一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法

1.本发明涉及微细加工技术领域，尤其涉及一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法。


背景技术：

2.螺旋相位板是一种光学厚度与旋转方位角成正比的纯相位衍射光学元件，具有体积小、加载涡旋光束快速、操作简单、对功率大小没有要求等优越性能，近年来被广泛应用于光学微操纵、量子信息处理、超分辨成像、受激发射损耗超分辨显微技术等前沿研究领域。目前，螺旋相位板的常规加工技术主要包括模塑成型、激光直写、电子束光刻等。模塑成型技术制作的螺旋相位板表面光滑，质量较高，但相位板仍在毫米量级，且制造精度很大程度上取决于模具的精度。激光直写技术加工精度高，但由于采用单点扫描模式，限制了加工效率。电子束光刻技术具有极高的分辨率，但加工步骤复杂且采用逐点加工，使得加工周期长，且设备昂贵，加工成本较高。常规加工技术存在诸如加工精度不高、加工效率低下、加工成本高等问题，因此对高精度、短周期、低成本的螺旋相位板加工技术的需求十分迫切。针对上述迫切需求，本发明提出一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法。
4.为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法，该方法包括以下步骤：
5.(1)连续面形螺旋相位板在极坐标系中可表示为f(r,θ)，若数字掩模制作系统中slm分辨率为m
×
n，沿螺旋相位板旋转方位角方向将f(r,θ)等分成n个扇形子结构；
6.(2)依次提取扇形子结构的剖面轮廓，形成n条轮廓线；
7.(3)结合光刻胶对曝光剂量的响应曲线，将每一条轮廓线转换成曝光剂量线；
8.(4)根据离散后的曝光剂量线，构建l行m列二值离散图形，可形成n幅二值离散图形；
9.(5)依次同时提取n幅二值离散图形的第i行，i＝1,2,3，...，l,组合成第i幅数字掩模子图，可形成l幅数字掩模子图；
10.(6)将步骤(5)中所述的数字掩模子图转换成极坐标形式下的数字掩模帧图，可形成l幅数字掩模帧图；
11.(7)通过计算机控制slm按照预先设定好的曝光时间依次连续投影l幅数字掩模帧图在基底上同一位置进行曝光；
12.(8)经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光刻胶上形成连续面形螺旋相位板。
13.优选的，所述步骤(1)中的沿螺旋相位板旋转方位角方向包括沿螺旋相位板旋转方位角顺时针方向或逆时针方向。
14.优选的，所述步骤(1)中的slm包括数字微镜器件(dmd)、液晶(lcd)、硅基液晶(lcos)等空间光调制器。
15.优选的，步骤(4)中根据离散后的曝光剂量线，构建l行m列二值离散图形，是指沿r方向将曝光剂量线离散成m个点，沿剂量高度e方向将曝光剂量线离散成l个点，再对全“黑”的l行m列的图形进行“白”填充，填充规则为逐列填充，第j列二值图形中“白”的微元个数由曝光剂量线第j个点的离散剂量高度决定。
16.优选的，“黑”是指灰度值设置为0，“白”是指灰度值设置为255。
17.优选的，步骤(5)中组合成第i幅数字掩模子图，是指提取第1幅二值离散图形的第i行，作为第i幅数字掩模子图的第1行，提取第2幅二值离散图形的第i行，作为第i幅数字掩模子图的第2行，以此类推，提取第n幅二值离散图形的第i行，作为第i幅数字掩模子图的第n行。
18.优选的，步骤(7)中每幅数字掩模帧图的曝光时间由曝光剂量线离散阶数l决定。
19.优选的，所述步骤(8)中的所述光刻胶包括用于光刻制作的正性或负性胶。
20.本发明有益效果：
21.1.本发明可以灵活调整曝光剂量线的量化阶数和每幅数字掩模帧图的曝光时间，以满足实际应用中对螺旋相位板面形连续性的高要求。
22.2.本发明通过计算机控制slm连续投影数字掩模帧图曝光完成螺旋相位板的制作，工艺简单，无需制作物理掩模，制作成本低，采用面曝光方式，制作效率高。
23.3.本发明还可进一步扩展应用于其他具有旋转对称或局部旋转对称面形的微结构制作中，技术的通用性较强。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1为本发明的利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法示意图。
具体实施方式
26.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
27.数字掩模光刻技术能够灵活地加载掩模信息，采用逐面光刻方式，大大提高了光刻系统的运行效率，因此在很多领域具有广泛的应用。
28.参照图1，本发明的优选实施例，一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法，该方法包括以下步骤：
29.(1)连续面形螺旋相位板在极坐标系中可表示为f(r,θ)，若数字掩模制作系统中slm分辨率为m
×
n，沿螺旋相位板旋转方位角顺时针方向将f(r,θ)等分成n个扇形子结构，分别为扇形子结构1，...，扇形子结构k-1，扇形子结构k，扇形子结构k+1，...，扇形子结构n。
30.(2)依次提取扇形子结构的剖面轮廓，具体的，提取扇形子结构1的剖面轮廓，形成
第1条轮廓线；...；提取扇形子结构k-1的剖面轮廓，形成第k-1条轮廓线；提取扇形子结构k的剖面轮廓，形成第k条轮廓线；提取扇形子结构k+1的剖面轮廓，形成第k+1条轮廓线；...；提取扇形子结构n的剖面轮廓，形成第n条轮廓线。
31.(3)结合光刻胶对曝光剂量的响应曲线，将每一条轮廓线转换成曝光剂量线，具体的，第1条轮廓线转换成第1条曝光剂量线；...；第k-1条轮廓线转换成第k-1条曝光剂量线；第k条轮廓线转换成第k条曝光剂量线；第k+1条轮廓线转换成第k+1条曝光剂量线；....；第n条轮廓线转换成第n条曝光剂量线。
32.(4)根据离散后的曝光剂量线，构建l行m列二值离散图形。具体的，依次将第1条、....、第k-1条、第k条、第k+1条、...、第n条轮廓线沿r方向离散成m个点，沿剂量高度e方向离散成l个点，再对全“黑”(灰度值设置为0)的l行m列的图形进行“白”(灰度值设置为255)填充，填充规则为逐列填充，第j列二值图形中“白”的微元个数由相应的曝光剂量线第j个点的离散剂量高度决定。n条曝光剂量线可构建形成n幅二值离散图形。
33.(5)依次同时提取n幅二值离散图形的第i行(i＝1,2,3，...，l),组合成第i幅数字掩模子图。具体的，提取第1幅二值离散图形的第i行，作为第i幅数字掩模子图的第1行；...；提取第k-1幅二值离散图形的第i行，作为第i幅数字掩模子图的第k-1行；提取第k幅二值离散图形的第i行，作为第i幅数字掩模子图的第k行；提取第k+1幅二值离散图形的第i行，作为第i幅数字掩模子图的第k+1行；...；提取第n幅二值离散图形的第i行，作为第i幅数字掩模子图的第n行。以此类推，可形成l幅数字掩模子图。
34.(6)将步骤(5)中所述的数字掩模子图转换成极坐标形式下的数字掩模帧图，可形成l幅数字掩模帧图。
35.(7)通过计算机控制slm按照预先设定好的曝光时间依次连续投影l幅数字掩模帧图在基底上同一位置进行曝光，每幅数字掩模帧图的曝光时间由曝光剂量线离散阶数l决定。
36.(8)经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光刻胶上形成连续面形螺旋相位板。
37.本发明可以灵活调整曝光剂量线的量化阶数和每幅数字掩模帧图的曝光时间，以满足实际应用中对螺旋相位板面形连续性的高要求。本发明通过计算机控制slm连续投影数字掩模帧图曝光完成螺旋相位板的制作，工艺简单，无需制作物理掩模，制作成本低，采用面曝光方式，制作效率高。本发明还可进一步扩展应用于其他具有旋转对称或局部旋转对称面形的微结构制作中，技术的通用性较强。
38.在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
39.以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)连续面形螺旋相位板在极坐标系中可表示为f(r,θ)，若数字掩模制作系统中slm分辨率为m
×
n，沿螺旋相位板旋转方位角方向将f(r,θ)等分成n个扇形子结构；(2)依次提取扇形子结构的剖面轮廓，形成n条轮廓线；(3)结合光刻胶对曝光剂量的响应曲线，将每一条轮廓线转换成曝光剂量线；(4)根据离散后的曝光剂量线，构建l行m列二值离散图形，可形成n幅二值离散图形；(5)依次同时提取n幅二值离散图形的第i行，i＝1,2,3，...，l,组合成第i幅数字掩模子图，可形成l幅数字掩模子图；(6)将步骤(5)中所述的数字掩模子图转换成极坐标形式下的数字掩模帧图，可形成l幅数字掩模帧图；(7)通过计算机控制slm按照预先设定好的曝光时间依次连续投影l幅数字掩模帧图在基底上同一位置进行曝光；(8)经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光刻胶上形成连续面形螺旋相位板。2.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的沿螺旋相位板旋转方位角方向包括沿螺旋相位板旋转方位角顺时针方向或逆时针方向。3.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法，其特征在于：步骤(4)中根据离散后的曝光剂量线，构建l行m列二值离散图形，是指沿r方向将曝光剂量线离散成m个点，沿剂量高度e方向将曝光剂量线离散成l个点，再对全“黑”的l行m列的图形进行“白”填充，填充规则为逐列填充，第j列二值图形中“白”的微元个数由曝光剂量线第j个点的离散剂量高度决定。4.根据权利要求3所述的一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法，其特征在于：“黑”是指灰度值设置为0，“白”是指灰度值设置为255。5.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法，其特征在于：步骤(5)中组合成第i幅数字掩模子图，是指提取第1幅二值离散图形的第i行，作为第i幅数字掩模子图的第1行，提取第2幅二值离散图形的第i行，作为第i幅数字掩模子图的第2行，以此类推，提取第n幅二值离散图形的第i行，作为第i幅数字掩模子图的第n行。6.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法，其特征在于：步骤(7)中每幅数字掩模帧图的曝光时间由曝光剂量线离散阶数l决定。7.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法，其特征在于：所述步骤(8)中的所述光刻胶包括用于光刻制作的正性或负性胶。

技术总结
本发明公开了一种利用数字掩模制作连续面形螺旋相位板的方法，该方法将目标连续面形沿旋转方位角方向等分成多个扇形子结构，基于扇形子结构对应的曝光剂量，经过构建二值离散图形、组合数字掩模子图、坐标转换形成数字掩模帧图等步骤，通过计算机控制SLM按照预先设定好的曝光时间依次连续投影多幅数字掩模帧图在基底上同一位置进行曝光，进而在光刻胶上获得连续面形螺旋相位板，本发明所述的方法工艺简单，制作成本低，制作效率高，技术的通用性较强。较强。较强。


技术研发人员：罗宁宁 匡珺洁 陈德源 刘越 陈章睿
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/24