（光学专业论文）方形平面微透镜阵列的实验研究及理论初探.pdf

一 文 - 独创性声明 i i i ii 1i ii i1 1 ti iii ii iiii y 18 8 2 8 6 5 学位论文题目：左蒸垩亘邀透鱼隍到鲍塞验珏壅及堡诠塑拯 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文慨维峙 签字吼圳年多月舢 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( 筹) 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： 签字日期：幽，1 年多月口日 导师签名：周彖裤导师签名：周不得 签字日期：j p f 年j 月o 日 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 平面微透镜阵列的发展概况2 1 3 平面微透镜阵列的应用前景3 1 4 本文的研究意义及主要内容5 参考文献6 第二章方形孔径平面微透镜阵列的设计8 2 1 引言8 2 2 离子交换8 2 2 1 离子交换玻璃9 2 2 2 离子交换的扩散规律9 2 3 平面微透镜阵列的模板设计1 1 2 4 小结1 4 参考文献1 5 第三章方形孔径平面微透镜阵列的制备1 6 3 1 引言1 6 3 2 平面微透镜阵列的制作原理1 6 3 2 1 准备工作1 6 3 2 2 光刻工艺1 8 3 2 3 离子交换工艺1 9 3 2 4 祛钛工艺2 0 3 3 实验结果的讨论2 2 3 5 小结2 3 参考文献2 4 第四章方形孔径平面微透镜阵列的光学性能测试2 5 4 1 引言2 5 4 2 数值孔径2 6 4 3 焦斑2 8 4 4 折射率分布2 9 4 5 小结3 2 参考文献3 4 第五章方形平面微透镜阵列的应用3 5 5 1 引言3 5 5 2 平面微透镜阵列的莫尔条纹显示3 5 5 2 1 微透镜放大倍率与元件结构参数的关系3 6 5 2 2 微图形放大倍率与元件结构参数的关系3 7 5 3 微图形动态显示效果与元件结构参数的关系3 8 5 3 1 微图形与微透镜阵列光栅走向的夹角 对莫尔条纹显示效果的影响3 8 5 3 2 观察距离对微透镜阵列莫尔条纹显示效果的影响3 9 5 3 3 观察角度对微图形动态显示效果的影响4 0 5 4 微透镜阵列特殊显示效果设计4 2 5 5 小结4 4 参考文献4 5 第六章结束语4 6 6 1 主要内容回顾4 6 6 2 本论文的不足之处4 6 6 3 今后工作的几点设想4 6 攻读硕士期间工作情况4 7 致谢4 8 西南大学硕+ 学佛论文 摘要 方形平面微透镜阵列的实验研究及理论 初探 光学专业硕士研究生：张凤军 指导教师：周素梅副教授 摘要 近年来，平面微透镜阵列的制作技术日益成熟，特别是光刻离子交换工艺由 这种方法制作的微透镜掩埋在平面的玻璃基片表面以下，不仅光学性能均匀性好， 而且阵列排列整齐具有较好的聚光、成像、准直、分路、变折等功能；同时由于 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。本文着重对 平面微透镜阵列的设计、制作工艺、性能测试进行研究，采用光刻离子交换在特 制的玻璃基片上制备出新型的平面微透镜阵列方形孔径平面微透镜阵列。通 过对离子交换制作技术进行完善，对设计模型及工艺参数进一步优化，使微透镜 阵列的光学性能进一步增强，填充因子和聚光效率提高到较为理想的值；这种平 面微透镜阵列在提高探测器的灵敏度以及其它微光学成像系统、光学处理器等方 面将得到广阔的应用。 在理论上，本文以点源扩散作为理论基础，分析了离子热扩散的规律，得出 以点源扩散为模型的掩埋式平面微透镜的折射率是以离子交换窗口为中心的对称 分布。基于此模型，实验室提出了新型的方形孔径平面微透镜阵列，设计了其理 论的模板，同时探讨了方形孔径平面微透镜阵列的光学特性和成像特性。 在实验上，通过多次实验测量选择了合适的离子交换温度、熔盐比例、祛钛 工艺并进行了模板参数的优化，并成功制备了窗口宽为0 2 m m ，中心距为0 8 m m 的微透镜阵列；并通过微小光学测试系统，较准确的测量了样品的光学性能( 如折 射率分布、截距、数值孔径等) ，其填充系数可达9 5 以上。测量结果显示该透镜 阵列的抗压抗高温能力强，像差较小，成像质量均匀。 对微透镜阵列结构进行深入研究的过程中，本文还发现了微透镜阵列对微图 形的放大效应莫尔条纹。对微透镜阵列结构参数、微图形结构参数与微图形 阵列移动速度、移动方向以及放大倍率几者之间进行分析，并利用微透镜阵列实 现了对微图形放大、动态、立体的显示。 关键词：平面微透镜阵列；光刻离子交换；方形孔径；填充系数；莫尔条纹 西南大学硕十学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d ya n d t h e o r e t i c a ld i s c u s s i o no ft h e s q u a r ea p e r t u r ep l a n a rm i c r o l e n sa r r a y m a jo r ：o p t i c s a d v i s o r ：a s s o ci a t ep r o f s u m e iz h o u a u t h o r ：f e n g j u nz h a n g a b s t r a c t r e c e n t l y , a st h ef a b r i c a t i o no fp l a n a rm i c r o l e n s 、析t ht h et e c h n i q u e so fl i t h o g r a p h i c i o n e x c h a n g ea r r a yb e c o m em o r em a t u r e ，t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fm i c r o l e n sa r r a y w h i c hb u r i e di nt h eg l a s ss u b s t r a t ei su n i f o r m i t ya n du n i tl e n sa r ea r r a n g e dv e r yw e l l t h i st y p eo fp l a n a rm i c 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 n g ，i m a g i n g ， c o l l i m a t i o n , s h u n t i n g ，i n d e xc h a n g i n ga n ds oo n m e a n w h i l e ，t h ec a p a c i t yo fl a r g e i n f o r m a t i o ns t o r a g ea n dt h em u l t ic h a n n e lp a r a l l e lm a yb ec o m et r u e 、析t l lt h eu n i tl e n s w h i c hi ss m a l le n o u g hi nd i a m e t e ra n dh i g hd e n s i t y i nt h i sp a p e r , w ep l a c e de m p h a s i s u p o nt ot h ed e s i g n i n go fp l a n a rm i c r o l e n sa r r a ya n dt h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g ya tf i r s t t h e r e f o r e ，w ef o c u s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ep l a n a rm i c r o l e n sa r r a yd e s i g n , p r o d u c t i o np r o c e s sa n dp e r f o r m a n c et e s t i n gi nt h i sp a p e r f r o mt h i sw o r k ，an e wt y p eo f s q u a r ea p e r t u r ep l a n a rm i c r o l e n sa r r a yw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l yt o a c h i e v et h ef i l lf a c t o ro p t i m i z a t i o n ，a n dt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fm i c r o l e n sa r r a ya r e f b r t h e re n h a n c e d 、析t l li m p r o v e m e n to fi o n - e x c h a n g et e c h n o l o g ya n do p t i m i z a t i o no f m o d e ld e s i g na n de x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s s o ，t h ef i l lf a c t o ra n dt h ep h o t o s p o t e f f i c i e n c yw i l lb ei m p r o v e dt oa ni d e a lv a l u ea n dt h i sp l a n a rm i c r o l e n sa r r a yr e a l i z ea b r o a da p p l i c a t i o ni ni m p r o v i n gd e t e c t i o nt h es e n s i t i v i t y , o t h e rm i c r o - o p t i c a li m a g i n g s y s t e m sa n do p t i c a lp r o c e s s o r s ，e t c i nt h e o r y , w ea n a l y z e dt h el a wo fi o nt h e r m a ld i f f u s i o no fs q u a r ea p e r t u r ep l a n a r m i c r o l e n sa r r a y 、访mm e t h o do fp o 缸s o l i c ea n do b t a i n e dt h ei n d e xd i s t r i b u t i o nc u r v e s w h i c hw a sc e n t r o s y m m e t r yf r o mt h ec e n t e ro fm i c r o l e n su n i tt ot h eb r i n k w i t ht h i s w o r k ，w ed i s c u s s e dt h eo p t i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ei m a g i n gq u a l i t yw i t hs q u a r e a 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 s w i t hs e v e r a le x p e r i m e n t a ls t e p s ，w ep u tt h es u b s t r a t ei n t ot h em i x e dm o l t e ns a l t 、析t l lac e r t a i np r o p o r t i o nt oe x c h a n g ei o no nt h eg l a s ss u b s t r a t ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e i l 西南人学硕十学伊论文 a b s t r a c t a n dc o r r o d e dt h e1 0m i c r o nl a y e ro ft i t a n i u mf i l mo nt h es u b s t r a t e 、析t l la na p p r o p r i a t e p r o c e s s b a s e do nt h ew i n d o w sw i d t ho ft h es a m p l ei s 0 2 m ma n dt h ec e n t e rd i s t a n c e b e t w e e na d j a c e n c yl i s tw a so 8 m m ，t h eo p t i c a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ( s u c ha s r e f r a c t i v ei 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 ea n ds oo n ) o fs a m p l eh a v eb e e n c a r r i e do nw i t ham o r ea c c u r a t es u r v e yb yt h ec c di m a g i n gs y s t e ma n dj a sm i n g i n t e r f e r o m e t e r h o w e v e r , w eg o tam o r es a t i s f a c t o r yr e s u l tt h a tt h ef i l l f a c t o ro fs q u a r e a p e r t u r ep l a n a rm i c r o l e n sa r r a yi sm o r et h a n9 8 a n dt h ei m a g i n gd i s t o r t i o ni sv e r y s m a l l w i t hf u r t h e rr e s e a r c ho nt h em i c r o l e n sa r r a y , s q u a r ea p e r t u r ep l a n a rm i c r o l e n s a r r a yh a dt h ea m p l i f i c a t i o ne f f e c to nm i c r o g r a p hw h o s eu n i ts i z ei sa p p r o x i m a t et ot h e p a r a m e t e r so fm i c r o l e n sa r r a y b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm o i r ef r i n g e ，w ei n v e s t i g a t e d t h ep a r a m e t e r so fm i c r o s t r u c t u r e ，v e l o c i t ya n dd i r e c t i o no fm o v e m e n t ，m a g n i f i c a t i o n 谢t ht h em i c r o g r a p h i ca r r a y t h e r e f o r e ，a m p l i f i c a t i o no fm i c r o g r a p h ，3 - d i m e n s i o n d y n a m i cd i s p l a yw o u l db ea v a i l a b l e 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 s ；s q u a r ea p e r t u r e ；l i t h o g r a p h i n g ；i o ne x c h a n g e ； f i l l - - f a c t o r ；m o i r e f r i n g e i i i 西南大学硕十学何论文绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着近代光信息技术的迅速发展，光电子仪器及元件都发生了巨大的变化， 光学元器件已不再是常见的折射透镜、棱镜、反射镜，出现了新型的光学元件诸 如全息透镜、衍射元件和梯度折射率透镜；而且光学元件的尺寸已有了大大的变 化，出现了尺寸在微米量级的微小型光学元件，使得光学系统和光电仪器也步入 小型化、阵列化和集成化。 微小光学( m i c r o - o p t i c s ) 一词是由日本电气公司内田祯二教授于1 9 8 1 年首先 提出的n 1 ，主要是指变折射率透镜和微透镜阵列。经过多年的不断发展，微小光学 已经形成了一个比较完整的新学科。得到了迅速的发展，尤其是自1 9 8 8 年以来， 截止1 9 9 2 年在西班牙召开的微小光学国际会议，已经举行过十多次有关微小光学 的专题国际学术讨论会。微小光学是研究微米、亚微米级尺寸光学器件的设计、 制作工艺，以及应用这种器件以实现光波的发展、传输、变换和接收的理论和技 术的新学科。该学科涉及到器件的设计、材料研制、精细加工、器件集成，以及 光纤传感、光学信息处理、成像系统、光通信、光计算、光互连、光盘、光学神 经网络和生物器件等应用研究领域，并利用其实现光束发射、聚焦、准直、偏转、 分束、复合、开关、耦合、接收等功能。微小光学也与微机械、微电子学、微加 工、材料科学、信息科学等学科相互融合，彼此渗透，是现代光学领域研究前沿 的一个重要分支 2 3 。这种“微工程的兴起和发展对二十一世纪的科学技术 特别是信息传输工程将产生巨大的影响和推动。 微小光学迅速发展的一个重要标志是新型的阵列光学器件的涌现。随着光学 元器件的不断发展，势必使分立元器件向微型化，阵列化元器件发展。要发挥光 子作为信息载体所具有的并行性、高速度及巨大的互连能力，就必须发展二维和 三维光电子和光子元器件阵列。微小光学阵列器件的出现促进了微小光学应用的 快速发展，而阵列器件的发展在很大程度上又依赖于“微加工 技术。微加工技 术是指利用一定量的粒子或分子( 如电子束、离子、分子、激光、x 射线、紫外光 等) 与基片表面产生的物理或化学过程来达到某种特定加工目的。现有阵列器件的 微加工工艺有经典法 4 、成形法 5 6 、变折射率法 7 8 、气相沉积法 9 、 溶胶一凝胶加工法等 1 0 1 1 。二维光学阵列器件的一个关键问题是在于研究光信 息在阵列器件中和二阵列间的分支、成像、传输、变换及耦合等特性，这一研究 领域通常称为“阵列光学”( a r r a yo p t i c s ) 1 2 1 3 。由于光学元件列阵是由多 个相同的单元光学元件规则排列而组成，因此就单个光学元件，其光学特性完全 一样，但就阵列整体而言，又有独特的光学性能 1 4 ，其特性比较见表卜l 。 西南大学硕十学何论文 绪论 表1 - 1 阵列器件和分立器件特性比较 凡是将一个光的信息输入变换成多个光的信息输出，而器件的尺寸在微米量 级的功能器件或系统就称为微小光学阵列器件或微小光学阵列技术。显然，这种 器件或技术的目的是为了获取阵列成像或多重成像，以适应近代图像中获取平行 处理和高速处理的功能，实现多通道读写、光互联、光网络、阵列采样等技术， 用于高速光通信、光计算、网络系统以及高速、超高速图像处理上。 1 2 平面微透镜阵列的发展概况 变折射率一词，是我国应用光学创始人之一、著名光学专家、中国科研院院 士、中国科研院西安光学精密机械研究所原所长龚祖同教授于1 9 7 4 年提出来的。 变折射率介质是一种折射率不是常数，而按一定规律变化的介质，因此变折射率 介质是一种非均匀介质。对这种介质也有人将其称为梯度折射率介质、渐变折射 率介质。常用的变折射率介质有3 类：第1 类是轴向变折射率介质，其折射率沿 光轴方向连续变化，等折射率面是与光轴垂直的平面。第2 类是径向变折射率介 质，其折射率从光轴到周边沿横向连续变化，等折射率面是围绕光轴的同心圆柱 面，在特定的条件下，折射率随横向距离的变化满足抛物线的规律，着就是自聚 焦介质。第3 类是球向变折射率介质，其折射率是以某一定点为中心沿径向连续 变化，其等折射率面是一系列同心球面。 对于变折射率介质研究的蓬勃发展，始于1 9 6 9 年成功的研制出了变折射率介 质。早在1 9 6 4 年，日本的西泽、佐佐木根据早已存在的利用离子交换工艺来改变 玻璃表面折射率的技术，大胆地提出了采用离子交换工艺制作变折射率介质的设 想，并发表了一篇著名的专利文章。西泽等人的设想，于1 9 6 8 年经过川上彰二朗 和西泽的进一步研究，终于在1 9 6 9 年，由日本板硝子株式会社的北野一郎等人采 用离子交换工艺成功的研制出了变折射率介质透镜，当时称为自聚焦透镜。 平面微透镜阵列的发展主要在2 0 世纪8 0 年代，在微电子技术的基础上，光学 加工工艺有了快速的发展。在1 9 8 1 年，日本的k i g a 等人首先采用离子交换法， 在一块b k 7 平板玻璃上基片上制成了直径1 2 毫米，焦距9 7 毫米，有效数值孔径 0 0 5 的平面微透镜阵列n9 1 ，它奠定了平面微透镜的基本模式。自此以后，相继很 多人也投入了大量工作，在理论和实验方面对平面微透镜阵列做了大量的研究， 2 两南大学硕七学何论文 绪论 取得了一些进展。1 9 8 9 年，m o i k a w a 等人发现了离子交换引起的透镜表面突起效 应，使平面微透镜的数值孔径达到了0 5 7 啪1 。1 9 9 4 年德国m a n n h e i m 大学j b a h r 等人在一种新型的玻璃( b g g 3 5 ) 基板上制作了平面微透镜阵列啦，实验上成功的 制备了平面微透镜阵列，理论上对其光学特性和应用也进行了大量分析。为了提 高离子交换速度及便于控制交换所形成的折射率分布，发展了电场辅助离子交换 工艺，从而使得制作一块平面微透镜阵列的离子交换时间大大缩短，也使离子交 换后折射率分布的规律便于控制。日本板玻璃公司也投入了大量的工作，最终生 产了平面微透镜阵列。 在国内，随着光学系统向着微型化、集成化的不断发展，微小的自聚焦透镜 被广泛应用到很多领域，因为自聚焦透镜具有良好的准直、聚光及成像等特性， 可以大大改善光学系统的性能，自聚焦透镜阵列( s l a ) 是在自聚焦透镜基础上发 展起来的新型透镜阵列，也被广泛的应用于成像及图像处理等设备中。西安光学 精密机械研究所从1 9 8 6 年从事平面微透镜的研制工作以来，在离子交换理论、制 作工艺及平面微透镜的成像理论等方面做了大量工作，取得了很好的研究成果。 但当前制作及应用的大多都是圆柱形或半球形自聚焦透镜元，其组成的透镜阵列 存在间孔隙大，部分光信息泄漏等缺点，为了解决这一问题，近几年，西南大学 开展了异形孔径平面微透镜阵列研究，在刘德森教授的带领下取得了一定进展。 提出了方形和六边形孔径平面微透镜阵列，这种阵列可以增大受光面积，减少孔 隙间信息泄漏，提高了填充系数，从而大大提高光信息传输性能。目前根据实验 的结果，优化了模板的参数，实验过程得到了很大的改进，争取能成功制备出几 个样品，并对其光学特性进行测量，为此实验室搭建了微小光学测试系统，并进 一步从理论上也去分析与实验结果进行对照，希望取得新的成果。 1 3 平面微透镜阵列的应用前景 随着微小光学的不断发展，大量的仪器设备己朝着光、机、电一体化集成的 趋势发展。变折射率微透镜阵列具有体积小、重量轻、便于集成化、阵列化等优 点，已成为新的发展方向。而且微透镜阵列是目前应用得比较广泛的一种微光学 元件，它被广泛地应用于光束整形n 5 1 引、光学器件互连n7 1 、三维成像n 阳等领域。 下面分别给予介绍。 1 微透镜阵列在c c d 系统中非成像聚光的应用 把微透镜阵列应用于c c d 系统中可以实现非成像聚能元件功能，从而提高系 统的光能利用率。先进的可见光及红外焦平面阵列( i r f p a ) 、大阵列c c d 面阵技 术的发展使现代光学系统对这种聚光、聚能元件的性能有很多的需求，而且对器 件的尺寸、阵列规模及均匀性能指标的要求也相应提高。在军用红外焦平面阵列 西南大学硕+ 学位论文 绪论 方面这一功能显得尤为重要，微透镜阵列已成为高质量、高效率的红外焦平面阵 列的一个重要组成部分。 2 微透镜阵列在多重成像系统中的应用 以往产生多重像有多种办法，都需要先得到光强分布均匀的点阵，用二维衍 射光栅产生的点阵要精确调节光栅参数( 空占比、深度等) ，才能得到特定间距的 均匀点阵；而用微透镜阵列，能产生与微透镜具有相同阵列分布的多重像。而微 透镜可以做成任意的位置分布，甚至可以不成阵列，有不同焦距，因而这种方法 具有较大的灵活性。 3 微透镜阵列在密集多载波光波分复用器中的应用 光波分复用器是实现光波波分复用传输的关键器件，近年来，各种类型的波 分复用器发展很快。目前研究最热门的是采用紫外光直接写入式光纤布拉格栅结 构，另外，还有光纤法布里一珀罗谐振型( f f p ) 和声光调谐型等波分复用器件。 法布里一珀罗型波分复用器件由两段尾纤和一个或两个谐振组成，谐振腔通过外 置反射镜或光纤端面蒸镀介质反射膜形成，腔长通过机械、温度或电控的液晶等 来调节；声光调谐型波分复用器件主要是利用光耦合作用来对波长进行滤波的。 无源型波分复用器件虽然不能利用反馈技术进行自动信道跟踪和锁定，对光源波 长稳定性的要求较高，但是器件本身结构较简单，使用方便。无源型波分复用器 件可分为下述三种类型：干涉滤光片型、角色散型( 包括光栅型和棱镜型) 、熔融 光纤型。 4 微透镜阵列在s h a c k - - h a r t m a n n 波前传感器中的应用 衍射微透镜列阵元件具有很多独特的优点，它们能够由计算机灵活地设计， 满足各种需要，具有很高的集成度并可批量复制，在波前传感、整形、光信息处 理、激光扫描、提高列阵探测器填充因子等多方面被广泛应用。h a r t m a n n 方法最 初用在天文上对变形波前进行测量，后来多被光学测量问题采用。小型实时的 s h a c k - - h a r t m a n n ( s h ) 传感器的真正实现归功于微透镜列阵的引入。随着二元光 学技术制作微透镜列阵方法的成熟，灵巧的微透镜列阵与c c d 传感器及高速计算 机结合，使s h 方法产生了突破。人们已把s h 波前传感器用于自适应光学和c 0 2 激光材料处理系统。 5 微透镜阵列线性扫描器 目前，实现线性扫描的光学系统常采用f0 透镜，然而f0 透镜的结构复杂， 其设计和加工也比较麻烦，而且价格昂贵。而微透镜阵列线性扫描器具有扫描灵 敏度高、扫描范围大、体积小、重量轻、结构紧凑、成本低廉等优点，可以取代 结构复杂、价格昂贵的f0 透镜系统，实现线性光学扫描。 上面的论述表明微透镜阵列是一种及其重要的微小光学元件，把微透镜阵列 4 两南大学硕十学何论文 绪论 引入光学系统后，使得光学系统的结构得到了简化、性能得到了提高、成本得到 了降低。随着微细加工技术的发展，人们所能制造出来的微透镜的性能、质量也 相应地提高了，这为微透镜阵列在现代光学系统中的进一步广泛应用创造了条件。 在微小光学技术迅速发展的明天，微透镜阵列的应用前景将更加广泛。 1 4 本文的研究意义及主要内容 微透镜阵列是理想的成像、藕合器件，在微型光学系统和集成光学中具有广阔 的应用前景，在光信息的聚集、整形、祸合连接、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。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方形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；微透镜阵列的研究是微小光 学的一个重要内容，因此，该选题具有重要理论意义和实际意义。 本文的主要内容： 第二章简要介绍了变折射率微透镜阵列的离子交换理论，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；并讨论了制备方形孔径平 面微透镜阵列的模板设计理论依据。 第三章分析了用于离子交换工艺制作平面微透镜阵列的玻璃的特性：介绍了方 形孔径的平面微透镜阵列的制备工艺；并成功制备了方形孔径微透镜阵列，不仅 成像质量好，还较好地消除了圆形孔径平面微透镜中所存在的空隙，使填充系数 得到了较大提高，由于变折射率区域变化均匀，同时也很好的改善透镜元间的空 隙对光信息的漏失，进而减小光信息在传输中的失真问题。 第四章对方形孔径平面微透镜阵列光学性能( 数值孔径、焦距、光斑等) 进行 了检测；微透镜阵列的光学性能测试是微透镜阵列的生产及应用中及其重要的环 节，通过光学性能的测试，不仅可以衡量微透镜的质量，更重要的是可以作为生 产者改进微透镜阵列质量的参考及依据 第五章利用莫尔条纹原理，平面微透镜阵列对微图形的放大效应，可获得图像 交替显示的动态效果，实现了平面微透镜阵列微透镜阵列的动态显示。本章所讨 论的显示方法具有很多独特的优点，该研究结果除用于图形动态显示以外，还可 以用于商品的防伪等 第六章总结与展望 两南大学硕十学何论文 绪论 参考文献： 1 k n i s b i z a w a , e t a l m i c r o o p t i c sr e s e a r c ha c t i v i t i e si nj a p a n p r o c s p i e ，19 9 2 ， 1 7 5 1 1 7 5 4 2 伊贺健一微小光学应用物理，1 9 8 6 ，5 5 ( 7 ) ：6 6 1 6 6 8 3 田中傻一激光学技术的现状和将来，光学，1 9 8 7 ，1 6 ( 2 ) ：4 2 4 7 4 a b i t b 0 1 m ，e i s e n b e r g n n e wp r o c e s sf o rm a n u f a c t u r i n ga r r a y so fm i c r o l e n s e so n v a r i o u ss u b s t r a t e s p r o c s p i e ，1 9 9 0 ，1 3 3 4 ：1 1 0 1 2 1 5 p o p o v i cz d ，s p r a g u era c o n n e l lg a nt e c h n i q u ef o rm o n o l i t h i cf a b r i c a t i o no f m i c r o l e n sa r r a ya p p l o p t ，1 9 8 8 ，2 7 ：1 2 8 1 - 2 8 4 6 k m e r s e r e a n ，e ta 1 f a b r i c a t i o na n dm e a s u r e m e n to ff u s e ds i l i c am i c r o l e n sa r r a y s p r o c s p i e ，19 9 2 ，17 51 ：2 2 9 2 3 3 7 o i k a w a m ，i m a n i s h i ，h k i s h i m o t o h i g hn ap l a n a rm i c r o l e n sf o rl da r r a y p r o c s p 正，1 9 9 3 ，1 7 51 ：2 4 6 2 5 4 8 m o l k a w a , k i g a d i s t r i b u t e di n d e xp l a n a rm i c r o l e n s a p p l o p t ，19 8 2 ，2 1 ： 1 0 5 2 1 0 5 3 9 j j a h n s ，s j w a l k e r t w o d i m e n s i o n a la r r a yo fd i f f r a c t i v em i c r o l e n s e sf a b r i c a t e db y t h i nf i l md e p o s i t i o n a p p l o p t ，19 9 4 ，2 9 ( 7 ) ：9 31 - 9 3 7 1 0 n o g u e s ，j e a n - l u cr ，h o w e l l ，r l f a b r i c a t i o no fp u r es i l i c am i c r o o p t i c sb y s o l - g e l p r o c s p i e ，19 9 3 ，17 51 ：214 2 2 4 11 z c b i a , l l h e n c h m i c r o o p t i c a la r r a y sb 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 p r o c s p i e ，1 9 9 2 ，1 7 5 8 ：2 1 5 - 2 2 6 1 2 刘德森，第五届全国纤维光学与集成光学学术研讨会，第四届光计算技术讨 论会论文集，厦门，1 9 9 2 ，1 6 1 3 朱传贵，第五届全国纤维光学与集成光学学术研讨会，第四届光计算技术讨 论会论文集，厦门，1 9 9 2 ，3 9 1 1 4 刘德森编著，变折射率介质理论及其技术实践，西南大学出版社，2 0 0 5 ：2 3 2 15 r a y m o n d ，j b e a c h , m a r k a e m a n u e l a p p l i c a t i o n so fm i c r o l e n sc o n d i t i o n e d l a s e rd i o d ea r r a y s p r o c s p i e ，1 9 9 5 ，2 3 8 3 ：2 8 3 - 2 9 7 1 6 t a d e n s z ，k r y s z c z y n s k i p r e c i s ea l g e b r a i cm e t h o dt os o l v et h en o n c e m e n t e d t w o - l e n so b j e c f i v ef r e ef r o mt h ea p e r t u r ea b e r r a t i o n s p r o c s p i e ，19 9 9 ，3 7 7 9 ： 1 7 8 1 8 9 17 j j a h n s i n t e r g r a t e do p t i c a li m a g i n gs y s t e m a p p l o p t ，19 9 0 ，2 9 ( 14 ) ：19 9 0 19 9 8 1 8 n e i ld a v i e s t h r e e d i m e n s i o n a li m a g i n gs y s t e m ：an e w d e v e l o p m e n t a p p l o p t ， 6 西南大学硕十学位论文 绪论 1 9 8 8 ，2 7 ( 2 1 ) ：4 5 2 0 4 5 2 8 19 i g ako i k a w am ，a n ds a n a d a t a p l a n a rm i c r o l e n sa r r a ym a d eb yd e e p e l e c t r om i g r a t i o n t h i r di n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ni n t e g r a t e do p t i c sa n do p t i c a l f i b e rc o m m t m i c a t i o ns y s t e m s 19 81 p o s td e a d l i n ep a p e r ：4 - l 2 0 m o i k a w a , h n e m o t o ，k h a m a n a k a , a n de o k u d a h i g hn u m e f i c ma p e r t u r e p l a n a rm i c r o l e n sw i t hs w e l l e ds t r u c t u r e a p p l o p t ，19 9 0 ，2 8 ：4 0 7 7 - 4 0 8 0 21 j b 扯k 一h b r e n n e r , s s i n z i n g e r , w s i n g e r , t s p i c k ，m t e s t o r f i n d e x - d i s t r i b u t e dp l a n a rm i c r o l e n s e s f o rt h r e e d i m e n t i o n a lm i c r o - o p t i c sf a b r i c a t e d b ys i l v e r - s o d i u mi o ne x c h a n g ei nb g g 3 5s u b s t r a t e s a p p l o p t ，19 9 4 ，3 3 ： 5 9 1 9 5 9 2 4 2 2 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 , a n dt 尉s h i m o t o m u l t i p l e i m a g i n ga n dm u l t i p l ef o u r i e rt 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 s a p p l o p t ，19 9 0 ，2 9 ：4 0 6 4 4 0 7 0 7 西南大学硕十学位论文方形孔释平面微透镜阵列的设计 第二章方形孑l 径平面微透镜阵列的设计 2 1 引言 目前，微透镜阵列在许多领域都得到了广泛的应用。诸女n c c d 成像系统、光互 联、光网络及激光准直等领域。但如何制作出成型质量高，均匀性好，并有良好 光学性能的微透镜阵列