本發(fā)明涉及一種微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)和方法，具體涉及空間濾波或空間濾波分時(shí)復(fù)用、多子波面實(shí)時(shí)、分立、連續(xù)調(diào)制的實(shí)時(shí)微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)，應(yīng)用于微納米結(jié)構(gòu)加工、激光共焦顯微成像、生物熒光檢測和微納米形貌檢測。

背景技術(shù)：

干涉光刻或全息光刻是一種高效制備大幅面微納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)，干涉光刻制備的微納米結(jié)構(gòu)，其周期由干涉光束的波長與夾角共同確定(周期大小與干涉波長成正比，與干涉光束夾角的正弦值成反比)；其取向由干涉光束的波矢決定；其條紋位相分布由干涉光束的相對(duì)位相差決定。干涉光刻可與其他技術(shù)如蒸鍍、刻蝕等自由組合，為微納米結(jié)構(gòu)在光子晶體、生物醫(yī)學(xué)、微電子等領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

干涉光刻系統(tǒng)分為分振幅(amplitude-splittingconfigurations)干涉系統(tǒng)和分波面(wavefront-splittingconfigurations)干涉系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)均通過分光器件將入射光分為兩束或兩束以上相干光進(jìn)行干涉，通常選用半透半反鏡、棱鏡、光柵、衍射掩膜以及l(fā)loyd’s鏡等作為分光器件。無論采用何種分光器件實(shí)現(xiàn)多光束干涉，其制備的微納米結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為固定值，不可實(shí)時(shí)變化。即使采用萬向鏡(gimbalmirror)，也只能在有限的范圍內(nèi)改變微納米結(jié)構(gòu)的周期，而基于gimbalmirror實(shí)現(xiàn)周期和取向兩種參數(shù)實(shí)時(shí)變化的干涉系統(tǒng)，其光學(xué)設(shè)置十分復(fù)雜。

為實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)空頻調(diào)制，專利u.s.patent5,132,812及其改進(jìn)專利u.s.patent5,262,879、u.s.patent5,822,092以及u.s.patent5,132,812通過三組不同夾角的光束干涉形成了三種不同空頻的光柵像素，實(shí)現(xiàn)了光柵空頻的離散調(diào)制。中國專利cn01134127.0、200510095775.2、200510095776.7、cn201010238377.2以及cn201010503788.x公開了一種以二元光柵作為分光元件，通過切換不同空頻的分光光柵來實(shí)現(xiàn)空頻的離散調(diào)制。

而目前基于微納米結(jié)構(gòu)的新材料，如新型顏色顯示、真彩色3d顯示以及超穎表面材料(metasurface)，對(duì)光刻系統(tǒng)提出了周期、取向、占空比甚至圖案等參數(shù)實(shí)時(shí)制備的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)，可靈活集成于各種光刻系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)制備，亦可集成于各種顯微系統(tǒng)中，提供可調(diào)制結(jié)構(gòu)光照明。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本申請(qǐng)實(shí)施例公開了一種微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)，包括光源、空間過濾單元、4f光學(xué)系統(tǒng)和光波調(diào)制單元，所述4f光學(xué)系統(tǒng)包括沿光路依次設(shè)置的第一透鏡(組)和第二透鏡(組)，所述光波調(diào)制單元設(shè)置于所述第一透鏡(組)和第二透鏡(組)之間，該光波調(diào)制單元對(duì)入射光或子波面分立調(diào)制；所述空間過濾單元位于4f光學(xué)系統(tǒng)之前或之后，該空間過濾單元對(duì)入射光波面、光波調(diào)制單元像素選擇、像素有效區(qū)域、成像面光場空間濾波中至少一個(gè)參量調(diào)控，在系統(tǒng)的后焦面產(chǎn)生圖案、圖案位置、圖案面積以及圖案結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)時(shí)可調(diào)的光場分布。

優(yōu)選的，在上述的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)中，所述圖案包括圖案構(gòu)成、圖案位置、圖案面積大小等參數(shù)。所述圖案結(jié)構(gòu)參數(shù)包括圖案的周期、取向、相位或相移量和占空比。

優(yōu)選的，在上述的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)中，所述光場分布由單個(gè)或多個(gè)干涉光場組成。

優(yōu)選的，在上述的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)中，所述圖案構(gòu)成、位置、面積大小、以及所述圖案的結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)時(shí)、分立或同步、連續(xù)可調(diào)。

優(yōu)選的，在上述的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)中，所述光波調(diào)制單元選自下述任一方式：

(a)、所述光波調(diào)制單元為單個(gè)位相元件，對(duì)入射光調(diào)制，通過空間過濾單元限定/選擇入射光場或出射光場和/或位相元件位移變化、和/或旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)圖案位置、圖案面積以及圖案結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的光場分布；

(b)、所述光波調(diào)制單元為空間變參量位相元件，該位相元件至少由兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)分布的子像素組成，通過空間過濾單元選用不同的子像素實(shí)現(xiàn)對(duì)各子波面的光場調(diào)制，并在系統(tǒng)的后焦面產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)不同圖案、圖案位置、圖案面積的光場分布；通過分時(shí)空間濾波、和/或位相元件組件位移變化、和/或旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)各子波面的光場調(diào)制，并在系統(tǒng)的后焦面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的光場分布；

(c)、所述光波調(diào)制單元為空間變參量位相元件，該位相元件至少由兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)分布的子像素組成，通過空間過濾單元選用子像素的不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)各子波面的光場調(diào)制，并在系統(tǒng)的后焦面產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)不同圖案、圖案位置、圖案面積的光場分布；通過分時(shí)空間濾波、和/或位相元件組件位移變化、和/或旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)各子波面的光場調(diào)制，并在系統(tǒng)的后焦面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的光場分布；

(d)、所述光波調(diào)制單元為空間變參量位相元件，該位相元件至少由兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)分布的子像素組成，通過子像素實(shí)現(xiàn)對(duì)各子波面的光場調(diào)制，獲得多個(gè)干涉光場輸出，通過空間過濾單元實(shí)現(xiàn)對(duì)成像面不同干涉光場的選擇，從而產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)不同圖案、圖案位置、圖案面積的光場分布；通過分時(shí)空間濾波、和/或位相元件組件位移變化、和/或旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)各子波面的光場調(diào)制，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的光場分布；

(e)、所述光波調(diào)制單元為多個(gè)分立的子位相元件，通過空間過濾單元限定/選擇入射光場，再經(jīng)子位相元件對(duì)入射光子波面的分立調(diào)制，獲得多個(gè)干涉光場輸出，從而產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)不同圖案、圖案位置、圖案面積的光場分布；通過分時(shí)空間濾波、和/或子位相元件位移變化、和/或旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)各子波面的光場調(diào)制，并在系統(tǒng)的后焦面產(chǎn)生圖案、結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的光場分布；

(f)、所述光波調(diào)制單元為多個(gè)分立的子位相元件，通過空間過濾單元選擇子位相元件的不同區(qū)域，獲得多個(gè)干涉光場輸出，從而產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)不同圖案、圖案位置、圖案面積的光場分布；通過分時(shí)空間濾波、和/或子位相元件位移變化、和/或旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)各子波面的光場調(diào)制，并在系統(tǒng)的后焦面產(chǎn)生圖案、結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的光場分布；

(g)、所述光波調(diào)制單元為多個(gè)分立的子位相元件，通過各子位相元件實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光子波面的光場調(diào)制，獲得多個(gè)干涉光場輸出，通過空間過濾單元實(shí)現(xiàn)對(duì)成像面不同干涉光場的選擇，從而產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)不同圖案、圖案位置、圖案面積的光場分布；通過分時(shí)空間濾波、和/或子位相元件位移變化、和/或旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)各子波面的光場調(diào)制，并在系統(tǒng)的后焦面產(chǎn)生圖案結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的光場分布。

優(yōu)選的，在上述的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)中，所述空間過濾單元選自光闌、灰度掩膜或可編程空間過濾單元。

優(yōu)選的，在上述的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)中，所述空間過濾單元的濾波包括且不限于空間濾波的分時(shí)復(fù)用方式。

優(yōu)選的，在上述的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)中，所述光源包括激光。

本申請(qǐng)還公開了基于所述的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制方法。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)、空間過濾單元實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光子波面、位相元件區(qū)域選擇、成像面光場，實(shí)現(xiàn)圖案、圖案位置、圖案面積的實(shí)時(shí)選擇。

(2)、通過空間濾波和/或分時(shí)復(fù)用，實(shí)現(xiàn)圖案、圖案位置、圖案面積的實(shí)時(shí)調(diào)制和/或結(jié)構(gòu)參數(shù)的連續(xù)調(diào)制。

(3)、通過空間過濾單元、位相元件的平移和旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)圖案在單維度下結(jié)構(gòu)參數(shù)的連續(xù)調(diào)制。

(4)、通過空間過濾單元、位相元件的平移和旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)圖案和/或圖案結(jié)構(gòu)參數(shù)的分立或同時(shí)連續(xù)調(diào)制。

總之，本發(fā)明利用空間過濾單元與光波調(diào)制單元，對(duì)入射光子波面、位相元件區(qū)域以及成像面光場等的空間濾波選擇，通過空間濾波、或分時(shí)空間濾波、或分時(shí)復(fù)用空間濾波、或和位相元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜微納米結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)制備，并實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)、連續(xù)可調(diào)，微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)可靈活集成于各種顯微系統(tǒng)中。。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請(qǐng)中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1所示為本發(fā)明具體實(shí)施例1中基于空間濾波與單一位相元件的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建系統(tǒng)；其中圖1(a)、(b)為空間濾波選定不同的入射子波面，所得圖案的位置變化；圖1(a)、(c)為空間濾波選定不同的入射子波面、位相元件平移后，圖案位置不變，其對(duì)應(yīng)空頻/基頻增大；

圖2所示為本發(fā)明具體實(shí)施例2中基于空間濾波與空間變參量位相元件的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建系統(tǒng)；

圖3所示為本發(fā)明具體實(shí)施例3中基于空間濾波與分立位相元件的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建；圖3(a)基于空間濾波的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建；圖3(b)空間濾波與位相元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)微納米光場的實(shí)時(shí)調(diào)制；

圖4所示為本發(fā)明具體實(shí)施例4中基于空間濾波與單一位相元件的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建系統(tǒng)。圖4(a)成像面高空頻/基頻的圖案及其位置濾波選擇；圖4(b)成像面低空頻/基頻、變?nèi)∠虻膱D案及其位置濾波選擇。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1:基于空間濾波與單一位相元件的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建系統(tǒng)

本實(shí)施例中所述微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)如圖1所示，在4f光路系統(tǒng)(焦距f1、f1、f2、f2)中，包括第一透鏡(組)1、第二透鏡(組)1和光波調(diào)制光學(xué)元件4，光波調(diào)制光學(xué)元件4可以為二元光學(xué)元件、光柵元件、全息元件或超穎表面元件。其中虛線表示4f光路系統(tǒng)的光軸3。

在本實(shí)施例中，若光波調(diào)制光學(xué)元件4為消0級(jí)光的二元光學(xué)元件，具有正負(fù)一級(jí)衍射光。經(jīng)空間濾波后的入射光，第一透鏡(組)1后的會(huì)聚光經(jīng)二元光學(xué)元件4后，其正負(fù)一級(jí)衍射光分別在4f光路系統(tǒng)的第一透鏡(組)后焦面形成兩個(gè)會(huì)聚光斑。

如光波調(diào)制光學(xué)元件4為單一周期微米結(jié)構(gòu)，則其在第一透鏡(組)后焦面的會(huì)聚光斑相對(duì)于光軸對(duì)稱。則空間濾波器提供的不同位置的入射光，經(jīng)第一透鏡(組)后，在成像面的相干區(qū)域?qū)⒉煌?。如圖1(a)及(b)所示，經(jīng)空間濾波后，兩束不同位置的入射光，在成像面的干涉位置、面積大小不同。若需在如圖1(a)位置僅改變干涉圖案的空頻，則可通過空間濾波改變?nèi)肷涔庾硬嬉约把毓廨S位置平移位相元件4后如圖1(c)所示，從而不改變圖案分布區(qū)域，僅改變圖案空頻。

實(shí)施例2：基于空間濾波與空間變參量位相元件的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建系統(tǒng)

本實(shí)施例中所述微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)如圖2所示，在4f光路系統(tǒng)中，光波調(diào)制光學(xué)元器件為空間變參量位相元件，空間變參量位相元件5由上下依次設(shè)置的子像素50、51、52、53、54和55組成。子像素50、51、52、53、54和55中至少一個(gè)是二元光學(xué)元件、光柵元件、全息元件或超穎表面元件的一種；子像素結(jié)構(gòu)可以完全相同也可以完全不同。

經(jīng)空間濾波后的入射光如圖2所示，分為上下兩束，經(jīng)第一透鏡(組)1會(huì)聚，照射在位相元件組件5上。若位相元件子像素50-55均為只存在正負(fù)一級(jí)衍射光的二元光學(xué)元件，則其衍射光經(jīng)第二透鏡(組)后形成多束光出射，從而在4f系統(tǒng)的成像面實(shí)現(xiàn)空間變參量光場分布，干涉圖案及其分布區(qū)域由對(duì)應(yīng)的子像素和空間濾波提供的入射光決定。

實(shí)施例3：基于空間濾波與分立位相元件的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建系統(tǒng)

本實(shí)施例中所述微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)如圖3(a)所示，在4f光路系統(tǒng)中，子元件60、61、62和63組成光波調(diào)制光學(xué)元器件組，將4f光路中第一透鏡(組)后面的會(huì)聚光波分成三段子波分別調(diào)制，子元件60、61、62和63中至少一個(gè)是二元光學(xué)元件、光柵元件、全息元件或超穎表面元件的一種；子元件60、61、62和63可以是周期性結(jié)構(gòu)，亦可以為非周期性結(jié)構(gòu)；子元件60、61、62和63可以完全相同，也可以不同。

在本實(shí)施例中，經(jīng)空間濾波后的入射光經(jīng)第一透鏡(組)后會(huì)聚，若子元件均為消0級(jí)光的二元光學(xué)元件，具有正負(fù)一級(jí)衍射光。則其相應(yīng)衍射光在第二透鏡(組)后焦面形成多束出射光，從而在系統(tǒng)成像面形成空間變參量光場分布，如圖3(a)所示，干涉圖案及其分布區(qū)域由對(duì)應(yīng)的子像素和空間濾波提供的入射光決定。

在本實(shí)施例中，如圖3(b)所示，可僅通過在垂直和沿光軸方向平移子元件60，在不改變圖案位置及面積大小的情況下，改變圖案空頻；可僅通過空間濾波改變?nèi)肷涔鈪^(qū)域和平移子元件63，在不改變圖案位置及面積大小的情況下，改變圖案空頻；可僅通過改變子元件61和62的位置，改變圖案以及圖案空頻。

實(shí)施例4：基于空間濾波與單一位相元件的微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建系統(tǒng)

本實(shí)施例中所述微納米光場實(shí)時(shí)構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)如圖4所示，在4f光路系統(tǒng)中，光波調(diào)制光學(xué)元器件為分立的子位相元件7，可以為二元光學(xué)元件、光柵元件、全息元件或超穎表面元件。

在本實(shí)施例中，若子位相元件7為消0級(jí)光的二元光學(xué)元件，具有正負(fù)一級(jí)衍射光。入射平行光經(jīng)第一透鏡(組)會(huì)聚，照射在位相元件上，其正負(fù)一級(jí)衍射光會(huì)聚經(jīng)第二透鏡(組)后在系統(tǒng)成像面干涉。

在系統(tǒng)后方放置空間過濾單元8，如圖4(a)所示，在未阻擋區(qū)域獲得高空頻圖案，如平移和旋轉(zhuǎn)位相元件7之后，在系統(tǒng)后方放置空間過濾單元9，則在該位阻擋區(qū)域獲得低空頻、變?nèi)∠虻膱D案。

綜上所述，本發(fā)明系統(tǒng)用激光作為光源，通過空間過濾單元、4f光路系統(tǒng)和光學(xué)調(diào)制器件，產(chǎn)生圖案、圖案位置及面積、圖案內(nèi)周期、取向、占空比等結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)時(shí)、連續(xù)可調(diào)的干涉圖案，集成于各種光刻系統(tǒng)，在正負(fù)光刻膠表面實(shí)時(shí)制備不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微納米圖案，為基于微納米結(jié)構(gòu)的新型功能材料提供基礎(chǔ)。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅是本申請(qǐng)的具體實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請(qǐng)?jiān)淼那疤嵯?，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。