（光学专业论文）六角形孔径平面微透镜阵列研究.pdf

西南大学硕七学付论文中文摘要 六角形孔径平面微透镜阵列研究 光学专业硕士研究生：张玉 指导教师：刘德森教授博导 中文摘要 为了适应科技的发展，光学元件的微型化势必使分立元件向阵列元件发展。 为发挥光子作为信息载体所具有的高速度、并行性、大容量和巨大的互连能力， 就要发展密集、规则排列、光性均匀的微透镜阵列。目前所使用阵列的透镜元多 是圆柱形或半球形的，尽管采用六角形排列其填充系数( 受光面积与总面积的比 率) 最高能达到9 0 7 左右，但仍不能很好消除透镜元问的空隙对光信息的漏泄， 所以不可能从根本上解决提高受光面积、减少光信息损失的问题。 本文针对提高填充系数这一问题，采用光刻离子交换的方法制作出六角形孔 径平面微透镜阵列。平面微透镜阵列是8 0 年代发展起来的新型微小光学阵列器 件。近年来，制作平面微透镜阵列的技术日益成熟，特别是光刻离子交换工艺， 这种方法制作的微透镜阵列排列整齐，透镜掩埋在基片表面之下，表面为平面， 光学性能均匀性好，具有较好的聚光、成像、准直、分路、变折等功能；同时单 元透镜直径小，密度高，可实现信息的大容量、多通道并行处理。本文对其制作， 光学特性的理论探讨，实验检测等都进行了较深入的研究，取得了一些有创新意 义的结果。 在理论上，以点源模型分折了离子热扩散的规律，得出以点源为模型的掩埋 式平面微透镜的折射率是关于离子交换窗口为中心的中心对称分布的。并以此模 型，探讨了六角形孔径的平面微透镜的光学特性和成像特性。在得到其光线轨迹 的基础上得到了像距、焦距等成像特性。 在实验上，多次实验确定了合适的离子交换温度、熔盐比例等，并制得了窗 口宽为0 3 m ，中心距为0 5 n l n 的样品，在现有的条件下，对样品的光学性能( 折 射率分布、截距、数值孔径等) 进行了较准确的测量，得到了较满意的效果。所 制作的六角形孔径平面徼透镜阵列，通过切片观察其截面发现交换区域发生微小 重叠，填充系数可达9 5 以上，达到制作高填充系数透镜阵列的目的。且经测量 发现其像差小，成像质量好。 关键词：平面微透镜阵列：六角形孔径；光刻离子交换；填充系数 两南大学硕十学伊论文 英文摘要 r e s e a r c ho ft h eh e x a g o na p e r t u r e p l a n a rm i c r o l e n sa r r a y m a o fo p t i c a lm a n a g e m e n t ：z h a n gy u i n s t r u c t o r ：p r o f e s s o rl i ud e s e n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n t , m i e r o m a t i o no fo p t i c sp a r tw i l l c a u s et h e d i s c r e t ec o m p o n e n ti n e v i t a b l yt ot h ea r r a yp a r td e v e l o p m e n t i no r d e rt od i s p l a yt h e p h o t o nt ot a k et h ei n f o r m a t i o nc a r r i e rw i t hh i g hv e l o c i t y , p a r a l l e l i s m , l a r g ec a p a c i t y a n dh u g ei n t e r c o n n e c t i o na b i l i t y , w em u s td e v e l o pd e i l s e r u l ea r r a n g e m e n t ，a n d u n i f o r mm i c r o - l e n sa r r a y b u ta tp r e s e n tt h ec e l la r r a yl e n si su s u a l l yc y l i n d e ro r h e m i s p h e r o i d ，a l t h o u g ht h eh e x a g o n sa r r a n g ei su s e d ，w h o s ef i l l f a c t o r ( t h er a t i oo f l i g h ta r e aa n dt o t a la r e a ) c a na c h i e v ea b o u t9 0 7 h o w e v e r , i ts t i l lc a n n o te l i m i n a t e t h el i g h ti n f o r m a t i o nl o s sw h i c hg o e st h r o u g ha m o n gt h el e n s e s a n df u n d a m e n t a l l y , i t w a si m p o s s i b l et os o l v et h eq u e s t i o nw h i c he n h a n c e st h el i g h ta r e aa n dr e d u c e st h el o s s o f l i g h ti n f o r m a t i o n i no r d e rt oe n h a n c et h ef i l l f a c t o r , i nt h i sp a p e rw ea p p l yt h em e t h o do ft h ep h o t o e t c h i n gi o n i ce x c h a n g et om a n u f a c t u r eh e x a g o na p e r t u r ep l a n a rm i e r o l e n sa r r a y t h e s e l f - f o c u sp l a n a rm i c r o l e n sa r r a yi san e wt y p em i c r oo p t i c sa r r a yc o m p o n e n t d e v e l o p e di n1 9 8 0 s r e c e n t l y , t e c h n o l o g yh a sm a d ep l a n a rm i e r o l e n sa r r a yb e c o m e m o r em a t u r o , e s p e c i a l l yp h o t oa c h i n gi o n i ce x c h a n g et e c h n i q u e s b yu s i n gt h i s m e t h o d ，w ec a nm a k eo r d e r l ya r r a y , w ec a l lb u r yt h el e n su n d e rt h es u b s t r a t es u r f a c e ， w h i c hi sp l a n e ，a n da l s ow ec a nm a k et h eo p t i c a lq u a l i t yu n i f o r m i t yw e l l a n dt h e p l a n a rm i e r o l e n sa r r a yh a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha sf o c u s ，i m a g e ，c o l l i m a t i o n ，s h u n t ， i n d e xc h a n g ea n ds oo n ；s i m u l t a n e o u s l yu n i tl e n si ss m a l li nd i a m e t e r , i sh i g hi nd e n s i t y , a n dm a yr e a l i z et h el a r g ei n f o r m a t i o nc a p a c i t yf o rt h ep r o c e s s i n go ft h em u l t ic h a n n e l p a r a l l e l t h i sp a p e rd i s c u s s e st h et h e o r i e so f i t sm a n u f a c t u r ea n do p t i c sc h a r a c t e r , p a y s m o r ea t t e n t i o nt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s , a n do b t a i n sm a n yi n n o v a t i v ef i n d i n g s i nt h e o r y , w en s et h ep o i n ts o u r c em o d e lt oa n a l y z et h el a wo fi o nt h e r m o d i f f u s i o n ，a n do b t a i nt h a tt h ei n d e xd i s t r i b u t i o ni sc e n t r o s y m m e t r i cb yt h ee x c h a n g i n g w i n d o w s a n db yt h i sm o d e l ，w ed i s c u s so p t i c sa n di m a g e r yc h a r a c t e r i s t i co ft h e h e x a g o na p e r t u r ep l a n a rm i c r o l e n sa r r a y o nt h eb a s i so ft h eb e a mt r a c k ，w ef i n do u t i 眄南大学硕十学伊论文英文摘要 m a n yi m a g e r yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha si m a g ed i s t a n c e , i n t e r e s t a f t e rs e v e r a le x p e r i m e n t s ，w ea s c e r t a i na p p r o p r i a t ei o n i ce x c h a n g et e m p e r a t u r e ， t h em e l ts a l tp r o p o r t i o ne t c 1 1 1 ew i n d o ww i d t ho ft h es a m p l ei s0 3 m m , a n dt h ec e n t e r d i s t a n c ei so 5 m m u n d e rt h ee x i s t i n gc o n d i t i o n s t h es a m p l eo p t i c a lq u a l i t y ( r e f r a c t i v e i n d e xd i s t r i b u t i o n , i n t e r c e p t ，n u m b e ra p e r t u r ee e t ) h a sb e e nc a r r i e do ni nnm o r e a c c u r a t es u r v e y , a n dw eg e tam o r es a t i s f a c t o r ye f f e c t s m a l lo v e r l a p so c c u r r e di nt h e c h a n g i n ga r e ao fh e x a g o na p e r t u r ep l a n a rm i c r o l e n sa r r a y , w i t ht h ef i l l f a c t o ro fm o r e t h a n9 5 ，w h i c ha c h i e v e st h eg o a lo f h i i 曲f i l l f a c t o rl e l l sa r r a y m o r e o v e r , w ef i n dt h a t t h ei m a g ed i s c r e p a n c yi ss m a l lw i t hn i c ei m a g i n gq u a l i t y k e y w o r d s ：p l a n a rm i c r o l e n sa r r a y ；h e x a g o na p e r t u r e ； p h o t o l i t h o g r a p h i c - i o ne x c h a n g i n g ；m b f a c t o r 独创性声明 学位论文题目： 盔鱼丝王l 垒垩应邀垂笾睦到盟窒 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者：张玉签字日期：2 0 0 7 年5 月l o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：张玉 导师签名：穷l 一t 乒乏乒一 签字日期：2 0 0 7 年5 月1 0 日 签字日期：劲刁年夕啁f j 日 两南夫学硕十学伊论文 第一苹前言 第一章前言 随着科学技术的飞速发展，人类历史已进入一个全新的信息化时代，发达的 信息产业和先进的信息技术相互促进以推动社会的发展。光子技术是信息技术的 重要支柱，微小光学( m i c r o o p t i c s ，m o ) 和微小光子器件( m i c r op h o t o n i c d e v i c e s ，m p d ) ，则是光子技术和光子器件中显露头角、发展十分迅速的一类光学 与微电子、微机械相互融合、交叉的前沿学科，是2 l 世纪信息领域的主要研究方 向之一。 微型化、阵列化、集成化是现代科学技术的一个显著特点，也是科学技术向 高层次发展的客观要求。随着科技的发展，光学元件的微型化势必使分离元件向 阵列元件发展，以发挥光子作为信息载体所具有的高速度、并行性、大容量和巨 大的互联能力，就要发展密集、规则排列、光性均匀的微透镜阵列。因此，微型 化、阵列化、集成化就成为微小光学发展的重要方向和当今高科技发展的前沿课 题“。微透镜阵列就是这样一种重要的微小光学基础元件。由于它具有单元透镜 直径小( 5 5 0 0 u m ) 、单元透镜密度高、排列整齐且排列精度高、对光信息( 文字 和图像) 有很好的聚焦、准直、交换、多重成像和综合成像能力，成为一种非常 好的耦合器阵列、连接器阵列“、分光器阵列、开关阵列6 1 、波分复用器阵列”1 、 图像识别器“1 、图像交叉互连元件旧，d w d m 系统。1 等，可广泛用于光纤通信、光纤 传感、光信息处理和光计算技术中，发挥了极重要的作用。 微透镜阵列的研制最早可以追溯到上世纪初采用机械雕刻技术，尺寸在数毫 米量级的“猫眼透镜板集成照相术”“”，但是尺寸越小制作技术越困难。上世纪 7 0 年代后期至今，随着光学微加工技术的发展，提出了一系列制作微透镜阵列的 方法，主要的有：平面光刻工艺和离子交换技术相结合的光刻离子交换工艺“”1 ， 光刻热熔工艺渺“1 ，光敏熟处理工艺睁脚，熔胶一凝胶工艺“”，粒子束刻蚀工艺“町 等，过去，我们也采用过前三种工艺制作了微透镜阵列，单元透镜的尺寸最小可 达到l o j m 。 但是，目前采用上述工艺制作的微透镜阵列，其透镜元多是圆柱形或半球形， 而且具有径向对称或旋转对称的折射率剖面，因而像差较小，在图像传输中有广 泛应用。有圆柱形或者半圆球形透镜构成微透镜阵列的典型排列方式有两种，如 下图所示 两南大学硕十学伊论文第一章前言 图1 1圆形孔径正方形排列图1 2 圆形孔径六角形排列 一是采用正方形排列“”( 图1 1 ) 。采用这种排列方式制作的微透镜阵列存在 的最大问题是填充系数( 定义为有效受光面积与总面积之比) 小，仅为7 8 8 。1 ， 这就是说，有约2 1 的光信息不能到达接收器，而是被透镜元问的空隙漏泄掉， 从而使传像分辨率下降，传输的光信息失真。二是采用六角紧密排列渊( 图1 2 ) 。 采用这种排列方式制作的微透镜阵列，填充系数可提高到9 0 7 “，但仍存在9 3 的光信息隙漏。总之，这两种排列方式，虽制作工艺简单，像差较低，但因不能 很好消除透镜元间的空隙对光信息的损耗，就不可能从根本上解决提高受光面积、 减少光信息损失问题。 在光信息的聚集、整形、耦合连接、光信息互连，成像以及要求光信息元无 损失的全部利用比提高传输图像像质更加重要的应用情况下，实现高填充系数就 成为微透镜阵列必须解决的一个关键技术难题，也是提高光子器件性能、发展新 型光子器件的关键。如对整体图像的传输、变换和接收、综合成像应用、激光监 测的多孔径光学系统、模拟生物复眼光学系统、c c d 等探测器耦合及多孔径光学 系统和可变倍率的复印机透镜阵列中，都要求光信息是无损耗( 像元数) 、无漏失 的传输，都要求微透镜阵列的受光面积在9 5 以上，即高填充系数情况。上世纪 8 0 年代末以来，不少学者在应用高填充系数的微透镜阵列制作高性能的多种光子 器件和提高微透镜阵列的填充系数方面的技术方面作了一些探索，有一定进展。 早在1 9 9 1 年，n t g o r d o n 啪1 等就对方形透镜阵列在红外探测器中的应用i j 景 作了分析；1 9 9 2 年，g h r t z n e r “3 1 等人研究了异形透镜阵列在波莳变换传感器中 的应用问题；同年，n f r a n c e s c h i n e 【2 ”等人讨论了在激光探测中使用由正六角形 透镜阵列以增大探测视场和接受大视场内全部信息的视觉控制问题：1 9 9 4 年， s o g a t a 。”等人讨论了采用正六角形透镜阵列模拟生物复眼的光学系统；1 9 9 7 年， g l u r o n g 啪1 等人采用单体聚合工艺，制作了高质量的p m 聚甲基丙烯酸甲酯) 方形透镜阵列；同年，n c h u t l e y 啪等人研究了采用方形透镜阵列制作c c d 传感 器系统以提高c c d 的探测效率的方案；2 0 0 1 年，d d a l y 在他的著作中对采用光 刻热熔工艺制作方形透镜阵列和六角透镜阵列问题进行了讨论，但仍存在像差大 两南大学硕+ 学伊论文 第一章前言 的困难：2 0 0 5 年韩艳玲采用手工排列的方法制作了3 * 3 的方形自聚焦透镜阵列( 图 3 ) ，其填充系数约为9 3 ，这比理论上的圆形微元方形排列微透镜阵列有所改善， 但由于制作工艺要求高，单元透镜均匀性难以精确控制，阵列排列困难，阵列尺 寸无法做到很小、透镜元问空隙较大且排列不够整齐，因而目前尚不能满足实际 应用的需要。从应用角度来讲，为了能全部传输信息，就必须提高透镜阵列的填 充系数，但到目前为止，微透镜阵列的透镜元通常都是圆球形，异形透镜元及其 阵列制作工艺还处于研究、探索阶段，而且还存在像差大的困难，这方面未见有 产品问世。因此，深入研究提高微透镜阵列填充系数的方法，制作出可以应用的 异形( 六边形、矩形、正方形等) 微透镜及异形微透镜元阵列仍是当前科技界面 临的重要历史任务。 图1 33 x 3 方形孔径正方形排列 为了提高微透镜阵列的受光面积、增大填充系数、改善像差特性，设计采用 光刻离子交换法制作六角孔径平面微透镜阵列。尽管解决微透镜阵列填充系数是 目前微透镜阵列在光子阵列及器件应用中急需解决的技术难题，是科学技术发展 的要求，是发展高新技术和光子阵列器件的需要，也是一个还未解决的技术关键， 理论和技术都有一定的难度，存在不少原创性工作。但通过深入地探索，我相信 一定能克服这些困难。 本文的主要内容有： 第二章首先简要介绍了变折射率介质的发展和微小光学的发展历史，并讨论 了平面微透镜的发展及其理论意义和实际意义。然后对各种微透镜阵列进行了评 述，最后介绍了微透镜阵列的发展历史与现状。 第三章介绍了玻璃的相关性质，特别是用于离子交换制作平面微透镜阵列的 玻璃应具备的特点。在理论上分析了离子交换和折射率分布的形成机制，探讨了 控制折射率分布的方法。最后对圆孔形成所须的微透镜，进行了理论分析。 第四章由费马原理出发探讨了平面微透镜的光线轨迹及成像特征。 第五章讨论了六角形孔径的平面微透镜阵列的实验室设计、研制工艺等。 第六章对六角形孔径平面微透镜阵列的一些光学性能进行了检测。 第七章讨论了平面微透镜阵列的近轴光学性质及成像特点。 西南人学硕七学付论文 第一章前言 参考文献 1 d e s i g no faw a v m u l t i p l e x e r - d e m u l t i p l e x e r eb yt h eu s eo fp l a n a rm i c r o l e n s e s ， a p p lo p t ，1 9 9 4 ，3 3 1 6 ：3 4 1 5 - 3 4 1 9 2 h a s h i z u m e ，k h a m a n a k a ，a c g r a h a m ，x f z h u ，t h e f u t u r eo fg r a d i e n t i n d e xo p t i c s ，s p i e 。2 0 0 1 ，v 0 4 4 3 7 ：2 6 - 3 9 3 】田中俊一，微小光学技术的现状和未来，光学1 9 8 7 ，1 6 1 2 】：4 2 4 d h r a g u i n ，s c h a k m a k j i a n 。n f a r m i g a ，e p r i n c e ，s w a r d ，c o l l i m a t o ra r r a y sf o r t e l e c o m m u n i c a t i o nl e n g t h p p l i c a t i o n s ，s p i e ，v 0 4 4 3 7 ：1 1 6 - 1 2 4 【5 】刘德森，光电子器件新技术讨论，到2 0 2 0 年中国通信科技发展方向及相关政策研讨 会讨论集，2 0 0 3 年1 1 6 - 1 2 3 6 e a c o s t a ，k i g a 等，平面微透镜阵列的制作及其基本特性，高技术通讯，1 9 9 6 ，6 ( 4 0 ) ：3 5 7 地a g u ，a a k i b a ，t m o c h i z u k i ，s k a m e m a r u ，m u l t i m a t c h e df i l t e r i n gu s i n g a m i c r o l e n sa r r a yf o ra l lo p t i c a l n e u r a lp a t t e r nr e c o g n i t i o ns y s t e m ，a p p lo p t ，1 9 9 0 ， 2 9 2 8 ：4 0 8 7 - 4 0 9 1 8 k h a m a n a k a 。h n e m o t o ，m o i k a w a ，e o k u d a ，t k i s h i m o t o ，m u l t i p l e ei m a g i n ga n d m u l t i p l ef o u r i e r t r a n s f o r m a t i o nu s i n gp l a n a rm i c r o l e n sa r r a y ，a p p lo p t ，1 9 9 0 ， 2 9 2 8 ：4 0 6 4 - 4 0 7 0 9 l y u f e n g ，f u n c t i o n so fg r i nl e n s e sa n da l i g n m e n t si nat h i n f i l md w d mf i l t e r ， s p i e ，2 0 0 1 ，v 0 4 4 3 7 ：9 9 1 0 7 1 0 i n d a v i e s ，m m c c o r m i c k ，m b r e w i n ，d e s i g na n da n a l y s i so fa l li m a g et r a n s f e r s y s t e mu s i n gm i c r o l e n sa r r a y ，o p te n g ，1 9 9 4 ，3 3 ( 1 1 ) ：3 5 2 4 3 6 3 3 【1 1 刘德森，微小光学的研究现状，物理，1 9 9 4 ，1 7 ( 3 ) ：3 2 1 【1 2 高应俊，刘德森，闫国安，高质量光刻胶微小透镜阵列研究，光子学报，1 9 9 6 ，2 5 ( 1 0 ) ：9 0 9 1 3 刘丹东，刘德森，闷国安，用光敏性制作的平面微透镜阵列的成像特性，光子学报， 1 9 9 5 ，2 0 z i ：3 9 3 1 4 i n f b o r r e l l i ，d l m o r e s ，r h b e l l n r a n ，w l m o r g a n ，p h o t o l y t i c t e c h n i q u e f o r p r o d u c i n gm i c r o l e n s e si np h o t o s e n s i t i v eg l a s s ，a p p lo p t ，1 9 8 5 ，2 4 ( 1 6 ) ：2 5 2 0 4 西南大学硕+ 学伶论文 第一章前言 1 5 i t c h i a ，l l h e n c h ，m i c r o o p t i c a la r r a yb yl a s e rd e n s i f i c a t i o no fg e l - s i l i c a m a t r i c e s ，s p i e 1 9 8 2 ，v 0 1 7 5 8 ：2 1 5 【1 6 j l t e w e l l ，a p p lo p t ，1 9 9 0 ，2 9 1 3 4 ：5 0 5 0 1 7 】1 9j - b a r ，k h b r e n n e r ，r e a l i z a t i o no fr e f r a c t i v ec o n t i n u o u sp h a s ee l e m e n t s - i t hh ig i id e s i g nf r e e d o mm a s ks t r u c t u r e di o ne x c h a n g e ，s p i e2 0 0 1 ，v 0 4 4 3 7 ，5 0 - 5 9 1 8 】纤维光学编写组，纤维光学，国防工业出版社，1 9 7 4 。北京 2 0 i n t g o n d o n ，c l j o n e s d r p a r d y ，a p p l i c a t i o no fm i c r o l e n st oi n f r a r e d d e t e c t o ra r r a y s 。i n f r a r e dp h y s ，1 9 9 1 ，3 1 ( 6 ) ：5 9 9 - 6 0 4 2 1 1 g a r t z n e r ，m i c r o l e n sa r r a y sf o rs h a c k - h a t t m a n nw a v e f r o n ts e n s o r s ，o p t e n g ， 1 9 9 2 ，3 1 6 】：1 3 1 1 1 3 2 2 2 2 n f r a n c e s c h i n e ，j m p i c h o n 。c b l a n e s ，f r o n ti n s e c t ，v i s i o nt or o b o tv i s i o n ， p h i l t r a n s r s o cl o n db ，1 9 9 2 ，3 3 7 ：2 8 3 2 9 4 2 3 s o g n t a ，j l s h i d a ，t s a s a n o ，o p t i c a ls e n s o ra r r a yi na na r t i f i c i a lc o m p o u n d e y e ，o p t e n g ，1 9 9 4 ，3 3 1 1 ：3 6 4 9 - 3 6 5 5 2 4 g l u r o n g ，b c h e n 。l p a n y ，d c h u n l e ，z z h o n g b i ，n o v e lm e t h o df o rf a b r i c a t i n g m i c r o l e n sa r r a y ，s p i e ，1 9 9 7 ，3 0 9 9 ：9 9 - 1 0 5 2 5 m c h u t l e y 。m i c r o l e n sa r r a y ，p h y se d u c ，1 9 9 4 ，2 9 ，p n n t e di nt h eu l ( 2 6 d d a l y ，m i c r o l e n sa r r a y ，l o n d o na n dn e wy o r k ，2 0 0 1 5 西南大学硕十学位论文第一二章平面微透镜阵列的发展现状 第二章平面微透镜阵列的发展现状 2 1 变折射率光学和微小光学i l i 由均匀介质构成的光学元件，对光的控制作用只发生在各光学界面上。为了 达到满意的成像质量，一般需要多个光学界面，使得光学系统的设计和制造复杂 化。变折射率介质中的折射率是可以逐点不同的，因而光在其中的传播方向可以 连续地改变。1 。用变折射率介质设计和制造光学仪器无疑具有极大的优越性，因 此不难理解变折射率光学这门研究交折射率材料的形成及光在其中传播规律的学 问，为什么自上世纪中页以来就深深地吸引着许多学者不断投身其中0 1 。 然而变折射率光学的发展却一直足比较缓慢的，直到1 9 6 9 年，出现了用离子 交换法制作的自聚焦棒透镜“1 ，才迈出了从理论到实用的关键步。自此以后变 折射率光学的发展明显加快了，并取得了一系列引人注目的成果。自聚焦棒透 镜迅速实现了商品化，并已作为耦合分波器件”用于光纤系统中及作为中继与传 输透镜用于光学内窥镜”1 。用自聚焦棒透镜排列而成的条形阵列称为复印机排透 镜，已被大量应用于复印机、电传机等现代办公设备中。1 ，由于这种阵列具有完 全不同于普通透镜成像的特点，而推动了人们对光学元件阵列综合成像性质的研 究m “1 。 在传统光学器件领域，也已取得了较大的成绩，出现了一批利用变折射率材 料的设计结果“”研究结果表明，轴向变折射率分布加一个球面等效于一个非球 面“”，而运用径向变折射率材料一般可使系统中的光学元件数减少三分之二而仍 保持其原来的光学性能“”。 虽然变折射率光学取得了不小的成绩，但这些成绩并没有原来所期望的那么 大。主要原因是按设计要求制作大尺度、大折射率差的变折射率材料出乎意料的 困难。目前最常用也是较成熟的方法是用离子交换法在玻璃中形成一定的变折射 率分布。幸运的是，在热扩散规律作用下得到的折射率分布与人们所希望非常相 近，而且工艺简单可靠，因而取得了很大成功。但离子交换法还存在着两个难以 克服的缺点。首先是离子扩散的速度非常慢，使得可获得的离子交换深度非常有 限，一般在三毫米以下。其次适合离子交换的玻璃种类非常有限，离子交换在绝 大多数光学玻璃中能够造成的最大折射率差小于0 0 2 ，而在专门研制的玻璃中能 够得到的最大折射率差一般也小于0 2 。此外且丽获得变折射率材料的手段还有 化学气相沉淀“”、硅凝胶玻璃“”及变折射率光学塑料“”等。变折射率光学的进一 步发展依赖于获得大尺寸、大折射率差的变折射率技术的突破。 离子交换工艺限制了制作大尺度的变折射率光学器件，但却很好地适应了光 学器件的微小化趋势。8 0 年代初发展起来的平面掩膜离子交换技术，打破了变折 6 两南大学硕十学竹论文第二章平面微透镜阵列的发展现状 射率光学中离子交换的传统模式，使得可在某个局部得到所希望的变折射率分布。 它借用了半导体工业中已成熟的平面掩膜光刻技术，与集成光学工艺有很好的兼 容性。用此法制作的平面微透镜阵列及自聚焦光波导等新型变折射率光学器件， 是变折射率光学器件阵列化与集成化的标志，是变折射率光学领域所取得的又一 新的重要进展。 光学元件和系统的微小化和集成化是当代光学技术的重要前沿之一。近十多 年这一领域的巨大进展直接促进了集成光学及微小光学等边缘学科的形成和发 展。平面微透镜阵列同时具有微小、集成和变折射率的特点，在它身上，集中体 现了集成光学、微小光学和变折射率光学多学科交叉的特点。 微小光学( m i c r o o p t i c s ) 一词是在1 9 8 3 年由日本电气公司的内田祯二首先 提出的伽1 ，它是随着在光纤通信、光盘拾光系统等中对微小光学器件有了越来越 多的需求的背景下发展起来的。随着光学元件微小化和集成化的迅猛发展，各种 各样的微小光学器件如微透镜、微型光路分束器、光波导等大量涌现，使得有可 能将米级大小的光学系统做成厘米、毫米甚至微米亚微米的尺寸。纳米光学出现 后，不少学者思考着能否做出几百甚至几十纳米的纳米光学元件，这是一个非常 引人思考的问题。由于大量采用了半导体工艺技术，使得这些微小光学系统具有 二维或三维集成的特点，又因为从系统的加工、制作、组装到成像质量分析都具 有其独特的地方，因而微小光学确立了自己的地位并受到了人们的重视。微小光 学的发展直接受益于变折射率光学的新进展，由于正是这些新进展构成了微小光 学的理论和器件基础“。现在国际上每两年召开一次变折射率光学和微小光学的 联合会议，会议上发表的论文也是很难区分是属于变折射率光学或属于微小光学， 这说明了在现阶段该两学科间密不可分的联系。方形自聚焦微透镜阵列是变折射 率光学的最新进展，也是微小光学中的重要器件。 2 2 变折射率光学发展历史 变折射率现象虽然人们认识的比较早，例如上文提到的“海市蜃楼”，但却 无从解释，认为是“蛟蜃之气所为”。直到十九世纪中期，人们才开始从科学角 度对变折射率光学现象进行研究。1 8 5 4 年j c m a x w e l l 研究了“f i s h e y e l e n s ”，常称之为g a x w e l lf i s h e y el e n s 。这种“透镜”是一个理想的球对称折 射率分布介质，其折射率分布以球心为对称中心，这种透镜的特点是能把球内的 点无像散地成像到共轭点，被称为理想的“绝对光学仪器”。由于其折射率分布 是不可能实现的，一直以来只有理论意义。 虽然人们已意识到了变折射率介质的潜在作用，但却一直没有制造出变折射 率介质，最早的有文献记载变折射率介质的形成是在1 8 8 6 年，德国s c h o t t 玻璃 7 两南大学硕t 学付论文 第二章平面微透镜阵列的发展现状 厂的工人发现熔化玻璃浇铸在圆柱形铁模中，然后迅速冷却，结果在表面能得到 微弱的折射率梯度。 1 9 0 5 年，r w w o o d 提出了轴对称的二次方折射率分布的一种透镜模型，并 获得了一种变折射率胶体棒。即有名的伍德透镜。这种透镜的端面是平的，但却 具有会聚和发散的作用。由于工艺的限制，这种透镜发展缓慢。 1 9 4 4 年，r k l u n e b u r g 在“鱼眼透镜”基础上提出了l u n e b u r g 透镜，其 折射率分布同样是球对称分布的r z 2 j 。它的特点是球外的物点能理想成像于透镜的 表面。这样就增强了其实用性。1 9 5 1 年米卡良又提出一种模型，该模型可以把子 午光线周期性的、无像差的会聚于一点。1 。 1 9 6 4 年前后，提出气体透镜波导的设想，并进行了几年的研究。这种波导的 工作原理是，使气体流过加热的管道，气体的温度在接近管道的内表面处上升， 而其密度则在此处下降，结果使折射率减小，管道内横截面上的折射率分布大致呈 抛物线状，中心较高，越近周边越低脚2 曰。但由于在技术上实现困难和成本太高 等因素，气体透镜的研究从1 9 7 0 年起实事上已中止了。 1 9 6 4 年日本东京大学的西泽和佐佐木申请专利，提出了在光学纤维形成与气 体透镜相类似的，中心部分有高折射率分布的通信用光传输线路。另一方面，英 国标准电信研究所的华裔科学家高锟等人在研究了玻璃中的光损耗主要原因后指 出，通过制造技术的改进，有可能制出能用于长距离通信的低损耗光学纤维。这 一成就为光通信的发展指明了道路，可以说是一个前驱性的创举。 1 9 6 9 年，日本板玻璃公司北野等人首次制成了自聚焦光学纤维，称为自聚 焦透镜，商品名讹户优： 1 9 7 0 年美国的康宁公司利用化学汽相沉积法制成了2 0 d b k m 的低损耗石英 光纤。这一事件标志着光纤通信时代的爆发性发展的到来，由此也带来了变折射 率光学的迅猛发展。 在我国，中科院西安光机所从1 9 7 2 年开始在著名光学专家、中科院院士龚 祖同的指导下开始了对白聚焦透镜的研究。1 9 7 4 年刘德森等人采用离子交换方法 制作出了自聚焦透镜实验样品。随后这方面的研究工作在我国深入展开，技术日 异成熟，并出现了一批学术价值很高的理论专著“。在1 9 9 1 年又利用电场辅 助的光刻离子交换工艺成功制作出球形平面微透镜阵列啪。近几年我们也开展了 对自聚焦透镜阵列的研究以及矩形白聚焦透镜阵列方面的研究。 2 3 变折射率透镜的分类 从研究和应用的观点来看，变折射率介质主要分三类： 1 球向变折射率介质，像m a x w e t lf i s h e y el e n s ，它可以在透镜内部点对 8 西南大学硕七学伊论文第章平面微透镜阵列的发甓现状 点完美成像；l u n e b u r gl e n s 可以对外部的物在透镜表面完美成像等。这种透镜 具有高的几何对称度；外形易加工；像差小；焦距短：成本低等优点在集成光学 和光纤通信中具有一定的应用空间1 。 2 轴向变折射率介质，它的主要作用是对透镜像差的消除。 3 径向变折射率介质。它主要分两类，一类是细而长的变折射率光纤，它主 要用在光纤通信中作为光信号的载体，是光通信的理想传输介质，目i ； f 己应用广 泛：另一类就是短而粗的自聚焦透镜。它不但有普通透镜导光、准直和成像等作 用，而且有体积小，数值孔径大，光斑小等独特的优点，是微小光学的最重要基础 元件。它在已在光纤通信系统，光传感系统、光信息处理、传真复印系统以及医 用内窥镜等领域获得了广泛的应用。 2 4 变折射率介质的制造技术 早期的一些尝试说明变折射率介质是可以制作出来的。像上文提到过的德国 s c h o t t 玻璃厂的发现等等。最早的自聚焦透镜是用离子交换法制造出来的，首先 报导的是日本的板玻璃公司。 现在离子交换技术已作为一种成熟的技术广泛应用在自聚焦透镜的生产当 中。但这种技术也存在局限性，例如样品尺寸不能过大，折射率和折射率分布的 控制较难等等。所以近年来又有一些新的制作工艺出现，s e lg e lg l a s s ”。4 “， g l a s sf u s i o n 她赫1 ，c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 3 和p l a s t i cc o p o l y m e r i z a t i o n 3 7 1 方法。每种方法都可制作出变折射率介质，但都有各自的局限。总的来说，离子 交换方法仍是最经济最实用最广泛的制造技术。 到目前为止，发展起来的制作变折射率介质的方法有很多种，其中最主要的 几种如表2 1 所示“”。 表2 一l 制作变折射率介质的基本方法 9 西南大学硕十学位论文 第一二章平面微透镜阵列的发展现状 2 5 各种微透镜阵列的评述 回顾电子技术所走过的道路，我们可以清楚地体会到光学元件和系统微小化 和集成化的意义。然而，要象集成电子线路中把二极管及电阻等集成在一起那样， 把具有不同功能的光学元件集成在单一基片上而构成某种功能块的尝试却遇到了 极大的困难，较易于实现的技术路线是首先将大量单一功能的元件如透镜、波导、 光源及探测器等集成在单一材料基片上，然后把具有各种不同功能的基片叠合起 来，依靠三维空问的扩展实现所要求的功能。k i g a 提出的叠合平面光学( s t a c k