CN109946922B - 光学表面微轮廓二维直接成像制造及光学表面平整修形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学表面微轮廓二维直接成像制造及光学表面平整修形方法，包括以下步骤：S1：基板抛光；S2：基板面形检测；S3：图形生成：通过目标轮廓形貌数据，得到需要去除的待加工量；S4：参数转换：将待加工量数据转化为逐点曝光的时间数据；S5：二维曝光：在基板上涂敷光刻胶并进行曝光；S6：显影固化：将曝光的基板进行显影处理后，在光刻胶表面获得与待加工量匹配的轮廓图形；S7：刻蚀传递：将光刻胶表面的轮廓刻蚀传递到基板表面。本发明基于直接图形发生器的图案自由设计、微米级的定位精度和分辨率、二维面阵的高速加工效率，并通过显影技术和刻蚀技术准确传递形成表面微轮廓，具有成本低、效率高、精度高和图形变动灵活等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学表面加工方法，尤其涉及一种光学表面微轮廓二维直接成像制造及光学表面平整修形方法。
背景技术
平面光学元件的表面根据使用要求可以分为两种类型。一种是常规平面，即将平面加工的越平越好。从精密光学检测术语来说，要求平面检测波前的低频成分峰谷值和均方根值足够小，同时还要控制中频和高频部分，以达到科学的、完整的“平面”意义。另一种是非常规平面，即在已经加工成平面的表面上再加工精细的微小起伏，具有对光学波前进行相位调制的功能。这种表面微小起伏在纵向高度上的尺度一般在波长量级，即数十纳米至数微米之间，横向尺度在数微米至厘米之间，并且起伏轮廓有严格的规定和精度要求。
目前的平面加工技术，一般采用全口径平面抛光技术如单轴机、多轴机以及环抛机等设备的平面抛光工艺，当元件口径大或精度要求较高时还需结合数控子口径抛光技术如数控小磨头抛光、磁流变抛光以及离子束抛光等。这两种加工方案各有优缺点：全口径平面抛光技术由于整个面同时抛光，很难达到较高的波前低频精度，即整个表面的平整程度不高，但由于是整面加工，不够平整的地方起伏比较平缓，也就是波前的中频和高频误差较小。而子口径数控抛光技术由于采用了比元件尺寸小很多的抛光工具，结合数控的定位、定时、定量加工，可以比较精确地去除平面加工中的局部起伏，达到波前低频较高的精度，但由于子口径去除的包络并不能精确地耦合平面局部的起伏轮廓，因而会留下更小尺度的表面结构，即恶化了波前的中高频成分，俗称加工表面出现波纹度。由于受子口径加工技术的限制，目前对这些更小尺度的起伏没有办法精确地去除，唯一可能的技术手段是重新退回到用较大的或全口径抛光的方法对这些起伏进行“匀滑”处理，但由此造成元件加工流程复杂、难度叠加，成本大大提高。
对于具有特定微小起伏的加工技术，目前采用的方法各不相同。比如一种具有连续匀滑起伏结构的光学连续位相调制元件(Continuous Phase Planet,CPP),由于其起伏结构的最大纵深在数微米级，最小横向尺度在数毫米级，因此国际上采用了磁流变抛光方法，用尺度在2-3mm左右的磁流变去除函数通过复杂的迭代计算和返复的抛光路径，可以达到要求。但时间周期长达数周，且使用的加工设备和检测设备成本高。另一方面由于抛光去除函数的尺度限制，在CPP元件设计中也限制了最小起伏间的间隔尺度，从而影响了这类元件的设计优化，也影响了加工难度。
另外一种具有固定起伏高度(台阶)和规则图形(方格化)的计算全息位相元件(Computer Generate Hologram CGH)，采用的是类半导体工艺，即采用电子书直写或激光束直写的方法制作镀铬掩模版，通过掩模版光刻、显影、刻蚀流程可以制成CGH。但这个加工流程中，电子束(激光束)直写制作掩模版的成本较高，时间周期长，每一个掩模版只能用以一种特定的位相调制，因此整个制造方法成本高、周期长且不灵活。还有一种具有规则起伏结构图案的元件称为全息光栅，采用两束具有相干性的激光束根据设计同时照射到涂有光刻胶的表面形成干涉图像从而曝光形成结构。这种方法在流程和控制上更难，成本更高，且每变更一种图形都需要变更光路和光学系统，很难成为一种可以批量制造的技术，影响了这种功能器件的推广使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光学表面微轮廓二维直接成像制造及光学表面平整修形方法，解决光学表面微轮廓制造技术中存在的子口径抛光成本高、效率低、精度不准确和光掩模法成本高、周期长、图形变化不灵活的问题。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种光学表面微轮廓二维直接成像制造方法，包括以下步骤：S1：基板抛光：对需要做表面微轮廓的光学平面基板进行预抛光，以提升其平面平整度；S2：面形检测：对抛光后的基板面形进行检测，获得基板本身的微起伏形貌数据；S3：图形生成：通过计算机生成需要实现的目标轮廓形貌数据，与步骤S2中获得的基板本身的微起伏形貌数据对位相减，得到需要加工去除的待加工量；S4：参数转换：将待加工量数据输入直接图形发生器，直接图形发生器根据预设参数，自动将待加工量数据转化为逐点曝光的时间数据；S5：二维曝光：在面形检测后的光学平面基板上按步骤S3中的目标轮廓形貌数据涂敷光刻胶，送入直接图形发生器中根据步骤S4中的逐点曝光的时间数据进行全口径面阵同步曝光；S6：显影固化：将曝光的基板进行显影处理，在光刻胶层上获得与待加工量匹配的轮廓图形；S7：刻蚀传递：将光刻胶表面的轮廓刻蚀传递到基板表面，加工流程结束。
进一步的，所述步骤S2中采用平面干涉仪对抛光后的基板面形进行检测。
进一步的，所述步骤S4中直接图形发生器以最低的一点作为纵向高度的原点，以待加工量数据作为面上的每一个点的高度数据；将高度原点处的曝光量设为零，最高的点曝光量设为最大；所述曝光时间长短与曝光量大小呈正比。
进一步的，所述在步骤S6中光刻胶显影时光刻胶去除量的大小与曝光量的大小成正比，曝光量大的地方光刻胶去除量大，使得光刻胶显影后在光刻胶层上显现与待加工量匹配的三维轮廓图。
进一步的，所述步骤S5中通过直接图形发生器的微光机系统进行全口径面阵同步曝光；所述微光机系统是由数百万个可控的小反射镜组成，所述小反射镜的尺寸为10um左右，所述微光机系统通过汇聚系统将每一个光斑聚焦至1um，激光束照射到小反射镜阵列上，通过控制镜子的翻转角度，控制一个点的曝光与否和曝光的时间长短。
进一步的，所述微光机系统通过高精度的重复定位和扫描，完成平面基板的图形曝光，所述微光机系统完成一张米级平面基板的图形曝光的时间为数秒至数十秒，所述曝光最小像素和位置精度为1um，通过控制曝光时间将曝光量灰度扩展到1024个台阶，使得纵向高度精度为纳米级。
进一步的，所述二维曝光和显影固化过程还包括通过激光束直写技术对玻璃基板进行激光辐照完成，所述玻璃基板根据图形数据曝光量完成激光辐照，所述玻璃基板为对激光辐照具有光敏特性的特种玻璃；所述玻璃基板通过激光辐照使得玻璃材料表面密度发生变化，所述玻璃基板表面的密度变化在刻蚀传递过程中转化为刻蚀去除量的差异，形成表面起伏轮廓。
进一步的，所述步骤S7中采用化学刻蚀法或等离子体刻蚀法进行刻蚀传递；所述化学刻蚀法包括以HF酸溶液为主要成分的湿法化学反应刻蚀法，还包括根据光学材料采用不同的反应刻蚀溶液，按照设定的比例对作为掩模的光刻胶和基底光学材料进行化学反应刻蚀；所述等离子体刻蚀法为等离子束刻蚀、反应离子刻蚀、反应离子束刻蚀或反应耦合等离子体刻蚀。
本发明为解决上述技术问题而采用的另一技术方案是提供一种光学表面平整修形方法，其中，包括以下步骤：S11：获取抛光基板；S12：完成对基板的面形检测，获得基板本身的微起伏形貌数据；S13：以理论绝对平整面作为目标，将检测获得的形貌数据减去绝对平面得到面形残差数据；S14：将面形残差数据输入直接图形发生器，直接图形发生器根据预设参数，自动将面形残差数据转化为逐点曝光的时间数据；S15：在面形检测后的光学平面基板上绝对平整面作为目标涂敷光刻胶，送入直接图形发生器中根据步骤S4中的逐点曝光的时间数据进行全口径面阵同步曝光；S16：将曝光的基板进行显影处理，在光刻胶层上获得与面形残差数据匹配的轮廓图形；S17：将光刻胶表面的轮廓刻蚀传递到基板表面，加工流程结束。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的光学表面微轮廓二维直接成像制造以及光学表面平整修形方法方法，具有以下优点：1、成本低：在制作一片表面微轮廓元件过程中所消耗的直接成本为：光刻胶材料及设备运行电费，直接图形发生器、光刻曝光设备的电费，显影液费用，刻蚀费用以及必要的人工辅助费用；2、效率高：制作一片表面微轮廓元件全流程所花费的时间周期为：光刻胶涂敷数分钟，曝光数十秒至数分钟，显影处理数十秒，刻蚀数十分钟至数小时，总体时间为数小时即可完成；3、精度高：曝光最小像素和位置精度可达到1um，并且通过控制曝光时间可将曝光量灰度扩展到1024个台阶，相当于纵向高度可以控制在纳米水平，因此可以严格精确地获得计算机给出的待加工量轮廓；4、产品多样性和灵活性：采用计算机生成所需制作的微轮廓曝光数据，通过微光机系统面阵光源，以二维同步曝光完成待加工量制作，因而在面对不同微轮廓结构、不同图形、不同分辨率尺度以及不同残余面形误差的基板时，均一视同仁没有差别，因为具有极强的产品多样性和灵活性。
附图说明
图1为本发明实施例中光学表面微轮廓二维直接成像制造方法框图；
图2为本发明实施例中光学表面微轮廓二维直接成像制造方法流程图；
图3为本发明实施例中待加工的平面基板的面形检测结果图和三维面形图；
图4为本发明实施例中连续位相板设计图；
图5为本发明实施例中连续位相板三维示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明实施例中光学表面微轮廓二维直接成像制造方法框图；图2为本发明实施例中光学表面微轮廓二维直接成像制造方法流程图。
请参见图1和图2，本发明实施例的光学表面微轮廓二维直接成像制造方法，包括以下步骤：
S1：基板抛光：对需要做表面微轮廓的光学平面基板进行预抛光，获得较好的平面平整度；
S2：面形检测：对抛光后的基板面形进行检测，获得基板本身的微起伏形貌数据；
S3：图形生成：通过计算机生成需要实现的目标轮廓形貌数据，与步骤S2中获得的基板本身的微起伏形貌数据对位相减，得到需要加工去除的待加工量；
S4：参数转换：将待加工量数据输入直接图形发生器，直接图形发生器根据预设参数，自动将待加工量数据转化为逐点曝光的时间数据；
S5：二维曝光：在面形检测后的光学平面基板上按步骤S3中的目标轮廓形貌数据涂敷光刻胶，送入直接图形发生器中根据步骤S4中的逐点曝光的时间数据进行全口径面阵同步曝光；
S6：显影固化：将曝光的基板进行显影处理，在光刻胶层上获得与待加工量匹配的轮廓图形；
S7：刻蚀传递：将光刻胶表面的轮廓刻蚀传递到基板表面，加工流程结束。
本发明实施例的光学表面平整修形方法，包括以下步骤：
S11：获取抛光基板；
S12：完成对基板的面形检测，获得基板本身的微起伏形貌数据；
S13：以理论绝对平整面作为目标，将检测获得的形貌数据减去绝对平面得到面形残差数据；
S14：将面形残差数据输入直接图形发生器，直接图形发生器根据预设参数，自动将面形残差数据转化为逐点曝光的时间数据；
S15：在面形检测后的光学平面基板上绝对平整面作为目标涂敷光刻胶，送入直接图形发生器中根据步骤S4中的逐点曝光的时间数据进行全口径面阵同步曝光；
S16：将曝光的基板进行显影处理，在光刻胶层上获得与面形残差数据匹配的轮廓图形；
S17：将光刻胶表面的轮廓刻蚀传递到基板表面，加工流程结束。
具体的，本发明实施例的光学表面微轮廓二维直接成像制造以及光学表面平整修形方法，采用平面干涉仪对抛光后的基板面形进行检测；直接图形发生器以最低的一点作为纵向高度的原点，以待加工量数据作为面上的每一个点的高度数据；将高度原点处的曝光量设为零，最高的点曝光量设为最大；所述曝光时间长短与曝光量大小呈正比；光刻胶显影时光刻胶去除量的大小与曝光量的大小成正比，曝光量大的地方光刻胶去除量大，使得光刻胶显影后在光刻胶层上显现与待加工量匹配的三维轮廓图。
具体的，本发明实施例的光学表面微轮廓二维直接成像制造以及光学表面平整修形方法，通过直接图形发生器的微光机系统进行全口径面阵同步曝光；所述微光机系统是由数百万个可控的小反射镜组成，所述小反射镜的尺寸为10um左右，所述微光机系统通过汇聚系统将每一个光斑聚焦至1um，激光束照射到小反射镜阵列上，通过控制镜子的翻转角度，控制一个点的曝光与否和曝光的时间长短；微光机系统通过高精度的重复定位和扫描，完成平面基板的图形曝光，所述微光机系统完成一张米级平面基板的图形曝光的时间为数秒至数十秒，所述曝光最小像素和位置精度为1um，通过控制曝光时间将曝光量灰度扩展到1024个台阶，使得纵向高度精度为纳米级。
具体的，本发明实施例的光学表面微轮廓二维直接成像制造以及光学表面平整修形方法，二维曝光和显影固化过程还包括通过激光束直写技术对玻璃基板进行激光辐照完成，所述玻璃基板根据图形数据曝光量完成激光辐照，所述玻璃基板为对激光辐照具有光敏特性的特种玻璃；所述玻璃基板通过激光辐照使得玻璃材料表面密度发生变化，所述玻璃基板表面的密度变化在刻蚀传递过程中转化为刻蚀去除量的差异，形成表面起伏轮廓。
具体的，本发明实施例的光学表面微轮廓二维直接成像制造以及光学表面平整修形方法，采用化学刻蚀法或等离子体刻蚀法进行刻蚀传递；所述化学刻蚀法包括以HF酸溶液为主要成分的湿法化学反应刻蚀法，还包括根据光学材料采用不同的反应刻蚀溶液，按照设定的比例对作为掩模的光刻胶和基底光学材料进行化学反应刻蚀；所述等离子体刻蚀法为等离子束刻蚀、反应离子刻蚀、反应离子束刻蚀或反应耦合等离子体刻蚀。
请参见图3，待加工的平面基板是一个加工面形峰谷值(PV值)约为0.15um(五分之一波长)的平面，由于采用数控加工提高面形PV值，表面留有明显的波纹，可以在放大的三维面形图上看到如沟壑的起伏图形。
本发明实施例的光学表面微轮廓二维直接成像制造方法，将图3所示的待加工的平面作为制作连续位相板的基板，而要制作的连续位相板目标图案如图4和图5所示，是一个表面轮廓高差峰谷值达到4.5um的复杂图形。将图3三维面形图中每一个像素点的高度数据减去图5中对应的像素的高度数据，会得到一个有正有负的数据矩阵，将矩阵做一个线性平移成为全部是正值的数据，就可以得到曝光参数的矩阵数据了。直接图形发生器以矩阵数据最低的一点作为纵向高度的原点，以矩阵数据作为面上的每一个点的高度数据；将高度原点处的曝光量设为零，最高的点曝光量设为最大；在曝光量大的地方光刻胶去除量大，光刻胶显影后在光刻胶层上显现与待加工量匹配的三维轮廓图，将这个三维轮廓图刻蚀传递到基板上，即可制成需要的连续位相板。
本发明实施例的光学表面平整修形方法，将图3所示的待加工的平面表面加工到更高的平面平整度，将图形数据进行变换，以图3中三维面形图最低的一点作为纵向高度的原点，其余面上的每一个点的高度数据即为待加工量数据。将这个待加工量数据按照设定的转换关系转为直接图形发生器设备的曝光参数。在该基板表面涂敷光刻胶后进入直接图形发生器设备，经过精准定位后开始曝光，曝光过程是将高度原点处的曝光量为零，而最高的点曝光量最大，根据光刻胶的显影特点，曝光量大的地方光刻胶去除量大，因此在光刻胶层上出现一个与基板原始检测图形相反的一个三维轮廓图。将这个三维轮廓图刻蚀传递到基板上，正好可以逐一抵消原基板上的突起的每个高度，得到和最低点一致的完美的平面。
综上所述，本发明提供的光学表面微轮廓二维直接成像制造以及光学表面平整修形方法，基于直接图形发生器的图案自由设计、微米级的定位精度和分辨率、二维面阵的高速加工效率，并通过显影技术和刻蚀技术准确传递而形成表面微轮廓结构，具有成本低、效率高、精度高和图形变动灵活等优点。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (7)
1.一种光学表面微轮廓二维直接成像制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基板抛光：对需要做表面微轮廓的光学平面基板进行预抛光，以提升其平面平整度；
S2：面形检测：对抛光后的基板面形进行检测，获得基板本身的微起伏形貌数据；
S3：图形生成：通过计算机生成需要实现的目标轮廓形貌数据，与步骤S2中获得的基板本身的微起伏形貌数据对位相减，得到需要加工去除的待加工量；
S4：参数转换：将待加工量数据输入直接图形发生器，直接图形发生器根据预设参数，自动将待加工量数据转化为逐点曝光的时间数据；
S5：二维曝光：在面形检测后的光学平面基板上按步骤S3中的目标轮廓形貌数据涂敷光刻胶，送入直接图形发生器中根据步骤S4中的逐点曝光的时间数据进行全口径面阵同步曝光；
S6：显影固化：将曝光的基板进行显影处理，在光刻胶层上获得与待加工量匹配的轮廓图形；
S7：刻蚀传递：将光刻胶表面的轮廓刻蚀传递到基板表面，加工流程结束；
所述步骤S4中直接图形发生器以最低的一点作为纵向高度的原点，以待加工量数据作为面上的每一个点的高度数据；将高度原点处的曝光量设为零，最高的点曝光量设为最大；所述曝光时间长短与曝光量大小呈正比；
所述在步骤S6中光刻胶显影时光刻胶去除量的大小与曝光量的大小成正比，曝光量大的地方光刻胶去除量大，使得光刻胶显影后在光刻胶层上显现与待加工量匹配的三维轮廓图；
所述二维曝光和显影固化过程还包括通过激光束直写方式对玻璃基板进行激光辐照完成，所述玻璃基板根据图形数据曝光量完成激光辐照，所述玻璃基板为对激光辐照具有光敏特性的特种玻璃；所述玻璃基板通过激光辐照使得玻璃材料表面密度发生变化，所述玻璃基板的表面密度变化在刻蚀传递过程中转化为刻蚀去除量的差异，形成表面起伏轮廓。
2.如权利要求1所述的光学表面微轮廓二维直接成像制造方法，其特征在于，所述步骤S2中采用平面干涉仪对抛光后的基板面形进行检测。
3.如权利要求1所述的光学表面微轮廓二维直接成像制造方法，其特征在于，所述步骤S5中通过直接图形发生器的微光机系统进行全口径面阵同步曝光；所述微光机系统是由数百万个可控的小反射镜组成，所述小反射镜的尺寸为10μm，所述微光机系统通过汇聚系统将每一个光斑聚焦至1μm，激光束照射到小反射镜阵列上，通过控制镜子的翻转角度，控制一个点的曝光与否和曝光的时间长短。
4.如权利要求3所述的光学表面微轮廓二维直接成像制造方法，其特征在于，所述微光机系统通过高精度的重复定位和扫描，完成平面基板的图形曝光，所述微光机系统完成一张米级平面基板的图形曝光的时间为数秒至数十秒；所述曝光最小像素和位置精度为1μm，通过控制曝光时间将曝光量灰度扩展到1024个台阶，使得纵向高度精度为纳米级。
5.如权利要求1所述的光学表面微轮廓二维直接成像制造方法，其特征在于，所述步骤S7中采用化学刻蚀法或等离子体刻蚀法进行刻蚀传递；所述化学刻蚀法包括以HF酸溶液为主要成分的湿法化学反应刻蚀法，还包括根据光学材料采用不同的反应刻蚀溶液，按照设定的比例对作为掩模的光刻胶和基底光学材料进行化学反应刻蚀；所述等离子体刻蚀法为等离子束刻蚀、反应离子刻蚀、反应离子束刻蚀或反应耦合等离子体刻蚀。
6.如权利要求1所述的光学表面微轮廓二维直接成像制造方法，其特征在于，所述步骤S7中通过控制光刻胶与基板的刻蚀速率比，在基板上得到所需要的三维微轮廓结构。
7.一种光学表面平整修形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11：获取抛光基板；
S12：完成对基板的面形检测，获得基板本身的微起伏形貌数据；
S13：以理论绝对平整面作为目标，将检测获得的形貌数据减去绝对平面得到面形残差数据；
S14：将面形残差数据输入直接图形发生器，直接图形发生器根据预设参数，自动将面形残差数据转化为逐点曝光的时间数据；所述直接图形发生器以最低的一点作为纵向高度的原点，以面形残差数据作为面上的每一个点的高度数据；将高度原点处的曝光量设为零，最高的点曝光量设为最大；所述曝光时间长短与曝光量大小呈正比；
S15：在面形检测后的光学平面基板上以绝对平整面作为目标涂敷光刻胶，送入直接图形发生器中根据步骤S14中的逐点曝光的时间数据进行全口径面阵同步曝光；
S16：将曝光的基板进行显影处理，光刻胶显影时光刻胶去除量的大小与曝光量的大小成正比，曝光量大的地方光刻胶去除量大，在光刻胶层上获得与面形残差数据匹配的轮廓图形；
S17：将光刻胶表面的轮廓刻蚀传递到基板表面，加工流程结束；
所述曝光和显影处理过程还包括通过激光束直写方式对玻璃基板进行激光辐照完成，所述玻璃基板根据图形数据曝光量完成激光辐照，所述玻璃基板为对激光辐照具有光敏特性的特种玻璃；所述玻璃基板通过激光辐照使得玻璃材料表面密度发生变化，所述玻璃基板的表面密度变化在刻蚀传递过程中转化为刻蚀去除量的差异，形成表面起伏轮廓。
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