專利名稱：用于聚焦成像系統的透明光闌的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種用于聚焦成像系統的透明光闌。它可廣泛應用于光學成像系統和光束聚焦系統。
在微電子加工、光刻技術、掃描顯微技術和高密度光盤存儲中都希望獲得更小的聚焦光斑，這就要求更短的激光波長和有更高數值孔徑的聚焦物鏡，因為聚焦光束的半高寬可表示為D=λ2NA,]]>式中λ為入射的激光光束波長，NA為聚焦物鏡的數值孔徑。超分辨技術(就是超出衍射極限的技術)也是常用于縮小記錄點的方法之一，它是通過在聚焦物鏡前的準直光路中放置一個衍射型或折射型光闌，改變入射光的振幅或位相分布，使得經透鏡聚焦后在焦平面上的愛里斑主斑變小。但隨著使用的激光波長的減小和聚焦物鏡數值孔徑的增大，聚焦光束的焦深迅速減小，因為光束聚焦后的焦深和物鏡數值孔徑及入射光波波長的關系為L=λ(NA)2]]>此焦深定義為沿軸向強度降低到峰值強度80％時的全寬度。目前(數字化多用光盤)DVD使用的激光波長是0.65微米，聚焦物鏡的數值孔徑為0.6，因而其焦深是1.8微米，對于下一代DVD即(高密度數字化多用光盤)HDVD，其使用激光波長為0.4～0.5微米，聚焦物鏡數值孔徑為0.85，所以其焦深只有0.55-0.69微米，這樣調焦伺服系統很難跟蹤盤片高速轉動時所產生的跳動。焦深太短同時也是微電子加工、光刻技術和掃描顯微技術的難題。在先技術中雖然也有對位相型超分辨光闌進行過研究(參見[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)，但沒有利用這類光闌進行軸向優化從而獲得長焦深的工作；有的對延長焦深進行了研究(參見[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.)，但由于其結果是從預期的強度分布而推導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雜，這樣的光闌很難制作，而且由于存在振幅調制，其能量利用率較低。
本實用新型的目的是提供一種結構簡單的純位相型超分辨透明光闌對聚焦后的光束進行軸向和徑向優化，在獲得超分辨的同時，使得焦深延長，降低塞德球差對離焦時系統性能的影響。
本實用新型的用于聚焦成像系統的透明光闌，包括由透明材料所構成的平行平板202，在平行平板202上含有與平行平板202同中心O的凹帶環201或凸帶環201。凹帶環201或凸帶環201的深度h=λ2(n1-n0),]]>式中λ為入射光束的波長，n1為構成平行平板(202)材料的折射率，n0為空氣的折射率。凹帶環201或凸帶環201的內圓半徑b相對于通光孔徑歸一化半徑值為1時，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。
所說的構成平行平板202的透明材料是透明的有機材料，或者是石英，或者是玻璃材料。
本實用新型由上所述的結構，如圖2、圖3所示，圖中平行平板202上的201為凹帶環，凹帶環201以外均處于同一平面內，使得通過凹帶環201的光與通過凹帶環201以外的光產生半個波長的光程差，也就是在位相上產生π位相差。凹帶環201的深度由h=λ2(n1-n0)]]>給出，其中，λ為入射光束的波長，n1為平行平板202材料的折射率，n0為空氣的折射率。當取光學系統的通光孔徑半徑為歸一化半徑值為1時，則凹帶環201內圓半徑b和外圓半徑a之間的關系為a=0.4+0.0932b+1.5973b2，其中0≤b≤0.35,a、b為相對于通光孔徑半徑的值為1時。如果入射光束為高斯型分布時，取光束的束腰半徑為1作為通光半徑值1，則優化的結果為a=0.36+0.0842b+2.0787b2，其中0≤b≤0.3，其動態過程如圖1所示，當光源1為準直激光束經過本實用新型的透明光闌2時，通過凹帶環201部分的光與經過凹帶環201以內的小圓及凹帶環201外部分的光在光程上相差半個波長，也就是在空間位相上相差π，也就是說光束經過光闌2分成三部分光，這三部分光經透鏡3聚焦后沿軸向實現空間峰值相消，于是原來的峰值變得平滑，從而實現焦深的延長；沿徑向實現其邊緣相消，于是光斑變得更小，從而實現分辨率的提高。平行平板202的材料可選取如PC之類的透明有機材料、石英或玻璃材料。在大規模生產中，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201或凹帶環201的深度h允許的誤差為±2％。如果用在實驗中，則可采用鍍膜的辦法，即在上述內圓半徑b和外圓半徑a之間鍍上一層透明介質膜，使得光通過鍍膜區域與未鍍膜區域產生半個波長的光程差。但此時須對鍍膜區域與未鍍膜區域的透射率進行計算，然后重新對聚焦后徑向和軸向光強分布進行優化，給出優化了的b和a的值。
由于上述原因，因而本實用新型有如下優點1)延長焦深的同時實現了分辨率的提高；2)焦深的延長量可通過適當選取b和a的值來實現，焦深延長倍數高于三倍；3)衍射效率高，4)容易大量生產和復制；5)可應用于其他聚焦或成象系統中，在微電子加工、光刻技術和掃描顯微技術中有廣泛的應用前景。
圖1為本實用新型的透明光闌置于實施光路中的示意圖。
圖2為本實用新型的透明光闌的結構示意圖。
圖3為本實用新型的透明光闌的具體結構示意圖；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為加本實用新型光闌與未加本實用新型光闌時軸上光強分布圖。
圖5表示光斑大小隨離焦距離的變化曲線。
圖6為加本實用新型光闌前、后及加了本實用新型光闌后離焦時的光斑形貌。
圖7為加了本實用新型光闌后的三維強度點擴展函數圖。
圖8為原光學系統的三維強度點擴展函數。
實施例我們針對不同的b值對軸向光強分布進行了優化，給出了一系列的b和a的值。不同的b和a的值對應于不同的焦深延長量，由表1和表2給出了一系列的b、a、焦深延長倍數、半寬比、旁瓣相對于主斑的強度、斯特爾比。
表1
以上是對入射光為均勻分布情況，即激光經高倍擴束的情形，其光束的束腰半徑遠大于光學系統的通光孔徑；在低倍擴束情況下，人們往往取光束的束腰半徑等于光學系統通光孔徑的半徑，這樣選取既能充分利用光學系統的數值孔徑，又能提高光能的利用率，下表是針對高斯光束進行軸向光強均勻分布優化了的一系列值。
表2
以上兩表中的各個參數的意義分別為b透明光闌的凹帶環或凸圓環內環半徑。
a透明光闌的凹帶環或凸帶環外圓半徑。
焦深延長倍數加本實用新型光闌后的焦深長度與不加本實用新型光闌的焦深長度之比。
半高寬聚焦光束束腰平面上光強降低到峰值強度一半時的全寬度。
半寬比加本實用新型光闌后的半高寬與不加本實用新型光闌的半高寬之比。
斯特爾比加本實用新型光闌后的聚焦光束束腰面上中心峰值強度與不加本實用新型光闌的聚焦光束束腰面上中心峰值強度之比，它說明了加本實用新型光闌后聚焦光束焦點處的光強有所降低。
旁瓣相對強度聚焦光束第一旁瓣的峰值強度與主斑的峰值強度之比，它是衡量聚焦光束質量的指標之一，旁瓣相對強度越低，光束質量越好。
如圖1、2所示。選取透明光闌2的內圓和外圓半徑分別為0.27、0.54(相對于通光孔徑半徑為1時)并將其應用在光源1光束波長λ為0.4微米，聚焦透鏡3數值孔徑為NA=0.85，通光孔徑半徑為3.36毫米的光學系統時，透明光闌的內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的D0=0.235微米減小到D=0.188微米，即為原來的0.8倍；焦深長度由原來的L0=0.55微米延長到L=1.72微米，即為原來的3.1倍。軸上光強分布更加均勻，當用于光盤驅動器的光學頭上時，降低了光盤驅動器調焦伺服難度，減小了調焦伺服時間；構成透明光闌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λ=0.4微米的折射率為1.5304，因而光闌上的凹帶環201深度為h=0.377微米。圖4到圖8是經計算機模擬所給出的數值結果圖。圖4為加了本實用新型光闌前后的軸向光強分布曲線，圖中實線401對應未加本實用新型光闌時的情形，虛線402對應于加了本實用新型光闌的情形，加了本實用新型光闌后焦深延長了3.1倍，而且，在較大范圍內，軸上光強分布基本不變。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軸所給出的數值是實際半高寬與未加本實用新型光闌時的半高寬之比值，它表明加了本實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，光斑半高寬小于未加本實用新型光闌時的0.9倍，也就是在焦深范圍內光束的分辨率比原光學系統在焦點處的分辨率高。圖6表示加本實用新型光闌前曲線601、后曲線602以及加了本實用新型光闌后在離焦量為0.86μm時603的徑向光強分布曲線，從圖中可以看出，加了本實用新型光闌后，光斑減小20％，但在離焦距離為0.86μm時光斑有所增大，但比起未加本實用新型光闌時的光斑還是小10％。圖7是加了本實用新型光闌后的三維點擴展函數圖，圖8是未加本實用新型光闌時的三維強度點擴展函數圖，比較圖7和圖8可以看出，加了本實用新型光闌后，軸向光強分布更加均勻，焦深得到了延長，且沿徑向的光斑較小。
權利要求1．一種用于聚焦成像系統的透明光闌，包括<1>由透明材料所構成的平行平板(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(201)或凸帶環(201)；<3>凹帶環(201)或凸帶環(201)的深度h=λ2(n1-n0),]]>式中λ為入射光束的波長，n1為構成平行平板(202)材料的折射率，n0為空氣的折射率；<4>凹帶環(201)或凸帶環(201)的內圓半徑b相對于通光孔徑半徑為1時，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．根據權利要求1所述的用于聚焦成像系統的透明光闌，其特征在于所說的構成平行平板(202)的透明材料是透明的有機材料，或者是石英，或者是玻璃材料。
專利摘要一種用于聚焦成像系統的透明光闌，它是由透明材料構成的平行平板上含有與光闌同心的凹帶環或凸帶環。光束通過帶凹帶環或凸帶環的光闌后，與通過凹帶環或凸帶環以外的光束在光程上相差半個波長，也就是在空間位相上相差π。則沿軸向空間峰值相消，實現焦深的延長。沿徑向其邊緣相消，實現分辨率的提高。焦深延長倍數高于三倍。廣泛應用于微電子加工，光刻技術和掃描顯微技術中的聚焦或成像系統中。
文檔編號G03B9/02GK2452040SQ0025951
公開日2001年10月3日 申請日期2000年12月8日 優先權日2000年12月8日
發明者王海鳳, 陳仲裕, 干福熹 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所