（光学工程专业论文）无缝隙微透镜阵列制作及与oled集成的研究.pdf

摘要 摘要 微透镜阵列作为微光学重要的组成部分，已成为光学领域新兴的- - p - j 前沿 性分支学科，并且微透镜阵列器件实现了微型化和集成化，可用于光信息处理、 光计算、光互连、光数据传输等方面。有机发光二极管( o l e d ) i e 成为新一代的 固体光源，具有体积小、质量轻、功耗低、响应速度快等优点。未来o l e d 显 示器和有机发光光源的进一步发展将主要取决于o l e d 的效率、寿命等因素， 而此效率的提高将大大促进o l e d 其他性能的提高。积极研究微透镜阵列提高 o l e d 外量子效率的方法是一个很有意义的课题。 本文从理论和实验两方面对微透镜的设计、制作工艺、测试系统与方法、 微透镜与o l e d 的集成以提高其外量子效率等四个方面进行研究，具体成果和 结论概述如下： 1 基于几何光学理论，研究了无缝隙折射微透镜的设计方法，获得了微透镜孔 径尺寸与焦距的关系。 2 基于光学的标量衍射理论，研究了特征尺寸接近波长的周期性的微小光学元 件，利用衍射理论对衍射型微透镜元件的设计作了推导。 3 结合衍射微光学实验室已有的设备，激光直写仪d w l 6 6 和电感耦合等离子 体刻蚀设备i c p 5 0 0 0 ，研究出一套制作无缝隙微透镜阵列的工艺过程。 4 搭建了一套测试微透镜阵列元件光学性能的测试系统，获得微透镜阵列的点 扩散函数、阵列均匀性等参数。 5 将无缝隙微透镜阵列集成在o l e d 器件的表面，通过测量玻璃表面法线方 向上有无微透镜阵列时o l e d 的发光亮度，得到微透镜阵列对o l e d 外量 子效率的增强系数，在微透镜的厚度与曲率半径比达到l 时，即h - - - r 时， 微透镜阵列对o l e d 出光效率有最大的增强，达4 0 。 关键词：无缝隙微透镜阵列、有机电致发光、填充因子、光电集成、衍射 效率、点扩散函数 a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fm i c r o o p t i c s ，m i c r o l e n sa r r a yh a sb e c o m eo n eo f t h el e a d i n ge d g eo ft h eb r a n c h e so fo p t i c s ，a n dw i t hw i t t yu s eo fm i c r o - o p t i c si n m a n yf i e l d so fa p p l i c a t i o n , i tw i l lp l a yab i g g e rr o l e a n dm i c r o l e n sa r r a yd e v i c eh a s a c h i e v e dm i n i a t t w 汤t i o na n di n t e g r a t i o n , s oi tc a nb ew i d e l yu s e df o ro p t i c a l i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，o p t i c a lc o m p u t a t i o n ，o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n , o p t i c a ld a t a t r a n s m i s s i o n , e t c o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e ( o l e d ) i sb e c o m i n gan e w g e n e r a t i o no fs o l i dl i g h ts o u r c e ，w i t ha d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t , l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，f a s t e rr e s p o n s e f u r t h e rd e v e l o p m e n tf o rf u t u r ed i s p l a y s a n d l i g h ts o u r c eb a s e do no l e dw i l lm a i n l yd e p e n do nt h ee f f i c i e n c yo fo l e d ，l i f e e x p e c t a n c ya n do t h e rf a c t o r s ，a n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ee f f i c i e n c yo fo l e d w i l l p r o m o t ep e r f o r m a n c eo fo l e d t h e r e f o r e ，i ti sav i t a lp a r tt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fo l e df o ro l e dd i s p l a y sa n dl i g h ts o u r c ei n d u s t r i e s s oi t w i l lb eav e r y s i g n i f i c a n ti s s u et og i v ear e s e a r c ho ni m p r o v i n gt h ee x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c yo f o l e dw i t hm i c r o l e n s t h i sp a p e rr e s e a r c h e sf o u ra s p e c t sf r o mb o t ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l ， i n c l u d i n gd e s i g n , p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ，t e s t i n gs y s t e ma n dm e t h o do fm i c r o l e n s a n di n t e g r a t i o no fm i c r o l e n sa n do l e dt oe n h a n c et h ee x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y ， a n dt h es p e c i f i cr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do ng e o m e t r i co p t i c a lt h e o r y , w ec a l c u l a t et h ef o r m u l af o rd e s i g no fg a p l e s s r e f r a c t i v em i c r o l e n sa n do b t a i nt h er e l a t i o n sb e t w e e nf o c a ll e n g t h 、析t ha p e r t u r e d i a g o n a l 2 b a s e do ns c a l a rd i f f r a c t i o nt h e o r y ，w er e s e a r c hm i c r o - o p t i c a le l e m e n t sw i t ht h e c h a r a c t e ：f i s t i cs i z ec l o s et ow a v e l e n g t ho fi n c i d e n tl i g h t , a n ds t u d yt h ed e s i g no f d i f f r a c t i v e m i c r o l e n s 3 w es t u d yt h ep r o c e s so fm i c r o l e n sw i t ht h ee q u i p m e n t so fo u rd i f f r a c t i v e m i c r o o p t i c a ll a b ，i n c l u d i n g d i r e c tl a s e rw r i t i n gi n s t r u m e n td w l 6 6a n d i i a b s t r a c t i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m ae t c h i n ge q u i p m e n ti c p 5 0 0 0 t h r o u g ht h es t u d yo f e x p o s u r ed i s t r i b u t i o na n dc o n t r o lo fd e v e l o p m e n tt i m e ，w eo b t a i nag o o d p r o d u c t i o np r o c e s sf o rm i c r o l e n sw i t hd i r e c tl a s e rw r i t i n gm e t h o d a n dw e r e s e a r c hap r o c e s st ot r a n s l a t et h ep a n e mo i lt h ep h o t o r e s i s tt ot h eq u a r t zg l a s s w i t hi n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m ae t c h i n ge q u i p m e n t 4 w eb u i l dat e s ts y s t e mf o rm e a s u r i n gt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h em i c r o l e n sa r r a y , a n dg a i nt h ep o i n ts p r e a df u n c t i o na n du n i f o r m i t yo ft h ea r r a y , e t e 5 w ei n t e g r a t et h eg a p l e s sm i c r o l e n sa r r a yw i t ho l e d b ym e a s u r i n gt h el u m i n a n c e i nt h en o r m a ld i r e c t i o no ft h eg l a s ss u r f a c e ，t h e nw ec a n g e tt h es t r e n g t h e n i n g f a c t o r so fq u a n t u me f f i c i e n c yo fo l e d w h e nt h er a t i oo ft h i c k n e s st or a d i u so f c u r v a t u r eo fm i c m l e n sg e t st o1 ，t h ef a c t o rw i l lg e tt h el a r g e s tt o4 0 k e yw o r d s ：g a p l e s sm i c r o l e n s ，o l e d ，f i l lf a c t o r , o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t i o n , d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y ，p o i n ts p r e a df u n c t i o n 1 1 1 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：始睫菇 加。方年岁月：c 1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 哼长眨龟 加。岔年岁月9 日 第一章绪论 第一章绪论 在过去几十年里集成电路理论与制造工艺的发展突飞猛进，微精细加工的 技术日益成熟。伴随集成电路技术和工艺的发展，在过去三十年里微光学元件 研究和制作也迅速兴起，成为光学领域新兴的一门前沿性分支学科，并且随着 微光学在众多领域的应用日益广泛，必将成为2 1 世纪科技发展中的一个重要课 题。 在1 9 8 1 年，日本电气公司内田祯二教授率先提出了“微光学的概念，当 时是指变折射率透镜和微透镜川。经过三十多年的发展，微光学已经形成了一 个比较完整的学科，涵盖范围获得了极大的拓展，主要研究微米、纳米尺寸光 学元件理论研究、设计与制作，将光学与微电子、微机械、微加工、材料科学、 信息科学等学科相互渗透、融合、交叉，形成为前沿学科【2 】。微光学元件包括 光源、光纤、波导及折射、反射、衍射光学元件等，利用这些元器件实现光束 的发散、聚焦、传输、成像、分光、图像处理、光计算、光互连等系列功能。 运用微光学的理论和技术制成的光学元器件具有微型化、阵列化、集成化和可 靠性高的特点，其研究领域包括微透镜阵列、衍射光学元件、二元光学元件、 微光学加工、光功能材料、功能集成等方面。 第一节微透镜阵列发展及前景 微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为毫米到亚微米级的透镜组成的阵 列，它不仅具有传统透镜的会聚、发散、成像等基本功能，而且由于其单元尺 寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能 构成许多新型的光学系统。由于在设计过程中使用了不同的光学原理，微透镜 阵列分为折射型微透镜阵列与衍射型微透镜阵列两类。折射型微透镜阵列是将 孔径尺寸介于毫米到微米之间的折射透镜以一定方式( 圆形、矩形、六边型等) 排列起来形成的阵列元件。作为功能元件，折射型微透镜阵列在会聚、分光、 光耦合、光计算等方面有重要应用f 3 】。衍射型微透镜阵列利用其表面波长量级 的三维浮雕结构对光波进行调制、变换，具有轻、薄、设计灵活等特点。作为 功能元件，衍射型微透镜阵列在波前传感、光聚能、光整形等多个系统得到广 第一章绪论 泛应用。衍射型微透镜阵列和折射型微透镜阵列可以实现优势互补，尤其是进 行大规模复制后能显著提高制作效率，降低成本。衍射微透镜与经典光学元件 组合后，可以改善光学系统的光学性能，如视场、孔径角和成像质量，如对比 度和分辨率，还能够实现对光学系统的色散补偿，促进经典光学系统向集成化 和多功能化发展【4 剖。 在上个世纪8 0 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【7 】。 1 9 9 2 年，日本s o n y 公司报道了将微透镜阵列与c c d 单片集成制作出高灵 敏度的c c d 器件。微透镜阵列与c c d 集成能够提高c c d 的填充系数进而改 善c c d 的灵敏度和信噪比。c c d 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c c d 上的信号光约有2 3 并不能被光敏元拾取。c c d 的填充系数只有2 0 3 0 ，导致了c c d 较低的光敏性。这样入射到c c d 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 c c d 的填充系数。通过在c c d 上使用微透镜阵列，使光聚焦在c c d 光敏元上， 能够使c c d 得灵敏度得到大幅度提高，而c c d 的量子效率在可见光谱范围内 平均提高两倍一j 。 1 9 9 4 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1 9 0 u m ，间隔2 0 0 u m ，微透镜的焦距从2 0 0 4 5 0 u m 。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i j 。 1 9 9 7 年，美国麻省理工学院( m i t ) 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 4 3 。，并实现了与单模光纤的耦合。 2 0 0 2 年，o s a k a 大学研究人员利用微透镜阵列与二次谐波显微镜( s e c o n d h a r m o n i cg e n e r a t i o nm i c r o s c o p y ) 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 2 第一章绪论 倍的提耐l l 】。 2 0 0 5 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。 2 0 0 6 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【1 3 】。 2 0 0 7 年韩国l g 公司研究人员报道了使用高填充因子微透镜阵列增强 o l e d 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o l e d 器件表面制作出来高填充因子的微透镜阵列，将o l e d 的输 出效率提高了4 8 l l4 1 。 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 1 5 - i s 】。 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【l9 1 。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( l d ) 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1 2 0 】。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【2 。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。 3 第一章绪论 第二节微透镜阵列的制作方法 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。 1 2 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1 2 2 - 2 3 1 、激光直写方、法【2 4 1 、微喷打印法【2 5 1 、溶胶一凝胶法【2 6 】、反 应离子刻蚀法【2 7 1 、灰度掩模、法【2 引、热压模成型法【2 9 】、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p o p o r i e 于1 9 8 8 年提出的，整个工艺 过程可以分为三步，见图1 1 ：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。 蜜e = 二二三 基片 曝光 显影 热熔成型 图1 1 热熔融法制作微透镜阵列 4 第一章绪论 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、般情况下微透镜阵列的 填充因子不会超过8 0 ，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：一、使用c a d 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；二、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；三、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。 1 2 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3 1 1 、 电子束直写技术【3 2 1 以及灰度掩模技术等方法。 5 第一章绪论 ( 1 ) 二元光学技术 图1 2 二元光学方法制作微透镜阵列 第一次曝光 显影 第二次曝光 显影 第三次曝光 显影 上世纪八十年代中期，美国m i t 林肯实验室v e l d k a m p 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1 0 0 ，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2 n ，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 、1 6 时，理论衍射效率分别为4 l 、8 1 、9 5 和9 9 。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 6 第一章绪论 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 = 2 。因此制作8 相位台阶 和1 6 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8 0 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a u ，i n ，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4 5 u m 的微透镜，其临界尺寸仅为6 0 n m 。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，见图1 3 。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( h e b s ) 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5 0 0 个灰度等级，且掩模版制作过 7 第一章绪论 程简单，成本低。利用h e b s 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7 1 。 黼一且 且趣 旦且旦 灰度掩模版一_ _ l _ _ _ _ _ 【 二 二 i l _ l l _ _ _ 曝光 光飙幢+ 基底+ 二围囹虻 幽i 3 灰度掩模方注制作微透镜阵列 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j 1 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。为了克服上 进缺点，通常采用廉价易得、光学性能很好的策台物材料，或要将光刻胶材料 表面轮廓转移到基底h 目前微透镜阵列( 包括折射型和衍射型) 的面形复$ 0 方法主要午j 电铸、热压、注射成型、紫外模塑、l i g a 和溶胶一凝胶等技术。这 些复制方法部已经成功地用于大量生产高质量光学元件，使得微透镜阵列光学 元件不仅仅是局限在实验室内都，向且通过工业商品化迈向市场。 移转形田 第一章绪论 第三节微透镜与o l e d 的集成 1 3 1o l e d 发展现状 有机电致发光显示( o l e d ) ，又称有机发光二极管，是二十世纪中期发展 起来的一种新型显示技术，其原理是通过正负载流子注入有机半导体薄膜后复 合产生光。 早在1 9 3 6 年人们就发现了有机电致发光现象。1 9 6 3 年，p o p e 的小组研究 了葸单晶片的电致发光现象，当时需要在晶片两端施以4 0 0 v 的电压才能观察到 葸的蓝色荧光【3 3 】，之后，h e l f r i c h ，w i l l i a m s 等人继续对此进行了研究，将电压 降到了1 0 0 v 左右，并获得了高达约5 光子电子的外量子效率【3 4 1 。由于葸单 晶厚度较大，驱动电压较高，而且电能的转化效率太低，在随后的二十年里 o l e d 并没有引起人们的注意，只有为数不多的几篇文献问世。所以，在6 0 - - 8 0 年代中期，有机电致发光技术一直徘徊在高电压、低亮度、低效率的水平上。 一直到1 9 8 7 年美国k o d a k 公司的邓青云博士( c t t a n g ) 及v a n s l y k e 提出了 以真空蒸镀法制成多层式结构的o l e d 器件方法，此器件使空穴与电子局限在 电子输运层的界面附近发生复合，大幅提高了器件的性能【3 5 】。在1 0 v 的驱动电 压下，该器件发射出绿色光，最高亮度可达1 0 0 0 c d m 2 ，发光效率达到了1 5 1 m w 。 由于其具有低工作电压与高亮度的商业应用潜力，很快吸引了全球的目光，从 此开启了o l e d 风气云涌的时代。1 9 8 8 年，日本a d a c h i 等人又提出了夹层式 多层结构的有机电致发光器件的模式，大大扩展了有机材料的选择【3 6 1 。1 9 9 4 年 在日本滨松召开的有机及无机电致发光国际会议上，邓青云首次报道了使用寿 命已达到1 0 0 0 0 小时的双层结构有机发光器件。从此，有机发光器件从以往的 基础性研究开始了实用化发展的征程 3 7 - 3 9 】。1 9 9 6 年日本先锋推出2 5 6 x 6 4 像素 绿光显示器标志着o l e d 显示器件步入实用化阶段。1 9 9 7 年，日本出光兴产研 制出5 英寸q v g a 全彩色o l e d 显示器；1 9 9 9 年，先锋公司销售配备有多色 o l e d 点阵显示器的车载音响设备；2 0 0 0 年，m o t o r o l a 公司推出采用o l e d 显 示屏的手机；2 0 0 1 年，s o n y 公司展示了1 3 英寸的o l e d 全彩色显示屏。2 0 0 3 年，日本索尼公司推出1 3 英寸o l e d 平面显示器，同时台湾的奇美光电公司 成功研制出了2 0 英寸的o l e d 显示屏，让人们看到了o l e d 在大屏幕显示领 域的潜力。2 0 0 4 年日本s e i k oe p s o n 公司宣布研制出了4 0 英寸o l e d 全彩显示 9 第一章绪论 器。几乎与此同时l g p h i l i p sl c d 与l g 电子携手开发出2 0 1 英寸主动驱动 o l e d ( a m o l e d ) 。2 0 0 5 年1 月韩国s a m s u n g 公司开发出了2 1 英寸a m o l e d ， 更在同年5 月推出4 0 英寸a m o l e d 电视。目前，全球已经有一百家左右的研 究单位和企业投入到o l e d 的研发和生产中，其中有很多当今显示行业的巨人， 如s o n y 、三星、菲利普、先锋、三洋等公司。 有机电致发光器件的研究在短短十几年的时间里就获得如此令人瞩目，归 因于它具有如下几个特点： ( 1 ) o l e d 器件的核心层厚度很薄，小于1 毫米，厚度为液晶的1 3 ； ( 2 ) o l e d 器件为全固态机构，无真空、液体物质，抗震性好，可以适应巨大 的加速度、振动等恶劣环境； ( 3 ) o l e d 器件具有主动发光的特性，几乎没有视角问题，在很大的角度内观 看，显示画面不失真； ( 4 ) o l e d 器件单个像素的响应速度是液晶元件的1 0 0 0 倍，播放高速视频没 有拖尾现象； ( 5 ) 低温特性好，在零下4 0 度能正常显示，而液晶在低温下显示效果差； ( 6 ) 对材料和工艺的要求比l c d 减少约1 3 ，成本将会更低； ( 7 ) 发光转化效率高，驱动电压低( 1 0 v ) ，能耗低； ( 8 ) o l e d 器件单个像素尺寸可以相当小，而且还有很大的“缩小”潜力，适 合应用在微显示设备中； ( 9 ) o l e d 能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔软显示器； ( 1 0 ) 污染小，国际上普遍认为有机电致发光器件工业是绿色工业。 1 3 2 增强o l e d 外量子效率的方法 目前增强o l e d 外量子效率的方法基本分为以下四类：、在基板表面使 用波纹形微观结构或磨砂结构将横向波导模式束缚的光通过布拉格散射提高耦 合效率【4 u ；二、修正基板表面以减小基板与空气界面间的全反射角，如在基 板表面结合单层二氧化硅微球面，将器件制成台面结构，饰以多聚物微透镜阵 列，或直接在基板的顶部安装大尺寸的半球形透钭4 2 - 4 4 ；三、在i t 0 层和支持 层插入多孔介质使光散射出【4 5 】；四、利用微腔结构【4 7 1 。尽管这些方法均能够 增加耦合效率，但也都存在缺陷，如对发射谱有严重的角度依赖，电参数的变 1 0 第一章绪论 化或制作工艺昂贵或复杂的不利因素。 1 3 3 微透镜阵列对o l e d 外量子效率的增强 微透镜增强o l e d 外量子效率的原理是将原本入射角大于临界角的射线角 度缩小，因此使得全反射减小，见图1 4 。使用折射率较小的高分子制作微透 镜，贴附于玻璃基板的表面，或在玻璃基板表面制作微透镜阵列，使玻璃基板 表面与空气的界面或高分子微透镜与空气的界面得到较大的临界角，可以大大 增加o l e d 器件的出光效率，在照明方面，可以减少能耗。如果此技术应用于 显示方面，必须实现微透镜阵列化，且需与基板的像素的准确对位，而且基板 的厚度不能太厚( o 5 m m ) ，否则相邻象素间会互相干扰。微透镜的形状结构 也有很大的设计空间，可以是传统的圆形的微透镜阵列，呈正交或六边形排列， 也可以是三角形、正方形或正六边形孔径微透镜阵列。 玻璃基板 i t o 层 有机层 阴极 孟模式 l 蟛 i t 0 有机层模式 图1 4 微透镜对光线折射 2 0 0 2 年，m o i l e r 率先报道了利用微透镜阵列增强o l e d 光输出效率的方法。 使o l e d 的光输出效率提高到原来的1 5 倍。由于使用的微透镜尺寸在l o u m 左右，并没有发现光谱的偏移现象【4 8 | 。 日本s t a n l e y 电气在白色有机e l 面板表面张贴金字塔状突起的薄膜， 突起节距为2 0 u m ，突起的薄膜厚度为1 5 0 u m ( 不包括突起部分) 。由于形成的 突起使白色有机e l 材料发出的光，在面板表面不会反射并且更容易透过，因 此可以提高发光效率，从而提高发光效率，从而使正面亮度提高到该公司以为 产品的1 7 倍，开发出正面亮度高达5 0 0 0 c d m 2 白色有机e l 面板。 2 0 0 5 年，h u a j u np e n g 使用软光刻方法在玻璃基板上制作出微透镜阵列， 试验表明通过设计合理的微透镜结构，出射光的耦合效率可以提高7 0 【4 9 1 。 第一章绪论 2 0 0 6 年，y u - - h s u a nh o 等人报道，缩小微透镜阵列的尺寸，提高微透镜 的覆盖率，使o l e d 的流明强度增加了4 2 5 p 。 2 0 0 7 年，c h i h - - j e ny a n g 等人将p d m s ( p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ) 微透镜阵 列同顶部发光的微腔o l e d 器件集成，与传统的底部发光o l e d 相比c d a 效 率增长了3 0 倍，外部量子效率增长了1 6 倍。并且抑制了传统o l e d 贴附微 透镜阵列时产生的模糊现象。同年，h y o u kk w o n 等人制作出满填充因子的微 透镜阵列，将o l e d 的流明效率提高了4 8 【5 。 第四节本论文的研究内容 有机电致发光( o l e d ) 器件具有亮度高、材料选择范围宽、驱动电压低、 全固化主动发光等特性，同时还拥有清晰度高、视角广，以及显示动画的高速响 应等优点，是最近十几年热门的研究领域。但是由于玻璃基板表面的全反射和器 件薄膜内部的波导效应，o l e d 的光输出效率只有2 0 。目前，电致发光器件 的内部量子效率可以做到1 0 0 ，因此只能提高外部效率使器件的发光效率获 得改善，减小全反射和波导效应的影响。因此提出使用微透镜阵列扩大基板的 逃逸锥和抑制光波导模式，减小全内反射和光波导损失，提高o l e d 的光输出 效率。 本文的主要内容如下： 第一章为绪论部分，简述了微透镜及其阵列的功能及用途，介绍了微透镜 阵列的制作方法及工艺，以及微透镜阵列与o l e d 集成技术进展。 第二章介绍了折射微透镜与衍射微透镜的设计理论，获得了微透镜孔径尺 寸与焦距的关系，研究了特征尺寸接近波长的周期性的微小光学元件，利用衍 射理论对衍射型微透镜元件的设计作了推导，并分析了微透镜阵列系统中的光 能损失。 第三章对微透镜阵列的制作工艺进行了研究。介绍了激光直写设备d w l 6 6 和一步制作微透镜阵列的激光直写光刻技术工艺；介绍了电感耦合等离子体刻 蚀设备i c p 5 0 0 0 ，利用此设备成功地将光刻胶表面的微透镜阵列图形转移到石 英表面上去，获得了一套的工艺过程和工艺参数，为微透镜阵列大规模生产和 制作提供制作工艺和数据。 第四章利用先进的a f m 测量设备获得了微透镜阵列的物理参数，如表面 1 2 第一章绪论 结构形态、粗糙度、阵列均匀性等；并对微透镜阵列光学性能参数的测试方法 和测试系统进行了研究，搭建了测试微透镜阵列光学性能的光学系统，分析了 衍射效率、点扩散函数等。 第五章对微透镜阵列与o l e d 集成进行了研究，制作出带有微透镜阵列的 o l e d 器件，通过对此器件进行了试验研究，获得了微透镜提高o l e d 外量子 效率参数。 第六章总结了本文的主要工作和取得的成果，并对今后的工作做出计划， 进行了展望。 1 3 第二章礅透镜阵列器件的设计聋论 第二章微透镜阵列器件的设计理论 随着科学技术的飞速发展，当前的仪器设备己朝着光、机、电集成的趋势 发展。利用传统方法制造出柬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、集成度低，已不能满足当今科技发展的需要。微光 学技术所制造出的光学元件以其体积小、重量轻、便于集成化、阵列化等优点， 已成为新的发展方向。目前，微透镜阵列是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、三维戚像等领域。微透镜尺寸小，口 径在几微米至毫米的量级。根据使用光学原理的不同，微透镜的设计可以分为 折射和衍射两种。折射微透镜的光学原理是基于光的折射，其设计是基于几何 光学理论；而衍射微透镜足一种浮雕型的纯相位衍射光学元件，即其振幅透过 率为1 ，它是基于光的衍射原理，因此其设计则是依据衍射光学理论，目前广 泛采用的是标量衍射理论。 第一节折射微透镜的设计理论 折射微透镜在诸多光学系统中都有应用，根据具体应用的不同，微透镜的 底边形状及排列方式有很多种。对于多数带有微透镜阵列的光学系统柬说，希 望获得较高的光束效率。而微透镜的形状和填充因子是影响整个光束效率的重 要凼素。为了获取最多的光束能量，微透镜阵列面积中的透镜区域应该尽可能 地大。 麓鬻 ( b )