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具有超光滑表面和高分辨率的自组装微透镜阵列

撰稿 | 课题组撰稿

导读
微透镜阵列(MLA)由于可支持大视场角和无限景深，已成为光学传感、激光雷达、光场相机、光学显微镜、高通量无掩模光刻、3D成像和立体显示等诸多应用中必不可少的光学组件。近日，华南师范大学的周国富教授团队报道了一种低成本、可批量制造MLA的新方法，获得了具有受控曲率的大面积MLA，其数值孔径可达0.26，并可通过调整改性强度或液滴剂量进行精确调控。该团队证明了所制造的MLA具有亚纳米级粗糙度的高质量表面，并允许高达10328 ppi的高分辨率成像。这项研究展示了一种大规模、低成本制备高性能MLA的方法，有望在快速增长的集成成像行业和高分辨率显示中得到广泛应用。
研究背景
微透镜阵列一般是指孔径小于1毫米的微型透镜阵列，其关键参数主要包括数值孔径、表面粗糙度、填充因子，视场角、调制传输函数、景深等。MLA由于可支持大视场角和无限景深成像，已成为光学传感、激光雷达、光场相机、光学显微镜、高通量无掩模光刻、3D成像和立体显示等广大应用中必不可少的光学组件。随着现代制造技术的进步，具有高分辨率和低像差的MLA在小型化和高分辨率3D摄影、集成成像中已成为不可或缺的元件。
当前，MLA的制备方法主要分为间接法和直接法。其中，间接法依赖于模具，这种方法的主要挑战之一源于模具或图案掩膜的制备过程较复杂且昂贵，而且后处理中诸如剥离和转移等工艺可能会损坏微透镜的表面轮廓。直接法主要依赖于透镜材料的表面张力，在制造过程中，表面张力使得微透镜的表面形貌粗糙度低至1纳米，并且可以实现大规模微米液滴阵列，从而实现MLA的批量生产。然而，采用直接法制造的MLA，其几何形状是由温度、润湿性、液体剂量和处理时间等参数控制的，曲率和焦距的精确控制仍然很困难。为了获得较大曲率半径的液滴，有时仍需借助模板对液滴的物理边界进行限定。当前，大规模、低成本制备具有可控焦距、光滑表面和高填充因子的MLA仍面临巨大挑战，这些特征影响了相关光学系统的性能。
创新研究
为了解决上述问题，周国富教授团队提出了一种制造具有高质量表面和高均一性MLA的方法，通过刮涂或狭缝涂布工艺，实现了简易且经济的大面积MLA制造(见图1b)，有助于摆脱依赖传统的纳米尺度模具。该方法基于表面选择性润湿差异，在涂布过程中将液滴严格限制在亲水区域(见图1c)，同时保持了疏水区域的极高洁净度。为了获得理想的选择性润湿表面，该团队使用氧等离子体对疏水界面进行局部改性(见图1d)，选择性地获得了具有高精度边界的亲水区域，该区域在与透镜材料的结合中会产生远大于范德华力的化学键结合力(见图1c)，并可通过调节改性强度或液滴剂量精确控制透镜曲率和尺寸。该团队在实验中成功验证了小至10微米孔径、高均一性、具有较大的焦距调控范围和高质量表面的MLA。
具有超光滑表面和高分辨率的自组装微透镜阵列图一：采用MLA实现集成成像的示意图及采用氧等离子体进行选择性润湿表面原理。(a)MLA集成成像示意图。(b)基于刀片刮涂技术的MLA制造过程。(c)选择性润湿机制。(d)基于反应离子蚀刻的氧等离子体改性工艺。
研究人员展开了一系列实验来验证所设计微透镜阵列的优越性能。首先，该团队通过原子力显微镜表征了MLA平均粗糙度(0.34 nm，见图2c)和计算了焦点光强的方差(σ＝0.09，见图2f)，证明了MLA具有亚纳米级粗糙度的高质量表面和高均一性。此外，本文还研究了液体体积、焦距和数值孔径之间的关系(见图2g)。
具有超光滑表面和高分辨率的自组装微透镜阵列图二： 实验制造的MLA的光学特性表征。(a)孔径为100 μm的MLA形貌图。(b)MLA中单个微透镜的三维形貌。(c)原子力显微镜检测的MLA表面粗糙度。(d)MLA光学性能表征光路。(e)实验记录的焦平面上的焦斑。(f)焦平面上沿x、y方向的光强分布。(g)液体体积与MLA焦距、数值孔径NA的关系。
研究团队还对实验制得的MLA样品进行了系统的光学表征(见图3)。实验结果表明，样品在不同波长(405 nm、532 nm和633 nm)均具有良好的聚焦效果和高聚焦效率。图3a-c展示了不同波长下MLA的聚焦效果与半高宽；图3d绘制了在传播方向上相同位置处蓝、绿、红光照明下的分辨率成像图，这三种颜色的图像彼此几乎相同，展现了良好的色差；图3e描绘了MLA的调制传递函数，使用红、绿、蓝、白四种板型LED光源对分辨率板进行成像，得到线对密度的调制传递函数。结果表明，当空间频率超过114 lp/mm时，调制传递函数约为22%，即使在高达228 lp/mm的空间频率下，仍然可以区分线对。此外，MLA的视场约为25.8°，三个波长下的聚焦效率分别为46.2%、40.8%和46.3%，与介质型微超透镜的聚焦效率相当。
具有超光滑表面和高分辨率的自组装微透镜阵列图三： 不同波长激光照明下MLA的聚焦特性表征。(a) λ=405 nm。(b) λ=532 nm。(c) λ=633 nm。(d)蓝色、绿色和红色LED照明下的分辨率图像。(e)MLA的调制传递函数。
论文信息
该文章被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“Mold-Free Self-Assembled Scalable Microlens Arrays with Ultrasmooth Surface and Record-high Resolution”，华南师范大学的刘志浩和新加坡南洋理工大学的胡光维助理教授为本文共同第一作者，华南师范大学周国富教授、叶华朋副研究员和唐彪研究员为本文的通讯作者。
论文地址
‍https://www.nature.com/articles/s41377‍-023-0‍1174-7

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