多边形棒状透镜出端辐射均匀性的研究

　　0　引言

　　照明系统是光学系统的重要组成部分,在微细光刻设备及微电子器件的缺陷检测,投影电视系统等许多领域都对照明均匀性有很高的要求.但是长期以来,均匀照明系统的设计在很大程度上都还依赖于Try and Error的方法,经常需要反复地实际测试和修正,致使照明系统设计周期长.如何在设计阶段更有效地描述和优化设计是照明设计人员正在努力解决的问题[1].

　　近年来投影光刻成像系统在集成电路生产以外的领域也获得了越来越广泛的应用.日益普及的大面积液晶彩电的生产以及精细印刷电路板生产等都开始运用投影光刻的方法取代原来的接近式曝光法.第八代液晶生产的基板尺寸达2.16×2.4 m2,需要数十个镜头同时曝光.这为系统的照明均匀性设计提出了更高的要求[3,4].

　　为了研究进一步提高照明均匀性的方法,本文设计了一套小型均匀曝光装置.光源采用日本Phoenix Electric公司生产的SHP2165W超高压汞灯.使用前,新灯的电极间距为1 mm.灯内部的工作压力高达200大气压.和传统的工作压力为30大气压左右的高压汞灯相比,由于谱线的压力展宽效应使灯的连续光谱成分大大增强.在同等辐照度下,光刻胶的曝光时间可以缩短到约传统高压汞灯的四分之一.用照明设计软件TracePro对包括超高压短弧汞灯SHP2165、楕球反光碗和多边形棒状透镜的组合参量对出射面均匀性的影响进行了详细研究,为使用棒状积分透镜产生矩形和圆形均匀照明系统提供了设计依据.

　　1　棒状透镜的积分原理及仿真模型

　　用来产生均匀照明的棒状积分透镜通常和椭球反光镜及高压放电灯组合使用.光源发光点置于椭球反光碗前焦点F1上,在椭球后焦点F2处产生会聚光斑.棒状积分透镜入射端面位于椭球后焦点附近,如图1.

　　棒状积分透镜可以是空心或实心的,空心棒镜需要在其内表面镀高反射率膜层,而实心棒镜则是利用光从光密介质到光疏介质时发生的全反射特性.不同孔径角的入射光束在棒内发生不同次数的反射后在出射面上相互叠加,使出射面上的辐射出度变得均匀.不同反射次数的光可以理解为实际光源经过棒状透镜侧面多次反射形成的虚光源所发出的光[2].因为膜层的反射率和光的入射角度有关,很难在宽的入射角变化范围内均保持高的反射率.本文在装置中采用了熔融石英为材料的棒状积分透镜.一般来说,棒的入射端面积越大,从椭球反射镜第二焦点处进入方棒的光通量越大,能量利用率越高.

　　实际上,因为投影物镜都是Etendue受限的系统[6],即接收系统和投影镜头都只能在一定的视场和数值孔径范围内有效工作.积分棒镜出射面的面积和光的出射立体角的乘积不能过大,应和接收系统及投影物镜的相应参量相匹配.