CN103149608B - 无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法，所述对准方法是通过光刻工艺在每个微透镜单元的口径顶点处做出一个直径为几微米的圆形平面区域。利用显微镜下处于阵列中心的横纵两排顶点圆心的连线，可以确定微透镜阵列的XY轴。将CCD图像传感器软件界面上位置保持不变的十字分划线作为对准的基准，调节对准所用的自制装置，分别使探测器和微透镜阵列的XY轴与作为基准的十字分划线对齐，实现了微透镜阵列与探测器的对准。该方法将深浮雕微透镜阵列中单元口径顶点作为实际对准标识，解决了标记对准法中由于刻蚀边缘陡直度差、标记漂移等原因导致对准精度低的问题。

Description

无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法

技术领域

本发明涉及一种无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法，属于微透镜阵列对准方法的创新。

背景技术

可见光或红外焦平面阵列探测器由于结构布局和微细加工的限制，都存在用于信号线路布线的“死区”，使光敏区在整个探测器面积的占空比只能达到30％～90％左右，难以获得更高的填充率。微透镜阵列技术是一种可以增强探测器填充因子和灵敏度的新技术。利用微透镜阵列的波前调制和光波会聚特性，将入射光偏转会聚到每个探测器元的光敏区，可以获得100％占空比，从而有望将整个探测器占空比提高到90％以上，有效提高探测器的占空比、能量利用率、响应率和灵敏度。尤其是深浮雕、大口径微透镜阵列，在增强大像元探测器的性能方面具有较高的应用价值。

深浮雕微透镜阵列与探测器之间的对准装配精度是探测器增强技术的关键指标之一。传统微透镜阵列对准装校多采用标记对准法，即在微透镜阵列的边界外制作十字标记用于对准。然而，深浮雕微透镜阵列采用深刻蚀的移动曝光技术制备，会对标记制作造成较大影响。刻蚀深度较深造成边缘陡直度较差，且移动曝光方式会使标记中心产生无法定量判读的漂移。以上两点原因使得原本制作在微透镜阵列边界外的十字对准标记无法有效成形，导致传统的标记对准法对准精度难以满足深浮雕微透镜阵列与探测器的高精度装配。

发明内容

为解决微透镜阵列传统的标记对准法无法满足深浮雕微透镜阵列与可见光或红外探测器的高精度对准问题，本发明的目的是提供一种无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法。

为实现所述的目的，本发明提出一种无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法，其技术解决方案包括：

步骤S1：将深浮雕微透镜阵列的每个微透镜单元的能量汇聚在与之对准的每个探测源上；

步骤S2：通过光刻工艺在深浮雕微透镜阵列的每个微透镜单元的口径顶点处做出一个直径为微米级的圆形平面区域；在显微镜下可看到由微米级的圆形平面区域形成的圆形光斑图像，用多个圆形光斑的圆心的连线作为对准标识；

步骤S3：将探测器吸附在对准装置的下吸附平台的上表面，通过长工作距显微镜找到探测器上的坐标系；

步骤S4：调节下吸附平台，使探测器的坐标系与作为基准的十字分划线重合，并锁紧下吸附平台；

步骤S5：确定深浮雕微透镜阵列中心和坐标轴，将深浮雕微透镜阵列吸附在对准装置的上吸附平板的下表面，长工作距显微镜找到处在深浮雕微透镜阵列中心的横纵两排口径顶点的圆形光斑，以这两排圆形光斑作为深浮雕微透镜阵列中心和XY坐标轴；

步骤S6：调节上吸附平板，CCD图像传感器采集连续图像后传送给计算机；计算机控制上吸附平板和下吸附平台的移动与定位；通过计算CCD图像传感器软件界面的像素点找到微透镜单元口径顶点的圆心，使探测器和深浮雕微透镜阵列的XY轴，所述横纵两排微透镜单元口径顶点的圆心与作为基准的十字分划线对齐，锁紧上吸附平板和下吸附平台，实现深浮雕微透镜阵列与探测器的对准。

优选地，深浮雕微透镜阵列的每个微透镜单元是凸球面或非球面，每个微透镜单元具有方形口径，每个微透镜单元的浮雕深度为10μm～500μm，每个微透镜单元与探测器上每个方形口径的探测源对准。

优选地，所述圆形平面区域是在灰度掩模板的方形图形的四个角上做出四个1/4圆的灰度掩模，通过移动灰度掩模板的曝光方式制作出的深浮雕微透镜阵列在每四个微透镜单元的公共顶点处有一个圆形平面区域。

优选地，所述对准装置的上吸附平板和下吸附平台移动与定位是毫米和亚微米量级的移动与定位。

优选地，每个圆形区域占每个微透镜单元面积的比例小到千分之一，不会影响微透镜的性能。

本发明的有益效果：

本发明的无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法，将微透镜阵列对准方法创新，摒弃传统的标记对准法，将深浮雕微透镜阵列中微透镜单元口径顶点作为实际对准标识。通过光刻工艺在深浮雕微透镜阵列的每个微透镜单元口径顶点处做出一个直径为微米级的圆形平面区域。将显微镜下微透镜阵列中心和处在阵列中心上的横纵两排微透镜单元口径顶点的图像作为微透镜阵列的坐标系。通过调节对准所用装置，分别使探测器和微透镜阵列的坐标轴与作为基准的十字分划线对准。实现了深浮雕微透镜阵列与探测器的对准。

该方法将深浮雕微透镜阵列中微透镜单元口径顶点作为实际对准标识，解决了标记对准法中由于刻蚀边缘陡直度差、标记漂移等原因导致对准精度低的问题。

附图说明

图1a为本发明的对准装置示意图；

图1b为本发明的一种深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法的流程图。

图2为本发明中所用的深浮雕微透镜阵列结构示意图；

图3为本发明中所用的深浮雕微透镜阵列在5×显微镜下观测的局部效果图；

图4为本发明中所用的探测源数量为18×18个的探测器示意图；

图5为本发明中制作深浮雕微透镜阵列所用的掩模图形及4个掩模图形组合的示意图；

图6为本发明中CCD软件界面上位置保持不变的十字分划线。

附图标记：

1是长工作距显微物镜；

2是上吸附平板；

3是深浮雕微透镜阵列；

31是微透镜单元；

32是微透镜单元的口径顶点；

4是探测器；

41是探测源；

5是下吸附平台；

6是CCD图像传感器；

7是计算机；

8是制作深浮雕微透镜阵列所用的灰度掩模图形；

9是CCD软件界面上位置保持不变的十字分划线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案的优点更加清楚，以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1b示出本发明的一种深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法的流程图。

1)将深浮雕微透镜阵列3的每个微透镜单元31的能量汇聚在与之对准的每个探测源41上；深浮雕微透镜阵列3的每个微透镜单元31为可以是凸球面或非球面，具有方形口径，浮雕深度为10μm～500μm，每个微透镜单元31可与探测器4上每个方形口径的探测源41合理对准，使每个微透镜31将能量汇聚在与之对准的每个探测源41上。

2)通过光刻工艺在深浮雕微透镜阵列3的每个微透镜单元31口径顶点处做出一个直径为几微米的圆形平面区域。其方法是在灰度掩模板的方形图形的四个角上做出四个1/4圆，该处为特殊设计的灰度掩模。用该掩模板通过移动曝光方式制作出的深浮雕微透镜阵列3会在每四个微透镜单元31的公共顶点处有一个圆形平面区域。每个圆形区域占每个微透镜单元31面积的比例小到千分之一，不会影响其性能。在显微镜下即可看到由直径为几微米的圆形平面区域形成的圆形光斑，用多个圆形光斑的圆心的连线作为对准标识。

3)采用的自制对准装置有上吸附平板2、下吸附平台5、CCD图像传感器6和不同倍率的长工作距显微镜等部分。利用长工作距显微镜可将上吸附平板2和下吸附平台5的表面吸附的物体显微放大，再经CCD图像传感器6采集连续图像后传送给计算机7。通过计算机控制具有毫米和亚微米量级移动与定位功能的上吸附平板2和下吸附平台5。

将CCD图像传感器6软件界面上位置保持不变的十字分划线作为对准的基准。先将探测器4吸附在对准装置的下吸附平台5的上表面，通过长工作距显微镜找到探测器4的坐标系，该坐标系在探测器4制备时已经制作在其表面。

4)然后调节下吸附平台5，使探测器4的坐标系与作为基准的十字分划线重合，并将下吸附平台5锁紧在该位置上。

5)深浮雕微透镜阵列3与探测器4对准时，首先要确定微透镜阵列3的阵列中心和坐标轴。将深浮雕微透镜阵列3吸附在对准装置的上吸附平板2的下表面，先用低倍显微物镜找到深浮雕微透镜阵列3的阵列中心和处在阵列中心上的横纵两排口径顶点的圆形光斑。以这两排圆形光斑作为深浮雕微透镜阵列3中心和XY坐标轴；

6)然后调节上吸附平板2，CCD图像传感器6采集连续图像后传送给计算机7；计算机7控制上吸附平板2和下吸附平台5的移动与定位；通过计算CCD图像传感器6软件界面的像素点找到微透镜单元31的口径顶点的圆心，使探测器4和深浮雕微透镜阵列3的XY轴，所述横纵两排微透镜单元31的口径顶点的圆心与作为基准的十字分划线9对齐锁紧，实现深浮雕微透镜阵列3与探测器4的对准。将处在阵列中心上的横纵两排口径顶点的光斑调节到与作为基准的十字分划线重合。再换高倍显微物镜调焦，找到与十字分划9线重合的横纵两排顶点光斑，调节上吸附平板2，使这横纵两排光斑的圆心与十字分划线对齐，并锁紧上吸附平板2。顶点光斑的圆心可通过计算CCD图像传感器6的软件界面的像素点来确定。这样就实现了深浮雕微透镜阵列3与探测器4的对准。

实施例1：如果深浮雕微透镜阵列与探测器的对准精度要求为0.001mm，则其具体对准方案如下：

1)如图2示出深浮雕微透镜阵列结构，采用深浮雕微透镜阵列3，该深浮雕微透镜阵列3一共由18×18个微透镜单元31构成，每个微透镜单元31为凸球面、方形口径、浮雕深度为20μm，其中微透镜单元的口径边长t＝0.3mm，深浮雕微透镜阵列基片外径D＝11mm，深浮雕微透镜阵列基片厚度h＝0.6mm；该深浮雕微透镜阵列3可与图4所示本发明中所用的方形口径为a×a＝0.26mm×0.26mm(其中a为探测源41口径边长)，各探测源41的间距b＝0.08mm，探测源41数量为18×18个的探测器4合理对准，并使每个微透镜单元31将能量汇聚在与之对准的每个探测源41上。O是坐标系原点，原点位于图形的对称中心，X是坐标系横轴，Y是坐标系纵轴。

2)如图3示出深浮雕微透镜在5×显微镜下观测的局部效果图，深浮雕微透镜阵列制作时，通过光刻工艺在每个微透镜单元31的口径顶点32处做出一个直径为10微米的圆形平面区域。具体方法如图5示出本发明中制作深浮雕微透镜阵列所用的掩模图形及4个掩模图形组合，灰度掩模板8的方形图形四个角上有四个1/4圆，该处为特殊设计的灰度掩模，其半径R₁=0.005mm。用该掩模板8通过移动曝光方式制作出的深浮雕微透镜阵列3会在每四个微透镜单元31的公共顶点32处有一个圆形平面区域，该区域的面积为S₁＝πR1²＝3.14×0.005²mm²＝0.0000785mm²。每个微透镜单元31的面积为S₂＝t²＝0.3×0.3mm²＝0.09mm²，故每个微透镜单元31中圆形顶点32所占的面积比约为1/1146，不会影响其性能。如图3所示，在显微镜下即可看到由直径为10微米的圆形平面区域形成的圆形顶点32光斑。

3)如图1a示出的对准装置：包括长工作距显微物镜1、上吸附平板2、深浮雕微透镜阵列3、探测器4、下吸附平台5、CCD图像传感器6和计算机7，该装置的下吸附平台5位于最下层，上吸附平板2位于下吸附平台5的正上方，二者之间距离可调；探测器4被吸附于下吸附平台5上表面；深浮雕微透镜阵列3被吸附于上吸附平板2的下表面；长工作距显微物镜1和CCD图像传感器6组装成一体，其工作位置位于上吸附平板2正上方；上吸附平板2、下吸附平台5、长工作距显微物镜1和CCD图像传感器6均有数据线与计算机7相接。

(1)首先准备好深浮雕微透镜阵列3、探测器4以及对准装置。长工作距显微物镜1可将上吸附平板2和下吸附平台5表面吸附的物体显微放大，再经CCD图像传感器6采集连续图像后传送给计算机7。上吸附平板2和下吸附平台5具有毫米和亚微米量级的移动与定位功能，可由计算机7控制。

(2)如图6示出本发明中CCD图像传感器6软件界面上位置保持不变的十字分划线，将CCD图像传感器6软件界面上位置保持不变的十字分划线9作为对准的基准。先将探测器4吸附在对准装置的下吸附平台5上表面，通过长工作距显微镜1找到探测器4的坐标系。如图4所示，探测器4的坐标系在探测器4制备时已经制作在其表面。然后调节下吸附平台5，使探测器4的坐标系与作为基准的十字分划线9重合，并将下吸附平台5锁紧在该位置上。

(3)深浮雕微透镜阵列3与探测器4对准时，首先要确定微透镜阵列3的阵列中心和坐标轴。将深浮雕微透镜阵列3吸附在对准装置的上吸附平板2下表面，先用低倍显微物镜1找到微透镜阵列3的阵列中心和处在阵列中心上的横纵两排口径顶点32的图像。然后调节上吸附平板2，将处在阵列中心上的横纵两排口径顶点32的图像调节到与作为基准的十字分划线9重合。再换高倍显微物镜1调焦，找到与十字分划线9重合的横纵两排口径顶点32的图像。调节上吸附平板2，使这横纵两排口径顶点32的圆心与作为基准的十字分划线9对齐，并锁紧上吸附平板2。顶点图像32的圆心可通过计算CCD图像传感器6软件界面的像素点来确定。这样就实现了深浮雕微透镜阵列3与探测器4的对准。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法，所述对准的步骤如下：

步骤S1：将深浮雕微透镜阵列的每个微透镜单元的能量汇聚在与之对准的相应探测源上；

步骤S2：每个微透镜单元的四个角上有四个1/4圆，从而在每个微透镜单元的口径顶点处形成一个直径为微米级的圆形平面区域；在显微镜下能看到由微米级的圆形平面区域形成的圆形光斑图像，用多个圆形光斑的圆心的连线作为对准标识；

步骤S3：将探测器吸附在对准装置的下吸附平台的上表面，通过长工作距显微镜找到探测器上的坐标系；

步骤S4：调节下吸附平台，使探测器的坐标系与作为基准的十字分划线重合，并锁紧下吸附平台；

步骤S5：确定深浮雕微透镜阵列中心和坐标轴，将深浮雕微透镜阵列吸附在对准装置的上吸附平板的下表面，长工作距显微镜找到处在深浮雕微透镜阵列中心的横纵两排口径顶点的圆形光斑，以这两排圆形光斑作为深浮雕微透镜阵列中心和XY坐标轴；

步骤S6：调节上吸附平板，CCD图像传感器采集连续图像后传送给计算机；计算机控制上吸附平板和下吸附平台的移动与定位；通过计算CCD图像传感器软件界面的像素点找到微透镜单元的口径顶点的圆心，使探测器和深浮雕微透镜阵列的XY轴，所述横纵两排微透镜单元的口径顶点的圆心与作为基准的十字分划线对齐，锁紧上吸附平板和下吸附平台，实现深浮雕微透镜阵列与探测器的对准。

2.如权利要求1所述的无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法，其特征在于，深浮雕微透镜阵列的每个微透镜单元是凸球面或非球面，每个微透镜单元具有方形口径，每个微透镜单元的浮雕深度为10μm～500μm，每个微透镜单元与探测器上相应方形口径的探测源对准。

3.如权利要求1所述的无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法，其特征在于，所述圆形平面区域是在灰度掩模板的方形图形的四个角上做出四个1/4圆的灰度掩模，通过移动灰度掩模板的曝光方式制作出的深浮雕微透镜阵列在每四个微透镜单元的公共顶点处有一个圆形平面区域。

4.如权利要求1所述的无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法，其特征在于，所述对准装置的上吸附平板和下吸附平台移动与定位是毫米和亚微米量级的移动与定位。

5.如权利要求1所述的无标记深浮雕微透镜阵列与探测器的对准方法，其特征在于，每个圆形区域占每个微透镜单元面积的比例小于千分之一，不会影响微透镜的性能。