专利名称：长焦深元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种长焦深元件的制作方法。
背景技术：
长焦深元件是一种具有一定分辨率且具有较大焦深范围的光学元件，在厚胶光刻、成像系统等各个方面有着广泛的应用前景。随着高新技术的发展对长焦深元件的要求越来越迫切，出现了各种制作长焦深元件的方法。
传统的方法是通过改变光学系统的数值孔径拉长焦深，但根据瑞利判据与分辨率的关系，该方法势必降低光学系统的分辨率。因此当要求光学系统有较高分辨率时，传统的方法显然不能满足需要。
1982年国际电气和电子工程师协会会刊的文章“用相移掩摸的方法在光刻中提高分辨率”提出了一种用相移掩模的方法提高激光光刻中的分辨率，同时并不减少焦深范围，从而相对传统方法变相地提高了焦深(Marc.D.Levensonand N.S.viawanathan etc，Improving Resolution in Potolithography withPhase-Shifting Mask，IEEE，1982，Vol.ED-29，p1828)。但这种方法对焦深的真正拉长并不起作用，应用范围有一定的局限性。
1954年出版的美国光学学会杂志44卷592页的文章“一种新型的光学元件”提出圆锥透镜的概念以及根据这种思想形成的制作长焦深元件的方法(JohnH.McLEod，The AxiconsA New Type of Optical Element，J.Opt.Soc.Am1954，Vol.44，p592)。圆锥透镜的概念是假定光束垂直入射到圆锥透镜上，输出的锥面波可以无扩散地传播到很远距离。然而实际元件的孔径总是有限的，因此这种制作长焦深元件的方法存在下列缺陷设计出的元件特性不能满足轴向焦深范围内光强均匀分布并且直径变化不大的要求，而且圆锥透镜的能量利用率低。
1987年，美国的德尔宁在《美国光学学会杂志》4卷651页的文章“无衍射光束的准确解法。I.数论”(J.Durnin，Exact solution for nondifractingbeams.I.Tht scalar thery，J.Opt.Soc.Am，1987，Vol.4，No.4，p651)提出了可用于实现长焦深的无衍射光束。而且，德尔宁等人应用常规光学元件设计了一个光学系统，生成了无衍射光束中最简单的一种零阶贝塞尔光束。1987年出版的《物理评论快报》58卷1499页的文章“无衍射光束”(J.Durnin，MicclijJr etc，Difraction-free bezm Phys.Rev.Lett，1987，Vol.58，p1499)公开了这种方法，为无衍射光束实现长焦深提供了途径。但这种方法存在的缺陷在于生成零阶贝塞尔光束的光学系统只是演示性的，其能量利用率太低，绝大部分入射光能量被丢失。
1992年寿查基等人在《光学快报》17卷7页的文章“相同亮度透镜的相位延迟”(J.Sochacki，S.Bara，Z.Jaroszewicz and A.Kolodziejczyk，Phaseretardation of the uniform-intensity axlens，Opt.Lett，1992，Vol.17，p7)中提出了能量守恒法设计对数光锥来生成无衍射光束，从而实现长焦深。后来又提出了切趾圆环孔径对数光锥的方法对设计进行优化。但这种能量守恒设计方法存在一定的缺陷，如焦深范围小于设计要求，焦深范围内光场分布存在较强振荡，而且切趾圆环孔径的对数光锥能量利用率太低，加工难以实现。
发明内容
本发明的目的技术解决问题是提供一种简单、易于实现的制作实用化长焦深元件的方法，该方法通过较简化的优化过程优化了系统的整体性能和制作方法的工艺流程，能够利用现有加工手段制作出实用化长焦深元件。
本发明的技术解决方案是长焦深元件的制作方法，其特点在于包括下列步骤(1)启动计算机，完成初始化；(2)通过计算机输入设备输入程序，输入参数长焦深元件的设计焦距、设计焦深、通光孔径、波长等；
(3)设计长焦深元件的位相函数；(4)启动粗优化程序，粗优化长焦深元件的衍射光学元件的位相函数；(5)启动细优化程序，细优化衍射光学元件的位相函数；(6)确定、输出衍射光学元件的制作参数；(7)绘制长焦深元件的焦深与分辨率的关系曲线、焦深与能量的关系曲线、加工误差分析曲线等；(8)确定、输出折射光学元件的制作参数；(9)根据折射光学元件的制作参数，采用传统的冷加工方法制作折射光学元件；(10)根据衍射光学元件的制作参数，采用微细加工技术制作衍射光学元件；(11)将折射光学元件和衍射光学元件进行对中胶合，形成长焦深元件。
本发明的目的也可通过以下技术方案实现加工长焦深元件的衍射光学元件的微细加工技术，可以是二元光学技术、光刻蚀法、薄膜沉积法或移动掩模法等。
本发明与现有技术相比，有如下优点本发明提出利用折衍混合系统实现长焦深元件的制作方法，即分别采用传统冷加工的方法制作折射光学元件；利用现有的二元光学技术、光刻蚀法、薄膜沉积法、以及类似大规模集成电路生产的微细加工方法制作衍射光学元件；然后将折射光学元件和衍射光学元件进行对中胶合，得到长焦深元件。由于本发明的方法中包括的折射光学元件加工方法和衍射光学元件加工方法都是现有技术，所以加工易于实现。
本发明利用折射光学元件承担长焦深元件的光焦度，利用衍射光学元件调整长焦深元件的焦深和光场分布，在较小能量损失的情况下，使所制作的长焦深元件在焦深范围内具有较均匀的光场分布。
本发明通过将对数光锥的位相函数分解为标准球面透镜位相函数和衍射光学元件位相函数之和，计算长焦深元件的衍射光学元件位相函数的粗优化系数，优化原有衍射光学元件位相函数，增加衍射元件的位相深度，即增加了衍射元件的焦深范围；通过计算衍射元件位相函数的细优化系数，进一步优化衍射光学元件位相函数，在保证焦深长度的前提下，调节了位相函数内部结构，改善焦深范围内轴上点光强的振荡。由此使长焦深元件的整体性能得到了提高。
本发明提出的两步优化法(粗优化、细优化)重点从衍射元件的位相函数入手对整个系统进行优化而非整体优化，因此其方法比较简化。并且，由此得到焦深与分辨率、焦深与能量等关系曲线、加工误差曲线用以指导加工工艺，从而优化了长焦深元件制作方法的工艺流程。
图1为本发明实施例一制作方法的工艺流程图；图2为本发明实施例二制作方法的工艺流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
根据实施例一的设计参数波长λ＝0.53μm；元件孔径R＝10.5μm；焦距f＝100μm；焦深范围dof＝1mm，按图1所示的工艺流程完成长焦深元件的制作(1)启动计算机，完成初始化；(2)通过计算机输入设备输入程序；(3)通过计算机输入设备输入下列参数长焦深元件的设计焦距f＝100μm；设计焦深范围dof＝100mm；通光孔径R＝10.5μm；波长λ＝0.53μm；(4)根据上述输入参数，设计长焦深元件的位相函数；(5)根据上述输入参数，启动计算机程序，通过将对数光锥的位相函数分解为标准球面透镜位相函数和衍射光学元件位相函数之和，计算长焦深元件的衍射光学元件位相函数的粗优化系数，优化原有衍射光学元件位相函数，从而增加衍射元件的位相深度，以增加衍射元件的焦深范围；
(6)根据上述输入参数，启动计算机程序，计算长焦深元件的衍射元件位相函数的细优化系数，进一步优化衍射光学元件位相函数，从而在保证焦深长度的前提下，调节位相函数内部结构，改善焦深范围内轴上点光强的振荡；(7)确定、输出衍射光学元件的制作参数二元光学元件的台阶数、浮雕深度、掩模数据等；(8)绘制长焦深元件的焦深与分辨率的关系曲线、焦深与能量的关系曲线、加工误差分析曲线等，利用这些曲线指导加工工艺；(9)根据选定的材料以及计算结果，确定、输出折射光学元件的制作参数厚度和曲率半径；(10)根据折射光学元件的制作参数，采用传统的冷加工方法制作折射光学元件；(11)根据衍射光学元件的制作参数，采用光刻蚀法按以下步骤制作台阶数为2N的二元光学衍射元件(实施例一中，N＝3，即位相台阶＝8)A、制作3组周期不同的掩模板；B、采用第一组掩模的设计图形，进行第一次(N＝1)套刻(a)、光刻通过投影式曝光方法，将记录在第一组掩模上的设计图形，通过光学系统投射到涂有光刻胶的基片上，进行曝光；(b)、显影；(c)、刻蚀采用反应离子技术进行刻蚀，使光刻后在光刻胶上形成的图形进一步传递到光学材料上。
C、采用第二组掩模的设计图形，进行第二次(N＝2)套刻重复上述(a)～(c)步骤；D、采用第三组掩模的设计图形，进行第三次(N＝3)套刻重复上述(a)～(c)步骤，得到具有8位相台阶的二元光学衍射元件，完成衍射光学元件的制作；(12)将折射光学元件和衍射光学元件进行对中胶合，形成长焦深元件。
根据实施例二的设计参数波长λ＝0.5μm；元件孔径R＝9.5μm；焦距f＝90μm；焦深范围dof＝1mm，按图2所示的工艺流程完成实施例二的长焦深元件的制作(1)启动计算机，完成初始化；(2)通过计算机输入设备输入、存储下列参数长焦深元件的设计焦距f＝90μm；设计焦深范围dof＝1mm；通光孔径R＝9.5μm；波长λ＝0.5μm(3)根据上述输入参数，启动计算机程序，通过将对数光锥的位相函数分解为标准球面透镜位相函数和衍射光学元件位相函数之和，计算衍射光学元件位相函数的粗优化系数，优化原有衍射光学元件位相函数，从而增加衍射元件的位相深度，以增加衍射元件的焦深范围；(4)根据上述输入参数，启动计算机程序，计算衍射元件位相函数的细优化系数，进一步优化衍射光学元件应相函数，从而在保证焦深长度的前提下，调节位相函数内部结构，改善焦深范围内轴上点光强的振荡；(5)确定、输出衍射光学元件的制作参数衍射光学元件的最大浮雕深度、台阶深度；(6)绘制长焦深元件的焦深与分辨的关系曲线、焦深与能量的关系曲线、加工误差分析曲线等，用以指导加工工艺；(7)根据选定的材料以及计算结果，确定、输出折射光学元件的制作参数厚度和曲率半径；(8)根据输出的折射光学元件的制作参数，采用传统冷加工的方法制作折射光学元件；(9)根据输出的衍射光学元件的制作参数，采用激光直写技术按以下步骤制作台阶数为2N的二元光学衍射元件(实施例二中，N＝4，即位相台阶＝16)A、行第一次(N＝1)套刻
(a)通过激光直写系统实现曝光；(b)显影；(c)去铬；(d)刻蚀(e)去胶；(f)再涂胶；B、行第二次(N＝2)套刻重复上述的(a)-(f)步骤；C、进行第三次(N＝3)套刻重复上述的(a)-(f)步骤；D、进行第四次(N＝4)套刻重复上述的(a)-(f)步骤；得到具有16位相台阶的二元光学衍射元件，完成衍射光学元件的制作；(10)将折射光学元件和衍射光学元件进行对中胶合，形成长焦深元件。
权利要求
1.一种长焦深元件的制作方法，其特征在包括下列步骤(1)启动计算机，完成初始化；(2)通过计算机输入设备输入程序，输入参数长焦深元件的设计焦距、设计焦深、通光孔径、波长等；(3)设计长焦深元件的位相函数；(4)启动粗优化程序，粗优化长焦深元件的衍射光学元件的位相函数；(5)启动细优化程序，细优化衍射光学元件的位相函数；(6)确定、输出衍射光学元件的制作参数；(7)绘制长焦深元件的焦深与分辨率的关系曲线、焦深与能量的关系曲线、加工误差分析曲线等；(8)确定、输出折射光学元件的制作参数；(9)根据折射光学元件的制作参数，采用传统的冷加工方法制作折射光学元件；(10)根据衍射光学元件的制作参数，采用微细加工技术制作衍射光学元件；(11)将折射光学元件和衍射光学元件进行对中胶合，形成长焦深元件。
2.根据权利要求1所述的长焦深元件的制作方法，其特征在于加工衍射光学元件的微细加工技术，可以是二元光学技术、光刻蚀法、薄膜沉积法或移动掩模法等。
全文摘要
一种长焦深元件的制作方法，通过优化衍射光学元件的位相函数，确定折射光学元件和衍射光学元件的制作参数；根据制作参数采用传统的冷加工方法制作折射元件，采用二元光学技术、光刻蚀法等微细加工技术制作衍射元件，将折射元件和衍射元件进行对中胶合最终形成长焦深元件。本发明方法简单、易于实现，通过较简化的优化过程优化了系统的整体性能和制作方法的工艺流程，能够利用现有加工手段制作出实用化的长焦深元件。
文档编号G02B13/00GK1503022SQ0215327
公开日2004年6月9日 申请日期2002年11月26日 优先权日2002年11月26日
发明者白临波, 李展 申请人:中国科学院光电技术研究所