均匀照明系统的设计与应用

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1、维普资讯http://www.cqvip.com4期咒学仪器12卷均匀照明系统的设计与应用陆汉民(上海光学挺器研究所)提要本文对提高光学系统照明均匀性问题进行了详细的研究，提出了多种改善照明均匀性的光学系统设计方案，列举了有关压用方面的问题。一、日U茜随着科学技术的发展及新兴产业的出现，对光学仪器的要求也越来越高，不仅要求或像清晰、色还原性好，而且要求很均匀的光强分布。如在光谱仪器中，狡缝照明的好坏会直接影响到谱线强度的分布，因此，要求狡缝整个面积都应得到均匀的照度(各点的照度一致)。在近代电子工业中，为了生产高质量的大规模或超大规模象成电路，在光

2、劐中，要求有±2～±5的均匀性束照明工作表面较大的不均匀性都将导致集成电路线条尺寸的变化，甚至造成撤废。在空间技术领域，为了使飞行体绝对可靠地在太空中飞行，在地面需要预先对飞行体进行太阳辐射的模拟试验。对太阳模拟器的光照均匀性在大面积内需达到±5左右的要求激光技术的发展与应用领域的扩犬，有时要激光照明系统能提供高均匀的相干照明。过去，在设计一般光学仪器的照明系统时，常采用传统的柯勒照明或i临界照明系统。州一些光强分布要求不高的系统，为了简便起见，常在照明系统中加入磨砂玻璃或乳白玻璃，使照明均匀化。但这种措施羽太视场，光强度高、光照均匀的系统来说，显

3、然已不能适应，需要寻找薪的设计方案和照明系统。近年来，虽然国内外电子工业迅速发展，在如何解决光刻机的光照均匀性方而傲了不少工作，也有较多报道，但多偏重于某个侧面，没有对实现均匀照明系统的设计方案作详细探讨或介绍。因此，笔者想根据自己以往所做的工作以及国内外已有报道作一分析及介绍。二，改变照度分布的可能性在分析光学系统照度分布肘知道，一般的照明系统所产生的照明结果，常常显中问比较亮，而边缘比较暗。即使是物面的亮度是均匀的，且物平面上的每一点均以充满系统入瞳的一32—维普资讯http://www.cqvip.com{船光学仪器lz卷光束(即轴外点光束无

4、渐晕存在)成象，那么在象面上，轴外点的照度由轴上点的照度再乘上该点象方视场角的余弦四次方来确定[1。即：E∞=E0COSu式中：一一象方视场角E。一一象方轴上点的照度如用；刷阿视场角对上式进行计算，么，就可得到照度分布曲线。显然，常规的照明系统，如柯勒照日』]系统，只能在视场很小的系统中使用，而在要求视场大，照度均匀的照明系统中将受到限制。：但我们可以采取这样的办法，能否把几个照明系统或几个光源按一定的要求进行排列，使照度分布曲线中照度高的那部分与另一照度分布曲线中低的部分相对应，使它们合成后的照度分布不超过某一规定的范围(如图1)。圈1照虚分布的

5、台成图2光源岫多孔扳成像在实践中，要想实现这种理想的排列还是有很多可能的方案。最简单的一种就是在单个光源之后安放一个多孔板，这样在离多孔板某一个距离的屏幕上得多个分离而又是独立的光源象(如图2)。且孔越多，分离的光源象也越多。通过许许多多光源象的相互迭加可以得到比较均匀的照度分布。如果茌上述所得光源象群的后边，再放一个与前述相同数的多孔板时，那么在孔板后将得到的光源象正好是小孔数的平方倍。从而使更多的光源象进行迭加，得到更加均匀的照度分布。这种照明方式被称为多点照明。f述的小孔也可换成小透镜或小反光镜，那么这样就构成了透镜陈列板，或反光镜陈刿板，它

6、们同样可以达到分解光源或合成光源的作用。目前实现均匀照明的系统，主要有两种形式。一种是多灯合成均匀照明系统，一种是单灯均匀照明系统。以后将单独进行分析研究。关于文中所提到的照明系统的照度均匀性问题，一般用下面的表达式来定义；一33—维普资讯http://www.cqvip.com4轴秃学技器l2卷△Ej，=—Ep~-Eft一式中：E平均一一被照面上的照度平均值Ej一一被照面上某一点的照度照度E可能大于或小于照度昀平均值E平均，也可能有个最大值E．t，和最小值E，。但它们都能超过所规定的设计要求，韭作为均匀照明系统的一个重要指标来考核。三．多灯均匀照

7、明系统多灯均匀照明系统是由多个灯源或由多个灯源构成的照明系统按一定要求直接排列而构成的系统。这种系统可以达到很大被照面积及很高的光强，特别适应于照度要求均匀的大仪器或装置中。如航天技术中对飞行体的环境模拟试验、工业原料或产品的太阳光老化试验，就需要这种大型的多灯均匀照明系统。作者曾为我国空间技术发展的需要，设计过一种大型太阳辐射模拟装置，就是一个很典型的多灯均匀照明系统。太阳辐射模拟装置与一般照明系统的设计相比，有很大的区别。首先，要保证整个系统所提供的光谱分布曲线接近太阳辐射光谱。其次，被照面的光强范围要达到700~2100w／m~相当于0．5～

8、1．5个太阳常数(指太阳直射到地球赤道表面的平均能量1390w／m：fs))。光照的均匀性一般要求优于±5，被照面积一般要