用灰阶编码掩模制作折/衍混合微光学元件

　　1 引 言

　　在通常的折射成像光学系统(例如照相机、望远镜)中，为了校正各种像差，常采用多片式透镜组合，这使得其结构复杂、价格昂贵。为了简化结构，校正像差，可采用各种非球面组合。但非球面结构的制作工艺难度大，限制了其使用范围。近年来发展迅速的衍射光学元件[1, 2]可以利用表面的微浮雕结构的衍射形成任意形状的波阵面，实现非球面元件的作用，即用最简单的表面结构实现复杂光学系统的效果，而且衍射光学元件是一种纯相位元件，具有极高的传输效率。

　　折射光学元件和衍射光学元件的功能是相互补充的，在折射成像系统中引入衍射光学元件构成折/衍混合系统[3]可简化系统结构。为了进一步简化系统结构，可将折射和衍射元件结合在一起，即把衍射光学元件做在折射光学元件(透镜、棱镜)表面上而形成折/衍混合元件。目前制作折/衍混合元件基本上是采用二元光学技术[4]在折射元件表面上经多次套刻生成多个台阶，工艺复杂，易产生对准误差。采用灰阶编码掩模一次曝光制作折/衍混合元件的表面结构，可以大大简化曝光系统和制作工艺，大幅度降低成本，而且不产生对位误差，制作过程中的误差可通过掩模校正进行预补偿，提高元件质量。

　　文中对一个在折射微透镜的基础上叠加一个衍射微透镜的消色差混合光学结构，利用编码的方法[5]设计了灰阶掩模。根据部分相干光成像理论和抗蚀剂曝光显影模型，模拟计算了编码灰阶掩模产生的空间光强分布和光刻胶上的浮雕结构。并根据成像过程中可能的非线性因素的影响对掩模图形进行了预校正。

　　2 折/衍混合元件设计

　　混合光学元件(HybridOpticsElement)是将常规的光学元件(例如反射镜，透镜和棱镜)与衍射光学元件结合在一起，利用折射和衍射效应来校正光学像差和优化光学元件的性能的一种新的光学结构。由于其加工工艺的灵活性，使得可制作任意表面结构的光学元件和实现不同的光学功能的元件集成在单一元件上。折/衍混合元件具有特殊的消像差能力，不但能消色差、球差等一般像差，还能消热差，对红外强光光学有十分重要的意义。相对于球面和非球面系统来说，可极大地减小系统的重量和尺寸[6]。

　　由于红外波段的波长较长，相应的衍射光学元件的特征尺寸较宽，光学元件容易加工，我们选取远红外波段来设计一个消色差的混合微光学元件。所取的远红外波段为 8.0~12.0 μm，中心波长(即设计波长)为 10.6 μm，透红外材料为 ZnS。折/衍混合元件的消色差方程如下式：

　　式中，φ_折 、φ _衍，V _折、V _衍分别是折射元件和衍射元件的光焦度和阿贝数，n1，n2，n3分别是波长为 10.6 μm，8.0 μm，12.0 μm 时的材料折射率。