紫外曝光机均匀照明系统的设计与研究＊

刘鹏飞，杨 波，陆 侃

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093）

引 言

近些年来，智能手机、平板电脑、微型投影仪等等一些高科技电子产品越来越多地出现在人们的视野，影响着人们的日常生活、工作和学习。人们对这些产品的性能要求也越来越高，所以作为其中核心部件的PCB电路板的性能也在不断提高，高密度、微细化成为PCB目前的主要发展趋势。

PCB的线路制作工艺中，一个重要的环节就是利用光学曝光的方法进行光刻胶片与印制板间的图像转移，而曝光机是实现图像转移的关键设备，印刷电路板的质量、精度等问题很大程度上取决于曝光质量。在晒版的有效曝光面积内，紫外线的平行度、能量均匀度又决定了系统的曝光质量［1］。

文中重点研究了PCB紫外曝光机光学系统的光照均匀性问题。在现有光学系统的基础上，对两种匀光系统进行实验性分析比较，通过光学软件仿真模拟，对比得出好的设计方案。

1 曝光机光学系统组成及其工作原理

传统曝光机光学系统主要由光源（高压球形汞灯）、椭球面反光杯、冷光镜、透射式复眼透镜阵列、二向色镜和球面平行光反射镜组成，如图1所示。

光源发出的光被椭球面反光杯聚焦后，经冷光镜反射到复眼透镜阵列场镜，从投影镜出射的光到达二向色镜，光谱中的紫外部分被50%透射，50%反射后，到达两块对称分布的大面积球面平行反光镜，被准直反射到晒板上对PCB板进行曝光。近似光路如图1中点划线所描述。

图1 曝光机光学系统Fig.1 UV exposure machine optical system

2 方棒工作原理及实验分析

2.1 方棒的工作原理

方棒又称积分棒，可以把光源输出的圆形光斑转换为照明面所需要的矩形光斑，并同时提高系统的能量利用率和光照均匀性。方棒的工作原理和光纤类似，如图2所示。

图2 方棒工作原理Fig.2 Light pipe operating principle

方棒通常与椭球面反光杯一起使用，组成方棒照明系统。将方棒的前端面放在椭球面反光杯的第二焦面上，方棒横截面的长宽与晒板长宽成正比，经椭球面反射的光会聚在方棒前端面，光线在方棒内经过多次反射后，在后端面外形成均匀亮度的矩形光斑。

根据方棒加工工艺的不同，可分为实心与空心两种方棒。空心方棒用4块高反射率镜片胶合制成，重量轻，且光线在方棒内空气中传播，大大降低了由于玻璃吸收导致的光能量损失。不过，空心方棒也有其不足，为了最大程度地在方棒内壁实现反射，一般需要对方棒内壁进行镀膜处理，这对加工工艺的要求比较高；而且方棒胶合难度大，同时受到高会聚光照射产生的150～300℃高温影响，使方棒的胶合胶容易变形、软化，从而影响方棒的性能。实心方棒相比之下易于加工，成本较低，只需在装校的时候注意不要影响玻璃的全反射条件即可［2］。

2.2 方棒能量利用率

除了光照均匀度之外，光斑能量密度也是曝光机性能的一项重要指标，能量密度高可以大大缩短PCB曝光时间，提高了曝光效率，因此，提高系统能量利用率有很大的现实意义。

对于方棒，影响其性能的参数主要有两个：长度和截面积。方棒的长度会影响照明均匀性，通常根据系统照明均匀性的要求来确定方棒长度。截面积大小主要根据照射在方棒前端面的光斑大小确定，目的是让光照尽可能多地进入方棒，提高方棒的孔径利用率。以上只是感性的分析，要达到实际的照明效果，需要理性地优化设计方棒的初始结构，使其能够有效地提高系统的能量利用率。

光学扩展量是非成像光学理论的核心内容，根据同性非导体媒质中的时谐场，由程函方程可以推导出系统光学扩展量

式（1）中，n为折射率，x，y为坐标参数，L，M为光线的方向余弦；（x，y，L，M）组成的四维空间称为相空间，类似于哈密尔顿相空间。在理想状态下，即不考虑反射、折射、吸收等能量损失时，面积元dxdy，立体角dLdM范围内的光在传播过程中光通量保持不变，即光学扩展量不变。因此，式（1）可以视为通过光学系统某一横截面某一立体角的光通量的描述。光学系统的能量利用率就是由光学扩展量决定，然后进一步确定系统初始结构。在这里，现引入光学扩展量，根据光源的光分布特性来确定方棒的初始结构，使系统的能量利用率达到一个比较高的值［3］。

对于光轴垂直于平面的平面光学元件，平面上各点的孔径角相同时，光学扩展量可以定义为

式（2）中，A为光学元件的面积，或者光学元件的通光孔径，θ为孔径角。对于方棒照明系统，光源发出的光经椭球面反光杯聚光后照射在方棒前表面，所形成的光斑可以近似用式（2）来描述其光学扩展量。

光源的光学扩展量可以表示为：

式（3）中，R是入射到方棒前表面的光斑半径，Φmax为最大孔径角。如果方棒是均匀方棒，即方棒的前后表面面积相等，角度也不变（长方体），则方棒的前后表面光学扩展量不变，可以表示为：

式（4）中，H为方棒前表面的长度，W为方棒前表面的宽度，Φ′max为方棒出射面即后表面的最大孔径角。因为使用的方棒是均匀方棒，所以光线经过方棒以后的孔径角不会变化，即Φmax＝Φ′max［4］。

方棒出射面与光源的光学扩展量之比为：

根据非成像光学理论，在一个光学整体系统内部，当后面光学部件的光学扩展量大于其前面部件的光学扩展量时，光能才可以得到充分利用。所以，对于上式来说，η1≤1时，光源发出的会聚光能量才可以被方棒系统充分利用。当时，方棒光学扩展量与光源光学扩展量相等。图3中，方形为方棒截面，圆形为入射光斑形状，可见此时光并没有完全进入方棒，存在光能损失。

在图3中，未进入方棒的光斑面积为

如果进入方棒的光束能量均匀，方棒的能量利用率为

从光学扩展量考虑，对式（8）取极值时，得到关于H与R的关系，可以使系统具有最大的光能利用率［5，6］。

2.3 实验分析

光学系统主要由以下几个部件构成：光源，椭球面反光杯，冷光镜，匀光系统，二向色镜，球面平行光反光镜。

光源采用的是5 000W高压球形汞灯。球形汞灯是一种体积小、亮度高的点光源，当该灯点燃稳定之后，能辐射很强的紫外线和可见光谱，其中的紫外光谱部分是PCB曝光需要的必要条件。椭球面反光杯开口口径363.5mm，焦距812.3mm，内壁反射率设定为90%，10%吸收。冷光镜的作用是将光源的光束反射导向匀光系统，在实际工业中，该镜片采用的材料是高硼硅玻璃，它的特点之一是耐高温。在实验中用到两种匀光系统，分别为复眼系统和方棒系统。二向色镜在这款曝光机中起到很重要的作用，因为它将入射光束分成了两部分，入射光束能量的50%被反射，50%被透射，使得PCB双面同时曝光成为可能。球面平行光反射镜的主要作用一是将二向色镜的光束导向晒板，另外一个也是最主要的作用是使扩散光束会聚产生平行光。

系统局部结构如图4所示。

图4是利用方棒的光学系统初始结构，光源光线经过椭球面反光碗经过上方的第一面反射镜后，聚焦在方棒前入射面，经过后出射面照射到二向色镜。

系统进行优化之后，追踪200万条光线，得到图5仿真结果：

图5 仿真结果Fig.5 Simulation result

表面看上去均匀性不够好，经过计算得到均匀性约为70.6%，平均能量密度9mW／cm2。由于方棒系统的性能与方棒的长宽比有密切关系，所以在此处仿真中，均匀性与能量密度成了一对矛盾关系，相互制约。这个结果是经过平衡了均匀性与能量密度的矛盾，得到的折中结果。

3 复眼工作原理及能量利用率分析

3.1 复眼透镜工作原理

复眼透镜又叫蝇眼透镜，是现在光学系统中实现均匀照明常用的一种光学元件。由一系列相同的小透镜拼合得到的，小透镜的形状可以是长方形或者六边形等等，处于中心位置的小透镜被称为中心小透镜，其它小透镜以它为中心向四周呈辐射分布。通常使用时，需要有两列复眼透镜平行排列，第一列透镜中的各个小元素透镜的焦点与第二列透镜中对应的元素透镜中心重合。两列复眼透镜的光轴互相平行，即两列透镜的元素透镜分别一一对应。如图6所示。

复眼透镜可以应用于平行光束或者光束角不是很大的场合。对光束角太大的会聚或者发散光束，复眼透镜阵列系统不能很好地起到匀光作用。

它的匀光原理是：当光束照射到第一块透镜后，光束被聚焦到第二块复眼透镜的中心，此时的光束会聚并不是传统意义上的简单会聚，而是入射光束被第一块复眼透镜中的小透镜分解成N个通道（N是小透镜的个数），即光源被多个小透镜成像于第二块透镜中的每个小透镜的中心位置，然后出射到达照明面。每个通道的光束独立地照明目标平面，所以到达照明面的光斑是每个通道照明光束的叠加。结果每个通道光束内的细小的不均匀性因为光束的对称叠加而优化，整个孔径内的出射光均匀性得到很大改善［7］。

图6 复眼透镜Fig.6 Fly－eyes lens

3.2 影响复眼透镜匀光性能的因素

在曝光机光学系统中，复眼透镜对系统能量利用率以及光斑均匀性的影响主要与下面几个因素有关：复眼透镜列数；入射光束发散角；小透镜焦距及口径。

（1）为充分发挥复眼照明系统的性能，应选择适当列数的小透镜，数目过少，则失去了利用小透镜将入射宽光束分解成细光束从而提高照明均匀性的作用；数目过多，可以改善高斯光束的照明均匀性，照明光斑亮度更高。但由于照明系统像差的存在，实际光线的传播途径过多偏离了理想光线的传播途径，因此影响了被照明面的光斑均匀性，而且对设计以及加工制造都会带来一定的困难，导致成本增加。应当根据光束在第一排复眼透镜上分布的不均匀性以及聚光光斑的尺寸来确定复眼透镜的列数。

（2）当发散角较小时，入射光通过前排透镜后，会偏离后排对应透镜的中心，但没有完全偏离对应的小透镜单元。由于焦平面上同一点发出的光线经过透镜后还会平行出射，因此对复眼透镜阵列的照明均匀性不会产生大的影响，没有旁瓣现象发生。但是入射光束发散角较大时，从前排透镜出射的光线可能完全偏离后排的对应小透镜，照明光斑将偏离中央照明区域，对照明效果产生严重的影响，产生旁瓣，甚至出现完全分离的光斑。所以当光源的出射光发散角较大时，必须增加准直镜将光源的发散角减小，使其近乎平行地入射到复眼阵列上，减小旁瓣，提高能量利用率。

（3）小透镜焦距及口径：小透镜的口径应满足使整个物面获得照明，因而物面尺寸的要求也就确定了小透镜的相对孔径。根据小透镜的相对孔径及口径可以确定其焦距［8，9］。

3.3 实验分析

曝光机复眼照明系统结构如图7所示。

图7 曝光机光学系统（复眼）Fig.7 UV exposure machine optical system（fly－eyes lens）

用光学设计软件Lighttools进行建模，各部件尺寸如下：

椭球面反光杯：口径363.5mm，焦距812.3mm（两焦点间距离）；

冷光镜：315mm×315mm×5mm；

二向色镜：380mm×340mm×5mm；

球面反光镜：1 020mm×860mm×10mm，球面反射面曲率半径2 900mm；

晒板（曝光面）：600mm×600mm；

复眼透镜：每个小透镜14mm×11.7mm，5×6阵列（由于系统椭球面反光杯的出光角比较小，因此没有加入准直镜）。

初模完成以后，对细节，特别是对复眼透镜阵列进行了优化以后，追踪200万条光线，得到的结果如图8所示。

图8 仿真结果Fig.8 Simulation results

从图8中可以看出，光斑均匀性比较理想，晒板上下面一致性较好。右图数值结果显示，最小能量密度12mW／cm2，最大能量密度16mW／cm2，根据均匀性计算方法，可以得到系统光照均匀性为85.8%，达到了初期设计目标。

4 结 论

文中对曝光机光学系统的仿真结果有两项对比指标，晒板面光斑的光能量均匀性和能量密度。要求能量均匀性达到82%以上，平均能量密度达到14mW／cm2。

在曝光机光学系统中，由于光源并非理想点光源，故经过椭球面反光杯聚焦之后，第二焦点处所成光斑是有一定的尺寸的光斑。对于方棒系统而言，过大的截面积意味着长度也要跟截面积相匹配，从而对加工、装配、系统整体结构紧凑性以及加工成本都带来不少的麻烦。相对而言，利用复眼系统，可以尽可能满足第二焦点处的光斑尺寸，对系统能量利用率的提高也有很大帮助，所以对PCB曝光机光学系统来说，选择复眼匀光系统比较合理。

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