CN100523916C - 一种全息印刷技术中光场的控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光机电一体化方向微位移控制技术和全息照相平面印刷技术领域，目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能够有效的消除光场相位变化对印刷效果的影响，提高分辨率，并使得通过控制光场相位来控制干涉图案变化在技术上成为可能的全息印刷技术中光场的控制方法及其系统。所述系统结构包括：用于对任何角度的多束相干光进行两两分离并实现两两相干光非共线光调节成共线光的光学系统；用于测量两两共线光的干涉条纹光强的测量系统；和用于将光强变化信号转化成控制信号实现两束光相位锁定的反馈控制系统。

Description

一种全息印刷技术中光场的控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及光机电一体化方向微位移控制技术和全息照相平面印刷技术领域，是一种在纳米精度下可以实现激光相位锁定的空间周期格子位置控制方法及其系统。

技术背景

全息印刷技术利用光刻技术方法，成为超高集成度、超高速、超高频集成电路及器件的研制开发中的关键技术之一，在场发射平板显示器件、CCD探测元结构的产生和磁存储阵列、太阳能吸收器的制造等领域，有很好的应用前景，对当前纳米器件、纳米结构制作，以及光子晶体结构性能的研究都有重要的意义，而且在出版印刷、包装装潢、商品证件防伪加密等领域获得了广泛应用。

目前集成电路已从20世纪60年代的每个芯片上仅有几十个器件发展到每个芯片上可包含约10亿个器件，其增长过程遵从摩尔定律，集成度每3年提高4倍。光刻技术的支持对集成电路的飞速发展起到了极为关键的作用，它直接决定了单个器件的物理尺寸。每次新一代集成电路的出现，总是以光刻所获得的特征尺寸为主要技术标志。从现在的发展水平看，国外一些技术领先的芯片制造商从2003年下半年起已经采用90nm工艺量产多种IC，芯片制造工艺进入纳米时代。为了适应集成电路技术的迅猛发展，光学光刻技术也在努力改善技术上的缺陷，以获得更小的特征尺寸和更高的分辨率。

全息印刷技术作为一种无掩模激光干涉光刻技术，利用多束相干激光在涂有光致抗蚀剂的基片平面内干涉，形成所需要的周期图案。然而，全息平面印刷过程中，由于曝光量的时间累加，光场相位的不稳定对于曝光效果有很大的影响，可以导致特征尺寸增大，分辨率下降。对于较长时间的操作，甚至对导致周期图案模糊甚至无法形成周期图案曝光图的结果。所以，对全息平面印刷中的激光光场进行相位控制是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能够有效的消除光场相位变化对印刷效果的影响，提高分辨率，并使得通过控制光场相位来控制干涉图案变化在技术上成为可能的全息印刷技术中光场的控制方法及其系统。

本发明通过以下技术方案实现其目的。

本发明首先提供了一种全息印刷技术中光场的控制方法，其光场的稳定控制包括以下步骤：

①将光场中任何角度的多束相干光进行两两分离并实现两两相干光非共线光调节成共线光；

②测量上述两两共线光的干涉条纹的光强，将光强变化信号转变成控制信号以实现两束光相位锁定的反馈控制；

③通过调整上述两两共线光之间的相位差来稳定所测量到的光强不变，从而实现光场的稳定控制。

一般的全息印刷技术即使在严格控制的实验室条件下，其空间干涉的周期性格子也很难长时间的保持稳定，由于受到外界环境噪声的影响，干涉图案将产生一定的振动或漂移，如果用这样的光场对光刻胶进行较长时间曝光，周期图案将会变得很模糊，甚至整个空间结构被完全刻蚀。在本发明是基于一维干涉光场的稳定控制系统的基础上，要实现多束相干光的相位稳定和控制，先把多束光两两分离，分别控制两束光的相位锁定。两两控制多束光的相位锁定，那么多束光之间的相位便可以锁住，从而实现整个光场的稳定。

本发明在上述稳定控制的基础上，还进一步的实现了光场的移动控制，具体包括以下步骤：

④连续移动测量干涉条纹光强的位置，改变测量位置的光强；

⑤调整两两共线光之间的相位差，恢复测量位置的光强，通过保持测量位置的光强不变来实现光场跟踪测量位置做相应的移动。

有了两两相干的空间稳定的条纹，对条纹进行移动控制，可以通过改变某一束光的相位并保持稳定。由于光束交叉点的周期性格子跟所测量的条纹相位关系保持一致，只要通过移动了测量位置来实现条纹位置的移动，空间的格子位置(和形状)将会跟着改变。为了提高移动的灵敏性和连续性，一般将测量位置设于干涉条纹中的一条较宽和较亮的条纹上，且测量位置的宽度远小于干涉条纹的宽度，一般控制在条纹宽度的1/5～1/20之间。

由于光场中有多组共线光要监控，如果设置多个测量设备必然造成整个系统的复杂且难以实现，所以本发明采用高频率对每组两两共线光进行切换测量并稳定其相位差，通过分时控制来实现对整个光场的控制。分时控制的方式能够减少测量系统的个数，提高系统稳定性，使系统易于实现。为保证整个系统的稳定性，必须进行高频率的切换，切换的频率一般在500Hz～3kHz之间，在高频率切换测量才能保证整个系统的稳定。

本发明设计了一种使用上述方法的全息印刷技术的光场控制系统，结构包括：用于对任何角度的多束相干光进行两两分离并实现两两相干光非共线光调节成共线光的光学系统；用于测量两两共线光的干涉条纹光强的测量系统；和用于将光强变化信号转化成控制信号实现两束光相位锁定的反馈控制系统。所述光学系统包括多组用于将两两相干光非共线光调节成共线光半透半反镜；和用于切换测量系统分别测量各组调节成共线的相干光干涉条纹的切换装置，切换装置在一定频率下连续切换。将任意角度相交的多束相干光，进行两两分离控制，采用半反半透镜可以简单的实现将相交的非共线光调节成共线光。将非共线的相干光调节成共线相干光，其条纹大小为厘米数量级，外界的振动的影响并没有对条纹引入(或者引入很小)的振动，降低了外界因数的影响，使得本发明系统实现相干光的相位锁定成为可能。切换装置主要实现测量装置在各组共线光之间的切换，或者是切换不同的探头，高频率的分时控制可以实现系统的稳定。

本发明采用的一种切换装置由斩波器和红外对管构成，红外对管的信号端与测量系统相连接，被切换的光束通过斩波器至半透半反镜上，红外对管在斩波器上的通断与被切换的光束在斩波器上的通断相对应。多数光相干分离成两两控制，不可避免会引入额外的光束，使得相干条纹复杂和无序。本发明采用特制的斩波器，通过斩波器来选择光束的通断，以次来选择控制的对象。斩波器的高频率斩波，其切换的频率一般在500Hz～3kHz之间，由于红外在斩波器上的通断与被切换的光束在斩波器上的通断相对应，所以只需根据红外对管的信号便可以确定选定那组光束进行控制。

本发明所述测量系统在投影屏幕上设置小孔光阑，小孔光阑后设有探头，所述探头与反馈控制系统控制连接。小孔光阑对准干涉图像上的一条干涉条纹，小孔光阑的宽度远小于干涉条纹的宽度，一般控制在条纹宽度的1/5～1/20之间。所述反馈控制系统包括用于接收测量系统的数据进行实时反馈控制的反馈电路和用于推动半透半反镜实现光线相位锁定的压电陶瓷。反馈控制系统根据探头的信号通过压电陶瓷控制其中一个半透半反镜移动实现两束光相位锁定。在屏幕上某固定点开个小孔，让干涉条纹的某小点光透过，在小孔后方接上光电探头，此时探头将探测到空间某点的光强信息，如果条纹移动了，探头探测到的强度将发生改变。此时压电陶瓷能够控制一束光的相位变化，当探头探测到条纹移动时，反馈控制系统就可以控制压电陶瓷补偿回来，保持空间条纹稳定不动。在反馈控制系统中采用PID算法对光强信号进行处理，转换成压电陶瓷的控制量，使得空间形成了稳定的干涉条纹。

本系统还包括用于调节干涉条纹的空间位置，实现光场移动控制的精确定位控制的精密调节系统，所述精密调节系统为固定在投影屏幕和探头上，用于调整投影屏幕和探头位置的一维精密移动台。有了空间稳定的条纹，如果还想对条纹进行移动控制，可以使得条纹向某个方向移动和稳定。由于光束交叉点的周期性格子跟所测量的条纹相位关系保持一致，只要通过移动了测量位置来实现条纹位置的移动，空间的格子位置(和形状)将会跟着改变。采用的是移动空间探测点的位置，因为在反馈控制的基础上，探头放在干涉条纹内，只测量干涉条纹某一点的光强，在相位锁定的情况下，电子反馈控制系统控制压电陶瓷保持探头探测的光强不变，此时如果移动探头，则压电陶瓷跟踪动作，保持探头探测点光强不变。这样就可以实现探头移动控制光场条纹的位置移动。

本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步。

1.通过将多束相干光进行两两分离并实现两两相干光非共线光调节成共线光，并分别对其干涉图像进行监控，可以实现整个光场的稳定控制，方法简单实用；

2.通过移动探测位置的方法，可以移动相干光的干涉图像，从而实现整个光场的改变；

3.减小探测位置的宽度为可以实现高精度的调节；

4.采用分时控制的方法能够实现整个系统的稳定和调节，减少系统复杂度；

5.本发明系统简单易于实现，能够使用多种光场中；

6.采用一组半透半反镜调节相干光成共线光，且容易调整相干光之间的相位差；

7.设置有特别的切换装置用于切换各组相干光的测量，简单易用，简化了系统；

8.压电陶瓷能够实现高精度反馈微移动，保证相干光束的相位锁定；

9.高精度移动平台能够实现人工控制改变光场；

10.方法系统简单，易于实现，具有很高的稳定性和可控制性。

附图说明

图1为光场的光路图；

图2为本发明中光学系统的光路图；

图3为本发明切换装置结构示意图；

图4为图3横截面图

图5为本发明的系统图；

图6为实现移动控制的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

以三束光线构成的全息印刷光场为例来说明本发明，其形成光场的光路图如图1所示，三束入射的He-Ne激光1、2和3经过三个半透半反镜41、42和43反射到CCD61上，形成三光束光线不共线相交，在相交点形成了空间干涉的格子，由CCD61可以观测到。本发明采用显微镜62加ccd61的方法，将光线在显微镜62里重组放大，并用ccd61观测，这样就可以方便、直接的实时观察到控制的效果。透过半反半透镜41、42和43的三束光1、2和3相交在一个平面上，如图中的区域5，区域5是实现系统控制的平面。

两两控制多束光的相位锁定，多束光之间的相位变可以锁住。多束光两两分离是控制的难点，由于介质对于不同光束的透射和反射有相同的性能，两两分离光束时，不可避免会引入第三束光。如图2所示，本发明采用一组半反半透镜71和72把三束光1、2和3两两分离，这个时候光1、2共线干涉的地方不可避免的引入了第三束光3，形成了三束光相干，空间的为凌乱的条纹，条纹移动时不能分辨是哪束光相对于第一束光发生了相位变化。所以必须在测量两束光1和2的相位差时挡住第三束光3，在同时测量第三束光3同光1相位关系时又要让第三束光通过。图中为表示光束的透射和反射采用平行线表示，实质为共线的光束。

结合图3，本发明设计了一个切换装置8包括斩波器和红外对管82，斩波器由一个在周边上开设有多个窗口84的源盘81绕转轴83转动构成，红外对管82的信号端与测量系统相连接。被切换的光3通过斩波器上的窗口84至半透半反镜72上，红外对管82发射的光线在斩波器上的通断与被切换的光束3在斩波器上的通断相对应，如图4所示。这样红外对管82可以测量出第三束光3的通断情况，在斩波器档住第三束光3时通知测量系统测量光1、2的相位差，在斩波器没有挡住第三束光3时，测量光1、3的相位差，这样变可以得到光2和光3分别对于光1保持相位稳定。此外相位控制为的是消除外界的干扰，所以必须有较快的反应速度，采用斩波器控制速度可以达到1KHz以上，完全可以抑制外界的噪声干扰。上述半透半反镜71、72和切换装置8构成了本发明的光学系统，将非共线的相干光调节成共线相干光，其条纹大小为厘米数量级，外界的振动的影响并没有对条纹引入(或者引入很小)的振动。。

如图5所示的本发明的系统图，光1、2共线相干后通过凸透镜94透射在投影屏幕91上，投影屏幕91上设置小孔光阑，小孔光阑后设有探头92；光1、3共线相干后通过凸透镜94’透射在投影屏幕91’上，投影屏幕91’上设置小孔光阑，小孔光阑后设有探头92’；所述探头92和92’与反馈电路10控制连接。反馈电路10同时和用于推动半透半反镜72实现光线相位锁定的压电陶瓷101、102相连接。压电陶瓷101、102分别固定在上述半透半反镜71、72上用于调节光1、2和3之间的相位差。以上构成本发明最基本的测量系统和反馈系统。反馈电路10根据探头92的探测结果驱动压电陶瓷101推动半透半反镜71移动，锁定光1、2的相位差；根据探头92’的探测结果驱动压电陶瓷102推动半透半反镜72移动，锁定光1、3的相位差。反馈电路10对压电陶瓷101和102的控制采用PID算法。PID控制算法的数字实现部分是由单片微机系统通过A/D电路检测过程变量Y，并计算误差e和控制变量u，通过D/A变换后输出到执行机构，使过程变量Y稳定在设定的点上。整个控制过程转换成压电陶瓷101和102的控制量，使得空间形成了稳定的干涉条纹，从而稳定了光场的干涉条纹。

为了能够调节干涉条纹的空间位置，实现光场移动的精确定位控制，本发明还设有精密调节系统，所述精密调节系统为固定在投影屏幕91、91’和探头92、92’上，用于投影屏幕91、91’和探头92、92’位置的一维精密移动台93、93’。一维精密移动台93、93’的精度是1um，条纹宽度是4cm，所以精密控制可以达到λ×1um/4cm＝632.8×0.000025＝0.012nm<<1nm，即大行程纳米精度定位控制系统的控制精度；所以，本发明的条纹控制精度约为1nm。以投影屏幕91为例，如图5所示，当朝一个方向移动探头92和屏幕91时，探头92探测到的强度将发生改变，根据上述的分析，反馈控制系统将控制固定在半透半反镜71上的压电陶瓷102，改变光1和2之间的相位差，保持在新的位置上探头92探测到的强度不变，那么干涉条纹将跟随探头92和屏幕91的移动而移动，空间条纹位置将会跟着移动。此移动可以是定量的精密控制，可以计算探头92和屏幕91移动的距离占干涉条纹周期宽度的比例，那么空间条纹将移动同样比例的距离。由于图1中光束交叉点的周期性格子跟屏幕上的条纹相位关系保持一致，只要移动了屏幕上的条纹位置，空间的格子位置(和形状)将会跟着改变。为了提高移动的灵敏性和连续性，一般将测量位置，即小孔光阑911，设于干涉条纹中的一条较宽和较亮的条纹上，且测量位置的宽度远小于干涉条纹的宽度，一般控制在条纹宽度的1/5～1/20之间，图中为突出小孔光阑911而放大了比例。

如图5所示，本发明的反馈电路10和一维精密移动台93、93’可以通过计算机103实现控制，采用usb连接的接口，能够将控制信息反馈给电脑，也能够由电脑控制系统的运作，如反馈精度、频率或是移动一维精密移动台93、93’等。本实施例是对3束光线的原理分析，同样可以拓展到适用于多数光线的系统中。

Claims (6)

1.一种全息印刷技术中光场的控制方法，其特征是所述光场的稳定控制包括以下步骤：

①将光场中任何角度的多束相干光进行两两分离并实现两两相干光非共线光调节成共线光；

②测量上述两两共线光的干涉条纹的光强，将光强变化信号转变成控制信号以实现两束光相位锁定的反馈控制；

③通过调整上述两两共线光之间的相位差来稳定所测量到的光强不变，从而实现光场的稳定控制。

2.根据权利要求1所述的全息印刷技术中光场的控制方法，其特征是在上述稳定控制的基础上，所述光场的移动控制包括以下步骤：

④连续移动测量干涉条纹光强的位置，改变测量位置的光强；

⑤调整两两共线光之间的相位差，恢复测量位置的光强，通过保持测量位置的光强不变来实现光场跟踪测量位置做相应的移动。

3.根据权利要求1或2所述的全息印刷技术中光场的控制方法，其特征是所述测量位置位于干涉条纹的一条条纹上，且测量位置的宽度远小于干涉条纹的宽度。

4.根据权利要求1或2所述的全息印刷技术中光场的控制方法，其特征是采用高频率对每组两两共线光进行切换测量并稳定其相位差，通过分时控制来实现对整个光场的控制。

5.一种全息印刷技术的光场控制系统，其特征是包括：

用于对任何角度的多束相干光进行两两分离并实现两两相干光非共线光调节成共线光的光学系统；

用于测量两两共线光的干涉条纹光强的测量系统；和

用于将光强变化信号转化成控制信号实现两束光相位锁定的反馈控制系统；

所述光学系统包括

多组用于将两两相干光非共线光调节成共线光半透半反镜；和

用于切换测量系统分别测量各组调节成共线的相干光干涉条纹的切换装置，切换装置在高频率下连续切换；

所述切换装置包括斩波器和红外对管，红外对管的信号端与测量系统相连接，被切换的光束通过斩波器至半透半反镜上，红外对管在斩波器上的通断与被切换的光束在斩波器上的通断相对应；

所述测量系统为在投影屏幕上设置小孔光阑，小孔光阑后设有探头，所述探头与反馈控制系统控制连接；

所述反馈控制系统包括用于接收测量系统的数据进行实时反馈控制的反馈电路和用于推动半透半反镜实现光线相位锁定的压电陶瓷。

6.根据权利要求5所述的全息印刷技术的光场控制系统，其特征是还包括用于调节干涉条纹的空间位置，实现光场移动的精确定位控制的精密调节系统，所述精密调节系统为固定在投影屏幕和探头上，用于调整投影屏幕和探头位置的一维精密移动台。

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