基于矩形孔径微透镜阵列的红外焦平面集成技术研究

摘要

红外探测器是将入射的红外辐射信号通过光电效应转变成电信号的一种器件，一个国家红外探测器的技术水平可以代表其红外技术的发展水平。随着红外技术的不断发展，焦平面阵列探测技术应运而生，它代表了红外探测技术发展的一个里程碑。红外焦平面探测技术使红外探测系统在民用行业、军事领域以及空间技术中都得到广泛的应用。军事领域和空间技术中对红外探测器小型化提出更高的要求，即在保证红外焦平面探测器的灵敏度和分辨率尽量高的条件下，又要求红外焦平面尺寸尽量小，这一矛盾是红外探测器微小型化发展中必须攻克的一个难题。本文针对这一问题，设计了一种可用于红外焦平面阵列的矩形孔径球面微透镜阵列，开展矩形、六边形等特殊孔径形状微透镜阵列的制作、测试及其与红外焦平面集成技术研究，通过高填充系数矩形孔径球面微透镜阵列对光能的汇聚作用来解决由于焦平面尺寸减小而影响探测器灵敏度和分辨率的问题，促进红外探测器的微小型化发展。
　　论文从理论上对微透镜阵列的光学特性进行了分析，应用几何光学理论研究微透镜阵列近轴光线传播规律，系统地分析了单层球面微透镜阵列光学成像特性及光照度特性、双层球面微透镜阵列光学成像特性及光照度特性，对比双层球面微透镜阵列与单层球面微透镜阵列在成像和光照度上的区别，分析了矩形孔径球面微透镜阵列相比于圆形孔径球面微透镜阵列在光能利用上所具备的优势。同时研究了球面微透镜阵列设计理论与方法，并针对用于3～5μm波段的HgCdTe红外焦平面阵列设计了一种矩形孔径球面微透镜阵列。
　　研究激光直写变剂量曝光制作矩形孔径球面微透镜阵列的工艺原理，在掌握光致抗蚀剂感光及显影特性的基础上，建立了变剂量曝光与显影的数理模型，该模型可推广用于所有采用光致抗蚀剂的微光学器件的光刻制作中。研究了激光直写系统光功率控制、微位移驱动等关键子系统工作原理，根据建立的数理模型和微透镜阵列结构研究了激光直写变剂量曝光的控制方法。
　　设计并制定矩形孔径球面微透镜阵列制作工艺流程，通过理论分析与大量实验分析各个工艺环节的影响因素，优化了相关工艺参数。采用原子力显微镜对所制作的微透镜阵列外形结构进行测试，搭建一套微透镜阵列光学性能参数测试系统，采用该系统对微透镜阵列的焦距、截距、点扩散函数等光学性能进行了测试。
　　研究红外焦平面阵列工作原理与结构，分别从光折射理论和衍射理论两个方面分析微透镜阵列与红外焦平面集成的光聚能效应，提出利用分子间结合力的光胶技术将微透镜阵列与焦平面进行集成。设计并制作“栅线”和“方孔”双图形对准标记，采用衍射光栅同轴对准方法实现两种器件的高精度对准。通过对集成前、后探测器性能的测试对比，得到结论为:矩形孔径微透镜阵列的引入可将红外焦平面的光能利用率从原来的55％提高到90％以上，集成后红外焦平面的响应率、探测率、分辨率等性能都得到大幅度的提高，其它性能未受到明显影响。

目录

声明

摘要

图表索引

第一章 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．2 红外焦平面的研究现状

1．3 微小光学器件的研究现状

1．4 矩形孔径微透镜阵列与集成技术水平

1．5 论文主要研究内容、关键技术及技术指标

参考文献

第二章 球面折射微透镜阵列的光学特性与设计

2．1 球面微透镜阵列近轴光线传播理论

2．2 单层球面微透镜阵列的光学成像特性

2．3 双层球面微透镜阵列的光学成像特性

2．4 单层球面微透镜阵列的光照度

2．5 双层球面微透镜阵列的光照度

2．6 微透镜阵列的光能利用率

2．7 微透镜阵列的设计

2．8 本章小结

参考文献

第三章 变剂量曝光制作矩形孔径球面微透镜原理

3．1 激光直写变剂量曝光的工艺原理

3．2 激光束功率空间分布的数学模型

3．3 LDW500／400复合坐标激光直写系统结构与原理

3．4 矩形孔径球面微透镜阵列面型函数

3．5 本章小结

参考文献

第四章 矩形孔径球面微透镜阵列制作工艺

4．1 基片预处理与表面改性

4．2 光致抗蚀剂的性质与涂布

4．3 前烘

4．4 曝光与显影

4．5 后烘

4．6 图形转移

4．7 微透镜阵列结构参数与性能测试

4．8 本章小结

参考文献

第五章 红外焦平面中集成矩形孔径球面微透镜阵列的研究

5．1 集成效应分析

5．2 集成原理

5．3 集成应用的光学理论分析

5．4 红外焦平面与矩形孔径微透镜阵列的集成实验

5．5 红外焦平面阵列性能测试

5．6 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 论文主要完成工作及创新点

6．2 进一步研究与展望

致谢

在攻读博士学位期间发表的学术论文和参与科研工作