微透鏡及微透鏡陣列元件及其發(fā)展

微透鏡及微透鏡陣列元件及其發(fā)展

透鏡是一種人們非常熟悉的光學(xué)元件，它屬于被動光學(xué)元件，在光學(xué)系統(tǒng)中用來會聚、發(fā)散光輻射。通常的透鏡體積比較大，人眼能看得到，屬于折射型光學(xué)元件，遵循折射定律，用幾何光學(xué)的知識就能很好地研究它們的光學(xué)性質(zhì)。相同的透鏡按一定的周期排列在一個平面上便構(gòu)成了透鏡陣列，由普通的透鏡組成的透鏡陣列的光學(xué)性質(zhì)就是單個透鏡功能的合成。

然而，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前的儀器設(shè)備已朝著光、機(jī)、電集成的趨勢發(fā)展趨勢。利用傳統(tǒng)方法制造出來的光學(xué)元件不僅制造工藝復(fù)雜，而且制造出來的光學(xué)元件尺寸大、重量大，已不能滿足當(dāng)今科技發(fā)展的需要。目前，人們已經(jīng)能夠制作出直徑非常小的透鏡與透鏡陣列，這種透鏡與透鏡陣列通常是不能被人眼識別的，只有用顯微鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等設(shè)備才能觀察到，這就是微透鏡和微透鏡陣列元件。

微光學(xué)技術(shù)所制造出的微透鏡與微透鏡陣列元件以其體積小、重量輕、便于集成化、陣列化等優(yōu)點(diǎn)，已成為新的科研發(fā)展方向。隨著光學(xué)元件小型化的發(fā)展趨勢，為減小透鏡與透鏡陣列的尺寸而開發(fā)了許多新技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)能夠制作出直徑為毫米、微米甚至納米量級的微透鏡與微透鏡陣。

在上個世紀(jì)80年代，一種新型的微小光學(xué)陣列器件自聚焦平面微透鏡陣列發(fā)展起來，它采用當(dāng)時(shí)先進(jìn)的光刻工藝，制作出排列整齊，結(jié)構(gòu)均勻的微透鏡陣列元件，而且微透鏡陣列元件的表面為平面，易于與其它平面元件耦合連接，并且具有較好的聚光、準(zhǔn)直、分路、成像、波分復(fù)用、開關(guān)、隔離等三維功能。另外，由于單個透鏡的直徑小，透鏡密度高，可實(shí)現(xiàn)信息的大容量，多通道并行處理。因此，在光傳感、光計(jì)算、光纖通信及其它光電子器件中獲得了重要的應(yīng)用。

1992年，日本Sony公司報(bào)道了將微透鏡陣列與CCD單片集成制作出高靈敏度的CCD器件。微透鏡陣列與CCD集成能夠提高CCD的填充系數(shù)進(jìn)而改善CCD的靈敏度和信噪比。CCD由許多光敏元組成，光敏元將獲得的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，然后轉(zhuǎn)移出去。由于移位寄存器和轉(zhuǎn)移門的存在，光敏元之間存在明顯的空隙，落在CCD上的信號光約有2/3并不能被光敏元拾取。CCD的填充系數(shù)只有20．30%，導(dǎo)致了CCD較低的光敏性。這樣入射到CCD其它區(qū)域的信號光就會被浪費(fèi)，信號光的利用率很低。因此微透鏡陣列的主要作用是使原本落入介電層上的光子由于微透鏡的作用使之偏折落入光敏區(qū)，提高CCD的填充系數(shù)。通過在CCD上使用微透鏡陣列元件，使光聚焦在CCD光敏元上，能夠使CCD得靈敏度得到大幅度提高，而CCD的量子效率在可見光譜范圍內(nèi)平均提高兩倍。

1994年菲利普研發(fā)中心成功制作出二維大面積圖像傳感微透鏡陣列。微透鏡的直徑為190um，間隔200um，微透鏡的焦距從200—450um。微透鏡陣列元件提高了傳感器件的響應(yīng)速度，而對圖像分辨率沒有影響。