一种二次光栅型光子筛

摘要

本发明提供一种二次光栅型光子筛，属于衍射光学元件设计技术领域。所述光子筛包括透明衬底层以及位于透明衬底层上的金属层，所述金属层上分布有若干个小孔；所述小孔的中心距离光子筛中心的距离为rn：所述小孔位于二次光栅的亮环内，亮环由圆弧刻槽组成，各个圆弧刻槽的中心半径为：本发明的光子筛可以将多个切面的物平面成像在同一个像面上，同时成像面沿着垂直光轴方向分布，具有三维成像的作用。本发明设计的光子筛结构简单，易于制作。

权利要求

1.一种二次光栅型光子筛，其特征在于，所述光子筛包括透明衬底层以及位于透明衬底层上的金属层，所述金属层上分布有若干个小孔；所述小孔的位置需同时满足以下条件：所述小孔的中心距离光子筛中心的距离为rn：

上式中，n为环带数，f为光子筛焦距，λ为光子筛的设计波长；

所述小孔位于二次光栅的亮环内，亮环由圆弧刻槽组成，各个圆弧刻槽的中心半径为：上式中，m是刻槽数，R是二次光栅的口径的半径，W20是二次光栅的离焦系数，d0是光栅中心处的周期。

2.如权利要求1所述一种二次光栅型光子筛，其特征在于，所述二次光栅的亮环为圆弧Cm和Cm-1所围成的区域,其中，m＝…,-5,-3,-1.1,3,5,…。

3.如权利要求1所述一种二次光栅型光子筛，其特征在于，所述小孔的大小d满足以下条件：上式中，k为1.53。

4.如权利要求1所述一种二次光栅型光子筛，其特征在于，所述透明衬底层为有机玻璃，所述金属层为金，铜或者铬中的一种。

5.如权利要求1所述一种二次光栅型光子筛，其特征在于，所述小孔为振幅型小孔。

6.如权利要求1所述一种二次光栅型光子筛，其特征在于，所述二次光栅的各个圆弧刻槽为同心圆分布，其圆心位置为：

说明书

一种二次光栅型光子筛

技术领域

[0001] 本发明属于衍射光学元件设计技术领域，具体为一种二次光栅型光子筛。

背景技术

[0002] 传统的透镜都是由玻璃加工而成，光线在透镜中以折射或者反射的方式通过，产生汇聚或发散的效果，这种透镜统称为折射透镜。不同于传统的折射透镜，衍射光学元件通过衍射的方式对光线进行汇聚和发散，称之为衍射透镜。

[0003] 光子筛是一种新型的衍射光学元件，由德国Kipp教授在传统波带片的基础上提出。它通过分布在波带片亮环上的大量随机分布的小孔代替波带片的亮环，光线通过小孔产生衍射效应，不同的小孔产生衍射相干叠加，进而在中心处产生高质量的聚焦光斑。相对于波带片，由于小孔直径比环带宽度大，可以在相同的加工尺寸情况下获得大口径，产生更小的聚焦光斑。同时光子筛可以在紫外光和X射线下聚焦和成像。此外光子筛可以在非常薄的基底上加工实现，这有利于制作成大口径，也有利于光学系统的轻量化。2003年，麻省理工学院报道了基于高数值孔径的光子筛的无掩模光子筛阵列光刻系统(ZPAL)。中国科学院光电技术研究所开展了大数值孔径光子筛聚焦光刻方法研究。国内外在光子筛聚焦以及成像领域开展了研究工作。

发明内容

[0004] 为实现光子筛多切面成像，本发明提出一种二次光栅型光子筛。传统的光子筛成像只能对单一的二维平面进行成像，本发明充分利用光子筛高效聚焦的优点和设计的灵活性，实现多切面高分辨率成像。

[0005] 本发明目的通过以下技术方案来实现：

[0006] 一种二次光栅型光子筛，所述光子筛包括透明衬底层以及位于透明衬底层上的金属层，所述金属层上分布有若干个小孔；所述小孔的位置需同时满足以下条件：

[0007] 所述小孔的中心距离光子筛中心的距离为rn：

[0008]

[0009] 上式中，n为环带数，f为光子筛焦距，λ为光子筛的设计波长；

[0010] 所述小孔位于二次光栅的亮环内，亮环由圆弧刻槽组成，各个圆弧刻槽的中心半径为：

[0011]

[0012] 上式中，m是刻槽数，R是二次光栅的口径的半径，W20是二次光栅的离焦系数，d0是光栅中心处的周期。

[0013] 作为本发明所述一种二次光栅型光子筛的一个具体实施例，所述二次光栅的亮环为圆弧Cm和Cm-1所围成的区域,其中，m＝…,-5,-3,-1.1,3,5,…。

[0014] 作为本发明所述一种二次光栅型光子筛的一个具体实施例，所述小孔的大小d满足以下条件：

[0015]

[0016] 上式中，k为1.53。

[0017] 作为本发明所述一种二次光栅型光子筛的一个具体实施例，所述透明衬底层为透明材料，所述金属层为不透光金属层。

[0018] 作为本发明所述一种二次光栅型光子筛的一个具体实施例，所述透明衬底层为有机玻璃，所述金属层为金，铜或者铬中的一种。

[0019] 作为本发明所述一种二次光栅型光子筛的一个具体实施例，所述小孔为振幅型小孔。

[0020] 作为本发明所述一种二次光栅型光子筛的一个具体实施例，所述二次光栅的各个圆弧刻槽为同心圆分布，其圆心位置为：

[0021]

[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0023] 本发明二次光栅型光子筛包括透明衬底层和金属层，在透明衬底层上制备有金属层，金属层上刻蚀出所需要的微细结构加工而成。所述的微细结构由若干个小孔组成。不同于普通光子筛，本发明二次光栅型光子筛的小孔位置进一步被二次光栅函数调制，即小孔位置同时满足光子筛的同心圆和二次光栅的位置排布。

[0024] 本发明的光子筛可以将多个切面的的物平面成像在同一个像面上，同时成像面沿着垂直光轴方向分布，具有三维成像的作用。本发明设计的光子筛结构简单，易于制作。

附图说明

[0025] 图1为本发明二次光栅型光子筛设计原理示意图。

[0026] 图2为本发明小孔位于二次光栅各个圆弧刻槽内的示意图。

[0027] 图3为本发明二次光栅型光子筛实现三维成像的原理图。

[0028] 图4为示例1中二次光栅型光子筛结构的剖视图。

[0029] 图5为示例1中二次光栅型光子筛结构的正视图。

[0030] 图6为示例1中二次光栅型光子筛三维成像的示意图。

[0031] 图7为示例2中二次光栅型光子筛结构的正视图。

[0032] 附图标记：1-金属层，2-透明衬底层，3-小孔。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0034] 下面结合具体结构及原理对本发明一种二次光栅型光子筛进行详细说明。

[0035] 本发明提供的二次光栅型光子筛包括透明衬底层和位于透明衬底层上的金属层，所述金属层上分布有若干个小孔。金属层上的小孔构成了光子筛的透光圆孔，并呈上下环带交错分布。

[0036] 本发明二次光栅型光子筛是光子筛和二次光栅的叠加，即透过率函数相乘得到。其设计原理如图1所示。本发明二次光栅型光子筛金属层上的小孔需要同时满足光子筛小孔环带公式和二次光栅的位置排布。为了小孔位置满足光子筛环带分布，所述小孔的中心距离光子筛中心的距离为rn：

[0037]

[0038] 上式中，n为环带数，f为光子筛焦距，λ为光子筛的设计波长；

[0039] 为了使小孔位置满足二次光栅排布，金属层上的小孔需要位于二次光栅的亮环内，亮环由圆弧刻槽组成。如图2所示,图中白色区域是透光区域，黑色区域是不透光区域。二次光栅呈同心环状分布，二次光栅的中心位置刻槽数为0，刻槽宽度即周期为d0。左边的刻槽数m为负数，右边的刻槽数m为正数，刻槽圆弧的中心半径为Cm，刻槽周期为d，刻槽圆弧的圆心距离二次光栅的中心距离为xc。

[0040] 所述小孔位于二次光栅的亮环内，亮环由圆弧刻槽组成，各个圆弧刻槽的中心半径为：

[0041]

[0042] 上式中，m是刻槽数，R是二次光栅的口径的半径，W20是二次光栅的离焦系数，d0是光栅中心处的周期。

[0043] 进一步，二次光栅的亮环为圆弧Cm和Cm-1(m＝…,-5,-3,-1.1,3,5,…)所围成的区域,即光栅的圆弧刻槽宽度为Cm-Cm-1。

[0044] 进一步，所述小孔的大小d满足以下条件：

[0045]

[0046] 上式中，k为1.53。

[0047] 进一步，所述透明衬底层为透明材料，更进一步优选为有机玻璃；所述金属层1为不透光金属层，更进一步优选为金，铜或者铬中的一种。

[0048] 进一步，所述小孔为振幅型小孔。

[0049] 进一步，所述二次光栅的各个圆弧刻槽为同心圆分布，其圆心位置为：

[0050]

[0051] 本发明的光子筛可以将多个切面的物平面成像在同一个像面上，同时成像面沿着垂直光轴方向分布，具有三维成像的作用。图3为本发明二次光栅型光子筛实现三维成像的原理图。二次光栅具有衍射级次分离能力，即具有三个乃至更多的焦点，且焦点之间在光轴方向和垂直光轴方向分离。但是二次光栅没有成像的能力，本发明将二次光栅和光子筛创造性地结合在一起，使不同纵深的目标，不同的衍射级次分离像可以成像在同一个面上，并且沿垂直光轴方向分离，从而实现多纵深目标的单平面成像。如图3，A的-1级像，B的0级像，C的1级像成像在同一个平面上，并且在垂直光轴方向分离。

[0052] 下面结合具体示例对本发明一种二次光栅型光子筛进行进一步说明。

[0053] 示例1

[0054] 本示例二次光栅型光子筛包括透明衬底层和位于透明衬底层上的金属层,具体结构如图4所示。其中透明衬底层2为有机玻璃，金属层1为不透光的金属金层。在不锈钢金属金层上分布有若干个小孔3(透光圆孔)，并呈上下环带交错分布。

[0055] 本示例中二次光栅型光子筛结构中，光子筛焦距f为100mm，设计波长λ为632.8nm，设计环带数n为25；由此计算得到小孔的中心距离光子筛中心的距离rn如小表1所示，小孔的大小计算结果如下表2所示：

[0056] 表1小孔的中心距离光子筛中心的距离rn

[0057]n rn n rn n rn n rn n rn
1 0.355753286 6 0.871420918 11 1.179918833 16 1.423046911 21 1.630317942
2 0.503111918 7 0.941243657 12 1.232386978 17 1.466845502 22 1.668686253
3 0.616184716 8 1.006233386 13 1.282711064 18 1.509373957 23 1.706192202
4 0.711509949 9 1.067273365 14 1.331134285 19 1.550736779 24 1.742891463
5 0.795493564 10 1.125006686 15 1.377857067 20 1.591024882 25 1.778833964[0058] 表2小孔(透光圆孔)的大小

[0059]n dn n dn n dn n dn n dn
1 0.136075201 6 0.055552029 11 0.041027568 16 0.034017993 21 0.029693104
2 0.096219545 7 0.051431104 12 0.039280843 17 0.033002249 22 0.029010367
3 0.078562806 8 0.048109316 13 0.037739754 18 0.03207237 23 0.028372653
4 0.068037278 9 0.045357826 14 0.036366879 19 0.031216903 24 0.027775224
5 0.060854295 10 0.043030144 15 0.035133688 20 0.030426425 25 0.027214007[0060] 离焦系数W20为10λ，二次光栅的口径的半径R为3mm，光栅中心处的周期d0是85μm，刻槽数为0。小孔需位于二次光栅的各个圆弧刻槽内，二次光栅的各个圆弧刻槽的中心半径如下表3所示：

[0061] 表3二次光栅的各个圆弧刻槽的中心半径

[0062]

[0063]

[0064] 二次光栅的各个圆弧刻槽为同心圆分布，其圆心位置XC为5.294。C-16与C-15，C-14与C-13，…，组成亮环，落在亮环内的光子筛圆孔保留，否则不保留。

[0065] 按照上述数据设计的本示例二次光栅型光子筛如图4及图5所示。其中图4为剖视图，图5为正视图。

[0066] 本示例设计制备得到的二次光栅型光子筛可以实现三维成像，图6是本示例光子筛对物空间光轴方向的三个物点A、B、C的成像模拟图，可以看到相应的像点A’、B’、C’在像空间同一个平面内，即本示例二次光栅型光子筛可以将多个物切面同时成像在同一个像平面上，并且沿着垂直光轴方向排列。

[0067] 示例2

[0068] 本示例中二次光栅型光子筛结构中，光子筛焦距f为150mm，设计波长λ为405nm，设计环带数n为30；由此计算得到小孔的中心距离光子筛中心的距离rn如小表4所示，小孔的大小计算结果如下表5所示：

[0069] 表4小孔的中心距离光子筛中心的距离rn

[0070]n rn n rn n rn n rn n rn n rn
1 0.298 6 0.836 11 1.143 16 1.383 21 1.588 26 1.769
2 0.460 7 0.905 12 1.195 17 1.427 22 1.626 27 1.803
3 0.577 8 0.970 13 1.245 18 1.469 23 1.663 28 1.836
4 0.675 9 1.031 14 1.292 19 1.509 24 1.699 29 1.869
5 0.759 10 1.088 15 1.339 20 1.549 25 1.734 30 1.901

[0071] 表5小孔(透光圆孔)的大小

[0072]n dn n dn n dn n dn n dn n rn
1 0.156 6 0.056 11 0.041 16 0.034 21 0.029 26 0.026
2 0.101 7 0.051 12 0.039 17 0.033 22 0.029 27 0.026
3 0.080 8 0.048 13 0.037 18 0.032 23 0.028 28 0.025
4 0.069 9 0.045 14 0.036 19 0.031 24 0.027 29 0.025
5 0.061 10 0.043 15 0.035 20 0.030 25 0.027 30 0.024

[0073] 离焦系数W20为20λ，二次光栅的口径的半径R为5mm，光栅中心处的周期d0是100μm，刻槽数为0。小孔需位于二次光栅的各个圆弧刻槽内，二次光栅的各个圆弧刻槽的中心半径如下表3所示：

[0074] 1.表3二次光栅的各个圆弧刻槽的中心半径

[0075]m Cm m Cm m Cm m Cm m Cm m Cm
-16 4.507 -9 5.391 -2 6.149 5 6.824 12 7.437 19 8.004
-15 4.644 -8 5.506 -1 6.250 6 6.915 13 7.521 20 8.082
-14 4.776 -7 5.618 0 6.349 7 7.004 14 7.603 21 8.159
-13 4.905 -6 5.728 1 6.447 8 7.093 15 7.685    
-12 5.031 -5 5.836 2 6.543 9 7.181 16 7.766    
-11 5.154 -4 5.942 3 6.638 10 7.267 17 7.846    
-10 5.274 -3 6.047 4 6.731 11 7.353 18 7.925    

[0076] 二次光栅的各个圆弧刻槽为同心圆分布，其圆心位置XC为5.294。C-16与C-15，C-14与C-13，…，组成亮环，落在亮环内的光子筛圆孔保留，否则不保留。按照上述数据设计的本示例二次光栅型光子筛如图7所示。

[0077] 本示例设计制备得到的二次光栅型光子筛也可以实现三维成像，可以达到和实施例1同样的三维成像效果，即本示例二次光栅型光子筛可以将多个物切面同时成像在同一个像平面上，并且沿着垂直光轴方向排列。

[0078] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。