CN100504513C - 双位相复合超分辨光瞳滤波方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双位相复合超分辨光瞳滤波方法，包括将直写光束分成相互正交的第一光束和第二光束；对第一光束进行位相调制；对第二光束进行位相调制；位相调制通过第一、第二位相调制板实现，所述第一、第二位相调制板的结构由其归一化位相分布函数确定；使所述第一光束和第二光束通过聚焦物镜会聚；使所述第一光束和第二光束聚焦于同一焦平面上的步骤；本发明的有益效果在于，不需要制作透过率调制板就可以实现透过率调制，避免了光束遮挡、光束整形、透过率渐变掩模板调制过程中生成杂散光的问题。本发明的还提供一种实现上述双位相复合超分辨光瞳滤波方法的装置。

Description

双位相复合超分辨光瞳滤波方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密测量与制造领域，是一种突破瑞利衍射极限，获得超分辨微尺度激光光斑的生成技术。

背景技术

光学超分辨技术是指，在相关光传播情况下获得比瑞利衍射极限描述的可能生成的最小尺寸光斑还要小的光学调制技术。光学超分辨技术又可以细分为光学超分辨成像技术、超分辨共焦显微技术、超分辨激光直写技术。光学超分辨成像技术主要用于投影光刻，这种光学超分辨是通过离轴照明、相干照明、四极照明等方法获得超分辨成像分辨率，这种超分辨照明方法注重照明均匀性和图象的邻近畸变矫正，是与本发明有着显著区别的光学超分辨技术。

在共焦显微超分辨技术、激光直写超分辨技术中世界各国公认的光瞳滤波调制焦平面光斑复振幅分布计算模型如公式(1)所示，

$U(v,u)=2{\∫}_0^{1}P\left(r\right)J_0\left(\mathrm{vr}\right)\exp ({j{u}_r}^2/2)\mathrm{rdr}---\left(1\right)$

其中，v＝kNAr，表示光斑径向坐标，k为波数，NA为物镜数值孔径

u＝kNA²z，z为以焦点为原点的轴向坐标，r为物镜归一化光瞳半径，

p(r)＝A(r)exp(jφ(r))为归一化光瞳滤波函数。

在超分辨共焦显微技术、超分辨激光直写技术领域中，依据改变光瞳滤波器透过率函数A(r)和位相函数exp(jφ(r))的技术途径，实现超分辨光瞳滤波的方法分为：

振幅型光瞳滤波器：当exp(jφ(r))不变，A(r)改变时称为振幅调制

1998年澳大利亚Sheppard和Hegedus两人提出环形光滤波方法，采用光阑拦光方法获得环形入射光束。此外，各国学者提出了如多环带环形光超分辨方法等，这些方法的本质都是通过遮挡、透过率调制方法获得振幅强度分布不同的入射光束，A(r)函数值为设计参数，实现光学超分辨。

这种方法的缺点是光能量损失大，易产生杂散光，优点是实现简单。

1997年美国Sales和Morris提出用二元光学衍射元件方法获得整形环形光，实现光学超分辨。我国哈尔滨工业大学、上海精密光学精密机械研究所也采用这种方法获得环形光。这种方法的缺点是受目前制作工艺水平限制，很难制作出高精度的二元光学元件，因此经过整形的出射光束准直性和能量均匀性很难保证，这会破坏超分辨光斑的能量分布；另外，由于二元光学元件整形是通过衍射原理进行的，因此会产生能量损失，生成难以抑制的杂散光，影响超分辨光斑品质。这种超分辨方法所需要的超分辨元件制作难度很大，目前不能推广使用。

位相型光瞳滤波器：当A(r)不变，exp(jφ(r))改变时称为位相调制。

1950年Wilking首次提出应用，随后1965年Thompson提出二区、π位相光瞳滤波器，1997年美国Sales和Morris提出多级纯位相光瞳滤波器，2004年阿根挺Silvia Ledesma提出超高斯结构位相滤波器。概括地说，目前已经提出的位相光瞳滤波技术都是在一个位相板上通过改变exp(jφ(r))函数参数实现的光学超分辨。

这种方法的优点是能量损失小，缺点是简单的位相板设计灵活性差。为获得良好的超分辨效果，需要增加结构复杂性，但是复杂结构的位相板却存在制作困难，易生成衍射杂散光等问题。

复振幅型光瞳滤波器：同时改变A(r)和exp(jφ(r))函数。实现超分辨称为复振幅调制。

2003年西班牙Juana等人构建了复振幅光瞳滤波器，2004年我国肖繁荣提出三区复振幅光瞳滤波器。此外，还有一些基于单光瞳调制、振幅掩模干涉原理的超分辨复振幅光瞳滤波器应用。这种方法可以获得更好的超分辨效果，但是由于同时改变透过率和位相参数，因此设计相对复杂。其超分辨元件的制作复杂程度取决于透过率和位相值的设计要求。

发明内容

本发明的一个目的，在于获得比瑞利衍射极限描述的可能生成的最小尺寸光斑，主要用于超分辨共焦显微技术、超分辨激光直写装置。

为实现上述目的，本发明提供一种双位相复合超分辨光瞳滤波方法，按照本发明，所述方法包括以下步骤：

将直写光束分成相互正交的第一光束和第二光束；其中，第一光束为透射光束，第二光束为反射光束；

对第一光束进行位相调制；其中，位相调制通过第一位相调制板实现，第一位相调制板的结构由其归一化位相分布函数确定；

对第二光束进行位相调制；位相调制通过第二位相调制板实现，第二位相调制板的结构由其归一化位相分布函数确定；

使所述第一光束和第二光束通过聚焦物镜会聚；

使所述第一光束和第二光束聚焦于同一焦平面上。

所述双位相复合超分辨光瞳滤波方法的有益效果在于，第一、不需要制作透过率调制板就可以实现透过率调制，避免了光束遮挡、光束整形、透过率渐变掩模板调制过程中生成杂散光的问题；、其次，避免光束整形过程中，破坏光束准直性和能量均匀性；再次，实现透过率调制的同时，还保留有位相设计自由度，因而可以独立实现振幅型超分辨、位相型超分辨及复振幅型超分辨，具有设计灵活的优点。

本发明的另一个目的在于提供一种实现上述双位相复合超分辨光瞳滤波方法的装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双位相复合超分辨光瞳滤波装置，按照本发明，所述双位相复合超分辨光瞳滤波装置包括第一光路，所述第一光路包括共光路的分光镜、第一位相调制板和半反半透镜；第二光路，所述第二光路包括共光轴的分光镜，第一反射镜、第二反射镜、第二位相调制板，半反半透镜，所述第一、第二光路通过聚焦物镜在聚焦面聚焦并叠加；所述第一、第二光路光束到聚焦物镜前端顶点的光程差，在不加入第一、第二位相板时为波长的整数倍；所述第一、第二光路位相调制函数共同构成的复合光瞳函数具有能够实现透过率连续可调的特征；所述复合光瞳函数由两个位相调制板的位相函数叠加生成。

进一步的，所述第一位相调制板和第二位相调制板为回转对称结构。

直写光束到达分光镜后，光束被分为透射光束和反射光束两部分，其中透射光束继续传播，经过第一位相调制板，半反半透镜到达聚焦物镜，聚焦在聚焦平面上；反射光束，经过第一、第二反射镜、第二位相调制板、半反半透镜到达聚焦物镜，聚焦在聚焦平面上；

本发明的良好效果在于：首先，在实现不同类型的超分辨中，设计参数却只有位相一种设计参数，因而设计简单采用双位相板实现超分辨，与单位相板相比具有更宽的设计参数选择范围；其次，超分辨元件为具有简单结构的位相调制板，这种元件制作难度小，容易推广使用。

附图说明

图1为本发明所述双位相复合超分辨光瞳滤波装置的原理示意图。

图2为入瞳与出瞳的映射关系。

图3为振幅型超分辨光斑与爱里斑光斑比较图。

图4为相位型超分辨光斑与爱里斑光斑比较图。

图5为复振幅型超分辨光斑与爱里斑光斑比较图。

图6为位相板结构参数设计举例。

图7为不同方法设计举例的超分辨效果。

具体实施方式

参照附图1，本发明所述的双位相复合超分辨光瞳滤波装置包括分光镜1、第一位相调制板2、第一反射镜3、半反半透镜4、第二反射镜5、第二位相调制板6、聚焦物镜7。

直写系统采用偏振光，直写光束经过稳光、准直等环节后，到达分光镜1，将光束分为两部分；透射光束继续传播，经过第一位相调制板2，半反半透镜4到达聚焦物镜7，聚焦在聚焦平面8上；另一路光束为反射光，经过第一反射镜3、第二反射镜5、第二位相调制板6、半反半透镜4到达聚焦物镜7，聚焦在聚焦平面8上。由于系统位相调制作用，两路光束在8聚焦平面上产生相干光叠加，在适当位相参数选择前提下，系统产生合成光斑主瓣宽度小于瑞利衍射极限光斑尺寸的超分辨效果。

本发明所述的双位相复合超分辨光瞳滤波方法包括以下步骤：

将直写光束分成相互正交的第一光束和第二光束；其中，第一光束为透射光束，第二光束为反射光束；

对透射光束进行位相调制；其中，位相调制通过第一位相调制板实现，第一位相调制板的结构由其归一化位相分布函数确定；

对反射光束进行位相调制；其中，位相调制通过第二位相调制板实现，第二位相调制板的结构由其归一化位相分布函数确定；

使所述透射光束和反射光束会聚成为相干光；

使所述第一光束和第二光束聚焦于同一焦平面上。

本发明的原理如下：直写光斑在焦平面上的振幅分布遵循公式(1)模型，系统结构如图1所示。

以近似理想准直平面波即直写光束为输入光束。令第一位相调制板、第二位相调制板的位相调制函数分别为

和

其中，r1、θ1、r2、θ2为图1中第一位相调制板、第二位相调制板所处平面的归一化极坐标变量。当第一、第二位相调制板回转对称结构时，其调制函数可以简写为和

由于直写系统入射光为理想准直平面波，所以第一位相调制板、第二位相调制板置于图1所示位置，等效于物镜入瞳位置的调制作用。即

ρ＇是环形入瞳归一化径向坐标，Ψ(ρ＇)为入瞳调制函数。但由于公式(1)中的P(ρ)为出瞳函数，因此有必要说明，入瞳函数与出瞳函数之间的关系。

直写物镜是有限孔径光学系统。因此，可以将入瞳、孔径光阑和出瞳看作是有限点集合，分别用A、B、C表示。集合中的元素为空间坐标位置的相位值。由孔阑和入瞳之间的共轭像关系可知，集合B、A之间存在一一映射f：B-A，及逆映射f^-1：A-B。同样由孔阑和出瞳之间的共轭像关系可知，集合B、C之间存在一一映射g：B-C，及逆映射g^-1：C-B。可见，集合B与A、集合B与C分别构成对等集合。根据对等集合的对称性和传递性，可知集合A与C也为对等集合。即存在一一映射T：A-C，及逆映射T^-1：C-A。入瞳、孔径光阑和出瞳之间的映射关系如图2所示。

直写物镜出瞳函数P(ρ)与入瞳函数Ψ(ρ’)之间的映射关系可表示为公式(2)，其中，

$\left\{\begin{array}{c}P\left(\mathrm{\ρ}\right)=T\left[\mathrm{\Ψ}(\mathrm{\ρ}\′)\right]\\ \mathrm{\Ψ}(\mathrm{\ρ}\′)=T^{-1}\left[P\left(\mathrm{\ρ}\right)\right]\end{array}\right.---\left(2\right)$

由公式(2)可知，在获得P(ρ)后，可以确定第一、第二位相调制板结构。对于直写物镜来说，映射T：A-C，及逆映射T^-1：C-A为线性映射，因此回转对称归一化入瞳函数与回转对称归一化出瞳函数等价，即

在不加入第一、第二位相调制板时，调整第一位相调制板、第二位相调制板所在光路使其光程差为波长的整数倍。图1中元件1分光比为50％，则第一、第二位相板等效归一化出瞳函数为

两个位相调制函数在直写焦面上的合成复振幅为

$U(v,u)=2{\∫}_0^1{[P_1\left(\mathrm{\ρ}\right)+P_2\left(\mathrm{\ρ}\right)]J}_0\left(\mathrm{v\ρ}\right)\exp (ju{\mathrm{\ρ}}^2/2)\mathrm{\ρd\ρ}---\left(4\right)$

$P_1\left(\mathrm{\ρ}\right)+P_2\left(\mathrm{\ρ}\right)$

令，

则，

P(ρ)＝P₁(ρ)+P₂(ρ)＝A＇(ρ)·e^iβ|_{A’(ρ)＝cosα}             (5)

可见，该方法通过两个位相元件复合产生了等效复透过率函数A＇(ρ)＝cosα。当β＝0时，公式(5)为振幅调制。采用这种双位相复合超分辨方法可以实现光束遮拦及振幅渐变调制。求解方程(6)，可以确定第一、第二位相调制板的归一化位相分布函数。

第一，第二位相调制板的结构确定过程如下：

以聚焦物镜NA＝0.65为例

(1)实现振幅型超分辨

令光瞳函数P(ρ)＝P₁(ρ)+P₂(ρ)＝A＇(ρ)·e^iβ|_{A′(ρ)＝cosα}中e^iβ＝1。r1，r2的值由数学寻优获得；A＇(ρ)＝cosα的变化范围为

0≤r₁，r₂≤0·44，A＇(ρ)＝0，则根据公式(6)得

0.44<r₁，r₂≤0.9，A＇(ρ)＝1，则

0·9<r₁，r₂≤1.0，A＇(ρ)＝0，则

将第一、第二位相调制板的归一化位相分布函数代入公式(4)经过计算可得附图3的超分辨曲线。光斑超分辨因子G＝0.93，斯特列尔比S＝0.386，旁瓣抑制比M＝8.9％。

(2)实现相位型超分辨

令光瞳函数P(ρ)＝P₁(ρ)+P₂(ρ)＝A＇(ρ)·e^iβ|_{A′(ρ)＝cosα}中A＇(ρ)＝1。β的变化为0≤r₁，r₂≤0·14，β＝0，则根据公式(6)得

0.14<r₁，r₂≤0.48，β＝π，则

0.48<r₁，r₂≤1.0，β＝0，则

将第一、第二位相调制板归一化位相分布函数代入公式(4)经过计算可得附图4的超分辨曲线。光斑超分辨因子G＝0.69，斯特列尔比S＝0.337，旁瓣抑制比M＝27.8％。

(3)实现复振幅型超分辨

令光瞳函数P(ρ)＝P₁(ρ)+P₂(ρ)＝A＇(ρ)·e^iβ|_{A′(ρ)＝cosα}。β和A＇(ρ)的变化为0≤r₁，r₂≤0.49，β＝0，A＇(ρ)＝0.14则根据公式(6)得

0.49<r₁，r₂≤0.57，β＝π，A＇(ρ)＝1则

0.57<r₁，r₂≤1.0，β＝0，A＇(ρ)＝1，则

将第一、第二位相调制板的归一化位相分布函数代入公式(4)经过计算可得附图5的超分辨曲线。光斑超分辨因子G＝0.79，斯特列尔比S＝0.39，旁瓣抑制比M＝10.4％。

Claims (4)

1.一种双位相复合超分辨光瞳滤波方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.将直写光束分成相互正交的第一光束和第二光束；其中，第一光束为透射光束，第二光束为反射光束；

b.对第一光束进行位相调制；其中，位相调制通过第一位相调制板实现，第一位相调制板的结构由其归一化位相分布函数确定；

c.对第二光束进行位相调制；位相调制通过第二位相调制板实现，第二位相调制板的结构由其归一化位相分布函数确定；

d.使所述第一光束和第二光束会聚；

e.使所述第一光束和第二光束聚焦于同一焦平面上。

2.一种双位相复合超分辨光瞳滤波装置，采用直写光束作为入射光束，其特征在于：包括

第一光路，所述第一光路包括共光路的分光镜、第一位相调制板和半反半透镜；

第二光路，所述第二光路包括与第一光路共光路的分光镜，第一反射镜、第二反射镜、第二位相调制板，与第一光路共光路的半反半透镜；

所述第一、第二光路通过聚焦物镜在聚焦面聚焦并叠加；

所述第一、第二光路光束到聚焦物镜前端顶点的光程差，在不加入第一、第二位相调制板时，为入射光波长的整数倍。

3.根据权利要求2所述的双位相复合超分辨光瞳滤波装置，其特征在于：所述第一位相调制板和第二位相调制板为回转对称结构。

4.根据权利要求2所述的双位相复合超分辨光瞳滤波装置，其特征在于：所述第一、第二位相调制板的位相调制函数共同构成复合光瞳函数；所述两个位相调制板的位相分布函数叠加生成的复合光瞳函数可实现透过率连续可调。

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