紫外成像器件中衍射微透鏡陣列設(shè)計(jì)與研制＊

張宇明，李 毅，2，孫若曦，周 晟，朱慧群，3，黃毅澤

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；3.五邑大學(xué) 薄膜與納米材料研究所，廣東 江門 529020）

引 言

紫外凝視成像器件（FPA）要求具有探測(cè)靈敏度高、重量輕、體積小，但由于復(fù)雜的讀出電路使得探測(cè)器有效光敏面的占空比即填充因子小于1，從而限制了探測(cè)器的性能。利用微透鏡陣列作為聚能器件與探測(cè)器耦合，可以有效地改善探測(cè)器的性能。微透鏡陣列是一系列直徑在10～1 000μm之間的微小透鏡在基板上按照一定形狀排列形成的陣列。這種技術(shù)在上世紀(jì)90年代就開始運(yùn)用在紅外探測(cè)上了，并有效地提高了紅外成像陣列的探測(cè)性能［1－3］。

近年來(lái)，紫外探測(cè)器在軍用和民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，各國(guó)對(duì)其的研究也越來(lái)越重視。在軍事上，導(dǎo)彈預(yù)警、制導(dǎo)、紫外通訊、生化分析等方面都有紫外探測(cè)的需求。在民用上，廣泛應(yīng)用于明火探測(cè)、生物醫(yī)藥分析、臭氧監(jiān)測(cè)、海上油監(jiān)、太陽(yáng)照度監(jiān)測(cè)、公安偵察、紫外樹脂固化、燃燒工程及紫外水凈化處理中的紫外線測(cè)量、火焰探測(cè)等領(lǐng)域。紫外探測(cè)技術(shù)是繼紅外和激光探測(cè)技術(shù)之后的又一軍民兩用光電探測(cè)技術(shù)［4，5］。

紫外光電系統(tǒng)迫切需要大規(guī)模高性能的紫外成像器件。為此文中針對(duì)背照式紫外成像器件的紫外輻射從其背面入射的這一特點(diǎn)，通過(guò)將紫外成像器件與微透鏡陣列單片集成，以解決紫外成像器件與微透鏡陣列混合集成存在的光輻射損失大、可靠性低、工藝重復(fù)性差等問(wèn)題。

1 紫外微透鏡陣列的設(shè)計(jì)

衍射微透鏡陣列與紫外FPA的集成如圖1所示，通過(guò)微透鏡對(duì)光的會(huì)聚作用，提高FPA對(duì)光的利用率。

二元位相型衍射微透鏡是基于菲涅爾波帶片的傍軸衍射原理設(shè)計(jì)，是將菲涅爾波帶片制備成閃耀的相位結(jié)構(gòu)。

但是由于連續(xù)面型的衍射微透鏡難于加工，目前都用多臺(tái)階結(jié)構(gòu)來(lái)近似連續(xù)面型結(jié)構(gòu)，臺(tái)階數(shù)越多其衍射效率就越高。在許多應(yīng)用場(chǎng)合中，當(dāng)微光學(xué)元件的特征尺寸為波長(zhǎng)量級(jí)或亞波長(zhǎng)量級(jí)，刻蝕深度也較大，標(biāo)量衍射理論中的假設(shè)和近似便不再成立，必須采用嚴(yán)格的矢量衍射理論。當(dāng)元件的特征尺寸大于波長(zhǎng)時(shí)，衍射與偏振態(tài)無(wú)關(guān)，光的性質(zhì)與入射角、波長(zhǎng)基本無(wú)關(guān)，文中正是應(yīng)用標(biāo)量衍射理論來(lái)設(shè)計(jì)微透鏡陣列［1］。

圖1 衍射微透鏡陣列與紫外成像器件的集成Fig.1 Integration between UV image device and diffractive microlens array

微透鏡陣列的一級(jí)衍射效率可以表述為

式（1）中，N為刻蝕臺(tái)階數(shù)。

菲涅爾透鏡是一個(gè)具有一系列同心圓環(huán)的二元振幅圖形，其中第k個(gè)波帶片的外圓半徑為［6］

式（2）中，λ為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，f為設(shè)計(jì)焦距。

浮雕的最大臺(tái)階深度為

式（3）中，nGaN、n0分別為GaN和周圍介質(zhì)的折射率。

通過(guò)m次刻蝕可得到一個(gè)具有K環(huán)帶N＝2m臺(tái)階的菲涅爾透鏡。其中第k環(huán)帶n臺(tái)階的半徑為

第n個(gè)臺(tái)階的深度為

微透鏡的最小特征尺寸dmin和最大環(huán)帶數(shù)Ztotal分別由下列兩式表示［6，7］

其中R、N、F分別為透鏡的半徑、臺(tái)階數(shù)、F數(shù)，M為位相深度因子。由式（6）不難看出可以通過(guò)增大M來(lái)增大微透鏡的最小特征尺寸。

根據(jù)128×128日盲型紫外成像器件［8］的實(shí)際尺寸，通過(guò)考慮互相關(guān)聯(lián)的光學(xué)和工藝參數(shù)，現(xiàn)設(shè)計(jì)了128×128GaN（氮化鎵）衍射微透鏡陣列，其工作的中心波長(zhǎng)為350nm，陣列的單元尺寸為50μm×50μm，焦距178nm，F(xiàn)數(shù)為3.56。

2 微透鏡陣列的制備

目前，制作二元光學(xué)器件的方法很多，如灰階掩模板法、光刻法、激光熱敏加工法、金剛石車削法、準(zhǔn)分子激光加工法等。這些方法存在一系列的譬如工作溫度高、設(shè)備昂貴、工藝兼容性差、成本高等問(wèn)題?？紤]到在紫外波段，表面浮雕結(jié)構(gòu)的深度為納米量級(jí)，現(xiàn)采用組合多層鍍膜與剝離的微細(xì)加工工藝制備衍射微透鏡的表面浮雕結(jié)構(gòu)。

組合多層鍍膜與剝離的微細(xì)加工工藝制備衍射微透鏡陣列的步驟如下：（1）利用光刻技術(shù)直接在背照式紫外探測(cè)器芯片的光入射面制備光刻掩模圖形；（2）采用鍍膜方法在具有光刻掩模圖形的表面沉積膜層；（3）將具有膜層的芯片浸入去膠劑中，浸泡3～5min；（4）通過(guò)搖晃或超聲震動(dòng)，將光刻膠上的膜層和光刻膠去除干凈，上述工藝完成，可獲得2臺(tái)階的表面浮雕結(jié)構(gòu)，如圖2（a）；（5）通過(guò)一次重復(fù)（1）到（4）的工藝步驟，可獲得所需4臺(tái)階的表面浮雕結(jié)構(gòu)，如圖2（b），通過(guò)兩次重復(fù)（1）到（4）的工藝步驟，可獲得所需8臺(tái)階的表面浮雕結(jié)構(gòu)，如圖2（c）；（6）最終將具有衍射微透鏡的紫外成像陣列芯片用去離子水清洗1～2min；最后用高純氮?dú)獯蹈伞D2就是采用組合多層鍍膜與剝離的微細(xì)加工工藝制備8臺(tái)階衍射微透鏡陣列［9］的流程圖。

圖2 組合多層鍍膜和剝離方法制備8臺(tái)階微透鏡陣列的工藝流程Fig.2 Mix multi－layer coating and stripping method of 8step microlens fabrication process

應(yīng)用JC500－3／D型磁控濺射鍍膜設(shè)備，在襯底溫度不超過(guò)80℃的條件下制備GaN膜層，實(shí)驗(yàn)中光刻膠為AZ－P4620。在制備工藝中發(fā)現(xiàn)，涂光刻膠時(shí)，在不影響均勻性和分辨力的前提下，光刻膠越厚越好，這樣容易剝離不需要的GaN膜層。此外，曝光時(shí)一定要保持曝光充分，以確保顯影時(shí)能夠顯示清晰的圖形。當(dāng)微透鏡臺(tái)階深度比較大時(shí)，曝光量小于曝光閾值的區(qū)域就比較小，所以微透鏡面形失真的區(qū)域比較小。而當(dāng)要制備的微透鏡臺(tái)階深度較小時(shí)，抗蝕劑表面曝光量小于曝光閾值的區(qū)域就變得非常大，顯影結(jié)束后微透鏡面形失真的區(qū)域?qū)⒋蟠蠼档蛯?duì)光的調(diào)制能力。

通過(guò)上述的設(shè)計(jì)方法和工藝技術(shù)，制備了用于128×128紫外FPA的衍射微透鏡陣列，其中焦距為178μm，中心距為50μm，環(huán)帶數(shù)為2，臺(tái)階數(shù)為8，中心波長(zhǎng)為350nm。其顯微照片如圖3所示。

組合多層鍍膜與剝離的微細(xì)加工工藝技術(shù)整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單，薄膜厚度可精確至納米級(jí)，精度高，操作方便，重復(fù)性好，實(shí)用性強(qiáng)，較之目前市場(chǎng)上譬如灰度等級(jí)掩模與刻蝕，激光束輔助加工技術(shù)等有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。由于這種工藝方法的膜層厚度可精確到納米級(jí)，深度誤差對(duì)衍射微透鏡的影響不大。因此，制備主要有兩種誤差：線寬誤差和對(duì)準(zhǔn)誤差。（1）線寬誤差。產(chǎn)生的原因主要有：不準(zhǔn)確的曝光量導(dǎo)致線條線寬變化；剝離工藝不完整引起的線寬變化。光刻應(yīng)該注意基片的抗蝕膜平面必須保持平整，局部變化高度應(yīng)小于焦深范圍。否則，刻線會(huì)明顯出現(xiàn)局部離焦導(dǎo)致曝光不足，局部線條不清晰［9］。線寬誤差對(duì)衍射效率影響較大，尤其是第一次套刻，所以必須嚴(yán)格控制第一次套刻時(shí)的線寬誤差。（2）對(duì)準(zhǔn)誤差。它是在掩模圖形多次轉(zhuǎn)印過(guò)程中由于掩模版之間的對(duì)準(zhǔn)誤差而引起浮雕輪廓相對(duì)理論設(shè)計(jì)輪廓的偏差。其中以對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)衍射效率的影響最大，制備過(guò)程中控制好套刻中的對(duì)準(zhǔn)誤差尤為重要［10］。

3 光學(xué)性能的測(cè)試

對(duì)制備出的微透鏡的衍射效率、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、焦距進(jìn)行測(cè)試。圖4是微透鏡陣列光學(xué)性能測(cè)試的原理圖。

系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器光源、擴(kuò)束系統(tǒng)、微調(diào)架P1和P2、CCD傳感器、圖像采集卡和處理軟件等組成。激光器的出射光束經(jīng)擴(kuò)束后，經(jīng)過(guò)限光光闌后照射到有限的幾個(gè)至幾十個(gè)微透鏡上，微透鏡的聚光光斑經(jīng)顯微物鏡成像后被CCD傳感器采集，輸入計(jì)算機(jī)對(duì)光斑圖像進(jìn)行數(shù)值分析。

3.1 衍射效率

在實(shí)際測(cè)試中衍射效率被定義為：η＝Ed／Es。其中Ed為成像上衍射光場(chǎng)主極大能量，Es為扣除基板反射與吸收后的光場(chǎng)能量。

實(shí)驗(yàn)中選取了幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試點(diǎn)衍射效率Tab.1 Diffraction efficiency

從所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看出，制作的微透鏡衍射效率可以達(dá)到86%左右，與理論值95%有偏差，主要來(lái)自對(duì)準(zhǔn)誤差和線寬誤差。

3.2 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)

點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)是評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的基本工具。一束平行光入射到微透鏡陣列，其后焦面的光強(qiáng)分布曲線經(jīng)歸一化后即為微透鏡點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。其測(cè)試步驟如下：（1）調(diào)整光路，使準(zhǔn)直擴(kuò)束后的平行光入射到微透鏡陣列的表面；（2）調(diào)整顯微物鏡與微透鏡陣列表面的距離，觀察成像顯示；（3）使CCD獲取的圖案有最大亮度；（4）利用處理軟件進(jìn)一步對(duì)此圖像進(jìn)行量化，得到強(qiáng)度分布曲線，經(jīng)歸一化處理得到點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)曲線。

測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

3.3 焦距

為了測(cè)量微透鏡的焦距，首先固定顯微物鏡和CCD的位置不變，調(diào)整微透鏡至適當(dāng)位置，使CCD上呈現(xiàn)微透鏡的焦斑有最大的光強(qiáng)分布，即對(duì)微透鏡的焦斑成像，記錄此時(shí)微調(diào)架的讀數(shù)S1。然后調(diào)節(jié)微調(diào)架，使微透鏡的底部通過(guò)顯微光學(xué)系統(tǒng)在CCD上的成像有最大的清晰度，記錄此時(shí)微調(diào)架的讀S2。依據(jù)幾何光學(xué)原理，微調(diào)架所調(diào)節(jié)的距離，也就是S1和S2的差值，即為微透鏡的焦長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)抽取微透鏡陣列樣品中的10個(gè)單元透鏡進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)測(cè)試、計(jì)算和分析，其中典型的焦點(diǎn)尺寸的分布如表2所示。

圖5 微透鏡點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)Fig.5 Point spread function

表2 焦距分布Tab.2 Focal length （單位：μm）

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出微透鏡的焦距在178μm附近，這說(shuō)明微透鏡質(zhì)量較好。

采用圖4的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)128×128GaN衍射微透鏡陣列的焦點(diǎn)相對(duì)光強(qiáng)分布進(jìn)行了測(cè)量，其分布如圖6所示，從圖中可以看出，相對(duì)光強(qiáng)分布的均勻性較好。通過(guò)對(duì)128×128八相位GaN衍射微透鏡陣列測(cè)試結(jié)果分析，得到焦點(diǎn)相對(duì)光強(qiáng)不均勻性小于5%。

圖6 成像光斑強(qiáng)度分布Fig.6 Intensity distribution of focal image

4 結(jié) 論

文中從提高紫外成像器件的探測(cè)性能出發(fā)，用標(biāo)量衍射理論設(shè)計(jì)了中心波長(zhǎng)為350nm的128×128衍射微透鏡陣列。提出了一整套以組合多層鍍膜與剝離技術(shù)為主的制備衍射微透鏡陣列的工藝方法。用組合多層鍍膜與剝離的工藝方法制備了2環(huán)帶8臺(tái)階的衍射微透鏡陣列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明衍射效率可以達(dá)到86%。因此，將衍射微透鏡陣列與紫外成像探測(cè)器集成可以較好地提高成像器件的整體性能，有利于加大民用和軍用領(lǐng)域的紫外應(yīng)用。

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