의 측부 상에서 거울 구역을 부분 구역으로 하위 분할하고, 이들 사이에 높이 차이를 부가함에 의해 수행된다. 1차 결과는 도 5a 및 5b에서 도시된 거울이다. 거울의 일 측면(501)은 위상각 0도를 갖고, 나머지는 공칭 파장에서 -180도 및 +180도 그리고 502, 503의 동일한 크기의 두 구역으로 분할된다. 이는 1차로 파장에 무관하게 두 측부 사이의 위상 차이를 만든다. 이는 작은 파장 변화에 대해 적절할 수 있다. 큰 파장 오프셋에 대해, +180도 및 -180도 구역 사이의 위상각이 큰 파장 오차와 함께 커질 것이기 때문에 두 측부 사이에 적분된 E-필드의 크기의 차이가 있을 것이다. 도 5d는 이러한 효과에 대해 수정하는 거울을 도시한다. 0도 측부는 -360도 위상을 가진 25% 구역 및 -360도를 가진 25% 구역을 갖는다. 그 결과 위상 계단이 파장의 넓은 범위에 걸쳐 색수차가 없어진 거울이다. 이러한 문맥에서 색수차를 없앰은 0차 반사가 블랙인 것을 의미하도록 이해된다. 예를 들면, 0차 반사는 전체 가시 범위와 같은 넓은 파장 범위에 걸쳐 소광되거나, 또는 이에 의해 355nm 및 405nm와 같은 파장 차이를 만드는 레이저 소스가 SLM 설계를 변경함이 없이 교환 가능하게 이용될 수 있다. 상기 설명된 것처럼, 추출이 효과적인 파장 변화의 범위는 0-60nm, 0-100nm, 0-350nm, 또는 적어도 350nm이다.
다른 위상 차이는 색수차가 없어질 수 있고, 색수차 없앰은 조합될 수 있다. 도 4b에서와 같이 90도의 위상 차이를 가진 SLM 배열은 도 5d에서 색수차가 없어진다. 도면은 90도 오프셋 거울의 체커보드 패턴을 가진 8개의 거울을 도시한다. 90도 위상을 가진 거울은 90도 위상을 가진 큰 구역 및 90-360도 위상을 가진 작은 구역으로 분할된다. 상기와 유사하게, 네거티브 위상은 구역의 일부에 n*360도를 부가함에 의해 색수차가 없어지고, n은 1과 동일 또는 더 큰 자연수이다. 구역들의 비율은 상기 주어진 관계를 따르고, 이에 의해 각각의 위상에 지정된 구역은 이러한 예의 실시예에서 0도와 같이 상기 구역 및 기준 구역 사이의 위상차의 반비례한다. 기울임 거울에 대해, 구역의 분열은 축에 수직인 라인을 따라 거울 기울임을 만들 수 있다. 그러나, 다른 형상 또는 패턴이 이하에서 설명될 것처럼 가능할 수 있다.
위상 계단 거울의 배열은 도 5e 및 5f에서 도시된 것처럼 색수차가 없어질 수 있다. 각각의 도면은 두 개의 거울을 도시하고, 하나는 0도의 위상을 가지며 하나는 90도의 위상을 가진다. 도 5b(또는 도 5c) 그리고 5d의 두 개의 색수차 없앰(achromatization)이 조합된다. 도 5f는 도 5e에서와 동일한 색수차 없앰을 도시하고, 이는 포인트-바이-포인트(point-by-point) 방식으로 위상을 부가하고, 이러한 구역 요소는 거울 구역을 작은 요소로 분해시키는 것을 피하도록 재배열된다.
기울임 거울의 기울임 각에 따라 반사 계수의 궤적은 아래와 같이 색수차가 없애질 수 있다. 도 6a는 2a 또는 2b에서와 유사한 거울을 도시하고, 이 경우 표면은 도 6b에서 도시된 것과 같이 상이한 스펙트럼 반사도를 가진 구역(A1, A2)을 갖는다. 회전 중심으로부터 더 먼 구역(A1)은 긴 파장들에 대해 더 높은 반사도를 갖는다. 표면의 수직 움직임은 회전의 중심으로부터 멀어질수록 커지고, 긴 파장에 대해 더욱 적절할 것이다. 역으로 짧은 파장은 수직 이동이 짧은 경우에 회전의 중심 근처에서 더욱 강하게 반사된다. 결과는 동일한 기울임 각은 짧은 파장 및 긴 파장 모두에 대해 소광을 만들 수 있다. 도 6b에서 스펙트럼 특성은 거울의 상이한 부분에 선택적으로 인가된 반-반사 코팅에 의해 생성될 수 있다. 도 6c는 거울 상에서 높이 프로파일에 의해 어떻게 동일한 효과가 얻어질 수 있는지를 도시한다. 도면은 예를 들어 440nm의 짧은 파장에 대해 -180도 및 +180도 위상을 가진 작은 구역 요소로 분할된 거울의 중심에서 힌지 근처의 구역(A2)을 도시한다. 위상각(+180도 및 -180도)은 실제로 동일한 위상이기 때문에, 반사도는 파장(440nm)에 대해 높고, 440nm보다 길거나 또는 짧은 파장에 대해 낮아진다. 유사하게, 구역(A1)은 패턴의 동일한 유형을 가질 수 있고 예를 들어 650nm와 같이 긴 파장에서 높은 반사도를 갖도록 조정될 수 있다. 파장 선택도는 +n*180도 및 -n*180도 위상을 가진 n의 큰 값을 이용함에 의해 증가될 수 있고, 거울 표면의 오직 일부분을 패턴화함에 의해 작아질 수 있다. 이러한 방식으로 거울 색수차 없앰은 요구사항에 따라 조정될 수 있다.
도 6d는 어떻게 기울임, 위상 계단 그리고 거울 사이의 위상차가 도 5f 및 6c로부터 포인트 바이 포인트(point by point) 위상을 부가함에 의해 동시에 색수차가 없어질 수 있는지를 도시한다. 거울 표면은 이제 다소 복소적이다. 포인트 대 포인트 위상 맵은 상기 도시된 것과 같이 유도될 수 있지만, 동등한 함수로 다른 유사한 패턴을 유도하는 것이 가능할 수 있다. 이렇게 하는 한가지 방법은 작은 기본적 구역 요소로 구역을 나누고, 각각은 특히 파장 상에서 거울 성질의 의존성인 필요한 특성을 주도록 수치적으로 계산되고 설계되는 높이를 갖는다. 원하는 성질은 설정되고, 어떻게 원하는 것에 모의 실험된 성질이 가까워지는 지를 나타내는 메리트 함수(merit function)이다. 만족스러운 메리트 함수가 유도될 때까지 기본 구역 요소의 높이(및 선택적으로 반사도)는 변경된다. 많은 수치적 방법이 존재하고, 이는 예를 들어 MATLAB에서 패턴의 계산에 이용될 수 있다.
거울 표면의 제조
색수차를 없애는 것으로 설계된 거울은 그 표면 상에 상이한 높이를 가진 구역을 가질 것이다. 거울은 16x16 마이크론의 크기일 수 있고, 금속, 실리콘 또는 다른 물질로 만들어질 수 있다. 표면 상의 계단은 거울 물질을 에칭함에 의해 또는 거울의 표면 상에 얇은 필름의 증착 또는 에칭에 의해 생성될 수 있다. 표면은 다른 반사 필름으로 금속화 또는 코팅될 수 있다. SLM의 바람직한 실시예는 템플릿으로부터 깊이 패턴으로 나노-임프린트된(nano-imprinted) 폴리머 필름을 갖는데, 즉 템플릿은 UV-경화 화합물로 채워진 갭 및 거울을 향해 푸쉬된다. 이러한 화합물이 경화된 이후, 템플릿은 제거되고, 반사 필름은 그 위에 증착된다. 대안적으로, UV 경화된 화합물 필름의 깊이 프로파일은 에칭에 의해 거울로 전달된다.
편광 조정을 가진 SLMs
많은 경우에 빔의 편광을 공간적으로 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 한가지 예는 편광이 코드된다면 높은 전력의 빔에서의 바람직한 그리고 바람직하지 못한 광이 안전하게 분류되고 바람직하지 못한 광 에너지가 덤프(dumped)된다. 다른 것은 기구 기술에 대한 것이고, 예를 들어 SLM에 의해 조명을 공간적으로 먼저 조절하고, 이후 다른 편광 SLM 및 탐지기 배열에 의해 견본으로부터 되돌아오는 편광을 공간적으로 분석함에 의해 고해상도 뮬러(Mueller) 매트릭스 현미경을 설치하는 것이 가능할 수 있다.
도 7a는 편광 수정 픽셀(polarization-modifying pixels)을 도시하고, 이는 편광된 광으로 조명될 때 포인트로부터 포인트로 상이한 편광으로 편광된 광의 패턴을 반사할 것이다. 각각의 거울의 표면은 미세한 편광 수정 패턴 또는 미세구조를 갖고, 이는 반사된 광의 편광에 영향을 미친다. 하나의 가능성은 와이어 그리드 편광기(wire grid polarizer)를 이용하고, 이에 의해 일 편광이 반사되고 보충적인 편광이 표면에 의해 흡수된다. 다른 가능성은 미세한 패턴이 편광의 일 방향 및 반대 방향 사이에서 상이한 위상 지연을 가지고, 이는 실제로 억제제로서 작용한다. 미세 패턴은 거울 상에 증착된 예를 들어 유전체 필름과 같은 개별 필름에서 또는 거울의 표면에서 형성될 수 있다. 조정되려는 광의 파장보다 작은 측면 피쳐(feature) 치수를 일반적으로 가진 패턴은 실험을 위해 이빔(ebeam) 리소그래피로 기록될 수 있고, 부피 생산에서 나노임프린팅(nanoimprinting)에 의해 만들어질 수 있다. 패턴은 패턴을 위한 맥스웰(Maxwell) 방정식의 완전한 전자기적 해법에 기초하여 설계된다. 일반적으로 패턴은 주기적일 것이고, 반사 성질은 상업적으로 이용가능한 코드를 이용하여, RCWA(리고러스 커플된-파장 분석(Rigorous Coupled-Wave Analysis))에 의해 해결될 수 있다.
상이한 픽셀(701, 702, 703, 704)은 상이한 편광을 갖고, 이들은 픽셀로부터 픽셀로 위상 계단 및/또는 위상 차이를 가질 수 있고, 광을 다소 반사하도록 픽셀을 구동시킴에 의해 광의 크기, 위상 및 편광이 조절될 수 있다. SLM을 보는 옵틱스(optics)는 모든 거울을 분해하지는 못하고, 그래서 예를 들어 도 7a에서 점선으로 된 원 내에서 관찰 가능한 성질은 거울의 작은 그룹의 중첩이다. 특별한 경우는 오직 위상, 오직 크기 및 오직 편광의 조절이다. 도 7b 및 7c는 도 3a에서 도시된 것과 같은 기울임 거울을 이용하여 E 필드의 크기를 제어함에 의해 어떻게 임의의 편광이 생성될 수 있는지를 도시한다. 거울의 배열로 예를 들어 우측 원형 편광된 광과 같은 하나의 투사 편광 상태가 있다. 이는 도 7c에서 푸앵카레 구(Poincare sphere)에서 도시된 반사된 편광을 생성하는 표면 패턴으로 4개의 상이한 유형의 거울을 갖는다. 어떠한 편광 상태는 푸앵카레 구에서 도시된 상태들(P1 내지 P4)의 중첩에 의해 합성될 수 있고, 벡터는 오직 포지티브(positive) 크기를 이용하여 푸앵카레 구에 미치도록 선택된다. 부분적인 빔으로부터 임의의 편광 상태의 합성은 편광 작업에 종사하는 사람에게 명확할 것이고, 동일한 결과를 위해 표현하고 배열하는 대안적인 방법이 있다.
도 7a의 배열은, 거울이 기울어지고 피스토니치되며(pistonich) 플립핑 온-오프(flipping on-off)될 수 있다는 점에서 일반적인(generic) 것이다. 기울임 경우는 가장 간단하고, 이 경우 반사 강도는 아날로그 제어 하에 있으며, 픽셀의 편광 상태는 연속적으로 증가 또는 감소될 수 있다. 또한, 파괴적 간섭을 만드는 둘 이상의 거울을 가짐에 의해 피스톤 거울 SLMs에서 편광 상태를 제어하는 것이 가능하고, 이에 의해 이러한 거울에 의해 만들어진 편광 상태를 약하게 한다. 마지막으로, 편광기는 TI DMD 거울과 같은 온-오프 거울에 인가될 수 있다.
여러 번 반복된 것처럼, 표면 패턴의 설명된 이용은 도 7d 및 7e에서 도시된 것처럼 조합될 수 있다. 도 7d는 하나의 편광 상태(P1)를 위한 평면 기울임 거울과 제 2 상태(P2)를 위한 위상-계단 거울에 기초한 가변성 편광기를 도시한다. SLM은 도 7d에서 비편광된 광으로 조명된다. 편광되지 않은 광은 P1 및 P2와 같은 두 개의 상보적인 상태의 조합으로서 생각될 수 있다. 하나의 상태(P1)는 두 개의 측부(A1 및 A2) 사이의 위상차를 못보고, 나머지는 180도 위상 계단을 본다. 위상 계단은 예를 들어 상기 설명된 것과 같은 금속 또는 다일렉트리컴(dielectricum)의 서브 파장 라인에 의해 이행된 억제제 플레이트에 의해 생성된다. 따라서, 상태 P1은 기울임 각이 0일 때 최대 강도를 갖고, 기울임 각이 증가할 때 증가적으로 감쇄된다. P2는 정확히 반대 움직임을 갖는다. 따라서, 조절기는 평평할 때 수평(P1) 편광기로서 작용할 것이고, 절반-정도 기울어질 때 비편광되며, 더욱 기울어질 때 수직(P2) 편광기가 된다. 디자인 최적화는 평면 삽입 손실 대 기울임 각을 제공할 수 있다. 상태(P1 및 P2)는 수평 및 수직으로 선택되었고, 예를 들어 타원 억제제로 상이한 억제제 설계로 임의적으로 선택될 수 있다. 출력 광을 위한 푸앵카레 위치는 구를 통해 직선 상에 위치한다. 이는 투사 광이 비편광되기 때문에 그리고 알려지지 않은(그리고 무관계한) 이들 사이의 위상으로 두 개의 독립적인 광 웨이브(wave)를 갖는다.
도 7e는 거의 동일한 장치를 도시하지만, 편광된 투사광으로 이용된다. 차이점은 투사광이 완전히 편광되고 출력광이 또한 완전히 편광될 것이라는 점이고, 즉 이는 푸앵카레 구의 표면에 한정되며 빔의 구성요소 사이의 위상은 관련된다. 또한, 삽입된 도면은 양 측부로 기울임을 도시하고, 이 경우 위상-계단은 P2의 사인을 변경시킨다. 그 결과 거울이 우측으로 기울어질 때 수평으로부터 수직으로 그 사이의 모든 각을 통해 반사된 상태는 반시계 방향으로 회전한다. 좌측으로 기울어질 때 동일한 포인트 사이에서 반시계 방향으로 회전하고, 이에 의해 전체 범위를 통해 거울이 기울어질 때 360도를 커버한다. 도 7d 및 도 7e 사이에는 작은 차이가 있다: 7e에서 P1 및 P2 사이의 위상차이는 기울임 축 주위로 대칭적이고, 도 7d에서는 그러하지 않다.(따라서, 도 7e의 거울은 양 측부 상에서 억제제 미세구조로 그려진다.) 이러한 선택은 두 개의 경우를 교훈적으로 간단하게 만들고, 어느 하나의 거울은 어느 하나의 도면에서 이용되었을 수 있다. 도 7e의 거울은 도 7d와 동일한 결과를 만들 것이고, 도 7e에서 이용된 도 7d의 거울은 푸앵카레 구의 "북극 및 남극에 걸쳐" 있는 출력 편광을 줄 것이다.
실제적인 문제로서, 편광-제어 마이크로구조는 일반적으로 광의 파장의 절반에 대적할만한 측면 치수를 갖고, 색수차 없앰, 위상 바이어스 등을 위해 이용된 스파스(spase) 단계는 일반적으로 측면으로 다수의 파장에 대해 연장된다.
상기 설명된 완전한 콤플렉스 SLMs의 이용
도 8, 9 및 10은 상기 설명된 완전한 콤플렉스 및/또는 색수차가 없어진 SLM의 일정한 이용을 도시한다. 도 8a는 일정한 중요한 차이점을 가지며 문서(참조로 포함된 미국 특허 제 7,009,753호)에서 설명된 시스템과 유사한 웨이퍼, 마스크, PCB 등에 기록하기 위한 리소그래픽 직접-기록 시스템을 도시한다. 광원(801)으로부터의 복사는 SLM(802)을 조명하고, 반사된 복사는 예를 들어 광화학 또는 열과 같은 복사에 민감한 워크피스(803) 상으로 포커스된다. 5nm 내지 2000nm 범위의 방출 파장을 가진 광 소스는 연속적이거나 펄스되고, 스펙트럼적으로 좁거나 또는 넓을 수 있으며, 이러한 단계는 스톱 앤 고(stop and go) 또는 연속적 이동을 가질 수 있으며, 이는 워크피스 상에서 연속적인 이미지를 만든다. SLM은 입력 데이터를 변환시키는 데이터 경로로부터 유도되고, 이러한 데이터는 SLM의 픽셀 요소를 직접 또는 간접으로 구동시키는 전자 신호로 워크피스 상에서 패턴으로 기록된다. 종래 기술과 비교할 때 도 8a의 새로운 점은 SLM이 완전한 콤플렉스 조정을 갖는다는 점과 포커스에서 벗어난 위치 Δf에 위치한다는 점과 SLM 상의 포인트 및 워크피스 상의 포인트 사이에 일대일 관계가 없다는 점이다. 워크피스 상의 포인트는 실제로 작은 홀로그램인 작은 구역 ΔS에 의해 제어된다. 완전한 콤플렉스 SLM은 홀로그램으로 작용하고, 이 경우 워크피스 상의 포인트는 다수의 픽셀에 의해 집합적 조정에 의해 제어된다. 초점에서 벗어난 거리는 작거나 또는 클 수 있지만, 레이라이(Rayleigh) 길이보다 큰 경우에 그리고 바람직하게 4개의 레이라이 길이보다 큰 경우에, 워크피스 상에서 포인트에 기여하는 작은 또는 큰 구역을 제공한다. 계획의 일 장점은 개별적인 거울에서의 조정 에러 또는 결점이 기록된 패턴으로 국부화된 큰 에러를 일으키지 않지만 SLM 상의 일 포인트는 워크피스 상의 구역에 기여하기 때문에 일정한 구역 위에서 품질의 미묘한 손실을 일으킨다. 추가적으로 SLM을 초점에서 벗어나게 이동시키는 것은 많은 요소로부터 평균화를 증가시키고 이미지에서 국부적인 에러에 대한 위험을 감소시키지만 SLM에서 필요한 동적 범위를 증가시키고 SLM을 위한 데이터를 계산하는데 어려움을 증가시킨다. 추가적으로, 예를 들어 100, 1000, 또는 10000 픽셀과 같은 워크피스 상의 일 포인트에 기여하는 작은 구역은 큰 구역이 예를 들어 100000 또는 1000000 픽셀로 이용되었다는 것보다 쉽게 렌즈의 광학 수정을 위한 요구를 만든다.
도 8a에서 기록자의 하나의 새로운 성질은 고정된 포커스 평면이 없다는 점이다. 다시 포커스를 맞추는 것은 데이터를 변화시킴에 의해 수행될 수 있고, 다수의 초점들은 동일한 이미지에서 만들어질 수 있고, 나란히 또는 측면으로 중첩된다. 따라서 비평면 워크피스(803) 상에 기록하는데 이용될 수 있다. 다른 이용은 예를 들어 광경화된(photocured) 폴리머에서 3D 패턴을 기록하는 것이다. SLM에 대한 데이터는 가장 적절하게 반복적인 방법에 의해 폴리머에서 광의 원하는 3D 분포를 제공하도록 계산된다. 기록자는 예를 들어 기록 가능한 다중층 데이터 디스크에 대해 한번에 상이한 패턴으로 다수의 깊이 층들을 기록하는데 이용될 수 있다. 층들 사이의 뛰어난 분리 및 더욱 자유로운 3D 설계는 위상 변화 레지스트, 이원 금속 레지스트와 같은 비선형 또는 문턱값 복사-민감 물질로 또는 둘 혹은 다중-포톤(photon) 노출에 의해 수행하는 것이 쉽다.
도 8b는 현미경 또는 다른 투사 도구의 이미지가 상기 설명된 것과 같은 SLM의 슈(sue)에 의해 향상될 수 있는지를 도시한다. 견본 또는 물체는 5-2000nm의 범위에서 복사에 의해 광원(806)으로부터 조명되고, 예를 들어 CCD 또는 CMOS 센서와 같은 이미지 센서로 이미지화된다. 구멍에서 물체(805) 및 센서(807) 사이의 평면은 이미지의 향상에 대해 이용될 수 있는 완전한 콤플렉스 SLM(805)이다. 수행될 수 있는 것의 예들은 높은-패스(high-pass) 및 낮은-패스 여과, 엣지 향상, 위상-대조 이미징, 데스펙클링(despeckling), 템플릿 매칭, 및 상관 관계이다. 마이크로기계적 SLM은 안정적이고 강건하며 오래가고, 완전한 콤플렉스 조정으로 이는 이미지 처리 작업이 근접하게 이론을 따르게 하고 소음 및 인공물을 거의 부가하지 않는다. 이미지 향상의 이론은 신호 이론 및 이미지 처리 상에서 많은 텍스트북에서 잘 설명되어 있고 디지털 도메인에서 완전하게 실행된다. 디지털 처리에 의해 일반적으로 수행되는 것과의 차이점은, 카메라 및 위상 정보 상에서 캡쳐되었던 이미지가 사라진 이후 인가된다는 점이다. 여기서 처리는 센서로의 방법 상에서 포톤에 의해 실행되고, 위상은 결과의 일부이며 견본에서 미묘한 변화의 시각화 및 더욱 강력한 분석을 제공한다. 이러한 방법 및 장치는 현미경 검사로부터 예로서 설명되었지만 투사된 이미지를 이용하여 리소그래피, 메트롤로지(metrology), 및 다른 영역에 이용 가능할 수 있다. 도 8b의 설정을 위한 다음의 이용은 이탈 제어(aberration control)이고, 이 경우 광학 시스템의 포커스를 포함한 파면 에러는 SLM 상에서 위상에 의해 교정될 수 있으며, 항상 완전한 이미지를 제공한다. 조명이 펨토세컨드(femtosecond) 펄스라면, 스펙트럼의 상당한 확장이 있고 상기 설명된 SLMs의 색수차 없앰이 중요할 수 있다.
도 8c는 광원(810), 물체(809), 이미지 센서(811) 및 상기 설명된 것과 같은 SLM(812)을 가진 도 8b와 유사한 시스템을 도시한다. 도 8b로부터의 차이점은 SLM이 이미지 평면에 위치한다는 점이고, 이 경우 SLM은 밝은 구역으로부터 광을 마스크 아웃(mask out)하기 위해 이용될 수 있으며 이에 의해 어두운 구역에서 소음에 대한 신호를 향상시킨다.
도 8b 및 8c의 두 개의 계획은 도 8d에서 도시된 것과 동일한 기구에서 조합될 수 있다. 물체(813)는 광원(814)에 의해 조명되고, 이러한 광원(814)은 아토초로 아래로 펄스 배로 펄스되거나 또는 연속적일 수 있다. 이미지는 센서(817) 상에서 픽업되거나 또는 도 8b 및 8c에서와 같이 인간의 눈 상에서 픽업된다. 이미지는 예를 들어 완전한 콤플렉스 SLM으로 이미지 평면(816)에서 그리고 2차 SLM으로 구멍 평면 SLM(815)에서 SLM 여과된다. 이러한 이용은 현미경 사용, 리소그래피, 메트롤로지, 및 패턴 조사이다.
도 8b-d에서 작동은 현미경 사용 및 유사한 투사에 의해 예시화 되었고, 이 경우 물체는 물리적 물체이며, 이러한 물체는 디지털 저장부에 저장된 이미지로 구동된 SLM일 수 있다. SLM 이미지는 광학적 및 비광학적 이미지를 나타낼 수 있는데, 예를 들어 x-레이 이미지, 레이더 이미지, 소나 에코, 천문학적 밀도 맵(astronomical density maps), 스펙트라, 회절 패턴, 인구 통계 등을 나타낼 수 있고, 이들은 1차원 또는 2차원일 수 있다. 디지털-온리(digital-only) 처리에 걸친 장점은 광학 시스템의 높은 처리 능력일 수 있으며, 원칙적으로 즉시적이고 물체 SLM로 데이터의 주입 및 센서로부터의 송신에 의해서만 제한될 수 있다. 입력 밴드폭은 초당 10 내지 100기가바이트일 수 있다. 도 9a-d는 도 8b-d에서의 계획의 일반화 및 개발을 한다. 모든 도면은 광원 및 탐지기(또는 동등하게 눈 또는 광민감 표면)를 갖는다. 광은 다수의 광학 하위시스템을 통과하고, 이러한 하위 시스템은 니어-필드(near-field) 및 파아-필드(far-field) 사이에서 이를 변환시키거나 또는 이들 사이에서 다수의 이미지 평면 및 구멍 평면을 상이하게 언급하였다. 구멍 평면은 이미지(824, 825, 827) 등에서 위에 있다. 이미지 평면은 바닥부(823, 826, 828) 등에 있다. 빔스플리터(beamsplitter)는 도면에서 표시되고, 판독자는 유도되지 않는 다른 옵틱스를 상상할 수 있다. 제 1 이미지 평면은 (823)이고, 이는 물리적 견본 또는 디지털 이미지를 표현하는 SLM일 수 있으며, (823)은 조명 구멍(824)(SLM 또는 고정된 구멍)에 의해 형상화된 조명으로 광원(821)에 의해 조명된다. 이미지가 이미지 및 구멍 평면 사이에서 변환되는 다수의 단계가 있고, 각각의 단계에서 SLM 도는 고정된 필터에 의해 여과될 수 있다. 이는 이미지 처리의 일정한 유형을 위한 일반화된 구조이다. 도 9b에서 가변성 편광기(829)가 견본의 편광 분석을 위해 견본 이전에 그리고 이후에 부가된다. 도 9c는 기준 경로(reference path; 830)가 부가되고, 이는 위상 기준을 제공하여 측정을 간섭적이거나 또는 입체 영상적으로 만든다. 마지막으로, 도 9d에서 기준 경로 및 가변성 편광기가 모두 있고, 이는 완전히 편광된 간섭이 이미지의 여과와 함께 수행되는 것을 가능하게 한다.
도 10은 매우 높은 데이터 처리량을 이용하는 큰 스크린 프로젝터를 도시하고, 이는 MEMS 배열 및 상기 설명된 다중 컬러 능력으로 이루어질 수 있다. SLM(1001)은 3개의 컬러 파라이머리(primaries)에 대해 3개의 레이저(1002, 1003, 1004)에 의해 조명된다. 스캐닝 시스템(1005)은 예를 들어 2000x4000 픽셀로 SLM으로부터 18000x8000 픽셀과 같이 SLM의 부분적 이미지(1006)로부터 큰 이미지(1007)를 확립한다.
도 10b 및 10c는 어떻게 완전한 콤플렉스 SLM이 옵틱스 없이 이미지를 투사할 수 있는지를 도시하는데, 이는 포커스로의 광의 수렴이 픽셀 데이터의 위상 상에서 인코드되기 때문이다. 도 10b는 라인 그리는 응용을 도시한다: 예를 들어 제어 룸에서의 높은-정보 내용 디스플레이. SLM은 디스플레이되는 라인을 추적하는 제한된 숫자의 밝은 지점을 발한다. 모든 레이저 파워는 조명된 라인으로 가고, 이미지는 오직 알맞은 레이저 파워만을 이용하여 벽을 채울 수 있다(그림은 광 배경 상의 어두운 라인을 나타내고, 현실은 반대일 수 있다). 도 10c는 일반적인 별난 망판(網版) 이미지를 만드는 렌즈 없는 컴퓨터 프로젝터를 나타낸다. 이러한 두 이미지 사이의 차이는 데이터에 있고, 완전한 콤플렉스 SLM의 입체 영상화 캐릭터는 모든 광을 이미지의 작은 하위세트(subset)로 보내는 것을 가능하게 하며, 이에 의해 매우 크고 밝은 라인 그림을 가능하게 한다. 이러한 상이한 데이터는 작은 구역 상의 영화를 도시할 수 있다. 도면 10a-c 모두는 광역밴드 작동을 이용을 색수차 없앰을 통해 가능하게 한다(3개의 가시 컬러).
마이크로기계적 SLM은 빠른 속도, 빠른 파워 핸들링 능력, 및 뛰어난 안정성을 가진다. 본 발명이 부가하는 것은 동일한 베이직 플랫폼, 즉 동일한 MEMS 액츄에이터 및 동일한 드라이빙 회로를 이용하여 상이한 유형의 광 조절을 하는 유연성이고, 이는 칩 및 데이터 경로 하에서 CMOS를 포함하며 칩을 온 그리고 오프한다. 일반적으로, 플랫폼은 조절기의 마이크로 기계적 배열을 빠른 매트릭스 어드레싱(addressing)을 위한 CMOS 회로와 SLM으로 데이터 및 다른 신호를 주입하기 위한 지지 전자소자일 수 있다. 피스톤 SLM에서 MEMS 층만을 변화시킴에 의해, 넓은 스펙트럼을 가진 광에 대해 또는 단색광에 대해 위상 조정 또는 완전한 콤플렉스 조정을 할 수 있다. 기울임 거울과 같은 다른 기본적 거울 구성으로, 크기 또는 완전한 콤플렉스 조정이 연장된 스펙트럼 범위로 단색광 또는 광에 대해 이루어질 수 있다. 또한, 편광은 거울 상에서 편광 수정 패턴 또는 층으로 SLM에서 조정될 수 있다.
여기서 설명된 SLM은 이미지 또는 정보 처리 장치로서 매우 파워풀하다. 이들은 일관적인 장치이기 때문에, 이용의 일반적인 필드는 텍사스 인스투르먼트의 DMD 장치와 상호보완적이다. 이는 광학 이미지 처리, 적응성 옵틱스(adaptive optics), 최적의 필터링, 불일치에서 일치로의 이미지 변환, 빔 조종 및 형상화, 파면 수정, 홀로그래피, 투사 및 리소그래피에 이용될 수 있다. 이러한 이용에 적절한 성질을 가진 SLM은 이용에 따라 상이할 수 있다. 넓은 다양한 성질을 가진 SLM이 거울의 표면 프로파일(및 선택적으로 표면 필름)을 단지 변경함에 의해 동일한 CMOS 배열 상에서 동일한 거울 배열로부터 생성될 수 있다. 이는 본 발명의 가치있는 장점으로 생각되는데, 왜냐하면 이는 개발 및 제작 능력에서 특정 요구사항 및 레버리지 투자(reverage investment)에 대해 기술을 적응시키는 비용을 낮추기 때문이다.
더욱 완전한 분석은 2차 효과도 있음을 나타낼 것이다: 50% +180도 및 50% -180도를 가진 거울은 파장 오차의 이차 함수에 의해 감소되는 평균 반사율을 가질 것이다. 다음 레벨의 수정은 0도 거울을 50% 0도, 25% +360도, 및 25% -360도로 만드는 것이다. 이러한 방식으로 점진적으로 높은 차수의 색수차 없앰이 배열에 부가될 수 있고, 이러한 관점에서 하나의 파장에 대한 뛰어난 소광이 인접한 파장에 대한 뛰어난 소광이다.
색수차 없앰의 원리는 λ0에서 δ0의 위상차가 미분계수 dδ/dλ= -δ0/λ0을 제공하고, (λ0에서) 등가 δ0-360도는 미분 계수 dδ/dλ= (360-δ0)/λ0을 제공하고, 이 경우 위상 δ0을 가진 구역 A는 위상 δ1=δ0 및 구역 A1=A*((360-δ0)/360)을 가진 하나의 부분과 위상 δ2=δ0-360 및 구역 A2=A*(δ0/360)을 가진 하나의 부분으로 분할된다.
이는 그리고 더욱 콤플렉스 케이스는 미분계수 d(Re(Etotal))/dλ 및 d(Im(Etotal))/dλ로 풀릴수 있고, 이 경우 Etotal은 구역 A에 걸쳐 통합된 콤플렉스 E 필드(위상자로서)이고, Re 및 Im은 이의 실제 필드 및 가상 필드를 나타내며, 이들을 0과 동일하게 설정한다. 더욱 완전한 색수차 없앰은, dn(Re(Etotal))/dλn 및 dn(Im(Etotal))/dλn(이 경우 n은 2, 3 또는 그 보다 큼)이 파장 영역에 걸쳐 0 또는 최소로 설정되는 경우에 따른다.
일부 특별한 실시예
본 발명은 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 조정하는 장치 또는 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 조정하는 방법으로서 실행될 수 있다. 하나의 실시예는 다수의 오프 축(off axis) 계단 표면 거울을 가진 공간적 광 조절기이다. SLM은 관련된 조명의 웨이브 특성을 초래하는 예정된 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 전달하도록 이루어진다. 이러한 장치는 기울임 거울의 배열을 포함하고, 각각의 거울은 하나 이상의 본질적으로 평평한 반사면 및 거울에 대한 기울어진 축을 갖는다. 기울임 거울의 배열 중에 적어도 일부의 거울의 본질적으로 평평한 반사면 위에 표면 구조물을 포함한다. 상이한 표면 구조물은 상이한 거울 상에 존재할 수 있다. 인접한 거울의 모두가 표면 구조물을 가질 필요는 없다. 이러한 실시예에서 거울의 표면 구조물은 적어도 하나의 계단을 갖고, 이러한 계단은 반사면을 다수의 작은 반사면으로 분할한다. 이러한 계단은 다수의 더 작은 반사면으로부터 반사된 관련된 조명의 일부분 사이에서 위상차를 만든다. 거울 상의 적어도 하나의 계단은 기울어진 축에 대해 오프 액세스(off access)이다. 일정한 실시예에서, 계단은 기울어진 축에 본질적으로 수직이다.
제 1 장치 실시예의 일 태양은 조명의 파장에서의 변화를 보상하도록 영향을 받는 오프 액세스 계단을 가진 표면 구조화된 거울을 포함한다. 조명의 파장에서의 변화는 변하는 웨이브 특성을 초래할 수 있다. 상기에서 설명된 것처럼, 이러한 보상은 광의 변하는 파장과 함께 거울 배열이 작업하는 것을 가능하게 할 수 있다.
제 1 장치 실시예의 다른 태양은 중앙 파장을 가진 조명에 적용된다. 이러한 태양에 따르면, 다수의 반사면으로부터의 관련된 조명의 부분들 사이의 위상차는 중앙 파장에 대해 270도보다 크다. 이는 파장의 적어도 3/4의 위상차이다. 또한, 연관된 태양은 중앙 파장을 갖고, 중앙 파장에 대해 대략 n*360도인 다수의 반사 서비스로부터의 연관된 조명의 일부분 사이의 위상차를 가지며, 이 경우 n은 양의 값으로서 0이 아닌 정수이다.
이전의 태양에서, 이러한 장치는 전달된 조명의 위상의 계산된 미분 계수가 계단의 상이한 부분 상에서 반대 사인을 갖는다는 추가적인 특성을 나타낼 수 있다.
이전의 태양에 대해, 표면 미세구조는 거울 유효 부분에 부가될 수 있고, 이에 의해 관련된 조명의 예정된 편광 상태를 만든다. 표면 미세구조는 1차원 그리드와 같이 규칙적인 그리드에서 절반 파장보다 작은 측면 치수를 가진 채로 형성된 부분적인 반사면일 수 있다. 이러한 미세구조는 상이한 위상으로 상이한 즉각적인 편광으로 반사한다. 또한, 이는 상이한 크기로 상이한 즉각적인 편광으로 반사할 수 있다. 또는 위상차를 가진 상이한 즉각적인 편광으로 반사할 수 있고, 위상차는 기울어진 축의 대향 측부 상에서 상이하다.
이전의 태양의 실시예에서 표면 구조화된 거울은 거울 기울임의 범위를 통해 관련된 조명에서 위상 및 강도의 예정된 궤적을 만들도록 영향받는 오프-축 계단(off-axis steps)을 가질 수 있고, 예정된 궤적은 오프-축 계단 없이 거울에 의해 만들어진 궤적과 상이하다.
제 2 장치 실시예는 다수의 위상 오프셋(offset) 픽셀 그룹을 가진 공간적 광 조절기이고, 이는 픽셀 그룹으로부터 전달된 조명의 완전한 콤플렉스 강도 및 위상 조절을 가진 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 전달하도록 이루어진다. 이러한 장치는 기울어진 거울의 배열을 포함하고, 거울은 하나 이상의 본질적으로 평평한 반사면 및 기울어진 축을 갖는다. 이러한 장치는 기울임 거울의 배열 중에서 거울의 그룹을 포함한다. 그룹의 개별적인 거울은 상이한 높이를 갖도록 배열되고, 그룹에서 개별 거울 중에 위상 오프셋을 만든다. 그룹에서 개별 거울을 구동하는 것은 그룹으로부터 전달된 조명의 완전한 콤플렉스 강도 및 위상 조절을 만든다.
이러한 실시예의 일 태양에서 그룹의 둘 이상의 거울은 (1+2n)*λ/4(n은 음이 아닌 정수)의 위상 계단을 갖는다. 그리고, 두 개의 거울은 조명축에 대해 상이한 위상 오프셋을 갖는다. 이러한 태양은 거울 사이에서 상이한 오프셋을 가진 개별 거울에서의 하나 이상의 계단을 조합한다.
이러한 장치 실시예는 제 1 장치 실시예의 태양과 조합될 수 있다. 상이한 태양으로부터의 피쳐의 다양한 조합은 광범위한 다양한 피쳐 조합을 만들도록 조합될 수 있다.
이러한 실시예 및 태양을 실행하는 것은 단위 원과 함께 일정한 콤플렉스 반사를 갖는 조명 구역을 만들 수 있고, 이러한 단위 원은 결과적인 조명의 실수부 및 복소부를 나타낸다. 강도 및 위상의 완전한 콤플렉스 조정은 거울의 최소 기울임으로 만들어질 수 있고, 거울의 엣지에서 1/4 파장 또는 그 미만의 양에 이른다.
추가적인 장치 실시예는 다수의 깊은 계단화된 거울을 가진 공간적 광 조절기이고, 조명 파장에 대해 감소된 작동 민감도를 가진 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 전달하도록 이루어진다. 이러한 장치는 기울임 거울의 배열을 포함하고, 거울은 하나 이상의 본질적으로 평평한 반사면 축을 갖는다. 이러한 배열은 하나 이상의 계단을 가진 적어도 일정한 깊은 계단화된 거울을 포함하고, 이러한 계단은 반사면을 다수의 반사면으로 분할한다. 깊은 계단화에 의해, 계단은 조명의 중앙 파장에 대해 135도보다 큰 높이 차이를 생성한다. 특별한 거울 상에서 인접한 반사면 사이의 이러한 높이차는 조명 파장 상에서 거울 작동 동안 굴절 효과의 의존성을 감소시킨다. 상기에서 설명된 것처럼, 깊은 계단화된 거울은 공간적 광 조절기를 재설계 또는 교체하지 아니한 채로 355나노미터 또는 405나노미터 파장을 가진 레이저원과 같은 상이한 조명원을 수용할 수 있다.
이러한 추가적인 장치 실시예는 제 1 또는 제 2 장치 실시예의 태양과 조합될 수 있다. 상이한 태양으로부터 피쳐의 다양한 조합은 광범위하게 다양한 피쳐 조합을 만들도록 조합될 수 있다.
또 다른 장치 실시예는 픽셀 그룹에 인가된 다수의 편광 수정 미세구조를 가진 공간적 광 조절기이고, 이는 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 제거를 전달하도록 이루어진다. 일정한 실시예에서, 이러한 장치는 픽셀 그룹으로부터 전달된 조명의 완전한 콤플렉스 강도 및 위상 조절을 제공한다. 이러한 공간적 조절기는 기울임 거울의 배열을 포함하고, 이러한 거울은 하나 이상의 본질적으로 평평한 반사면 및 기울임축을 갖는다. 이러한 배열은 기울임 거울의 그룹을 포함한다. 이러한 그룹의 개별적인 거울은 개별 거울의 표면 상에서 미세구조를 만드는 상이한 편광을 갖도록 배열된다. 이러한 배열은 그룹으로부터 전달된 조명의 제어 가능한 편광 상태를 만들기 위해 개별 거울 및 그룹을 구동시키도록 이루어진다. 이러한 전체 명세서를 검토한 사람은, 개별 거울을 분해하지 못하는 광학 시스템이 인접 거울의 그룹으로부터 의존된 조명의 특성을 평균화하거나 또는 나타내는 전달된 조명을 초래함을 이해할 것이다.
이러한 제 4 실시예의 일 태양은 하나 이상의 필수적으로 평평한 반사면을 상이한 높이를 가진 부분적인 표면으로 분할하는 계단을 포함한다. 상이한 높이는 조명의 파장에서 변경의 전달된 조명의 강도 및 위상에 대한 영향을 감소시키도록 선택된다.
특별한 실시예에 관해 이러한 섹션에서의 제 4 이전의 실시예는 이하의 장치에 의해 브릿지되고(bridged) 공통적으로 특징지어질 수 있다. 브릿지 장치는 다수의 거울을 가진 공간적 광 조절기이고, 위상 및/또는 편광을 수정하거나 그리고 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 전달하도록 이루어진다. 이러한 브릿지 장치는 회절 효과에 의해 전달된 조명의 강도를 제어하는 기울임 거울의 거울 배열을 포함한다. 거울은 하나 이상의 본질적으로 평평한 반사면 및 기울임 축을 갖는다. 공간적 광 조절기 실시예는 개별 거울 또는 거울의 그룹을 추가로 포함하고, 이러한 거울은 거울의 그룹에서 거울 중에 있는 개별 거울 상의 구역 중의 표면 구조에서의 차이를 갖는다. 표면 구조에서의 차이는, 거울 및/또는 표면 미세구조 사이에서 또는 거울의 구역 중의 높이에서의 차이를 의미한다. 표면 미세구조의 일례는 이전의 상세한 설명에서 편광 미세구조에 관한 부분에서 설명됐다. 이러한 브릿지 실시예에서, 표면 구조에서의 차이를 가진 거울은 개별적으로 또는 그룹으로 구동되어 강도 및 (위상 및/또는 편광)의 조합을 만들도록 이루어지고, 이는 기울임 축과 일치하는 계단을 가진 계단화된 반사면을 가진 기울임 거울의 배열 또는 단일의 평평한 반사면을 가진 기울임 거울의 배열에 의해 얻어질 수 없다. 이러한 브릿지 실시예는 단일의 독립적인 청구항을 제공하고, 이러한 청구항으로부터 처음의 4개의 장치 실시예에 대한 청구는 종속항 형태로 작성될 수 있다.
이전의 장치 실시예의 각각은 방법으로 표현될 수 있는데, 실질적으로 일정한 구조를 가진 마이크로 거울 배열을 이용한 형태이며, 이에 의해 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 변경하고 개별적인 장치 실시예와 관련된 특성을 가진 전달된 조명을 만든다. 이러한 방법의 작용은 상기에서 설명된 것처럼 마이크로 거울 배열을 조명하는 단계, 일정한 피쳐를 가진 마이크로 거울 배열의 구조로부터 조명을 반사하는 단계, 및 일정한 특성을 만들도록 수정된 조명을 전달하는 단계를 포함한다.
방법 실시예는 상기 설명된 장치 실시예의 일부 또는 전부를 제작하는데 이용될 수 있고, 마이크로 거울의 배열에서 거울 상의 나노 프린팅한다. 이러한 방법은 템플릿으로부터 깊이 패턴을 가진 폴리머 필름 상의 UV-경화 화합물의 나노 임프린팅을 포함한다. 이러한 방법은 UV-경화 화합물을 경화시키고 경화된 화합물 위에 반사 필름을 증착시킴으로써 진행된다. 추가적으로 이는 기울임 마이크로 거울의 배열을 형성하기 위해 반사 필름을 처리하는 단계를 포함한다.
청구항의 내용은 아래와 같다.
도 1은 종래 기술의 공간적 광 조절기를 도시한다. 이는 픽셀의 배열을 갖고, 이는 일차원 또는 2차원이며 비활성 구역(passive areas)과 밀집되거나 또는 산재될 수 있다. 거울일 수 있는 각각의 픽셀은 위로 또는 아래로 이동할 수 있고, 이에 의해 상부로부터 충돌하는 광 필드(light field)는 거울 또는 픽셀의 높이에 따라 상이한 위상으로 반사된다. 도 1a에서와 같은 거울 배열은 파면 수정, 신호 처리, 빔 조정, 그리고 상기 언급된 리소그래피에 이용된다. 각각의 픽셀의 높이는 미리 계산되고, 예를 들어 전압 형태의 높이 정보는 거울을 위로 그리고 아래로 이동시키는 액츄에이터로 주입되며, 이는 원하는 이미지 또는 파면을 생성한다.
도 1의 거울은 평면이다. 나는 이제 어떻게 이러한 SLM 픽셀 및 나머지 것들의 성질이 특히 위상 계단 및 서브 파장 주기적 구조에 의해 표면 구조의 부가에 의해 특정 응용 요구로 변경되고 수정될 수 있는지를 나타낼 것이다.
원하는 이미지를 주는 거울 위치의 계산은 단일 파장에 대해 이루어질 수 있다. 다른 파장에 대해서는, 일반적으로 올바르지 않을 것이다. 예를 들어 도 1a의 하나 걸러의 거울에서 반사된 광이 전기적 위상 0도를 갖는다고 가정하자. 나머지 거울(또는 이들로부터의 광과 다른)은 공칭 파장 633nm에서 위상 180도를 갖는다. 그 결과 전기장 진폭이 동일한 강도이나 반대 위상을 갖기 때문에 전기장 진폭이 취소된다. 반사 방향으로(제로 굴절 정도), 반사된 광은 없을 것이다. 제로 정도(zero order)는 특히 파괴적 간섭에 의해 완전히 소광된다.
예를 들어 405nm의 상이한 파장의 광이 동일한 거울로 반사된다면, 405nm에서 두 유형의 거울 사이의 위상은 281도이다. 파괴적 간섭은 파괴되고, 제로 굴절된 정도에서 중요한 광이 있을 것이다. 위상각이 δ이고 파장이 λ라면, 유한 미분 dδ/dλ이 있고, 이는 소광(消光)의 손실을 지배할 것이다. 예에서 상기 dδ/dλ는 대략 nm당 (281-180)/(405-633)=-0.44도이다.
도 1b는 공칭 파장(nominal wavelength) 633nm에서 정확하게 파장의 절반에 변위된 대안적인 위치에서 도 1a의 제 1 열의 거울의 각각을 도시한다. 633nm에서 대안적인 위치들 중 하나가 이용되는 반사된 필드(거울 사이의 경계에서 인접-필드 효과를 무시함)에서 보는 것이 불가능한데, 왜냐하면 두 대안적인 위치 사이의 위상차가 정확히 하나의 파장(광이 반사되기 때문에, 절반 파장 X 2)이기 때문이다. 대안적인 위치는 각각의 거울에 대해 이용될 수 있고, 633nm에서 반사에 영향을 미치지 않을 것이다.
그러나, 상이한 파장에서, 대안적인 위치는 dδ/dλ의 상이한 값을 갖기 때문에, 633nm에 대해 계산된 대안적인 위치의 위상 사이의 큰 차이가 있다. 특히, 일정한 대안적인 위치는 포지티브(positive)를 가질 것이고, 일부는 네거티브 dδ/dλ를 가질 것이다. 일정한 거울에 대해 또는 거울의 일정한 부분에 대해 대안적인 위치를 선택함에 의해, 파장에 대한 의존성을 약분(cancel)하는 것이 가능하다. 거울의 절반은 위상 0을 가지고, 나머지 절반이 위상 -180도 및 +180도의 동일한 구역으로 나뉜다면, 미분 계수(derivatives)의 1차 약분(first-order cancellation)이 있을 것이고, 소광(extinction)은 작은 파장 시프트에 대해 독립적인 파장일 것이다.
더욱 완벽한 분석은, 2차 효과가 있음을 나타낼 것이다: 50% +180도 및 50% -180도를 가진 거울은 파장 오차의 2차 함수에 의해 감소되는 평균 반사율을 가질 것이다. 교정의 다음 레벨은 0도 거울을 50% 0도, 25% 360도, 그리고 25% -360도로 만든다. 이러한 방식으로, 점진적으로 고차의 색수차를 없애는 것이 배열에 부가될 수 있고, 하나의 파장에 대해 뛰어난 소거는 인접한 파장에 대해서도 뛰어난 소거라는 관점에서 색수차가 부가될 수 있다.
색수차를 없애는 원리는, λ0에서 δ0의 위상차는 미분 계수 dδ/dλ= -δ0/λ0을 주고, 동치(同値)(λ0에서) δ0-360도는 미분 계수 dδ/dλ=(360-δ0)/λ0을 주며, 이는 위상 δ0을 가진 구역(A)이 위상 δ1=δ0과 구역 A1=A*((360-δ0)/360)인 하나의 부분 및 위상 δ2=δ0-360과 구역 A2=A*(δ0/360)인 하나의 부분으로 나뉘는 경우이다.
이러한 경우와 더욱 복잡한 경우는 미분 계수 d(Re(Etotal))/dλ 및 d(Im(Etotal))/dλ를 찾음에 의해 풀릴 수 있고, 이 경우 Etotal은 구역 A에 걸쳐 적분된 복소수(integrated complex) E 필드(위상자로서)이고, Re 및 Im은 실제 및 가상 필드(real and imaginary field)를 표시하고, 이들 0과 동일하게 설정한다. dn(Re(Etotal))/dλn 및 dn(Im(Etotal))/dλn(n=2, 3, 또는 그보다 큼)이 파장 범위(wavelength span)에 걸쳐 0 또는 최소값으로 설정된다면, 더욱 완전하게 색수차를 없애는 것이 뒤따른다.
도 2a는 두 개의 위상자(203, 204)에 의해 표시된 두 개의 피스톤 구역(A, B)에 의해 어떻게 임의의 복소값(202)이 생성되는지를 콤플렉스 평면(201)에 도시한다. 각각의 위상자는 콤플렉스 진폭 반사(R)를 표시하고, 위상이 변할 때 위상자가 오리진(origin) 주위로 회전한다. 두 개의 위상자(203, 204)의 각을 선택함에 의해, 원하는 콤플렉스 반사 계수(202)에 부가되도록 이루어질 수 있다. 이는 하나의 파장에 대해서만 정확하고, 회절 성분은 단일-파장 장치로서 일반적으로 고려된다.
파장이 변할 때 일어나는 것은 도 2b에서 도시된다. 일정한 거울 높이에 대한 위상은 그 크기가 더 작아지게 되는데, 왜냐하면 파장이 더 길기 때문이며, 이는 점선 위상자(205)이다. 적분된 복소수 진폭은 이후 (206)이 되고, 이는 예를 들어 오리진에 가깝다. 그러나, A의 위상은 원하는 파장에서 360도에 의해 변경된다면, 위상자는 파장에 따라 반대 의존성을 가지며 이에 의해 A의 위상은 더 긴 파장과 함께 커진다((205)의 반대 의존성). 구역(A)을 (205)와 같은 하나의 부품 및 (208)과 같은 하나의 부품으로 나눔에 의해, 조합된 위상자는 파장에 독립하여 이루어질 수 있다. 동일한 것이 위상자(205)로 수행된다면, 포인트(202)는 파장에 독립적으로 이루어질 수 있다.
피스톤 거울은 긴 스트로크를 가질 수 있는데, 즉 하나의 단일 주기의 외부 또는 0 내지 360도의 위상각을 만드는데 이용될 수 있다. 상기 설명된 색수차 없앰을 위한 방법은 위상각의 작은 범위에서 최고로 작동한다. 따라서, 가장 가능성 있는 또는 가장 중요한 위상 범위를 색수차를 없앰에 입력하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 이는 소거가 파괴적 간섭에 의해 생성되는 경우의 각이다. 색수차 없앰은 이후 이러한 중요한 범위에 대해 위상자에서의 변화를 최소화함에 의해 수행된다.
도 2c는 상기 중요한 범위가 보일 수 있는 경우의 피스톤 거울의 색수차 없앰의 예이다. 도 2c는 피스톤 거울의 규칙적인 카르테시안(Cartesian) 배열을 도시한다. 이는 체커 보드 상에서 검은색 및 흰색 사각형에 대응하는 A 및 B 거울로 나뉜다. "검은색" 거울(A)(209)은 -180 내지 0도의 범위에서 이용되는 것이 바람직하고, "흰색" 거울(B)(210)은 0 내지 180도의 범위에서 이용되는 것이 바람직하다. 어두운 구역을 만들기 위해, A 거울은 -90도로 구동되고, B 거울은 공칭 파장에서 90도로 구동된다. 차이는 180도이고, 거울은 파괴적 간섭에 의해 0차(zero order)를 소거한다. 긴 파장에서, 평면 거울에 대해 위상차는 더 작아질 것이고, 소거는 완전하지 않다. 평면 거울로, 0차는 공칭 파장, 즉 가시 범위의 중앙에서 550nm의 파장에서 소거될 것이다. 더 긴 그리고 짧은 파장이 누설될 것이고, 0차는 자주색으로서 빨강 및 파랑 사이의 혼합일 것이다.
그러나, 도 2c의 거울은 위상 0을 가진 하나의 구역(211)과 A 거울에 대해 +360도의 높은 위상 및 B 거울에 대해 360nm의 낮은 위상을 가진 구역(212)을 가짐에 의해 색수차를 없애게 된다. 총 피스톤 거울의 일부로서 구역(212)의 크기는 어떠한 위상에서 각각의 거울이 최고의 색수차 없앰을 갖는지를 결정한다. 공칭 소거 -90 및 +90도에서 최적이 되기 위해, 시프트된 구역(212)은 비시프트된 구역(211)의 1/3이어야 한다. 이후 0차의 소거는 중앙 파장 주위의 연장된 범위에서 모든 파장에 대해 좋고, 0차는 자주색이 아니고 검은색이다. 연장된 범위에 의해 0-60nm, 바람직하게는 100nm 또는 그 초과를 의미한다. 개시된 기술은 가시 스펙트럼에 걸쳐 0차의 연장을 만들 수 있다고 기대되는데; 즉, 약 400nm 내지 750nm의 파장의 범위에 걸쳐 λ 내지 2λ의 범위 또는 λ 내지 λ+350nm의 범위이다.
도 2d에서 바이어스는 거울에 부가되고, 이에 의해 먼저 동일한 힘이 A 및 B 거울 모두에 대해 필요하고, 이에 의해 이를 각각의 하나의 바람직한 범위의 중앙에 가져오고, 다음으로 45도 바이어스가 있으며, 이에 의해 거울 사이에서 일정한 변화가 있는 경우에 모든 거울은 -180 및 0도의 각으로 오게 될 수 있다.
색수차 없앰에 필요한 스텝 높이(step height)는 중앙 파장의 위상의 약 180도인 것이 일반적이다. 가스 또는 진공에서 가시 파장 및 작동에 대해, 중앙 파장은 대략 540nm이고 물리적 파장 높이는 270nm이다. 융블래드/Ljungblad/에서 위상 계단의 높이는 90도이고, 위상 바이어스는 종종 45도 스텝이다. 이는 두 개의 결과를 갖는다: 먼저 상이한 설계가 부가될 수 있고, 둘째로 135도를 넘는 높이차는 장치의 파장 교정에 영향을 미치고, 색수차 없앰을 위해 부가되었을 수 있다.
기울임 거울
샌드스톰(Sandstorm), 혼벡(Hornbeck) 및 융블래드는 기울임 거울의 다양한 유형을 설명한다. 도 3a는 비틀림 힌지(302)를 가진 거울(301)과 정전기적 액츄에이터(303)를 도시한다. 평균 콤플렉스 반사 계수는 표면 위에 반사의 적분에 의해 발견될 수 있고, 위상 인자는 위치 및 기울임 각(304)으로부터 온다. 거울이 광에 수직일 때, 반사 계수는 1+0j이다(물질의 반사도 손실과 규정화에 의해 거울 주위의 슬릿에서의 손실을 제거함). 거울은 연속적으로 큰 각으로 기울어질 때, 평균 반사 계수는 도 3a에서 삽입된 콤플렉스 평면에서 도시된 것과 같은 직선 라인을 따라 1+0j으로부터 0+0j(실제로 -0.2+0j)이다.
또한, 도 3b에서 비틀림 힌지(305)는 피스톤 효과를 생성하도록 구부려질 수 있다. 도 3b에서 도시된 실시예에서, 다수의 액츄에이터(306, 307, 308)가 있다. 상이한 힘이 액츄에이터에 인가됨에 의해, 거울을 기울일 수 있고, 기울임 없이 액츄에이터를 향해 당기거나 또는 조합된 작용을 할 수 있다. 액츄에이터로부터의 조합된 힘은 피스톤 작용(309)을 일으키고, 우측 액츄에이터 및 좌측 액츄에이터 사이의 차이는 기울임을 일으키며, 이러한 이동은 조정될 수 있고 임의의 콤플렉스 반사 계수를 주도록 거울을 제어하는데 이용될 수 있다. 둘 또는 그 초과의 액츄에이터를 가진 도 3b의 거울은 큰 배열로 만들어질 수 있고, 이는 완전히 콤플렉스 공간적 광 조절기로서 이용된다. 임의의 반사 계수가 어떻게 생성되는지는 삽입된 콤플렉스 평면에서 도시된다. 거울이 기울어질 때, 반사 계수는 유닛 원 상의 높은 반사로부터 오리진의 전부에서 반사가 없도록 변화된다. 피스톤 작용은 궤도가 오리진 주위로 회전하게 한다. 콤플렉스 평면에서의 어느 포인트는 기울임(반경) 및 피스톤(회전)의 조합에 의해 도달될 수 있다.
도 3c는 반사면(313, 314) 사이에서 위상 계단(312)을 가진 거울을 도시하고, 이는 높이에서 90도 또는 공칭 파장에서 180도 지연을 만든다. 반사면이 투사광(미국 특허 제 7,110,159호)에 수직일 때, 이러한 계단은 0차를 소거한다. 거울이 일 측면으로 기울어질 때, 0도의 위상으로 밝아지고, 나머지 측면으로 기울어지면 180도인 위상으로 밝아진다. 이러한 위상 단계 거울은 도 3b에서 피스톤 작용화 조합될 수 있고, 도 3b에서 거울만큼 피스톤 이동의 오직 절반으로 임의의 콤플렉스 반사 계수를 나타낸다.
그러나, 피스톤 및 기울임 작용을 가진 거울은 기계적으로 복잡하고(complex), 이하에서 나타날 것처럼 단순한 기계적 구조를 가진 완전히 복소적인 조정을 갖는 것이 바람직하다. 피스톤 이동은 일정한 거울의 고정된 수직 오프셋에 의해 교체될 수 있다. 도 4a는 종래 기술에서 알려진 거울 배열을 도시한다. 이러한 유형의 배열은 리소그래피에 이용된다(미국 특허 제 7,009,753호). 도 4b에서 이러한 배열은 위상에서 90도만큼 변위된 거울들의 절반을 갖는다. 거울들의 절반은 0+0j로부터 1+0j의 반사도를 갖고, 나머지 거울들은 0+0j로부터 0+1j의 반사도를 갖는다. 이러한 두 유형은 체커보드 패턴으로 배열된다. 또한, 행 또는 열별(columnwise) 그리고 다른 치밀한 패턴이 가능하다. 광학 시스템이 개별적인 거울을 분해하지 않는다면, 0 내지 90도의 위상 및 0 내지 1의 크기의 콤플렉스 반사 계수의 둘 이상의 거울을 넘는 평균은 두 개의 유형의 중첩에 의해 생성될 수 있다. 이는 완전한 콤플렉스 SLMs를 허용하지 아니하지만, 위상각은 구동에 의해 조정될 수 있는 SLM에 대해 허용된다.
도 4c에서 3가지 유형의 거울을 가진 육각형 패턴이 도시된다. 하나의 유형은 0도를 갖고, 두 번째 그리고 세 번째 유형은 각각 120도 및 240도의 상대적 위상을 갖는다. 0 내지 360도의 위상각은 3가지 유형의 조합에 의해 합성될 수 있다. 사실, 어떠한 콤플렉스 계수는 1+0j, 0.5+sqrt(3/4)j, -0.5-sqrt(3/4)j 등에서 코너를 가진 육변형 내에서 합성될 수 있다.
도 4d는 도 4b에서와 유사한 체커보드 패턴을 도시하고, 이는 도 3c에서와 같은 위상-계단 거울을 가지고 있다. 각각의 거울은 -1+0j 내지 +1+0j 또는 0-1j 내지 0+1j로 조정될 수 있다. 두 개의 거울은 함께 단위 원 내에서 콤플렉스 반사 계수를 합성할 수 있고, 즉, 도 4d의 SLM은 완전히 콤플렉스 조절기이다. 어떻게 이렇게 작업되는지는 도 4e 및 4f에서 설명된다. A 거울은 도 4e에서 콤플렉스 평면에서 라인 A를 따라 반사를 준다. B 거울은 라인 B를 따른다. 라인 A 및 B는 두 유형의 거울에 대해 자취 또는 궤적이라고 불릴 수 있다. 도 4f의 어두운 지점에 의해 도시된 임의의 위치는 두 개의 위상자의 합계로서 합성될 수 있고, 하나는 A 궤적을 따르고 그리고 하나는 B 궤적을 따른다.
따라서, 도 4d는 많은 응용에 이용될 수 있는 완전한 콤플렉스 공간적 광 조절기를 도시한다: 패턴 생성, 빔 형상화, 빔 조정, 신호 처리, 부호 매김, 필터링, 실시간 홀로그래피, 그리고 도구 및 산업 처리에서의 많은 다른 이용들.
기울임 거울의 색수차를 없앰
도 3c의 계단 높이는 도 2c와 관련하여 설명된 유사한 방식으로 색수차가 없애진다. 종래 기술의 융블래드/Ljungblad/에서의 위상 계단은 기울임 축과 일치한다. 색수차 없앰은 기울임 축/위상 계단의 각각의 측부 상에서 거울 구역을 부분 구역으로 하위 분할하고, 이들 사이에 높이 차이를 부가함에 의해 수행된다. 1차 결과는 도 5a 및 5b에서 도시된 거울이다. 거울의 일 측면(501)은 위상각 0도를 갖고, 나머지는 공칭 파장에서 -180도 및 +180도 그리고 502, 503의 동일한 크기의 두 구역으로 분할된다. 이는 1차로 파장에 무관하게 두 측부 사이의 위상 차이를 만든다. 이는 작은 파장 변화에 대해 적절할 수 있다. 큰 파장 오프셋에 대해, +180도 및 -180도 구역 사이의 위상각이 큰 파장 오차와 함께 커질 것이기 때문에 두 측부 사이에 적분된 E-필드의 크기의 차이가 있을 것이다. 도 5d는 이러한 효과에 대해 수정하는 거울을 도시한다. 0도 측부는 -360도 위상을 가진 25% 구역 및 -360도를 가진 25% 구역을 갖는다. 그 결과 위상 계단이 파장의 넓은 범위에 걸쳐 색수차가 없어진 거울이다. 이러한 문맥에서 색수차를 없앰은 0차 반사가 블랙인 것을 의미하도록 이해된다. 예를 들면, 0차 반사는 전체 가시 범위와 같은 넓은 파장 범위에 걸쳐 소광되거나, 또는 이에 의해 355nm 및 405nm와 같은 파장 차이를 만드는 레이저 소스가 SLM 설계를 변경함이 없이 교환 가능하게 이용될 수 있다. 상기 설명된 것처럼, 추출이 효과적인 파장 변화의 범위는 0-60nm, 0-100nm, 0-350nm, 또는 적어도 350nm이다.
다른 위상 차이는 색수차가 없어질 수 있고, 색수차 없앰은 조합될 수 있다. 도 4b에서와 같이 90도의 위상 차이를 가진 SLM 배열은 도 5d에서 색수차가 없어진다. 도면은 90도 오프셋 거울의 체커보드 패턴을 가진 8개의 거울을 도시한다. 90도 위상을 가진 거울은 90도 위상을 가진 큰 구역 및 90-360도 위상을 가진 작은 구역으로 분할된다. 상기와 유사하게, 네거티브 위상은 구역의 일부에 n*360도를 부가함에 의해 색수차가 없어지고, n은 1과 동일 또는 더 큰 자연수이다. 구역들의 비율은 상기 주어진 관계를 따르고, 이에 의해 각각의 위상에 지정된 구역은 이러한 예의 실시예에서 0도와 같이 상기 구역 및 기준 구역 사이의 위상차의 반비례한다. 기울임 거울에 대해, 구역의 분열은 축에 수직인 라인을 따라 거울 기울임을 만들 수 있다. 그러나, 다른 형상 또는 패턴이 이하에서 설명될 것처럼 가능할 수 있다.
위상 계단 거울의 배열은 도 5e 및 5f에서 도시된 것처럼 색수차가 없어질 수 있다. 각각의 도면은 두 개의 거울을 도시하고, 하나는 0도의 위상을 가지며 하나는 90도의 위상을 가진다. 도 5b(또는 도 5c) 그리고 5d의 두 개의 색수차 없앰(achromatization)이 조합된다. 도 5f는 도 5e에서와 동일한 색수차 없앰을 도시하고, 이는 포인트-바이-포인트(point-by-point) 방식으로 위상을 부가하고, 이러한 구역 요소는 거울 구역을 작은 요소로 분해시키는 것을 피하도록 재배열된다.
기울임 거울의 기울임 각에 따라 반사 계수의 궤적은 아래와 같이 색수차가 없애질 수 있다. 도 6a는 2a 또는 2b에서와 유사한 거울을 도시하고, 이 경우 표면은 도 6b에서 도시된 것과 같이 상이한 스펙트럼 반사도를 가진 구역(A1, A2)을 갖는다. 회전 중심으로부터 더 먼 구역(A1)은 긴 파장들에 대해 더 높은 반사도를 갖는다. 표면의 수직 움직임은 회전의 중심으로부터 멀어질수록 커지고, 긴 파장에 대해 더욱 적절할 것이다. 역으로 짧은 파장은 수직 이동이 짧은 경우에 회전의 중심 근처에서 더욱 강하게 반사된다. 결과는 동일한 기울임 각은 짧은 파장 및 긴 파장 모두에 대해 소광을 만들 수 있다. 도 6b에서 스펙트럼 특성은 거울의 상이한 부분에 선택적으로 인가된 반-반사 코팅에 의해 생성될 수 있다. 도 6c는 거울 상에서 높이 프로파일에 의해 어떻게 동일한 효과가 얻어질 수 있는지를 도시한다. 도면은 예를 들어 440nm의 짧은 파장에 대해 -180도 및 +180도 위상을 가진 작은 구역 요소로 분할된 거울의 중심에서 힌지 근처의 구역(A2)을 도시한다. 위상각(+180도 및 -180도)은 실제로 동일한 위상이기 때문에, 반사도는 파장(440nm)에 대해 높고, 440nm보다 길거나 또는 짧은 파장에 대해 낮아진다. 유사하게, 구역(A1)은 패턴의 동일한 유형을 가질 수 있고 예를 들어 650nm와 같이 긴 파장에서 높은 반사도를 갖도록 조정될 수 있다. 파장 선택도는 +n*180도 및 -n*180도 위상을 가진 n의 큰 값을 이용함에 의해 증가될 수 있고, 거울 표면의 오직 일부분을 패턴화함에 의해 작아질 수 있다. 이러한 방식으로 거울 색수차 없앰은 요구사항에 따라 조정될 수 있다.
도 6d는 어떻게 기울임, 위상 계단 그리고 거울 사이의 위상차가 도 5f 및 6c로부터 포인트 바이 포인트(point by point) 위상을 부가함에 의해 동시에 색수차가 없어질 수 있는지를 도시한다. 거울 표면은 이제 다소 복소적이다. 포인트 대 포인트 위상 맵은 상기 도시된 것과 같이 유도될 수 있지만, 동등한 함수로 다른 유사한 패턴을 유도하는 것이 가능할 수 있다. 이렇게 하는 한가지 방법은 작은 기본적 구역 요소로 구역을 나누고, 각각은 특히 파장 상에서 거울 성질의 의존성인 필요한 특성을 주도록 수치적으로 계산되고 설계되는 높이를 갖는다. 원하는 성질은 설정되고, 어떻게 원하는 것에 모의 실험된 성질이 가까워지는 지를 나타내는 메리트 함수(merit function)이다. 만족스러운 메리트 함수가 유도될 때까지 기본 구역 요소의 높이(및 선택적으로 반사도)는 변경된다. 많은 수치적 방법이 존재하고, 이는 예를 들어 MATLAB에서 패턴의 계산에 이용될 수 있다.
거울 표면의 제조
색수차를 없애는 것으로 설계된 거울은 그 표면 상에 상이한 높이를 가진 구역을 가질 것이다. 거울은 16x16 마이크론의 크기일 수 있고, 금속, 실리콘 또는 다른 물질로 만들어질 수 있다. 표면 상의 계단은 거울 물질을 에칭함에 의해 또는 거울의 표면 상에 얇은 필름의 증착 또는 에칭에 의해 생성될 수 있다. 표면은 다른 반사 필름으로 금속화 또는 코팅될 수 있다. SLM의 바람직한 실시예는 템플릿으로부터 깊이 패턴으로 나노-임프린트된(nano-imprinted) 폴리머 필름을 갖는데, 즉 템플릿은 UV-경화 화합물로 채워진 갭 및 거울을 향해 푸쉬된다. 이러한 화합물이 경화된 이후, 템플릿은 제거되고, 반사 필름은 그 위에 증착된다. 대안적으로, UV 경화된 화합물 필름의 깊이 프로파일은 에칭에 의해 거울로 전달된다.
편광 조정을 가진 SLMs
많은 경우에 빔의 편광을 공간적으로 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 한가지 예는 편광이 코드된다면 높은 전력의 빔에서의 바람직한 그리고 바람직하지 못한 광이 안전하게 분류되고 바람직하지 못한 광 에너지가 덤프(dumped)된다. 다른 것은 기구 기술에 대한 것이고, 예를 들어 SLM에 의해 조명을 공간적으로 먼저 조절하고, 이후 다른 편광 SLM 및 탐지기 배열에 의해 견본으로부터 되돌아오는 편광을 공간적으로 분석함에 의해 고해상도 뮬러(Mueller) 매트릭스 현미경을 설치하는 것이 가능할 수 있다.
도 7a는 편광 수정 픽셀(polarization-modifying pixels)을 도시하고, 이는 편광된 광으로 조명될 때 포인트로부터 포인트로 상이한 편광으로 편광된 광의 패턴을 반사할 것이다. 각각의 거울의 표면은 미세한 편광 수정 패턴 또는 미세구조를 갖고, 이는 반사된 광의 편광에 영향을 미친다. 하나의 가능성은 와이어 그리드 편광기(wire grid polarizer)를 이용하고, 이에 의해 일 편광이 반사되고 보충적인 편광이 표면에 의해 흡수된다. 다른 가능성은 미세한 패턴이 편광의 일 방향 및 반대 방향 사이에서 상이한 위상 지연을 가지고, 이는 실제로 억제제로서 작용한다. 미세 패턴은 거울 상에 증착된 예를 들어 유전체 필름과 같은 개별 필름에서 또는 거울의 표면에서 형성될 수 있다. 조정되려는 광의 파장보다 작은 측면 피쳐(feature) 치수를 일반적으로 가진 패턴은 실험을 위해 이빔(ebeam) 리소그래피로 기록될 수 있고, 부피 생산에서 나노임프린팅(nanoimprinting)에 의해 만들어질 수 있다. 패턴은 패턴을 위한 맥스웰(Maxwell) 방정식의 완전한 전자기적 해법에 기초하여 설계된다. 일반적으로 패턴은 주기적일 것이고, 반사 성질은 상업적으로 이용가능한 코드를 이용하여, RCWA(리고러스 커플된-파장 분석(Rigorous Coupled-Wave Analysis))에 의해 해결될 수 있다.
상이한 픽셀(701, 702, 703, 704)은 상이한 편광을 갖고, 이들은 픽셀로부터 픽셀로 위상 계단 및/또는 위상 차이를 가질 수 있고, 광을 다소 반사하도록 픽셀을 구동시킴에 의해 광의 크기, 위상 및 편광이 조절될 수 있다. SLM을 보는 옵틱스(optics)는 모든 거울을 분해하지는 못하고, 그래서 예를 들어 도 7a에서 점선으로 된 원 내에서 관찰 가능한 성질은 거울의 작은 그룹의 중첩이다. 특별한 경우는 오직 위상, 오직 크기 및 오직 편광의 조절이다. 도 7b 및 7c는 도 3a에서 도시된 것과 같은 기울임 거울을 이용하여 E 필드의 크기를 제어함에 의해 어떻게 임의의 편광이 생성될 수 있는지를 도시한다. 거울의 배열로 예를 들어 우측 원형 편광된 광과 같은 하나의 투사 편광 상태가 있다. 이는 도 7c에서 푸앵카레 구(Poincare sphere)에서 도시된 반사된 편광을 생성하는 표면 패턴으로 4개의 상이한 유형의 거울을 갖는다. 어떠한 편광 상태는 푸앵카레 구에서 도시된 상태들(P1 내지 P4)의 중첩에 의해 합성될 수 있고, 벡터는 오직 포지티브(positive) 크기를 이용하여 푸앵카레 구에 미치도록 선택된다. 부분적인 빔으로부터 임의의 편광 상태의 합성은 편광 작업에 종사하는 사람에게 명확할 것이고, 동일한 결과를 위해 표현하고 배열하는 대안적인 방법이 있다.
도 7a의 배열은, 거울이 기울어지고 피스토니치되며(pistonich) 플립핑 온-오프(flipping on-off)될 수 있다는 점에서 일반적인(generic) 것이다. 기울임 경우는 가장 간단하고, 이 경우 반사 강도는 아날로그 제어 하에 있으며, 픽셀의 편광 상태는 연속적으로 증가 또는 감소될 수 있다. 또한, 파괴적 간섭을 만드는 둘 이상의 거울을 가짐에 의해 피스톤 거울 SLMs에서 편광 상태를 제어하는 것이 가능하고, 이에 의해 이러한 거울에 의해 만들어진 편광 상태를 약하게 한다. 마지막으로, 편광기는 TI DMD 거울과 같은 온-오프 거울에 인가될 수 있다.
여러 번 반복된 것처럼, 표면 패턴의 설명된 이용은 도 7d 및 7e에서 도시된 것처럼 조합될 수 있다. 도 7d는 하나의 편광 상태(P1)를 위한 평면 기울임 거울과 제 2 상태(P2)를 위한 위상-계단 거울에 기초한 가변성 편광기를 도시한다. SLM은 도 7d에서 비편광된 광으로 조명된다. 편광되지 않은 광은 P1 및 P2와 같은 두 개의 상보적인 상태의 조합으로서 생각될 수 있다. 하나의 상태(P1)는 두 개의 측부(A1 및 A2) 사이의 위상차를 못보고, 나머지는 180도 위상 계단을 본다. 위상 계단은 예를 들어 상기 설명된 것과 같은 금속 또는 다일렉트리컴(dielectricum)의 서브 파장 라인에 의해 이행된 억제제 플레이트에 의해 생성된다. 따라서, 상태 P1은 기울임 각이 0일 때 최대 강도를 갖고, 기울임 각이 증가할 때 증가적으로 감쇄된다. P2는 정확히 반대 움직임을 갖는다. 따라서, 조절기는 평평할 때 수평(P1) 편광기로서 작용할 것이고, 절반-정도 기울어질 때 비편광되며, 더욱 기울어질 때 수직(P2) 편광기가 된다. 디자인 최적화는 평면 삽입 손실 대 기울임 각을 제공할 수 있다. 상태(P1 및 P2)는 수평 및 수직으로 선택되었고, 예를 들어 타원 억제제로 상이한 억제제 설계로 임의적으로 선택될 수 있다. 출력 광을 위한 푸앵카레 위치는 구를 통해 직선 상에 위치한다. 이는 투사 광이 비편광되기 때문에 그리고 알려지지 않은(그리고 무관계한) 이들 사이의 위상으로 두 개의 독립적인 광 웨이브(wave)를 갖는다.
도 7e는 거의 동일한 장치를 도시하지만, 편광된 투사광으로 이용된다. 차이점은 투사광이 완전히 편광되고 출력광이 또한 완전히 편광될 것이라는 점이고, 즉 이는 푸앵카레 구의 표면에 한정되며 빔의 구성요소 사이의 위상은 관련된다. 또한, 삽입된 도면은 양 측부로 기울임을 도시하고, 이 경우 위상-계단은 P2의 사인을 변경시킨다. 그 결과 거울이 우측으로 기울어질 때 수평으로부터 수직으로 그 사이의 모든 각을 통해 반사된 상태는 반시계 방향으로 회전한다. 좌측으로 기울어질 때 동일한 포인트 사이에서 반시계 방향으로 회전하고, 이에 의해 전체 범위를 통해 거울이 기울어질 때 360도를 커버한다. 도 7d 및 도 7e 사이에는 작은 차이가 있다: 7e에서 P1 및 P2 사이의 위상차이는 기울임 축 주위로 대칭적이고, 도 7d에서는 그러하지 않다.(따라서, 도 7e의 거울은 양 측부 상에서 억제제 미세구조로 그려진다.) 이러한 선택은 두 개의 경우를 교훈적으로 간단하게 만들고, 어느 하나의 거울은 어느 하나의 도면에서 이용되었을 수 있다. 도 7e의 거울은 도 7d와 동일한 결과를 만들 것이고, 도 7e에서 이용된 도 7d의 거울은 푸앵카레 구의 "북극 및 남극에 걸쳐" 있는 출력 편광을 줄 것이다.
실제적인 문제로서, 편광-제어 마이크로구조는 일반적으로 광의 파장의 절반에 대적할만한 측면 치수를 갖고, 색수차 없앰, 위상 바이어스 등을 위해 이용된 스파스(spase) 단계는 일반적으로 측면으로 다수의 파장에 대해 연장된다.
상기 설명된 완전한 콤플렉스 SLMs의 이용
도 8, 9 및 10은 상기 설명된 완전한 콤플렉스 및/또는 색수차가 없어진 SLM의 일정한 이용을 도시한다. 도 8a는 일정한 중요한 차이점을 가지며 문서(참조로 포함된 미국 특허 제 7,009,753호)에서 설명된 시스템과 유사한 웨이퍼, 마스크, PCB 등에 기록하기 위한 리소그래픽 직접-기록 시스템을 도시한다. 광원(801)으로부터의 복사는 SLM(802)을 조명하고, 반사된 복사는 예를 들어 광화학 또는 열과 같은 복사에 민감한 워크피스(803) 상으로 포커스된다. 5nm 내지 2000nm 범위의 방출 파장을 가진 광 소스는 연속적이거나 펄스되고, 스펙트럼적으로 좁거나 또는 넓을 수 있으며, 이러한 단계는 스톱 앤 고(stop and go) 또는 연속적 이동을 가질 수 있으며, 이는 워크피스 상에서 연속적인 이미지를 만든다. SLM은 입력 데이터를 변환시키는 데이터 경로로부터 유도되고, 이러한 데이터는 SLM의 픽셀 요소를 직접 또는 간접으로 구동시키는 전자 신호로 워크피스 상에서 패턴으로 기록된다. 종래 기술과 비교할 때 도 8a의 새로운 점은 SLM이 완전한 콤플렉스 조정을 갖는다는 점과 포커스에서 벗어난 위치 Δf에 위치한다는 점과 SLM 상의 포인트 및 워크피스 상의 포인트 사이에 일대일 관계가 없다는 점이다. 워크피스 상의 포인트는 실제로 작은 홀로그램인 작은 구역 ΔS에 의해 제어된다. 완전한 콤플렉스 SLM은 홀로그램으로 작용하고, 이 경우 워크피스 상의 포인트는 다수의 픽셀에 의해 집합적 조정에 의해 제어된다. 초점에서 벗어난 거리는 작거나 또는 클 수 있지만, 레이라이(Rayleigh) 길이보다 큰 경우에 그리고 바람직하게 4개의 레이라이 길이보다 큰 경우에, 워크피스 상에서 포인트에 기여하는 작은 또는 큰 구역을 제공한다. 계획의 일 장점은 개별적인 거울에서의 조정 에러 또는 결점이 기록된 패턴으로 국부화된 큰 에러를 일으키지 않지만 SLM 상의 일 포인트는 워크피스 상의 구역에 기여하기 때문에 일정한 구역 위에서 품질의 미묘한 손실을 일으킨다. 추가적으로 SLM을 초점에서 벗어나게 이동시키는 것은 많은 요소로부터 평균화를 증가시키고 이미지에서 국부적인 에러에 대한 위험을 감소시키지만 SLM에서 필요한 동적 범위를 증가시키고 SLM을 위한 데이터를 계산하는데 어려움을 증가시킨다. 추가적으로, 예를 들어 100, 1000, 또는 10000 픽셀과 같은 워크피스 상의 일 포인트에 기여하는 작은 구역은 큰 구역이 예를 들어 100000 또는 1000000 픽셀로 이용되었다는 것보다 쉽게 렌즈의 광학 수정을 위한 요구를 만든다.
도 8a에서 기록자의 하나의 새로운 성질은 고정된 포커스 평면이 없다는 점이다. 다시 포커스를 맞추는 것은 데이터를 변화시킴에 의해 수행될 수 있고, 다수의 초점들은 동일한 이미지에서 만들어질 수 있고, 나란히 또는 측면으로 중첩된다. 따라서 비평면 워크피스(803) 상에 기록하는데 이용될 수 있다. 다른 이용은 예를 들어 광경화된(photocured) 폴리머에서 3D 패턴을 기록하는 것이다. SLM에 대한 데이터는 가장 적절하게 반복적인 방법에 의해 폴리머에서 광의 원하는 3D 분포를 제공하도록 계산된다. 기록자는 예를 들어 기록 가능한 다중층 데이터 디스크에 대해 한번에 상이한 패턴으로 다수의 깊이 층들을 기록하는데 이용될 수 있다. 층들 사이의 뛰어난 분리 및 더욱 자유로운 3D 설계는 위상 변화 레지스트, 이원 금속 레지스트와 같은 비선형 또는 문턱값 복사-민감 물질로 또는 둘 혹은 다중-포톤(photon) 노출에 의해 수행하는 것이 쉽다.
도 8b는 현미경 또는 다른 투사 도구의 이미지가 상기 설명된 것과 같은 SLM의 슈(sue)에 의해 향상될 수 있는지를 도시한다. 견본 또는 물체는 5-2000nm의 범위에서 복사에 의해 광원(806)으로부터 조명되고, 예를 들어 CCD 또는 CMOS 센서와 같은 이미지 센서로 이미지화된다. 구멍에서 물체(805) 및 센서(807) 사이의 평면은 이미지의 향상에 대해 이용될 수 있는 완전한 콤플렉스 SLM(805)이다. 수행될 수 있는 것의 예들은 높은-패스(high-pass) 및 낮은-패스 여과, 엣지 향상, 위상-대조 이미징, 데스펙클링(despeckling), 템플릿 매칭, 및 상관 관계이다. 마이크로기계적 SLM은 안정적이고 강건하며 오래가고, 완전한 콤플렉스 조정으로 이는 이미지 처리 작업이 근접하게 이론을 따르게 하고 소음 및 인공물을 거의 부가하지 않는다. 이미지 향상의 이론은 신호 이론 및 이미지 처리 상에서 많은 텍스트북에서 잘 설명되어 있고 디지털 도메인에서 완전하게 실행된다. 디지털 처리에 의해 일반적으로 수행되는 것과의 차이점은, 카메라 및 위상 정보 상에서 캡쳐되었던 이미지가 사라진 이후 인가된다는 점이다. 여기서 처리는 센서로의 방법 상에서 포톤에 의해 실행되고, 위상은 결과의 일부이며 견본에서 미묘한 변화의 시각화 및 더욱 강력한 분석을 제공한다. 이러한 방법 및 장치는 현미경 검사로부터 예로서 설명되었지만 투사된 이미지를 이용하여 리소그래피, 메트롤로지(metrology), 및 다른 영역에 이용 가능할 수 있다. 도 8b의 설정을 위한 다음의 이용은 이탈 제어(aberration control)이고, 이 경우 광학 시스템의 포커스를 포함한 파면 에러는 SLM 상에서 위상에 의해 교정될 수 있으며, 항상 완전한 이미지를 제공한다. 조명이 펨토세컨드(femtosecond) 펄스라면, 스펙트럼의 상당한 확장이 있고 상기 설명된 SLMs의 색수차 없앰이 중요할 수 있다.
도 8c는 광원(810), 물체(809), 이미지 센서(811) 및 상기 설명된 것과 같은 SLM(812)을 가진 도 8b와 유사한 시스템을 도시한다. 도 8b로부터의 차이점은 SLM이 이미지 평면에 위치한다는 점이고, 이 경우 SLM은 밝은 구역으로부터 광을 마스크 아웃(mask out)하기 위해 이용될 수 있으며 이에 의해 어두운 구역에서 소음에 대한 신호를 향상시킨다.
도 8b 및 8c의 두 개의 계획은 도 8d에서 도시된 것과 동일한 기구에서 조합될 수 있다. 물체(813)는 광원(814)에 의해 조명되고, 이러한 광원(814)은 아토초로 아래로 펄스 배로 펄스되거나 또는 연속적일 수 있다. 이미지는 센서(817) 상에서 픽업되거나 또는 도 8b 및 8c에서와 같이 인간의 눈 상에서 픽업된다. 이미지는 예를 들어 완전한 콤플렉스 SLM으로 이미지 평면(816)에서 그리고 2차 SLM으로 구멍 평면 SLM(815)에서 SLM 여과된다. 이러한 이용은 현미경 사용, 리소그래피, 메트롤로지, 및 패턴 조사이다.
도 8b-d에서 작동은 현미경 사용 및 유사한 투사에 의해 예시화 되었고, 이 경우 물체는 물리적 물체이며, 이러한 물체는 디지털 저장부에 저장된 이미지로 구동된 SLM일 수 있다. SLM 이미지는 광학적 및 비광학적 이미지를 나타낼 수 있는데, 예를 들어 x-레이 이미지, 레이더 이미지, 소나 에코, 천문학적 밀도 맵(astronomical density maps), 스펙트라, 회절 패턴, 인구 통계 등을 나타낼 수 있고, 이들은 1차원 또는 2차원일 수 있다. 디지털-온리(digital-only) 처리에 걸친 장점은 광학 시스템의 높은 처리 능력일 수 있으며, 원칙적으로 즉시적이고 물체 SLM로 데이터의 주입 및 센서로부터의 송신에 의해서만 제한될 수 있다. 입력 밴드폭은 초당 10 내지 100기가바이트일 수 있다. 도 9a-d는 도 8b-d에서의 계획의 일반화 및 개발을 한다. 모든 도면은 광원 및 탐지기(또는 동등하게 눈 또는 광민감 표면)를 갖는다. 광은 다수의 광학 하위시스템을 통과하고, 이러한 하위 시스템은 니어-필드(near-field) 및 파아-필드(far-field) 사이에서 이를 변환시키거나 또는 이들 사이에서 다수의 이미지 평면 및 구멍 평면을 상이하게 언급하였다. 구멍 평면은 이미지(824, 825, 827) 등에서 위에 있다. 이미지 평면은 바닥부(823, 826, 828) 등에 있다. 빔스플리터(beamsplitter)는 도면에서 표시되고, 판독자는 유도되지 않는 다른 옵틱스를 상상할 수 있다. 제 1 이미지 평면은 (823)이고, 이는 물리적 견본 또는 디지털 이미지를 표현하는 SLM일 수 있으며, (823)은 조명 구멍(824)(SLM 또는 고정된 구멍)에 의해 형상화된 조명으로 광원(821)에 의해 조명된다. 이미지가 이미지 및 구멍 평면 사이에서 변환되는 다수의 단계가 있고, 각각의 단계에서 SLM 도는 고정된 필터에 의해 여과될 수 있다. 이는 이미지 처리의 일정한 유형을 위한 일반화된 구조이다. 도 9b에서 가변성 편광기(829)가 견본의 편광 분석을 위해 견본 이전에 그리고 이후에 부가된다. 도 9c는 기준 경로(reference path; 830)가 부가되고, 이는 위상 기준을 제공하여 측정을 간섭적이거나 또는 입체 영상적으로 만든다. 마지막으로, 도 9d에서 기준 경로 및 가변성 편광기가 모두 있고, 이는 완전히 편광된 간섭이 이미지의 여과와 함께 수행되는 것을 가능하게 한다.
도 10은 매우 높은 데이터 처리량을 이용하는 큰 스크린 프로젝터를 도시하고, 이는 MEMS 배열 및 상기 설명된 다중 컬러 능력으로 이루어질 수 있다. SLM(1001)은 3개의 컬러 파라이머리(primaries)에 대해 3개의 레이저(1002, 1003, 1004)에 의해 조명된다. 스캐닝 시스템(1005)은 예를 들어 2000x4000 픽셀로 SLM으로부터 18000x8000 픽셀과 같이 SLM의 부분적 이미지(1006)로부터 큰 이미지(1007)를 확립한다.
도 10b 및 10c는 어떻게 완전한 콤플렉스 SLM이 옵틱스 없이 이미지를 투사할 수 있는지를 도시하는데, 이는 포커스로의 광의 수렴이 픽셀 데이터의 위상 상에서 인코드되기 때문이다. 도 10b는 라인 그리는 응용을 도시한다: 예를 들어 제어 룸에서의 높은-정보 내용 디스플레이. SLM은 디스플레이되는 라인을 추적하는 제한된 숫자의 밝은 지점을 발한다. 모든 레이저 파워는 조명된 라인으로 가고, 이미지는 오직 알맞은 레이저 파워만을 이용하여 벽을 채울 수 있다(그림은 광 배경 상의 어두운 라인을 나타내고, 현실은 반대일 수 있다). 도 10c는 일반적인 별난 망판(網版) 이미지를 만드는 렌즈 없는 컴퓨터 프로젝터를 나타낸다. 이러한 두 이미지 사이의 차이는 데이터에 있고, 완전한 콤플렉스 SLM의 입체 영상화 캐릭터는 모든 광을 이미지의 작은 하위세트(subset)로 보내는 것을 가능하게 하며, 이에 의해 매우 크고 밝은 라인 그림을 가능하게 한다. 이러한 상이한 데이터는 작은 구역 상의 영화를 도시할 수 있다. 도면 10a-c 모두는 광역밴드 작동을 이용을 색수차 없앰을 통해 가능하게 한다(3개의 가시 컬러).
마이크로기계적 SLM은 빠른 속도, 빠른 파워 핸들링 능력, 및 뛰어난 안정성을 가진다. 본 발명이 부가하는 것은 동일한 베이직 플랫폼, 즉 동일한 MEMS 액츄에이터 및 동일한 드라이빙 회로를 이용하여 상이한 유형의 광 조절을 하는 유연성이고, 이는 칩 및 데이터 경로 하에서 CMOS를 포함하며 칩을 온 그리고 오프한다. 일반적으로, 플랫폼은 조절기의 마이크로 기계적 배열을 빠른 매트릭스 어드레싱(addressing)을 위한 CMOS 회로와 SLM으로 데이터 및 다른 신호를 주입하기 위한 지지 전자소자일 수 있다. 피스톤 SLM에서 MEMS 층만을 변화시킴에 의해, 넓은 스펙트럼을 가진 광에 대해 또는 단색광에 대해 위상 조정 또는 완전한 콤플렉스 조정을 할 수 있다. 기울임 거울과 같은 다른 기본적 거울 구성으로, 크기 또는 완전한 콤플렉스 조정이 연장된 스펙트럼 범위로 단색광 또는 광에 대해 이루어질 수 있다. 또한, 편광은 거울 상에서 편광 수정 패턴 또는 층으로 SLM에서 조정될 수 있다.
여기서 설명된 SLM은 이미지 또는 정보 처리 장치로서 매우 파워풀하다. 이들은 일관적인 장치이기 때문에, 이용의 일반적인 필드는 텍사스 인스투르먼트의 DMD 장치와 상호보완적이다. 이는 광학 이미지 처리, 적응성 옵틱스(adaptive optics), 최적의 필터링, 불일치에서 일치로의 이미지 변환, 빔 조종 및 형상화, 파면 수정, 홀로그래피, 투사 및 리소그래피에 이용될 수 있다. 이러한 이용에 적절한 성질을 가진 SLM은 이용에 따라 상이할 수 있다. 넓은 다양한 성질을 가진 SLM이 거울의 표면 프로파일(및 선택적으로 표면 필름)을 단지 변경함에 의해 동일한 CMOS 배열 상에서 동일한 거울 배열로부터 생성될 수 있다. 이는 본 발명의 가치있는 장점으로 생각되는데, 왜냐하면 이는 개발 및 제작 능력에서 특정 요구사항 및 레버리지 투자(reverage investment)에 대해 기술을 적응시키는 비용을 낮추기 때문이다.
더욱 완전한 분석은 2차 효과도 있음을 나타낼 것이다: 50% +180도 및 50% -180도를 가진 거울은 파장 오차의 이차 함수에 의해 감소되는 평균 반사율을 가질 것이다. 다음 레벨의 수정은 0도 거울을 50% 0도, 25% +360도, 및 25% -360도로 만드는 것이다. 이러한 방식으로 점진적으로 높은 차수의 색수차 없앰이 배열에 부가될 수 있고, 이러한 관점에서 하나의 파장에 대한 뛰어난 소광이 인접한 파장에 대한 뛰어난 소광이다.
색수차 없앰의 원리는 λ0에서 δ0의 위상차가 미분계수 dδ/dλ= -δ0/λ0을 제공하고, (λ0에서) 등가 δ0-360도는 미분 계수 dδ/dλ= (360-δ0)/λ0을 제공하고, 이 경우 위상 δ0을 가진 구역 A는 위상 δ1=δ0 및 구역 A1=A*((360-δ0)/360)을 가진 하나의 부분과 위상 δ2=δ0-360 및 구역 A2=A*(δ0/360)을 가진 하나의 부분으로 분할된다.
이는 그리고 더욱 콤플렉스 케이스는 미분계수 d(Re(Etotal))/dλ 및 d(Im(Etotal))/dλ로 풀릴수 있고, 이 경우 Etotal은 구역 A에 걸쳐 통합된 콤플렉스 E 필드(위상자로서)이고, Re 및 Im은 이의 실제 필드 및 가상 필드를 나타내며, 이들을 0과 동일하게 설정한다. 더욱 완전한 색수차 없앰은, dn(Re(Etotal))/dλn 및 dn(Im(Etotal))/dλn(이 경우 n은 2, 3 또는 그 보다 큼)이 파장 영역에 걸쳐 0 또는 최소로 설정되는 경우에 따른다.
일부 특별한 실시예
본 발명은 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 조정하는 장치 또는 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 조정하는 방법으로서 실행될 수 있다. 하나의 실시예는 다수의 오프 축(off axis) 계단 표면 거울을 가진 공간적 광 조절기이다. SLM은 관련된 조명의 웨이브 특성을 초래하는 예정된 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 전달하도록 이루어진다. 이러한 장치는 기울임 거울의 배열을 포함하고, 각각의 거울은 하나 이상의 본질적으로 평평한 반사면 및 거울에 대한 기울어진 축을 갖는다. 기울임 거울의 배열 중에 적어도 일부의 거울의 본질적으로 평평한 반사면 위에 표면 구조물을 포함한다. 상이한 표면 구조물은 상이한 거울 상에 존재할 수 있다. 인접한 거울의 모두가 표면 구조물을 가질 필요는 없다. 이러한 실시예에서 거울의 표면 구조물은 적어도 하나의 계단을 갖고, 이러한 계단은 반사면을 다수의 작은 반사면으로 분할한다. 이러한 계단은 다수의 더 작은 반사면으로부터 반사된 관련된 조명의 일부분 사이에서 위상차를 만든다. 거울 상의 적어도 하나의 계단은 기울어진 축에 대해 오프 액세스(off access)이다. 일정한 실시예에서, 계단은 기울어진 축에 본질적으로 수직이다.
제 1 장치 실시예의 일 태양은 조명의 파장에서의 변화를 보상하도록 영향을 받는 오프 액세스 계단을 가진 표면 구조화된 거울을 포함한다. 조명의 파장에서의 변화는 변하는 웨이브 특성을 초래할 수 있다. 상기에서 설명된 것처럼, 이러한 보상은 광의 변하는 파장과 함께 거울 배열이 작업하는 것을 가능하게 할 수 있다.
제 1 장치 실시예의 다른 태양은 중앙 파장을 가진 조명에 적용된다. 이러한 태양에 따르면, 다수의 반사면으로부터의 관련된 조명의 부분들 사이의 위상차는 중앙 파장에 대해 270도보다 크다. 이는 파장의 적어도 3/4의 위상차이다. 또한, 연관된 태양은 중앙 파장을 갖고, 중앙 파장에 대해 대략 n*360도인 다수의 반사 서비스로부터의 연관된 조명의 일부분 사이의 위상차를 가지며, 이 경우 n은 양의 값으로서 0이 아닌 정수이다.
이전의 태양에서, 이러한 장치는 전달된 조명의 위상의 계산된 미분 계수가 계단의 상이한 부분 상에서 반대 사인을 갖는다는 추가적인 특성을 나타낼 수 있다.
이전의 태양에 대해, 표면 미세구조는 거울 유효 부분에 부가될 수 있고, 이에 의해 관련된 조명의 예정된 편광 상태를 만든다. 표면 미세구조는 1차원 그리드와 같이 규칙적인 그리드에서 절반 파장보다 작은 측면 치수를 가진 채로 형성된 부분적인 반사면일 수 있다. 이러한 미세구조는 상이한 위상으로 상이한 즉각적인 편광으로 반사한다. 또한, 이는 상이한 크기로 상이한 즉각적인 편광으로 반사할 수 있다. 또는 위상차를 가진 상이한 즉각적인 편광으로 반사할 수 있고, 위상차는 기울어진 축의 대향 측부 상에서 상이하다.
이전의 태양의 실시예에서 표면 구조화된 거울은 거울 기울임의 범위를 통해 관련된 조명에서 위상 및 강도의 예정된 궤적을 만들도록 영향받는 오프-축 계단(off-axis steps)을 가질 수 있고, 예정된 궤적은 오프-축 계단 없이 거울에 의해 만들어진 궤적과 상이하다.
제 2 장치 실시예는 다수의 위상 오프셋(offset) 픽셀 그룹을 가진 공간적 광 조절기이고, 이는 픽셀 그룹으로부터 전달된 조명의 완전한 콤플렉스 강도 및 위상 조절을 가진 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 전달하도록 이루어진다. 이러한 장치는 기울어진 거울의 배열을 포함하고, 거울은 하나 이상의 본질적으로 평평한 반사면 및 기울어진 축을 갖는다. 이러한 장치는 기울임 거울의 배열 중에서 거울의 그룹을 포함한다. 그룹의 개별적인 거울은 상이한 높이를 갖도록 배열되고, 그룹에서 개별 거울 중에 위상 오프셋을 만든다. 그룹에서 개별 거울을 구동하는 것은 그룹으로부터 전달된 조명의 완전한 콤플렉스 강도 및 위상 조절을 만든다.
이러한 실시예의 일 태양에서 그룹의 둘 이상의 거울은 (1+2n)*λ/4(n은 음이 아닌 정수)의 위상 계단을 갖는다. 그리고, 두 개의 거울은 조명축에 대해 상이한 위상 오프셋을 갖는다. 이러한 태양은 거울 사이에서 상이한 오프셋을 가진 개별 거울에서의 하나 이상의 계단을 조합한다.
이러한 장치 실시예는 제 1 장치 실시예의 태양과 조합될 수 있다. 상이한 태양으로부터의 피쳐의 다양한 조합은 광범위한 다양한 피쳐 조합을 만들도록 조합될 수 있다.
이러한 실시예 및 태양을 실행하는 것은 단위 원과 함께 일정한 콤플렉스 반사를 갖는 조명 구역을 만들 수 있고, 이러한 단위 원은 결과적인 조명의 실수부 및 복소부를 나타낸다. 강도 및 위상의 완전한 콤플렉스 조정은 거울의 최소 기울임으로 만들어질 수 있고, 거울의 엣지에서 1/4 파장 또는 그 미만의 양에 이른다.
추가적인 장치 실시예는 다수의 깊은 계단화된 거울을 가진 공간적 광 조절기이고, 조명 파장에 대해 감소된 작동 민감도를 가진 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 전달하도록 이루어진다. 이러한 장치는 기울임 거울의 배열을 포함하고, 거울은 하나 이상의 본질적으로 평평한 반사면 축을 갖는다. 이러한 배열은 하나 이상의 계단을 가진 적어도 일정한 깊은 계단화된 거울을 포함하고, 이러한 계단은 반사면을 다수의 반사면으로 분할한다. 깊은 계단화에 의해, 계단은 조명의 중앙 파장에 대해 135도보다 큰 높이 차이를 생성한다. 특별한 거울 상에서 인접한 반사면 사이의 이러한 높이차는 조명 파장 상에서 거울 작동 동안 굴절 효과의 의존성을 감소시킨다. 상기에서 설명된 것처럼, 깊은 계단화된 거울은 공간적 광 조절기를 재설계 또는 교체하지 아니한 채로 355나노미터 또는 405나노미터 파장을 가진 레이저원과 같은 상이한 조명원을 수용할 수 있다.
이러한 추가적인 장치 실시예는 제 1 또는 제 2 장치 실시예의 태양과 조합될 수 있다. 상이한 태양으로부터 피쳐의 다양한 조합은 광범위하게 다양한 피쳐 조합을 만들도록 조합될 수 있다.
또 다른 장치 실시예는 픽셀 그룹에 인가된 다수의 편광 수정 미세구조를 가진 공간적 광 조절기이고, 이는 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 제거를 전달하도록 이루어진다. 일정한 실시예에서, 이러한 장치는 픽셀 그룹으로부터 전달된 조명의 완전한 콤플렉스 강도 및 위상 조절을 제공한다. 이러한 공간적 조절기는 기울임 거울의 배열을 포함하고, 이러한 거울은 하나 이상의 본질적으로 평평한 반사면 및 기울임축을 갖는다. 이러한 배열은 기울임 거울의 그룹을 포함한다. 이러한 그룹의 개별적인 거울은 개별 거울의 표면 상에서 미세구조를 만드는 상이한 편광을 갖도록 배열된다. 이러한 배열은 그룹으로부터 전달된 조명의 제어 가능한 편광 상태를 만들기 위해 개별 거울 및 그룹을 구동시키도록 이루어진다. 이러한 전체 명세서를 검토한 사람은, 개별 거울을 분해하지 못하는 광학 시스템이 인접 거울의 그룹으로부터 의존된 조명의 특성을 평균화하거나 또는 나타내는 전달된 조명을 초래함을 이해할 것이다.
이러한 제 4 실시예의 일 태양은 하나 이상의 필수적으로 평평한 반사면을 상이한 높이를 가진 부분적인 표면으로 분할하는 계단을 포함한다. 상이한 높이는 조명의 파장에서 변경의 전달된 조명의 강도 및 위상에 대한 영향을 감소시키도록 선택된다.
특별한 실시예에 관해 이러한 섹션에서의 제 4 이전의 실시예는 이하의 장치에 의해 브릿지되고(bridged) 공통적으로 특징지어질 수 있다. 브릿지 장치는 다수의 거울을 가진 공간적 광 조절기이고, 위상 및/또는 편광을 수정하거나 그리고 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 전달하도록 이루어진다. 이러한 브릿지 장치는 회절 효과에 의해 전달된 조명의 강도를 제어하는 기울임 거울의 거울 배열을 포함한다. 거울은 하나 이상의 본질적으로 평평한 반사면 및 기울임 축을 갖는다. 공간적 광 조절기 실시예는 개별 거울 또는 거울의 그룹을 추가로 포함하고, 이러한 거울은 거울의 그룹에서 거울 중에 있는 개별 거울 상의 구역 중의 표면 구조에서의 차이를 갖는다. 표면 구조에서의 차이는, 거울 및/또는 표면 미세구조 사이에서 또는 거울의 구역 중의 높이에서의 차이를 의미한다. 표면 미세구조의 일례는 이전의 상세한 설명에서 편광 미세구조에 관한 부분에서 설명됐다. 이러한 브릿지 실시예에서, 표면 구조에서의 차이를 가진 거울은 개별적으로 또는 그룹으로 구동되어 강도 및 (위상 및/또는 편광)의 조합을 만들도록 이루어지고, 이는 기울임 축과 일치하는 계단을 가진 계단화된 반사면을 가진 기울임 거울의 배열 또는 단일의 평평한 반사면을 가진 기울임 거울의 배열에 의해 얻어질 수 없다. 이러한 브릿지 실시예는 단일의 독립적인 청구항을 제공하고, 이러한 청구항으로부터 처음의 4개의 장치 실시예에 대한 청구는 종속항 형태로 작성될 수 있다.
이전의 장치 실시예의 각각은 방법으로 표현될 수 있는데, 실질적으로 일정한 구조를 가진 마이크로 거울 배열을 이용한 형태이며, 이에 의해 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 변경하고 개별적인 장치 실시예와 관련된 특성을 가진 전달된 조명을 만든다. 이러한 방법의 작용은 상기에서 설명된 것처럼 마이크로 거울 배열을 조명하는 단계, 일정한 피쳐를 가진 마이크로 거울 배열의 구조로부터 조명을 반사하는 단계, 및 일정한 특성을 만들도록 수정된 조명을 전달하는 단계를 포함한다.
방법 실시예는 상기 설명된 장치 실시예의 일부 또는 전부를 제작하는데 이용될 수 있고, 마이크로 거울의 배열에서 거울 상의 나노 프린팅한다. 이러한 방법은 템플릿으로부터 깊이 패턴을 가진 폴리머 필름 상의 UV-경화 화합물의 나노 임프린팅을 포함한다. 이러한 방법은 UV-경화 화합물을 경화시키고 경화된 화합물 위에 반사 필름을 증착시킴으로써 진행된다. 추가적으로 이는 기울임 마이크로 거울의 배열을 형성하기 위해 반사 필름을 처리하는 단계를 포함한다.
청구항의 내용은 아래와 같다.
Claims (20)
- 전달된 조명의 예정된 결과적 파동 특성을 가진 간섭성 또는 부분적으로 간섭성 조명을 전달하도록 이루어진, 복수의 오프-축 계단화된 표면 거울(a plurality of off-axis stepped surface mirrors)을 가진 공간적 광 조절기(SLM)로서,
기울임 거울의 배열로서, 각각의 거울이 하나 이상의 본질적으로 평평한 반사면 및 기울임 축을 가진, 기울임 거울의 배열; 및
상기 기울임 거울의 배열에서 적어도 일부의 거울의 상기 본질적으로 평평한 반사면 위에 표면 구조(surface-structure);를 포함하고,
표면 구조화된 거울은 상기 반사면을 복수의 반사면으로 분할하며 상기 복수의 반사면으로부터 전달된 조명의 일부들 사이에서 위상차를 생성하는 하나 이상의 계단(step)을 가지며,
상기 하나 이상의 계단은 상기 기울임 축에 대해 오프-축인,
공간적 광 조절기에 있어서,
위상차를 갖는 두 개의 상이한 투사 편광을 반사함으로써 상기 전달된 조명의 예정된 편광 상태를 만드는데 효과적인 오프-축 계단을 가지는 서브파장 격자(subwavelength grating) 형태의 표면 구조화된 거울을 포함하며,
상기 위상차는 상기 기울임 축의 두 측부 상에서 상이한,
공간적 광 조절기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 표면 구조화된 거울은,
상기 조명의 파장에서의 변화를 보상하는데 효과적인 오프-축 계단을 가지고,
이에 의해 변하는 파동 특성을 초래하는,
공간적 광 조절기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
중앙 파장을 가진 전달된 조명; 및
상기 중앙 파장에 대해 270도보다 큰 복수의 반사면으로부터 전달된 조명의 일부들 사이에서 위상차를 더 포함하는,
공간적 광 조절기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
중앙 파장을 가진 전달된 조명; 및
상기 중앙 파장에 대해 n*360도인 상기 전달된 조명의 일부들 사이에서 위상차를 더 포함하고,
n은 0이 아닌 양의 값인,
공간적 광 조절기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전달된 조명의 위상의 계산된 미분계수(derivatives)는 상기 계단의 상이한 부분 상에서 반대 사인(opposite signs)을 가진,
공간적 광 조절기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 표면 구조화된 거울은 규칙적인 일차원 그리드(regular one-dimensional grids)에서 절반 파장보다 작은 측면 치수를 가진 미세 구조로부터 형성된 하나 이상의 부분적 반사면을 가지는,
공간적 광 조절기.
- 제 6 항에 있어서,
상기 미세 구조는 상이한 위상으로 두 개의 상이한 투사 편광을 반사하는,
공간적 광 조절기.
- 제 6 항에 있어서,
상기 미세 구조는 상이한 크기로 두 개의 상이한 투사하는 편광을 반사하는,
공간적 광 조절기.
- 제 1 항에 있어서,
거울 기울임의 범위를 통해 상기 전달된 조명에서의 강도 및 위상의 예정된 궤적을 만드는데 효과적인 오프-축 계단을 가진 표면 구조화된 거울을 더 포함하고,
상기 예정된 궤적은 오프-축 계단이 없는 거울에 의해 만들어진 궤적과 상이한,
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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