什么是微透镜和微透镜阵列？

衍射微透镜的制作方法

衍射微透镜有会聚光能、矫正像差和成像的作用，并且体积小、质量轻、集成度高、易于复制而被广泛地应用于红外光电探测器、图像识别和处理、光通讯、激光医学、空间光学等许多领域。其主要的制作方法有二元光学技术、电子束直写技术以及灰度掩模技术等方法。

（1）二元光学技术

上世纪八十年代中期，美国MIT林肯实验室Veldkamp领导的研究组在设计新型的传感系统中，率先提出了“二元光学’’的概念。它不同于传统的制作方式，利用了制作集成电路的生产方法，使用的掩模是二元的，且掩模用二元编码的形式进行分层。随后二元光学迅速发展成为--I'-J技术，受到学术界和工业界的青睐。二元光学技术非常适合于衍射微透镜阵列的制作，其中微透镜的边界容易做到整齐和尖锐，微透镜阵列的填充因子可达100%，而且具有重量轻、造价低、易于微型化、阵列化等优点。二元光学采用相位量化的二元编码和制作顺序是在N个工艺步骤中形成的相位级数由N+I提高到2N，见图1．2，大大减少了工艺步骤迭代的次数，降低了制造高衍射效率的衍射光学元件所需要的加工成本。二元光学台阶衍射微透镜制作过程基于成熟的微电子工艺，适于大批量生产。

当位相台阶数增加时，二元光学元件也能象连续浮雕元件一样，具有很高的衍射效率。当位相台阶数分别为2、4、8、16时，理论衍射效率分别为4l%、81%、95%和99%。随着台阶数的增加，衍射效率增加，同时制作难度也会加大，对准精度要求也更高。为确保高的衍射效率和制作精度，需采用多次光刻和刻

蚀工艺来产生多位相台阶衍射微透镜。在光刻工艺中，二元光学元件的位相等级数L和所需的掩模数N之间存在这样的关系：L=2Ⅳ。因此制作8相位台阶和16相位台阶微透镜分别需要三块和四块掩模版。实际制作中一般采用三块掩模版，经三次光刻和三次刻蚀技术制造八相位(或八台阶)衍射微透镜阵列，可基本满足要求。微透镜阵列的制作工艺主要包括掩模版的设计和制作，利用光刻技术将所设计的掩模版图形转印到光刻胶上，利用干法刻蚀或湿法刻蚀技术将光刻胶图形高保真地转移到衬底表面，形成所需的浮雕结构。

(2)电子束直写技术

为了避免多次套刻出现的误差累积问题，人们开发出了多种一次成型的加工技术，如金刚石车削法、激光直写法、化学沉积法等。直写法是比较实用的方法，分为电子束直写、离子束直写以及激光束直写三种。采用电子直写技术制作微光学器件始于80年代初，电子束直写原理与激光束直写不同，在进行直写前，必须在基底上预先镀一层导电膜(如Au，In，O，等)，以便曝光时泄露电子。电子束直写的分辨率非常高，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校电子工程系利用电子束直写技术制作的直径为45um的微透镜，其临界尺寸仅为60nm。电子束直写是制作亚波长结构微透镜的重要手段。

(3)灰度掩模技术

灰度掩模技术利用灰度等级掩模版经一次光刻实现多台阶衍射光学元件或连续位相变化的浮雕图形，然后经刻蚀(或薄膜沉积)，将图形高保真地转移到基底上。该技术把复杂的多次光刻和图形转移简化为一次完成，无套刻中对准误差等问题，适合于大批量生产，缩短了生产周期和降低了成本。灰度掩模技术关键之处就是灰度等级掩模版的制作。比较常用的两种方法是彩色编码掩模版和高能电子束敏感玻璃掩模版。前者利用不同颜色，表示不同的灰度等级，一种颜色代表一个灰度等级，四相位表面浮雕分布，用四种颜色表示，八相位浮雕表面分布用八种颜色表示，然后再将用颜色表示的灰度图形，用高分辨率彩色打印机打印在透明胶片上，再将此彩色胶片通过精缩转到成黑白透明胶片上，这样就形成了具有不同灰度等级掩模版，通过一次曝光可得到多相位台阶的浮雕表面分布结构。这种掩模版分辨率较低，器件的相位轮廓台

阶束直接受到打印机彩色等级限制。高能电子束敏感玻璃掩模版(HEBS)利用其对不同能量电子束的敏感程度不同，形成透过率为台阶变化或连续变化的真正灰度掩模版。这种掩模版分辨率高，可达500个灰度等级，且掩模版制作过程简单，成本低。利用HEBS扶度等级掩模版所制作的元件具有分辨率高，衍射效率局等其它方法所无法比拟的优点。随着扶度等级的升高。浮雕分布近似连续分布，但是扶度掩模的制作随着其灰阶的增多将变得十分困难，制作成本也将大幅度上。

以上所迷的各种微透镜阵列的制作方法，对于制作小批量的微透镜阵列较为台适。但是，直¨果需要大批量生产微透镜阵列，以上方法就不太方便，而且成本高，总的生产过程复杂，产品均匀性难以保证。因此发展复制技术成为降低微光学器件成本、推J1应用的关键。一般在光刻胶表面制作微结构具有以下缺点：

一、光刻胶材料表面比较粗糙，易引起漫敞射，降低器件的光学性能；

二、光刻胶材料表面机械强度低，易受磨损且不适用于恶劣环境。