[发明专利]基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法

说明书

技术领域

本发明涉及多台阶微结构制备技术领域，特别是涉及一种基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法。

背景技术

二元光学器件基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，在基片上或者是传统光学器件表面刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。一般地，二台阶二元光学元件具有对称的正负一级衍射光，一级衍射光的理论效率40.5％，4个以上的多台阶二元光学元件的理论衍射效率为81％，8台阶二元光学元件的理论衍射效率为96％。二元光学元件具有波面控制特性，可以控制光场的定向扩散和各向异性的扩散，广泛用于学传感、光通信、光计算、数据存储、激光医学、娱乐消费以及其他特殊的光电系统中，近几年，二元光学的光场可控特性有望在平板显示、LED照明领域应用。因此，大面积、高品质多台阶二元光学元件及其相关材料的制备具有重大产业价值。

目前，多台阶二元光学元件的制作方法主要有：基于二元掩膜图形经多次对准转印的套刻法，一般地，2台阶只需一片掩膜板，一次光刻和一次离子束蚀刻；4台阶需两套掩膜板，两次对准套刻、两次离子蚀刻，对于对准要求极高，由于掩膜板接触拷贝的分辨率>2微米，并且由图形边缘的衍射效应，因此，二元光学元件的最小台阶结构在2微米以上，对于四台阶元件，单元结构达到8微米。这样，二元位相元件的衍射范围受到掩膜拷贝曝光分辨率的限制，同时，多次套刻的显微对准精度为正负0.5um，因此，也影响最终二元光学元件的衍射效率。同时，受制于掩膜光刻机的幅面限制，很难一次性制备超过6英寸的二元光学结构。另外，金刚石车削法，灰阶掩膜法以及激光直写法。其中，激光直写法由于具有加工灵活，无须套刻，成本相对较低等优势，长期以来一直受关注。中国专利CN1556442A公布了一种二元光学变灰度掩膜制作方法与装置。采用连续波长光源和灰度调制空间光调制器DMD，逐视场步进曝光来实现灰度掩膜制作。中国专利申请CN102323726A公布了一种通过DMD逐像素累积曝光，扫描实现高精度灰度曝光的方法。以上方法前者采用灰度调制DMD，需静台时间累积灰度曝光计量，同时由于平台定位精度问题，影响二元位相结构的对准，从而，二元光学元件将产生大量杂散光。后者表达某一位置的灰度每次只能移动一个微镜成像距离，需移动过整个DMD1024像素，效率极低。上述方法基本不能实现大面积高精度的二元光学结构的制备。

一般地，二元光学元件的单元像素尺寸决定了衍射光场范围，像素值越小，对光的扩散的范围越大，要求各像素(台阶)间的对准精度增大。对准精度直接影响二元光学元件再现光场图形的对比度以及背景杂散光是否能够最大限度的消除。已公开报道的上述方法对于高精度、大面积、多台阶二元光学的实际制备和在曝光效率上均没有优势。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法。

发明内容

有鉴于此，为了解决所述现有技术中的问题，本发明提供了一种基于基于空间光调制、光斑平铺扫描频闪(脉冲)曝光的大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法，其定位精度高、无需掩膜套刻、单元像素分辨高、可满足大面积二元光学结构的高效制备的需求。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法，所述方法包括：

S1、将2^N次台阶数据文件处理成灰度值从G0＝0开始到G2^N-1＝2^N-1结束的灰度BMP图像，其中0表示不刻蚀的台阶，2^N-1表示刻蚀深度最深的台阶；

S2、由曝光计量累积公式P＝P1+P2+…+Pn，Pn＝2^n-1*P1(n<＝N)分解灰度BMP图像，通过P1至Pn的单独或者互相累加组合，表示出所有2^N次台阶曝光所需的曝光计量，并将灰度BMP图像分为为若干L＝M*N列的二值BMP位图队列B1至Bm；

S3、将B1图像宽度扩充至DMD窗口像素宽度，上载到SLM空间光调制器件内存中，通过FPGA程序设定SLM每接收一次显示信号，B1图像在DMD窗口高度方向做H＝2^N-1*D像素平移显示；

S4、平台沿X方向匀速扫描运动，每当平台移动距离等于DMD上H像素在感光基板X方向成像尺寸大小时，触发一次SLM显示并同步触发激光器曝光，完成一个扫描行的曝光，X轴回到起始位置；