六角形孔径平面微透镜阵列的制作及基本特性研究

采用光刻离子交换工艺制作了六角形孔径平面微透镜阵列.离子交换后的变折射率区域有微小重叠,填充系数可达95%以上.对制作的六角形孔径平面微透镜进行了折射率分布、数值孔径和像差等光学特性测试,得到的六角形孔径平面微透镜阵列光学性能均匀,成像质量较好的结果.该透镜阵列的研制成功为制作高质量高填充系数透镜阵列及模拟生物复眼光学系统奠定了基础.     

层叠微透镜阵列光扩散片特性研究

提出了一种新型的层叠微透镜阵列光扩散片。在入射侧具有大口径低数值孔径微透镜阵列结构,在出射侧具有小口径高数值孔径微透镜阵列结构。分析了层叠结构对光线在视场内的扩散增益原理。利用光线追迹法模拟了微透镜高度、口径等结构参数对光学性能的影响。模拟结果表明,正面亮度随出射侧微透镜高宽比增大而增加,在入射侧增加一层高宽比在0.01～0.15的低数值孔径微透镜阵列,能够将正面亮度再提高3%～5%。实验测试结果表明其增益率可达40.06%,较单层微透镜阵列扩散片提高了4.2%。     

基于微反射镜阵列的光刻照明模式变换系统设计

光源掩膜协同优化是45 nm节点以下浸没式光刻提高分辨率的重要途径之一,为了重构其优化后输出的像素级光源,提出了一种基于可寻址二维微反射镜阵列的新型照明模式变换系统设计方法。分析了减少重构光源所需微反射镜数量的原理,结合成像与非成像光学,利用柱面复眼透镜,获得了入射到微反射镜阵列上的非均匀的特定光强分布,基于此光强分布对微及射镜二维偏转角度进行了模拟及优化,并对该照明模式变换系统进行仿真,结果表明,光瞳重构精度小于2.5%,X,Y方向光瞳极平衡性小于0.5%,Prolith中重构光源的曝光性能仿真结果满足要求。与类似的系统相比,该系统仅用不足4000个镜单元即可达到设计要求,适用于集成度高的下一代浸没式光刻系统。     

层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差

以层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差为研究目标,基于非旋转对称光学系统的矢量波像差理论,建立了层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态波像差理论模型,提出一种可用于系统波像差计算的适用性方法。同时,将动态波像差模型应用于两片式微透镜阵列扫描结构的像差分析中,分析了多扫描视场下的初级波像差以及均方根（RMS）波前差,并计算了不同扫描视场下的初级波像差值在光学表面上的分布。所得研究结果对层叠微透镜阵列扫描成像系统的设计优化与装调实验具有理论指导和工程化意义。     

大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

折射微透镜阵列的非成象光学特性研究

本文针对微透镜阵列与红外焦平面阵列集成的应用,对折射性微透镜阵列的非成象光学特性进行了研究和总结.采用系统性能评价因子来衡量微透镜的聚能效率,分析了系统参数对会聚效率的影响,并用标量衍射方法对几何光学分析结果进行了校验,为红外焦平面阵列微镜集成的设计和制作提供了理论依据.     

微透镜变化对半导体激光器光束匀化效果的影响

为了实现高均匀性的半导体激光器泵浦光源,研究了成像型光束积分器中微透镜的变化对泵浦光均匀性的影响。详细讨论了微透镜数值孔径与入射光束的角度匹配的问题。推导了高斯光束经成像型光束积分器的光场分布模型,分析了微透镜的边缘衍射对光斑均匀性的影响,明确了微透镜孔径大小的取值范围,并利用ZEMAX进行了系统仿真及实验验证。结果表明,经优化后的成像型光束积分器实现了不均匀性为8.11%的矩形光斑。     

用于液晶显示屏幕检测的大口径小角度LED光源设计

针对液晶显示屏幕检测中光源照明均匀性较差的问题,基于非成像光学理论提出了一种大口径小角度的发光二极管(LED)照明光源设计方法。光源采用阵列式照明方式,对单颗LED设计菲涅耳透镜实现小角度的准直照明;推导阵列均匀照度分布条件并利用Trace Pro软件进行优化,确定阵列最优间距;最终通过在照明面上的光斑拼接叠加实现均匀矩形照明。照明光源由12×9个配光单元形成均匀方形阵列排布,每两个配光单元间距30 mm。仿真结果表明,光源的发光角度小于±10°,在距光源170 mm的照明面上,平均照度大于45000 lx,非均匀性3.8%,均满足设计指标。该方法设计的阵列式光源无论平均照度还是照度均匀性均比现有光源有明显优势。     

实现近场均匀照明的双自由曲面大角度透镜设计

针对LED单自由曲面透镜近场大角度照明均匀性不足和出光效率低等问题,基于边缘光线理论和网格划分法,设计了内曲面为椭圆型,外曲面为自由曲面的LED双自由曲面大角度透镜.透镜内曲面对LED入射光线进行发散,外曲面对出射光线方向进行控制,实现大角度均匀照明,并减少全反射损失,提高出光效率.采用扩展光源文件对透镜模型进行光学仿真,并利用反馈优化法对外曲面进行优化,提高近场的照度均匀性.研究表明:在相同近场距离条件下,出光角度为143°、151.8°时,单自由曲面透镜照度均匀性为0.55和0.40,出光效率为92.0%和80%,而所设计的双自由曲面透镜照度均匀性为0.84和0.85,出光效率为98.8%和95.0%,照明效果明显改善.     

基于近焦点非球面透镜的LED均匀照明设计

依据几何光学和非成像光学理论,提出了一种基于大尺寸近焦点非球面透镜的大功率LED均匀光源设计方法。在该方法中,首先根据选定参数的LED通过几何光学理论初步设计非球面透镜参数,然后在ZEMAX软件中对非球面透镜参数进行基于评价函数的优化,得到焦距76.79 mm、直径为200 mm的非球面透镜。将非球面透镜导入TRACEPRO软件建模并进行光线追迹仿真,根据仿真结果获得最优透镜参数进行加工和下一步实验。实验结果表明:均匀照明系统可以在60 cm处实现发散角±8.53°的均匀照明,光斑均匀性达到95.82%。