高有效孔径比面阵石英微透镜阵列研究

　　1 引 言

　　目前，折射微透镜阵列(MLA)在越来越多的领域得到了广泛的应用，如CCD成像、光互联、激光准直和其它类型的传感器中[1]。微透镜阵列与红外焦平面阵列的集成技术的发展已经相当成熟，在这方面我们实验室也做了大量的研究工作，而且取得了不少成绩[2,3]。但在可见光谱段，微透镜与CCD的集成才刚刚起步，还有大量的技术问题有待解决。如何制作出成型质量高，均匀性好，并有良好光学性能的石英微透镜阵列是近年来的一个研究重点。常见的折射微透镜的制作方法有平面工艺离子交换法、光敏玻璃法、光刻胶熔融法、PMMAX光照射及熔融法[4~7]。在迄今已报道和研究过的方法中，光刻胶熔融法的工艺简单，制作容易，成本低廉。本文采用了光刻熔融与反应离子刻蚀相结合的方法。文献[8]和[9]中阐述了圆形基底形式的微透镜阵列。但是，在某些应用如 CCD 与微透镜集成应用中，要求微透镜阵列能把入射的信号光几乎100%地会聚在CCD的光敏感元上，即要求有较高的填充因子，从而提高CCD的量子效率和探测灵敏度。基于以上考虑，对方形基底的石英微透镜阵列的制作工艺进行了研究，并制作出了具有高有效孔径比、表面形貌较好的微透镜阵列。

　　假设不同基底形式的微透镜阵列的俯视图如图1所示，比较图中两种不同的基底形式，显然正方形基底阵列的有效孔径比较圆形的大。(a)图表示的微透镜阵列的有效孔径比，可以用下式表示

　　有效孔径比的高低可以用来表征微透镜阵列收集光能的程度，其值越大，则说明光能量被微透镜较好地会聚到焦点上，损失的光能就越小。为了使微透镜阵列达到接近100%的有效孔径比，在设计掩模版时就应该充分考虑到掩模图形间隔w1和图形尺寸 d 的关系。当 d 一定时，w1太大，则微透镜之间的间隙随着增大，达不到提高有效孔径比的目的;反之，过小的掩模图形间隔将使光刻胶浮雕结构在热熔时连为一体，阵列消失。合适的w1值应该是使光刻胶图形熔融后保留小于1μm的间隔，从而其有效孔径比可以接近100%。

　　2 微透镜阵列的制作工艺

　　在实际操作中，微透镜制作的工艺流程可分为三个主要步骤：光刻、热熔和刻蚀，如图2所示。

　　2.1 光刻

　　选用双面抛光、材料为高纯熔融石英的光学玻璃片作为基片，其厚度为200μm，平面尺寸为20mm× 20mm。经超声清洗后，在恒温温度为100℃的烘箱中烘干。

　　实验中使用的正性光刻胶型号为BP212，采用旋涂法涂胶。为了得到光刻胶浮雕结构的胶层厚度(h )与匀胶转速(v )之间的关系曲线，选取几个典型的匀胶转速，用 SLOAN DETAK- Ⅱ A 型台阶仪测量相对应的光刻胶层厚度，得到试验数据(测试条件为环境温度25℃，光刻胶粘度为30cp),并绘出两者之间的关系曲线(图3)，由此可根据所要求的胶层厚度大体确定匀胶转速和匀胶次数。