Chirped refractive microlens arrays [Elektronische Ressource] / von Frank Wippermann

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• Publié par: technische_universitat_ilmenau
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 32
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Chirped refractive
microlens arrays
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur (Dr.-Ing.)
vorgelegt der Fakult t f r Maschinenbau
der Technischen Universit t Ilmenau
von Dipl.-Ing. (FH) Frank Wippermann,
geboren am 27. August 1974 in Heilbad Heiligenstadt
urn:nbn:de:gbv:ilm1-20070003391. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Stefan Sinzinger
2. Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Andreas T nnermann
3. Gutachter: Priv. Doz. Dr. rer. nat. habil. Norbert Lindlein
Tag der Einreichung: 23.08.2007
Tag des Rigorosums: 21.11.2007
Tag der Verteidigung: 19.12.2007Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Aspekten des Designs, der Herstellung und der Charak-
terisierung nichtregul rer Mikrolinsenarrays, f r die in Anlehnung an weitere nichtperiodische
Strukturen der englischsprachige Begri chirped microlens array (cMLA) eingef hrt wurde.
Im Gegensatz zu klassischen - regul ren - Mikrolinsenarrays, die aus identischen Linsen mit
konstantem Abstand zueinander gebildet werden, bestehen cMLAs aus hnlichen, jedoch nicht
identischen Linsen, die mittels parametrischer Beschreibung de niert sind. Die Zellde nition
kann durch analytische Funktionen, numerische Optimierungsverfahren oder eine Kombina-
tion aus beiden gewonnen werden. Bei allen gechirpten Arrays h ngen die Funktionen von
der Position der jeweiligen Zelle im Array ab.
Die Losl sung von der starren Geometrie regul rer Arrays f hrt zu einer Erweiterung des klas-
sischen Arraybegri es und erm glicht neue Freiheitsgrade im Design mikrooptischer Systeme.
Der Schwerpunkt der Arbeit ist auf das Aufzeigen der neuen Designm glichkeiten gerichtet,
welche anhand von prototypenhaft umgesetzten Beispielsystemen erl utert werden. Anwen-
dungsgebiete sind hierbei unter anderem die Verbesserung der Integrationsm glichkeiten und
die Optimierung der Funktionsparameter optischer Systeme. Exemplarisch werden hierzu op-
tische Designs und Prototypen diskutiert, die unter anderem Anwendungen in der Strahlfor-
mung und der miniaturisierten Abbildungsoptik besitzen. Letzteres betri t ein ultra-d nnes
Kamerasystem, welches auf einem Sehprinzip von Insekten basiert und Baul ngen kleiner
als 250 m erm glicht. Hierbei ndet ein cMLA Einsatz, welches die Korrektur au eraxialer
Bildfehler und damit die Vergr erung des Gesichtsfeldes der Kamera erm glicht. Die das
Array beschreibenden Funktionen k nnen hierbei vollst ndig analytisch abgeleitet werden.
Die Nutzung eines cMLA aus individuell angepassten Linsen erm glicht damit erstmals, das
bekannte Abbildungsprinzip von akademischen Prinzipprototypen zu Systemen mit optischen
Parametern zu erweitern, die den Einsatzbedingungen industrieller Anwendungen gen gen.
Weiterhin wird ein Wabenkondensoraufbau auf Basis von cMLAs zur Strahlhomogenisierung
behandelt. Im Gegensatz zu den zuvor aufgef hrten Anwendungsbereichen von cMLAs steht
hierbei die Interaktion der Gesamtheit aller Linsen des Arrays im Mittelpunkt, was im Beson-
deren zu neuartigen koh renten E ekten f hrt. Die Nutzung nichtregul rer Arrays erm glicht
die Vermeidung der ansonsten auftretenden periodischen Intensit tsmaxima und -minima
in der Homogenisierungsebene, was mit einer Verbesserung der Homogenit t einhergeht.
Wabenkondensoren auf Basis von cMLAs sind im Speziellen f r Kurzpulsanwendungen in
der Sensorik und Materialbearbeitung von Interesse, da andere homogenit tsverbessernde
Ma nahmen nicht angewendet werden k nnen.
F r die Herstellung der Arraystrukturen werden das Re ow von Fotolack und die Laserlitho-
graphie genutzt, die an die Besonderheiten der cMLAs anzupassen waren. Dies betri t im
Speziellen Softwaretools zur Erstellung von Maskendaten f r den Re owprozess und von pro-
lbeschreibenden Daten f r die Laserlithographie, die im Vorfeld der Prototypenfertigung
entwickelt wurden und als universelle Werkzeuge zur Verf gung stehen.Abstract
The presented thesis deals with the design, the fabrication, and the characterization of non-
regular microlens arrays that are referred to as chirped microlens array (cMLA) in accor-
dance to other non-periodical structures. In contrast to conventional, regular microlens arrays
that consist of a repetitive arrangement of a unit cell on a xed, equidistantly sectioned grid,
a cMLA contains similar but not identical lenses that are de ned by a parametric descrip-
tion. The parameters of each cell can be de ned by analytical functions, by using numerical
optimization techniques, or by a combination of the both. Dependency on the position of the
cell within the array is the most characteristic property of these functions.
Overcoming the in exibility of a regular arrangement leads to the enhancement of the classical
array concept and enables new degrees of freedom in the design of micro-optical systems. The
focus of this thesis is to point out the potentials of these new design possibilities which are
explained by example systems built as prototypes. Fields of application are amongst others
the improvement of the system’s integration and the optimization of the optical performance
of a system. Applications in the eld of beam shaping and miniaturized imaging optics are
discussed in detail as example systems. The latter enables extremely thin objectives
with a track length shorter than 250 m that have their natural antetype in the compound eyes
of insects. The use of a cMLA allows the correction of o -axis aberrations and consequently
the extension of the eld of view of the objective, whereas the array describing function can
be derived analytically. For the rst time, the use of a cMLA with individually adapted
lenses allows the fabrication of objectives based on the well-known imaging principle that are
compliant to the demands of industrial applications rather than just being proof-of-principle
demonstrators.
Furthermore, a y’s eye condenser setup based on cMLAs is discussed. In contrast to the
application examples mentioned before, here the focus is on the collective interaction of all
lenses of the array that leads to novel coherent e ects. The periodic intensity peaks appearing
in the plane of homogenization which are typical when using regular arrays can be avoided by
employing non-periodic arrays. This leads to an improved homogeneity of the radiation. Fly’s
eye condensers based on cMLAs are especially advantageous when dealing with short pulse
applications such as in sensing or material processing since otherwise applicable homogeneity
improving measures are not suitable.
The microlens arrays are fabricated using re ow of photoresist or laser lithography which had
to be adapted to the speci cs of cMLAs. This concerns especially software tools for the gener-
ation of mask layouts for the re ow of photoresist as well as pro le data for laser lithography
which had to be developed beforehand the prototyping and are now available as universal
tools.CONTENTS i
Contents
1 Introduction 1
2 Motivation 4
2.1 Applications of microlens arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Arti cial apposition compound eye camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Hybrid imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Fly’s eye condenser systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Fundamentals of chirped microlens arrays 16
3.1 De nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Classi cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Derivation of cell parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 Fabrication methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4.1 Re ow of photoresist speci c to cMLA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4.2 Direct writing techniques speci c to cMLA . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Individual channel design 30
4.1 cMLA for improved system integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.1.1 Selection of best suited channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.1.2 Reduction of number of components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 cMLA for optimization of optical performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.1 cMLA of ellipsoidal microlenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.2 cMLA of o -axis lens segments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5 Collective channel design 67
5.1 Design considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2 Evaluation of homogenization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3 Numerical simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.4 Fly’s eye condenser with planar substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.4.1 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4.2 Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.5 Fly’s eye condensers with non-planar substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 Conclusions and outlook 86
References 89CONTENTS ii
A Symbols and abbreviations 100
B Acknowledgements 104
C Erkl rung 105
D Thesen 106
E Lebenslauf 108
F Wissenschaftliche Ver en tlichungen 1091 INTRODUCTION