光学加工系统的制作方法

本申请属于激光加工领域，，特别是涉及一种光学加工系统。

背景技术：

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US 5,822,092，US 5,262,879，WO 98/29767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Polish Holographic systems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(Fourier filter)，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。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种光学加工系统，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

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，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之间的光路，同时将前级镜组和微透镜阵列整体移出。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

(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系，同时光学系统中无需采用频域滤波，因而可以获得更为清晰的图形轮廓。

(4)、可以获得多种干涉图案。

本案中，单次曝光过程中，SLM上的开启的图块不限于2个，由此可形成多光束干涉，例如3光束、4光束等。由此，其干涉图形可以是，多种周期性条纹的同时叠加，可以获得银色的图像效果，而不是传统的单色(红、绿或兰)。其干涉图形也可以是非条纹，如复杂点阵或者是三维立体结构。这些特性有利于在印刷包装和安全识别领域获得应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为一典型数字全息图的示意图；

图2所示为本实用新型具体实施例中光学加工系统的原理示意图；

图3所示为本实用新型具体实施例中空间光调制器的示意图；

图4所示为本实用新型第1实施例中光学加工系统的原理示意图；

图5所示为本实用新型第2实施例中光学加工系统(第一状态)的原理示意图；

图6所示为本实用新型第2实施例中光学加工系统(第二状态)的原理示意图；

图7所示为本实用新型第1应用实施例中光学加工系统的原理示意图；

图8所示为本实用新型第3应用实施例中光场在不同深度的光强分布以及光刻获得的光栅槽型的曲线图；

图9所示为本实用新型第3应用实施例中光学加工系统的原理示意图；

图10所示为本实用新型第4应用实施例中的输出光场图；

图11所示为本实用新型第4应用实施例中光学加工系统的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

结合图2和图3所示，光学加工系统，包括沿光路方向依次设置的照明光源101、空间光调制器102、微透镜阵列103和成像透镜104，空间光调制器102位于微透镜阵列103的前焦面，成像透镜104的前焦面与微透镜阵列103的后焦面重合，空间光调制器102为振幅型，具有二维分布的多个图块1021，微透镜阵列103包括分布于同一平面内的多个微透镜，每个微透镜分别在主光轴方向上与一个图块1021对应。

进一步地，每个图块1021由单个或者多个像素1022组成，每个像素1022可独立设置为开启或关闭。

该技术方案中，SLM(空间光调制器102)为振幅型，可为透射式或反射式。SLM具有二维分布的像素化结构，每个像素可独立设置为′开启′或′关闭′状态。典型代表为美国德州仪器公司的DMD。SLM被分划成多个图块，每个图块可由单个或者多个像素组成。典型地，图块形状为正方形或者六边形，呈密排分布。SLM与计算机相联接，可实现图块的形状、位置和开关状态的控制。SLM上单个图块的输出图形，可以是像素化的任意形状，并不限于矩形，如图2，图块1021由6*6个像素1022组成，轮廓1023为汉字′上′的形状。

在一优选的实施例中，SLM采用反射式，具体采用美国TI公司的DMD，像素数目1920*1080，实际利用中部的1080*1080。像素尺寸10.8um，8*8个像素构成一个图块，图块的宽度为86.4um。

进一步地，微透镜阵列103焦距与口径的比值不小于20。

该技术方案中，微透镜阵列103，其单元尺寸不大于2mm，材质为普通光学玻璃或者石英玻璃，焦比(焦距与口径的比值)不小于20，典型设计波长355nm或者405nm。典型单元形状为正方形或者六边形，呈密排分布。

在其他实施例中，微透镜阵列103的单元，也可采用非周期分布。

在一优选实施例中，微透镜阵列103的单元尺寸300um，单元数目为135*135，呈矩形阵列密排分布。

进一步地，成像透镜104为物方远心成像镜头，其数值孔径大于等于0.3。

该技术方案中，成像透镜104数值孔径大于0.3以获得较高的光学分辨率。

在一优选实施例中，成像透镜104为紫外成像透镜组，镜片材料为熔石英，采用物方远心设计，数值孔径为0.5，成像视场2mm。

进一步地，照明光源101包括沿光路方向上依次设置的激光器和准直扩束镜。

该技术方案中，照明光源101由激光器和准直扩束镜组成，其输出光场接近理想的单色平面波。

在一优选的实施例中，激光器采用DPSS紫外固体激光器，波长为355nm。

本案光学加工系统中，曝光加工表面位于成像透镜104的后焦面。根据 信息光学理论分析可知，每个图块经过与之对齐的单个微透镜和成像透镜104投影在曝光表面，此单个微透镜与成像透镜104构成4f光学系统，满足严格成像关系。成像的缩放倍率由空间光调制器102和成像透镜104的焦距比值决定。在SLM上，开启2个及以上的图块即可在曝光表面形成干涉图案。在一次曝光的过程中，参与曝光的各个图块具有相同的形状。

实施例1

结合图4所示，光路方向上还设置有前级镜组，该前级镜组设置于空间光调制器102和微透镜阵列103之间，前级镜组包括沿光路方向设置的第一透镜201和第二透镜202。

该技术方案中，前级镜组为投影成像光路，由第一透镜和第二透镜构成。其作用有两点：一、前级镜组将SLM投影成像到微透镜阵列103的前焦面。通过光学缩放可实现SLM和微透镜阵列103的单元尺寸和整体幅面的精确匹配。二、微透镜阵列103焦距很短(约为几毫米)，光路元件之间的空间狭小，调整困难。采用前级镜组后，SLM和微透镜阵列103与相邻光路元件的距离大幅增加，便于光路布局和光路元件的对位调整。特别是为反射式SLM提供了足够的布局空间。

在优选的实施例中，前级镜组为3.47倍放大投影光路，实现SLM上图块与微透镜的一一对齐。

进一步地，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103和成像透镜104之间，中继镜组包括沿光路方向上依次设置的第三透镜203、第一半透半反分光反射镜204和第四透镜205。

该技术方案中，中继镜组为投影成像光路，由第三透镜、第一半透半反分光反射镜和第四透镜组成。其作用有三点：

一、实现微透镜阵列103与成像透镜104孔径的尺寸匹配。中继镜组将微透镜阵列103后焦面的光场传输至成像透镜104的前焦面。当中继镜组缩放倍率(第三透镜和第四透镜焦距的比值)小于1时，可采用单元尺寸较大的微透镜阵列103，使得该器件的制作成本和难度降低，同时可以获得干涉图案的周期和角度的精细控制。

二、增加光路的长度，通过第一半透半反分光镜将聚焦检测光路引入到主光路中。

三、方案的光路结构可根据加工工件表面的高度起伏进行动态调节，并且动作部分体积小重量轻。具体地，第三透镜和第四透镜构成双远心光路，两者之间的传输光束接近平行光。当调焦机构带动第四透镜和成像透镜104一同相对第三透镜发生小幅度(几百微米内)的前后位移时，输出图形质量受到的影响很小，仅仅会造成曝光区域的光强均匀性稍微降低。根据这一特性，本方案在进行调焦时，只需相对曝光表面沿着上下方向同时移动第四透镜和成像透镜104，而无需相对曝光表面移动整套光路，由此可实现快速精密的聚焦控制，对加工工件表面的平整度要求大幅降低。优选的，第三透镜和第四透镜的焦距不小于50mm，其物方和像方的视场角小于15度，此时调焦对曝光图形质量的影响进一步减小。

在一优选的实施例中，中继镜组为5倍缩小投影光路，实现微透镜阵列103的尺寸与成像透镜104的孔径匹配。104的像方数值孔径大于等于0.3，以利于获得高分辨率的光刻图形。第三透镜的焦距为400mm，第四透镜的焦距为80mm。第四透镜的尺寸小重量轻，便于伺服聚焦。

进一步地，还包括聚焦检测光路，该聚焦检测光路包括光电探测器206、第五透镜207、第六透镜208、检测光源209和第二半透半反分光反射镜210，光电探测器206位于第五透镜207焦面，第五透镜207的焦点和成像透镜104的焦点处于共轭位置，检测光源209发出平行光，经过第二半透半反分光反射镜210、第六透镜208、第一半透半反分光反射镜204、第四透镜205和成像透镜104到达加工工件表面。

该技术方案中，聚焦检测光路采用焦点共轭原理。光电探测器位于第五透镜焦面，最佳曝光表面位于成像透镜104焦面，第五透镜的焦点和成像透镜104的焦点处于共轭位置。检测光源发出平行光，经过第二半透半反镜、第六透镜、第一半透半反镜、第四透镜和成像透镜104到达加工工件表面。当工件表面恰好位于成像透镜104焦面时，检测光被工件表面反射返回，并且在光电探测器表面聚焦。为了调焦机构工作时能够准确地检测聚焦状况，第六透镜必须与第四透镜和成像透镜104固联(或者同时移动)。

在一优选的实施例中，检测光源采用红光激光二极管，波长为650nm，工件表面的感光材料对该波长不敏感。光电探测器为面阵式CCD。

实施例2

结合图5所示，本实施例在第1实施例的基础上，还包括第七透镜301和切换装置，在第一状态，切换装置带动前级镜组和微透镜阵列103整体302移动至空间光调制器102和成像透镜104之间的光路，在第二状态，切换装置带动第七透镜301移动至空间光调制器102和成像透镜104之间的光路，同时将前级镜组和微透镜阵列103整体302移出。

该技术方案中，本方案可以实现干涉光刻和成像光刻的共用，使得一台设备具有2种功能，并且可以实现干涉光刻图像和成像光刻的图形精确套准，在印刷包装、安全标识和微纳图形制作等方面具有重要应用。

结合图6所示，将第一透镜、第二透镜和微透镜阵列103从主光路中移开，而将第七透镜移入，即可实现干涉光路切换为成像光路，此时第七透镜和成像透镜104组成投影成像主体光路，SLM位于第七透镜的前焦面，曝光面位于成像透镜104的后焦面，SLM被微缩成像至曝光面。第三透镜和第四透镜构成中继光路，不影响光路的工作原理。

第1应用实施例

该实施例中，干涉图案的纹理由SLM上开启的图块的形状和相对位置决定。以数字全息应用为例：单次曝光时开启两个图块。典型地，两个图块的位置相对光轴中心呈对称分布，曝光图案为周期性条纹。条纹的轮廓由图块的形状决定。条纹的角度与两个图块的连线方向一致。条纹的周期由图块位置决定。单个图块相对主光轴的偏离越多，其输出光束的倾角越大，两光束的夹角越大，最终干涉条纹的周期越小。结合图7所示，(a)中两个图块距离大，条纹周期大；(b)中两个图块之间距离小，产生条纹周期小。

第2应用实施例

该实施例中，基于对称两光束的干涉光场，采用多次曝光的叠加，可以生成任意曲面轮廓。根据信息光学理论，基于本案的光路结构，其对称两光束的干涉光场的光强分布为余弦分布。根据傅立叶级数展开和叠加理论，采用多次曝光，并且设置各次曝光的周期和能量(可通过曝光时间设定)为特定数值，可以最终在光刻胶上累积获得所特定分布的曝光剂量，显影后即可获得相应的三维曲面结构。

第3应用实施例

基于非对称两光束的干涉光场，可获得多种干涉条纹周期数值。

当SLM上的两个工作图块的位置相对光轴中心非对称时，根据两个图块的不同相对位置的排列组合，其输出光场的干涉条纹的周期可获得一系列数值，其取值数目远远多于对称两光束的情形。这大幅提升了本专利对输出图形周期的调控能力。当光刻胶的厚度较小时(例如1微米以下)，光刻图形的槽型与理想的余弦分布接近，可应用于数字全息和包装防伪等应用领域。

当光刻胶的厚度较大时(例如2～10微米)，非对称两光束的干涉光场的倾斜传播效应开始明显，其光场在不同深度的光强分布(图8)和最终获得的光栅槽型如图9所示。可以看到，此时可获得倾斜槽型的光栅，这可应用于布拉格光栅等光电器件的制作，在激光器件、光电检测和三维显示(虚拟现实)领域具有重要的应用价值。

第4应用实施例

基于单光束，可以获得倾斜槽型。

当SLM上的采用1个工作图块，并且使其位置相对光轴中心偏移时，其输出光场为倾斜的投影成像(图10)。此时采用较厚(例如2～10微米)的光刻胶，可获得倾斜的图形，如图11。此时槽型的侧面具有闪耀的效果。结合不同槽型的倾斜角度，通过图形设计，可是的最终的加工图形具有浮雕立体效果，可用于三维显示和包装防伪等应用领域。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语″包括″、″包含″或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句″包括一个......″限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。