專利名稱：方形孔徑自聚焦透鏡陣列及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微小光學(xué)元件及其制作方法，具體涉及方形孔徑自聚焦透鏡陣 列及其制作方法。
技術(shù)背景隨著光學(xué)元件的微型化，勢(shì)必使分立元件向陣列元件發(fā)展。但目前制作的 微透鏡陣列的透鏡元多是圓柱形或半球形，折射率分布具有徑向?qū)ΨQ或旋轉(zhuǎn)對(duì) 稱，在光信息處理中有廣泛應(yīng)用。圓柱形或半圓球形透鏡元構(gòu)成微透鏡陣列的典型排列方式有兩種 一種是正方形排列。這種排列方式存在的最大問(wèn)題是填 充系數(shù)(定義為有效受光面積與微透鏡總面積之比)小，理論極限值為78.8%, 有21%以上的光信息被透鏡元間的空隙泄漏掉了。另一種是六角緊密排列。這種 排列方式使填充系數(shù)有所提高，理論極限值為'90. 7%,光信息傳輸漏泄有所減少， 但仍存在9.3%的光信息泄漏?？傊?，這兩種排列方式，雖制作工藝簡(jiǎn)單，但因 不能很好消除透鏡元間的空隙對(duì)光信息的漏泄，從而不可能從根本上解決提高 填充系數(shù)、減少光信息漏泄問(wèn)題。在光信息的聚焦、整形、耦合連接、互連、 成像以及要求光信息元無(wú)泄漏的情況下，實(shí)現(xiàn)高填充系數(shù)就成為微透鏡陣列必 須解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，也是發(fā)展新型光子器件的關(guān)鍵之一。上世紀(jì)80年代末以來(lái)，不少學(xué)者在提高微透鏡陣列的填充系數(shù)方面作了一 些探索。但到目前為止，微透鏡陣列的透鏡元通常都是圓球形。異形透鏡元及 其陣列的制作工藝仍處于研究、探索階段，而且還存在像差大的困難。因此，
深入研究提高微透鏡陣列填充系數(shù)的方法，制作出可以應(yīng)用的異形(六邊形、 矩形、正方形等)微透鏡及異形孔徑微透鏡陣列是當(dāng)前科技界面臨的重要任務(wù)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種方形孔徑自聚焦透鏡陣列及其制作方法。該陣列的填充系數(shù)高，光信息漏泄小，傳輸光信息失真??；同時(shí)提供一種制作方形孔 徑自聚焦透鏡陣列的方法。理論分析和實(shí)發(fā)逸明，方形鉈玻璃絲在一定溫度下的KN03熔鹽中，經(jīng)過(guò)一 定時(shí)間的離子交換后，由于玻璃中的Tl+和溶鹽中的K+發(fā)生交換，玻璃中形成 的Tl+離子濃度的分布服從通常的擴(kuò)散方程。在方形截面的邊界條件和一定的初 始條件下，玻璃中Tl +離子的濃度分布c(r，0)滿足如下關(guān)系丄 9 2 36通常，玻璃的折射率與鉈離子濃度有線性關(guān)系。因此，離子交換后，方形玻璃絲的折射率分布可以寫(xiě)成<formula>formula see original document page 5</formula>上式表明，方形自聚焦透鏡的折射率分布n(r，e)不僅與徑向坐標(biāo)r有關(guān)， 而且還與方位角坐標(biāo)6有關(guān)。式中的系數(shù)a0，ai，a2 和a3是四個(gè)待定常數(shù)，可通過(guò) 實(shí)驗(yàn)確定。(見(jiàn)韓艷玲碩士論文方形自聚焦透鏡及陣列的理論分析和制作工藝。 重慶，西南大學(xué)，2006年)具有折射率分布[1]的介質(zhì)，具有聚焦、成像功能。 但因?qū)ΨQ性比普通圓柱形自聚焦透鏡低，像差較大。因此，在應(yīng)用中必須采用像差校正技術(shù)來(lái)改善像差，提高成像質(zhì)量。本發(fā)明所述的方形孔徑自聚焦透鏡陣列，其特征在于在一個(gè)形框(1)內(nèi)，設(shè)有多根^!i則排列成陣列的方形自聚焦透鏡(2),方形自聚焦透鏡 之間用膠粘接固定，形框的上面粘接有一塊保護(hù)玻璃基片(3) 上述的方形孔徑自聚焦透鏡陣列，其特征在于各方形自聚焦透鏡的尺寸 非均勻性度和光學(xué)性能非均勻性度均小于1%，填充系數(shù)大于95%。光信息的漏 泄很小。本發(fā)明所述的方形孔徑自聚焦透鏡陣列的制作方法，包括三個(gè)步驟；(1) 方形玻璃絲的制作將具有直徑為0. 5 ~ 3mm的圓形玻璃絲用切割機(jī)切成5 ~ 15mra的玻璃短 絲，再將數(shù)根玻璃短絲用蜂膠并排地粘在一塊玻璃基片上，經(jīng)過(guò)研磨、拋光， 將并排的玻璃短絲磨出一個(gè)平面；然后，加熱基片玻璃，取下有一個(gè)平面的玻 璃短絲，反向?qū)⑵矫娌糠终吃诓ＡЩ?，用同樣的工藝加工玻璃短絲的第二 個(gè)平面，再加工笫三個(gè)和第四個(gè)平面，就制成正方柱體玻璃短絲；由于方形柱體玻璃短絲的尺寸精度和透鏡陣列的填充系數(shù)有很大關(guān)系，因 此，對(duì)方形的幾何尺寸精度要求很高，四個(gè)邊長(zhǎng)誤差要小于1%，四個(gè)角的精度 要達(dá)到90。+0.1°;(2) 方形自聚焦透鏡的制作首先，對(duì)加工合格的方形玻璃短絲進(jìn)行離子交換處理，使均勻的折射率變 成非均勻的折射率；離子交換處理在爐溫非常穩(wěn)定，溫度波動(dòng)< 0, 5度和溫度非 常均勻的離子交換爐中進(jìn)行，溶鹽采用KN0"交換溫度530°C±15 °C,交換時(shí) 間100~120小時(shí);其次，采用我們自己提出的方法(見(jiàn)劉德森編著"變折射率介質(zhì)理論及其 技術(shù)實(shí)踐"，西南師范大學(xué)出版社，2005. 11第一版)，測(cè)量離子交換得到的交
換絲的"周期數(shù)據(jù)"，再采用玻璃切割、研磨工藝，將交換絲加工成四分之一周期長(zhǎng)度的方形自聚焦透鏡；制作的方形自聚焦透鏡的參數(shù)是，邊長(zhǎng)1.30mm, 聚焦常數(shù)0. 376mnT1,長(zhǎng)度10. 21mm;第三，測(cè)量折射率分布，將方形自聚焦透鏡樣品嵌鑲在有機(jī)玻璃中，經(jīng)it^ 密的研磨加工，做成厚度為0.19mm ~ 0. 25咖的干涉片，采用雅明干涉方法(見(jiàn)劉 德森編著"變折射率介質(zhì)理論及其技術(shù)實(shí)踐"，西南師范大學(xué)出版社，2005.11 第 一版)，得出方形自聚焦透鏡的干涉條紋圖像.通過(guò)測(cè)試不同級(jí)次的條紋半徑 長(zhǎng)度，進(jìn)而求出折射率在不同半徑上的值.從而可以得到不同r值處的折射率。測(cè)試結(jié)果表明，不同方向角上盡管半徑一樣但折射率不同，說(shuō)明方形自聚焦透鏡的折射率分布與半徑和方向角均有關(guān)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到折射分布表達(dá)式[l]中的四個(gè)常數(shù)，于是，方形自聚焦透鏡折射率分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫(xiě)成<formula>formula see original document page 7</formula>[2]方形自聚焦透鏡也可以這樣制作。首先,對(duì)圓柱鉈玻璃絲采用(2)相同工 藝在離子交換爐中進(jìn)行離子交換，得到變折射率分布后，其次，采用和前面相 同的工藝將圓柱形自聚焦透鏡制作成方形自聚焦透鏡。第四，像差校正，上迷方法制作的方形自聚焦透鏡，存在較大的像差。為 了改善方形自聚焦透鏡的像差特性，就要改進(jìn)一次離子交換后玻璃絲的折射率 分布。為此可以采用二次離子交換工藝(見(jiàn)劉德森發(fā)明專利改善自聚焦透鏡 像差特性的新方法，CN17卯062A，2006.6.21 )。就是將離子交換好的方形玻璃絲， ^tA 5-10柳aNO3和90-95%003的混合鹽中.離子交換溫;1A 525°C土5。C， 二次離 子交換的時(shí)間是25 ~ 40分鐘。二次離子交換的時(shí)間是根據(jù)僅修正透鏡邊部的折 射率分布的要求來(lái)確定。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)一次離子交換和二次離子交換后的方形
自聚焦透鏡的畸變量進(jìn)行測(cè)量，校正前為11.2%,校正后為2.95%。校正結(jié)果表 明，二次離子交換后，方形自聚焦透鏡的像差有了明顯的改善。
(3 )方形孔徑自聚焦透鏡陣列的制作
由于方形孔徑自聚焦透鏡陣列是通過(guò)排列工藝由多個(gè)方形自聚焦透鏡構(gòu) 成，為了確保陣列的成像質(zhì)量，單個(gè)方形自聚焦透鏡要滿足如下要求邊長(zhǎng)尺 寸非均勻性和光學(xué)性能非均勻性均小于1%。排列方法是在事先作好的玻璃、 或金屬的形框內(nèi)，用光學(xué)膠將方形絲緊密排成一排(如5根左右)，在單 排上面，均勻地涂上很薄一層光學(xué)膠，再采用同樣方法，排第二層方形絲，直 到排完所需層后，上面再粘上一塊玻璃基片，就制成一塊微透鏡陣列毛坯，最 后，對(duì)毛坯進(jìn)行研磨加工處理，就可以得到性能良好的方形自聚焦透鏡陣列。
本發(fā)明有益的技術(shù)效果是制作的方形自聚焦透鏡，經(jīng)過(guò)像差校正后，折 射率分布接近理想狀態(tài)，成像性能好。理論和實(shí)驗(yàn)證明，方形自聚焦透鏡的折 射率分布不僅與徑向坐標(biāo)r有關(guān)，而且與角度坐標(biāo)e有關(guān)。只要單個(gè)方形自聚 焦透鏡的幾何尺寸精度高，制作出的微透鏡f^列就會(huì)有很高的填充系數(shù)，達(dá)到 95%以上。


圖1是方形孔徑自聚焦透鏡陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2制作的方形自聚焦透鏡的干涉照片。 圖3制作的方形自聚焦透鏡不同方向上的折射率分布曲線。 圖4制作的方形自聚焦透鏡校正前的畸變照片。 圖5制作的方形自聚焦透鏡校正后的畸變照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:首先，將直徑l. 86咖的含鉈玻璃絲用酒精清洗干凈，用砂輪片加工成長(zhǎng)度 為10mm的短絲。取10根排成一排，用蜂臘平整地粘在事先磨好的玻璃基片上。 為了得到正方形柱體，根據(jù)理論分析，采用玻璃研磨工藝要磨去0.27mm高的圓 孤。將玻璃基片加熱，取下玻璃絲，將玻璃絲平的一面用蜂臘粘在玻璃基片上， 采用同樣工藝磨出第二個(gè)平面。然后，再采用相同工藝磨出第三和第四個(gè)平面， 就得到了正方形鉈玻璃絲。需要注意的是，加工時(shí)要求邊長(zhǎng)誤差小于1%,正方 形的四個(gè)角一定是標(biāo)準(zhǔn)的直角。其次、將方形鉈玻璃絲放入自制的離子交換爐中進(jìn)行，要求爐溫穩(wěn)定、均 勻。其溫度波動(dòng)小于土0.5°，在530土5。C溫度下交換120 - 130小時(shí)，交換溶鹽是 跳.第三、由于方形自聚焦透鏡的像差較大，我們?cè)谧灾频碾x子交換爐中，采 用二次離子交換工藝進(jìn)行像差校正。將離子交換后的方形玻璃絲，放入 5-10仰aNO3和90-95XKNO3的混合鹽中.離子交換溫M525<1C±5。C， 二次離子交換 的時(shí)間是25 ~ 40分鐘。二次離子交換工藝可以明顯地改善方形自聚焦透鏡的像 差。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)一次離子交換和二次離子交換后的方形自聚焦透鏡的畸變量 進(jìn)行測(cè)量。校正前為ll. 2%,校正后為2. 95%。參見(jiàn)圖4、圖5。第四、對(duì)交換好的鉈玻璃絲，先取樣測(cè)量出有關(guān)參數(shù)周期長(zhǎng)度16.7咖, 聚焦常數(shù)0. 376腿—i，邊長(zhǎng)1. 3mm.然后，按確定尺寸將方形玻璃絲加工成方形自 聚焦透鏡。第五、方形孔徑自聚焦透鏡陣列制作。參見(jiàn)圖l將制作好的五個(gè)方形自聚 焦透鏡2在形槽1中排成一排，用光學(xué)膠固定。在笫一排上再排第二層，
用光學(xué)膠固定后再排第三層、第四層和第五層，最后用玻璃片3因定在上面。陣列排列時(shí)一定要使相鄰?fù)哥R間緊密接觸，以提高陣列的填充系數(shù)。第六、干涉樣品制作。將自聚焦透鏡樣品嵌在有機(jī)玻璃中，經(jīng)過(guò)精密加工，做成厚度為0.19咖~ 0.25mm的千涉片，利用雅明干涉的方法，得出方形自聚焦透鏡的干涉條紋圖4象，參見(jiàn)圖2.通過(guò)測(cè)試不同級(jí)次的條紋半徑長(zhǎng)度，就可求出在不同r值處的折射率，參見(jiàn)圖3。測(cè)試結(jié)果表明，不同方向角上盡管半徑一樣但折射率不同，說(shuō)明方形自聚焦透鏡的折射率分布與半徑和方向角均有關(guān)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從理論上推導(dǎo)出方形自聚焦透鏡折射率分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式。即<formula>formula see original document page 10</formula>第七、方形孔徑自聚焦透鏡陣列性能測(cè)量。利用我們實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試儀器對(duì) 方形自聚焦透鏡和方形孔徑自聚焦透鏡陣列的主要光學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量。實(shí)施例2:首先，對(duì)圓形玻璃絲進(jìn)行離子交換。在自制的離子交換爐中進(jìn)行，要求爐溫穩(wěn)定、均勻。其溫度波動(dòng)小于土O. 5°，在530土15°(:溫度下交換120 - 130小時(shí)， 交換溶鹽是KN03.其次，將圓形交換絲采用實(shí)施例1方法研磨成方形交換絲，第三，通過(guò)二 次離子交換工藝以改善像差，再作成方形自聚焦透鏡，第四，在形槽中 將方形自聚焦透透鏡排列成陣列，再用膠固定，最后，采用研磨加工成方形孔 徑自聚焦透鏡陣列。
權(quán)利要求
1、方形孔徑自聚焦透鏡陣列，其特征在于在一個(gè)“ㄩ”形框(1)內(nèi)，設(shè)有多個(gè)按規(guī)則排列成陣列的方形自聚焦透鏡(2)，方形自聚焦透鏡之間用膠粘接固定，“ㄩ”形框的上面粘接有一塊保護(hù)玻璃基片(3)。
2.才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的方形孔徑自聚焦透鏡陣列，其特征在于方形自聚 焦透鏡(2)相互間的尺寸非均勻性度小于1%，光學(xué)非均勻性度小于1%。填充 系數(shù)大于95%。
3.如權(quán)利要求1所述的方形孔徑自聚焦透鏡陣列的制作方法，包括以下步(1) 方形玻璃絲的制作將具有直徑為0. 5 ~ 3mm的圓形玻璃絲用切割機(jī)切成5 ~ 15mm的玻璃短 絲，再將數(shù)根玻璃短絲用蜂膠并排地粘在一塊玻璃基片上，經(jīng)過(guò)研磨、拋光， 將并排的玻璃短絲磨出一個(gè)平面；然后，加熱基片玻璃，取下有一個(gè)平面的玻 璃短絲，反向?qū)⑵矫娌糠终吃诓ＡЩ?，用同樣的工藝加工玻璃短絲的第二 個(gè)平面，再加工第三個(gè)和第四個(gè)平面，就制成正方柱體玻璃短絲；對(duì)方形玻璃 絲的幾何尺寸精度要求，四個(gè)邊長(zhǎng)誤差要小于1%，四個(gè)角的精度要達(dá)到 90。+0.1。；(2) 方形自聚焦透鏡的制作首先，對(duì)加工合格的方形玻璃短絲進(jìn)行離子交換處理，使均勻的折射率變 成非均勻的折射率；離子交換處理在爐溫非常穩(wěn)定，溫度波動(dòng)< 0. 5度和溫度非 常均勻的離子交換爐中進(jìn)行，溶鹽采用KN03,交換溫度530°C±15 °C，交換時(shí)間100 ~ 120小時(shí)；其次，測(cè)量離子交換得到的交換絲的"周期數(shù)據(jù)"，再采用玻璃切割、研磨 工藝，將交換絲加工成四分之一周期長(zhǎng)度的方形自聚焦透鏡；制作的方形自聚 焦透鏡的參數(shù)是，邊長(zhǎng)1. 30咖，聚焦常數(shù)0. 376mm—、長(zhǎng)度10. 21mm;第三，測(cè)量折射率分布，將方形自聚焦透鏡樣品嵌鑲在有機(jī)玻璃中，經(jīng)i^lt 密的研磨加工，做成厚度為0.19咖~ 0. 25咖的千涉片，采用雅明干涉方法，得出 方形自聚焦透鏡的干涉條紋圖像.通過(guò)測(cè)試不同級(jí)次的條紋半徑長(zhǎng)度，進(jìn)而求出 折射率在不同半徑上的值，從而可以得到不同r值處的折射率；第四，像差校正，采用二次離子交換工藝，將離子交換好的方形玻璃絲， ^tA 5-10%1^恥3和90-95%003的^^鹽中.離子交換溫;1^L 525°C土5。C，二次離 子交換的時(shí)間是25 ~ 40分鐘；(3 )制作方形孔徑自聚焦透鏡陣列的制作排列方法是在事先作好的玻璃、或金屬的"uj"形框內(nèi)，用光學(xué)膠將方 形絲緊密排成一排，在單排上面，均勻地涂上很薄一層光學(xué)膠，再采用同樣方 法，排第二層方形絲，直到排完所需層后，上面再粘上一塊玻璃基片，就制成 一塊微透鏡陣列毛坯，最后，對(duì)毛坯進(jìn)行研磨加工處理，就可以得到性能良好 的方形自聚焦透鏡陣列。
全文摘要
本發(fā)明涉及方形孔徑自聚焦透鏡陣列及其制作方法，其特征在于在一個(gè)“ㄩ”形框內(nèi)，設(shè)有多個(gè)按規(guī)則排列成陣列的方形自聚焦透鏡，方形自聚焦透鏡之間用膠粘接固定，“ㄩ”形框的上面粘接有一塊保護(hù)玻璃基片。方形孔徑自聚焦透鏡陣列的制作方法，包括以下步驟方形玻璃絲的制作、方形自聚焦透鏡的制作和方形孔徑自聚焦透鏡陣列的制作。制作的方形自聚焦透鏡，經(jīng)過(guò)像差校正后，折射率分布接近理想狀態(tài)，成像性能好。理論和實(shí)驗(yàn)證明，方形自聚焦透鏡的折射率分布不僅與徑向坐標(biāo)r有關(guān)，而且與角度坐標(biāo)θ有關(guān)。只要單個(gè)方形自聚焦透鏡的幾何尺寸精度高，制作出的微透鏡陣列就會(huì)有很高的填充系數(shù)，達(dá)到95％以上。
文檔編號(hào)G02B3/00GK101126818SQ20061009502
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2006年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月14日
發(fā)明者劉德森, 玉 張, 蔣小平, 玲 邊, 韓艷玲 申請(qǐng)人:西南大學(xué)