CN112666803A - 一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，包含两路光：一路光通过镀涡旋膜MLA产生涡旋抑制光阵列，同时利用SLM控制各涡旋光的位置和形貌，结合DMD独立调控涡旋光强度，实现聚合区域大小控制；另一路光通过MLA产生激发光点阵，同时利用SLM调控各激发光位置，实现激发光和涡旋光阵列的精密重合。本发明可产生刻写点大小独立可控的高质量PPI阵列，每个PPI光斑由激发光和涡旋抑制光组成；采用相同刻写点大小的PPI阵列进行加工，具有超高分辨率、高通量和高均匀度的优势，控制刻写点大小使其具有特定分布，还能实现灰度光刻功能，加工任意高均匀度曲面结构和真三维微结构，可应用于超分辨光刻。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学技术及光学元件加工制造领域，尤其涉及一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置。
背景技术
双光子直写过程中的聚合反应基于非线性效应，因此具有突破衍射极限的能力，传统双光子光刻在超分辨实现方面具有一定的优势，但要突破更高分辨率仍具有一定的局限性。基于边缘光抑制(Peripheral Photoinhibition，PPI)技术的双光子光刻通过涡旋光抑制激发光外围区域聚合反应的发生，从而实现比传统双光子光刻更高的分辨率。空间光调制器SLM和数字微镜阵列DMD是超分辨光刻中比较常用的两种光场调制器件，将他们与PPI双光子直写相结合将发挥他们各自的优势，且常常能够在分辨率、加工通量及三维复杂结构等方面得到更好的效果。
目前已报道的文献中所实现的PPI光斑数都很有限，因此虽然分辨率有所提升但加工通量都比较低；具体实施过程中，在实现理想涡旋光形貌、均匀一致PPI点阵以及涡旋光和激发光精确重合等方面也存在较大困难；此外，基于PPI技术的双光子并行光刻通常也难以实现各聚合区域的独立控制，因此在实现灰度光刻方面还有一定的难度。
灰度光刻的实现一般采用灰度掩模来实现，但复杂灰度掩模的制作仍是个难题，如高灰度等级的掩模制作难度极大，无法实现任意形状图形的灰度掩模制作，只能加工球面、弧面等简单曲面等。而采用逐点加工并同步控制光斑剂量来实现灰度光刻则会有加工通量低和均匀度差等缺点。
文献[Optics&Laser Technology,2019,113:407-415]将DMD和定制的双边微透镜空间滤波阵列相结合，得到了70×110的光斑点阵，大幅度提升了加工通量，同时通过DMD对各光斑剂量进行独立控制，实现了灰度光刻的功能，可以加工任意自由曲面结构，但该方案只采用单个LED紫外光源进行投影光刻，实现的分辨率有限，只有微米量级，且只能在材料表面进行加工，无法实现真正的三维结构直写。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置。本发明主要包含两光路，分别用来产生激发光点阵和强度独立可控的涡旋抑制光阵列，两者在物镜焦平面精密重合后形成高质量PPI光斑阵列，可实现高均匀度复杂三维结构的高通量超分辨并行加工，同时还具有灰度光刻的能力，可加工高均匀度任意曲面结构和真三维微结构。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，该装置主要包含抑制光和激发光两路光：抑制光路用于产生涡旋光阵列，核心元件有数字微镜阵列4、第一空间光调制器8和镀涡旋膜的第一微透镜阵列13，各涡旋光光斑强度通过数字微镜阵列4进行独立控制，第一微透镜阵列13用来产生涡旋光阵列，各涡旋光的形貌和位置通过第一空间光调制器8进行独立调控及校准；激发光路用于产生激发光点阵，核心元件有第二空间光调制器18和第二微透镜阵列22，激发光点阵通过第二微透镜阵列22产生，同时通过第二空间光调制器18对各激发光光斑位置进行微调，使其与涡旋光阵列在物镜26焦面精密重合，形成高质量边缘光抑制光斑阵列，可进行高通量超分辨的双光子并行直写加工。
进一步地，包括抑制光光源1、第一扩束器2、第一反射镜3、数字微镜阵列4、第一凸透镜5、第二凸透镜6、第二反射镜7、第一空间光调制器8、第三凸透镜9、第四凸透镜10、第三反射镜11、第一方形可调光阑12、第一微透镜阵列13、第五凸透镜14、激发光光源15、第二扩束器16、第四反射镜17、第二空间光调制器18、第六凸透镜19、第七凸透镜20、第二方形可调光阑21、第二微透镜阵列22、第八凸透镜23、第一二向色镜24、第二二向色镜25、物镜26、精密位移台27、第九凸透镜28和CCD29。
抑制光光源1经第一扩束器2及第一反射镜3后入射到数字微镜阵列4上，数字微镜阵列4对入射光斑进行振幅调制后，再经由第一凸透镜5和第二凸透镜6组成的第一4F系统和第二反射镜7成像到第一空间光调制器8上，通过第一空间光调制器8对光斑进行纯相位调制，从第一空间光调制器8出射的光斑再依次经过由第三凸透镜9和第四凸透镜10组成的第二4F系统、第三反射镜11和第一方形可调光阑12入射到第一微透镜阵列13上，第一微透镜阵列13每个微镜入射面都镀有涡旋膜，抑制光通过第一微透镜阵列13后可在其焦平面上产生涡旋光阵列，该阵列随后经过第五凸透镜14入射到第一二向色镜24与激发光阵列进行合束。
激发光光源2经第二扩束器16及第四反射镜17后入射到第二空间光调制器18上，第二空间光调制器18对入射激发光进行相位调制，出射光斑再依次经过由第六凸透镜19和第七凸透镜20组成的第三4F系统、第二方形可调光阑21入射到第二微透镜阵列22，并在第二微透镜阵列22焦平面产生激发光点阵，该点阵经过第八凸透镜23入射到第一二向色镜24与涡旋抑制光阵列进行合束。
合束后的激发光和涡旋抑制光先后经过第二二向色镜25和物镜26，最终在物镜焦平面内精确重合，并形成具有边缘光抑制特征的光斑阵列，可进行高通量超分辨的双光子并行直写加工；刻写过程产生的荧光先后通过物镜26、第二二向色镜25和第九凸透镜28聚焦到CCD29上进行成像。
进一步地，所述的数字微镜阵列4将有效像素区域等分成N×N个单元，每个单元对应一个抑制光光斑，通过对每个单元所包含的m×m个微镜进行独立开关状态切换，实现各抑制光光斑强度的独立调控，从而控制各聚合区域的大小；数字微镜阵列4总像素数为M1×M2，M为M1和M2中的较小值，要求m×N<M。
进一步地，所述的第一微透镜阵列13具有N×N个微透镜，且每个微透镜入射平面均镀有涡旋膜，N×N个单元光斑与各微透镜一一对应，聚焦后在第一微透镜阵列13焦平面产生N×N涡旋光阵列。所述的第二微透镜阵列22具有N×N个微透镜，各激发光单元光斑经过第二微透镜阵列22后在其焦平面产生N×N点阵，通过控制各入射光斑的波前可对其在第二微透镜阵列22焦平面的光斑位置进行微调。
进一步地，所述的第一空间光调制器8将有效像素区域等分成N×N个单元，每个单元对应一个抑制光光斑，且各单元包含的m×m个液晶面元与数字微镜阵列4各单元的m×m个像素一一对应；第一空间光调制器8总像素数为D1×D2，D为D1和D2中的较小值，要求m×N<D。控制第一空间光调制器8各单元内的m×m个液晶面元，对各单元光斑进行独立相位调制，使各光斑传输到第一微透镜阵列13时具有垂直于光轴的无畸变平面波前，从而对第一微透镜阵列13焦平面处各涡旋光的位置进行精确校准，同时还可对形貌不够理想的涡旋光进行矫正使其趋于理想“甜甜圈”型。所述的第二空间光调制器18将有效像素区域等分成N×N个单元，每个单元对应一个激发光光斑，控制第二空间光调制器18各单元内的n×n个液晶面元，对各单元光斑进行独立相位调制，从而精细控制各激发光在物镜焦平面的位置，使激发光点阵与涡旋光阵列精确重合；第二空间光调制器18总像素数为D3×D4，D为D3和D4中的较小值，要求n×N<D。
进一步地，所述的第一4F系统用于将数字微镜阵列4上的光场成像到第一空间光调制器8上，第一凸透镜5和第二凸透镜6的焦距F1和F2满足F1/F2＝dD/dS1；其中，dD、dS1分别是数字微镜阵列4和第一空间光调制器8的像素间距，精细调节数字微镜阵列4和第一空间光调制器8的位置和姿态，使光束通过第一4F系统后，各单元光斑与第一空间光调制器8上的各单元区域一一重合。所述的第三凸透镜9和第四凸透镜10的焦距F3和F4满足F3/F4＝m×dS1/dM1；其中，dM1为第一微透镜阵列13的微透镜间距，通过第二4F系统使第一空间光调制器8上的光场成像到第一微透镜阵列13焦平面上，精细调节第一微透镜阵列13的横向位置，使各抑制光光斑分别与第一微透镜阵列13各微透镜一一对应。所述的第六凸透镜19和第七凸透镜20的焦距F6和F7满足F6/F7＝n×dS2/dM2；其中，dS2和dM2分别是第二空间光调制器18的像素间距和第二微透镜阵列22的微透镜间距，通过第三4F系统使第二空间光调制器18上的光场成像到第二微透镜阵列22焦平面上，精细调节第二微透镜阵列22的横向位置，使各激发光光斑与第二微透镜阵列22各微透镜一一对应。
进一步地，所述的第一反射镜3、第二反射镜7和第四反射镜17分别用于调整光束到数字微镜阵列4、第一空间光调制器8和第二空间光调制器18的入射角；其中，第一空间光调制器8和第二空间光调制器18的入射角要求<10°。
进一步地，所述的第一方形可调光阑12和第二方形可调光阑21分别用于限制入射到第一微透镜阵列13和第二微透镜阵列22的光斑尺寸，第一方形可调光阑12和第二方形可调光阑21的口径分别为第一微透镜阵列13和第二微透镜阵列22的N×N微透镜阵列区域面积。
本发明的有益效果是：本发明利用镀涡旋膜的第一微透镜阵列产生涡旋抑制光阵列，并通过第一空间光调制器对各涡旋光的位置和形貌进行独立校准和矫正，再通过第二微透镜阵列产生激发光点阵，并通过第二空间光调制器对各激发光的位置进行独立控制，使其在物镜焦平面上与涡旋抑制光阵列进行精密重合，同时通过数字微镜阵列对各涡旋光束的剂量进行独立控制，可实现强度一致的PPI阵列加工和任意自由曲面结构的灰度光刻。本发明所实现的PPI阵列数多，可得到高质量的涡旋光形貌，并实现涡旋光和激发光的精密重合，进行双光子直写时同时具有高的分辨率和高的加工通量，各涡旋光光斑强度独立可控，在高均匀度结构加工和灰度光刻方面具有较大的优势，且无需采用传统灰度掩模，灰度等级高，可实现高均匀度任意曲面结构和真三维微结构的超分辨并行加工。
附图说明
图1为本发明基于PPI点阵产生及独立控制的并行直写装置结构示意图；
图2为本发明利用DMD、SLM和MLA对光场作用最终实现强度和位置独立可控的N×N激发光阵列示意图；
图3为本发明通过波前控制对第一微透镜阵列焦平面各涡旋光的形貌和位置进行独立矫正和校准的原理示意图；
图4为本发明通过波前控制在第二微透镜阵列焦平面产生位置独立可控的激发光点阵原理示意图；
图5为本发明通过激发光和涡旋光精密重叠产生强度一致的高质量PPI阵列示意图；
图6为本发明产生强度独立可控的高质量PPI光斑阵列示意图；
图7为本发明利用强度存在一定分布的PPI阵列实现任意自由曲面结构的灰度光刻示意图；
图中，1-抑制光光源，2-第一扩束器，3-第一反射镜，4-数字微镜阵列，5-第一凸透镜，6-第二凸透镜，7-第二反射镜，8-第一空间光调制器，9-第三凸透镜，10-第四凸透镜，11-第三反射镜，12-第一方形可调光阑，13-第一微透镜阵列，14-第五凸透镜，15-激发光光源，16-第二扩束器，17-第四反射镜，18-第二空间光调制器，19-第六凸透镜，20-第七凸透镜，21-第二方形可调光阑，22-第二微透镜阵列，23-第八凸透镜，24-第一二向色镜，25-第二二向色镜，26-物镜，27-精密位移台，28-第九凸透镜，29-CCD。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定于本发明。
本发明提供一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，如图1所示，该装置主要包括两光路：一路含有核心元件数字微镜阵列4、第一空间光调制器8、第一微透镜阵列(MLA)13、第一方形可调光阑12和透镜成像系统，用于实现位置可矫正的理想形貌涡旋光阵列；另一光路含有核心元件第二空间光调制器18、第二微透镜阵列22、第二方形可调光阑21和透镜成像系统，用于产生位置独立可控的激发光阵列。激发光阵列和涡旋光阵列通过第一二向色镜24合束后再成像到物镜26焦平面上，通过第一空间光调制器8和第二空间光调制器18对激发光阵列和涡旋光阵列中各光斑位置的独立调控，实现激发光阵列和涡旋光阵列的精密重合，产生理想的PPI光斑阵列，同时通过数字微镜阵列4对各涡旋光进行独立强度控制，从而控制各聚合区域的大小，各聚合区域大小一致时可实现高均匀度的加工结构，控制聚合区域大小有一定的分布，可实现高均匀度任意曲面结构和真三维微结构的高通量超分辨加工。
本发明装置的工作过程为：
抑制光光源1出射的抑制光经第一扩束器2对光斑进行扩束，再经第一反射镜3调节光束到数字微镜阵列4的入射角，并通过数字微镜阵列4对入射光场进行振幅调制，如图2所示，数字微镜阵列4将有效像素区域等分成N×N个单元，分别一一对应N×N个单元小光斑，数字微镜阵列4每个单元包含m×m个微镜，对单元内m×m个微镜进行独立开关状态切换，可独立调控各单元光斑强度，从数字微镜阵列4出射的光束经第一4F系统(第一凸透镜5和第二凸透镜6)和第二反射镜7成像在第一空间光调制器8上，通过第二反射镜7调节抑制光束到第一空间光调制器8的入射角<10°，第一空间光调制器8对抑制光进行相位调制，如图2所示，第一空间光调制器8将有效像素区域等分成N×N个单元，每个单元包含m×m个液晶面元，第一空间光调制器8每个单元的各液晶面元与数字微镜阵列4各单元的m×m个像素一一对应，通过对第一空间光调制器8各单元内的m×m个液晶面元控制，实现对各单元光斑的独立波前调制，选择合适的第一4F系统参数，并调节数字微镜阵列4和第一空间光调制器8的位置和姿态，使抑制光束通过第一4F系统后，各单元光斑与第一空间光调制器8上各单元区域一一重合，从第一空间光调制器8出射的光束再经第二4F系统(第三凸透镜9和第四凸透镜10)、第三反射镜11和第一方形可调光阑12入射到第一微透镜阵列13上，第一方形可调光阑12用于限制入射到第一微透镜阵列13的光斑大小，使入射到第一微透镜阵列13的光斑口径刚好与第一微透镜阵列13的N×N个微透镜区域重合，选择合适的第二4F系统参数，并精细调节第一微透镜阵列13的横向位置，使每个单元光斑都入射到第一微透镜阵列13各微透镜上进行聚焦，且各微透镜入射平面都镀有涡旋膜，各单元光斑经第一微透镜阵列13后在其焦平面上产生N×N涡旋光阵列，该阵列经第五凸透镜14变为以不同角度出射的准直光阵列，并通过第一二向色镜24与激发光阵列进行合束；其中，第五凸透镜14和第一微透镜阵列13组成4F系统。由于入射到第一微透镜阵列13的各单元光斑可能存在波前畸变，导致涡旋光形貌畸变及位置偏差，因此须通过第一空间光调制器8对各单元光斑的相位进行独立调控，使波前为垂直于光轴的无畸变平面，从而实现理想形貌的涡旋光阵列，同时矫正各涡旋光斑在第一微透镜阵列13焦面上的位置。
激发光光源15出射的激发光经第二扩束器16进行扩束，再经第四反射镜17调节到第二空间光调制器18的入射角<10°，第二空间光调制器18对激发光进行相位调制，如图2所示，第二空间光调制器18将有效区域等分成N×N个单元，每个单元包含n×n个液晶面元，通过对第二空间光调制器18各单元内的液晶面元控制，实现对各单元光斑的独立波前调制，从第二空间光调制器18出射的光束再经第三4F系统(第六凸透镜19和第七凸透镜20)和第二方形可调光阑21入射到第二微透镜阵列22上，第二方形可调光阑21用于限制入射到第二微透镜阵列22的光斑大小，使入射到第二微透镜阵列22的光斑口径刚好与第二微透镜阵列22的N×N个微透镜区域一致，选择合适的第三4F系统参数，并精细调节第二微透镜阵列22的横向位置，使每个单元光斑都入射到第二微透镜阵列22各微透镜上进行聚焦，并在第二微透镜阵列22焦平面上产生N×N激发光点阵，通过第二空间光调制器18对各单元光斑的相位控制，可独立调控各单元激发光在第二微透镜阵列22焦平面上的位置，第八凸透镜23和第二微透镜阵列22组成4F系统，从第二微透镜阵列22出射的激发光阵列经第八凸透镜23变为以不同角度出射的准直光阵列，再入射到第一二向色镜24上与涡旋光进行合束；随后激发光阵列和涡旋光阵列再一起通过物镜26成像在其焦平面上，其中，第五凸透镜14和第八凸透镜23都分别与物镜26组成4F系统。通过第一空间光调制器8矫正各涡旋光的形貌，同时利用第一空间光调制器8和第二空间光调制器18分别对各涡旋光和激发光在物镜26焦平面的位置进行精细调控，实现涡旋光阵列和激发光阵列的精密重合，产生高质量的PPI光斑阵列，从而实现超分辨高通量的双光子并行光刻。此外，通过数字微镜阵列4实现等强度的涡旋光阵列，可实现高均匀度的加工结构，通过数字微镜阵列4使涡旋光阵列强度有一定分布，还可实现高均匀度任意曲面结构和真三维微结构的高通量超分辨加工；刻写过程产生的荧光先后通过物镜26、第二二向色镜25和第九凸透镜28，并最终聚焦到CCD29上进行成像。
本发明装置部分参数设置举例说明：假定第一微透镜阵列13和第二微透镜阵列22微透镜数为100×100，微透镜间距均为150μm，则第一微透镜阵列13和第二微透镜阵列22上有效面积都为15mm×15mm，第一方形可调光阑12和第二方形可调光阑21的口径调至15mm×15mm，假定第一空间光调制器8和第二空间光调制器18的分辨率均为1272×1024，液晶单元尺寸都为12.5μm×12.5μm，第一空间光调制器8和第二空间光调制器18均以10×10个像素为一个单元，每个单元都分别对应第一微透镜阵列13和第二微透镜阵列22上的一个微透镜，即第一空间光调制器8(第二空间光调制器18)上125μm×125μm的单元对应第一微透镜阵列13(第二微透镜阵列22)上150μm×150μm的一个微透镜，则第一空间光调制器8(第二空间光调制器18)的有效利用面积为12.5mm×125mm，同时根据第二4F系统中第三凸透镜9和第四凸透镜10的焦距计算公式F3/F4＝m×dS1/dM1，可知F3/F4＝0.83；其中，m＝10，F3和F4分别为第三凸透镜9和第四凸透镜10的焦距，dM1为第一微透镜阵列13的微透镜间距，dS1为第一空间光调制器8的像素间距。同理可知第三4F系统中第六凸透镜19和第七凸透镜20的焦距比为F6/F7＝n×dS2/dM2＝0.83；其中，n＝10，F6和F7分别为第六凸透镜19和第七凸透镜20的焦距，dS2和dM2分别为第二空间光调制器18的像素间距和第二微透镜阵列22的微透镜间距。假定数字微镜阵列4分辨率为1920*1080，像素间距为10.8μm，数字微镜阵列4的10×10个像素对应第一空间光调制器8上的10×10个像素，则数字微镜阵列4的有效利用面积为10.8mm×10.8mm，而根据第一4F系统第一凸透镜5和第二凸透镜6的焦距计算公式F1/F2＝dD/dS1，可知F1/F2＝0.864，则数字微镜阵列4上被利用的抑制光圆形光斑直径为
抑制光被扩束后的口径须大于该尺寸。其中，F1为第一凸透镜5的焦距，F2为第二凸透镜6的焦距，dD、dS1分别是数字微镜阵列4和第一空间光调制器8的像素间距。
涡旋光形貌矫正及位置校准说明：图3为第一微透镜阵列13成像原理示意图，第一微透镜阵列13各微透镜入射平面都镀有涡旋膜。对于单个微透镜来说，具有平面波前(实平行线)的单元抑制光束正入射在镀有涡旋膜的透镜平面上，并经过透镜聚焦到光轴上焦点位置(参考光斑位置)，同时形成理想涡旋光束，而畸变波前(虚平行线)的单元抑制光斑不仅会使涡旋光形貌发生畸变，还会使涡旋光聚焦到偏离参考光斑的位置。通过第一空间光调制器8对各单元光斑入射到第一微透镜阵列13的波前进行独立调控，使其具有垂直于光轴的平面波前，从而形成无畸变的涡旋光阵列，且都分别聚焦在各微透镜光轴上的焦点位置。
激发光点阵产生及位置调控说明：图4为第二微透镜阵列22成像原理示意图。第二微透镜阵列22包含有N×N个相同微透镜，因此，入射激发光相当于被分成N×N个单元光斑，并分别被N×N个微透镜聚焦，从而在第二微透镜阵列22焦平面上产生N×N焦点阵列。对于单个微透镜来说，具有平面波前(实平行线)的单元激发光正入射到微透镜平面上，并经过透镜聚焦到光轴上焦点位置(参考光斑位置)，而畸变波前(虚平行线)的单元激发光则会聚焦到偏离参考光斑的位置，从而严重影响到激发光和涡旋抑制光的重合；通过第二空间光调制器18对各激发光单元光斑的波前进行独立调控，从而微调各激发光在第二微透镜阵列22焦平面及物镜焦平面的位置，进而实现激发光点阵和涡旋光阵列的精密重合。
激发光和抑制光单元光斑分别经第一微透镜阵列13和第二微透镜阵列22的偏移角几何计算：假定入射光束到第一微透镜阵列13(第二微透镜阵列22)上的波前斜率为α，要使第一微透镜阵列13(第二微透镜阵列22)焦平面各光斑在各自的活动区域内移动而不与其他光斑的活动区域重叠，则入射单元光束相对于各微透镜光轴的最大位移角(也是最大波前斜率)αmax＝h/fM＝Φ/2/fM，h为光斑在第一微透镜阵列13(第二微透镜阵列22)焦平面上的最大位移距离，Φ为第一微透镜阵列13(第二微透镜阵列22)各微透镜的直径，fM为第一微透镜阵列13(第二微透镜阵列22)各微透镜的焦距。
高质量PPI光斑阵列实现说明：高质量PPI阵列不仅要求涡旋光具有理想形貌，还要求激发光和涡旋抑制光精密重合，通过第一空间光调制器8对各涡旋光形貌进行独立矫正，同时分别通过第一空间光调制器8和第二空间光调制器18对各涡旋光和激发光的位置进行独立微调，实现激发光点阵和涡旋抑制光阵列的精密重合，从而得到高质量的PPI光斑阵列，如图5所示。
PPI阵列强度独立控制实现说明：通过数字微镜阵列4对各涡旋抑制光的强度进行独立控制，涡旋光强度一致时可得到相同的聚合区域大小，如图5所示；当进行灰度光刻时，可根据需求对各聚合区域大小进行控制，使其具有特定的分布，如图6所示。
高均匀度任意曲面结构和真三维微结构的灰度光刻实现说明：如图7所示，假定加工一个五角星曲面结构，高亮度区域对应曲面顶点，低亮度区域对应曲面较低点，本发明实现的PPI光斑阵列对该结构进行加工时，根据曲面不同位置对相应聚合区域大小进行独立控制，曲面顶点的聚合区域最大，越往结构边缘，聚合区域越小，从而实现高均匀曲面结构和真三维微结构的灰度光刻，同时兼具高通量和超分辨的优点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，其特征在于，该装置主要包含抑制光和激发光两路光：抑制光路用于产生涡旋光阵列，核心元件有数字微镜阵列(4)、第一空间光调制器(8)和镀涡旋膜的第一微透镜阵列(13)，各涡旋光光斑强度通过数字微镜阵列(4)进行独立控制，第一微透镜阵列(13)用来产生涡旋光阵列，各涡旋光的形貌和位置通过第一空间光调制器(8)进行独立调控及校准；激发光路用于产生激发光点阵，核心元件有第二空间光调制器(18)和第二微透镜阵列(22)，激发光点阵通过第二微透镜阵列(22)产生，同时通过第二空间光调制器(18)对各激发光光斑位置进行微调，使其与涡旋光阵列在物镜(26)焦面精密重合，形成高质量边缘光抑制光斑阵列，可进行高通量超分辨的双光子并行直写加工。
2.如权利要求1所述基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，其特征在于，包括抑制光光源(1)、第一扩束器(2)、第一反射镜(3)、数字微镜阵列(4)、第一凸透镜(5)、第二凸透镜(6)、第二反射镜(7)、第一空间光调制器(8)、第三凸透镜(9)、第四凸透镜(10)、第三反射镜(11)、第一方形可调光阑(12)、第一微透镜阵列(13)、第五凸透镜(14)、激发光光源(15)、第二扩束器(16)、第四反射镜(17)、第二空间光调制器(18)、第六凸透镜(19)、第七凸透镜(20)、第二方形可调光阑(21)、第二微透镜阵列(22)、第八凸透镜(23)、第一二向色镜(24)、第二二向色镜(25)、物镜(26)、精密位移台(27)、第九凸透镜(28)和CCD(29)。
抑制光光源(1)经第一扩束器(2)及第一反射镜(3)后入射到数字微镜阵列(4)上，数字微镜阵列(4)对入射光斑进行振幅调制后，再经由第一凸透镜(5)和第二凸透镜(6)组成的第一4F系统和第二反射镜(7)成像到第一空间光调制器(8)上，通过第一空间光调制器(8)对光斑进行纯相位调制，从第一空间光调制器(8)出射的光斑再依次经过由第三凸透镜(9)和第四凸透镜(10)组成的第二4F系统、第三反射镜(11)和第一方形可调光阑(12)入射到第一微透镜阵列(13)上，第一微透镜阵列(13)每个微镜入射面都镀有涡旋膜，抑制光通过第一微透镜阵列(13)后可在其焦平面上产生涡旋光阵列，该阵列随后经过第五凸透镜(14)入射到第一二向色镜(24)与激发光阵列进行合束。
激发光光源(2)经第二扩束器(16)及第四反射镜(17)后入射到第二空间光调制器(18)上，第二空间光调制器(18)对入射激发光进行相位调制，出射光斑再依次经过由第六凸透镜(19)和第七凸透镜(20)组成的第三4F系统、第二方形可调光阑(21)入射到第二微透镜阵列(22)，并在第二微透镜阵列(22)焦平面产生激发光点阵，该点阵经过第八凸透镜(23)入射到第一二向色镜(24)与涡旋抑制光阵列进行合束。
合束后的激发光和涡旋抑制光先后经过第二二向色镜(25)和物镜(26)，最终在物镜焦平面内精确重合，并形成具有边缘光抑制特征的光斑阵列，可进行高通量超分辨的双光子并行直写加工；刻写过程产生的荧光先后通过物镜(26)、第二二向色镜(25)和第九凸透镜(28)聚焦到CCD(29)上进行成像。
3.根据权利要求1所述基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，其特征在于，所述的数字微镜阵列(4)将有效像素区域等分成N×N个单元，每个单元对应一个抑制光光斑，通过对每个单元所包含的m×m个微镜进行独立开关状态切换，实现各抑制光光斑强度的独立调控，从而控制各聚合区域的大小；数字微镜阵列(4)总像素数为M1×M2，M为M1和M2中的较小值，要求m×N<M。
4.根据权利要求4所述基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，其特征在于，所述的第一微透镜阵列(13)具有N×N个微透镜，且每个微透镜入射平面均镀有涡旋膜，N×N个单元光斑与各微透镜一一对应，聚焦后在第一微透镜阵列(13)焦平面产生N×N涡旋光阵列。所述的第二微透镜阵列(22)具有N×N个微透镜，各激发光单元光斑经过第二微透镜阵列(22)后在其焦平面产生N×N点阵，通过控制各入射光斑的波前可对其在第二微透镜阵列(22)焦平面的光斑位置进行微调。
5.根据权利要求1所述基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，其特征在于，所述的第一空间光调制器(8)将有效像素区域等分成N×N个单元，每个单元对应一个抑制光光斑，且各单元包含的m×m个液晶面元与数字微镜阵列(4)各单元的m×m个像素一一对应；第一空间光调制器(8)总像素数为D1×D2，D为D1和D2中的较小值，要求m×N<D。控制第一空间光调制器(8)各单元内的m×m个液晶面元，对各单元光斑进行独立相位调制，使各光斑传输到第一微透镜阵列(13)时具有垂直于光轴的无畸变平面波前，从而对第一微透镜阵列(13)焦平面处各涡旋光的位置进行精确校准，同时还可对形貌不够理想的涡旋光进行矫正使其趋于理想“甜甜圈”型。所述的第二空间光调制器(18)将有效像素区域等分成N×N个单元，每个单元对应一个激发光光斑，控制第二空间光调制器(18)各单元内的n×n个液晶面元，对各单元光斑进行独立相位调制，从而精细控制各激发光在物镜焦平面的位置，使激发光点阵与涡旋光阵列精确重合；第二空间光调制器(18)总像素数为D3×D4，D为D3和D4中的较小值，要求n×N<D。
6.根据权利要求2所述基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，其特征在于，所述的第一4F系统用于将数字微镜阵列(4)上的光场成像到第一空间光调制器(8)上，第一凸透镜(5)和第二凸透镜(6)的焦距F1和F2满足F1/F2＝dD/dS1；其中，dD、dS1分别是数字微镜阵列(4)和第一空间光调制器(8)的像素间距，精细调节数字微镜阵列(4)和第一空间光调制器(8)的位置和姿态，使光束通过第一4F系统后，各单元光斑与第一空间光调制器(8)上的各单元区域一一重合。所述的第三凸透镜(9)和第四凸透镜(10)的焦距F3和F4满足F3/F4＝m×dS1/dM1；其中，dM1为第一微透镜阵列(13)的微透镜间距，通过第二4F系统使第一空间光调制器(8)上的光场成像到第一微透镜阵列(13)焦平面上，精细调节第一微透镜阵列(13)的横向位置，使各抑制光光斑分别与第一微透镜阵列(13)各微透镜一一对应。所述的第六凸透镜(19)和第七凸透镜(20)的焦距F6和F7满足F6/F7＝n×dS2/dM2；其中，dS2和dM2分别是第二空间光调制器(18)的像素间距和第二微透镜阵列(22)的微透镜间距，通过第三4F系统使第二空间光调制器(18)上的光场成像到第二微透镜阵列(22)焦平面上，精细调节第二微透镜阵列(22)的横向位置，使各激发光光斑与第二微透镜阵列(22)各微透镜一一对应。
7.根据权利要求1所述基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，其特征在于，所述的第一反射镜(3)、第二反射镜(7)和第四反射镜(17)分别用于调整光束到数字微镜阵列(4)、第一空间光调制器(8)和第二空间光调制器(18)的入射角；其中，第一空间光调制器(8)和第二空间光调制器(18)的入射角要求<10°。
8.根据权利要求1所述基于边缘光抑制点阵产生及独立控制的并行直写装置，其特征在于，所述的第一方形可调光阑(12)和第二方形可调光阑(21)分别用于限制入射到第一微透镜阵列(13)和第二微透镜阵列(22)的光斑尺寸，第一方形可调光阑(12)和第二方形可调光阑(21)的口径分别为第一微透镜阵列(13)和第二微透镜阵列(22)的N×N微透镜阵列区域面积。
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