一種大視場衍射光子篩的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大視場衍射光子篩，直徑為D，包括透明平面基底和鍍在該透明平面基底上的不透光金屬薄膜，所述不透光金屬薄膜上設(shè)有環(huán)帶狀分布的通光小孔，所述通光小孔的位置分布滿足方程其中，f為光子篩的焦距，n為通光環(huán)帶的環(huán)帶序列，λ為光子篩的工作波長，R為光子篩的半徑，η為小孔分布的操控系數(shù)，xm和ym是光子篩第m個(gè)小孔的中心位置，m＝1,2,3,…,num，其中通光環(huán)帶半徑約為小孔半徑本發(fā)明提出的大視場衍射光子篩的最終成像對離軸像差不敏感，可以在大的視場范圍內(nèi)清晰成像，與傳統(tǒng)光子篩相比，在相同數(shù)值孔徑下的視場角度有明顯的拓展。
【專利說明】
一種大視場衍射光子篩
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種大視場衍射光子篩，屬于光學(xué)元件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，衍射光學(xué)元件已經(jīng)成為一種主要的元件。例如在超大空間望 遠(yuǎn)鏡、高分辨率顯微鏡、光譜成像、太赫茲光學(xué)、X射線成像及UV光刻等，它們具有結(jié)構(gòu)緊湊、 重量輕、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。菲涅爾波帶片(FZP)是一種典型的衍射光學(xué)元件，由一系列的同 心圓環(huán)構(gòu)成，而光子篩作為一種新的衍射光學(xué)元件，其首先由Kipp在2001年提出，由大量不 重疊的小孔代替菲涅爾波帶片的圓環(huán)，小孔易于控制，具有較菲涅爾波帶片更高的分辨率。 然而，所有的衍射光學(xué)元件只能在光軸上(〇度視場)清晰成像，限制了衍射元件的應(yīng)用，尤 其在光學(xué)成像領(lǐng)域。2005年，Andersen提出了一種數(shù)值孔徑(NA)0.05，口徑10cm的大口徑光 子篩，有效工作視場只有0 ? 5度。2009年，為了提高軟X射線顯微鏡達(dá)到10nm分辨率，Chao等 提出了一種利用菲涅爾波帶片的納米加工過程。但是，由于小的視場限制2.5wn，使得整個(gè) 系統(tǒng)的裝調(diào)極具挑戰(zhàn)。2014年，Andersen提出了一種以光子篩為主鏡的薄膜空間望眼鏡，有 效工作視場只有0.008度。顯然，所有衍射成像元件只能有效工作在軸上，只能在幾乎0度視 場可以清晰成像。
[0003] 有鑒于此，開發(fā)一種新的光子篩，解決現(xiàn)有技術(shù)中有效工作視場范圍小的缺陷，顯 然是有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種大視場衍射光子篩，解決現(xiàn)有技術(shù)中光子篩工作視 場小的缺點(diǎn)。
[0005] 為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種大視場衍射光子篩， 直徑為D，包括透明平面基底和鍍在該透明平面基底上的不透光金屬薄膜，所述不透 光金屬薄膜上設(shè)有環(huán)帶狀分布的通光小孔，所述通光小孔的位置分布滿足方程
，= …，其中，f為光子篩的焦距，n為通光環(huán) 帶的環(huán)帶序列A為光子篩的工作波長，R為光子篩的半徑，n為小孔分布的操控系數(shù)，xm和ym 是光子篩第m個(gè)小孔的中心位置，m=l，2,3,…，num
，通光環(huán)帶半徑約為
[0006] 優(yōu)選地，所述n= 15入。
[0007] 優(yōu)選地，所述透明平面基底為透明玻璃基底。
[0008] 優(yōu)選地，所述不透光金屬薄膜為鉻膜。
[0009] 由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：
[0010] 本發(fā)明提出的大視場衍射光子篩的最終成像對離軸像差不敏感，可以在大的視場 范圍內(nèi)清晰成像，與傳統(tǒng)光子篩相比，在相同數(shù)值孔徑下的視場角度有明顯的拓展。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例一中傳統(tǒng)光子篩和大視場衍射光子篩的結(jié)構(gòu)對比圖。
[0013] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例一中傳統(tǒng)光子篩和大視場衍射光子篩的PSF對比圖。
[0014]圖4是本發(fā)明實(shí)施例一中傳統(tǒng)光子篩和大視場衍射光子篩在不同視場下的MTF曲 線圖。
[0015] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例一的成像測試裝置圖。
[0016] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例一中傳統(tǒng)光子篩的測試結(jié)果圖。
[0017] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例一中大視場衍射光子篩的測試結(jié)果圖。
[0018] 其中：1、透明平面基底;2、不透光金屬薄膜。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0020] 實(shí)施例一：參見圖1所示，一種大視場衍射光子篩，直徑為D，包括透明平面 基底1和鍍在該透明平面基底上的不透光金屬薄膜2,所述不透光金屬薄膜上 設(shè)有環(huán)帶狀分布的通光小孔，所述通光小孔的位置分布滿足方程
其中，f為光子篩的焦距，n為通光環(huán) 帶的環(huán)帶序列A為光子篩的工作波長，R為光子篩的半徑，n為小孔分布的操控系數(shù)，xm和ym 是光子篩第m個(gè)小孔的中心位置，m= 1，2，3，…，num，其中
通光環(huán)帶半徑約為
[0021] 本實(shí)施例中，所述n=15入。
[0022] 本實(shí)施例中，所述透明平面基底1為透明玻璃基底。
[0023] 本實(shí)施例中，所述不透光金屬薄膜2為鉻膜。
[0024] 參見圖2所示，為傳統(tǒng)光子篩和大視場衍射光子篩的結(jié)構(gòu)對比示意圖，傳統(tǒng)光子篩 (n = 〇)的結(jié)構(gòu)是同心圓環(huán)，最外環(huán)軸上的小孔坐標(biāo)系分別為：（25mm,0mm)，（-25mm, 0mm)， (0mm, 25mm)和(0mm,-25mm)。而本實(shí)施例中的大視場光子篩(n=15A)不再是同心圓環(huán)，而是 關(guān)于y = x對稱的結(jié)構(gòu)形式，最外環(huán)軸上的小孔坐標(biāo)系分別為：（25.19mm,0mm)，（-24.81mm, 0mm)，（0mm,25.19mm)和（0mm,-24.81mm)。
[0025] 本實(shí)施例設(shè)計(jì)了一個(gè)焦距500mm，直徑50mm，工作波長632.8nm，小孔操控系數(shù)n = 15入，全部環(huán)帶數(shù)量為987,最小的針孔尺寸3.1641mi的大視場光子篩。參見圖3所示，為不同 視場(-6度~6度)傳統(tǒng)光子篩(n = 〇)和大視場光子篩(n=15A)的PSF情況對比圖。圖3(a)中 傳統(tǒng)光子篩在0.5度視場范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的聚焦能力，但隨著視場角的增大，聚焦能力大大 減弱，不能清晰成像。而圖3(b)大視場光子篩的PSF在視場4度范圍內(nèi)保持了很好的一致性。 當(dāng)視場>4度時(shí)，PSF-致性略微發(fā)生了偏離。
[0026]圖4分別展示了傳統(tǒng)光子篩和大視場光子篩在不同視場下的MTF曲線(PSF的傅里 葉變換），其中虛線代表傳統(tǒng)光子篩的MTF曲線，實(shí)線代表大視場光子篩的MTF曲線。隨著視 場角度偏離于軸上視場(〇度），傳統(tǒng)光子篩的MTF曲線迅速下降，并出現(xiàn)零點(diǎn)，造成空間頻率 喪失。相反，大視場光子篩在視場角4度范圍內(nèi)保持很好的一致性，當(dāng)視場>4度時(shí)略微降低。 由于MTF在不同視場具有很好的一致性，并且從高頻到低頻沒有出現(xiàn)零點(diǎn)，所以，可以通過 設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臑V波器將中間模糊圖像復(fù)原。因此，我們提出的大視場光子篩能夠很大程度上 減小光子篩對視場(離軸像差)的敏感性，達(dá)到拓展視場的目的。
[0027]參見圖5所示，為本實(shí)施例的成像測試裝置圖，波長為632.8nm的入射激光束通過 顯微物鏡聚焦到小孔進(jìn)行濾波，經(jīng)過小孔濾波后的激光束通過散射轉(zhuǎn)盤消除塊，然后使用 一個(gè)焦距550mm，口徑55mm的平行光管和像元大小為4.54wn(AVT Prosilica GX2750C)的 CCD進(jìn)行成像測試。
[0028]圖6給出了傳統(tǒng)光子篩在波長632.8nm的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。其中圖6(a)為PSF特性，圖 6(b)為分辨率耙測試結(jié)果?？梢?，傳統(tǒng)光子篩在視場角0.5度范圍內(nèi)可以清晰成像，具有接 近衍射極限的PSF彌散斑和成像質(zhì)量，仔細(xì)檢查后，光子篩的分辨率極限約為501p/mm。當(dāng)視 場角度>0.5時(shí)，具有大的離軸像差，所以成像質(zhì)量明顯下降，所以傳統(tǒng)光子篩的視場范圍約 為-0.5度~0.5度。
[0029]圖7給出了大視場光子篩在視場角度-6度~6度下成像測試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7(a) 表明，實(shí)驗(yàn)室測得的PSF同仿真圖3(b)具有相同的"L"形特征，在視場-4度~4度范圍內(nèi)保持 了很好的一致性，對視場角度不敏感。圖7(b)給出了大視場光子篩的中間模糊圖像。圖7(c) 為最終復(fù)原圖像。中間模糊圖像通過適當(dāng)?shù)臑V波函數(shù)復(fù)原成清晰圖像，在視場角-4度~4度 范圍內(nèi)達(dá)到和傳統(tǒng)光子篩在軸上成像(0度視場)基本相同的分辨率，約為501p/mm。本實(shí)施 例中的大視場光子篩在相同數(shù)值孔徑下的視場角度約為傳統(tǒng)光子篩的8倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大視場衍射光子篩，直徑為D，包括透明平面基底和鍍在該透明平面基底上的不 透光金屬薄膜，其特征在于:所述不透光金屬薄膜上設(shè)有環(huán)帶狀分布的通光小孔，所述通光 小孔的位置分布滿足方程"=1二3-，其中4為 光子篩的焦距，n為通光環(huán)帶的環(huán)帶序列，A為光子篩的工作波長，R為光子篩的半徑，q為小 孔分布的操控系數(shù)，Xm和ym是光子篩第m個(gè)小孔的中心位置，m = 1，2，3，…，num，其中，通光環(huán)帶半徑約為2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大視場衍射光子篩，其特征在于:所述n= 15A。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大視場衍射光子篩，其特征在于:所述透明平面基底為透明玻 璃基底。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大視場衍射光子篩，其特征在于：所述不透光金屬薄膜為鉻 膜。
【文檔編號(hào)】G02B5/18GK106054297SQ201610619311
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月1日
【發(fā)明人】趙效楠, 朱愛嬌, 王欽華, 許峰
【申請人】蘇州大學(xué)