三维光刻技术在微透镜制作方面的应用

       微透镜阵列是由直径从几百纳米到几毫米的子透镜在基板上按一定排列顺序组成的，单元数目从几千到几万不等。由于微透镜阵列中的每一个子透镜都拥有唯一的光轴，若所有子透镜的参数相同，则他们的光学性能都应相同，而将所有的单元结构作为一个阵列整体时，又拥有一个主光轴。因此与传统的单透镜相比，微透镜阵列拥有极高的并行性，每个子透镜可以相互独立的传输光学信号，互不干扰，就相当于存在着大量的二维并行光路，每个子透镜都具有对光信息进行传输、变换成像等功能。制作微透镜阵列有许多方式，我们列举几个常见的制作方式，并着重看下三维光刻技术在微透镜制作方面的应用。

一、微透镜阵列的分类

微透镜阵列根据外形的不同，可分为平面微透镜阵列和曲面微透镜阵列。

•平面微透镜阵列较为常见，每个子透镜光轴相互平行，如应用在光场相机和一些 CCD 传感器中的微透镜阵列；

•昆虫的复眼结构就是典型的曲面微透镜阵列，具有大视角，高分辨率等优点。

除却外形分类方法，还可以依据光的折射和衍射原理将微透镜阵列分为折射型微透镜阵列和衍射型微透镜阵列。

•子透镜表面呈现光滑且连续状的多为折射型微透镜阵列，在成像显示、光束准直、光互联以及微扫描等方面有较多的应用；

•表面呈现浮雕结构的往往是衍射型微透镜阵列，在图像识别与处理、电光探测器、空间光学等领域有较多的应用。

二、微透镜阵列结构的几种加工方法

图1 微透镜阵列电子显微镜图

机械加工法：

这是一种比较早期的微透镜加工方法，其优点是简单易行，利用高精度CNC工具可以挖出对应的微透镜结构，或者利用更为精密的单点金刚车工具挖出微球凹坑结构，当然加工的都是模具，再配合注塑工艺或者热压成型获得带有微透镜阵列的板材或者型材。

热回流法：

热回流是当前比较流行的一种微透镜阵列结构的加工方法。其过程是利用光刻胶曝光显影后形成圆柱或者特定形状的柱子阵列结构，通过加热后让光刻胶达到并超高其玻璃态转变温度后软化，在其表面张力的作用下形成微透镜阵列（如下图2所示）。再配合电铸工艺实现结构向模具的转化，利用注塑或者纳米压印的方式进行大批量的复制生产。

图2 热回流法

喷胶法：

利用高精密喷嘴将聚合物液体喷出，并形成一定尺寸的液滴，在空间中飞行后着陆在衬底表面形成半球面，再通过加热溶剂挥发，或者紫外光照固化的方式形成球面微透镜结构，辅以高精度的机械机台和喷嘴阵列以及控制系统，就可以获得有效面积的微透镜阵列结构（如下图3所示）。这种加工方式的优点是，无需向上面两种方法先制作模具后通过注塑或者压印的方式进行复制，它本身就有很高的生产效率，可以直接用于生产。但是其缺点就是需要适配合适的喷射聚合物材料，还需要匹配其材料与衬底的粘附性等问题才能获得可控矢高的微透镜阵列；

图3 喷胶法

灰度曝光法：

上述几种方法几乎有个共性，就是球面的形状可控性比较差，实际使用中，非球面的微透镜阵列需求越来越多，因对这种需求，我们往往需要通过灰度光刻的方式来实现微透镜阵列结构，灰度光刻的就是利用灰度光刻掩膜版（掩膜接触式光刻）或者计算机控制激光束或者电子束剂量从而达到在某些区域完全曝透，而某些区域光刻胶部分曝光，从而在衬底上留下3D轮廓形态的光刻胶结构（如下图4所示，八边金字塔结构）。微透镜阵列也是类似，可以通过剂量分布的控制来控制其轮廓形态。需要注意，灰度光刻方法获得的微透镜阵列的表面粗糙度相比于热回流和喷墨法获得的透镜要大的多，约为Ra=100nm，前两者可以会的Ra=50nm的球面。

图4 灰度曝光法

微纳3D打印：

这种方法与灰度光刻有点类似，但是原理不同。魔技纳米科技有限公司正是用的这种三维光刻技术制作微透镜阵列。我们常见的微纳3D打印技术是双光子聚合，利用该技术我们理论上可以获得任意想要的结构，不仅仅是微透镜阵列结构（如下图5、图6所示），该方法的优势是可以完全按照设计获得想要的结构，后续可以通过LIGA工艺获得金属模具，并通过纳米压印技术进行复制。

图5 魔技纳米-透镜阵列电子显微镜图

图6 魔技纳米-芯片透镜电子显微镜图

       魔技纳米部分纳米级三维激光直写设备展示：

桌面级三维激光直写设备