CN112305772A - 用于激光束均匀化的光学系统及包括其的激光热处理装置 - Google Patents

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CN112305772A CN202010326286.8A CN202010326286A CN112305772A CN 112305772 A CN112305772 A CN 112305772A CN 202010326286 A CN202010326286 A CN 202010326286A CN 112305772 A CN112305772 A CN 112305772A
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Abstract

公开了用于激光束均匀化的光学系统及包括其的激光热处理装置，光学系统包括：聚光透镜，将输入的激光束集束；准直透镜，将通过所述聚光透镜发散的激光束准直；以及扩散片，位于所述聚光透镜与所述准直透镜之间，并且所述光学系统基于下式1构成，[式1]：Δα＝[vmin(t+s‑tsΦ2)]‑1，在式1中，Δα是所述扩散片的最大发散角，Φ2是所述准直透镜的光功率，t是所述扩散片与所述准直透镜之间的距离，s是所述准直透镜与目标面之间的距离，vmin是通过所述光学系统切断的高频噪音的空间频率的下限。

Description

用于激光束均匀化的光学系统及包括其的激光热处理装置
技术领域
本公开涉及一种光学系统，更详细地，涉及一种扩散片基础的用于激光束均匀化的光学系统及包括其的激光热处理装置。
背景技术
一般而言，液晶显示装置、有机发光显示装置等之类的显示装置的像素阵列通过薄膜晶体管驱动。例如，所述薄膜晶体管的沟道可以包括多晶硅。
多晶硅可以通过将非晶硅进行利用激光等的热处理来得到，为了得到高品质的多晶硅薄膜，照射的激光均匀度重要。
为了提高激光的均匀度并形成线图像，使用激光束均化器，并且正在开发用于对散斑(speckle)等之类的干涉效果引起的高频噪音进行过滤的技术。
发明内容
本公开的一目的在于提供一种防止高功率激光引起的扩散片的损伤并能够过滤高阶空间频率噪音的用于激光束均匀化的光学系统。
本公开的其它目的在于提供一种包括所述光学系统的激光热处理装置。
为了达到前述的本公开的目的，根据本公开的例示性实施例的光学系统包括：聚光透镜，将输入的激光束集束；准直透镜，将通过所述聚光透镜发散的激光束准直；以及扩散片，位于所述聚光透镜与所述准直透镜之间，并且所述光学系统基于下式1构成，
[式1]
Δα＝[νmin(t+s-tsΦ2)]-1，
在式1中，Δα是所述扩散片的最大发散角，Φ2是所述准直透镜的光功率(opticalpower)，t是所述扩散片与所述准直透镜之间的距离，s是所述准直透镜与目标面之间的距离，νmin是通过所述光学系统切断的高频噪音的空间频率的下限。
根据一实施例，vmin为0.123mm-1以上，t为100mm至300mm，s为800mm至1600mm，Φ2为3焦度至10焦度(diopter)。
根据一实施例，基于下式2的追加发散角(Δαextra)为2mRad以下，
[式2]
Δαextra＝Δα(1-tΦ2)。
根据一实施例，所述光学系统还包括入射从所述准直透镜输出的激光束的微透镜阵列，vmin为所述微透镜阵列的间距尺寸的倒数。
根据一实施例，所述微透镜阵列包括圆筒形透镜。
根据一实施例，所述微透镜阵列包括彼此隔开的第一微透镜阵列及第二微透镜阵列。
根据一实施例，所述光学系统还包括将从所述微透镜阵列的输出的激光束集束的向场透镜。
根据一实施例，所述扩散片的位置与所述聚光透镜的焦点面隔开。
根据一实施例所述聚光透镜包括第一聚光透镜及第二聚光透镜，所述准直透镜包括第一准直透镜及第二准直透镜，所述第一聚光透镜及所述第一准直透镜将输入的激光束向第一轴方向扩展，所述第二聚光透镜及所述第二准直透镜将输入的激光束向与所述第一轴方向垂直的第二轴方向扩展。
根据一实施例，所述第二聚光透镜及所述第二准直透镜配置于所述第一聚光透镜与所述第一准直透镜之间，所述扩散片配置于所述第二聚光透镜与所述第二准直透镜之间。
根据一实施例，所述扩散片配置于所述第一聚光透镜的焦点面与所述第二聚光透镜的焦点面之间。
根据一实施例，所述扩散片配置于所述焦点面与所述第二准直透镜之间。
(发明的效果)
根据本公开的例示性实施例，利用扩散片能够使输入的激光束均匀化。
另外，能够防止高功率激光束的集束引起的扩散片的损伤，能够过滤具有空间频率的高频噪音。
另外，能够与所述均匀化同时使激光束扩展。
附图说明
图1是根据本公开的一实施例的光学系统的示意图。
图2是示出根据本公开的一实施例的光学系统的侧视图。
图3是从其它方向示出图2的光学系统的侧视图。
图4及图5是示出根据本公开的实施例的光学系统的侧视图。
图6是简要示出根据本公开的一实施例的激光热处理装置的示意图。
图7是示出在实施例1的光学系统中针对从长轴准直透镜的距离t的能量密度的曲线图。
图8是表示在实施例1的光学系统中扩散片对从长轴准直透镜的距离t的最大发散角(Delta Alpha LA)和追加发散角(Extra Divergence LA)的曲线图。
图9a是具有高阶空间频率噪音的激光束(308nm)的强度模式图像。
图9b是通过实施例1的光学系统均匀化的激光束的强度模式图像。
具体实施方式
以下，参照附图，对根据本公开的例示性实施例的光学系统及包括其的激光热处理装置进行详细说明。
图1是根据本公开的一实施例的光学系统的示意图。
参照图1，光学系统包括聚光透镜110、准直透镜120及扩散片130。所述扩散片130配置于所述聚光透镜110与所述准直透镜120之间。所述扩散片130可以从所述准直透镜120以距离t隔开。
输入光束IB经过所述聚光透镜110而聚光，向所述扩散片130照射。例如，所述输入光束IB的任意光IBR透过所述聚光透镜110的同时折射。
透过所述扩散片130的光扩散。例如，透过所述扩散片130的光可以以具有与最大发散角Δα对应的顶角的圆锥状扩散。所述扩散光在透过所述准直透镜120时折射。透过所述准直透镜120而变成准直的光通过发散的边缘光ER在从所述准直透镜120以距离s隔开的目标面TP形成大小为Δy的点。
所述扩散片130的最大发散角Δα可以通过下面的近轴光学方程式(paraxialoptics equation)而得到。
Figure BDA0002463339620000041
在上述近轴光学方程式中，Φ2是所述准直透镜120的光功率(optical power)。
所述最大发散角Δα可以对应于向与光束的行进方向(第一方向D1)垂直的方向(第二方向D2)发散的范围。所述最大发散角Δα的单位可以是毫弧度(mRad)。毫弧度(mRad)表示当激光束行进1m时发散1mm的角度。
所述光学系统可以以切断具有1/Δy以上的空间频率(spatial frequen cy)的噪音的高频过滤器工作。因此，可以将切断的高频噪音的空间频率的下限νmin定义为1/Δy。由此，可从上述近轴光学方程式得到下面的式1。
[式1]
Δα＝[νmin(t+s-tsΦ2)]-1
根据一实施例，可以是，切断的高频噪音的空间频率的下限νmin为0.123mm-1以上，t为100mm至300mm，s为800mm至1600mm，Φ2为3焦度至10焦度(diopter)。例如，用于切断的高频噪音的空间频率的范围可以是0.123mm-1至0.5mm-1。
所述光学系统可以与用于光束定型化或追加性均匀化的其它光学手段组合来使用。例如，从所述准直透镜120输出的光束可以入射到用于均匀化的微透镜阵列。在所述微透镜阵列的间距(透镜间距)尺寸为p的情况下，所述切断的高频噪音的空间频率的下限νmin可以定义为1/p。
根据一实施例，可优选的是，在设计所述光学系统时考虑所述扩散片130引起的激光束发散的增加。例如，追加发散角Δαextra可以通过下面的式2得到。
[式2]
Δαextra＝Δα(1-tΦ2)
根据一实施例，所述光学系统可以是所述追加发散角Δαextra为2mRad以下。但是，本公开的实施例不限于此，所述追加发散角Δαextra的优选范围可以根据光学系统整体结构而不同。
根据本公开的一实施例，通过基于所述式1的条件，组合聚光透镜110、准直透镜120、扩散片130及与目标面TP的距离，能够去除高频噪音。
例如，所述准直透镜120及所述扩散片130可以从商业上提供的选择并调节，以使得具有恰当的光功率及发散角。
所述聚光透镜110、所述准直透镜120及所述扩散片130可以分别从所属技术领域中公知的选择。例如，所述扩散片130可以是衍射光学元件(diffractive opticalelement)。
根据一实施例，所述扩散片130的位置可以优选从所述聚光透镜110的焦点面隔开一定距离以上。在所述扩散片130位于所述聚光透镜110的焦点面的情况下，因准分子激光之类的高功率光束，可能产生扩散片130的损伤。
例如，所述扩散片130可以配置于所述聚光透镜110的焦点面与所述准直透镜120之间，或者配置于所述聚光透镜110的焦点面与所述聚光透镜110之间。
根据本公开的一实施例，在扩散片基础的光学系统中，提供能够过滤高频噪音的最佳的条件。因此，在为了防止扩散片130损伤而将扩散片130的位置从焦点面移位的情况下，也能够有效地过滤高频噪音。
所述光学系统除了以扩散片为基础的均匀化以外，还能够起到将入射的激光束扩展的作用。例如，所述聚光透镜110及所述准直透镜120可以具有与已公知的用于光束扩展的光学系统对应的结构。
图2是示出根据本公开的一实施例的光学系统的侧视图。图3是从其它方向示出图2的光学系统的侧视图。
根据一实施例，根据本公开的一实施例的光学系统可以为了失真光学(anamorphic optics)而实现。例如，向所述光学系统入射的输入光束IB可以具有向一方向延伸的轮廓，所述光学系统可以包括用于长轴方向的扩展的透镜组合和用于短轴方向的扩展的透镜组合。
参照图2及图3，所述光学系统包括第一聚光透镜112、第二聚光透镜114、第一准直透镜122、第二准直透镜124及扩散片130。
所述第二聚光透镜114及所述第二准直透镜124可以配置于所述第一聚光透镜112与所述第一准直透镜122之间。所述扩散片130可以配置于所述第二聚光透镜114与所述第二准直透镜124之间。
参照图2，所述第一聚光透镜112可以具有沿与平行于输入光束IB的行进方向的第一方向D1垂直的第二方向D2鼓起的入射面和平坦的射出面。所述第一准直透镜122可以具有平坦的入射面和沿所述第二方向D2鼓起的射出面。
入射到所述第一聚光透镜112的激光束沿所述第二方向D2集束之后分散，在透过所述第一准直透镜122时被准直。因此，输出光束可以向所述第二方向D2扩展。另外，所述激光束可以透过所述扩散片130而均匀化。例如，所述第二方向D2可以对应于所述激光束的长轴方向。
参照图3，所述第二聚光透镜114可以具有沿与所述第一方向D1及所述第二方向D2垂直的第三方向D3鼓起的入射面和平坦的射出面。所述第二准直透镜124可以具平坦的入射面和沿所述第三方向D3鼓起的射出面。
入射到所述第二聚光透镜114的激光束沿所述第三方向D3集束之后分散，在透过所述第二准直透镜124时被准直。因此，输出光束可以向所述第三方向D3扩展。另外，所述激光束可以透过所述扩散片130而均匀化。例如，所述第三方向D3可以对应于所述激光束的短轴方向。
所述扩散片130可以具有沿方向而不同的最大发散角Δα。例如，所述扩散片130可以沿所述长轴方向(第二方向D2)具有第一最大发散角Δα1，沿所述短轴方向(第三方向D3)具有第二最大发散角Δα2。由此，可以在目标面TP上形成所述长轴方向的大小为Δy1且所述短轴方向的大小为Δy2的点。在其它实施例中，所述扩散片130也可以在长轴方向(第二方向D2)和短轴方向(第三方向D3)上具有相同的最大发散角Δα。
包括所述第一聚光透镜112、所述扩散片130及所述第一准直透镜122的第一组合和包括所述第二聚光透镜114、所述扩散片130及所述第二准直透镜124的第二组合中至少一个可以构成为满足上述式1。
例如，所述第一组合可以构成为满足下面的式1-1。
[式1-1]
Δα1＝[vmin(t1+s1-t1s1Φ2)]-1
另外，所述第二组合可以构成为满足下面的式1-2。
[式1-2]
Δα2＝[vmin(t2+s2-t2s2Φ2)]-1
在式1-1中，Δα1为第一最大发散角，t1是所述扩散片130与所述第一准直透镜122之间的距离，s1是所述第一准直透镜122与目标面TP之间的距离，Φ2是第一准直透镜122的光功率，在式1-2中，Δα2为第二最大发散角，t2是所述扩散片130与所述第二准直透镜124之间的距离，s2是所述第二准直透镜124与目标面TP之间的距离，Φ2是第二准直透镜124的光功率。
在所述光学系统中，可以通过聚光透镜112、114形成位于彼此不同的面的两个焦点面。在焦点面，能量密度急剧增加，因此为了防止所述扩散片130的损伤，所述扩散片130可以配置成从所述焦点面隔开。
根据一实施例，所述扩散片130可以配置于通过聚光透镜112、114形成的两个焦点面之间。但是，本公开的实施例不限于此，也可以在所述第一组合和所述第二组合中至少一个满足式1的条件的范围，所述扩散片130配置于所述聚光透镜112、114与所述焦点面之间，或者配置于所述准直透镜122、124与所述焦点面之间。
根据本公开的实施例，能够将激光束向多个方向扩展及均匀化，能够防止高功率激光束的集束引起的扩散片的损伤。另外，能够过滤具有空间频率的高频噪音。
图4及图5是示出根据本公开的实施例的光学系统的侧视图。
图1至3中示出的用于光束扩展及均匀化的光学系统可以还包括其它光学手段。
例如，如图4所示，根据一实施例的光学系统可以包括扩散-扩展部100、微透镜阵列部400及向场(field)透镜500。
所述扩散-扩展部100可以与参照图1说明的结构相同。例如，所述扩散-扩展部100包括聚光透镜110、准直透镜120及扩散片130。所述扩散片130配置于所述聚光透镜110与所述准直透镜120之间。可以是所述扩散-扩展部100将输入光束IB扩展，通过所述扩散片130均匀化，可以通过基于式1的结构来过滤具有特定范围的空间频率的高频噪音。
从所述扩散-扩展部100输出的光束可以在所述微透镜阵列部400均匀化。例如，所述微透镜阵列部400可以具有基于科勒(Kohler)积分公式(integrator scheme)的结构。例如，所述微透镜阵列部400可以包括圆筒形透镜(cylindrical lens)、蝇眼透镜(fly’s eyelens)等之类的微小透镜阵列。
根据一实施例，所述微透镜阵列部400可以包括第一微透镜阵列410及第二微透镜阵列420。例如，所述第一微透镜阵列410及所述第二微透镜阵列420可以分别包括具有鼓起的入射面或射出面并沿一轴排列的多个圆筒形透镜。在所述扩散-扩展部100过滤的噪音的空间频率范围可以根据所述微透镜阵列部400间距来决定。在所述微透镜阵列部400中，当间距尺寸为p时，所述切断的高频噪音的空间频率的下限vmin可以定义为1/p。因此，所述微透镜阵列部100的间距尺寸可以根据作为目的的噪音的空间频率来调节。
入射到所述微透镜阵列部400的光束通过所述第一微透镜阵列410及所述第二微透镜阵列420折射及分割，能够均匀化。
例如，所述微透镜阵列部400可以将入射的光束向长轴方向均匀化。但是，本公开的实施例不限于此，所述微透镜阵列部400可以将入射的光束向长轴方向及短轴方向均匀化。为此，所述微透镜阵列部400可以还包括一个以上的微透镜阵列。另外，所述微透镜阵列部400可以还包括用于在均匀化过程中将发散的光准直的透镜。
所述扩展并均匀化的光束通过所述向场透镜500集束并重叠而能够照射在目标600的面。例如，所述目标600可以是用于热处理的对象基板，但本公开的实施例不限于此。例如，所述目标600也可以是用于变更光路径或改性光束特性的其它光学手段。
根据一实施例，所述光学系统可以还包括用于过滤高频噪音的其它均匀化手段。
例如，如图4及图5所示，光学系统可以还包括棱镜基础的均匀化部200。
根据一实施例，如图4所示，棱镜基础的均匀化部200可以包括分别包括楔状的双折射部件对的分离部210和补偿部220。所述分离部210分离入射的激光束的成分，所述补偿部220补偿所述分离引起的发散。因此，光束的成分转换，从而能够过滤因模糊具有优势空间频率的噪音。
根据一实施例，如图5中所示，棱镜基础的均匀化部200包括具有将输入的激光束分割成两个成分的分离面的棱镜230。从所述棱镜230输出的激光束(即，图5中的输入光束IB)向与输入的激光束垂直的方向行进，并包括第一成分及第二成分。所述第一成分可以定义为在所述分离面反射的成分。所述第二成分可以定义为在所述棱镜230的内部反射面反射后通过所述分离面放射并跟随所述第一成分的路径的成分。所述第二成分具有与所述第一成分的强度模式相比针对第一轴翻转的强度模式。因此，能够过滤入射到所述均匀化部200的激光束的高阶空间频率噪音。
从所述棱镜基础的均匀化部200输出的激光束(即，图5中的输入光束IB)可以入射到所述扩散-扩展部100。
激光热处理装置
图6是简要示出根据本公开的一实施例的激光热处理装置的示意图。
参照图6，激光热处理装置包括光源10及将从所述光源10生成的输入光束IB转换为输出光束OB的光学系统20。从所述光学系统20射出的输出光束OB照射于配置在工作台30上的对象基板32。
例如，所述输入光束IB可以从准分子激光器、YAG激光器、玻璃激光器、YVO4激光器、Ar激光器等产生。根据一实施例，所述输入光束IB可以是准分子激光。准分子激光可以根据气体种类输出彼此不同波长的激光束。例如，可以是ArF准分子激光具有193nm波长，KrF准分子激光具有248nm波长，XeCl准分子激光具有308nm波长，XeF准分子激光具有351nm波长。
例如，所述输入光束IB可以包括线偏振的光。根据一实施例，所述输入光束IB可以包括S偏振光成分和P偏振光成分。
所述激光热处理装置可以使用于硅的热处理。例如，所述对象基板32可以包括非晶硅层。例如，所述非晶硅层可以通过化学蒸镀法、喷镀法、真空蒸镀法等形成。所述非晶硅层通过被照射的输出光束而热处理并结晶化，从而能够形成多晶硅层。
所述光学系统20改变输入光束IB的大小、强度分布等之类的性质而生成输出光束OB。例如，所述输入光束IB的强度分布可以具有高斯分布，所述光学系统20能够将所述输入光束IB改性而输出具有平顶(flat top)或超高斯分布的输出光束OB。
根据一实施例，所述光学系统20可以具有包括参照图1至图5来说明的光学系统的结构。
以下，通过具体实施例来查看本公开的实施例的效果。
实施例1
构成包括图2及图3中所示那样排列的长轴聚光透镜(光功率：1/100mm-1)、短轴聚光透镜(光功率：1/200mm-1)、扩散片、短轴准直透镜(光功率：1/200mm-1)及长轴准直透镜(光功率：1/300mm-1)的光学系统。在所述光学系统中，设定成对长轴方向的切断的高频噪音的空间频率的下限vmin为0.25mm-1，长轴准直透镜与目标面之间的距离为1200mm。
图7是示出在实施例1的光学系统中针对从长轴准直透镜的距离t的能量密度的曲线图。图8是表示在实施例1的光学系统中从式1得到的扩散片对从长轴准直透镜的距离t的最大发散角(Delta Alpha LA)和追加发散角(Extra Divergence LA)的曲线图。在图8中，实线表示扩散片的最大发散角(Delta Alpha LA)，虚线表示追加发散角(ExtraDivergence LA)。参照图7可知，当t为约500mm时和约350mm时，能量密度急剧增加。这可以表示在所述光学系统中形成两个焦点面。因此，所述扩散片的位置优选在所述焦点面隔开。
参照图8，当t为约420mm时，扩散片的最大发散角为约10mRad(10.2mRad)，这与能够在商业上得到的扩散片的最大发散角(约10mRad)近似。另外，t为约420mm的面处的能量密度大幅低于焦点面处的能量密度。另外，追加发散角为约1.8mRad，在优选的范围以内。
因此，在所述光学系统中，设计成扩散片的最大发散角为10mRad，t为420mm。
图9a是具有高阶空间频率噪音的激光束(308nm)的强度模式图像，图9b是通过实施例1的光学系统均匀化的激光束的强度模式图像。
参照图9a及图9b可知，通过实施例1的光学系统，能够去除高阶空间频率噪音。
只是，本公开的实施例不限于上面的结果，在满足式1的范围内根据光学系统的应用程序等可以进行各种变更。例如，为了进一步降低施加于所述扩散片的激光束的能量密度，t可以调节成具有100mm至300mm范围。
如上所述，参照本公开的例示性实施例进行了说明，但所属技术领域中具有通常知识的人员应理解在不脱离下述的权利要求书中记载的本公开的思想及领域的范围内能够对本公开进行多种修改及变更。
(产业上利用可能性)
本公开可以使用于包括将激光均匀化的光学系统的各种热处理装置、照明装置、光学装置等。

Claims (10)

1.一种用于激光束均匀化的光学系统，其特征在于，包括：聚光透镜，将输入的激光束集束；准直透镜，将通过所述聚光透镜发散的激光束准直；以及扩散片，位于所述聚光透镜与所述准直透镜之间，并且所述光学系统基于下式1构成，
[式1]
Δα＝[vmin(t+s-tsΦ2)]-1，
在式1中，Δα是所述扩散片的最大发散角，Φ2是所述准直透镜的光功率，t是所述扩散片与所述准直透镜之间的距离，s是所述准直透镜与目标面之间的距离，νmin是通过所述光学系统切断的高频噪音的空间频率的下限。
2.根据权利要求1所述的用于激光束均匀化的光学系统，其特征在于，
νmin为0.123mm-1以上，t为100mm至300mm，s为800mm至1600mm，Φ2为3焦度至10焦度。
3.根据权利要求1所述的用于激光束均匀化的光学系统，其特征在于，
基于下式2的追加发散角Δαextra为2mRad以下，
[式2]
Δαextra＝Δα(1-tΦ2)。
4.根据权利要求1所述的用于激光束均匀化的光学系统，其特征在于，
所述光学系统还包括入射从所述准直透镜输出的激光束的微透镜阵列，vmin为所述微透镜阵列的间距尺寸的倒数。
5.根据权利要求4所述的用于激光束均匀化的光学系统，其特征在于，
所述微透镜阵列包括圆筒形透镜。
6.根据权利要求5所述的用于激光束均匀化的光学系统，其特征在于，
所述微透镜阵列包括彼此隔开的第一微透镜阵列及第二微透镜阵列。
7.根据权利要求4所述的用于激光束均匀化的光学系统，其特征在于，
所述光学系统还包括将从所述微透镜阵列的输出的激光束集束的向场透镜。
8.根据权利要求1所述的用于激光束均匀化的光学系统，其特征在于，
所述扩散片的位置与所述聚光透镜的焦点面隔开。
9.根据权利要求1所述的用于激光束均匀化的光学系统，其特征在于，
所述聚光透镜包括第一聚光透镜及第二聚光透镜，所述准直透镜包括第一准直透镜及第二准直透镜，所述第一聚光透镜及所述第一准直透镜将输入的激光束向第一轴方向扩展，所述第二聚光透镜及所述第二准直透镜将输入的激光束向与所述第一轴方向垂直的第二轴方向扩展。
10.根据权利要求9所述的用于激光束均匀化的光学系统，其特征在于，
所述第二聚光透镜及所述第二准直透镜配置于所述第一聚光透镜与所述第一准直透镜之间，所述扩散片配置于所述第二聚光透镜与所述第二准直透镜之间。
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