CN100373204C - 可调节位相型光瞳滤波器及其制作方法 - Google Patents

可调节位相型光瞳滤波器及其制作方法 Download PDF

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一种可调节单晶位相型光瞳滤波器及其制作方法，其特点是它由偏振器、单晶光瞳滤波器及精密光学调整架组成，该单晶光瞳滤波器安装在所述的精密光学调整架上，所述的单晶光瞳滤波器是用传统的光学加工方法制成的相同厚度的单晶圆片和同性介质环片并用粘结剂粘结而成。本发明大大简化了位相型光瞳滤波器的制作，而且降低了位相型光瞳滤波器的成本。该单晶位相型光瞳滤波器还具有位相差的调节功能。

Description

可调节位相型光瞳滤波器及其制作方法
技术领域：
本发明属于光学衍射元件，特别涉及一种可调节位相型光瞳滤波器及其制作方法。
背景技术：
位相型光瞳滤波器是可以控制光波前分布的一种衍射光学元件。目前，位相型光瞳滤波器的制作主要是利用二元光学的制作工艺(Thomas J Suleski，Donald C O’shea. Gray-scale Masks for diffractive-optics fabrication：1.Commercial slide imagers.Applied Optics，1995，34(32)：7507～7517.)。台阶型轮廓的二元光学器件是利用标准的大规模集成电路生产工艺制作的，它分为加法和减法两种工艺途径。以下以减法工艺(刻蚀法)为例说明位相型二元光学器件的制作过程。首先是制作黑白图案的掩模版，利用光刻技术将图形转印到涂在基片表面的光刻胶上，再经过刻蚀技术将光刻胶表面图形转印到基底上，在基底表面形成所要求的图案。
1、掩模版的制作。掩模版可用绘图机绘制成红膜图再精缩而成，也可用光学或电子束图形发生器直接曝光生成图形。电子束图形发生器制作掩模版的方法具有高的分辨率，这种方法的制版分辨率约为0.1μm。光学图形发生器的分辨率比电子束低，约为0.5μm；绘红膜图制版的分辨率只有1μm，不过它相对简单。利用电子束图形发生器制作掩模版的过程是：首先在计算机内绘制掩模图形，并存为一定数据格式的文件，然后由图形发生器转换成控制电子束偏移和位移的量，并驱动电子束对铬和抗蚀层基片表面曝光，经过显影后在抗蚀层上形成掩模图案，再用溶液去掉未被抗蚀层保护的铬层及残留抗蚀层，最后形成黑(有铬区域)白(无铬区域)图案的掩模版。
2、图形转印。图形转印技术分接触式、投影式和分步投影式光刻三种。投影式光刻是将掩模图形1∶1成像于基片表面曝光来完成图形转印的，是目前较为常用的方法。美国Perkin-Elmer公司生产的新型Micro-Microeigm-500型1∶1投影光刻机采用远紫外光曝光，有效分辨率<1μm。
3、刻蚀。刻蚀技术有湿法刻蚀和干法刻蚀两种，湿法刻蚀即化学腐蚀，属各向同性刻蚀，刻蚀边缘多是圆弧形，精度低，不宜刻蚀小于3μm的图形。干法刻蚀是在气相中将要刻蚀部分变成挥发物质而被清除，它包括离子刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)等工艺方法，属各项异性刻蚀。分辨率可达到10nm。
位相型光瞳滤波器，是利用光刻蚀的方法通过在石英或者玻璃基片上一定区域刻蚀深度为半波长的凹槽，产生π位相差。
刻蚀的方法成功地解决了位相型光瞳滤波器的制作问题，使得位相型的光瞳函数在实际中得以实现。不过，对于应用在成像系统中的位相型光瞳滤波器，利用上述方法在制作流程上比较复杂；制作的成本比较高；制作出的位相型光瞳滤波器的位相延迟也不具有调节性。
发明内容：
本发明要解决的问题在于克服上述刻蚀方法制作位相型光瞳滤波器存在的问题，提供一种可调节位相型光瞳滤波器及其制作方法，从而解决上述刻蚀法制作位相型光瞳滤波器流程复杂、成本高的缺点，而且位相是可调的。
本发明的技术解决方案如下：
一种可调节单晶位相型光瞳滤波器，其特点是它由偏振器、单晶光瞳滤波器及精密光学调整架组成，该单晶光瞳滤波器安装在所述的精密光学调整架上，所述的单晶光瞳滤波器为两区型，所述的两区型单晶光瞳滤波器有三种模式：圆形单轴晶体和包围在其外围的环形各向同性透明介质以及粘结两者的物质组成；圆形各向同性透明介质和包围在其外围的环形单轴晶体以及粘结两者的物质组成；圆形单轴晶体和包围在其外围的环形单轴晶体以及粘结两者的物质组成。
一种可调节单晶位相型光瞳滤波器，其特征在于它由偏振器、单晶光瞳滤波器及精密光学调整架组成，该单晶光瞳滤波器安装在所述的精密光学调整架上，所述的单晶光瞳滤波器为三区型，该三区型单晶光瞳滤波器由中心区域的圆形单轴晶体和包围在其外围的环形单轴晶体以及它们两者外围的环形单轴晶体三部分用粘结物质粘合在一起而构成，或所述的三部分中的任何一部分或者两部分由各向同性透明介质构成。
所述的光学精密调整架，至少应有0.018弧度的角度调节精度。
所述的可调节单晶位相型光瞳滤波器的制作方法，其特征在于所述的两区型单晶光瞳滤波器的单轴晶体为厚度在1到2毫米的圆形或者环形晶片，大小由具体应用决定，用传统光学加工的方法处理，各向同性透明介质同样用传统光学加工的方法处理，它的形状和大小由前面单轴晶体的形状和大小决定，各向同性透明介质的厚度与单轴晶体的厚度相同，单轴晶片与各向同性介质片之间是用粘合剂粘合为一个整体而成。
单晶光瞳滤波器由两区或者多区组成。两区型单晶光瞳滤波器主要有三种模式：圆形单轴晶体和包围在其外围的环形各向同性透明介质以及粘结两者的物质组成；圆形各向同性透明介质和包围在其外围的环形单轴晶体以及粘结两者的物质组成；圆形单轴晶体和包围在其外围的环形单轴晶体以及粘结两者的物质组成。三区或者更多区的单轴晶体位相光瞳滤波器，可以依次类推。比如三区单轴晶体位相型光瞳滤波器，可以由中心区域的圆形单轴晶体和包围在其外围的环形单轴晶体以及它们两者外围的环形单轴晶体用粘结物质粘合在一起。也可以将其中的任何一部分或者两部分换为各相同性透明介质。具体选用何种分区的单轴晶体位相型光瞳滤波器，要依据具体的实验。分区数越多，加工的难度越大。单轴晶体可以利用传统光学加工的方法加工成厚度在1到2毫米左右的圆形或者环形，大小由具体应用决定。各向同性透明介质同样可以用传统光学加工的方法处理，它的形状和大小由前面单轴晶体的形状和大小决定。如果单轴晶体为圆形，各向同性介质的形状就是环形；相反如果单轴晶体为环形，那么各项同性介质的形状就只能是圆形，其大小由环形单轴晶体的内半径决定。各向同性透明介质的厚度与单轴晶体相同。单轴晶体与各向同性介质之间是用粘合的方法结为一个整体的，粘合剂的选择应该不影响整体的效果，一般粘结单轴晶体与各向同性介质之间的粘节层应该薄，而且折射率不应与两者差别太大。入射光通过该单晶光瞳滤波器时，由于单轴晶体和各向同性介质的折射率不同，光通过两个区域后会产生一定的位相差。
可调节位相光瞳滤波器的另一个重要组成部分是特殊选择的光学精密调整架，该光学调整架需要至少0.018rad的角度调节精度，现有的光学调整架调节精确度可以达到0.0000349rad相应的角度调节范围为0.0698rad。单晶光瞳滤波器固定在光学调整架上，光学调整架可以调节入射光通过单轴晶体和各向同性介质所产生的位相差。如果光学调整架的角度调节精度为0.018rad，那么就可以实现对单轴晶体和各向同性介质之间位相差0和π两个值之间的调节；如果各项调整架的调节精度可以达到0.0000349rad，那么基本上可以准连续地在0和π之间进行位相调节。
偏振光路是实现对上述单晶位相光瞳滤波器的关键，也是实现对其调节的关键。一般该光路需要至少一个已知偏振方向的起偏器。它的作用主要是用来调节入射光偏振方向与单晶光瞳中单晶光轴方向之间的相对夹角。
本发明的技术效果：本发明利用单轴晶体制作可变位相型光瞳滤波器的方法，可以直接通过传统光学加工的方法实现，因而省去了刻蚀方法制作的数道程序，也不再需要刻蚀中所需要的昂贵仪器。这不仅大大简化了位相型光瞳滤波器的制作，而且降低了位相型光瞳滤波器的成本。不仅如此，该方法还实现了对位相型光瞳滤波器位相差的调节功能，这也为实验研究位相型光瞳滤波器的特性提供了一种有力的手段。
附图说明：
图1是两区单晶位相型光瞳滤波器结构示意图；
图2是加入可调节的单晶位相型光瞳滤波器的照明部分光路示意图；
图3是利用图2中光路在共焦系统中可以实现的几种光焦斑分布。
图中：1--是半径为r和a、厚度为1mm的环形K9玻璃(折射率为1.5163)；2--半径a、厚度1mm的石英单轴晶体；3--粘结1和2的树脂胶；4--起偏器；5--两区位相型单晶光瞳滤波器；6--显微物镜；7--无光瞳滤波器时照明光路聚焦焦斑分布；8--加入可调节的单晶位相型光瞳滤波器后，调节两区位相差为0.3π时，照明光路聚焦焦斑分布；9.加入可调节的单晶位相型光瞳滤波器后，调节两区位相差为0.5π时，照明光路聚焦焦斑分布；10.加入可调节的单晶位相型光瞳滤波器后，调节两区位相差为0.8π时，照明光路聚焦焦斑分布。
具体实施例：
带两区可调节的单晶位相型光瞳滤波器的成像系统的照明部分，如图2所示。一束准直的激光经过起偏器4后，变为线偏振光，旋转起偏器的角度，使出射光偏振的方向与两区位相型单晶光瞳滤波器5中的石英晶体2的表面切向方向一致。两区位相型单晶光瞳滤波器如图1所示，其中r取为归一化半径，a为相应的归一化掩膜半径。中心区域为石英单轴晶体(主折射率分别为no＝1.54425和nc＝1.55336)2，半径a、厚度1mm，外圈是半径分别为r和a、厚度同样为1mm的环形K9玻璃(折射率为1.5163)1。两者之间经过树脂胶3粘结在一起。然后将它们固定在调节精确度为0.0000349rad，角度调节范围为0.0698rad的精密光学调整架上，图中未示。设定石英单晶的光轴方向与其表面法线方向的夹角0.4rad。此时，调节单晶位相型光瞳滤波器的倾斜角度(从0到0.018rad)，可以实现两区之间位相差从0和π的调节。
如果将上面的照明系统用于共焦成像系统，通过调节单晶位相型光瞳滤波器的倾斜角度，就可以得到不同位相差的光瞳滤波器的掩膜效果。图3给出了几种参数下的理论模拟结果，图中纵坐标是归一化光强，横坐标是光斑的径向尺度。石英单轴晶体光轴与其表面法线方向的夹角0.4rad时，可以计算出，当光学调整架旋转0.0085rad(从垂直位置)，也就是石英单轴晶体的表面相对垂直方向旋转0.0085rad时，可以实现0.3π的位相差，此时对应的焦斑分布如图3中的8。与无光瞳滤波器时的焦斑分布(图3中的7)相比较，它的中心主斑宽度减小，具有超分辨的效果。同样，利用该单晶光瞳滤波器还可以实现准连续地在0和π之间进行位相调节。图3中9和10分别是旋转0.012rad和0.015rad时，对应的焦斑分布。

Claims (4)

1.一种可调节单晶位相型光瞳滤波器，其特征在于它由偏振器(4)、单晶光瞳滤波器(5)及精密光学调整架组成，该单晶光瞳滤波器(5)安装在所述的精密光学调整架上，所述的单晶光瞳滤波器(5)为两区型，所述的两区型单晶光瞳滤波器有三种模式：圆形单轴晶体和包围在其外围的环形各向同性透明介质以及粘结两者的物质组成；圆形各向同性透明介质和包围在其外围的环形单轴晶体以及粘结两者的物质组成；圆形单轴晶体和包围在其外围的环形单轴晶体以及粘结两者的物质组成。
2.一种可调节单晶位相型光瞳滤波器，其特征在于它由偏振器(4)、单晶光瞳滤波器(5)及精密光学调整架组成，该单晶光瞳滤波器(5)安装在所述的精密光学调整架上，所述的单晶光瞳滤波器(5)为三区型，该三区型单晶光瞳滤波器(5)由中心区域的圆形单轴晶体和包围在其外围的环形单轴晶体以及它们两者外围的环形单轴晶体三部分用粘结物质粘合在一起而构成，或所述的三部分中的任何一部分或者两部分由各向同性透明介质构成。
3.根据权利要求1或2所述的可调节单晶位相型光瞳滤波器，其特征在于所述的光学精密调整架，至少应有0.018弧度的角度调节精度。
4.权利要求1所述的可调节单晶位相型光瞳滤波器的制作方法，其特征在于所述的两区型单晶光瞳滤波器(5)的单轴晶体为厚度在1到2毫米的圆形或者环形晶片，大小由具体应用决定，用传统光学加工的方法处理，各向同性透明介质同样用传统光学加工的方法处理，它的形状和大小由前面单轴晶体的形状和大小决定，各向同性透明介质的厚度与单轴晶体的厚度相同，单轴晶片与各向同性介质片之间是用粘合剂粘合为一个整体而成。
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