微透鏡陣列元件的發(fā)展歷程
相同的透鏡按一定的周期排列在一個(gè)平面上便構(gòu)成了透鏡陣列，由普通的透鏡組成的透鏡陣列的光學(xué)性質(zhì)就是單個(gè)透鏡功能的合成。
然而，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前的儀器設(shè)備已朝著光、機(jī)、電集成的趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)。利用傳統(tǒng)方法制造出來(lái)的光學(xué)元件不僅制造工藝復(fù)雜，而且制造出來(lái)的光學(xué)元件尺寸大、重量大，已不能滿足當(dāng)今科技發(fā)展的需要。目前，人們已經(jīng)能夠制作出直徑非常小的透鏡與透鏡陣列，這種透鏡與透鏡陣列通常是不能被人眼識(shí)別的，只有用顯微鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等設(shè)備才能觀察到，這就是微透鏡和微透鏡陣列。 微光學(xué)技術(shù)所制造出的微透鏡與微透鏡陣列以其體積小、重量輕、便于集成化、陣列化等優(yōu)點(diǎn)，已成為新的科研發(fā)展方向。隨著光學(xué)元件小型化的發(fā)展趨勢(shì)，為減小透鏡與透鏡陣列的尺寸而開發(fā)了許多新技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)能夠制作出直徑為毫米、微米甚至納米量級(jí)的微透鏡與微透鏡陣。
在上個(gè)世紀(jì)80年代，一種新型的微小光學(xué)陣列器件自聚焦平面微透鏡陣列發(fā)展起來(lái)，它采用當(dāng)時(shí)先進(jìn)的光刻工藝，制作出排列整齊，結(jié)構(gòu)均勻的微透鏡陣列，而且微透鏡陣列的表面為平面，易于與其它平面元件耦合連接，并且具有較好的聚光、準(zhǔn)直、分路、成像、波分復(fù)用、開關(guān)、隔離等三維功能。另外，由于單個(gè)透鏡的直徑小，透鏡密度高，可實(shí)現(xiàn)信息的大容量，多通道并行處理。因此，在光傳感、光計(jì)算、光纖通信及其它光電子器件中獲得了重要的應(yīng)用。
1992年，日本Sony公司報(bào)道了將微透鏡陣列與CCD單片集成制作出高靈敏度的CCD器件。微透鏡陣列與CCD集成能夠提高CCD的填充系數(shù)進(jìn)而改善CCD的靈敏度和信噪比。CCD由許多光敏元組成，光敏元將獲得的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)移出去。由于移位寄存器和轉(zhuǎn)移門的存在，光敏元之間存在明顯的空隙，落在CCD上的信號(hào)光約有2/3并不能被光敏元拾取。CCD的填充系數(shù)只有20.30%，導(dǎo)致了CCD較低的光敏性。這樣入射到CCD其它區(qū)域的信號(hào)光就會(huì)被浪費(fèi)，信號(hào)光的利用率很低。因此微透鏡陣列的主要作用是使原本落入介電層上的光子由于微透鏡的作用使之偏折落入光敏區(qū)，提高CCD的填充系數(shù)。通過(guò)在CCD上使用微透鏡陣列，使光聚焦在CCD光敏元上，能夠使CCD得靈敏度得到大幅度提高，而CCD的量子效率在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)平均提高兩倍。
1994年菲利普研發(fā)中心成功制作出二維大面積圖像傳感微透鏡陣列。微透鏡的直徑為190um，間隔200um，微透鏡的焦距從200—450um。微透鏡陣列提高了傳感器件的響應(yīng)速度，而對(duì)圖像分辨率沒(méi)有影響。
1997年，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)林肯實(shí)驗(yàn)室研究人員采用質(zhì)量轉(zhuǎn)移法，成功制作出折射非球形微透鏡陣列，用于錐形諧振腔激光器的光束準(zhǔn)直，使衍射受限光束發(fā)散角僅為0.43，并實(shí)現(xiàn)了與單模光纖的耦合。
2002年，Osaka大學(xué)研究人員利用微透鏡陣列與二次諧波顯微鏡(second harmonic generation microscopy)集成，提出了多焦點(diǎn)掃描技術(shù)，與傳統(tǒng)的單焦點(diǎn)掃描方法相比，此技術(shù)使二次諧波生成的探測(cè)效率和圖像采集率獲得了數(shù)十倍的提高。
2005年，韓國(guó)研究人員報(bào)道稱將微透鏡陣列用于超大尺寸的三維成像顯示，微透鏡陣列能夠加大顯示器的視場(chǎng)角，同時(shí)顯示的圖像顯非常清晰而且沒(méi)有畸變。
2006年，美國(guó)加利福尼亞州的斯坦福大學(xué)的研究人員成功地利用微透鏡陣列代替數(shù)碼相機(jī)中的單一透鏡成像，大大增加了相機(jī)的聚焦深度和視場(chǎng)角。裝有微透鏡陣列的相機(jī)不但能夠使遠(yuǎn)處和近處的像清晰，連背景也十分清楚，而一般的相機(jī)只能獲得近處或遠(yuǎn)處的像。
2007年韓國(guó)LG公司研究人員報(bào)道了使用高填充因子微透鏡陣列增強(qiáng)OLED的光輸出效率。他們利用溝道成型和高分子敷形圖層氣相沉積的微機(jī)械制作工藝在OLED器件表面制作出來(lái)高填充因子的微透鏡陣列，將OLED的輸出效率提高了48%。
在國(guó)內(nèi)，研究人員對(duì)微透鏡陣列理論及制作工藝也進(jìn)行了深入的研究，使得其得到了廣泛的應(yīng)用。如成都光電所將其成功地用于波前測(cè)量、激光光束診斷、激光光束整形和光學(xué)元件質(zhì)量評(píng)價(jià)等實(shí)際系統(tǒng)中；浙江大學(xué)對(duì)其在密集多載波分復(fù)用器中的應(yīng)用也作了深入的研究；南開大學(xué)光學(xué)所衍射微光學(xué)試驗(yàn)室對(duì)微透鏡的制作工藝也進(jìn)行了深入的研究。
由于微透鏡陣列在微光學(xué)系統(tǒng)中有著重要而廣泛的應(yīng)用，如可用于光信息處理、光計(jì)算、光互連、光數(shù)據(jù)傳輸、生成二維點(diǎn)光源，也可用于復(fù)印機(jī)、圖像掃描儀、傳真機(jī)、照相機(jī)，以及醫(yī)療衛(wèi)生器械中。此外，微透鏡陣列器件也實(shí)現(xiàn)了微型化和集成化，使得其具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可廣泛用于通信、顯示和成像器件當(dāng)中。用于半導(dǎo)體激光器的橢圓形折射微透鏡陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)激光器的聚焦與準(zhǔn)直，激光二極管(LD)的光束整形，它還可用于光纖、光學(xué)集成回路之間，實(shí)現(xiàn)光器件的有效耦合。在光纖通信中，橢圓形微透鏡將來(lái)自自由空間的光耦合進(jìn)光纖，并校準(zhǔn)從光纖出來(lái)的光。目前微透鏡陣列己經(jīng)在原子光學(xué)領(lǐng)域有所應(yīng)用，利用微透鏡陣列做成原子波導(dǎo)、分束器、馬赫一曾德爾干涉儀或利用其捕獲原子或者對(duì)中性原子進(jìn)行量子信息處理。因此對(duì)于微透鏡陣列使用材料，制作工藝和用途方面的研究十分必要。
