专利名称：超分辨率光子筛的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学聚焦元件，尤其是涉及一种具有超分辨率特性的光子筛。
背景技术：
透镜的成像分辨率可由其点扩展函数(point spread function,PSF)来表征。透 镜的焦点并非一个理想点，而是一个有大小和强度分布的光斑，光斑的强度分布被称为点 扩展函数。随着纳米技术、光存储和三维成像等技术的发展，提高透镜成像的分辨率一直是 人们所关心的问题。在成像(特别是X射线成像)、光束整形、微电子无掩模光刻、强激光能 量集中和其他需要能量聚焦到中心光斑的各种仪器中，均需要进一步对衍射光斑的主瓣进 行压缩。传统的光学透镜由玻璃制成，玻璃透镜的聚焦和成像是通过折射入射光实现的， 所以称为折射透镜(refractive lens) 0另一种透镜，菲涅耳波带片(Fresnelzone plate, FZP)，是一种衍射光学聚焦元件，通过选择过滤入射光的波前(wavefront)，让过滤后的光 波在空间衍射，形成聚焦，因此也被称作衍射透镜(diffractive lens) 0光子筛是2001年Kipper等人首次提出的一种新型的衍射光学器件，用它可以对 软 X 射线和 EUV 辐射光源聚焦和成像[Kipp，L.，Skibowski, M.，Johnson, R. L.，Berndt, R. , Adelung, R. , Harm,S. , and Seemann,R. Sharper images byfocusing soft X-ray with photon sieves. Nature [J] ,2001.414，184-188·]。如图 1 所示，光子筛(Photon Sieve, PS) 是在菲涅耳波带片环带上制作大量适当分布的具有不同半径的透光微孔的衍射光学元件 (Diffraction Optical Element, DOE)。光子筛与传统的菲涅耳波带片相比，其最小微孔直径比相对应的波带片环带宽度 要大，一般为1.53倍。因此在相同分辨率情况下，加工光子筛比加工波带片对特征尺寸的 要求低的多，特别是对X射线和EUV这样的短波长情况，现有的加工技术的最小线宽无法胜 任高分辨率波带片所需要的环带宽度加工要求，利用光子筛技术可以在相同加工条件下获 得更高的分辨率。但是，普通光子筛的极限分辨率除了受加工工艺的最先线宽限制，仍然也 受波长的限制，在不考虑加工工艺最小线宽限制的条件下，其极限分辨率与普通波带相同， 分辨率上限为λ/2。
发明内容
普通光子筛是在普通菲涅尔波带片构思而成，后者是一系列同心圆环间隔排列组 成，每个圆环称作半波带，任意两个相邻半波带到达焦点时具有λ/2的光程差。波带片的
焦距f和第η环半径rn满足关系式 +/2) = (/ + f)2，其中η = 1，2，3...。也就是说η
是连续自然数。与这种长期形成的认识相反，发现当去除这一系列同心圆环中的一部分，形 成不连续分布的同心圆环结构，然后在此基础上构造光子筛时，可能取得压缩主瓣大小同 时抑制旁瓣强度的出乎意料的技术效果。
基于上述认识，本发明的一个目的在于提供一种超分辨光子筛，在相同加工工艺 条件下，进一步压缩光子筛聚焦光斑的主瓣半高宽，同时抑制最大旁瓣的增大，保证良好的 对比度。本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种超分辨光子筛，包括多 组不同直径的透光微孔，每组透光微孔间隔分布在一圆环上且各组透光微孔所在的圆环具 有共同圆心且半径不同，其中从该圆心向外的各圆环序号m是选自一不连续自然数集合M， 且第m个圆环的中心半径rm和环带宽度Wm满足关系式
权利要求
1. 一种超分辨光子筛，包括多组不同直径的透光微孔，每组透光微孔间隔分布在一圆 环上且各组透光微孔所在的圆环具有共同圆心且半径不同，其中从该圆心向外的各圆环序 号m是选自一不连续自然数集合M，且第m个圆环的中心半径rm和环带宽度Wm满足关系式
2.如权利要求1所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述不连续自然数集合M使所述光 子筛满足如下条件在衍射光斑的主瓣大小压缩的同时，最大旁瓣强度相对于主瓣强度最小或不超过主瓣 强度的预定比例。
3.如权利要求1或2所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述不连续自然数集合M是通 过穷举法、遗传算法、全局优化算法、或打靶法获得。
4.如权利要求1所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述透光微孔是分布在所述光子 筛的不透光薄膜上。
5.一种超分辨光子筛，包括多组不同直径的透光微孔，每组透光微孔间隔分布在一圆 环上且各组透光微孔所在的圆环具有共同圆心且半径不同，其中从该圆心向外的各圆环序 号m是选自一不连续自然数集合M，且第m个圆环的中心半径rm和环带宽度Wm满足关系式
6.如权利要求5所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述不连续自然数集合M使所述光 子筛满足如下条件在衍射光斑的主瓣大小压缩的同时，最大旁瓣强度相对于主瓣强度最小或不超过主瓣 强度的预定比例。
7.如权利要求5或6所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述不连续自然数集合M是通 过穷举法、遗传算法、全局优化算法、或打靶法获得。
8.如权利要求5所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述透光微孔是分布在所述光子 筛的不透光薄膜上。
9.一种超分辨光子筛，包括多组不同直径的透光微孔，每组透光微孔间隔分布在一圆环上且各组透光微孔所在的圆环具有共同圆心且半径不同，其中从该圆心向外的各圆环序 号m是选自一不连续自然数集合M,且第m个圆环的中心半径rm和环带宽度Wm满足关系式
10.如权利要求9所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述不连续自然数集合M使所述 光子筛满足如下条件在衍射光斑的主瓣大小压缩的同时，最大旁瓣强度相对于主瓣强度最小或不超过主瓣 强度的预定比例。
11.如权利要求9或10所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述不连续自然数集合M是 通过穷举法、遗传算法、全局优化算法、或打靶法获得。
12.如权利要求9所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述透光微孔是分布在所述光子 筛的不透光薄膜上。
13.一种超分辨光子筛，包括多组不同直径的透光微孔，每组透光微孔间隔分布在一圆 环上且各组透光微孔所在的圆环具有共同圆心且半径不同，其中从该圆心向外的各圆环序 号m是选自一不连续自然数集合M,且第m个圆环的中心半径rm和环带宽度Wm满足关系式
14.如权利要求13所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述不连续自然数集合M使所述 光子筛满足如下条件在衍射光斑的主瓣大小压缩的同时，最大旁瓣强度相对于主瓣强度最小或不超过主瓣 强度的预定比例。
15.如权利要求13或14所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述不连续自然数集合M 是通过穷举法、遗传算法、全局优化算法、或打靶法获得。
16.如权利要求13所述的超分辨光子筛，其特征在于，所述透光微孔是分布在所述光 子筛的不透光薄膜上。
全文摘要
本发明涉及一种超分辨率光子筛，该超分辨率光子筛是在将普通的菲涅尔波带片的基础上由内至外选择部分环带保留，从而形成不连续分布的同心圆环结构，并在保留的圆环内按与普通光子筛类似的方法构造而成。在优化实施例中，可将各光子筛的透光微孔所在环带边界位置移至对焦点光程差mλ±λ/4的环带之内。与普通的光子筛相比，当透光微孔所形成的圆环为不连续分布时，通过设置一个设计约束条件可取得衍射光斑的压缩主瓣大小同时抑制旁瓣强度的技术效果。
文档编号G02B5/18GK102116886SQ20091024793
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者周成刚 申请人:上海科学院