大数值孔径光子筛成像的像差特性研究

To improve the imaging quality of the photon sieves for its potential using in the optical projection lithography, its aberration properties is researched.Based on the imaging model of the photon sieve, the vector diffraction theory is used to research the wavefront error of photon sieve with high numerical aperture. The impact to the imaging quality from aberrations of photon sieve is explored. And then the aberration theory suitable for photon sieve is established. The wavefront errror of the photon sieve is measured with the phase-shifting point diffraction interferometer. Compared with it, the aberration theory is validated and improved. Then the compensation method of aberrations of photon sieve is explored for its applications in optical imaging system. Through our research the theoretical basis of projection optics design using photon sieve is established. It is helpful to extending the optical projection lithography to lower node. Photon sieve also can be used in microscope, telescope and other optical systems. So it has a good application foreground.

为了提高光子筛的成像质量，使其能够用于光学投影曝光光刻，对光子筛成像的像差特性进行深入研究。基于光子筛的成像模型，应用矢量衍射理论研究大数值孔径光子筛成像的波像差，探索光子筛像差对成像质量的影响，建立适合光子筛的像差理论。通过相移点衍射干涉仪测量光子筛的波像差与理论分析相结合的研究方法，验证理论的正确性，进一步完善光子筛的像差理论。在此基础上深入研究光子筛成像像差的补偿方法，探索其在光学成像系统中的应用。通过本项目研究，为光子筛用于投影物镜的设计打下理论基础，有助于将光学投影曝光技术延伸至更低节点。光子筛同时也能用于显微镜、天文望远镜等光学系统，具有良好的应用前景。

光子筛作为一种新型的衍射光学元件，具有高分辨、设计自由度大和自支撑的优点，在光刻、大口径望远镜以及短波长成像领域的应用受到广泛关注。已有的研究中，对光子筛的评价大都仅局限于聚焦性能，缺乏对成像像差的研究。在本项目研究中，针对大数值孔径光子筛，基于光子筛矢量衍射成像模型，建立了光子筛的等效像差模型，探究了光子筛的像差计算方法，并在此基础上分析了像差的影响因素。光子筛像差的研究突破了原有的光斑尺寸的评价指标，丰富了光子筛的分析内涵。.同时，对另一光学关键参数（焦深）进行了研究，并通过对光子筛的优化设计将光子筛的焦深增加了约2倍，在微细加工领域有望用于高深宽比微结构的制作。另外，还对光子筛用于三维成像进行探索，建立了三维成像光子筛的成像模型，设计完成三平面和九平面同时成像光子筛，模拟其成像特性，并制作三维成像光子筛，通过实验验证其可行性。光子筛三维成像方法有望在X射线显微成像中发挥重要用途。另一方面，针对光子筛多焦点聚焦的不足，通过与伽伯波带片结合，设计了单焦点光子筛，通过模拟仿真和实验验证，证明单焦点光子筛可以减弱聚焦时的背景光，提高图像的信噪比。利用光子筛微孔排布的的自由度，设计了交错式光子筛以产生局域空心光束，该结构能够用于光镊、离子约束和原子冷却中。.通过本项目的研究，建立了光子筛的像差理论，使得对光子筛的像差、焦深、三维成像和特殊聚焦性能的研究更加深入，极大地丰富了光子筛相关理论，拓展了光子筛的应用范围，使得光子筛的研究更具实用价值。