ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-3-433-441ntv-237Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGВлияние соотношения интенсивностей опорной и объектной волн на распределение интенсивности в формируемом с их помощью голографическом полеInfluence of the ratio of the intensities of the reference and object waves on the intensity distribution in the holographic fieldhttps://orcid.org/0000-0002-8728-6122КорешевС. Н.KoreshevS. N.

Корешев Сергей Николаевич — доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник

Санкт-Петербург, 194021

sc 6603811394

Sergey N. Koreshev — D. Sc. (Eng.), Professor, Leading Researcher

Saint Petersburg, 194021

sc 6603811394

koreshev@list.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4429-7929СтаровойтовС. О.StarovoitovS. O.

Старовойтов Сергей Олегович — аспирант; ведущий технический писатель

Санкт-Петербург, 197101

Санкт-Петербург, 191040

sc 57211837718

Sergei O. Starovoitov — PhD student; Leading Technical Writer

Saint Petersburg, 197101

Saint Petersburg, 191040

sc 57211837718

s.starovoitov95@gmail.comФилиал АО «Корпорация «Комета» – «Научно-проектный центр оптоэлектронных комплексов наблюдения»РоссияBranch of JSC Corporation “Kometa” – “Scientific and design center of optoelectronic surveillance systems”Russian FederationУниверситет ИТМО; Санкт-Петербургский информационно-аналитический центрРоссияITMO University; Saint Petersburg State Unitary Enterprise “Saint Petersburg Information and Analytical Center”Russian Federation202216122024223433441Copyright © Корешев С.Н., Старовойтов С.О., 20242024Корешев С.Н., Старовойтов С.О.Koreshev S.N., Starovoitov S.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/237Предмет исследования

Предмет исследования. Представлены результаты исследования влияния соотношения интенсивностей опорного и объектного пучков на модуляцию коэффициента пропускания синтезированных и аналоговых голограмм. Особое внимание уделено режиму формирования голограммы, при котором интенсивность объектного пучка превышает интенсивность опорного пучка (режим перемодуляции). Работа актуальна в случаях применения синтезированных голограмм в проекционной фотолитографии в глубоком ультрафиолете.

Метод

Метод. Выполнено математическое моделирование физических процессов записи и восстановления голо грамм-проекторов. Характеристический размер бинарного тестового объекта составил 80 × 80, длина волны используемого излучения 13,5 нм, размер пиксела голограммы 20 × 20, расстояние между плоскостями объекта и голограммы 20,4 мкм, угол падения плоской опорной волны 14°42′. Синтез и восстановление голограмм-проекторов выполнены в режиме перемодуляции, при различном ходе лучей в объектном пучке.

Основные результаты

Основные результаты. Показано, что небинаризованные синтезированные голограммы всегда отображаются и восстанавливаются как квантованные голограммы с интервалом квантования, в зависимости от параметров схемы синтеза. Установлено, что влияние режима перемодуляции на качество восстановленного изображения при использовании синтезированных голограмм значительно уменьшается при использовании аналоговых голограмм, но также определяется динамическим диапазоном интенсивности объектного пучка в плоскости синтеза голограммы. Отмечено, что при синтезе голограммы влияние режима перемодуляции минимально при использовании объектного пучка, сходящегося в центре голограммы.

Практическая значимость

Практическая значимость. Выбор правильного интервала квантования и соотношения интенсивностей опорного и объектного пучков позволяет обеспечить высокое качество восстанавливаемого изображения при использовании синтезированных голограмм-проекторов Френеля в проекционной фотолитографии в глубоком ультрафиолете.

The results of the research focused on the reference and object beam intensity ratio effect on the transmittance of computer-generated and analog holograms are presented. Particular attention is paid to the hologram synthesis mode in which the intensity of the object beam exceeds the intensity of the reference beam (overmodulation mode). The study is relevant in cases where computer-generated holograms are used in extreme ultraviolet projection photolithography. Mathematical modeling of the physical processes of recording and reconstructing holograms has been performed. The characteristic size of the binary test object was 80 × 80 nm, the radiation wavelength was 13.5 nm, the hologram pixel size was 20 × 20 nm, the distance between the object and hologram planes was 20.4 μm, and the incidence angle of the plane reference wave was 14°42′. Synthesis and reconstruction of holograms were carried out in an overmodulation mode, with different beam paths in the object beam. It is shown that the computer-generated holograms, unless binarized, are always displayed and reconstructed as quantized holograms with a quantization interval depending on the parameters of the synthesis scheme. It has been established that the influence of the overmodulation mode on the quality of the reconstructed image when using computer-generated holograms will be much less than in the case of using analog holograms, but will also be determined by the dynamic range of the object beam intensity in the hologram synthesis plane. It is noted that the influence of overmodulation mode is minimal if an object beam converging at the center of the hologram is used during synthesis. The choice of the adequate quantization interval and the ratio of the intensities of the reference and object beams will ensure high quality of the reconstructed image when using computer-generated Fresnel holograms in extreme ultraviolet projection photolithography.

голографиясинтезированные голограммывосстановление голограммыфотолитографияполутоновые голограммысоотношение интенсивностей объектного и опорного пучковрежим перемодуляцииholographycomputer-generated hologramshologram reconstructionphotolithographyhalftone hologramsintensity ratio between object and reference beamovermodulation modeИсследование выполнено при финансовой поддержке гранта НИРМА Физико-технического мегафакультета Университета ИТМО.The study is funded by RPMA grant of School of Physics and Engineering of ITMO University.ReferencesMaiden A., McWilliam R., Purvis A., Johnson S., Williams G.L., Seed N.L., Ivey P.A. Nonplanar photolithography with computergenerated holograms // Optics Letters. 2005. V. 30. N 11. P. 1300–4.Maiden A., McWilliam R., Purvis A., Johnson S., Williams G.L., Seed N.L., Ivey P.A. Nonplanar photolithography with computergenerated holograms. Optics Letters, 2005, vol. 30, no. 11, pp. 1300–1302. https://doi.org/10.1364/OL.30.001300Naullenau P.P., Salmassi F., Cullikson E.M., Liddle J.A. Design and fabrication of a highefficiency extreme-ultraviolet binary phase-only computer-generated hologram // Applied Optics. 2007. V. 46. N 14. P. 2581–2585. https://doi.org/10.1364/AO.46.002581Naullenau P.P., Salmassi F., Cullikson E.M., Liddle J.A. Design and fabrication of a highefficiency extreme-ultraviolet binary phase-only computer-generated hologram. Applied Optics, 2007, vol. 46, no. 14, pp. 2581–2585. https://doi.org/10.1364/AO.46.002581Cheng Y.-C., Isoyan A., Wallace J., Khan M., Cerrina F. Extreme ultraviolet holographic lithography: Initial results // Applied Physics Letters. 2007. V. 90. N 2. P. 023116. https://doi.org/10.1063/1.2430774Cheng Y.-C., Isoyan A., Wallace J., Khan M., Cerrina F. Extreme ultraviolet holographic lithography: Initial results. Applied Physics Letters, 2007, vol. 90, no. 2, pp. 023116. https://doi.org/10.1063/1.2430774Bay C., Hübner N., Freeman J., Wilkinson T. Maskless photolithography via holographic optical projection. Optics Letters, 2010. V. 35. N 13. P. 2230–2232. https://doi.org/10.1364/OL.35.002230Bay C., Hübner N., Freeman J., Wilkinson T. Maskless photolithography via holographic optical projection. Optics Letters, 2010. V. 35. N 13. P. 2230–2232. https://doi.org/10.1364/OL.35.002230Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2007. 416 с.Gusev A.I. Nanomaterials, Nanostructures, Nanotechnologies. Moscow, Fizmatlit Publ., 2007, 416 p. (in Russian)Корешев С.Н., Смородинов Д.С., Фролова М.А. Метод увеличения глубины резкости изображений плоских транспарантов, восстановленных с помощью синтезированных голограмм // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 11. С. 50–57. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-11-50-57Koreshev S.N., Smorodinov D.S., Frolova M.A. Method for increasing the depth of field of images of flat transparencies reconstructed using synthesized holograms. Journal of Optical Technology, 2018, vol. 85, no. 11, pp. 696–702. https://doi.org/10.1364/JOT.85.000696Ярославский Л.П., Мерзляков Н.С. Методы цифровой голографии. М.: Наука, 1977. 192 с.Jaroslavskij L.P., Merzljakov N.S. Methods of the Digital Holography. Moscow, Nauka, 1977, 192 p. (in Russian)Pan W. Multiplane imaging and depth-of-focus extending in digital holography by a single-shot digital hologram // Optics Communications. 2013. V. 286. N 1. P. 117–122. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2012.09.013Pan W. Multiplane imaging and depth-of-focus extending in digital holography by a single-shot digital hologram. Optics Communications, 2013, vol. 286, no. 1, pp. 117–122. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2012.09.013Bianco V., Memmolo P., Leo M., Montresor S., Distante C., Paturzo M., Picart P., Javidi B., Ferraro P. Strategies for reducing speckle noise in digital holography // Light: Science & Applications. 2018. V. 7. N 1. P. 48. https://doi.org/10.1038/s41377-018-0050-9Bianco V., Memmolo P., Leo M., Montresor S., Distante C., Paturzo M., Picart P., Javidi B., Ferraro P. Strategies for reducing speckle noise in digital holography. Light: Science & Applications, 2018, vol. 7, no. 1, pp. 48. https://doi.org/10.1038/s41377-018-0050-9Huang X., Jia Z., Zhou J., Yang J., Kasabov N. Speckle reduction of reconstructions of digital holograms using gamma-correction and filtering // IEEE Access. 2017. V. 6. P. 5227–5235. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2751540Huang X., Jia Z., Zhou J., Yang J., Kasabov N. Speckle reduction of reconstructions of digital holograms using gamma-correction and filtering. IEEE Access, 2017, vol. 6, pp. 5227–5235. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2751540Castaneda R., Garcia-Sucerquia J., Doblas A. Speckle noise reduction in coherent imaging systems via hybrid median–mean filter // Optical Engineering. 2021. V. 60. N 12. P. 123107. https://doi.org/10.1117/1.OE.60.12.123107Castaneda R., Garcia-Sucerquia J., Doblas A. Speckle noise reduction in coherent imaging systems via hybrid median–mean filter. Optical Engineering, 2021, vol. 60, no. 12, pp. 123107. https://doi.org/10.1117/1.OE.60.12.123107Корешев С.Н., Смородинов Д.С., Никаноров О.В., Громов А.Д. Обеспечение равной интенсивности элементов изображений бинарных объектов, восстанавливаемых с помощью синтезированных голограмм-проекторов // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 114. № 2. С. 318–323. https://doi.org/10.7868/S003040341302013XKoreshev S.N., Smorodinov D.S., Nikanorov O.V., Gromov A.D. Intensity equalization for elements for binary-object images reconstructed using synthesized hologram projectors. Optics and Spectroscopy, 2013, vol. 114, no. 2, pp. 288–292. https://doi.org/10.1134/S0030400X13020136Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1973. 686 с.Collier R.J., Burckhardt C.B., Lin L.H. Optical Holography. New York, NY, Academic Press, 1971.Hariharan P. Basics of Holography. Cambridge University Press, 2002. 174 p.Hariharan P. Basics of Holography. Cambridge University Press, 2002, 174 p.Jeong T.H. Basic principles and applications of holography // Fundamentals of Photonics. 2008. P. 381–417. https://doi.org/10.1117/3.784938.ch10Jeong T.H. Basic principles and applications of holography. Fundamentals of Photonics, 2008, pp. 381–417. https://doi.org/10.1117/3.784938.ch10Seelamantula C.S., Pavillon N., Depeursinge C., Unser M. Zeroorder-free image reconstruction in digital holographic microscopy // Proc. of the IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Micro (ISBI). 2009. P. 201–204. https://doi.org/10.1109/ISBI.2009.5193018Seelamantula C.S., Pavillon N., Depeursinge C., Unser M. Zeroorder-free image reconstruction in digital holographic microscopy. Proc. of the IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Micro (ISBI), 2009, pp. 201–204. https://doi.org/10.1109/ISBI.2009.5193018Castañeda R., Hincapie D., Garcia-Sucerquia J. Experimental study of the effects of the ratio of intensities of the reference and object waves on the performance of off-axis digital holography // Optik. 2017. V. 132. P. 274–283. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.12.062Castañeda R., Hincapie D., Garcia-Sucerquia J. Experimental study of the effects of the ratio of intensities of the reference and object waves on the performance of off-axis digital holography. Optik, 2017, vol. 132, pp. 274–283. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.12.062Seelamantula C.S., Pavillon N., Depeursinge C., Unser M. Exact complex-wave reconstruction in digital holography // Journal of the Optical Society of America A: Optics and Image Science, and Vision. 2011. V. 28. N 6. P. 983–992. https://doi.org/10.1364/JOSAA.28.000983Seelamantula C.S., Pavillon N., Depeursinge C., Unser M. Exact complex-wave reconstruction in digital holography. Journal of the Optical Society of America A: Optics and Image Science, and Vision, 2011, vol. 28, no. 6, pp. 983–992. https://doi.org/10.1364/JOSAA.28.000983Su W.-C., Huang C.-Y., Chen J.-Y., Su W.-H. Effect of recordingbeam ratio on diffraction efficiency of polarization holographic gratings in dye-doped liquid-crystal films // Optics Letters. 2010. V. 35. N 3. P. 405–407. https://doi.org/10.1364/OL.35.000405Su W.-C., Huang C.-Y., Chen J.-Y., Su W.-H. Effect of recordingbeam ratio on diffraction efficiency of polarization holographic gratings in dye-doped liquid-crystal films. Optics Letters, 2010, vol. 35, no. 3, pp. 405–407. https://doi.org/10.1364/OL.35.000405Johnson S. Stephen Johnson on Digital Photography. USA, Sebastopol, CA, O’Reilly Media, Inc., 2006. 305 p.Johnson S. Stephen Johnson on Digital Photography. USA, Sebastopol, CA, O’Reilly Media, Inc., 2006, 305 p.Корешев С.Н., Смородинов Д.С., Старовойтов С.О., Фролова М.А. Влияние структуры объектного пучка на качество изображения, восстанавливаемого с помощью синтезированной голограммы-проектора Френеля // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 7. С. 41–48. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-07-41-48Koreshev S.N., Smorodinov D.S., Starovoitov S.O., Frolova M.A. Influence of the structure of the object beam on the quality of images reconstructed using a synthesized Fresnel hologram-projector. Journal of Optical Technology, 2020, vol. 87, no. 7, pp. 417–421. https://doi.org/10.1364/JOT.87.000417Корешев С.Н., Смородинов Д.С., Старовойтов С.О. Влияние метода синтеза голограмм-проекторов и распределения фазы в плоскости объекта на качество восстановленного изображения // Компьютерная оптика. 2020. Т. 44. № 2. С. 203–208. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-613Koreshev S.N., Smorodinov D.S., Starovoitov S.O. Influence of computer-generated holograms synthesis method and phase distribution in the object plane on the quality of the reconstructed image. Computer Optics, 2020, vol. 44, no. 2, pp. 203–208. (in Russian). https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-613Корешев С.Н., Смородинов Д.С., Никаноров О.В. Влияние дискретности синтезированных и цифровых голограмм на их изображающие свойства // Компьютерная оптика. 2016. Т. 40. № 6. С. 793–801. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2016-40-6-793-801 2010, vol. 35, no. 13, pp. 2230–2232. https://doi.org/10.1364/OL.35.002230Koreshev S.N., Smorodinov D.S., Nikanorov O.V. Influence of the discreteness of synthetic and digital holograms on their imaging properties. Computer Optics, 2016, vol. 40, no. 6, pp. 793–801. (in Russian). https://doi.org/10.18287/2412-6179-2016-40-6-793-801Fu N., Liu Y., Ma X., Chen Z. EUV lithography: State-of-the-art review // Journal of Microelectronic Manufacturing. 2019. V. 2. P. 19020202. https://doi.org/10.33079/jomm.19020202Fu N., Liu Y., Ma X., Chen Z. EUV lithography: State-of-the-art review. Journal of Microelectronic Manufacturing, 2019, vol. 2, pp. 19020202. https://doi.org/10.33079/jomm.19020202Ежова К.В. Моделирование и обработка изображений: учебное пособие. СПб.: НИУ ИТМО, 2011. 93 с.Ezhova K.V. Image Modeling and Processing. St. Petersburg, NIU ITMO, 2011, 93 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.