CN109188585A - 一种用于光学扫描的双结构光栅器件与制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光学扫描的双结构光栅器件，包括n×m个透光窗口，按照n行×m列矩形黑白相间排列分布，黑色部分为不透光单元、白色部分为透光单元，所述的透光窗口为一个独立的面阵光栅，所述的面阵光栅内均匀分布着s*s个透光的圆孔。本发明基于多个相位调制单元几何尺寸的粗光栅和对应于单个相位调制单元的细光栅均匀排列而成，使用时粗光栅的每个透光单元分别对应于激光照射阵列的一个光束，从而将传统的基于光学相控阵激光雷达对单光束的相位调制变为对激光阵列多光束的调制，突破了对阵列单元的尺寸必须不大于500nm的限制，使得利用常规的材料、加工技术和工艺制作出应用于光学相控阵中的核心光控器件。

Description

一种用于光学扫描的双结构光栅器件与制作方法

技术领域

本发明涉及光学扫描检测技术领域，尤其涉及一种用于光学扫描的双结构光栅器件与制作方法。

背景技术

目前，人工智能技术快速发展，目标探测、武器制导、无人驾驶、自主避障等应用领域迫切需要一种快速、精确、全方位的目标检测技术。雷达是最常用的探测手段，与传统机械扫描技术的雷达相比，相控阵扫描技术利用大量独立控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相开关控制，通过控制各天线单元发射的相位，就能合成不同相位波束。基于相位控制电子扫描阵列雷达的启发，利用光学相控阵扫描技术的固态激光雷达由于其广泛的应用前景成为研究热点。与机械扫描激光雷达不同，由于不需要旋转部件，可以大大压缩雷达的结构和尺寸，提高使用寿命，并降低成本；不用受制于机械旋转的速度和精度，光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性，一般都可以达到MHz量级；

光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度，可以达到千分之一度量级以上；光学相控阵的光束指向完全由电信号控制，在允许的角度范围内可以做到任意指向，可以在重点区域进行高密度的扫描；一个相控阵面可以分割为多个小模块，每个模块分开控制即可同时锁定监控多个目标。但固态激光雷达也有它相应的缺点，光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹，这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量；特别是光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，一般目前激光雷达的工作波长均在1微米左右，故阵列单元的尺寸必须不大于500nm。而且阵列密度越高，能量也越集中，这都提高了对加工精度的要求，需要一定的技术突破。因此，迫切需要一种不依赖于有限制造材料、工艺、结构、低成本的光栅器件，作为光学相控阵激光雷达系统中的光束扫描器件，使之能够使用灵活、简单、可靠。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于光学扫描的双结构光栅器件与制作方法，粗光栅的较大结构尺寸与细光栅的微结构尺寸相结合，能够获得大尺寸器件的同时满足作为光学相控阵激光雷达系统中的光束扫描器件的使用功能，而且成本低、工艺简单、使用时可靠性高。

本发明采用的技术方案为：

一种用于光学扫描的双结构光栅器件，包括n×m个透光窗口，按照n行×m列矩形黑白相间排列分布，黑色部分为不透光单元、白色部分为透光单元，任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度均相等，且任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度之和为此单元进行相位调制时的单元间距，记为D，从而构成了n行×m列矩形黑白相间排列分布的器件本体，所述的透光窗口为一个独立的面阵光栅，所述的面阵光栅内均匀分布着s*s个透光的圆孔，其中，面阵光栅的单元间距记为d，则D为d的整数倍，其中n、m、s、D、d均为正整数。

该双结构光栅器件在使用时，阵列的每一个透光单元分别对应一个激光二极管光源和一个相位调制窗口，激光二极管光源的波长为，则d不大于1/2。

该双结构光栅器件与光学相位调制器件结合构成二维阵列光学相控阵组件，实现激光阵列光源入射到光学相控阵组件后，通过控制相位调制器件各的各个单元内相邻光束通过的相位差以及单元间的光束通过的相位差，使得经相位调制后的光束经过双结构光栅器件各单元后输出光波的相位在指定的方向上相同，从而实现该方向的相长干涉，而与此同时，各单元输出光的相位在其它方向产生相消干涉。

一种用于光学扫描的双结构光栅器件的制造方法，包括如下步骤：

A：依据光学扫描的双结构光栅器件本体对光栅参数与基体的结构尺寸进行设计；

A1:确定细光栅参数：依据所选择激光二极管光源的波长，设计确定细光栅阵列的排列形式，包括中心对称、轴对称或行/列均布；透光孔形状，包括长方形、正方形或圆形；光栅参数d；具体的：采用s*s阵列排列形式、圆形透光孔、d不大于1/2；

A2:确定粗光栅参数：依据选用的激光二极管光源元件的封装形式与外形尺寸以及数量，确定光栅阵列中粗光栅的数量、排列和光栅单元间距，且满足粗光栅常数是细光栅常数的整数倍；具体的：粗光栅的透光窗口数量与与其配合使用的激光二极管光源元件数量相同，排列方式与激光阵列封装形式保持一致且对应，采用矩形狭缝式结构与其对应，透光窗口间的中心距与激光阵列激光二极管间的中心距保持对应相等；

A3:确定双结构光栅外形尺寸；通过粗、细光栅的参数D和d，以及透光窗口的排列方式与数量确定双光栅光学器件的外形尺寸长×宽×厚以及材质；

B:光栅器件毛坯处理；对光栅制作材料的基体依次进行切割和抛光预处理；

C:对预处理后的光栅器件基体进行光刻与刻蚀，得到双结构光栅器件。

所述的步骤C具体包括以下步骤：

①涂胶：在基体表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜；

②前烘：由于在液态的光刻胶中，溶剂的成份占65％～85％，经过甩胶之后，虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍含有10％～30％的溶剂，涂胶以后的基体，需要在一定的温度下进行烘烤，使溶剂从光刻胶内挥发出来，前烘后光刻胶中溶剂含量降至到5％左右；

③曝光：光刻胶在经过前烘之后，原来为液态的光刻胶在玻璃表面上固化，这样就可以进行曝光；

④显影：曝光之后需要进行后烘，短时间的后烘可以促进光刻胶的关键化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波，然后就可以进行显影；显影是将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除，显现出所需的图形；

⑤坚膜：用于去除光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对玻璃表面的附着力，同时提高光刻胶在刻蚀过程中的抗蚀性和保护能力；

⑥刻蚀：将光刻掩模版上的图形精确地转移到玻璃表面；同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求；在光栅制造工艺中，光刻图形必须最终转移到光刻胶下面组成器件的各薄膜层上，这种图形的转移是采用刻蚀工艺完成的，经过刻蚀的图形就永久留在玻璃的表层；

⑦去胶：经过刻蚀之后，已经不再需要光刻胶作为保护层，因此将光刻胶从玻璃表面除去，去胶后即完成了整个制作过程。

所述的显影采用喷洒显影方法，具体包括如下三步：

步骤1，玻璃被置于旋转台上，并且在玻璃表面上喷洒显影液；

步骤2，然后玻璃将在静止的状态下进行显影；

步骤3，显影完成后，需要经过漂洗，之后在旋干,漂洗和旋干是为了去除残留在玻璃上的显影液。

去胶的方法包括湿法去胶和干法去胶，二者搭配使用。

所述的用于光学扫描的双结构光栅器件，包括n×m个透光窗口，按照n行×m列矩形黑白相间排列分布，黑色部分为不透光单元、白色部分为透光单元，任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度均相等，且任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度之和为此单元进行相位调制时的单元间距，记为D，从而构成了n行×m列矩形黑白相间排列分布的器件本体，所述的透光窗口为一个独立的面阵光栅，所述的面阵光栅内均匀分布着s*s个透光的圆孔，其中，面阵光栅的单元间距记为d，则D为d的整数倍，其中n、m、s、D、d均为正整数。

本发明通过由基于多个相位调制单元几何尺寸的粗光栅和对应于单个相位调制单元的细光栅，按照一定规则均匀排列而成，使用时粗光栅的每个透光单元分别对应于激光照射阵列的一个光束，从而将传统的基于光学相控阵激光雷达对单光束的相位调制变为对激光阵列多光束的调制，突破了对阵列单元的尺寸必须不大于500nm(对应于激光波长1微米左右)的限制，使得能够利用常规的材料、加工技术和工艺制作出应用于光学相控阵中的核心光控器件；上述每个透光单元又是一个细光栅阵列，与传统器件类似，其光栅参数取决于激光波长，对单束激光进行相关控制，粗、细光栅结合的效果是制作器件的材料易得，微结构加工要求大为降低，制作工艺、设备要求简化，器件的适用性获得极大的提升。所以，具有能够有效降低阵列单元微型化制造难度的光栅阵列产品，必将具有非常广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的使用原理图；

图2为本发明的光学器件外形与粗光栅结构图；

图3为本发明的透光单元对应的细光栅局部放大图；

图4为本发明的光刻与蚀刻工艺制作光栅过程流程图。

图5为本发明的的光栅器件结构参数选择依据图表。

具体实施方式

如图2和3所示，本发明包括n×m个透光窗口，按照n行×m列矩形黑白相间排列分布，黑色部分不透光、白色部分透光，任意一个透光单元21宽度与其相邻的不透光单元22的宽度均相等，且任意一个透光单元21宽度与其相邻的不透光单元22的宽度之和为此单元进行相位调制时的单元间距，记为D，从而构成了n行×m列矩形黑白相间排列分布的器件本体，所述的透光窗口为一个独立的面阵光栅，所述的面阵光栅内均匀分布着s*s个透光的圆孔，其中，面阵光栅的单元间距记为d，则D为d的整数倍，其中n、m、s、D、d均为正整数。

应用光刻与刻蚀工艺，采用矩阵面阵结构，按照n行×m列矩形黑白相间排列分布，黑色部分不透光、白色部分透光，其中白色透光部分本身也是一个独立的面阵光栅，光栅参数根据器件应用对应的激光波长特别设计，使其具备较高的衍射效率。

该双结构光栅器件在使用时，阵列的每一个透光单元分别对应一个激光二极管光源和一个相位调制窗口，激光二极管光源的波长为λ，则d不大于1/2λ，

如图1所示，该双结构光栅器件与光学相位调制器件结合构成二维阵列光学相控阵组件，实现激光阵列光源1入射到光学相控阵组件后，通过控制相位调制器件2的各个单元内相邻光束通过的相位差以及单元间的光束通过的相位差，即控制液晶光开关2的通断延时，使得经相位调制后的光束经过双结构光栅器件3各单元后输出光波的相位在指定的方向上相同，从而实现该方向的相长干涉，而与此同时，各单元输出光的相位在其它方向产生相消干涉，从而通过透镜4后使光线聚焦到目标扫描位置5处的某对应点上，粗光栅的较大结构尺寸与细光栅的微结构尺寸相结合，能够获得大尺寸器件的同时满足作为光学相控阵激光雷达系统中的光束扫描器件的使用功能，而且成本低、工艺简单、使用时可靠性高。通过n×m个透光单元形成一个激光面阵组件，通过控制驱动各激光二极管出射光的相位和强度从而实现面阵组件出射光的方向扫描和距离聚焦，应用于诸如激光雷达、激光测距等场合。具体使用时，如图1所示，粗光栅的每个透光孔对应一个独立的激光二极管器件的光束，相邻透光孔间激光二极管器件的光束相位差为出射光偏转角度,

θ_s＝arcsin[(ΔΦ·λ)/(2π·D)]

其中，λ为入射光波长，D为相邻调制单元间距(或称粗光栅参数)，ΔΦ为相邻单元相位差。控制相位差ΔΦ的大小与正负即可实现方向扫描，对应二维面阵器件而言，控制行间单元的相位差可实现方位扫描、控制列间单元的相位差可实现俯仰扫描、控制聚焦透镜可实现前后聚焦深度变化。

细光栅内部的各光束可以进行类似上述的相位调制，也可以不调制，调制后的整体效果要好于不调制。进行调制时，由相位调制器件控制相邻光束相位差为出射光偏转角度保持与粗光栅调制偏转角度一致，即

其中，λ为入射光波长，d为相邻调制光束间距(或称细光栅参数)，为相邻单元相位差，同时需要保证ΔΦ是的整数倍，且倍数与粗光栅参数B和D有关。

本发明采用粗、细光栅相结合的特殊结构设计来解决激光器阵列集成问题与相位调制单元间距微型化问题，粗光栅参数，以满足多激光器集成、器件安装的难题；细光栅参数结合特殊设计的相位调制器件，实现相位调制单元间距微型化、消除旁瓣、提高效率和精度的难题。

一种用于光学扫描的双结构光栅器件的制造方法，如图4所示，包括如下步骤：

A：依据光学扫描的双结构光栅器件本体对光栅参数与基体的结构尺寸进行设计；

①确定细光栅参数：依据所选择激光二极管光源的波长，设计确定细光栅阵列的排列形式，包括中心对称、轴对称、行/列均布；透光孔形状，包括长方形、正方形和圆形；光栅参数d等指标(参考图5)；本发明采用s*s阵列排列形式、圆形透光孔、d不大于1/2λ；

②确定粗光栅参数：依据选用的激光二极管光源元件的封装形式与外形尺寸以及数量，确定光栅阵列中粗光栅的数量、排列、光栅参数等指标，且满足粗光栅常数是细光栅常数的整数倍；具体的粗光栅的透光窗口数量与与其配合使用的激光二极管光源元件数量相同，排列方式与激光阵列封装形式保持一致且对应，一般采用矩形狭缝式结构与其对应，透光窗口间的中心距与激光阵列激光二极管间的中心距保持对应相等；

③确定双结构光栅外形尺寸。通过粗、细光栅的参数D和d，以及透光窗口的排列方式与数量确定双光栅光学器件的外形尺寸长×宽×厚以及材质；

B:光栅器件毛坯处理；对光栅制作材料的基体依次进行切割和抛光预处理；

C：对预处理后的光栅器件基体进行光刻与刻蚀。

在光学器件制造中，利用光刻胶图形作为保护膜，对选定区域进行刻蚀，形成器件结构，是一种较为先进的光学加工工艺方法。所采用的光刻与刻蚀制作工艺包括涂胶、前烘、掩膜(曝光)、显影、坚膜、刻蚀、去胶等工序。具体过程工艺过程如下：

所述的步骤C具体包括以下步骤：

①涂胶：在基体表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。在制作工艺中，光刻胶层的作用是在刻蚀过程中，保护被光刻胶覆盖的材料。因此，光刻胶层与玻璃表面之间需要牢固地黏附。

②前烘：由于在液态的光刻胶中，溶剂的成份占65％～85％，经过甩胶之后，虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍含有10％～30％的溶剂，涂胶以后的基体，需要在一定的温度下进行烘烤，使溶剂从光刻胶内挥发出来，前烘后光刻胶中溶剂含量降至到5％左右。其中，前烘的温度和时间需要严格地控制，前烘通常采用干燥循环热风、红外线辐射以及热平板传导等热处理方式。

③曝光：光刻胶在经过前烘之后，原来为液态的光刻胶在玻璃表面上固化，这样就可以进行曝光，曝光方式有接触式，接近式和投影式。接触式玻璃与光刻版紧密接触，光衍射效应小，分辨率高，但对准困难，易摩擦，使光刻版图形变形，光刻版寿命短且成品率低。接近式玻璃与光刻版保持5～50μm间距，光刻版不易损坏，光衍射效应严重，分辨率低，线宽大于3μm。投影式曝光利用光学系统，将光刻版的图形投影在玻璃上，光刻版不受损伤，对准精度也高，但光学系统复杂，对物镜成像要求高，一般用于3μm以下光刻。

④显影：曝光之后需要进行后烘，短时间的后烘可以促进光刻胶的关键化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波，然后就可以进行显影。显影是将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除，显现出所需的图形；正胶显影液是含水的碱性显影液，如KOH、TMAH(四甲基氢氧化胺水溶液)等；负胶显影液是一种有机溶剂，如丙酮、甲苯等；

进行显影的方式有很多种，如：浸入式显影，混凝显影，喷洒显影等。目前应用最广泛的是喷洒显影方法，显影可分为三步：

步骤1，玻璃被置于旋转台上，并且在玻璃表面上喷洒显影液；

步骤2，然后玻璃将在静止的状态下进行显影；

步骤3，显影完成后，需要经过漂洗，之后再旋干。漂洗和旋干是为了去除残留在玻璃上的显影液。喷洒显影的优点是它可以满足工艺流水线的要求，提高生产效率。

⑤坚膜：玻璃在经过显影之后，需要经历一个高温处理过程，简称坚膜。坚膜的主要作用是去除光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对玻璃表面的附着力，同时提高光刻胶在刻蚀过程中的抗蚀性和保护能力。通常坚膜的温度要高于前烘和曝光后烘烤温度，也称为光刻胶的玻璃态转变温度；

具体的坚膜的方法有：1)恒温烘箱法(180～200℃，30min左右)；2)红外灯照射(照射10min，距离6cm)；如果坚膜不足，则腐蚀时易浮胶，易侧蚀；如果坚膜过度，则胶膜热膨胀导致翘曲，剥落，腐蚀时易浮胶或钻蚀。若温度超过300℃，则光刻胶分解，失去抗腐蚀能力。

⑥刻蚀：将光刻掩模版上的图形精确地转移到玻璃表面。同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求。在光栅制造工艺中，光刻图形必须最终转移到光刻胶下面组成器件的各薄膜层上，这种图形的转移是采用刻蚀工艺完成的，经过刻蚀的图形就永久留在玻璃的表层。刻蚀工艺分为两大类：湿法和干法刻蚀。无论哪一种方法，其目的都是将光刻掩膜版上的图形精确的转移到玻璃表面。现代光刻技术最常用的刻蚀工艺为干法刻蚀，其各向异性腐蚀强，分辨率高，能刻蚀3μm以下线条。干法刻蚀有三种类型，分别为：

1)等离子体刻蚀：化学性刻蚀；刻蚀气体经辉光放电后，成为具有强化学活性的离子及游离基——等离子体。等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。选择性好，各向异性差，所用的刻蚀气体有：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。

2)溅射刻蚀：纯物理刻蚀，等离子体轰击被刻蚀的材料，使其被撞原子飞溅出来，形成刻蚀。其各向异性好，选择性差，刻蚀气体为惰性气体。

3)反应离子刻蚀(RIE):结合1)、2)，各向异性和选择性兼顾，刻蚀气体与等离子体刻蚀相同。

⑦去胶：经过刻蚀之后，已经不再需要光刻胶做保护层，因此可以将光刻胶从玻璃表面除去，这一步骤称为去胶。去胶的方法包括湿法去胶和干法去胶。在湿法去胶中又分为有机溶液去胶和无机溶液去胶。

有机溶液去胶是使用与光刻胶互溶的丙酮和芳香族的有机溶剂，达到去胶目的。无极溶液去胶的原理是利用光刻胶本身也是有机物的特点，通过可以把光刻胶从玻璃的表面除去。干法去胶则是用等离子体将光刻胶去除。相对而言，干法去胶的效果要好于湿法去胶，但干法去胶存在反应残留物的玷污问题，因此干法、湿法去胶经常搭配使用。

本发明器件作为光学相控阵扫描装置的核心器件，与光学相位调制器件结合构成二维阵列光学相控阵组件，实现激光阵列光源入射到光学相控阵组件后，通过控制相位调制器件各个单元内相邻光束的相位差以及单元间的光束相位差，使得光束输出光波的相位在指定的方向上相同，从而实现该方向的相长干涉，而与此同时，各单元输出光的相位在其它方向产生相消干涉。

采用粗、细光栅相结合的特殊结构设计来解决激光器阵列集成问题与相位调制单元间距d微型化问题，粗光栅参数D＞＞λ，以满足多激光器集成、器件安装的难题；细光栅参数d＜＜λ，结合特殊设计的相位调制器件，实现相位调制单元间距d微型化、消除旁瓣、提高效率和精度的难题，同时要满足D是d的整数倍关系。

本发明器件作为光学相控阵扫描装置的核心器件，与光学相位调制器件结合构成二维阵列光学相控阵组件，实现激光阵列光源入射到光学相控阵组件后，通过控制相位调制器件各个单元内相邻光束的相位差以及单元间的光束相位差，使得光束输出光波的相位在指定的方向上相同，从而实现该方向的相长干涉，干涉的结果是在该方向上产生一束高强度光束，而与此同时，各单元输出光的相位在其它方向产生相消干涉，干涉的结果彼此相抵消，辐射强度接近于零。

如图1所示，虽然仅表示了单元间光束的调制结构原理，未显示单元内部相邻光束相位调制结构原理，但其两部分的结构原理是类似且连续一致的。过改变不同缝中入射光线的相位差即可改变光栅衍射后中央明纹(主瓣)的位置。

狭缝越多，条纹越明亮。光栅中的零级主级大相当于光学相控阵的主瓣，其它的主级大就是栅瓣，如何有效消除扫描中的副瓣是关键，研究表明，可以通过二项式阵列和多而夫-切比雪夫阵列消除副瓣(也称旁瓣，即光栅中的次级大明纹)。对于栅瓣，当满足d＜λ时，没有栅瓣产生，但在光波中λ很小，相位调制单元间距d(对应于光栅参数)很难满足上述条件，这就需要采用特殊的方法来解决。

如图1所示为双光栅结构光学相控阵原理示意图。对应二维面阵器件而言，控制行间单元的相位差可实现方位扫描、控制列间单元的相位差可实现俯仰扫描、控制聚焦透镜可实现前后聚焦深度变化。

以下将对本发明的优先实施例进行详细的描述，应当理解，优先实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

按照配套选用的包含自准直透镜的激光二极管光源元件，封装尺寸φ3.5×20mm、波长1μm、激光二极管光源矩阵为8×8阵列作为设计指标。

(1)光栅参数与结构尺寸设计

参考图2为8×8＝64单元的阵列器件外形与粗光栅结构示意图，粗光栅采用正方形狭缝结构，光栅参数D＝A+B＝2A＝2B；图3为对应粗光栅透光部分特别设计的细光栅局部放大图，细光栅采用圆形小孔结构,光栅参数d＝a+b＝2a＝2b，且满足D是d的整数倍，具体参数选择如下：

①确定细光栅参数

细光栅：目前常用的激光光源的波长约λ＝1μm，考虑消除副瓣应满足d＜λ、提高效率和精度应满足d＜＜λ等因素，取a＝100nm,b＝100nm，d＝200nm。

②确定粗光栅参数

粗光栅：考虑目前激光器件封装尺寸外径最小在4mm左右，取A＝2mm,B＝2mm,D＝A+B＝2+2＝4mm，对应于激光二极管器件外径尺寸应小于D,否则器件无法安装、定位，本发明应用例选则激光二极管器件外径尺寸为φ3.5mm。

所以，在A＝2mm的正方形透光栅格内，均匀排列分布明暗相间的结构，如图3所示为局部放大图。透光孔为直径等于a＝100nm的圆形(孔径越小，衍射效果越好)，两透光孔间隔为b＝100nm。在2mm×2mm范围内均匀分布着10000×10000＝1×10⁸个透光圆孔，形成纵向光栅与横向光栅相结合的面栅结构。

③确定双结构光栅外形尺寸

根据粗光栅的结构尺寸，双结构光栅外形尺寸长×宽×厚确定为32mm×32mm×4mm，如图2所示，材质选用光学K9玻璃。

(2)光栅器件毛坯处理。对光栅制作材料进行切割、抛光等预处理。

(3)光刻与刻蚀制作工艺

①涂胶。将光刻胶溶液喷洒到玻璃表面上；加速旋转托盘(玻璃器件)，直至达到需要的旋转速度；达到所需的旋转速度后，保持一定时间的旋转(甩胶)。

②前烘。真空热平板烘烤,这种方法方便控制温度，还可以保证加热均匀。平板烘烤还可以解决光刻胶表面粗糙的问题。

③曝光。采用28nm制程光刻机，将光刻版的图形投影在玻璃上进行对准、紫外曝光。

④显影。采用喷洒显影，显影完成后，需要经过漂洗，之后再旋干。

⑤坚影。采用红外灯照射，距离6cm，照射10min。

⑥刻蚀。采用28nm制程刻蚀机，将光刻掩模版上的图形精确地转移到玻璃表面，并永久驻留在玻璃的表层。

⑦去胶。使用与光刻胶互溶的丙酮和芳香族的有机溶剂，达到去胶的目的。

Claims (8)

1.一种用于光学扫描的双结构光栅器件，其特征在于：包括n×m个透光窗口，按照n行×m列矩形黑白相间排列分布，黑色部分为不透光单元、白色部分为透光单元，任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度均相等，且任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度之和为此单元进行相位调制时的单元间距，记为D，从而构成了n行×m列矩形黑白相间排列分布的器件本体，所述的透光窗口为一个独立的面阵光栅，所述的面阵光栅内均匀分布着s*s个透光的圆孔，其中，面阵光栅的单元间距记为d，则D为d的整数倍，其中n、m、s、D、d均为正整数。

2.根据权利要求1所述的用于光学扫描的双结构光栅器件，其特征在于：该双结构光栅器件在使用时，阵列的每一个透光单元分别对应一个激光二极管光源和一个相位调制窗口，激光二极管光源的波长为λ，则d不大于1/2λ。

3.根据权利要求2所述的用于光学扫描的双结构光栅器件，其特征在于：该双结构光栅器件与光学相位调制器件结合构成二维阵列光学相控阵组件，实现激光阵列光源入射到光学相控阵组件后，通过控制相位调制器件各的各个单元内相邻光束通过的相位差以及单元间的光束通过的相位差，使得经相位调制后的光束经过双结构光栅器件各单元后输出光波的相位在指定的方向上相同，从而实现该方向的相长干涉，而与此同时，各单元输出光的相位在其它方向产生相消干涉。

4.一种用于光学扫描的双结构光栅器件的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

A：依据光学扫描的双结构光栅器件本体对光栅参数与基体的结构尺寸进行设计；

A1:确定细光栅参数：依据所选择激光二极管光源的波长，设计确定细光栅阵列的排列形式，包括中心对称、轴对称或行/列均布；透光孔形状，包括长方形、正方形或圆形；光栅参数d；具体的：采用s*s阵列排列形式、圆形透光孔、d不大于1/2λ；

A2:确定粗光栅参数：依据选用的激光二极管光源元件的封装形式与外形尺寸以及数量，确定光栅阵列中粗光栅的数量、排列和光栅单元间距，且满足粗光栅常数是细光栅常数的整数倍；具体的：粗光栅的透光窗口数量与与其配合使用的激光二极管光源元件数量相同，排列方式与激光阵列封装形式保持一致且对应，采用矩形狭缝式结构与其对应，透光窗口间的中心距与激光阵列激光二极管间的中心距保持对应相等；

A3:确定双结构光栅外形尺寸；通过粗、细光栅的参数D和d，以及透光窗口的排列方式与数量确定双光栅光学器件的外形尺寸长×宽×厚以及材质；

B:光栅器件毛坯处理；对光栅制作材料的基体依次进行切割和抛光预处理；

C:对预处理后的光栅器件基体进行光刻与刻蚀，得到双结构光栅器件。

5.根据权利要求4所述的用于光学扫描的双结构光栅器件的制作方法，其特征在于：所述的步骤C具体包括以下步骤：

①涂胶：在基体表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜；

②前烘：由于在液态的光刻胶中，溶剂的成份占65％～85％，经过甩胶之后，虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍含有10％～30％的溶剂，涂胶以后的基体，需要在一定的温度下进行烘烤，使溶剂从光刻胶内挥发出来，前烘后光刻胶中溶剂含量降至到5％左右；

③曝光：光刻胶在经过前烘之后，原来为液态的光刻胶在玻璃表面上固化，这样就可以进行曝光；

④显影：曝光之后需要进行后烘，短时间的后烘可以促进光刻胶的关键化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波，然后就可以进行显影；显影是将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除，显现出所需的图形；

⑤坚膜：用于去除光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对玻璃表面的附着力，同时提高光刻胶在刻蚀过程中的抗蚀性和保护能力；

⑥刻蚀：将光刻掩模版上的图形精确地转移到玻璃表面；同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求；在光栅制造工艺中，光刻图形必须最终转移到光刻胶下面组成器件的各薄膜层上，这种图形的转移是采用刻蚀工艺完成的，经过刻蚀的图形就永久留在玻璃的表层；

⑦去胶：经过刻蚀之后，已经不再需要光刻胶作为保护层，因此将光刻胶从玻璃表面除去，去胶后即完成了整个制作过程。

6.根据权利要求5所述一种用于光学扫描的双结构光栅器件的制作方法，其特征是：所述的显影采用喷洒显影方法，具体包括如下三步：

步骤1，玻璃被置于旋转台上，并且在玻璃表面上喷洒显影液；

步骤2，然后玻璃将在静止的状态下进行显影；

步骤3，显影完成后，需要经过漂洗，之后在旋干,漂洗和旋干是为了去除残留在玻璃上的显影液。

7.根据权利要求6所述一种用于光学扫描的双结构光栅器件的制作方法，其特征是：

去胶的方法包括湿法去胶和干法去胶，二者搭配使用。

8.根据权利要求7所述一种用于光学扫描的双结构光栅器件的制作方法，其特征是：

所述的用于光学扫描的双结构光栅器件，包括n×m个透光窗口，按照n行×m列矩形黑白相间排列分布，黑色部分为不透光单元、白色部分为透光单元，任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度均相等，且任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度之和为此单元进行相位调制时的单元间距，记为D，从而构成了n行×m列矩形黑白相间排列分布的器件本体，所述的透光窗口为一个独立的面阵光栅，所述的面阵光栅内均匀分布着s*s个透光的圆孔，其中，面阵光栅的单元间距记为d，则D为d的整数倍，其中n、m、s、D、d均为正整数。