TWI708961B - 用於三維數據採集之照明組件 - Google Patents

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Abstract

本發明描述可操作以產生在一廣溫度範圍內維持高對比度之一圖案化照明之照明組件。該照明組件之一實施方案可包含定位於一照明平面上之一單色光源之陣列、第一光學元件及第二光學元件以及一出射孔隙。該單色光源陣列內之各光源之一主射線可實質上會聚在一出射孔隙處。在此等實施方案中，可有效使用由該單色光源陣列產生之光。

Description

用於三維數據採集之照明組件
本發明係關於投射光以採集三維數據之照明組件。
光電模組可經組態以使用立體、結構化光或其他三維(3D)成像技術採集一場景之3D數據。此等模組可包含用於照明具有特徵(例如，離散特徵)之一場景之一照明組件，特徵諸如經投射特徵或紋理。準確、精確3D數據之採集部分取決於照明組件產生具有各種特性之特徵之熟練度。舉例而言，照明組件應產生具有高強度及高對比度之特徵。再者，照明組件應產生在其全視野(FOV)內具有可客製化照明特性之特徵；舉例而言，在一些情況中，應產生在其全FOV內具有均質強度之特徵。此外，照明組件應產生在一操作溫度範圍內具有一致光學品質之特徵。
經組態以照明具有高強度、高對比度特徵之場景之一照明組件包含一光學組件及一照明源。源自照明源之光通常藉由一數值孔徑特性化；即，在相對於一發射軸之一發射角(即，張開角)內發射光。當一光學組件與具有一大數值孔徑之一照明源成對時，光學組件通常經組態具有一孔徑光闌以界定特定量之漸暈以緩解光學像差。
舉例而言，一光學組件可經組態具有一單一孔徑光闌，該孔徑光闌繼而可導致一小出射光瞳(即，具有一小直徑之一孔徑光闌)。單一孔徑光闌/小出射光瞳藉由阻擋傳播穿過光學組件之雜散光、原本 將降低特徵之光學品質之雜散光而有效緩解不利效應(例如，漸暈)。然而，由於一孔徑光闌亦阻擋由一光源產生之一些光，因此經組態具有一孔徑光闌之光學組件固有地低效；即，由光源產生之一些光未用於照明場景。另一方面，經組態以產生適合於採集3D數據之特徵之不需要使用孔徑光闌之光學組件之設計並不簡單。此等光學組件對模擬、分析及測試的要求尤其苛刻。
再者，由於光學組件包含光學組件內之一或多個光學元件，故此等光學元件之一或多者可易受熱引發之光學不穩定性(例如，折射率之改變)影響。此係針對由塑膠構成之光學元件之一特定顧慮，其中熱不穩定性可引起光學元件之實體尺寸及折射率兩者之改變。此等顧慮兩者可因照明源之選擇而加劇。舉例而言，一光學組件可包含作為照明源之一雷射/雷射陣列(諸如邊緣發射雷射或垂直腔表面發射雷射(VCSEL))。在一些光學組件中，雷射可有效產生高強度、高對比度特徵；然而，雷射之高輸出功率可導致如上文中描述之熱引發之光學不穩定性。
本發明描述包含一光學組件及一照明源之一照明組件之實施方案之各種實例，該照明組件可操作以產生適合於3D數據採集之特徵。該照明組件經實施具有一基於雷射之照明源且尤其有效，其中自光源產生之實質上全部光會聚在一出射孔隙處而不需要孔徑光闌。換言之，最大量之光照明場景同時產生高強度、高對比度特徵。此外，照明組件之實施方案之所揭示實例在一廣視野及一廣操作溫度範圍內產生高對比度圖案化照明。
在一些實施方案中，一照明組件可操作以產生在一廣視野及溫度範圍內維持高對比度之一圖案化照明。該照明組件可包含定位於一照明平面上之一單色光源陣列(諸如一VCSEL陣列或一照明遮罩)。單 色光源之各者藉由一數值孔徑及一主射線特性化，且該照明平面具有一第一直徑。該照明組件進一步包含具有與該單色光源陣列分離達一第一間距之一第一非球面光學表面之一第一光學元件且該第一光學元件具有與該第一非球面光學表面並置達一第一厚度之一第二非球面光學表面。該第一非球面光學表面可係藉由一第二直徑特性化之一凸物件側表面且該第二非球面光學表面可係藉由一第三直徑特性化之一凹影像側表面。該照明組件進一步包含具有與該第二非球面光學表面分離達一第二間距之一第三非球面光學表面之一第二光學元件且該第二光學元件具有與該第三非球面光學表面並置達一第二厚度之一第四非球面光學表面。該第三非球面光學表面可係藉由一第四直徑特性化之一凸物件側表面且該第四非球面光學表面可係藉由一第五直徑特性化之一凸影像側表面。此外，該單色光源陣列以及該第一光學元件及該第二光學元件可界定實質上平行於各光源之主射線之一光軸。此外，該單色光源陣列以及該第一光學元件及該第二光學元件可界定一軸上焦距、具有至少0.77之一值之一縱橫比及其中各光源之主射線實質上會聚之一出射孔隙。該出射孔隙可藉由一第六直徑特性化且可與該第四非球面光學表面分離達一第三間距。
在其他實施方案中，上文中之實例可進一步包含一焦距校正層。該焦距校正層可具有與該單色光源陣列分離達一第四間距之一第一焦距校正層表面。該焦距校正層可具有與該第一焦距校正層表面並置達一第三厚度之一第二焦距校正層表面。該第一焦距校正層表面可係一平坦物件側表面且該第二焦距校正層表面可係一平坦影像側表面。兩個表面可平行，實質上正交於該光軸且藉由一第七直徑特性化。
在其他實施方案中，該照明組件可包含光學元件、間距、厚度、直徑、軸上焦距、縱橫比及/或光學元件材料之一不同集合且仍可操作以在一廣視野內產生在一廣溫度範圍內維持高對比度之一圖案 化照明。舉例而言，該照明組件可包含定位於一照明平面上之一單色光源陣列。各單色光源可藉由一數值孔徑及一主射線特性化，且該照明平面可藉由一第一直徑特性化。該照明組件可進一步包含具有與該單色光源陣列分離達一第一間距之一第一非球面光學表面之一第一光學元件且該第一光學元件具有與該第一非球面光學表面並置達一第一厚度之一第二非球面光學表面。該第一非球面光學表面可係藉由一第二直徑特性化之一中心凹/凸物件側表面且該第二非球面光學表面可係藉由一第三直徑特性化之一凸影像側表面。該照明組件可進一步包含：具有與該第二非球面光學表面分離達一第二間距之一第三非球面光學表面之一第二光學元件且該第二光學元件具有與該第三非球面光學表面並置達一第二厚度之一第四非球面光學表面。該第三非球面光學表面可係藉由一第四直徑特性化之一凸物件側表面且該第四非球面光學表面可係藉由一第五直徑特性化之一凹影像側表面；及具有與該第四非球面光學表面分離達一第三間距之一球面光學表面之一第三光學元件且該第三光學元件具有與該球面光學表面並置達一第三厚度之一平坦光學表面。該球面光學表面可係藉由一第六直徑特性化之一凸物件側表面且該平坦光學表面可藉由該第六直徑特性化。該單色光源陣列、第一光學元件、第二光學元件及第三光學元件可界定實質上平行於各光源之該主射線之一光軸、一軸上焦距、可具有至少0.68之一值之一縱橫比及其中各光源之該主射線實質上會聚之一出射孔隙。該出射孔隙藉由一第七直徑特性化且可藉由一第四間距而與該平坦光學表面分離。
在其他實施方案中，上文中之實例可進一步包含一焦距校正層。該焦距校正層可具有與該單色光源陣列分離達一第五間距之一第一焦距校正層表面及與該第一焦距校正層表面並置達一第四厚度之一第二焦距校正層表面。該第一焦距校正層表面可係一平坦物件側表面 且該第二焦距校正層表面可係一平坦影像側表面。兩個表面可平行，實質上正交於光軸且藉由一第八直徑特性化。
又在其他實施方案中，該照明組件可包含光學元件、間距、厚度、直徑、軸上焦距、縱橫比及/或光學元件材料之一不同集合且仍可操作以在一廣視野內產生在一廣溫度範圍內維持高對比度之一圖案化照明。舉例而言，該照明組件可包含定位於一照明平面上之一單色光源陣列。各單色光源可藉由一數值孔徑及一主射線特性化且該照明平面可藉由一第一直徑特性化。該照明組件可進一步包含具有與該單色光源陣列分離達一第一間距之一第一非球面光學表面之一第一光學元件且該第一光學元件具有與該第一非球面光學表面並置達一第一厚度之一第二非球面光學表面。該第一非球面光學表面可係藉由一第二直徑特性化之一凸物件側表面且該第二非球面光學表面可係藉由一第三直徑特性化之一凸影像側表面。該照明組件可進一步包含具有與該第二非球面光學表面分離達一第二間距之一第三非球面光學表面之一第二光學元件且該第二光學元件具有與該第三非球面光學表面並置達一第二厚度之一第四非球面光學表面。該第三非球面光學表面可係藉由一第四直徑特性化之一凸物件側表面且該第四非球面光學表面可係藉由一第五直徑特性化之一凹影像側表面。該照明組件可進一步包含具有與該第四非球面光學表面分離達一第三間距之一第五非球面光學表面之一第三光學元件且該第三光學元件具有與該第五非球面光學表面並置達一第三厚度之一第六非球面光學表面。該第五非球面光學表面可係藉由一第六直徑特性化之一凸物件側表面且該第六非球面光學表面可係藉由一第七直徑特性化之一凸影像側表面，其中該單色光源陣列、第一光學元件、第二光學元件及第三光學元件可界定實質上平行於各光源之主射線之一光軸、一軸上焦距、可具有至少0.809之一值之一縱橫比及其中各光源之該主射線可實質上會聚之一出射孔隙。 該出射孔隙藉由一第八直徑特性化且可與該第六非球面光學表面分離達一第四間距。
在其他實施方案中，上文中之實例可進一步包含一焦距校正層。該焦距校正層可具有與該單色光源陣列分離達一第五間距之一第一焦距校正層表面及與該第一焦距校正層表面並置達一第四厚度之一第二焦距校正層表面。該第一焦距校正層表面可係一平坦物件側表面且該第二焦距校正層表面可係一平坦影像側表面。兩個表面可平行，實質上正交於光軸且藉由一第九直徑特性化。
又在其他實施方案中，上文中之實例及其他實施方案可包含一熱補償間隔件。
在以下描述中，參考形成本發明之一部分之隨附圖式且在隨附圖式中藉由圖解展示可實踐之特定實施例。足夠詳細描述此等實施例以使熟習此項技術者能夠實踐本發明且應理解，可利用其他實施例且可在不脫離本發明之範疇之情況下做出結構改變。因此，例示性實施例之以下描述不應視為一限制意義且本發明之範疇由隨附申請專利範圍界定。
100‧‧‧例示性照明組件
101‧‧‧第一光學元件
102‧‧‧第二光學元件
103‧‧‧單色光源陣列
104‧‧‧焦距校正層
105‧‧‧照明平面
106‧‧‧數值孔徑
107‧‧‧主射線
108‧‧‧第一直徑
109‧‧‧第一非球面光學表面
110‧‧‧第一間距
111‧‧‧第二非球面光學表面
112‧‧‧第一厚度
113‧‧‧第二直徑
114‧‧‧第三直徑
115‧‧‧第三非球面光學表面
116‧‧‧第二間距
117‧‧‧第四非球面光學表面
118‧‧‧第二厚度
119‧‧‧第四直徑
120‧‧‧第五直徑
121‧‧‧光軸
122‧‧‧軸上焦距
123‧‧‧出射孔隙
124‧‧‧第六直徑
125‧‧‧第三間距
126‧‧‧第一焦距校正層表面
127‧‧‧第四間距
128‧‧‧第二焦距校正層表面
129‧‧‧第三厚度
130‧‧‧第七直徑
300‧‧‧例示性照明組件
301‧‧‧第一光學元件
302‧‧‧第二光學元件
303‧‧‧第三光學元件
304‧‧‧單色光源陣列
305‧‧‧焦距校正層
306‧‧‧照明平面
307‧‧‧數值孔徑
308‧‧‧主射線
309‧‧‧第一直徑
310‧‧‧第一非球面光學表面
311‧‧‧第一間距
312‧‧‧第二非球面光學表面
313‧‧‧第一厚度
314‧‧‧第二直徑
315‧‧‧第三直徑
316‧‧‧第三非球面光學表面
317‧‧‧第二間距
318‧‧‧第四非球面光學表面
319‧‧‧第二厚度
320‧‧‧第四直徑
321‧‧‧第五直徑
322‧‧‧第一球面光學表面
323‧‧‧第三間距
324‧‧‧平坦光學表面
325‧‧‧第三厚度
326‧‧‧第六直徑
328‧‧‧光軸
329‧‧‧軸上焦距
330‧‧‧出射孔隙
331‧‧‧第七直徑
332‧‧‧第四間距
333‧‧‧第一焦距校正層表面
334‧‧‧第五間距
335‧‧‧第二焦距校正層表面
336‧‧‧第四厚度
337‧‧‧第八直徑
500‧‧‧例示性照明組件
501‧‧‧第一光學元件
502‧‧‧第二光學元件
503‧‧‧第三光學元件
504‧‧‧單色光源陣列
505‧‧‧焦距校正層
506‧‧‧照明平面
507‧‧‧數值孔徑
508‧‧‧主射線
509‧‧‧第一直徑
510‧‧‧第一非球面光學表面
511‧‧‧第一間距
512‧‧‧第二非球面光學表面
513‧‧‧第一厚度
514‧‧‧第二直徑
515‧‧‧第三直徑
516‧‧‧第三非球面光學表面
517‧‧‧第二間距
518‧‧‧第四非球面光學表面
519‧‧‧第二厚度
520‧‧‧第四直徑
521‧‧‧第五直徑
522‧‧‧第五非球面光學表面
523‧‧‧第三間距
524‧‧‧第六非球面光學表面
525‧‧‧第三厚度
526‧‧‧第六直徑
527‧‧‧第七直徑
528‧‧‧光軸
529‧‧‧軸上焦距
530‧‧‧出射孔隙
531‧‧‧第八直徑
532‧‧‧第四間距
533‧‧‧第一焦距校正層表面
534‧‧‧第五間距
535‧‧‧第二焦距校正層表面
536‧‧‧第四厚度
537‧‧‧第九直徑
700‧‧‧例示性照明組件
701‧‧‧第一光學元件
702‧‧‧第二光學元件
703‧‧‧第三光學元件
704‧‧‧單色光源陣列
705‧‧‧焦距校正層
706‧‧‧照明平面
707‧‧‧數值孔徑
708‧‧‧主射線
709‧‧‧第一直徑
710‧‧‧第一非球面光學表面
711‧‧‧第一間距
712‧‧‧第二非球面光學表面
713‧‧‧第一厚度
714‧‧‧第二直徑
715‧‧‧第三直徑
716‧‧‧第三非球面光學表面
717‧‧‧第二間距
718‧‧‧第四非球面光學表面
719‧‧‧第二厚度
720‧‧‧第四直徑
721‧‧‧第五直徑
722‧‧‧第五非球面光學表面
723‧‧‧第三間距
724‧‧‧第六非球面光學表面
725‧‧‧第三厚度
726‧‧‧第六直徑
727‧‧‧第七直徑
728‧‧‧光軸
729‧‧‧軸上焦距
730‧‧‧出射孔隙
731‧‧‧第八直徑
732‧‧‧第四間距
733‧‧‧第一焦距校正層表面
734‧‧‧第五間距
735‧‧‧第二焦距校正層表面
736‧‧‧第四厚度
737‧‧‧第九直徑
902‧‧‧透鏡堆疊特徵
903‧‧‧周邊邊緣
904‧‧‧間距
905‧‧‧周邊邊緣
906‧‧‧熱補償間隔件
917‧‧‧熱補償間隔件
圖1描繪經實施具有兩個光學元件、一焦距校正層及一照明源之一例示性照明組件。
圖2描繪圖1中描繪之例示性實施方案之MTF曲線。
圖3描繪經實施具有三個光學元件、一焦距校正層及一照明源之一例示性照明組件。
圖4描繪圖3中描繪之例示性實施方案之MTF曲線。
圖5描繪經實施具有三個光學元件、一焦距校正層及一照明源之另一例示性照明組件。
圖6描繪圖5中描繪之例示性實施方案之MTF曲線。
圖7描繪經實施具有三個光學元件、一焦距校正層及一照明源之另一例示性照明組件。
圖8描繪圖7中描繪之例示性實施方案之MTF曲線。
圖9A描繪添加一熱補償間隔件之如圖1中描繪之一例示性照明組件。
圖9B描繪添加一熱補償間隔件之如圖7中描繪之一例示性照明組件。
圖1描繪一例示性照明組件100，其可操作以在300mm處產生具有540.3mm之一直徑之高對比度特徵之可在一廣大操作溫度範圍內維持高對比度之一圖案化照明。然而，在其他實施方案中，照明組件100可操作以在不同距離(例如，自100mm至1000mm)處產生具有高對比度特徵之一圖案化照明。此外，照明組件100可操作以在一大距離範圍(例如，自100mm至1000mm)內產生具有高對比度特徵之一圖案化照明。例示性照明組件100可由(例如)循序及/或非循序射線追蹤模擬軟體(諸如Zemax)模型化或模擬。從照明組件100之物件側開始且前進至影像側，照明組件100分別包含第一光學元件101及第二光學元件102。第一光學元件101可由諸如OKP-1(即，具有OKP-1光學聚合物之性質)之一光學聚合物構成。然而，可由任何適合光學聚合物替代；舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃)之熱力學轉變溫度(例如，熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學聚合物及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學聚合物替代。第二光學元件102可由諸如M-BACD12(即，具有M-BACD12光學玻璃之性質)之一光學玻璃構成。然而，可由任何適合光學玻璃替代；舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃) 之熱力學轉變溫度(例如，熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學玻璃及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學玻璃替代。照明組件100進一步包含定位於(圖1中描繪之模擬之)物件位置處之一單色光源陣列103。單色光源陣列可係一單色垂直腔表面發射雷射陣列。然而，在其他實施方案中，一照明遮罩(包含界定允許光透射之通孔之部分之遮罩)可操作為單色光源陣列。此外，單色光源陣列可發射具有一特定波長或窄波長範圍(諸如紅外線輻射)之光。在圖1中描繪之例示性照明組件中，單色光源陣列可操作以發射具有850nm之一波長之光；然而，在其他實施方案中，單色光源陣列可操作以發射其他波長之光。此外，在圖1中描述之例示性照明組件中，單色光源陣列係遠心(例如)雷射束源，其具有根據以下之一正規化高斯輪廓及角強度分佈：I=exp(-2*角度/反正弦(N.A.))。在此實例中，N.A.(即，光源之數值孔徑)係0.19。然而，在其他實例中，取決於預期應用，單色光源之數值孔徑可更大或更小。舉例而言，在一些實施方案中，單色光源之數值孔徑可多達0.3，而在其他實施方案中，數值孔徑可係0.1。又在其他實施方案中，單色光源之數值孔徑可在0.1與0.3之間。
在此實例中，照明組件100進一步包含一焦距校正層104；然而，在其他實施方案中(在製造或其他容限允許之情況下)，可省略焦距校正層。焦距校正層可由諸如D263T(即，具有Schott D263T之性質)之一光學玻璃構成。然而，可由任何適合光學玻璃替代；舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃)之熱力學轉變溫度(例如，熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學玻璃及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學玻璃替代。此外，焦距校正層可包含具有適合光學品質之一或若干可移除材料層(諸如一輻射敏感光阻劑)。在 一些情況中，可移除輻射敏感光阻劑之部分以校正照明組件100之焦距，在下文中論述進一步細節。
單色光源陣列103定位於一照明平面105上。各單色光源可藉由一數值孔徑106特性化。在一些實施方案中，數值孔徑可在0.1至0.3之範圍內。各單色光源可藉由一主射線107(即，自各單色光源發出之主要射線)進一步特性化。在圖1中描繪之實施方案中，各單色光源之主射線107實質上正交於照明平面105。此外，單色光源分佈於照明平面105之一直徑108(照明組件100之第一直徑)上。
在此實施方案中，第一光學元件101分別包含第一非球面光學表面109及第二非球面光學表面111。第一非球面光學表面109定位於光學元件101之物件側上，而第二非球面光學表面111定位於光學元件101之影像側上。非球面光學表面109與單色光源陣列103分離達相對於光學表面之頂點之一第一間距110。第一非球面光學表面109及第二非球面光學表面111彼此分離達相對於各自光學表面之頂點之一第一厚度112(即，第一光學元件101之厚度)。此外，在此實施方案中，第一非球面光學表面109係藉由一直徑113(照明組件100中之第二直徑)特性化之一凸物件側表面。在此實施方案中，第二非球面光學表面111係藉由一直徑114(照明組件100中之第三直徑)特性化之一凹影像側表面。
第二光學元件102包含兩個非球面光學表面115、117(照明組件100中之第三非球面光學表面115及第四非球面光學表面117)。第三非球面光學表面115與第二非球面光學表面111分離達相對於各自光學表面之頂點之一間距116(照明組件100中之第二間距116)。第四非球面光學表面117與第三非球面光學表面分離達相對於各自光學表面之頂點之一厚度118(照明組件100中之第二厚度118)。在此實施方案中，第三非球面光學表面115係藉由一直徑119(照明組件100中之第四直徑119)特 性化之一凸物件側表面。此外，第四非球面光學表面117係藉由一直徑120(照明組件100中之第五直徑120)特性化之一凸影像側表面。
單色光源陣列、第一光學元件101及第二光學元件102界定一光軸121。在此實施方案中，光軸121實質上平行於單色光源陣列103中之各光源之主射線107。此外，單色光源陣列、第一光學元件101及第二光學元件102界定一軸上焦距122(在圖1中表示性描繪為一虛線箭頭)、可具有至少0.77之一值之一縱橫比(即，照明組件100之光學元件表面之直徑當中之最大直徑/總軌道長度，其中總軌道長度定義為第一間距、第一厚度、第二間距及第二厚度之總和)及一出射孔隙123。此外，單色光源陣列103中之各光源之主射線107實質上會聚在出射孔隙123處，從而無需一實體孔徑光闌。因此，由於由單色光源陣列發射之實質上全部光會聚在出射孔隙123處，故照明組件尤其有效。出射孔隙123藉由一直徑124(照明組件100中之一第六直徑124)進一步特性化且與該光學表面分離達相對於第四非球面光學表面之頂點之一間距125(照明組件100中之第三間距125)。
上文中描述之焦距校正層104可包含與單色光源陣列分離達一間距127(照明組件100中之第四間距127)之一第一焦距校正層表面126。焦距校正層104可具有與第一焦距校正層表面126並置達一厚度129(照明組件100中之第三厚度129)之一第二焦距校正層表面128。在此實施方案中，第一焦距校正層表面126係一平坦物件側表面且第二焦距校正層表面128係一平坦影像側表面。此外，表面126、128兩者可實質上平行且實質上正交於光軸121。在此實施方案中，表面126、128藉由一單一直徑130(照明組件100中之第七直徑)進一步特性化。如上文中描述，表面126、128可進一步包含一光敏光阻劑材料。
在圖1中描繪之例示性照明組件中，光學元件101、102實施為非球面透鏡。即，第一非球面光學表面109、第二非球面光學表面111、 第三非球面光學表面115及第四非球面光學表面117分別實施為可由如實施於典型非球面表面方程式中之以下多項式係數及常數集合描述之非球面表面：
Figure 105125836-A0202-12-0011-1
 其中假定光軸位於z方向上，且z(r)係弛度，即，在與軸相隔距離r處表面自頂點之位移之z分量。非球面係數αi描述表面自由R及κ指定之軸對稱二次曲面之偏差。
Figure 105125836-A0202-12-0011-3
第一非球面光學表面109、第二非球面光學表面111、第三非球面光學表面115及第四非球面光學表面117分別由曲率半徑0.405、0.800、0.969、-1.394及錐形常數(K)-0.85、-1、-4.39及-12進一步描述。
在圖1中描繪之例示性實施方案中，例如相對於照明平面，軸上焦距122可係0.89mm。因此，第一間距110可係0.503mm，第二間距116可係0.185mm，第三間距125可係0.35mm，第四間距127可係0.233mm，第一厚度112可係0.787mm，第二厚度118可係0.645mm，第三厚度129可係0.21mm,，第一直徑108可係1.7mm，第二直徑113可係1.9mm，第三直徑114可係1.68mm，第四直徑119可係1.6mm， 第五直徑120可係1.28mm，第六直徑124可係0.9mm，且第七直徑130可係1.923mm。
然而，在圖1中描繪之例示性照明組件100之其他實施方案中可使用不同軸上焦距。因此，圖1中描繪之實施方案之間距、厚度及直徑亦可描述為軸上焦距之比率。因此，第一直徑108對軸上焦距122之比率可係1.91：1，第二直徑113對軸上焦距122之比率可係2.13：1，第三直徑114對軸上焦距122之比率可係1.89：1，第四直徑119對軸上焦距122之比率可係1.80：1，第五直徑120對軸上焦距122之比率可係1.44：1，第六直徑124對軸上焦距122之比率可係1.01：1，第七直徑130對軸上焦距122之比率可係2.16：1，第一間距110對軸上焦距122之比率可係0.57：1，第二間距116對軸上焦距122之比率可係0.21：1，第三間距125對軸上焦距122之比率可係0.39：1，第四間距127對軸上焦距122之比率可係0.26：1，第一厚度112對軸上焦距122之比率可係0.88：1，第二厚度118對軸上焦距122之比率可係0.73：1，第三厚度129對軸上焦距122之比率可係0.24：1。再者，照明平面105之一直徑(照明組件100之第一直徑108)可具有與圖1中描繪之值不同之值。因此，出射孔隙間距(第三間距125)及出射孔隙直徑(第六直徑124)亦可描述為照明平面直徑(第一直徑108)之比率。因此，第三間距125對第一直徑108之比率可係0.21：1，且第六直徑124對第一直徑108之比率可係0.53：1。由於上文中描述之例示性照明組件100可由(例如)循序及/或非循序射線追蹤模擬軟體(諸如Zemax)模型化或模擬，故上文包含之數字描述各種部件(例如，厚度、直徑、表面形狀)及其等在照明組件100內之位置，此等數字包含複數個小數位。舉例而言，用於描述上文中之各種部件之非球面表面之非球面係數可包含多達九個小數位。然而，雖然上文中包含多達九個小數位，但在一些情況中，充分描述各種部件及其等在照明組件100內之各自位置需要遠少於此的小數位。舉例而 言，在一些情況中，需要不多於兩個小數位以便有效描述上文中描述之各種部件及其等之各自位置。
圖2描繪圖1中描繪之例示性實施方案之均值轉移函數數據(MTF曲線)。MTF曲線繪示由照明組件100產生之圖案化照明在一廣操作溫度範圍內(具體言之，20℃ 201、45℃ 202及70℃ 203)之高對比度。
圖3描繪一例示性照明組件300，其可操作以在300mm處產生具有809.642mm之一直徑之高對比度特徵之可在一廣操作溫度範圍內維持高對比度之一圖案化照明。然而，在其他實施方案中，照明組件300可操作以在不同距離(例如，自100mm至1000mm)處產生具有高對比度特徵之一圖案化照明。此外，照明組件300可操作以在一大距離範圍(例如，自100mm至1000mm)內產生具有高對比度特徵之一圖案化照明。例示性照明組件300可由(例如)循序及/或非循序射線追蹤模擬軟體(諸如Zemax)模型化或模擬。從照明組件300之物件側開始且前進至影像側，照明組件300分別包含第一光學元件301、第二光學元件302及第三光學元件303。第一光學元件301及第二光學元件302可由諸如OKP-1(即，具有OKP-1光學聚合物之性質)之一光學聚合物構成。然而，可由任何適合光學聚合物替代；舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃)之熱力學轉變溫度(例如，熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學聚合物及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學聚合物替代。第三光學元件303可由諸如TAFD37(即，具有TAFD37光學聚合物之性質)之一光學聚合物構成。然而，可由任何適合光學玻璃替代；舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃)之熱力學轉變溫度(例如，熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學玻璃及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學玻璃替代。照明 組件300進一步包含定位於(圖3中描繪之模擬之)物件位置處之一單色光源陣列304。單色光源陣列可係一單色垂直腔表面發射雷射陣列。然而，在其他實施方案中，一照明遮罩(包含界定允許光透射之通孔之部分之遮罩)可操作為單色光源陣列。此外，單色光源陣列可發射具有一特定波長或窄波長範圍(諸如紅外線輻射)之光。在圖3中描繪之例示性照明組件中，單色光源陣列可操作以發射具有850nm之一波長之光；然而，在其他實施方案中，單色光源陣列可操作以發射其他波長之光。此外，在圖3中描述之例示性照明組件中，單色光源陣列係遠心(例如)雷射束源，其具有根據以下之一正規化高斯輪廓及角強度分佈：I=exp(-2*角度/反正弦(N.A.))。在此實例中，N.A.(即，光源之數值孔徑)係0.19。然而，在其他實例中，取決於預期應用，單色光源之數值孔徑可更大或更小。舉例而言，在一些實施方案中，單色光源之數值孔徑可多達0.3，而在其他實施方案中，數值孔徑可係0.1。又在其他實施方案中，單色光源之數值孔徑可在0.1與0.3之間。
在此實例中，照明組件300進一步包含一焦距校正層305，然而，在其他實施方案中(在製造或其他容限允許之情況下)，可省略焦距校正層。焦距校正層可由諸如D263T(即，具有Schott D263 T之性質)之一光學玻璃構成。然而，可由任何適合光學玻璃替代；舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃)之熱力學轉變溫度(例如，熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學玻璃及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學玻璃替代。此外，焦距校正層可包含具有適合光學品質之一或若干可移除材料層(諸如一輻射敏感光阻劑)。在一些情況中，可移除輻射敏感光阻劑之部分以校正照明組件300之焦距，在下文中論述進一步細節。
單色光源陣列304定位於一照明平面306上。各單色光源可藉由 一數值孔徑307特性化。在一些實施方案中，數值孔徑可在0.1至0.3之範圍內。各單色光源可藉由一主射線308(即，自各單色光源發出之主要射線)進一步特性化。在圖3中描繪之實施方案中，各單色光源之主射線308實質上正交於照明平面306。此外，單色光源分佈於照明平面306之一直徑309(照明組件300之第一直徑)上。
在此實施方案中，第一光學元件301分別包含第一非球面光學表面310及第二非球面光學表面312。第一非球面光學表面310定位於光學元件301之物件側上，而第二非球面光學表面312定位於光學元件301之影像側上。非球面光學表面310與單色光源陣列304分離達相對於光學表面之頂點之一第一間距311。第一非球面光學表面310及第二非球面光學表面312彼此分離達相對於各自光學表面之頂點之一第一厚度313(即，第一光學元件301之厚度)。此外，在此實施方案中，第一非球面光學表面310係藉由一直徑314(照明組件300中之第二直徑)特性化之一中心凹/凸物件側表面。在此實施方案中，第二非球面光學表面312係藉由一直徑315(照明組件300中之第三直徑)特性化之一凸影像側表面。
第二光學元件302包含兩個非球面光學表面316、318(照明組件300中之第三非球面光學表面316及第四非球面光學表面318)。第三非球面光學表面316與第二非球面光學表面312分離達相對於各自光學表面之頂點之一間距317(照明組件300中之第二間距317)。第四非球面光學表面318與第三非球面光學表面分離達相對於各自光學表面之頂點之一厚度319(照明組件300中之第二厚度319)。在此實施方案中，第三非球面光學表面316係藉由一直徑320(照明組件300中之第四直徑320)特性化之一凸物件側表面。此外，第四非球面光學表面318係藉由一直徑321(照明組件300中之第五直徑321)特性化之一凹影像側表面。
第三光學元件303包含一球面光學表面322。第一球面光學表面322與第四非球面光學表面318分離達相對於各自光學表面之頂點之一間距323(照明組件300中之第三間距323)。第三光學元件303亦包含一平坦光學表面324。平坦光學表面324與第一球面光學表面322分離達相對於光學表面之頂點之一厚度325(照明組件300中之第三厚度325)。在此實施方案中，球面光學表面322係藉由一直徑326(照明組件300中之第六直徑326)特性化之一凸物件側表面。此外，平坦光學表面324實質上平坦且藉由一直徑326(照明組件300中之第六直徑326)特性化。
單色光源陣列304、第一光學元件301、第二光學元件302及第三光學元件303界定一光軸328。在此實施方案中，光軸328實質上平行於單色光源陣列304中之各光源之主射線308。此外，單色光源陣列304、第一光學元件301、第二光學元件302及第三光學元件303界定一軸上焦距329(在圖3中表示性描繪為一虛線箭頭)、可具有至少0.68之一值之一縱橫比(即，照明組件300之光學元件表面之直徑當中之最大直徑/總軌道長度，其中總軌道長度定義為第一間距、第一厚度、第二間距、第二厚度、第三間距及第三厚度之總和)及一出射孔隙330。此外，單色光源陣列304中之各光源之主射線308實質上會聚在出射孔隙330處，從而無需一實體孔徑光闌。因此，由於由單色光源陣列發射之實質上全部光會聚在出射孔隙330處，故照明組件尤其有效。出射孔隙330藉由一直徑331(照明組件300中之一第七直徑331)進一步特性化且與平坦光學表面324分離達一間距332(照明組件300中之第四間距332)。
上文中描述之焦距校正層305可包含與單色光源陣列分離達一間距334(照明組件300中之第五間距334)之一第一焦距校正層表面333。焦距校正層305可具有與第一焦距校正層表面333並置達一厚度336 (照明組件300中之第四厚度336)之一第二焦距校正層表面335。在此實施方案中，第一焦距校正層表面333係一平坦物件側表面且第二焦距校正層表面335係一平坦影像側表面。此外，表面333、335兩者可實質上平行且實質上正交於光軸328。在此實施方案中，表面333、335藉由一單一直徑337(照明組件300中之第八直徑)進一步特性化。如上文中描述，表面333、335可進一步包含一光敏光阻劑材料。
在圖3中描繪之例示性照明組件中，光學元件301、302經實施為非球面光學元件。即，第一非球面光學表面310、第二非球面光學表面312、第三非球面光學表面316及第四非球面光學表面318分別經實施為可由如實施於上文中描述之典型非球面表面方程式中之以下多項式係數及常數集合描述之非球面表面。
Figure 105125836-A0202-12-0017-4
分別藉由曲率半徑-2.145643、-0.4959369、1.852989、0.4253542、錐形常數(K)3.55、-3.45、-10.7及-0.9進一步描述第一非球面光學表面310、第二非球面光學表面312、第三非球面光學表面316及第四非球面光學表面318。此外，球面光學表面323可藉由等於1之一曲率半徑特性化。
在圖3中描繪之例示性實施方案中，例如相對於照明平面，軸上焦距329可係1.00mm。因此，第一間距311可係0.537mm，第二間距 317可係0.09mm，第三間距323可係0.25mm，第四間距332可係0.01mm，第五間距334可係0.18mm，第一厚度313可係0.59mm，第二厚度319可係0.58，第三厚度325可係0.82mm，第四厚度336可係0.21mm，第一直徑309可係1.9mm，第二直徑314可係1.96mm，第三直徑315可係1.96mm，第四直徑320可係1.74mm，第五直徑321可係1.36mm，第六直徑326可係1.96mm，第七直徑331可係0.46mm，且第八直徑337可係2.4mm。
然而，在圖3中描繪之例示性照明組件300之其他實施方案中可使用不同軸上焦距。因此，圖3中描繪之實施方案之間距、厚度及直徑亦可描述為軸上焦距之比率。因此，第一直徑309對軸上焦距329之比率可係1.9，第二直徑314對軸上焦距329之比率可係1.96，第三直徑315對軸上焦距329之比率可係1.96，第四直徑320對軸上焦距329之比率可係1.74，第五直徑321對軸上焦距329之比率可係1.36，第六直徑326對軸上焦距329之比率可係1.96，第七直徑331對軸上焦距329之比率可係0.46，第八直徑337對軸上焦距329之比率可係2.4，第一間距311對軸上焦距329之比率可係0.537，第二間距317對軸上焦距329之比率可係0.09，第三間距323對軸上焦距329之比率可係0.25，第四間距332對軸上焦距329之比率可係0.01，第五間距334對軸上焦距329之比率可係0.18，第一厚度313對軸上焦距329之比率可係0.59，第二厚度319對軸上焦距329之比率可係0.58，第三厚度325對軸上焦距329之比率可係0.82，第四厚度336對軸上焦距329之比率可係0.21。由於上文中描述之例示性照明組件300可由(例如)循序及/或非循序射線追蹤模擬軟體(諸如Zemax)模型化或模擬，因此上文包含之數字描述各種部件(例如，厚度、直徑、表面形狀)及其等在照明組件300內之位置，此等數字包含複數個小數位。舉例而言，用於描述上文中之各種部件之非球面表面之非球面係數可包含多達八個小數位。然而，雖然 上文中包含至多八個小數位，但在一些情況中，需要遠少於此之小數位以充分描述各種部件及其等在照明組件300內之各自位置。舉例而言，在一些情況中，需要不多於兩個小數位以便有效描述上文中描述之各種部件及其等之各自位置。
圖4描繪圖3中描繪之例示性實施方案之均值轉移函數數據(MTF曲線)。MTF曲線繪示由照明組件300產生之圖案化照明在一廣操作溫度範圍內(具體言之，20℃ 401、45℃ 402及70℃ 403)之高對比度。
圖5描繪一例示性照明組件500，其可操作以在1000mm處產生具有2322.23mm之一直徑之高對比度特徵之可在一廣操作溫度範圍內維持高對比度之一圖案化照明。然而，在其他實施方案中，照明組件500可操作以在不同距離(例如，自100mm至1000mm)處產生具有高對比度特徵之一圖案化照明。此外，照明組件500可操作以在一大距離範圍(例如，自100mm至1000mm)內產生具有高對比度特徵之一圖案化照明。例示性照明組件500可由(例如)循序及/或非循序射線追蹤模擬軟體(諸如Zemax)模型化或模擬。從照明組件500之物件側開始且前進至影像側，照明組件500包含第一光學元件501、第二光學元件502及第三光學元件503。第一光學元件501及第三光學元件503可由諸如F52R之一光學聚合物(即，具有ZEONEX F52R之性質之一光學聚合物)構成。然而，可由任何適合光學聚合物替代；舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃)之熱力學轉變溫度(例如，熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學聚合物及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學聚合物替代。第二光學元件502可由諸如OKP-1之一光學聚合物(即，具有OKP-1光學聚合物之性質)構成。然而，可由任何適合光學聚合物替代，舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃)之熱力學轉變溫度(例如， 熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學聚合物及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學聚合物替代。照明組件500進一步包含定位於(圖5中描繪之模擬之)物件位置處之一單色光源陣列504。單色光源陣列可係一單色垂直腔表面發射雷射陣列。然而，在其他實施方案中，一照明遮罩(包含界定允許光透射之通孔之部分之遮罩)可操作為單色光源陣列。此外，單色光源陣列可發射具有一特定波長或窄波長範圍(諸如紅外線輻射)之光。在圖5中描繪之例示性照明組件中，單色光源陣列可操作以發射具有850nm之一波長之光；然而，在其他實施方案中，單色光源陣列可操作以發射其他波長之光。此外，在圖5中描述之例示性照明組件中，單色光源陣列係遠心(例如)雷射束源，其具有根據以下之一正規化高斯輪廓及角強度分佈：I=exp(-2*角度/反正弦(N.A.))。在此實例中，N.A.(即，光源之數值孔徑)係0.19。然而，在其他實例中，取決於預期應用，單色光源之數值孔徑可更大或更小。舉例而言，在一些實施方案中，單色光源之數值孔徑可多達0.3，而在其他實施方案中，數值孔徑可係0.1。又在其他實施方案中，單色光源之數值孔徑可在0.1與0.3之間。
在此實例中，照明組件500進一步包含一焦距校正層505；然而，在其他實施方案中(在製造或其他容限允許之情況下)，可省略焦距校正層。焦距校正層可由諸如D263T(即，具有Schott D263 T之性質)之一光學玻璃構成。然而，可由任何適合光學玻璃替代；舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃)之熱力學轉變溫度(例如，熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學玻璃及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學玻璃替代。此外，焦距校正層可包含具有適合光學品質之一或若干可移除材料層(諸如一輻射敏感光阻劑)。在 一些情況中，可移除輻射敏感光阻劑之部分以校正照明組件500之焦距，在下文中論述進一步細節。
單色光源陣列504定位於一照明平面506上。各單色光源可藉由一數值孔徑507特性化。在一些實施方案中，數值孔徑可在0.1至0.3之範圍內。各單色光源可藉由一主射線508(即，自各單色光源發出之主要射線)進一步特性化。在圖5中描繪之實施方案中，各單色光源之主射線508實質上正交於照明平面506。此外，單色光源分佈於照明平面506之一直徑509(照明組件500之第一直徑)上。
在此實施方案中，第一光學元件501分別包含第一非球面光學表面510及第二非球面光學表面512。第一非球面光學表面510定位於光學元件501之物件側上，而第二非球面光學表面512定位於光學元件501之影像側上。非球面光學表面510與單色光源陣列504分離達相對於光學表面之頂點之一第一間距511。第一非球面光學表面510及第二非球面光學表面512彼此分離達相對於各自光學表面之頂點之一第一厚度513(即，第一光學元件501之厚度)。此外，在此實施方案中，第一非球面光學表面510係藉由一直徑514(照明組件500中之第二直徑)特性化之一凸物件側表面。在此實施方案中，第二非球面光學表面512係藉由一直徑515(照明組件500中之第三直徑)特性化之一凸影像側表面。
第二光學元件502分別包含兩個非球面光學表面516、518(照明組件500中之第三非球面光學表面516及第四非球面光學表面518)。第三非球面光學表面516與第二非球面光學表面512分離達相對於各自光學表面之頂點之一間距517(照明組件500中之第二間距517)。第四非球面光學表面518與第三非球面光學表面分離達相對於各自光學表面之頂點之一厚度519(照明組件500中之第二厚度519)。在此實施方案中，第三非球面光學表面516係藉由一直徑520(照明組件500中之第 四直徑520)特性化之一凸物件側表面。此外，第四非球面光學表面518係藉由一直徑521(照明組件500中之第五直徑521)特性化之一凹影像側表面。
第三光學元件503分別包含兩個非球面光學表面522、524(在照明組件500中之第五非球面光學表面522及第六非球面光學表面524)。第五非球面光學表面522與第四非球面光學表面518分離達相對於各自光學表面之頂點之一間距523(照明組件500中之第三間距523)。第六非球面光學表面524與第五非球面光學表面522分離達相對於各自光學表面之頂點之一厚度525(照明組件500中之第三厚度525)。在此實施方案中，第五非球面光學表面522可係藉由一直徑526(照明組件500中之第六直徑526)特性化之一凸物件側表面。此外，在此實施方案中，第六非球面光學表面524可係藉由一直徑527(照明組件500中之第七直徑527)特性化之一凹影像側表面。
單色光源陣列504、第一光學元件501、第二光學元件502及第三光學元件503界定一光軸528。在此實施方案中，光軸528實質上平行於單色光源陣列504中之各光源之主射線508。此外，單色光源陣列504、第一光學元件501、第二光學元件502及第三光學元件503界定一軸上焦距529(在圖5中表示性描繪為一虛線箭頭)、可具有至少0.81之一值之一縱橫比(即，照明組件500之光學元件表面之直徑當中之最大直徑/總軌道長度，其中總軌道長度定義為第一間距、第一厚度、第二間距、第二厚度、第三間距及第三厚度之總和)及一出射孔隙530。此外，單色光源陣列504中之各光源之主射線508實質上會聚在出射孔隙530處，從而無需一實體孔徑光闌。因此，由於由單色光源陣列發射之實質上全部光會聚在出射孔隙530處，故該照明組件尤其有效。出射孔隙530藉由一直徑531(照明組件500中之一第八直徑531)進一步特性化且與平坦光學表面524分離達相對於光學表面之頂點之一間距 532(照明組件500中之第四間距532)。
上文中描述之焦距校正層505可包含與單色光源陣列分離達一間距534(照明組件500中之第五間距534)之一第一焦距校正層表面533。焦距校正層505可具有與第一焦距校正層表面533並置達一厚度536(照明組件500中之第四厚度536)之一第二焦距校正層表面535。在此實施方案中，第一焦距校正層表面533係一平坦物件側表面且第二焦距校正層表面535係一平坦影像側表面。此外，表面533、535兩者可實質上平行且實質上正交於光軸528。在此實施方案中，表面533、535藉由一單一直徑537(照明組件500中之第九直徑)進一步特性化。如上文中描述，表面533、535可進一步包含一光敏光阻劑材料。
在圖5中描繪之例示性照明組件中，光學元件501、502及503經實施為非球面光學元件。即，第一非球面光學表面510、第二非球面光學表面512、第三非球面光學表面516、第四非球面光學表面518、第五非球面光學表面522及第六非球面光學表面524分別經實施為可由如實施於上文中描述之典型非球面表面方程式中之以下多項式係數及常數集合描述之非球面表面。
分別藉由曲率半徑-4.465896、-0.9442873、0.4215515、0.2268197、0.5612735及-1.920142、錐形常數(K)19、-1.068452、-1.64571、-2.32752、-0.6441353及0進一步描述第一非球面光學表面510、第二非球面光學表面512、第三非球面光學表面516、第四非球面光學表面518、第五非球面光學表面522及第六非球面光學表面524。
Figure 105125836-A0202-12-0023-5
Figure 105125836-A0202-12-0024-6
在圖5中描繪之例示性實施方案中，例如相對於照明平面，軸上焦距529可係1.00mm。因此，第一間距511可係0.45mm，第二間距517可係0.05mm，第三間距523可係0.2011mm，第四間距532可係0.01mm，第五間距534可係0.18mm，第一厚度513可係0.69mm，第二厚度519可係0.46mm，第三厚度525可係0.56mm，第四厚度536可係0.21mm，第一直徑509可係1.8mm，第二直徑514可係1.92mm，第三直徑515可係1.96mm，第四直徑520可係1.4mm，第五直徑521可係1.0mm，第六直徑526可係1.0mm，第七直徑527可係0.72mm，第八直徑531可係0.6mm，第九直徑537可係2.4mm。
然而，在圖5中描繪之例示性照明組件500之其他實施方案中可使用不同軸上焦距。因此，圖5中描繪之實施方案之間距、厚度及直徑亦可描述為軸上焦距之比率。因此，第一直徑509對軸上焦距529之比率可係1.8，第二直徑514對軸上焦距529之比率可係1.92，第三直徑515對軸上焦距529之比率可係1.96，第四直徑520對軸上焦距529之比率可係1.4，第五直徑521對軸上焦距529之比率可係1.0，第六直徑526對軸上焦距529之比率可係1.0，第七直徑527對軸上焦距529之比率可係0.72，第八直徑531對軸上焦距529之比率可係0.6，第九直徑537對軸上焦距529之比率可係2.4，第一間距511對軸上焦距529之比率可係0.45，第二間距517對軸上焦距529之比率可係0.05，第三間距523對軸上焦距529之比率可係0.201，第四間距532對軸上焦距529之比率可係0.01，第五間距534對軸上焦距529之比率可係0.18，第一厚度513對軸上焦距529之比率可係0.69，第二厚度519對軸上焦距529之比率可係 0.46，第三厚度525對軸上焦距529之比率可係0.56，且第四厚度536對軸上焦距529之比率可係0.21。由於上文中描述之例示性照明組件500可由(例如)循序及/或非循序射線追蹤模擬軟體(諸如Zemax)模型化或模擬，故上文包含之數字描述各種部件(例如，厚度、直徑、表面形狀)及其等在照明組件500內之位置，此等數字包含複數個小數位。舉例而言，用於描述上文中之各種部件之非球面表面之非球面係數可包含多達八個小數位。然而，雖然上文中包含至多八個小數位，但在一些情況中，需要遠少於此之小數位以充分描述各種部件及其等在照明組件500內之各自位置。舉例而言，在一些情況中，需要不多於兩個小數位以便有效描述上文中描述之各種部件及其等之各自位置。
圖6描繪圖5中描繪之例示性實施方案之均值轉移函數數據(MTF曲線)。MTF曲線繪示由照明組件500產生之圖案化照明在一廣操作溫度範圍內(具體言之，20℃ 601、45℃ 602及70℃ 603)之高對比度。
圖7描繪一例示性照明組件700，其可操作以在1000mm處產生具有1745.742mm之一直徑之高對比度特徵之可在一廣操作溫度範圍內維持高對比度之一圖案化照明。然而，在其他實施方案中，照明組件700可操作以在不同距離(例如，自100mm至1000mm)處產生具有高對比度特徵之一圖案化照明。此外，照明組件700可操作以在一大距離範圍(例如，自100mm至1000mm)內產生具有高對比度特徵之一圖案化照明。例示性照明組件700可由(例如)循序及/或非循序射線追蹤模擬軟體(諸如Zemax)模型化或模擬。從照明組件700之物件側開始且前進至影像側，照明組件700分別包含第一光學元件701、第二光學元件702及第三光學元件703。第一光學元件701及第三光學元件703可由諸如F52R之一光學聚合物(即，具有ZEONEX F52R之性質之一光學聚合物)構成。然而，可由任何適合光學聚合物替代；舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃) 之熱力學轉變溫度(例如，熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學聚合物及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學聚合物替代。第二光學元件702可由諸如OKP-1(即，具有OKP-1光學聚合物之性質)之一光學聚合物構成。然而，可由任何適合光學聚合物替代；舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃)之熱力學轉變溫度(例如，熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學聚合物及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學聚合物替代。照明組件700進一步包含定位於(圖7中描繪之模擬之)物件位置處之一單色光源陣列704。單色光源陣列可係一單色垂直腔表面發射雷射陣列。然而，在其他實施方案中，一照明遮罩(包含界定允許光透射之通孔之部分之遮罩)可操作為單色光源陣列。此外，單色光源陣列可發射具有一特定波長或窄波長範圍(諸如紅外線輻射)之光。在圖7中描繪之例示性照明組件中，單色光源陣列可操作以發射具有850nm之一波長之光；然而，在其他實施方案中，單色光源陣列可操作以發射其他波長之光。此外，在圖7中描述之例示性照明組件中，單色光源陣列係遠心(例如)雷射束源，其具有根據以下之一正規化高斯輪廓及均勻強度分佈：I=exp(-2*角度/反正弦(N.A.))。在此實例中，N.A.(即，光源之數值孔徑)係0.22。然而，在其他實例中，取決於預期應用，單色光源之數值孔徑可更大或更小。舉例而言，在一些實施方案中，單色光源之數值孔徑可多達0.3，而在其他實施方案中，數值孔徑可係0.1。又在其他實施方案中，單色光源之數值孔徑可在0.1與0.3之間。
在此實例中，照明組件700進一步包含一焦距校正層705；然而，在其他實施方案中(在製造或其他容限允許之情況下)，可省略焦距校正層。焦距校正層可由諸如D263T(即，具有Schott D263 T之性 質)之一光學玻璃構成。然而，可由任何適合光學玻璃替代；舉例而言，可由具有一類似低雙折射率、具有遠高於預期操作溫度(例如，高於80℃)之熱力學轉變溫度(例如，熔融溫度、其他轉變溫度)、高光學透射、具有類似折射率之任何光學玻璃及相對於折射率及尺寸穩定性具有類似熱行為之光學玻璃替代。此外，焦距校正層可包含具有適合光學品質之一或若干可移除材料層(諸如一輻射敏感光阻劑)。在一些情況中，可移除輻射敏感光阻劑之部分以校正照明組件700之焦距，在下文中論述進一步細節。
單色光源陣列704定位於一照明平面706上。各單色光源可藉由一數值孔徑707特性化。在一些實施方案中，數值孔徑可在0.1至0.3之範圍內。各單色光源可藉由一主射線708(即，自各單色光源發出之主要射線)進一步特性化。在圖7中描繪之實施方案中，各單色光源之主射線708實質上正交於照明平面706。此外，單色光源分佈於照明平面706之一直徑709(照明組件700之第一直徑)上。
在此實施方案中，第一光學元件701分別包含第一非球面光學表面710及第二非球面光學表面712。第一非球面光學表面710定位於光學元件701之物件側上，而第二非球面光學表面712定位於光學元件701之影像側上。非球面光學表面710與單色光源陣列704分離達相對於光學表面之頂點之一第一間距711。第一非球面光學表面710及第二非球面光學表面712彼此分離達相對於各自光學表面之頂點之一第一厚度713(即，第一光學元件701之厚度)。此外，在此實施方案中，第一非球面光學表面710係藉由一直徑714(照明組件700中之第二直徑)特性化之一凸物件側表面。在此實施方案中，第二非球面光學表面712係藉由一直徑715(照明組件700中之第三直徑)特性化之一凸影像側表面。
第二光學元件702分別包含兩個非球面光學表面716、718(照明 組件700中之第三非球面光學表面716及第四非球面光學表面718)。第三非球面光學表面716與第二非球面光學表面712分離達相對於各自光學表面之頂點之一間距717(照明組件700中之第二間距717)。第四非球面光學表面718與第三非球面光學表面分離達相對於各自光學表面之頂點之一厚度719(照明組件700中之第二厚度719)。在此實施方案中，第三非球面光學表面716係藉由一直徑720(照明組件700中之第四直徑720)特性化之一凸物件側表面。此外，第四非球面光學表面718係藉由一直徑721(照明組件700中之第五直徑721)特性化之一凹影像側表面。
第三光學元件703分別包含兩個非球面光學表面722、724(在照明組件700中之第五非球面光學表面722及第六非球面光學表面724)。第五非球面光學表面722與第四非球面光學表面718分離達相對於各自光學表面之頂點之一間距723(照明組件700中之第三間距723)。第六非球面光學表面724與第五非球面光學表面722分離達相對於各自光學表面之頂點之一厚度725(照明組件700中之第三厚度725)。在此實施方案中，第五非球面光學表面722可係藉由一直徑726(照明組件700中之第六直徑726)特性化之一凸物件側表面。此外，在此實施方案中，第六非球面光學表面724可係藉由一直徑727(照明組件700中之第七直徑727)特性化之一凹影像側表面。
單色光源陣列704、第一光學元件701、第二光學元件702及第三光學元件703界定一光軸728。在此實施方案中，光軸728實質上平行於單色光源陣列704中之各光源之主射線708。此外，單色光源陣列704、第一光學元件701、第二光學元件702及第三光學元件703界定一軸上焦距729(在圖7中表示性描繪為一虛線箭頭)、可具有至少0.8186之一值之一縱橫比(即，照明組件700之光學元件表面之直徑當中之最大直徑/總軌道長度，其中總軌道長度定義為第一間距、第一厚度、 第二間距、第二厚度、第三間距及第三厚度之總和)及一出射孔隙730。此外，單色光源陣列704中之各光源之主射線708實質上會聚在出射孔隙730處，從而無需一實體孔徑光闌。因此，由於由單色光源陣列發射之實質上全部光會聚在出射孔隙730處，故照明組件尤其有效。出射孔隙730藉由一直徑731(照明組件700中之一第八直徑731)進一步特性化且與平坦光學表面724分離達相對於光學表面之頂點之一間距732(照明組件700中之第四間距732)。
上文中描述之焦距校正層705可包含與單色光源陣列分離達一間距734(照明組件700中之第五間距734)之一第一焦距校正層表面733。焦距校正層705可具有與第一焦距校正層表面733並置達一厚度736(照明組件700中之第四厚度736)之一第二焦距校正層表面735。在此實施方案中，第一焦距校正層表面733係一平坦物件側表面且第二焦距校正層表面735係一平坦影像側表面。此外，表面733、735兩者可實質上平行且實質上正交於光軸728。在此實施方案中，表面733、735藉由一單一直徑737(照明組件700中之第九直徑)進一步特性化。如上文中描述，表面733、735可進一步包含一光敏光阻劑材料。
在圖7中描繪之例示性照明組件中，光學元件701、702及703經實施為非球面光學元件。即，第一非球面光學表面710、第二非球面光學表面712、第三非球面光學表面716、第四非球面光學表面718、第五非球面光學表面722及第六非球面光學表面724經實施為可由如實施於上文中描述之典型非球面表面方程式中之以下多項式係數及常數集合描述之非球面表面。
分別藉由曲率半徑-9.007072、-2.18133、0.3417996、0.2517329、0.7257131及-2.212305、錐形常數(K)0、0、-0.9530726、-1.031242、0.3104532及8.122147進一步描述第一非球面光學表面710、第二非球面光學表面712、第三非球面光學表面716、第四非球 面光學表面718、第五非球面光學表面722及第六非球面光學表面724。
Figure 105125836-A0202-12-0030-7
在圖7中描繪之例示性實施方案中，例如相對於照明平面，軸上焦距729可係1.0082mm。因此，第一間距711可係0.44mm，第二間距717可係0.04mm，第三間距723可係0.2617mm，第四間距732可係0.011mm，第五間距734可係0.19mm，第一厚度713可係0.729mm，第二厚度719可係0.405mm，第三厚度725可係0.5673mm，第四厚度736可係0.21mm，第一直徑709可係1.7mm，第二直徑714可係2mm，第三直徑715可係2mm，第四直徑720可係1.52mm，第五直徑721可係1.29mm，第六直徑726可係1.23mm，第七直徑727可係0.93mm，第八直徑731可係0.8600mm，第九直徑737可係1.9198mm。
然而，在圖7中描繪之例示性照明組件700之其他實施方案中可使用不同軸上焦距。因此，圖7中描繪之實施方案之間距、厚度及直徑亦可描述為軸上焦距之比率。因此，第一直徑709對軸上焦距729之比率可係1.6862，第二直徑714對軸上焦距729之比率可係1.9838，第三直徑715對軸上焦距729之比率可係1.9838，第四直徑720對軸上焦距729之比率可係1.5077，第五直徑721對軸上焦距729之比率可係 1.2796，第六直徑726對軸上焦距729之比率可係1.22，第七直徑727對軸上焦距729之比率可係0.9225，第八直徑731對軸上焦距729之比率可係0.8530，第九直徑737對軸上焦距729之比率可係1.9042，第一間距711對軸上焦距729之比率可係0.4364，第二間距717對軸上焦距729之比率可係0.0397，第三間距723對軸上焦距729之比率可係0.2596，第四間距732對軸上焦距729之比率可係0.0109，第五間距734對軸上焦距729之比率可係0.1885，第一厚度713對軸上焦距729之比率可係0.7231，第二厚度719對軸上焦距729之比率可係0.4017，第三厚度725對軸上焦距729之比率可係0.5627，第四厚度736對軸上焦距729之比率可係0.2083。由於上文中描述之例示性照明組件700可由(例如)循序及/或非循序射線追蹤模擬軟體(諸如Zemax)模型化或模擬，故上文包含之數字描述各種部件(例如，厚度、直徑、表面形狀)及其等在照明組件700內之位置，此等數字包含複數個小數位。舉例而言，用於描述上文中之各種部件之非球面表面之非球面係數可包含多達八個小數位。然而，雖然上文中包含至多八個小數位，但在一些情況中，需要遠少於此之小數位以充分描述各種部件及其等在照明組件700內之各自位置。舉例而言，在一些情況中，需要不多於兩個小數位以便有效描述上文中描述之各種部件及其等之各自位置。
圖8描繪圖7中描繪之例示性實施方案之均值轉移函數數據(MTF曲線)。MTF曲線繪示由照明組件700產生之圖案化照明在一廣操作溫度範圍內(具體言之，20℃ 801、45℃ 802及70℃ 803)之高對比度。
一些光學元件可包含在其等之各自周邊邊緣處之透鏡堆疊特徵，此等特徵可允許光學元件彼此堆疊(即，直接透鏡堆疊)。一般言之，直接透鏡堆疊描述其中光學元件(例如，經由與各自光學元件鄰接之透鏡堆疊特徵)彼此直接堆疊或當其等使用一中間黏著劑層堆疊之一程序。圖9A及圖9B描繪經由直接透鏡堆疊而堆疊之光學元件堆 疊。圖9A描繪圖1中描繪之例示性照明組件100。第二光學元件102包含在其周邊邊緣903處之透鏡堆疊特徵902。透鏡堆疊特徵902可與第一光學元件101直接接觸或可存在一中間黏著劑層，如上文中論述。一般言之，當光學元件之表面曲率及其等之對應間距相對小時，允許直接堆疊之透鏡堆疊特徵可行。舉例而言，照明組件100中之第二間距116(第二非球面光學表面111與第三非球面光學表面115之間之間距)以及第二非球面光學表面111及第三非球面光學表面115之曲率允許(經由透鏡堆疊特徵902)直接堆疊。然而，第一非球面光學表面109之大曲率導致在其周邊邊緣905處之一大間距904，大間距904不允許第一光學元件101至焦點校正層104之直接堆疊。直接堆疊不可行；例如因為可難以製造具有足夠長以跨越大間距904之透鏡堆疊特徵之光學元件。此外，在其他實例中，由於通常經由一複製或模製程序(諸如射出模製)製造光學元件，故透鏡堆疊特徵必須由與光學元件自身相同之材料構成。通常光學元件係由具有相對高(或不可接受高)熱膨脹係數之材料構成。此外，光學元件之折射率(即，構成光學元件之材料之折射率)亦隨著溫度改變。因此，在一些例項中，若可製造跨越間距904之透鏡堆疊特徵，則材料之熱膨脹(例如，在20℃至70℃之一溫度範圍內)將太高而不允許照明組件100維持高對比度及通常良好品質(如圖2中描繪)。此外，在其他例項中，雖然可實施一單獨中間材料，但光學元件可展現折射率隨著溫度改變之一改變。因此，可實施可跨越大間距904且可補償光學元件之折射率隨著溫度改變之改變之一單獨中間材料。即，在一些實施方案中，照明組件100可進一步包含至少部分由適合材料構成之至少一個熱補償間隔件906。可實施熱補償間隔件使得在一廣溫度範圍(例如，20℃至70℃)內保持一高對比度。
一般言之，可使用具有適合熱膨脹性質(即，熱膨脹係數)之任何 材料以製造熱補償間隔件906，諸如具有約19ppm/K之一熱膨脹係數之纖維填充聚合物，但可使用具有不同熱膨脹係數之其他材料。舉例而言，在一些例項中，可使用具有多達約69ppm/K之熱膨脹係數之材料。又在其他實施方案中，可使用具有低於19ppm/K之熱膨脹係數之材料。
此外，如上文中描述，在一些實施方案(例如，如圖1中描繪之照明組件100、如圖3中描繪之照明組件300、如圖5中描繪之照明組件500及/或如圖7中描繪之照明組件700)中可包含一熱補償間隔件(例如，906、917)或複數個熱補償間隔件。此外，可在包含一焦距校正層之實施方案及不包含一焦距校正層之其他實施方案中包含熱補償間隔件或複數個熱補償間隔件。舉例而言，在圖1中描繪之實施方案中，可在第一光學元件與焦距校正層之間包含熱補償間隔件。然而，在其他例項中，圖1中描繪之實施方案可不包含一焦距校正層；因此，熱補償間隔件可在第一光學元件與照明平面105之間。
如上文提及，在一些實施方案中，當各種光學表面之間或一光學表面與其他組件之間之曲率及/或間距太大時可包含一熱補償間隔件。舉例而言，在圖1及圖9A中描繪之照明組件中，可在以下情況時包含一熱補償間隔件：a)第一非球面光學表面109具有在0.1與0.7之間(例如，0.455)之一焦距正規化曲率(即，曲率除以軸上焦距)；b)第一非球面光學表面在40%至80%通光孔隙內具有介於10°與40°之間之一最大表面斜度；及c)焦距校正層與第一非球面光學表面109之間之焦距正規化間距(即，間距除以軸上焦距)(第一間距110減去第四間距127及第三厚度129之總和)介於0.01與0.1之間(例如，0.067)。
在其他實例中，不包含焦距校正層之照明組件100可包含一熱補 償間隔件：a)第一非球面光學表面109具有在0.1與0.7之間(例如，0.455)之一焦距正規化曲率(即，曲率除以軸上焦距)；b)第一非球面光學表面在40%至80%通光孔徑內具有10°與40°之間之一最大表面斜度；及c)照明平面105與第一非球面光學表面109之間之焦距正規化間距(即，間距除以軸上焦距)(第一間距110)在0.01與0.1之間(例如，0.565)。
在另一實例中，在圖3中描繪之照明組件300中，在以下情況時可包含一熱補償間隔件：a)第二非球面光學表面312具有在0.1與0.7之間(例如，0.496)之一焦距正規化曲率；b)第二非球面光學表面312在40%至80%通光孔徑內具有介於10°與40°之間之一最大表面斜度；及c)第三非球面光學表面316具有在1.5與2.5之間(例如，1.853)之一焦距正規化曲率；d)第三非球面光學表面316在40%至80%通光孔徑內具有介於10°與40°之間之一最大表面斜度；及e)焦距正規化第二間距317在0.01與0.15之間(例如，0.09)。
在又一實例中，在圖5中描繪之照明組件500中，在以下情況時可包含一熱補償間隔件：a)第二非球面光學表面512具有在0.5與1.5之間(例如，0.944)之一焦距正規化曲率；b)第二非球面光學表面512在40%至80%通光孔徑內具有介於10°與40°之間之一最大表面斜度；及c)第三非球面光學表面516具有在0.1與0.9之間(例如，0.422)之一 焦距正規化曲率；d)第三非球面光學表面516在40%至80%通光孔徑內具有介於10°與40°之間之一最大表面斜度；及e)焦距正規化第二間距517在0.01與0.1之間(例如，0.05)。
在又一實例中，在圖7及圖9B中描繪之照明組件700中，在以下情況時可包含一熱補償間隔件：a)第二非球面光學表面712具有在1與5之間(例如，2.164)之一焦距正規化曲率；b)第二非球面光學表面712在40%至80%通光孔徑內具有介於10°與40°之間之一最大表面斜度；及c)第三非球面光學表面716具有在0.1與0.5之間(例如，0.339)之一焦距正規化曲率；d)第三非球面光學表面716在40%至80%通光孔徑內具有介於10°與40°之間之一最大表面斜度；及e)焦距正規化第二間距717在0.02與0.2之間(例如，0.0397)。
可進行各種修改且上文中描述之各種詳細實施方案僅旨在作為實例。上文中描述之各種特徵之組合係在本發明之範疇內。因此，其他實施方案係在申請專利範圍之範疇內。
100‧‧‧照明組件
101‧‧‧第一光學元件
102‧‧‧第二光學元件
103‧‧‧單色光源陣列
104‧‧‧焦距校正層
105‧‧‧照明平面
106‧‧‧數值孔徑
107‧‧‧主射線
108‧‧‧第一直徑
109‧‧‧第一非球面光學表面
110‧‧‧第一間距
111‧‧‧第二非球面光學表面
112‧‧‧第一厚度
113‧‧‧第二直徑
114‧‧‧第三直徑
115‧‧‧第三非球面光學表面
116‧‧‧第二間距
117‧‧‧第四非球面光學表面
118‧‧‧第二厚度
119‧‧‧第四直徑
120‧‧‧第五直徑
121‧‧‧光軸
122‧‧‧軸上焦距
123‧‧‧出射孔隙
124‧‧‧第六直徑
125‧‧‧第三間距
126‧‧‧第一焦距校正層表面
127‧‧‧第四間距
128‧‧‧第二焦距校正層表面
129‧‧‧第三厚度
130‧‧‧第七直徑

Claims (10)

  1. 一種可操作以產生在一廣溫度範圍內維持高對比度之一圖案化照明之照明組件，該照明組件包括：一單色光源陣列，其定位於一照明平面上，其中各單色光源藉由一數值孔徑及一主射線特性化且該照明平面藉由一第一直徑特性化；一第一光學元件，其具有與該單色光源陣列分離達一第一間距之一第一非球面光學表面且該第一光學元件具有與該第一非球面光學表面並置達一第一厚度之一第二非球面光學表面，其中該第一非球面光學表面係藉由一第二直徑特性化之一凸物件側表面且該第二非球面光學表面係藉由一第三直徑特性化之一凹影像側表面；及一第二光學元件，其具有與該第二非球面光學表面分離達一第二間距之一第三非球面光學表面且該第二光學元件具有與該第三非球面光學表面並置達一第二厚度之一第四非球面光學表面，其中該第三非球面光學表面係藉由一第四直徑特性化之一凸物件側表面且該第四非球面光學表面係藉由一第五直徑特性化之一凸影像側表面，其中該單色光源陣列、該第一光學元件及該第二光學元件界定：一光軸，其平行於各光源之該主射線；一軸上焦距；一縱橫比，其定義為該第一直徑、該第二直徑、該第三直徑、該第四直徑及該第五直徑之一最大者除以該第一間距、該第一厚度、該第二間距及該第二厚度之一總和，該縱橫比具有至少0.77之一值；及一出射孔隙，其中各光源之該主射線會聚，該出射孔隙具有一第六直徑且與該第四非球面光學表面分離達一第三 間距；其中該軸上焦距是多個光射線的一焦距，該等光射線沿著該光軸前進而且通過該第一光學元件及該第二光學元件。
  2. 如請求項1之照明組件，其進一步包括一焦距校正層，該焦距校正層具有與該單色光源陣列分離達一第四間距之一第一焦距校正層表面且該焦距校正層具有與該第一焦距校正層表面並置達一第三厚度之一第二焦距校正層表面，其中該第一焦距校正層表面係一平坦物件側表面且該第二焦距校正層表面係一平坦影像側表面，兩個表面平行，正交於該光軸且藉由一第七直徑特性化。
  3. 如請求項1之照明組件，其中該第六直徑對該軸上焦距之比率不大於1.01：1。
  4. 如請求項1之照明組件，其中該第六直徑對該第一直徑之比率不大於0.53：1。
  5. 如請求項1之照明組件，其中該單色光源陣列之各單色光源包括一垂直腔表面發射雷射。
  6. 如請求項1之照明組件，其中該單色光源陣列包括一背光式遮罩，該背光式遮罩具有界定穿過其之一孔陣列之該遮罩之部分。
  7. 如請求項1之照明組件，其中該單色光源陣列之各單色光源發射具有在紅外線光譜中之一波長之光。
  8. 如請求項1之照明組件，其中該單色光源陣列之各單色光源之該數值孔徑係0.1至0.3。
  9. 如請求項2之照明組件，其中該焦距校正層包括一光學玻璃。
  10. 如請求項2之照明組件，其中該焦距校正層包括一光學玻璃及一光阻劑材料。
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