微透镜阵列

发布单位:博仑特科技集团 发布人:管理员 发布时间:2021/12/8 8:34:49 关注度:5354

透镜是一种人们非常熟悉的光学元件,它属于被动光学元件,在光学系统中用来会聚、发散光辐射。通常的透镜体积比较大,人眼能看得到,属于折射型光学元件,遵循折射定律,用几何光学的知识就能很好地研究它们的光学性质。相同的透镜按一定的周期排列在一个平面上便构成了透镜阵列,由普通的透镜组成的透镜阵列的光学性质就是单个透镜功能的合成。

然而,随着科学技术的进步,当前的仪器设备已朝着光、机、电集成的趋势发展趋势。利用传统方法制造出来的光学元件不仅制造工艺复杂,而且制造出来的光学元件尺寸大、重量大,已不能满足当今科技发展的需要。目前,人们已经能够制作出直径非常小的透镜与透镜阵列,这种透镜与透镜阵列通常是不能被人眼识别的,只有用显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等设备才能观察到,这就是微透镜和微透镜阵列。

微光学技术所制造出的微透镜与微透镜阵列以其体积小、重量轻、便于集成化、阵列化等优点,已成为新的科研发展方向。随着光学元件小型化的发展趋势,为减小透镜与透镜阵列的尺寸而开发了许多新技术,现在已经能够制作出直径为毫米、微米甚至纳米量级的微透镜与微透镜阵。

在上个世纪80年代,一种新型的微小光学阵列器件自聚焦平面微透镜阵列发展起来,它采用当时先进的光刻工艺,制作出排列整齐,结构均匀的微透镜阵列,而且微透镜阵列的表面为平面,易于与其它平面元件耦合连接,并且具有较好的聚光、准直、分路、成像、波分复用、开关、隔离等三维功能。另外,由于单个透镜的直径小,透镜密度高,可实现信息的大容量,多通道并行处理。因此,在光传感、光计算、光纤通信及其它光电子器件中获得了重要的应用。

1992年,日本Sony公司报道了将微透镜阵列与CCD单片集成制作出高灵敏度的CCD器件。微透镜阵列与CCD集成能够提高CCD的填充系数进而改善CCD的灵敏度和信噪比。CCD由许多光敏元组成,光敏元将获得的光信号转变成电信号,然后转移出去。由于移位寄存器和转移门的存在,光敏元之间存在明显的空隙,落在CCD上的信号光约有2/3并不能被光敏元拾取。CCD的填充系数只有20.30%,导致了CCD较低的光敏性。这样入射到CCD其它区域的信号光就会被浪费,信号光的利用率很低。因此微透镜阵列的主要作用是使原本落入介电层上的光子由于微透镜的作用使之偏折落入光敏区,提高CCD的填充系数。通过在CCD上使用微透镜阵列,使光聚焦在CCD光敏元上,能够使CCD得灵敏度得到大幅度提高,而CCD的量子效率在可见光谱范围内平均提高两倍。

1994年菲利普研发中心成功制作出二维大面积图像传感微透镜阵列。微透镜的直径为190um,间隔200um,微透镜的焦距从200—450um。微透镜阵列提高了传感器件的响应速度,而对图像分辨率没有影响。

1997年,美国麻省理工学院(MIT)林肯实验室研究人员采用质量转移法,成功制作出折射非球形微透镜阵列,用于锥形谐振腔激光器的光束准直,使衍射受限光束发散角仅为0.43。,并实现了与单模光纤的耦合。

2002年,Osaka大学研究人员利用微透镜阵列与二次谐波显微镜(second harmonic generation microscopy)集成,提出了多焦点扫描技术,与传统的单焦点扫描方法相比,此技术使二次谐波生成的探测效率和图像采集率获得了数十倍的提高。

2005年,韩国研究人员报道称将微透镜阵列用于超大尺寸的三维成像显示,微透镜阵列能够加大显示器的视场角,同时显示的图像显非常清晰而且没有畸变。

2006年,美国加利福尼亚州的斯坦福大学的研究人员成功地利用微透镜阵列代替数码相机中的单一透镜成像,大大增加了相机的聚焦深度和视场角。装有微透镜阵列的相机不但能够使远处和近处的像清晰,连背景也十分清楚,而一般的相机只能获得近处或远处的像。

2007年韩国LG公司研究人员报道了使用高填充因子微透镜阵列增强OLED的光输出效率。他们利用沟道成型和高分子敷形图层气相沉积的微机械制作工艺在OLED器件表面制作出来高填充因子的微透镜阵列,将OLED的输出效率提高了48%。

在国内,研究人员对微透镜阵列理论及制作工艺也进行了深入的研究,使得其得到了广泛的应用。如成都光电所将其成功地用于波前测量、激光光束诊断、激光光束整形和光学元件质量评价等实际系统中;浙江大学对其在密集多载波分复用器中的应用也作了深入的研究;南开大学光学所衍射微光学试验室对微透镜的制作工艺也进行了深入的研究。

由于微透镜阵列在微光学系统中有着重要而广泛的应用,如可用于光信息处理、光计算、光互连、光数据传输、生成二维点光源,也可用于复印机、图像扫描仪、传真机、照相机,以及医疗卫生器械中。此外,微透镜阵列器件也实现了微型化和集成化,使得其具有很强的适应性,可广泛用于通信、显示和成像器件当中。用于半导体激光器的椭圆形折射微透镜阵列,能够实现激光器的聚焦与准直,激光二极管(LD)的光束整形,它还可用于光纤、光学集成回路之间,实现光器件的有效耦合。在光纤通信中,椭圆形微透镜将来自自由空间的光耦合进光纤,并校准从光纤出来的光。目前微透镜阵列己经在原子光学领域有所应用,利用微透镜阵列做成原子波导、分束器、马赫一曾德尔干涉仪或利用其捕获原子或者对中性原子进行量子信息处理。因此对于微透镜阵列使用材料,制作工艺和用途方面的研究十分必要。

微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列。它和传统透镜一样,最小功能单元也可以是球面镜、非球面镜、柱镜、棱镜等,同样能在微光学角度实现聚焦、成像,光束变换等功能,而且因为单元尺寸小、集成度高,使得它能构成许多新型的光学系统,完成传统光学元件无法完成的功能。

图1  一个集成12个微透镜的微光学元件(左);两个集成40个透镜的微光学组件(右)。


微透镜阵列的结构从最小功能单元的排列方法可分为单排式、M*N排列、满布式等,同时可分为单面阵列和双面阵列。

表1 阵列分布类型、特点和主要应用


微透镜阵列可分为折射型微透镜阵列与衍射型微透镜阵列两类。

折射型 (ROE)微透镜阵列:

基于几何光学的折射原理,光在两种透明介质交界处(如空气和玻璃),将向折射率高的区域弯折。材料的折射率越高,入射光发生折射的能力越强。通过这个原理,将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分,每一部分被相应的小透镜聚焦在焦平面上,光斑进行重叠,从而实现在特定区域将光均匀化,对激光束精确整形。其应用主要有光斑整形和光束转化。

图2  折射型 (ROE)微透镜阵列


衍射型 (DOE)微透镜阵列:

基于物理光学的衍射原理,光被透镜阵列的表面浮雕结构调制改变了波前相位,从而实现了光波的调制、变换。激光经过每个衍射单元后发生衍射,并在一定距离(通常为无穷远或透镜焦平面)处产生干涉,形成特定的光强分布。

主要应用在光通讯以及医疗美容等领域,解决高阶像差矫正、任意光分布的光斑形状调制等问题。根据不同的用途,DOE通常可以分为光束整形、分束、结构光、多焦、其他特殊光束产生等种类。

图3  衍射型 (DOE)微透镜阵列


其使用时的限制:

1)衍射光学元件对入射光的角度敏感,需要较好的光路调整精度和稳定性;

2)大部分衍射光学元件对入射激光的波前位相进行精密调控,因此光路中的其他部件如反/ 透射镜片、透镜等要使用高精度、低波差的器件,否则会影响最终的效果。

图4  几何光学(左);物理光学(右)


微透镜阵列结构的加工技术

机械加工法

这是一种比较早期的微透镜加工方法,其优点是简单易行,利用高精度CNC工具可以挖出对应的微透镜结构,或者利用更为精密的单点金刚车工具挖出微球凹坑结构,当然前面的加工技术都是基于模具的加工,再配合注塑工艺或者热压成型获得带有微透镜阵列的板材或者型材。

热回流法

热回流是当前比较流行的一种微透镜阵列结构的加工方法。其过程是利用光刻胶曝光显影后形成圆柱或者特定形状的柱子阵列结构,通过加热后让光刻胶达到并超高其玻璃态转变温度后软化,在其表面张力的作用下形成微透镜阵列(如下图2所示)。再配合电铸工艺实现结构向模具的转化,最后利用注塑或者纳米压印的方式进行大批量的复制生产。这里需要说明的是,新一代PhableR紫外光刻机已经可以使用紫外光源获得百纳米以下的周期性结构,这意味着,原理上我们可以获得纳米口径的微透镜阵列结构。另外,对光刻熟悉的人可能会比较关注高温自处理后光刻胶去除问题,这里我们可以选择使用成熟的Alpha plasma微波等离子去胶机来实现对光刻胶的有效去除,且不损伤金属模具。


图2 不同温度下AR-P 3740(1.4um厚度)正胶的热回流情况


喷胶法

利用高精密喷嘴将聚合物液体喷出,并形成一定尺寸的液滴,在空间中飞行后着陆在衬底表面形成半球面,再通过加热溶剂挥发,或者紫外光照固化的方式形成球面微透镜结构,辅以高精度的机械机台和喷嘴阵列以及控制系统,就可以获得有效面积的微透镜阵列结构(如下图3所示)。这种加工方式的优点是,无需向上面两种方法先制作模具后通过注塑或者压印的方式进行复制,它本身就有很高的生产效率,可以直接用于生产。但是其缺点就是需要适配合适的喷涂聚合物材料,还需要匹配其材料与衬底的粘附性等问题才能获得可控矢高的微透镜阵列;

图3 喷胶成型的微透镜阵列结构


灰度曝光法

上述几种方法几乎有个共性,就是球面的形状可控性比较差,实际使用中,非球面的微透镜阵列需求越来越多,因对这种需求,我们往往需要通过灰度光刻的方式来实现微透镜阵列结构,灰度光刻的就是利用灰度光刻掩膜版(掩膜接触式光刻)或者计算机控制激光束或者电子束剂量从而达到在某些区域完全曝透,而某些区域光刻胶部分曝光,从而在衬底上留下3D轮廓形态的光刻胶结构(如下图4所示,八边金字塔结构)。微透镜阵列也是类似,可以通过剂量分布的控制来控制其轮廓形态。需要注意,灰度光刻方法获得的微透镜阵列的表面粗糙度相比于热回流和喷墨法获得的透镜要大的多,约为Ra=100nm,前两者可以会的Ra=50nm的球面。

图4 AR-P 3220利用灰度光刻获得的八面金字塔结构


微纳3D打印

这种方法与灰度光刻有点类似,但是原理不同,我们常见的微纳3D打印技术是双光子聚合和微纳金属3D打印技术,利用该技术我们理论上可以获得任意想要的结构,不仅仅是微透镜阵列结构(如下图5所示),该方法的优势是可以完全按照设计获得想要的结构,对于双光子聚合的微结构,我们需要通过LIGA工艺获得金属模具,但是对于微纳金属3D打印获得的微纳米结构可以直接进行后续的复制工作,并通过纳米压印技术进行复制。

图5 利用双光子聚合获得的微透镜阵列结构

图6 CERES微纳金属3D打印技术获得的微米阵列结构


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