关于微光学安全应用的可能性

微透镜阵列（MLA）凭借其广泛的光学应用吸引了业界的高度关注，已被用作许多光学系统中的重要组件，包括数字显示器、积分成像、三维成像、高分辨率分子生物成像、高密度数据存储、人工眼和光学通信等。例如，单片集成微透镜阵列有利于改善互补金属氧化物半导体（CMOS）和电荷耦合器件（CCD）系统中平面图像传感器阵列的光子捕获。

此外，微透镜阵列还可以在发光器件中集成用于增强光输出耦合效率或均匀照明，为实现微型光源（如平板显示器或生物医学设备）提供了一种有前景的策略。具有高填充因子的集成微透镜阵列被认为是一种有效提高光利用率的2D光学元件，而在光传播方向上的多层微透镜阵列有助于实现3D集成微/纳米光学系统，有望应用于激光均匀化、全息投影或其他光学检查应用。

近来，随着光电工程的发展和对新功能和新颖3D微透镜阵列的兴趣日益浓厚，受自然启发的光学系统设计和材料已成为该领域的新研究热点。特别是，在仿生学领域的各种光学材料中，昆虫或甲壳类动物中发现的复眼，作为光电机械应用的关键微光学元件一直备受关注。作为材料设计中的一个新概念，已经引入并迅速开发了多种策略来制造微透镜阵列，以实现光学系统的微型化，同时改善光学功能特性。随着灰度光刻、激光直写和离子铣削等其他制造工具的发展，包括光刻或喷墨打印方法等典型制造工艺已被应用。

此外，表面张力驱动的胶体颗粒组装技术的最新研究，也为构建微透镜阵列的大型模板提供了替代方法。尽管上述研究展示了在保证完整光学特性的同时生产定制化微透镜阵列的有趣方法，但迄今为止最容易实现的方法还是传统的光刻法——通过调整紫外（UV）光的均匀分布实现；分类研究通过单次曝光步骤优化光刻条件探索了3D微透镜图案，以创建微透镜上的纳米结构。

特别是，考虑到合理的制造成本，同时保持特定的焦距，这种方法对微光学元件最具吸引力。然而，构建微透镜阵列的主要挑战之一是大规模的可重复制造和装配精度。

据麦姆斯咨询报道，韩国釜山大学的研究人员提出了一种高通量、可扩展且经济高效的方法，通过简单的光刻、优化的电铸成型和微压印工艺，可以有效构建焦距范围为80~120 μm的六边形微透镜阵列 。与一般刚性微透镜不同，这种新开发的微透镜阵列由弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，使其足够薄且可变形，能够以灵活的形式充分展示透明微成像投影，探索微光学安全应用的可能性。

在预应变的PDMS微透镜阵列上简单地进行等离子体处理，可以有效利用微透镜表面上的纳米褶皱的自发形成。微透镜阵列上的纳米褶皱的形成是应力的直接结果，这是由于O2等离子体处理在PDMS表面氧化过程中产生的SiO2（即二氧化硅）表面上的物理限制效应。

此外，通过控制微透镜阵列上的纳米褶皱，所选择的材料（即PDMS）可以容易地调谐应力响应灵敏度，当然这种纳米褶皱在微透镜应用中足够透明。因此，当其安装在平移台上时，可以在可调范围内以精确可控的方式构建分层微纳结构的微透镜阵列。令人惊讶的是，通过微透镜和纳米结构化褶皱的干涉组合效应，可以通过激光照射（λ = 633 nm）和UV-vis测量来表征意想不到的光学衍射图案。

这种弹性微透镜阵列和应变可调纳米褶皱的干涉组合效应，促进了这种独特的微光学优势。虽然大多数关于纳米褶皱PDMS光学特性的结果是通过使用具有拉长或收缩状态的平坦表面几何形状获得的，但如前所述，这项研究展示了覆盖纳米褶皱的微透镜，以利用其可调焦距的功能。此外，通过测试其图像投影能力，还证明了所制造的弹性微透镜阵列的额外光学性能。

显然，这项研究介绍的最先进的技术和独特的结构之所以有吸引力，是因为它们能够通过简单的工艺来设计纳米褶皱的形成，从而实现一类新的多功能光学元件，可应用于3D全息成像、Shack-Hartmann波前传感器，以及在不久的将来作为精细控制的扩散片用于可变型显示器。

微透镜阵列制造工艺示意图

基于PDMS的微透镜表面的分层纳米结构褶皱

具有纳米褶皱的微透镜阵列的光学性能

总体而言，研究人员开发了一种简单但强大的光刻技术，通过对预应变的弹性微透镜阵列进行O2等离子体处理的简单工艺，在大面积上（15英寸）构建了高度有序的微透镜阵列，并在微透镜表面上构建了分层结构的纳米褶皱。该光学材料平台由微透镜阵列上完全覆盖的纳米结构褶皱组成，可作为独特的光学元件，通过光学干涉的组合效应产生意想不到的光学衍射图案。

此外，通过测试其用于微光学安全应用的成像能力，还展示了这种弹性微透镜阵列的全息光学性能。由此产生的光学特性提供了一类新的多功能柔性可拉伸膜，通过利用可调谐接口传递前所未有的光学信号，从而在其他光电子器件或空间协调图像投影中实现应用。

研究人员认为，这种复制分层“微-纳”结构微透镜阵列并将其定位到所需空间排列中的能力，通过可调谐焦距为实现基于微透镜的光学技术潜力带来了机遇，以应用于更先进的微光学器件和成像器件。

审核编辑：彭静