用于红外焦平面的正方形孔径球面微透镜阵列研究

针对目前红外焦平面光敏阵列中存在的占空比小、光能利用率低的实际问题,展开了正方形孔径球面微透镜阵列制作及其与红外焦平面阵列集成应用的研究.本文从红外焦平面光敏阵列特点入手,对比分析了正方形孔径相比于传统圆形孔径微透镜阵列在光能利用上的优势.提出正方形孔径微透镜阵列激光直写变剂量曝光制作技术,建立光刻胶曝光数学模型和正方形球面微透镜面型函数,以此为基础,编制直写设备变剂量曝光控制软件;利用长春理工大的学复合坐标激光直写系统和等离子刻蚀机进行相关工艺实验,制作了阵列256×256、单元尺寸40×40 μm²、球面半径60 μm、单元间距1 μm的红外石英微透镜阵列;并将其与相应阵列的碲-镉-汞红外光敏阵列进行集成.结果表明:微透镜的占空比达到95%,红外焦平面光能利用率从原来的60%提高到90% 以上.由此得出结论:变剂量曝光制作微透镜技术是可行的,正方形孔径球面微透镜阵列代替圆形孔径微透镜阵列,对于提高红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能具备明显优势.     

折射微透镜阵列的非成象光学特性研究

本文针对微透镜阵列与红外焦平面阵列集成的应用,对折射性微透镜阵列的非成象光学特性进行了研究和总结.采用系统性能评价因子来衡量微透镜的聚能效率,分析了系统参数对会聚效率的影响,并用标量衍射方法对几何光学分析结果进行了校验,为红外焦平面阵列微镜集成的设计和制作提供了理论依据.     

原子力显微镜加工红外微透镜阵列的研究

提出了利用原子力显微镜灰阶阳极氧化方法加工Si、Ge、GaAs等晶体材料为基础的红外微透镜阵列.加工了3×3的红外硅微透镜阵列,微透镜的高度和表面直径重复性误差分别为0.2nm和6.0 nm,微透镜的平均曲率半径为510.8 nm.分析了原子力显微镜加工红外微透镜产生面型结构误差的原因,并提出了减小面型结构误差的方法.利用此种方法加工的折射、衍射和混合红外微透镜阵列可以进一步缩小红外成像系统的尺寸.     

用于红外焦平面的正方形孔径球面微透镜阵列研究

针对目前红外焦平面光敏阵列中存在的占空比小、光能利用率低的实际问题,展开了正方形孔径球面微透镜阵列制作及其与红外焦平面阵列集成应用的研究.本文从红外焦平面光敏阵列特点入手,对比分析了正方形孔径相比于传统圆形孔径微透镜阵列在光能利用上的优势.提出正方形孔径微透镜阵列激光直写变剂量曝光制作技术,建立光刻胶曝光数学模型和正方形球面微透镜面型函数,以此为基础,编制直写设备变剂量曝光控制软件;利用长春理工大的学复合坐标激光直写系统和等离子刻蚀机进行相关工艺实验,制作了阵列256×256、单元尺寸40×40μm2、球面半径60μm、单元间距1μm的红外石英微透镜阵列;并将其与相应阵列的碲-镉-汞红外光敏阵列进行集成.结果表明:微透镜的占空比达到95%,红外焦平面光能利用率从原来的60%提高到90%以上.由此得出结论:变剂量曝光制作微透镜技术是可行的,正方形孔径球面微透镜阵列代替圆形孔径微透镜阵列,对于提高红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能具备明显优势.     

光学微透镜阵列成像质量预测和测量

为了研究微透镜阵列成像质量的影响因素,针对慢刀伺服加工和紫外（UV）光固化工艺制备的微透镜阵列,引入微透镜阵列镜片的误差,建立基于Zemax光学软件的光学微透镜阵列成像仿真模型,分析透镜单元的高度、曲率半径、入瞳直径等误差对微透镜阵列成像质量的影响。搭建光学测试平台对评价微透镜阵列成像性能的光学参数进行检测,包括各透镜单元的焦斑大小、位置误差及其焦距值,并利用点扩散函数（PSF）曲线的半峰全宽值对光场成像结果进行成像质量评价,测量得到微透镜阵列的焦距标准误差为0.12 mm。将测量结果与仿真结果相比,可得PSF曲线的半峰全宽值误差在12%左右,证明了仿真模型的准确性。利用仿真和实验的方法建立了微透镜阵列镜片误差与其光学成像质量之间的关系,这可为基于功能实现的光学微透镜阵列的超精密加工工艺提供理论基础和指导。     

小F数衍射微透镜阵列光学性能研究

本文基于小光点扫描,在国内首次提出了一种测试小F数衍射微透镜阵列光学性能的方法.利用光通信用半导体激光器和探测器建立了一套测试系统,并对所研制的大阵列,小单元尺寸的多相位菲涅耳衍射微透镜阵列的衍射效率和点扩散函数进行了测试.结果表明,衍射微透镜实际衍射光斑比理论衍射受限光斑扩展不大,8相位和16相位石英微透镜的衍射效率分别高达80.2%和87.5%,说明本实验室对多相位的设计理论和制作工艺已基本掌握,满足应用的要求.     

一种大F数微透镜阵列的制备方法

针对大F数(大于10)微透镜阵列难以制备的现状,提出了一种制备大F数微透镜阵列的方法.首先采用传统光刻胶热熔法及刻蚀技术制作出成形的微透镜阵列,再将一层具有较高粘滞系数的光刻胶均匀地涂覆在该微透镜阵列上,在光刻胶的粘滞作用以及烘烤过程中光刻胶自身表面张力的共同作用下,微透镜阵列的F数得到提高.采用该方法制备的二氧化硅微透镜阵列的F数达40,与传统大F数微透镜阵列的加工方法相比,该方法简便易行、制备的微透镜阵列面形良好,且只需调节光刻胶的粘滞系数,即可获得F数不同的微透镜阵列.     

控制液晶器件产生的程控透镜和微透镜阵列

研究了计算机程控光学器件的性能。通过对液晶空间光调制器进行电寻址控制,得到了振幅模式、二进制相位模式和连续相位模式的计算机程控透镜和程控微透镜阵列。实验结果和计算分析都表明,连续相位模式的程控透镜具有较好的聚焦性能和光效率。程控微透镜阵列的优点是阵列中的每一个微透镜都可以单独控制,可以得到所需要的阵列形式。实验给出了一个由这样的微透镜阵列产生的去掉了中心4×4阵列的8×8光斑阵列样式。还给出了利用程控透镜来方便有效地演示和研究透镜的像差方法。由计算机控制空间光调制器得到的光学器件虽然具有极大的灵活性,但是由于空间光调制器的像素的尺寸影响了它的精细程度,限制了它的应用。     

微透镜阵列误差对半导体激光匀化性能的影响

为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响,深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响,设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同,将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析,并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证,实现了均匀性为90.75%的光斑,并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。     

红外微透镜阵列及其与MCT红外焦平面的集成

针对中短波碲镉汞（MCT）红外焦平面探测器的使用要求,设计了用于混合集成和单片集成且尺寸大小与探测器像元结构匹配的方形底折射微透镜阵列。采用热熔成形和（反应）离子柬刻蚀转移技术制作了多种红外材料微透镜,如Si、Ge、GaAs、蓝宝石以及红外玻璃（IRG-103和IRG-104）微透镜。针对混合集成和单片集成的不同要求,选用多种光刻胶如AZ6112和AZ6130等不同厚度的胶以及SUN-120P低熔点正型光刻胶,进行热熔和刻蚀实验,遴选分别适用于混合和单片集成的光刻胶。优化光刻胶和衬底材料的刻蚀速率比,得到高填充因子和合适光学参数的微透镜阵列。探究了SUN-120P低熔点正型光刻胶的特性和通过离子柬刻蚀转移视线实现零间距透镜的工艺。最后介绍了与MCT红外焦平面阵列器件的集成方式和工艺进展。     

Monolithic integration technique for microlens arrays with infrared focal plane arrays

Based on scalar diffraction theory, 8-phase-level 256×290 element diffractive microlens arrays with lenslet dimension of 50×33 μm² have been fabricated on the back side of PtSi infrared focal plane arrays. The design and fabrication process are discussed. The measurement results indicate that the imaging quality has been greatly improved and the ratio of the signal-to-noise of the infrared focal plane array integration with microlens array is increased by a factor of 2.5.     

Diffractive Microlens Array Monolithic Integration with PtSi Focal Plane array

Diffractive microlens arrays can completely collect the light at the focal plane and concentrate it into a smaller spot size on the detector plane, the photodetector area can be substantially reduced. Increased gamma radiation hardening and noise reduction result from the decrease in photodetector sensitive area. The diffractive microlens arrays have been designed by considering the correlative optical and processing parameters for PtSi focal plane array. They have been fabricated on the backside of PtSi focal plane array chip by successive photolithography and Ar⁺ ion-beam-etching technique. The alignment of microlens array with PtSi focal plane array was completed by a backside aligner with IR light source. The practical processes and fabrication method are discussed. The performance parameters of PtSi FPA with diffractive microlens array are presented.     

凹折射微透镜阵列的离子束刻蚀制作

利用光刻热熔成形工艺及离子束刻蚀制作 12 8× 12 8元凹微透镜阵列。所制硅及石英凹微透镜的典型基本图形分别为凹球冠形、凹柱形和矩顶凹面形。分析了在光致抗蚀剂柱凹微透镜图形制作过程中的膜系匹配特性 ,与制作该种微透镜有关的光掩模版的主要结构参数 ,以及光致抗蚀剂掩模工艺参数的控制依据等。探讨了在凹微透镜器件制作基础上利用成膜工艺开展平面折射微透镜器件制作的问题。采用扫描电子显微镜 (SEM)和表面轮廓仪测试了所制石英凹微透镜阵列的表面微结构形貌。给出了所制石英凹微透镜阵列远场光学特性的测试结果。     

激光直接光刻制作微透镜列阵的方法研究

介绍了利用激光直接光刻制作８相位台阶菲涅尔衍射微透镜列阵的工艺方法，并对元件的衍射效率及光刻过程中的制作误差进行了分析，透镜列阵在小形Ｓｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器中得到了应用。     

亚波长衍射微透镜的设计

设计了连续浮雕衍射微透镜和与其等效的二元亚波长衍射微透镜,采用旋转体时域有限差分法对通过计算机辅助设计出的元件进行了严格的矢量分析,给出了各元件在焦平面的场强分布.分析结果表明,本文设计的二元亚波长微透镜对连续浮雕微透镜有很好的等效效果;填充因子的脉冲宽度调制法要优于填充因子的线性近似法;制作相对误差不大时深度误差和宽度误差对微透镜聚光能力的影响不大.     

Ultrathin Planar Microlens Arrays Based on Geometric Metasurface

Ascribing to the properties of two dimensional parallel focusing and imaging, low propagation loss, integration and miniaturization, microlens array has been widely used in imaging, optical communication, organic light emitting devices, adaptive optics, photolithography, biomedical and other applications. However, the existing traditional microlens array suffers from difficulty in fabrication, large‐thickness, curved surface, non‐uniformity of light spots, or requirement of additional discrete components to control the microlens. Herein, a planar microlens array is experimentally demonstrated based on the geometric metasurface. The single microlens is composed of space‐variant subwavelength metallic gratings with high polarization conversion efficiency and thus exhibits gradient phase distribution. The focused spot diameter of 22.5 μm with radius of 350 μm, focal length of 1 cm and the light spots intensity uniformity of 0.9885 (standard deviation 0.0115) at the focal plane are obtained. Moreover, the broadband property of microlens array is also confirmed. The novel design strategy for microlens array would facilitate the miniaturization of optical devices and be easily integrated in the optical interconnected devices.     

Hybrid Integration Between Long Focus Microlens Array and IR Detector Array

A special method, named step simulation method, is proposed for fabricating Si microlens array to improve the performance of infrared focal plane array (IR FPA). The focus length of rectangle-based multistep microlens array with element dimension of 40 µm×30 µm is 885.4 µm by the method, which is much longer than the focus length of microlens array fabricated by conventional Fresnel binary optics technique., The large-scale 256×256 element microlens array is hybridintegrated with the PtSi Schottky-barrier IR FPA by optical adhesive. The test results show that diffractive spot size of the microlens is 17 µm×15 µm and the average optical response of the IR FPA is increased by a factor of 2.4.     

连续表面微透镜列阵元件检测

系统分析了连续表面微透镜列阵的几何参量和光学性能的检测方法和评价标准,针对典型的折射型聚焦列阵元件,给出其结构尺寸及光学性能的测试结果,两者结果一致.从而建立了一套通过测试元件的几何参量、加工误差及光学性能指标来综合评估微光学元件性能的方法.     

机载轻小型中波红外连续变焦系统设计

针对制冷型320256凝视焦平面阵列探测器,设计了一套4倍中波红外连续变焦光学系统,用于轻型机载光电探测和跟踪吊舱设备。该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和2个反射镜构成,为了避免非球面的加工及检测误差影响,本系统只使用球面。设计结果表明,系统实现了37.5 mm～150 mm的连续变焦,工作波长范围为3.7 m～4.8 m,F数为4,满足100%冷光阑效率,系统在探测器的Nyquist频率16 lp/mm处,所有焦距位置和视场的MTF均大于0.55,接近系统的衍射极限。该变焦系统总长280 mm,质量仅为110 g,具有体积小、质量轻、分辨率高、变焦轨迹简单等优点。