CN106647179A - 复眼匀光***、光学引擎及光源优化装置 - Google Patents

复眼匀光***、光学引擎及光源优化装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复眼匀光***、光学引擎及光源优化装置，涉及光刻直写曝光机及投影显示的技术领域，本发明公开的一种复眼匀光***，其中，平行入射光依次经过第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片；第二镜片和第三镜片的相对面均设有第一复眼透镜阵列；第一镜片和第四镜片的背离面均设有第二复眼透镜阵列；第一镜片的第二复眼透镜阵列中各小透镜的焦点与第二镜片的第一复眼透镜阵列中对应的小透镜的光心重合；第三镜片的所述第一复眼透镜阵列中各小透镜的焦点与第四镜片的所述第二复眼透镜阵列中对应的小透镜的光心重合。解决DI曝光时能量分布不均匀的问题，可以实现光线的有效均匀化，使DI最后曝光时能够获得所需要的均匀能量。

Description

复眼匀光***、光学引擎及光源优化装置
技术领域
本发明涉及光刻直写曝光机及投影显示技术领域，尤其是涉及一种复眼匀光***、光学引擎及光源优化装置。
背景技术
光刻技术是用于在基底表面上印刷具有特征构图的技术。这样的基底可用于制造半导体器件、多种集成电路、平面显示器(例如液晶显示器)、电路板、生物芯片、微机械电子芯片、光电子线路芯片等。由于市面上大多数的印刷电路板(Printed Circuit Board，简称PCB板)都为精密线路，普遍的解析能力达到10-20μm量级，因此直接成像(Direct Image，简称DI)设备能量的均匀性是影响曝光质量的主要因素，但是，现有技术中的复眼匀光***存在DI曝光时能量分布不均匀，进而导致PCB板报废率居高不下的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复眼匀光***、光学引擎及光源优化装置，以解决现有技术中复眼匀光***存在的DI曝光时能量分布不均匀，进而导致PCB板报废率居高不下的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种复眼匀光***，包括第一镜片组和第二镜片组，第一镜片组包括第二镜片和第三镜片，第二镜片组包括第一镜片和第四镜片；
平行入射光依次经过第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片；
第二镜片的出光面和第三镜片的入光面均设有第一复眼透镜阵列；第一镜片的入光面和第四镜片的出光面均设有第二复眼透镜阵列；第一复眼透镜阵列垂直于第二复眼透镜阵列；
第一镜片的第二复眼透镜阵列中各小透镜的焦点与第二镜片的第一复眼透镜阵列中对应的小透镜的光心重合；第三镜片的第一复眼透镜阵列中各小透镜的焦点与第四镜片的所述第二复眼透镜阵列中对应的小透镜的光心重合。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，第一复眼透镜阵列的曲率小于第二复眼透镜阵列的曲率。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，第一复眼透镜阵列的曲率为1～2mm，第二复眼透镜阵列的曲率为4.5～5.5mm，优选地，第一复眼透镜阵列的曲率为1.5mm，第二复眼透镜阵列的曲率为5mm。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，第二镜片贴近第一镜片；第三镜片与第二镜片间的距离为3.05～3.25mm，与第四镜片间的距离为4.8～5.2mm；本实施方式中，第三镜片与第二镜片间的距离优选为3.15mm，第三镜片与第四镜片间的距离优选为5.55mm。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，第一复眼透镜阵列和第二复眼透镜阵列均为柱面镜。
第二方面，本发明实施例还提供了一种光学引擎，包括光源、收光模块以及第一方面及其可能的实施方式所述的复眼匀光***，其中，
所述收光模块包括光阑和透镜；
所述收光模块位于所述光源与所述复眼匀光***之间。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述光源为激光光源、LED光源、光纤光源、汞灯的任意一种。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，光阑为孔径可调节光阑。
第三方面，本发明实施例还提供了一种光源优化装置，包括光源、光源优化模块以及第一方面及其可能的实施方式所述的复眼匀光***，其中，
所述光源优化模块包括望远镜***和光阑；
所述望远镜***为第一透镜和第二透镜构成的透镜组；
所述光阑位于所述第一透镜和所述第二透镜之间。
结合第三方面，本发明实施例提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中，
所述光源为激光光源。
本发明实施例带来了以下有益效果：
平行入射光依次经过第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片，第一复眼透镜阵列垂直于第二复眼透镜阵列，且第一镜片的第二复眼透镜阵列中各小透镜的焦点与第二镜片的第一复眼透镜阵列中对应的小透镜的光心重合；第三镜片的第一复眼透镜阵列中各小透镜的焦点与第四镜片的第二复眼透镜阵列中对应的小透镜的光心重合，使通过第一镜片后的每个细光束范围内的微小不均匀性得到多次补偿，实现对光线的有效均匀化，从而在曝光时能够获得所需要的均匀能量。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的复眼匀光***示意图；
图2为本发明实施例1提供的复眼匀光***中的第一(第二)复眼透镜阵列的结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的光学引擎的结构示意图；
图4为本发明实施例2提供的光学引擎的光阑结构示意图；
图5为本发明实施例3提供的光源优化装置的示意图。
图标：01-平行入射光；02-均匀出射光；03-光束；1-第一镜片组；11-第二镜片；12-第三镜片；13-第一复眼透镜阵列；2-第二镜片组；21-第一镜片；22-第四镜片；23-第二复眼透镜阵列；3-光阑；4-透镜；5-光源；6-望远镜***；61-第一透镜；62-第二透镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前的复眼匀光***存在DI曝光时能量分布不均匀的问题，基于此，本发明实施例提供的一种复眼匀光***、光学引擎及光源优化装置，可以实现光线的有效均匀化，最后曝光时能够获得所需要的均匀能量。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种复眼匀光***进行详细介绍。
实施例1
如图1所示，本发明提供的复眼匀光***，包括第一镜片组1和第二镜片组2，第一镜片组1包括第二镜片11和第三镜片12，第二镜片组2包括第一镜片21和第四镜片22。
平行入射光01依次经过第一镜片21、第二镜片11、第三镜片12和第四镜片22。
第二镜片11的出光面和第三镜片12的入光面均设有第一复眼透镜阵列13；第一镜片21的入光面和第四镜片22的出光面均设有第二复眼透镜阵列23；第一复眼透镜阵列13垂直于第二复眼透镜阵列23。
第一镜片21的第二复眼透镜阵列23中各小透镜的焦点与第二镜片11的第一复眼透镜阵列13中对应的小透镜的光心重合；第三镜片12的第一复眼透镜阵列13中各小透镜的焦点与第四镜片22的所述第二复眼透镜阵列23中对应的小透镜的光心重合。
平行入射光01依次经过第一镜片21、第二镜片11、第三镜片12和第四镜片22，第一复眼透镜阵列13垂直于第二复眼透镜阵列23，且第一镜片21的第二复眼透镜阵列23中各小透镜的焦点与第二镜片11的第一复眼透镜阵列13中对应的小透镜的光心重合；第三镜片12的第一复眼透镜阵列13中各小透镜的焦点与第四镜片22的第二复眼透镜阵列23中对应的小透镜的光心重合，使通过第一镜片21后的每个细光束范围内的微小不均匀性得到多次补偿，实现对光线的有效均匀化，从而在曝光时能够获得所需要的均匀能量。
其中，第一复眼透镜阵列13的曲率小于第二复眼透镜阵列23的曲率，第一复眼透镜阵列13的曲率为1～2mm，第二复眼透镜阵列23的曲率为4.5～5.5mm。对应第一镜片组1镜片和第二镜片组2镜片的曲率，第二镜片11贴近第一镜片21；第三镜片12与第二镜片11间的距离为3.05～3.25mm，第三镜片12与第四镜片22间的距离为4.8～5.2mm。
如图2所示，第一复眼透镜阵列13和第二复眼透镜阵列23均采用柱面镜，柱面镜便于不同镜片之间光轴的调节与对齐，从而降低了加工难度和成本，提高了出射光的均匀性。
作为本实施例的优选实施方式，第一镜片组1镜片的曲率优选为5mm，第二镜片组2镜片的曲率优选为1.5mm，第二镜片11贴近第一镜片21，第二镜片11和第三镜片12之间的距离为3.15mm，第三镜片12和第四镜片22之间的距离为5mm，且复眼透镜阵列中透镜的大小为10mm×10mm×1.2mm，Pitch＝0.5mm。
实施例2
在一台DI设备中往往包含了两个以上类似的光学引擎，光学引擎为DI提供光能来源，光学引擎后还会经过一系列的光学元器件，光学引擎自身差异及后续光学器件的差异会造成到达曝光面工作台的能量差异。该光学引擎可以调整这种差异，并不影响设备其他性能。
DI设备大多采用DMD成像技术，限于DMD画幅的大小，一台DI设备中往往需要多个同样的光学镜头模块，这就对每个镜头模块中包含的光学引擎提出了较高的要求，要求光学引擎性能稳定，能量灵活可调。最终保证DI成像曝光区域的范围内能量均匀一致。本发明提供了一种光学引擎可调节能量大小。
本发明提供了一种光学引擎，为直写成像设备提供均匀整形的，稳定可靠的，能量大小可以无级调整的能量引擎，可以解决DI设备中各个曝光位置能量量不均匀而引起的产品良率问题。
如图3所示，本实施例提供了一种光学引擎，用于直写成像设备(Direct Imaging，简称DI)的光学引擎装置。与现有技术相比该引擎，能够在硬件上无级调节能量大小，并且不会引起照明均匀性、数值孔径的变化。
该光学引擎包括光源5、收光模块以及实施例1中的复眼匀光***，其中，
收光模块包括光阑3和透镜4；
收光模块位于光源5与复眼匀光***之间。
进一步的是，光源5适用于激光光源、LED光源、光纤光源、汞灯等，适用的光源范围很广，优选的是，光源5为激光光源。
优选的是，光阑3为孔径可调节光阑，结构见图4，最大孔径为Dmax，最小孔径为Dmin，通过调节可以使孔径在Dmax和Dmin之间无级变化，其中Dmin可以为零。
光阑3的孔径可以通过手动或电动调节，光阑3置于复眼匀光***之前，光阑3孔径的改变只减少了进入匀光模块的光线的多少，进入的光束仍然完成了匀光与整形，保证了光学性能稳定，同时调整了能量大小。
光源5为激光光源，采用波长为405nm激光器，采用的光纤通道技术(FiberChannel，简称FC)接口方式提供385～405nm的光源，光纤端面直径为0.49mm，数值孔径(Numerical Aperture，简称NA)为0.2的半导体激光器8，即激光二极管(Laser Diode，简称LD)。
通过光源5出射的光束03入射到孔径可调节光阑3上，未被光阑3阻挡的光束03会继续通过，入射到透镜4上，透镜4为准直透镜，进一步的是，准直透镜4前镜曲率范围是31.775～35.775mm，后镜曲率范围是-17.986～13.986mm，本实施例中透镜4的前镜曲率优选为33.775mm，后镜曲率优选为-15.986mm，半高为9mm，厚度5mm，激光光源5的激光经过准直透镜4后形成的光斑大小与复眼尺寸大小相同，以免复眼***出现“旁瓣”现象，导致能量不均匀。
光源5发射的光束03入射到孔径可调节光阑3上，未被光阑3阻挡的光束03会继续传播，入射到透镜4上，经过透镜4后光束传播方向会发生改变，变成准直光束，即平行入射光01，平行入射光01通过实施例1中的复眼匀光***，以均匀出射光02照射到被照明物体上。
通过调节光阑3，改变其孔径大小，可以控制到达透镜4的光束03的大小，通过透镜4的平行入射光01仍然不受干扰的通过了复眼匀光***，所以改变光阑3，只会影响到到达被照明物体的能量大小，不会影响其光学性能，如均匀性、面积大小、入射角度大小及数值孔径。
实施例3
在一台DI设备中往往包含了两个以上类似的光源优化装置，该光源优化装置为DI提供光能来源，该光源优化装置后还会经过一系列的光学元器件，该光源优化装置自身差异及后续光学器件的差异会造成到达曝光面工作台的成像质量差异。该光源优化装置可以优化这种差异，并不影响设备其他性能。
DI设备涉及DMD投影技术以及光学成像***，光成像中，不同波长的成像质量有一定的差异，若光源波长带宽足够窄，则成像质量更好，这就对到达成像***前的光源有了较高要求。要求光源波长单一且性能稳定，最终保证DI投影到曝光区域的像的质量良好，为此本发明实施例提供了一种光源优化装置。
如图5所示，本实施例提供了一种光源优化装置，包括光源5、光源优化模块以及实施例1中的复眼匀光***，其中，
光源优化模块包括望远镜***6和光阑3；
望远镜***6为第一透镜61和第二透镜62构成的透镜组；
光阑3位于第一透镜61和第二透镜62之间。
进一步的是，光源5适用于激光光源等带宽较窄的光源，光源5为激光光源，适应脉冲或连续激光光源，包括固定激光器，半导体激光器等，优选的是，光源5为半导体激光器。
需要说明的是，根据光源5的带宽来选择光阑3的孔径的大小，即光阑3是与光源5特性(波长、光斑)相对应的。
光源5为激光光源，通过光源5出射的光束03入射到第一透镜61上，经聚焦后到达焦点处的光阑3上，经过光阑3衍射后到达第二透镜62，通过调整第二透镜62的位置，只允许艾里斑被第二透镜62收集，且该光束成为准直光束，即平行入射光01，平行入射光01通过复眼匀光***后，以均匀出射光02照射到被照明物体上。
根据光源选择合适的光阑3，可以将不需要的荧光过滤掉，从而使得到达匀光模块的光束单一性更好。
光阑3孔径的值应为与光源波长一个量级的大小，光阑3的作用是对传输的光束进行了过滤，使得光源更单一，减少了荧光的干扰。为滤去周围的杂散光和荧光，由第一透镜61聚焦，在第一透镜61的焦点处加光阑3，然后再通过第二透镜62，使其焦点与第一个焦点重合。
半导体激光器发出的光束03依次经过光源优化模块以及复眼匀光***。
光源5发出的光束03经过光源优化模块收集，光源优化模块中包含了望远镜***6的第一透镜61和第二透镜62，以及光阑3。通过光源优化模块的光线进入匀光***，匀光***可以使用复眼匀光***或方棒(即圆柱形)匀光***，本实施例为复眼匀光***，通过复眼匀光***的光束符合既定的均匀性、面积大小、入射角度大小及数值孔径以及单一性要求。
半导体激光器发出的光束03通过光源优化模块形成平行入射光01，平行入射光01的光斑大小与复眼尺寸大小相同，平行入射光01依次通过复眼匀光***的第一镜片21、第二镜片11、第三镜片12和第四镜片22，实现了对光源的有效匀光，并输出均匀出射光02，继而对DI最后曝光的能量做到有效均匀化，降低了PCB板的报废率。
优选地，光源5采用波长为405nm激光器，采用的光纤通道技术(Fiber Channel，简称FC)接口方式提供385～405nm的光源，光纤端面直径为0.49mm，数值孔径(NumericalAperture，简称NA)为0.2的半导体激光器，即激光二极管(Laser Diode，简称LD)；第二透镜62前镜曲率范围是31.775～35.775mm，后镜曲率范围是-17.986～13.986mm，本实施例中准直透镜7的前镜曲率优选为33.775mm，后镜曲率优选为-15.986mm，半高为9mm，厚度5mm，激光器的激光经过第二透镜62后形成的光斑大小与复眼尺寸大小相同，以免复眼***出现“旁瓣”现象，导致能量不均匀。
本发明实施例提供的光源优化装置，与上述实施例提供的光学引擎及复眼匀光***具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
此外，该光源优化装置还可以解决DI设备中由于光源中含荧光比重较大而引起的解析不良导致产品良率的问题。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种复眼匀光***，其特征在于，包括第一镜片组和第二镜片组，所述第一镜片组包括第二镜片和第三镜片，所述第二镜片组包括第一镜片和第四镜片；
平行入射光依次经过所述第一镜片、所述第二镜片、所述第三镜片和所述第四镜片；
所述第二镜片的出光面和所述第三镜片的入光面均设有第一复眼透镜阵列；所述第一镜片的入光面和所述第四镜片的出光面均设有第二复眼透镜阵列；所述第一复眼透镜阵列垂直于所述第二复眼透镜阵列；
所述第一镜片的所述第二复眼透镜阵列中各小透镜的焦点与所述第二镜片的所述第一复眼透镜阵列中对应的小透镜的光心重合；所述第三镜片的所述第一复眼透镜阵列中各小透镜的焦点与所述第四镜片的所述第二复眼透镜阵列中对应的小透镜的光心重合。
2.根据权利要求1所述的复眼匀光***，其特征在于，所述第一复眼透镜阵列的曲率小于所述第二复眼透镜阵列的曲率。
3.根据权利要求1所述的复眼匀光***，其特征在于，所述第一复眼透镜阵列的曲率为1～2mm，所述第二复眼透镜阵列的曲率为4.5～5.5mm。
4.根据权利要求1所述的复眼匀光***，其特征在于，所述第二镜片紧贴所述第一镜片；所述第三镜片与所述第二镜片间的距离为3.05～3.25mm，所述第三镜片与所述第四镜片间的距离为4.8～5.2mm。
5.根据权利要求1任一项所述的复眼匀光***，其特征在于，所述第一复眼透镜阵列和所述第二复眼透镜阵列均为柱面镜。
6.一种光学引擎，其特征在于，包括光源、收光模块以及如权利要求1-5任一项所述的复眼匀光***，其中，
所述收光模块包括光阑和透镜；
所述收光模块位于所述光源与所述复眼匀光***之间。
7.根据权利要求6所述的光学引擎，其特征在于，所述光源为激光光源、LED光源、光纤光源、汞灯的任意一种。
8.根据权利要求6所述的光学引擎，其特征在于，所述光阑为孔径可调节光阑。
9.一种光源优化装置，其特征在于，包括光源、光源优化模块以及如权利要求1-5任一项所述的复眼匀光***，其中，
所述光源优化模块包括望远镜***和光阑；
所述望远镜***为第一透镜和第二透镜构成的透镜组；
所述光阑位于所述第一透镜和所述第二透镜之间。
10.根据权利要求9所述的光源优化装置，其特征在于，所述光源为激光光源。
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