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微透镜阵列元件的发展历史

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微透镜阵列元件的发展历史

发布日期:2019-12-27 作者: 点击:

微透镜阵列元件元件的发展历史

相同的透镜按一定的周期排列在一个平面上便构成了微透镜阵列元件,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,当前的仪器设备已朝着光、机、电集成的趋势发展趋势。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,已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。
在上个世纪80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元件,而且微透镜阵列元件的表面为平面,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。

1992年,日本Sony公司报道了将微透镜阵列与CCD单片集成制作出高灵敏度的CCD器件。微透镜阵列与CCD集成能够提高CCD的填充系数进而改善CCD的灵敏度和信噪比。CCD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CCD上的信号光约有2/3并不能被光敏元拾取。CCD的填充系数只有20.30%,导致了CCD较低的光敏性。这样入射到CCD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CCD的填充系数。通过在CCD上使用微透镜阵列,使光聚焦在CCD光敏元上,能够使CCD得灵敏度得到大幅度提高,而CCD的量子效率在可见光谱范围内平均提高两倍。

微透镜

1994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190um,间隔200um,微透镜的焦距从200—450um。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。
1997年,美国麻省理工学院(MIT)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元件,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0.43,并实现了与单模光纤的耦合。
2002年,Osaka大学研究人员利用微透镜阵列与二次谐波显微镜(second harmonic generation microscopy)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倍的提高。
2005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。
2006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。
2007年韩国LG公司研究人员报道了使用高填充因子微透镜阵列增强OLED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OLED器件表面制作出来高填充因子的微透镜阵列,将OLED的输出效率提高了48%。
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。
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。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(LD)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。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。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。

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关键词:微透镜阵列,微透镜阵列发展,微透镜阵列元件发展

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