紫外成像器件中衍射微透镜阵列设计与研制＊

张宇明，李 毅，2，孙若曦，周 晟，朱慧群，3，黄毅泽

（1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093；3.五邑大学 薄膜与纳米材料研究所，广东 江门 529020）

引 言

紫外凝视成像器件（FPA）要求具有探测灵敏度高、重量轻、体积小，但由于复杂的读出电路使得探测器有效光敏面的占空比即填充因子小于1，从而限制了探测器的性能。利用微透镜阵列作为聚能器件与探测器耦合，可以有效地改善探测器的性能。微透镜阵列是一系列直径在10～1 000μm之间的微小透镜在基板上按照一定形状排列形成的阵列。这种技术在上世纪90年代就开始运用在红外探测上了，并有效地提高了红外成像阵列的探测性能［1－3］。

近年来，紫外探测器在军用和民用领域的应用越来越广泛，各国对其的研究也越来越重视。在军事上，导弹预警、制导、紫外通讯、生化分析等方面都有紫外探测的需求。在民用上，广泛应用于明火探测、生物医药分析、臭氧监测、海上油监、太阳照度监测、公安侦察、紫外树脂固化、燃烧工程及紫外水净化处理中的紫外线测量、火焰探测等领域。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后的又一军民两用光电探测技术［4，5］。

紫外光电系统迫切需要大规模高性能的紫外成像器件。为此文中针对背照式紫外成像器件的紫外辐射从其背面入射的这一特点，通过将紫外成像器件与微透镜阵列单片集成，以解决紫外成像器件与微透镜阵列混合集成存在的光辐射损失大、可靠性低、工艺重复性差等问题。

1 紫外微透镜阵列的设计

衍射微透镜阵列与紫外FPA的集成如图1所示，通过微透镜对光的会聚作用，提高FPA对光的利用率。

二元位相型衍射微透镜是基于菲涅尔波带片的傍轴衍射原理设计，是将菲涅尔波带片制备成闪耀的相位结构。

但是由于连续面型的衍射微透镜难于加工，目前都用多台阶结构来近似连续面型结构，台阶数越多其衍射效率就越高。在许多应用场合中，当微光学元件的特征尺寸为波长量级或亚波长量级，刻蚀深度也较大，标量衍射理论中的假设和近似便不再成立，必须采用严格的矢量衍射理论。当元件的特征尺寸大于波长时，衍射与偏振态无关，光的性质与入射角、波长基本无关，文中正是应用标量衍射理论来设计微透镜阵列［1］。

图1 衍射微透镜阵列与紫外成像器件的集成Fig.1 Integration between UV image device and diffractive microlens array

微透镜阵列的一级衍射效率可以表述为

式（1）中，N为刻蚀台阶数。

菲涅尔透镜是一个具有一系列同心圆环的二元振幅图形，其中第k个波带片的外圆半径为［6］

式（2）中，λ为设计波长，f为设计焦距。

浮雕的最大台阶深度为

式（3）中，nGaN、n0分别为GaN和周围介质的折射率。

通过m次刻蚀可得到一个具有K环带N＝2m台阶的菲涅尔透镜。其中第k环带n台阶的半径为

第n个台阶的深度为

微透镜的最小特征尺寸dmin和最大环带数Ztotal分别由下列两式表示［6，7］

其中R、N、F分别为透镜的半径、台阶数、F数，M为位相深度因子。由式（6）不难看出可以通过增大M来增大微透镜的最小特征尺寸。

根据128×128日盲型紫外成像器件［8］的实际尺寸，通过考虑互相关联的光学和工艺参数，现设计了128×128GaN（氮化镓）衍射微透镜阵列，其工作的中心波长为350nm，阵列的单元尺寸为50μm×50μm，焦距178nm，F数为3.56。

2 微透镜阵列的制备

目前，制作二元光学器件的方法很多，如灰阶掩模板法、光刻法、激光热敏加工法、金刚石车削法、准分子激光加工法等。这些方法存在一系列的譬如工作温度高、设备昂贵、工艺兼容性差、成本高等问题。考虑到在紫外波段，表面浮雕结构的深度为纳米量级，现采用组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备衍射微透镜的表面浮雕结构。

组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备衍射微透镜阵列的步骤如下：（1）利用光刻技术直接在背照式紫外探测器芯片的光入射面制备光刻掩模图形；（2）采用镀膜方法在具有光刻掩模图形的表面沉积膜层；（3）将具有膜层的芯片浸入去胶剂中，浸泡3～5min；（4）通过摇晃或超声震动，将光刻胶上的膜层和光刻胶去除干净，上述工艺完成，可获得2台阶的表面浮雕结构，如图2（a）；（5）通过一次重复（1）到（4）的工艺步骤，可获得所需4台阶的表面浮雕结构，如图2（b），通过两次重复（1）到（4）的工艺步骤，可获得所需8台阶的表面浮雕结构，如图2（c）；（6）最终将具有衍射微透镜的紫外成像阵列芯片用去离子水清洗1～2min；最后用高纯氮气吹干。图2就是采用组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备8台阶衍射微透镜阵列［9］的流程图。

图2 组合多层镀膜和剥离方法制备8台阶微透镜阵列的工艺流程Fig.2 Mix multi－layer coating and stripping method of 8step microlens fabrication process

应用JC500－3／D型磁控溅射镀膜设备，在衬底温度不超过80℃的条件下制备GaN膜层，实验中光刻胶为AZ－P4620。在制备工艺中发现，涂光刻胶时，在不影响均匀性和分辨力的前提下，光刻胶越厚越好，这样容易剥离不需要的GaN膜层。此外，曝光时一定要保持曝光充分，以确保显影时能够显示清晰的图形。当微透镜台阶深度比较大时，曝光量小于曝光阈值的区域就比较小，所以微透镜面形失真的区域比较小。而当要制备的微透镜台阶深度较小时，抗蚀剂表面曝光量小于曝光阈值的区域就变得非常大，显影结束后微透镜面形失真的区域将大大降低对光的调制能力。

通过上述的设计方法和工艺技术，制备了用于128×128紫外FPA的衍射微透镜阵列，其中焦距为178μm，中心距为50μm，环带数为2，台阶数为8，中心波长为350nm。其显微照片如图3所示。

组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺技术整个过程简单，薄膜厚度可精确至纳米级，精度高，操作方便，重复性好，实用性强，较之目前市场上譬如灰度等级掩模与刻蚀，激光束辅助加工技术等有不可比拟的优势。由于这种工艺方法的膜层厚度可精确到纳米级，深度误差对衍射微透镜的影响不大。因此，制备主要有两种误差：线宽误差和对准误差。（1）线宽误差。产生的原因主要有：不准确的曝光量导致线条线宽变化；剥离工艺不完整引起的线宽变化。光刻应该注意基片的抗蚀膜平面必须保持平整，局部变化高度应小于焦深范围。否则，刻线会明显出现局部离焦导致曝光不足，局部线条不清晰［9］。线宽误差对衍射效率影响较大，尤其是第一次套刻，所以必须严格控制第一次套刻时的线宽误差。（2）对准误差。它是在掩模图形多次转印过程中由于掩模版之间的对准误差而引起浮雕轮廓相对理论设计轮廓的偏差。其中以对准误差对衍射效率的影响最大，制备过程中控制好套刻中的对准误差尤为重要［10］。

3 光学性能的测试

对制备出的微透镜的衍射效率、点扩散函数、焦距进行测试。图4是微透镜阵列光学性能测试的原理图。

系统采用半导体激光器光源、扩束系统、微调架P1和P2、CCD传感器、图像采集卡和处理软件等组成。激光器的出射光束经扩束后，经过限光光阑后照射到有限的几个至几十个微透镜上，微透镜的聚光光斑经显微物镜成像后被CCD传感器采集，输入计算机对光斑图像进行数值分析。

3.1 衍射效率

在实际测试中衍射效率被定义为：η＝Ed／Es。其中Ed为成像上衍射光场主极大能量，Es为扣除基板反射与吸收后的光场能量。

实验中选取了几个点进行测量，测得的结果如表1所示。

表1 测试点衍射效率Tab.1 Diffraction efficiency

从所测得的数据可以看出，制作的微透镜衍射效率可以达到86%左右，与理论值95%有偏差，主要来自对准误差和线宽误差。

3.2 点扩散函数

点扩散函数是评价光学系统成像质量的基本工具。一束平行光入射到微透镜阵列，其后焦面的光强分布曲线经归一化后即为微透镜点扩散函数。其测试步骤如下：（1）调整光路，使准直扩束后的平行光入射到微透镜阵列的表面；（2）调整显微物镜与微透镜阵列表面的距离，观察成像显示；（3）使CCD获取的图案有最大亮度；（4）利用处理软件进一步对此图像进行量化，得到强度分布曲线，经归一化处理得到点扩散函数曲线。

测试结果如图5所示。

3.3 焦距

为了测量微透镜的焦距，首先固定显微物镜和CCD的位置不变，调整微透镜至适当位置，使CCD上呈现微透镜的焦斑有最大的光强分布，即对微透镜的焦斑成像，记录此时微调架的读数S1。然后调节微调架，使微透镜的底部通过显微光学系统在CCD上的成像有最大的清晰度，记录此时微调架的读S2。依据几何光学原理，微调架所调节的距离，也就是S1和S2的差值，即为微透镜的焦长。

实验中随机抽取微透镜阵列样品中的10个单元透镜进行测试，经过测试、计算和分析，其中典型的焦点尺寸的分布如表2所示。

图5 微透镜点扩散函数Fig.5 Point spread function

表2 焦距分布Tab.2 Focal length （单位：μm）

由实验数据可以看出微透镜的焦距在178μm附近，这说明微透镜质量较好。

采用图4的测试系统，对128×128GaN衍射微透镜阵列的焦点相对光强分布进行了测量，其分布如图6所示，从图中可以看出，相对光强分布的均匀性较好。通过对128×128八相位GaN衍射微透镜阵列测试结果分析，得到焦点相对光强不均匀性小于5%。

图6 成像光斑强度分布Fig.6 Intensity distribution of focal image

4 结 论

文中从提高紫外成像器件的探测性能出发，用标量衍射理论设计了中心波长为350nm的128×128衍射微透镜阵列。提出了一整套以组合多层镀膜与剥离技术为主的制备衍射微透镜阵列的工艺方法。用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备了2环带8台阶的衍射微透镜阵列。实验结果表明衍射效率可以达到86%。因此，将衍射微透镜阵列与紫外成像探测器集成可以较好地提高成像器件的整体性能，有利于加大民用和军用领域的紫外应用。

［1］ 杨国光.微光学与系统［M］.杭州：浙江大学出版社，2008：104－179.

［2］ 税必继，郭永康，周崇喜.用衍射微透镜阵列提高探测器性能的原理分析［J］.红外与激光工程，1997，26（6）：19－24.

［3］ 张玉虹，刘宝元.聚合物微透镜阵列的光学性能测试［J］.中国西部科技，2008，27（7）：14－16.

［4］ 李向阳，许金通，汤英文，等.GaN基紫外探测器及其研究进展［J］.红外与激光工程，2006，35（3）：276－280.

［5］ 李晓明，华文深，吴先权.紫外光通信大气传输特性及理论模型探讨［J］.光学仪器，2011，33（3）：90－94.

［6］ 杜春雷，郭履容，郭永康.菲涅尔型衍射光学元件的研究［J］.光子学报，1997，26（9）：824－831.

［7］ 安晓强，杜春雷.大数值孔径衍射微透镜的优化设计方法［J］.光子学报，1998，27（5）：453－458.

［8］ 袁永刚，刘大福，邱惠国，等.128×128元氮化镓紫外成像读出电路的设计与封装研究［J］.红外与激光工程，2007，36（增刊）：93－96.

［9］ 李 毅.衍射微透镜阵列与紫外成像阵列单片集成技术：中国，200710040514［P］.2008－11－12.

［10］ 金国藩，严瑛白，邬敏贤，等.二元光学［M］.北京：国防工业出版社，1998：19－54.