專利名稱：長焦深元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種長焦深元件的制作方法。
背景技術：
長焦深元件是一種具有一定分辨率且具有較大焦深范圍的光學元件，在厚膠光刻、成像系統(tǒng)等各個方面有著廣泛的應用前景。隨著高新技術的發(fā)展對長焦深元件的要求越來越迫切，出現(xiàn)了各種制作長焦深元件的方法。
傳統(tǒng)的方法是通過改變光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑拉長焦深，但根據(jù)瑞利判據(jù)與分辨率的關系，該方法勢必降低光學系統(tǒng)的分辨率。因此當要求光學系統(tǒng)有較高分辨率時，傳統(tǒng)的方法顯然不能滿足需要。
1982年國際電氣和電子工程師協(xié)會會刊的文章“用相移掩摸的方法在光刻中提高分辨率”提出了一種用相移掩模的方法提高激光光刻中的分辨率，同時并不減少焦深范圍，從而相對傳統(tǒng)方法變相地提高了焦深(Marc.D.Levensonand N.S.viawanathan etc，Improving Resolution in Potolithography withPhase-Shifting Mask，IEEE，1982，Vol.ED-29，p1828)。但這種方法對焦深的真正拉長并不起作用，應用范圍有一定的局限性。
1954年出版的美國光學學會雜志44卷592頁的文章“一種新型的光學元件”提出圓錐透鏡的概念以及根據(jù)這種思想形成的制作長焦深元件的方法(JohnH.McLEod，The AxiconsA New Type of Optical Element，J.Opt.Soc.Am1954，Vol.44，p592)。圓錐透鏡的概念是假定光束垂直入射到圓錐透鏡上，輸出的錐面波可以無擴散地傳播到很遠距離。然而實際元件的孔徑總是有限的，因此這種制作長焦深元件的方法存在下列缺陷設計出的元件特性不能滿足軸向焦深范圍內光強均勻分布并且直徑變化不大的要求，而且圓錐透鏡的能量利用率低。
1987年，美國的德爾寧在《美國光學學會雜志》4卷651頁的文章“無衍射光束的準確解法。I.數(shù)論”(J.Durnin，Exact solution for nondifractingbeams.I.Tht scalar thery，J.Opt.Soc.Am，1987，Vol.4，No.4，p651)提出了可用于實現(xiàn)長焦深的無衍射光束。而且，德爾寧等人應用常規(guī)光學元件設計了一個光學系統(tǒng)，生成了無衍射光束中最簡單的一種零階貝塞爾光束。1987年出版的《物理評論快報》58卷1499頁的文章“無衍射光束”(J.Durnin，MicclijJr etc，Difraction-free bezm Phys.Rev.Lett，1987，Vol.58，p1499)公開了這種方法，為無衍射光束實現(xiàn)長焦深提供了途徑。但這種方法存在的缺陷在于生成零階貝塞爾光束的光學系統(tǒng)只是演示性的，其能量利用率太低，絕大部分入射光能量被丟失。
1992年壽查基等人在《光學快報》17卷7頁的文章“相同亮度透鏡的相位延遲”(J.Sochacki，S.Bara，Z.Jaroszewicz and A.Kolodziejczyk，Phaseretardation of the uniform-intensity axlens，Opt.Lett，1992，Vol.17，p7)中提出了能量守恒法設計對數(shù)光錐來生成無衍射光束，從而實現(xiàn)長焦深。后來又提出了切趾圓環(huán)孔徑對數(shù)光錐的方法對設計進行優(yōu)化。但這種能量守恒設計方法存在一定的缺陷，如焦深范圍小于設計要求，焦深范圍內光場分布存在較強振蕩，而且切趾圓環(huán)孔徑的對數(shù)光錐能量利用率太低，加工難以實現(xiàn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的技術解決問題是提供一種簡單、易于實現(xiàn)的制作實用化長焦深元件的方法，該方法通過較簡化的優(yōu)化過程優(yōu)化了系統(tǒng)的整體性能和制作方法的工藝流程，能夠利用現(xiàn)有加工手段制作出實用化長焦深元件。
本發(fā)明的技術解決方案是長焦深元件的制作方法，其特點在于包括下列步驟(1)啟動計算機，完成初始化；(2)通過計算機輸入設備輸入程序，輸入?yún)?shù)長焦深元件的設計焦距、設計焦深、通光孔徑、波長等；
(3)設計長焦深元件的位相函數(shù)；(4)啟動粗優(yōu)化程序，粗優(yōu)化長焦深元件的衍射光學元件的位相函數(shù)；(5)啟動細優(yōu)化程序，細優(yōu)化衍射光學元件的位相函數(shù)；(6)確定、輸出衍射光學元件的制作參數(shù)；(7)繪制長焦深元件的焦深與分辨率的關系曲線、焦深與能量的關系曲線、加工誤差分析曲線等；(8)確定、輸出折射光學元件的制作參數(shù)；(9)根據(jù)折射光學元件的制作參數(shù)，采用傳統(tǒng)的冷加工方法制作折射光學元件；(10)根據(jù)衍射光學元件的制作參數(shù)，采用微細加工技術制作衍射光學元件；(11)將折射光學元件和衍射光學元件進行對中膠合，形成長焦深元件。
本發(fā)明的目的也可通過以下技術方案實現(xiàn)加工長焦深元件的衍射光學元件的微細加工技術，可以是二元光學技術、光刻蝕法、薄膜沉積法或移動掩模法等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，有如下優(yōu)點本發(fā)明提出利用折衍混合系統(tǒng)實現(xiàn)長焦深元件的制作方法，即分別采用傳統(tǒng)冷加工的方法制作折射光學元件；利用現(xiàn)有的二元光學技術、光刻蝕法、薄膜沉積法、以及類似大規(guī)模集成電路生產的微細加工方法制作衍射光學元件；然后將折射光學元件和衍射光學元件進行對中膠合，得到長焦深元件。由于本發(fā)明的方法中包括的折射光學元件加工方法和衍射光學元件加工方法都是現(xiàn)有技術，所以加工易于實現(xiàn)。
本發(fā)明利用折射光學元件承擔長焦深元件的光焦度，利用衍射光學元件調整長焦深元件的焦深和光場分布，在較小能量損失的情況下，使所制作的長焦深元件在焦深范圍內具有較均勻的光場分布。
本發(fā)明通過將對數(shù)光錐的位相函數(shù)分解為標準球面透鏡位相函數(shù)和衍射光學元件位相函數(shù)之和，計算長焦深元件的衍射光學元件位相函數(shù)的粗優(yōu)化系數(shù)，優(yōu)化原有衍射光學元件位相函數(shù)，增加衍射元件的位相深度，即增加了衍射元件的焦深范圍；通過計算衍射元件位相函數(shù)的細優(yōu)化系數(shù)，進一步優(yōu)化衍射光學元件位相函數(shù)，在保證焦深長度的前提下，調節(jié)了位相函數(shù)內部結構，改善焦深范圍內軸上點光強的振蕩。由此使長焦深元件的整體性能得到了提高。
本發(fā)明提出的兩步優(yōu)化法(粗優(yōu)化、細優(yōu)化)重點從衍射元件的位相函數(shù)入手對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化而非整體優(yōu)化，因此其方法比較簡化。并且，由此得到焦深與分辨率、焦深與能量等關系曲線、加工誤差曲線用以指導加工工藝，從而優(yōu)化了長焦深元件制作方法的工藝流程。


圖1為本發(fā)明實施例一制作方法的工藝流程圖；圖2為本發(fā)明實施例二制作方法的工藝流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
根據(jù)實施例一的設計參數(shù)波長λ＝0.53μm；元件孔徑R＝10.5μm；焦距f＝100μm；焦深范圍dof＝1mm，按圖1所示的工藝流程完成長焦深元件的制作(1)啟動計算機，完成初始化；(2)通過計算機輸入設備輸入程序；(3)通過計算機輸入設備輸入下列參數(shù)長焦深元件的設計焦距f＝100μm；設計焦深范圍dof＝100mm；通光孔徑R＝10.5μm；波長λ＝0.53μm；(4)根據(jù)上述輸入?yún)?shù)，設計長焦深元件的位相函數(shù)；(5)根據(jù)上述輸入?yún)?shù)，啟動計算機程序，通過將對數(shù)光錐的位相函數(shù)分解為標準球面透鏡位相函數(shù)和衍射光學元件位相函數(shù)之和，計算長焦深元件的衍射光學元件位相函數(shù)的粗優(yōu)化系數(shù)，優(yōu)化原有衍射光學元件位相函數(shù)，從而增加衍射元件的位相深度，以增加衍射元件的焦深范圍；
(6)根據(jù)上述輸入?yún)?shù)，啟動計算機程序，計算長焦深元件的衍射元件位相函數(shù)的細優(yōu)化系數(shù)，進一步優(yōu)化衍射光學元件位相函數(shù)，從而在保證焦深長度的前提下，調節(jié)位相函數(shù)內部結構，改善焦深范圍內軸上點光強的振蕩；(7)確定、輸出衍射光學元件的制作參數(shù)二元光學元件的臺階數(shù)、浮雕深度、掩模數(shù)據(jù)等；(8)繪制長焦深元件的焦深與分辨率的關系曲線、焦深與能量的關系曲線、加工誤差分析曲線等，利用這些曲線指導加工工藝；(9)根據(jù)選定的材料以及計算結果，確定、輸出折射光學元件的制作參數(shù)厚度和曲率半徑；(10)根據(jù)折射光學元件的制作參數(shù)，采用傳統(tǒng)的冷加工方法制作折射光學元件；(11)根據(jù)衍射光學元件的制作參數(shù)，采用光刻蝕法按以下步驟制作臺階數(shù)為2N的二元光學衍射元件(實施例一中，N＝3，即位相臺階＝8)A、制作3組周期不同的掩模板；B、采用第一組掩模的設計圖形，進行第一次(N＝1)套刻(a)、光刻通過投影式曝光方法，將記錄在第一組掩模上的設計圖形，通過光學系統(tǒng)投射到涂有光刻膠的基片上，進行曝光；(b)、顯影；(c)、刻蝕采用反應離子技術進行刻蝕，使光刻后在光刻膠上形成的圖形進一步傳遞到光學材料上。
C、采用第二組掩模的設計圖形，進行第二次(N＝2)套刻重復上述(a)～(c)步驟；D、采用第三組掩模的設計圖形，進行第三次(N＝3)套刻重復上述(a)～(c)步驟，得到具有8位相臺階的二元光學衍射元件，完成衍射光學元件的制作；(12)將折射光學元件和衍射光學元件進行對中膠合，形成長焦深元件。
根據(jù)實施例二的設計參數(shù)波長λ＝0.5μm；元件孔徑R＝9.5μm；焦距f＝90μm；焦深范圍dof＝1mm，按圖2所示的工藝流程完成實施例二的長焦深元件的制作(1)啟動計算機，完成初始化；(2)通過計算機輸入設備輸入、存儲下列參數(shù)長焦深元件的設計焦距f＝90μm；設計焦深范圍dof＝1mm；通光孔徑R＝9.5μm；波長λ＝0.5μm(3)根據(jù)上述輸入?yún)?shù)，啟動計算機程序，通過將對數(shù)光錐的位相函數(shù)分解為標準球面透鏡位相函數(shù)和衍射光學元件位相函數(shù)之和，計算衍射光學元件位相函數(shù)的粗優(yōu)化系數(shù)，優(yōu)化原有衍射光學元件位相函數(shù)，從而增加衍射元件的位相深度，以增加衍射元件的焦深范圍；(4)根據(jù)上述輸入?yún)?shù)，啟動計算機程序，計算衍射元件位相函數(shù)的細優(yōu)化系數(shù)，進一步優(yōu)化衍射光學元件應相函數(shù)，從而在保證焦深長度的前提下，調節(jié)位相函數(shù)內部結構，改善焦深范圍內軸上點光強的振蕩；(5)確定、輸出衍射光學元件的制作參數(shù)衍射光學元件的最大浮雕深度、臺階深度；(6)繪制長焦深元件的焦深與分辨的關系曲線、焦深與能量的關系曲線、加工誤差分析曲線等，用以指導加工工藝；(7)根據(jù)選定的材料以及計算結果，確定、輸出折射光學元件的制作參數(shù)厚度和曲率半徑；(8)根據(jù)輸出的折射光學元件的制作參數(shù)，采用傳統(tǒng)冷加工的方法制作折射光學元件；(9)根據(jù)輸出的衍射光學元件的制作參數(shù)，采用激光直寫技術按以下步驟制作臺階數(shù)為2N的二元光學衍射元件(實施例二中，N＝4，即位相臺階＝16)A、行第一次(N＝1)套刻
(a)通過激光直寫系統(tǒng)實現(xiàn)曝光；(b)顯影；(c)去鉻；(d)刻蝕(e)去膠；(f)再涂膠；B、行第二次(N＝2)套刻重復上述的(a)-(f)步驟；C、進行第三次(N＝3)套刻重復上述的(a)-(f)步驟；D、進行第四次(N＝4)套刻重復上述的(a)-(f)步驟；得到具有16位相臺階的二元光學衍射元件，完成衍射光學元件的制作；(10)將折射光學元件和衍射光學元件進行對中膠合，形成長焦深元件。
權利要求
1.一種長焦深元件的制作方法，其特征在包括下列步驟(1)啟動計算機，完成初始化；(2)通過計算機輸入設備輸入程序，輸入?yún)?shù)長焦深元件的設計焦距、設計焦深、通光孔徑、波長等；(3)設計長焦深元件的位相函數(shù)；(4)啟動粗優(yōu)化程序，粗優(yōu)化長焦深元件的衍射光學元件的位相函數(shù)；(5)啟動細優(yōu)化程序，細優(yōu)化衍射光學元件的位相函數(shù)；(6)確定、輸出衍射光學元件的制作參數(shù)；(7)繪制長焦深元件的焦深與分辨率的關系曲線、焦深與能量的關系曲線、加工誤差分析曲線等；(8)確定、輸出折射光學元件的制作參數(shù)；(9)根據(jù)折射光學元件的制作參數(shù)，采用傳統(tǒng)的冷加工方法制作折射光學元件；(10)根據(jù)衍射光學元件的制作參數(shù)，采用微細加工技術制作衍射光學元件；(11)將折射光學元件和衍射光學元件進行對中膠合，形成長焦深元件。
2.根據(jù)權利要求1所述的長焦深元件的制作方法，其特征在于加工衍射光學元件的微細加工技術，可以是二元光學技術、光刻蝕法、薄膜沉積法或移動掩模法等。
全文摘要
一種長焦深元件的制作方法，通過優(yōu)化衍射光學元件的位相函數(shù)，確定折射光學元件和衍射光學元件的制作參數(shù)；根據(jù)制作參數(shù)采用傳統(tǒng)的冷加工方法制作折射元件，采用二元光學技術、光刻蝕法等微細加工技術制作衍射元件，將折射元件和衍射元件進行對中膠合最終形成長焦深元件。本發(fā)明方法簡單、易于實現(xiàn)，通過較簡化的優(yōu)化過程優(yōu)化了系統(tǒng)的整體性能和制作方法的工藝流程，能夠利用現(xiàn)有加工手段制作出實用化的長焦深元件。
文檔編號G02B13/00GK1503022SQ0215327
公開日2004年6月9日 申請日期2002年11月26日 優(yōu)先權日2002年11月26日
發(fā)明者白臨波, 李展 申請人:中國科學院光電技術研究所