專(zhuān)利名稱(chēng)：用于聚焦成像系統(tǒng)的透明光闌的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種用于聚焦成像系統(tǒng)的透明光闌。它可廣泛應(yīng)用于光學(xué)成像系統(tǒng)和光束聚焦系統(tǒng)。
在微電子加工、光刻技術(shù)、掃描顯微技術(shù)和高密度光盤(pán)存儲(chǔ)中都希望獲得更小的聚焦光斑，這就要求更短的激光波長(zhǎng)和有更高數(shù)值孔徑的聚焦物鏡，因?yàn)榫劢构馐陌敫邔捒杀硎緸镈=λ2NA,]]>式中λ為入射的激光光束波長(zhǎng)，NA為聚焦物鏡的數(shù)值孔徑。超分辨技術(shù)(就是超出衍射極限的技術(shù))也是常用于縮小記錄點(diǎn)的方法之一，它是通過(guò)在聚焦物鏡前的準(zhǔn)直光路中放置一個(gè)衍射型或折射型光闌，改變?nèi)肷涔獾恼穹蛭幌喾植?，使得?jīng)透鏡聚焦后在焦平面上的愛(ài)里斑主斑變小。但隨著使用的激光波長(zhǎng)的減小和聚焦物鏡數(shù)值孔徑的增大，聚焦光束的焦深迅速減小，因?yàn)楣馐劢购蟮慕股詈臀镧R數(shù)值孔徑及入射光波波長(zhǎng)的關(guān)系為L(zhǎng)=λ(NA)2]]>此焦深定義為沿軸向強(qiáng)度降低到峰值強(qiáng)度80％時(shí)的全寬度。目前(數(shù)字化多用光盤(pán))DVD使用的激光波長(zhǎng)是0.65微米，聚焦物鏡的數(shù)值孔徑為0.6，因而其焦深是1.8微米，對(duì)于下一代DVD即(高密度數(shù)字化多用光盤(pán))HDVD，其使用激光波長(zhǎng)為0.4～0.5微米，聚焦物鏡數(shù)值孔徑為0.85，所以其焦深只有0.55-0.69微米，這樣調(diào)焦伺服系統(tǒng)很難跟蹤盤(pán)片高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的跳動(dòng)。焦深太短同時(shí)也是微電子加工、光刻技術(shù)和掃描顯微技術(shù)的難題。在先技術(shù)中雖然也有對(duì)位相型超分辨光闌進(jìn)行過(guò)研究(參見(jiàn)[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.14ppl637-1646，1997)，但沒(méi)有利用這類(lèi)光闌進(jìn)行軸向優(yōu)化從而獲得長(zhǎng)焦深的工作；有的對(duì)延長(zhǎng)焦深進(jìn)行了研究(參見(jiàn)[3].J.Ojeda-Castaneda,P.Andres,and A.Díaz,Annular apodizers for low sensitivity to defocus and to spherical aberrration。Opto.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.)，但由于其結(jié)果是從預(yù)期的強(qiáng)度分布而推導(dǎo)出所需光闌的振幅和位相分布，因而所求光闌的振幅和位相分布很復(fù)雜，這樣的光闌很難制作，而且由于存在振幅調(diào)制，其能量利用率較低。
本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的純位相型超分辨透明光闌對(duì)聚焦后的光束進(jìn)行軸向和徑向優(yōu)化，在獲得超分辨的同時(shí)，使得焦深延長(zhǎng)，降低塞德球差對(duì)離焦時(shí)系統(tǒng)性能的影響。
本實(shí)用新型的用于聚焦成像系統(tǒng)的透明光闌，包括由透明材料所構(gòu)成的平行平板202，在平行平板202上含有與平行平板202同中心O的凹帶環(huán)201或凸帶環(huán)201。凹帶環(huán)201或凸帶環(huán)201的深度h=λ2(n1-n0),]]>式中λ為入射光束的波長(zhǎng)，n1為構(gòu)成平行平板(202)材料的折射率，n0為空氣的折射率。凹帶環(huán)201或凸帶環(huán)201的內(nèi)圓半徑b相對(duì)于通光孔徑歸一化半徑值為1時(shí)，為0≤b≤0.35，外圓半徑a為a=0.4+0.0932b+1.5973b2，或者a=0.36+0.0842b+2.0787b2。
所說(shuō)的構(gòu)成平行平板202的透明材料是透明的有機(jī)材料，或者是石英，或者是玻璃材料。
本實(shí)用新型由上所述的結(jié)構(gòu)，如圖2、圖3所示，圖中平行平板202上的201為凹帶環(huán)，凹帶環(huán)201以外均處于同一平面內(nèi)，使得通過(guò)凹帶環(huán)201的光與通過(guò)凹帶環(huán)201以外的光產(chǎn)生半個(gè)波長(zhǎng)的光程差，也就是在位相上產(chǎn)生π位相差。凹帶環(huán)201的深度由h=λ2(n1-n0)]]>給出，其中，λ為入射光束的波長(zhǎng)，n1為平行平板202材料的折射率，n0為空氣的折射率。當(dāng)取光學(xué)系統(tǒng)的通光孔徑半徑為歸一化半徑值為1時(shí)，則凹帶環(huán)201內(nèi)圓半徑b和外圓半徑a之間的關(guān)系為a=0.4+0.0932b+1.5973b2，其中0≤b≤0.35,a、b為相對(duì)于通光孔徑半徑的值為1時(shí)。如果入射光束為高斯型分布時(shí)，取光束的束腰半徑為1作為通光半徑值1，則優(yōu)化的結(jié)果為a=0.36+0.0842b+2.0787b2，其中0≤b≤0.3，其動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖1所示，當(dāng)光源1為準(zhǔn)直激光束經(jīng)過(guò)本實(shí)用新型的透明光闌2時(shí)，通過(guò)凹帶環(huán)201部分的光與經(jīng)過(guò)凹帶環(huán)201以?xún)?nèi)的小圓及凹帶環(huán)201外部分的光在光程上相差半個(gè)波長(zhǎng)，也就是在空間位相上相差π，也就是說(shuō)光束經(jīng)過(guò)光闌2分成三部分光，這三部分光經(jīng)透鏡3聚焦后沿軸向?qū)崿F(xiàn)空間峰值相消，于是原來(lái)的峰值變得平滑，從而實(shí)現(xiàn)焦深的延長(zhǎng)；沿徑向?qū)崿F(xiàn)其邊緣相消，于是光斑變得更小，從而實(shí)現(xiàn)分辨率的提高。平行平板202的材料可選取如PC之類(lèi)的透明有機(jī)材料、石英或玻璃材料。在大規(guī)模生產(chǎn)中，該光闌的制作可采用模壓的辦法。徑向允許的誤差為±1％，凸帶環(huán)201或凹帶環(huán)201的深度h允許的誤差為±2％。如果用在實(shí)驗(yàn)中，則可采用鍍膜的辦法，即在上述內(nèi)圓半徑b和外圓半徑a之間鍍上一層透明介質(zhì)膜，使得光通過(guò)鍍膜區(qū)域與未鍍膜區(qū)域產(chǎn)生半個(gè)波長(zhǎng)的光程差。但此時(shí)須對(duì)鍍膜區(qū)域與未鍍膜區(qū)域的透射率進(jìn)行計(jì)算，然后重新對(duì)聚焦后徑向和軸向光強(qiáng)分布進(jìn)行優(yōu)化，給出優(yōu)化了的b和a的值。
由于上述原因，因而本實(shí)用新型有如下優(yōu)點(diǎn)1)延長(zhǎng)焦深的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了分辨率的提高；2)焦深的延長(zhǎng)量可通過(guò)適當(dāng)選取b和a的值來(lái)實(shí)現(xiàn)，焦深延長(zhǎng)倍數(shù)高于三倍；3)衍射效率高，4)容易大量生產(chǎn)和復(fù)制；5)可應(yīng)用于其他聚焦或成象系統(tǒng)中，在微電子加工、光刻技術(shù)和掃描顯微技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本實(shí)用新型的透明光闌置于實(shí)施光路中的示意圖。
圖2為本實(shí)用新型的透明光闌的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實(shí)用新型的透明光闌的具體結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖3-1為圖3-2的A-A剖視圖，圖3-2為光闌的正視圖。
圖4為加本實(shí)用新型光闌與未加本實(shí)用新型光闌時(shí)軸上光強(qiáng)分布圖。
圖5表示光斑大小隨離焦距離的變化曲線(xiàn)。
圖6為加本實(shí)用新型光闌前、后及加了本實(shí)用新型光闌后離焦時(shí)的光斑形貌。
圖7為加了本實(shí)用新型光闌后的三維強(qiáng)度點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖。
圖8為原光學(xué)系統(tǒng)的三維強(qiáng)度點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)。
實(shí)施例我們針對(duì)不同的b值對(duì)軸向光強(qiáng)分布進(jìn)行了優(yōu)化，給出了一系列的b和a的值。不同的b和a的值對(duì)應(yīng)于不同的焦深延長(zhǎng)量，由表1和表2給出了一系列的b、a、焦深延長(zhǎng)倍數(shù)、半寬比、旁瓣相對(duì)于主斑的強(qiáng)度、斯特爾比。
表1

以上是對(duì)入射光為均勻分布情況，即激光經(jīng)高倍擴(kuò)束的情形，其光束的束腰半徑遠(yuǎn)大于光學(xué)系統(tǒng)的通光孔徑；在低倍擴(kuò)束情況下，人們往往取光束的束腰半徑等于光學(xué)系統(tǒng)通光孔徑的半徑，這樣選取既能充分利用光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，又能提高光能的利用率，下表是針對(duì)高斯光束進(jìn)行軸向光強(qiáng)均勻分布優(yōu)化了的一系列值。
表2

以上兩表中的各個(gè)參數(shù)的意義分別為b透明光闌的凹帶環(huán)或凸圓環(huán)內(nèi)環(huán)半徑。
a透明光闌的凹帶環(huán)或凸帶環(huán)外圓半徑。
焦深延長(zhǎng)倍數(shù)加本實(shí)用新型光闌后的焦深長(zhǎng)度與不加本實(shí)用新型光闌的焦深長(zhǎng)度之比。
半高寬聚焦光束束腰平面上光強(qiáng)降低到峰值強(qiáng)度一半時(shí)的全寬度。
半寬比加本實(shí)用新型光闌后的半高寬與不加本實(shí)用新型光闌的半高寬之比。
斯特爾比加本實(shí)用新型光闌后的聚焦光束束腰面上中心峰值強(qiáng)度與不加本實(shí)用新型光闌的聚焦光束束腰面上中心峰值強(qiáng)度之比，它說(shuō)明了加本實(shí)用新型光闌后聚焦光束焦點(diǎn)處的光強(qiáng)有所降低。
旁瓣相對(duì)強(qiáng)度聚焦光束第一旁瓣的峰值強(qiáng)度與主斑的峰值強(qiáng)度之比，它是衡量聚焦光束質(zhì)量的指標(biāo)之一，旁瓣相對(duì)強(qiáng)度越低，光束質(zhì)量越好。
如圖1、2所示。選取透明光闌2的內(nèi)圓和外圓半徑分別為0.27、0.54(相對(duì)于通光孔徑半徑為1時(shí))并將其應(yīng)用在光源1光束波長(zhǎng)λ為0.4微米，聚焦透鏡3數(shù)值孔徑為NA=0.85，通光孔徑半徑為3.36毫米的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，透明光闌的內(nèi)圓半徑和外圓半徑分別為0.907毫米和1.814毫米，聚焦光束的半高寬由原來(lái)的D0=0.235微米減小到D=0.188微米，即為原來(lái)的0.8倍；焦深長(zhǎng)度由原來(lái)的L0=0.55微米延長(zhǎng)到L=1.72微米，即為原來(lái)的3.1倍。軸上光強(qiáng)分布更加均勻，當(dāng)用于光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的光學(xué)頭上時(shí)，降低了光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器調(diào)焦伺服難度，減小了調(diào)焦伺服時(shí)間；構(gòu)成透明光闌2的平行平板202的材料為K9玻璃，厚度d=2毫米(N=1/5,△N=1/10,Q=20＂),K9玻璃在波長(zhǎng)λ=0.4微米的折射率為1.5304，因而光闌上的凹帶環(huán)201深度為h=0.377微米。圖4到圖8是經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬所給出的數(shù)值結(jié)果圖。圖4為加了本實(shí)用新型光闌前后的軸向光強(qiáng)分布曲線(xiàn)，圖中實(shí)線(xiàn)401對(duì)應(yīng)未加本實(shí)用新型光闌時(shí)的情形，虛線(xiàn)402對(duì)應(yīng)于加了本實(shí)用新型光闌的情形，加了本實(shí)用新型光闌后焦深延長(zhǎng)了3.1倍，而且，在較大范圍內(nèi)，軸上光強(qiáng)分布基本不變。圖5表示聚焦光斑半高寬的大小隨離焦距離的變化，圖中Y軸所給出的數(shù)值是實(shí)際半高寬與未加本實(shí)用新型光闌時(shí)的半高寬之比值，它表明加了本實(shí)用新型光闌后分辨率隨離焦距離的變化；從圖5中可以看出，離焦后半高寬有所增大，但在焦深范圍內(nèi)，光斑半高寬小于未加本實(shí)用新型光闌時(shí)的0.9倍，也就是在焦深范圍內(nèi)光束的分辨率比原光學(xué)系統(tǒng)在焦點(diǎn)處的分辨率高。圖6表示加本實(shí)用新型光闌前曲線(xiàn)601、后曲線(xiàn)602以及加了本實(shí)用新型光闌后在離焦量為0.86μm時(shí)603的徑向光強(qiáng)分布曲線(xiàn)，從圖中可以看出，加了本實(shí)用新型光闌后，光斑減小20％，但在離焦距離為0.86μm時(shí)光斑有所增大，但比起未加本實(shí)用新型光闌時(shí)的光斑還是小10％。圖7是加了本實(shí)用新型光闌后的三維點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖，圖8是未加本實(shí)用新型光闌時(shí)的三維強(qiáng)度點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖，比較圖7和圖8可以看出，加了本實(shí)用新型光闌后，軸向光強(qiáng)分布更加均勻，焦深得到了延長(zhǎng)，且沿徑向的光斑較小。
權(quán)利要求1．一種用于聚焦成像系統(tǒng)的透明光闌，包括<1>由透明材料所構(gòu)成的平行平板(202)；其特征在于<2>在平行平板(202)上含有與平行平板(202)同中心(O)的凹帶環(huán)(201)或凸帶環(huán)(201)；<3>凹帶環(huán)(201)或凸帶環(huán)(201)的深度h=λ2(n1-n0),]]>式中λ為入射光束的波長(zhǎng)，n1為構(gòu)成平行平板(202)材料的折射率，n0為空氣的折射率；<4>凹帶環(huán)(201)或凸帶環(huán)(201)的內(nèi)圓半徑b相對(duì)于通光孔徑半徑為1時(shí)，為0≤b≤0.35，外圓半徑a為a=0.4+0.0932b+1.5973b2，或者a=0.36+0.0842b+2.0787b2。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于聚焦成像系統(tǒng)的透明光闌，其特征在于所說(shuō)的構(gòu)成平行平板(202)的透明材料是透明的有機(jī)材料，或者是石英，或者是玻璃材料。
專(zhuān)利摘要一種用于聚焦成像系統(tǒng)的透明光闌，它是由透明材料構(gòu)成的平行平板上含有與光闌同心的凹帶環(huán)或凸帶環(huán)。光束通過(guò)帶凹帶環(huán)或凸帶環(huán)的光闌后，與通過(guò)凹帶環(huán)或凸帶環(huán)以外的光束在光程上相差半個(gè)波長(zhǎng)，也就是在空間位相上相差π。則沿軸向空間峰值相消，實(shí)現(xiàn)焦深的延長(zhǎng)。沿徑向其邊緣相消，實(shí)現(xiàn)分辨率的提高。焦深延長(zhǎng)倍數(shù)高于三倍。廣泛應(yīng)用于微電子加工，光刻技術(shù)和掃描顯微技術(shù)中的聚焦或成像系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G03B9/02GK2452040SQ0025951
公開(kāi)日2001年10月3日 申請(qǐng)日期2000年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月8日
發(fā)明者王海鳳, 陳仲裕, 干福熹 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所