CN110631715A - 一种适用于曲面成像的焦平面探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于曲面成像的焦平面探测器及其制备方法，所述的适用于曲面成像的焦平面探测器包括：支撑衬底；赋形焦平面阵列，位于所述支撑衬底的表面，赋形焦平面阵列和支撑衬底的曲面形状保持一致。采用这种结构可以始终保持光线聚焦在焦平面探测器上，不需要通过复杂的光学校正计算便可以保证最大程度的成像效果，该结构适合大视场、大面阵高分辨率成像。所述的制备方法使用了PDMS柔性模具对硅基焦平面进行赋形，并且使用紫外固化材料和紫外光照进行定形，过程简单，成形过程不需要复杂昂贵的仪器和设备，并且制备效率高。
Description
技术领域
本发明属于红外探测器芯片制备相关技术领域，具体是指一种适用于曲面成像的探测器及其制备方法。
背景技术
红外成像探测是光电系统的核心部分，它可以实现昼夜观测，被动成像，抗阳光干扰、抗大气和战场烟雾等环境散射的能力显著优于可见光系统。大视场高分辨探测是红外成像技术发展的关键性问题。现代大视场、高分辨率红外成像探测需要采用复杂的光学系统用以减小像差，提高光学分辨率，由此带来了高分辨系统体积重量庞大等问题，在星载、弹载及主动攻击武器应用上带来了应用限制。产生此问题的主要原因在于，在光电成像系统中探测器位于光学系统像元近焦面处，由于探测器是平面结构(通常称为焦平面)，需要通过复杂的光学系统对焦面进行补偿修正，保证成像的无畸变。对于大视场、高分辨系统，畸变校正的难度和系统复杂度显著增加，多透镜的采用在像差校正的同时也显著增加了光学损失。同时，这种传统解决方式随着探测器越来越追求SWaP3(尺寸、重量、功耗、性能、成本)的情况下而越发显得捉襟见肘。
在发展大视场成像技术上，将光学透镜等功能集成在类视网膜红外焦平面探测器杜瓦内部，实现大视场的高质量成像探测。仿生学一直以来都给予人类许多启发，而人眼作为一个极其重要的器官对探测器具有指导意义——即类视网膜探测器的制备。通过制备这样一种类视网膜探测器可以将像差直接回避，并且可以用于大视场角，维持较高的探测性能，进而简化系统。
人眼视网膜结构是一种凹面结构，可以采用较简单的光学系统实现大视场高分辨探测任务。若采用柔性成像探测器，按照光学系统焦面形状进行适应性布局，则能够极大简化光学系统设计，提升大视场下的高分辨性能。对于二类超晶格和碲镉汞探测器而言，较小的机械损伤阈值使得其弯曲成为困难，而硅基芯片而言则是具有实用价值，因此，从硅基焦平面探测器开始研究是十分有意义的。
发明内容
本发明的目的是为了解决在传统成像时需要通过复杂的光学系统对焦面进行补偿修正像差的问题，通过本发明这样一种适用于曲面成像的焦平面探测器的结构可以直接补偿像差，从而极大简化了光学系统的设计，提升了大视场下的高分辨性能。
本发明的技术解决方案：一种适用于曲面成像的焦平面探测器结构，所述的适用于曲面成像的焦平面探测器结构包括：
支撑衬底和赋形焦平面阵列，其特征在于，支撑衬底的材料是氮化硅，其厚度不超过0.5mm，曲面形状与赋形焦平面保持一致；赋形焦平面阵列，采用DW-3低温环氧胶粘接在所述支撑衬底的表面，其厚度不超过0.1mm,曲率半径是20—200mm，F数的范围0.9—5。
本发明中适用于曲面成像的焦平面探测器结构的有益效果是：采用这种结构可以始终保持光线聚焦在焦平面探测器上，不需要通过复杂的光学校正计算便可以保证最大程度的成像效果，该结构适合大视场、大面阵高分辨率成像。
本发明还涉及上述适用于曲面成像的焦平面探测器的制备方法，包括如下步骤：
将芯片制备在硅氧化层或者其他牺牲层上，经过和正常工艺一致的制备后，可以得到牺牲层上的芯片，将牺牲层完全去除后便可以剥离上层芯片，形成一个具有柔韧性的薄层阵列。先将薄层阵列粘接到支撑衬底上，然后再放入具有一定曲率的PDMS柔性模具上，对其进行赋形。赋形后采用紫外固化材料和紫外光照进行定形，最后取出赋形焦平面探测器，对支撑衬底进行减薄削平。
进一步，PDMS柔性模具是半球形，曲面形状和所赋形的探测器阵列一致。
采用上述适用于曲面成像的焦平面探测器的制备方法的有益效果是：选择PDMS成为定形的柔性模板的材料，在紫外固化时没有热量产生，对PDMS的形状不会造成影响，即其在固化过程中不会产生收缩，并且在固化之后方便剥离。该方法制备过程简单，成形过程不需要复杂昂贵的仪器和设备，并且制备效率高。
附图说明
图1是本发明的赋形焦平面阵列示意图。
图2是本发明方法的透镜光路原理示意图。
在附图中，各标号所表示的部件名称如下：1是支撑衬底，2是赋形焦平面阵列。
具体实施方式：
下面通过透镜的光路原理，如图1所示，来说明适用于曲面成像的焦平面探测器相对于普通焦平面探测器的优势。
在进行大视场高分辨率成像时，随着斜入射光线的增多，这些光线的聚焦点会偏离普通的平面焦平面，视场边缘清晰成像将会变得十分困难，而且，斜入射角度越大，成像的焦点便越会远离主光轴，当焦点距离平面焦平面超过焦深时，就会在图像边缘处发生失真模糊现象。但是，若采用适用于曲面成像的焦平面探测器，斜入射的光线则均会聚焦在适用于曲面成像的焦平面上，这样便可以补偿像差，进而改善失真现象。
实施例一
下面以像元间距为15μm，硅基芯片阵列为640×512，F数设定为0.9，焦距为20mm为实例，结合附图对本发明的结构和制备方法的具体实施方式做进一步的说明：
将硅基芯片制备在硅氧化层或者其他牺牲层上，经过和正常工艺一致的制备后，可以得到牺牲层上的硅基芯片，将牺牲层完全去除后便可以剥离上层硅基芯片，形成一个具有柔韧性的硅基薄层，该薄层厚度为0.01mm，将硅基薄层用DW-3低温环氧胶粘接到支撑衬底上，该实例中支撑衬底采用厚度为0.1mm的氮化硅材料，然后放入具有一定曲率的PDMS柔性模具上，对其进行赋形，本实例中的PDMS柔性模具为曲率半径是20mm的半球形模具。赋形后采用紫外固化材料和紫外光照进行定形，然后再取出赋形焦平面1，如图2所示，其中2是像元。最后再对支撑衬底进行减薄削平，将厚度控制在0.05mm。
实施例二
下面以像元间距为15μm，硅基芯片阵列为640×512，F数设定为2，焦距为60mm为实例，结合附图对本发明的结构和制备方法的具体实施方式做进一步的说明：
将硅基芯片制备在硅氧化层或者其他牺牲层上，经过和正常工艺一致的制备后，可以得到牺牲层上的硅基芯片，将牺牲层完全去除后便可以剥离上层硅基芯片，形成一个具有柔韧性的硅基薄层，该薄层厚度为0.05mm，将硅基薄层用DW-3低温环氧胶粘接到支撑衬底上，该实例中支撑衬底采用厚度为0.2mm的氮化硅材料，然后放入具有一定曲率的PDMS柔性模具上，对其进行赋形，本实例中的PDMS柔性模具为曲率半径是60mm的半球形模具。赋形后采用紫外固化材料和紫外光照进行定形，然后再取出赋形焦平面1，如图2所示，其中2是像元。最后再对支撑衬底进行减薄削平，将厚度控制在0.1mm。
实施例三
下面以像元间距为15μm，硅基芯片阵列为640×512，F数设定为5，焦距为150mm为实例，结合附图对本发明的结构和制备方法的具体实施方式做进一步的说明：
将硅基芯片制备在硅氧化层或者其他牺牲层上，经过和正常工艺一致的制备后，可以得到牺牲层上的硅基芯片，将牺牲层完全去除后便可以剥离上层硅基芯片，形成一个具有柔韧性的硅基薄层，该薄层厚度为0.1mm，将硅基薄层用DW-3低温环氧胶粘接到支撑衬底上，该实例中支撑衬底采用厚度为0.5mm的氮化硅材料，然后放入具有一定曲率的PDMS柔性模具上，对其进行赋形，本实例中的PDMS柔性模具为曲率半径是60mm的半球形模具。赋形后采用紫外固化材料和紫外光照进行定形，然后再取出赋形焦平面1，如图2所示，其中2是像元。最后再对支撑衬底进行减薄削平，将厚度控制在0.3mm。
Claims (3)
1.一种适用于曲面成像的焦平面探测器，包括支撑衬底(1)和赋形焦平面阵列(2)，其特征在于:
所述的支撑衬底(1)的材料是氮化硅，其厚度不超过0.5mm，曲面形状与赋形焦平面保持一致；所述的赋形焦平面阵列(2)，采用DW-3低温环氧胶粘接在所述支撑衬底(1)的表面，其厚度不超过0.1mm,曲率半径是20—200mm，F数的范围0.9—5。
2.一种制备如权利要求1所述的适用于曲面成像的焦平面探测器的方法，其特征在于方法如下：将芯片制备在硅氧化层或者其他牺牲层上，经过和正常工艺一致的制备后，可以得到牺牲层上的芯片，将牺牲层完全去除后便可以剥离上层芯片，形成一个具有柔韧性的薄层阵列，先将薄层阵列粘接到支撑衬底上，然后再放入具有一定曲率的PDMS柔性模具上，对其进行赋形，赋形后采用紫外固化材料和紫外光照进行定形，最后取出赋形焦平面探测器。
3.根据权利要求2所述的适用于曲面成像的焦平面探测器的制备方法，其特征在于，所述的PDMS柔性模具是半球形，曲面形状和所赋形的探测器阵列一致。
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