CN100386662C - 全息凸面光栅光刻光路设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息凸面光栅光刻光路设计方法。特点：它是一种在同心三反射镜光学系统的“无”像差环视场上进行光刻的光路，根据需光刻的凸面光栅的参数，用作图法确定大凹面镜的结构参数，计算出“无”像差环视场的位置。由本方法设计出的光刻光路，其优点是：环上理论像差趋于零，由孔径角的变大带来的像差为最小，畸变为零，从而能制造出高质量凸面光栅，使光栅的光谱像差很小。如果应用于与光刻光路相同结构和参数的同心三反射镜系统中，那么该光谱仪具有高像质光谱、结构简单、重量轻等优点。

Description

全息凸面光栅光刻光路设计方法

技术领域

本发明涉及一种全息凸面光栅光刻光路设计方法，采用同心三反射镜光学系统成像特性而发明的光刻光路，属于光栅光刻光路领域。

技术背景

凸面光栅由于其成像特性一般很少使用，目前还未见有专门介绍凸面光栅制造的文献或专利发表。在一些特殊的同心光学系统中，凸面光栅有其非常优良的特性，如OFFNER结构的成像光谱仪。凸面光栅较凹面光栅更容易制成闪耀型光栅且衍射效率较高。光栅的制造方法一般有机械刻划、光电刻划、全息照相刻划和光栅复制等。全息照相法与机械刻划相比，没有周期性误差、不产生鬼线、尺寸不受限制、如改变激光器波长，能制造整个光学光谱区光栅、生产效率高、成本低等方面的优点。全息凸面光栅可以运用一般平面光栅或凹面光栅的光刻光路来制造平行等间距槽的光栅，如图1所示，激光器1发出激光束经反射镜2反射，射入物镜3聚焦在空间滤波器4的小孔上(小孔在大凹面镜的焦平面上)，再入射到大凹面镜8上，经凹面镜反射出的平行光束分别入射到反光镜5和6上，再经反射镜5和6反射出两束相干光束在凸面基片7上，进行光刻。这一种光刻光路不满足等光程条件，具有很大的球差和场曲，两束相干光波不是严格的平面波，影响光栅条纹，从而降低了光栅质量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有全息凸面光栅光刻光路的缺点，提供一种同心三反射镜光学系统的“无”像差环视场的光路来光刻凸面光栅，制造出比采用一般方法制造具有更高像质的全息凸面光栅光刻光路设计方法。

本发明的技术方案是，一种全息凸面光栅光刻光路设计方法，其特点是它包括下列步骤：

1.建立一种同心三反射镜光学系统的“无”像差环视场光刻光路：同心三反射镜光学系统是由一块大凹面反射镜和一块同心的凸面反射镜组成的系统，它存在一个“无”像差环视场，在过公共球心且垂直于系统光轴的平面上，半径为 $h=\frac{R\sqrt{{4r}^2-R^2}}{2r}$ (其中R为大凹面反射镜球面半径，r为凸面反射镜球面半径，h为“无”像差环视场半径)的环就是“无”像差环视场。因为4r²-R²≥0，显然 $r\≥\frac{R}{2},$ 即凸面反射镜半径大于等于大凹面反射镜半径的一半它由激光器、分光器、反光镜、物镜、空间滤波器、凸面光栅基片、大凹面反射镜组成，凸面光栅基片放在同心三反射镜光学系统凸面反射镜的位置上，激光器发出的激光束经分光器分束为两束光，分别由两块反射镜反射出两束互相平行的光束，再分别射入两物镜，聚焦在空间滤波器上，进入由大凹面反射镜和凸面光栅组成的同心三反射镜系统，两空间滤波器在同心三反射镜系统“无”像差环视场上，两光束经大凹面反射镜反射到凸面光栅基片上进行干涉；

根据需光刻的凸面光栅的参数：凸面光栅的球面半径r和凸面光栅的平面直径d，使得两相干光束能充满凸面光栅基片，采用作图法，确定大凹面反射镜的球面半径R和平面直径D；

先画出凸面光栅位置，取一环半径h，利用公式 $h=\frac{R\sqrt{{4r}^2-R^2}}{2r}$ 算出凹球面半径R，与凸面光栅球面同心画出凹球面，以最大孔径角μ_max为18度，画出边缘光线，经大凹面反射镜反射到凸面光栅上，是否充满球面半径r和平面直径d的凸面光栅，若不能充满，则增大环半径h，再重复以上步骤，直至充满，若充满，则由该光线量出平面直径D，与算出的凹球面半径R确定了大凹面反射镜结构；

2.调整光路，使凹面反射镜与凸面光栅基片同心；

3.由第1步确定的大凹面反射镜球面半径R、凸面光栅基片球面半径r，根据公式： $h=\frac{R\sqrt{{4r}^2-R^2}}{2r}$ 算出“无”像差环视场半径h；

4.将上述光路中两空间滤波器放在同心三反射镜系统“无”像差环视场上，并且是在环直径的两端上；

5.调整光路使经两反射镜反射的两相干光束互相平行，且与同心三反射镜系统的光轴平行，同时在同一个平面内，离光轴的距离均等于环半径h；

6.两相干光束经各自的物镜和空间滤波器射入同心三反射镜系统，其孔径角为0～18度。

本发明的有益效果是，用本发明的光刻光路，在三反射镜“无”像差环上制作凸面光栅，其优点是：环上理论像差趋于零，由孔径角的变大带来的像差为最小，畸变为零，从而能制造出高质量凸面光栅，使光栅的光谱像差很小。如果应用于与光刻光路相同结构和参数的同心三反射镜系统中，那么该光谱仪具有高像质光谱、结构简单、重量轻等优点。

附图说明

图1为现有的全息凸面光栅光刻光路示意图；

图2为同心三反射镜光学系统“无”像差环的全息凸面光栅光刻

光路示意图；

图3为确定大凹面反射镜结构参数的示意图。

具体实施方式

一种全息凸面光栅光刻光路设计方法，其特点是，它包括下列步骤，由图2所示：建立一种同心三反射镜光学系统的“无”像差环视场光刻光路，它由激光器9、分光器10、反光镜11、12、物镜13、14、空间滤波器15、16、凸面光栅基片17、大凹面反射镜18组成，凸面光栅基片17置于同心三反射镜光学系统凸面反射镜的位置上，激光器9发出的激光束经分光器10分束为两束光，分别由两块反光镜11、12反射出两束互相平行的光束，再分别射入两物镜13、14，聚焦在空间滤波器15、16上，进入由大凹面反射镜18和凸面光栅17组成的同心三反射镜系统，两空间滤波器15、16在同心三反射镜系统“无”像差环19视场上，两光束经大凹面反射镜18反射到凸面光栅基片17上进行干涉；根据需光刻的凸面光栅基片17的参数：凸面光栅基片的球面半径r和凸面光栅基片的平面直径d，使得两相干光束能充满凸面光栅基片，采用作图法，由图3所示，确定大凹面反射镜18的凹面球面半径R和平面直径D；先画出凸面光栅位置，取一环半径h，利用公式 $h=\frac{R\sqrt{{4r}^2-R^2}}{2r}$ 算出凹面球面半径R，与凸面光栅球面同心画出凹球面，以最大孔径角μ_max为18度，画出边缘光线，经大凹面反射镜反射到凸面光栅上，是否充满球面半径r和平面直径d的凸面光栅，若不能充满，则增大环半径h，再重复以上步骤，直至充满，若充满，则由该光线量出平面直径D，与算出的凹球面18的半径R确定了大凹面反射镜18的结构；确定大凹面反射镜尺寸的实施方案举例：

参考图3，1.采用作图法确定大凹面反射镜的球面半径R和平面直径D，取最大孔径角μ_max为18度，已知r＝112.98，d＝38，先画出凸面光栅位置，取环半径h＝40mm，利用公式 $h=\frac{R\sqrt{{4r}^2-R^2}}{2r}$ 算出凹球面半径R＝222.27mm，根据已有光学球面样板，取R＝222.3mm，再代入公式 $h=\frac{R\sqrt{{4r}^2-R^2}}{2r},$ 算出h＝39.85mm，与凸面光栅球面同心画出半径为R＝222.3mm的凹球面，以最大孔径角μ_max为18度，画出边缘光线，经大凹面反射镜反射到凸面光栅上，量出平面半径 $32.5\mathrm{mm}>\frac{d}{2}=19\mathrm{mm},$ 说明大大充满球面半径r和平面直径d的凸面光栅基片。从像质、结构和经济性考虑，取大凹面反射镜的平面直径D＝160mm，这样孔径角μ约为11度小于最大孔径角μ_max＝18，该光线经大凹面反射镜反射到凸面光栅上，量出平面半径约为 $21.5\mathrm{mm}>\frac{d}{2}=19\mathrm{mm},$ 充满凸面光栅基片，符合制作条件；

2.调整光路，使大凹面反射镜18与凸面光栅基片17同心；

3.由第1步确定的大凹面反射镜18球面半径R＝222.3mm、凸面光栅基片17球面半径r＝112.98mm，根据公式： $h=\frac{R\sqrt{{4r}^2-R^2}}{2r}$ 算出“无”像差环半径h＝39.85mm；

4.将上述光路中两空间滤波器15、16放在由大凹面反射镜18、凸面光栅基片17组成的同心三反射镜系统“无”像差环视场上，并且是在环直径的两端上；

5.调整光路使经两反射镜11、12反射的两相干光束互相平行，且与同心三反射镜系统的光轴平行，同时在同一个平面内，离光轴的距离均等于环半径h；

6.两相干光束经各自的物镜14、13和空间滤波器15、16射入同心三反射镜系统，其孔径角在0～18度范围内。

Claims (1)

1.一种全息凸面光栅光刻光路设计方法，其特征在于，它包括下列步骤：

1)建立一种同心三反射镜光学系统的“无”像差环视场光刻光路：

同心三反射镜光学系统是由一块大凹面反射镜和一块同心的凸面反射镜组成的系统，它存在一个“无”像差环视场，在过公共球心且垂直于系统光轴的平面上，大凹面反射镜球面半径为R，凸面反射镜球面半径为r，半径为 $h=\frac{R\sqrt{4r^2-R^2}}{2r}$ 的环就是“无”像差环视场，因为4r²-R²≥0，显然 $r\≥\frac{R}{2},$ 即凸面反射镜半径大于等于大凹面反射镜半径的一半；同心三反射镜光学系统的“无”像差环视场光刻光路由激光器(9)、分光器(10)、反光镜(11、12)、物镜(13、14)、空间滤波器(15、16)、凸面光栅基片(17)、大凹面反射镜(18)组成，凸面光栅基片(17)置于同心三反射镜光学系统凸面镜的位置上，激光器(9)发出的激光束经分光器(10)分束为两束光，分别由两块反光镜(11、12)反射出两束互相平行的光束，再分别射入两物镜(13、14)，聚焦在空间滤波器(15、16)上，进入由大凹面反射镜(18)和凸面光栅(17)组成的同心三反射镜系统，两空间滤波器(15、16)在同心三反射镜系统“无”像差环(19)视场上，两光束经大凹面反射镜(18)反射到凸面光栅基片(17)上进行干涉；

根据需光刻的凸面光栅基片(17)的参数：凸面光栅基片的球面半径r和凸面光栅基片的平面直径d，使得两相干光束能充满凸面光栅基片，采用作图法，确定大凹面反射镜(18)的球面半径R和平面直径D；先画出凸面光栅位置，取一环半径h，利用公式 $h=\frac{R\sqrt{4r^2-R^2}}{2r}$ 算出凹球面半径R，与凸面光栅球面同心画出凹球面，以最大孔径角μ_max为18度，画出边缘光线，经大凹面反射镜反射到凸面光栅上，是否充满球面半径r和平面直径d的凸面光栅，若不能充满，则增大环半径h，再重复以上步骤，直至充满，若充满，则由该光线量出平面直径D，与算出的凹球面半径R确定了大凹面反射镜结构；

2)调整光路，使大凹面反射镜(18)与凸面光栅基片(17)同心；

3)由第1步确定的大凹面反射镜(18)凹面半径R、凸面光栅基片(17)球面半径r，根据公式： $h=\frac{R\sqrt{4r^2-R^2}}{2r}$ 算出“无”像差环视场半径h；

4)将上述光路中两空间滤波器(15、16)放在由大凹面反射镜(18)、凸面光栅基片(17)组成的同心三反射镜系统“无”像差环视场上，并且是在环直径的两端上；

5)调整光路使经两反射镜(11、12)的两相干光束互相平行，且与同心三反射镜的光轴平行，同时在同一个平面内，离光轴的距离均等于环半径h；

6)两相干光束经各自的物镜(14、13)和空间滤波器(15、16)射入同心三反射镜系统，其孔径角为0～18度。

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