衍射微透镜阵列与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 5 4 1.16MB 42 页 15积分

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摘要

微光学在近年来越来越广泛的受到关注，其微细加工工艺更是得到了极大的

发展，促使微光学元件向着微型化、高精度、大规模阵列的方向发展。衍射微透

镜阵列是由一系列菲涅尔单元透镜按照一定方式排列组成的二元光学元件。其单

元尺寸在几微米至几百微米不等，被广泛运用于光学成像、光学互连、信号采集

等领域。

紫外焦平面阵列是紫外探测器中的关键器件，由于采用复杂的读出电路，使

得填充因子小于 1，进而使探测效率低下。由于近年来大规模、高灵敏度的紫外探

测器在民用和军用领域迫切需要，因此提高紫外探测器的探测性能刻不容缓。本

文采用单片集成焦平面阵列与衍射微透镜阵列的方法，解决上述问题。在制备过

程中，考虑到传统加工工艺的各种缺陷，本文提出采用组合多层镀膜与剥离的加

工工艺在背照式紫外焦平面阵列上制备衍射微透镜阵列。

本文运用标量衍射理论设计了 128128 衍射微透镜阵列，其工作中心波长为

350nm，单元透镜 F数为 F/3.56。采用组合多层镀膜与剥离的加工工艺制备 8相位

衍射微透镜阵列，并对制备的微透镜阵列进行光学性能的测试和分析，讨论了对

准误差和线宽误差。实验结果为 87%，与理论值 95%有一定偏差。可以看出紫外

微透镜阵列可以有效的提高焦平面探测器的整体性能。

关键词：衍射微透镜阵列焦平面标量衍射理论微光学

ABSTRACT

Micro-optics has been attracting more and more attention in recent years.

Meanwhile, micro-fabrication gets an even more great progress. It drives micro-optical

elements to be microminiaturization, high-accuracy, large-scale. Diffractive microlens

array is a BOE composed by a series of Frensel lens arranged in a particular way. The

dimension of single lens range from couples of micrometer to couples hundreds of

micrometer. MLA is applied in optical imaging, optical connection and signal collecting

abroad.

Ultraviolet focal plane array is the key device of ultraviolet detector. The complex

readout circuit lower it’s fill factor and detect efficiency. As large-scale, high accuracy

UV detector is more and more used for civil and army in these years, improving of UV

detect efficiency is needed badly. To solve above problem, this work integrated focal

plane array with diffractive microlens. Considering traditional fabrication have various

drawbacks, we manufactured diffractive microlens on the backside of UV focal plane

array by using doubled-sided alignment technology and combination of muti-layer

coating and striping processing technology.

Diffractive microlens arrays were designed using scalar diffraction theory for

128×128 solar-blind ultraviolet focal plane array in this work. The working center

wavelength was 350nm, the single lens F number was F/3.56. The microlens arrays

were fabricated by combination multi-coating and stripping technique, the optical

characteristics of diffractive microlens arrays were measured, the alignment error and

the line width error were discussed. Experimental results show that the diffraction

efficiency of the diffractive microlens array was 87% with a little deviation from the

theoretical value 95%. It shows that the monolithic integration between diffractive

microlens and ultraviolet focal plane array can improve the ultraviolet staring focal

plane array device performance.

Key words: Diffractive microlens array, Focal plane array,

Scala diffraction theory, Micro optics

III

中文摘要

ABSTRACT

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

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

§1.2 微光学元件 ................................................................................................. 2

§1.2.1 微光学元件概述 .................................................................................. 2

§1.2.2 常见微光学元件 .................................................................................. 2

§1.3 紫外线的应用 ............................................................................................. 5

§1.3.1 紫外线的划分 ...................................................................................... 5

§1.3.2 紫外线的应用 ...................................................................................... 5

§1.4 紫外探测器的进展 ..................................................................................... 7

§1.4.1 ZnO 基紫外探测器 .............................................................................. 8

§1.4.2 GaN 基紫外探测器 .............................................................................. 8

§1.5 微透镜阵列 ................................................................................................. 9

§1.5.1 微透镜阵列的分类及特点 .................................................................. 9

§1.5.2 微透镜的评价指标 ............................................................................ 10

§1.5.2 微透镜的应用 ..................................................................................... 11

§1.6 课题的来源和创新之处 ........................................................................... 14

§1.6.1 来源 .................................................................................................... 14

§1.6.2 创新 .................................................................................................... 14

第二章微透镜阵列的理论基础 .................................................................................. 15

§2.1 微透镜的设计理论 ................................................................................... 15

§2.2 微透镜与焦平面阵列集成 ....................................................................... 15

§2.3 微透镜的设计 ........................................................................................... 19

§2.4 衍射微透镜的参数 ................................................................................... 22

第三章紫外衍射微透镜阵列的制备方法 .................................................................. 26

§3.1 加工方法 ................................................................................................... 26

§3.1.1 机械加工法 ........................................................................................ 26

§3.1.2 光学加工法 ........................................................................................ 26

§3.2 组合多层镀膜与剥离 ............................................................................... 26

§3.3 对准技术 ................................................................................................... 29

§3.4 误差分析 ................................................................................................... 30

第四章微透镜阵列光学性能的测试 .......................................................................... 32

§4.1 测试原理 ................................................................................................... 32

§4.2 衍射效率 ................................................................................................... 32

§4.3 点扩散函数 ............................................................................................... 33

§4.4 焦距 ........................................................................................................... 34

第五章总结与展望 ...................................................................................................... 36

参考文献 ........................................................................................................................ 37

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 39

致谢 ................................................................................................................................ 41

第一章绪论

§1.1 引言

MEMS 指的是微机电系统，顾名思义，是由微机械（MicroMachining，MM）

与微电器（MicroElectronics，ME）组成。在美国，这项技术被称为 MicroSystems

Technology(MST)；在日本，这项技术称为微机械（micromachine）。MEMS 或MST

的共同特点就是尺寸特别小，大致尺寸是几十微米到几毫米之间，便于携带和隐

藏，从内部去观察，其设计方法和工艺技术又完全不同于常规机电系统的设计和

加工，因此 MEMS 从物理学及方法论上说实际上是一种新的工具箱[1]。

在近十年来，将 MEMS 引入光学领域越来越多，这种先进的手段是通过集成

的方式来实现的。因此，集成光学将会是光学领域的主导方向。近十年来，集成

光学得到了飞速发展，一些多功能、高性能的集成光学器件应运而生，其特点主

要体现在功能和数量的集成。同时基于集成电路的加工工艺，光学器件朝着微型

化，高精度，大规模的方向发展。因此，集成光学器件普遍有尺寸小、重量轻、

数量大、功能多、精度高等优势。其集成方式主要有单片集成和混合集成两种。

可以用于传感器、光学扫描、通信网络、三维测量等各个方面[1],[2]。

早在 1969 年，微光学（Micro Optics）一词就出现在一家日本杂志上了。1980

年日本微光学研究组织及刊物也应运而生。早期的微光学主要指梯度折射率光纤、

梯度折射率透镜、微小物镜、菲涅尔微透镜（Micro Fresnel Lenses）；随着材料科

学和加工技术特别是微加工技术的发展，微光学的含义已远不止于此。制作微光

学元件的材料已扩展到多种无机和有机材料[3]。除了传统的光学玻璃以外，还可以

选择多种有机材料如聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、聚氯乙稀（PVC）、光敏胶，

有机和无机晶体等材料。在制作技术方面，包括传统的光学加工、镀膜技术、半

导体加工技术、光成型技术、自组装技术、光学全息技术、模压技术等等。总之，

只要是能够制作微小器件的技术或能够产生微结构的方法都会在微光学领域中找

到应用。

微光学是光学与微电子学和其它科学相互渗透、交叉而形成的前沿学科。光

学仪器的微型化及微系统工程的开发迫切要求系统结构及光学元件的微型化，从

而推动了微光学的发展，而电子技术又为微光学的发展创造了条件。在运用过程

中通常采用集成的方法来避免光学系统体积大、造价高等问题。

目前微光学已成为光学学科中较为完整的一门分支。微光学是研究微米、纳

米尺寸的光学元器件的设计、制作工艺及利用这类元件实现光波的发射、传输、

变换及接收的理论和技术的新科学。微光学包括下面几个部分[4]：

（1）微小元件光学；

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摘要：

I摘要微光学在近年来越来越广泛的受到关注，其微细加工工艺更是得到了极大的发展，促使微光学元件向着微型化、高精度、大规模阵列的方向发展。衍射微透镜阵列是由一系列菲涅尔单元透镜按照一定方式排列组成的二元光学元件。其单元尺寸在几微米至几百微米不等，被广泛运用于光学成像、光学互连、信号采集等领域。紫外焦平面阵列是紫外探测器中的关键器件，由于采用复杂的读出电路，使得填充因子小于1，进而使探测效率低下。由于近年来大规模、高灵敏度的紫外探测器在民用和军用领域迫切需要，因此提高紫外探测器的探测性能刻不容缓。本文采用单片集成焦平面阵列与衍射微透镜阵列的方法，解决上述问题。在制备过程中，考虑到传统加工工艺的各种缺...

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