CN107942520B - 用于dmd数字光刻***的匀光元件及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

用于DMD数字光刻***的匀光元件及其设计方法，属于数字光刻技术领域，包括一个以上的子透镜，所述子透镜为长宽比为1:2的方形，子透镜的前表面为平面，后表面为自由曲面。本发明光能利用率高、匀光效果好、体积小、便于集成，对每一块子透镜单独设计，采用面积大小以及位置随机排列的方式，打破传统微透镜阵列的周期性，对相干光源的匀光效果大大提升。

Description

用于DMD数字光刻***的匀光元件及其设计方法
技术领域
本发明属于数字光刻技术领域，特别是涉及到一种实现相干点光源的匀光元件。
背景技术
随着电路板、平板显示和数字印刷行业的迅速发展，这些行业对产品生产过程中所必须的光刻曝光技术的要求也越来越高，光刻曝光技术已经成为制约其集成度和效率的关键因素，可以说光刻曝光技术与这些行业的发展相辅相成，密不可分。光刻曝光技术经历了从接近或者接触式曝光到分步投影曝光再到扫描投影曝光的过程，但无一例外，这些技术都是使用掩膜板作为图像源的。随着光刻曝光技术的不断发展，其加工线条的最小特征尺寸越来越小，对掩模板的精度要求也越来越高。掩模板制作复杂、周期长、费用昂贵，一旦加工完成，就无法修改，这些缺陷已经严重限制了掩膜式光刻曝光的应用。为了解决这些问题，无掩膜光刻曝光技术逐渐走入大众视野，其中DMD数字光刻***由于其光能利用率高、响应时间短、成本低等优点得到越来越广泛的应用。然而，国内DMD数字光刻技术目前还相对落后，发展缓慢。究其原因，主要有两点：一是DMD的高速驱动板以及与之匹配的光刻数据处理软件研制落后。二是缺乏高效的匀光元件。
通常情况下，激光发出的光束能量成高斯分布，由激光光源发出的光必须经过整形匀化之后，才能应用于DMD数字光刻***。目前比较常用的匀光方法是采用传统微透镜阵列或者腹眼微透镜阵列作为匀光元件，这种方法匀光效果好，能量利用率高，但是其结构复杂、占用体积大、不利于集成，而且由于在光刻***中光源多为相干光源，而其子透镜呈现周期性排布，在目标面上会出现相干条纹，影响匀光效果。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供用于DMD数字光刻***的匀光元件及其设计方法，其光能利用率高、匀光效果好、体积小、便于集成，对每一块子透镜单独设计，采用面积大小以及位置随机排列的方式，打破传统微透镜阵列的周期性，对相干光源的匀光效果大大提升。
用于DMD数字光刻***的匀光元件，其特征是：包括一个以上的子透镜，所述子透镜为长宽比为1:2的方形，子透镜的前表面为平面，后表面为自由曲面。
用于DMD数字光刻***的匀光元件的设计方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、对自由曲面和目标面进行等能量网格划分，根据能量映射的方法建立自由曲面和目标面上光线坐标的一一对应关系，基于长宽比为1:2的DMD，设计每块子透镜长宽比为1：2，将子透镜的前表面作为入射面，入射面的照度值为E0，目标面照度值为E1，矩形子透镜的口径为d max和2d max，目标面上目标矩形光斑的口径为Tmax和2Tmax，依据能量守恒原理：
Figure BDA0001477398430000021
步骤二、将每个子透镜以及目标面分成2M×M共2M2个能量网格，且每个网格的能量相等，根据能量映射关系，建立起子透镜网格点和目标面上网格点坐标对应关系；
子透镜上第i行与第j列网格交点设为dij，该点矢高设为zij，则自由曲面上每一能量网格交点的坐标可以表示为
Figure BDA0001477398430000022
目标面上第i行与第j列能量网格交点坐标可以表示为Tij，TZ为目标面所在平面与微透镜阵列距离，则目标面上每一能量网格交点的坐标可以表示为
Figure BDA0001477398430000023
自由曲面上每一点dij与目标面上每一点Tij相对应；
自由曲面在网格点dij处的切矢可以表示为
Figure BDA0001477398430000024
法矢
Figure BDA0001477398430000025
(Nx，Ny，Nz)可以由斯涅尔定律求出：
Figure BDA0001477398430000026
Figure BDA0001477398430000027
Figure BDA0001477398430000028
其中n0为空气折射率，ni为透镜材料折射率，
Figure BDA0001477398430000029
为入射光线，
Figure BDA00014773984300000210
为折射光线；
步骤三、设定初始点d00矢高为z00，便可以通过法矢切矢的正交关系：
Figure BDA00014773984300000211
计算出网格点d01的矢高z01，进而逐一计算出自由曲面上所有网格点对应矢高，即得到所有网格点坐标，再将所有网格点拟合成光滑曲面，完成自由曲面微透镜的建立。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：用于DMD数字光刻***的匀光元件及其设计方法，其光能利用率高、匀光效果好、体积小、便于集成，对每一块子透镜单独设计，采用面积大小以及位置随机排列的方式，打破传统微透镜阵列的周期性，对相干光源的匀光效果大大提升。
通过对子透镜后表面自由曲面的设计，使得每一束子光束经后表面折射后都均匀的照在目标面上同一位置，每一束子光束就可以近似看作是一束均匀光束，所有子光束在目标面上光强叠加使得目标面光强均匀性进一步提升；
由子透镜组成的自由曲面微透镜阵列，不需要准直透镜以及傅里叶透镜，大大缩减了匀光元件所占空间与体积，便于安装与集成；
通过方形子透镜的紧密拼接，可最大程度接收光能，并且微透镜阵列只包含前后两个表面，光能反射以及折射损失少。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明用于DMD数字光刻***的匀光元件及其设计方法的子透镜自由曲面能量网格与目标面能量网格划分示意图。
图2为本发明用于DMD数字光刻***的匀光元件及其设计方法的子透镜周期排列匀光元件结构示意图。
图3为本发明用于DMD数字光刻***的匀光元件及其设计方法子透镜随机排列匀光元件结构示意图。
图4为本发明用于DMD数字光刻***的匀光元件及其设计方法周期性排列对相干光源的匀光过程示意图。
图5为本发明用于DMD数字光刻***的匀光元件及其设计方法随机排列对相干光源的匀光过程示意图。
具体实施方式
根据非成像光学设计理论，设计子透镜后表面的自由曲面。利用能量映射原理，计算每一块子透镜的相对位置以及后表面自由曲面面形，在一整块透镜材料上加工，只加工材料的后表面，形成一个个“子透镜”，完成子透镜的“拼接”，从而设计出完整的自由曲面微透镜阵列。
如图1所示，首先对自由曲面和目标面进行等能量网格划分，然后根据能量映射的方法建立自由曲面和目标面上光线坐标的一一对应关系。本发明主要应用于长宽比为1：2的DMD，因此设计每块子透镜长宽比也为1：2。将子透镜的前表面作为入射面，入射面的照度值为E0，目标面照度值为E1。矩形子透镜的口径为d max和2d max，目标面上目标矩形光斑的口径为Tmax和2Tmax。依据能量守恒原理：
Figure BDA0001477398430000041
将每个子透镜以及目标面分成2M×M共2M2个能量网格，且每个网格的能量相等，根据能量映射关系，建立起子透镜网格点和目标面上网格点坐标对应关系。子透镜上第i行与第j列网格交点设为dij，该点矢高设为zij，则自由曲面上每一能量网格交点的坐标可以表示为
Figure BDA0001477398430000042
目标面上第i行与第j列能量网格交点坐标可以表示为Tij，TZ为目标面所在平面与微透镜阵列距离，则目标面上每一能量网格交点的坐标可以表示为
Figure BDA0001477398430000043
自由曲面上每一点dij与目标面上每一点Tij相对应。
自由曲面在网格点dij处的切矢可以表示为
Figure BDA0001477398430000044
法矢
Figure BDA0001477398430000045
(Nx，Ny，Nz)可以由snell定律求出：
Figure BDA0001477398430000046
Figure BDA0001477398430000047
Figure BDA0001477398430000048
其中n0为空气折射率，ni为透镜材料折射率。
Figure BDA0001477398430000049
为入射光线，
Figure BDA00014773984300000410
为折射光线。设定初始点d00矢高为z00，便可以通过法矢切矢的正交关系：
Figure BDA00014773984300000411
计算出网格点d01的矢高z01，然后逐一计算出自由曲面上所有网格点对应矢高，即得到所有网格点坐标，再将所有网格点拟合成光滑曲面，完成自由曲面微透镜的建立。
建立满足条件的所有位置子透镜，如图2所示，这些子透镜面积大小相同，位置成周期性紧密排列，组成周期性微透镜阵列。
设计每个微透镜面积大小不同，如图3所示，并且对每个子透镜位置进行随机排布，打破其周期性，组成随机微透镜阵列。
由点光源发出的光经过图2所示匀光元件最终照射在目标面上。光源为相干光源时，目标面光强分布如图4所示。由点光源发出的光经过图3所示匀光元件最终照射在目标面上。光源为相干光源时，目标面光强分布如图5所示。
具体实施方式可假设初始子透镜的面积为2mm×1mm，在10％的范围内随机设置其他每个子透镜的长宽，即其他每个子透镜的面积范围为2±0.2mmx1±0.1mm内，将设计好的各个子透镜如图3紧密拼接。

Claims (1)

1.用于DMD数字光刻***的匀光元件的设计方法，DMD数字光刻***的匀光元件，包括一个以上的子透镜，所述子透镜为长宽比为1:2的方形，子透镜的前表面为平面，后表面为自由曲面，子透镜的前表面作为入射面，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、对自由曲面和目标面进行等能量网格划分，根据能量映射的方法建立自由曲面和目标面上光线坐标的一一对应关系，基于长宽比为1:2的DMD，设计每块子透镜长宽比为1：2，将子透镜的前表面作为入射面，入射面的照度值为E0，目标面照度值为E1，矩形子透镜的口径为d max和2d max，目标面上目标矩形光斑的口径为Tmax和2Tmax，依据能量守恒原理：
Figure FDA0002591152080000011
步骤二、将每个子透镜以及目标面分成2M×M共2M2个能量网格，且每个网格的能量相等，根据能量映射关系，建立起子透镜网格点和目标面上网格点坐标对应关系；
子透镜上第i行与第j列网格交点设为dij，该点矢高设为zij，则自由曲面上每一能量网格交点的坐标可以表示为
Figure FDA0002591152080000012
目标面上第i行与第j列能量网格交点坐标可以表示为Tij，TZ为目标面所在平面与微透镜阵列距离，则目标面上每一能量网格交点的坐标可以表示为
Figure FDA0002591152080000013
自由曲面上每一点dij与目标面上每一点Tij相对应；
自由曲面在网格点dij处的切矢可以表示为
Figure FDA0002591152080000014
法矢
Figure FDA0002591152080000015
可以由斯涅尔定律求出：
Figure FDA0002591152080000016
Figure FDA0002591152080000017
Figure FDA0002591152080000021
其中n0为空气折射率，ni为透镜材料折射率，
Figure FDA0002591152080000022
为入射光线，
Figure FDA0002591152080000023
为折射光线；
步骤三、设定初始点d00矢高为z00,便可以通过法矢切矢的正交关系：
Figure FDA0002591152080000024
计算出网格点d01的矢高z01，进而逐一计算出自由曲面上所有网格点对应矢高，即得到所有网格点坐标，再将所有网格点拟合成光滑曲面，完成自由曲面微透镜的建立。
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