CN113655598B - 一种照明光路系统及曝光光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出三段式照明光路系统，包括：前段子系统，用于收集照明光路前端的匀光部件出射的光束，中段子系统，用于对前段子系统输出的光束进一步汇聚，后段子系统，用于将中段子系统汇聚后的光束投射至数字微镜器件上，通过调整中段子系统的焦距改变照明光路系统的放大倍率，从而可以选择较大的放大倍率来降低对匀光部件的加工要求。

Description

一种照明光路系统及曝光光学系统
技术领域
本发明属于激光投影技术领域，具体涉及一种照明光路系统。
背景技术
DLP（Digital Light Processing：数字光学处理）技术是一种应用了DMD（DigitalMicromirror Device：数字微镜器件）作为关键处理元件以实现数字光学处理过程的显像技术，正广泛应用于投影显示、特种照明以及光刻加工等领域。DLP系统通常包括光源、匀光部件（多采用匀光棒）、照明光路系统、数字微镜器件、投影光学系统。如图1所示的直写光刻机光学系统中，光源1产生的光束经准直后进入匀光部件2，进行均匀化后入射到照明光路系统3，照明光路系统3将匀光部件2出光位置的物面光投射（成像）到DMD 4的微镜阵列上，DMD作为光调制部件在对光束进行调制后投射到投影光学系统5进行成像。
在整个DLP系统中，照明光路系统对光束的处理效果直接决定了投影镜头最终的投影效果。照明系统的关键指标包括远心度、放大倍率、后截距、利用率等。而DMD作为核心部件，照明光路系统的设计也需要根据DMD的需求而定。照明光路系统投射到DMD微镜阵列上的光斑尺寸需要等于或略大于微镜阵列整体尺寸，这取决于照明光路系统的倍率。而现有技术中，如专利CN205388665U示出的照明光学系统，虽然能够兼容多规格的DMD，但由于其倍率较小，则要求匀光部件的出光面面积较大，在保证匀光效果的情况下匀光部件的长度必须足够长，而大尺寸的匀光部件加工难度大且成本高。此外该系统采用了非球面透镜，非球面透镜的加工工艺复杂同样导致成本过高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种照明光路系统，以克服现有照明系统前端需要大尺寸匀光部件导致加工难成本高的问题。为此，本发明采用如下的技术方案：
一种照明光路系统，所述照明光路系统为远心光学系统，所述照明光路系统包括：前段子系统，用于收集照明光路前端的匀光部件出射的光束；中段子系统，用于对前段子系统输出的光束进一步汇聚；后段子系统，用于将中段子系统汇聚后的光束投射至数字微镜器件上；其中，所述照明光路系统通过调整所述中段子系统的焦距来改变所述照明光路系统的放大倍率。
优选地，所述任一子系统采用的透镜均为球面透镜。
优选地，所述前段子系统包括弯月形透镜，所述前表面的曲率半径大于后表面的曲率半径。
优选地，所述弯月形透镜的前表面和后表面非同心设置，所述前表面和所述后表面的球心距离大于10mm。
优选地，所述中段子系统包括第一双凹透镜和第一双凸透镜，在光束的传播路径上，所述第一双凸透镜在前，所述第一双凹透镜在后。
优选地，所述中段子系统还包括位于所述第一双凸透镜和所述第一双凹透镜之间的凸平透镜，所述凸平透镜的出光面为近似平面。
优选地，所述后段子系统包括第二双凸透镜和偏转组件。
优选地，所述偏转组件包括反射镜和TIR棱镜，所述反射镜位于所述中段子系统和所述第二双凸透镜之间，所述TIR棱镜位于所述第二双凸透镜和所述数字微镜器件之间。
优选地，所述中段子系统的焦距与所述照明光路系统的放大倍率的乘积在150mm-170mm范围内。
优选地，所述前段子系统与所述中段子系统之间的第一间距D1范围是15mm≤D1≤50mm，所述中段子系统与所述后段子系统之间的第二间距D2范围是50mm≤D2≤200mm，所述后段子系统与所述数字微镜器件之间的第三间距D3范围是50mm≤D3≤300mm。
优选地，所述照明光路系统的点列图rms在0.05-0.15之间，100%点列图在0.2-0.4之间。
与现有技术相比，本发明通过三段式系统结构设计，前段子系统、中段子系统和后段子系统相互之间影响较小，因此可根据前中后段子系统需求，分别设计其内部结构，从而提高该照明光路系统的容差性。通过对中段子系统的焦距设计改变照明光路系统的放大倍率，可使系统获得所需的合适倍率，从而降低前端匀光部件的加工难度。而后段子系统与数字微镜器件之前较大的间距使得系统后截距充足，利于丰富光路的转折设计。
附图说明
图1为本发明示例性直写光刻机的光学系统。
图2为本发明示例性照明光路系统。
图3为本发明照明光路系统第一偏转形式。
图4为本发明照明光路系统第二偏转形式。
图5为本发明照明光路系统第三偏转形式。
图6(a)-(c) 为中段子系统的焦距与照明光路系统倍率的对应示例。
图7为示例性的照明光路系统点列图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本发明的实施例。
本发明的照明光路系统如图2所示，该照明光路系统为远心光学系统，采用临界照明方式。系统的物象方远心度小于10mrad，尽量降低照明光路系统远心误差对后续投影系统的影响。具体地，照明光路系统包括依次设置的前段子系统10、中段子系统20和后段子系统30。其中，前段子系统10用于将照明光路前端的匀光部件出射的光束收集进中段子系统20，中段子系统20用于对前段子系统10输出的光束进一步汇聚，后段子系统30则是将中段子系统20汇聚后的光束投射至数字微镜器件上。本发明的照明光路系统采用三段式系统架构，前段子系统、中段子系统和后段子系统相互之间影响较小，因此，可根据前中后三段子系统需求，分别设计其内部结构，从而提高该照明光路系统的容差性，增大扩展空间。
以下详细说明照明光路系统内各子系统的配置形式。
前段子系统10设计为仅包括弯月形透镜11，弯月形透镜11为球面透镜，其前表面和后表面非同心设置，前表面是指从匀光部件出射的光束进入弯月形透镜11的入射面，而后表面是指光束的出射表面。优选地，前表面的曲率半径稍大于后表面的曲率半径，并且前表面和后表面的球心距离大于5mm，以大于10mm为较佳。采用此种弯月形透镜，能够利用其较大的弯曲弧度整体包覆匀光部件的出光端，从而将全部的出射光束收集进入系统光路，减少光能的损失。
中段子系统20为多片透镜组形式，由M片球面透镜组成，其中1＜M≤3，M为整数。中段子系统20内的各透镜间距小于5mm，以0.1-2mm为最佳。在一个实施方式中，中段子系统20由两片透镜组成，分别为第一双凸透镜21和第一双凹透镜23，第一双凸透镜21在前，第一双凹透镜23在后，即在照明光束的传播路径上，光束先经过第一双凸透镜后再进入第一双凹透镜。在一个优选的实施方式中，如图2所示，中段子系统20由三片透镜组成，除了包括第一双凸透镜21和第一双凹透镜23，还包括凸平透镜22，该凸平透镜22位于第一双凸透镜21和第一双凹透镜23之间，凸平透镜22需满足出光面为平面或近似平面，近似平面是指若是出光面为具有微小弧度球面，其曲率半径达到口径的3倍以上，口径即是指透镜的直径。通过增加凸平透镜使得中段系统对光束的汇聚作用平缓过渡，即中段子系统的屈光度适中。
后段子系统30至少包括第二双凸透镜31，来自中段子系统20的光束经第二双凸透镜31后投射到后续DMD的微镜阵列上。
为了光路系统适应整机系统构造，后段子系统30还可以包括偏转组件，用于对光路转折。偏转组件可根据需要具有不同的配置形式。在一个实施方式中，如图3所示，偏转组件仅包括第一反射镜32，其中，第一反射镜32位于中段子系统与第二双凸透镜31之间，光束经第一反射镜32偏转90°后入射到第二双凸透镜31，从第二双凸透镜31出射后直接投射到DMD的微镜阵列。在另一实施方式中，如图4所示，偏转组件包括第一反射镜32和第二反射镜33，其中，第一反射镜32位于中段子系统与第二双凸透镜31之间，第二反射镜33位于第二双凸透镜31之后，光束经第一反射镜32偏转90°后入射到第二双凸透镜31，从第二双凸透镜31出射后再经第二反射镜33偏转90°投射到DMD的微镜阵列。在又一优选的实施方式中，如图5所示，偏转组件包括第一反射镜32和TIR棱镜34，其中，第一反射镜32位于中段子系统与第二双凸透镜31之间，TIR棱镜34位于第二双凸透镜31和DMD之间，光束经第一反射镜32偏转90°后入射到第二双凸透镜31，从第二双凸透镜31出射后再经TIR棱镜34偏转90°投射到DMD的微镜阵列。
三段子系统中的透镜材料可根据实际选用，常用的可选材料包括H-K9L、H-QK3L、Fused silica，其中，H-K9L的优势在于价格便宜，Fused silica则是物理特性良好（导热性好、硬度高）。
进一步地，为了控制系统的整体成本，以上所述的各子系统内的透镜均采用球面透镜，各透镜的曲率半径作如下设计：前段子系统10内弯月形透镜11，物面侧曲率半径为R11,10mm<R11<16mm，像面侧曲率半径为R12,7mm<R12<12mm；中段子系统20包括三片透镜时，第一双凸透镜21物面侧曲率半径为R21, 20mm<R21<60mm，像面侧曲率半径为R22， 20mm<R22<60mm；凸平透镜22物面侧曲率半径为R31, 10mm<R31<30mm,像面侧为平面；第一双凹透镜23物面侧曲率半径为R41，10mm<R41<80mm，像面侧曲率半径为R42,6mm<R42<20mm；后段子系统30内第二双凸透镜31物面侧曲率半径为R51，100mm<R51<200mm，像面侧曲率半径为R52, 60mm<R52<100mm。
本发明提出的照明光路系统结构形式可根据需要设计为不同放大倍率。具体的，在不同倍率的照明方案中，前段子系统10和后段子系统30的焦距变化不大，前段子系统10的焦距为30-45mm，后段子系统30的焦距为90-110mm，应当理解的是，在实际应用中，前段子系统10和后段子系统30的焦距值可在上述范围内选定，并根据照明效果明确两者的具体数值。照明光路系统的放大倍率改变主要通过调整中段子系统20的焦距实现，中段子系统20的焦距随着照明倍率调整而变动范围较大。优选得，中段子系统20的焦距与照明光路系统的放大倍率近似成反比，即中段子系统20的焦距与照明光路系统的放大倍率的乘积F基本接近，F变化范围在150mm-170mm较佳。如图6(a) 所示，若照明光路系统的放大倍率为4倍，中段子系统20的焦距可选范围在37-43mm，优选40mm；如图6(b) 所示,若放大倍率为5倍，中段子系统20的焦距可选范围在30-36mm，优选33mm；如图6(c) 所示,若放大倍率为8倍，中段子系统20的焦距为16-25mm，优选19mm。由于本系统的放大倍率可根据需要设计，从而可以结合实际所需的照明区域大小及成本要求，通过选择较大的放大倍率来缩小匀光部件的尺寸，从而降低匀光部件的加工难度，使得总成本降低。
进一步地，再次参考图2所示，前段子系统10与中段子系统20存在第一间距D1，优选地，15mm≤D1≤50mm；中段子系统20与后段子系统30有较大的第二间距D2，优选地，50mm≤D2≤200mm；后段子系统30与DMD之间的第三间距D3也较大，优选地，50mm≤D3≤300mm。其中两段子系统之间的间距是指前一子系统的最后出光面的中心到后一子系统的第一入光面的中心的距离。通过将第二间距D2和第三间距D3设置较大，使得照明光路系统的后截距充足，便于配置上述的偏转组件来改变光路方向，能够适应不同系统架构的需求。其中，当设置了偏转组件后，两段子系统之间的间距是指光束从前一子系统出射经偏转后到达后一子系统所通过的距离。
如表1示出本发明提出的光学系统的透镜组合的具体示例，但应当理解的是，此表内的具体参数仅是在前述内容中有关透镜参数、透镜材料的选取范围内选择的一种配置形式，并非是限制照明系统中透镜只能选用下表的参数。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
如图7所示，依据上述照明光路系统的具体设计，能够使得照明光路系统的点列图rms范围在 0.05-0.15之间，100%点列图范围在0.2-0.4之间，既能保证照明光束的边缘锐利清晰，同时也可降低匀光部件出光面的污点等缺陷影响到最终投影镜头中的光束。
本发明还提供一种曝光光学系统，包括：光源、匀光部件、照明光路系统、空间光调制器以及投影光学系统。光源优选为半导体激光光源，能够产生单波长光束，或是产生多波长混合光束；匀光部件可选用匀光方棒；照明光路系统采用前文所详述的照明光路系统，优选四倍以上的放大倍率以减小匀光方棒的尺寸；空间光调制器优选为数字微镜器件；投影光学系统为双远心光学系统，用于对数字微镜器件投射的光束进行清晰的成像，其倍率通常采用业内统一的倍率，也可根据曝光图形的精度要求进行调整，通常从数字微镜器件投射来的光束经投影光学系统后尺寸无显著变化。
最后需要指出的是，由于文字表达的有限性，上述说明仅是示例性的，并非穷尽性的，本发明并不限于所披露的各实施方式，在不偏离上述示例的范围和精神的情况下，对于本领域的技术人员来说还可以作若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应以权利要求为准。

Claims (11)

1.一种照明光路系统，所述照明光路系统为远心光学系统，其特征在于，所述照明光路系统包括：
前段子系统，用于收集照明光路前端的匀光部件出射的光束，由正焦度的弯月形透镜组成，所述前段子系统的焦距为30-45mm；
中段子系统，用于对前段子系统输出的光束进一步汇聚，包括第一双凹透镜和第一双凸透镜，所述中段子系统的焦距与照明光路系统的放大倍率近似成反比；
后段子系统，用于将中段子系统汇聚后的光束投射至数字微镜器件上，包括第二双凸透镜，所述后段子系统的焦距为90-110mm；
其中，所述照明光路系统通过调整所述中段子系统的焦距来改变所述照明光路系统的放大倍率。
2.如权利要求1所述的照明光路系统，其特征在于，所述任一子系统采用的透镜均为球面透镜。
3.如权利要求1所述的照明光路系统，其特征在于，所述弯月形透镜的前表面的曲率半径大于后表面的曲率半径。
4.如权利要求3所述的照明光路系统，其特征在于，所述弯月形透镜的前表面和后表面非同心设置，所述前表面和所述后表面的球心距离大于10mm。
5.如权利要求1所述的照明光路系统，其特征在于，所述中段子系统在光束的传播路径上，所述第一双凸透镜在前，所述第一双凹透镜在后。
6.如权利要求5所述的照明光路系统，其特征在于，所述中段子系统还包括位于所述第一双凸透镜和所述第一双凹透镜之间的凸平透镜。
7.如权利要求1所述的照明光路系统，其特征在于，所述后段子系统还包括偏转组件。
8.如权利要求7所述的照明光路系统，其特征在于，所述偏转组件包括反射镜和TIR棱镜，所述反射镜位于所述中段子系统和所述第二双凸透镜之间，所述TIR棱镜位于所述第二双凸透镜和所述数字微镜器件之间。
9.如权利要求1所述的照明光路系统，其特征在于，所述中段子系统的焦距与所述照明光路系统的放大倍率的乘积在150mm-170mm范围内。
10.如权利要求1所述的照明光路系统，其特征在于，所述前段子系统与所述中段子系统之间的第一间距D1范围是15mm≤D1≤50mm，所述中段子系统与所述后段子系统之间的第二间距D2范围是50mm≤D2≤200mm，所述后段子系统与所述数字微镜器件之间的第三间距D3范围是50mm≤D3≤300mm。
11.如权利要求1所述的照明光路系统，其特征在于，所述照明光路系统的点列图rms范围在0.05-0.15之间，100%点列图范围在0.2-0.4之间。
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