产生平顶高斯分布光场的光学组件设计方法及光学组件与流程

本发明涉及光学元件，具体涉及产生平顶高斯分布光场的光学组件设计方法及光学组件。

背景技术：

1、先进深紫外曝光为了获得更好的曝光效果，需要照明系统输出高质量光场，其强度分布为x向平顶分布，y向高斯分布。

2、传统微柱面阵列仅能产生平顶光场，不具备产生高斯光场能力，若引入额外的随机散射片用于产生高斯光场，则会提高成本且额外占用系统空间。

3、另一方面传统微柱面镜内部聚焦位置的高功率密度有可能超过材料损伤阈值，造成光学元器件的损坏。

4、为了获得x向均匀的平顶光场，cn102375238b发明《均匀照明的微柱面镜阵列及其设计方法》，提供了一种用于紫外曝光照明系统产生y和x方向的均匀光强分布的微柱面镜阵列。cn102375238b的发明专利由母线方向沿x向和y向分布的两片双面微柱面镜阵列组成，存在问题是：光束在第二片微柱面镜阵列中聚焦产生x向极窄的焦斑，该处能量密度极高，可能会损坏镜片材料。其次，该方案为了实现较好的匀光效果和远心性能，需要将两片微镜阵列靠得足够近，这对实际生产过程中的装配环节提出了极高要求。最后，该方案中母线方向一致的微结构面位于同一片微镜阵列元件的前后表面，共同作用于光学系统中时其等效焦距由元件厚度决定，对于已加工完成的元件，其等效焦距无调节余地。

5、为了获得y向的高斯分布光场，cn105589300a发明《一种光刻照明系统》，提出了利用由一维柱面镜阵列构成的散射板放在微透镜阵列后方，通过特殊设计的散射板可以控制高斯光强分布的轮廓。该发明中的散射板结构矢高值较大，不利于实际加工，同时这类矢高值较大的结构也不利于测量表征。故该发明存在大矢高的微凹柱面结构加工和表征难度大的问题。

6、此外，如果在降低微镜阵列内部能量密度的同时，保证平顶高斯光场的产生，通过cn102375238b和cn105589300a提供的技术方案，则最少需要4片光学元件(两片散射板和两片微柱面镜阵列)，这会带来系统空间上的冗余，同时增加透镜材料的消耗。

技术实现思路

1、为解决产生平顶高斯分布光场的光学元件存在的问题，本技术提供一种产生平顶高斯分布光场的光学组件设计方法，设计的光学组件仅需要三片光学基底组成，对每片光学基底的入光表面和出光表面进行独立设计，设计的三片光学基底配合使用以产生低能量密度和平顶高斯分布光场，该三片光学基底在整个系统中结构紧凑稳定，不会产生系统空间上的冗余。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、本发明提供一种产生平顶高斯分布光场的光学组件设计方法，所述光学组件包括第一光学基底、第二光学基底和第三光学基底，所述光学组件设计方法包括步骤：

4、设计所述第一光学基底入光表面，设计的第一光学基底入光表面降低第二光学基底中聚焦位置处的能量密度；

5、设计所述第一光学基底出光表面和第二光学基底入光表面，设计的第一光学基底出光表面和第二光学基底入光表面配合提供x方向的均匀化光场；

6、设计所述第二光学基底出光表面和第三光学基底入光表面，设计的第二光学基底出光表面和第三光学基底入光表面配合提供y方向的均匀化光场；

7、设计所述第三光学基底出光表面，设计的第三光学基底出光表面提供y方向的高斯分布光场轮廓。

8、进一步优选地，所述设计第一光学基底入光表面，具体包括：设计第一光学基底入光表面的微结构，通过所述微结构降低第二光学基底中聚焦位置处的能量密度。

9、进一步优选地，所述设计第一光学基底入光表面的微结构，具体包括：

10、设计若干个微凹柱面透镜；

11、将若干个微凹柱面透镜分布于第一光学基底入光表面，以在第一光学基底入光表面形成微凹柱面透镜阵列，其中，所述微凹柱面透镜的母线方向沿y方向；

12、优化微凹柱面透镜的曲率半径和工作口径，以降低第二光学基底中聚焦位置处的能量密度。

13、进一步优选地，设计所述第一光学基底出光表面和第二光学基底入光表面，具体包括：设计第一光学基底出光表面的微结构和第二光学基底入光表面的微结构，通过第一光学基底出光表面微结构和第二光学基底入光表面微结构的配合提供x方向的均匀化光场。

14、进一步优选地，所述设计第一光学基底出光表面的微结构和第二光学基底入光表面的微结构，具体包括：

15、设计若干个微凸柱面透镜；

16、将若干个微凸柱面透镜分别分布于第一光学基底出光表面和第二光学基底入光表面，以在第一光学基底出光表面形成微凸柱面透镜阵列，及在第二光学基底入光表面形成微凸柱面透镜阵列，其中，所述微凸柱面透镜的母线方向沿y方向；

17、将第一光学基底出光表面的微凸柱面透镜的曲率半径、第二光学基底入光表面的微凸柱面透镜的曲率半径、及第一光学基底出光表面微凸柱面透镜与第二光学基底入光表面微凸柱面透镜之间的空气间隔进行联合优化，使第一光学基底出光表面的微凸柱面透镜和第二光学基底入光表面的微凸柱面透镜配合工作，以提供x方向的均匀化光场。

18、进一步优选地，设计所述第二光学基底出光表面和第三光学基底入光表面，具体包括：设计第二光学基底出光表面的微结构和第三光学基底入光表面的微结构，通过第二光学基底出光表面微结构和第三光学基底入光表面微结构的配合提供y方向的均匀化光场。

19、进一步优选地，所述设计第二光学基底出光表面的微结构和第三光学基底入光表面的微结构，具体包括：

20、设计若干个微凸柱面透镜；

21、将若干个微凸柱面透镜分别分布于第二光学基底出光表面和第三光学基底入光表面，以在第二光学基底出光表面形成微凸柱面透镜阵列，及在第三光学基底入光表面形成微凸柱面透镜阵列，其中，所述微凸柱面透镜的母线方向沿x方向；

22、将第二光学基底出光表面的微凸柱面透镜的曲率半径、第三光学基底入光表面的微凸柱面透镜的曲率半径、及第二光学基底出光表面微凸柱面透镜与第三光学基底入光表面微凸柱面透镜之间的空气间隔进行联合优化，使第三光学基底出光表面的微凸柱面透镜和第二光学基底入光表面的微凸柱面透镜配合工作，以提供y方向的均匀化光场。

23、进一步优选地，设计所述第三光学基底出光表面，具体包括：设计第三光学基底出光表面的微结构，通过所述微结构提供y方向的高斯分布光场轮廓

24、进一步优选地，所述设计第三光学基底出光表面的微结构，具体包括：

25、设计若干个微凹柱面透镜；

26、将若干个微凹柱面透镜分布于第三光学基底出光表面，以在第三光学基底出光表面形成微凹柱面透镜阵列，其中，所述微凹柱面透镜的母线方向沿x方向；

27、根据y方向上呈阶梯状分布的目标高斯分布光场轮廓对各阶梯目标光场所对应的微凹柱面透镜的工作口径、曲率半径、及微凹柱面透镜的数量进行设计，以使设计的第三光学基底出光表面的微凹柱面透镜阵列提供y方向的高斯分布光场轮廓，其中，第三光学基底出光表面的微凹柱面透镜阵列中的所有微凹柱面透镜的矢高相等。

28、本发明还提供一种产生平顶高斯分布光场的光学组件，包括：第一光学基底、第二光学基底和第三光学基底；

29、所述第一光学基底的入光表面、出光表面，所述第二光学基底的入光表面、出光表面，及所述第三光学基底的入光表面、出光表面分别通过上述的光学组件设计方法进行设计获得；

30、所述第一光学基底入光表面降低第二光学基底中聚焦位置处的能量密度；

31、所述第一光学基底出光表面和第二光学基底入光表面配合提供x方向的均匀化光场；

32、所述第二光学基底出光表面和第三光学基底入光表面配合提供y方向的均匀化光场；

33、所述第三光学基底出光表面提供y方向的高斯分布光场轮廓。

34、进一步优选地，所述第一光学基底入光表面设置有第一微结构，通过所述第一微结构降低第二光学基底中聚焦位置处的能量密度；

35、所述第一光学基底出光表面设置有第二微结构，第二光学基底入光表面设置有第三微结构，通过第二微结构和第三微结构的配合提供x方向的均匀化光场；

36、所述第二光学基底出光表面设置有第四微结构，第三光学基底入光表面设置有第五微结构，通过第四微结构和第五微结构的配合提供y方向的均匀化光场；

37、所述第三光学基底出光表设计有第六微结构，通过所述第六微结构提供y方向的高斯分布光场轮廓。

38、进一步优选地，所述第一光学基底入光表面设置有第一微凹柱面透镜阵列，所述第一微凹柱面透镜阵列中的微凹柱面透镜的母线方向沿y方向；

39、所述第一光学基底出光表面设置有第一微凸柱面透镜阵列，所述第二光学基底入光表面设置有第二微凸柱面透镜阵列，所述第一微凸柱面透镜阵列和第二微凸柱面透镜阵列中的微凸柱面透镜的母线方向沿y方向；

40、所述第二光学基底出光表面设置有第三微凸柱面透镜阵列，所述第三光学基底入光表面设计有第四微凸柱面透镜阵列，所述第三微凸柱面透镜阵列和第四微凸柱面透镜阵列中的微凸柱面透镜的母线方向沿x方向；

41、所述第三光学基底出光表面设置有第二微凹柱面透镜阵列，所述第二微凹柱面透镜阵列中的微凹柱面透镜的母线方向沿x方向。

42、通过本发明提供的光学组件设计方法及光学组件，至少具有以下任一效果：

43、1、通过设计三片光学基底的入光表面和出光表面的微结构，使三片光学基底配合使用产生具有低能量密度和平顶高斯分布光场，三片光学基底结构紧凑，不会产生系统空间上的冗余；

44、2、降低原焦斑位置处的能量密度，避免激光引起微结构材料内部损伤；

45、3、两光学基底间的距离可调，一方面其间距不会过小，因此可以适应加工装调的需要；另一方面母线方向一致的微结构面中间是空气，因此可以微调间距从而灵活调整等效焦距，进而调控光场尺寸；

46、4、第三光学基底出光表面的微凹柱面透镜阵列中的所有微凹柱面透镜的矢高相等，与现有微凹柱面透镜阵列中存在矢高的高度不统一、矢高的高度较大，导致整体加工、表征困难相比，本技术中所有微凹柱面透镜矢高相等，并可以根据实际加工能力调整矢高，使第三光学基底出光表面易于加工。