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《湖北大学》 2017年
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紫外LED曝光机光学系统设计

刘一霖  
【摘要】:传统的紫外曝光机使用高压汞灯作为光源,高压汞灯使用寿命短、光效低,汞金属对环境也存在污染,而且汞灯尺寸大,相印地,曝光机体积也大。得益于GaN生长技术发展成熟和紫外LED芯片质量的提高,目前紫外LED芯片已取代高压汞灯作为紫外曝光机的光源。使用紫外LED芯片作为光源,根据LED芯片的发光强度,设计光学系统,可以使出射光准直,照明均匀性好,提高曝光机光源的寿命,发热少,节能,环保。随着精密加工、线路制作对曝光精度要求的日益提高,曝光机对其光学系统所出射的平行光的发散角的要求也越来越高。本论文的研究目的是设计出一种紫外LED曝光机光学系统,其技术指标为:紫外光波长365 nm,出射光发散角小于1o,接收面板上的光照均匀性大于90%,接收面上辐照度高于1 mW/cm~2,光斑直径10 cm。本文以非成像光学理论为基础,通过设计光学系统,使出射光达到设计要求。设计工作主要包括以下四个步骤:1、设计光学系统模型,构建整体框架,根据设计思路确定系统中使用哪些光学元件,以及每个光学元件在系统中的实现的功能;2、根据第一步中每个光学元件的功能,来计算透镜的曲面参数,使其能满足设计要求;3、根据计算结果在LightTools光学软件中构建光学系统模型,进行软件仿真,得到光强和辐射照度的输出结果;4、查看LightTools软件仿真输出结果,根据仿真结果,对可以改进的地方重新进行计算,使模型优化。将重新计算出的自由曲面参数导入LightTools光学软件中,构建新的光学系统模型,再次进行软件仿真,查看强度图和照度图的仿真结果,与之前的仿真结果对比,查看光学系统是否得到优化。该设计的难点是如何使得出射光发散角小于1o。根据设计技术指标,考虑到曝光区域直径10cm,先后设计了四种光学系统。在设计过程中发现,光源的尺寸,即非理想点光源特征,对出射光发散角有重要影响,要调高出射光的准直性,需要尽可能减小光源尺寸。在光源辐射出射度不变的情况下,减小光源尺寸意味着辐射能通量减小,即进入光学系统的能量减少,从而使接收面上的辐射照度降低。文中通过推导,得到了辐射照度、光源尺寸以及辐射出射度之间的理论公式。最后,提出了一种采用阵列光源、阵列透镜获得大面积、高辐射出射度、低发散角的设计方案。该方案使用一组阵列光源,在阵列光源两倍焦距处放置对应的阵列透镜,这组阵列透镜使光源在距离透镜两倍焦距处成等大的像,在成像平面上放置一个阵列光阑,每个单元光阑的中心在像点处,通过控制光阑的大小控制通过光阑像点的大小,距离阵列光阑一倍焦距处放置另一个阵列透镜,两组阵列透镜的中心和单元光阑中心位置一一对应,这组透镜在系统中起准直作用,使出射光准直,发散角小于1o,辐射照度大于1 mW/cm~2,照度均匀性大于90%。设计结果满足要求。
【学位授予单位】:湖北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN312.8

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