УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СИНТЕЗИРОВАННОЙ РЕЛЬЕФНО-ФАЗОВОЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ГОЛОГРАММЫ

Полезная модель относится к оптоэлектронным устройствам для получения оптических изображений с помощью синтезированных на электронно-вычислительных машинах дискретных голограмм и может быть использовано в системах формирования действительных изображений двумерных объектов на поверхности регистрирующей среды, например, на поверхности пленки фоторезиста при реализации процесса фотолитографии.
Одним из аналогов предлагаемой полезной модели является голографический прицел (Патент РФ №2210713, МПК G03Н 1/22, дата приоритета 27.04.2001, дата публикации 20.08.2003) - [1], предназначенный для получения оптических изображений из голограмм и может быть использован в качестве прицела для ручного оружия. Его недостатком является ограничение на расположение плоскости, в которой формируется изображение, заключающееся в том, что на отражательной голограмме записано изображение прицельной марки, расположенное на практической бесконечности, а в предлагаемой полезной модели изображение расположено на конечном расстоянии.
Известно устройство восстановления амплитудных голограмм и формирования с их помощью действительных изображений двумерных объектов расположенных на конечном расстоянии, разработанное фирмой Holtronic Technologies (G.Voinin, U.Benner, F.Clube, et al., Microelectron. Eng. 41/42, 149, 1998 г.) - [2]. В его основе лежит схема записи голограмм полного внутреннего отражения. Устройство включают в себя источник когерентного излучения, оптическую систему формирования восстанавливающего пучка лучей, амплитудную голограмму, расположенную на стеклянной призме. Отсутствие аберраций в восстановленном с помощью голограммы изображении обеспечивается соблюдением равенства угла падения восстанавливающего пучка лучей на поверхность голограммы углу падения опорного пучка лучей, который был использован при получении голограммы. Существенным недостатком данного устройства является отсутствие принципиальной возможности использования отражательных голограмм, что обуславливает невозможность его работы в экстремально коротковолновой области спектра, а также большие габариты и сложность конструкции устройства, обусловленная наличием в его составе работающей на пропускание призмы из оптического стекла и необходимостью использования иммерсии в месте контакта голограммы с призмой на стадии восстановления голограммы.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является принятый в качестве прототипа голографический литограф, разработанный в Berkeley National Laboratory Naullenau (P.P., Salmassi F., Cullikson E.M., Liddle J.A. Design and fabrication of a high-efficiency extreme-ultraviolet binary phase-only computer-generated hologram. Appl. Optics. 2007. V.46. №14. P.2581-2585) - [3]. Голографический литограф включает в себя источник когерентного излучения, оптическую систему формирования восстанавливающего пучка лучей, состоящую из двухэлементного расширителя пучка, синтезированную отражательную голограмму и ее держатель.
Процесс восстановления происходит следующим образом: восстанавливающий пучок лучей, падающий под определенным углом на поверхность синтезированной рельефно-фазовой отражательной голограммы формируется оптической системой из излучения от когерентного источника, в результате чего в заданной области, где расположена подложка со слоем фоточувствительного материала, формируется изображение объекта.
Устройство позволяет осуществлять восстановление работающих на отражение синтезированных голограмм и не требует включения в свой состав стеклянной призмы и использования иммерсии, что обуславливает возможность его работы в экстремально коротковолновой области спектра.
Необходимо отметить, что в данном устройстве отсутствие аберраций в восстановленных изображениях обеспечивается соблюдением равенства углов падения опорного и восстанавливающего пучков. Тем самым, габариты этого устройства полностью определяются значением угла падения опорной волны при синтезе голограммы и необходимостью обеспечения пространственного разделения восстанавливающего и восстановленного пучков лучей на стадии восстановлении синтезированных голограмм. Дело в том, что для отображения голограмм используются генераторы изображений, разрешающая способность которых не позволяет отображать голограммы с периодом менее 6 нм, что приводит к ограничению выбираемой величины угла падения опорного пучка и, следовательно, равного ему угла падения восстанавливающего пучка который не может превышать 22° при λ=3 нм для объекта с характеристическим элементом 12 нм [4]. Обеспечение пространственного разделения восстанавливающего и опорного пучков при столь малом угле обуславливает необходимость увеличения расстояния между голограммой и плоскостью фокусировки изображений, а, следовательно, и размеров голограммы. Таким образом, существенным недостатком прототипа является необходимость использования голограмм больших размеров, что приводит к увеличению габаритов схемы восстановления и стоимости изготовления голограмм-проекторов.
Технической задачей решаемой заявляемой полезной моделью является упрощение конструкции, снижение стоимости ее изготовления и времени, затрачиваемого на синтез голограммы, за счет уменьшения допустимого расстояния между голограммой и плоскостью фокусировки изображений, а соответственно и уменьшение габаритов голограммы и всего устройства в целом.
Технической задачей решаемой заявляемой полезной моделью является возможность создания не приводящих к потере качества изображения условий обеспечивающих увеличение допустимого угла падения восстанавливающего пучка при использовании синтезированных голограмм с относительно малой несущей пространственной частотой.
Сущность заключается в том, что в устройстве для восстановления синтезированной рельефно-фазовой отражательной голограммы, состоящем из последовательно расположенных источника когерентного излучения, оптической системы формирования восстанавливающего пучка лучей, держателя с синтезированной голограммой и узла фоторегистрации восстановленного излучения, нормаль, восстановленная из середины поверхности голограммы составляет с оптической осью системы формирования восстанавливающего пучка лучей угол θ', удовлетворяющий соотношению  где θ - угол падения опорного пучка при синтезе голограммы, λ - длина волны, d - дискретизация голограммы, а n=1, 2,…
Таким образом, имеется возможность создания не приводящих к потере качества изображения условий обеспечивающих увеличение допустимого угла падения восстанавливающего пучка при использовании синтезированных голограмм с относительно малой несущей пространственной частотой.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами 1 и 2, где на фиг.1 отображена принципиальная схема устройства, на фиг.2 схематично представлен спектр амплитуды поля, восстанавливаемого с помощью дискретной голограммы.
Устройство состоит из последовательно расположенных по ходу излучения источника когерентного излучения 1, оптической системы формирования восстанавливающего пучка лучей 2, выполненной из двухэлементного расширителя пучка, синтезированной рельефно-фазовой отражательной голограммы 3 с держателем 4 и узла фоторегистрации восстановленного излучения 5.
d
Для пояснения фиг.2 необходимо отметить, что в работе [4] для случая внеосевой дискретной одномерной амплитудной синтезированной голограммы с наклонным параллельным опорным пучком и бинарным амплитудным объектным транспарантом, освещаемым параллельным нормально падающим пучком лучей и располагаемом параллельно голограмме так, что геометрический центр транспаранта совпадает с нормалью, восстановленной из центра голограммы, приведено выражение, описывающее спектр восстановленного волнового фронта U(ξ):
0
а
где t - начальный уровень пропускания; k - коэффициент пропорциональности; А(х) - комплексная амплитуда объектной волны; А*(х) - амплитуда волны, комплексно-сопряженной объектной волне; r - амплитуда плоской опорной волны;  пространственная частота опорной волны; θ - угол падения опорной волны относительно нормали к плоскости голограммы; λ - рабочая длина волны;  - диаметр пятна генератора изображений, отображающего голограмму; N - число элементов дискретизации голограммы.
Выражение (1) состоит из 2-х слагаемых. Входящее в его состав первое слагаемое, обусловленное средним пропусканием голограммы, полностью аналогично первому слагаемому соответствующего выражения, описывающего спектр непрерывной голограммы. Имеющая место во втором слагаемом (1) свертка функции, описывающей спектры трех основных порядков дифракции непрерывной голограммы, с суммой дельта функций описывает обусловленное дискретным характером синтезированной голограммы периодическое повторение спектра поля, восстанавливаемого с помощью непрерывной голограммы. При этом период мультипликации спектра . Содержащееся во втором слагаемом выражения (1) произведение мультиплицированного спектра с функцией  свидетельствует о наличии зависящей от размера фокального пятна генератора изображения модуляции спектра восстановленного поля. Таким образом, на фиг.2, выполненной для случая объекта, характеризующегося полосой пространственных частот ±Δ/2, схематично представлен спектр амплитуды поля, восстанавливаемого с помощью дискретной голограммы. Отметим, что изображенные на нем пики, шириной 2Δ, соответствуют интермодуляционным помехам, в два раза более узкие пики - соответствуют спектрам изображений, восстанавливаемых в ±1 порядках дифракции голограммы, а стрелки - дельта функциям, описывающим обусловленное дискретизацией голограммы периодическое повторение спектра восстанавливающей волны.
Использование описанной выше мультипликации, позволяет восстанавливать безаберрационное изображение объекта при большем, по сравнению с опорным пучком, угле падения на голограмму восстанавливающего пучка лучей и, таким образом, предоставляет возможность упростить и сократить размеры устройства за счет восстановления изображения в высоких порядках дифракции.
При детальном анализе мультипликации спектра было получено выражение, позволяющее рассчитать угол падения восстанавливающей волны, обеспечивающий формирование в заданной области безаберрационного изображения объекта из разных порядков дифракции голограммы:
Таким образом, при восстановлении дискретных голограмм угол падения восстанавливающего пучка следует выбирать исходя из следующего выражения.
,
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Восстанавливающий плоский пучок лучей формируется оптической системой 2, состоящей из двухэлементного расширителя пучка, из излучения от когерентного источника 1 и падает под углом θ на поверхность синтезированной рельефно-фазовой отражательной голограммы 3, зафиксированной с помощью держателя 4, в результате чего в заданной области, где расположен узел фоторегистрации восстановленного излучения 5, формируется изображение объекта. В качестве примера реализации полезной модели можно привести устройство, состоящее из оптического стола на котором в держателе закреплена синтезированная рельефно-фазовая отражательная голограмма-проектор, на которую с помощью системы зеркал под определенным углом направляется восстанавливающий пучок лучей, сформированный двухлинзовым расширителем пучка из излучения лазера. При этом восстановленное изображение регистрируется с помощью стеклянной пластины покрытой слоем фоторезиста.
В ходе выполнения научно-исследовательских работ справедливость описанных выше результатов была подтверждена экспериментами, выполненными с помощью программного комплекса синтеза и цифрового восстановления голограмм-проекторов [5]. В ходе выполнения работ по практической реализации голографического варианта фотолитографического процесса, осуществляемого с помощью синтезированной голограммы-проектора, была показана принципиальная возможность и эффективность предлагаемой полезной модели для восстановления синтезированных голограмм.
Источники информации
1. Патент РФ №2210713, МПК G03Н 1/22, дата приоритета 27.04.2001, дата публикации 20.08.2003.
2. G.Voinin, U.Benner, F.Clube, et al., Microelectron. Eng. 41/42, 149 (1998).
3. Naullenau P.P., Salmassi F., Cullikson E.M., Liddle J.A. Design and fabrication of a high-efficiency extreme-ultraviolet binary phase-only computer-generated hologram. Appl. Optics. 2007. V.46. №14. P.2581-2585.
4. Корешев С.Н., Никаноров О.В., Козулин И.А. Выбор параметров синтеза голограмм-проекторов для фотолитографии. Оптический журнал. 2008. Т.75. №9. С.29-34.
5. Корешев С.Н., Никаноров О.В., Иванов Ю.А., Козулин И.А. Программный комплекс для синтеза и цифрового восстановления голограмм-проекторов: влияние параметров синтеза на качество восстановленного изображения. Оптический журнал, 2010, т.77, №1.