无缝隙微透镜阵列制作及与oled集成的研究

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1、南开大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：哼长眨龟加。岔年岁月≥9日第一章绪论在过去几十年里集成电路理论与制造工艺的发展突飞猛进，微精细加工的技术日益成熟。伴随集成电路技术和工艺的发展，在过去三十年里微光学元件研究和制作也迅速兴起，成为光学领域新兴的一门前沿性分支学

2、科，并且随着微光学在众多领域的应用日益广泛，必将成为21世纪科技发展中的一个重要课题。在1981年，日本电气公司内田祯二教授率先提出了“微光学’’的概念，当时是指变折射率透镜和微透镜川。经过三十多年的发展，微光学已经形成了一个比较完整的学科，涵盖范围获得了极大的拓展，主要研究微米、纳米尺寸光学元件理论研究、设计与制作，将光学与微电子、微机械、微加工、材料科学、信息科学等学科相互渗透、融合、交叉，形成为前沿学科【2】。微光学元件包括光源、光纤、波导及折射、反射、衍射光学元件等，利用这些元器件实现光束的发散、聚焦、传输、成像、分光、图像处理、光计算、光互连等系列功能。运用

3、微光学的理论和技术制成的光学元器件具有微型化、阵列化、集成化和可靠性高的特点，其研究领域包括微透镜阵列、衍射光学元件、二元光学元件、微光学加工、光功能材料、功能集成等方面。第一节微透镜阵列发展及前景微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为毫米到亚微米级的透镜组成的阵列，它不仅具有传统透镜的会聚、发散、成像等基本功能，而且由于其单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。由于在设计过程中使用了不同的光学原理，微透镜阵列分为折射型微透镜阵列与衍射型微透镜阵列两类。折射型微透镜阵列是将孔径尺寸介于毫米到微米之间的折射透镜以一定

4、方式(圆形、矩形、六边型等)排列起来形成的阵列元件。作为功能元件，折射型微透镜阵列在会聚、分光、光耦合、光计算等方面有重要应用f3】。衍射型微透镜阵列利用其表面波长量级的三维浮雕结构对光波进行调制、变换，具有轻、薄、设计灵活等特点。作为功能元件，衍射型微透镜阵列在波前传感、光聚能、光整形等多个系统得到广第一章绪论泛应用。衍射型微透镜阵列和折射型微透镜阵列可以实现优势互补，尤其是进行大规模复制后能显著提高制作效率，降低成本。衍射微透镜与经典光学元件组合后，可以改善光学系统的光学性能，如视场、孔径角和成像质量，如对比度和分辨率，还能够实现对光学系统的色散补偿，促进经典光学

5、系统向集成化和多功能化发展【4剖。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，而且微透镜阵列的表面为平面，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【7{】。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C

6、CD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，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

7、谱范围内平均提高两倍一J。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。微透镜阵列提高了传感器件的响应速度，而对图像分辨率没有影响IⅢJ。1997年，美国麻省理工学院(MIT)林肯实验室研究人员采用质量转移法，成功制作出折射非球形微透镜阵列，用于锥形谐振腔激光器的光束准直，使衍射受限光束发散角仅为0．43。，并实现了与单模光纤的耦合。2002年，Osaka大学研究人员利用微透镜阵列与二次谐波显微镜(secondharmonicgenerationmicros