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微透镜及微透镜阵列及其发展

发布日期:2015-06-10

微透镜及微透镜阵列及其发展

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。

2微透镜的设计理论编辑

2.1折射微透镜的设计

在理想情况下,平行光垂直入射到微透镜列阵上表面,会聚在焦点上。微透镜的厚度是h,单元直径是D,折射率是n,空气的折射率为1。假设微透镜阵列中各微透镜性能都完全相同,以其中一个微透镜为例进行分析。

2.2衍射微透镜的设计

3微透镜的制作工艺编辑

微透镜阵列作为一种重要的光学元件,具有体积小、重量轻、集成度高的特点,吸引了大量的目光。伴随着半导体工业的发展,光刻和微细加工技术的提高,自上世纪八十年代起,相继出现了一系列崭新的微透镜阵列制作技术。由于透镜阵列器件分为折射型微透镜阵列和衍射型微透镜阵列,它们在制作工艺也开发出不同的方法。
3.1折射微透镜的制作方法
由于折射微透镜阵列器件在聚光、准直、大面阵显示、光效率增强、光计算、光互连及微型扫描等方面越来越广泛的应用,它的制作工艺和方法得到了日益深入的研究。到目前为止,已经出现很多制备折射微透镜阵列的方法,光刻胶热回流方法、激光直写方法、微喷打印法、溶胶一凝胶法、反应离子刻蚀法、灰度掩模法、热压模成型法、光敏玻璃热成型法删等。下面主要介绍几种主流的微透镜阵列制作方法。
(1)光刻胶热回流技术
光刻胶热回流法(熔融光刻胶法)是Poporie于1988年提出的,整个工艺过程可以分为三步,见下图:一、对基板上的光刻胶在掩模的遮蔽下进行曝光,曝光图案呈圆形,矩形或正六边形;二、对曝光后的光刻胶进行显影并清洗残余物质;三、放置于加热平台上,热熔成型。由于这种方法具有工艺简单,对材料和设备的要求较低,工艺参数稳定且易于控制,复制容易等优点,被广泛地用于微透镜阵列的制作当中。
然而利用这种技术制作的微透镜阵列也存在诸多缺点:一、由于光刻胶对于基板材料存在浸润现象,当光刻胶在熔融状态时与基板的附着力是一定的,那么当熔融光刻胶最终成型以后微透镜球面轮廓与基板之间存在浸润角,使微透镜的边缘存在一定的曲率,而中间部分下陷;二、一般情况下微透镜阵列的填充因子不会超过80%,而且光刻胶在熔化后容易粘连,相邻的熔融光刻胶一旦接触后,不会形成透镜的面形。由于填充因子不高,使入射的光不能充分利用,并且会引起背景噪声;三、由于光刻胶本身的机械性能和化学性能比较差,光学性能也不高,不适于作为最终的微透镜或其他微结构的材料。
(2)激光直写技术
目前,由于激光直写方法易于操作,并且具有制作的微光学元件尺寸小、精度高的优点,其在微精细研究和加工领域得到了广泛的应用。激光直写技术利用强度可变的激光束对涂在基片表面的光刻胶进行变剂量曝光,显影后在光刻胶表面形成所需要的浮雕轮廓。激光直写的最大优点是器件定位后可一次写出多个相位阶数或连续相位的二元光学器件,从而避免了多次掩模套刻丧失的共轴精度。激光直写制作微透镜阵列的工艺过程可以分为三步:
使用CAD设计出微透镜阵列的曝光结构,并传入激光直写设备的系统当中;将涂敷有光刻胶的基片放置于直写平台,对光刻胶进行激光写入;对曝光后的光刻胶进行显影并清洗残余物质,最后得到排列整齐,结构均匀的微透镜阵列结构。激光直写法适用于高精度单件和模型制作。使用激光直写制作完成微透镜阵列的原型以后,使用的是铸模工艺方法中的电铸技术将微透镜转化为金属模型,用于大规模的生产。由于电铸复制工艺能够保证最终产品的形状,因此能够对微透镜阵列进行大规模的生产。利用这些先进的技术,重复制作出微单元结构,从而制作高品质低成本的微透镜阵列元件。
3.2衍射微透镜的制作方法
衍射微透镜有会聚光能、矫正像差和成像的作用,并且体积小、质量轻、集成度高、易于复制而被广泛地应用于红外光电探测器、图像识别和处理、光通讯、激光医学、空间光学等许多领域。其主要的制作方法有二元光学技术、电子束直写技术以及灰度掩模技术等方法。
(1)二元光学技术
上世纪八十年代中期,美国MIT林肯实验室Veldkamp领导的研究组在设计新型的传感系统中,.率先提出了“二元光学’’的概念。它不同于传统的制作方式,利用了制作集成电路的生产方法,使用的掩模是二元的,且掩模用二元编码的形式进行分层。随后二元光学迅速发展成为--I'-J技术,受到学术界和工业界的青睐。二元光学技术非常适合于衍射微透镜阵列的制作,其中微透镜的边界容易做到整齐和尖锐,微透镜阵列的填充因子可达100%,而且具有重量轻、造价低、易于微型化、阵列化等优点。二元光学采用相位量化的二元编码和制作顺序是在N个工艺步骤中形成的相位级数由N+I提高到2N,见图1.2,大大减少了工艺步骤迭代的次数,降低了制造高衍射效率的衍射光学元件所需要的加工成本。二元光学台阶衍射微透镜制作过程基于成熟的微电子工艺,适于大批量生产。
当位相台阶数增加时,二元光学元件也能象连续浮雕元件一样,具有很高的衍射效率。当位相台阶数分别为2、4、8、16时,理论衍射效率分别为4l%、81%、95%和99%。随着台阶数的增加,衍射效率增加,同时制作难度也会加大,对准精度要求也更高。为确保高的衍射效率和制作精度,需采用多次光刻和刻
蚀工艺来产生多位相台阶衍射微透镜。在光刻工艺中,二元光学元件的位相等级数L和所需的掩模数N之间存在这样的关系:L=2Ⅳ。因此制作8相位台阶和16相位台阶微透镜分别需要三块和四块掩模版。实际制作中一般采用三块掩模版,经三次光刻和三次刻蚀技术制造八相位(或八台阶)衍射微透镜阵列,可基本满足要求。微透镜阵列的制作工艺主要包括掩模版的设计和制作,利用光刻技术将所设计的掩模版图形转印到光刻胶上,利用干法刻蚀或湿法刻蚀技术将光刻胶图形高保真地转移到衬底表面,形成所需的浮雕结构。
(2)电子束直写技术
为了避免多次套刻出现的误差累积问题,人们开发出了多种一次成型的加工技术,如金刚石车削法、激光直写法、化学沉积法等。直写法是比较实用的方法,分为电子束直写、离子束直写以及激光束直写三种。采用电子直写技术制作微光学器件始于80年代初,电子束直写原理与激光束直写不同,在进行直写前,必须在基底上预先镀一层导电膜(如Au,In,O,等),以便曝光时泄露电子。电子束直写的分辨率非常高,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校电子工程系利用电子束直写技术制作的直径为45um的微透镜,其临界尺寸仅为60nm。电子束直写是制作亚波长结构微透镜的重要手段。
(3)灰度掩模技术
灰度掩模技术利用灰度等级掩模版经一次光刻实现多台阶衍射光学元件或连续位相变化的浮雕图形,然后经刻蚀(或薄膜沉积),将图形高保真地转移到基底上,见下图。该技术把复杂的多次光刻和图形转移简化为一次完成,无套刻中对准误差等问题,适合于大批量生产,缩短了生产周期和降低了成本。灰度掩模技术关键之处就是灰度等级掩模版的制作。目前比较常用的两种方法是彩色编码掩模版和高能电子束敏感玻璃掩模版。前者利用不同颜色,表示不同的灰度等级,一种颜色代表一个灰度等级,四相位表面浮雕分布,用四种颜色表示,八相位浮雕表面分布用八种颜色表示,然后再将用颜色表示的灰度图形,用高分辨率彩色打印机打印在透明胶片上,再将此彩色胶片通过精缩转到成黑白透明胶片上,这样就形成了具有不同灰度等级掩模版,通过一次曝光可得到多相位台阶的浮雕表面分布结构。这种掩模版分辨率较低,器件的相位轮廓台
阶束直接受到打印机彩色等级限制。高能电子束敏感玻璃掩模版(HEBS)利用其对不同能量电子束的敏感程度不同,形成透过率为台阶变化或连续变化的真正灰度掩模版。这种掩模版分辨率高,可达500个灰度等级,且掩模版制作过程简单,成本低。利用HEBS扶度等级掩模版所制作的元件具有分辨率高,衍射效率局等其它方法所无法比拟的优点。随着扶度等级的升高。浮雕分布近似连续分布,但是扶度掩模的制作随着其灰阶的增多将变得十分困难,制作成本也将大幅度上。
以上所迷的各种微透镜阵列的制作方法,对于制作小批量的微透镜阵列较为台适。但是,直¨果需要大批量生产微透镜阵列,以上方法就不太方便,而且成本高,总的生产过程复杂,产品均匀性难以保证。因此发展复制技术成为降低微光学器件成本、推J1应用的关键。一般在光刻胶表面制作微结构具有以下缺点:
一、光刻胶材料表面比较粗糙,易引起漫敞射,降低器件的光学性能;
二、光刻胶材料表面机械强度低,易受磨损且不适用于恶劣环境。

4微透镜阵列性能测试编辑

衡量微透镜光学质量的性能参数有很多,对于折射微透镜有焦距、表面粗糙度、阵列均匀性等物理参数和点扩散函数等光学性能参数,而对于衍射微透镜有衍射效率这一重要参数。目前,针对微透镜参数的测量方法有多种,如干涉法、CCD直接成像法、哈特曼波前传感器测量法、刀口振动法、莫尔法、泰伯效应法等等,各种方法所利用的光学原理各不相同,也各有优缺点。
微透镜阵列的填充因子ρ是指单元元件的有效通光面积S_0与单元总面积S_total的比值,它决定了元件对光能的汇聚和发散能力。填充因子与元件的形状和排列方式有关,如采用圆孔径,传统的正交排列微透镜阵列的填充因子最大为78.5%,六边形排列微透镜阵列的填充因子最大为90%。而采用方形孔径和六边形孔径填充方式,理论上填充因子可达到100%,但由于透镜孔径边缘处面形误差的存在使得其有效折光能力下降,填充因子会降低。面形轮廓的控制范围越大,则加工误差越小,填充因子就越高。
表面粗糙度表征了微单元表面上的平整度。由于微光学元件在加工过程中包括多个工艺步骤,而且光刻胶、基片及去离子水的洁净度的高低,或在光刻过程中都会影响元件表面的粗糙度。
使用原子力显微镜测出了一组微透镜孔径的直径(D)和厚度(h),见下表。阵列样品中随机选取的10透镜的直径、厚度、焦距等参数。微透镜焦距均匀性误差定义为:
σ_f=(f_max-f_min)/f ̅ ×100%
式中,f_max为微透镜列阵子单元焦距最大值,f_min为最小值,f ̅为焦距平均值。
通过抽样测量单元透镜的浮雕深度,利用(2.7)式计算出对应单元的焦距,由测试结果得出焦距的平均值为62.56um,均方根差为2.96um,焦距的均匀性误差为0.4%。分析制作的微透镜阵列的阵列均匀性小于1%。因此可认为此微透镜阵列均匀性很高。
射光学元件的衍射效率是标志元件质量的关键指标,是直接关系到设计和制造出的元件能否在实际光学系统中采用的一个至关重要的问题。因而对衍射效率进行精确测量是非常重要的。从国内外已经报道的衍射效率来看,各研究小组报道的相同位相台阶数的菲涅耳微透镜列阵其衍射效率有很大差异。这是因为各自所采用的衍射效率的各自的定义、测试系统和测试方法的不同。这些结果既不同于严格理论定义的衍射效率,也不能完全代表实际使用所关心的有效的能量利用率,缺乏可比性。
工程应用中,衍射效率定义为衍射波光强度和入射照明光强度之比。对于衍射光学元件,衍射效率的大小表征衍射光栅把入射光能量转化为所需要级次衍射光能量的能力。其定义为对特定的衍射级次,该衍射光的光通量 与入射光的总光通量P_d与P_i之比。
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