光子筛相衬物镜、制造方法及成像方法

摘要

一种光子筛相衬物镜，包括由基底和设于所述基底上的多个透光孔所形成的光子筛透镜及设于所述光子筛透镜表面的变相板，所述变相板位于所述光子筛透镜的中部或环绕于所述光子筛透镜的边缘，且所述光子筛透镜的中心与变相板的中心在同一轴线上。此外，还提供光子筛相衬物镜的制造方法及成像方法。上述光子筛相衬物镜、制造方法及成像方法，采用光子筛透镜抑制旁瓣和高阶衍射焦点，成像分辨率和成像对比度高；光子筛透镜与变相板刻蚀在同一基底上且变相板设在光子筛透镜的表面，光子筛透镜的中心与变相板的中心在同一轴线上，能够精确对准，同时降低了曝光时间和曝光剂量，可以实现弱吸收材料内部微细结构的高成像分辨率和高成像衬度无损探测。

权利要求

1.一种光子筛相衬物镜，其特征在于，包括由基底和设于所述基底上的多个透光孔所形成的光子筛透镜及设于所述光子筛透镜表面的变相板，所述变相板位于所述光子筛透镜的中部或环绕于所述光子筛透镜的边缘，且所述光子筛透镜的中心与变相板的中心在同一轴线上。

2.根据权利要求1所述的光子筛相衬物镜，其特征在于，所述基底的表面为平面或曲面。

3.根据权利要求1所述的光子筛相衬物镜，其特征在于，所述光子筛透镜为振幅型光子筛、相位型光子筛和消色差光子筛中的一种。

4.根据权利要求1所述的光子筛相衬物镜，其特征在于，所述光子筛透镜为圆形，所述变相板的形状为位于所述光子筛透镜的中部的圆或环绕于所述光子筛透镜的边缘的圆环。

5.一种光子筛相衬物镜的制造方法，包括以下步骤：

提供一基底；

在所述基底上蚀刻多个透光孔，以形成光子筛透镜；

在所述光子筛透镜表面形成变相板，且使所述变相板位于所述光子筛透镜的中部或环绕于所述光子筛透镜的边缘，变相板的中心与光子筛透镜的中心在同一轴线上。

6.根据权利要求5所述的光子筛相衬物镜的制造方法，其特征在于，所述变相板为在所述光子筛透镜上电镀或者光刻形成。

7.根据权利要求5所述的光子筛相衬物镜的制造方法，其特征在于，在所述基底上蚀刻形成所述光子筛透镜时，遮蔽所述基底中心部分，所述变相板由所述基底中心部分形成。

8.一种基于光子筛相衬物镜的成像方法，包括以下步骤：

提供一光子筛相衬物镜，所述光子筛相衬物镜包括由基底和设于所述基底上的多个透光孔所形成的光子筛透镜及设于所述光子筛透镜表面的变相板，所述变相板位于所述光子筛透镜的中部或环绕于所述光子筛透镜的边缘，且所述光子筛透镜的中心与变相板的中心在同一轴线上；

所述光子筛相衬物镜获取照射物体的透射光和物体相位结构引起的衍射光；

所述变相板将所述透射光移动预定的相位；

所述光子筛相衬物镜将所述移相后的透射光与所述衍射光会聚在像面上形成干涉图像。

说明书

光子筛相衬物镜、制造方法及成像方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及物镜领域，特别涉及一种光子筛相衬物镜、制造方法及成像方法。【背景技术】

[0002] 短波电磁辐射具有强大的穿透物体的能力。短波电磁辐射成像技术广泛地应用于临床医学、科学研究和工业领域的物体内部结构的无损检测。由于图像上不同区域间存在明暗程度的差别，即衬度，才使得能观察到清晰的图像细节。短波显微镜是一种利用紫外或X射线等短波电磁辐射获得被测物体的放大的图像的设备。显微镜所获得的图像衬度，通常依赖于被测物体对光电子辐射的能量吸收或者相位调制。前者称为吸收衬度成像，而后者称为相位衬度成像。

[0003] 典型的吸收衬度短波显微镜系统，通常用一个聚焦元件，例如会聚透镜，将辐射聚焦于被测物体，用一个物镜，例如波带片，将经过被测物体的透射辐射能量收集起来并形成图像记录在像面的探测器上。吸收衬度与辐射的光子能量的三次方成反比，与原子序数的四次方成正比。因而，吸收衬度成像适用于低能量辐射和高原子序数物质结构的情形，但是不能提供足够的样品穿透深度，不适用于低原子序数物质或者弱吸收材料的结构探测。

[0004] 对于由低原子序数物质或者弱吸收材料构成的被测物体，可以利用其结构的相移特性产生图像衬度。虽然短波显微成像技术的前景十分诱人，但是其发展一直受制于聚焦短波辐射的关键器件。因为几乎所有的材料对X射线等短波辐射的折射率都小于1，所以难以采用常规的折射或反射光学系统对其聚焦或成像。传统的相位衬度短波显微镜，采用基于波带片物镜的相位衬度短波显微成像技术。但图像细节模糊、图像对比度较低，且波带片与位于其焦面上的相衬环难以精确对准。【发明内容】

[0005] 基于此，有必要提供一种成像对比度和分辨率较高且对准精确的光子筛相衬物镜。

[0006] 此外，还有必要提供一种光子筛相衬物镜的制造方法。

[0007] 还有必要提供一种光子筛相衬物镜的成像方法。

[0008] 一种光子筛相衬物镜，包括由基底和设于所述基底上的多个透光孔所形成的光子筛透镜及设于所述光子筛透镜表面的变相板，所述变相板位于所述光子筛透镜的中部或环绕于所述光子筛透镜的边缘，且所述光子筛透镜的中心与变相板的中心在同一轴线上。

[0009] 优选地，所述基底的表面为平面或曲面。

[0010] 优选地，所述光子筛透镜为振幅型光子筛、相位型光子筛和消色差光子筛中的一种。

[0011] 优选地，所述光子筛透镜为圆形，所述变相板的形状为位于所述光子筛透镜的中部的圆或环绕于所述光子筛透镜的边缘的圆环。

[0012] 一种光子筛相衬物镜的制造方法，包括以下步骤：

[0013] 提供一基底；

[0014] 在所述基底上蚀刻多个透光孔，以形成光子筛透镜；

[0015] 在所述光子筛透镜表面形成变相板，且使所述变相板位于所述光子筛透镜的中部或环绕于所述光子筛透镜的边缘，变相板的中心与光子筛透镜的中心在同一轴线上。

[0016] 优选地，所述变相板为在所述光子筛透镜上电镀或者光刻形成。

[0017] 优选地，在所述基底上蚀刻形成所述光子筛透镜时，遮蔽所述基底中心部分，所述变相板由所述基底中心部分形成。

[0018] 一种基于光子筛相衬物镜的成像方法，包括以下步骤：

[0019] 提供一光子筛相衬物镜，所述光子筛相衬物镜包括由基底和设于所述基底上的多个透光孔所形成的光子筛透镜及设于所述光子筛透镜表面的变相板，所述变相板位于所述光子筛透镜的中部或环绕于所述光子筛透镜的边缘，且所述光子筛透镜的中心与变相板的中心在同一轴线上；

[0020] 所述光子筛相衬物镜获取照射物体的透射光和物体相位结构引起的衍射光；

[0021] 所述变相板将所述透射光移动预定的相位；

[0022] 所述光子筛相衬物镜将所述移相后的透射光与所述衍射光会聚在像面上形成干涉图像。

[0023] 上述光子筛相衬物镜、制造方法及成像方法，采用光子筛透镜抑制旁瓣和高阶衍射焦点，成像分辨率和成像对比度高；光子筛透镜与变相板蚀刻在同一基底上且变相板设在光子筛透镜的表面，紧密相接，光子筛透镜的中心与变相板的中心在同一轴线上，系统结构简单，且能够精确对准，同时降低了曝光时间和曝光剂量，可以实现弱吸收材料内部微细结构的高成像分辨率和高成像衬度无损探测。【附图说明】

[0024] 图1为光子筛相衬显微成像原理图；

[0025] 图2A为一个实施例中光子筛相衬物镜中变相板设置在光子筛透镜的中心且基底表面为平面的正面图；

[0026] 图2B为一个实施例中光子筛相衬物镜中变相板设置在光子筛透镜的中心且基底表面为平面的侧面图；

[0027] 图3A为另一个实施例中光子筛相衬物镜中变相板设置在光子筛透镜的边缘且基底表面为平面的正面图；

[0028] 图3B为另一个实施例中光子筛相衬物镜中变相板环绕在光子筛透镜的边缘且基底表面为平面的侧面图；

[0029] 图4A为一个实施例中光子筛相衬物镜中变相板设置在光子筛透镜的中心且基底表面为曲面的侧面图；

[0030] 图4B为另一个实施例中光子筛相衬物镜中变相板环绕在光子筛透镜的边缘且基底表面为曲面的侧面图；

[0031] 图5为一个实施例中在基底的两面上光刻形成光子筛透镜和变相板的示意图；

[0032] 图6为一个实施例中光子筛相衬物镜的制造方法流程图；

[0033] 图7为一个实施例中基于光子筛相衬物镜的成像方法流程图。【具体实施方式】

[0034] 下面主要结合附图和具体实施方式对上述光子筛相衬物镜作进一步的说明。

[0035] 图1为光子筛相衬显微成像的原理图。在一个实施例中，光子筛相衬物镜包括光子筛透镜10及设于光子筛透镜10表面的变相板20。光子筛透镜10由一基底11和设置在基底11上的多个透光孔12所形成。变相板20位于光子筛透镜10的中部或环绕于光子筛透镜10的边缘，且变相板20的中心与光子筛透镜10的中心在同一轴线上。如此，变相板20与光子筛透镜10紧密结合在一起。照射在被测物体上的光一部分经过物体的相位结构作用后形成离轴衍射光，一部分穿过物体形成直接透射光并经过变相板20进行移相。衍射光与移相后的透射光被光子筛透镜10会聚在像面上干涉成像。使用单色相干短波光照射被测物体1，利用紧贴在光子筛透镜10表面上的一个变相板20给被测物体1的直接透射光附加一个预定相位，经过移相的直接透射光和被测物体1相位结构引起的衍射光与散射光被光子筛物镜会聚并在像面上干涉，干涉图像的强度与物体引起的相移成线性关系，从而使得表征被测物体1结构的相移或折射率特性以图像衬度的方式在像面上记录下来形成像3。

[0036] 图2A为光子筛相衬物镜中变相板20设置在光子筛透镜10的中心的正面图，图2B为光子筛相衬物镜中变相板20设置在光子筛透镜10的中心的侧面图。图3A为光子筛相衬物镜中变相板20设置在光子筛透镜10的边缘的正面图，图3B为光子筛相衬物镜中变相板20设置在光子筛透镜10的边缘的侧面图。光子筛透镜10包括基底11和透光孔12。这样利用变相板20将照射物体的透射光施加一个预定的相位，使得这束经过移相的透射光和物体的相位结构引起的衍射光之间相位差为 或 会聚后在像面上干涉成像。经过变相板20的能量吸收衰减作用，物体的透射光能量和物体的相位结构引起的衍射光能量接近，且变相板20设于光子筛透镜10的表面，紧密结合，确保了对准精确和稳定，因此，在像面上得到的干涉图像的对比度较高。该光子筛相衬显微成像通过光子筛相衬物镜的空间滤波将物体的相位信息转换为相应的强度信息，从而提高透明或弱吸收物体的可分辨性。

[0037] 在一个实施例中，光子筛透镜10和变相板20设置在该基底11的同一面具体过程是：首先在基底11的一面通过光刻方法蚀刻出光子筛透镜10，然后在光子筛透镜10上通过电镀的方法形成变相板20。或者在基底11蚀刻形成光子筛透镜10时，遮蔽基底11的中心部分，遮蔽的基底11的中心部分形成变相板20。在另一个实施例中，光子筛透镜10和变相板20设置在基底11的两面。在基底11的两面上采用光刻的方法蚀刻得到光子筛透镜10和变相板20。如图5所示为在基底11的两面上蚀刻形成光子筛透镜10和变相板20的一种实现方式，但不限于此。基底11为透光的石英片，在石英片的两面上设置铬膜5，通过设定的光刻程序在铬膜5上进行光刻，在石英片的一面上的铬膜5上形成多个透光孔12，透光孔12与基底11构成光子筛透镜10，再对石英片的另一面上的铬膜5进行光刻得到变相板20。在基底11的两面上分别蚀刻易于加工。在蚀刻过程中保证光子筛透镜10的中心与变相板20的中心在同一轴线上。利用光刻方法分别在基底11的两面或同一面刻蚀出光子筛透镜10和变相板20，这样能够较精确的对准光子筛透镜10和变相板20。另外，变相板
20的尺寸与照射光束的宽度存在一定的关系，需要根据具体的实验获取相应的数据。

[0038] 基底11的表面可以是平面，如图2A至图3B所示，也可以是曲面，如图4A和图4B所示。基底11的表面采用平面容易加工，且适合照射光为单波长光；基底11的表面采用曲面时，能够较好的消除色像差，平时的光束一般均为复合光，基底11的表面采用曲面更加适用。

[0039] 光子筛透镜10和透光孔12可为圆形、正多边形、椭圆形或者其它不规则形状等。变相板20可为圆形、圆环形、椭圆形、椭圆形环带、正多边形、正多边形环带或者其它不规则形状等。光子筛透镜10和透光孔12为圆形时，变相板20可为圆形，也可为圆环形、椭圆形、椭圆环形带、正多边形、正多边形环带或者其它不规则形状等。光子筛透镜10为圆形时，适合应用于大多数光学器材，便于安装，圆形时照度均匀，这样成像对比度较好，成像效果好。

[0040] 光子筛透镜10可为振幅型光子筛、相位型光子筛和消色差光子筛中的一种。振幅型光子筛是由不透光的衬底上按照一定规律随机分布的透光孔构成。相位型光子筛是由透光的衬底上按照一定规律随机分布的透光孔构成，通过选择合适的衬底材料，使透光孔相对于衬底引入π相移，形成对入射光波进行相位调制的纯相位、具有极高衍射效率的衍射光学元件。消色差光子筛是由光子筛密接在平凸折射透镜的平面一侧，构成的折衍混合消色差光子筛透镜。

[0041] 另外，光子筛是基于光瞳切趾原理，用不同大小的微纳透光孔径阵列结构取代波带片的环带结构而构成的一种衍射光学元件。它的衍射结构是孔而不是环带，这给光子筛成像器件的优化设计提供了更多的自由度。光瞳切趾是通过改变光瞳的复振幅透射比，从而改变系统的点扩展函数以改善系统的成像质量。光子筛设计的基本思想是：根据给定的成像技术指标，选择合适的复振幅透射比函数，使得光瞳的衍射图样具有最窄宽度的主瓣和最小的旁瓣，也就是优化光子筛透光孔的数目、孔径大小和孔心位置分布，构造优化的光瞳。光子筛透镜10的孔密度应为不均匀分布，若完全对称分布将产生高阶衍射，在像面上形成背景干扰，成像质量差。因此在蚀刻光子透镜10时采用高斯切趾和随机函数方法，使其在基底上形成分布不均匀的光子筛孔。光子筛光瞳面上孔密度的优化布局和各对应环带上的孔的随机分布，能够有效地抑制旁瓣，消弱轴向高阶衍射，改善成像质量。与波带片相比，光子筛的分辨率不再决定于最小衍射结构特征尺寸，降低了对最小线宽加工技术的要求；而且光子筛只是一个膜层元件，不需要额外制作各个微纳孔之间的支撑结构。与传统的波带片相比，光子筛器件具有更好的成像能力和更小的加工制作难度。

[0042] 下面以透明物体成像为例，说明光子筛相衬物镜成像的具体处理过程。首先，假定-1透明物体引起的的相移变化φ＜＜2π，并忽略系统光瞳的有限大小，FT[]和FT []为傅立叶变换算符。那么，透明物体的复振幅透射率可表示为

[0043] t(x，y)＝exp[jφ(x，y)]≈1+jφ(x，y)。(I)

[0044] (I)式等号右边第一项中的“1”表示通过物体经历均匀相移的较强的本底光(即零级频谱光)，第二项“jφ(x，y)”表示物体的相位结构产生的较弱的离轴衍射光。用普通显微镜在像面上观察不到透明物体的像的原因，是因为由相位结构产生的衍射光与很强的被聚焦的本底光之间相位差 利用光子筛相衬物镜把物体的相位分布转变为强度分布与衬度分布，从而可以得到透明物体的高分辨率和高衬度的像。

[0045] 把物体置于光子筛显微物镜的的物平面上，该物镜后的透射光场的空间频谱分布为

[0046] T(fx，fy)＝FT[t(x，y)]＝δ(fx，fy)+jΦ(fx，fy)。(II)

[0047] (II)式中，Φ(fx，fy)＝FT[φ(x，y)]。在紧贴光子筛透镜10的后表面上放置一块变相板作空间滤波，它只对零级频谱起作用，衰减系数为α，相位延迟为 可得到参与成像的频谱为

[0048] TF(fx，fy)＝i[±αδ(fx，fy)+Φ(fx，fy)]。(III)

[0049] 为了计算方便，假定成像系统的放大率为1，则像面上的强度分布为[0050] I(x，y)＝|FT-1[TF(fx，fy)]2≈α2±2αφ(x，y)。(IV)

[0051] (IV)式表明像的强度分布与物体的相位分布成线性关系。

[0052] 定义像的衬度为 其中，IB表示背景强度。可得

[0053] (V)式表明，物体的相位分布转变成了像的衬度分布，选取小α可以提高像的衬度。正号表示正相衬，负号表示负相衬；正负号的选取决定于零级频谱的相位延迟是 或

[0054] 上述光子筛相衬物镜成像适用于X射线、紫外光、可见光和红外光照明的情形。

[0055] 如图6所示为一个实施例中光子筛相衬物镜的制造方法，包括以下步骤：

[0056] 步骤S60，提供一基底。该基底11可为透光材料或不透光材料。如图2A、图2B、图4A和图4B所示，该基底11的表面可为平面或曲面。基底11的表面采用平面容易加工，且适合照射光为单波长光；基底11的表面采用曲面时，能够较好的消除色像差，平时的光束一般均为复合光，基底11的表面采用曲面更加适用。

[0057] 步骤S62，在基底上蚀刻多个透光孔，以形成光子筛透镜。如图2A和图2B所示，根据设定的程序在基底11上蚀刻多个透光孔12，形成光子筛透镜。

[0058] 步骤S64，在光子筛透镜表面形成变相板，且使变相板位于光子筛透镜的中部或环绕于光子筛透镜的边缘，变相板的中心与光子筛透镜的中心在同一轴线上。

[0059] 通过光刻方法在基底11的同一面上或两面上刻蚀出变相板20和光子筛透镜10。这样确保光子筛透镜10和变相板20能够精确地对准。

[0060] 在基底11的同一面上蚀刻出变相板20和光子筛透镜10的具体步骤是：在基底11上蚀刻多个透光孔12形成光子筛透镜10，再在光子筛透镜10的表面通过电镀的方法形成变相板20，且保证变相板20的中心与光子筛透镜10的中心在同一轴线上，或者在基底11上蚀刻光子筛透镜10时，遮蔽基底11的中心部分，遮蔽的基底11的中心部分形成变相板20。在基底11的两面上蚀刻得到光子筛透镜10和变相板20的具体步骤是：在基底11的一面上蚀刻得到光子筛透镜10，在基底11的另一面上蚀刻得到变相板20。如图5所示为在基底11的两面上蚀刻形成光子筛透镜10和变相板20的一种实现方式，但不限于此。基底11为透光的石英片，在石英片的两面上设置铬膜5，通过设定的光刻程序在铬膜5上进行光刻，在石英片的一面上的铬膜5上形成多个透光孔12，透光孔12与基底11构成光子筛透镜10，再对石英片的另一面上的铬膜5进行光刻得到变相板20。在基底11的两面上蚀刻加工容易、简单。

[0061] 光子筛透镜10和透光孔12可为圆形、正多边形、椭圆形或者其它不规则形状等。变相板20可为圆形、圆环形、椭圆形、椭圆形环带、正多边形、正多边形环带或者其它不规则形状等。光子筛透镜10为圆形时，适合应用于大多数光学器材，便于安装，圆形时照度均匀，这样成像对比度较好，成像效果好。

[0062] 另外，蚀刻得到的光子筛透镜10为振幅型光子筛、相位型光子筛和消色差光子筛中的一种。下面以刻蚀振幅型光子筛为例，说明制造光子筛的具体方法。该方法包括如下步骤：

[0063] (1)给定光子筛的技术要求：照明光波长λ、焦距f和入瞳直径D；

[0064] (2)优化设计光子筛的光瞳函数；

[0065] (3)计算出光子筛的孔要取代的菲涅耳波带片的最边缘的透光环带标识数N；

[0066] (4)根据实际需求，以焦点衍射场最大为原则，确定每个孔的孔径大小；

[0067] (5)计算每个孔的孔心距；

[0068] (6)根据优化设计的光子筛光瞳函数，确定被取代的每个环带上的透光孔数目；

[0069] (7)随机选取孔心距与极轴的夹角，注意避免孔间交叉或者重叠，从而确定孔心位置坐标；

[0070] (8)把每个孔的孔心坐标和孔径大小保存成ASCII格式数据文件，计算机把这个数据文件转换成CIF格式文件作为激光直写系统的输入，加工光子筛。

[0071] 如图7所示为一个实施例中，一种基于光子筛相衬物镜的成像方法，包括以下步骤：

[0072] 步骤S70，获取照射物体的透射光和物体相位结构引起的衍射光。该光子筛相衬物镜接收到照射到物体的透射光和物体相位结构引起的衍射光。

[0073] 步骤S72，将该透射光移动预定的相位。变相板20将照射到物体的直接透射光进行预定的相移，使得这束经过移相的透射光和物体的相位结构引起的衍射光之间相位差为或

[0074] 步骤S74，将该移相后的透射光与衍射光会聚在像面上形成干涉图像。光子筛相衬物镜将移相后的透射光和物体的相位结构引起的衍射光会聚在像面上干涉成像。

[0075] 上述光子筛相衬物镜及成像方法，成像分辨率和成像对比度高，采用光子筛透镜能够抑制旁瓣和高阶衍射焦点；光子筛透镜与变相板蚀刻在同一基底上紧密结合，且光子筛透镜的中心与变相板的中心在同一轴线上，系统结构简单，且对准精确，同时降低了曝光时间和曝光剂量，可以实现弱吸收材料内部微细结构的高成像分辨率和高成像衬度无损探测。

[0076] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。