[发明专利]图案化闪耀光栅的加工方法及系统

说明书

本发明提供一种图案化闪耀光栅的加工方法及系统，其中的方法包括：基于待加工光栅图案中各像素的色调信息，确定与各像素相对应的光波波长；基于光波波长确定待加工光栅图案中闪耀光栅的间距以及外部驱动装置的输入信号；基于输入信号及光波波长，通过驱动装置控制刀具按照预设轨迹进行切削运动；通过按照预设轨迹运动的刀具，在预设基底上加工形成与待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅。利用上述发明能够实现高质量、图案化的闪耀光栅加工。

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，更为具体地，涉及一种图案化闪耀光栅的加工方法及系统。

背景技术

闪耀光栅是一种特殊形式的衍射光栅，其界面轮廓是不对称的锯齿状。闪耀光栅可实现给定衍射级的最大衍射效率，而其他级(特别是零级)的剩余功率最小化。该功能只针对一个波长的衍射，实现闪耀角方向的最大衍射功率，闪耀光栅的效率主要取决于闪耀角和表面质量，而与非工作面无关。

目前，闪耀光栅的制造方法主要有机械刻划、全息离子束加工、电子束光刻和湿法刻蚀。其中，机械刻划是刀具直接在工件表面刻划加工，是加工闪耀光栅最直接的方法，但是容易产生鬼线。机械刻划的闪耀光栅加工关键在于控制凹槽的形状和质量，这取决于装备精度、刀具角度、薄膜特性、环境温度、湿度等加工因素，基本用于制造平面大面积的闪耀光栅，难以实现凹面、自由曲面的闪耀光栅加工。此外，且当栅距接近光波尺寸时，机械刻划加工效率低，难以应用于图案化亚波长的闪耀光栅阵列加工。

全息离子束加工结合了全息光刻和离子束刻蚀两种加工工艺，用全息光刻加工出光栅掩模，用离子束刻蚀掩模由全息光刻加工的光栅掩模，在衬底形成凹槽，通过调整工艺参数可以实现不同角度的闪耀光栅。但是受于技术限制，闪耀光栅受掩模直接影响，光栅截面轮廓的精度受离子束速率比、掩模深宽比限制，很难以像素为单位进行参数调控，影响加工精度。

电子束光刻是不使用掩模的，直接利用电子束在衬底上产生高分辨图形。但刻蚀过程会导致侧壁略微倾斜，降低了闪耀光栅的光学功能，还不能很好的加工大面积光栅。并且，全息离子束加工和电子束光刻都是高能束处理的加工方法，加工成本高，处理效率较低，且高能束会对加工的闪耀表面造成损伤，这大大限制了其应用。

湿法刻蚀可以加工粗糙度值超低、闪耀角小的闪耀表面。但是伴随着蚀刻不稳定性和表面污染，导致光栅质量恶化；由于横向蚀刻，在蚀刻轮廓的顶部形成边缘，降低了制造的光栅的质量。此外，湿法刻蚀虽然可以通过与其他方法结合来制备大面积闪耀光栅，但复杂性和成本增加。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种图案化闪耀光栅的加工方法及系统，以解决现有光栅加工方法存在的成本高、精度低，适用范围受限问题。

本发明提供的图案化闪耀光栅的加工方法，包括：基于待加工光栅图案中各像素的色调信息，确定与各像素相对应的光波波长；基于光波波长确定待加工光栅图案中闪耀光栅的间距以及外部驱动装置的输入信号；基于输入信号及光波波长，通过驱动装置控制刀具按照预设轨迹进行切削运动；通过按照预设轨迹运动的刀具，在预设基底上加工形成与待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅。

此外，可选的技术方案是，确定与各像素相对应的光波波长的表示式为：

其中，Hue表示像素的色调值，λ表示光波波长。

此外，可选的技术方案是，闪耀光栅的间距表示为：

其中，m表示衍射级数，λ表示光波波长，θ表示闪耀光栅的闪耀角，闪耀角基于刀具的夹角确定，α表示入射光线与闪耀光栅的闪耀面法线之间的夹角。

此外，可选的技术方案是，确定驱动装置的输入信号的过程包括：基于间距确定刀具的振动频率与名义切削速度之间的关系；基于振动频率和名义切削速度之间的关系，确定输入信号。