專利名稱：用于高斯光束聚焦成像的二環相位型光瞳濾波器的制作方法
技術領域：
本專利涉及一種高斯光束聚焦成像時的超分辨光學器件，特別是用于物鏡數值孔徑為O. 85的二環相位型光學超分辨濾波器。
背景技術：
隨著激光精密加工、高密度光儲存、高分辨顯微成像等技術的快速發展，對于高分辨率的成像需求在不斷上升。傳統縮小聚焦光斑提高光學分辨率的方法是通過減小工作波長和提高物鏡數值孔徑，但提高數值孔徑和縮短光波長都是有限度的，而且這兩種方法在實際應用中會帶來系統結構的復雜化和成本的大幅增加。光學超分辨技術是通過改變光學系統的結構而獲取超越衍射極限的小光斑，從而提高光學系統的分辨率。光學超分辨技術主要包括光學變跡術、固體浸沒透鏡技術、孔徑探 針近場技術、共焦顯微技術等。其中利用相位型光瞳濾波器對入射光束波前進行調制，可以得到小于愛里斑的聚焦光斑，從而提高光學系統的分辨率。由于該種光瞳濾波器制作工藝和現有的微電子加工工藝兼容，具有體積小、成本低的特點，日益受到人們的重視。現在的超分辨研究都是基于單色平面波照明的光學系統，但在高密度存儲、激光加工、激光共焦顯微術中，都使用了激光器作為光源和高數值孔徑物鏡。而激光器發出的光束并不是理想的平面波，常用激光器發出的光束可以等效為基模高斯光束。同時，高數值孔徑下，物鏡聚集系統具有很強的去偏振效應，需要采用矢量衍射理論進行分析，才能得到正確的超分辨結果。Wolf等人給出了高數值孔徑下的聚焦光場特性分析方法在先技術I :B. Richards，E. Wolf, Pro. R. Soc.，A 253,358(1959)。我們根據矢量衍射理論，針對高斯光束照明的光學系統，對可實現超分辨效應的環帶相位結構進行了優化設計，得到可以實現超分辨的二環相位結構。據我們所知，還沒有利用矢量衍射理論，針對高斯光束照明的超分辨相位光瞳濾波器的結構。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對高斯光束照明的物鏡聚焦系統提供一種可以實現橫向超分辨的環帶相位型光瞳濾波器，該濾波器在線偏振高斯光束入射時，橫向第一零點壓縮比G可以達到92%，最大旁瓣比M低于I. 5%，斯塔爾比S大于91%。本發明的技術解決方案如下本發明涉及一種用于物鏡數值孔徑為O. 85的二環相位型超分辨光瞳濾波器，該光瞳濾波器具有二環結構，內環歸一化半徑為R1，外環歸一化半徑為r2 = I ;該光瞳濾波器的相位調制通過將內環或外環矩形刻蝕一定深度實現，其相位調制深度分別為Φ，0，或0，Φ。通過改變內環歸一化半徑R1和相位調制深度Φ，可以控制第一零點壓縮比G、最大旁瓣比M和斯塔爾比S。以上所述的二環相位型光瞳濾波器，其歸一化半徑和相位調制深度分別為Γι =O. 16，Φ = O. 53 Ji。
以上所述的二環相位型光瞳濾波器，其歸一化半徑和相位調制深度分別為Γι =O. 15,0. 58 Tl ( Φ < O. 59 π。以上所述的二環相位型光瞳濾波器，其歸一化半徑和相位調制深度分別為Γι =O. 14,0. 63 ( Φ < O. 66 π。以上所述的二環相位型光瞳濾波器，其歸一化半徑和相位調制深度分別為Γι =O. 13,0. 71 31 ( Φ 彡 O. 78 。以上所述的二環相位型光瞳濾波器，其歸一化半徑和相位調制深度分別為Γι =O. 12,0. 83 Tl ( Φ < I. O π。本發明的依據如下
圖I顯示了二環相位型光瞳濾波器的幾何結構。r1; r2為歸一化半徑，Φ為相位調制深度。使用時將該光瞳濾波器放置在物鏡之前，線偏振高斯光束垂直入射，且應使高斯光束的束腰能夠充滿物鏡的光瞳。在如圖I所示的二環相位光瞳濾波器結構下，本發明采用矢量衍射算法在先技術I計算了物鏡數值孔徑為O. 85時的焦點附近的橫向和軸向光強分布，分析了不同歸一化半徑和相位調制深度下焦點附近的橫向和軸向光強分布，可以得到如下結論在物鏡前加入二環相位型光瞳濾波器，通過對內環的半徑、相位調制深度的優化設計，可以改變焦點附近的橫向光強分布，且對軸向光強分布影響很小，可以在保持軸向光強分布不變的情況下實現橫向的超分辨。考慮制作的工藝局限性，間隔較小的線條一般比較難以制作，本發明對歸一化半徑和相位調制深度間隔分別為0.01和O. 01 π的二環結構進行了優化設計。本發明依據理論計算得到二環相位型光瞳濾波器的數值優化結果，當二環歸一化半徑分別為(Dr1 = O. 16，Φ = O. 53 31 ；(2)r2 = O. 15，O. 58 Ji ^ Φ ^ O. 59 π ；
(3)r3 = O. 14,0. 63 31 彡 Φ 彡 O. 66 ； (4) r4 = O. 13,0. 71 π 彡 Φ 彡 O. 78 π ；(5)r5 = 0. 12，O. 83JI ^ φ ^ 1.0 31時，最大旁瓣比M小于I. 5%，橫向第一零點壓縮比G小于92%，斯塔爾比S大于91%。
圖I是本發明二環相位型光瞳濾波器的幾何結構。圖2是本發明二環相位型光瞳濾波器應用于數值孔徑為O. 85的物鏡前的結構示意圖。圖3是采用二環相位型光瞳濾波器后焦點附近橫向的光強分布示意圖，其中實黑線表不未加光瞳濾波器時的光強分布，點黑線表不加入光瞳濾波器后光強分布。圖4是采用二環相位型光瞳濾波器后焦點附近軸向的光強分布示意圖，其中實黑線表不未加光瞳濾波器時的光強分布，點黑線表不加入光瞳濾波器后光強分布。
具體實施例參看圖1，所述的二環相位型光瞳濾波器的歸一化半徑為& = O. 12，r2 = 1，相位調制深度為Φ = O. 9 31 ,工作波長為λ ,將該光瞳濾波器置于數值孔徑為O. 85的物鏡前，如圖2所示。對設計結果分析表明，該光瞳濾波器焦點附近的橫向和軸向光強分布分別如圖3和圖4所示，最大旁瓣比M = O. 014，橫向第一零點壓縮比G = O. 916，斯塔爾比S =O.914。表I示出了該結構應用于不同數值孔徑物鏡(NA)時，對應G、S、M值的變化規律，從表I可以看出，當物鏡數值孔徑有微小改變時，S和M的值幾乎沒有變化，G的值有微小的增大，但改變量很小。當數值孔徑為O. 9時，G的值增大了 O. 76%，當數值孔徑為O. 6時，G的值增大了 1.3%，而S和M的值幾乎沒有變化。可以看出，這種結構具有適用物鏡容差大、使用靈活的優點。利用二元光學加工技術制造該相位型光瞳濾波器，可以分為以下幾步I、根據透鏡入瞳的大小計算二環的半徑，然后制作相應的光刻掩模板。2、用光刻的方法把掩模板的圖形轉移到涂有光刻膠的玻璃基底上去。3、采用濕法或干法刻蝕的方法將掩模板圖形轉移到玻璃基底上，并且控制刻蝕深度到所需的相位調制深度。4、去掉光刻膠，得到所需的二環相位型光瞳濾波器。表I
權利要求
1.一種用于高斯光束聚焦成像時的矩形刻蝕二環相位型光瞳濾波器，其特征在于該光瞳濾波器具有二環結構，其內環歸一化半徑Sr1，外環歸一化半徑為1，相位調制深度為Φ，.O，或 O，Φ ο
2.根據權利要求I所述的二環相位型光瞳濾波器，其特征在于所述的二環相位光瞳濾波器的歸一化半徑和相位調制深度分別為A = O. 16，Φ = O. 53 π。
3.根據權利要求I所述的二環相位型光瞳濾波器，其特征在于所述的二環相位光瞳濾波器的歸一化半徑和相位調制深度分別為A = O. 15，O. 58 Ji < φ < O. 59 Ji。
4.根據權利要求I所述的二環相位型光瞳濾波器，其特征在于所述的二環相位光瞳濾波器的歸一化半徑和相位調制深度分別為A = O. 14，O. 63 Ji < φ < O. 66 Ji。
5.根據權利要求I所述的二環相位型光瞳濾波器，其特征在于所述的二環相位光瞳濾波器的歸一化半徑和相位調制深度分別為η = O. 13，O. 71 Ji ( Φ < O. 78 Ji。
6.根據權利要求I所述的二環相位型光瞳濾波器，其特征在于所述的二環相位光瞳濾波器的歸一化半徑和相位調制深度分別為η = O. 12，O. 83 Ji ( Φ < I. O Ji。
全文摘要
一種用于高斯光束聚焦成像時的矩形刻蝕二環相位型光瞳濾波器，其特征在于該光瞳濾波器具有二環結構，其內環歸一化半徑為r1，外環半徑歸一化為r2＝1，相位調制深度為0，φ，或φ，0。其值分別為(1)r1＝0.16，φ＝0.53π；(2)r1＝0.15，0.58π≤φ≤0.59π；(3)r1＝0.14，0.63π≤φ≤0.66π；(4)r1＝0.13，0.71π≤φ≤0.78π；(5)r1＝0.12，0.83π≤φ≤1.0π。本發明可以使高斯光束聚焦光斑實現橫向超分辨，最大旁瓣比M小于1.5％，橫向第一零點壓縮比G可以達到92％，斯塔爾比S大于91％。本發明矩形刻蝕二環相位光瞳濾波器可由光刻、刻蝕以及復制工藝加工而成，具有結構簡單，可以低成本、大批量生產的優點。
文檔編號G02B27/09GK102830491SQ201210337189
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月6日 優先權日2012年9月6日
發明者王偉 申請人:安徽工業大學