微透镜阵列的制备与应用研究进展
发布时间：2021-11-24 来源：李建军 褚春艳 等 阅读次数：2047 分享到：
背景
微透镜是一种常见的微光学元件（如图1所示），通过设计微透镜，可对入射光进行扩散、光束整形、光线均分、光学聚焦等调制，进而实现许多传统光学元器件难以实现的特殊功能。自20世纪以来，随着机械加工技术、自动控制技术和光学技术的发展，微透镜元件的制备工艺得到了迅速发展，微透镜元件在成像传感、照明、显示、光伏等领域中得到了广泛的应用。
本文着眼于微透镜阵列的制备技术研究，重点介绍喷墨打印、激光直写、丝网印刷、光刻技术、光聚合技术、热熔回流技术和化学气相沉积法等微透镜阵列制备技术；进一步总结了微透镜阵列的应用，对微透镜阵列的未来发展方向进行了展望，希望能够给相关领域的研究者提供参考。
为了进一步了解微透镜阵列的原理，利用Zemax光学设计仿真软件，分别仿真了平行光（光源处于无限远处）以及具有一定发散角的点光源在普通透镜和微透镜阵列中的光路图。仿真结果如图2所示，可见微透镜阵列在光线整形和光束均分等方面的明显优势。
微透镜阵列的发展起源于光学系统的微型化和集成化需求。20世纪80年代，在微电子技术基础上，光学微加工技术有了迅速发展，出现了一系列制作微透镜阵列的新工艺，微透镜阵列得到了快速发展，出现了直径为几μm甚至nm量级的微透镜阵列。其发展历程可用图3所示的时间轴来概括，近年来微透镜阵列的制备技术得到了快速发展，已经形成了多条制备高质量微透镜阵列的技术路线。制备技术的发展也推动微透镜阵列在成像传感、照明光源、显示、光伏等多个领域得到了广泛的应用。
目前较为常见的有喷墨打印、激光直写、丝网印刷、光刻技术、光聚合技术、热熔回流技术和化学气相沉积法等。例如：喷墨打印是一种制造微透镜模具或直接制造微透镜阵列的增材制造技术，从早期的传统喷墨打印技术，到现阶段的热调谐、电调谐以及数字光处理等技术的辅助应用，此类微透镜阵列的制备技术得到了深入的研究并已广泛应用。激光直写技术可以通过调节激光脉冲的能量直接实现微透镜结构的调控，也是主流的制备工艺之一。丝网印刷通过使用刀片或刮板将墨水转移到基板上，可以实现较好的转移，是一种便捷、高效、低成本的微透镜阵列制备技术。如图4展示了丝网印刷微透镜阵列的工艺流程。近年来，随着准分子、极紫外等先进光刻技术的发展，微透镜阵列的光刻制备工艺也进一步提升，有望获得更高精度的尺寸自由定制的微透镜阵列。
微透镜阵列因其优良的光学特性，被广泛应用于成像传感、照明光源、显示和太阳能光伏等领域。除此之外，微透镜阵列还有许多其他方面的应用以及很多未被完全开发的应用领域。2015年，中国科学院深圳先进技术研究所的研究者介绍了一种紧凑型多光谱微透镜阵列，并描述了它在辅助色弱方面的应用。2020年，德国达姆施塔特工业大学的Sch?ffner等提出了一种新颖的基于微透镜阵列的可单独控制的光镊平台。近期，西安交通大学电子科学与工程学院的陈烽团队制备了水下拒油的具有超强自洁能力的微透镜阵列，该发明解决了微透镜阵列在实际应用中容易被污染的问题，可广泛应用于水下光学探测、生物监测等领域。
1）目前平面微透镜阵列的研究较多，应用广泛，但关于在球面或自由曲面上制备大规模微透镜阵列的课题有待进一步探索，需要考虑阵列的合理排布、光学串扰等多重问题，开展针对自由曲面微透镜阵列的光学理论研究，从而指导其制备工艺并发掘其应用潜力。
2）微透镜阵列发源于自然复眼系统，但就目前发展来看，仍需进一步完善。可考虑对叠加复眼系统进行分析研究，设计出多层甚至叠加的微透镜阵列，实现更大视场、更好成像性能和更紧凑结构的微型人工复眼相机，其必将在先进成像、机器视觉等方面有长足发展。
3）量子点、钙钛矿、共轭聚合物等新型溶液加工半导体材料的发展为微透镜阵列的制备提供了新的材料选择，如何将上述新型光电材料与微透镜结合，实现更高性能的器件及应用系统也是需要关注的重点前沿课题。
总之，微透镜阵列的制备需要结合材料和微纳制造工艺，如何结合材料和制备技术仍是未来关注的重点方向。尽管国内在微透镜阵列的制备应用方面已具备一定的研究基础，但缺乏系统的工程研究和产业化开发，这方面亟待进一步加强。
课题组介绍
赵跃进教授课题组介绍：
精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室于2013年批准设立。重点实验室依托仪器科学与技术一级学科，主要研究方向包括光机电一体化技术、光电检测技术、精密测试与计量技术和光电目标仿真与处理技术。主要研究内容包括：新型光电成像技术、增强现实技术、生物医学光学技术、自适应光学技术、光电检测技术、微小型特种成像技术、光学精密测试计量技术、光电成像系统性能参数测试与校准技术、光学显微成像技术、高性能成像目标模拟器、红外/射频复合目标模拟器技术等。
钟海政教授课题组介绍：
微透镜是一种常见的微光学元件（如图1所示），通过设计微透镜，可对入射光进行扩散、光束整形、光线均分、光学聚焦等调制，进而实现许多传统光学元器件难以实现的特殊功能。自20世纪以来，随着机械加工技术、自动控制技术和光学技术的发展，微透镜元件的制备工艺得到了迅速发展，微透镜元件在成像传感、照明、显示、光伏等领域中得到了广泛的应用。
本文着眼于微透镜阵列的制备技术研究，重点介绍喷墨打印、激光直写、丝网印刷、光刻技术、光聚合技术、热熔回流技术和化学气相沉积法等微透镜阵列制备技术；进一步总结了微透镜阵列的应用，对微透镜阵列的未来发展方向进行了展望，希望能够给相关领域的研究者提供参考。
基本原理及发展历程
微透镜阵列的最初构想来源于仿生学中的复眼结构。正是在复眼光路结构的启发下，1908年，法国的Lippmann提出了微透镜阵列的概念。1992年，德国的Hutley等证明了使用两对或多对微透镜来操纵光束可以实现空间上不同区域的光互连。东北师范大学的Liu等人也展示了微透镜阵列在光束整形方面的作用，通过微透镜的个性化设计和不规则排列，获得了高效、均匀的光束整形效果。为了进一步了解微透镜阵列的原理，利用Zemax光学设计仿真软件，分别仿真了平行光（光源处于无限远处）以及具有一定发散角的点光源在普通透镜和微透镜阵列中的光路图。仿真结果如图2所示，可见微透镜阵列在光线整形和光束均分等方面的明显优势。
微透镜阵列的发展起源于光学系统的微型化和集成化需求。20世纪80年代，在微电子技术基础上，光学微加工技术有了迅速发展，出现了一系列制作微透镜阵列的新工艺，微透镜阵列得到了快速发展，出现了直径为几μm甚至nm量级的微透镜阵列。其发展历程可用图3所示的时间轴来概括，近年来微透镜阵列的制备技术得到了快速发展，已经形成了多条制备高质量微透镜阵列的技术路线。制备技术的发展也推动微透镜阵列在成像传感、照明光源、显示、光伏等多个领域得到了广泛的应用。
制备方法与应用
微透镜阵列的制备方法总体来说可分为直接法和间接法。直接法不需要制作三维微结构的掩模或模内件，微透镜的形状通常是在材料处于热塑性状态或液态时，由于表面张力的影响而形成的，需要控制工艺产生光滑的表面(算术平均粗糙度小于1nm)。并且，由于微透镜的几何形状由温度、润湿性、压力和加工时间等控制参数决定，微透镜的精度控制仍然十分困难。间接法需要用凹面微透镜来制作模具，然后通过模压成形和注射成型等复制技术来制作凸面微透镜。利用间接法可以很好地控制微透镜阵列的形状，但过程比较复杂。但就应用来说，凸面和凹面微透镜阵列都有应用前景，因此制备技术主要根据应用来选择。目前较为常见的有喷墨打印、激光直写、丝网印刷、光刻技术、光聚合技术、热熔回流技术和化学气相沉积法等。例如：喷墨打印是一种制造微透镜模具或直接制造微透镜阵列的增材制造技术，从早期的传统喷墨打印技术，到现阶段的热调谐、电调谐以及数字光处理等技术的辅助应用，此类微透镜阵列的制备技术得到了深入的研究并已广泛应用。激光直写技术可以通过调节激光脉冲的能量直接实现微透镜结构的调控，也是主流的制备工艺之一。丝网印刷通过使用刀片或刮板将墨水转移到基板上，可以实现较好的转移，是一种便捷、高效、低成本的微透镜阵列制备技术。如图4展示了丝网印刷微透镜阵列的工艺流程。近年来，随着准分子、极紫外等先进光刻技术的发展，微透镜阵列的光刻制备工艺也进一步提升，有望获得更高精度的尺寸自由定制的微透镜阵列。
微透镜阵列因其优良的光学特性，被广泛应用于成像传感、照明光源、显示和太阳能光伏等领域。除此之外，微透镜阵列还有许多其他方面的应用以及很多未被完全开发的应用领域。2015年，中国科学院深圳先进技术研究所的研究者介绍了一种紧凑型多光谱微透镜阵列，并描述了它在辅助色弱方面的应用。2020年，德国达姆施塔特工业大学的Sch?ffner等提出了一种新颖的基于微透镜阵列的可单独控制的光镊平台。近期，西安交通大学电子科学与工程学院的陈烽团队制备了水下拒油的具有超强自洁能力的微透镜阵列，该发明解决了微透镜阵列在实际应用中容易被污染的问题，可广泛应用于水下光学探测、生物监测等领域。
总结展望
未来微透镜阵列的发展趋势必然是微型化、智能化和集成化。根据上述总结，从微透镜阵列的应用需求出发，对未来发展进行了展望，具体如下：1）目前平面微透镜阵列的研究较多，应用广泛，但关于在球面或自由曲面上制备大规模微透镜阵列的课题有待进一步探索，需要考虑阵列的合理排布、光学串扰等多重问题，开展针对自由曲面微透镜阵列的光学理论研究，从而指导其制备工艺并发掘其应用潜力。
2）微透镜阵列发源于自然复眼系统，但就目前发展来看，仍需进一步完善。可考虑对叠加复眼系统进行分析研究，设计出多层甚至叠加的微透镜阵列，实现更大视场、更好成像性能和更紧凑结构的微型人工复眼相机，其必将在先进成像、机器视觉等方面有长足发展。
3）量子点、钙钛矿、共轭聚合物等新型溶液加工半导体材料的发展为微透镜阵列的制备提供了新的材料选择，如何将上述新型光电材料与微透镜结合，实现更高性能的器件及应用系统也是需要关注的重点前沿课题。
总之，微透镜阵列的制备需要结合材料和微纳制造工艺，如何结合材料和制备技术仍是未来关注的重点方向。尽管国内在微透镜阵列的制备应用方面已具备一定的研究基础，但缺乏系统的工程研究和产业化开发，这方面亟待进一步加强。
课题组介绍
赵跃进教授课题组介绍：
精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室于2013年批准设立。重点实验室依托仪器科学与技术一级学科，主要研究方向包括光机电一体化技术、光电检测技术、精密测试与计量技术和光电目标仿真与处理技术。主要研究内容包括：新型光电成像技术、增强现实技术、生物医学光学技术、自适应光学技术、光电检测技术、微小型特种成像技术、光学精密测试计量技术、光电成像系统性能参数测试与校准技术、光学显微成像技术、高性能成像目标模拟器、红外/射频复合目标模拟器技术等。
钟海政教授课题组介绍：
智能光子学课题组（nanophotonics.bit.edu.cn）隶属于北京理工大学材料学院材料物理与化学系，是工信部低维量子结构与器件重点实验室和北京市纳米光子学与超精密光电系统重点实验室的重要组成部分。课题组以培养光子学材料领域的交叉创新人才和开展颠覆性智能光子学技术为使命。2010年以来，面向新型显示、智能传感等应用需求，围绕量子点、钙钛矿、共轭聚合物等新型光电材料与应用开展研究，在铜铟硫和钙钛矿量子点及其照明显示应用方面形成特色和国际影响。
文章来源：第41卷 第21期/2021年11月/光学学报，全文请到光学学报浏览。
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