微透镜阵列制作技术研究

　　透镜是一种人们非常熟悉的光学元件，其属于被动光学元件，用来会聚、发散光辐射。通常的透镜体积比较大，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其光学性质。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，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、净质量大，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。

　　微透镜阵列，是指由一系列直径在 10～100 μm之间的微型透镜，按一定的方式排列而成的阵列[1~2]。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 mm、μm 甚至 nm 量级的微透镜与微透镜阵列[3]。

　　1微透镜阵列的应用

　　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。折射型微透镜阵列以其体积小、净质量小、便于集成化、阵列化等优点，已成为新的发展方向。而且折射型微透镜阵列，是一种目前应用得十分广泛的微光学元件。折射微透镜阵列器件在焦平面集光、激光准直、大面阵显示、光效率增强、光计算、光互联及微型扫描等方面，获得越来越 广 泛 的 应 用 ， 比 如 在 CCD[4]、 人 工 复 眼[5]、Shack- Hartmann 波前传感器[6]以及线性光学扫描系统中[7]，原理如图 1 (a)～(d)所示。

　　2微透镜阵列制作

　　目前，用于制作微透镜阵列的方法，有光刻胶热熔法、光敏玻璃热成形法、离子交换法、飞秒激光法、光电反应刻蚀法、聚焦离子束刻蚀与沉积法和化学气象沉积法等方法。其中比较实用的是前 4 种方法下面分别加以介绍。

　　2.1光刻胶热熔法

　　利用光刻胶热熔法制作微透镜阵列的原理，如图 2 所示。在基片上涂上一定厚度的正性光刻胶，在圆形阵列的掩模遮挡下，进行紫外曝光，显影后便得到圆柱阵列光刻胶结构，将光刻胶加热至熔融状态，其表面张力将圆柱形结构转变成光滑的球冠状结构，这样便得到了光刻胶材料的微透镜阵列[8]。这种方法的优点是成本低、工艺简单;缺点是透镜材料选择有限，工艺参数难以把握。

　　2.2 光敏玻璃热成型法

　　光敏玻璃热成型法，制作微透镜阵列的工艺流程如图 3 所示。该方法用 UV 光、X- ray 射线、电子束等高能量辐射光源，来调制光敏玻璃材料。调制的方式，是将材料加热到软化点，材料发生膨胀。然后对光敏玻璃两侧施加压力，由于光敏玻璃被曝光的部分的密度与硬度远大于未曝光的部分，在挤压过程中未曝光的部分会高出表面，在表面张力的作用下，突起的表面变成球形，从而迫使其形成透镜的形状。这种工艺是由美国 Corning公司开发研制的。这种方法的最大优点是它能使得透镜之间的部分变得不透明，可以消除相邻透镜间的光线干扰，在显示器的应用中尤为突出[9]。