Chirped refractive microlens arrays

Wippermann, Frank GND

The presented thesis deals with the design, the fabrication, and the characterization of nonregular microlens arrays that are referred to as "chirped microlens array" (cMLA) in accordance to other non-periodical structures. In contrast to conventional, regular microlens arrays that consist of a repetitive arrangement of a unit cell on a fixed, equidistantly sectioned grid, a cMLA contains similar but not identical lenses that are defined by a parametric description. The parameters of each cell can be defined 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 inflexibility 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 field of beam shaping and miniaturized imaging optics are discussed in detail as example systems. The latter enables extremely thin imaging objectives with a track length shorter than 250µm that have their natural antetype in the compound eyes of insects. The use of a cMLA allows the correction of off-axis aberrations and consequently the extension of the field 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 fly'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 effects. 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 reflow of photoresist or laser lithography which had to be adapted to the specifics of cMLAs. This concerns especially software tools for the generation of mask layouts for the reflow of photoresist as well as profile data for laser lithography which had to be developed beforehand the prototyping and are now available as universal tools.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Aspekten des Designs, der Herstellung und der Charakterisierung nichtregulärer Mikrolinsenarrays, für die in Anlehnung an weitere nichtperiodische Strukturen der englischsprachige Begriff "chirped microlens array" (cMLA) eingeführt wurde. Im Gegensatz zu klassischen - regulären - Mikrolinsenarrays, die aus identischen Linsen mit konstantem Abstand zueinander gebildet werden, bestehen cMLAs aus ähnlichen, jedoch nicht identischen Linsen, die mittels parametrischer Beschreibung deniert sind. Die Zelldefinition kann durch analytische Funktionen, numerische Optimierungsverfahren oder eine Kombination aus beiden gewonnen werden. Bei allen gechirpten Arrays hängen die Funktionen von der Position der jeweiligen Zelle im Array ab.insen mit konstantem Abstand zueinander gebildet werden, bestehen cMLAs aus ähnlichen, jedoch nicht identischen Linsen, die mittels parametrischer Beschreibung deniert sind. Die Zelldefinition kann durch analytische Funktionen, numerische Optimierungsverfahren oder eine Kombination aus beiden gewonnen werden. Bei allen gechirpten Arrays hängen die Funktionen von der Position der jeweiligen Zelle im Array ab. Die Loslösung von der starren Geometrie regulärer Arrays führt zu einer Erweiterung des klassischen Arraybegriffes und ermöglicht neue Freiheitsgrade im Design mikrooptischer Systeme. Der Schwerpunkt der Arbeit ist auf das Aufzeigen der neuen Designmöglichkeiten gerichtet, welche anhand von prototypenhaft umgesetzten Beispielsystemen erläutert werden. Anwendungsgebiete sind hierbei unter anderem die Verbesserung der Integrationsmöglichkeiten und die Optimierung der Funktionsparameter optischer Systeme. Exemplarisch werden hierzu optische Designs und Prototypen diskutiert, die unter anderem Anwendungen in der Strahlformung und der miniaturisierten Abbildungsoptik besitzen. Letzteres betrifft ein ultra-dünnes Kamerasystem, welches auf einem Sehprinzip von Insekten basiert und Baulängen kleiner als 250um ermöglicht. Hierbei findet ein cMLA Einsatz, welches die Korrektur außeraxialer Bildfehler und damit die Vergrößerung des Gesichtsfeldes der Kamera ermöglicht. Die das Array beschreibenden Funktionen können hierbei vollständig analytisch abgeleitet werden. Die Nutzung eines cMLA aus individuell angepassten Linsen ermöglicht damit erstmals, das bekannte Abbildungsprinzip von akademischen Prinzipprototypen zu Systemen mit optischen Parametern zu erweitern, die den Einsatzbedingungen industrieller Anwendungen genügen. Weiterhin wird ein Wabenkondensoraufbau auf Basis von cMLAs zur Strahlhomogenisierung behandelt. Im Gegensatz zu den zuvor aufgeführten Anwendungsbereichen von cMLAs steht hierbei die Interaktion der Gesamtheit aller Linsen des Arrays im Mittelpunkt, was im Besonderen zu neuartigen kohärenten Effekten führt. Die Nutzung nichtregulärer Arrays ermöglicht die Vermeidung der ansonsten auftretenden periodischen Intensitätsmaxima und -minima in der Homogenisierungsebene, was mit einer Verbesserung der Homogenität einhergeht. Wabenkondensoren auf Basis von cMLAs sind im Speziellen für Kurzpulsanwendungen in der Sensorik und Materialbearbeitung von Interesse, da andere homogenitätsverbessernde Maßnahmen nicht angewendet werden können. Für die Herstellung der Arraystrukturen werden das Reflow von Fotolack und die Laserlithographie genutzt, die an die Besonderheiten der cMLAs anzupassen waren. Dies betrifft im Speziellen Softwaretools zur Erstellung von Maskendaten für den Reflowprozess und von profilbeschreibenden Daten für die Laserlithographie, die im Vorfeld der Prototypenfertigung entwickelt wurden und als universelle Werkzeuge zur Verfügung stehen.

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Wippermann, Frank: Chirped refractive microlens arrays. 2008.

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