CN114280801A - 基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法，涉及照明技术领域。基于自由曲面的均匀照明系统包括准直模块、光学积分器和准直扩束系统，准直模块包括双自由曲面准直透镜阵列，准直模块用于接收光源光线，并形成准直光线；光学积分器用于接收准直光线，并形成多个细光束重新混合，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置的细光束相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用；准直扩束系统用于接收混合后的细光束，并形成均匀照明光斑。采用准直模块、光学积分器和准直扩束系统依次设置，不仅可以形成均匀照明光斑，还能够实现光路紧凑、且满足照明效果。

Description

基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及照明技术领域，具体而言，涉及一种基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法。

背景技术

在光刻机的照明系统中，通常需要光强分布均匀性非常好的照明光场，增强光刻系统的分辨率，增大焦深，并改善光刻对比度，从而提高光刻质量。

早期的光刻系统采用积分棒来实现均匀照明，积分棒实现均匀照明的原理是让多束子光束在积分棒内壁经过多次全反射后，在积分棒的出口处叠加而形成均匀光场，再利用一个成像镜组把积分棒出口的均匀光场成像于掩模面，从而实现均匀照明。由于光束的多次反射，存在较大的能量损失，所以该匀化方法的能量利用率低；另外，为了提高输出光场的均匀性，需要使反射次数增多，积分棒的长度增大，因此不利于系统尺寸的减小。

为了提高均匀照明光场的能量利用率，并且缩短匀光装置的尺寸，需要采用微透镜阵列(Micro Lens Array)来实现均匀照明。微透镜阵列垂直于光轴放置，其工作原理是：每个微透镜将入射光束切割为尺寸相同的子光束，再经过聚光镜的会聚作用，在聚光镜的焦面上叠加。由于光束通过微透镜阵列时，仅存在反射和吸收损耗，并且可以通过镀增透膜并选用在工作波长吸收系数较小的材料制作，因此可以获得较高的能量利用率。而且微透镜阵列的厚度一般在几个毫米量级，比积分棒通常的几百毫米长度小了很多，有利于减小装置的轴向尺寸。

光刻照明系统对照明光场的均匀性通常要求高，不小于94％，如果不对接缝的面形进行设计，微透镜阵列的性能将不能满足光刻照明系统的指标要求。其次，光刻照明系统的光经过光刻掩模板后曝光效果要好，故对光刻照明系统的出光角要求不大于3度。

发明内容

本发明的目的包括提供了一种基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法，其能够实现光路紧凑、且满足照明效果。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种基于自由曲面的均匀照明系统，基于自由曲面的均匀照明系统包括：

准直模块，包括双自由曲面准直透镜阵列，准直模块用于接收光源光线，并形成准直光线；

光学积分器，用于接收准直光线，并形成多个细光束重新混合；

准直扩束系统，用于接收混合后的细光束，并形成均匀照明光斑。

在可选的实施方式中，光学积分器包括多个微透镜阵列。

在可选的实施方式中，准直扩束系统包括依次设置的负透镜组、凸透镜和出光光阑。

第二方面，本发明提供一种基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法包括：

设计准直模块，准直模块包括双自由曲面准直透镜阵列，准直模块用于接收光源光线，并形成准直光线；

设计光学积分器，光学积分器用于接收准直光线，并形成多个细光束重新混合；

设计准直扩束系统，准直扩束系统用于接收混合后的细光束，并形成均匀照明光斑。

在可选的实施方式中，准直模块的透镜结构采用双自由曲线绕中心轴旋转而成。

在可选的实施方式中，设计准直模块的步骤包括：

定义准直模块的透镜材料折射率为n，空气折射率为n₀＝1；

选择的模拟光源光强分布为朗伯分布：I＝I₀cosθ，θ为出光角度的限定值，且只对光源角范围：0°～θ之内的光线进行准直控制。

在可选的实施方式中，光学积分器包括多个微透镜阵列。

在可选的实施方式中，设计光学积分器的焦距与透镜半径之间的关系是：

式中，f_e为焦距，r为透镜半径，n为透镜折射率。

在可选的实施方式中，准直扩束系统包括依次设置的负透镜组、凸透镜和出光光阑。

在可选的实施方式中，准直扩束系统满足以下关系：

式中，Y_i为扩束前的光斑半高，Y_o为扩束后的光斑半高，d₁为凹透镜到虚像位置的距离，d₂为凹透镜与凸透镜的距离，f₁为凹透镜的焦距，f₂为凸透镜的焦点，n_b为扩束系统放大倍率。

本发明实施例提供的基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法的有益效果包括：

1.准直光线经过光学积分器的入光面，形成多个细光束，这些细光束再经过光学积分器重新混合，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置的细光束相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用；

2.采用准直模块、光学积分器和准直扩束系统依次设置，不仅可以形成均匀照明光斑，还能够实现光路紧凑、且满足照明效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的基于自由曲面的均匀照明系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于自由曲面的均匀照明系统的全剖结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法的流程图；

图4为准直模块的透镜结构的示意图；

图5为准直模块的透镜结构的算法设计原理示意图；

图6为准直模块的透镜结构的算法迭代关系推导示意图；

图7为光学积分器的设计原理示意图；

图8为准直扩束系统的设计原理示意图；

图9为光学积分器的结构示意图；

图10为准直扩束系统的结构示意图；

图11为仿真模拟中光斑效果的示意图。

图标：100-基于自由曲面的均匀照明系统；110-光源；120-准直模块；130-光学积分器；140-准直扩束系统；141-负透镜组；142-第一负透镜；143-第二负透镜；144-凸透镜；145-出光光阑。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1和图2，本实施例提供了一种基于自由曲面的均匀照明系统100，基于自由曲面的均匀照明系统100包括依次设置的光源110、准直模块120、光学积分器130和准直扩束系统140，不仅可以形成均匀照明光斑，还能够实现光路紧凑、且满足照明效果。

具体的，光源110优选为LED。

准直模块120包括双自由曲面准直透镜阵列，准直模块120用于接收光源110光线，并形成准直光线。在低功率需求的情况下，准直模块120可以是单个透镜，在高功率需求的情况下，准直模块120可以是多个单片透镜组合，通过结构件固定在一起，也可以直接做成一个多合一透镜元件。

光学积分器130包括多个微透镜阵列。准直光线经过光学积分器130的入光面，形成多个细光束，这些细光束再经过光学积分器130重新混合，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置的细光束相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。

准直扩束系统140包括依次设置的负透镜组141、凸透镜144和出光光阑145。混合的光线经过准直扩束系统140形成均匀照明光斑，其中，负透镜组141包括第一负透镜142和第二负透镜143。

请参阅图3，本实施例还提供上述基于自由曲面的均匀照明系统100的设计方法，包括以下步骤：

S1：确定照明系统的光学要求。

具体的，本实施例提供的基于自由曲面的均匀照明系统100的出光角度小于限定值θ，照明距离为L，光斑尺寸为H*W，辐照度的最大值为E_max。

辐照度的计算：E_max＝L·π·sin²θ_max (1-1)

系统口径计算：

式中，θ_max为LED光源光束角半角，r₁为前一个光学窗口有效半径，r₂为后一个光学窗口有效半径，θ₁为光通过前一个光学窗口的光束角半角，θ₂为光通过后一个光学窗口的光束角半角。

S2：设计照明系统的光学方案。

S21：设计准直模块120。

准直模块120包括双自由曲面准直透镜阵列，准直模块120用于接收光源110光线，并形成准直光线。

请参阅图4，准直模块120的透镜结构采用双自由曲线绕中心轴旋转而成。定义准直模块120的透镜材料折射率为n，空气折射率为n₀＝1，由于光源110选用的LED近似朗伯光源，能量集中在小角度范围内，针对此，在本设计过程中，选择的模拟光源光强分布为朗伯分布：I＝I₀cosθ，θ为出光角度的限定值，且只对光源角范围：0°～θ之内的光线进行准直控制。

准直模块120的具体算法设计如下：

请参阅图5，建立直角坐标系，光源110位于O点，光源110发出的光线经准直模块120的透镜的内表面A点与外表面B点折射后垂直入射接收面。其中，入射光

经内表面折射后形成出射光

法向量为

切向量为

然后出射光

作为外表面入射光再次折射后形成出射光

法向量为

切向量为

根据菲涅耳定律可得出：

化简(2-1)式与(2-2)式后，可得出以下方程式：

为了求解(2-3)式、(2-4)式，定义A、B坐标分别为(xa,ya)、(xb,yb)，则：

联立(2-3)式、(2-4)式、(2-5)式有：

其中：

其中：

根据(2-6)式、(2-8)式可求出内外表面的切向量斜率ka、kb分别为：

请参阅图6，为了进一步求出内外表面的离散轨迹坐标点，选取任意内外表面两相邻两点分别为A_n、A_n+1、B_n、B_n+1，其坐标分别为(xa_n,ya_n)、(xa_n+1,ya_n+1)，(xb_n,yb_n)、(xb_n+1,yb_n+1)，以及接收面的入射点坐标为R_n、R_n+1分别对应坐标为(xr_n,yr_n)、(xr_n+1,yr_n+1)。并定义

与

夹角为Δθ，

与x轴夹角为θ_n。

当Δθ很小时，可利用欧拉公式根据A_n、B_n两点坐标求出A_n+1、B_n+1的坐标，具体推导如下：

首先，根据(2-10)式与(2-11)式，可求出过A_n与B_n切线方程如下：

y＝ka_n·(x-xa_n)+ya_n (2-12)

y＝kb_n·(x-xb_n)+yb_n (2-13)

其中，ka_n、kb_n分别为过A_n及B_n的切线斜率。

此外，容易写出OA_n的直线方程如下：

y＝tan(Δθ+θ_n)·x (2-14)

利用欧拉公式，当Δθ很小时，A_n+1坐标与直线OA_n+1及过A_n切线交点近似重合，则联立(2-12)式与(2-14)式可求出A_n+1的坐标：

而B_n+1坐标可通过能量守恒定律，在此忽略菲涅耳损失，以及接收面照度均匀分布，可得出：

化简(2-17)式有：

由B_n+1R_n+1、B_nR_n与x轴彼此平行，以及当Δθ很小时，B_n+1坐标与直线A_n+1R_n+1及过B_n切线交点近似重合，则联立(2-13)式与(2-18)式可求出B_n+1坐标：

至此，准直模块120的透镜结构的算法推导完成。

S22：设计光学积分器130。

光学积分器130用于接收准直光线，并形成多个细光束重新混合。

请参阅图7，光学积分器130的设计满足以下公式：

光学积分器130的焦距与透镜半径之间的关系是：

式中，f_e为焦距，r为透镜半径，n为透镜折射率。

S23：设计准直扩束系统140。

准直扩束系统140用于接收混合后的细光束，并形成均匀照明光斑。

请参阅图8，准直扩束系统140满足以下关系：

式中，Y_i为扩束前的光斑半高，Y_o为扩束后的光斑半高，d₁为凹透镜到虚像位置的距离，d₂为凹透镜与凸透镜的距离，f₁为凹透镜的焦距，f₂为凸透镜的焦点，n_b为扩束系统放大倍率。

以下提供一个照明系统的具体设计实例，光学要求为出光角度小于3°，照明距离为400mm，光斑尺寸为200mm*200mm，辐照度为1mW/cm²。

辐照度

选定光源110，光源110的亮度不小于L，即464.5mW/(cm²*Sr)，这里的光源110选择首尔385nm带透镜的3535LED光源，1颗就可以满足要求，灯珠发光芯片约1mm。再根据(1-2)式得到准直模块120的准直透镜最小尺寸为28.7mm。

透镜的材料折射率为n＝1.46，引入初值A₁(12,0.012)，B1(25,0.08)，以及初始角∠A₁OX＝0.001，定义步长Δθ＝0.001，然后代入已推导算法的迭代关系中计算出各离散坐标点轨迹曲线，然后将计算所得离散坐标数据导入3D建模软件，建立实体透镜模型。

请参阅图9，光学积分器130的材质选用石英，折射率为1.46，跟进目前透镜的加工能力，h定为1.25mm，f_e定为7.5mm，即光学积分器130的厚度也为7.5mm，通过(3-1)式得到光学积分器130的微透镜曲率半径r＝2.4mm。通过3D结构软件构建出光学积分器130模型,模型宽高为32，略大与前面的准直透镜最小尺寸。

系统有效出光口径

加上安装边，出光透镜的直径需要大于282.8mm，本实施例中，出光透镜为凸透镜，直径为326mm，中心厚度为75mm,透镜前后面曲率半径为460mm。

准直扩束模块初始结构如下图10所示，前段以定义了出光的最大透镜，根据LightTools进行设计，求得负透镜组141，其中，第一负透镜142的直径40mm，中心厚度为3mm，透镜前后面曲率半径为60mm，第二负透镜143的直径40mm，中心厚度为3mm，透镜前后面曲率半径为90mm。

S3：进行仿真模拟。

在仿真模拟合格的情况下，则完成照明系统的设计。在仿真模拟不合格的情况下，则返回S1。

具体的，优化以光源110及各模块的轴上位置为变量，设定准直评价函数，得到最终光路排布位置，优化后光斑效果如图11所示。整个照明系统的光束角为1.43°，近似准直,且目标面上的光斑均匀度U达到96.1％。

本实施例提供的基于自由曲面的均匀照明系统100及其设计方法的有益效果包括：

1.准直光线经过光学积分器130的入光面，形成多个细光束，这些细光束再经过光学积分器130重新混合，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置的细光束相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用；

2.采用准直模块120、光学积分器130和准直扩束系统140依次设置，不仅可以形成均匀照明光斑，还能够实现光路紧凑、且满足照明效果。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于自由曲面的均匀照明系统，其特征在于，所述基于自由曲面的均匀照明系统包括：

准直模块(120)，包括双自由曲面准直透镜阵列，所述准直模块(120)用于接收光源(110)光线，并形成准直光线；

光学积分器(130)，用于接收所述准直光线，并形成多个细光束重新混合；

准直扩束系统(140)，用于接收混合后的所述细光束，并形成均匀照明光斑。

2.根据权利要求1所述的基于自由曲面的均匀照明系统，其特征在于，所述光学积分器(130)包括多个微透镜阵列。

3.根据权利要求1所述的基于自由曲面的均匀照明系统，其特征在于，所述准直扩束系统(140)包括依次设置的负透镜组(141)、凸透镜(144)和出光光阑(145)。

4.一种基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法包括：

设计准直模块(120)，所述准直模块(120)包括双自由曲面准直透镜阵列，所述准直模块(120)用于接收光源(110)光线，并形成准直光线；

设计光学积分器(130)，所述光学积分器(130)用于接收所述准直光线，并形成多个细光束重新混合；

设计准直扩束系统(140)，所述准直扩束系统(140)用于接收混合后的所述细光束，并形成均匀照明光斑。

5.根据权利要求4所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述准直模块(120)的透镜结构采用双自由曲线绕中心轴旋转而成。

6.根据权利要求5所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述设计准直模块(120)的步骤包括：

定义所述准直模块(120)的透镜材料折射率为n，空气折射率为n₀＝1；

选择的模拟光源(110)光强分布为朗伯分布：I＝I₀cosθ，θ为出光角度的限定值，且只对光源(110)角范围：0°～θ之内的光线进行准直控制。

7.根据权利要求5所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述光学积分器(130)包括多个微透镜阵列。

8.根据权利要求5所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述设计光学积分器(130)的焦距与透镜半径之间的关系是：

式中，f_e为焦距，r为透镜半径，n为透镜折射率。

9.根据权利要求5所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述准直扩束系统(140)包括依次设置的负透镜组(141)、凸透镜(144)和出光光阑(145)。

10.根据权利要求9所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述准直扩束系统(140)满足以下关系：

式中，Y_i为扩束前的光斑半高，Y_o为扩束后的光斑半高，d₁为凹透镜到虚像位置的距离，d₂为凹透镜与凸透镜的距离，f₁为凹透镜的焦距，f₂为凸透镜的焦点，n_b为扩束系统放大倍率。

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