紫外衍射微透镜阵列和紫外焦平面阵列的单片集成研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 12 4 1.25MB 45 页 15积分

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摘要

紫外焦平面是指探测单元数目在一万以上，且自带有信号读出电路的二维探

测器阵列。其探测元的数目大、密度高，因而使系统具有高灵敏度和高分辨率，

增加了系统设计的灵活性，可使系统简化。然而由于紫外焦平面的面积有限，供

每个像元贮存和处理电荷用的面积必然占用一部分面积，从而使焦平面探测器有

效光敏面的填充系数小于 1。此外因为在信号不变的情况下，探测器的噪声与光敏

面的平方根成正比，减小光敏面积可以改善探测器的信噪比。

为了提高紫外焦平面的光能利用率，解决凝视型高性能紫外焦平面阵列器件

核心技术问题，本文考虑在紫外焦平面的背面制造紫外衍射微透镜，以提高紫外

探测器的光能利用率，即通过衍射微透镜阵列和紫外焦平面阵列的单片集成，采

用双面对准技术和组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺，在背照式紫外焦平面的

光入射面制备与探测器像素尺寸相同的衍射微透镜，制作出大规模、可靠性高、

灵敏度高的紫外焦平面阵列。

本文通过优化紫外焦平面的光学和工艺参数，用标量衍射理论设计了用于

128×128 日盲型紫外探测器的衍射微透镜阵列，其工作中心波长为 400nm，单元透

镜

数为 F/5。采用组合多层镀膜和剥离的工艺方法制备微透镜阵列，对具体的工

艺流程和制作误差进行了分析，对制备出的 128×128 的衍射微透镜阵列的光学性

能进行测量和分析。实验结果表明，衍射微透镜阵列的衍射效率为 87%，制作误

差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列的整体性能满足了微透镜

阵列与紫外焦平面阵列的单片集成要求。

关键词：紫外焦平面衍射微透镜组合多层镀膜和剥离标量衍射理论

ABSTRACT

UV detection of the focal plane is the number of units in a million or more, and

comes with a two-dimensional readout circuit detector array. The focal plane with the

large number of detectors and high density, thus the system has high sensitivity and

resolution, to increase the flexibility of system design, and to make the system simpler.

However, due to the limited area of UV focal plane for each pixel used for the storage

and handling area must take charge as part of the area, so the fill factor of the effective

focal plane detector photosensitive area is less than 1. Also in the case of constant signal,

the detector noise is proportional to the square root of the photosensitive area. By

reducing the sensitive area, the detector signal to noise ratio can be improved.

To improve the utilization of UV focal plane and solve the core technical problems

of the high-performance UV staring focal plane array device, we consider it necessary

to manufacture UV diffractive microlens on the backside of UV focal plane array by

using double-sided alignment technique and combination of multi-layer coating and

striping processing technology. The large scale UV focal plane with high sensitivity and

high reliability array can be realized by diffractive microlens array monolithic

integration with UV focal plane array.

By optimizing the optical and processing parameters for UV focal plane array,

128×128 blind UV diffractive microlens arrays were designed using the scalar

diffraction theory. Its center wavelength and F number is 400nm and F/5 respectively.

By using combination of multi-layer coating and stripping process, the microlens arrays

were prepared on the specific process and production errors were analyzed. The

diffraction optical property measurement and analysis of 128×128 microlens arrays

were completed. Experimental results show that the diffractive microlens arrays with

87% diffraction efficiency, and the production error are mainly from the alignment error

and the line width error. UV diffractive microlens arrays meet the overall performance

requirements of the microlens arrays monolithic integrated with UV focal plane arrays.

Key words: Ultraviolet, Microlens array, Fresnel zone plate,

Multi-layer coating and stripping

III

摘要

Abstract

第一章绪论 ................................................................................................................. 1

§1.1 引言 ................................................................................................................ 1

§1.2 微光学和二元光学发展的必然性 ................................................................ 1

§1.3 紫外线 ............................................................................................................ 3

§1.3.1 紫外线的划分 ....................................................................................... 3

§1.3.2 紫外线的应用 ....................................................................................... 4

§1.4 紫外焦平面 .................................................................................................... 5

§1.5 国内外的研究进展 ........................................................................................ 7

§1.6 课题的特点和创新之处 ................................................................................ 8

§1.6.1 特点 ....................................................................................................... 8

§1.6.2 创新 ....................................................................................................... 8

第二章紫外衍射微透镜阵列的理论基础 ................................................................. 9

§2.1 引言 ................................................................................................................ 9

§2.2 菲涅尔微透镜 ................................................................................................ 9

§2.3 紫外微透镜阵列和紫外焦平面阵列的单片集成 ...................................... 11

§2.4 紫外衍射微透镜的设计方法 ...................................................................... 12

§2.4.1 标量衍射理论 ..................................................................................... 12

§2.4.2 微透镜阵列改善紫外探测器性能原理 ............................................. 18

§2.4.3 相位匹配原则 ..................................................................................... 20

§2.5 软件模拟 ...................................................................................................... 22

第三章紫外衍射微透镜阵列的工艺方法 ............................................................... 25

§3.1 引言 .............................................................................................................. 25

§3.2 市场上制作衍射微透镜的几种制作方法 .................................................. 25

§3.2.1 二元光学方法 ..................................................................................... 25

§3.2.2 激光直写法 ......................................................................................... 26

§3.2.3 灰度掩模图形转印法 ......................................................................... 26

§3.3 组合多层镀膜和剥离的工艺方法制作衍射微透镜阵列 .......................... 27

§3.4 双面对准技术 .............................................................................................. 30

§3.5 制作工艺过程中的误差分析 ...................................................................... 31

§3.6 小结 .............................................................................................................. 31

第四章测试 ............................................................................................................... 33

§4.1 焦点尺寸 ...................................................................................................... 33

§4.2 衍射效率 ...................................................................................................... 36

第五章总结与展望 ................................................................................................... 39

参考文献 ..................................................................................................................... 41

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 43

致谢 ............................................................................................................................. 45

第一章绪论

§1.1 引言

近年来，微光机电系统（MOEMS）越来越得到广泛关注。由于制造业和设计

技术的快速发展，光元件的小型化能够得以实现。在微光机电系统里有许多关键

的部件，譬如：光源、光分束、反射镜、偏振器、微透镜及光栅等。这些元件的

尺寸都是微米级和毫米级的。MOEMS 的优点是紧凑，重量轻。

“二元光学”的概念是在 80 年代中期由美国林肯实验室 Veldkamp 领导的研

究小组在研究出的新型传感系统中第一次引用的，当时描述为:“衍射光学几乎完

全不同于传统的制备方式，是光学的一个分支，其表面带有微浮雕结构；由于所

用的掩模是二元的，而掩模是用二元的编码形式进行分层的，并且使用了本来是

制备集成电路的生产方法，故而必须引出二元光学这一内容[1]。”后来二元光学不

但成为了一门学科，而且还作为一门技术快速地得到工业界和学术界的重视，已

经在科技、军用、民用等很多方面都显示出了其广阔的应用前景[1]。

0λ

1λ

2λ

3λ

普通折

射透镜

连续浮雕

衍射透镜

多阶浮雕

衍射透镜

图1.1 普通折射透镜到二元光学元件的进化

二元光学是微光学中的一个非常重要的内容，而微光学是研究纳米和微米级

尺寸的光学元器件的设计和制备工艺，光波的发射、传输、变换及接收的理论和

技术就是利用这类元器件实现。基于折射原理的梯度折射率光学和基于衍射原理

的二元光学是微光学发展的两个重要的分支[1]。其中，二元光学是微光学领域中最

灵活、最有发展前景的前沿学科分支。

紫外衍射微透镜阵列和紫外焦平面的单片集成研究

二元光学元件的优点除了具有重量轻、容易复制、体积小等显而易见的优点

以外，还有以下许多特别的性能和特点。

(1)提高系统性能

利用二元光学可以提高现有系统的各种性能，比如较之传统的光学元件，二

元光学元件的视场会较宽，数值孔径较大，重量较轻，体积更加小，成本更便宜，

主要因为减省了特殊材料。二元光学元件一般多用在单色光下，但是由于它是一

个色散元件，同时具有和常规元件不一样的色散特性，故色差和球差可以在折射

光学系统中能同时被校正，从而构成了混合光学系统，依靠常规折射元件的曲面

提供大部分的会聚焦功能，然后再校正像差，原理是利用了表面上的浮雕相位波

带结构，新的非球面设计和温度补偿等技术中都已经有了这种方法[2]。

（2）衍射效率高

多相位台阶的浮雕结构可以提高元件的衍射效率，这是因为二元光学元件是

一种纯相位的衍射光学元件，其衍射效率通常达不到所要求的水平，所以，一般

使用 N块模版，可得到 L(=2N)个相位阶数，此时的衍射效率为：η=|sin(π/L)/(π/L)|2。

由此计算得出，当 L=2，4，8和16 时，分别有η=40.5%，81%，94.9%和98.6%，

如果制备成连续相位面形及亚波长微结构，可使衍射效率接近 100%[2]。

（3）材料可选性广

能用来制作二元光学元件的材料非常的多，因为其将二元浮雕面形转移至电

介质、玻璃或金属基底上。此外，在选择光电材料的过程中，一些红外材料如 ZnSe

和Si 等，由于它们的一些不理想的光学特性，使用经常被限制，但是二元光学技

术则可利用它们在相当宽广的波段范围内做到消色差[2]。

（4）功能新颖

传统的光学元件主要依靠折射和反射，而大部分的二元光学元件的光的传播

都是依靠衍射来实现的。衍射与折射、反射之间最基本的差异使二元光学元件具

有其独特的功能。是其它元件所不能替代的，譬如衍射透镜同时具有多个焦长。

此外，二元光学元件的独特制作工艺是其它技术所不能实现的。例如，能够制造

这样的微光学阵列：阵列中每一个阵列单元可以具有不同的形状以实现不同的功

能，这些只有二元光学元件才能做的到。由于制造工艺本身所具有的微细加工精

度，二元光学技术可制作微光学元件和微光学阵列[2]。

（5）设计自由度更多

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摘要：

I摘要紫外焦平面是指探测单元数目在一万以上，且自带有信号读出电路的二维探测器阵列。其探测元的数目大、密度高，因而使系统具有高灵敏度和高分辨率，增加了系统设计的灵活性，可使系统简化。然而由于紫外焦平面的面积有限，供每个像元贮存和处理电荷用的面积必然占用一部分面积，从而使焦平面探测器有效光敏面的填充系数小于1。此外因为在信号不变的情况下，探测器的噪声与光敏面的平方根成正比，减小光敏面积可以改善探测器的信噪比。为了提高紫外焦平面的光能利用率，解决凝视型高性能紫外焦平面阵列器件核心技术问题，本文考虑在紫外焦平面的背面制造紫外衍射微透镜，以提高紫外探测器的光能利用率，即通过衍射微透镜阵列和紫外焦平面阵列...

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