專利名稱：基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超精密激光直接寫入式微結(jié)構(gòu)和微陣列光學(xué)器件制作領(lǐng)域，特別是一種基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法與裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的激光直寫技術(shù)均采用單點(diǎn)曝光模式，制作效率較低。為了提高微陣列和微結(jié)構(gòu)光學(xué)等器件的制作效率，國內(nèi)外學(xué)者作了很多有益嘗試。
常規(guī)的基于空間光調(diào)制器的無模光刻技術(shù)很難克服空間光調(diào)制器因其像素的空間周期而形成的黑柵效應(yīng)，制作的器件衍射效率偏低；同時(shí)，因?yàn)榭臻g光調(diào)制器像素的本質(zhì)特性及空間排列的限制，制作圓對稱器件的圖形質(zhì)量明顯不好。
美國MIT的Henry I.Smith等人提出了基于波帶片陣列的無模光刻技術(shù)，其將大成像區(qū)域小數(shù)值孔徑的濾波投影光學(xué)系統(tǒng)和小成像區(qū)域大數(shù)值孔徑的波帶片透鏡陣列組合得到光刻物鏡系統(tǒng)，設(shè)置曝光平臺為光柵掃描，由數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)或光柵光閥(GLV)等空間光調(diào)制器的各微鏡控制與其相匹配的波帶片透鏡陣列子鏡入射激光束的開或關(guān)，并進(jìn)行相應(yīng)的光強(qiáng)灰度等級調(diào)制，通過波帶片透鏡陣列所形成的曝光組合點(diǎn)陣在曝光面上相對掃描完成曝光。通過多點(diǎn)并行曝光，該技術(shù)有效克服了傳統(tǒng)激光直寫寫入速度低下的固有缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高于100nm的寫入精度。然而，波帶片光利用率低、制作精度難于保證的問題卻不容忽視；系統(tǒng)也沒有采取足夠的抑制干擾光及散射光的措施；因?yàn)橹徊捎靡粋€(gè)空間光調(diào)制器調(diào)制光強(qiáng)的灰度等級，整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)量十分龐大；因?yàn)椴捎枚S直角坐標(biāo)平臺的光柵掃描，寫入線條只能局限于平行直線條，從而增加制作圓對稱器件的難度，并且不能保證圖形質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多點(diǎn)并行曝光、曝光面上各曝光點(diǎn)曝光與否可控及曝光強(qiáng)度宏微雙重可調(diào)的高效高分辨力的極坐標(biāo)激光直接寫入方法，以滿足圓對稱衍射光學(xué)等器件制作對速度、精度的要求。本發(fā)明還提供了一種基于上述方法的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入裝置。
上述的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法首先，通過光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制分束的方法，使在每一環(huán)帶內(nèi)產(chǎn)生與徑向位置成正比的寫入光強(qiáng)；其次，通過微光學(xué)陣列聚焦寫入激光，在曝光基片上形成以確定方式排列的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣；同時(shí)，通過依據(jù)回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)掃描方式的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣的聯(lián)動(dòng)控制，完成浮雕圖形的曝光制作。
該方法包括以下步驟a.根據(jù)衍射光學(xué)等器件的位相要求，換算出掩模面各環(huán)帶的曝光強(qiáng)度，由各環(huán)帶的曝光強(qiáng)度確定聲光調(diào)制器和空間光調(diào)制器各像素部位的光強(qiáng)調(diào)制等級，從而確定整個(gè)曝光平面的曝光強(qiáng)度分布；b.根據(jù)曝光面的曝光強(qiáng)度分布，由計(jì)算機(jī)構(gòu)建控制策略、模型和算法，并通過控制系統(tǒng)分別同步向聲光調(diào)制器、空間光調(diào)制器及回轉(zhuǎn)工作臺發(fā)送控制信號；c.由激光光源發(fā)出的寫入激光，通過聲光調(diào)制器的穩(wěn)光調(diào)制、準(zhǔn)值擴(kuò)束系統(tǒng)的準(zhǔn)直擴(kuò)束后，再通過全內(nèi)反射鏡的反射，射向空間光調(diào)制器；d.空間光調(diào)制器的像素部位將寫入激光分束，根據(jù)控制信號各像素部分別調(diào)制各激光束光強(qiáng)，同時(shí)選擇各激光束為曝光狀態(tài)或非曝光狀態(tài)；e.調(diào)制后的各曝光激光束通過投影物鏡的投影放大、空間濾波光闌及孔徑光闌陣列的濾波，射向與其相匹配的微透鏡各子鏡；f.微光學(xué)陣列將各曝光激光束聚焦，在曝光基片形成曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣；g.根據(jù)衍射光學(xué)器件的位相要求，載有基片的氣浮回轉(zhuǎn)工作臺依據(jù)一種曝光方式回轉(zhuǎn)，與曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣聯(lián)動(dòng)控制形成掃描，完成任意浮雕圖形的曝光制作。
上述的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法，所述的計(jì)算機(jī)及控制裝置，根據(jù)曝光面的曝光強(qiáng)度分布，通過控制系統(tǒng)分別同步控制聲光調(diào)制器、空間光調(diào)制器及回轉(zhuǎn)工作臺。
上述的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法，所述的光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制分束裝置，根據(jù)計(jì)算機(jī)(113)發(fā)出、經(jīng)由控制系統(tǒng)(112)調(diào)配的控制信號，由聲光調(diào)制器(12)宏調(diào)制寫入激光光強(qiáng)，控制因光學(xué)元件徑向半徑變化所需要的光強(qiáng)能量整體變化；由空間光調(diào)制器(15)微調(diào)制寫入激光光強(qiáng)，控制局部寫入的光強(qiáng)能量變化，在每一個(gè)環(huán)帶內(nèi)產(chǎn)生與徑向位置成正比的寫入光強(qiáng)，同時(shí)，依據(jù)像素部，空間光調(diào)制器(15)分束寫入激光。
上述的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法，所述的微光學(xué)陣列(19)的各子透鏡聚焦空間光調(diào)制器與其相匹配的各像素部所調(diào)制的曝光光束，在曝光基片上形成以確定方式排列的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣。
上述的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法，所述的回轉(zhuǎn)工作臺(111)為與曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣位置配合，依據(jù)掃描方式與曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣聯(lián)動(dòng)控制的精密回轉(zhuǎn)氣浮工作臺，所述的回轉(zhuǎn)工臺(111)回轉(zhuǎn)掃描方式分為四種1)微光學(xué)陣列中指定子透鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸共軸時(shí)，微光學(xué)陣列形成的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣相對回轉(zhuǎn)工作臺連續(xù)掃描；2)微光學(xué)陣列中指定子透鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸共軸時(shí)，微光學(xué)陣列形成的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣相對回轉(zhuǎn)工作臺分段掃描，處在同一掃描圓周軌跡的各掃描段組合拼接，完成圓周掃描；3)微光學(xué)陣列中指定子透鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸偏軸時(shí)，非傾斜配置的微光學(xué)陣列形成的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣相對回轉(zhuǎn)工作臺連續(xù)掃描；4)微光學(xué)陣列中指定子透鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸偏軸時(shí)，傾斜配置的微光學(xué)陣列形成的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣相對回轉(zhuǎn)工作臺連續(xù)掃描。
上述寫入方法的極坐標(biāo)直接寫入裝置，包括激光光源(11)，該裝置還包括在中心光軸線(1)上依次排列的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(13)、全內(nèi)反射棱鏡(14)，以及垂直于光軸線(1)的光軸線(2)上依次排列的投影物鏡系統(tǒng)(16)、孔徑濾波光闌(17)、孔徑光闌陣列(18)、微光學(xué)陣列(19)、基片(110)，以及外圍設(shè)備控制系統(tǒng)(112)及計(jì)算機(jī)(113)，特別是包括光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制分束裝置和回轉(zhuǎn)掃描方式的回轉(zhuǎn)工作臺。
這個(gè)技術(shù)方案有以下有益效果激光直寫是制作衍射微光學(xué)元件的重要技術(shù)手段之一，也是目前世界各國廣泛認(rèn)同的技術(shù)方式。隨著對其研究的發(fā)展，激光直寫技術(shù)在集成電路掩模、精密電路布線特別在微結(jié)構(gòu)和微陣列光學(xué)元件制作等方面越來越顯示出重要作用。相對電子束直寫等其它光刻技術(shù)，激光直寫技術(shù)具有設(shè)備簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、成本低、制作精度較高等優(yōu)點(diǎn)。
基于空間光調(diào)制器的無模光刻技術(shù)為靈活、快速、大規(guī)模的制作上述器件開辟了新途徑，成為國內(nèi)外專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。該技術(shù)利用具有大量像素可編程控制的空間光調(diào)制器替換傳統(tǒng)光刻系統(tǒng)的掩模圖形，根據(jù)所要制作的圖像數(shù)據(jù)生成的控制信號，通過計(jì)算機(jī)等控制裝置控制空間光調(diào)制器各像素的開和關(guān)，并相應(yīng)調(diào)制通過該像素的激光光束光強(qiáng)灰度等級，再通過投影光刻物鏡由調(diào)制為曝光狀態(tài)的激光束對曝光面進(jìn)行曝光。該技術(shù)既可用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掩模制作，也可用于快速并行激光直寫，大大提高了制作效率。
本發(fā)明提出光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制的方法，即根據(jù)控制信號，由聲光調(diào)制器宏調(diào)制寫入激光光強(qiáng)，控制因衍射光學(xué)元件徑向半徑變化所需要的光強(qiáng)能量整體變化；由空間光調(diào)制器微調(diào)制寫入激光光強(qiáng)，控制局部寫入的光強(qiáng)能量變化，在每一個(gè)環(huán)帶內(nèi)產(chǎn)生與徑向位置成正比的寫入光強(qiáng)。采用該方法有效滿足了極坐標(biāo)系中光調(diào)制系統(tǒng)寬的動(dòng)態(tài)調(diào)制范圍和快的調(diào)制反應(yīng)速度的要求，可顯著提高曝光光強(qiáng)的調(diào)制分辨力，從而可解決精確控制輪廓精度的問題。這是區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一；本發(fā)明針對極坐標(biāo)激光直接寫入技術(shù)的曝光掃描方式，提出了回轉(zhuǎn)工作臺四種回轉(zhuǎn)掃描方式，根據(jù)實(shí)際要求任選一種，通過精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺與曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣位置配合，和三維空間運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)與合成，對曝光組合點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)掃描曝光，完成曝光制作，從而提高寫入效率，這是區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二；本發(fā)明針對極坐標(biāo)激光直接寫入技術(shù)，利用微光學(xué)陣列替換傳統(tǒng)的直寫物鏡，實(shí)現(xiàn)多光路并行同步直寫，有效提高了激光直寫寫入速度，大幅度減少了裝置設(shè)置空間及裝置費(fèi)用，使裝置小型化，這也是本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)之一。
本發(fā)明利用微光學(xué)陣列替換傳統(tǒng)的直寫物鏡，實(shí)現(xiàn)多光路并行同步直寫，有效提高了激光直寫寫入速度；又由于微光學(xué)陣列與傳統(tǒng)物鏡相比，像差小、制作容易、易獲得大的數(shù)值孔徑，可極大的提高寫入分辨力，可在保證焦斑質(zhì)量均勻的同時(shí)，獲得大的曝光區(qū)域；引入光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制裝置，有效滿足了極坐標(biāo)系中光調(diào)制系統(tǒng)寬的動(dòng)態(tài)調(diào)制范圍和快的調(diào)制反應(yīng)速度的要求，提高了曝光光強(qiáng)的調(diào)制分辨力，從而可解決精確控制輪廓精度的問題；且可通過空間光調(diào)制器依據(jù)像素部對寫入激光分束，解決了多光路并行同步直寫光束的控制問題；提出的回轉(zhuǎn)工作臺四種回轉(zhuǎn)掃描方式，可根據(jù)實(shí)際要求任選一種，進(jìn)一步提高寫入效率。本發(fā)明特別適用于微陣列和微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件、微電子、集成光學(xué)等圓對稱器件的制作，具有大范圍、高精度、高效率激光寫入的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提出的四種回轉(zhuǎn)掃描方式分別具有以下特點(diǎn)方式一，掃描簡單易控，但光的利用率低。
方式二，充分利用了陣列中的各微透鏡，大大提高了光利用率及曝光效率，掃描也更為簡單易控。
方式三，提高了曝光析像度，但光率用率低，同時(shí)也增加了系統(tǒng)對準(zhǔn)控制的難度。
方式四，進(jìn)一步提高了曝光析像度，充分提供了光利用率，但也存在系統(tǒng)對準(zhǔn)控制的難度的問題。
本發(fā)明所述的聲光調(diào)制器除了調(diào)制光強(qiáng)外，還可以穩(wěn)定光強(qiáng)，并在系統(tǒng)調(diào)整時(shí)起到關(guān)斷入射激光的作用。


圖1為本發(fā)明裝置的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意3為縱向滑套剖面示意4為現(xiàn)有技術(shù)光柵光閥的單元像素結(jié)構(gòu)5為現(xiàn)有技術(shù)光柵光閥未加電壓時(shí)光路剖面6為現(xiàn)有技術(shù)光柵光閥施加電壓時(shí)光路剖面7為本發(fā)明微光學(xué)陣列中指定子鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸共軸時(shí)，微光學(xué)陣列曝光的配置及連續(xù)掃描的軌跡俯視圖；圖8為本發(fā)明微光學(xué)陣列中指定子鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸共軸時(shí)，微光學(xué)陣列曝光的配置及組合拼接掃描的軌跡俯視圖；圖9為本發(fā)明微光學(xué)陣列中指定子鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸偏軸時(shí)，非傾斜微光學(xué)陣列曝光的配置及連續(xù)掃描的軌跡俯視圖；圖10為本發(fā)明微光學(xué)陣列中指定子鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸偏軸時(shí)，傾斜微光學(xué)陣列曝光的配置及連續(xù)掃描的軌跡俯視圖；本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式下面對照附圖對本發(fā)明的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法與裝置具作詳細(xì)說明如圖1所示，本發(fā)明的裝置包括激光光源11、聲光調(diào)制器12、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)13、全反射棱鏡(TIR)14、光柵光閥(GLV)15、投影物鏡系統(tǒng)16、空間濾波光闌17、孔徑光闌陣列18、微光學(xué)陣列19、基片110、精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺111、控制系統(tǒng)112及計(jì)算機(jī)113等。其光的路徑如下激光光源11發(fā)出的寫入激光，通過聲光調(diào)制器12的穩(wěn)光調(diào)制、準(zhǔn)值擴(kuò)束系統(tǒng)13的準(zhǔn)直擴(kuò)束后，再通過全反射棱鏡14的反射，射向光柵光閥15；光柵光閥15的像素部將寫入激光反射分束，同時(shí)，根據(jù)控制系統(tǒng)112及計(jì)算機(jī)113發(fā)出的控制信號各像素部分別調(diào)制各激光束，選擇各激光束為曝光狀態(tài)或非曝光狀態(tài)；調(diào)制后的各曝光激光束通過全反射棱鏡14透射后，投射到投影物鏡16，經(jīng)其擴(kuò)束放大及空間濾波光闌17和孔徑光闌陣列18的濾波，射向微光學(xué)陣列19與其相匹配的各子鏡；微光學(xué)陣列19將各曝光激光束聚焦，在曝光基片110形成曝光組合點(diǎn)陣；載有基片110的氣浮回轉(zhuǎn)工作臺111依據(jù)一種曝光方式回轉(zhuǎn)，與曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣聯(lián)動(dòng)控制形成掃描，完成任意浮雕圖形的曝光制作。
這里，全反射棱鏡14由兩個(gè)三角棱鏡組合，其主要作用是將照明光路與成像光路分開，即光柵光閥的入射激光與出射激光分開，從而有利于使光路設(shè)計(jì)簡單，提高系統(tǒng)光學(xué)品質(zhì)。
投影物鏡系統(tǒng)的主要作用是將光柵光閥像素的空間尺寸放大，使其與微光學(xué)陣列各子鏡空間尺寸相匹配，抑制各像素的空間變形，均勻曝光光束光強(qiáng)。
本發(fā)明實(shí)施方式的裝置外觀立體圖如圖2所示，被鍥形塊21所支撐的平臺22的中間，設(shè)置有載有表面吸附感光材料的基片110的精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺111。在平臺22上，設(shè)置有橫跨精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺111的雙龍門結(jié)構(gòu)，雙龍門結(jié)構(gòu)由支柱23和橫梁27組成，支柱23固定于平臺22上。依次封裝有投影物鏡系統(tǒng)16、空間濾波光闌17、孔徑光闌陣列18、微光學(xué)陣列19的縱向滑套24(如圖3所示)，通過套筒27與橫向滑套25連接，橫向滑套25與橫梁26連接，縱向滑套24可沿套筒27上下移動(dòng)調(diào)整。另外，縱向滑套24被套筒27和橫向滑套25所支持而能夠沿橫梁27移動(dòng)。整個(gè)裝置放置在空氣彈簧地基上。
如圖2所示，激光光源11(未顯示)發(fā)出的寫入激光28，通過聲光調(diào)制器12的穩(wěn)光調(diào)制、準(zhǔn)值擴(kuò)束系統(tǒng)13的準(zhǔn)直擴(kuò)束后，再通過全內(nèi)反射棱鏡14的反射，射向光柵光閥15；光柵光閥15的像素部將寫入激光反射分束，同時(shí)，根據(jù)控制信號各像素部分別調(diào)制各激光束，選擇各激光束為曝光狀態(tài)或非曝光狀態(tài)；調(diào)制后的各曝光激光束通過全反射棱鏡14透射后，經(jīng)由縱向滑套24，在曝光基片110形成曝光組合點(diǎn)陣；載有基片110的精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺111回轉(zhuǎn)掃描，完成曝光。通過調(diào)整光柵光閥15的位置以及縱向滑套24沿橫梁26位置，完成掃描方式的選擇。
本裝置的控制系統(tǒng)112、計(jì)算機(jī)113以及導(dǎo)線在本圖中未顯示。在不改變裝置原理的基礎(chǔ)上，可在裝置光路中適當(dāng)加入反射棱鏡，以便于裝置空間布局。作為示意，裝置圖中的透鏡都采用單透鏡表示，但實(shí)際中，所畫透鏡均代表透鏡組系。另外，本裝置必備的監(jiān)測裝置、檢測裝置以及定位裝置等裝置，因不屬本發(fā)明范疇，故未在圖中顯示及論述。
本發(fā)明以3×3微透鏡陣列為例實(shí)施本發(fā)明，實(shí)際實(shí)施時(shí)微光學(xué)陣列數(shù)可有限增大。
光柵光閥GLV技術(shù)由斯坦福大學(xué)教授David Bloom等人發(fā)明，技術(shù)原理為光的反射及衍射干涉效應(yīng)，基本結(jié)構(gòu)為由偶數(shù)個(gè)平行條狀結(jié)構(gòu)組成的像素單元，如圖4所示。襯底33材料為硅，條狀結(jié)構(gòu)(可動(dòng)條31和不動(dòng)條32)材料為SiN2，結(jié)構(gòu)表面鍍鋁，可提高反射率和導(dǎo)電性，結(jié)構(gòu)兩端有兩個(gè)支點(diǎn)，中間則懸浮在很薄的空氣層上。在不加電壓的情況下，整個(gè)像素單元為一平坦表面，處于完全反射狀態(tài)，如圖5所示，34為入射光，35為反射光；當(dāng)在可動(dòng)條31和襯底33間施加電壓時(shí)，三個(gè)交替相間的可動(dòng)條在靜電吸引力的作用下向下移動(dòng)，像素表面成一相位光柵，如圖6所示，36為入射光，37為0級衍射光，38為±1級衍射光。光柵光閥的優(yōu)點(diǎn)有響應(yīng)速度快(約20ns)；連續(xù)調(diào)節(jié)光的能力精確度高且可重復(fù)；可靠性高，單個(gè)GLV像素可經(jīng)受6×1012的開關(guān)周期；采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造，制造成本低且容易實(shí)現(xiàn)與CMOS邏輯集成。這些優(yōu)點(diǎn)正是本系統(tǒng)所期待。
本發(fā)明利用光柵光閥的0級衍射光作為曝光光束，雖然利用+1級或-1級衍射光作為曝光光束，在曝光狀態(tài)與非曝光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換可以獲得高的對比度，但是光的利用率很低。為了提高0級衍射光作為曝光光束的對比度，本發(fā)明引進(jìn)了空間濾波光闌和孔徑光闌陣列，以濾除雜散光和干擾光，防止各像素間的串?dāng)_，改善曝光時(shí)各像素引起的工作光和非工作光之間的消光比。
另外，圖7-圖10顯示了四種回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)掃描的方式。圖7顯示了微光學(xué)陣列中指定子鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸共軸時(shí)，微光學(xué)陣列曝光的配置及連續(xù)掃描的軌跡俯視圖；圖8顯示了微光學(xué)陣列中指定子鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸共軸時(shí)，微光學(xué)陣列曝光的配置及組合拼接掃描的軌跡俯視圖；圖9顯示了微光學(xué)陣列中指定子鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸偏軸時(shí)，非傾斜微光學(xué)陣列曝光的配置及連續(xù)掃描的軌跡俯視圖；圖10顯示了微光學(xué)陣列中指定子鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸偏軸時(shí)，傾斜微光學(xué)陣列曝光的配置及連續(xù)掃描的軌跡俯視圖；如圖7所示，在共軸連續(xù)掃描中，微透鏡42聚焦曝光光束形成曝光點(diǎn)43，沿著回轉(zhuǎn)工作臺45的回轉(zhuǎn)掃描方向46生成掃描圓周軌跡44，完成掃描曝光，為了避免重復(fù)曝光，與曝光微透鏡42處在同一掃描軌跡的微透鏡41被設(shè)定為非曝光透鏡。該掃描方式簡單易控，但光的利用率低。為了加強(qiáng)曝光量，拓展掃描輪廓線的深度及寬度，可將微透鏡41設(shè)為曝光透鏡。
以下掃描方式的圖中標(biāo)示如方式7。
如圖8所示，在共軸組合拼接掃描中，各個(gè)曝光微透鏡42只需沿著回轉(zhuǎn)工作臺45的回轉(zhuǎn)掃描方向46生成1/4掃描圓周軌跡44，處在同一掃描軌跡的各曝光微透鏡42即可組合拼接完成掃描曝光。該掃描方式充分利用了陣列中的各微透鏡，大大提高了光利用率及曝光效率，控制也更為簡單。
如圖9所示，偏軸非傾斜連續(xù)掃描，相對掃描方式7，改變了掃描間距，但存在7的缺憾，同時(shí)增加了系統(tǒng)對準(zhǔn)控制的難度。
如圖10所示，偏軸傾斜連續(xù)掃描，相對前三種掃描方式，可獲得更窄的掃描軌跡間距，大大地提高了曝光析像度。
在極坐標(biāo)激光寫入系統(tǒng)中，對于不同的徑向坐標(biāo)，其徑向曝光量φ可以表示為 式中，I為曝光光強(qiáng)，由激光輸出功率決定，ω為回轉(zhuǎn)角速度，r為寫入圓環(huán)半徑，d為掃描線寬。由公式(1)可知，在極坐標(biāo)激光寫入系統(tǒng)中，對于不同的徑向坐標(biāo)及確定的曝光量和回轉(zhuǎn)角速度，如果要求寫入相同的線寬，就需要調(diào)節(jié)曝光光強(qiáng)，半徑越大，曝光光強(qiáng)越大。在制作衍射元件時(shí)，為了保證相位深度和線寬，精確控制曝光量，激光的輸出功率應(yīng)隨半徑的變化而變化，同時(shí)具有高的分辨力。為此，本發(fā)明引入了聲光調(diào)制器和光柵光閥組合的光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制系統(tǒng)，同時(shí)兼?zhèn)漤憫?yīng)速度快、調(diào)節(jié)自由度多的特點(diǎn)。在具體實(shí)施中，根據(jù)衍射光學(xué)器件的位相要求，換算出掩模面各環(huán)帶上點(diǎn)的曝光量，再根據(jù)回轉(zhuǎn)角速度、圓環(huán)半徑及線寬，由公式(1)計(jì)算出各環(huán)帶的曝光強(qiáng)度，從而由聲光調(diào)制器宏調(diào)節(jié)輸出激光的功率變化，負(fù)責(zé)因徑向半徑變化所需要光強(qiáng)能量的整體變化；由空間光調(diào)制器微調(diào)制各激光束，控制局部寫入的光強(qiáng)能量變化，在每一個(gè)環(huán)帶內(nèi)產(chǎn)生與徑向位置成正比的寫入光強(qiáng)。
基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法首先，通過光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制分束的方法，使在每一環(huán)帶內(nèi)產(chǎn)生與徑向位置成正比的寫入光強(qiáng)，滿足極坐標(biāo)系中光調(diào)制系統(tǒng)寬的動(dòng)態(tài)調(diào)制范圍和快的調(diào)制反應(yīng)速度的要求，可顯著提高曝光光強(qiáng)的調(diào)制分辨力；其次，通過微光學(xué)陣列聚焦寫入激光，在曝光基片上形成以確定方式排列的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣；同時(shí)，通過依據(jù)回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)掃描方式的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣的聯(lián)動(dòng)控制，完成任意浮雕圖形的曝光制作。利用上述的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入裝置的具體實(shí)施方式
，本發(fā)明寫入方法的具體實(shí)施方式
包括以下步驟1)根據(jù)衍射光學(xué)等器件的位相要求，換算出掩模面各環(huán)帶的曝光量，再由公式(1)換算出掩模面各環(huán)帶的曝光強(qiáng)度，由各環(huán)帶的曝光強(qiáng)度確定聲光調(diào)制器12和光柵光閥15各像素部位的光強(qiáng)調(diào)制等級，從而確定整個(gè)曝光平面的曝光強(qiáng)度分布圖；2)根據(jù)曝光面的曝光強(qiáng)度分布圖，由計(jì)算機(jī)113構(gòu)建控制策略、模型和算法，并通過控制系統(tǒng)112分別同步向聲光調(diào)制器12、光柵光閥13及回轉(zhuǎn)工作臺111發(fā)送控制信號；3)由激光光源11發(fā)出的寫入激光，通過聲光調(diào)制器12的穩(wěn)光調(diào)制、準(zhǔn)值擴(kuò)束系統(tǒng)13的準(zhǔn)直擴(kuò)束后，再通過全內(nèi)反射鏡14的反射，射向光柵光閥15；4)光柵光閥15的各像素部位將寫入激光分束，根據(jù)控制信號各像素部分別調(diào)制各激光束零級衍射光的光強(qiáng)，同時(shí)選擇各激光束為曝光狀態(tài)或非曝光狀態(tài)；5)調(diào)制后的各曝光激光束通過投影物鏡16的投影放大、空間濾波光闌17及孔徑光闌陣列18的濾波，射向與其相匹配的微透鏡陣列19的各子鏡；6)微光學(xué)陣列19將各曝光激光束聚焦，在曝光基片110形成曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣；7)根據(jù)衍射光學(xué)器件的位相要求，載有基片110的精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺111選擇一種曝光方式回轉(zhuǎn)，與曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣配合形成掃描，完成任意浮雕圖形的曝光制作。
以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求書基礎(chǔ)上的技術(shù)方案都是本發(fā)明的保護(hù)范圍，屬于本發(fā)明的從屬專利或者涵蓋技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法，其特征是首先，通過光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制分束的方法，使在每一環(huán)帶內(nèi)產(chǎn)生與徑向位置成正比的寫入光強(qiáng)；其次，通過微光學(xué)陣列聚焦寫入激光，在曝光基片上形成以確定方式排列的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣；同時(shí)，通過依據(jù)回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)掃描方式的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣的聯(lián)動(dòng)控制，完成浮雕圖形的曝光制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法，其特征是該方法包括以下步驟a.根據(jù)衍射光學(xué)等器件的位相要求，換算出掩模面各環(huán)帶的曝光強(qiáng)度，由各環(huán)帶的曝光強(qiáng)度確定聲光調(diào)制器和空間光調(diào)制器各像素部位的光強(qiáng)調(diào)制等級，從而確定整個(gè)曝光平面的曝光強(qiáng)度分布；b.根據(jù)曝光面的曝光強(qiáng)度分布，由計(jì)算機(jī)構(gòu)建控制策略、模型和算法，并通過控制系統(tǒng)分別同步向聲光調(diào)制器、空間光調(diào)制器及回轉(zhuǎn)工作臺發(fā)送控制信號；c.由激光光源發(fā)出的寫入激光，通過聲光調(diào)制器的穩(wěn)光調(diào)制、準(zhǔn)值擴(kuò)束系統(tǒng)的準(zhǔn)直擴(kuò)束后，再通過全內(nèi)反射鏡的反射，射向空間光調(diào)制器；d.空間光調(diào)制器的像素部位將寫入激光分束，根據(jù)控制信號各像素部分別調(diào)制各激光束光強(qiáng)，同時(shí)選擇各激光束為曝光狀態(tài)或非曝光狀態(tài)；e.調(diào)制后的各曝光激光束通過投影物鏡的投影放大、空間濾波光闌及孔徑光闌陣列的濾波，射向與其相匹配的微透鏡各子鏡；f.微光學(xué)陣列將各曝光激光束聚焦，在曝光基片形成曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣；g.根據(jù)衍射光學(xué)器件的位相要求，載有基片的氣浮回轉(zhuǎn)工作臺依據(jù)一種曝光方式回轉(zhuǎn)，與曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣聯(lián)動(dòng)控制形成掃描，完成任意浮雕圖形的曝光制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法，其特征是所述的計(jì)算機(jī)及控制裝置，根據(jù)曝光面的曝光強(qiáng)度分布，通過控制系統(tǒng)分別同步控制聲光調(diào)制器、空間光調(diào)制器及回轉(zhuǎn)工作臺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法，其特征是所述的光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制分束裝置，根據(jù)計(jì)算機(jī)(113)發(fā)出、經(jīng)由控制系統(tǒng)(112)調(diào)配的控制信號，由聲光調(diào)制器(12)宏調(diào)制寫入激光光強(qiáng)，控制因光學(xué)元件徑向半徑變化所需要的光強(qiáng)能量整體變化；由空間光調(diào)制器(15)微調(diào)制寫入激光光強(qiáng)，控制局部寫入的光強(qiáng)能量變化，在每一個(gè)環(huán)帶內(nèi)產(chǎn)生與徑向位置成正比的寫入光強(qiáng)，同時(shí)，依據(jù)像素部，空間光調(diào)制器(15)分束寫入激光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法，其特征是所述的微光學(xué)陣列(19)的各子透鏡聚焦空間光調(diào)制器與其相匹配的各像素部所調(diào)制的曝光光束，在曝光基片上形成以確定方式排列的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法，其特征是所述的回轉(zhuǎn)工作臺(111)為與曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣位置配合，依據(jù)掃描方式與曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣聯(lián)動(dòng)控制的精密回轉(zhuǎn)氣浮工作臺，所述的回轉(zhuǎn)工臺(111)回轉(zhuǎn)掃描方式分為四種1)微光學(xué)陣列中指定子透鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸共軸時(shí)，微光學(xué)陣列形成的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣相對回轉(zhuǎn)工作臺連續(xù)掃描；2)微光學(xué)陣列中指定子透鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸共軸時(shí)，微光學(xué)陣列形成的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣相對回轉(zhuǎn)工作臺分段掃描，處在同一掃描圓周軌跡的各掃描段組合拼接，完成圓周掃描；3)微光學(xué)陣列中指定子透鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸偏軸時(shí)，非傾斜配置的微光學(xué)陣列形成的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣相對回轉(zhuǎn)工作臺連續(xù)掃描；4)微光學(xué)陣列中指定子透鏡光軸與回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)軸偏軸時(shí)，傾斜配置的微光學(xué)陣列形成的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣相對回轉(zhuǎn)工作臺連續(xù)掃描。
7.一種權(quán)利要求1-6所述寫入方法的極坐標(biāo)直接寫入裝置，包括激光光源(11)，其特征是該裝置還包括在中心光軸線(1)上依次排列的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(13)、全內(nèi)反射棱鏡(14)，以及垂直于光軸線(1)的光軸線(2)上依次排列的投影物鏡系統(tǒng)(16)、孔徑濾波光闌(17)、孔徑光闌陣列(18)、微光學(xué)陣列(19)、基片(110)，以及外圍設(shè)備控制系統(tǒng)(112)及計(jì)算機(jī)(113)，特別是包括光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制分束裝置和回轉(zhuǎn)掃描方式的回轉(zhuǎn)工作臺。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的極坐標(biāo)直接寫入裝置，其特征是所述光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制分束裝置由聲光調(diào)制器(12)和空間光調(diào)制器(15)組成，均通過導(dǎo)線與所述的控制系統(tǒng)(112)和所述的計(jì)算機(jī)(113)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的極坐標(biāo)直接寫入裝置，其特征是所述的空間光調(diào)制器(15)為光柵光閥、數(shù)字微鏡類反射式空間光調(diào)制器。
全文摘要
基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入方法及裝置。本發(fā)明屬于超精密激光直接寫入式微結(jié)構(gòu)和微陣列光學(xué)器件制作領(lǐng)域。本發(fā)明的方法首先，通過光強(qiáng)宏微雙重調(diào)制分束的方法，使在每一環(huán)帶內(nèi)產(chǎn)生與徑向位置成正比的寫入光強(qiáng)，滿足極坐標(biāo)系中光調(diào)制系統(tǒng)寬的動(dòng)態(tài)調(diào)制范圍和快的調(diào)制反應(yīng)速度的要求，可顯著提高曝光光強(qiáng)的調(diào)制分辨力；其次，通過微光學(xué)陣列聚焦寫入激光，在曝光基片上形成以確定方式排列的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣；同時(shí)，通過依據(jù)回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)掃描方式的曝光點(diǎn)組合點(diǎn)陣的聯(lián)動(dòng)控制，完成任意浮雕圖形的曝光制作。本發(fā)明還提供一種基于微光學(xué)陣列多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入裝置。本發(fā)明用作多點(diǎn)曝光的極坐標(biāo)直接寫入。
文檔編號G02F1/01GK1858650SQ200610010129
公開日2006年11月8日 申請日期2006年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月7日
發(fā)明者譚久彬, 單明廣, 劉儉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)