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仿复眼六角形孔径掩埋式变折型曲面微透镜阵列研究

作　者: 蒋小平
导　师: 刘德森
学　校: 苏州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 曲面微透镜阵列复眼六角形孔径光刻离子交换
分类号: O439
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

生物复眼具有体积小、重量轻、视场角大、时间分辨率高等突出优点,微透镜阵列能充分发挥现代光学元器件向微型化、轻量化、阵列化、集成化和智能化方向发展的重要作用,将新型微透镜阵列研究与模仿生物复眼相结合,是微透镜阵列应用研究的热点之一,更是仿生学的重要研究课题。目前,国内外对仿复眼微透镜阵列的研究已经取得了阶段性成果,但在排列方式、材质、热稳定性、抗老化、抗机械应力或更完整地模仿生物复眼光学结构等方面仍有不同的局限。本文在对复眼光学结构分析的基础上,建立了一种复眼光学结构模型,进而提出并设计了一种采用光刻离子交换法制作的新型六角形孔径仿复眼曲面微透镜阵列,这种微透镜阵列具有孔径为六角形、填充率高、掩埋式、折射率呈三维梯度变化、基片为曲面、玻璃材质、微透镜元为一次性制作的“复合透镜”的特点,对已有仿复眼微透镜阵列存在的局限有一定突破。研究了对称的六角形开孔式Tl +- Na +离子扩散理论,利用扩散动力学分析了离子扩散区域相遇形成六角形边界问题,对在玻璃中形成折射率呈三维梯度变化的六角形孔径微透镜和具有凸透镜功能的开孔表面凸起进行了光学特性、成像特性分析,用矩阵光学的方法讨论了六角形孔径曲面微透镜阵列的光学特性。采用光刻离子交换法制作了仿复眼六角形孔径曲面型微透镜阵列,对其中的曝光掩模板的设计、基片制作、光刻、开孔蚀刻、离子交换等关键工艺进行了研究。在对玻璃材料的扩散特性测试的基础上,研究了中心距较大的六角形和圆形(为六角形内切圆)两种开孔的同温离子扩散特性,进而采用优化的方案,在曲率半径为250mm、直径为25mm的球面玻璃基片上成功制作了有2052个有效微透镜元的仿复眼六角形孔径曲面微透镜阵列。最后对制作的六角形孔径曲面微透镜阵列的形貌、曝光引起的开孔形变、多重成像、焦距、F数、球差、光斑、折射率分布等进行了观察、测试和分析,得到了如下结果:(1)采用光刻离子交换工艺,可一次性制作与复眼屈光器结构类似的六角形孔径曲面微透镜阵列;(2)当开孔设计为周期性六角形排列时,采用光刻离子交换工艺可以制作出边界为六角形的高填充率仿复眼微透镜阵列,但中心距相对较小的六角形开孔(相对于圆形开孔)是最佳的;(3)开孔式离子扩散的平均扩散速率、扩散系数因开孔形状、扩散方向不同而呈现不同的变化规律;(4)光刻离子交换法制作曲率半径较大(约为基片直径的20倍)的曲面微透镜阵列时,可以采用平面型曝光模板,图形形变率可忽略;(5)采用光刻离子交换工艺制作的曲面微透镜阵列多重成像质量、光学对称均匀性良好。焦距、F数自中心至边缘逐渐变小,数值孔径自中心向边缘逐渐变大,成像畸变较小,球差较为明显,聚焦性能较好,扫描光斑尺寸达4.92μm。此外,论文还提出了复眼时间分辨率、平面型掩模板对球面型基片曝光的形变率概念,并进行了分析;设计了一种简便的近似测量微透镜球差的方法。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
第一章引言  13-32
  1.1 复眼概述  13-15
  1.2 微透镜阵列的研究现状  15-24
    1.2.1 微透镜阵列的制作工艺与材质  16-19
    1.2.2 微透镜阵列的排列  19-23
    1.2.3 变折射率微透镜阵列  23-24
  1.3 仿生复眼的研究进展  24-30
    1.3.1 对复眼光学特性的理论研究  24-25
    1.3.2 人工仿生复眼微透镜阵列  25-30
  1.4 本文的主要工作  30-31
  1.5 本章小结  31-32
第二章复眼的光学结构模型  32-44
  2.1 生物复眼的结构与分类  32-34
  2.2 复眼的视场角  34-35
  2.3 生物复眼的光学特性  35-37
    2.3.1 并列镶嵌型复眼  35
    2.3.2 光学反射重叠型复眼  35-36
    2.3.3 光学折射重叠型复眼  36-37
    2.3.4 神经重叠型复眼  37
  2.4 复眼的时间分辨率  37-38
  2.5 仿复眼微透镜阵列的光学结构模型  38-43
  2.6 小结  43-44
第三章六角形孔径平面微透镜阵列的离子交换理论  44-57
  3.1 离子交换与玻璃折射率的改变  44-51
    3.1.1 玻璃的基本结构  44-45
    3.1.2 玻璃的折射率  45-47
    3.1.3 对用于离子交换的玻璃的要求  47-48
    3.1.4 Tl~ + -Na~+ 离子交换分析  48-50
    3.1.5 离子交换引起的玻璃折射率改变  50-51
  3.2 六角形开孔在圆形近似下的离子扩散分析  51-54
  3.3 离子扩散区域相遇的动力学分析  54-56
  3.4 小结  56-57
第四章仿复眼六角形孔径曲面微透镜阵列的光学理论  57-77
  4.1 折射率分布  57-59
  4.2 光线理论  59-63
    4.2.1 光线平行入射到六角形孔径微透镜端面上  60-62
    4.2.2 光线斜入射到六角形孔径微透镜端面上  62-63
  4.3 多重成像特性  63-67
    4.3.1 像距  65
    4.3.2 焦距  65-66
    4.3.3 像高  66
    4.3.4 横向放大率  66
    4.3.5 截距  66
    4.3.6 六角形孔径变折射率平面微透镜的几个特殊光学特性  66-67
  4.4 开孔表面凸起分析  67-70
    4.4.1 表面凸起原因分析  68
    4.4.2 表面凸起的光学特性  68-70
  4.5 仿复眼六角形孔径曲面型微透镜阵列模型  70-73
  4.6 仿复眼六角形孔径曲面微透镜阵列的综合成像  73-76
  4.7 小结  76-77
第五章六角形孔径掩埋式变折型曲面微透镜阵列制作  77-95
  5.1 掩模板设计  77-78
  5.2 基片玻璃离子扩散特性的测试  78-80
  5.3 两种平面型微透镜阵列的制作与测试  80-84
    5.3.1 掩模板制作  80-81
    5.3.2 基片制作  81
    5.3.3 光刻  81-82
    5.3.4 开孔蚀刻与去胶  82-83
    5.3.5 离子交换  83-84
  5.4 对H02、C01 型平面阵列扩散特性的测试与分析  84-88
    5.4.1 r 方向  84-86
    5.4.2 z 方向  86-87
    5.4.3 开孔表面凸起  87-88
    5.4.4 讨论  88
  5.5 平面掩模板对球面基片曝光时的图形形变研究  88-90
  5.6 曲面型微透镜阵列的制作  90-93
  5.7 解决的关键工艺问题  93-94
  5.8 小结  94-95
第六章曲面微透镜阵列的光学特性测试与分析  95-107
  6.1 曲面微透镜阵列的形貌  95-96
  6.2 六角形孔径曲面微透镜阵列不同离子交换时间的扩散特性  96-97
  6.3 曝光引起的开孔形变  97-98
  6.4 曲面微透镜阵列的光学特性参数测试与分析  98-103
    6.4.1 多重成像  98
    6.4.2 焦距、F 数、数值孔径和畸变  98-100
    6.4.3 球差  100-101
    6.4.4 光斑  101
    6.4.5 折射率分布  101-103
    6.4.6 视场角  103
  6.5 r 方向离子扩散区域照片中“环带”与三维折射率分布  103-104
  6.6 讨论  104-106
  6.7 小结  106-107
第七章总结  107-110
  7.1 结论  107-108
  7.2 本文创新点  108-109
  7.3 存在的问题与展望  109-110
参考文献  110-121
攻读博士学位期间发表的论文  121-122
攻读博士学位期间主持和参加的学术科研工作  122-123
致谢  123-124

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