CN110244516A - 一种大视场拼接式曝光机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大视场拼接式曝光机光学系统，该系统的特征在于，将信号源输出的数字图形进行横向与纵向的分割，将每个子视场的图像分别传输至四片相同规格的LCOS系统上，每片LCOS再经过偏振分光片及两个全反射棱镜后，拼接成与原视场相同的图像，即总分辨率扩展为原芯片的4倍，该系统可以有效的克服传统曝光机视场受芯片尺寸限制，不能进行大面幅曝光问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种大视场拼接式曝光机。
背景技术
大幅面高精度是曝光机发展趋势，若想满足高精度需求，需要减小芯片像元尺寸，若想满足大面幅需求，需要增加芯片像元数量，即提高分辨率。但受现有芯片工艺水平的制约，两个参数的指标都受到限制，任何指标的突破都会导致成本的大幅度增加，且新产品的开发到产品定型需要较长周期。如目前LCOS（Liquid Crystal on Silicon，即硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置）芯片最高的分辨率为4096x2400，即4k芯片。大面幅和高精度两个需求互相制约，若满足高精度需求，需减小成像镜头的放大倍率，导致投影面幅随之减小，无法满足工业生产需求；若进一步提高投影面幅，需要增加曝光机的放大倍率，引入的问题是单元像素尺寸成比例增大，降低曝光机的精度。同时，需要引入更高功率的光源，不但会增加照明系统的成本，还可能由于光功率高于芯片的损伤阈值而破坏芯片。本发明针对上述问题，公开了一种新型大视场拼接式曝光机。
发明内容
为克服上述问题，本发明公开了一种新型大视场拼接式曝光机。该系统可以在保证较高分辨率的同时，将曝光面幅的有效面积扩展4倍。系统组成包括：成像镜头，四片LCOS，四片参数相同的偏振分光片PBS（Polarization Beam Splitter），四套I型直角三角形全反射棱镜TIR-I（Total Internal Reflection），两套II型直角三角形全反射棱镜TIR-II，四套参数相同，功率可调节的光源LS（Light Source）。
信号源提供的数字图形，通过图像分割，生成四个子视场，再将四个子视场的数字信息通过同步触发信号传输到四个LCOS的控制板上。LCOS与PBS及TIR-I相对接，实现子视场图像的传递；四个TIR-I再与两个TIR-II相对接，实现四个子视场图像的拼接。实现在不改变放大倍率的情况下，提高曝光面积，同时不会降低分辨率。根据棱镜折射光路的特点，布置LCOS的方向，使得总视场的成像结果与四个子视场的拼接结果相吻合。每个LCOS分别由独立光源照明，不会因提高光功率导致损伤LCOS芯片。
附图说明
附图1，总体系统结构图。
附图2，棱镜各个面的说明。
附图3，棱镜组装示意图。
附图4，光路折转示意图。
附图5，图像分割示意图。
具体实施方案
系统由成像镜头Lens， 四片规格相同的硅基液晶，即LCOS-1，LCOS-2，LCOS-3及LCOS-4，四片偏振分光片，即PBS-1，PBS-2，PBS-3及PBS-4，四块规格相同的I型直角三角形全反射棱镜TIR-I-1，TIR-I-2，TIR-I-3及TIR-I-4，两块规格相同的II型直角三角形全反射棱镜TIR-II-1及TIR-II-2，四个光源LS-1，LS-2，LS-3及LS-4等组成。
总体系统结构如附图1所示，光源LS-1，LS-2，LS-3及LS-4分别通过PBS-1，PBS-2，PBS-3及PBS-4对LCOS-1，LCOS-2，LCOS-3，LCOS-4独立照明，LCOS-1，LCOS-2，LCOS-3及LCOS-4分别与PBS-1，PBS-2，PBS-3及PBS-4组合，PBS与LCOS光敏面的夹角为45°，PBS-1，PBS-2，PBS-3及PBS-4再分别与TIR-I-1，TIR-I-2，TIR-I-3及TIR-I-4相对接，PBS与TIR-I的入射面的夹角仍为45°。TIR-I及TIR-II各个面的定义如图2所示，TIR-I的入射面为A面，全反射面为B面，出射面为C面，其余两个面分别为上端面I及下端面I，TIR-II的入射面为D面，全反射面为E面，出射面为F面，其余两个面分别为上端面II及下端面II。
棱镜的组合如图3所示：TIR-I与TIR-II正交布置，即TIR-I的端面与TIR-II的端面垂直。然后将TIR-I-1及TIR-I-4的C面与TIR-II-1的D面胶合，TIR-I-1及TIR-I-4的A面分别与TIR-II-1上下端面重合，TIR-I-1及TIR-I-4的下端面与TIR-II-1的F面重合；TIR-I-2及TIR-I-3的C面与TIR-II-2的D面胶合，TIR-I-2及TIR-I-3的A面分别与TIR-II-2上下端面重合，TIR-I-2及TIR-I-3的下端面与TIR-II-1的F面重合，TIR-II-1及TIR-II-2的F面及上下端面保持重合，TIR-II-1及TIR-II-2拼装组合后，整个系统再与Lens对接。
若I型全反射棱镜的两个直角边长为a，棱边长为h，则II型全反射棱镜的两个直角边长为h，棱边长为2a。折射率皆为n，如图3所示。若LCOS芯片的横方向的分辨率为x，纵向分辨率为y，h与a满足如下比例：h/a=x/y。光学系统经过全反射棱镜二次折转后，其光程增加了(h+a)n，在进行光学系统设计时，应当对增加的光程差进行补偿。
光源LS-1，LS-2，LS-3及LS-4所发出的光通过的光路传输路径相同，仅以光源LS-1发出的光所通过的光路为例，加以说明，光源LS-1发出的光先通过对应的PBS-1透射后，转换成p型偏振光，经LCOS-1反射后转变为加载对应的图像信息且偏振态为s型偏振光的光场，该光场经过PBS-1反射后，进入到对应的TIR-I-1中，并发生两次全内反射并进入到对应的TIR-II-1中，再经过两次全内反射后，在两个全反射棱镜内进行反射的过程中，光场的偏振态始终不发生变化，最后，该成像镜头将图像投射到工作面进行数字曝光。
棱镜的光路折转如图4所示，LCOS-1的图像经PBS-1，TIR-I-1传输后，成像于TIR-II-1的A区域，LCOS-2的图像经PBS-2，TIR-I-2传输后，成像于TIR-II-2的A区域，LCOS-3的图像经PBS-3，TIR-I-3传输后，成像于TIR-II-2的B区域，LCOS-4的图像经PBS-4，TIR-I-4传输后，成像于TIR-II-1的B区域。根据全反射棱镜的成像规律可知，LCOS-1及LCOS-4经过棱镜二次反射成像后，其像为倒像，但坐标系未发生变化，LCOS-2及LCOS-3经过棱镜二次反射成像后，其像为正像。为保证拼接后的图像与初始图像保持一致，在安装LCOS时，令LCOS-1及LCOS-4旋转180°安装，LCOS-2及LCOS-3正向安装。
图像分割示意图如附图5所示，目标曝光图案将在横向与纵向各均分为两等分，被分割成4个子曝光图案，每个子曝光图案的横纵比与LCOS芯片的横纵比保持一致，再将四个子曝光图案的信息通过同步触发信号传输到四个LCOS的控制板上，每个LCOS分别加载了不同子曝光图案的信息，四个子曝光图案保持同步变换；四个子曝光图案经过光学系统传输变换后被重新拼接成一个与原目标曝光图案完全相同的完整图像信息，并最终投射到工作面进行数字曝光。
每个LCOS在横向及纵向都安装微调结构，通过微调每个LCOS的位置来调整每个子视场的图像经过棱镜二次反射后，在TIR-II对应区域的位置，进而可以实现四个子视场无缝拼接。
光源的波长范围为270nm-470nm的任意波段。
应理解，在阅读了本发明的内容后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种大视场拼接式曝光机，其特征在于：
系统由成像镜头Lens， 四片规格相同的硅基液晶，即LCOS-1，LCOS-2，LCOS-3及LCOS-4，四片偏振分光片，即PBS-1，PBS-2，PBS-3及PBS-4，四块规格相同的I型直角三角形全反射棱镜TIR-I-1，TIR-I-2，TIR-I-3及TIR-I-4，两块规格相同的II型直角三角形全反射棱镜TIR-II-1及TIR-II-2，四个光源LS-1，LS-2，LS-3及LS-4等组成；
其中，光源LS-1，LS-2，LS-3及LS-4分别通过PBS-1，PBS-2，PBS-3及PBS-4对LCOS-1，LCOS-2，LCOS-3，LCOS-4独立照明，LCOS-1，LCOS-2，LCOS-3及LCOS-4分别与PBS-1，PBS-2，PBS-3及PBS-4组合，PBS与LCOS光敏面的夹角为45°，PBS-1，PBS-2，PBS-3及PBS-4再分别与TIR-I-1，TIR-I-2，TIR-I-3及TIR-I-4相对接，PBS与TIR-I入射面的夹角仍为45°，TIR-I的入射面为A面，全反射面为B面，出射面为C面，其余两个面分别为上端面I及下端面I，TIR-II的入射面为D面，全反射面为E面，出射面为F面，其余两个面分别为上端面II及下端面II，TIR-I与TIR-II正交布置，即TIR-I的端面与TIR-II的端面垂直，然后将TIR-I-1及TIR-I-4的C面与TIR-II-1的D面胶合，TIR-I-1及TIR-I-4的A面分别与TIR-II-1上下端面重合，TIR-I-1及TIR-I-4的下端面与TIR-II-1的F面重合；TIR-I-2及TIR-I-3的C面与TIR-II-2的D面胶合，TIR-I-2及TIR-I-3的A面分别与TIR-II-2上下端面重合，TIR-I-2及TIR-I-3的下端面与TIR-II-1的F面重合，TIR-II-1及TIR-II-2的F面及上下端面保持重合，TIR-II-1及TIR-II-2拼装组合后，整个系统再与Lens对接。
2.根据权利要求1所述的大视场拼接式曝光机，其特征在于：
光源LS-1，LS-2，LS-3及LS-4所发出的光通过的传输路径相同，仅以光源LS-1发出的光所通过的光路为例，加以说明，光源LS-1发出的光先通过对应的PBS-1透射后，转换成p型偏振光，经LCOS-1反射后转变为加载对应的图像信息且偏振态为s型偏振光的光场，该光场经过PBS-1反射后，由A1面进入TIR-I-1，经过B1面发生全反射后，经胶合面C1面进入TIR-II-1中， D1面进行第二次全反射，经过E1面出射，在两次全反射过程中，光场的偏振态始终为s型偏振光，最后，成像镜头将图像投射到工作面进行数字曝光。
3.根据权利要求1所述的大视场拼接式曝光机，其特征在于：
为了实现目标曝光图案在最终工作表面上曝光的目的，目标曝光图案将在横向与纵向各均分为两等分，被分割成4个子曝光图案，每个子曝光图案的横纵比与LCOS芯片的横纵比保持一致，再将四个子曝光图案的信息通过同步触发信号传输到四个LCOS的控制板上，每个LCOS分别加载了不同子曝光图案的信息，四个子曝光图案保持同步变换；四个子曝光图案经过光学系统传输变换后被重新拼接成一个与原目标曝光图案完全相同的完整图像信息，并最终投射到工作面进行数字曝光。
4.根据权利要求1所述的大视场拼接式曝光机，所述光源LS-1，LS-2，LS-3及LS-4，其特征在于：波长范围为270nm-470nm的任意波段，光源LS-1，LS-2，LS-3及LS-4的光功率可以进行调整，进而可以调节全视场照度的均匀性。
5.根据权利要求1所述的大视场拼接式曝光机，所述的LCOS-1，LCOS-2，LCOS-3及LCOS-4，其特征在于：每个LCOS都具有横向及纵向的微调结构，通过微调实现四个LCOS所对应的四个子视场进行无缝拼接。
6.根据权利要求1所述的大视场拼接式曝光机，所述的TIR-I-1，TIR-I-2，TIR-I-3及TIR-I-4，是四个参数完全相同的45°直角棱镜。
7.根据权利要求1所述的大视场拼接式曝光机，所述的TIR-II-1， TIR-II-2，是两个参数完全相同的45°直角棱镜。
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| Date | Code | Title | Description |
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Application publication date: 20190917 Assignee: Beijing mathematical optical core technology Co.,Ltd. Assignor: LIANSHI PHOTOELECTRIC (SHENZHEN) Co.,Ltd. Contract record no.: X2021990000396 Denomination of invention: A large field splicing exposure machine License type: Exclusive License Record date: 20210701 |