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光学器件的小型化、集成化是现代光学系统发展的重要趋势。在微小光学器件中,阵列化折射成像微光学器件主要包括微透镜阵列器件等,广泛应用于成像、计量、波束整形等领域。针对红外波段成像、计量测量、激光加工等领域的特殊应用需求,红外波段工作的微透镜阵列器件受到了广泛重视,并得到迅速发展。总结了红外微透镜阵列器件的发展及制备方法,包括使用不同材料、不同制造方法制备红外微光学器件,以及红外微透镜阵列器件在红外波段成像、计量、并行加工、光束匀化方面的应用,分析了红外微透镜阵列器件及其制造方法存在的挑战与机遇。
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资源评论
第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
,
年
月
,
折射型红外微透镜阵列器件的发展及制备
刘 丰
,
,
张 帆
,
,
边 浩
,
,
杨 青
,
,
李 敏 静
,
,
陈 烽
,
西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
,
陕西 西安
;
西安交通大学电子与信息工程学院陕西省信息光子技术重点实验室
,
陕西 西安
;
西安交通大学机械工程学院
,
陕西 西安
摘要
光学器件的小型化
、
集成化是现代光学系统 发展 的重 要 趋势
.
在 微小 光学 器 件中
,
阵 列化 折射 成 像微 光学
器件主要包括微透镜阵列器件等
,
广泛应用于成像
、
计量
、
波束整形等领域
.
针对 红外 波段成 像
、
计量 测量
、
激光 加
工等领域的特殊应用需求
,
红外波段工作的微透镜 阵列 器件 受 到了 广泛 重 视
,
并 得到 迅速 发 展
.
总 结了 红外 微 透
镜阵列器件的发展及制备方法
,
包括使用不同材料
、
不同制造方法制备红外微光学 器件
,
以及 红外 微透镜 阵列 器件
在红外波段成像
、
计量
、
并行加工
、
光束匀化方面的应 用
,
分 析了 红外 微 透镜 阵列 器 件及 其制 造 方法 存在 的 挑战 与
机遇
.
关键词
红外波段
;
微透镜
;
微透镜阵列
;
红外成像
中图分类号
文献标志码
doi
:
/
Develo
p
mentandPre
p
arationofRefractiveInfrared
MicrolensArra
y
Device
StateKe
y
Laborator
yf
orManu
f
acturin
g
S
y
stem En
g
ineerin
g
Xi
′
anJiaoton
g
Universit
y
Xi
′
an
Shaanxi
China
ShaanxiKe
y
Laborator
y
o
f
PhotonicsTechnolo
gyf
orIn
f
ormation
Schoolo
f
Electronics&In
f
ormation
En
g
ineerin
g
Xi
′
anJiaoton
g
Universit
y
Xi
′
an
Shaanxi
China
Schoolo
f
MechanicalEn
g
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g
Xi
′
anJiaoton
g
Universit
y
Xi
′
an
Shaanxi
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
修回日期
:
;
录用日期
:
基金项目
:
国家自然科学基金
(
)、
国家重点研发计划
(
)、
中国博士后科学基金
(
)、
中央高校基本科研业务费
EGmail
:
激 光 与 光 电 子 学 进 展
引
言
红外光是一种波长在
至数十
的电磁
波
,
波长比可见光长
,
该波段的电磁辐射不能被肉眼
和可见光波段光学 系统直接 观 测
,
但可以使 用 窄带
隙半导体材料 光电探测 器
[
]
和微机电 辐 射热计系
统
[
]
检测
.
红 外 频 谱 与 物 体 的 热 辐 射 特 征 密 切 相
关
,
通过物体的 红 外 辐 射 可 以 获 得 目 标 的 形 貌
、
温
度
、
材料等信息
,
因此红外 波 段的光学器件
[
]
和 光
学成像系统
[
]
广泛应用于工业
、
国防
、
医疗等领域
,
如红外夜视 系 统
,
工 作 波 长 长
、
受 可 见 光 照 明 影 响
小
、
影像辨识率高
,
能清晰分辨出复杂暗背景中的红
外目标
,
在安防监控
、
无人驾驶
、
森林火险预警
、
电力
系统巡检
、
环境遥感监测
、
医疗检测等行业有良好的
应用前景
.
现如今
,
光学成像器件
、
探测器件及光学
系统不断向微型化
、
轻量化
、
阵列化
、
以及集成 化 的
方向发展
,
尤 其 是 光 刻 等 微 细 加 工 技 术 的 发 展
,
为
尺度光学微结构及器件的 制备提供了 良好的技
术支持
.
与此同时
,
红外光学 也 步入了
“
微尺度
”
时
代
,
高性能的集成化 红 外器件能 提 高对暗弱 红 外信
号的接收
、
光耦合效率
,
是提升红外成像系统信噪比
的关键
,
对于国防安全 和 科技发展 都 意义重大
.
如
红外微光学系统可作为 工业机器 人 和航天器 的
“
眼
睛
”,
在工业自动化
、
航空航天 及 先进国防 等 领域发
挥重要作用
,
研究表明
,
红外集成器件的市场容量在
年将达到
亿美元的规模
[
]
.
微光学器件按工作原理可以分为微几何光学元
件
、
干涉光学元件
、
衍射光学元件三类
.
微几何光学
元件的特征尺寸远大于其工作波长
,
主要利用折射
、
反射原理实现对光束的 调 控
,
如微反射 镜
、
微透镜
、
微棱镜
,
及其阵列化的组合集成器件
,
可灵活构成各
种功能的微光学系统
;
干涉光学元件如光学薄膜
、
光
学微腔
,
可利用干涉效应 对 光场进行 反 射
、
折射
、
偏
振
、
局域化的调 控
[
]
;
衍射光学元 件如微光栅
、
二
元光学表面
,
利用亚 波 长尺度微 纳 结构的衍 射 效应
对光场进行空间调制
[
]
.
具有直接成像能力的折
射式微透镜及其阵 列 化器件属 于 微几何光 学 元件
,
具有设计简单
、
光学效率高的特性
,
在微光学器件中
占重要地位
.
本文主要介绍了在红外波段工作的折
射式透镜型阵列微光学器件
.
用于制作红外光学器件的材料主要分为红外半
导体
、
硫系玻 璃
(
)
及红外聚合物
(
)
三类
.
红外半导体材料的加工方法与
半导体工艺类似
,
适用于大规模微光学器件制备
,
是
直接在半导体衬底 上制作微 光 学器件
,
易于与其 他
片上器件进行集成
[
]
;
硫系玻璃是一 类新型的非 晶
态玻璃材料
,
具有红外透波频段宽
、
可见光截止性能
优良
、
稳 定 性 高
、
热 加 工 性 能 好
、
组 分 灵 活 的 优
点
[
]
;
红外聚合物材料包含热塑性红外光学树脂
、
红外液晶等
,
具有成本低 廉
、
热加工性 能 好
、
可调制
光折变等优点
.
此外
,
一些常见 的 光学材料 在 可见
光和红外光波段均 具有良好 的 透过率
,
如石英玻 璃
透波窗口为
[
]
,
蓝 宝 石 透 波 窗 口 为
[
]
,
透波窗口 为
[
]
.
多种透明光学聚合物透波窗口能覆盖可见光波段至
近红外波段
[
]
,
已 大 量 应 用 于 可 见 光 波段
,
因 其 具
有良好的加工性能
,
可制备出 大 量高性能 的 阵列化
微光学器件
[
]
;
但其对可 见 光波段不 具 备高效率
的阻滞特性
,
在构成 红 外成像系 统 或测量系 统 时需
要额外增加 红 外 选 通滤 波 器 以 消 除 可 见 光 波 的 干
扰
,
增加了系统的复杂度和界面处的光能损耗
,
故本
文仅重点介绍了专用红外光学材料制造的红外微光
学器件
.
光 学 器 件的 微 纳 加 工方 式 分 为 冷加 工 和 热 加
工
,
具体包括单点金刚石车削
[
]
、
超精细研磨
[
]
、
半 导 体 光 刻
[
]
、
飞 秒 激 光 刻 蚀
[
,
]
、
热 模
压
[
]
、
热回流
[
]
等 方 法
,
不 同 加 工 方 式 有 各 自
的优势和特点
.
如
,
单点金刚石车削加工法
,
能够应
对各种硬脆红外材 料的加工 需 求
,
用于加工 多 种亚
尺度的曲 面 微 结构
,
但 在 加 工大 面 阵 微 器件 时
效率存在瓶颈
;
半导体光刻加工法
,
可实现二维或者
二维半微纳结构的大规模制备
,
在加工精度
、
效率等
方面具有优势
,
但制备复杂连续面型 三维
(
)
微纳
结构时工艺流程非 常复杂
;
飞秒激光 微 纳加工法 作
为一种新型高能束 微纳制造 技 术发展迅 速
,
聚焦的
飞秒激光脉冲把极高密度的能量在晶格热扩散时间
尺度内注入亚
的体积中
,
将 材 料 直 接 激 发 到 等
离子体态
,
实现绝热的超快刻蚀过程
,
避免了热效应
导致的加工精度退 化和材料 选 择问题
,
可加工各 种
固态材料
,
且具备灵活的三维加工成型能力
,
是加工
硬脆红外材料的有效手段
.
本文回顾了折射式红外微透镜阵列器件的研究
进展
,
介绍了基于 红外半导 体 材料
、
硫系玻璃 材 料
、
红外聚合物材料的阵列化红外微透镜器件的制备方
法
、
红外光学特性及其在 成 像
、
计量
、
并行加工 领 域
中的相关应用
,
分析了目前红外微光学器件在制备
、
使用中存在的问题
,
展望了红 外 微透镜阵 列 器件在
集成化成像系统
、
加工系统中的应用前景
.
激 光 与 光 电 子 学 进 展
半导体基红外微透镜阵列及其制备
方法
2.1
超精密机械加工制备半导体红外微透镜阵列
机械 切削
、
研磨是传统 光学元件加 工的主要手
段
,
当加工
尺度的光学器件时
,
需使用超精密机
械加工方法实现高精度的微小光学面形
.
对于硬脆
红外半导体材料
,
单点金刚 石 微机械加 工 可通过逐
点加工累 积 形成 自 由 曲 面
.
等
[
]
利 用 超 高 精
度侧向研磨方法
,
使用单点金刚石精密刀具在
(
)
单晶硅衬底上磨制了间距
的微尺度凹 透镜
阵列
,
如图
所示
.
由于使用五维精密加工系统
(
含
三维平动及 两 维 转 动
),
可 形 成 所 需 的 任 意 自 由 曲
面
,
具有加工目标形貌 灵 活的特点
.
加工时优 化 了
转速
(
/
)、
给进速率
(
/
)
和
走刀间距
(
),
在
衬底上制作了
个均
匀的成像单元
,
但由 于 要平衡光 学 表面粗糙 度 和加
工效率
,
在加工大面阵器件时
,
面形会保留较大走刀
间距留下的微光栅 结构
,
这导致利 用 该器件成 像 时
会有明显的衍射效应
.
图
超精密机械加工
基红外微透镜阵列
[
]
.(
)
装备金刚石刀具的微加工系统
;(
)
制备的
基微透镜阵列表面形貌
2.2
光刻法制备半导体红外微光学器件阵列
光刻法是大 规模制备半 导体器件的 成熟工艺
,
具有并行大 通 量 加工 的 优 势
.
等
[
]
利 用 微 纳
光刻法制备出一种可增强红外焦平面阵列灵敏度的
基红外 微 透 镜
/
微 反 射 锥 面 阵 列 化 耦 合 器 件
,
如
图
所示
.
该器件 包含两层
,
下层为具 有 倒梯形反
射锥孔的导光层
,
上层为
基微透镜阵列层
.
反射
锥孔导光层的制备方法
:
利用掩膜曝光法在
衬底
上生成微孔阵列图 案
,
利用各向 异 性化学刻 蚀 方法
(
刻蚀液温度为
、
质量分数为
的
水
溶液
)
在
(
)
衬底上刻 蚀 出具有
底角的收
缩锥孔
(
入口孔径为
,
出口孔径为
),
锥
孔内壁镀上高反射铝膜及
保护层
,
再利用化学
刻蚀
(
/
)
法 将 锥 形 微 孔 的 出 口 刻 蚀 为 通
孔
,
如图
(
)
所示
.
通过光刻胶 曝光
/
热回流
/
刻蚀
法制备
基 红 外 微透 镜 阵 列 的方 法
:
在
衬 底 上
旋涂
厚度的
光刻胶
,
曝光形成圆柱状
阵列图案
,
之后进行热回流和固化处理
(
升温速率为
/
,
在
下 保 温
,
降 温
),
热处理中 光刻胶软 化
,
在表面张 力 作 用 下
形成微 球 面 阵 列
,
硬 化 后 的 模 板 经 化 学 刻 蚀 减 薄
(
/
,
)
得 到
平 凸 微 透 镜 阵 列
,
透 镜 单 元
孔径为
.
将生成的
微透镜阵 列 转 移 到 制
备的微锥孔衬底上
,
使微透镜 准 确覆盖椎 管 的入射
端口
,
直射入
微透镜孔径的红外光波有折射会聚
效果
,
微透镜孔径外及较大角度入射的红外光波
,
经
过微锥孔的反射传 输
,
也能到达 焦 平面传感 器 的接
收面
,
从而提升了系统的耦合效率
[
]
.
2.3
飞秒激光刻蚀制备半导体红外微透镜阵列
基于飞秒激光诱导刻蚀的微纳加工是一种高效
成型方法
[
]
,
首先用激光在红外半导 体材料表面 高
速诱导出微改性区 点阵
,
该区域中 材 料晶格结 构 和
化学键的键角发生改变
,
物质的化学反应活性增强
,
与刻蚀剂作用时反应速率会比未被激光辐照的区域
高两个数量级
,
使被 辐 照的区域 在 刻蚀时具 有 选择
性
,
从而实现材料的高效定向去除
,
形成优质的微光
学面型
.
等
[
]
利用飞秒激光诱导化学刻蚀法
在
衬底上制备了平凹微透镜阵列器件
,
如图
所
示
.
将再生放大飞秒激光光源输出的高斯飞秒脉冲
(
中心波长为
,
脉冲宽度为
,
重复频率
为
)
使用显微物镜
(
,
数值孔径
NA
)
聚焦到
衬底表面
,
激光单脉冲能量为
,
每个
辐照 点 的 脉 冲 数 为
发
,
即 每 点 激 光 沉 积 能 量
为
,
经扫描依次曝光形成点阵
.
激 光 处 理 过 的
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