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生與發展，分析和比較了微透鏡的制備方法。此外，結合微透鏡的光學性質簡述了微透鏡的應用，并展望了微透鏡的應用前景。

關鍵詞：微透鏡；陣列；光學元件；微光學

中圖分類號：TH74 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.102

文章編號：2095-6835（2016）11-0102-02

隨著近代科技的不斷創新和突破，當前的機械、設備、元件都已朝著光機電一體化的趨勢發展，人類已經悄然進入微型時代。從重達27 t的世界上第一臺電子計算機的誕生，到如今納米級的元器件，僅不到百年的時間。人類利用大自然的恩賜不斷地創新與傳承，促進著文明的進步和科技的發展。早在一千多年前，人們把透明水晶或寶石磨成透鏡用于放大影像，制作出了最早的透鏡。而如今，科學家們模仿蒼蠅的復眼，創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生與發展

1.1 微透鏡及其陣列的產生

在20世紀70年代，細微加工技術的應用促使微電子學誕生。微電子學的誕生使電路實現了微型化。但大部分功能器件仍是常規尺寸。于是，在20世紀80年代初期，首先出現了微機械和微電器。為了與這些微型元器件匹配，光學也必須進入微型化時代。因此，在20世紀80年代中后期便出現了微光學。

1970年，美國康寧公司3名科研人員采用改進型化學氣相沉積工藝和高溫拉絲技術，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，開創了微小光學的新篇章。

科學的進步總是與技術的發展相得益彰，光學元件的微型化勢必會向陣列元器件方向發展。因此，在20世紀80年代中后期，一種新型的微光學陣列器件發展起來。它采用當時先進的光刻工藝，將結構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展

微透鏡陣列的出現促使光學元件進一步向微型化、集成化的方向發展，因此，基于微光學技術的光纖通信、光信息處理和光傳感等技術也于20世紀末期蓬勃發展并至今方興未艾。

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，菲利普研發中心成功制作出二維大面積圖像傳感微透鏡陣列，其各個微透鏡直徑為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速度。

1997年，美國林肯實驗室研究人員運用質量轉移法制作出了折射非球形微透鏡陣列，應用于錐形諧振腔激光器的光束準直，成功使衍射受限光束的發散角控制在0.43°，并實現了單模光纖的耦合。

2005年，韓國研究人員報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中。這大大擴大了顯示器的視場范圍，使三維成像技術邁入了新的時代。

2006年，美國斯坦福大學的研究人員成功將微透鏡陣列集成于數碼相機中，替代了傳統的單一透鏡成像，大大增加了相機的聚焦深度和視場角，使遠處和近處的像同時成像清晰。

目前，國際上關于微透鏡的研究單位主要有美國麻省理工學院、韓國先進科技研究院、日本Keio大學等。在國內，研究人員對微透鏡及其陣列也進行了深入研究并取得了廣泛的應用——成都光電所將其成功地用于激光光束診斷、波前測量、激光光束整形和對光學元件的質量評估等實際場合；浙江大學也對微透鏡在密集多載波分復用器中的應用作了深入研究。

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用日益廣泛，它的制備方法也受到廣泛的關注和深入的研究。到目前為止，已經出現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，對儀器精度要求不高，目前得到了廣泛的應用。但用此方法制作出的微透鏡的球冠高度普遍較小，無法實現大的數值孔徑，這限制了其應用價值。灰度掩膜法的應用實現了對加工精度的改善，但其精度控制對器材要求較高，成本也相對提高，因此，應用范圍相對較小。

科學家們一直在尋找新的更加廉價、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，無需事先鋪設光刻膠或掩膜，大大降低了工藝復雜度和制作成本，且制作出的微透鏡面型比之前的方法更為可控，可實現微米及亞微米尺度高質量微透鏡及其陣列的精密制造。

3 微透鏡及其陣列的應用

在微光學中，微透鏡陣列地位重要、可應用范圍廣，可用于光數據傳輸、光信號處理、光計算、光互連等。具體來說，可用于復印機、圖像掃描儀、傳真機、照相機以及醫療衛生器械的相關光學部件中。此外，微透鏡陣列器件微型化和集成化的實現使得其具有很強的適應性。如果將橢圓形折射微透鏡陣列用于半導體激光器，可以實現激光器的聚焦和準直，還可將其用于光纖集成回路和光學集成回路，實現光學器件更有效的耦合。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光纖，從光纖出來的光也可以由橢圓形微透鏡實現校準。目前，微透鏡陣列在原子光學領域有也所應用，分束器、馬赫一曾德爾干涉儀、原子波導等都可以利用微透鏡陣列來實現，也可使用微透鏡陣列對中性原子進行量子信息處理或捕獲原子。

4 微透鏡及其陣列的發展前景

目前，微透鏡及其陣列正逐漸在各個領域中嶄露頭角，尤其是在通信、國防及航空航天等領域。如今，科技發展迅猛，各個產業都呈現微型化、智能化和集成化的發展趨勢。作為微光學領域的核心元件，現有微透鏡的制備技術在未來將不足以滿足社會需求。因此，對微透鏡陣列使用的材料、制作工藝和用途等進行研究是十分必要的。由于現有微透鏡制備工藝復雜，不能同時滿足造價與精確度要求，因此，微透鏡技術還停留在小規模生產階段。但隨著技術的不斷創新和改進，其應用前景十分可觀。

5 啟示

微光學、微芯片以及微系統的出現將給傳統光學、傳統工業以及人們的生活帶來根本性的改變。目前，我國現有微透鏡的制備技術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，在不遠的將來，微透鏡產業必將成為一個有著廣闊前景的新興產業。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕