微透鏡陣列應用
作者:管理員    發布于:2019-07-09 09:21:26    文字:【】【】【
摘要:近年來,微透鏡陣列在波前傳感器、光束整形、光束勻化、光纖耦合和激光耦合等方面取得了越來越廣泛的應用,本文簡單的介紹了微透鏡陣列的應用原理,複眼透鏡用于哈特曼傳感器的原理,采用微透鏡勻光的光路配置。在微透鏡的生産制作工藝方面,重點介紹了光刻膠回流工藝,激光直寫技術以及石英微透鏡陣列的制作方法,同時還讨論了微透鏡陣列數值孔徑的計算,使用戶能夠在較快時間内對微透鏡有一個全面的了解。

微透鏡陣列又稱為蠅眼透鏡、複眼透鏡,它是為光學系統重要而又基礎的構成元件,一般有一系列的微小單元透鏡按一定的排列構成。不同的排列可以形成有不同的成像結果。一般子單元的周期大小在幾十um到幾千um左右,單元的形狀圓形,正方形,自由曲面,六邊形以及四方形等等其他形狀。

按照微透鏡的光學設計原理,我們可以講微透鏡陣列分為衍射型以及折射型:

折射型微透鏡:

基于傳統的幾何光學的折射原理具有更輕,更小,高集成度的優勢。其應用主要有成像以及光束變換,光通訊,醫療,醫美和過光束掃描等,常見的透鏡口徑直徑有方形,矩形,六邊形和圓形等。

衍射型微透鏡陣列:

利用表面浮雕結構調制改變入射光的波相位實現目标功能。其主要解決的問題是高階像差的矯正,任意光分布的光斑形狀調制和光通訊以及醫療美容等各個領域。

 

微透鏡陣列的應用以及分布方式

基于折射型的微透鏡在排布上的不同可應用于各種不同的光學應用上,其主要分為滿布式,M*N式分布,單排式和單格式排列,下面主要介紹不同排列的特點以及不同排列的主要應用場景。

微透鏡陣列的加工工藝

而今,工業上研究室已經有許多的制造微陣列透鏡的方法,主要的有光敏玻璃熱成型法、激光直寫方法、光刻膠熱回流方法、反應離子刻蝕法、熱壓模成型法等許多的方法,本文主要為大家介紹一下主要的最廣泛應用的方法。

光刻膠熱回流技術

方法主要分為三個步驟:1、以目标圖案為曝光團(正六邊形,矩形或者圓形)利用掩模闆的遮蔽使基闆的光刻膠曝光。2、清洗殘留雜物。3、在加熱平台上和加熱,使之熱熔成型。

優點:工藝簡單,材料以及設備的要求低,易于擴大化生産和控制工藝參數

缺點:制作的成品,會由于工藝上的本身存在的問題,制作的微透鏡并不是很理想。其次,由于材料的機械性能以及化學性能問題導緻其光學性能并不是很好;

激光直寫技術

激光直寫方法主要有如下的步驟:1、計算機上設計微透鏡陣列的曝光結構2、設計圖案寫入激光直寫系統中3、帶有光刻膠的基闆放在直寫平台上,進行激光刻寫,刻寫後清理表面殘留物。得到陣列結構。

其優點是:精度高,适合于模型制作,便于擴大生産,高品質低成本

石英微透鏡陣列的制作

光緻抗蝕劑微透鏡圖形陣列的制備

大緻過程如下:選擇襯底材料,準備襯底材料,在石英基片上勻膠,可以選擇利用多重旋轉離心發勻膠,利用紫外光在光刻膠上制備光緻抗蝕掩膜版,之後利用鉻闆曝光,顯影沖洗後可得到掩模版的圖形。對得到的掩模版圖形熱處理,表面被抗刻蝕劑圖案覆蓋的石英片被加熱到光緻刻蝕劑熔融區域的某溫度時由于表面的張力不同,緻使抗刻蝕劑間的界面張力作用下,同時控制溫度使表面形成長方形的拱面的光緻刻蝕微透鏡圖形。

石英微透鏡陣列利用氩離子束進行刻蝕的方法

利用帶有能量的離子束在靶材料的表面進行轟擊的濺射刻蝕技術稱為離子刻蝕。可以了解到,離子束的刻蝕速度與材料的選擇,離子束攜帶能量的大小以及刻蝕時的角度的選擇等等的各種因素密切相關。研究發現,石英的刻蝕速度比光刻膠制成的掩模版圖形高出一點,并且最大的可是速度也較大于所選擇的光緻抗刻蝕劑掩膜的圖案。峰值出現的角度也會随着轟擊離子束的能量增大而增大。因此優化離子刻蝕束的條件可以實現光緻刻蝕圖形向石英基片的有效轉移。

微透鏡陣列的加工工藝

而今,工業上研究室已經有許多的制造微陣列透鏡的方法,主要的有光敏玻璃熱成型法、激光直寫方法、光刻膠熱回流方法、反應離子刻蝕法、熱壓模成型法等許多的方法,本文主要為大家介紹一下主要的最廣泛應用的方法。

光刻膠熱回流技術

方法主要分為三個步驟:1、以目标圖案為曝光團(正六邊形,矩形或者圓形)利用掩模闆的遮蔽使基闆的光刻膠曝光。2、清洗殘留雜物。3、在加熱平台上和加熱,使之熱熔成型。

優點:工藝簡單,材料以及設備的要求低,易于擴大化生産和控制工藝參數

缺點:制作的成品,會由于工藝上的本身存在的問題,制作的微透鏡并不是很理想。其次,由于材料的機械性能以及化學性能問題導緻其光學性能并不是很好;

激光直寫技術

激光直寫方法主要有如下的步驟:1、計算機上設計微透鏡陣列的曝光結構2、設計圖案寫入激光直寫系統中3、帶有光刻膠的基闆放在直寫平台上,進行激光刻寫,刻寫後清理表面殘留物。得到陣列結構。

其優點是:精度高,适合于模型制作,便于擴大生産,高品質低成本

石英微透鏡陣列的制作

光緻抗蝕劑微透鏡圖形陣列的制備

大緻過程如下:選擇襯底材料,準備襯底材料,在石英基片上勻膠,可以選擇利用多重旋轉離心發勻膠,利用紫外光在光刻膠上制備光緻抗蝕掩膜版,之後利用鉻闆曝光,顯影沖洗後可得到掩模版的圖形。對得到的掩模版圖形熱處理,表面被抗刻蝕劑圖案覆蓋的石英片被加熱到光緻刻蝕劑熔融區域的某溫度時由于表面的張力不同,緻使抗刻蝕劑間的界面張力作用下,同時控制溫度使表面形成長方形的拱面的光緻刻蝕微透鏡圖形。

石英微透鏡陣列利用氩離子束進行刻蝕的方法

利用帶有能量的離子束在靶材料的表面進行轟擊的濺射刻蝕技術稱為離子刻蝕。可以了解到,離子束的刻蝕速度與材料的選擇,離子束攜帶能量的大小以及刻蝕時的角度的選擇等等的各種因素密切相關。研究發現,石英的刻蝕速度比光刻膠制成的掩模版圖形高出一點,并且最大的可是速度也較大于所選擇的光緻抗刻蝕劑掩膜的圖案。峰值出現的角度也會随着轟擊離子束的能量增大而增大。因此優化離子刻蝕束的條件可以實現光緻刻蝕圖形向石英基片的有效轉移。

 

微透鏡整列的重要應用

哈特曼傳感器(Hartmann-Shack

    夏克-哈特曼傳感器是一種波前傳感器。這種波前分析儀是自适應光學系統的組成部分。可以探測光波前的變化,畸變。其使用微透鏡陣列使輸入的光波前被分割成光束陣列,分割後每束光聚焦在CCD傳感器上,如下圖所示,每個微透鏡單元都會形成一個聚焦光斑,由聚焦光斑的分布可分析波前畸變。

 

波前畸變将會引起聚焦光斑的在光軸上的偏移,因此成像将會從規則的光斑,變為混雜和缺實的光斑圖案。這些信息利用光學知識可計算得到入射到微透鏡陣列的波前形狀。所以,這種傳感器可用于光學系統性能的表征,實時監測,用于控制自适應光學元件成像前的波前畸變。

如下圖所示,在每個單元的微透鏡中,如果入射光沒有畸變波面平行于透鏡入射,則由幾何光學可知光落在光軸的焦平面處,當入射的光在微透鏡單元區發生畸變(不平行于透鏡),光斑位置将在焦平面的XY方向(紅點顯示)有所偏移,所以每個光斑将以θ角偏離其相應的微透鏡的光軸Z。并且該角度θ即平面波前與透鏡間的角度和畸變波前和z軸夾角相同。

 

微透鏡光束整形,勻光微透鏡陣列

愛特蒙特公司(Edmund)的一種利用微透鏡陣列光束勻化的原理

該方法配置主要是一堆微透鏡陣列和平凸透鏡組成。圖中可知,LA2位于LA1的焦平面。當光在LA1通過後形成多束小點光源的光束。之後通過微透鏡陣列LA2和平凸透鏡FL組合而成的物鏡陣列3,其将每一個小光束并疊加到平面FP上。

   

 

索雷博(Thorlab)公司的一種微透鏡陣列光束勻化的應用方法

由上圖所示,是Thorlabs公司用于微透鏡激光勻化的原理圖,由兩個平凸透鏡和一個微透鏡陣列組成。點光源在如圖所示的透鏡下準直變為平行光輸入到微陣列透鏡,微透鏡陣列講平行光轉化為多束小光束,并沿光軸傳輸到第二個平凸透鏡,每個小光束别家在工作面上,形成均勻的光斑。

光斑的大小可以有下面公式計算得出

SPMLA*F/fMLA

 

微透鏡光纖耦合

激光與光纖耦合就是将激光入射到光纖中但如果要獲得較高的耦合效率需要有兩個條件,一個是激光直徑小于光纖的直徑,另一個是激光的發散角度要小于光纖的孔徑角。激光與光纖的耦合方式有直接耦合,其優點在于設計點但耦合效率過低,目前僅在激光傳輸過程有應用。光纖微透鏡直接耦合,也即将光纖的端頭制作成球透鏡,實現增大光纖的數值孔徑。間接耦合主要有柱透鏡耦合,自聚焦透鏡耦合,組合透鏡耦合。陣列耦合主要是将陣列的光源與光纖一一對應,保證高的耦合效率以及精準度。

 

基于微透鏡陣列的激光耦合簡要原理

不同激光器在經過合束排列後主光線空間上仍有間距的分布,每束激光具有一定的發散角,如下圖所示使用倒置前置放大系統壓縮激光的合束和直徑以及每束激光的直徑,顯然合理設計微透鏡的排列以及單元的各個參數,使每一個微透鏡單位與每個光纖頭端面一一對應,同時控制成像範圍小于光纖纖芯直徑,可以使入瞳像成像在光纖端面上。這樣便可以将激光每一束對應的入射到每一個激光光纖中

 

 

微透鏡陣列主要研究單位

微透鏡整列由于其使用上具有許多的功能并且依據設計的不同可以實現各種各樣不同的功能,如激光光斑整形,激光勻化,哈特曼傳感器以及激光耦合等就是其主要的應用的優勢,國内也有許多的研究機構對微透鏡陣列的制造,設計及應用方面都有很多的研究。

目前,國内在微透鏡陣列的開發、設計和應用方法處于領先地位的單位有:中國科學院長春光學精密研究所、中科院光電技術研究所、中科院半導體所、北京理工大學、華中科技大學和長春理工大學。研究領域涵蓋玻璃微透鏡陣列精密模壓成形表、微透鏡陣列的生産制造、仿生複眼透鏡、制備微透鏡的關鍵材料(光刻膠)光刻膠等領域。

 

微透鏡陣列的數值孔徑

光學系統中數值孔徑是用來衡量系統接受光角度的大小的一個參數,在光纖系統中它則是衡量光出射光纖時的錐角大小,它是一個無量綱。它的定義: 數值孔徑(NA)等于透鏡和被檢物體之間介質的折射率乘上孔徑角半數的正弦。公式有:NA = n*sin(α)。孔徑角也即“鏡口角”。孔徑角越大,則進入透鏡的光通量就越大,故而它與透鏡的有效直徑成正比,與焦點的距離成反比。

微透鏡的數值孔徑則是這樣定義的:子單元的對角線的一半(圓形子單元按半徑計算)/焦距,微透鏡陣列的數值孔徑與普通透鏡的數值孔徑一樣它是衡量透鏡對入射光的光角度接受大小的一個标準。

 

 

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