Optical Design and Simulation of High-Performance UV LED Exposure System

近年來由於環保及節能意識日漸抬頭，歐美日等先進國家逐漸重視這議題，其中LED具有省電、無汞汙染等優點，可以用來取代傳統的白熾燈及日光燈，因此提升LED的效率為大家努力的方向。 曝光技術於業界展逾30年，不僅廣泛應用於半導體產業，亦係世界各國極力發展的項目。然而國內對此發展相對落後，且多數目前還是採用傳統紫外光高壓汞燈做為發光源。而傳統紫外光高壓汞燈缺點頗多，例如:波長範圍寬、啟動時間長、耗能且更換燈泡成本較為昂貴…等。因此，針對此問題，本論文提出以UV LED作為光源，明確訂定其光利用率、不均勻度、尺寸規格及工作距離，藉由本研究徹底了解曝光系統各光學元件間參數之相互關係與影響，並利用軟體設計光源模型與曝光系統架構，所得之照度結果不均勻度可降至2 %，已低於一般5%之水準，且光利用率達40%之結果，成功達到原先設定之目標。The developed nations lately emphasize the concepts of energy saving and environmental protection; therefore LED gains much attention due to its advantages, such as no mercury pollution and low power consumption. Still the key issue is to improve the lighting efficiency. Exposure technology has been developed more than 30 years in the semiconductor industry. It is the most extensive technology at present, but it is also a target to be strongly developed around the world. However, the development is relatively weak in our country, and most of them are still using the traditional high-pressure mercury lamp as the light source Furthermore, the traditional high-pressure mercury lamp has many disadvantages as the following: wide wavelength range, the long start-up time, energy consumption and high cost ... etc. To solve these problems, this paper put forward an optical design that uses the UV LED as the light source, expressly stipulate the utilization rate of light, uniformity, size and working distance. Through this study, we could thoroughly understand the relationship and influence of the parameters of optical elements in this exposure system. we successfully achieved less than 2% of the nonuniformity and light utilization rate of 40%.摘要 i Abstract ii 目次 iii 表目次 vi 圖目次 viii 第一章 序論 1 一、前言 1 二、UV LED應用與技術簡介 3 三、研究動機與目的 5 四、文獻回顧 8 五、論文架構規劃 10 第二章 基本理論介紹 11 一、光學概述 11 (一) 折射率(Refractive index) 11 (二) 反射定律與折射定律(Reflection and Refraction) 12 (三) 全反射 (Total Internal Reflection) 13 (四) Lambertian餘弦定律 15 (五) 非成像均光器與成像均光器(Non-Imaging Homogenizer and Imaging Homogenizer) 17 (六) 成像公式 25 (七) 造鏡者公式 28 (八) 高斯公式 29 (九) 像差概述 30 二、輻射度學與光度學 32 (一) 光通量(Luminous Flux) 33 (二) 照度(Illuminance) 34 (三) 光強度(Luminous Intensity) 36 (四) 輝度(Luminance) 38 (五) 均齊度(Uniformity)檢測 39 第三章 光學模擬與設計 41 (一) 曝光系統模型建立 44 (二) 理論與模擬值驗證 44 (三) 不同擴散角度之光源於曝光系統設計與模擬分析 49 (四) 球面像差對曝光系統之影響 53 (五) 透鏡陣列排列個數於曝光系統之分析 56 (六) 不同類型之透鏡陣列於曝光系統之影響 58 (七) 光源元件設計 61 (八) 曝光系統整合與優化 69 第四章 結論與未來展望 76 參考文獻 7