本发明专利技术公开了一种大面积光子筛，由带有环带状分布的小孔的薄片构成，其特征在于：所述环带的分布沿光子筛半径方向由内向外分为Ｇ个区域，每个区域相对于菲涅尔波带片的环带进行合并，相应增大对应的小孔半径；并对每个环带上的小孔分布数目进行优化。本发明专利技术通过对成像机理的理解，将大口径光子筛分成若干区域，对每个区域内的小孔孔径按一定比例放大，并结合环带的合并，使得光子筛的小孔孔径，特别是在外围的小孔尺寸放大，突破常规加工工艺的影响，从而解决光子筛因为工艺最小线度限制难以做成大口径的难题，从根本上提高光学系统的分辨率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种光学器件，具体涉及一种用于光学衍射成像的大面积的光 子筛。
技术介绍
光子筛成像是近几年发展起来的一种新型成像方法。光子筛是基于传统的 菲涅尔波带片，将波带片中的透明环带用大量的小孔代替而成的一种光学衍射 器件。光子筛具有体积小，重量轻，光谱范围可覆盖到软X射线、极紫外等 特点，而这些正是传统的折射或反射光学器件难以实现的光谱区域。由于光子 筛在航空航天、天文观测、极紫外光刻、物理和生命科学中有着广泛的应用前 景，近年来受到广泛关注。光子筛首先是由Kipp等人于2001年基于菲涅尔 波带片专利技术的，参见L. Kipp， M. Skibowski, R. L. Johnson, R. Berndt， R. Adelung， S. Harm, and R. Seemann, Sharper images by focusing soft X-rays with photon sieves, Nature 414， 184-188 (2001),文中把光子筛与菲涅尔波带 片在x射线波长下做了详细的比较，发现光子筛在焦平面上的光斑尺寸明显小 于菲涅尔波带片，并且焦点处的光强强度分布的旁瓣也明显低于波带片的旁 瓣。随后Cao等人做了相应的理论研究，给出了具体的理论解析式，并且详 细讨论了光子筛在焦平面上以及沿光轴方向上的光强特性。Gimenez等人就光 子筛焦深与色散问题做了深入的研究。Andersen等人设计了一种直径为10cm 可见光波长的光子筛，证明了光子筛可以成为望远镜中的光学器件。Menoii 等人研究了大数值孔径的光子筛，并首次提出把光子筛应用到光刻系统中。目前大多数光子筛的研究都是基于传统光子筛的理论。根据Kipp的光子 筛理论，口径。=50附/ ,焦距f-500mm，工作波长义=6W.S腳的光子筛最外围环带上的小孔直径只有0.006328mm。若把口径设计为^ = 100" ,最外围环带 上小孔直径将只有0.003043mm。口径越大，最外环的小孔直径越小，这将对光子筛的制作加工带来极大的挑战；小孔孔径越小，制作难度越高，如果小孔 孔径达纳米量级，则需要电子束或离子曝光，导致制作成本髙、速度慢，而且 可制作面积非常小。而根据瑞利判据光学系统的分辨率与光学器件的通光口径 成正比，要想提髙光学系统的分辨率只有通过增大口径来实现。因此，采用现 有的光子筛结构，由于受到加工工艺的最小线度的限制，很难制作大面积的光 子筛；同时，口径较大的光子筛上具有巨大数量的小孔，这也使得加工时间和 工序变得非常漫长复杂。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种新结构的光子筛，采用分区设计方法，提髙光子筛 最小孔径的直径，突破制作工艺上最小孔径的限度，从而解决现有技术中难以 增大光子筛口径的问题，实现大面积的光子筛的制备。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是一种大面积光子筛，直径为D，由带有环带状分布的小孔的薄片构成，所述 环带的分布沿光子筛半径方向由内向外分为G个区域，G为^2的整数，将对应 的菲涅尔波带的环带数用mL表示；光子筛第L个区域，满足以下表达式，其中，L为1至G的整数第L区域的环数n满足iV(w)+Bw《A^,其中第n小环对应菲涅尔波带片的环 数 (")满足递归表达式^(")二mw(A^D) + ^.("-W(w》，当L-1时，iV。 = 0, m。(0) = l; A^为第L区域的终了环数，^为合并环数，即对应菲涅尔波带片&个 环的宽度合并成光子筛相应区域内一环的宽度，~>2，且相邻区域中，处于外 围的区域的&值大于处于内部的区域的&值；当"-&时，满足^ ^exp(—^^)《l其中/^sin(^")， s =/;2， /; = )./.凡+ — )2.几2 ，2/ ct 2力(T』，/;=/ +义，f是光子筛的焦距，A是光子筛的工作波长，"竿；4 2 几当^"c(fey;/2J〉0时，/mi=/ + Wi.A,力"c(fcv;/g")〈0时'/ =/ + (附￡+0.5).几； 力"c函数定义为J/"c(X^/"x)Z(x), ^(x)为一阶贝塞尔函数；小孔半径a"为A= ,,-V\^L,其中《=半{^— arCsin};込为像点到位于光子筛第n环微孔中心的光程；每一环带上的小孔数目为/(0.4气2"/，其中/(o是一个随^;变化的密度函数。上文中，第L个区域中光子筛的每一环带是由对应的菲涅尔波带片的&个环带合并构成，对应于每一环带分布有上述设定数目的小孔，因此，本专利技术技术 方案中，小孔的孔径大于现有技术的光子筛中对应于菲涅尔波带片的一个环带设置的小孔的孔径。^的上限由^;8^exp(-^i)^l和光子筛的口径D共同限2乂 cr定。上述技术方案中，所述密度函数可以采用现有技术中的各种函数优化获得， 优化目的是减小焦平面处光强的主峰半高宽，降低次峰高度。 优选的技术方案， 所述密度函数为髙斯函数，/2;rcr,参数CT,，p， C以及h都通过对焦平面处光强的主峰半高宽以及次峰髙度的平方和进行差值最小值优化得到。或者，所述密度函数为韦伯函数，参数a， )^， c以及h都通过对焦平面处光强的主峰半高宽以及次峰髙度的平方和进行差值最小值优化得到。图l (a)是一直观的20环光子筛图，图l (b)是一典型的传统光子筛结构 环带示意图(为了直观体现周期性，我们把环带宽度都简化成等宽度的，实际 是沿半径方向有内向外逐渐减小的)。根据传统光子筛衍射理论，光子筛小孔的位置以及小孔的大小必须同时满足产生相干增强或相消的两个条件 或者々(丄 + g ) = (2 w + l)7i + consf., J"!'nc(fe^i^ / g ) < 0 ( 2 )其中，^,a分别为物点和像点到位于光子筛第n环微孔(微孔位置r")的光程。const为一常数。i ="l+f),""是小孔半径，k是波矢。力'"c函数定义为Jz'"c(x)二J"x)/(;c), J,(;c)为一阶贝塞尔函数。方程式(1)和(2)均可用于光子筛 微孔中心位置和微孔半径的选择。式(1)或(2)中的第一式用于决定孔的中心位置，第二式用于决定孔的半径"".从式(1)或(2)可以看出，对于微孔的 位置需要严格按方程决定(第一式)，而孔的半径则可在一定范围内选择，由一阶贝塞尔函数^的符号决定。由于一阶贝塞尔函数的符号呈现震荡变化，因而孔的半径也可有多种选择。本专利技术通过对上述传统光子筛理论的研究，提出了将光子筛进行分区设计的技术方案。每一区域相应环带的位置由上面(1)和(2)的相干增强或相消决定，而环带上小孔孔径可按比例放大，并结合环带合并，如图2所示。下面结合一个分为三个区域的典型新型结构光子筛为例说明设计原理。 一种典型的新型结构大面积光子筛，其具有(1)、新型光子筛每一环带周期上小孔数目为/(0.4w2/4/，其中4^V^为传统光子筛第ii环的小孔个数，/(o是一个随^变化的髙斯分布密度函数(/(r")=_rL=e^L^i)(髙斯分布函数有压低光子筛焦平面上光强分布旁瓣的作用，从而从根本上提髙成像对比度)， 这些小孔等弧长间隔分布在光子筛环带上(这样最大限度上离本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种大面积光子筛，直径为Ｄ，由带有环带状分布的小孔的薄片构成，其特征在于：所述环带的分布沿光子筛半径方向由内向外分为Ｇ个区域，Ｇ为≥２的整数，在第Ｌ区域，其中Ｌ为１至Ｇ的整数，将对应的菲涅尔波带的环带数序号用ｍ↓［Ｌ］表示； 光子筛第Ｌ个区域，满足以下表达式： 第Ｌ区域的环数序号ｎ满足Ｎ↓［（Ｌ－１）］＋１≤ｎ≤Ｎ↓［Ｌ］，其中Ｎ↓［Ｌ］为第Ｌ区域的终了环数，第ｎ小环对应菲涅尔波带片的环数ｍ↓［Ｌ］（ｎ）满足递归表达式ｍ↓［Ｌ］（ｎ）＝ｍ↓［Ｌ－１］（Ｎ↓［（Ｌ－１）］）＋ｂ↓［Ｌ］.（ｎ－Ｎ↓［（Ｌ－１）］），当Ｌ＝１时，Ｎ↓［０］＝０，ｍ↓［０］（０）＝１；ｂ↓［Ｌ］为合并环数，即对应菲涅尔波带片ｂ↓［Ｌ］个环的宽度合并成光子筛相应区域内一环的宽度，ｂ↓［Ｌ］≥２，且相邻区域中，处于外围的区域的ｂ↓［Ｌ］值大于处于内部的区域的ｂ↓［Ｌ］值；当ｎ＝Ｎ↓［Ｌ］时，满足ｂ↓［Ｌ］βｆ↓［ｍ↓［Ｌ］］／２ｆ↓［１］ｅｘｐ（－（ｓ↓［ｎ］－ｓ↓［０］）／σ↑［２］）≤１其中β＝ｓｉｎ（ｋｄ↓［１］／２ｆ↓［１］），ｓ↓［ｎ］＝ｒ↓［ｎ］↑［２］，＊＊＊，σ＝Ｄ／４，ｆ↓［１］＝ｆ＋λ，ｄ↓［１］＝ｆ↓［１］.λ／２；ｆ是光子筛的焦距，λ是光子筛的工作波长，ｋ＝２π／λ；当Ｊｉｎｃ（ｋａ↓［ｎ］ｒ↓［ｎ］／Ｑ↓［ｎ］）＞０时，ｆ↓［ｍ↓［Ｌ］］＝ｆ＋ｍ↓［Ｌ］.λ，Ｊｉｎｃ（ｋａ↓［ｎ］ｒ↓［ｎ］／Ｑ↓［ｎ］）＜０时，ｆ↓［ｍ↓［Ｌ］］＝ｆ＋（ｍ↓［Ｌ］＋０．５）.λ；Ｊｉｎｃ函数定义为：Ｊｉｎｃ（ｘ）＝Ｊ↓［１］（ｘ）／（ｘ），Ｊ↓［１］（ｘ）为一阶贝塞尔函数；小孔半径ａ↓［ｎ］为＊＊＊，其中ｄ↓［ｎ］＝２ｆ↓［ｍ↓［Ｌ］］／ｋ｛Ｌπ－ａｒｃｓｉｎ［ｂ↓［Ｌ］βｆ↓［ｍ↓［Ｌ］］／２ｆ↓［１］ｅｘｐ（－ｓ↓［ｎ］－ｓ↓［０］／σ↑［２］）］｝；Ｑ↓［ｎ］为像点到位于光子筛第ｎ环微孔中心的光程； 每一环带上的小孔数目为ｆ（ｒ↓［ｎ］）.４πｒ↓［ｎ］↑［２］／λｆ，其中ｆ（ｒ↓［ｎ］）是一个随ｒ↓［ｎ］变化的密度函数。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王钦华，陈志峰，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]
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