CN110394693B - 一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法，基于梯度匹配方法选择磁流变去除函数，并利用磁流变加工技术去除函数尺寸小、修形能力强、加工确定性高的特点，直接在基本光学元件表面加工出螺旋相位板的设计图案，该方法具有工艺简单、加工精度高、成形效率高等优点。

Description

一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，更具体的说是涉及一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法。

背景技术

涡旋光束作为一种特殊的新型光束，其特点是具有螺旋形波前结构、光强呈环形分布、具有很小的中心暗斑尺寸、确定的轨道角动量等。这些优点使其在光学微操纵、光学信息传输、激光光学、微粒波导、生物医学、原子光学以及分子光学等领域中得到广泛的应用。

目前涡旋光束产生的方法主要有：1)计算机再现全息法将涡旋光作为一种衍射光束通过全息图调制而获得；2)通过激光谐振腔内的非对称结构，产生高阶的厄米—高斯光束，再由两个散光透镜将高斯光束转变为涡旋光；3)用螺旋相位板，将高斯光束转变为涡旋光束。

螺旋相位板是一种纯相位的衍射光学元件，它的光学厚度与螺旋相位角成正比，螺旋相位板法相比于其他产生涡旋光束的方法有着以下的优点，比全息图法有更高的转换效率，比柱面透镜模式转换器更易操控，螺旋相位板不仅能用于产生涡旋光束，也发现它可用于产生径向偏正光束和在显微镜下的边缘增强。

激光直写是一种制备螺旋相位板结构的方法，由于是逐点直写的方式，所以制备效率非常低，难以有效加工大口径的螺旋相位板；基于灰度掩膜光刻技术也是一种连续型结构螺旋相位板的制备方法，该方法将设计好的螺旋相位板掩膜图形刻蚀到光刻胶上形成浮雕型的结构，然后经过曝光、显影等步骤，最终实现螺旋相位板的制作，但是其工艺复杂、加工精度和效率还不能完全满足要求。

因此，如何提高加工精度和加工效率是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法，具有工艺简单、加工精度高和成形效率高等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法，包括：

S1：获取螺旋相位板的设计面形数据，其中设计面形长度为m，设计面形宽度为n，单位为mm；

S2：选择基板，其中基板长度不小于m，宽度不小于n；并测量基板面形数据；判断基板面形数据是否满足PV≤1λ；若满足，则执行步骤S3；其中，PV表示面形数据中最大值和最小值的差值；

λ是元件检测采用的光学干涉仪的激光光源波长，光源波长可能有多种规格，如632.8nm、658nm、1053nm等，只是632.8nm的激光光源相对较为常见。

S3：对螺旋相位板的设计面形数据和基板面形数据进行误差匹配，得到残余误差面形数据；

S4：判断残余误差面形数据的均方根是否小于预设阈值；若否，则基于梯度匹配方法选择磁流变去除函数；

S5：在确定了磁流变去除函数和残余误差面形数据后，计算驻留时间，并对应生成磁流变机床的数控程序；

S6：基于选取的基板和生成的磁流变机床的数控程序进行磁流变加工，得到螺旋相位板元件；

S7：测量螺旋相位板元件面形数据，并与所述设计面形数据进行误差匹配，得到新的残余误差面形数据，并重复执行步骤S4～S7，直至残余误差面形数据的均方根小于预设阈值，螺旋相位板制备完成。

优选的，在步骤S4中，基于梯度匹配方法选择磁流变去除函数的具体步骤包括：

S41：计算残余误差面形数据中每个数据点的梯度，得到梯度数据矩阵；

S42：计算梯度数据矩阵的PV值；

S43：计算残余误差面形数据的台阶面的宽度；

S44：基于台阶面的宽度和梯度数据矩阵的PV值选取去除函数，选取原则为：去除函数短边宽度小于台阶面宽度的预设比例，且去除函数最大梯度大于梯度数据矩阵的PV值的预设倍数。

优选的，在步骤S2中，若基板面形数据不满足PV≤1λ，则重新选择新的基板。

优选的，在步骤S4中，若残余误差面形数据的均方根小于预设阈值，则螺旋相位板制备完成。

优选的，所述预设阈值为30nm。

优选的，所述预设比例为2/3。

优选的，所述预设倍数为1.5。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法，利用磁流变加工技术去除函数尺寸小、修形能力强、加工确定性高的特点，直接在基本光学元件表面加工出螺旋相位板的设计图案，该方法具有工艺简单、加工精度高、成形效率高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法的流程示意图；

图2为本发明提供的连续型螺旋相位板结构示意图；

图3为本发明提供的螺旋相位板设计面形示意图；

图4为本发明提供的螺旋相位板初始残余误差面形示意图；

图5为本发明提供的螺旋相位板残余误差面形计算台阶面的宽度的示意图；

图6为本发明提供的螺旋相位板磁流变加工优选的去除函数；

图7为本发明提供的螺旋相位板磁流变加工结果示意图；

图8为本发明提供的螺旋相位板最终残余误差面形的示意图；

图9为本发明提供的螺旋相位板远场设计与实际加工焦斑结果对比图；

图10为本发明提供的磁流变去除函数短边宽度计算示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见附图1，本发明实施例公开了一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法，包括：

S1：获取螺旋相位板的设计面形数据，其中设计面形长度为m，设计面形宽度为n，单位为mm；

S2：选择基板，其中基板长度不小于m，宽度不小于n；并测量基板面形数据；判断基板面形数据是否满足PV≤1λ；若满足，则执行步骤S3；其中，PV表示面形数据中最大值和最小值的差值；

选择基板时，要求基板几何尺寸不小于螺旋相位板设计面形几何尺寸，否则不能在基板上完整加工出螺旋相位板设计图案，因此，基板长度不小于m，宽度不小于n；采用光学干涉仪测量基板面形数据A(x,y)，为了提高加工效率，通常要求基板初始面形尽量平整，A(x,y)数据应该满足PV≤1λ(λ＝632.8nm)，PV(Peak to Valley)表示峰值与谷值的差值，在光学加工中PV代表面形数据中最大值和最小值的差值。

S3：对螺旋相位板的设计面形数据和基板面形数据进行误差匹配，得到残余误差面形数据；

该步骤主要计算基板面形数据相对于设计面形数据的偏差；残余误差面形数据S(x,y)是评价螺旋相位板实际加工结果与理论设计差异的关键指标，残余误差面形数据S(x,y)的RMS值越小，表示实际加工和理论设计图案越接近，加工精度就越高，RMS(RootMean Square)表示均方根，在光学加工中RMS代表面形数据矩阵所有数据点的均方根。误差匹配的具体方法是对基板面形数据A(x,y)进行平移、缩放、旋转等一系列操作后与设计面形数据D(x,y)进行相减，最终得到残余误差面形S(x,y)，为现有已知技术。

S4：判断残余误差面形数据的均方根是否小于预设阈值；若否，则基于梯度匹配方法选择磁流变去除函数；

螺旋相位板面形的显著特点是大部分区域是平缓渐变的连续结构，但是在某些局部区域有大梯度的台阶面，即同时包含低频平缓结构又含有高频陡变的结构，这对磁流变去除函数的修形能力提出了很高的要求，针对其特点本发明采用梯度匹配的方法进行去除函数的优化选择。

S5：在确定了磁流变去除函数和残余误差面形数据后，计算驻留时间，并对应生成磁流变机床的数控程序；

其中，驻留时间的计算是已知常规技术。

S6：基于选取的基板和生成的磁流变机床的数控程序进行磁流变加工，得到螺旋相位板元件；

将螺旋相位板基板放置在磁流变机床工作台上，进行装夹、调平等操作，然后将数控程序导入磁流变机床数控系统，运行数控程序，磁流变机床在螺旋相位板基板上加工出设计的图案。

S7：测量螺旋相位板元件面形数据，并与设计面形数据进行误差匹配，得到新的残余误差面形数据，并重复执行步骤S4～S7，直至残余误差面形数据的均方根小于预设阈值，螺旋相位板制备完成。

具体的，采用光学干涉仪对螺旋相位板元件面形数据进行测量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1、利用磁流变加工技术去除函数尺寸小、修形能力强、加工确定性高的特点，直接在基板光学元件表面加工出螺旋相位板的设计图案，该方法具有工艺简单、加工精度高、成形效率高的优点；2、利用磁流变机床元件加工尺寸范围广的特点，很容易实现不同口径螺旋相位板的加工，包括小口径、中大口径、超大口径；而传统加工方法难以实现大口径、高效率的螺旋相位板的加工制备，是一种值得推广的、有效的螺旋相位板制备方法。

为了进一步优化上述技术方案，在步骤S4中，基于梯度匹配方法选择磁流变去除函数的具体步骤包括：

S41：计算残余误差面形数据中每个数据点的梯度，得到梯度数据矩阵；

S42：计算梯度数据矩阵的PV值；

S43：计算残余误差面形数据的台阶面的宽度；方法是测量台阶横截面轮廓曲线上最高点与最低点之间的宽度，计为tw mm；

S44：基于台阶面的宽度和梯度数据矩阵的PV值选取去除函数，选取原则为：去除函数短边宽度小于台阶面宽度的预设比例，且去除函数最大梯度大于梯度数据矩阵的PV值的预设倍数。

磁流变去除函数从磁流变去除函数库中选择。磁流变去除函数库是根据机床工作参数采集、制作了一系列的去除函数，根据参数如宽度、最大梯度等进行检索，选择合适的去除函数，近似于查表选择。

去除函数尺寸越小则其具有更好的修形能力，对加工螺旋相位板台阶面就越有利，但是会降低加工低频平缓区域的效率；去除函数尺寸越大，加工效率就越高，但是螺旋相位板台阶面加工精度会严重降低，采用本发明的去除函数优选方法，可以实现加工精度和效率的平衡，实现满足精度要求条件下的高效率制备。

为了进一步优化上述技术方案，在步骤S2中，若基板面形数据不满足PV≤1λ，则重新选择新的基板。

为了进一步优化上述技术方案，在步骤S4中，若残余误差面形数据的均方根小于预设阈值，则螺旋相位板制备完成。

为了进一步优化上述技术方案，预设阈值为30nm。

为了进一步优化上述技术方案，预设比例为2/3。

为了进一步优化上述技术方案，预设倍数为1.5。

下面结合具体实施例和附图对本发明提供的技术方案做进一步详细说明。

以制作图案如图3所示的螺旋相位板为例进行阐述，该螺旋相位板设计长度为235mm，宽度为175mm，最大深度(设计面形数据PV)为0.83λ(λ＝658nm)。

1、获取螺旋相位板设计面形D(x,y)，这是一个二维的浮点型数据矩阵，面形数据长度为235mm，宽度为175mm，如图3所示。

采用伪彩色映射的方法进行可视化，形成一幅灰度图。图3中右侧的颜色条及颜色条旁边对应的刻度、数字，其中白色代表数据值大的，黑色代表数据值小的，越白表示数据点值越大，越黑表示数据点值越小。

2、选择基板，基板材料选择为融石英，同时要求基板几何尺寸不小于螺旋相位板设计面形几何尺寸，否则不能在基板元件上完整加工出螺旋相位板设计图案，因此基板长度不小于235mm，宽度不小于175mm；选取长度尺寸为235mm，宽度为175mm的基板元件。采用4D Phasecam 2000型光学干涉仪拼接测量基板面形数据为A(x,y)，其PV＝0.493λ(λ＝658nm)，由于基板元件PV小于1λ(λ＝658nm)，故满足加工螺旋相位板图案的要求。

3、对螺旋相位板设计面形数据D(x,y)、基板面形数据A(x,y)进行误差匹配，计算基板面形数据A(x,y)相对于设计面形数据D(x,y)的偏差，得到残余误差面形S(x,y)，其PV＝0.834λ(λ＝658nm)，RMS＝116.3nm，如图4所示。

4、螺旋相位板面形的显著特点是大部分区域是平缓渐变的连续结构，但是在某些局部区域有大梯度的台阶面，即同时包含低频平缓结构又含有高频陡变的结构，这对磁流变去除函数的修形能力提出了很高的要求，本发明采用梯度匹配的方法进行去除函数的优化选择，具体如下：

i计算残余误差面形S(x,y)每个数据点的梯度，得到梯度数据矩阵g(x,y)，梯度计算公式为：

ii计算梯度数据矩阵g(x,y)的PV值为gpv＝5.3λ/cm(λ＝658nm)；

iii计算残余误差面形S(x,y)的台阶面的宽度，方法是测量台阶横截面轮廓曲线上最高点与最低点之间的宽度为tw＝7.14mm，如图5所示；

IV去除函数选择方法是：去除函数短边宽度(图10中fw)小于螺旋相位板残余误差面形S(x,y)台阶面(步骤iii中tw)宽度的2/3，且去除函数的梯度矩阵PV值要大于螺旋相位板梯度数据矩阵g(x,y)的PV值(步骤ii中gpv)的1.5倍。因此，去除函数需要满足的条件是：去除函数短边宽度小于7.14/2＝4.76mm，去除函数梯度矩阵PV值大于5.3×1.5＝7.95λ/cm(λ＝658nm)。

在磁流变去除函数库中选择匹配的去除函数，最终选取短边宽度为4.88mm，梯度矩阵PV值为9.83λ/cm(λ＝658nm)的去除函数，如图6所示。

这里对计算梯度矩阵PV值的方法做进一步说明：

计算梯度后，得到的是梯度矩阵g(x,y)，梯度矩阵的尺寸(矩阵的行数和列数)与原始数据矩阵f(x,y)是相同的。梯度矩阵g(x,y)中，总共有：行数×列数个数据点，这些数据点中有最小值、最大值，PV的值＝最大值-最小值，因此，对于某个数据矩阵，PV只有一个值，PV值反映的是某范围为数据点的最大偏差，就是步骤ii中gpv。

5、在选取了磁流变去除函数和得到残余误差面形S(x,y)后，进行驻留时间计算并生成磁流变机床可执行的数控程序，生成一个数控程序，该程序时间长度为135min。

6、将螺旋相位板基板元件放置在磁流变机床工作台上，进行装夹、调平，然后将数控程序导入磁流变机床数控系统，运行数控程序，磁流变机床在螺旋相位板基板元件上加工出设计的图案。

7、采用4D Phasecam 2000型光学干涉仪拼接测量基板元件，得到A1(x,y)，其PV＝1.14λ(λ＝658nm)，RMS＝110.4nm，如图7所示；然后进入步骤3进行误差匹配，得到残余误差面形S1(x,y)，其RMS＝13.7nm，如图8所示，由于RMS小于30nm，满足精度要求，转入步骤8；

8、螺旋相位板加工完成。

最后，为了说明本发明制备的螺旋相位板加工精度，分别计算螺旋相位板设计面形D(x,y)和在基板元件上实际加工面形A1(x,y)对应的远场焦斑(该指标描述螺旋相位板产生涡旋光束形态)如图9所示，可见其实际远场焦斑与设计焦斑形态非常一致，这说明采用本发明方法加工的螺旋相位板具有较高的精度，是一种值得推广的螺旋相位板制备方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法，其特征在于，包括：

S1：获取螺旋相位板的设计面形数据，其中设计面形长度为m，设计面形宽度为n，单位为mm；

S2：选择基板，其中基板长度不小于m，宽度不小于n；并测量基板面形数据；判断基板面形数据是否满足PV≤1λ；若满足，则执行步骤S3；其中，PV表示面形数据中最大值和最小值的差值；

λ是元件检测采用的光学干涉仪的激光光源波长，光源波长有多种规格，包括632.8nm、658nm、1053nm；

S3：对螺旋相位板的设计面形数据和基板面形数据进行误差匹配，得到残余误差面形数据；

S4：判断残余误差面形数据的均方根是否小于预设阈值；若否，则基于梯度匹配方法选择磁流变去除函数；其中，基于梯度匹配方法选择磁流变去除函数的具体步骤包括：

S41：计算残余误差面形数据中每个数据点的梯度，得到梯度数据矩阵；

S42：计算梯度数据矩阵的PV值；

S43：计算残余误差面形数据的台阶面的宽度；

S44：基于台阶面的宽度和梯度数据矩阵的PV值选取去除函数，选取原则为：去除函数短边宽度小于台阶面宽度的预设比例，且去除函数最大梯度大于梯度数据矩阵的PV值的预设倍数；

S5：在确定了磁流变去除函数和残余误差面形数据后，计算驻留时间，并对应生成磁流变机床的数控程序；

S6：基于选取的基板和生成的磁流变机床的数控程序进行磁流变加工，得到螺旋相位板元件；

S7：测量螺旋相位板元件面形数据，并与所述设计面形数据进行误差匹配，得到新的残余误差面形数据，并重复执行步骤S4～S7，直至残余误差面形数据的均方根小于预设阈值，螺旋相位板制备完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法，其特征在于，在步骤S2中，若基板面形数据不满足PV≤1λ，则重新选择新的基板。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法，其特征在于，在步骤S4中，若残余误差面形数据的均方根小于预设阈值，则螺旋相位板制备完成。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法，其特征在于，所述预设阈值为30nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法，其特征在于，所述预设比例为2/3。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁流变加工的连续型螺旋相位板制备方法，其特征在于，所述预设倍数为1.5。

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