Räumliche Lichtmodulatoren (SLMs) sind aktive optische Komponenten, die die Amplitude, Phase oder Polarisation eines Lichtstrahls verändern können. In diesem Tech-Talk konzentriere ich mich auf eine bestimmte Untergruppe: diejenigen, die dies mit einem zweidimensionalen Pixel-Array erreichen. Dies deckt zwar nicht alle Arten von SLMs ab, ist aber eine ausreichend große und interessante Kategorie, die es zu erkunden gilt. Da sich dieser Blog auf Systemintegratoren konzentriert, werde ich auch die wichtigsten Überlegungen hervorheben, wenn Sie sich entscheiden, ein SLM in Ihr System einzubauen.
Zunächst einmal gibt es zwei große Unterklassen: reflektierende und durchlässige. Die meisten industriell interessanten SLMs sind vom reflektierenden Typ. Der Grund dafür ist einfach. Leistungsstarke Geräte erfordern einen CMOS-Wafer, um die Daten über das Gerät zu verteilen. Der einfachste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, eine metallische Schicht direkt auf einen Wafer aufzubringen. Es ist möglich, eine optisch durchlässige Oberfläche anzuordnen, die ein elektrisches Signal verteilen kann, aber das setzt freie Elektronen voraus, und diese neigen dazu, mit dem übertragenen Licht zu interagieren. Der dadurch entstehende Kompromiss wirkt sich in der Regel auf die Geschwindigkeit der Geräte oder die optische Übertragung aus.
Dennoch gibt es viele technisch interessante Produkte, die dieses Prinzip sowohl in Verbraucheranwendungen (wie LCD-Displays und einige LCoS-basierte Projekte) als auch in der Industrie nutzen.
Dies ist eine wichtige Klasse von räumlichen Lichtmodulatoren. Bemerkenswert ist, dass wir die Der DLP von Texas Instruments in dieser Klasse. Auch wenn diese Art von SLMs die Phase des reflektierten Lichts verändern, werden sie nicht als solche verwendet. Lassen Sie mich das erklären. Der DLP ist eine rein reflektierende Mikrospiegelvorrichtung, bei der jeder Mikrospiegel nur zwei stabile Zustände haben kann, die sich zwischen plus oder minus 12 Grad entlang seiner Diagonale ändern, obwohl der Winkel zwischen verschiedenen Typen unterschiedlich sein kann. Jeder Punkt auf der Oberfläche dieses Geräts verändert die Phase des Lichts, indem er eine optische Wegdifferenz einführt, aber da diese Phasen nicht unabhängig sind, können wir nur den Nettoeffekt eines kleinen, geneigten Spiegels beobachten.
Es gibt andere SLMs, die nach dem gleichen optischen Prinzip arbeiten, wie z. B. das IPMS analoger Kippspiegel SLM. Da die Kippspiegelgeräte insgesamt phasenneutral sind, sind sie auf das Abbildungssystem angewiesen, um die beabsichtigte Wirkung zu erzielen. Ohne dieses sehen sie nur wie eine raue reflektierende Oberfläche aus. Mit einem richtig konzipierten Projektionssystem verwandeln sie sich in hochleistungsfähige Systeme zur Erzeugung von Mustern, die von hochwertigen binären Masken nicht zu unterscheiden sind.
Die analogen Kippspiegelgeräte sind einfach zu kalibrieren und zu verwenden, benötigen aber einen Excimer-Laser, um ihr wahres Potenzial auszuschöpfen. Es gibt jedoch einige Eigenschaften, die ein gekippter Spiegel in der Bildebene mit sich bringt, die man im Auge behalten sollte. Die Kippung eines isolierten Spiegels kann durch das optische System nicht verdeckt werden, selbst wenn die Projektionsoptik den Mikrospiegel nicht einmal annähernd auflöst. Dies kann manchmal genutzt werden, um den Fokus richtig einzustellen, möglicherweise sogar die empfindlichste Art, dies ohne Interferometer oder Wellenfrontsensor zu tun, aber wahrscheinlich nur bei niedrigeren Auflösungen nützlich.
Um ein solches Kippspiegelgerät für High-End-Anwendungen zu verwenden, muss die Spiegelneigung alternierend sein (wie in der Abbildung oben). Die Projektionsoptik hebt dann die Phase auf. Im Allgemeinen lassen sich diese Geräte am besten mit Hilfe der Fourier-Theorie verstehen.
Here’s an example: A device having flat mirrors has infinite contrast, one just has to tilt the mirrors to the correct angle. The tilted plate (or mirror) has a reflection pattern given by the sinc-function and the zero of that sinc is the correct angle for infinite contrast. What happens when we use partially coherent illumination, and the SLM is illuminated with a range of incident angles? Does that mean the contrast is degraded with partially coherent illumination? If we stick with the sinc-picture, we may be led to believe that it is impossible to arrange an optimal tilt angle since we cannot simultaneously adapt the one tilt angle to a -range- of incident angles. If we go with the Fourier approach instead, the array illuminated at zero incidence reflects all light along the normal. The effect of the tilt is represented as a set of diffraction modes which are not going to be transmitted through the pupil. For any off-axis plane wave, the reflected light is just a shifted replica of the on-axis pattern. If the first one had infinite contrast (when viewed through the projection optics), so does the replica. The Fourier approach gives the right answer.
MEMS-Bauteile sind nie vollkommen flach. Wenn die polierte Oberfläche, auf der sie hergestellt werden, aufgelöst wird, kommt es zu einer mechanischen Freisetzung von Kräften, die eine kurzzeitige vertikale Verschiebung bewirkt. Dies führt zu einer teilweisen Entwicklung von Flecken und anderen Effekten. Dies setzt der Bildqualität bei der Verwendung dieser Geräte Grenzen. Nicht alle Hersteller machen Angaben zu diesen Effekten. Für den Ti DLP zum Beispiel konnte ich keine Angaben finden. Einige Grenzen für diesen Parameter werden jedoch durch die Beugungseffizienz gesetzt. Da der DLP viele Bilder überlagern muss, um eine Graustufe zu erzeugen, sollten teilweise entwickelte Speckle bei der Verwendung dieser Geräte nicht wesentlich zur Verschlechterung der Bildqualität beitragen.
Mit der Zeit, insbesondere bei der Verwendung kurzer Wellenlängen, kann die obere Oberfläche ausglühen und sich verdichten, was zu einer gewissen Krümmung der Spiegel führt. Bei DLP-Geräten hat dies aufgrund der großen Neigung nur unbedeutende Auswirkungen auf die Bildqualität. Bei analogen Geräten ist dies wahrscheinlich die Eigenschaft, die die nutzbare Lebensdauer des Geräts bestimmt. Sie ist als Kontrastverschlechterung sichtbar, beeinträchtigt aber auch andere wichtige Abbildungseigenschaften wie die Schärfeempfindlichkeit.
The linear or one-dimensional modulators probably deserve their own page but I’ll try to squeeze in some of the essentials here by talking about two vastly different devices. One is the Silicon Light Machines Grating Light Valve, or GLV for short. The other is the Fraunhofer IPMS 8k show in dieses Dokument.
Das Interessante an den 1D-Modulatoren ist, dass sie eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Laserquelle verwenden können. Im Falle des GLV kann sogar ein gütegeschalteter Laser verwendet werden. Dies ist aus Sicht der Systemkosten sehr attraktiv. Auch wenn die Wiederholfrequenz des GLV für einen gütegeschalteten Laser eher hoch ist, gibt es dennoch gute Optionen. Der größte Nachteil des GLV ist die Art und Weise, wie er Graustufen erzeugt.
Die Grauskala wird durch die Erzeugung eines Gitters mit variabler Tiefe und damit variabler Stärke des gebeugten Lichts erzeugt. Dieses Gerät kann sowohl in 0. als auch in 1. Ordnung verwendet werden, hat aber einen deutlich besseren Vertrag in 1. Einige Varianten des Geräts kombinieren zwei Bänder zu einem Pixel, während andere 6 oder 3 Bandpaare verwenden. Dies hat keine wesentlichen Auswirkungen auf die optischen Bildeigenschaften.
Es ist jedoch zu beachten, dass bei diesem Ansatz die reflektierte Amplitude und die Phase gekoppelt werden, was für die Lithografie kritisch ist, da es zu einer Empfindlichkeit des Fokus führt, wenn das Gerät für die Grauskalierung verwendet wird (was meistens der Fall ist). Eine weitere, vielleicht nicht ganz so kritische Folge ist, dass das Reflexionsminimum nicht kalibriert werden kann, wenn das Gerät in 0ter Ordnung verwendet wird. Man könnte sich fragen: Wie kalibriert man ein SLM, das kein oder nur sehr wenig Licht reflektiert? Sagen wir einfach, dass der Kippspiegel-SLM leicht kalibriert werden kann, während das GLV dies einfach dadurch übersteht, dass es nicht sehr empfindlich ist, wenn es nahe der Null-Reflexionsamplitude betrieben wird. Als Anspielung auf das Fraunhofer-Gerät sei erwähnt, dass das GLV mit einer schmalen, 5-10 Mikrometer dicken Linie beleuchtet werden muss. Dies bedeutet, dass wir die Spitzenleistungsdichte berücksichtigen müssen, wenn wir dieses Gerät verwenden.
So how does the Fraunhofer devcie solve this? This device was developed to handle high-power continuous sources from the start. Therefore, the device is optically flat over its entire 80×2 mm2 Oberfläche. Um dies auszunutzen, muss das SLM vor oder nach dem besten Fokus platziert werden. Um eine zu zylindrische Optik zu vermeiden, kann ein astigmatismusfreies Bild durch Einsetzen einer oder zweier geneigter paralleler Platten wiederhergestellt werden.
Da dieses Gerät Kippspiegel verwendet, ist es phasenneutral und zeigt keine Durchschärfeeffekte, wenn es als Grauskalierungs-SLM verwendet wird. Bevor wir zum nächsten Abschnitt übergehen, sollte zumindest irgendwo im Internet erwähnt werden, dass dieser Modulator für eine Bildwiederholrate von 2MHz und nicht von 1MHz wie die verlinktes Dokument (und die Veröffentlichung darüber) behauptet. Der Grund, warum wir ein Gerät oberhalb seiner Nennresonanzfrequenz betreiben können, ist, dass der Modulator für einen recht niedrigen Q-Faktor von etwa 1 ausgelegt ist und ein Graustufengerät ohnehin keine einzelnen Pixel auflösen kann. Normalerweise löst ein gutes Design 3 bis 4 Pixel auf, je nachdem, wie viel Wert wir auf die Bildqualität legen. Dank dieser beiden Designentscheidungen konnte Micronic diesen Modulator mit 2 MHz betreiben. Mit einem 1,25-µm-Pixel (in dieser Richtung) ergab sich eine Schreibgeschwindigkeit von 2,5 m/s. Das war wirklich beeindruckend.
Reflektierende Phasen-SLMs erzeugen eine Weglängendifferenz meist auf zwei Arten. Entweder durch Verschiebung der reflektierenden Oberfläche oder durch lokale Änderung des Brechungsindexes, um eine Weglängendifferenz zu erzeugen. Im ersten Fall handelt es sich um räumliche Lichtmodulatoren wie den RealHolo, den Texas Instruments PLM oder den Silicon Light Machines PLV. Was das technische Potenzial angeht, sticht der RealHolo aus der Masse der MEMS deutlich heraus.
Eine weitere beliebte Phasen-SLM-Technologie ist Liquid Crystal on Silicon (LCoS). Diese Mikrodisplays beruhen auf einem recht komplexen Technologiepaket, zu dem eine CMOS-Backplane, eine metallische Pixelschicht, obere und untere Ausrichtungsschichten für den Flüssigkristall, eine Indium-Zinn-Oxid-Schicht (ITO) zur Erzeugung des elektrischen Feldes über dem Flüssigkristall und ein Deckglas zur Aufnahme des ITO gehören. Trotz dieser Komplexität können die Hersteller LCoS-Panels in großen Mengen mit hoher Ausbeute und minimalen Pixelfehlern produzieren.
LCoS-Panels bieten mehrere Vorteile, darunter Robustheit. Sie haben jedoch auch Nachteile, wie die Abhängigkeit von der Polarisation. Außerdem begrenzt die Dicke der Flüssigkristallschicht, die durch die Wellenlänge bestimmt wird, für die das SLM ausgelegt ist, die effektive Auflösung des Modulators. Diese Einschränkung ergibt sich aus der Natur der elektrischen Felder, die dazu neigen, sich von ihrer Quelle auszubreiten. LCoS-Panels bestehen im Wesentlichen aus dicht gepackten transparenten Kondensatoren. Wenn die laterale Größe eines jeden Kondensators kleiner ist als der Abstand zwischen seinen Platten, schwappt das elektrische Feld in benachbarte Pixel über und erzeugt Übersprechen. In der LCoS-Industrie ist dieses Phänomen als Streufeld-Effekt bekannt. Es verursacht sowohl unerwünschte Polarisationseffekte als auch Enthüllungen. Bevor wir uns mit den MEMS-SLMs befassen, müssen wir einen großen Vorteil erwähnen, nämlich dass man sie heute bei Unternehmen wie Hamamatsu oder Holoeye Photonics.
Auch wenn die Kolben-MEMS-Geräte nicht so selten sind wie Einhörner, wird man in freier Wildbahn nicht so leicht eines entdecken. Davon abgesehen, es gibt sie wirklich und wenn Texas Instruments das PLM schließlich auf den Markt bringt, könnten sie tatsächlich recht verbreitet werden. Kolbengeräte sind aus optischer Sicht sehr flexibel. Es gibt keine nennenswerten Polarisationseffekte. Es gibt keine Wellenlängenabhängigkeit, solange wir mit jeweils einer Wellenlänge beleuchten. Sie sind schnell und die Phase ist stabil. Bei LCoS muss man häufig die Polarität der Ansteuerspannung ändern, um eine Verschlechterung des Flüssigkristalls zu verhindern. Das ist hier nicht der Fall. 360-Grad-Phasenmodulation und kein störendes Übersprechen. Großartig. Kann ich ein Bündel haben? Es gibt ein Problem, das auch für LCoS-Panels gilt: Wie entscheiden Sie, welche Phase für jedes beleuchtete Pixel eingestellt werden soll?
Usually, we go to the Gerchberg-Saxton algorithm when we need to solve this problem. It is especially useful in visual applications, where the brain renders the result more palatable. One great advantagle of phase-modulating devices is that we don’t need optics. Illuminate with a wide enough beam and you have a projector from two parts, lightsource and SLM. The wavelength and by the pixel size limits its angular extent, but if that is enough, we are done. Otherwise, we may use a Galilean telescope to provide the desired magnification.
In der Lithografie, wo die Bildqualität alles ist, müssen wir die reflektierte Phase des Lichts kontrollieren. Gelingt uns dies über eine große Entfernung nicht, bewegen sich unsere Objekte durch den Fokus. Gelingt dies nicht über einen kurzen Bereich, werden unsere Objekte mit Flecken versehen, die zudem durch die Aberrationen unserer Projektionsoptik noch verstärkt werden.
Es gibt jedoch noch einen weiteren Punkt zu berücksichtigen. Wie entscheiden wir, welche Phase wir für jedes Pixel festlegen? Die Methoden zum Abrufen der Phase sind iterativ und liefern meines Wissens eine zufällig projizierte Phase. Die direkten Methoden, die ich kenne, verwenden neuronale Netze, aber ich habe nicht gesehen, welche Bildqualität wir von ihnen erwarten können. Ich würde erwarten, dass der Ansatz des neuronalen Netzes bestenfalls die Ergebnisse der zum Training verwendeten Methoden zur Phasenwiederherstellung reproduziert. Folglich würde ich erwarten, dass diese Methoden eine zufällige Phase erzeugen.
Bei der Erzeugung von Mustern hoher Qualität mit reinen Phasenmodulatoren müssen wir zumindest zwei Fälle unterscheiden: den linearen Abbildungsfall und den nichtlinearen Fall. Der lineare Abbildungsfall entspricht der linearen Abbildung zwischen Modulator und Bildamplitude bei der kohärenten Bildgebung, während der nichtlineare Fall für die teilkohärente Bildgebung gilt.
For coherent imaging, we know that the image amplitude is a linear “function” of the reflected amplitude,
Und wenn P represents a discrete device, we can turn the integral to a sum by integrating over the “pixels”,
Es gibt Details dazu, die wir im Moment wohl auslassen können. Wir wissen jedoch, dass wir diese Beziehung auf die eine oder andere Weise umkehren können,
Praktisch gesehen ist die Umkehrung von H ist in der Regel eine Pseudo-Inverse und so weiter. Das ist nicht der Punkt. Doch selbst für den einfachen Fall, dass die Impulsantwort H real ist (d. h. kein Imaginärteil) und die zu lösende Amplitude ebenfalls real ist, ergibt sich die Lösung (p) ist dann real. Nicht gerade eine tolle Lösung für ein Kolbengerät.
Wir brauchen also eine Möglichkeit, einen reellen Vektor zu transformieren p (mit NxM Elementen, wobei NxM die Größe unseres SLM ist) in einen Vektor,
wobei der Vektor h hat die gleiche Größe wie p. Wir wollen die Höhen, hdie Eigenschaft zu haben, dass,
meaning, we want want to cancel the imaginary part using the optical system. Now, it’s not my point to turn this blog into a math paper, but a well-designed image system intended for gray-scaling will leave a fair amount of room for solutions h die den durch das Mapping erzeugten Bildern sehr nahe kommen Hp.
If the mapping is linear, as alluded to above, the cancellation of the imaginary part can be done perfectly. If it is not, there is still a simple solution that gets us fairly close to to a decent solution. The path goes something like this. Let’s assume we have a set of (real) gray values. Say we got them from pixelating a vector image. Where the figures of that image covered a pixel entirely, we assigned a value of 1 to the pixel, where it didn’t cover it at all, we assigned 0, and where it covered it partially, we gave it a value x that was somehow representative of how much the pixel was covered by the vector object. Now, how do we turn that real value x to a complex phase? Well, we can promote it to a complex amplitude of unit length by,
It’s at least on the unit circle. if we try this however, it will not give us what we want. But, and you know what they say about “but”, why the plus sign? A minus sign is equally valid.
Das ist zwar auch nicht die Lösung, nach der wir suchen, aber es zeigt, dass wir für jedes Pixel das Vorzeichen des Imaginärteils frei wählen können. Wie wäre es also, ihn so zu wählen, dass er durch die Blende gefiltert wird?
Die Indizes k und l dienen nur dazu, uns daran zu erinnern, dass der SLM eine 2D-Struktur ist und dass wir die Freiheit haben, jedem Pixel auf unserem SLM jedes beliebige Vorzeichen zuzuordnen, und wenn wir die Vorzeichen so wählen, dass der Imaginärteil im Projektionssystem ausgelöscht wird, wird dieses Nur-Phasen-Gerät ohne größeren Aufwand ein ziemlich schönes Bild erzeugen.
Für ein kohärentes Bildgebungssystem können wir mit einem ziemlich großen Aufwand etwas mehr erreichen, und für ein teilkohärentes System ist dies ein Anfangszustand für einen ebenso großen, wenn nicht größeren Aufwand, aber es ist ein Anfang.
The piston modulator applied to lithography is the ultimate modulator for those who want to push sub-wavelength resolution beyond its otherwise practical limits, but it does come at a cost. Here’s the point. A piston modulator can project any phase and amplitude (in relative terms) but for lithography, we actually do not want any amplitude. We want the image to have a constant phase over the entire image because a phase variation is a variation of feature dimensions or placement through focus, and we absolutely don’t want that. This means that we have to spend time in order to find a solution that constrains that particular degree of freedom of this modulator.
Den Kuchen zu haben und ihn zu essen, Micronic erfand einen Kippspiegel Design, das einen Viertel-Wellenlängenschritt über eine Hälfte des Spiegels beinhaltete. Das Ergebnis war eine Bildamplitude, die einen (relativen) Bereich von -1 bis 1 und eine Phasenvariation von Null erreichen konnte. All die guten Dinge, für die man den Kolbenspiegel brauchte, ohne die Arbeit. Der Nachteil war eine Verringerung des Reflexionsvermögens des Geräts, was bei einer Anwendung mit einem Excimer-Laser kein Problem darstellte. Streng genommen kann es 2D-Topologien geben, die dieser Modulator in einem einzigen Bild nicht bewältigen kann. Dennoch, ASML entschied sich für diese Lösung für sein Direktschreibe-Riesenprodukt. Leider hat ASML dieses Produkt nie veröffentlicht. Meines Wissens ist dies der größte SLM, der bisher entwickelt und hergestellt wurde. 11 Millionen analog gekippte 8-Mikrometer-Spiegel und 6 kHz Bildwiederholrate. Sie können ein schönes Bild finden SEM-Bild davon hier.
Wenn Sie mehr wissen möchten, wenden Sie sich bitte an kontaktieren Sie mich über die Kontaktseite oder senden Sie einfach eine E-Mail an contact@senslogic.de. Ich rede gerne über SLMs. Sie können auch gleich hier einen Kommentar hinterlassen.
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I'm curious about the fastest frame rates achievable with these different technologies. Can you comment?
Just top down, the tilt-mirror device from Fraunhofer IPMS was a 2kHz device at at 1M pixels (mirrors). It was used by Microcnic with a 10-bit driver but the device itself has an analogue multiplexor. This device is still available from IPMS, btw. I don't have those details on the ASML/Imec device, but 6k frames per second at 11 M pixels is quite something, isn't it.
With the DLP, it becomes a little more convoluted because 400 - 480 MHz and a 128 bit wide bus, there is a lot of "frame rate", depending on device 12k to 15k frames per second, but those are 1-bit images. Either one writes a really small pixels or averages multiple images. Ti will show 2kHz 8-bit images in their datasheets, but that assumes that you modulate your illumination so that consecutive bit planes have 1/2 power reduction. Straight average of 2**n (n bit) images would obviously leave a much lower 8-bit image frame rate but much more light.
Über die reinen Phasengeräte. Die digitalen LCOS-Phasengeräte nutzen die langsame Reaktion des Flüssigkristalls und die Zeitmittelung, um eine Phasenauflösung zu erreichen, aber die Bildwiederholrate liegt bei den schnellen Geräten im niedrigen Hunderterbereich pro Sekunde. Sie eignen sich in der Regel gut für die Verwendung mit Standard-PCs mit einer normalen Grafikkarte bei 60 Hz. Die tatsächliche Bildrate, d. h. die Rate, mit der man völlig unterschiedliche Beugungsmuster erzielen kann, hängt (etwas vereinfacht) von der Wellenlänge ab. Längere Wellenlängen sind langsamer, weil die Flüssigkristallschicht dicker sein muss, um eine ausreichende Phasenmodulation zu erreichen (in der Regel 2 x PI), und die Geschwindigkeit skaliert mit dem Kehrwert der Flüssigkristalldicke im Quadrat (und verdoppelt sich bei einem Temperaturanstieg von etwa 6 Grad).
Die REALHOLO project (piston-MEMS) specifies ">1kHz" frame rates but their CMOS design appears to target much higher frame rates than 1kHz. It is an 8-bit device with a quite linear electro-optical response. There is a settling time for these piston devices but it's difficult to predict from first principles because so much depends on the details of the MEMS design. I know Fraunhofer IPMS understands thin-film damping but they have not published any results that I'm aware of for REALHOLO.