一种柱面基底衍射光学元件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及衍射光学元件制作领域，具体为一种柱面基底衍射光学元件的制作方法。针对赵浩之等人在2013年提出的基于干涉方法在曲面基底上制作具有大面积、任意分布的衍射光学元件时出现的问题，在保证获得同样效果的前提下，为了增加实验的可行性和准确性，得到更好的实验结果，我们提出了基于优化算法的曲面光强调制的新想法，并应用到曲面衍射光学元件的制作中。进行了模拟仿真和实验验证，得到了较满意的结果。相对于干涉的方法，本方法的优势在于只需一个位相调制器，免去了两个空间光调制器对准的麻烦。
【专利说明】一种柱面基底衍射光学元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及衍射光学元件制作领域，具体为一种柱面基底衍射光学元件的制作方 法
【背景技术】
[0002] 衍射光学元件是基于衍射光学发展起来的新型光学元件，是现代光学的一个研究 热点。衍射光学元件具有很高的衍射效率、独特的色散性能、更多的设计自由度、宽广的材 料可选性，在光通讯、光计算、光存储、激光医学和微光机电系统等诸多领域有广泛的应用 前景。由于衍射光学元件是利用具有波长量级厚度的表面浮雕结构对光波进行调制，而且 元件的色温和温差特性与大多数的折射元件互补，所以可以有效地简化光学系统，降低系 统的重量，提高成像质量以及实现被动温度补偿。在众多光学系统中，衍射光学元件主要是 以平面基底为主，然而实际上含有曲面衍射元件的光学系统结构更为简化、重量更轻，在光 学成像系统、光学表面检测、光谱分析和仿生学等领域具有重要的应用价值。
[0003] 当今，在曲面上制作微纳结构的技术可以被用来制作许多实用的器件，如人工复 眼，电子眼相机等等。学术界比较常见的制作曲面微纳结构的方法主要有以下几种：激光直 写和金刚石车削等。然而，这些方法都需要昂贵的设备，而且制作大面积元件的过程都比较 繁琐和耗时。软光刻技术可以很好的解决低产出率的问题，然而却不适用于小曲率半径曲 面的制作，因为聚二甲基硅氧烷制成的软印章本身是平的，被弯曲地使用在曲面上会导致 对准精度的下降，从而影响制作的分辨率。全息光刻又称干涉光刻是一种低成本、高效率的 用于大面积制作微结构的光刻技术。这种方法不需要高昂的设备，而且制作精度可以达到 亚波长量级。而且由于是干涉一次性成图，所以具有快速和高效的优点。然而，此方法主要 是依靠简单平面波或球面波进行互相干涉形成理想图案，并在目标曲面上制作微纳结构， 因此这些结构只限于周期性结构，如点阵或线阵等等。所以干涉光刻的应用也在一定程度 上受到了限制。在2011年史瑞等人提出了用干涉方法制作具有任意分布的衍射元件的新 方法，然而此方法只能用于制作平面上的衍射光学元件。为了在目标曲面上制作具有更加 复杂结构的图案，需要将具有复杂波形的两束光进行干涉，使其能够准确调制曲面上的光 强分布，赵浩之等人在2013年将此干涉方法应用到曲面上，提出了基于干涉方法实现曲面 上任意分布的光强的调制，并应用到具有任意结构的、大面积的衍射光学元件的制作技术 中。这种技术继承了干涉光刻高效率、低成本的优点，并且发展为可以制作非周期结构的图 案，然而限于实验室条件不能够精确对准两个空间光调制器实现两束出射光的精确干涉， 此方法不能够有效地做出实验，因此无法实现广泛的应用。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的技术问题
[0005] 针对赵浩之等人提出的基于干涉方法在曲面基底上制作任意结构的、大面积的衍 射光学元件时出现的问题，在保证获得同样效果的前提下，为了增加实验的可行性和准确 性，得到更好的实验结果，我们提出了基于优化算法的曲面光强调制的新想法，并应用到曲 面制作中。进行了模拟仿真和实验验证，得到了较满意的结果。相对于干涉的方法，本方法 的优势在于只需一个位相调制器，免去了两个空间光调制器对准的麻烦。
[0006] (二）技术方案
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种柱面基底衍射光学元件的制作方法， 所述制作方法分为如下步骤：
[0008] 第一步：针对要设计的衍射光学元件的结构图案进行曲面建模；
[0009] 确定图案原始像素大小aXa ;
[0010] 确定补零后图案像素大小bxb，b>a ;
[0011] 确定补零后的图案尺寸；
[0012] 确定曲率半径、曲面张角；
[0013] 以柱面中心为补零后的图案中心，以中心为原点对图案建丰旲；
[0014] 将图案等分成正方形网格状，网格数为像素数；
[0015] 将每个网格看做一个微元，利用惠更斯衍射计算曲面衍射；
[0016] 第二步：针对一个灰度图案和一个二值图案分别进行数值模拟；
[0017] 定义参数：图案原始大小为256X256像素、补零后大小为400X400像素、理想光 强分布I和曲面上的初始复振幅分布^
【权利要求】
1. 一种柱面基底衍射光学元件的制作方法，所述制作方法分为如下步骤： 第一步：针对要设计的衍射光学元件的结构图案进行曲面建模； 确定图案原始像素大小aXa ; 确定补零后图案像素大小bXb，b>a ; 确定补零后的图案尺寸； 确定曲率半径、曲面张角； 以柱面中心为补零后的图案中心，以中心为原点对图案建丰吴； 将图案等分成正方形网格状，网格数为像素数； 将每个网格看做一个微元，利用惠更斯衍射计算曲面衍射； 第二步：针对一个灰度图案和一个二值图案分别进行数值模拟； 定义参数：图案原始大小为256X256像素、补零后大小为400X400像素、理想光强分 布I和曲面上的初始复振幅分布
，其中j
，α。为随机分布的位相； 利用惠更斯逆向衍射，求得输入面的复振幅分布，即％(扪=~ ^ ; 进行第一次约束，提取其位相0，构成纯位相分布; 作正的惠更斯衍射，得到曲面输出面上的复振幅分布以/.(/〇 = 4 ; 进行第二次约束，即保留位相部分不变，而令振幅为?+1 = MtAfAfApk] -γ (1-Μ)Α」； Μ为一个矩阵，在图像的补零的区域等于0,在图像信号区域为l，k和γ为反馈参数和 噪声抑制参数，取值范围为〇?1 ; 以新得到的复振幅分布作为下一次迭代的初始分布，进行下一轮循环，一直迭代下去， 直到满足收敛精度要求或是达到了迭代次数的上限才会停止； 输出纯位相分布(β); 得出再现图光强分布|U(A)|2; 第三步：实验制作； 把得到的纯位相分布巧(S)的相位部分巧写成归一化bmp格式图像文件加载到BNS空 间光调制器上； 通过实验室搭建空间光调制器系统和4-f光路系统进行柱面曝光实验，具体光路图如 图6所示； 空间光调制器准确调制入射光分布为想要获得的出射光分布，进而准确调制了柱面上 的任意光强分布； 涂抹在目标曲面上的光致聚合物曝光30s，记录图案； 对曝光后的光致聚合物材料紫外固化2分钟，在烤箱中于90摄氏度条件下加热30分 钟，最终制作出具有我们想要获得的图案的衍射光学元件。
2. 根据权利要求1所述的一种柱面基底衍射光学元件的制作方法，其特征在于，所述 方法为基于优化算法、菲涅尔衍射原理以及曲面光强调制的思想，能获得相应的纯位相分 布的一种柱面基底衍射光学元件的制作方法。
【文档编号】G02B5/18GK104090317SQ201410208856
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】刘娟, 王绪刚, 张楠楠, 韩剑, 王涌天 申请人:北京理工大学