[发明专利]曲面基底多层衍射光学元件的制作方法及装置

说明书

本发明公开一种曲面基底多层衍射光学元件的制作方法及装置，针对田然等人在2015年提出的基于优化算法在曲面基底上制作具有任意分布、多层的衍射光学元件时出现的问题，提出了基于双向误差扩散法的曲面光强调制的新想法，并应用到曲面衍射光学元件的制作中。进行了模拟仿真，得到了较满意的结果。相对于优化算法的方法，本方法的优势在于免去了优化算法需要反复迭代计算的麻烦。

技术领域

本发明涉及衍射光学元件制作领域，具体涉及一种曲面基底多层衍射光学元件的制作方法及装置。

背景技术

衍射光学元件是基于衍射光学发展起来的新型光学元件，是现代光学的一个研究热点。衍射光学元件具有很高的衍射效率、独特的色散性能、更多的设计自由度、宽广的材料可选性，在光通讯、光计算、光存储、激光医学和微光机电系统等诸多领域有广泛的应用前景。由于衍射光学元件是利用具有波长量级厚度的表面浮雕结构对光波进行调制，而且元件的色温和温差特性与大多数的折射元件互补，所以可以有效地简化光学系统，降低系统的重量，提高成像质量以及实现被动温度补偿。在众多光学系统中，衍射光学元件主要是以平面基底为主，然而实际上含有曲面衍射元件的光学系统结构更为简化、重量更轻，在光学成像系统、光学表面检测、光谱分析和仿生学等领域具有重要的应用价值。

当今，在曲面上制作微纳结构的技术可以被用来制作许多实用的器件，如人工复眼，电子眼相机等等。学术界比较常见的制作曲面微纳结构的方法主要有以下几种：激光直写和金刚石车削等。然而，这些方法都需要昂贵的设备，而且制作大面积元件的过程都比较繁琐和耗时。软光刻技术可以很好的解决低产出率的问题，然而却不适用于小曲率半径曲面的制作，因为聚二甲基硅氧烷制成的软印章本身是平的，被弯曲地使用在曲面上会导致对准精度的下降，从而影响制作的分辨率。全息光刻又称干涉光刻是一种低成本、高效率的用于大面积制作微结构的光刻技术。这种方法不需要高昂的设备，而且制作精度可以达到亚波长量级。而且由于是干涉一次性成图，所以具有快速和高效的优点。然而，此方法主要是依靠简单平面波或球面波进行互相干涉形成理想图案，并在目标曲面上制作微纳结构，因此这些结构只限于周期性结构，如点阵或线阵等等。所以干涉光刻的应用也在一定程度上受到了限制。在2011年史瑞等人提出了用干涉方法制作具有任意分布的衍射元件的新方法(2011年被美国光学学会OSA旗下的Optics Letters期刊收录，名称为《Designing andfabricating diffractive optical elements with a complex profile byinterference》)，然而此方法只能用于制作平面上的衍射光学元件。为了在目标曲面上制作具有更加复杂结构的图案，需要将具有复杂波形的两束光进行干涉，使其能够准确调制曲面上的光强分布，赵浩之等人在2013年将此干涉方法应用到曲面上(2013年被美国光学学会OSA旗下的Optics Express期刊收录，名称为《Modulation of optical intensity oncurved surfaces and its application to fabricate DOEs with arbitrary profileby interference》)，提出了基于干涉方法实现曲面上任意分布的光强的调制，并应用到具有任意结构的、大面积的衍射光学元件的制作技术中。为了能够在单次曝光的情况下同时获得多层曲面衍射光学元件，需要将对应不同衍射距离处的复杂光波场进行干涉，使其能够经再现实现多层曲面的光场分布，田然等人在2015年将此方法应用到多层曲面上(2015年被美国光学学会OSA旗下的Optics Express期刊收录，名称为《Design and fabricationof complicated diffractive optical elements on multiple curved surfaces》)，提出了基于优化算法实现多层曲面上的任意光强的调制，并应用到多层任意曲面衍射光学元件的制作中。这种技术继承了干涉光刻高效率、低成本的优点，并且发展为可以制作非周期结构的图案，然而限于实验室条件不能够精确对准两个空间光调制器实现两束出射光的精确干涉，此方法不能够有效地做出实验，因此无法实现广泛的应用。

发明内容