浅析折射型微透镜阵列制作方法

摘要:随着科学技术的进步,当前的仪器设备已朝着光、机、电集成的方向发展。折射型微透镜阵列以其体积小、重量轻、便于集成化、阵列化等优点,而成为新的发展方向。折射型微透镜阵列是一种目前应用十分广泛的微光学元件,它被广泛地应用于光束整形、光学器件互连、三维成像等领域。

关键词:折射型;微透镜;陈列

中图分类号:TN312+.8 文献标识码:B

引 言

1664年,Robert Hooke利用火焰将一束很细的威尼斯玻璃棒一端熔化,在表面张力的作用下,端面呈现球冠状,然后用沥青将这些微透镜固定,并将另一端面抛光成平面。由于这种微透镜阵列有非常优越的成像功能,所以当时被用作显微镜的物镜来研究昆虫。自从20世纪80年代,人们对光子的研究兴趣逐渐超越了对电子的研究,于是人们对微透镜阵列的研究也出现了高潮。当时基于硅工艺的半导体制作技术对这个领域的发展起到很大的推进作用,这些技术很快被应用于微透镜阵列的制作。另外,由于制作工艺的进步,微透镜阵列的质量也得到进一步提高,被应用于很多新领域,小透镜、大阵列成为当时的研究热点。

1 折射型微透镜制作

在现代科学及其它不同领域,微透镜阵列得到了越来越多的运用,起到的效果也愈加显得重要,它的制作方法也随之不断地更新、完善。目前已经报道的制作微透镜阵列的方法有很多种,主要有胶体颗粒自组装法[1]、离子交换法[2]、光敏玻璃热成形法[3]、光刻胶热熔法[4]、反应刻蚀法[5]、离子束刻蚀与沉积法[6]、化学气相沉积法[7]、微喷打印法、PMMA-X光照射法等方法。本文将介绍几种常见的微透镜阵列制作方法。

1.1 离子交换法

在温度高于500℃的盐浴池里,将金属离子由外及里地扩散到介质中去,形成折射率梯度,从而具有透镜效果。这种透镜阵列称之为折射率有梯度的平面微透镜阵列。根据掩膜的不同可分为开孔式离子交换和掩盘式离子交换。

1.1.1 开孔式离子交换

开孔式离子交换使用的掩膜是设计制作好的直径为a的圆孔阵列,要交换的离子被限制在开窗口的区域,进入或离开基底玻璃,如图1所示。离子交换中,折射率的改变量与相关离子浓度成线性关系,当交换时间较长时,其等折射率面一般呈椭球面,在半径r>>a的地方,接近于球对称。

1.1.2 掩盘式离子交换

掩盘式离子交换过程中,不是采用孔阵而是盘阵掩膜,如图2所示,在盘的周围进行离子交换,在远离盘的区域,即为平面离子交换,其浓度分布为余误差函数。

该方法的优点是由于没有改变玻璃的面形,也没有附加任何结构,因此制作出的微透镜阵列比较坚固;缺点是需要高温,制作时间较长,且不便于检测。

1.2 光敏玻璃法

以光敏玻璃(photosensitive glass)为材料,用紫外线通过掩膜对其曝光,将材料加热至软化点,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部分的密度与硬度远大于未曝光部分,在挤压过程中未曝光部分会高出表面,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,如图3所示。这种工艺是由美国康宁公司开发研制的,最大优点是它能使透镜之间的部分变得不透明,消除相邻透镜间的光线干扰,这在显示器的应用中尤为突出。该方法的缺点是必须使用特殊的玻璃。

1.3 熔融光刻胶法

熔融光刻胶法是Poporic在1988年提出的,将具有一定厚度的光刻胶在具有适当孔径的圆形图案掩膜的遮蔽下,进行紫外曝光,经过显影后在基底上就形成了相对应的孤立的岛状圆柱形胶体,再对胶体进行热处理,加热光刻胶至熔融态,此时熔融的光刻胶由于表面张力的作用,形成了以图案孔径为边界的光滑球面,从而得到了折射微透镜的表面结构。整个工艺过程如图4所示,可分为三步:(1)光刻胶板在掩膜的遮蔽下进行紫外曝光;(2)对己曝光的光刻胶板进行显影和清洗;(3)热熔成型。

然而利用这种技术制备微透镜阵列有几个缺点:

第一、由于光刻胶对某一材料的浸润程度是一定的,即光刻胶在熔融状态时与基底的附着力是一定的,这样熔融成型后的微透镜球面轮廓会与基底之间存在着一定的夹角——浸润角,如果胶层厚度不足,由于浸润角效应,边缘会保持一定的曲率,中间部分会下凹。仅用在玻璃基底上熔化光致抗蚀材料制作微透镜的方法,很难制出中等数值孔径的微透镜。

第二、在正常情况下透镜阵列的最大填充因子不超过80%,而且光刻胶在熔化时容易粘连,一旦接触,根本不能形成透镜的面形结构。另外,由于填充因子小,会留出比较明显的死区,这样使入射的能量不能充分利用,而且会引起背景噪音。

第三、由于材料的缘故,需要较高的烘烤温度,而且材料本身具有一定的颜色,在彩色显示中会造成偏色。

第四、普通光刻胶由于本身的化学性能和机械性能较差,光学性能也不好,不适于做最终的微透镜或其它结构材料,而只能用于定义图形或掩膜等功能。

1.4 反应离子束刻蚀法

反应离子束刻蚀法采用离子轰击溅射和化学反应相结合的原理,用化学反应性气体离子束进行刻蚀。根据所要刻蚀的材料选择某种气体或混合气体进入离子源放电室离化,经离子光学系统成为离子束。反应气体离子束轰击材料除了直接溅射外,同时与表面受轰击原子起化学反应,形成刻蚀产物脱离材料表面。在反应离子束刻蚀过程中,离子束的定向轰击一方面给离子与材料原子的化学反应带来了相当好的方向性,使其具有较高的各向异性能力;另一方面吸附气体与表面材料的化学反应使刻蚀速率成倍地提高。因此,化学功能赋予反应离子束刻蚀两个显著的特点:一是成倍地提高了刻蚀速率;二是带来了优良的选择性。

然而由于反应离子束刻蚀是化学气体在射频电场的作用下,产生低温等离子体,通过对被刻蚀材料的物理溅射轰击和化学反应的双重作用,获得抗蚀剂掩蔽下的精细三维微浮雕结构,刻蚀过程复杂,工艺参数的匹配对被刻蚀元件的质量有直接影响。因此,只有合理地选择刻蚀气体及有效地控制刻蚀选择比、刻蚀速率等参数,才能得到良好的刻蚀表面质量。

1.5 微喷打印法

在1970年代,微喷技术是从一项科学研究课题发展起来的,是计算机控制打印中的一个重要仪器。最近微喷技术已变成一个多功能的生产方法和一项很有前途的生物医学技术。一般来说,微喷技术分为两类:连续微喷打印和按需滴定微喷打印。

商用的连续模型喷墨系统的液滴产生速率是80~100kHz,但现在正在使用的系统的工作频率高达1MHz。用连续系统生产的液滴尺寸可以达到20μm,但一般是15μm。MicroFab公司己经建立的系统能产生直径为10μm的大液滴,以及直径为6μm的小液滴。

在1950年代,通过电机诱导压力波产生液滴是由Hansell观察到的。在这种系统中,电压脉冲作用到和液体直接或间接连接在一起的压电材料上,以诱导液体体积的变化。体积的变化导致液体压力瞬时发生变化,由于这些都是直接作用,将导致液滴从喷嘴中喷出。因为只有需要液滴的时候才施加电压,所以这种类型的系统被称为按需滴定模型系统。最新的按需滴定模型微滴技术使用声能促使微滴从自由表面喷射出来。在今天许多商业上可用的喷墨打印系统中,薄膜电阻器被压电驱动传感器所代替。

微喷打印技术的优点是:由于采用数据驱动和使用材料添加剂,从而降低了成本,增加了生产灵活性,降低了对环境的影响,增强了工艺集成化。

2 结 论

在上述方法中,最简单的方法当属熔融光刻胶法。与其它制作方法相比,它具有工艺简单、对材料和设备要求不高、工艺参数稳定且易于控制等优点,很适于制作较大口径的微透镜。另一方面,熔融光刻胶法制作的微透镜与器件材料无关,只需用所需要的材料作为微透镜的基底,在其上用热成型的方法获得球冠状的光刻胶体,再将面形转移到基底上即可。然而光刻胶的光学性能、抗磨损性能、抗腐蚀性能都很不理想,所以必须把这种微透镜阵列结构转移或复制到其它载体上。

参考文献

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作者简介:吴非(1981-),河北保定人,成都电子机械高等专科学校教师,研究方向为光学工程,E-mail:seawouf@163.com。