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研究生:鄭舜遠
研究生(外文):CHENG, SHUN-YUAN
論文名稱:光壓縮雙反射鏡應用於UV LED曝光機 之複眼透鏡入光光學設計
論文名稱(外文):Optical Design of a Double-Reflector Beam Compressor for the Input Light of a Fly's Eye Integrator in a UV LED Exposure System for Photolithography
指導教授:康智傑
指導教授(外文):KANG, CHIH-CHIEH
口試委員:康智傑黃建榮陳俊彥
口試委員(外文):KANG, CHIH-CHIEHHUANG, CHIEN-JUNGCHEN, CHUN-YEN
口試日期:2020-07-21
學位類別:碩士
校院名稱:南臺科技大學
系所名稱:光電工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:43
中文關鍵詞:曝光機複眼透鏡射線群角度分布
外文關鍵詞:exposure system for photolithographyflyeye’s lenslight-ray groupingangular distribution
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隨著科技進步UV LED的功率逐漸提高下,半導體製程的光照技術所使用的曝光機內的光源從原本的燈泡型被極小尺寸的小光源面積的UV LED光源所取代,過去以透鏡組將光源角度收斂程所需要的出光角範圍,再射入複眼透鏡去做均光處理,在透鏡組的架構下每經過一個透鏡時會因介面折射率不同以及厚度的影響下會有所損失以及光線能進複眼透鏡內並均光有效在一定小角度範圍內,因此我們以雙反射鏡的架構嘗試去設計曝光機光源,希望以雙反射鏡的架構下能解決透鏡組的損失並轉換成我目標區域的效率,試圖用小尺寸lambertian LED光源來做為光源,以複眼透鏡作為岀光的目標,出光角度也限至在一定範圍內,跟過往在曝光機的設計透鏡組的思考邏輯有所不同,嘗試並探討雙反射鏡對於縮小光源的可能性。
此研究將分成兩個階段,為了尋找雙反射鏡的光學設計,第一階段為了有系統的管理並有效分析光學,我們提出一套方法,射線角度分割統計法,簡稱射線群法,我們試著用這套方法敘述著我們所嘗試的方法也試圖敘述非成像的觀念以及現象,希望藉由此方法可以達到有效的管理光學系統。以出光角度±12°為目標制定出反射鏡的設計參數並以射線群觀點來處理Lambertian分布之LED圓形光源,研究中使用1mm x 1mm之LED為光源,以射線群法分析對於不同入光角度對於反射鏡的角度範圍分布狀況,試圖去尋找曲率半徑以及反射鏡間距的變化性並,統計出有效益性的角度範圍並設計出初步設計。第二階段依據第一階段經由射線群法分析光線經由反射鏡作用設計出初步設計再以 ASAP中的退火法優化法試圖以演算法的方式去找出最佳設計的反射鏡參數得以達再提升效率。
經由射線群法分析所設計出的雙反鏡架構的初步設計於目標角度範圍±12°下所得到的效率為65%,再經一由ASAP中的退火演算法來進行優化後小幅提升為70%,隨然不像透鏡組會有厚度或是折射率上的損失,但因不同角度光線因多次反射所以不能大幅度的修整反射角度使光線反射到目標的角度範圍內,可能需要以數學式精準的計算建立數據庫去或是使用其他演算法,但就在本研究中提出射線群法之方式且能夠分析各出光現象能夠快速地幫助後人在設計上能有個初步設計架構。

With the advance of LED technologies, the light source of an exposure system for photolithography has evolved from mercury arc lamp to high-power UV LED. However, the demand for exposure illuminance enhancement is perpetual for an energy-consuming exposure system. By using a fly eye’s lens as a homogenizer, a beam compressor preceded is needed to “collimate” wide-beam light from the UV LED light source.
In this study, a preliminary optical analysis and design of a beam compressora double reflector configuration was performed by applying our devised method of angular light ray grouping by partitioning to systematically and iteratively maximize the output light emerging from the fly eye’s lens before an optimal optical design implemented which was achieved by using simulated annealing method. Optical design and analysis was performed through the utilization of optical software ASAP. An ASAP model of a quasi-spherical double reflector with a 1-mm diameter lambertian light source with a full angle of 40 degrees on the back reflector and a 2-mm diameter aperture on the front reflector was constructed as a design platform. The design variables were the distance between two reflectors, the radii and the sizes of two reflectors.
The simulation results for preliminary optical design of a quasi-spherical double reflectors showed that the light extraction efficiency was up to about 65% by using angular light ray grouping by partitioning method. With the implementation of ASAP simulated annealing method, the simulation results showed that light extraction efficiency was improved to about 70%. On the basis of these results, we deduced that the objective of above 80% light extraction efficiency can be achieved with the implementation of free-form optics design for a double-reflector.

中文摘要 i
Abstract iii
致謝 v
目錄 vi
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 1
1.3 研究動機 3
1.4 預期目標 3
1.5 論文架構 4
第二章 射線群設計法 5
2.1 光線分割與射線群理念 5
2.2 光線分割與統計法 7
第三章 反射鏡之基本傳播現象 9
3.1 射線群設計法操作方式 9
3.2 ASAP光學模擬軟體 10
第四章 射線群模擬之分析 12
4.1 ASAP模擬之光壓縮雙反射鏡設計 12
4.2 ASAP初步設計光學模擬流程 13
4.3 初步模型設計 15
4.4 ASAP光學模擬之反射鏡切片基準 15
4.5 ASAP光學模擬初步模型之切片分析 24
4.4 ASAP光學模擬之切片型第二板 29
4.4 ASAP光學模擬之切片型最終結果 32
第五章 退火法優化 36
5.1退火演算法優化 36
5.2初步光學設計與退火法優化流程 38
5.2 切面型雙反射鏡優化結果 40
第六章 結論 41
參考文獻 42

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16.劉明旻,“圓柱型光導管之出光分析─使用射線角度分割法” 南臺科技大學光電工程研究所,碩士論文,2018年。

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