▍本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿

▍導(dǎo)讀

微透鏡陣列(MLA)由于可支持大視場(chǎng)角和無(wú)限景深，已成為光學(xué)傳感、激光雷達(dá)、光場(chǎng)相機(jī)、光學(xué)顯微鏡、高通量無(wú)掩模光刻、3D成像和立體顯示等諸多應(yīng)用中必不可少的光學(xué)組件。

近日，華南師范大學(xué)的周國(guó)富教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種低成本、可批量制造MLA的新方法，獲得了具有受控曲率的大面積MLA，其數(shù)值孔徑可達(dá)0.26，并可通過調(diào)整改性強(qiáng)度或液滴劑量進(jìn)行精確調(diào)控。該團(tuán)隊(duì)證明了所制造的MLA具有亞納米級(jí)粗糙度的高質(zhì)量表面，并允許高達(dá)10328 ppi的高分辨率成像。這項(xiàng)研究展示了一種大規(guī)模、低成本制備高性能MLA的方法，有望在快速增長(zhǎng)的集成成像行業(yè)和高分辨率顯示中得到廣泛應(yīng)用。

該文章被發(fā)表在Light: Science & Applications，題為“Mold-Free Self-Assembled Scalable Microlens Arrays with Ultrasmooth Surface and Record-high Resolution”，華南師范大學(xué)的劉志浩和新加坡南洋理工大學(xué)的胡光維助理教授為本文共同第一作者，華南師范大學(xué)周國(guó)富教授、葉華朋副研究員和唐彪研究員為本文的通訊作者。

▍正文

微透鏡陣列一般是指孔徑小于1毫米的微型透鏡陣列，其關(guān)鍵參數(shù)主要包括數(shù)值孔徑、表面粗糙度、填充因子，視場(chǎng)角、調(diào)制傳輸函數(shù)、景深等。MLA由于可支持大視場(chǎng)角和無(wú)限景深成像，已成為光學(xué)傳感、激光雷達(dá)、光場(chǎng)相機(jī)、光學(xué)顯微鏡、高通量無(wú)掩模光刻、3D成像和立體顯示等廣大應(yīng)用中必不可少的光學(xué)組件。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的進(jìn)步，具有高分辨率和低像差的MLA在小型化和高分辨率3D攝影、集成成像中已成為不可或缺的元件。

當(dāng)前，MLA的制備方法主要分為間接法和直接法。其中，間接法依賴于模具，這種方法的主要挑戰(zhàn)之一源于模具或圖案掩膜的制備過程較復(fù)雜且昂貴，而且后處理中諸如剝離和轉(zhuǎn)移等工藝可能會(huì)損壞微透鏡的表面輪廓。直接法主要依賴于透鏡材料的表面張力，在制造過程中，表面張力使得微透鏡的表面形貌粗糙度低至1納米，并且可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模微米液滴陣列，從而實(shí)現(xiàn)MLA的批量生產(chǎn)。然而，采用直接法制造的MLA，其幾何形狀是由溫度、潤(rùn)濕性、液體劑量和處理時(shí)間等參數(shù)控制的，曲率和焦距的精確控制仍然很困難。為了獲得較大曲率半徑的液滴，有時(shí)仍需借助模板對(duì)液滴的物理邊界進(jìn)行限定。當(dāng)前，大規(guī)模、低成本制備具有可控焦距、光滑表面和高填充因子的MLA仍面臨巨大挑戰(zhàn)，這些特征影響了相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)的性能。

為了解決上述問題，周國(guó)富教授團(tuán)隊(duì)提出了一種制造具有高質(zhì)量表面和高均一性MLA的方法，通過刮涂或狹縫涂布工藝，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易且經(jīng)濟(jì)的大面積MLA制造(見圖1b)，有助于擺脫依賴傳統(tǒng)的納米尺度模具。該方法基于表面選擇性潤(rùn)濕差異，在涂布過程中將液滴嚴(yán)格限制在親水區(qū)域(見圖1c)，同時(shí)保持了疏水區(qū)域的極高潔凈度。為了獲得理想的選擇性潤(rùn)濕表面，該團(tuán)隊(duì)使用氧等離子體對(duì)疏水界面進(jìn)行局部改性(見圖1d)，選擇性地獲得了具有高精度邊界的親水區(qū)域，該區(qū)域在與透鏡材料的結(jié)合中會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于范德華力的化學(xué)鍵結(jié)合力(見圖1c)，并可通過調(diào)節(jié)改性強(qiáng)度或液滴劑量精確控制透鏡曲率和尺寸。該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中成功驗(yàn)證了小至10微米孔徑、高均一性、具有較大的焦距調(diào)控范圍和高質(zhì)量表面的MLA。

圖1：采用MLA實(shí)現(xiàn)集成成像的示意圖及采用氧等離子體進(jìn)行選擇性潤(rùn)濕表面原理。(a)MLA集成成像示意圖。(b)基于刀片刮涂技術(shù)的MLA制造過程。(c)選擇性潤(rùn)濕機(jī)制。(d)基于反應(yīng)離子蝕刻的氧等離子體改性工藝。

研究人員展開了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)微透鏡陣列的優(yōu)越性能。首先，該團(tuán)隊(duì)通過原子力顯微鏡表征了MLA平均粗糙度(0.34 nm，見圖2c)和計(jì)算了焦點(diǎn)光強(qiáng)的方差(σ＝0.09，見圖2f)，證明了MLA具有亞納米級(jí)粗糙度的高質(zhì)量表面和高均一性。此外，本文還研究了液體體積、焦距和數(shù)值孔徑之間的關(guān)系(見圖2g)。

圖2： 實(shí)驗(yàn)制造的MLA的光學(xué)特性表征。(a)孔徑為100 μm的MLA形貌圖。(b)MLA中單個(gè)微透鏡的三維形貌。(c)原子力顯微鏡檢測(cè)的MLA表面粗糙度。(d)MLA光學(xué)性能表征光路。(e)實(shí)驗(yàn)記錄的焦平面上的焦斑。(f)焦平面上沿x、y方向的光強(qiáng)分布。(g)液體體積與MLA焦距、數(shù)值孔徑NA的關(guān)系。

研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)實(shí)驗(yàn)制得的MLA樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的光學(xué)表征(見圖3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樣品在不同波長(zhǎng)(405 nm、532 nm和633 nm)均具有良好的聚焦效果和高聚焦效率。圖3a-c展示了不同波長(zhǎng)下MLA的聚焦效果與半高寬；圖3d繪制了在傳播方向上相同位置處藍(lán)、綠、紅光照明下的分辨率成像圖，這三種顏色的圖像彼此幾乎相同，展現(xiàn)了良好的色差；圖3e描繪了MLA的調(diào)制傳遞函數(shù)，使用紅、綠、藍(lán)、白四種板型LED光源對(duì)分辨率板進(jìn)行成像，得到線對(duì)密度的調(diào)制傳遞函數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)空間頻率超過114 lp/mm時(shí)，調(diào)制傳遞函數(shù)約為22%，即使在高達(dá)228 lp/mm的空間頻率下，仍然可以區(qū)分線對(duì)。此外，MLA的視場(chǎng)約為25.8°，三個(gè)波長(zhǎng)下的聚焦效率分別為46.2%、40.8%和46.3%，與介質(zhì)型微超透鏡的聚焦效率相當(dāng)。

圖3： 不同波長(zhǎng)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)藍(lán)色、綠色和紅色LED照明下的分辨率圖像。(e)MLA的調(diào)制傳遞函數(shù)。

| 論文信息 |

Liu, Z., Hu, G., Ye, H. et al. Mold-free self-assembled scalable microlens arrays with ultrasmooth surface and record-high resolution. Light Sci Appl 12, 143 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01174-7

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