CN105805609B - 一种led光源照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED光源照明系统，沿光传播方向依次包括：LED阵列光源、光学挡片、微透镜阵列以及异型石英棒匀光器，所述LED阵列光源发出的光束穿过所述光学挡片进行整形，经过所述微透镜阵列进行匀光并增大所述光束的数值孔径后，进入所述异型石英棒匀光器再度匀光后，入射至照明对象上。本发明通过所述光学挡片、微透镜阵列和异型石英棒匀光器依次对所述LED阵列光源发出的光束进行匀光，同时利用所述微透镜阵列将光束的数值孔径变大，使得进入异型石英棒匀光器中的光束的反射次数增加，提高匀光的效果。本发明产生的照明视场均匀性能够达到1％以下，且整个照明系统结构简单，光能利用率高，便于安装和调试，安全性也更高。

Description

一种LED光源照明系统

技术领域

本发明涉及一种LED光源照明系统。

背景技术

现有的光刻照明系统采用的光源主要有两种，一种是汞灯光源，另一种是LED光源。

图1为现有的一种汞灯光源照明系统，沿光的传播方向依次包括：汞灯光源1、椭球反射镜2、第一平面反射镜3、耦合镜组4、匀光石英棒5、中继镜组6以及第二平面反射镜7，并最终入射至照明对象8上，由此可知，现有的汞灯光源照明系统在系统设计、系统装配调试、整机使用过程中有很多缺点，主要包括以下几种：

1、汞灯光源的灯室由椭球反射镜2，第一平面反射镜3以及汞灯光源1配合机械装置组成，组件较多，设计比较复杂；且造成在调试过程中自由度多，在系统装备调试的过程中，不宜调试到最佳位置，调试过程复杂，调试周期较长；

2、汞灯光源1有一定的危险性。汞灯光源1的灯泡内充满高压汞蒸汽，如果使用不当发生泄露，会对工作人员健康及环境造成危害；

3、汞灯光源照明系统由于组件较多，在整个光路中光能损失严重，有效波段光能利用率低。

而随着LED光源技术的发展，LED光源的功率越来越接近现代半导体工业大功率高强度的需求，LED光源有很大的应用前景。具体地，LED光源一般包括基板，基板上有LED灯芯，LED灯芯外是封装树脂。在不同的使用场景下，LED光源需要通过使用不同的能量收集和匀光器件来满足不同需求，但大体上是通过微透镜来改变光线在照明面上的分布，只能起到初步匀光作用，匀光区域的均匀性只能达到2％。

发明内容

本发明提供一种LED光源照明系统，以解决现有的照明系统中的上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种LED光源照明系统，沿光传播方向依次包括：LED阵列光源、光学挡片、微透镜阵列以及异型石英棒匀光器，所述LED阵列光源发出的光束穿过所述光学挡片进行整形，经过所述微透镜阵列进行匀光并增大所述光束的数值孔径后，进入所述异型石英棒匀光器再度匀光后，入射至照明对象上。

较佳地，通过设计所述微透镜阵列的曲率来增大所述光束的数值孔径。

较佳地，所述光束进入所述异型石英棒匀光器再度匀光后，经中继镜组及平面反射镜入射至照明对象上。

较佳地，所述光学挡片为中间带有通光孔径的金属片，所述LED阵列光源发出的光束通过所述通光孔径穿过所述光学挡片。

较佳地，通过调整所述异型石英棒匀光器入射端面与出射端面尺寸的比例，或者调整所述LED阵列光源与所述异型石英棒匀光器之间的距离，或者调整所述光学挡片的通光孔径的尺寸，来控制所述异型石英棒匀光器的出射光束的数值孔径，使其与中继镜组匹配。

较佳地，所述LED阵列光源由n²个相同型号的LED光源均匀排布而成，其中，n为正整数。

较佳地，所述微透镜阵列由两组相互垂直的柱面镜叠加组成。

较佳地，所述LED阵列光源与所述光学挡片之间的距离为L1，所述L1小于2mm。

较佳地，所述LED阵列光源的出射截面为L3×L3的正方形，所述异型石英棒匀光器的入射端面为L4×L4的正方形，出射端面为L5×L5的正方形，且L3＜L4＜L5。

较佳地，所述光学挡片与所述微透镜阵列之间的距离为L2，L2＜L4/2tan(θ)，其中，θ为所述LED阵列光源的最大半散射角。

较佳地，所述微透镜阵列与所述异型石英棒匀光器之间的距离也为L2。

较佳地，所述中继镜组的物面位于所述异型石英棒匀光器的出射端。

较佳地，所述LED阵列光源的波长为465nm、435nm或365nm。

较佳地，所述异型石英棒匀光器的反射面上均镀有全反射膜。

与现有技术相比，本发明提供的一种LED光源照明系统具有如下优点：

1.照明系统结构简单，便于安装和调试；

2.不会发生高压汞蒸汽泄露，不会对工作人员健康及环境造成危害，安全性更高；

3.匀光效果更好，其产生的照明视场均匀性能够达到1％以下；

4.整个照明系统组件较少，照明系统透过率高，光能利用率高。

附图说明

图1为现有技术中的汞灯光源照明系统的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式的LED光源照明系统的结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式的LED光源照明系统中LED阵列光源的布局图；

图4为本发明一具体实施方式的LED光源照明系统中LED阵列光源的出射光斑仿真图。

图1中：1-汞灯光源、2-椭球反射镜、3-第一平面反射镜、4-耦合镜组、5-匀光石英棒、6-中继镜组、7-第二平面反射镜、8-照明对象；

图2-4中：10-LED阵列光源、11-LED光源、12-出射光斑、20-光学挡片、30-微透镜阵列、40-异型石英棒匀光器、50-中继镜组、60-平面反射镜、70-照明对象。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

本发明提供的一种LED光源照明系统，如图2所示，沿光传播方向依次包括：LED阵列光源10、光学挡片20、微透镜阵列30、异型石英棒匀光器40、中继镜组50以及平面反射镜60，当然，所述光学挡片20、微透镜阵列30以及异型石英棒匀光器40均设置于所述LED阵列光源10的主轴上，具体地，所述LED阵列光源10发出的光束穿过所述光学挡片20进行整形，经过所述微透镜阵列30进行匀光并增大所述光束的数值孔径后，进入所述异型石英棒匀光器40再度匀光，然后经中继镜组50及平面反射镜60后，入射至照明对象70上，较佳地，所述中继镜组50的物面位于所述异型石英棒匀光器40的出射端，将异型石英棒匀光器40的出射端的均匀视场放大，并在中继镜组50的像面形成均匀性1％以下的均匀性照明视场。本发明通过所述光学挡片20、微透镜阵列30和异型石英棒匀光器40依次对所述LED阵列光源10发出的光束进行匀光，同时利用所述微透镜阵列30将光束的数值孔径(NA)变大，使得进入异型石英棒匀光器40中的光束的反射次数增加，提高匀光的效果。本发明产生的照明视场均匀性能够达到1％以下，且整个照明系统结构简单，光能利用率高，便于安装和调试，安全性也更高。

较佳地，请重点参考图3，所述LED阵列光源10由n²个相同型号的LED光源11均匀排布而成，其中，n为正整数，图3中，以LED光源11的数量为9个为例，9个LED光源11的角分布采用朗伯分布，使得所述LED阵列光源10发出的光束近似一个同样半径同样亮度的发光圆盘，本实施例的LED阵列光源10的出射光斑12如图4所示。

较佳地，请继续参考图2，所述光学挡片20为中间带有通光孔径的金属片，所述LED阵列光源10发出的光束通过所述通光孔径穿过所述光学挡片20，从而对光源光斑的尺寸进行限制，具体地，可通过调整所述通光孔径的大小尺寸来调整所述异型石英棒匀光器40的出射光束的数值孔径，并达到与后续光学系统匹配的效果，本实施例中，后续光学系统包含中继镜组。

较佳地，请继续参考图2，所述微透镜阵列30由两组相互垂直的柱面镜叠加组成，可以将单个光源分解成多个照明光源，提高照明均匀性，本发明中，利用所述微透镜阵列30来收集光线的作用是初步匀光，并通过对微透镜阵列的曲率的设计来改变光束数值孔径，使得进入所述异型石英棒匀光器40的光束的数值孔径变大，所述异型石英棒匀光器40中光束的反射次数增加，达到在异型石英棒匀光器40出射端面的光线分布更加均匀的效果。

较佳地，所述LED阵列光源10与所述光学挡片20之间的距离为L1，所述L1小于2mm，具体地，所述LED阵列光源10与所述光学挡片20之间的距离L1由LED阵列光源10的出射端的数值孔径及异型石英棒匀光器40的入射端面的大小决定，距离越近(L1越小)，耦合进入微透镜阵列30和异型石英棒匀光器40的光能量越多，光能利用率就会越高，当L1小于1mm时，耦合进入所述微透镜阵列30和异型石英棒匀光器40的光能可达到100％。

较佳地，所述LED阵列光源10的出射截面为L3×L3的正方形，所述异型石英棒匀光器40的入射端面为L4×L4的正方形，出射端面为L5×L5的正方形，且L3＜L4＜L5。则在视场大小为L5×L5的均匀性小于1％的照明区域，且本实施例采用微透镜阵列30和异型石英棒匀光器40的组合调节反射光的均匀性，整个照明系统的尺寸较小，且LED阵列光源10发出的光束直接进行匀光，在此之间没有光能损失，大大提高了光能利用率。另外，本发明还可通过调整L4与L5的比例，对所述异型石英棒匀光器40的出射光束的数值孔径进行调整，并达到与后续光学系统匹配的效果。

较佳地，所述光学挡片20与所述微透镜阵列30之间的距离为L2，L2＜

L4/2tan(θ)，其中，θ为所述LED阵列光源10的最大半散射角；所述微透镜阵列30与所述异型石英棒匀光器40之间的距离也为L2，使得异型石英棒匀光器40能够收集到从光学挡片20穿出的所有光线。当然，本发明也可通过调整LED阵列光源10与异型石英棒匀光器40之间的距离调整所述异型石英棒匀光器40的出射光束的数值孔径，并达到与后续光学系统匹配的效果。

较佳地，所述LED阵列光源10的波长为465nm、435nm或365nm，甚至更短的波长。

较佳地，所述异型石英棒匀光器40的反射面上均镀有全反射膜，也就是说，所述LED阵列光源10的出射光束的数值孔径非常大，在进入异型石英棒匀光器40中时，入射角度较大的光线不能满足全反射条件，所以需要对异型石英棒匀光器40的四个反射面镀全反射膜，以大大提高光能利用率。

需要说明的是，本发明提供的LED光源照明系统由于无耦合镜组，结构简单，能够在保证照明视场均匀性的情况下有效提高能量利用率。且本发明提供的LED光源照明系统不仅仅适用于微光刻技术中的光学系统，还适用于其他对照明视场均匀性要求较高的光学系统。

综上所述，本发明提供的一种LED光源照明系统，沿光传播方向依次包括：LED阵列光源10、光学挡片20、微透镜阵列30以及异型石英棒匀光器40，所述LED阵列光源10发出的光束穿过所述光学挡片20进行整形，经过所述微透镜阵列30进行匀光并增大所述光束的数值孔径后，进入所述异型石英棒匀光器40再度匀光后，入射至照明对象70上。本发明通过所述光学挡片20、微透镜阵列30和异型石英棒匀光器40依次对所述LED阵列光源10发出的光束进行匀光，同时利用所述微透镜阵列30将光束的数值孔径变大，使得进入异型石英棒匀光器40中的光束的反射次数增加，提高匀光的效果。本发明产生的照明视场均匀性能够达到1％以下，且整个照明系统结构简单，光能利用率高，便于安装和调试，安全性也更高。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种LED光源照明系统，其特征在于，沿光传播方向依次包括：LED阵列光源、光学挡片、微透镜阵列以及异型石英棒匀光器，所述LED阵列光源发出的光束穿过所述光学挡片进行整形，经过所述微透镜阵列进行匀光并增大所述光束的数值孔径后，进入所述异型石英棒匀光器再度匀光后，入射至照明对象上；所述LED阵列光源的出射截面为L3×L3的正方形，所述异型石英棒匀光器的入射端面为L4×L4的正方形，出射端面为L5×L5的正方形，且L3＜L4＜L5；所述光学挡片与所述微透镜阵列之间的距离为L2，L2＜L4/2tan(θ)，其中，θ为所述LED阵列光源的最大半散射角；所述微透镜阵列与所述异型石英棒匀光器之间的距离也为L2。

2.如权利要求1所述的一种LED光源照明系统，其特征在于，通过设计所述微透镜阵列的曲率来增大所述光束的数值孔径。

3.如权利要求1所述的一种LED光源照明系统，其特征在于，所述光束进入所述异型石英棒匀光器再度匀光后，经中继镜组及平面反射镜入射至照明对象上。

4.如权利要求3所述的一种LED光源照明系统，其特征在于，所述光学挡片为中间带有通光孔径的金属片，所述LED阵列光源发出的光束通过所述通光孔径穿过所述光学挡片。

5.如权利要求4所述的一种LED光源照明系统，其特征在于，通过调整所述异型石英棒匀光器入射端面与出射端面尺寸的比例，或者调整所述LED阵列光源与所述异型石英棒匀光器之间的距离，或者调整所述光学挡片的通光孔径的尺寸，来控制所述异型石英棒匀光器的出射光束的数值孔径，使其与中继镜组匹配。

6.如权利要求1所述的一种LED光源照明系统，其特征在于，所述LED阵列光源由n²个相同型号的LED光源均匀排布而成，其中，n为正整数。

7.如权利要求1所述的一种LED光源照明系统，其特征在于，所述微透镜阵列由两组相互垂直的柱面镜叠加组成。

8.如权利要求1所述的一种LED光源照明系统，其特征在于，所述LED阵列光源与所述光学挡片之间的距离为L1，所述L1小于2mm。

9.如权利要求3所述的一种LED光源照明系统，其特征在于，所述中继镜组的物面位于所述异型石英棒匀光器的出射端。

10.如权利要求1所述的一种LED光源照明系统，其特征在于，所述LED阵列光源的波长为465nm、435nm或365nm。

11.如权利要求1所述的一种LED光源照明系统，其特征在于，所述异型石英棒匀光器的反射面上均镀有全反射膜。