用于红外焦平面的正方形孔径球面微透镜阵列研究

　　0　引言

　　红外焦平面光敏阵列是红外探测器的关键部分.在红外光敏阵列中，感光面分“光敏区”和“间隔区”.光敏区接受光能量，产生光电效应，间隔区不能产生光电效应.根据光敏区和间隔区所占比例(占空比)计算，光能有效利用率约为60%，即占空比值较[1].且随着探测技术小型化、微型化的发展，单元面积不断减小，这势必导致探测器感光灵敏度和信噪比特性的持续恶化.基于这一问题，采用将微透镜阵列应用于红外焦平面中，把剩余40%不能利用的光聚集在光敏面上，提高焦平面阵列的占空比和探测灵敏度，这是大幅度地提红外探测器应用性能的一种关键技术.

　　日本、美国和欧洲等发达国家从20世纪80年代就开展了圆形孔径微透镜阵列制作与集成技术的研究.1995年索尼公司将1/3英寸透镜阵列与光敏阵列集成，其信噪比和抗干扰性能比集成前提高一倍，并已具有成型产品;柯达公司2004年已经将微透镜阵列用于1　024×1　024光敏阵列中;日本电气公司当前的视像产品中光敏单元(4μm×4μm)与微透镜集成，感光灵敏度达160mV/lx.国内，长春光机所、华南科技大学等研究单位近些年也开展了圆形孔径微透镜阵列制作与集成技术研究，并有相应产品出现，但与国外差距很大.圆形孔径微透镜阵列单元间隙大，其最大占空比为78.5%，因此红外焦平面的光能利用率还有很大提升空间.对此荷兰Philips公司研制了2/3英寸双层微透镜，使占空比值提高到85%.但双层微透镜制造工艺复杂、成品率低.而方形和六边形孔径等异形孔径微透镜阵列通过减小单元间隙，其理论占空比可达95%以上.美国Honeywell技术中心90年代采用离子交换法已制作出异形孔径平微透镜阵列，并应用于CCD相机中.目前，国内西南大学和四川大学等单位也采用离子交换法研究平面异形孔径微透镜阵列制作技术，并取得一定的进展[2].

　　本文提出采用逐点控制激光曝光能量的方法制作正方形孔径球面微透镜阵列，建立正方形孔径微透镜阵列面型函数和光刻胶曝光数学模型，并进行相关理论与实验研究.

　　1　正方形孔径球面微透镜阵列制作

　　采用激光直写变剂量曝光法制作球面微透镜原理如图1所示.在基底材料表面涂覆厚层光刻胶，如图1(a);根据激光与胶膜的光化学作用原理，通过控制不同位置的激光束驻留时间，以及X、Y、Z轴的运动轨迹，实现对胶层不同位置的变剂量曝光，如图1(b);将曝光后的胶膜浸入显影液将曝光后的胶膜溶解，如图1(c);而后采用离子束刻蚀方法完成胶膜曲面结构向基底材料的转移，如图1(d)[3].在上述工艺过程中，研究曝光过程中能量在胶膜层的分布特性，掌握感光材料曝光后的光化学反应原理和规律，是实现曲面胶膜结构的关键所在.