Расчет, конструирование и изготовление дифракционных и голограммных оптических элементов

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 

 

 
С. Б. Одиноков, Г. Р. Сагателян,  
М.С. Ковалев  
 
 
 

Расчет, конструирование  
и изготовление дифракционных  
и голограммных оптических  
элементов 

 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

УДК 681.7.06:681.4(075.8) 
ББК 22.343.4:34.9 
О-42 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/112/book209.html 
 
Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 

Кафедра «Лазерные и оптико-электронные системы» 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебного пособия 

Рецензенты:  
д-р техн. наук, профессор В. С. Кондратенко,  
канд. техн. наук, доцент В. Н. Гриднев 

 
Одиноков, С. Б. 
  
 
Расчет, конструирование и изготовление дифракционных  
и голограммных оптических элементов : учебное пособие /  
С. Б. Одиноков, Г. Р. Сагателян, М. С. Ковалев. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 121, [3] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4000-9 

Изложены современные методы создания дифракционных и голограммных оптических элементов. Особое внимание уделено технологическим процессам их изготовления с применением методов плазмохимического травления оптических стекол. 
Для студентов специальности «Электронные и оптико-электрон- 
ные приборы и системы специального назначения» по направлению 
подготовки «Лазерная техника и лазерные технологии», изучающих 
курс «Прикладная оптика». 
 
УДК 681.7.06:681.4(075.8) 
ББК 22.343.4:34.9 
 

 

 

 

 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4000-9 
 
 
        МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 

 О-42

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

БИС (СБИС) — большая (сверхбольшая) интегральная схема 
ВЧ — высокая частота, высокочастотный 
ГОЭ — голограммный оптический элемент 
ДГОЭ — дифракционный голограммный оптический элемент 
ДОЭ — дифракционный оптический элемент 
ДР — дифракционная решетка 
ИК — инфракрасный 
ИМС — интегральная микросхема 
ИХО — ионно-химическая обработка  
КТ — кислотное травление 
КЭ — киноформный элемент 
НХД — нафтохинондиазид 
НГЭ — нерасстраиваемый геометрический эталон 
ПВЦ — поливинилциннамат 
ПЗС — прибор с зарядной связью 
ПХТ — плазмохимическое травление  
ПММА — полиметилметакрилат 
СВЧ — сверхвысокие частоты, сверхвысокочастотный 
ХСП — халькогенидный стеклообразный полупроводник 
УФ — ультрафиолетовый 
ЭЛ — электронный луч 
ЭЛГ — электронно-лучевой генератор 
ЭЛЛ — электронно-лучевая литография 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Дифракционные и голограммные оптические элементы (ДГОЭ) 
широко применяются в различных отраслях науки и техники:  
в оптическом приборостроении (цифровые камеры, сотовые телефоны, видеопроекторы и пр.), медицине (лазерные установки, контактные линзы, глазные хрусталики), промышленности (лазерные 
технологические установки), связи (волоконно-оптические линии 
связи), автомобилестроении (фары с заданной диаграммой направленности). ДГОЭ представляют собой пропускающие или отражающие свет пластины, которые работают на основе дифракции света на тонком фазовом или амплитудном микрорельефе.  
Наибольшее распространение в конструкции ДГОЭ получили 
ступенчатые и кусочно-непрерывные фазовые микрорельефы и 
содержащий тонкопленочное непрозрачное покрытие амплитудный микрорельеф. Материалами для их изготовления являются 
оптические пластмассы, оптические неорганические стекла и 
плавленый кварц. В зависимости от рабочей длины и показателя 
преломления оптического материала высота фазового микрорельефа может изменяться в диапазоне 0,5…7,5 мкм, а ширина минимально информативной зоны — в пределах 1…200 мкм.  
Формирование дифракционного микрорельефа осуществляется 
методами фотолитографии, электронно-лучевой литографии и вакуумно-плазменного травления в высокочастотной плазме. Требуемое качество изготовления оптического микрорельефа обеспечивается плазменными технологиями, ключевыми операциями 
которых являются:  
• очистка поверхности оптического стекла и контроль степени 
ее чистоты; 
• создание и планарная дихотомизация маскирующих слоев, 
длительно стойких к воздействию плазмы; 
• травление материала заготовки ДГОЭ через сформированную 
маску; 
• удаление остатков маскирующего слоя. 

Глава 1. РАЗНОВИДНОСТИ ДИФРАКЦИОННЫХ  
И ГОЛОГРАММНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ 

Развитие современной оптики связано с совершенствованием 
ее элементной базы. Основу этой базы составляют линзы, объективы, призмы, зеркала, которые в волновой оптике рассматриваются как пространственные фазовые модуляторы света. Эффект 
фазовой модуляции может быть получен при использовании тонких фазовых пластинок, имеющих оптическую толщину в пределах длины волны света. Такие пластинки получили название дифракционных оптических элементов (ДОЭ), синтезированных 
голограмм, фокусаторов, киноформ, а соответствующая область 
науки — дифракционной оптики. ДОЭ осуществляют непосредственное наложение модулирующей функции φ(х, у) на фазу исходной световой волны. Такие элементы при освещении их монохроматической световой волной, в отличие от оптических 
голограмм, дают единственный дифракционный порядок, и падающий световой поток полностью идет на создание полезного 
изображения. ДОЭ могут выполнять различные функциональные 
преобразования световых полей, осуществлять функции сложного 
многолинзового объектива, коррекцию сферических или хроматических аберраций и т. д. Использование плоских элементов в оптических схемах, особенно с монохроматическими лазерными источниками света, открывает перспективу создания недорогих, 
компактных и функционально сложных приборов. 
Дифракционная оптика не является конкурентом традиционной 
оптики. Но, как и большинство перспективных технологий, она открывает новые возможности для улучшения качества изображения, 
сокращения числа компонентов оптической системы, снижения цены и массы приборов. Одно из основных ее преимуществ — воз

можность широкого применения в соединителях оптических линий 
связи, головках устройств записи (считывания), принтерах, устройствах чтения товарных кодов, радужных знаках защиты денег, товаров и ценных бумаг, лазерных технологических и хирургических 
инструментах. Некоторые дифракционные элементы могут управлять всеми компонентами оптического излучения (амплитудой, фазой и поляризацией) и имеют высокую дифракционную эффективность. Характерные размеры микроструктуры для видимой области 
спектра составляют 0,25...0,50 мкм.  
Перспективное направление внедрения — синтез ДОЭ с глубоким рельефом. В этом случае оптические элементы совмещают в 
себе преимущества классической рефракционной оптики (ахроматичность) с дифракционной гибкостью. ДОЭ с глубоким рельефом 
позволяют фокусировать и преобразовывать «обычный» белый 
свет. Микроструктура таких ДОЭ должна иметь рельеф оптической поверхности с плавно изменяющейся высотой в диапазоне 
значений от нуля до десятков микрометров. Возможны ДОЭ на 
сферических поверхностях, являющихся основой создания новых 
элементов лазерной оптики, оптических и рентгеновских телескопов, систем многоканальной оптической связи и т. д. 
Перечислим наиболее распространенные характеристики дифракционных микроструктур: 
• бинарная амплитудная структура;  
• бинарный (фазовый) микрорельеф;  
• непрерывный микрорельеф (киноформ).  
Их характерные размеры: 
• минимальный период 0,4...0,6 мкм (или 1,5…2,0 мкм);  
• высота рельефа 0,1…10 мкм (или 0,1…30 мкм).  
Области применения перечисленных дифракционных микроструктур: в оптическом и научном приборостроении, информатике, медицине и квантовой электронике (фотошаблоны, маски, сетки, шкалы, кодовые диски, амплитудные голограммы), в деталях 
микромеханики и интегральной оптики. 
До последнего времени для изготовления ДОЭ в основном 
применялось оборудование, ранее созданное для производства изделий микроэлектроники. Однако топологическая структура поверхности ДОЭ имеет произвольный характер, задаваемый распределением фаз световой волны, в то время как структура 

поверхности микросхемы представляет собой систему линий и 
прямоугольников. Структура поверхности ДОЭ может иметь минимальные размеры, составляющие менее половины длины волны 
света (0,2…0,5 мкм), однако общие размеры могут достигать десятков сантиметров и даже нескольких метров в диаметре, что во 
много раз больше размеров кристалла микросхемы.  
Требования современной дифракционной оптики ставят задачи, не имеющие пока адекватного решения ввиду отсутствия технологических комплексов для массового серийного микропрофилирования оптических поверхностей с минимальным размером 
элементов микроструктуры до 0,5 мкм и световым полем 200… 
300 мм и более (рис. 1.1). 
Абсолютная точность топологии элемента должна составлять 
1/4−1/20 размера наименьшей дифракционной зоны, т. е. 20…100 нм. 
Высота рельефа синтезируемой структуры должна плавно меняться от нуля до десятков микрометров на одном скате при скачкообразном переходе от зоны к зоне.  
Первые образцы ДОЭ, по своим свойствам подобные фазовым 
зонным линзам Френеля, были получены на основе обычного отбеленного фотослоя для перевода градаций фотографического почернения в соответствующее распределение оптической толщины. 
Но усадка фотоэмульсии и несовершенство процессов фотографии 
и отбеливания часто приводят к значительным искажениям восстанавливаемого изображения. 
В последние годы были достигнуты успехи в создании регистрирующих сред. Для изготовления ДОЭ с бинарным профилем 
была разработана лазерная термохимическая технология записи 
микроструктур на пленках хрома. Для синтеза ДОЭ как с бинарным, так и с непрерывным профилем были использованы тонкие 
пленки халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП), 
аморфного кремния, LDW-стекла. При экспонировании пленок 
ХСП-пленка не требует химической обработки. 
Синтез ДОЭ ведется в фото- или электронорезисте с последующим переносом микроструктуры в поверхностный слой подложки 
путем травления стекла или кварца. Управляемое травление стеклянных или кварцевых пластинок дает возможность получить фазовый рельеф высокой точности и приблизить качество их изготовления к качеству классических стеклянных оптических элементов.  

Рис. 1.1. Разновидности ДГОЭ: 
а — линза Френеля с непрерывным микрорельефом; б — линза 
Френеля с бинарным микрорельефом; в — амплитудные зонные 
пластины; г — фазовая зонная пластина; д — амплитудный ГОЭ с 
радиально-окружной структурой; е — амплитудный ГОЭ с квадратно-гнездовой структурой; ж — бинарно-фазовый ГОЭ со стохастической структурой 

Особенно ценным является возможность использования технологии и оборудования, применяемых в производстве полупроводниковых приборов. Методы фотолитографии позволяют с предварительно 
изготовленной рельефной матрицы ДОЭ тиражировать изделия 
большими партиями аналогично тиражированию компакт-дисков и 
дифракционных решеток. Таким способом изготовляют фазовые 
маски со случайным рисунком для повышения качества изображения 
в голографических системах, линзовые растры и экраны из линзовых 
растров для высокоточных проекторов, оптику лазерных головок 
считывания и датчиков, фокусаторы лазерного излучения.  
Для изготовления фазовых структур с непрерывным профилем 
были разработаны различные многоуровневые дифракционные 
микроструктуры и фотолитографические методы получения микрорельефа (рис. 1.2). 
 

 
 
Рис. 1.2. Разновидности микрорельефа дифракционных микроструктур: 
а — бинарная фазовая структура; б — многоуровневый фазовый микрорельеф; в — непрерывный фазовый микрорельеф (киноформ) 
 
Метод, при котором применяют n = log2M фотошаблонов для создания М фазовых уровней, позволил значительно упростить процесс 
изготовления ДОЭ. Однако возможности традиционных фотолитографических технологий при изготовлении ДОЭ с малым размером 
зон Т ограниченны. Это обусловлено тем, что соотношение размеров 
элементарной «ступеньки» составляет Т/М = 0,5…1,0 мкм (дифракционная линза с числовой апертурой NA = 0,1… 0,2 для видимого 
участка спектра имеет Т = 4…8 мкм). При таких малых размерах 
«ступенек» рельефа точность изготовления структуры и совмещения 
фотошаблонов (доли микрометра в лучших установках) начинает играть ведущую роль, приводя к снижению дифракционной эффективности и возрастанию рассеиваемости света. 

Рис. 1.3. Объективы с идентичными оптическими свойствами: 
а, в — без киноформных корректоров; 
б, г —  с киноформными корректорами 
 

 
 
Рис. 1.4. Схема КЭ