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研究生:曲昌盛
研究生(外文):Chu Chang Sheng
論文名稱:灰階Fresnel微透鏡的設計及製作技術研究
論文名稱(外文):The Design and Fabricative Technology of Gray-Scale Fresnel Microlens
指導教授:溫盛發
指導教授(外文):Wen Senfar
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:電機工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1999
畢業學年度:87
語文別:中文
中文關鍵詞:灰階光罩微透鏡繞射光學元件純量繞射
外文關鍵詞:Fresnel MicrolensGray-scale maskScalar diffractionDiffraction optical elementsDOE
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以灰階光罩微影技術製作的Fresnel微透鏡稱之為灰階Fresnel微透鏡。本論文提出以週期內等間距的量化方式,使灰階Fresnel微透鏡在製作上有線寬的選擇性,並具有可控制的相位量化階數。我們設計、製作和分析這種灰階Fresnel微透鏡。首先以純量繞射理論推導灰階Fresnel微透鏡的光學原理,並利用光程差設計各種灰階Fresnel微透鏡參數。其次採用圓對稱近場繞射原理分析此灰階Fresnel微透鏡,同時模擬焦平面場強分佈的Strehl ratio、入射波長及溫度對灰階Fresnel微透鏡的影響。最後運用灰階光罩微影技術製作灰階Fresnel微透鏡,其規格為f-number 30、焦距240 mm、透鏡口徑8 mm及量化階數 32。結果發現焦距和焦平面光斑尺寸與圓對稱近場繞射分析的模擬吻合,證實灰階Fresnel微透鏡的聚焦功能。理論上,微透鏡的-1階繞射效率可達99 %,然而由於蝕刻過程所產生的深度及邊緣誤差,使-1階繞射效率僅達80 %左右。

The Fresnel microlens manufactured by gray-scale mask lithography technology is called gray-scale Fresnel microlens. We propose equal-interval quantization in a period to give gray-scale Fresnel microlens the selectivity of linewidth and the controllable quantization phase level. A gray-scale Fresnel microlens is designed, fabricated, and analyzed. At first we infer the optical principles of gray-scale Fresnel microlens from the scalar diffraction theory, and design the gray-scale Fresnel microlens by the use of optical path difference. Secondly, we use near field diffraction theory of circular symmetry to analyze gray-scale Fresnel microlens. The Strehl ratio of the intensity distribution on focal plane, the influences of input wavelength and temperature on gray-scale Fresnel microlens are simulated numerically. Finally, A gray-scale Fresnel microlens is fabricated by gray-scale mask lithography technology, and its specifications: f-number is 30, 240 mm is focal length, 8 mm is lens diameter, and 32 are quantization levels. It is found that the focal length and the spot size on focal plane agree with the numerical results caculated from the near-field diffraction theory of circular symmetry. This proves the focusing properties of the gray-scale Fresnel microlens. In theory, the -1 order diffraction efficiency of the microlens can be 99 %, but the measured value is only 80 %. The degradation is due to the depth and side-wall errors caused by the etching process.

摘要 ………………………………………………………………………i
Abstract …………………………………………………………………ii
誌謝 ………………………………………………………………………iii
目錄 ………………………………………………………………………iv
圖目錄 ……………………………………………………………………vi
表目錄 ……………………………………………………………………x
第一章 緒論 ……………………………………………………………1
第二章 灰階Fresnel微透鏡的理論架構………………………………7
2-1 理論的選擇與使用限制 ……………………………………………7
2-1-1 光的特性 …………………………………………………………7
2-1-2 理論的適用性與限制 ……………………………………………8
2-2 灰階Fresnel微透鏡的光學原理……………………………………11
2-2-1 半波帶法 …………………………………………………………11
2-2-2 Fresnel波帶片與灰階Fresnel微透鏡…………………………17
第三章 灰階Fresnel微透鏡的設計、分析與模擬……………………24
3-1 灰階Fresnel微透鏡的設計…………………………………………24
3-1-1 最大週期數Nmax …………………………………………………24
3-1-2 最小線寬Wmin與量化階數L的關係 ……………………………28
3-1-3 各階環帶半徑rm …………………………………………………29
3-1-4 各相位階厚度h ………………………………………………31
3-1-5 -1階的繞射效率…………………………………………………34
3-2 灰階Fresnel 微透鏡的分析 ………………………………………41
3-2-1 圓對稱之近場繞射分析 …………………………………………41
3-2-2 灰階Fresnel微透鏡的近場繞射 ………………………………43
3-3 灰階Fresnel 微透鏡的模擬………………………………………45
3-3-1 灰階Fresnel微透鏡近場繞射的Strehl ratio…………………45
3-3-2 入射波長對灰階Fresnel微透鏡的影響…………………………49
3-3-3 環境溫度對灰階Fresnel微透鏡的影響…………………………53
第四章 灰階Fresnel 微透鏡的製作與流程 …………………………58
4-1 光罩微影製程技術應用於繞射光學元件…………………………58
4-1-1 光罩微影術 ………………………………………………………58
4-1-2 灰階光罩技術 ……………………………………………………61
4-2 灰階Fresnel微透鏡的製作流程 …………………………………65
4-2-1 建立光阻特性與灰階光罩光密度參數的關係 …………………66
4-2-2 設計灰階Fresnel微透鏡的光罩圖樣……………………………68
4-2-3 灰階光罩微影製程 ………………………………………………69
4-2-4 元件形狀量測與性能分析量測 …………………………………69
第五章 製程實驗結果、量測與討論 …………………………………70
5-1 灰階Fresnel微透鏡的製程實驗結果與量測………………………70
5-1-1 灰階Fresnel微透鏡的製程實驗結果……………………………70
5-1-2 灰階Fresnel微透鏡的量測………………………………………81
5-2 灰階Fresnel微透鏡設計之探討 …………………………………88
5-3 灰階Fresnel微透鏡製程之探討 …………………………………89
第六章 結論 ……………………………………………………………93
參考文獻 …………………………………………………………………95

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