光学加工系统和方法技术方案

本申请公开了一种光学加工系统和方法，该系统包括沿光路方向依次设置的照明光源、空间光调制器、微透镜阵列和成像透镜(组)，所述空间光调制器位于所述微透镜阵列的前焦面，所述成像透镜(组)的前焦面与所述微透镜阵列的后焦面重合，所述空间光调制器为振幅型，具有二维分布的多个图块，所述微透镜阵列包括分布于同一平面内的多个微透镜，每个所述微透镜分别在主光轴方向上与一个所述图块对应。利用本发明专利技术系统和方法，至少具有以下优点：无机械运动机构，响应快速可靠；设备性能更优；图形轮廓清晰；可以获得多种干涉图案。

Optical processing system and method

The invention discloses an optical processing system and method, the system includes sequentially along the optical path of the light source, a spatial light modulator, micro lens array and imaging lens (Group), the spatial light modulator is located in the front focal plane of micro lens array, the imaging lens (Group) after focal the front focal plane surface coinciding with the microlens array, the spatial light modulator for amplitude, having a plurality of two-dimensional block distribution, the micro lens array which are distributed on the same plane of the plurality of micro lenses, each of the micro lens are respectively corresponding to one of the blocks in the main optical axis. The system and the method of the invention have the following advantages at least: no mechanical movement mechanism, fast and reliable response, better equipment performance, clear figure outline, and various interference patterns can be obtained.

【技术实现步骤摘要】
光学加工系统和方法
本申请属于激光加工领域，特别是涉及一种光学加工系统和方法。
技术介绍
光刻技术是微纳结构制备的主要手段，当前光刻技术主要分为成像光刻和干涉光刻两大类。成像光刻适用于任意图形结构的制作，而干涉光刻技术更适于特定的周期性结构的制作，这些周期性结构通常由两束及以上的光束在曝光面上干涉叠加形成，其典型图案有平行条纹(也即光栅)、正交点阵和六边形花样等。基于周期性结构对光场的定向偏转特性，干涉光刻广泛应用于数字全息和三维立体显示等领域。干涉光刻的输出光场需要实现至少3个信息变量的调控。以数字全息为例，参图1，一幅典型的数字全息图由多个单元组成。单元内为一次干涉光刻曝光形成的平行条纹。单元包含3个信息变量：条纹周期、条纹角度和条纹轮廓。在经典的点阵全息图中，条纹轮廓为矩形；而在新型的图阵全息图中，条纹轮廓可以是任意形状，这使得全息图的信息量和美观程度大幅提升。为了实现上述3个信息变量的调控，干涉光刻光学系统具有多种实现方式。其中机械运动方法是一种最基本的实现方式，但是其主要缺点是响应速度慢、体积重量大和结构稳定性差。例如在专利US5,822,092，US5,262,879，WO98/29767中，通过旋转机构实现条纹角度的调控。又例如在专利《可变周期多光束干涉光刻的方法》CN201310178623.3，《三维激光打印方法与系统》CN201310166341.1，CN201510666500.3，通过平移机构实现条纹周期的调控。注：在文献的具体描述中，与条纹周期等效的物理量有干涉光束夹角、空频和衍射级次等。有些方案中甚至有平移和旋转两种机械运动结构，例如《实时变参量微纳米光场调制系统和干涉光刻系统》CN201610004778.9。为了避免采用上述机械运动方法，可在干涉光刻光学系统中引入空间光调制器SLM，并且结合新型的光路结构。其中较为成功的实施方案以波兰公司PolishHolographicsystems的KineMax光刻机为代表。其空间光调制器SLM采用位相调制型器件LCoS或者LCD，其等效于一个数字化可调的位相光栅。通过调节SLM上显示的光栅图形的周期、角度和轮廓可以实现前述3个信息变量的调控，并且不需要任何机械运动部件。此方案的主要不足有两点：一、系统性能受到SLM材料限制。现有技术条件下，包括LCoS在内的各种位相调制型器件只能采用液晶材料，刷新频率较低(约在100Hz量级)并且不能承受较大的光功率，不利于实现高效的光刻加工。另外，液晶材料对紫外光的透过率低，并且会受到损伤，因而其光刻系统无法采用短波长光源，这不利于获得高分辨率的光刻图形。二、难以获得清晰的条纹轮廓。LCoS作为位相调制型器件，无法实现图形轮廓的直接控制，而必须借助频谱面的滤波(Fourierfilter)，这使得图形轮廓信息在光学系统中的传输过程中受到一定的损失。此外，该方案将SLM作为位相光栅实现入射光的偏转分束和干涉，根据光栅衍射方程，仅当其SLM位相光栅足够密并且傅里叶透镜3的焦距足够长时，其对干涉条纹周期和轮廓的控制才较为精确的。通过参考文献可以看到，其光刻图形的轮廓仍然不够清晰，尤其是条纹周期较大时。硕士论文《用于衍射空间成像的连续变空频干涉光刻技术》提出了另一种基于空间光调制器的干涉光刻系统和方法，根据其光路结构可知，其输入图形轮廓位于镜头的前焦面，曝光面位于镜头的后焦面，不满足成像关系，因而在原理上无法实现清晰的图形轮廓输出。专利CN201210440974.2《一种基于空间光调制器的干涉光刻系统和方法》也存在同样的问题，另外其频谱面还需要滤波，这使得图形轮廓进一步受到影响。综合前述分析，现有干涉光刻技术无法实现高质量和高效率的干涉图形加工。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光学加工系统和方法，以克服现有技术中的不足。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本申请实施例公开一种光学加工系统，包括沿光路方向依次设置的照明光源、空间光调制器、微透镜阵列和成像透镜(组)，所述空间光调制器位于所述微透镜阵列的前焦面，所述成像透镜(组)的前焦面与所述微透镜阵列的后焦面重合，所述空间光调制器为振幅型，具有二维分布的多个图块，所述微透镜阵列包括分布于同一平面内的多个微透镜，每个所述微透镜分别在主光轴方向上与一个所述图块对应。优选的，在上述的光学加工系统中，每个所述图块由单个或者多个像素组成，每个像素可独立设置为开启或关闭。优选的，在上述的光学加工系统中，所述成像透镜(组)为物方远心成像镜头，其像方数值孔径大于等于0.3。优选的，在上述的光学加工系统中，光路方向上还设置有前级镜组，该前级镜组设置于所述空间光调制器和微透镜阵列之间，所述前级镜组包括沿光路方向设置的第一透镜和第二透镜。优选的，在上述的光学加工系统中，光路方向上还设置有中继镜组，该中继镜组设置于微透镜阵列和成像透镜(组)之间，所述中继镜组包括沿光路方向上依次设置的第三透镜、第一半透半反分光反射镜和第四透镜。优选的，在上述的光学加工系统中，还包括聚焦检测光路，该聚焦检测光路包括光电探测器、第五透镜、第六透镜、检测光源和第二半透半反分光反射镜，所述光电探测器位于第五透镜焦面，第五透镜的焦点和成像透镜(组)的焦点处于共轭位置，检测光源发出平行光，经过第二半透半反分光反射镜、第六透镜、第一半透半反分光反射镜、第四透镜和成像透镜(组)到达加工工件表面。优选的，在上述的光学加工系统中，还包括第七透镜和切换装置，在第一状态，所述切换装置带动前级镜组和微透镜阵列整体移动至空间光调制器和成像透镜(组)之间的光路，在第二状态，所述切换装置带动所述第七透镜移动至空间光调制器和成像透镜(组)之间的光路，同时将前级镜组和微透镜阵列整体移出。相应的，本申请还公开了一种利用上述光学加工系统制作数字全息图形方法，单次曝光时，开启空间光调制器中的两个图块，该两个图块的位置相对光轴中心呈对称分布。相应的，本申请还公开了一种利用上述光学加工系统制作三维曲面结构的方法，单次曝光时，开启空间光调制器中的两个图块，该两个图块的位置相对光轴中心呈对称分布，通过多次曝光叠加，在光刻胶上累积获得所特定分布的曝光剂量，显影后获得相应的三维曲面结构。相应的，本申请还公开了一种利用上述光学加工系统制作倾斜槽型结构的方法，单次曝光时，开启空间光调制器中的一个图块。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)、无机械运动机构，响应快速可靠。本案通过SLM显示图像的变化即可实现干涉条纹的三个信息量--周期、角度和轮廓的同时调控。SLM为光电类器件，其响应速度(SLM的刷新频率可到10KHz以上)和可靠性大幅由于传统的机械运动部件。(2)、设备性能更优。相比采用位相型SLM的方案，本方案采用振幅型SLM。在性能上，振幅型SLM具有更高的刷新频率(可达几十KHz)，并且可以承受更高的光功率，有利于实现高效率的光刻加工。另外，振幅型SLM对紫外及以下的短波长光源具有良好的透过率，可获得更高的图形分辨率。相比位相型SLM，振幅型SLM可供选择的商业产品或者替代品更易获得，当具体应用对图形刷新的速度要求不高时，SLM也可由刻有图形的一个或者多个光掩模板代替。(3)、图形轮廓清晰。本方案的光学系统满足严格成像关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学加工系统，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的照明光源、空间光调制器、微透镜阵列和成像透镜(组)，所述空间光调制器位于所述微透镜阵列的前焦面，所述成像透镜(组)的前焦面与所述微透镜阵列的后焦面重合，所述空间光调制器为振幅型，具有二维分布的多个图块，所述微透镜阵列包括分布于同一平面内的多个微透镜，每个所述微透镜分别在主光轴方向上与一个所述图块对应。

【技术特征摘要】
1.一种光学加工系统，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的照明光源、空间光调制器、微透镜阵列和成像透镜(组)，所述空间光调制器位于所述微透镜阵列的前焦面，所述成像透镜(组)的前焦面与所述微透镜阵列的后焦面重合，所述空间光调制器为振幅型，具有二维分布的多个图块，所述微透镜阵列包括分布于同一平面内的多个微透镜，每个所述微透镜分别在主光轴方向上与一个所述图块对应。2.根据权利要求1所述的光学加工系统，其特征在于：每个所述图块由单个或者多个像素组成，每个像素可独立设置为开启或关闭。3.根据权利要求1所述的光学加工系统，其特征在于：所述成像透镜(组)为物方远心成像镜头，其像方数值孔径大于等于0.3。4.根据权利要求1所述的光学加工系统，其特征在于：光路方向上还设置有前级镜组，该前级镜组设置于所述空间光调制器和微透镜阵列之间，所述前级镜组包括沿光路方向设置的第一透镜和第二透镜。5.根据权利要求1或4所述的光学加工系统，其特征在于：光路方向上还设置有中继镜组，该中继镜组设置于微透镜阵列和成像透镜(组)之间，所述中继镜组包括沿光路方向上依次设置的第三透镜、第一半透半反分光反射镜和第四透镜。6.根据权利要求5所述的光学加工系统，其特征在于：还包括聚焦检测光路，该聚焦检测光路包括光电探测器、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李继刚，
申请(专利权)人：李继刚，
类型：发明
国别省市：江苏,32