CN106681093B - 一种紫外激光投影镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外激光投影镜头，属于光学镜头技术领域。所述紫外激光为波长为200nm~400nm的准分子激光，紫外激光投影镜头包括光学结构和机械结构两部分，光学结构包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜，第二透镜，第三透镜，其中第一透镜为双凸型柱面正透镜，第二透镜为凹凸型柱面负透镜，第三透镜为双凸型柱面正透镜；机械结构包括沿入射光线传输方向依次设置的固定架，第一调节组件，第二调节组件，第三调节组件。本发明的镜头结构简单，易于装调，生产成本低，便于拆装和维护，可应用于平板显示低温多晶硅制备的光束整形***中。
Description
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，涉及一种紫外激光投影镜头。
背景技术
薄膜晶体管作为平板显示器有源驱动的核心部件，其电学性能决定了平板显示器的响应速度、尺寸、所传递的信息量。与非晶硅薄膜晶体管相比较，多晶硅薄膜晶体管的电子迁移率更高，因而由其制造的平板显示器具有更优越的性能。
准分子激光退火制造多晶硅薄膜技术是适合工业化生产的先进技术。准分子激光的典型波长处于紫外波段，热效应不明显，且其脉宽窄，非晶硅熔化再结晶的过程非常短，对基板造成的热损伤小，从而降低了结晶过程对基板的要求，极大程度上降低了工业化生产的成本。
为了提高生产质量和生产效率，采用光束整形***对准分子激光原始光束进行处理，使非晶硅样品表面的光斑呈高横纵比，能量密度满足退火要求且分布均匀。典型的准分子激光退火设备的光束整形***包括扩束准直模块，长轴光束均匀模块，短轴光束均匀模块等，短轴被匀化的光斑进入紫外激光投影镜头，成像于工件表面。
如前所述，紫外激光投影镜头是准分子激光退火设备的光束整形***的重要工作部件，目前，能够应用于准分子激光退火设备、实现高横纵比、能量密度符合要求且分布均匀的光斑的投影的紫外激光投影镜头并未见报道，因此，迫切需要设计出能满足相关应用要求的紫外激光投影镜头。
发明内容
鉴于现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种紫外激光投影镜头，该镜头可实现多种像差的矫正，实现高横纵比、能量密度符合要求且分布均匀的光斑的投影，且可实现镜片组元的纵向、横向、滚轴、俯仰的连续调节、高精度定位，满足准分子激光退火设备的光束整形***的投影要求。
本发明的技术解决方案是：
一种紫外激光投影镜头，包括光学结构和机械结构两部分。
光学结构包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜，第二透镜，第三透镜，其中第一透镜为双凸型柱面正透镜，外形尺寸100mm×30mm，第二透镜为凹凸型柱面负透镜，外形尺寸100mm×30mm，第三透镜为双凸型柱面正透镜，外形尺寸100mm×30mm；
进一步，第一透镜包括第一柱面和第二柱面，第二透镜包括第三柱面和第四柱面，第三透镜包括第五柱面和第六柱面。其中第一柱面和第二柱面的曲率半径范围分别为90mm~95mm，-40mm~-45mm；第三柱面和第四柱面的曲率半径范围分别为-20mm~-25mm，-40mm~-45mm；第五柱面和第六柱面的曲率半径范围分别为25mm~30mm，-70mm~-75mm。
进一步，第一透镜的中心厚度范围为5mm~10mm；第二透镜的中心厚度范围为1mm~6mm；第三透镜的中心厚度范围为5mm~10mm。
进一步，第一透镜与第二透镜在光轴上的间距范围为3mm~5mm；第二透镜与第三透镜在光轴上的间距范围为0mm~3mm。
进一步，第一透镜、第二透镜与第三透镜的折射率范围均为1.4~1.5。
机械结构包括沿入射光线传输方向依次设置的固定架，第一固定座，第一调节座，第二调节座，第二固定座，第三调节座，第三固定座，以及连接固定座与调节座的9组调节螺钉与9组调节垫片，连接固定架与固定座的12组调节螺钉与8组调节垫片，固定架包括第一级定位台阶和第二级定位台阶。
进一步，固定架包含第一级定位台阶与第二级定位台阶。
进一步，第一级定位台阶实现了对第二固定座的轴向定位。
进一步，第二级定位台阶实现了对第三固定座的轴向定位。
进一步，第一固定座，第一调节座由三组调节螺钉与三组调节垫片相连接，结合为第一调节组件，通过调节垫片的弹力实现了第一透镜的俯仰调节与轴向位置补偿；第二固定座与第二调节座由三组调节螺钉与三组调节垫片相连接，结合为第二调节组件，通过调节垫片的弹力实现了第二透镜的俯仰调节与轴向位置补偿；第三固定座与第三调节座由三组调节螺钉与三组调节垫片相连接，结合为第三调节组件，通过调节垫片的弹力实现了第三透镜的俯仰调节与轴向位置补偿。
进一步，第一调节座两端拥有柱面结构，其曲率与第一透镜的第一柱面相等。
进一步，第二调节座两端拥有柱面结构，其曲率与第二透镜的第三柱面相等。
进一步，第三调节座两端拥有柱面结构，其曲率与第三透镜的第六柱面相等。
进一步，固定架通过四组调节螺钉与四组调节垫片与第一调节组件相连接，通过调节垫片的弹力实现了第一调节组件的横向定位补偿与滚轴定位补偿；通过四组调节螺钉与四组调节垫片与第二调节组件相连接，通过调节垫片的弹力实现了第二调节组件的横向定位补偿与滚轴定位补偿；通过四组调节螺钉对第三调节组件定位。
进一步，调节垫片为弹簧垫片。
本发明的有益效果在于：本发明有效利用了机械结构的形式，实现了光学结构在三维空间中的精密调节与定位，同时有效利用了光学结构，矫正了小视场、大相对孔径引入的各种像差，实现了准分子激光退火设备的光束整形***短轴匀化光斑的投影，满足准分子激光退火应用要求。
附图说明
为了使本发明的目的与技术方案更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的结构总装图。
图2(a)为图1的光学结构图。
图2(b)为图1的机械结构图。
图3为本发明的第一固定座和第一调节座连接示意图。
图4（a）为第一调节座两端柱面结构示意图。
图4（b）为第二调节座两端柱面结构示意图。
图4（c）为第三调节座两端柱面结构示意图。
图5为本发明的第一调节组件与固定架连接示意图。
图6（a）为本发明的实施例的场曲、畸变函数曲线。
图6（b）为本发明的实施例的传递函数曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案极其优点更加明显，下面将参照附图对本发明的实施例做出详细描述。所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，并非用于限制本发明的保护范围。
本发明的实施例，针对本单位研发的准分子激光退火设备，设计了一款三片式柱面紫外激光投影镜头，对所述退火设备的光束整形***的短轴匀化光斑进行投影，所述紫外激光为波长为308nm的XeCl准分子激光，镜头基本性能参数为：有效焦距f’=35.5253mm；子午面内物方全视场角2w=0.4°；半视场物高0.5mm，像高0.15mm，满足准分子激光退火技术对激光能量密度的要求；子午面内镜头入瞳直径D=25mm，相对孔径D/f’=0.7；工作距离40.016mm，实际工作距离27.016mm。
图1为本发明的总装图，包括光学结构和机械结构两个部分。所述光学结构包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103，其中第一透镜101为双凸型柱面正透镜，外形尺寸100mm×30mm，第二透镜102为凹凸型柱面负透镜，外形尺寸100mm×30mm，第三透镜103为双凸型柱面正透镜，外形尺寸100mm×30mm，所述机械结构包括沿入射光线传输方向依次设置的固定架201、第一固定座202、第一调节座203、第二调节座205、第二固定座204、第三调节座207、第三固定座206、以及连接固定座与调节座的9组调节螺钉208与9组调节垫片209、连接固定架与固定座的12组调节螺钉211与8组调节垫片210，固定架201包括第一级定位台阶212和第二级定位台阶213。
图2(a)为本发明的光学结构示意图，308nm的短轴匀化光斑104依次经过沿光轴方向的第一透镜101的第一柱面和第二柱面，第二透镜102的第三柱面和第四柱面，第三透镜103的第五柱面和第六柱面，第一透镜101的光轴中心厚度为8.5mm，所述第一柱面的曲率半径为92.198mm，第二柱面的曲率半径为-43.301mm；所述第二透镜102的光轴中心厚度为2mm，所述第三柱面的曲率半径为-21.883mm，第四柱面的曲率半径为-40.846mm，所述第三透镜103的光轴中心厚度为6.5mm，所述第五柱面的曲率半径为28.306mm，第六柱面的曲率半径为-72.133mm。所述第一透镜101和第二透镜102在光轴上的距离(即第二柱面和第三柱面间的距离)为3.1mm，所述第二透镜102和第三透镜103在光轴上的距离(即第四柱面和第五柱面间的距离)为0.2mm，三片透镜的材料均采用紫外级熔融石英JGS1。为提高效率，六个柱面均镀有308nm激光增透膜。
图2(b)为本发明的机械结构示意图，第一固定座202、第一调节座203由三组调节螺钉208与三组弹簧垫片209相连接，结合为第一调节组件，如图3所示，其中，第一调节座两端设置柱面结构214，如图4所示，其曲率半径与第一透镜101的第一柱面相等，使用硅胶将第一透镜101粘连于第一调节座203上，通过弹簧垫片209的弹力实现了第一透镜101的俯仰调节与轴向位置补偿；第二固定座204与第二调节座205由三组调节螺钉208与三组弹簧垫片209相连接，结合为第二调节组件，其中，第二调节座两端设置柱面结构215，其曲率半径与第二镜片102的第三柱面相等，使用硅胶将第二镜片102粘连于第二调节座上，通过弹簧垫片209的弹力实现了第二透镜102的俯仰调节与轴向位置补偿；第三固定座206与第三调节座207由三组调节螺钉208与三组弹簧垫片209相连接，结合为第三调节组件，其中，第三调节座两端设置柱面结构216，其曲率半径与第三镜片103的第六柱面相等，使用硅胶将第三镜片103粘连于第三调节座上，通过弹簧垫片209的弹力实现了第三透镜103的俯仰调节与轴向位置补偿。固定架包括第一级定位台阶212和第二级定位台阶213结构，分别用以实现对第二固定座204和第三固定座206的轴向定位。固定架201通过四组调节螺钉211与四组弹簧垫片210与第一调节组件相连接，如图5所示，通过弹簧垫片210的弹力实现了第一调节组件的横向定位补偿与滚轴定位补偿；通过四组调节螺钉211与四组弹簧垫片210与第二调节组件相连接，通过弹簧垫片210的弹力实现了第二调节组件的横向定位补偿与滚轴定位补偿；通过四组调节螺钉211对第三调节组件定位。
本发明基于几何光学的理论，充分考虑到准分子激光退火应用的要求，借助于计算机光学设计和机械设计软件，成功给出了简单、实用的镜头结构，图6为该镜头的场曲、畸变与传递函数曲线，可证明该镜头满足应用要求。
Claims (8)
1.一种紫外激光投影镜头，其特征在于：包括光学结构和机械结构两部分，光学结构卡设在机械结构中，光学结构包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜(101)、第二透镜(102)、第三透镜(103)，其中第一透镜(101)为双凸型柱面正透镜，第二透镜(102)为凹凸型柱面负透镜，第三透镜(103)为双凸型柱面正透镜；所述机械结构包括沿入射光线传输方向依次设置的固定架(201)、第一固定座(202)、第一调节座(203)、第二调节座(205)、第二固定座(204)、第三调节座(207)、第三固定座(206)、以及连接固定座与调节座的9组调节螺钉(208)与9组调节垫片(209)、连接固定架与固定座的12组调节螺钉(211)与8组调节垫片(210)，固定架(201)包括第一级定位台阶(212)和第二级定位台阶(213)；
光学结构中，所述第一透 镜(101)包括第一柱面和第二柱面，所述第二透镜(102)包括第三柱面和第四柱面，所述第 三透镜(103)包括第五柱面和第六柱面：所述第一柱面和第二柱面的曲率半径范围分别为 90mm~95mm，-40mm~-45mm；所述第三柱面和第四柱面的曲率半径范围分别为-20mm~-25mm，- 40mm~-45mm；所述第五柱面和第六柱面的曲率半径范围分别为25mm~30mm，-70mm~-75mm；
机械结构中：第一固定座 (202)、第一调节座(203)由三组调节螺钉(208)与三组调节垫片(209)相连接，结合为第一 调节组件，通过调节垫片(209)的弹力实现了第一透镜(101)的俯仰调节与轴向位置补偿； 第二固定座(204)与第二调节座(205)由三组调节螺钉(208)与三组调节垫片(209)相连接， 结合为第二调节组件，通过调节垫片(209)的弹力实现了第二透镜(102)的俯仰调节与轴向 位置补偿；第三固定座(206)与第三调节座(207)由三组调节螺钉(208)与三组调节垫片 (209)相连接，结合为第三调节组件，通过调节垫片(209)的弹力实现了第三透镜(103)的俯 仰调节与轴向位置补偿。
2. 根据权利要求1所述的紫外激光投影镜头，其特征在于：所述第一透镜(101)、第二透 镜(102)、第三透镜(103)的外形尺寸均为100mm×30mm。
3. 根据权利要求1所述的紫外激光投影镜头，其特征在于：光学结构中：所述第一透镜(101)的中心厚度范围为5mm~10mm；所述第二透镜(102)的中心厚度范围为1mm~6mm；所述第三透镜(103)的中心厚度范围为5mm~10mm。
4. 根据权利要求1所述的紫外激光投影镜头，其特征在于：光学结构中：所述第一透镜(101)与第二透镜(102)在光轴上的间距范围为3mm~5mm；所述第二透镜(102)与第三透镜(103)在光轴上的间距范围为0mm~3mm。
5. 根据权利要求1所述的紫外激光投影镜头，其特征在于：光学结构中：所述第一透镜(101)、第二透镜(102)与第三透镜(103)的折射率范围均为1.4~1.5。
6. 根据权利要求1所述的紫外激光投影镜头，其特征在于：所述第一级定位台阶(212)实现对第二固定座(204)的轴向定位，第二级定位台阶实现对第三固定座(206)的轴向定位。
7.根据权利要求1所述的紫外激光投影镜头，其特征在于：所述第一调节座(203)的两端拥有柱面结构，其曲率与第一透镜(101)的第一柱面相等；第二调节座(205)的两端拥有柱面结构，其曲率与第二透镜(102)的第三柱面相等；第三调节座(207)的两端拥有柱面结构，其曲率与第三透镜(103)的第六柱面相等。
8. 根据权利要求1所述的紫外激光投影镜头，其特征在于：机械结构中：固定架通过四组调节螺钉(211)与四组调节垫片(210)与第一调节组件相连接，通过调节垫片(210)的弹力实现了第一调节组件的横向定位补偿与滚轴定位补偿；通过四组调节螺钉(211)与四组调节垫片(210)与第二调节组件相连接，通过调节垫片(210)的弹力实现了第二调节组件的横向定位补偿与滚轴定位补偿；通过四组调节螺钉(211)对第三调节组件定位。
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