CN102360122B - 一种复眼透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种复眼透镜，包括基底(100)和安装在该基底上的透镜单元组(105)，所述透镜单元组(105)由阵列式排布的前微透镜单元(103a)和后微透镜单元(104a)组成，前微透镜单元(103a)和后微透镜单元(104a)分别沿X轴和Y轴方向阵列式紧密连接，前微透镜单元(103a)的焦距大于后微透镜单元(104a)的焦距。本发明的复眼透镜可提高匀光系统光能利用率，光场均匀性可以达到98％。

Description

一种复眼透镜

技术领域

本发明涉及一种用于照明系统的匀光光学装置，尤其涉及一种适用于光刻机照明系统的复眼透镜。

背景技术

复眼透镜是由多个小透镜制作在一起构成的一个整体透镜。经常用在照明光学系统中，实现将照明光均匀化的作用，是实现光束均匀化的关键器件。在投影显示和光刻机等照明系统中都需要对光束进行均匀化。光刻机的照明光学系统主要要求匀光器件的光能利用率高、照明均匀性好等，尤其要求出射光在照明区域沿Y轴向为梯形分布。

传统的复眼透镜采用前后结构相同透镜组，并且是大部分采用单透镜粘合而成整个复眼的方式，不能够实现输出光场在在照明区域沿Y轴向为梯形分布，且由于各个单透镜通过粘合而成，透镜单元间隙大，光源通过前复眼透镜后照射在后复眼透镜时，一部分从单透镜的间隙透过的光不能被利用，不利于提高对照明光的利用率；并且单透镜间的间隙会造成杂散光损耗掉，降低了光场均匀性，均匀性最多只能达到95％；且无法控制输出光场分布形状。

发明内容

针对上有现有技术中存在的不足和缺陷，本发明提出了一种复眼透镜，可以实现高能量利用率、高照明均匀性并可以实现出射远场光能在Y轴向为梯形分布，本发明一种复眼透镜，包括基底和安装在该基底上的透镜单元组，其特征是所述透镜单元组由分布在基底两侧，呈阵列式排布的前微透镜单元和后微透镜单元组成，前微透镜单元和后微透镜单元分别沿X轴和Y轴方向阵列式紧密连接，前微透镜单元的焦距大于后微透镜单元的焦距。

所述基底由相对平行排列的前组基底和后组基底组成，透镜单元组由分别安装在前组基底和后组基底内侧或外侧的前微透镜单元和后微透镜单元组成。

所述透镜单元组的组数至少为1组。

所述每组透镜单元组至少包括1个前微透镜单元和1个后微透镜单元，前后透镜单元个数相同或者不同。

所述相邻的透镜单元组的边界之间设有间隙带D，D＝B×Ni-B_i’×Ni’，式中：B为前微透镜单元沿Y轴的轴向尺寸，B_i’为后微透镜单元沿Y轴的轴向尺寸，Ni为前微透镜单元的个数，Ni’为后微透镜单元的个数。

所述同一透镜单元组内的前微透镜单元和后微透镜单元在Y轴方向上满足的中心偏移量在

范围内分布，其中，

取值范围为0～0.95，L_bottom为远场光输出光场底部宽度，L_top为远场光输出光场顶部宽度，B为前微透镜单元沿Y轴的轴向尺寸。

所述前微透镜单元形成的阵列面和后微透镜单元形成的阵列面沿Z轴向设有间隙G，间隙G与前微透镜单元的后焦距比值范围为0.4～0.8，间隙G与后微透镜单元的前焦距的比值范围为0.98～1.02。

所述前微透镜单元和后微透镜单元为旋转非球面，或轮胎非球面。

本发明的复眼透镜与现有技术相比具有以下特点：

(1)由于复眼透镜分为多个透镜单元组，使得多个透镜单元组输出光场错位叠加，输出远场光能在Y轴向为梯形分布；

(2)由于微透镜单元为无缝连接，避免了由于透镜单元间隙造成的光能损耗和杂散光对均匀性的影响，光均匀性可以达到98％；

(3)由于复眼透镜采用透光材料制成，且微透镜单元紧密连接，避免了单元间隙造成的光能损耗和杂散光对均匀性的影响，从而提高了匀光系统光能利用率。

附图说明

图1为本发明复眼透镜的结构示意图；

图2为本发明复眼透镜前微透镜单元阵列的结构示意图；

图3为本发明复眼透镜后微透镜单元阵列的结构示意图；

图4a为经过本发明的复眼透镜匀光的输出光场的X轴向光能分布示意图；

图4b为经过本发明的复眼透镜匀光的输出光场的Y轴向光能分布示意图；

图5为本发明复眼透镜非球面前微透镜单元的XOZ面和YOZ面的焦距关系示意图；

图6为本发明复眼透镜微透镜单元组的N_i取10时光场强度分布图形状；

图7为本发明复眼透镜微透镜单元组的N_i取7时光场强度分布图形状；

图8为图6和图7光场叠加后的光场强度分布图形状；

图9为本发明实施例二的复眼透镜结构示意图；

图10为本发明实施例三的复眼透镜结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。

实施例一

本发明的复眼透镜包括前组基底101、后组基底102，由前微透镜单元103a和后微透镜单元104a组成的透镜单元组105，如图1所示，基底和微透镜单元均采用熔石英材料；微透镜单元通过刻蚀基底制成，前微透镜单元103a呈阵列式排布在前组基底101的一侧面，如图2所示，所有微透镜单元103a的形状和几何尺寸相同，后微透镜单元104a呈间隔的阵列式排布在后组基底102的一侧，如图3所示，所有前微透镜单元103a的形状和几何尺寸相同，所有后微透镜单元104a的形状和几何尺寸也相同，前微透镜单元103a和后微透镜单元104a的凸面相对放置。透镜单元组105的组数i为大于1的正整数，每组透镜单元组105沿Y轴向包含N_i个前微透镜单元103a和N_i’个后微透镜单元104a(N_i＝N_i’)，Y轴向相邻的透镜单元组105的边界处的后微透镜单元104a之间存在宽度为D的间隙带，如图1和图3所示，间隙带D的形状为凹槽面。该间隙带D不表征复眼透镜的基底存在间隙带，仅表明复眼透镜在该区域上为非工作区域，间隙带上的面形上无特殊要求，可以与该复眼透镜其它区域上的面形类似，除为凹槽面外，还可以为凸球面、凸槽、凸锥或凹锥x形等，也可以与复眼透镜的其它区域上的面形存在显著差异，如非光学表面等。前微透镜单元103a形成的阵列面和后微透镜单元104a形成的阵列面沿Z轴向的间隙距离为G，G值小于前微透镜单元103a的焦距且大于后微透镜单元104a的焦距，前微透镜单元103a的焦距大于后微透镜单元104a的焦距，间隙距离G与前微透镜单元103a的后焦距比值范围为0.4～0.8，间隙距离G与后微透镜单元104a的前焦距的比值范围为0.98～1.02。

前微透镜单元103a的形状与复眼透镜像面焦面光斑的形状相似，如图2所示。图2中，A为前微透镜单元103a沿X轴向的几何尺寸，图1中B为前微透镜单元103a沿Y轴向的几何尺寸。图4a为经过本发明的复眼透镜匀光的输出光场的X轴向光能分布示意图，图4b为经过本发明的复眼透镜匀光的输出光场的Y轴向光能分布示意图，图5为复眼透镜非球面前微透镜单元的X轴向和Y轴向的焦距关系示意图，复眼透镜的非球面后微透镜单元的X轴向和Y轴向的焦距关系与前微透镜单元相同，不再重复解释。如图4a所示，输出光场的X轴向光能分布图峰值强度99％的强度全宽和复眼透镜输出光场X轴向焦面光斑的宽度相同均为a，如图4b所示，根据输出光场的Y轴向光能分布图半高全宽和复眼透镜输出光场Y轴向焦面光斑的宽度相同均为b。如图5所示，前微透镜单元103a在XOZ平面内子午光线的焦距为f_x，在YOZ平面内子午光线的焦距为f_y，上述六个量存在如下关系：

$\frac{A}{B}=\frac{a{\×f}_x}{b{\×f}_y}$

本实施例中，所有前微透镜单元103a的失高H值相同，失高H值根据非球面面形方程计算得出，前微透镜单元103a为旋转对称非球面，因此前微透镜单元103a在XOZ和YOZ平面内子午光线的焦距f_x与f_y相等，即f_x＝f_y，上式变换为：

即前微透镜单元103a的几何尺寸与输出焦面光斑几何尺寸(或光能分布图尺寸)成线性关系。因此可以利用线性关系根据输出光场光能分布图的尺寸计算前微透镜单元103a的几何尺寸。

本实施例中焦面光斑要求为矩形，所以前微透镜单元103a为矩形。前微透镜单元103a尺寸为A×B，X轴向相邻前微透镜单元103a中心间距也为A；Y轴向相邻前微透镜单元103a中心间距也为B，即各前微透镜单元103a沿X轴向和Y轴向均为连续面形，各个前微透镜单元103间紧密连接。

后微透镜单元104a的几何尺寸与输出光斑的几何尺寸成近线性关系。后微透镜单元104a尺寸为A×B’，即X轴向相邻微透镜单元104a中心间距也为A(与前微透镜单元103a的X轴向尺寸相同)；Y轴向相邻后微透镜单元104a中心间距为B’(与前微透镜单元103a的Y轴向尺寸B不相等)，阵列式排布的后微透镜单元104a沿X轴向为连续面形，每个透镜单元组105内的后微透镜单元104a沿Y轴向也为连续面形，各个后透镜单元间104a紧密连接；后透镜单元104a为旋转对称非球面，其失高H’可根据标准非球面面形方程计算得出，后透镜单元104a的X轴向和Y轴向的焦距相等，后微透镜单元104a的顶点在同一平面内。第i组透镜单元组105内的后微透镜单元104a沿Y轴的尺寸与该组内包含的前微透镜单元103a的尺寸有下面的关系存在：

B×N_i＝B’×N_i’+D(N_i＞1的正整数，N_i’＞1的正整数)

即沿Y轴向第i组微透镜单元组105的前微透镜单元103a总长度为B×N_i，该组内的后微透镜单元104a的沿Y轴向的总长度为B’×N_i’，其差值D为相邻的透镜单元组105沿Y轴向的边界处的间隙带。其中第1组到第i组透镜单元组105内的N_i可以取相同值或者不同值均可，例如第1组透镜单元组105的N₁取为10，即第1组透镜单元组105含有10个前微透镜单元和10个后微透镜单元；第20组透镜单元组105的N₂₀取5，而第30组透镜单元组105的N₃₀取为8。后微透镜单元104a的几何尺寸沿X轴与前微透镜单元103a的几何尺寸相同，沿Y轴向几何尺寸由以上两式确定。各个组内前后微透镜单元的数量可以根据需要进行调整，要保证同一透镜单元组105内的中心前微透镜单元103a的中心轴与和其对应位置的后微透镜单元104a的中心轴偏移量在

范围内分布，系数k是数值因子，

其数值由输出光场分布形式决定，当输出光场需求确定以后，系数k为确定的常数，k的取值范围为0～0.95，L_bottom为远场光输出光场底部宽度，L_top为远场光输出光场顶部宽度。

由于相邻透镜单元组105沿Y轴向边界处的的后透镜单元104a有宽度为D的间隙带，如图1所示，使得同一组透镜单元组105内的前后组微透镜单元组的部分透镜单元的中心轴在Y轴方向上出现偏移量，此种排列可实现输出光场Y轴向为梯形分布。当各个透镜单元组105的Y轴向包含的透镜单元数N_i取不同值时，输出光场在远场错位叠加后获得光场的梯形分布的边缘更加平滑，梯形光场效果更佳。例如当复眼透镜包含20组微透镜单元组时，取N₁到N₁₀均等于10，其输出光场在远场的光场强度分布图形状如图6所示，N₁₁到N₂₀均等于7，其输出光场在远场的光场强度分布图形状如图7所示，两个光场进行叠加后的梯形分布的边缘更加平滑如图8所示，梯形光场效果更佳，所以优选为N_i取不同的值。且各个前后微透镜中心轴在Y轴方向上的偏移量在范围内呈均匀分布，其输出光场梯形分布效果更好。

大量的前微透镜单元103a对不均匀的光强进行分割，称为微分过程；大量的后透镜单元104a则将所分割的光场投射叠加，积分过程。因此，发明复眼透镜的光学系统，相当于将成百个柯勒照明系统叠加到一起，实现均匀照明。本发明的复眼透镜采用透光材料，且前微透镜单元和后微透镜单元均为无缝连接，避免了透镜单元间隙造成的光能损耗和杂散光对均匀性的影响，输出广场的光均匀性可以达到98％，匀光效果佳。

实施例二

实施例二的复眼透镜的结构如图2所示，图中包括基底100、前微透镜单元103a、后微透镜单元104a和透镜单元组105。复眼透镜的基底和前后微透镜单元的材料均采用氟化钙。本实施例中前微透镜单元103a和后微透镜单元104a通过刻蚀同一块基底100的两侧而制成，前微透镜单元103a和后微透镜单元104a的结构和几何尺寸、相邻透镜单元组105的边界处的后微透镜单元的间隙D和前后微透镜偏移量的计算方法以及透镜单元组105的构成方法和实施例一中相同，此处不再作赘述。

实施例三

图10为本发明实施例三的复眼透镜的结构示意图，包括前组基底101、后组基底102、前微透镜单元103a、后微透镜单元104a和透镜单元组105，如图10所示，基底和微透镜单元均采用CaF₂材料；前微透镜单元103a和后微透镜单元104a相对放置在前组基底101和后组基底102的内侧，微透镜单元通过刻蚀基底而制成，前微透镜单元103a呈阵列式排布在前组基底101的一侧面，如图10所示，所有微透镜单元103a的形状和几何尺寸相同，后微透镜单元104a呈间隔的阵列式排布在基底102的一侧，后微透镜单元104a的形状和几何尺寸不全部相同。复眼透镜组包含i个透镜单元组105，i＞1的正整数，每个透镜单元组105沿Y轴向包含N_i个前微透镜单元103a和N_i’个后微透镜单元104a(N_i≠N_i’)，相邻透镜单元组105的边界处存在间隙带D，间隙带D的形状为凹槽面。前微透镜单元103a形成的阵列面和后微透镜单元104a形成的阵列面沿Z轴向的间隙距离为G，G值小于前微透镜单元103a的焦距且大于后微透镜单元104a的焦距，前微透镜单元103a的焦距大于后微透镜单元104a的焦距。

如图10所示，复眼透镜的所有微透镜单元103a的形状和几何尺寸相同，属于同一微透镜单元组105内的后微透镜单元104a的形状和几何尺寸相同。本实施例中复眼透镜的前微透镜单元103a的几何尺寸采用和实施例一相同的符号表示，并且其与焦距、输出光斑尺寸的关系式和实施例一相同，即

如图10所示，第i组透镜单元组105内的后微透镜单元104a沿Y轴的尺寸B′_i与该组内包含的前微透镜单元103a沿Y轴的尺寸B有下面的关系存在：

B×N_i＝B′_i×N_i’+D(N_i＞1正整数，N_i’＞1正整数)

即沿Y轴向第i组微透镜单元组105的前微透镜单元103a总长度为B×N_i，该组内的后微透镜单元104a的沿Y轴向的总长度为B′_i×N_i’，其差值D为Y轴向相邻的透镜单元组105的边界处的间隙带。但是同一透镜单元组105内沿Y轴向包含的前微透镜单元103a的数量和后微透镜单元104a的数量可以不等，并且第1组到第i组透镜单元组105内的包含的前微透镜单元103a的数量N_i可以取相同值或者不同值均可，例如第1组透镜单元组105的N₁取为10，即第一组透镜单元组105含有10个前微透镜单元103a，但包含15个后微透镜单元104a；第20组透镜单元组105的N₂₀取5，N₂₀’也取5，而第30组透镜单元组105的N₃₀取为8，而N₃₀’取20。各个透镜单元组内的前后微透镜单元的数量可以根据需要进行调整，只要保证同一透镜单元组105内的中心前微透镜单元103a的中心轴与后微透镜单元104a的偏移量在

范围内分布即可，系数

其中L_bottom为输出光场底部宽度，L_top为输出光场顶部宽度，即由输出光场半能量分布性质和微透镜单元103a的沿y轴向尺寸B决定。本实施例的基底也可以采用实施例二中的形式，前微透镜单元103a和后微透镜单元104a的结构和几何尺寸、相邻透镜单元组105的边界处的后微透镜单元的间隙D和前后微透镜偏移量的计算方法以及透镜单元组105的构成方法和本实施例相同，此处不再作赘述。

同一组透镜单元组105内的后微透镜单元104a的形状和几何尺寸也可以不全部相同，只要保证沿Y轴向微透镜单元组105的前微透镜单元103a总长度为B×N_i，该组内的后微透镜单元104a的沿Y轴向的总长度与其差值D则为Y轴向相邻的透镜单元组105的边界处的后微透镜单元104a之间的间隙带。总之，只要保证同一透镜单元组105内的中心前微透镜单元103a的中心轴与后微透镜单元104a的偏移量在

范围内分布即可。

本发明中的复眼透镜除为透明光学玻璃外，还可以为其他的光学材料，如氟化钙等；微透镜单元除为旋转非球面外，还可以为轮胎非球面，此时微透镜单元在XOZ面和YOZ面的焦距不等，即f_x≠f_y，计算公式为

微透镜单元还可以为球面，计算方法与实施例一相同；本发明中微透镜单元为无缝连接，但是由于实际加工工艺的水平可能会造成微透镜单元有间隙。本发明的复眼透镜适用于退偏振光和偏振光照明系统。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种复眼透镜，包括基底（100）和安装在该基底上的透镜单元组（105），其特征是所述透镜单元组（105）由分布在基底（100）两侧，呈阵列式排布的前微透镜单元（103a）和后微透镜单元（104a）组成，前微透镜单元（103a）和后微透镜单元（104a）分别沿X轴和Y轴方向阵列式紧密连接，前微透镜单元（103a）的焦距大于后微透镜单元（104a）的焦距；

Y轴向相邻的透镜单元组（105）的边界处的后微透镜单元104a之间存在宽度为D的间隙带,D＝B×Ni–B_i’×Ni’，式中：B为前微透镜单元（103a）沿Y轴的轴向尺寸，B_i’为后微透镜单元（104a）沿Y轴的轴向尺寸，Ni为前微透镜单元的个数，Ni’为后微透镜单元的个数；所述间隙带,D表示复眼透镜在该区域上为非工作区域。

2.根据权利要求1所述的复眼透镜，其特征是所述基底（100）由相对平行排列的前组基底（101）和后组基底（102）组成，透镜单元组（105）由分别安装在前组基底（101）和后组基底（102）内侧或外侧的前微透镜单元（103a）和后微透镜单元（104a）组成。

3.根据权利要求1或2所述的复眼透镜，其特征是所述每组透镜单元组（105）至少包括1个前微透镜单元（103a）和1个后微透镜单元（104a），前后透镜单元个数相同或者不同。

4.根据权利要求1或2所述的复眼透镜，其特征是同一透镜单元组内的前微透镜单元（103a）和后微透镜单元（104a）在Y轴方向上满足的中心偏移量在

范围内分布，其中，

取值范围为0～0.95，L_bottom为远场光输出光场底部宽度，L_top为远场光输出光场顶部宽度，B为前微透镜单元（103a）沿Y轴的轴向尺寸。

5.根据权利要求1或2所述的复眼透镜，其特征是所述前微透镜单元（103a）形成的阵列面和后微透镜单元（104a）形成的阵列面沿Z轴向设有间隙G，间隙G与前微透镜单元（103a）的后焦距比值范围为0.4～0.8，间隙G与后微透镜单元（104a）的前焦距的比值范围为0.98～1.02。

6.根据权利要求1或2所述的复眼透镜，其特征是所述前微透镜单元（103a）和后微透镜单元（104a）为旋转非球面，或轮胎非球面。

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