仿復(fù)眼六角形孔徑掩埋式折型曲面微透鏡陣列研究.pdf

1、生物復(fù)眼具有體積小、重量輕、視場角大、時間分辨率高等突出優(yōu)點(diǎn)，微透鏡陣列能充分發(fā)揮現(xiàn)代光學(xué)元器件向微型化、輕量化、陣列化、集成化和智能化方向發(fā)展的重要作用，將新型微透鏡陣列研究與模仿生物復(fù)眼相結(jié)合，是微透鏡陣列應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一，更是仿生學(xué)的重要研究課題。目前，國內(nèi)外對仿復(fù)眼微透鏡陣列的研究已經(jīng)取得了階段性成果，但在排列方式、材質(zhì)、熱穩(wěn)定性、抗老化、抗機(jī)械應(yīng)力或更完整地模仿生物復(fù)眼光學(xué)結(jié)構(gòu)等方面仍有不同的局限。
　　 本文在對復(fù)

2、眼光學(xué)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，建立了一種復(fù)眼光學(xué)結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)而提出并設(shè)計了一種采用光刻離子交換的新型六角形孔徑仿復(fù)眼曲面微透鏡陣列，這種微透鏡陣列具有孔徑為六角形、填充率高、掩埋式、折射率呈三維梯度變化、基片為曲面、玻璃材質(zhì)、微透鏡元為一次性制作的“復(fù)合透鏡”的特點(diǎn)，對已有仿復(fù)眼微透鏡陣列存在的局限有一定突破。
　　 研究了對稱的六角形開孔式Tl+-Na+離子擴(kuò)散理論，利用擴(kuò)散動力學(xué)分析了離子擴(kuò)散區(qū)域相遇形成六角形邊界問題，對在玻璃中

3、形成折射率呈三維梯度變化的六角形孔徑微透鏡和具有凸透鏡功能的開孔表面凸起進(jìn)行了光學(xué)特性、成像特性分析，用矩陣光學(xué)的方法討論了六角形孔徑曲面微透鏡陣列的光學(xué)特性。采用光刻離子交換法制作了仿復(fù)眼六角形孔徑曲面型微透鏡陣列，對其中的曝光掩模板的設(shè)計、基片制作、光刻、開孔蝕刻、離子交換等關(guān)鍵工藝進(jìn)行了研究。在對玻璃材料的擴(kuò)散特性測試的基礎(chǔ)上，研究了中心距較大的六角形和圓形(為六角形內(nèi)切圓)兩種開孔的同溫離子擴(kuò)散特性，進(jìn)而采用優(yōu)化的方案，在曲率半

4、徑為250mm、直徑為25mm的球面玻璃基片上成功制作了有2052個有效微透鏡元的仿復(fù)眼六角形孔徑曲面微透鏡陣列。最后對制作的六角形孔徑曲面微透鏡陣列的形貌、曝光引起的開孔形變、多重成像、焦距、F數(shù)、球差、光斑、折射率分布等進(jìn)行了觀察、測試和分析，得到了如下結(jié)果：
　　 (1)采用光刻離子交換工藝，可一次性制作與復(fù)眼屈光器結(jié)構(gòu)類似的六角形孔徑曲面微透鏡陣列；
　　 (2)當(dāng)開孔設(shè)計為周期性六角形排列時，采用光刻離子交換工

5、藝可以制作出邊界為六角形的高填充率仿復(fù)眼微透鏡陣列，但中心距相對較小的六角形開孔(相對于圓形開孔)是最佳的；
　　 (3)開孔式離子擴(kuò)散的平均擴(kuò)散速率、擴(kuò)散系數(shù)因開孔形狀、擴(kuò)散方向不同而呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律；
　　 (4)光刻離子交換法制作曲率半徑較大(約為基片直徑的20倍)的曲面微透鏡陣列時，可以采用平面型曝光模板，圖形形變率可忽略；
　　 (5)采用光刻離子交換工藝制作的曲面微透鏡陣列多重成像質(zhì)量、光學(xué)對稱均勻