微透镜阵列制作技术研究

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2.1 光刻胶热熔法 利用光刻胶热熔法制作微透镜阵列的原理，如
图 2 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[8]。这种 方法的优点是成本低、工艺简单；缺点是透镜材料选 择有限，工艺参数难以把握。
detectors CCD device
（c）CCD 系统
Incident plane wave f
focal plane b
distorted
focal plane f
（d）波前传感器
图 1 微透镜阵列应用
1 微透镜阵列的应用
2 微透镜阵列制作
随着科学技术的进步，当前的仪器设备已朝着 光、机、电集成的趋势发展。折射型微透镜阵列以其 体积小、净质量小、便于集成化、阵列化等优点，已成 为新的发展方向。而且折射型微透镜阵列，是一种目 前应用得十分广泛的微光学元件。折射微透镜阵列 器件在焦平面集光、激光准直、大面阵显示、光效率
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（上接第 45 页）
[2] 张鸿海，范细秋，胡晓峰，等．一种微透镜阵列制作方法 [J]. 华中科技大学学报，2006，34(6)：77 - 79．
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然而，利用传统方法制造出来的光学元件，不仅
a
L1
L2
L3
制造工艺复杂，而且制造出来的光学元件尺寸大、净
质量大，已不能满足当今科技发展的需要。目前，人
b
们已经能够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是不能被人眼识别的，只
（a）人工复眼
L1
L2
Байду номын сангаас
L3
（b）线性光学扫描系统
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。
296- 298． [11] 李 明. 飞秒激光和酸刻蚀方法制作凹面微透镜阵列[J].
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FabricationTechnology Research of Microlens Array
GAN Dai- wei ( Shan xi Institute of Technology，Huxian Shan xi 710302，China)
Equipment Manufactring Technology No.9，2011
微透镜阵列制作技术研究
甘代伟
（陕西国防工业职业技术学院，陕西 户县 710302）
摘 要：详细介绍了光刻胶热熔法、光敏玻璃热成型法、离子交换法、飞秒激光酸刻蚀法等 ４ 种比较实用的制作微透镜 阵列的方法，阐述了其原理，分析了各自的优缺点。 关键词：微透镜阵列；光刻胶热熔法；光敏玻璃热成型法；离子交换法；飞秒激光酸刻蚀法
体积比较大，属于折射型光学元件，遵循折射定律， Shack- Hartmann 波前传感器[6]以及线性光学扫描系 用几何光学的知识就能很好地研究其光学性质。相 统中[7]，原理如图 1 (a)～(d)所示。
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。
目前，用于制作微透镜阵列的方法，有光刻胶热 熔法、光敏玻璃热成形法、离子交换法、飞秒激光法、 光电反应刻蚀法、聚焦离子束刻蚀与沉积法和化学 气象沉积法等方法。其中比较实用的是前 4 种方法， 下面分别加以介绍。
收稿日期：2011- 06- 14 作者简介：甘代伟（1983—），男，福建宁德人，助教，主要研究微纳米压印技术。
中图分类号：TH74
文献标识码：A
文章编号：1672- 545X（2011）09- 0044- 02
透镜是一种人们非常熟悉的光学元件，其属于 被动光学元件，用来会聚、发散光辐射。通常的透镜
增强、光计算、光互联及微型扫描等方面，获得越来 越 广 泛 的 应 用 ， 比 如 在 CCD [4]、 人 工 复 眼 [5]、
3 结束语
微光学技术所制造出的微透镜与微透镜阵列以 其体积小、净质重量小、便于集成化、阵列化等优点， 已成为新的科研发展方向。光刻胶热熔法、光敏玻璃 热成型法、离子交换法、飞秒激光酸刻蚀法等 4 种比 较实用的制作微透镜阵列的方法中，利用飞秒激光 酸刻蚀的方法制作微透镜及其复制技术，工艺过程 极其简单，使用材料价格低廉，适合于各种光耦合和 光学传感器件并且效果良好，将会具有很大的市场 前景。
光敏玻璃 （a）曝光
（b）加热挤压
图 3 光敏玻璃热成型法原理
2.3 离子交换法 光敏玻璃热成型法，制作微透镜阵列的工艺流
程如图 4 所示。该方法将基底进行预处理，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
2.4 飞秒激光酸刻蚀法 飞秒激光脉冲持续时间只有飞秒量级，远小于
材料中受激电子通过声子将能量转移、转化等形式 的放时间，从而避免了热扩散的影响，在加工过程中 限制了热影响区，避免了热熔化的存在，实现了相对 意义上的“冷”加工，因此飞秒激光光刻孔周围的区 域不会将受到热影响，而且孔的边缘不会出现大量 的熔化物质。飞秒激光打孔后，利用酸对光学玻璃的 刻蚀的特点，在多种光学玻璃表面制作了凹微透镜 阵列，因此通过飞秒激光酸刻蚀法加工的微透镜表 面品质很高。而且，飞秒激光加工还具有可成型材料 广、加工周期短、透镜结构可调以及可加工异形微透 镜等优点[11]。
《装备制造技术》2011 年第 9 期 泡在装有某种熔盐的容器中。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，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比较坚固。然而，这 种方法的缺点是制作周期长，而且不便于检测 。 [10]
熔盐
玻璃
扩散
(a)光刻
（b）显影
图 4 离子交换法原理
（c）热熔成型
图 2 光刻胶热熔法
2.2 光敏玻璃热成型法 光敏玻璃热成型法，制作微透镜阵列的工艺流
程如图 3 所示。该方法用 UV 光、X- ray 射线、电子束 等高能量辐射光源，来调制光敏玻璃材料。调制的方 式，是将材料加热到软化点，材料发生膨胀。然后对 光敏玻璃两侧施加压力，由于光敏玻璃被曝光的部 分的密度与硬度远大于未曝光的部分，在挤压过程 中未曝光的部分会高出表面，在表面张力的作用下， 突起的表面变成球形，从而迫使其形成透镜的形状。 这种工艺是由美国 Corning 公司开发研制的。这种方 法的最大优点是它能使得透镜之间的部分变得不透 明，可以消除相邻透镜间的光线干扰，在显示器的应 用中尤为突出[9]。
Abstract：This article introduced four kinds of manufactured method with micro- lens array：the Melting photoresist method，photosensitive glass thermoforming method， ion exchange method，femtosecond laser with acid etching method，analyze the principles and their advantages and shortcomings． Key word：Microlens array；Melting photoresist method；photosensitive glass thermoforming method method；ion exchange method；femtosecond laser with acid etching method
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Determination of the Crossed Roller Bearings’s ClearanceUnder Low Temperature
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因材料性能等数据与实际有一定差异，并且未 考虑装配精度等因素，理论计算值与实际测试值有 一定的差异，实际测试变化值会更大。