（长春理工大学 光电工程学院，长春130022）

伴随着光刻大规模的工业应用，价格低廉、高效率的光刻设备受到微纳加工领域的广泛关注。数字光刻技术利用数字化空间光调制器，用数字动态图形替代传统掩膜，可实现实时与低成本的图形刻制。数字光刻技术可被广泛应用于3D打印、菲涅尔透镜制作、二元光学元件制作、制作印刷电路板（PCB）、芯片尺寸封装（CSP）、实时条形码标刻等技术领域［1-2］。数字光调制器是数字曝光中的核心器件，其目前有液晶显示器（LCD），硅基液晶（LCOS）以及数字微镜器件（DMD）［3］。DMD的优点在于反射效率高，分辨率高，对比度高，稳定性好，刷新速度快等方面。

随着数字光刻的迅速发展，为满足微纳加工领域及3D打印领域的不同幅面大小需求，设想将一款投影镜头同时适用于大幅面低分辨率与小幅面高分辨率的实际使用情况，设计了波段为395～415nm，物面为0.9英寸DMD并将其放大10～15倍的定焦变倍投影镜头。实际使用时通过机械调节镜头与DMD芯片的距离即物距以及投影距，可得到不同大小的投影幅面。

1 照明光源

在数字光刻照明系统中一般选用紫外光源，紫外光源包括相干光源、非相干光源及部分相干光源，常见的有高压卤素灯、LED和激光器［4］。

高压卤素灯是一种具有极高亮度的非相干光源，它是较为常用的光刻光源。其中高压汞灯是被广泛使用的光源，其所辐射的主要谱线为404.7nm、435.8nm、546.1nm等，除此之外，有较强的365.0nm的紫外谱线。

LED的发光是由其材料物质中电子和空穴的复合，从而以光能形式辐射出来，LED发出的光具有部分相干性，光束呈朗伯体辐射的特性［5］。LED的发光波长较多，目前应用在DLP上的主要波长为405nm。

目前紫外激光器主要包括半导体激光器、全固态激光器和准分子激光器。半导体激光器能够实现405nm和365nm的输出，其优点是体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、功率低。半导体激光器具有广泛的应用，如光纤通信、激光打印、激光测距等。图1为与投影系统配合使用的405nm半导体激光器，图2为其在光谱仪上的波谱范围。

图1 405nm半导体激光器

图2 激光器波谱

设置投影系统波长范围为395～415nm，主波长为405nm，既适用于LED光源也适用于半导体激光光源。

2 分光棱镜设计

TIR棱镜是DLP投影系统中特有的原件。DMD有三种状态：平态、开态和关态。不同状态下DMD有不同的偏转角。倾斜照射到DMD显示芯片上的照明光，经DMD反射镜反射后通过棱镜的全反射面，又由于不同状态下DMD反射后的角度不同，将照明光路与投影光路分离［6］。根据全反射发生时所在的光路不同，可分为两类分光系统：TIR棱镜系统和RTIR棱镜系统。TIR棱镜如图3所示，照明光束先被全反射棱镜完全反射，然后被DMD反射，即全反射发生在照明路径中。RTIR棱镜如图4所示，照明光束先透射后被DMD反射，即光束在投影光路中被完全反射。对于TIR棱镜，光束路径较长，结构尺寸较大。考虑到照明系统和投影系统的拼接，光路长度越长，设计调整的空间就越大，最终采用了TIR棱镜系统。图5为DMD处于不同状态时光束的出射路径示意图。

图3 TIR棱镜光路

图4 RTIR棱镜光路

图5 TIR棱镜分光示意图

图6为设计TIR棱镜的理论示意图。照明光束垂直于b表面入射并在c表面上发生全反射。根据棱镜材料的折射率确定全反射临界角C，sinC=1/n，要想照射到c面上的光线产生全反射则需θ5≥C，根据数学关系可推得θ5=θ1。随后采用逆向计算，考虑到DMD处于开态时会偏转12°，为了使得DMD处于开态时光线垂直a面出射，则θ3=24°，根据数学关系也可推得θ2=θ1-θ4，θ4=arc sin（sinθ3/n）。这样即可确定全反射棱镜的角度。再考虑光束恰好照满DMD平态时的情况，即光线1在c面产生全反射后，恰好经a面上方折射再照射到DMD上表面。2光线从a面与b面交界处垂直b面入射，最终照亮DMD的下表面，再根据DMD的实际尺寸确定TIR棱镜尺寸。并考虑到DMD开态时的情况，需将DMD的尺寸扩大一些代入计算［7-8］。

文中棱镜材料选用成都光明的K9L，并结合手工计算和AutoCAD制图确定棱镜实际尺寸。同时考虑到加工误差和装调误差，需要设计一些余量，两块棱镜之间的空气间隔通常为0～0.02mm，棱镜实际设计尺寸如图7所示。

图6 TIR棱镜计算示意图

图7 TIR棱镜实际尺寸

3 定焦变倍投影系统设计

定焦变倍系统，可认为光学系统的设计像质大于设计要求像质，可向下兼容。设计时一个物面同样对应于一个最佳成像的像面，不同物面与像面的成像质量不一样，成像质量同样可满足设计要求。焦距与视场角不改变，通过改变物距来改变像距与最佳成像时的放大倍率，可满足小变倍比光学系统的使用需求。

3.1 技术设计指标

根据实际芯片设计0.9英寸大小DLP（DMD：19.35mm×12.16mm，像元大小7.56mm×7.56mm）投影镜头，该镜头预计在像距500mm处投影图像大小为9英寸，在空间频率70lp/mm处，轴上视场的MTF值大于0.6，其余视场的MTF值大于0.4，相对照度大于90%，工作波长为395～415nm，主波长为405nm。并考虑到DMD的特点，设计成远心系统［9］。系统的主要参数如表1所示。

表1 投影系统主要参数

投影系统设计时所需要的分辨率一个是由波长及镜头的相对孔径所能达到的衍射极限决定，另一种是由所参与成像芯片或传感器的像元尺寸决定，在本系统中是由后者所决定。本系统使用的DMD芯片的像元尺寸为7.56μm，所以该投影系统的分辨率为：

并考虑到公差分析及实际生产加工，最终设计截止线对取为70lp/mm。

3.2 设计过程

本次设计的DLP投影镜头是中等视场、大相对孔径、后截距长的远心光学系统，而反远距结构的特点与设计指标相类似，是一类视场大、工作距长的系统［10］。从光学设计手册中选择了与设计指标相近的一种结构作为该系统的初始结构，如图8所示，此投影镜头有效焦距为60mm，相对孔径为1/3，所有镜片都为球面，像高为11.6mm，最大孔径为45mm，光学总长为175mm［11］。

图8 初始结构

将初始数据输入到软件后，选择默认的优化函数，这里首先采用光斑半径优化的方式进行初步优化，再使用波像差优化方式。需在默认函数中添加额外的操作数，如控制焦距，畸变，镜头的总长等，为控制远心还需控制镜头的出瞳位置（操作数EXPP）或控制最后一个镜片出射光线的角度（操作数AMAG），并使用多重结构功能，添加到3个组态，每个组态将分别将像距与物距设置为变量，并且在优化评价函数中分别添加各个组态的目标放大倍率操作函数参与一同优化。

在对初始结构进行不断修改和优化后，最终设计出了达到设计指标的DLP定焦变倍镜头，图9为该系统的透镜结构图。

图9 系统透镜结构

该物镜由8组9片组成，其中所有的镜片都是光学玻璃，而且光学玻璃均为价格便宜、经常使用、易加工的材料（如H-K9L、H-ZF1、H-ZK9A等）。其有效焦距是50mm，相对孔径是1/3，实际像高是11.6mm，当物距大小由435mm变化至613mm时，后工作距同时由31.2mm变至29.9mm，放大倍数逐渐由10倍变为15倍，光学总长为140mm。经系统放大不同倍数的物像对应关系如图10所示。

图10 结构中的投影距离

结构1、2、3分别为放大10倍、12倍、15倍时的投影距与物距。可根据该结构的MTF图与和场曲畸变图，并结合设计指标进行评价。图11-13分别为放大10倍、12倍、15倍时的MTF曲线以及畸变图。

从图中可看出在70lp/mm处各个组态上的MTF值。所有组态中心视场的MTF值均达到了0.6以上，0.7视场的MTF值均大于0.55，1视场的MTF值均达到了0.5以上。图11-13中的（b）图为该结构的场曲、畸变曲线图，横坐标代表相对畸变的大小，以百分数形式表示，纵坐标表示归一化视场。可看出设计结果的不同组态下的畸变量绝对值均小于0.5%。图14为相对照度曲线图，横坐标表示像高的大小，纵坐标表示相对照度。从图中看出，系统整个视场的相对照度均大于90%，达到了设计指标要求。

图11 DMD被放大10倍时的传递函数图与畸变图

图12 DMD被放大12倍时的传递函数图与畸变图

图13 DMD被放大15倍时的传递函数图与畸变图

图14 相对照度曲线图

通过以上分析，最终的设计结果其放大倍率为-0.0667至-0.1，分辨力达7.6μm，具有远心结构，结构简单，分辨率达到了设计要求，畸变小于0.5%。此款投影镜头作为定焦镜头，在幅面大小与精度相互制约的条件下，通过调节物距与像距，可得到不同幅面及精度的图形，更适用于实际数字光刻时使用。

4 结论

文中设计的基于DMD的数字光刻定焦变倍投影系统可以实现将0.9英寸DMD为物放大10到15倍，且运用TIR棱镜将照明光束与投影光束分离开来，并将设计的TIR棱镜尺寸代入到投影系统设计中，结果更为准确。所设计的投影系统结构简单，完全适用于实际的DLP投影，并且通过改变物距和像距使得幅面发生改变，此设计结果结构较紧凑，能满足低变倍需求，无需复杂的变焦设计与凸轮设计及加工，成像优良，更适用于实际数字光刻使用。数字无掩膜光刻具有分辨率髙、焦深大、制作周期短等诸多优点，为制作三维微立体结构提供了一种高效的渠道，同时，其对发展微光电、MOEMS有着重要的意义。