随着近代光学和光电子技术的发展,光电子仪器及其光学元件都发生了深刻而巨大的变化,例如微透镜阵列、衍射透镜、梯度折射率透镜等新型光学元件的应用越来越多,这些使得光电子仪器向小型化、阵列化和集成化方向发展。自由空间微光学是把微光学元件、微电子器件、微机械系统在自由空间内组合起来,而获得较高性能以及较高效率的微系统光学技术,而微光学技术在过去几年中已经研制出各种不同的折射和衍射微光学元件。本文采用光刻离子交换技术制作了六角形孔径平面微透镜阵列,并在原有实验的基础上对各项参数做了优化设计,例如窗口大小、窗口间距、熔盐比例、交换时间和温度以及祛钛工艺等,制作出接近理想情况的平面微透镜阵列,使平面微透镜阵列的光学特性进一步增强,并在理论上对单层平面微透镜阵列以及双层平面微透镜阵列的光学特性及成像特性做了分析。离子交换依据对称的六角形开孔式Tl-Na离子扩散理论分析得到平面微透镜的折射率分布区域,是以窗口为中心的中心对称分布,而实验中得到的透镜元都是掩埋在玻璃基片表面下的一个接近半球形的区域,因此,本文根据鲁尼伯格透镜模型分析光线的传输规律。实验中通过微小光学测试系统测量了微透镜阵列的折射率分布、焦距、数值孔径、光斑等光学特性。对于平面微透镜阵列,本文以光学元件阵列的非高斯成像性质作为理论基础,分析了平面微透镜阵列成综合像的条件和特点。六角形孔径平面微透镜阵列光学系统在三维集成光学系统中应用广泛,本文制作的平面微透镜阵列在三维成像方面也有广泛的应用前景。