Lens arrays have been one of widely used optical devices for many optical systems such as CCD image sensors, fiber coupling, optical communications, wave-front sensors, light-field imaging systems, and etc. Thus, fabrication methods of micro lens arrays have been invented in various ways. One famous way is to use the surface tension of liquids. The positive tone photo-polymers are the main materials to fabricate spherical shape. The photo-polymers remain the residue of UV patterned photoresist and they are thermally reflowed and formed the lens shape. Similar to this, various fabrication methods such as light interference method, diffraction method, and soft replica molding method were developed. Most preceding methods, however, has limited prob-lems of achieving high F-number and large diameter scale with a high fill factor which are still challenging issues. In this experiment, these two issues were focused to be solved by using the photo-polymer shrinkage method.
Firstly, a photo-polymer SU-8 was chosen which has thick deposition capability up to 2mm with a par-ticular method. To extend the range of aperture sizes, two methods for thin deposition and thick deposition were developed with EBR treatment and direct pouring method respectively. Therefore, the thickness range of 50μm to 2mm was achieved. Using these process, an SU-8 layer was deposited and patterned by UV irradiation with FCG (film combine glass) masks having circular patterns. Therefore, the shape which was confined by exposed region is cylindrically symmetrical. By the phenomenon of the polymer shrinkage, this volume begun to be shrunk and formed a concave lens array. During the process, a ridge effect problem was observed and tried to be solved by CTE (coefficient of thermal expansion) matching technique by short flood exposure and the ridge effect was visibly reduced. For convex lens arrays, the polymer shrinkage was not induced. Instead, PGMEA (propylene glycol monomethyl ether acetate, SU-8 developer) was induced to penetrate into the confined SU-8 reducing its density. This results in volume expansion and formed a convex lens array.
Although the two methods could fabricate two types of lens arrays, their fill factors were not sufficient for some optical applications. This fact led to a thought to increase the fill factor of lens arrays by square pat-terning. However, the square pattern resulted in square aberrations which drastically lowers the quality of the lens array. To solve this aberration, a new adjusted method was suggested by two steps of shrinkages. One was for the determination of the border levels and the other was for that of the lens surface profiles. Precisely con-trolling each shrunk depths, the parabola surface profile was achieved having high fill factor in large diameter scales.
렌즈어레이는 광학 시스템이 발전하면서 생겨난 많은 분야에 이용되어왔다. 그 중 Wave-Front Sensor나 3차원 이미징 시스템과 같은 분야에서는 높은 F-number를 갖는 렌즈형태를 요구하고 있다. 즉, 초점거리가 개구폭에 비해 일정 비율 이상 높은 렌즈가 필요하다는 뜻이다. 이와 같은 렌즈를 만들기 위해 이전까지는 직접적인 레이저 가공, 그라인딩 그리고 폴리싱을 이용하여 정교하게 제작하였다. 그러나, 이와 같은 방법은 정해진 규격을 갖지 않는 렌즈 어레이를 제작하고자 할 때, 상당한 비용이 들고 시간적 소요가 많은 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 액체의 표면장력을 이용하거나 빛의 확산성을 이용하는 방법 등이 고안되었지만, 대부분의 방법은 일정 크기 이하(sub-micron)의 렌즈를 만드는 용도로 사용되고 초점거리가 긴 렌즈를 만드는 데에는 적합하지 않다.
위 실험에서는, 이와 같은 요구조건을 충족하는 형태의 렌즈어레이를 싼 가격에 쉽게 만들 수 있는 방법을 제시하였다. 그 방법 중 하나로 열을 가하고 식혔을 때 발생하는 폴리머 수축 현상을 이용하였는데, 일반적인 포토리소그래피의 프로세스를 따르고 있으며, 그 중 현상과정 이전까지의 단계를 가지고 렌즈 어레이를 제작할 수 있었다. 원형 모양으로 패터닝된 폴리머 계열 광감제를 가열하게 되면 열팽창 계수 차이로 인해 노광이 되지 않은 부분이 더욱 부풀어 오르게 되는데, 이 과정 후 냉각을 시키면 중합 반응이 일어나며 전체적인 부피가 줄어들게 된다. 이 때 열수축 계수 차이로 인해 발생하는 Ridge현상을 줄이기 위해 표면을 짧게 노광시켜 열수축 계수를 매칭 시켜주었고, 그로 인해 발생하는 Ridge의 높이를 최소화 할 수 있었다.
짧은 시간 동안 노광시켜 얻을 수 있는 얇은 막의 아이디어에 착안하여, 막 생성 후 가열하는 대신, 현상액에 넣어 현상액 분자가 초음파 세척을 통해 막 내부로 침투할 수 있도록 충분한 시간을 준다면 볼록 렌즈를 만들 수 있다. 크로스링크가 된 감광제의 막이 얇고 분자간 간격이 넓기 때문에 상대적으로 분자크기가 작은 현상액이 서서히 침투가 되었고 그 결과 볼록 렌즈 어레이 결과를 얻을 수 있었다. 위 두 가지 경우는 모두 렌즈의 모양이 원형이기 때문에, 렌즈 사이사이 공간이 남을 수 밖에 없게 된다. 높은 Fill Factor를 갖는 렌즈어레이를 만들기 위해, 사각 구조의 패턴이 필요하였다.
사각 수차를 줄이기 위해선 변 부분이 직선이 아닌 곡선의 형태를 가지고 있어야 한다. 때문에 한 번의 수축 혹은 팽창 과정으로는 이 부분을 만들기 어렵고, 두 번의 폴리머 수축을 이용하여 렌즈의 테두리가 되는 부분을 목표로 폴리머 수축을 진행하였다. 그 후 테두리 부분의 곡률을 계산하여 렌즈의 면이 될 부분이 얼마만큼 수축이 되야 하는지를 재 계산하였고, 실험상의 조건대로 일정 부피를 수축, 그 후 폴리머 재 수축을 진행하였다. 이 과정을 통해 높은 Fill Factor를 갖는 렌즈어레이를 제작할 수 있었다. 폴리머 수축 현상을 이용 하였을 때의 장점으로, 수축 후 렌즈의 단면을 측정하였을 때의 모양이 비구면(2차곡선)의 형태를 가지고 있다는 점이다. 평행광을 통해 집광되는 점의 모양을 관찰한 결과, 사각 수차 및 구면 수차가 거의 없는 렌즈어레이를 제작할 수 있었다.
