微透镜及微透镜阵列元件及其发展

微透镜及微透镜阵列元件及其发展

透镜是一种人们非常熟悉的光学元件，它属于被动光学元件，在光学系统中用来会聚、发散光辐射。通常的透镜体积比较大，人眼能看得到，属于折射型光学元件，遵循折射定律，用几何光学的知识就能很好地研究它们的光学性质。相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。

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元件。

微光学技术所制造出的微透镜与微透镜阵列元件以其体积小、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上使用微透镜阵列元件，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。

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。微透镜阵列元件提高了传感器件的响应速度，而对图像分辨率没有影响。