CN1186674C - 位相型长焦深超分辨光阑 - Google Patents

Abstract

一种位相型长焦深超分辨光阑，它是由透明材料构成的平行平板上含有与光阑同心的凹带环或凸带环。光束通过带凹带环或凸带环的光阑后，与通过凹带环或凸带环以外的光束在光程上相差半个波长，也就是在空间位相上相差π。则沿轴向空间峰值相消，实现焦深的延长。沿径向其边缘相消，实现分辨率的提高。焦深延长倍数高于三倍。广泛应用于微电子加工，光刻技术和扫描显微技术中的聚焦或成像系统中。

Description

位相型长焦深超分辨光阑

技术领域

本发明是一种用于延长聚焦光束焦深的位相型超分辨光阑。它可广泛应用于光学成像系统和光束聚焦系统。

背景技术

在微电子加工、光刻技术、扫描显微技术和高密度光盘存储中都希望获得更小的聚焦光斑，这就要求更短的激光波长和有更高数值孔径的聚焦物镜，因为聚焦光束的半高宽可表示为 $D=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{NA}},$ 式中λ为入射的激光光束波长，NA为聚焦物镜的数值孔径。超分辨技术(就是超出衍射极限的技术)也是常用于缩小记录点的方法之一，它是通过在聚焦物镜前的准直光路中放置一个衍射型或折射型光阑，改变入射光的振幅或位相分布，使得经透镜聚焦后在焦平面上的爱里斑主斑变小。但随着使用的激光波长的减小和聚焦物镜数值孔径的增大，聚焦光束的焦深迅速减小，因为光束聚焦后的焦深和物镜数值孔径及入射光波波长的关系为：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{{\left(\mathrm{NA}\right)}^2}$

此焦深定义为沿轴向强度降低到峰值强度80％时的全宽度。目前(数字化多用光盘)DVD使用的激光波长是0.65微米，聚焦物镜的数值孔径为0.6，因而其焦深是1.8微米，对于下一代DVD即(高密度数字化多用光盘)HDVD，其使用激光波长为0.4～0.5微米，聚焦物镜数值孔径为0.85，所以其焦深只有0.55～0.69微米，这样调焦伺服系统很难跟踪盘片高速转动时所产生的跳动。焦深太短同时也是微电子加工、光刻技术和扫描显微技术的难题。在先技术中虽然也有对位相型超分辨光阑进行过研究(参见[1].Hideo ANDO，Phase-Shifting Apodizer of Three or MorePortions，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.31 pp.557-567，1992.[2].Tasso R.M.Sales andG.Michael Morris，Diffractive superresolution elements，J.Opt.Soc.Am.A/Vol.14pp1637-1646，1997)，但没有利用这类光阑进行轴向优化从而获得长焦深的工作；有的对延长焦深进行了研究(参见[3].J.Ojeda-Castaneda，P.Andres，and A.Díaz，Annular apodizers for low sensitivity to defocus and to spherical aberrration，Opt.Lett.Vol.11，No.8 pp487-489，1986.[4].J.Ojeda-Casta eda，L.R.Berriel-Valdos，and E.Montes，Spatial filter for increasing the depth of focus，Opt.Lett.Vol.10，No.11，pp520-522，1985.)，但由于其结果是从预期的强度分布而推导出所需光阑的振幅和位相分布，因而所求光阑的振幅和位相分布很复杂，这样的光阑很难制作，而且由于存在振幅调制，其能量利用率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单的纯位相型超分辨光阑对聚焦后的光束进行轴向和径向优化，在获得超分辨的同时，使得焦深延长，降低塞德球差对离焦时系统性能的影响。

本发明的位相型长焦深超分辨光阑，包括由透明材料所构成的平行平板202，在平行平板202上含有与平行平板202同中心O的凹带环201或凸带环201。凹带环201或凸带环201的深度 $h=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_1-n_0)},$ 式中λ为入射光束的波长，n₁为构成平行平板(202)材料的折射率，n₀为空气的折射率。相对于通光孔径归一化半径值为1时，凹带环201或凸带环201的内圆半径b为0＜b≤0.35，则外圆半径α为α＝0.4+0.0932b+1.5973b²，或者α＝0.36+0.0842b+2.0787b²，其中0＜b≤0.3。

所说的构成平行平板202的透明材料是透明的有机材料，或者是石英，或者是玻璃材料。

本发明由上所述的结构，如图2、图3所示，图中平行平板202上的201为凹带环，凹带环201以外均处于同一平面内，使得通过凹带环201的光与通过凹带环201以外的光产生半个波长的光程差，也就是在位相上产生π位相差。凹带环201的深度由 $h=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_1-n_0)}$ 给出，其中，λ为入射光束的波长，n₁为平行平板202材料的折射率，n₀为空气的折射率。当取光学系统的通光孔径半径为归一化半径值为1时，则凹带环201内圆半径b和外圆半径a之间的关系为：α＝0.4+0.0932b+1.5973b²，其中0＜b≤0.35，α、b为相对于通光孔径半径的值为1时。如果入射光束为高斯型分布时，取光束的束腰半径为1作为通光半径值1，则优化的结果为：α＝0.36+0.0842b+2.0787b²，其中0＜b≤0.3，其动态过程如图1所示，当光源1为准直激光束经过本发明的超分辨光阑2时，通过凹带环201部分的光与经过凹带环201以内的小圆及凹带环201外部分的光在光程上相差半个波长，也就是在空间位相上相差π，也就是说光束经过光阑2分成三部分光，这三部分光经透镜3聚焦后沿轴向实现空间峰值相消，于是原来的峰值变得平滑，从而实现焦深的延长；沿径向实现其边缘相消，于是光斑变得更小，从而实现分辨率的提高。平行平板202的材料可选取如PC之类的透明有机材料、石英或玻璃材料。在大规模生产中，该光阑的制作可采用模压的办法。径向允许的误差为±1％，凸带环201或凹带环201的深度h允许的误差为±2％。如果用在实验中，则可采用镀膜的办法，即在上述内圆半径b和外圆半径α之间镀上一层透明介质膜，使得光通过镀膜区域与未镀膜区域产生半个波长的光程差。但此时须对镀膜区域与未镀膜区域的透射率进行计算，然后重新对聚焦后径向和轴向光强分布进行优化，给出优化了的b和α的值。

由于上述原因，因而本发明有如下优点：1)延长焦深的同时实现了分辨率的提高；2)焦深的延长量可通过适当选取b和a的值来实现，焦深延长倍数高于三倍；3)衍射效率高，4)容易大量生产和复制；5)可应用于其他聚焦或成象系统中，在微电子加工、光刻技术和扫描显微技术中有广泛的应用前景。

附图说明：

图1为本发明的超分辨光阑置于实施光路中的示意图。

图2为本发明的超分辨光阑的结构示意图。

图3为本发明的超分辨光阑的具体结构示意图；其中图3-1为图3-2的A-A剖视图，图3-2为光阑的正视图。

图4为加超分辨光阑与未加超分辨光阑时轴上光强分布图。

图5表示光斑大小随离焦距离的变化曲线。

图6为加超分辨光阑前、后及加了超分辨光阑后离焦时的光斑形貌。

图7为加了超分辨光阑后的三维强度点扩展函数图。

图8为原光学系统的三维强度点扩展函数。

具体实施方式：

我们针对不同的b值对轴向光强分布进行了优化，给出了一系列的b和a的值。不同的b和a的值对应于不同的焦深延长量，由表1和表2给出了一系列的b、a、焦深延长倍数、半宽比、旁瓣相对于主斑的强度、斯特尔比。

                                        表1

b	a	焦深延长倍数t	半宽比	斯特尔比	旁瓣相对强度
						0	0	1	1	1	0.01
0	0.4	2.34	0.829	0.449	0.23
						0.05	0.41	2.43	0.824	0.434	0.235
0.1	0.42	2.57	0.817	0.410	0.238
						0.15	0.45	2.57	0.816	0.396	0.222
0.2	0.48	2.63	0.813	0.369	0.203

0.25	0.52	2.85	0.805	0.327	0.184
						0.27	0.54	3.07	0.80	0.302	0.177
0.30	0.58	3.87	0.782	0.247	0.174
						0.32	0.60	4.36	0.779	0.225	0.158
0.33	0.61	4.64	0.777	0.211	0.150

以上是对入射光为均匀分布情况，即激光经高倍扩束的情形，其光束的束腰半径远大于光学系统的通光孔径；在低倍扩束情况下，人们往往取光束的束腰半径等于光学系统通光孔径的半径，这样选取既能充分利用光学系统的数值孔径，又能提高光能的利用率，下表是针对高斯光束进行轴向光强均匀分布优化了的一系列值。

                                  表2

b	a	焦深延长倍数	半宽比	斯特尔比	旁瓣相对强度
						0	0	1	1	1	0.005
0	0.36	2.26	0.791	0.377	0.245
						0.05	0.37	2.36	0.786	0.362	0.255
0.1	0.39	2.45	0.780	0.340	0.248
						0.15	0.42	2.55	0.772	0.310	0.235
0.2	0.46	2.72	0.762	0.269	0.212
						0.25	0.51	3.13	0.749	0.216	0.180
0.28	0.55	4.12	0.737	0.173	0.160
						0.30	0.57	4.63	0.737	0.160	0.130

以上两表中的各个参数的意义分别为：

b：三带超分辨光阑的凹带环或凸圆环内环半径。

a：三带超分辨光阑的凹带环或凸带环外圆半径。

焦深延长倍数：加本发明光阑后的焦深长度与不加本发明光阑的焦深长度之比。

半高宽：聚焦光束束腰平面上光强降低到峰值强度一半时的全宽度。

半宽比：加本发明光阑后的半高宽与不加本发明光阑的半高宽之比。

斯特尔比：加本发明光阑后的聚焦光束束腰面上中心峰值强度与不加本发明光阑的聚焦光束束腰面上中心峰值强度之比，它说明了加本发明光阑后聚焦光束焦点处的光强有所降低。

旁瓣相对强度：聚焦光束第一旁瓣的峰值强度与主斑的峰值强度之比，它是衡量聚焦光束质量的指标之一，旁瓣相对强度越低，光束质量越好。

如图1、2所示。选取超分辨光阑2的内圆和外圆半径分别为0.27、0.54(相对于通光孔径半径为1时)并将其应用在光源1光束波长λ为0.4微米，聚焦透镜3数值孔径为NA＝0.85，通光孔径半径为3.36毫米的光学系统时，超分辨光阑的内圆半径和外圆半径分别为0.907毫米和1.814毫米，聚焦光束的半高宽由原来的D₀＝0.235微米减小到D＝0.188微米，即为原来的0.8倍；焦深长度由原来的L₀＝0.55微米延长到L＝1.72微米，即为原来的3.1倍。轴上光强分布更加均匀，当用于光盘驱动器的光学头上时，降低了光盘驱动器调焦伺服难度，减小了调焦伺服时间；构成超分辨光阑2的平行平板202的材料为K9玻璃，厚度d＝2毫米(N＝1/5，ΔN＝1/10，Q＝20``)，K9玻璃在波长λ＝0.4微米的折射率为1.5304，因而光阑上的凹带环201深度为h＝0.377微米。图4到图8是经计算机模拟所给出的数值结果图。图4为加了本发明超分辨光阑前后的轴向光强分布曲线，图中实线401对应未加超分辨光阑时的情形，虚线402对应于加了超分辨光阑的情形，加了超分辨光阑后焦深延长了3.1倍，而且，在较大范围内，轴上光强分布基本不变。图5表示聚焦光斑半高宽的大小随离焦距离的变化，图中Y轴所给出的数值是实际半高宽与未加超分辨光阑时的半高宽之比值，它表明加了超分辨光阑后分辨率随离焦距离的变化；从图5中可以看出，离焦后半高宽有所增大，但在焦深范围内，光斑半高宽小于未加超分辨光阑时的0.9倍，也就是在焦深范围内光束的分辨率比原光学系统在焦点处的分辨率高。图6表示加超分辨光阑前曲线601、后曲线602以及加了超分辨光阑后在离焦量为0.86μm时603的径向光强分布曲线，从图中可以看出，加了超分辨光阑后，光斑减小20％，但在离焦距离为0.86μm时光斑有所增大，但比起未加超分辨光阑时的光斑还是小10％。图7是加了超分辨光阑后的三维点扩展函数图，图8是未加超分辨光阑时的三维强度点扩展函数图，比较图7和图8可以看出，加了超分辨光阑后，轴向光强分布更加均匀，焦深得到了延长，且沿径向的光斑较小。

Claims (2)

1.一种位相型长焦深超分辨光阑，包括：

<1>由透明材料所构成的平行平板(202)；

其特征在于：

<2>在平行平板(202)上含有与平行平板(202)同中心(O)的凹带环(201)或凸带环(201)；

<3>凹带环(201)或凸带环(201)的深度 $h=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2(n_1-n_0)},$ 式中λ为入射光束的波长，n₁为构成平行平板(202)材料的折射率，n₀为空气的折射率；

<4>相对于通光孔径归一化半径为1时，凹带环(201)或凸带环(201)的内圆半径b为0＜b≤0.35，外圆半径a＝0.4+0.0932b+1.5973b²；或者b为0＜b≤0.3，外圆半径a＝0.36+0.0842b+2.0787b²。

2.根据权利要求1所述的位相型长焦深超分辨光阑，其特征在于所说的构成平行平板(202)的透明材料是透明的有机材料，或者是石英，或者是玻璃材料。

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