一种衍射光学透镜波前误差快速修正的方法

技术领域

本发明属于光学加工领域，具体涉及一种衍射光学透镜波前误差快速修正的方法。

背景技术

在衍射光学透镜的加工技术上，普遍采用灰度光刻刻蚀或单点金刚石切削的工艺技术路线。无论是灰度光刻刻蚀还是单点金刚石切削，都存在微浮雕结构底部残余层厚度不均匀以及微浮雕面形与设计面形存在误差等问题，这将增大衍射光学透镜的波前误差，甚至导致透镜无法满足应用需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服衍射光学透镜波前误差过大的问题，实现高衍射效率、高波前质量的衍射光学透镜制作，本发明提供一种衍射光学透镜波前误差快速修正的方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种衍射光学透镜波前误差快速修正的方法，包括衍射光学透镜对准定位、波前测量与灰度掩模计算、透镜背面灰度光刻、透镜背面刻蚀传递和透镜表面清洗。工作流程为首先对已有的修正前衍射光学透镜做对准定位，然后进行波前测量得到波前分布数据，根据波前分布数据计算灰度掩膜数据，接着利用衍射面保护工装保护衍射光学透镜正面，在衍射光学透镜的背面进行灰度光刻，生成光刻胶波前调制层，再利用干法刻蚀技术将光刻胶波前调制层传递至基底，最后表面清洗后即得到修正后衍射光学透镜。

所述的修正前衍射光学透镜为采用灰度光刻或单点金刚石切削技术制造的透镜，正面有微浮雕结构，背面无微浮雕结构，衍射光学透镜的衍射级次为正1级。透镜材料根据使用波段选择，包括紫外光、可见光波段常用的融石英，以及红外波段常用的硅、锗、硫化锌、硒化锌、氟化镁、蓝宝石。

所述的衍射光学透镜对准定位是在透镜表面做上特定标记，使之在波前测量时出现在波前分布图中以校准波前数据的位置信息和角度信息。该特定标记的制作方法可采用记号笔标记或采用遮挡镀膜的方法在正面非图形区或背面制作，标记的形状可采用十字丝型，长度1mm至10mm，宽度0.1mm-1mm。

所述的波前测量与灰度掩模计算首先采用干涉仪或波前传感器对衍射光学透镜的透射波前进行测量，测量波前须大于衍射透镜设计波长，使得0级衍射光强度满足测量要求，若设计波长为A，测量波长可为1.5A至3A。测得的波前分布数据包含对准定位标记和透射波前信息，数据以bmp或STL的格式输出。其次灰度掩膜计算是根据波前测量得到的透射波前数据，生成灰度光刻所需的掩膜数据，通过调整透射波前bmp或STL图像的像素分辨率以及灰度阈值，结合灰度光刻工艺实验结果，设定合理的灰度阈值，数据以bmp或STL的格式输出。

所述的衍射面保护工装是用于保护衍射面的微浮雕结构免于接触损伤和表面摩擦。工装材料可选择抛光金属材质或玻璃材质，平面度优于10um，工装内部尺寸略大于透镜外尺寸，下台阶的深度须大于衍射光学透镜微浮雕深度以免接触微浮雕结构，上台阶的深度须小于衍射光学透镜基底厚度以使基底背面处于最高面。工装与透镜连接的方法可采用光胶合的方式，利用光学固化胶涂覆于工装与透镜的接触区域。

所述的透镜背面灰度光刻采用灰度激光直写工艺，首先在基底背面涂覆正性紫外光刻胶，型号可选市售的AZ4000系列光刻胶，涂覆厚度控制在2um-10um区间，厚度不均匀性控制在±3％以内。灰度曝光前先将衍射光学透镜对准定位，使得透镜在激光直写平台上的放置角度与波前分布图上保持一致。曝光参数根据工艺实验反馈优化确定，选择合适的光强、功率、衰减片和离焦量，曝光完毕进行显影。显影液可选市售的水溶性碱性显影液，如MIF400K型显影液，可进行一定比例的稀释以延长显影时间，提高控制精度。

所述的光刻胶波前调制层是经过灰度光刻后在衍射光学透镜背面形成的具有特定厚度分布的光刻胶膜层，该膜层的存在可以改变基底的透射波前，补偿透镜的透射波前误差。但是该膜层为树脂材质，耐候性较差，需要干法刻蚀工艺传递至基底材料方能持久使用。

所述的透镜背面刻蚀传递采用干法刻蚀工艺，选择反应离子刻蚀或离子束刻蚀设备，根据工艺实验反馈优化确定刻蚀工艺参数，选择合适的工艺气体、功率、流量、腔压，刻蚀完毕进行透镜表面清洗。

所述的透镜表面清洗采用湿法或干法工艺，湿法工艺是利用有机溶剂如无水乙醇和丙酮，对透镜表面进行擦洗，去除残余的光刻胶涂层。干法工艺是利用氧等离子体与残余光刻胶涂层反应生成挥发性气体，被真空系统抽离。

所述的修正后衍射光学透镜具有良好的透射波前，透镜正面的微浮雕结构无任何变化，透镜背面的面形相比修正前发生改变，改变的程度与光刻胶波前调制层厚度分布呈正相关。在一定干法刻蚀工艺参数下，透镜背面的面形改变量PV值与光刻胶波前调制层厚度PV值的比例为定值，改变灰度光刻工艺可以调整透镜背面的面形改变量，实现优化衍射光学透镜的透射波前。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明可以解决现有衍射光学透镜透射波前难以满足应用需求的问题，极大的拓展衍射光学透镜应用范围。

(2)本发明相比离子束抛光等传统面形修正技术具有更高的加工效率、更大的材料兼容度和更低的加工成本。

附图说明

图1为本发明一种衍射光学透镜波前误差快速修正的方法示意图；

图中：1为修正前衍射光学透镜；2为光刻胶波前调制层；3为衍射面保护工装；4为修正后衍射光学透镜。流程(a)为衍射光学透镜对准定位，(b)为波前测量与灰度掩模计算，(c)为透镜背面灰度光刻，(d)为透镜背面刻蚀传递，(e)为透镜表面清洗。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明一种衍射光学透镜波前误差快速修正的方法，包括(a)衍射光学透镜对准定位、(b)波前测量与灰度掩模计算、(c)透镜背面灰度光刻、(d)透镜背面刻蚀传递和(e)透镜表面清洗。工作流程为首先对已有的修正前衍射光学透镜1做对准定位，然后进行波前测量得到波前分布数据，根据波前分布数据计算灰度掩膜数据，接着利用衍射面保护工装3保护衍射光学透镜正面，在衍射光学透镜的背面进行灰度光刻，生成光刻胶波前调制层2，再利用干法刻蚀技术将光刻胶波前调制层2传递至基底，最后表面清洗后即得到修正后衍射光学透镜4。

修正前衍射光学透镜1为采用灰度光刻或单点金刚石切削技术制造的透镜，正面有微浮雕结构，背面无微浮雕结构，衍射光学透镜的衍射级次为正1级。透镜材料根据使用波段选择，包括紫外光、可见光波段常用的融石英，以及红外波段常用的硅、锗、硫化锌、硒化锌、氟化镁、蓝宝石。

(a)衍射光学透镜对准定位，是在透镜表面做上特定标记，使之在波前测量时出现在波前分布图中以校准波前数据的位置信息和角度信息。该特定标记的制作方法采用遮挡镀膜的方法在正面非图形区或背面制作，标记的形状采用十字丝型，长度5mm，宽度0.5mm。

(b)波前测量与灰度掩模计算，首先采用干涉仪对衍射光学透镜的透射波前进行测量，测量波前须大于衍射透镜设计波长，使得0级衍射光强度满足测量要求，设计波长为0.63um，测量波长为1.06um。测得的波前分布数据包含对准定位标记和透射波前信息，数据以bmp格式输出。其次灰度掩膜计算是根据波前测量得到的透射波前数据，生成灰度光刻所需的掩膜数据，通过调整透射波前bmp图像的像素分辨率以及灰度阈值，结合灰度光刻工艺实验结果，设定合理的灰度阈值，数据以bmp格式输出。

衍射面保护工装3是用于保护衍射面的微浮雕结构免于接触损伤和表面摩擦。工装材料可选择抛光金属材质或玻璃材质，平面度优于10um，工装内部尺寸略大于透镜外尺寸，下台阶的深度须大于衍射光学透镜微浮雕深度以免接触微浮雕结构，上台阶的深度须小于衍射光学透镜基底厚度以使基底背面处于最高面。工装与透镜连接的方法可采用光胶合的方式，利用光学固化胶涂覆于工装与透镜的接触区域。

(c)透镜背面灰度光刻，采用灰度激光直写工艺，首先在基底背面涂覆正性紫外光刻胶，型号选市售的AZ4620系列光刻胶，涂覆厚度控制在2um-10um区间，厚度不均匀性控制在±3％以内。灰度曝光前先将衍射光学透镜对准定位，使得透镜在激光直写平台上的放置角度与波前分布图上保持一致。曝光参数根据工艺实验反馈优化确定，选择合适的光强、功率、衰减片和离焦量，曝光完毕进行显影。显影液选市售的MIF400K型显影液，进行1:2比例的稀释以延长显影时间，提高控制精度。

光刻胶波前调制层2是经过灰度光刻后在衍射光学透镜背面形成的具有特定厚度分布的光刻胶膜层，该膜层的存在可以改变基底的透射波前，补偿透镜的透射波前误差。但是该膜层为树脂材质，耐候性较差，需要干法刻蚀工艺传递至基底材料方能持久使用。

(d)透镜背面刻蚀传递，采用干法刻蚀工艺，选择反应离子刻蚀或离子束刻蚀设备，根据工艺实验反馈优化确定刻蚀工艺参数，选择合适的工艺气体、功率、流量、腔压，刻蚀完毕进行透镜表面清洗。

(e)透镜表面清洗，采用湿法或干法工艺，湿法工艺是利用有机溶剂如无水乙醇和丙酮，对透镜表面进行擦洗，去除残余的光刻胶涂层。干法工艺是利用氧等离子体与残余光刻胶涂层反应生成挥发性气体，被真空系统抽离。

修正后衍射光学透镜4具有良好的透射波前，透镜正面的微浮雕结构无任何变化，透镜背面的面形相比修正前发生改变，改变的程度与光刻胶波前调制层厚度分布呈正相关。在一定干法刻蚀工艺参数下，透镜背面的面形改变量PV值与光刻胶波前调制层厚度PV值的比例为定值，改变灰度光刻工艺可以调整透镜背面的面形改变量，实现优化衍射光学透镜的透射波前。