微透鏡

透鏡是一種人們非常熟悉的光學元件，它屬於被動光學元件，在光學系統中用來會聚、發散光輻射。通常的透鏡體積比較大，人眼能看得到，遵循折射定律，用幾何光學的知識就能很好地研究它們的光學性質。

基本介紹

• 中文名：微透鏡
• 外文名：microlenses
• 類別：光學元件
• 特徵：被動
• 發展：上個世紀80年代
• 學科：電子工程

發展歷程

相同的透鏡按一定的周期排列在一個平面上便構成了透鏡陣列，由普通的透鏡組成的透鏡陣列的光學性質就是單個透鏡功能的合成。

然而，隨著科學技術的進步，當前的儀器設備已朝著光、機、電集成的趨勢發展趨勢。利用傳統方法製造出來的光學元件不僅製造工藝複雜，而且製造出來的光學元件尺寸大、重量大，已不能滿足當今科技發展的需要。目前，人們已經能夠製作出直徑非常小的透鏡與透鏡陣列，這種透鏡與透鏡陣列通常是不能被人眼識別的，只有用顯微鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等設備才能觀察到，這就是微透鏡和微透鏡陣列。

微光學技術所製造出的微透鏡與微透鏡陣列以其體積小、重量輕、便於集成化、陣列化等優點，已成為新的科研發展方向。隨著光學元件小型化的發展趨勢，為減小透鏡與透鏡陣列的尺寸而開發了許多新技術，現在已經能夠製作出直徑為毫米、微米甚至納米量級的微透鏡與微透鏡陣。

在上個世紀80年代，一種新型的微小光學陣列器件自聚焦平面微透鏡陣列發展起來，它採用當時先進的光刻工藝，製作出排列整齊，結構均勻的微透鏡陣列，而且微透鏡陣列的表面為平面，易於與其它平面元件耦合連線，並且具有較好的聚光、準直、分路、成像、波分復用、開關、隔離等三維功能。另外，由於單個透鏡的直徑小，透鏡密度高，可實現信息的大容量，多通道並行處理。因此，在光感測、光計算、光纖通信及其它光電子器件中獲得了重要的套用。

1992年，日本Sony公司報導了將微透鏡陣列與CCD單片集成製作出高靈敏度的CCD器件。微透鏡陣列與CCD集成能夠提高CCD的填充係數進而改善CCD的靈敏度和信噪比。CCD由許多光敏元組成，光敏元將獲得的光信號轉變成電信號，然後轉移出去。由於移位暫存器和轉移門的存在，光敏元之間存在明顯的空隙，落在CCD上的信號光約有2/3並不能被光敏元拾取。CCD的填充係數只有20.30%，導致了CCD較低的光敏性。這樣入射到CCD其它區域的信號光就會被浪費，信號光的利用率很低。因此微透鏡陣列的主要作用是使原本落入介電層上的光子由於微透鏡的作用使之偏折落入光敏區，提高CCD的填充係數。通過在CCD上使用微透鏡陣列，使光聚焦在CCD光敏元上，能夠使CCD得靈敏度得到大幅度提高，而CCD的量子效率在可見光譜範圍內平均提高兩倍。

1994年菲利普研發中心成功製作出二維大面積圖像感測微透鏡陣列。微透鏡的直徑為190um，間隔200um，微透鏡的焦距從200—450um。微透鏡陣列提高了感測器件的回響速度，而對圖像解析度沒有影響。

1997年，美國麻省理工學院(MIT)林肯實驗室研究人員採用質量轉移法，成功製作出折射非球形微透鏡陣列，用於錐形諧振腔雷射器的光束準直，使衍射受限光束髮散角僅為0.43，並實現了與單模光纖的耦合。

2002年，Osaka大學研究人員利用微透鏡陣列與二次諧波顯微鏡(second harmonic generation microscopy)集成，提出了多焦點掃描技術，與傳統的單焦點掃描方法相比，此技術使二次諧波生成的探測效率和圖像採集率獲得了數十倍的提高。

2005年，韓國研究人員報導稱將微透鏡陣列用於超大尺寸的三維成像顯示，微透鏡陣列能夠加大顯示器的視場角，同時顯示的圖像顯非常清晰而且沒有畸變。

2006年，美國加利福尼亞州的史丹福大學的研究人員成功地利用微透鏡陣列代替數位相機中的單一透鏡成像，大大增加了相機的聚焦深度和視場角。裝有微透鏡陣列的相機不但能夠使遠處和近處的像清晰，連背景也十分清楚，而一般的相機只能獲得近處或遠處的像。

2007年韓國LG公司研究人員報導了使用高填充因子微透鏡陣列增強OLED的光輸出效率。他們利用溝道成型和高分子敷形圖層氣相沉積的微機械製作工藝在OLED器件表面製作出來高填充因子的微透鏡陣列，將OLED的輸出效率提高了48%。

在國內，研究人員對微透鏡陣列理論及製作工藝也進行了深入的研究，使得其得到了廣泛的套用。如成都光電所將其成功地用於波前測量、雷射光束診斷、雷射光束整形和光學元件質量評價等實際系統中；浙江大學對其在密集多載波分復用器中的套用也作了深入的研究；南開大學光學所衍射微光學試驗室對微透鏡的製作工藝也進行了深入的研究。

由於微透鏡陣列在微光學系統中有著重要而廣泛的套用，如可用於光信息處理、光計算、光互連、光數據傳輸、生成二維點光源，也可用於複印機、圖像掃瞄器、傳真機、照相機，以及醫療衛生器械中。此外，微透鏡陣列器件也實現了微型化和集成化，使得其具有很強的適應性，可廣泛用於通信、顯示和成像器件當中。用於半導體雷射器的橢圓形折射微透鏡陣列，能夠實現雷射器的聚焦與準直，雷射二極體(LD)的光束整形，它還可用於光纖、光學集成迴路之間，實現光器件的有效耦合。在光纖通信中，橢圓形微透鏡將來自自由空間的光耦合進光纖，並校準從光纖出來的光。目前微透鏡陣列己經在原子光學領域有所套用，利用微透鏡陣列做成原子波導、分束器、馬赫一曾德爾干涉儀或利用其捕獲原子或者對中性原子進行量子信息處理。因此對於微透鏡陣列使用材料，製作工藝和用途方面的研究十分必要。

製作工藝

微透鏡陣列作為一種重要的光學元件，具有體積小、重量輕、集成度高的特點，吸引了大量的目光。伴隨著半導體工業的發展，光刻和微細加工技術的提高，自上世紀八十年代起，相繼出現了一系列嶄新的微透鏡陣列製作技術。由於透鏡陣列器件分為折射型微透鏡陣列和衍射型微透鏡陣列，它們在製作工藝也開發出不同的方法。

折射微透鏡的製作方法

由於折射微透鏡陣列器件在聚光、準直、大面陣顯示、光效率增強、光計算、光互連及微型掃描等方面越來越廣泛的套用，它的製作工藝和方法得到了日益深入的研究。到目前為止，已經出現很多製備折射微透鏡陣列的方法，光刻膠熱回流方法、雷射直寫方法、微噴列印法、溶膠一凝膠法、反應離子刻蝕法、灰度掩模法、熱壓模成型法、光敏玻璃熱成型法刪等。下面主要介紹幾種主流的微透鏡陣列製作方法。

（1）光刻膠熱回流技術

光刻膠熱回流法(熔融光刻膠法)是Poporie於1988年提出的，整個工藝過程可以分為三步：一、對基板上的光刻膠在掩模的遮蔽下進行曝光，曝光圖案呈圓形，矩形或正六邊形；二、對曝光後的光刻膠進行顯影並清洗殘餘物質；三、放置於加熱平台上，熱熔成型。由於這種方法具有工藝簡單，對材料和設備的要求較低，工藝參數穩定且易於控制，複製容易等優點，被廣泛地用於微透鏡陣列的製作當中。

然而利用這種技術製作的微透鏡陣列也存在諸多缺點：一、由於光刻膠對於基板材料存在浸潤現象，當光刻膠在熔融狀態時與基板的附著力是一定的，那么當熔融光刻膠最終成型以後微透鏡球面輪廓與基板之間存在浸潤角，使微透鏡的邊緣存在一定的曲率，而中間部分下陷；二、一般情況下微透鏡陣列的填充因子不會超過80%，而且光刻膠在熔化後容易粘連，相鄰的熔融光刻膠一旦接觸後，不會形成透鏡的面形。由於填充因子不高，使入射的光不能充分利用，並且會引起背景噪聲；三、由於光刻膠本身的機械性能和化學性能比較差，光學性能也不高，不適於作為最終的微透鏡或其他微結構的材料。

（2）雷射直寫技術

目前，由於雷射直寫方法易於操作，並且具有製作的微光學元件尺寸小、精度高的優點，其在微精細研究和加工領域得到了廣泛的套用。雷射直寫技術利用強度可變的雷射束對塗在基片表面的光刻膠進行變劑量曝光，顯影后在光刻膠表面形成所需要的浮雕輪廓。雷射直寫的最大優點是器件定位後可一次寫出多個相位階數或連續相位的二元光學器件，從而避免了多次掩模套刻喪失的共軸精度。雷射直寫製作微透鏡陣列的工藝過程可以分為三步：

使用CAD設計出微透鏡陣列的曝光結構，並傳入雷射直寫設備的系統當中；將塗敷有光刻膠的基片放置於直寫平台，對光刻膠進行雷射寫入；對曝光後的光刻膠進行顯影並清洗殘餘物質，最後得到排列整齊，結構均勻的微透鏡陣列結構。雷射直寫法適用於高精度單件和模型製作。使用雷射直寫製作完成微透鏡陣列的原型以後，使用的是鑄模工藝方法中的電鑄技術將微透鏡轉化為金屬模型，用於大規模的生產。由於電鑄複製工藝能夠保證最終產品的形狀，因此能夠對微透鏡陣列進行大規模的生產。利用這些先進的技術，重複製作出微單元結構，從而製作高品質低成本的微透鏡陣列元件。

衍射微透鏡的製作方法

衍射微透鏡有會聚光能、矯正像差和成像的作用，並且體積小、質量輕、集成度高、易於複製而被廣泛地套用於紅外光電探測器、圖像識別和處理、光通訊、雷射醫學、空間光學等許多領域。其主要的製作方法有二元光學技術、電子束直寫技術以及灰度掩模技術等方法。

（1）二元光學技術

上世紀八十年代中期，美國MIT林肯實驗室Veldkamp領導的研究組在設計新型的感測系統中，率先提出了“二元光學’’的概念。它不同於傳統的製作方式，利用了製作積體電路的生產方法，使用的掩模是二元的，且掩模用二元編碼的形式進行分層。隨後二元光學迅速發展成為--I'-J技術，受到學術界和工業界的青睞。二元光學技術非常適合於衍射微透鏡陣列的製作，其中微透鏡的邊界容易做到整齊和尖銳，微透鏡陣列的填充因子可達100%，而且具有重量輕、造價低、易於微型化、陣列化等優點。二元光學採用相位量化的二元編碼和製作順序是在N個工藝步驟中形成的相位級數由N+I提高到2N，見圖1．2，大大減少了工藝步驟疊代的次數，降低了製造高衍射效率的衍射光學元件所需要的加工成本。二元光學台階衍射微透鏡製作過程基於成熟的微電子工藝，適於大批量生產。

當位相台階數增加時，二元光學元件也能象連續浮雕元件一樣，具有很高的衍射效率。當位相台階數分別為2、4、8、16時，理論衍射效率分別為4l%、81%、95%和99%。隨著台階數的增加，衍射效率增加，同時製作難度也會加大，對準精度要求也更高。為確保高的衍射效率和製作精度，需採用多次光刻和刻

蝕工藝來產生多位相台階衍射微透鏡。在光刻工藝中，二元光學元件的位相等級數L和所需的掩模數N之間存在這樣的關係：L=2Ⅳ。因此製作8相位台階和16相位台階微透鏡分別需要三塊和四塊掩模版。實際製作中一般採用三塊掩模版，經三次光刻和三次刻蝕技術製造八相位(或八台階)衍射微透鏡陣列，可基本滿足要求。微透鏡陣列的製作工藝主要包括掩模版的設計和製作，利用光刻技術將所設計的掩模版圖形轉印到光刻膠上，利用乾法刻蝕或濕法刻蝕技術將光刻膠圖形高保真地轉移到襯底表面，形成所需的浮雕結構。

(2)電子束直寫技術

為了避免多次套刻出現的誤差累積問題，人們開發出了多種一次成型的加工技術，如金剛石車削法、雷射直寫法、化學沉積法等。直寫法是比較實用的方法，分為電子束直寫、離子束直寫以及雷射束直寫三種。採用電子直寫技術製作微光學器件始於80年代初，電子束直寫原理與雷射束直寫不同，在進行直寫前，必須在基底上預先鍍一層導電膜(如Au，In，O，等)，以便曝光時泄露電子。電子束直寫的解析度非常高，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校電子工程系利用電子束直寫技術製作的直徑為45um的微透鏡，其臨界尺寸僅為60nm。電子束直寫是製作亞波長結構微透鏡的重要手段。

(3)灰度掩模技術

灰度掩模技術利用灰度等級掩模版經一次光刻實現多台階衍射光學元件或連續位相變化的浮雕圖形，然後經刻蝕(或薄膜沉積)，將圖形高保真地轉移到基底上。該技術把複雜的多次光刻和圖形轉移簡化為一次完成，無套刻中對準誤差等問題，適合於大批量生產，縮短了生產周期和降低了成本。灰度掩模技術關鍵之處就是灰度等級掩模版的製作。目前比較常用的兩種方法是彩色編碼掩模版和高能電子束敏感玻璃掩模版。前者利用不同顏色，表示不同的灰度等級，一種顏色代表一個灰度等級，四相位表面浮雕分布，用四種顏色表示，八相位浮雕表面分布用八種顏色表示，然後再將用顏色表示的灰度圖形，用高解析度彩色印表機列印在透明膠片上，再將此彩色膠片通過精縮轉到成黑白透明膠片上，這樣就形成了具有不同灰度等級掩模版，通過一次曝光可得到多相位台階的浮雕表面分布結構。這種掩模版解析度較低，器件的相位輪廓台

階束直接受到印表機彩色等級限制。高能電子束敏感玻璃掩模版(HEBS)利用其對不同能量電子束的敏感程度不同，形成透過率為台階變化或連續變化的真正灰度掩模版。這種掩模版解析度高，可達500個灰度等級，且掩模版製作過程簡單，成本低。利用HEBS扶度等級掩模版所製作的元件具有解析度高，衍射效率局等其它方法所無法比擬的優點。隨著扶度等級的升高。浮雕分布近似連續分布，但是扶度掩模的製作隨著其灰階的增多將變得十分困難，製作成本也將大幅度上。

以上所迷的各種微透鏡陣列的製作方法，對於製作小批量的微透鏡陣列較為台適。但是，直¨果需要大批量生產微透鏡陣列，以上方法就不太方便，而且成本高，總的生產過程複雜，產品均勻性難以保證。因此發展複製技術成為降低微光學器件成本、推J1套用的關鍵。一般在光刻膠表面製作微結構具有以下缺點：

一、光刻膠材料表面比較粗糙，易引起漫敞射，降低器件的光學性能；

二、光刻膠材料表面機械強度低，易受磨損且不適用於惡劣環境。

陣列性能測試

衡量微透鏡光學質量的性能參數有很多，對於折射微透鏡有焦距、表面粗糙度、陣列均勻性等物理參數和點擴散函式等光學性能參數，而對於衍射微透鏡有衍射效率這一重要參數。目前，針對微透鏡參數的測量方法有多種，如干涉法、CCD直接成像法、哈特曼波前感測器測量法、刀口振動法、莫爾法、泰伯效應法等等，各種方法所利用的光學原理各不相同，也各有優缺點。

微透鏡陣列的填充因子ρ是指單元元件的有效通光面積與單元總面積的比值，它決定了元件對光能的匯聚和發散能力。填充因子與元件的形狀和排列方式有關，如採用圓孔徑，傳統的正交排列微透鏡陣列的填充因子最大為78.5%，六邊形排列微透鏡陣列的填充因子最大為90%。而採用方形孔徑和六邊形孔徑填充方式，理論上填充因子可達到100%，但由於透鏡孔徑邊緣處面形誤差的存在使得其有效折光能力下降，填充因子會降低。面形輪廓的控制範圍越大，則加工誤差越小，填充因子就越高。

表面粗糙度表征了微單元表面上的平整度。由於微光學元件在加工過程中包括多個工藝步驟，而且光刻膠、基片及去離子水的潔淨度的高低，或在光刻過程中都會影響元件表面的粗糙度。

使用原子力顯微鏡測出了一組微透鏡孔徑的直徑(D)和厚度(h)。陣列樣品中隨機選取的10透鏡的直徑、厚度、焦距等參數。微透鏡焦距均勻性誤差定義為：

式中，f_max為微透鏡列陣子單元焦距最大值，f_min為最小值，f 為焦距平均值。

通過抽樣測量單元透鏡的浮雕深度，利用上式計算出對應單元的焦距，由測試結果得出焦距的平均值為62.56um，均方根差為2.96um，焦距的均勻性誤差為0.4%。分析製作的微透鏡陣列的陣列均勻性小於1%。因此可認為此微透鏡陣列均勻性很高。

射光學元件的衍射效率是標誌元件質量的關鍵指標，是直接關係到設計和製造出的元件能否在實際光學系統中採用的一個至關重要的問題。因而對衍射效率進行精確測量是非常重要的。從國內外已經報導的衍射效率來看，各研究小組報導的相同位相台階數的菲涅耳微透鏡列陣其衍射效率有很大差異。這是因為各自所採用的衍射效率的各自的定義、測試系統和測試方法的不同。這些結果既不同於嚴格理論定義的衍射效率，也不能完全代表實際使用所關心的有效的能量利用率，缺乏可比性。

工程套用中，衍射效率定義為衍射波光強度和入射照明光強度之比。對於衍射光學元件，衍射效率的大小表征衍射光柵把入射光能量轉化為所需要級次衍射光能量的能力。