CN206479726U - 匀光系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种匀光系统，包括光源、以及沿所述光源光路上依次设置的第一聚焦镜、准直扩束镜、滤光片、第二聚焦镜和匀光管。该匀光系统可对光学系统中指定的平面区域实现均匀光强照射，该匀光系统可以进一步提升匀光管的均匀化效果，可应用于光刻加工和光电检测等高端领域。

Description

匀光系统

技术领域

本申请涉及一种匀光系统，特别是涉及一种可对光学系统中指定的平面区域实现均匀光强照射的系统。

背景技术

匀光照明系统可对光学系统中指定的平面区域实现均匀光强分布的光投射，其在光电检测和光学加工领域具有重要的应用价值。

在各种匀光照明系统中，基于匀光管(也称为光通)的匀光照明系统是一种常见并且重要的类型，与其他类型的匀光照明系统(例如：基于光纤耦合匀光照明系统、基于微透镜阵列或积分棒的匀光照明系统以及基于衍射分光器件的匀光照明系统的等)相比，它具有光能利用率高、结构简单易于调控、轻便小巧和成本低廉等诸多优点。

典型的匀光管是由4片矩形反射镜围成的管状空腔，其内表面为反射面。将点光源置于匀光管入口的中心，则在匀光管出口截面上的光强分布为近似均匀分布。

其原理如图1所示，此处分析基于匀光管剖面图内的二维结构展开，其结论可以推广到实际的空间三维结构。点光源S发出的光束具有一定的空间发散角，靠近光束中心的小角度光束直接照射到匀光管出口，而较大角度光束被匀光管内表面1次反射后，再照射到匀光管出口。更大角度的光束会受到匀光管内表面反射的2次及以上的折叠反射，为简化分析，这种情形在此例中的未予体现。

参图1，点光源S对匀光管出口截面的照明等效于S0、S‘1和S’2三个虚拟点光源的照明叠加，S0对应S中心的小角度光束，S‘1和S’2对应S外围的大角度光束的虚像，S‘1和S’2关于匀光管的中心线对称。由于每个虚拟点光源的发散角很小(通常小于5度)，其对匀光管出口截面的照明近似于三个平面波的交叉叠加，根据光线追迹分析可知，其效果等效于亮度相同的点光源均匀分布于整个截面上，因而理论上可获得匀光照明效果。

实际情况下，匀光管出口截面的光强分布并不均匀，其靠近中心处的光强较大，而距离中心越远光强越弱。这主要是由于点光源在不同空间角度的辐射强度并不相同，并且变化较为剧烈。对于激光束聚焦形成的点光源，其辐射强度与空间角度θ的分布关系近似于高斯函数，其辐射能主要集中在很小的发散角范围内(例如±5度)。小尺寸的LED近似为漫反射光源(朗伯光源)，其在各个空间角度方向的辐射强度与空间角度θ近似成余弦关系。这两种典型的点光源的辐射强度的空间角分布，如图2所示。

这些实际点光源的共同特征是：零度方向辐射强度最大，随着空间角度增大，辐射强度快速减小，整体分布为凸曲线，尤其是在中部的主体部分。

结合图3所示，体现在匀光管的上述实例中，S0、S‘1和S’2三个虚拟点光源投射到出口截面的光强分布I0、I1和I2并不均匀。I0的光强分布中间大两边小，接近均匀分布。I2和I1的光强分布从一侧到另一侧迅速增大或者减小，根据凸曲线的性质可知，I1和I2的叠加后的光强分布也是中间大两边小的状态。因而最终I0、I1和I2叠加后的光强分布仍然为中间大两边小的状态，并且叠加后这种不均匀趋势进一步加剧。

为了弥补这一缺陷，可对匀光管采用更为细长的比例(也即增大管长与口径的比值)，以增加光线在管内的反射次数。分析可知此时匀光效果得以提升，但是仍然无法完全消除中间强两边弱的趋势，实际应用中的光强分布的不均匀性通常难以小于5％，同时由于多次反射使得能量损失较大。因而匀光管的应用主要局限于投影仪等对均匀性要求较低的场合，而在光刻加工和光电检测等高端领域的难以实施。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种匀光系统，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种匀光系统，包括光源、以及沿所述光源光路上依次设置的第一聚焦镜、准直扩束镜、滤光片、第二聚焦镜和匀光管。

优选的，在上述的匀光系统中，所述光源为激光器或LED光源。

优选的，在上述的匀光系统中，所述光源设置于所述准直扩束镜的前焦点。

优选的，在上述的匀光系统中，所述第二聚焦镜的数值孔径与匀光管的管长与口径的比相匹配。

优选的，在上述的匀光系统中，所述第二聚焦镜的数值孔径与匀光管的尺寸满足：进入匀光管内最大发散角的光线在匀光管内的反射次数不大于5次。

优选的，在上述的匀光系统中，所述滤光片为光密度板，该光密度板包括透光基体、以及分布于所述透光基体上的多个不透光的斑点。

优选的，在上述的匀光系统中，所述透光基体包括中心区域以及分布于所述中心区域四周的环形的外围区域，所述斑点形成于所述中心区域。

优选的，在上述的匀光系统中，所述中心区域形状满足：该中心区域经光路投影后与所述匀光管的出口轮廓相重合。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本新型结构可以进一步提升匀光管的均匀化效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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的附图。

图1所示为典型的匀光管的光路示意图；

图2所示为点光源的辐射强度的空间角分布示意图；

图3所示为典型的匀光管的光路出口光强分布的示意图；

图4所示为本实用新型具体实施例中匀光系统的原理示意图；

图5所示为本实用新型具体实施例中滤光片的示意图；

图6所示为本实用新型具体实施例中滤光片的中心区域的光密度分布图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了进一步提升匀光管的均匀化效果，必须对传统的凸型曲线分布(图2)进行有效的校正。

结合图4所示，匀光系统，包括光源1、以及沿所述光源光路上依次设置的第一聚焦镜2、准直扩束镜3、滤光片4、第二聚焦镜5和匀光管6。

第一聚焦镜2的后焦点与准直扩束镜3的前焦点重合。激光束扩束的倍数等于两者的焦距比值，典型扩束倍率为5～10倍。常用激光器的直接输出光束较细，直径约1～6mm，获得扩束后光束直径约20～40mm，便于滤光片的斑点图形制作。使得斑点尺寸不用太小。如果斑点尺寸太小，则加工难度加大，同时光的衍射现象也比较明显，影像匀光效果。

匀光管包括沿光路方向相通的通道，该通道的内壁上形成有反射镜面，优选的，匀光管包括四块矩形反射镜，该四块反射镜围成矩形截面的所述通道。

光源优选为激光器，但并不限定于激光，还可采用小尺寸LED光源，其在光路中的排布位置位于准直扩束镜3的前焦点。

第二聚焦镜5的数值孔径与匀光管6的管长与口径的比(通常约为5～20)相匹配：第二聚焦镜的数值孔径不大于，匀光管的管长口径比的5倍。使得最大发散角的光线在匀光管内的反射次数不大于5次，以减小光能损失。

滤光片4为光密度板，其典型材料为具有特定图形光掩模，可通过匀胶铬板由光刻工艺制作。光密度板上的图形为散布的斑点，这些斑点通常为圆形，直径约数微米到几十微米，斑点不透光，斑点之间的空隙处可透光。在密度板的不同区域这些斑点的密度不同，因而可对透射光的光强分布进行调制。

结合图5所示，滤光片4通常为圆形，其表面可分为中心区域a和外围区域b，中心区域a具有特定的斑点密度分布，可对透射光的光强分布进行调制，而外围区域的斑点密度为零，入射光直接透过。

滤光片4的中心区域的轮廓与匀光管6的口径匹配，其轮廓经光路投影后与匀光管6的出口轮廓相重合(滤光片的中心区域经过透镜5，正好可以投射覆盖匀光管6的出口)。根据光学成像原理，当匀光管的口径为矩形时，滤光片4的中心区域为鼓形，参图5，矩形的4条边分别向四周隆起成弧形。

滤光片4的中心区域的光密度分布如图6所示，其中部衰减较大，远离中心的位置衰减变小直至为零。此光密度分布可校正匀光管出口中间强、边缘弱的光强分布。

滤光片4的中心区域的光密度分布可基于数值计算得出，计算过程中需要考虑点光源的辐射强度空间角分布、匀光管的尺寸和光路结构。为了获得更为精确的校正效果，可根据实际测量获得所需光密度分布。测量过程如下：遮蔽滤光片4的中心区域使其不透光，采用光电探测器(例如CCD)测定匀光光出口截面的光强分布为数组Ia(x)，其中光强最大值为Ia_max，光强最小值为Ia_min；移除滤光片4(等效于使其中心区域完全透光)，采用光电探测器测定匀光光出口截面的光强分布为数组Ib(x)。则照射到滤光片4的中心区域的原始光强分布为数组Ib(x)-Ia(x)，而滤光片4的中心区域的光密度分布为(Ia(x)-Ia_max)./(Ib(x)-Ia(x))。上式中符号‘./’为点除，表示数组的单元对应相除。

当滤光片4的中心区域(或者比其稍大的区域)被遮蔽时，所述匀光系统可实现一种特殊的照明效果，即垂直于被照明表面的照明光线几乎为零，而保留倾斜照明的光线。这在光刻系统中可实现所谓的立轴照明，使得加工图形的分辨率得以提升。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种匀光系统，其特征在于，包括光源、以及沿所述光源光路上依次设置的第一聚焦镜、准直扩束镜、滤光片、第二聚焦镜和匀光管。

2.根据权利要求1所述的匀光系统，其特征在于：所述光源为激光器或LED光源。

3.根据权利要求1或2所述的匀光系统，其特征在于：所述光源设置于所述准直扩束镜的前焦点。

4.根据权利要求1所述的匀光系统，其特征在于：所述第二聚焦镜的数值孔径与匀光管的管长与口径的比相匹配。

5.根据权利要求1或4所述的匀光系统，其特征在于：所述第二聚焦镜的数值孔径与匀光管的尺寸满足：进入匀光管内最大发散角的光线在匀光管内的反射次数不大于5次。

6.根据权利要求1所述的匀光系统，其特征在于：所述滤光片为光密度板，该光密度板包括透光基体、以及分布于所述透光基体上的多个不透光的斑点。

7.根据权利要求6所述的匀光系统，其特征在于：所述透光基体包括中心区域以及分布于所述中心区域四周的环形的外围区域，所述斑点形成于所述中心区域。

8.根据权利要求7所述的匀光系统，其特征在于：所述中心区域的轮廓匀光管的口径匹配。

9.根据权利要求7所述的匀光系统，其特征在于：所述中心区域形状满足：该中心区域经光路投影后与所述匀光管的出口轮廓相重合。