7.2. Изготовление матриц микролинз с плотной

упаковкой в стекле от фотопластин

и исследование их свойств

В качестве подложек при изготовлении матриц микролинз с плотной упаковкой использовалось стекло от фотопластин размером 50×50×2 мм. На одну из сторон стеклянной пластинки термическим вакуумным напылением наносилось маскирующее покрытие в виде тонкого слоя алюминия толщиной 0,6 мкм. В маскирующем слое алюминия с помощью фотолитографии вытравливалась матрица, содержащая 530×660 круглых отверстий, диаметром 15 мкм и шагом 60 мкм. На противоположную сторону стеклянной подложки наносился сплошной алюминиевый слой, выполняющий роль тонкопленочного катода. Стеклянная подложка маскирующим алюминиевым слоем с круглыми отверстиями, приводилась в контакт с расплавом солей, содержащим ионы серебра, способные при внедрении в стекло увеличивать его показатель преломления. Внешнее электрическое поле, стимулирующее процесс внедрения ионов в стеклянную подложку из расплава солей, прикладывалось между расплавом соли и тонкопленочным катодом, расположенным на противоположной стороне стеклянной подложки.

Электростимулированная миграция ионов серебра осуществлялась из расплава солей AgNO₃+NaNO₃, взятых в соотношении 1:75 (моль) при температуре 380ºС в течение 30 минут.

Качество микролинз зависит от сферичности их поверхности и определяется размером и формой фокального пятна.

Однако при очень высокой плотности упаковки микролинз, изготавливаемых электростимулированной миграцией ионов в стеклах, происходит нарушение их сферичности, обусловленное взаимным влиянием электрических полей, возникающих в стеклянной подложке у каждого отверстия в маскирующем слое, что приводит к изменениям диаметра и формы фокальных пятен, а это отрицательно сказывается на фокусирующих свойствах микролинз.

Для микролинз правильной сферической формы плотность упаковки можно рассчитать по формуле

, (71)

где r – радиус единичной микролинзы; p_x – расстояние между центрами соседних микролинз по горизонтали; p_y – расстояние между центрами соседних микролинз по вертикали [98].

Для определения влияния плотности упаковки микролинз в матрице на фокусирующие свойства микролинз было изготовлено пять матриц микролинз при различных стимулирующих напряжениях (10, 20, 30, 40 и 50 В). На рис. 78 представлены фрагменты полученных матриц микролинз с различной плотностью упаковки.

Рис. 78. Фрагменты матриц микролинз с различной плотностью упаковки

Измерение размеров и форм фокальных пятен, диаметров микролинз и их фокусного расстояния проводилось с помощью микроскопа ERGAWAL производства Karl Zeis и микрометра окулярного винтового МОВ-1-15^х.

В качестве источника излучения использовался гелий-неоновый лазер ЛГН–203 (=0,63мкм).

Зависимость диаметра фокального пятна от величины стимулирующего напряжения, используемого в процессе изготовления матриц микролинз, представлена на рис. 79.

Рис. 79. Зависимость диаметра фокального пятна

микролинзы от величины стимулирующего напряжения

Зависимость плотности упаковки от величины стимулирующего напряжения представлена на рис. 80.

Рис. 80. Зависимость плотности упаковки от величины стимулирующего напряжения

Как видно из рис. 79 и рис. 80 изготовление матриц микролинз с плотностью упаковки выше =0,96 приводит к увеличению размеров фокальных пятен формируемых микролинз. Микролинзы в матрицах, сформированных при стимулирующем напряжении 10 В и 20 В, не обладали еще достаточной сферичностью, поэтому и размеры фокальных пятен в них достигали 9-12 мкм. Взаимное влияние электрических полей при высоких плотностях упаковки приводит к тому, что сферическая форма микролинз нарушается, что неизбежно сказывается на их фокусирующих свойствах.

На рис. 81 представлен внешний вид фокальных пятен матриц микролинз с плотностью упаковки =0,79 и =0,98. Фотография фокальных пятен получена в свете гелий-неонового лазера (λ=0,63 мкм).

Рис. 81. Внешний вид фокальных пятен микролинз

с различной степенью упаковки

Минимальными размерами фокальных пятен (6 мкм) обладали микролинзы в матрицах, полученных при стимулирующих напряжениях 30-40 В, при этом их плотность упаковки достигала величины . Фокусное расстояние микролинз, изготовленных при стимулирующем напряжении 30-40 В, составило 450 мкм [99].

Матрицы микролинз являются необходимым оптическим элементом при изготовлении LCD – проекторов и CCD – камер. Применение матриц микролинз позволяет повысить яркость светового потока на 20-30%. Суть этой технологии состоит в том, что перед проекционной панелью расположен массив микролинз, которые дополнительно фокусируют свет и направляют его на нужный участок матрицы. В CCD – камерах матрица микролинз позволяет снизить темновой ток, запаздывание сигнала и размытие изображения, и в тоже время улучшить динамический диапазон и ряд других параметров, обеспечивает высокую чувствительность.

При изготовлении LCD – проекторов использование матриц микролинз позволяет повысить контрастность и четкость изображения. Это достигается тем, что перед ЖК-матрицей располагается матрица микролинз с плотной упаковкой, позволяющая фокусировать свет в центр управляемого элемента ЖК-матрицы. Пикселы изображения ЖК-матрицы управляются системами прозрачных электродов, расположенных взаимно перпендикулярно. Электроды не могут плотно прилегать друг к другу во избежание влияния управляющего напряжения на соседние элементы ЖК-матрицы, формирующие пикселы изображения. Период расположения прозрачных электродов в ЖК-матрице LCD – проекторов обычно составляет 18 мкм при ширине 5-6 мкм.

На рис. 82 схематически представлено получение пикселов изображения ЖК-матрицы и их преобразование с помощью матрицы микролинз с плотной упаковкой.

Рис. 82. Получение пикселов изображения ЖК-матрицы и их преобразование с помощью матрицы микролинз

с плотной упаковкой

а – система электродов с выделенными пикселами изображения; б – расположение микролинз относительно системы электродов; в – пикселы изображения, получаемые после матрицы микролинз

Матрица микролинз должна иметь период расположения линз равный периоду расположения управляемых пикселов изображения, и располагаться таким образом чтобы фокальное пятно каждой линзы попадало в центр управляемой ячейки ЖК-матрицы, кроме того микролинзы должны иметь диаметр фокального пятна не более размера управляемого пиксела ЖК-матрицы.

Матрицы микролинз формировались на подложках из стекла ТСМ методом электростимулированной диффузии ионов из расплава солей. Стекло ТСМ содержит 43% SiO₂, 31% Al₂O₃, 5,5% Р₂О₅, 4% ZnО, 8,5% Na₂О, 4,5% Li₂O, 2% К₂О, 0,8% GеО_2. Очистка подложек осуществлялась тщательной протиркой в ацетоне. К качеству очистки подложки предъявлялись высокие требования, поскольку незначительные загрязнения приводят к снижению качества напыленного маскирующего покрытия, появлению в нем проколов и ухудшению формируемых в нем матриц линз. Финишная очистка осуществлялась тлеющим разрядом под колпаком вакуумной установки «Альфа-Н1» непосредственно перед нанесением маскирующего покрытия в течение пяти минут. По окончании очистки вакуум в камере увеличивался до 10^-5- 10^-6 мм. рт.ст. и производилось термическое испарение алюминия. Таким образом на одну из сторон стеклянной пластинки наносилось маскирующее покрытие в виде тонкого слоя алюминия толщиной 0,6–1мкм. В маскирующем слое алюминия с помощью фотолитографии вытравливалась матрица (512×512) круглых отверстий, диаметром 3,6 мкм и шагом 18 мкм. Для этого на напыленный алюминиевый слой методом центрифугирования при скорости вращения 4000 об/мин наносилась тонкая пленка позитивного фоторезиста ФП-617, которая затем сушилась в сушильном шкафу при температуре 90^°С в течении 15 мин. После этого высушенные образцы экспонировались через соответствующий фотошаблон ультрафиолетовым излучением в течении 90 с. После окончания экспонирования образцы проявлялись. Поскольку металлом, подлежащим травлению, является алюминий, который травится в растворах щелочей, то операция проявления фоторезиста и травления алюминия были совмещены. Они проводились в 0,25% раствора КОН. Остатки фоторезиста смывались с поверхности алюминиевой пленки ацетоном.

Плоский электрод-катод, наносимый на стеклянную подложку должен удовлетворять следующим требованиям: обеспечить надежный контакт с металлическим контактом устройства погружения, не разрушаться за время технологического процесса, обеспечивать устойчивость протекания (без закорачивания) электрического тока в процессе проведения электростимулированной диффузии.

Стеклянная подложка с маскирующим покрытием и электродом-катодом помещалась в металлическую лодочку устройства погружения образцов таким образом, чтобы маскирующее покрытие было обращено к лодочке, а катод имел надежный контакт с металлическим стержнем, выполняющим роль подвижного контакта (для присоединения внешнего электрического напряжения). Закрепленный образец приводился в соприкосновение с расплавом соли, содержащей ионы Ag⁺. По окончании процесса производилось удаление маскирующего слоя и напыленного катода.

Режимы изготовления матриц и оптические параметры микролинз представлены в табл. 7.

Таблица 7

Режимы изготовления матриц и оптические параметры

микролинз

№ п/п	Использованный расплав	Температура расплава, °С	Стимулирующее напряжение, В	Время процесса, мин	Диаметр микролинз, мкм	Фокусное расстояние, мкм	Диаметр фокального пятна, мкм
1	AgNO3+NaNO3 (1:1 моль)	380	35	2	18	90	15
2	AgNO3	250	50	1	12	20	7
3	AgNO3	250	100	3	18	25	6
4	AgNO3	280	50	1	18	30	4

Как видно из таблицы 7 минимальное фокальное пятно у микролинз было получено у образца № 4. Это говорит о том, что микролинзы в процессе изготовления не потеряли своей сферической формы и обладали хорошими фокусирующими свойствами, хотя и плотно прилегали друг к другу в матрице.

На рис. 83 представлен внешний вид матрицы микролинз № 4 и картина ее фокальных пятен, наблюдаемых с помощью микроскопа на λ=0,63 мкм в фокальной плоскости матрицы.

Рис. 83. Внешний вид изготовленной матрицы микролинз и картина фокальных пятен

Обладая хорошей разрешающей способностью, изготовленная матрица микролинз может быть использована также для мультиплицирования изображения. На рис. 84 представлено мультиплицированное изображение буквы А, полученное с помощью изготовленной матрицы микролинз. Из рис. 84 и таблицы 7 видно, что изготовленная матрица микролинз обладает хорошими фокусирующими свойствами (размер ее фокальных пятен 4 мкм) и вполне пригодна для использования совместно с ЖК-матрицами, применяемыми в LCD – проекторах.

Рис. 84. Мультиплицированное изображение буквы А, полученное с помощью матрицы микролинз