（生物医学工程专业论文）可调制微透镜的制备与应用.pdf

东南大学博士学位论文 f a b r i c a t i o na n d a p p l i c a t i o no f t u n a b l em i c r o l e n s a b s t r a c t m i c r o l e n sa n dm i c r o l e n sa r r a ya 托s m a l li ns i z e ，l i g h ti nw e i g h ta n de a s yt ob ei n t e g r a t e d 1 1 1 e yh a v e b e e nw i d e l ya p p l i e di nf i b e rc o u p l e ，p h o t o n i cd e v i c e sa n di n t e g r a t e do p t i c sc o m p o n e n t s ，b e c a u s et h e yh a v e t h ef u n c t i o n so ff o c u s i n g , d i v e r g i n g , c o l l i m a t i n g , i m a g i n ga n dt r a n s f o r m i n gi nl i g h tl i n e r e c e n t l y ，t h e r ea r e m a n ym e t h o d st o f a b r i c a t et h em i c r o l e n s e s ，d i r e c tl a s e ro re - b e a mw r i t i n g , p h o t o p o l y m e r i z a t i o n , l a s e r a b l a t i o n ，i n k - j e t , r e a c t i v ei o ne t c h i n g , t h e r m a lr e f l o wi n c l u d e d h o w e v e r , i ti sc o m p l i c a t e dt oa d j u s tt h e f o c a ll e n g t ha n dl i g h tt r a n s m i s s i o no ft h em i c r o l e n s e sm a d ef r o mt h e s et e c h n i q u e s ，a t t r i b u t e dt ot h eu s e d m a t e r i a l sa r eg l a s sa n dc o m p a r a t i v er i g i do p t i c sp l a s t i c s t h u s ，t h e s el i m i tt h ea p p l i c a t i o no ft h em i c r o l e n s e s i nm i c r o - s h u t t e ra r r a y s , v i e wf i e l dl i g h t n e s sm o d u l a t o ra n dm i c r o e n d o s c o p i cs y s t e m t os o l v et h e s e p r o b l e m s ，i nt h i sp a p e r an o v e lt e c h n i q u ei sp r o p o s e dt od e s i g nm i c r o l e u sa n dm i c r o l e n sa r r a yw i t ht h e t u n a b i l i t yo ff o c a ll e n g t ho rl i g h tt r a n s m i s s i o n a tt h es a m et i m e , c o r r e s p o n d i n gs t u d i e so nt h ef a b r i c a t i o n a n da p p l i c a t i o no f t h em i c r o l e n sa n dm i c r o l e n sa r r a ya r el i s t e da sb e l o w ： 1 a na p p a r a t u sw a sd e v e l o p e dt of a b r i c a t em o n o d i s p c r s e dp d m sb e a d s 谢n le x c e l l e n to p t i c s p r o p e r t i e sa n de l a s t i c i t y t h ef a c t o r sw h i c h w o u l da f f e c tt h es i z e sa n dt h ed i s p e r s i t i e so ft h eb e a d s s u c ha st h et h es o l v e n t s , t h ef l o wr a t e so f s o l u t i o n s ，s o l i d i f i c a t i o nt e m p e r a t u r e ，w e r ed i s s c u s s e d t h e m i c r o l e n s e sa n dm i c r o l e n sa r r a yw e r ec o n s t r u c t e db yt h es o rp d m sm i c r o s p h e r e s t h ef o c a l l e n g t ho f t h em i c r o l e n sw a ss i m p l yt u n e db yt h ef o r c e sp o s e do nt h em i c r o s p h e r e s 2 g o o dm o n o d i s p e r i t yp o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ( p d l c ) m i c r o s p h e r e sw e r ef a b r i c a t e db y t h em i c r o f l u i d i ca p p a r a t u s n ec h o s e dp o l y m e rw a sp o l y s t y r e n ea n dl i q u i dc r y s t a l ( l c ) w a sa m i x e dl ce 7 t h e p r e p a r e dm i c r o s p h e r e sh a dg o o dm o n o d i s p c r s i t ya n ds p h e r i c i t y , t h u st h e yc o u l d a s s e m b l et of o r mm i c r o l e n sa r r a y t h et e m p e r a t u r er e s p o n s i b l ei m a g i n ga b i l i t yo ft h em i c r o l e n s a r r a yw a sm o d u l a t e db yt h ep h a s ec h a n g eo ft h el ci nt h ep d l cm i c r o s p e r e s f u r t h e r m o r e ， 4 - b u t y l - 4 。m e t h o x y a z o b e n z e n e ( b m a b ) w a su s e dt od o p et h el i q u i dc r y s t a l ，a n dp h o t o - r e s p o a s i b l e l cw e r ep r e p a r e da n du s e dt of a b r i c a t ep d l cm i c r o l e n s e s t h et r a n s m i s s i o no ft h i st y p co f m i c r o l e n s e sw a st u n e db yt h el i g h t , w h i c hi n d u c e dt h ep h a s et r a n s i t i o no ft h ep h o t o - r e s p o n s i b l el c i nt h em i c r o s h e r e s 3 am i c r o l e n si n t e g r a t e dw i mb o t hf u n c t i o n so ft u n a b l ef o c a l l e n g t ha n dl i g h t t r a n s m i s s i o nw a sd e s i g n e db a s e do n am i c r o f l u i d i cd e v i c e n em i c r o f l u i d i cd e v i c ew a ss e a l e d w i t hp o l y m e t h y 7 i m e t h a c r y l a t e ( p m m a ) s l i d e s ，as p a c e ra n dat h i nm e m b r a n em a d eo fe l a s t i c p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ( p d m s ) t h e r m a lr e s p o n s i v ep o l y - n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ( p n i p a m ) h y d r o g e ls o l u t i o nw a si n j e c t e dt ot h em i c r o f l u i d i cs y s t e m t h ef o c a ll e n g t ho ft h em i c r o l e n sw a s 摘要 c o n t r o l l e db yv a r y i n gt h ev o l u m eo fl i q u i di n f u s e di n t ot h el i q u i dc e l l t h el i g h tt r a n s m i s s i o no ft h e m i c r o l e n sw a st u n e db yt a k i n ga d v a n t a g eo ft h ep h a s et r a n s i t i o no fp o l y - n i s o p r o p y l a c r y l a m i d ei n t h el i q u i dc o n t r o l l e db yt h ec i r c u m s t a n c et e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：m i c r o l e n s ；m i c r o l e n sa r r a y ；m i c r o f l u i d i c ；p o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：墼盟 e l 期： 塑：竺矽 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：蚴 导师签名：e t 期：沙呷0 , 2 上7 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 微小型光学和微光学是近年来光学领域新兴的- - i 前沿性分支学科，发展非常活跃。通常，微 光学元件的尺寸在毫米到微米量级范围内。在许多情况下，考虑到降低成本和增加效能等因素，微 光学元件的设计都是与能批量生产的微结构制造技术紧密结合的。 从历史发展来看，随着产品体积缩小、重量减轻、可靠性提高、工作速度变快、功能多样、成 本下降，逐步形成了- - f 以研究、设计、制作微米级装置和系统为主要内容的新技术，称为“微工 程”。微工程在电子学领域是“微电子学”，在机械领域是“微机械学”，在光学领域叫“微小光学”， “微小光学”一词是日本电气公司内田祯二教授在1 9 8 1 年提出来的【l l o 微小光学是研究微米、亚微 米甚至纳米尺寸光学元件包括光源、光纤、波导和折射、反射、衍射光学元件等的微加工技术及利 用这些元器件实现光束的发射、聚焦、传输、成像、分光、图像处理、光计算等系列功能的理论和 技术的学科，是现代光学研究前沿的一个重要分支1 2 - 3 1 ，是光学与微电子、微机械、微加工、材料科 学、信息科学等学科互相融合、渗透、交叉而形成的前沿学科。它涉及到材料研制、设计、精细加 工、器件集成以及用其实现光束发射、聚焦、准直、偏折、分割、复合、开关、耦合、接收等功能 和光纤传感、光学信息处理、成像系统、光通信、光计算、光互联以及在光盘、光学神经网络和生 物器件等领域的应用。运用微光学的理论和技术所制成的光学元器件具有微型化、阵列化、集成化 和可靠性高等特点。1 9 8 1 年日本出版了微小光学新闻，当时微小光学主要指自聚焦透镜和微型 普通透镜。 后来微小光学有很大发展，既包括微型化、轻量化的分立元件，又包括稳定性好、不需调整、 易于批量生产的阵列光学元件。微小光学的主要研究对象包括两大类基于光的反射、折射原理制作 的光学元件，主要是自聚焦透镜和非梯度折射率的微透镜及其列阵；基于光的衍射原理制作的光学 元件，主要是衍射光学元件。微小光学迅猛发展的一个重要标志是阵列光学元器件的出现。随着科 学技术的发展、光学元器件的微型化，势必使分立元器件向阵列元器件发展，迫切发挥光子作为信 息载体所具有的高速度、并行性和巨大的互联能力，就必须发展二维和三维光电子和光子元器件列 阵。因而，微小光学阵列就迅速发展起来。微光学元件可由玻璃、塑料、硅或其它半导体材料制成。 传统的玻璃光学件是磨制的，而玻璃微光学元件的典型制造工艺是浇铸或光刻。塑料微光学元件的 主要制作方法是光刻、微喷打印。在一般情况下，塑料光学元件包括透镜和衍射元件，不仅输运快 捷方便，而且同玻璃光学件相比，具有更大的设计自由度。微光学元件最大的应用是光数据存储。 除了作为c d 唱机和d v d 系统的物镜外，微光学元件还可用于其他存储介质中作为编码器来跟踪信 息位置，其他的主要应用包括内窥镜以及发达的无线电通讯和数据通讯。内窥镜医疗技术使塑料光 学元件正在进入的一个领域。外科医生以内窥镜作为有效手段来对患者身体的内部进行观察。据统 计，美国在1 9 9 9 年有7 ，4 0 0 ，0 0 0 例外科手术中使用了内窥镜 4 1 。在光信息处理、光纤通信、光计 l 东南大学博士学位论文 算技术领域中，常用的微小光学阵列元件主要有光源阵列、探测器阵列、光纤阵列，为了使这些阵 列器件耦合连接成为一个系统，常采用微透镜阵列。 1 2 微透镜与微透镜阵列 透镜是一种人们非常熟悉的光学元件，它属于被动光学元件，在光学系统中用来会聚、发散光 辐射。通常的透镜体积比较大，人眼能看得到，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它们的光学性质。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，随着科学技术的 进步，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、重量大，已不能满足当今科技发展的需要。目前， 人们己经能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不能被人眼识别，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。微光学技术 所制造出的微透镜与微透镜阵列以其体积小、重量轻、便于集成化、阵列化等优点，己成为新的科 研发展方向。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毫米、微米甚至纳米量级的微透镜与微透镜阵列。 微透镜是指微小透镜，通常其直径为1 0 l im 到l m m 级，由这些微小透镜在基板上按一定形状 排列而成的阵列叫做微透镜阵列。目前光子学领域定义的微透镜的范围很广，它包括直径达到几毫 米的透镜，阵列数目从几百到几千甚至几万。常见的微透镜阵列有透射式、衍射式和折射式三类。 微透镜列阵光学元件具有尺寸小、重量轻、易集成等优点，在军事、科研等各个领域发挥着重要的 作用。 最早的微透镜阵列是在3 4 0 多年前由r o b e r th o o k e 研制成的。1 6 6 4 年，r o b e r th o o k e 利用火焰 将一束很细的威尼斯玻璃棒的一端熔化，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，并将其一端面抛光成平面，由于这种微透镜阵列有非常优越的成像功能，当时它们被 用于显微镜的物镜来研究昆虫。在1 9 世纪4 0 年代，d e n n i sg a b o r 将微透镜阵列作为一个复合的系 统( 命名微超级透镜) ，比起常规的大透镜具有更好的性能。2 0 世纪初，g a b d el i p p m a n n 将微透镜 阵列用于对物体进行三维成像。 自1 9 世纪8 0 年代，人们对光子的研究兴趣逐渐超越了对电子的研究，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了很大的推动作用，这些 技术很快地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了 进一步提高，它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 3 微透镜与微透镜阵列的制作 微透镜的制作包括折射型微透镜制作和衍射型微透镜制作，其具体的制作方法较多，其中包括 化学刻蚀法与电化学刻蚀法、离子交换法、光敏玻璃热成形法、激光直接写入法、电子束直接写入 法以及光刻热熔成形法等。根据不同的基片材料可以选择不同的制作方法，例如，在多成分玻璃基 2 第一章绪论 板上通常用选择性离子交换法来制作微透镜；在结晶化玻璃基板上采用光热法；在硅基板上用离子 柬蚀刻法；而在光学玻璃和树脂上则采用热压成形法来制作微透镜。 下面详细介绍一下这些制作方法： 1 3 1 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1 5 - 9 1 。传统刻蚀 技术以光刻胶或金属薄层为掩膜技术对基底材料料进行蚀刻，要求掩膜材料的蚀刻速率低，以保证 将二维掩模图形转移到基底材料上形成三维微结构，如图1 1 所示。而微透镜阵列的面形传递要求 光刻胶与基底材料具有相同或相近的蚀刻速率，致使微透镜的球面面形无失真地传递到基底上。因 此，微透镜阵列反应离子束蚀刻过程控制的目的就是使光刻胶与基底的蚀刻速率比接近，且横向无 钻蚀、扩蚀现象。反应离子刻蚀与离子束刻蚀相比较，有刻蚀速度快、制作的图形表面质量好，刻 蚀比可在很大范围内根据实际需要来调整等诸多优点。 1 3 2 离子交换法 掩膜 图1 1 化学腐蚀法制作微透镜阵列 化学腐蚀 基本过程如图1 2 所示，将基底进行预处理，把需要改变折射率的部分裸露，其余部分保护起 来，并将其浸泡在装有某种熔盐的容器中【协1 3 1 。金属离子扩散进入裸露部分的基底并置换出一些硅、 钠或钾( 取决于玻璃的种类) ，这就使得裸露玻璃表面附近的折射率呈球形分布，其性能类似于小透 镜。由于这种方法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。然而，这种方法的缺点是制作周期长，且不便于检测。 掩膜 离子交换区 图1 2 离子交换法制作微透镜阵列 3 东南大学博士学位论文 1 3 3 光敏玻璃热成形法 光敏玻璃基片在具有一定孔径图案的掩模板的遮蔽下，进行紫外光照曝光。曝光部分形成光学 致密区，密度增大，而未曝光部分密度没有发生变化i 体1 7 1 。当热处理温度达到未曝光部分的软化温 度时，高密度的曝光区域沿未曝光玻璃基体的柱形边界形成一定的压力，挤压未曝光区域的软化玻 璃，使之突出玻璃表面，在表面张力的作用下，形成光滑的球形表面，从而得到凸透镜表面结构， 形成了微透镜阵列( 图1 3 ) 。 i ll ll l1 日盈囱盈z 囫固z 囝眩盔冒 i 基片l 掩膜 i 加热 i 基片 i 图1 3 光敏玻璃热成形法制作微透镜阵列 1 3 4 激光刻蚀技术 如图1 4 所示，激光刻蚀技术【1 & 。3 】是将激光束( 聚焦或非聚焦) 以一定的方式辐照在材料表面， 利用激光和材料相互作用直接断键汽化的机理( 烧蚀，a b l a t i o n ) ，对作用区域的材料进行逐层剥蚀 的加工。这种刻蚀不需要任何液相腐蚀剂，实际上是一种光物理作用。激光刻蚀技术需要掩模来确 定刻蚀的图案，因此掩模的制作非常重要。制作掩模的材质，在激光的工作波长范围内必须是透明 的。根据加工结构的需要，掩模被有选择的覆盖并制成一定的图案。对于加工材料的选择也是激光 刻蚀过程中的一项重要内容，一般选择阈值低、易被刻蚀的材料。在加工过程中激光光束通过均柬 系统后照射到掩模上，再通过透镜系统后( 这样可使加工范围不局限于光束的尺寸) 照射到所要加 工的材料上，来获得所需的结构。 1 3 5 电子束直接写入法 图1 4 激光刻蚀技术制备微透镜 电子束写入设备基于矢量扫描原理，不仅能方便地加工出旋转对称图形，也能方便地加工椭圆 4 第一章绪论 和其它任意曲线图形，电子束流量通过改变扫描频率( 也即扫描速度) 控制。电子束写入设备的扫描 频率高达1 0 i z 左右，使得典型的一块微透镜阵列的加工时间只要几十秒。采用电子直接写入法可以 获得较前两种方法高得多的分辨率，点对点分辨率可做- 至g d , 于1 0 r i m ，一套特殊的软件控制将要加工 的二元器件数据转换成控制数据控制电子束写入设备工作，在知道抗蚀剂厚度与电子束流量之间的 关系后，通过改变电子束流量在抗蚀剂上形成所需的三维表面微轮廓。 1 3 6 光刻热熔成形法 利用光刻胶热熔法 2 4 - 2 + ) 制作微透镜阵列的原理如图1 5 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。整个工艺过程如图所示，可分为三步：1 ) 光刻胶在掩模的遮蔽下进行紫外曝光；2 ) 对已 曝光的光刻胶板进行显影和清洗：3 ) 热熔成型。该方法的优点是工艺简单，制作容易，近期得到了 很大的发展。但由于材料的缘故，仍需较高的烘烤温度，而且材料本身有一定的颜色，在彩色显示 中会造成色彩的偏差。z d p o p o v i e 等人和d d a l y 等人分别在1 9 8 8 年报导了利用这种方法来制造微 透镜阵列。他们首先用光刻在玻璃基底上形成光致抗蚀材料柱体，然后使柱体熔化。融化的光致抗 蚀材料在表面张力的作用下形成可用作微透镜的球状，实际液体的形状取决于基底与光致抗蚀材料 之间的临界角。临界角是一个只与基底、液体和空气之间表面张力有关的材料常数，如果临界角很 大，玻璃基地上被熔化的光致刻蚀材料形成透镜边缘区域成相当陡的倾斜状态。如果柱体含有足够 量液体，形成近于均匀球状液面，可以制造具有大孔径的透镜。当液体不足的情况下，透镜的边缘 很陡，但是下倾部分出现在微透镜的中心。 w 竞 1 l ril 善毒毒毒，秃摹 1 3 7 热压成型法 图1 5 光刻热熔成型法制作微透镜阵列 英国b t - l a b o r a t o r i e s 的p a n t a l i s 2 9 1 采用热压成型的方法制作了直径为1 - - - 2 m m 的微透镜阵列，该 方法先将聚碳酸酯( p c ) 薄片加热到软化温度，将布满微孔的不锈钢薄片压到聚碳酸酯薄片上，通 过控制加热温度、压力和施压时间来控制微透镜的曲率半径，如图1 6 所示；美国加州大学伯克力 5 东南大学博士学位论文 分校的s h e n l 3 0 1 等人开发了基于硅模的微热压成型工艺来制作聚碳酸酯微透镜阵列，该方法先用深度 反应离子蚀刻技术在硅基板上加工直径分别为1 0 0 、1 2 0 、2 0 0um 的微孔作为型芯，将聚碳酸酯基 板加热到玻璃化转变温度以上，在上面压上硅芯，制成不同高度、曲率半径的微透镜；韩国y o n s i 大学的s u - d o n gm o o n f l l l 等人开发了微压缩模塑系统，制作出单元微透镜直径为3 6 9 6 l lm 、曲率半 径为2 0 6 0ui n 的微透镜阵列，所使用的型芯采用热熔回流一电铸工艺制作。 l h s s u mm o l di n s e r t 口 图1 6 热压成型法制作微透镜阵列 1 3 8 深度质子蚀刻技术( d e e pl i t h o g r a p h y w i t hp r o t o n s ) 该技术使用质子对线性高分子聚合物基片进行曝光，如图1 7 所示。基片上被质子照射到的区 域长分子链被打断，由于分子链被打断的区域的材料分子量变小，其分子扩散速度比没有受到质子 照射的区域大得多，在聚合物单体蒸气中，受到质子照射区域的聚合物材料与聚合物单体聚合后膨 胀成半球面状，通过改变质子流密度和照射时间等参数即可制成不同半径的p m m a 微透镜阵列 3 2 - 3 5 1 。 1 3 9 亲疏水效应法 一一 图1 7 深度质子刻蚀技术制备微透镜 利用微加工技术在基片上形成浮雕结构后，在浮雕结构表面进行亲疏水修饰，使浮雕结构表面 形成亲疏水规则交替的结构，再将光刻胶涂于基片的表面【3 7 1 。由于亲疏水的选择性，光刻胶与基 底的亲水、疏水结构有不同的接触角，会形成有规则的突起，用紫外线照射光刻胶使之固化，可得 微透镜阵列( 图1 8 ) 。 6 第一章绪论 1 3 1 0 微喷打印法 。鼍= 篇严、_ 广! 气产。j l “c “ilc d = 麓癌凝j 一兰兰! ：2 兰：j 一9 塑! 些， m m c j 土9 州。刚1h i d o 曲 _ 砸眄丽_7 一弋7 - 厂一、 r ， - ! ：竺竺! ! 。! ! 竺i 幽i8 亲疏水效应法制备徽透镜 在2 0 世纪7 0 年代，馓喷技术是从一个科学研究课腰发展起米的，是计算机控制打印的一个重 要仪器。母近微喷技术已变成一个多功能的生产方法和一个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。如图1 9 所示，在这种技术中，电压脉冲柞 用到帛f 液体直接或间接地连接在一起的压电材料上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，由丁这些都是直接作用，可咀导致微滴从喷嘴中喷出】。 1 , 3 1 l 微球组装法 区三回 s u b s t r a t e x y z + t a b l e 酗i9 微喷打印法制备礅透镜 如削11 0 所示，将台成好的、单分散性的纳米或者微米粒子通过白组装形成 方排列的密堆积 结构，川浆二甲基硅氧烷( p d m s ) 复制这种结构。待p d m s 聚合后，将p d m s 从基片上剁离。以 p d m s 片表面的反蚩白札结构为模版压印光般聚合物的预聚体衍，川紫外 豫射形成微透镜阵列 【43 州。 i g - 商麓抽 奠一 ：疃 篷髓誊罄_露 | 暖 东甫凡 * i 学协* t 已坚毯! 坚与” l 一s 1 1t 1 1 t j 一”1 麓鹫测一，一m 。 l ：n “誊。”w 一，1 “1 8 1 - t t i j t t t t g m 鞠瞳嚣翻圈一一 j n v 一，u s j u tk m | 。1 “ i ( ， 幽11 0 徽球组装按制备张透镜 幽11 1 为一些主要加上方法的示意幽由嗤可知，上述制各徽透镜的方法通常需要使川特定的 仪器和掩模版，并利用备种物理、化学方法，例如光刻、电子柬、化学试剂刻蚀等在基片上形成各 种所需的图形。通过外加条忭的作用，最终形成各种各样的微透镜阵列。这些透镜的制作材料多为 硬质材科，所制备的透镜的焦距和透光率均不能调制。 舞景尊 龃u = 紫蠹僦 蕊黧誓i 蕊? “ 暖隧逐嚣葚： 盈露噩王】蓦尝 强黼! h n 一 篡：= 啊蕊隧墅誓萎i = ，二 图li i 透镜加i 方法示意幽 1 4 微透镜与微透镜阵列的应用 微型化、阵列化、集成化是现代科学技术的一个显著特点，也是科学技术向高层次发展的客观 要求。随着科技的发展，光学元件的微型化势必使分离元件向阵，元件发展。为了发挥光r 作为信 息载体所具有的高速度、并行性、 容量和巨人的互联能力，就要发展密集、规则排列、光性均匀 的微透镜阵列。因此，微犁化、阵列化、集成化就成为微小光学元件的一种必然要求。由丁它具有 单元透镜直径小( 5 5 0 0 微米) 、密度高、排列整齐且精度商的特点；且具有对光信息( 文字和脚 像) 根好的聚焦、准直、交换、多重成像和综合成像能力，使其成为一种非常好的耦台阵列、连接 器阵列、分光器阵列、开关阵列、波分复圳器阵列、幽像识别器、刳像交义互迮元什、等，可j 1 泛 用于光纤通讯、光纤传感、光信息处理和光计算技术中。 s 第一章绪论 1 4 1 微透镜阵列在c c d 系统中非成像聚光功能 将微透镜阵列应用于电荷耦合器件( c c d ) 系统中可以实现非成像聚能元件功锹2 m ，从而提 高系统的光能利用率。先进的可见光及红外焦平面阵列( i r f p a ) 、大阵列c c d 面阵技术的发展使 现代光学系统对这种聚光、聚能元件的性能有很多的需求，而且对器件的尺寸、阵列规模及均匀性 能等指标的要求也相应提高。在军用红外焦平面阵列方面这一功能显得尤为重要，微透镜阵列已成 为高质量、高效率的红外焦平面阵列的一个重要组成部分。 在凝视光学系统中，红外焦平面阵列接受目标辐射的光子并转换成电子或者载流子存储在焦平 面上，焦平面上的电子( 载流子) 的数量与接受信号的强度成正比。但焦平面的面积有限，供每个 像素存储电荷的面积也有限，一般商品化的红外焦平面阵列的填充因子( 光敏区域与像素的面积比) 只有o 5 或更小。在实际中应用中，一般主要采用微透镜阵列集成技术来提高探测器的光能利用率 与填充因子。如图1 1 2 所示，是c c d 探测器的一个像素的结构，其中阴影部分为有效感光部分。 这种方法可以大大提高焦平面的性能：如利用微透镜阵列的聚光作用减少探测器的面积，从而减少 探测器的噪音，提高探测能力；减少光敏区的面积，以供其他用途的焦平面面积增加，可缓解凝视 焦平面的饱和；微透镜把落在探测器像素上的能量汇聚到光敏区，提高系统灵敏度、简化成像系统、 减轻重量、降低成本。 1 4 2 微透镜阵列与光纤耦合 嘣惜 晴 8 i 知棚8 瞳墙撇 m 妇嘲0 a 嘲箩 捌新h 懒黼 翱蠹l 曙dl a 量氆黼 图1 1 2 微透镜阵列与c c d 的集成 光在光纤中传输，能量会逐渐衰退，造成远距离信号的消失，因此就要对光在中间进行放大和 提高光注入的能力。近些年来，对掺饵光纤放大器、l d 泵浦固体激光器、l d 泵浦光纤激光器、以 及半导体光放大器等光电子器件与系统的研究越来越热，显示出广泛的应用前景。所有的光纤系统 都存在由光源到光纤的耦合问题，耦合技术的进步直接影响着整个光纤系统的性能。提高耦合效率 的方法有很多，目前业界主要采用光纤微透镜法1 5 2 9 1 。微透镜列阵与光纤耦合途径有2 种，即分离 式和集成式。 分离式就是在激光器与光纤端面之间加入一个微透镜阵列，利用单个透镜对半导体激光器的光 束模场进行整形，使其尽量适应光纤的模场要求，可以取得比较好的耦合效果。在该耦合方法中， 只用一个透镜来完成激光束的聚焦。但是由于像差的存在，激光的聚焦效果会受到一些影响。可以 通过改变透镜参数的方法来消除像差，但是会增加透镜制作的难度。k i t a m o r i s s l 等人开发的一种分 o 东南人学博i 学位论空 离式的微透镜与光纤的耦合，如图11 3 所示 图i1 4 集成式晌镦透镜上j 光纤耦骨 加州人学h a o - l i n c h e n i 叫等采h j 单片集成v c s e l 激光器和微透镜( 规格为1 0 r a m 1 0 m m ) 输出光求发散角为1 6 ，功率密度选：n 1 0 5 w e r a 2 ，同卉径为1 m m 的光纤耦台，耦台效率超过7 5 如酬il5 所示。 幽i15 微透镜与光纤的耦台 i o 第一章绪论 1 4 3 微透镜在半导体激光器光束准直中的应用 大功率半导体激光器阵列与其他种类的激光器相比具有体积小、价格低、使用方便等特点，在 光纤通信、光互连、光计算、光存储、激光医疗以及军事等领域具有广阔的应用前景。但是由于其 输出发散像高斯光束在平行以及垂直于节平面方向上存在很大的发散角，因此必须校正为准直光。 l d 发射光束具有以下特点：( 1 ) x 与y 方向上的光束发散角不同；( 2 光斑是椭圆形的；( 3 ) 存在固有 像散。要想获得高质量的l d 光束，必须要对l d 光束进行准直、整形和像散校正。目前多采用光学 器件组合的的方法来提高l d 光束的质量，结构较为庞大，难于调整和安装，也难做成阵列的形式 对l d 阵列的发射光束进行变换。采用微透镜准直器1 6 0 - 6 4 j 可以把半导体激光器的输出光束校正为准 平行光束，它与传统的成像透镜相比，具有体积小、不需夹具夹持、结构紧凑等特点，能够做到与 半导体激光器光源的集成化。微透镜准直器的工作原理如图1 1 6 所示，由半导体激光器输出的椭圆 高斯光束在平行以及垂直于节平面上均可以作为圆高斯光束分别进行处理。 图1 1 6 微透镜对激光器光束的准直 1 4 4 微透镜阵列在三维全景图像技术上的应用 微透镜阵列由一系列周期性排列的自聚焦透镜组成，其中的每一个透镜都能提供一个不同的三 维物体透射像，而每一个透射像都包含着诸如深度等三维物体的不同信息。这也就意味着三维物体 的深度信息被微透镜阵列转化成了二维的角度信息，即完成了三维物体信号和二维阵列信号之间的 r 0 转换。而光学系统可以对二维信息进行实时处理，这就使得三维物体的实时识别成为可能。把这 些透射像综合起来进行分析，就可以完全得重建三维物体，所以这种识别方法将不会丢失三维物体 的信息。 全景图像技术被认为是最有望能实现全真三维显示的三维图像技术。它具有以下几个优点：( 1 ) 记录和显示点到点的立体空间信息，产生的图像包含全真色彩以及连续的视差信息：( 2 ) 记录和显 示过程简单，无须相干光源；( 3 ) 既适用于静态三维场景，又可用于三维视频通讯领域动态捕捉和显 示；( 4 ) 无须佩戴特殊的眼镜就能观看全真的三维图像；( 5 ) 全景图像以二维的形式记录三维空间信 息，故可以较容易地用现有的二维图像数据处理理论和传输技术来进行处理。 全景图像技术是一种用微透镜阵列来记录和显示全真三维场景的三维图像技术。图1 1 7 展示了 有关全景图像的记录和显示过程 6 5 - 7 1 l 。图1 1 7 中的( a ) 图，一张由微透镜阵列组成的薄片被用来 记录三维物空间，记录胶片被置于微透镜阵列的焦平面上。每一个微透镜从不同的方向记录物空间 1 1 东南大学博上学位论文 或物空间的一部分，每个微透镜后面都有物空间一个不同角度的透视图，称之为“子图”，有多少个 微透镜就有多少子图，这样任意一点的视差信息都被扩散到整个记录胶片。图1 1 7 ( b ) ，若将记录胶 片放在一张具有同样参数的微透镜阵列薄片后面，显示微透镜从许许多多子图中透射出来的光线集 成一个三维图像，即把三维场景再现出来。 倒iubt镶t措 麓套 囊 曩“ 卜 寡囊霉 l 铡洲a 翻嗍 f b 、 图1 1 7 微透镜阵列的三维全景技术 2 0 0 5 年，东芝公司宣布它已经开发出全新的平面三维图像显示器，全景图像技术被应用在2 4 英寸和1 5 4 英寸的4 8 0 3 0 0 像素的显示器上。新的三维技术可以使传统的三维显示器的分辨率提 高1 5 倍，能够使消费者观看高品质的有立体感的图像。 1 4 5 微透镜阵列在密集多载波光波分复用器中的应用 光波分复用器是实现光波波分复用传输的关键器件，近年来各种类型的波分复用器发展很快。 目前研究最热门的是采用紫外光直接写入式光纤布拉格栅结构。另外，还有光纤法布里一珀罗谐振 型( f f p ) 和光声调谐等波分复用器件。法布里一珀罗型波分复用器件由两段尾纤和一个或两个谐振 组成，谐振腔通过外置反射镜或光纤端面蒸镀介质反射膜形成，腔长通过机械、温度或电控的液晶 等来调节；光声调谐型波分复用器件主要是利用光耦合作用来对波长进行滤波。无源型波分复用器 件虽然不能利用反馈技术进行自动信道跟踪和锁定，对光源波长稳定性的要求较高，但是器件本身 结构简单，使用方便。无源型波分复用器件可分为下述三种类型：干涉滤光片型、角色散型( 包括 光栅型和棱镜型) 、熔融光纤型。 密集多载波波分复用技术是将单模光纤低损耗传输窗口波长分割成间隔为几纳米的若干个传输 信道，采用可调谐窄线宽光源将每个信道的光载波波长调定在对应的低损耗传输通道波长上，通过 波分复用器件实现多个载波信号同时在一根光纤中的传输，从而大大提高光缆线路的传输容量。图 1 1 8 所示是工作于1 5 3 d 1 5 6 1 u m 波长的光源光栅型密集波分复用器的结构示意图。新型光栅型波 分复用器与传统光栅l i t t r o w 型波分复用器的区别在于输入输出采用不同的透镜，且输入透镜采用在 每根光纤末端个放置一个微透镜的结构，即用输入微透镜阵列来代替多根光纤公用一个输入透镜的 结构。微透镜阵列的作用是对输入光纤末端出射的很细的高斯光束进行扩束，因此光纤微透镜阵列 的组合等效于一个更大芯径的光纤阵列，增大了光纤的数值孔径。此时，相对带宽得到很大提高， 降低了对激光器频率稳定的要求，降低了波长选择和控制的精确度，提供了更大的通道安装强度 【7 2 7 5 】 o 插入损耗和串话是设计波分复用的关键，此密集波分复用器的插入损耗试验值是6 7 d b ，数值偏 大，其中有一部分是由于使用一般的微透镜阵列引起的。采用新型的二元微透镜阵列来代替传统的 1 2 第一章绪论 微透镜阵列，与传统器件相比，它能把入射光在光纤端面上的远场与光纤基模更好地耦合匹配，从 而降低微透镜阵列部分引用的损耗和串话。 图1 1 8 微透镜与光波分服用器的作用 1 4 6 微透镜阵列在s h a c k - h a r t m a n n 波前传感器中的应用 9 衍射微透镜阵列元件具有很多独特的优点，它们能够由计算机灵活地设计，满足各种需要，具 有很高的集成度并可批量复制，在波前传感、整形、光信息处理、激光扫描、提高阵列探测器填充 因子等多方面被广泛应用。h a r t m a n n 方法最初用在天文上对变形波前进行测量，后来多被光学测量 所采用。小型实时的s h a c k - h a r t m a n n ( s h ) 传感器的真正实现归功于微透镜阵列的引入。随着二元 光学技术制作微透镜阵列方法的成熟，灵巧的微透镜与c c d 传感器及高速计算机结合，使s h 方法 产生了突破1 7 6 - s o i 。人们把s h 波前传感器用于自适应光学和二氧化碳激光材料处理系统。 s h 波前传感器的原理如图1 1 9 所示，入射波前通过二维微透镜阵列，在焦平面上形成二维聚 焦光斑。若入射的是标准的平面波，则不存在像差，光斑中心与各自孔径的几何光轴重合；若入射 波存在像差，光斑中心则偏离几何光轴。 w a 他f r o n t w ( x r , y d a x , a y 图1 1 9 微透镜阵列在s h a c k - h a r t m a n n 波前传感器中的应用 1 4 7 微透镜阵列线性扫描器 激光扫描有着广泛的用途，从国防、航空、航天等应用中的激光成像雷j 达( l a d a r ) 、激光制导、 光电跟踪捕获( a t p ) 到激光显示、激光打印等。根据不同需要激光扫描有不同的类型：机械转镜和转 鼓扫描、检流计扫描、谐振镜扫描和全息扫描、微透镜阵列扫描等。为了得到高分辨率的扫描，需 要大口径的扫描光束，因此需要对激光器输出光束进行扩束和偏转。现在实现线性扫描的光学系统 常采用f0 透镜，然而f0 透镜的结构复杂，其设计和加工也比较麻烦，而且价格昂贵。微透镜阵列 1 3 东南大学博士学位论文 季闰到翌， 1 4 8 深紫外光刻 图1 2 0 线性扫描器 近年来，微电子技术、信息技术与光学光刻技术紧密相关。以光刻技术为核心的超大