CN104704406B - 用于制造几何相位全息图的直写式光刻法 - Google Patents

Abstract

直写光刻装置包括配置成改变来自光源的光的极化定向角的极化选择器级、配置成将来自光源的光聚焦到在其焦平面处的斑点中的聚焦元件、以及配置成在至少两个维度中沿着布置成接近焦平面的极化敏感记录介质的表面扫描斑点使得相邻的扫描实质上重叠的扫描级。极化选择器级和扫描级被配置成彼此独立地进行操作。也讨论了相关的制造方法和由此制造的光学元件。

Description

用于制造几何相位全息图的直写式光刻法

政府支持的声明

本发明至少部分地在由国家科学基金授权号0955127授予的美国政府支持下完成。美国政府在本发明中具有某些权利。

优先权的要求

本申请要求2012年10月15日提交的美国临时专利申请号61/713,770的优先权，其公开通过引用被全部并入本文。

技术领域

本发明涉及双折射光学元件和相关的制造方法。

背景技术

已对许多应用（包括显示器、光通信、天文学、极化全息术和极化测定法）研究了图案化双折射元件。具体实施非均匀双折射元件的一种方式是使用与液晶材料组合的光取向技术。

光取向聚合物已被发展来用在液晶显示器和其它光学元件中，其中在样本上的不同区域处具有光轴的不同定向可能是合乎需要的。可使用UV灯或激光器发光通过一个或多个固定阴影掩模或使用全息强度干涉来暴露（即，图案化）光取向聚合物，以创建取向域，其内可能存在占优势地均匀的光轴定向。极化全息术也可用于创建具有光轴定向的连续变化的取向轮廓（profile）以形成极化光栅。这个极化全息光刻方法可扩展到一般情况，其中任意线性极化图（例如空间上变化的极化图案）可被产生并从许多物理元件的波前被记录。这些方法一般涉及具有固定图案的小数目的暴露（例如一个或两个暴露），而没有照明光或阴影掩模（如果被使用的话）的扫描。

使用光取向原理制造特定图案化延迟器的其它方法可涉及以某种方式扫描，并可被称为直写式光刻法。例如，可使用线形或楔形孔径和/或透镜来创建被称为q-板（或涡流延迟器）的一类波片以创建被旋转地扫描的照明光束，同时记录介质也可被旋转地扫描。这种方法可使用扫描的一个（或二个）维度，并可将其限制到旋转对称的空间图案和径向均匀的极化图案。类似地，圆柱形透镜和旋转波片可布置成创建线形光束，同时记录介质在一维上被线性地扫描以产生极化光栅（PG）。这种方法也可使用扫描的两个维度，并可被限制到一维的空间图案。

极化敏感介质的其它直写方法可扫描已由透镜聚焦的小极化斑点。在一种情况下，这个极化斑点可使用一个线性和一个旋转级来跨极化敏感板的区域被扫描，且表面浮凸图案可按照每个位置被照亮多长时间来被记录。

在另一直写方法中，极化斑点可在三维中被扫描，但所有三维可出现在单个元件（即记录介质底座）中。也就是说，空间扫描和极化选择可内在地被耦合。矩形孔径也可直接地布置在记录介质之前以迫使照明斑点具有阶形强度轮廓。这个配置可用于制造平面光波导。

又一直写方法提供用于计算机生成的极化全息图的制造方法。虽然这个方法可包括三维的计算机控制，它也可以要求正方形孔径光阑（stop）来在具有阶形强度轮廓的样本处产生斑点。这也可用于创建被称为“单元”的离散暴露正方形的阵列，在其内，极化可以是均匀的，且其中相邻“单元”的重叠可能是有害的。因此，逐步的/离散扫描可能是必要的。

在又一直写方法中，脉冲激光器可用于在玻璃中创建空间上变化的形式双折射。“微波片”因此可被形成为离散的斑点。还可能需要具有阶形强度的均匀斑点。

发明内容

根据本文描述的一些实施例，用于图案化极化图的直写的装置可包括配置成提供至少部分地准直的光束的光源、配置成允许至少极化定向角的计算机控制的扫描的极化选择器、配置成在焦平面处将光束聚焦到有具有大致高斯形状的平稳地变化的强度的斑点中的透镜、配置成由计算机控制的二维扫描系统、和布置在透镜的焦平面附近的极化敏感记录介质。扫描系统配置成在记录介质上连续地扫描光束，使得相邻扫描在空间上重叠，以在时间平均的极化图中创建连续的变化。

在一些实施例中，传送到极化敏感记录介质的来自光源的光的强度对于一直到整个记录参数空间可以大致是均匀的。

在一些实施例中，极化敏感记录介质可实质上是各向同性的（如同许多光取向材料一样）或双折射的（如同许多偶氮苯聚合物一样）。

在一些实施例中，光源可以是配置成提供具有线性极化的准直光束的紫外（UV）激光器。

在一些实施例中，极化选择器可以是布置在旋转级内的半波延迟器。

在一些实施例中，极化选择器可包括电光设备。在一些实施例中，电光设备可以是普克尔斯盒。在一些实施例中，电光设备可以是法拉第旋转器。在一些实施例中，电光设备可以是液晶盒。

在一些实施例中，透镜可以是具有至少5倍（5X）的放大率的物镜。

在一些实施例中，二维扫描系统可包括一对线性平移级。

在一些实施例中，记录介质可以是对线性极化光敏感的光取向聚合物的薄层，双折射材料层可随后布置到其上，使得双折射材料层的相应的局部光轴可根据在光取向聚合物中的图案而取向。这可导致具有不变的局部延迟的光学元件和在空间上变化的局部光轴。

在一些实施例中，记录介质可以是光取向聚合物，且涂覆在顶部上的双折射层可以是液晶层。

在其它实施例中，记录介质可以本身是极化敏感的，并允许感生双折射两者，例如具有包括含偶氮苯聚合物的异构化化学性质的一类聚合物。

在一些实施例中，元件以下列顺序布置：UV激光器、极化选择器、物镜、记录介质、和线性平移级。

在另外的实施例中，光源可以是产生具有线性极化的准直光束的UV激光器。

在另外的实施例中，极化选择器可以是布置在旋转级内的半波延迟器。

在另外的实施例中，极化选择器可以是普克尔斯盒和四分之一波片，其中四分之一波片可布置成从普克尔斯盒接收光输出。

在另外的实施例中，球形透镜可配置成提供直径大约1 mm或更小的焦斑。

在另外的实施例中，二维扫描系统可包括转向到包括仰角和方位角两者的立体角中的一对成角度倾斜的反射镜。

在另外的实施例中，记录介质可以是对线性极化光敏感的光取向聚合物的薄层，液晶层可随后布置到其上。

在另外的实施例中，元件以下列顺序布置：UV激光器、透镜、角扫描反射镜、极化选择器和记录介质。

在又一些实施例中，第二透镜可被提供在极化选择器和记录介质之间，这可提供另外的光束调节。

根据本文描述的另外的实施例，装置包括配置成改变在多个极化当中的来自光源的光的极化的极化选择器级、配置成将来自光源的光聚焦到在其焦平面处的斑点中的聚焦元件、以及配置成相对于彼此扫描斑点和极化敏感记录介质的表面的扫描级，其中记录介质布置成接近焦平面。扫描级配置成在至少两个维度中沿着记录介质的表面扫描斑点，使得相邻的扫描实质上重叠。极化选择器级和扫描级配置成独立地操作以分别改变极化并扫描斑点。

在一些实施例中，扫描级可配置成以小于斑点的大小的空间分辨率沿着记录介质的表面扫描斑点。

在一些实施例中，扫描级可配置成沿着记录介质的表面连续扫描斑点。

在一些实施例中，装置可配置成在记录介质中创建光轴定向轮廓。光轴定向轮廓可基于多个极化中的一些的时间平均沿着记录介质的表面在至少一个方向上改变。

在一些实施例中，聚焦元件可配置成提供具有大约1毫米或更小的直径或其它尺寸的斑点。在其它实施例中，斑点可具有大约200微米或更小的直径或其它尺寸。在又一些实施例中，斑点可具有大约50微米或更小的直径或其它尺寸。

在一些实施例中，极化选择器级可配置成独立于扫描级而被控制以提供可选择的极化定向角。

在一些实施例中，极化选择器级可包括可旋转的延迟器元件，且极化定向角响应于延迟器元件的旋转在由至少两个维度限定的平面内可以是可选择的。

在一些实施例中，扫描级可包括配置成相对于斑点在至少两个维度中移动记录介质的至少两个线性平移级。

在一些实施例中，极化选择器可布置在光源和聚焦元件之间。

在一些实施例中，扫描级可包括配置成绕着对应于至少两个维度的相应轴旋转的至少一个反射镜。

在一些实施例中，扫描级可布置在聚焦元件和聚焦元件的焦平面之间，且延迟器元件可布置在扫描级和聚焦元件的焦平面之间。

在一些实施例中，装置可配置成独立于极化选择器级和扫描级的操作而改变来自光源的光的强度。

在一些实施例中，来自光源的光可以是具有线性极化的至少部分地准直的光束。

在一些实施例中，来自光源的光可以是紫外（UV）光。

在一些实施例中，斑点可在焦平面处具有平滑地改变的非恒定强度轮廓。

根据本文描述的其它实施例，直写式光刻方法包括改变在多个极化当中的来自光源的光的极化，将来自光源的光聚焦到在焦平面处的斑点中、以及相对于彼此扫描斑点和极化敏感记录介质的表面，其中记录介质布置成接近焦平面。斑点在至少两个维度中沿着记录介质的表面被扫描，使得相邻的扫描实质上重叠。极化的改变和斑点的扫描被独立地执行。

在一些实施例中，可沿着记录介质的表面以小于斑点的大小的空间分辨率扫描斑点。

在一些实施例中，可沿着记录介质的表面连续扫描斑点。

在一些实施例中，扫描可在记录介质中创建光轴定向轮廓，所述光轴定向轮廓基于多个极化中的一些的时间平均沿着其表面改变。

在一些实施例中，极化可独立于扫描而改变以提供可选择的极化定向角。

在一些实施例中，可以通过独立于扫描而旋转延迟器元件来改变极化定向角，使得极化定向角响应于延迟器元件的旋转在由至少两个维度限定的平面内是可选择的。

在一些实施例中，可通过相对于斑点在至少两个维度中移动记录介质来扫描斑点。

在一些实施例中，可通过绕着对应于至少两个维度的相应轴旋转至少一个反射镜来扫描斑点。

在一些实施例中，双折射材料层可在记录介质上形成，使得其相应的局部光轴根据在记录介质中的相应光轴定向轮廓而取向。

在一些实施例中，可独立于极化的改变和斑点的扫描而改变来自光源的光的强度。

在一些实施例中，具有线性极化的至少部分地准直的光束可作为来自光源的光被提供。

根据本文描述的又一些实施例，光学元件包括具有局部光轴定向的双折射材料层，局部光轴定向沿着其表面在至少一个方向上改变。局部光轴定向对应于通过改变在多个极化当中的来自光源的光的极化、将来自光源的光聚焦到在焦平面处的斑点中、以及在至少两个维度中沿着布置成接近焦平面的极化敏感记录介质的表面扫描斑点使得相邻的扫描实质上重叠而形成的光轴定向轮廓，其中极化的改变和斑点的扫描被独立地执行。

在一些实施例中，记录介质可以是光取向层，且双折射材料层可以是在光取向层上的液晶层。

在一些实施例中，双折射材料层可以是用作记录介质的偶氮苯聚合物层。

在一些实施例中，局部光轴定向可沿着双折射材料层的表面在至少一个方向上非线性地改变以限定具有变化的周期性的图案。

在一些实施例中，在双折射材料层的中心部分处的周期性可以大于其边缘部分处的周期性。

在一些实施例中，局部光轴定向可沿着双折射层的表面在至少一个方向上线性地改变以限定具有不变的周期性的图案。

在一些实施例中，局部光轴定向可沿着双折射光学元件的表面在第一和第二维度上改变。

在一些实施例中，双折射层可包括并排地定位的相邻的第一和第二区域，且在第一和第二区域中的局部光轴定向可具有不同的周期性。

根据本文描述的又一些实施例，光学元件包括极化敏感记录介质，在其中具有沿着其表面根据对应于对具有变化的极化的光重叠暴露的多个极化的时间平均而连续改变的光轴定向轮廓。极化敏感记录介质可实质上是各向同性的（如同许多光取向材料一样）或双折射的（如同许多偶氮苯聚合物一样）。

在审阅下面的附图和详细描述时，根据一些实施例的其它装置和/或方法将对具有本领域技术的人员变得明显。意图是除了上述实施例的任何和所有组合以外，所有这样另外的实施例也都包括在本描述内，在本发明的范围内，并被附随的权利要求保护。

附图说明

图1图示出根据本发明的一些实施例的直写式光刻系统的布局。

图2A-2C示出根据本发明的一些实施例的在几何相位全息图（GPH）中的在空间上变化的光轴轮廓的示例：图2A示出一维几何相位透镜；图2B示出二维几何相位透镜（其中条指示局部光轴方向，且Φ(x,y)是光轴相对于x轴的角度）；以及图2C示出包括椭圆极化的另一实例极化图。

图4示出根据本发明的一些实施例的具有包含连续光轴轮廓的多个区域的GPH的在空间上变化的光轴轮廓的示例，在其之间具有离散的边界。

图5示出根据本发明的另外的实施例的直写式光刻系统的布局。

图6A-6D示出根据本发明的另外的实施例的被形成为向量切趾相位板（APP）的GPH的实验结果：图6A示出期望相位轮廓；图6B示出在交叉极化器之间的GPH的所计算的强度；图6C示出在具有交叉极化器的极化光学显微镜中的GPH的所测量的强度；以及图6D示出从所制造的GPH所得到的所测量的相位。

图7A-7C示出根据本发明的一些实施例的不同类型的GPH的实验结果：图7A示出在其奇点（singularity）周围的q-板；图7B示出具有所示的一个完整周期的极化光栅（PG）；以及图7C示出学校吉祥物。

实施例的详细描述

参考附图在下文中更完全地描述了本发明，其中示出本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来具体实施，且不应将其解释为限于本文所阐述的实施例。更确切地，这些实施例被提供，使得本公开将是彻底和完整的，且将使本发明的范围完全传达给本领域中的技术人员。在附图中，可为了清楚起见放大层和区域的大小和相对大小。遍及全文相似的数字指的是相似的元件。

将理解，虽然术语“第一”、“第二”、“第三”等可在本文用于描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，这些元件、部件、区域、层和/或区段不应被这些术语限制。这些术语只用于将一个元件、部件、区域、层或区段与另一区域、层或区段区分开。因此，在不偏离本发明的教导的情况下，可以将下面讨论的第一元件、部件、区域、层或区段称为第二元件、部件、区域、层或区段。

空间相对术语例如“在下方”、“在…之下”、“下部”、“在…下面”、“在…之上”、“上部”等可在本文为了描述的容易而用于描述一个元件或特征与如在图中所示的另一（些）元件或特征的关系。将理解，除了在图中描绘的定向以外，空间相对术语还旨在包括在使用或操作中的设备的不同定向。例如，如果图中的设备翻转，则被描述为在其它元件或特征“下方”或“之下”或“下面”的元件于是将被定向为在其它元件或特征“之上”。因此，示例性术语“下方”和“之下”可包括上方和下方的定向两者。设备可以以其它方式被定向（旋转90度或处于其它定向），且在本文使用的空间相对描述符被相应地解释。此外，也将理解，当层被称为在两层“之间”时，它可以是在该两层之间的唯一层，或一个或多个中间层也可存在。

在本文使用的术语是为了只描述特定的实施例的目的，且不旨在限制本发明。如在本文使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如在本文使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

将理解，当元件或层被称为“在…上”、“连接到”、“耦合到”或“相邻于”另一元件或层时，它可直接在另一元件或层上、连接到、耦合到或相邻于另一元件或层，或中间元件或层可存在。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接连接到”、“直接耦合到”或“紧邻于”另一元件或层时，没有中间元件或层存在。然而，“在…上”或“直接在…上”决不应被解释为需要层来覆盖下面的层。

在本文参考本发明的理想化实施例（和中间结构）的示意性图示描述了本发明的实施例。因此，预期作为例如制造技术和/或公差的结果的偏离图示的形状的变化。因此，本发明的实施例不应被解释为限于本文所示的区域的特定形状，而是包括例如从制造产生的在形状上的偏离。因此，在附图中示出的区域本质上是示意性的，且它们的形状并不意欲示出设备的区域的实际形状且并非意欲限制本发明的范围。

除非以其它方式限定，在本文使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属的领域中的普通技术人员所通常理解的相同的意义。将进一步理解，术语（例如在通常使用的字典中定义的那些术语）应被解释为具有与其在相关领域的上下文和/或本说明书中的意义一致的意义，且将不在理想化或过度形式的意义上被解释，除非在本文明确地如此限定。

本发明的一些实施例提供用于创建非均匀极化图案（在本文也被称为极化图）的直写光刻系统、方法和装置，其可用于创建一类图案化双折射元件，例如光学延迟器。特别地，在本文描述的本发明的实施例提供经由在极化图的三维（例如具有三个自由度）中的计算机控制的扫描来创建具有任意非均匀光轴定向轮廓的图案化延迟器的方法、系统和装置。如本文所述的实施例可能比一些现有技术方法更有能力和更不复杂。可产生的图案化双折射元件可被称为几何相位全息图（GPH），其可具有未被其它元件匹配的有利特性。此外，扫描光束并设置其极化定向的三个维度或控制程度的使用可使得实现实质上更大的精确度、分辨率，并可允许GPH元件的创建而不需要首先具有元件的物理版本。

图1示出根据本发明的一些实施例的激光直写系统100。图1的实施例的操作如下。如图1中所示，提供被准直和线性地极化的来自光源（例如紫外（UV）激光光源）101的光，其入射在安装在计算机控制的旋转底座中的极化选择器级（被示为半波延迟器105）上，使得延迟器105绕着垂直于XY平面的轴可旋转。因为这个延迟器105安装在计算机控制的旋转托底座，所以输出光束将以通过线性极化光束的极化轴的旋转实现的可选择的线性极化定向角（即，在图1中的XY平面内）线性地极化。聚焦元件（被示为物镜110）定位成将这个光束聚焦到记录介质115的表面上作为相对小的斑点121，其以通过半波延迟器105的旋转确定的定向角实质上线性地极化。

记录介质115可以是对线性极化光敏感的光取向聚合物的薄层。包括两个计算机控制的线性平移级120的二维扫描系统确定在记录介质115的区域内的照明的位置。三个计算机控制的元件（即，包括延迟器105和该两个线性平移级120的旋转底座）随着时间的过去而改变以沿着记录介质115的表面扫描期望区域之上的斑点121，其中时间平均线性极化图作为定向轮廓暴露到光取向聚合物115上。可使用任何（多个）扫描轮廓，包括但不限于光栅、螺旋或同心圆。在一些实施例中，传送到极化敏感记录介质115的来自光源101的照明的强度对于一直到整个记录参数空间可以大致是均匀的。然而，将理解，来自光源101的照明的强度可在其它实施例中改变以提供另外的控制因素。

本发明的一些实施例的一个特征是在x、y和/或旋转维度中斑点121的相邻连续扫描的故意重叠。这个重叠可在记录介质115中创建极化图（且因此光轴轮廓），其中空间分辨率小于照明斑点121的大小，因为记录介质115对一些或所有照明极化的时间平均是敏感的。例如，本发明的实施例可用于实现大约数微米或更小的空间分辨率。因此，当液晶（或其它双折射）材料被涂覆到这个图案化光取向层（或其它图案化表面）115上时，涂覆材料的局部光轴将遵循在图案化取向表面15中的定向轮廓。所得到的元件将具有不变的局部延迟和空间上变化的光轴，并在本文将其称为几何相位全息图（GPH）。

GPH是具有非均匀局部光轴的特定种类的图案化延迟器。更具体地，GPH是可通过调制几何相位（或Pancharatnam–Berry相位）（其由极化状态中的变化产生）而不是动态相位（其由光路长度差效应产生）来重建物体波（或其共轭）的相位的双折射（或二向色或这两者的某种组合）的光学元件。特别地，GPH不通过改变光路长度和动态相位来创建光学相差，而更确切地，它可通过操纵光场的极化和从而几何相位来引入光学相差。虽然一些元件可适合这个描述，但是在制造这样的元件方面仍然存在挑战。GPH具有与期望相差轮廓成正比的光轴定向角Φ(x)或Φ(x,y)，其中延迟遍及其区域是大致不变的。

许多光学元件可被形成为GPH，包括但不限于透镜、棱镜、表面浮凸元件、衍射光学元件和微光学器件。当变换成GPH时，它们的全息版本可以是薄膜，实质上更紧凑，且在许多情况下具有另外的有利特征。可根据本发明的实施例形成的元件可被称为计算机生成的GPH或CG-GPH。注意，GPH是极化全息图的子集。

在本发明的一些实施例中，作为沿着GPH的表面的位置的函数的局部光轴定向的非线性变化可定义具有连续变化的周期性的图案，使得GPH的总效应可以是提供透镜效应。图2A示出根据本发明的一些实施例的GPH 225a的示例，其具有由局部光轴230a定义的光轴轮廓，局部光轴230a具有在一维中变化的相应定向角Φ(x)。图案Λ(x)的局部周期变化，其中在中心处的周期大于边缘的周期。作为示例，函数可以近似是Φ(x) = k π x²，其中“k”是与GPH 225a的焦距有关的非零常数。这个图案表示起极化敏感圆柱形透镜的作用的GPH225a的一个特定示例。

图2B示出根据本发明的一些实施例的GPH 225b的另一示例，其具有由局部光轴230b定义的光轴轮廓，局部光轴230b具有在二维中变化的相应定向角Φ(x, y) = k π (x²+ y²)。图2B的GPH 225b可充当极化敏感球形透镜。图2A和2B的示例两者以及具有类似的聚焦/散焦特性的其它示例可被称为几何相位（GP）透镜。应注意，因为这些GP透镜225a、225b可在计算机的控制下生成，所以可产生实质上无像差透镜，对圆极化具有近似100%的效率，并且另外的益处是薄膜。此外，大尺寸光学器件（即，具有≥ 4 英寸的直径）可更容易制造，且具有减小的重量。图2C示出包括椭圆极化的另一示例极化图225c。

如在具有非线性光轴轮廓的图2A和2B的示例中所示的，GPH 225a、225b可被考虑为标准极化光栅（PG）的更复杂版本，具有沿着其表面的它的光栅周期Λ的一维或二维变化。例如在其中GPH是具有在其厚度上旋转的分子结构的手性液晶层的实施例中，GPH的局部光轴也可在第三维中（例如在其厚度上）变化。

从另一观点看，标准极化光栅可仅被考虑为GPH的特定示例，实施线性相位轮廓，例如Φ(x) = π x / Λ 或Φ(y) = π y / Λ，其中Λ是不变的光栅周期，如分别在图3A和3B的极化光栅（PG）325a和325b中所示的。在这个上下文中，PG 325a、325b可被考虑为可根据本发明的实施例而形成的一类或一种GPH。

将理解，虽然一些GPH轮廓（例如关于图2A-C和3A-3B讨论的那些）充分连续地改变，但是其它轮廓可具有在区域内的连续的变化，在所述区域之间具有离散的边界。例如，图4中所示的轮廓示出两个或更多区域（区域A 425a、B 425b、C 425c），在它们的相应连续光轴轮廓之间具有离散的边界。在图4中，区域A 425a、B 425b、C 425c与离散的边界429并排定位在区域A 425a和区域B 425b之间、在区域B 425b和区域A 425a之间、和在区域A425a和区域C 425c之间。区域A 425a、B 425b、C 425c中的每个可包括相对于光轴定向和/或周期性不同的光轴轮廓。

图5示出根据本发明的另外的实施例的激光直写系统。图5的实施例的操作如下。如图5中所示，提供被准直和线性地极化的来自光源（被示为UV激光器501）的光，其入射在半波延迟器505上。聚焦元件（被示为透镜510）定位成将这个光聚焦到记录介质515上作为相对小的斑点521，其可以以通过半波延迟器505的旋转确定的极化定向角实质上线性地极化。在一些实施例中，第二透镜或其它聚焦元件也可被提供在半波延迟器505和记录介质515之间，以提供另外的光束调节。二维扫描系统520由两个计算机控制的角扫描反射镜520a和520b（例如，扫描电流计反射镜系统）实施，其被布置成接收来自透镜510的光并确定到记录介质515的区域上的照明的立体角内的方向（和因此的位置）。在图5中，反射镜520a、520b每个绕着不同的轴（例如X轴和Y轴）可旋转；然而，在其它实施例中，可使用绕着X轴和Y轴两者可旋转的单个反射镜。记录介质515可以是对线性极化光敏感的光取向聚合物的薄层。安装在计算机控制的旋转底座内的延迟器505布置成从角扫描反射镜520a、520b接收实质上线性极化光，以便通过该线性极化的极化轴的旋转来引起可选择的线性极化定向角（即，在图5中的XY平面内）。三个计算机控制的元件（即，包括延迟器505和角扫描反射镜级520的旋转底座）随着时间而改变以扫描在记录介质515内的期望区域，使得时间平均线性极化图作为定向轮廓暴露到光取向聚合物上。可使用任何（多个）扫描轮廓，包括但不限于光栅、螺旋或同心圆。传送到极化敏感记录介质515的来自光源501的照明的强度对于一直到整个记录参数空间可以大致是均匀的，和/或可改变以提供另外的控制因素。

如上面关于图1提到的，本发明的实施例的相比于现有技术的一个特征是在x、y和/或旋转维度中相邻连续扫描的故意的实质上的重叠。这个重叠可创建极化图以及因此的光轴轮廓（其中空间分辨率小于照明斑点尺寸），因为记录介质对一些或所有照明极化的时间平均是敏感的。因此，如同图1的实施例一样，当液晶材料被涂覆到这个光取向层或其它图案化记录介质上时，它的局部光轴将遵循在图案化光取向层中的定向轮廓。所得到的几何相位全息图（GPH）元件将具有不变的局部延迟和空间上变化的光轴。

作为非限制性的代表性实验示例，图6A-6D和图7A-7C示出如图5中所示的根据本发明的另外的实施例创建的几个GPH轮廓。图6A示出向量切趾相位板（向量APP）的期望相位轮廓601，其可用在日冕仪望远镜中。所示出的相位轮廓601被记录在GPH的光轴定向轮廓Φ(x, y)中。图6B示出在交叉极化器之间的图6A的GPH的所计算的强度602。图6C和6D分别示出在交叉极化器之间观察的GPH的所测量的强度603和所测量的相位轮廓604。在图6C和6D的结果中示出的斑点大小大约是200 µm，其可用于记录在大小上大约50 µm的特征。

图7A-7C示出根据本发明的实施例创建的轮廓701、702、703的另外的示例，其包括在其奇点701周围的q-板（如图7A中所示）、PG 702的一个完整周期（如图7B中所示）和大学吉祥物703的图像（如图7C中所示）。在图7C中的结果形成有在记录介质处的大约50 µm的斑点大小，且最小的特征大小（即，分辨率）在5-10 µm范围内。本发明的实施例可用于实现大约数微米或更小的空间分辨率和数毫弧度（mrad）或更小的定向角分辨率。

本发明的又一些实施例提供使用本文描述的GPH元件的掩模制造方法。特别地，可使用上面描述的制造方法来形成GPH元件，且这个GPH元件可用作掩模以例如使用如关于全息地形成的PG掩模和在美国专利申请号12/596,168中的其它相关元件描述的接近度光刻原理来形成GPH拷贝，该专利申请的公开通过引用被并入本文。在一些实施例中，GPH元件可对UV波长被修整（tailor）和/或优化，布置在UV灯和涂覆有光取向聚合物的拷贝衬底之间，并位于后者附近。通过经由GPH掩模照亮GPH拷贝衬底，最初在GPH掩模中形成的极化图案可被转移到拷贝衬底。拷贝衬底可随后被处理，好像它最初根据本发明的上述实施例被暴露一样（例如，双折射材料层可在拷贝衬底的表面上形成并与拷贝衬底的表面上的图案对准，如上面类似地讨论的）。

因此，通过使用具有故意重叠和3个或更多控制程度的连续扫描来将记录材料层图案化，可基于一些或所有照明极化的时间平均来在记录介质中创建具有小于照明斑点大小的空间分辨率的极化图。因此，液晶或其它双折射材料层可涂覆到图案化记录表面上，使得它的局部光轴将遵循图案化定向轮廓，提供具有恒定的局部延迟和空间变化的或非均匀光轴的图案化延迟器。

虽然本文主要关于其中极化敏感记录介质是光取向聚合物和涂覆在顶部上的双折射层是液晶层的实施例来进行描述，将理解的是，可使用其它记录介质。例如，记录介质本身可以既是极化敏感的，又允许感生双折射，例如具有包括含偶氮苯聚合物的异构化化学性质的一类聚合物。换句话说，极化记录材料可实质上是各向同性的（如同许多光取向材料一样），或是双折射的（如同许多偶氮苯聚合物一样）。在一些实施例中，极化敏感记录介质是平面薄膜或板，而在其它实施例中，极化敏感记录介质可以是非平面的，例如弯曲表面。

根据本发明的实施例制造的GPH可具有宽带光谱，使用例如如在美国专利申请号12/596,189和13/646,166中描述的消色差PG和MTR的技术，其公开通过引用被并入本文。

如在本文使用的，短语“计算机控制的”可以指的是适合于控制光机元件（例如经由USB连接到马达驱动电路的数字计算机）的任何电气控制系统。虽然本文描述的本发明的一些实施例连续地扫描，但是在其它实施例中，电气地控制的遮光器也可布置在激光器的输出处以控制照明计时。

在一些实施例中，一个或多个固定反射镜可添加在主要元件中的一些之间，例如在透镜之前或之后。在一些实施例中，可使用具有二维控制的的单个倾斜反射镜。这将是例如具有压电精细倾斜镜的情况。

在一些实施例中，由透镜产生的斑点可具有圆对称强度轮廓，例如高斯函数。在其它实施例中，由透镜产生的斑点可以是另一形状，包括椭圆的或线性的。更一般地，由光束定义为来自透镜的输出的斑点可具有平滑地变化的、非恒定强度轮廓，并可定义各种形状。

在一些实施例中，来自光源的光是单个光束。在其它实施例中，来自光源的光可以是通过上面描述的随后的光学器件并行地被控制的多个光束，以便在给定的时间照亮在记录介质区域中的多个斑点。来自光源的光（如被传送到极化敏感记录介质）的强度对于一直到整个记录参数空间可以是近似或实质上均匀的。

在本发明的实施例中，入射光可以是完全或部分地极化的，具有任何极化、波长或角散度。本发明的实施例可提供双折射膜，其是实质上单轴的、双轴的或都不是（即，没有总光轴的复杂延迟器）。

将理解的是，在一些实施例中，光源可以是椭圆极化或部分极化光（例如诸如来自某个激光二极管和LED光源的光）。

在一些实施例中，光源调节光学器件——包括但不限于光束扩展器、空间滤波器、孔径光阑和/或固定极化元件——可布置在物镜之前的任何地方。例如，光源可以是实质上非极化或部分极化的灯或LED，其中固定极化元件（例如极化器）添加在极化选择器之前或作为极化选择器的一部分。

在一些实施例中，极化选择器级可包括一个或多个机械旋转波片和/或极化器。在其它实施例中，极化选择器级可包括具有电气可控制双折射的元件，例如普克尔斯盒、可变液晶延迟器或声光调制器。在另外的实施例中，可在极化选择器级内使用电气可控、机械可控和固定极化元件的组合。

将理解的是，如在本文所述的，术语“延迟器”和“波片”可互换地使用，且下面的另外的术语也被考虑为等效的，除非以其它方式指示：单轴的、双轴的或非均匀的任何“延迟板”、“补偿膜”和“双折射板”。如本文所述的延迟器可以是宽带（即，消色差的）或窄带（即，彩色的）。如本文所述的延迟器可因此经由光学旋转或双折射延迟或其任何组合来实现极化变化。在一些实施例中，本文描述的延迟器可能不显著地影响或改变穿过其的光的传播方向。在一些实施例中，本文描述的延迟器可对施加的电压进行响应。

在本文关于液晶（LC）材料描述了本发明的实施例。液晶可包括液体，其中存在分子的有序布置。一般，液晶（LC）分子可以是各向异性的，具有细长（棒状）或扁平（圆盘状）形状。作为各向异性分子的排序的结果，体LC常常展示在其物理特性中的各向异性，例如在其机械、电气、磁性和/或光学特性方面的各向异性。由于棒状或圆盘状性质，LC分子的定向的分布可在光学应用中（例如在液晶显示器（LCD）中）起重要作用。在这些应用中，LC取向可由取向表面指示。取向表面可被处理，使得LC相对于该表面以可控制的方式来取向。

如在本文使用的，液晶可具有向列相、手性向列相、近晶相、铁电相和/或另一相。此外，多个光可聚合的聚合物可用作取向层以创建本文所述的光学层。除了是光可聚合的以外，这些材料可以相对于LC是惰性的，应提供在LC设备的操作温度的范围内（例如从大约-50℃到大约100℃）的稳定取向，且应与本文所述的制造方法兼容。在授予Crawford等人的美国专利号7,196,758中也讨论了液晶取向的方法的另外的示例。此外，本文所述的一些结构可涉及通过旋涂过程和液晶材料的平衡进行的精确制造。

具有本领域技术的人员将理解，如在本文中使用的，“透射”或“透明”衬底或元件可允许入射光中的至少一些穿过。换句话说，本文所述的透射或透明元件不需要是完全透明的，并可具有各向同性或二向色吸收特性和/或可以以其它方式吸收入射光中的一些。在一些实施例中，透明衬底可以是玻璃衬底。此外，“可聚合的液晶”可以指可被聚合的相对低分子量的液晶材料，且也可在本文将其描述为“反应性液晶元（mesogen）”。相反，“非反应性液晶”可以指可以不被聚合的相对低分子量的液晶材料。

虽然在本文参考向列型液晶材料描述了一些实施例，也可能通过根据本发明的实施例的其它手段来实现光效应。例如，具有子波长结构的各向同性材料可创建形式双折射，并可以用与上面描述的相同或相似的方式被构造。在另一示例中，含偶氮苯聚合物可配置为极化敏感的，并显示可用与上面描述的相同或相似的方式构造的双折射。换句话说，虽然在本文主要关于如在液晶层内的由向列指向矢（nematic director）定向所提供的光轴被描述，将理解的是，如本文所述的光轴可以更一般地指材料特性。因此，将理解的是，本发明的实施例不限于本文描述的特定材料，而是可由如本文所述地起作用的任何和所有材料层实施。

本文已经结合上面的描述和附图公开了许多不同的实施例。将理解的是，逐字描述和示出这些实施例的每个组合和子组合将是过分重复和令人困惑的。因此，本说明书（包括附图）应被解释为构成本文描述的实施例的所有组合和子组合以及完成和使用它们的方式和过程的完整的书面描述，且应对任何这样的组合或子组合支持权利要求。

本文描述的一些实施例可用于制造几何相位元件。几何相位元件是具有光轴定向的各向异性光学元件，光轴定向在一个或多个维度中和/或以任何方式改变，包括但不限于线性的、非线性的和连续的或不连续的光轴变化，从而以使得控制几何相位的这样的方式影响入射光的极化。在一些实例中，可通过使用全息技术使记录介质或其它取向表面图案化来生成变化的光轴定向，在该情况下元件可被称为几何相位全息图（GPH）元件，或简单地GPH。然而，如本文所述的几何相位元件也可通过各种方法（包括全息干涉和光刻的各种其它形式）来创建，且因此如本文所述的“全息图”不限于通过全息干涉或“全息术”的创建。

在附图和说明书中，已经公开了本公开的实施例，且虽然特定的术语被使用，但是它们仅在一般和描述性意义上被使用且不是为了限制的目的，本发明的范围在下面的权利要求中被阐述。

Claims (38)

1.一种直写式光刻装置，包括：

极化选择器级，其配置成改变在多个极化当中的来自光源的光的极化；

聚焦元件，其配置成将来自所述光源的所述光聚焦到在其焦平面处的斑点中；以及

扫描级，其配置成在至少两个维度中沿着布置成接近所述焦平面的极化敏感记录介质的表面扫描所述斑点，使得所述斑点的相邻扫描在空间上重叠，以在所述记录介质中创建光轴定向轮廓，所述光轴定向轮廓按照所述记录介质在该重叠中所暴露的所述多个极化中的一些的时间平均沿着所述记录介质的表面改变，

其中所述极化选择器级和所述扫描级分别配置成独立地改变所述极化和扫描所述斑点。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述扫描级配置成以小于所述斑点的大小的空间分辨率沿着所述记录介质的所述表面扫描所述斑点。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述扫描级配置成沿着所述记录介质的所述表面连续扫描所述斑点。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述极化选择器级被配置成与在所述斑点的所述扫描期间独立地改变所述多个极化中的所述光的极化，以记录按照所述多个极化中的一些的时间平均而改变的所述光轴定向轮廓。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述极化选择器级配置成独立于所述扫描级而被控制以提供可选择的线性极化定向角。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述极化选择器级包括可旋转的延迟器元件，且其中所述极化定向角响应于所述延迟器元件的旋转在由所述至少两个维度限定的平面内可选择。

7.如权利要求5所述的装置，其中所述扫描级包括配置成相对于所述斑点在所述至少两个维度中移动所述记录介质的至少两个线性平移级。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述极化选择器级布置在所述光源和所述聚焦元件之间。

9.如权利要求5所述的装置，其中所述扫描级包括配置成绕着对应于所述至少两个维度的相应轴旋转的至少一个反射镜。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述扫描级布置在所述聚焦元件和其焦平面之间，且其中所述极化选择器级布置在所述扫描级和所述聚焦元件的所述焦平面之间。

11.如权利要求5所述的装置，其中来自所述光源的所述光包括具有线性极化的至少部分地准直的光束。

12.如权利要求11所述的装置，其中来自所述光源的所述光包括紫外(UV)光。

13.如权利要求11所述的装置，其中所述光源包括激光光源。

14.如权利要求11所述的装置，其中所述斑点在所述焦平面处具有平滑地改变的强度轮廓。

15.如权利要求1所述的装置，其中所述装置配置成独立于所述极化选择器级和所述扫描级的操作来改变从所述光源输出的光的强度。

16.一种直写式光刻方法，包括：

改变在多个极化当中的来自光源的光的极化；

将来自所述光源的所述光聚焦到在焦平面处的斑点中；以及

在至少两个维度中沿着布置成接近所述焦平面的极化敏感记录介质的表面扫描所述斑点，使得所述斑点的相邻扫描在空间上重叠，其中所述扫描在所述记录介质中创建光轴定向轮廓，所述光轴定向轮廓按照所述记录介质在该重叠中所暴露的所述多个极化中的一些的时间平均沿着所述记录介质的表面改变，

其中改变所述极化独立于扫描所述斑点。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述扫描包括：

沿着所述记录介质的所述表面以小于所述斑点的大小的空间分辨率扫描所述斑点。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述扫描还包括：

沿着所述记录介质的所述表面连续扫描所述斑点。

19.根据权利要求16所述的方法，其中在所述多个极化之中改变所述光的极化独立于所述斑点的扫描期间被控制并且在所述斑点的扫描期间被执行，以记录按照所述多个极化中的一些的时间平均而改变的所述光轴定向轮廓。

20.如权利要求16所述的方法，其中改变所述极化包括：

独立于所述扫描而控制所述极化以提供可选择的线性极化定向角。

21.如权利要求20所述的方法，其中改变所述极化还包括：

旋转延迟器元件，使得极化定向角响应于其旋转在由所述至少两个维度限定的平面内可选择。

22.如权利要求20所述的方法，其中扫描所述斑点包括：

相对于所述斑点在所述至少两个维度中移动所述记录介质。

23.如权利要求20所述的方法，其中扫描所述斑点包括：

绕着对应于所述至少两个维度的相应轴旋转至少一个反射镜。

24.如权利要求16所述的方法，还包括：

提供具有线性极化的至少部分地准直的光束作为来自所述光源的所述光。

25.如权利要求24所述的方法，其中来自所述光源的所述光包括紫外(UV)光。

26.如权利要求24所述的方法，其中所述光源包括激光光源。

27.如权利要求24所述的方法，其中所述斑点在所述焦平面处具有平滑地改变的强度轮廓。

28.如权利要求16所述的方法，还包括：

独立于所述极化的改变和所述斑点的扫描来改变来自所述光源的所述光的强度。

29.如权利要求16所述的方法，还包括：

在所述记录介质上形成双折射材料层，使得其局部光轴根据在所述记录介质中的所述光轴定向轮廓而取向。

30.一种光学元件，包括：

具有局部光轴定向的双折射材料层，所述局部光轴定向沿着其表面在至少一个方向上改变，其中局部光轴定向对应于通过下列而形成的光轴定向轮廓：

改变在多个极化当中的来自光源的光的极化；

将来自所述光源的所述光聚焦到在焦平面处的斑点中；以及

在至少两个维度中沿着布置成接近所述焦平面的极化敏感记录介质的表面扫描所述斑点，使得相邻的扫描在空间上重叠以限定光轴定向轮廓，所述光轴定向轮廓按照所述记录介质在该重叠中所暴露的所述多个极化中的一些的时间平均沿着所述记录介质的表面改变，

其中改变所述极化和扫描所述斑点被独立地执行。

31.如权利要求30所述的元件，其中所述记录介质包括光取向层。

32.如权利要求31所述的元件，其中所述双折射材料层包括在所述记录介质的所述表面上形成的液晶层。

33.如权利要求30所述的元件，其中所述双折射材料层包括用作所述记录介质的偶氮苯聚合物层。

34.如权利要求30所述的元件，其中所述局部光轴定向沿着双折射材料层的表面在至少一个方向上非线性地改变以限定具有变化的周期性的图案。

35.如权利要求34所述的元件，其中在所述双折射材料层的中心部分处的周期性大于其边缘部分处的周期性。

36.如权利要求30所述的元件，其中所述局部光轴定向沿着双折射层的表面在至少一个方向上线性地改变以限定具有恒定的周期性的图案。

37.如权利要求30所述的元件，其中所述局部光轴定向沿着双折射光学元件的表面在第一和第二维度上改变。

38.如权利要求30所述的元件，其中双折射层包括并排地定位的相邻的第一和第二区域，且其中在所述第一和第二区域中的所述局部光轴定向具有不同的周期性。