一种多区域结构位相型波带片的制作方法

文档序号:11132430阅读:556来源:国知局
一种多区域结构位相型波带片的制造方法与工艺

本发明属于衍射光学元件技术领域,具体涉及一种多区域结构位相型波带片。



背景技术:

波带片作为一类重要的衍射光学器件是由Lord Rayleigh在1871年首次制作成功的,并于1875年首次由Sorer发表了相关文章。1898年,Wood第一个开展了波带片在可见光照射下的研究工作,揭开了波带片作为一类新型光学器件在光学领域的新篇章。因为与透镜等传统光学成像元件相比波带片具有较大的像差与色差,几十年问一直没有较大的发展和应用。1961年,Baez首次提出菲涅耳波带片可作为极紫外辐射到软X射线这一波段的成像元件,激起了人们对波带片的重视。之后,1972年Rogers所在小组报道了菲涅耳波带片在伽马射线成像方面的工作。1980年,Keamey所在小组利用波带片对中子实现了聚焦和成像。Takuma以及Doak所在的小组又分别于1991年和1999年先后实现了菲涅耳波带片。

传统波带片在成像领域的分辨率和数值孔径取决于最外环宽度,该尺寸受现在加工工艺的限制,其数值孔径和分辨率难以得到进一步的提高。而焦斑尺寸大小与分辨率成反比,即焦斑尺寸越小分辨率越高。

中国专利号为CN102681060A,其公开了一种复合型波带片光子筛,该光子筛采用位置随机分布的透光小孔代替了波带片的透光环带,从而可有效的抑制旁瓣效应和高阶衍射,提高了分辨率。但是大量的随机分布的小孔增大了设计和加工的难度,并且其数值孔径仍受最外环小孔尺寸的限制,最小的小孔尺寸是由限制加工工艺决定的。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种多区域结构位相型波带片,一种能够增大数值孔径和减小焦斑尺寸,提高分辨率的。

实现本发明目的的技术解决方案为:

一种多区域结构位相型波带片,其特征在于:包括透光衬底和镀在所述透光衬底上的透光薄膜,在所述透光薄膜上刻蚀N个同心圆环,N≥3,所述相邻同心圆环的环带相位相差为π,沿径向方向将位相型波带片分成M个区域,2≤M ≤10,每个区域的环带数N和环带位置g(n)满足以下关系:

所述环带位置g(n)决定环带半径rn,其中第一个环带的半径λ为工作波长,f为工作焦距;假设第i个区域的环带位置gi(n)为与环带序列n有关的线性变化,即gi(n)=ain+bi,其中ai和bi表示位置系数,ai和bi均是整数,多区域结构位相型波带片的数值孔径为调整ai和bi可增大数值孔径,进而减少焦斑尺寸,提高分辨率。

所述的多区域结构位相型波带片,由于相邻区域的环带是连续的,ai和bi满足ai(ni+1)+bi=ai+1(ni+1)+bi+1

所述的多区域结构位相型波带片,ai满足以下关系:1<a1<a2<…<ai<…<aM

本发明与现有技术相比,其显著优点:

(1)本发明沿径向方向分为多个区域,不在是单一的区域;而且每个区域采用不同的环带位置公式,增大了带宽,更易于加工。

(2)本发明可打破传统波带片数值孔径和焦斑由于加工工艺导致的限制,可在同环带数目和焦距情况下,增大数值孔径,减小焦斑尺寸,提高分辨率。

(3)本发明采用位相型波带片结构,相邻环带位相相差π,可提高衍射效率。

附图说明

图1为本发明的一种多区域结构位相型波带片结构示意图。

图2为本发明的一种多区域结构位相型波带片设计原理图。

图3为本发明实施例中多区域结构位相型波带片与传统波带片的聚焦特性仿真图。

图4为本发明的一种多区域结构位相型波带片结构流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1~图4,一种多区域结构位相型波带片,包括透光衬底和镀在所述透光衬底上的透光薄膜,在所述透光薄膜上刻蚀N个同心圆环,N≥3,所述相邻同心圆环的环带相位相差为π,沿径向方向将位相型波带片分成M个区域,2≤ M≤10,每个区域的环带数N和环带位置g(n)满足以下关系:

所述环带位置g(n)决定环带半径rn,其中第一个环带的半径λ为工作波长,f为工作焦距;假设第i个区域的环带位置gi(n)为与环带序列n有关的线性变化,即gi(n)=ain+bi,其中ai和bi表示位置系数,ai和bi均是整数,多区域结构位相型波带片的数值孔径为

所述的多区域结构位相型波带片,由于相邻区域的环带是连续的,ai和bi满足ai(ni+1)+bi=ai+1(ni+1)+bi+1

所述的多区域结构位相型波带片,ai满足以下关系:1<a1<a2<…<ai<…<aM

所述的衬底材料可为普通玻璃或者有机玻璃等透光材料,透光薄膜可为介质膜。

如图1所示,图1为一种多区域结构位相型波带片结构示意图,在同等环带数目时,调节环带位置可增大带宽,增大口径,进而增大数值孔径和减少焦斑尺寸,提高分辨率。

如图2所示,图2为一种多区域结构位相型波带片设计方法原理图,多区域结构位相型波带片设计主要包括对已知环带数目的分区,即该结构共有多少个区域,每个区域内的环带数目以及所对应的环带位置。图2以三区域结构为例说明其设计过程:

(1)已知环带数目和焦距,共分为三个区域;

(2)三个区域由两个边界条件决定,先确定第一边界,即第一个区域内的环带数,然后计算第一区域的振幅分布;

(3)确定第二边界所在的位置,就可确定第二区域和第三区域内的环带数目,并计算第二区域和第三区域的振幅分布,使步骤2中计算的第一区域的振幅分布中第一个出现的波谷与第二区域的振幅分布所出现的峰值重合,然后叠加成新的振幅分布,该新的振幅分布的第一个波谷也应与第三区域的振幅分布的第一个峰值重合,这样就可得到最佳的衍射振幅分布。所以将第二边界作为优化变量,不断调节其位置,直至出现最小的焦斑尺寸和最佳的旁瓣抑制效果。在该过程中环带位置公式也是在不断改变的。

如图3所示,图3为三区域结构位相型波带片与传统波带片的聚焦特性仿真 图。从图中可看出三区域结构位相型波带片焦斑小于传统波带片,旁瓣抑制效果更明显。

实施例1

本发明是一种多区域结构位相型波带片,包括透光衬底和镀在所述透光衬底上的透光薄膜,在所述透光薄膜上刻蚀N个同心圆环,N≥3,所述相邻同心圆环的环带相位相差为π,沿径向方向将位相型波带片分成M个区域,2≤M≤10,每个区域的环带数N和环带位置g(n)满足以下关系:

所述环带位置g(n)决定环带半径rn,其中第一个环带的半径λ为工作波长,f为工作焦距;假设第i个区域的环带位置gi(n)为与环带序列n有关的线性变化,即gi(n)=ain+bi,其中ai和bi表示位置系数,ai和bi均是整数,多区域结构位相型波带片的数值孔径为

所述的多区域结构位相型波带片,由于相邻区域的环带是连续的,ai和bi满足ai(ni+1)+bi=ai+1(ni+1)+bi+1

所述的多区域结构位相型波带片,ai满足以下关系:1<a1<a2<…<ai<…<aM

所述的衬底材料可为普通玻璃或者有机玻璃等透光材料,透光薄膜可为介质膜。

该实施例所述工作波长为632.8nm,工作焦距为500mm,环带数为100,将其分为两个区域,前40环为第一个区域,后60环为第二区域。第一区域的环带位置为g(n)=2n-1,半径1≤n≤40;第二区域的环带位置g(n)=3n-42,半径41≤n≤100。环带数为100的传统波带片数值孔径为0.005625,所述的2区域结构位相型波带片数值孔径为0.009035,大于传统波带片的数值孔径。由瑞丽判据可知,数值孔径越大分辨率越高。

实施例2

本发明是一种多区域结构位相型波带片,其特征在于:包括透光衬底和镀在所述透光衬底上的透光薄膜,在所述透光薄膜上刻蚀N个同心圆环,N≥3,所 述相邻同心圆环的环带相位相差为π,沿径向方向将位相型波带片分成M个区域,2≤M≤10,每个区域的环带数N和环带位置g(n)满足以下关系:

所述环带位置g(n)决定环带半径rn,其中第一个环带的半径λ为工作波长,f为工作焦距;假设第i个区域的环带位置gi(n)为与环带序列n有关的线性变化,即gi(n)=ain+bi,其中ai和bi表示位置系数,ai和bi均是整数,多区域结构位相型波带片的数值孔径为

所述的多区域结构位相型波带片,由于相邻区域的环带是连续的,ai和bi满足ai(ni+1)+bi=ai+1(ni+1)+bi+1

所述的多区域结构位相型波带片,ai满足以下关系:1<a1<a2<…<ai<…<aM

所述的衬底材料可为普通玻璃或者有机玻璃等透光材料,透光薄膜可为介质膜。

所述的同心圆环,环数为1500环,工作波长为632.8nm,工作焦距为500mm,分为3个区域,通过设计方法得到第一个区域环带为1≤n≤199,g(n)=3n-2;第二个区域环带200≤n≤574,g(n)=5n-402;第三个区域环带为575≤n≤1500,g(n)=7n-1552。三区域结构位相型波带片最小的带宽为20.82μm,传统波带片的最小带宽为7.26μm。

传统波带片的数值孔径为0.04357,焦斑尺寸为17.76μm;三区域结构位相型波带片数值孔径为0.10642,焦斑尺寸为8.54μm。发现三区域结构位相型波带片数值孔径是传统波带片的2.44倍,其焦斑尺寸是传统波带片的0.48倍,说明三区域结构位相型波带片可满足大数值孔径和小焦斑尺寸的要求。

本发明的优点在于:(1)采用多区域结构,每个区域有不同的设计参数,即环带数目和环带位置。(2)多区域结构可通过环带位置调制带宽,增大带宽,在同等环数条件下,可增大口径,进而增大数值孔径,带宽增大易于加工。(3)随着数值孔径增大,焦斑尺寸会变小,提高分辨率。(4)在焦平面上,多区域结构位相型波带片旁瓣抑制比传统波带片更明显。(5)采用位相波带片结构可增加衍射效率。

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