基于UV-LED的平行光曝光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張博,劉琴,謝思思,洪新華

（1.河南百合特種光學(xué)研究院有限公司,河南新鄉(xiāng)453003；2.黃河交通學(xué)院,河南焦作454950）

隨著我國發(fā)展腳步不斷加快,環(huán)境污染問題也接踵而至并日益嚴(yán)重.根據(jù)《水俁公約》要求,含汞產(chǎn)品將于2020年面臨全面淘汰.為了適應(yīng)市場(chǎng)需求,UV-LED曝光機(jī)以其節(jié)能、環(huán)保、無污染等與生俱來的自身優(yōu)勢(shì),一經(jīng)面世就引發(fā)追捧并迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)[1-2].汞燈也叫短弧燈,使用壽命短、電光轉(zhuǎn)換效率低,作為曝光、固化的紫外光源,被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)制造上,且一直被國外公司所壟斷.對(duì)企業(yè)來講,汞燈成本高、不穩(wěn)定,且由于汞遇熱蒸發(fā)、遇冷凝結(jié),是重金屬中唯一一個(gè)可遷移的污染物,能存留于生物體內(nèi),對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的污染極大.由于UV-LED集成模組的電光轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)汞燈,能夠大規(guī)模降低能源消耗,UV-LED光源已經(jīng)取代汞燈在紫外曝光領(lǐng)域的地位,越來越受市場(chǎng)歡迎,國家也在政策上大力提倡和支扶持[3-4].對(duì)UV-LED光源進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì),可得到發(fā)熱少、節(jié)能環(huán)保、照明均勻性好的準(zhǔn)平行光,也提高了曝光機(jī)光源的壽命.曝光機(jī)在PCB制作工藝過程中,主要作用是利用光學(xué)曝光的原理和方法,進(jìn)行底板和印制電路板之間的圖像轉(zhuǎn)移.隨著印刷電路板的密度要求越來越高,線寬要求越來越細(xì),印刷電路板的質(zhì)量和精度要求也越來越高.為了提升曝光面成像的分辨率和印刷線路板的解析度,在曝光機(jī)曬架的有效曝光面積內(nèi),要求紫外光的均勻度大于90%.輸出光的平行半角足夠小,所曝出的線路板圖案才會(huì)清晰、亮度均勻、色澤好,且能夠?qū)崿F(xiàn)較細(xì)線條的清晰、不失真、不偏移以及較高的還原度,達(dá)到理想的圖形轉(zhuǎn)移效果[5-6].因此,UV-LED平行光曝光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就成了整體設(shè)備的關(guān)鍵[7].

本文針對(duì)波長范圍為350～420 nm的UV-LED光,選用385 nm作為主波長,利用ZEMAX設(shè)計(jì)了UV-LED平行曝光系統(tǒng).設(shè)計(jì)基于非序列光線追跡法,對(duì)該平行光曝光系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真、分析、優(yōu)化,得到滿足實(shí)際需求的性能指標(biāo),利用自己搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證了所得結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性.

1 光學(xué)系統(tǒng)組成及其工作原理

本文論述的UV-LED平行光曝光系統(tǒng)主要由UV-LED光源陣列、一次勻光系統(tǒng)、二次勻光系統(tǒng)、球面聚光鏡、大面積球面平行反光鏡組成,光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.LED光源發(fā)出的光線入射至一次勻光系統(tǒng)進(jìn)行光束的整形和勻光,然后經(jīng)由二次勻光系統(tǒng)達(dá)到理想的均勻光斑,由此出射的光線經(jīng)球面聚光系統(tǒng)匯聚至球面反射鏡1的焦點(diǎn),然后被大面積球面平行反光鏡準(zhǔn)直后到達(dá)曝光機(jī)曬架上,進(jìn)行PCB印刷線路板的曝光.一次勻光系統(tǒng)和二次勻光系統(tǒng)采用光積分棒,光效高、精度好,便于生產(chǎn)和加工.

圖1 UV-LED曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 UV-LEDexposure optical system

1.1 光積分棒的工作原理

現(xiàn)代照明設(shè)備通常在滿足一定照度的同時(shí),對(duì)照明面的光強(qiáng)分布有一定的均勻性要求.為此,如何獲得高質(zhì)量的均勻照明成為人們研究的熱點(diǎn).

目前,在照明系統(tǒng)中,通常采用光積分棒、復(fù)眼透鏡等方式進(jìn)行勻光,以實(shí)現(xiàn)大面積的均勻照明和較高的能量利用率[4,8].光棒又稱光積分棒,其端面可以設(shè)計(jì)成不同的形狀,如：三角形、矩形、六邊形、圓形等.一般來講,圓形端面的勻光效果較差.在很多照明系統(tǒng)中,通常采用錐形光棒,在勻光的同時(shí),可以改變出射光的輸出角度,從而可以匹配照明系統(tǒng)要求的數(shù)值孔徑.光棒可以分為內(nèi)鍍高反射膜的空心玻璃棒和實(shí)心的玻璃棒.其中,空心玻璃棒利用反射鏡,在一定長度內(nèi)經(jīng)過多次反射以達(dá)到較高的均勻性,其間沒有玻璃材料的吸收,整體能量損耗較小,但多次的反射導(dǎo)致效率較低.實(shí)心的玻璃棒依據(jù)全反射的原理,反射效率高,且加工方便.光棒的工作原理和光纖類似,如圖2所示.

圖2 光棒中的光線傳播Fig.2 Light propagation in light total mark stick

由圖2可知,在光棒內(nèi)部傳輸?shù)墓饩€,隨著入射光線的入射角度不同,其反射次數(shù)也不相同,入射角度越大,反射次數(shù)越多.相對(duì)來講,不同角度的光經(jīng)過不同次數(shù)的反射,使得對(duì)應(yīng)的輸出光線充分混合,從而在光棒的輸出端能夠形成均勻分布的光場(chǎng).光棒出射端每一點(diǎn)的光強(qiáng)等于光源不同角度的光的積分,所以光棒也被稱為光積分器件.

1.2 光學(xué)擴(kuò)展量

光棒的設(shè)計(jì)主要考慮光棒端面的截面積S和其長度L這兩個(gè)參數(shù),光棒截面積的確定主要考慮光源入射至光棒端面的光斑大小.為了獲取更高的光能利用率,一般在距離光源一定位置時(shí),需要適當(dāng)擴(kuò)大光棒端面的入射口徑,讓盡可能多的光線入射至光棒.光棒長度也會(huì)影響系統(tǒng)照明的均勻性,一般地,長度越長,光線在其內(nèi)的反射次數(shù)越多,均勻度相應(yīng)的也會(huì)越好[9].

光學(xué)擴(kuò)展量是非成像光學(xué)理論的核心內(nèi)容,根據(jù)同性非導(dǎo)體媒質(zhì)中的時(shí)諧場(chǎng),由程函方程可以推導(dǎo)出系統(tǒng)光學(xué)擴(kuò)展量（Etendue）,即光束所通過的面積和光束所占有的立體角的積分,見式（1）.

式（1）中：θ是面元d S的法線與立體角d W中心軸之間的夾角.

在理想狀態(tài)下,即不考慮反射、折射、吸收等能量損失時(shí),面元d S和立體角d W范圍內(nèi)的光,在傳播過程中光通量保持不變,即光學(xué)擴(kuò)展量不變.對(duì)于光軸垂直于平面的平面光學(xué)件,平面上各個(gè)點(diǎn)的孔徑角相同的時(shí)候,光學(xué)擴(kuò)展量可以定義為

式（2）中：S為光學(xué)元件的面積,或者光學(xué)元件的通光口徑,θ為孔徑角.

光源的光學(xué)擴(kuò)展量亦可以表示為

式（3）中：r是入射到光棒前表面的光斑半徑,Φmax是最大孔徑角.如果光棒是均勻光棒,即光棒的前后表面面積相等,角度也不變（長方體）.則光棒前后表面的光學(xué)擴(kuò)展量不變,可以表示為

式（4）中：L為光棒前表面的長度,W為光棒前表面的寬度,Φmax'為光棒出射面即后表面的最大孔徑角.因?yàn)槭褂玫墓獍羰蔷鶆蚬獍?所以光線經(jīng)過光棒以后的孔徑角不會(huì)變化,即Φmax=Φmax'.

光棒的出射面與光源的光學(xué)擴(kuò)展量之比為

根據(jù)非成像光學(xué)理論,在一個(gè)光學(xué)整體系統(tǒng)內(nèi)部,當(dāng)后面光學(xué)部件的光學(xué)擴(kuò)展量大于其前面部件的光學(xué)擴(kuò)展量時(shí),光能才可以得到充分利用.所以,對(duì)于式（5）來說,δ≤1時(shí),光源發(fā)出的會(huì)聚光能量才可以被光棒系統(tǒng)充分利用.當(dāng)時(shí),光棒的光學(xué)擴(kuò)展量與光源光學(xué)擴(kuò)展量相等.

因?yàn)閁V-LED發(fā)光服從朗伯體分布,光斑為圓形光斑.當(dāng)光棒為方形時(shí),光斑全部包含在光棒截面內(nèi)的邊界條件是：光棒邊長a=2r,其中r為圓形光斑的半徑,當(dāng)a＜2r時(shí),光無法完全進(jìn)入光棒,存在一定程度的光能損失.因此,為了達(dá)到較高的能量利用率,必須提高光棒的有效光學(xué)擴(kuò)展量,從而使得入射光斑的能量可以全部進(jìn)入光棒.當(dāng)a≥2r時(shí),入射光的能量可以全部射入光棒,此時(shí)

但是,從實(shí)際研發(fā)生產(chǎn)的角度考慮,單純依靠理論推算數(shù)據(jù),會(huì)造成元件的加工尺寸過大,對(duì)系統(tǒng)小型化、生產(chǎn)成本的控制以及系統(tǒng)的裝校均有一定的影響.為了使以上所述問題更好地兼顧,需要對(duì)光棒的長度及截面積等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以得到最佳的效果,見圖3和圖4.

圖3 目標(biāo)面光斑Fig.3 Light spot on target surface

圖4 目標(biāo)面照度分布曲線Fig.4 Illumination distribution curve of target surface

在圖3中,未進(jìn)入光棒的光斑面積為

如果進(jìn)入光棒的光束能量均勻,光棒的能量利用率為

從光學(xué)擴(kuò)展量考慮,對(duì)式（8）取極值可得到關(guān)于L與r的關(guān)系,使系統(tǒng)具有最大光能利用率（見圖4）.

2 仿真結(jié)果及分析

按照上述設(shè)計(jì)思路及計(jì)算,匹配LED陣列及光展量匹配的勻光系統(tǒng),在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX中進(jìn)行建模、優(yōu)化及光線追跡,其中：UV-LED陣列采用6*7燈珠陣列組成面光源,勻光系統(tǒng)采用光棒方案,球面鏡大小為380 mm*380 mm,曲率R為620 mm,大面積平行光反射鏡大小為780 mm*820 mm,曲率R為3 100 mm,模擬計(jì)算了168萬條光線,其仿真結(jié)果如圖3、圖5和圖6所示.

圖5 目標(biāo)面角度 Fig.5 Angle of the target surface

圖6 目標(biāo)面角度分布曲線Fig.6 Angular distribution curve of the target surface

在照明面850 mm*850 mm上取560 mm*610 mm大小的光斑,在全部有效面積內(nèi),計(jì)算X/Y方向照度的最大與最小值,其中均勻度η=Emin/Emax,故可得出有效面積內(nèi)均勻度為92.3%,平行半角度為1.8°,系統(tǒng)能量利用率為65.45%.

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性,搭建了如圖7、圖8所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由6部分組成,包括水冷模塊、恒流電源、UV-LED燈珠陣列、勻光裝置、球面反射鏡、固定支架等.

圖7 UV-LED曝光光源設(shè)備Fig.7 UV-LEDexposure light source equipment

圖8 UV-LED平行光曝光系統(tǒng)Fig.8 UV-LEDparallel light exposure system

距離大面積平行光反射鏡850 mm處,將有效曝光面積均勻分為5行5列,用LS125紫外能量計(jì)測(cè)量曝光臺(tái)面的照度均勻性,找出每行每列的最高、最低照度值,計(jì)算整面的光源均勻度,見表1.

表1 UV-LED平行光曝光系統(tǒng)均勻度Tab.1 Uniformity of UV-LEDparallel light exposure system mW/cm2

由表1可得,整面的均勻度=88/96=91.6%,設(shè)計(jì)的曝光面有效面積均勻度≥90%,均勻度與設(shè)計(jì)相符,滿足實(shí)際應(yīng)用要求.照射面角度使用角度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試,其中角度筒內(nèi)每格代表0.5°,由圖9可以計(jì)算,平行光的發(fā)散半角度＜1.8°.

圖9 照射面角度Fig.9 Angle of the irradiated surface

3 小結(jié)

利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于PCB曝光機(jī)的UV-LED平行光曝光系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬以及優(yōu)化.實(shí)驗(yàn)表明,該光源能夠有效地改善曝光性能,達(dá)到了高均勻度、高能量、高解析度的設(shè)計(jì)要求,各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足市場(chǎng)對(duì)印刷線路板的曝光要求,替代傳統(tǒng)大面積曝光機(jī)產(chǎn)品的汞燈,可提高PCB板的生產(chǎn)質(zhì)量、效率及減少環(huán)境污染,具有廣泛的應(yīng)用前景.