硅基自由曲面光学微透镜阵列制作的光学性能研究

    引言

    红外光敏阵列是红外探测器的核心部件，在红外光敏阵列中，受光面分“光敏区”和“间隔区”。其中光敏区接受光能量，产生光电效应；间隔区作为读出电路部 分，不能产生光电效应。根据光敏区和间隔区比例（占空比）计算，光能有效利用率约为 60%，光能损失大。同时，随着红外探测技术小型化、微型化的发展，要求光敏阵列单元数量不断增多，单元面积不断减小，单元面积的减小必然影响红外探测器 的感光灵敏度和信噪比^[1]。针对该问题，目前采用最多的解决方案是将微透镜阵列置于光敏阵列前侧，把剩余 40%不能利用的光聚集在光敏面上，但传统圆形单元球面微透镜阵列其最大占空比也仅为 78%，对于提高红外光敏阵列的光能利用率效果不是很明显，而且聚焦后光能集中于光敏区一点，光照不均匀。本文提出采用自由曲面微透镜阵列，自由曲面微透 镜通过面型设计可形成纺锤形、矩形等特定光斑，光照均匀；同时，将透镜单元设计成矩形，减小单元间距，其理论占空比可达 95%以上，光敏面的光能利用率会得到极大提高。

    自由曲面器件是一类特殊的具有非回转面型结构非球面面型的器件。其面型复杂无法用固定解析式来表达，一般用离散的列表型值点来表示。自由曲面加工目前主要 有两类方法：第一类是采用计算机控制材料表面成型，该方法是利用计算机控制一个小尺寸的磨头作预设的运动，并且控制磨头在工件上各点的驻留时间和压力，获 得所需要的磨削量而形成曲面型面^[2]。它的缺点是精度低、废品率高，尤其对于光学材料废品率更高；第二类是专用多自由度单点金刚 石车削设备加工，车削的主要缺点是只能加工回转体表面，且加工脆性材料时材料表面存在大量亚微米量级裂纹，会影响可见光透过率。并且以上两种方法都只能加 工单个自由曲面微光学器件，无法加工阵列器件。本论文提出变剂量曝光的制作方法，是利用激光直写设备，根据材料表面胶膜曝光能量不同则显影时保留胶膜厚度 不同的原理，在材料表面产生自由曲面胶膜结构，再通过离子刻蚀将胶膜结构转移到基底材料上。该方法通过控制表面各点光能量可加工任意面型自由曲面，而且离 子加工属于纳米级加工不会影响表面粗糙度，该方法即可加工单个器件，也可加工阵列器件。

    1 变剂量曝光法制作自由曲面的工艺原理

    采用激光直写变剂量曝光法制作自由曲面微透镜原理如图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，实现对厚胶层的变剂量曝光，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自由曲面结构向基底材料的转移^[3]，如图 1(d)和(e)。在上述工艺过程中，激光直写曝光是形成自由曲面结构的核心步骤，研究光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，是实现自由曲面胶膜结构的关键所在^[4]。