微透鏡及其陣列研究概況

王崢一+武偉璐+牛邦玉

摘 要：介紹了微透鏡及其陣列的產(chǎn)生與發(fā)展，分析和比較了微透鏡的制備方法。此外，結(jié)合微透鏡的光學(xué)性質(zhì)簡述了微透鏡的應(yīng)用，并展望了微透鏡的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微透鏡；陣列；光學(xué)元件；微光學(xué)

中圖分類號(hào)：TH74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.102

文章編號(hào)：2095-6835（2016）11-0102-02

隨著近代科技的不斷創(chuàng)新和突破，當(dāng)前的機(jī)械、設(shè)備、元件都已朝著光機(jī)電一體化的趨勢發(fā)展，人類已經(jīng)悄然進(jìn)入微型時(shí)代。從重達(dá)27 t的世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生，到如今納米級(jí)的元器件，僅不到百年的時(shí)間。人類利用大自然的恩賜不斷地創(chuàng)新與傳承，促進(jìn)著文明的進(jìn)步和科技的發(fā)展。早在一千多年前，人們把透明水晶或?qū)毷コ赏哥R用于放大影像，制作出了最早的透鏡。而如今，科學(xué)家們模仿蒼蠅的復(fù)眼，創(chuàng)造出了只有用顯微鏡才能觀察到的透鏡。這便是微透鏡和微透鏡陣列。

1 微透鏡及其陣列的產(chǎn)生與發(fā)展

1.1 微透鏡及其陣列的產(chǎn)生

在20世紀(jì)70年代，細(xì)微加工技術(shù)的應(yīng)用促使微電子學(xué)誕生。微電子學(xué)的誕生使電路實(shí)現(xiàn)了微型化。但大部分功能器件仍是常規(guī)尺寸。于是，在20世紀(jì)80年代初期，首先出現(xiàn)了微機(jī)械和微電器。為了與這些微型元器件匹配，光學(xué)也必須進(jìn)入微型化時(shí)代。因此，在20世紀(jì)80年代中后期便出現(xiàn)了微光學(xué)。

1970年，美國康寧公司3名科研人員采用改進(jìn)型化學(xué)氣相沉積工藝和高溫拉絲技術(shù)，成功地制作出芯徑只有幾十微米且傳輸損耗只有20 Db/km的低損耗石英光纖，開創(chuàng)了微小光學(xué)的新篇章。

科學(xué)的進(jìn)步總是與技術(shù)的發(fā)展相得益彰，光學(xué)元件的微型化勢必會(huì)向陣列元器件方向發(fā)展。因此，在20世紀(jì)80年代中后期，一種新型的微光學(xué)陣列器件發(fā)展起來。它采用當(dāng)時(shí)先進(jìn)的光刻工藝，將結(jié)構(gòu)均勻的微透鏡整齊地排列起來，微透鏡陣列就此誕生。

1.2 微透鏡及其陣列的發(fā)展

微透鏡陣列的出現(xiàn)促使光學(xué)元件進(jìn)一步向微型化、集成化的方向發(fā)展，因此，基于微光學(xué)技術(shù)的光纖通信、光信息處理和光傳感等技術(shù)也于20世紀(jì)末期蓬勃發(fā)展并至今方興未艾。

1992年，日本Sony公司成功將微透鏡陣列與CCD單片集成制作出高靈敏度的CCD器件。通過在CCD上集成微透鏡陣列，使光聚焦在CCD光敏元上，其靈敏度及信噪比得到了大幅改善。

1994年，菲利普研發(fā)中心成功制作出二維大面積圖像傳感微透鏡陣列，其各個(gè)微透鏡直徑為190 μm，間隔為200 μm。這在保證了圖像分辨率的情況下，大大加快了傳感器件的響應(yīng)速度。

1997年，美國林肯實(shí)驗(yàn)室研究人員運(yùn)用質(zhì)量轉(zhuǎn)移法制作出了折射非球形微透鏡陣列，應(yīng)用于錐形諧振腔激光器的光束準(zhǔn)直，成功使衍射受限光束的發(fā)散角控制在0.43°，并實(shí)現(xiàn)了單模光纖的耦合。

2005年，韓國研究人員報(bào)道稱成功將微透鏡陣列用于超大尺寸的三維成像顯示技術(shù)中。這大大擴(kuò)大了顯示器的視場范圍，使三維成像技術(shù)邁入了新的時(shí)代。

2006年，美國斯坦福大學(xué)的研究人員成功將微透鏡陣列集成于數(shù)碼相機(jī)中，替代了傳統(tǒng)的單一透鏡成像，大大增加了相機(jī)的聚焦深度和視場角，使遠(yuǎn)處和近處的像同時(shí)成像清晰。

目前，國際上關(guān)于微透鏡的研究單位主要有美國麻省理工學(xué)院、韓國先進(jìn)科技研究院、日本Keio大學(xué)等。在國內(nèi)，研究人員對(duì)微透鏡及其陣列也進(jìn)行了深入研究并取得了廣泛的應(yīng)用——成都光電所將其成功地用于激光光束診斷、波前測量、激光光束整形和對(duì)光學(xué)元件的質(zhì)量評(píng)估等實(shí)際場合；浙江大學(xué)也對(duì)微透鏡在密集多載波分復(fù)用器中的應(yīng)用作了深入研究。

2 微透鏡及其陣列的制造方法簡介

由于微透鏡及其陣列的應(yīng)用日益廣泛，它的制備方法也受到廣泛的關(guān)注和深入的研究。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多制備微透鏡陣列的方法，比如光刻膠熔融法、二元光學(xué)光刻法、飛秒激光光刻和酸刻蝕法、離子束刻蝕、灰度掩模法、熱壓模成型法等。光刻膠熔融法因其制作過程簡單、成本較低，對(duì)儀器精度要求不高，目前得到了廣泛的應(yīng)用。但用此方法制作出的微透鏡的球冠高度普遍較小，無法實(shí)現(xiàn)大的數(shù)值孔徑，這限制了其應(yīng)用價(jià)值。灰度掩膜法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)加工精度的改善，但其精度控制對(duì)器材要求較高，成本也相對(duì)提高，因此，應(yīng)用范圍相對(duì)較小。

科學(xué)家們一直在尋找新的更加廉價(jià)、高效的微透鏡制備方法，比如目前尚在研究中的“壓痕腐蝕法”。該方法采用非接觸式技術(shù)，無需事先鋪設(shè)光刻膠或掩膜，大大降低了工藝復(fù)雜度和制作成本，且制作出的微透鏡面型比之前的方法更為可控，可實(shí)現(xiàn)微米及亞微米尺度高質(zhì)量微透鏡及其陣列的精密制造。

3 微透鏡及其陣列的應(yīng)用

在微光學(xué)中，微透鏡陣列地位重要、可應(yīng)用范圍廣，可用于光數(shù)據(jù)傳輸、光信號(hào)處理、光計(jì)算、光互連等。具體來說，可用于復(fù)印機(jī)、圖像掃描儀、傳真機(jī)、照相機(jī)以及醫(yī)療衛(wèi)生器械的相關(guān)光學(xué)部件中。此外，微透鏡陣列器件微型化和集成化的實(shí)現(xiàn)使得其具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。如果將橢圓形折射微透鏡陣列用于半導(dǎo)體激光器，可以實(shí)現(xiàn)激光器的聚焦和準(zhǔn)直，還可將其用于光纖集成回路和光學(xué)集成回路，實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件更有效的耦合。在光纖通信中，來自自由空間的入射光被橢圓形微透鏡耦合進(jìn)光纖，從光纖出來的光也可以由橢圓形微透鏡實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。目前，微透鏡陣列在原子光學(xué)領(lǐng)域有也所應(yīng)用，分束器、馬赫一曾德爾干涉儀、原子波導(dǎo)等都可以利用微透鏡陣列來實(shí)現(xiàn)，也可使用微透鏡陣列對(duì)中性原子進(jìn)行量子信息處理或捕獲原子。

4 微透鏡及其陣列的發(fā)展前景

目前，微透鏡及其陣列正逐漸在各個(gè)領(lǐng)域中嶄露頭角，尤其是在通信、國防及航空航天等領(lǐng)域。如今，科技發(fā)展迅猛，各個(gè)產(chǎn)業(yè)都呈現(xiàn)微型化、智能化和集成化的發(fā)展趨勢。作為微光學(xué)領(lǐng)域的核心元件，現(xiàn)有微透鏡的制備技術(shù)在未來將不足以滿足社會(huì)需求。因此，對(duì)微透鏡陣列使用的材料、制作工藝和用途等進(jìn)行研究是十分必要的。由于現(xiàn)有微透鏡制備工藝復(fù)雜，不能同時(shí)滿足造價(jià)與精確度要求，因此，微透鏡技術(shù)還停留在小規(guī)模生產(chǎn)階段。但隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，其應(yīng)用前景十分可觀。

5 啟示

微光學(xué)、微芯片以及微系統(tǒng)的出現(xiàn)將給傳統(tǒng)光學(xué)、傳統(tǒng)工業(yè)以及人們的生活帶來根本性的改變。目前，我國現(xiàn)有微透鏡的制備技術(shù)距離國際水平還有一定的差距，但隨著新方法的不斷提出和改進(jìn)，在不遠(yuǎn)的將來，微透鏡產(chǎn)業(yè)必將成為一個(gè)有著廣闊前景的新興產(chǎn)業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉浩.基于微透鏡陣列的仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[2]許喬，葉鈞，周光亞，等.折射型微透鏡列陣的光刻熱熔法研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，1996（09）.

[3]柯才軍.微透鏡陣列的設(shè)計(jì)、制作及與CCD的集成技術(shù)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[4]楊國光.微光學(xué)與系統(tǒng)[D].浙江：浙江大學(xué)，2008.

[5]杜春雷，林祥棣，周禮書，等.微透鏡列陣提高紅外探測器探測能力的方法研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2001（02）.

〔編輯：劉曉芳〕