一种复合透镜及其制作方法、红外探测器

摘要

本申请公开了复合透镜，包括基底；位于基底第一表面的透镜；根据透镜的面型加工误差设置在基底第二表面的第一超表面结构阵列，第一超表面结构阵列包括多个超表面结构单元；第一表面与第二表面相背。本申请的复合透镜包括基底、分别位于基底第一表面和第二表面的透镜和第一超表面结构阵列，由于透镜和第一超表面结构阵列在基底两个不同的表面上，透镜制作完成后，可以根据透镜的面型而设置第一超表面结构阵列，以修正透镜加工时由于面型误差而产生的像差，并且由于可以在透镜制作完成后设置第一超表面结构阵列，对加工误差的容忍度极高。本申请还提供一种具有上述优点的复合透镜制作方法和红外探测器。

权利要求

1.一种复合透镜，其特征在于，包括：基底；

位于所述基底第一表面的透镜；

根据所述透镜的面型设置在所述基底第二表面的第一超表面结构阵列，所述第一超表面结构阵列包括多个超表面结构单元；所述超表面结构单元为亚波长结构单元；

其中，所述第一表面与所述第二表面相背。

2.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于，还包括：键合层，用于连接所述透镜和所述基底的所述第一表面。

3.如权利要求2所述的复合透镜，其特征在于，当所述透镜为双凸球面球透镜时，还包括：

位于所述基底的所述第一表面的第二超表面结构阵列，所述第二超表面结构阵列位于所述双凸球面球透镜与所述第一表面形成的空腔内，其中，所述第二超表面结构阵列包括多个超表面结构单元。

4.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于，所述透镜和所述基底为一体式结构。

5.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于，所述基底的所述第二表面为阶梯状表面，且所述阶梯状表面为左右对称的表面。

6.如权利要求1至5任一项所述的复合透镜，其特征在于，所述超表面结构单元为轴对称的超表面结构单元。

7.一种复合透镜制作方法，其特征在于，包括：获得包括基底和透镜的透镜组合；所述透镜与所述基底的第一表面相连；

获得所述透镜的面型；

根据所述面型在所述基底的第二表面形成第一超表面结构阵列，所述第一超表面结构阵列包括多个超表面结构单元；所述超表面结构单元为亚波长结构单元；

其中，所述第一表面与所述第二表面相背。

8.如权利要求7所述的复合透镜制作方法，其特征在于，当所述透镜为双凸球面球透镜时，所述获得包括基底和透镜的透镜组合包括：获得所述基底；

在透镜基板的上表面旋涂第一光刻胶；

利用灰度光刻法、纳米压印法、激光直写法、热回流法中的任一种方法，对所述第一光刻胶进行处理以形成与所述双凸球面球透镜中第一球面相匹配的图案；

对所述上表面进行刻蚀，形成所述双凸球面球透镜的所述第一球面；

在所述透镜基板的下表面旋涂第二光刻胶；

利用灰度光刻法、纳米压印法、激光直写法、热回流法中的任一种方法，对所述第二光刻胶进行处理以形成与所述双凸球面球透镜中第二球面相匹配的图案；

对所述下表面进行刻蚀，形成所述双凸球面球透镜的所述第二球面，得到所述双凸球面球透镜；

相应的，所述根据所述面型在所述基底的第二表面形成第一超表面结构阵列之后，还包括：

在所述基底的所述第一表面形成第二超表面结构阵列，所述第二超表面结构阵列包括多个超表面结构单元；

利用键合方式将所述双凸球面球透镜与所述基底的所述第一表面连接；其中，所述第二超表面结构阵列位于所述双凸球面球透镜与所述第一表面形成的空腔内。

9.如权利要求7所述的复合透镜制作方法，其特征在于，当所述透镜为平凸球面球透镜时，所述获得包括基底和透镜的透镜组合包括：获得所述基底；

在所述基底的第一表面旋涂第三光刻胶；

利用灰度光刻法、纳米压印法、激光直写法、热回流法中的任一种方法，对所述第三光刻胶进行处理以形成与平凸球面球透镜的球面相匹配的图案；

对所述第一表面进行刻蚀形成所述平凸球面球透镜，得到所述基底和所述透镜的所述透镜组合。

10.如权利要求7所述的复合透镜制作方法，其特征在于，所述获得所述透镜的面型包括：

通过轮廓仪得到所述透镜的面型数据；

拟合所述面型数据得到所述面型。

11.如权利要求7所述的复合透镜制作方法，其特征在于，所述根据所述面型在所述基底的第二表面形成第一超表面结构阵列包括：利用时域有限差分方法对多个待选超表面结构单元建模，得到每个所述待选超表面结构单元在不同入射波长下产生的相位；

根据所述相位确定所述待选超表面结构单元所提供的色散值；

根据所述面型确定在距透镜圆心的预设位置处，所述透镜所需的理论相位和理论色散值；

根据所述理论相位、所述理论色散值、所述相位、所述色散值，从所述待选超表面结构单元中确定在所述预设位置处需设置的所述超表面结构单元，形成所述第一超表面结构阵列。

12.如权利要求8至11任一项所述的复合透镜制作方法，其特征在于，所述获得所述基底包括：

获得待处理基底；

利用掩膜版覆盖位于所述待处理基底的上表面中部的第一预设区域，对所述待处理基底的所述上表面进行刻蚀，使未被掩膜版覆盖的区域被刻蚀至第一高度；

利用掩膜版覆盖所述待处理基底的上表面的第二预设区域，对所述待处理基底的所述上表面进行刻蚀，使未被掩膜版覆盖的区域被刻蚀至第二高度，得到具有左右对称的阶梯状表面的所述基底；其中，所述第二预设区域包括所述第一预设区域且大于所述第一预设区域。

13.如权利要求7所述的复合透镜制作方法，其特征在于，所述超表面结构单元和所述基底采用SOI片制得。

14.一种红外探测器，其特征在于，包括：如权利要求1至6任一项所述的复合透镜，基板晶圆，焦平面探测器阵列，读出电路，键合部，电极焊点。

说明书

一种复合透镜及其制作方法、红外探测器

技术领域

[0001] 本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种复合透镜及其制作方法、红外探测器。

背景技术

[0002] 随着光学技术的发展，光学器件的大规模集成，小型化和功能多样性成为新的发展目标。

[0003] 由于传统透镜的体积和重量均较大，基于超表面的复合透镜应运而生。超表面是一种二维光学平面，通过按照特定方式排列在超表面的亚波长结构，可以实现对入射电磁
波振幅、相位以及偏振等参量的灵活调控，突破了传统光学透镜的电磁属性。目前，基于超
表面的复合透镜图1所示，在基底的一个表面分布有超表面结构阵列，由光刻胶形成的球透
镜覆盖于超表面上方，一旦球透镜加工完成，产生的加工误差则无法通过调整超表面结构
阵列进行修正，进而影响了复合透镜的成像效果。

[0004] 因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

发明内容

[0005] 本申请的目的是提供一种复合透镜及其制作方法、红外探测器，以修正由于透镜的面型加工误差而产生的像差，提升复合透镜的成像效果。

[0006] 为解决上述技术问题，本申请提供一种复合透镜，包括：

[0007] 基底；

[0008] 位于所述基底第一表面的透镜；

[0009] 根据所述透镜的面型设置在所述基底第二表面的第一超表面结构阵列，所述第一超表面结构阵列包括多个超表面结构单元；

[0010] 其中，所述第一表面与所述第二表面相背。

[0011] 可选的，还包括：

[0012] 键合层，用于连接所述透镜和所述基底的所述第一表面。

[0013] 可选的，当所述透镜为双凸球面球透镜时，还包括：

[0014] 位于所述基底的所述第一表面的第二超表面结构阵列，所述第二超表面结构阵列位于所述双凸球面球透镜与所述第一表面形成的空腔内，其中，所述第二超表面结构阵列
包括多个超表面结构单元。

[0015] 可选的，所述透镜和所述基底为一体式结构。

[0016] 可选的，所述基底的所述第二表面为阶梯状表面，且所述阶梯状表面为左右对称的表面。

[0017] 可选的，所述超表面结构单元为轴对称的超表面结构单元。

[0018] 本申请还提供一种复合透镜制作方法，包括：

[0019] 获得包括基底和透镜的透镜组合；所述透镜与所述基底的第一表面相连；

[0020] 获得所述透镜的面型；

[0021] 根据所述面型在所述基底的第二表面形成第一超表面结构阵列，所述第一超表面结构阵列包括多个超表面结构单元；

[0022] 其中，所述第一表面与所述第二表面相背。

[0023] 可选的，当所述透镜为双凸球面球透镜时，所述获得包括基底和透镜的透镜组合包括：

[0024] 获得所述基底；

[0025] 在透镜基板的上表面旋涂第一光刻胶；

[0026] 利用灰度光刻法、纳米压印法、激光直写法、热回流法中的任一种方法，对所述第一光刻胶进行处理以形成与所述双凸球面球透镜中第一球面相匹配的图案；

[0027] 对所述上表面进行刻蚀，形成所述双凸球面球透镜的所述第一球面；

[0028] 在所述透镜基板的下表面旋涂第二光刻胶；

[0029] 利用灰度光刻法、纳米压印法、激光直写法、热回流法中的任一种方法，对所述第二光刻胶进行处理以形成与所述双凸球面球透镜中第二球面相匹配的图案；

[0030] 对所述下表面进行刻蚀，形成所述双凸球面球透镜的所述第二球面，得到所述双凸球面球透镜；

[0031] 相应的，所述根据所述面型在所述基底的第二表面形成第一超表面结构阵列之后，还包括：

[0032] 在所述基底的所述第一表面形成第二超表面结构阵列，所述第二超表面结构阵列包括多个超表面结构单元；

[0033] 利用键合方式将所述双凸球面球透镜与所述基底的所述第一表面连接；其中，所述第二超表面结构阵列位于所述双凸球面球透镜与所述第一表面形成的空腔内。

[0034] 可选的，当所述透镜为平凸球面球透镜时，所述获得包括基底和透镜的透镜组合包括：

[0035] 获得所述基底；

[0036] 在所述基底的第一表面旋涂第三光刻胶；

[0037] 利用灰度光刻法、纳米压印法、激光直写法、热回流法中的任一种方法，对所述第三光刻胶进行处理以形成与平凸球面球透镜的球面相匹配的图案；

[0038] 对所述第一表面进行刻蚀形成所述平凸球面球透镜，得到所述基底和所述透镜的所述透镜组合。

[0039] 可选的，所述获得所述透镜的面型包括：

[0040] 通过轮廓仪得到所述透镜的面型数据；

[0041] 拟合所述面型数据得到所述面型。

[0042] 可选的，所述根据所述面型在所述基底的第二表面形成第一超表面结构阵列包括：

[0043] 利用时域有限差分方法对多个待选超表面结构单元建模，得到每个所述待选超表面结构单元在不同入射波长下产生的相位；

[0044] 根据所述相位确定所述待选超表面结构单元所提供的色散值；

[0045] 根据所述面型确定在距透镜圆心的预设位置处，所述透镜所需的理论相位和理论色散值；

[0046] 根据所述理论相位、所述理论色散值、所述相位、所述色散值，从所述待选超表面结构单元中确定在所述预设位置处需设置的所述超表面结构单元，形成所述第一超表面结
构阵列。

[0047] 可选的，所述获得所述基底包括：

[0048] 获得待处理基底；

[0049] 利用掩膜版覆盖位于所述待处理基底的上表面中部的第一预设区域，对所述待处理基底的所述上表面进行刻蚀，使未被掩膜版覆盖的区域被刻蚀至第一高度；

[0050] 利用掩膜版覆盖所述待处理基底的上表面的第二预设区域，对所述待处理基底的所述上表面进行刻蚀，使未被掩膜版覆盖的区域被刻蚀至第二高度，得到具有左右对称的
阶梯状表面的所述基底；其中，所述第二预设区域包括所述第一预设区域且大于所述第一
预设区域。

[0051] 可选的，所述超表面结构单元和所述基底采用SOI片制得。

[0052] 本申请还提供一种红外探测器，包括：上述任一种所述的复合透镜，基板晶圆，焦平面探测器阵列，读出电路，键合部，电极焊点。

[0053] 本申请所提供的一种复合透镜，包括：基底；位于所述基底第一表面的透镜；根据所述透镜的面型加工误差设置在所述基底第二表面的第一超表面结构阵列，所述第一超表
面结构阵列包括多个超表面结构单元；其中，所述第一表面与所述第二表面相背。

[0054] 可见，本申请中的复合透镜包括基底，以及分别位于基底相背的第一表面和第二表面的透镜和第一超表面结构阵列，由于透镜和第一超表面结构阵列在基底两个不同的表
面上，透镜制作完成后，可以根据透镜的面型加工误差而设置第一超表面结构阵列，以修正
透镜加工时由于面型误差而产生的像差，提升成像效果，并且由于可以在透镜制作完成后
设置第一超表面结构阵列，对加工误差的容忍度极高。

[0055] 此外，本申请还提供一种具有上述优点的复合透镜制作方法和红外探测器。

附图说明

[0056] 为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申
请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根
据这些附图获得其他的附图。

[0057] 图1为现有技术中基于超表面的复合透镜结构示意图；

[0058] 图2为本申请实施例所提供的一种复合透镜的结构示意图；

[0059] 图3为本申请实施例所提供的另一种复合透镜的结构示意图；

[0060] 图4为本申请实施例所提供的阶梯状表面的基底与第一超表面结构阵列的结构示意图；

[0061] 图5至图12为申请实施例所提供的轴对称的超表面结构单元的结构示意图；

[0062] 图13为不同入射波长下复合透镜的焦距分布图；

[0063] 图14为不同入射波长下透镜后xz平面上的光强分布图；

[0064] 图15为不同入射波长下，复合透镜焦平面半高宽；

[0065] 图16为9.6um入射波长下，复合透镜光学传递函数曲线和衍射极限的对比图；

[0066] 图17为本申请实施例所提供的一种复合透镜制作方法的流程图；

[0067] 图18至图20为申请实施例所提供的一种基底和透镜的制作工艺图；

[0068] 图21为复合透镜偏差面型的示意图；

[0069] 图22为不同入射波长下，第一超表面结构阵列对加工误差修正后的复合透镜焦点以及没有进行加工误差修正时焦点的分布图；

[0070] 图23至图28为申请实施例所提供的另一种基底和透镜的制作工艺图；

[0071] 图29为分布有第一超表面结构阵列和第二超表面结构阵列的基底的结构示意图；

[0072] 图30至图32为申请实施例所提供的一种基底的制作工艺图；

[0073] 图33至图38为申请实施例所提供的采用SOI技术制作超表面结构单元的制作工艺图；

[0074] 图39为申请实施例所提供的一种红外探测器的结构示意图。

具体实施方式

[0075] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是
全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提
下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0076] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的
情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0077] 正如背景技术部分所述，现有的基于超表面的复合透镜在基底的一个表面分布有超表面结构阵列，由光刻胶形成的球透镜覆盖于超表面上方，一旦球透镜加工完成，产生的
加工误差则无法通过调整超表面结构阵列进行修正，进而影响了复合透镜的成像效果。

[0078] 有鉴于此，本申请提供了一种复合透镜，请参考图2，图2为本申请实施例所提供的一种复合透镜的结构示意图，包括：

[0079] 基底2；

[0080] 位于所述基底2第一表面的透镜3；

[0081] 根据所述透镜3的面型设置在所述基底2第二表面的第一超表面结构阵列1，所述第一超表面结构阵列1包括多个超表面结构单元；其中，所述第一表面与所述第二表面相
背。

[0082] 需要说明的是，本申请中对基底2、透镜3、第一超表面结构阵列1的材料不做具体限定，根据复合透镜3的应用波段而定。当复合透镜3的应用波段为中红外波段、远红外波段
时，基底2、透镜3、第一超表面结构阵列1的材料均为单晶硅；当复合透镜3的应用波段为可
见光波段、近红外波段时，基底2和透镜3的材料均为玻璃，第一超表面结构阵列1的材料为
α‑硅。

[0083] 还需要说明的是，本申请中对透镜3的面型不做具体限定，视情况而定。例如，透镜3既可以为球透镜，也可以为非球透镜。

[0084] 超表面结构单元为亚波长结构单元，本申请中对第一超表面结构阵列1中的超表面结构单元的数量、形状以及长度均不作具体限定，视情况而定。

[0085] 以透镜3为平凸球面球透镜3为例，请参考图2，透镜3透镜3所述透镜3和所述基底2为一体式结构。其中，平凸球面球透镜3与第一超表面结构阵列1共光轴。

[0086] 作为一种具体实施方式，复合透镜3还可以包括：

[0087] 键合层，用于连接所述透镜3和所述基底2的所述第一表面。以图2中的复合透镜3为例进行说明，即在基底2与透镜3之间设置键合层。

[0088] 请参考图3，图3为本申请实施例所提供的另一种复合透镜3的结构示意图，当所述球透镜3为双凸球面球透镜3时，复合透镜3还包括：

[0089] 位于所述基底2的所述第一表面的第二超表面结构阵列5，所述第二超表面结构阵列5位于所述双凸球面球透镜3与所述第一表面形成的空腔内，其中，所述第二超表面结构
阵列5包括多个超表面结构单元。

[0090] 本申请中不对键合层4进行限定，可自行设置。例如，键合层4可以为硅‑硅键合层4，或者金‑硅共晶键合层4，或者金‑金键合层4等。

[0091] 需要指出的是，本申请中对第二超表面结构阵列5中的超表面结构单元的数量、形状以及长度均不作具体限定，视情况而定。当复合透镜3的应用波段为中红外波段、远红外
波段时，第二超表面结构阵列5的材料均为单晶硅；当复合透镜3的应用波段为可见光波段、
近红外波段时，第二超表面结构阵列5的材料为α‑硅。

[0092] 图2所示的复合透镜3可以有效消除球差和色差，随着复合透镜3的口径的增加，复合透镜3所需的色散将显著提升，图2所示的复合透镜3中的第一超表面结构阵列1能够与提
供的色散将无法满足复合透镜3的需求，此时，在复合透镜3中设置第二超表面结构阵列5，
与第一超表面结构阵列1共同为复合透镜3提供所要的色散，复合透镜3口径可以继续扩大，
增大使用范围。

[0093] 本申请中的复合透镜3包括基底2，以及分别位于基底2相背的第一表面和第二表面的透镜3和第一超表面结构阵列1，由于透镜3和第一超表面结构阵列1在基底2两个不同
的表面上，透镜3制作完成后，可以根据透镜3的面型而设置第一超表面结构阵列1，以修正
透镜3加工时由于面型误差透镜3而产生的像差，提升成像效果，并且由于可以在透镜3制作
完成后设置第一超表面结构阵列1，对加工误差的容忍度极高。

[0094] 在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，请参见图4，所述基底2的所述第二表面为阶梯状表面，且所述阶梯状表面为左右对称的表面。

[0095] 需要说明的是，阶梯状表面为左右对称的表面即，从第二表面的左右两侧向中间的方向上具有相同数量、相同高度以及相同台阶面宽度的台阶，使得阶梯状第二表面关于
中线对称。

[0096] 第一超表面结构阵列1中的多个超表面结构单元分布在不同台阶面上。

[0097] 由于第二表面为阶梯状表面，使得基底2存在厚度不同的区域，光线在不同厚度的基底2中的光程不同，高厚度区域的超表面结构单元能够产生更大的色散，低厚度区域的超
表面结构单元能够提供较小的色散，拓宽超表面结构单元所能提供的色散数值的上下限，
进而拓宽超表面结构单元能够提供的色散范围，进一步增大复合透镜3的口径。

[0098] 可以理解的是，当第一表面分布有第二超表面结构阵列5时，第一表面也可以根据需要设置为左右对称的台阶状表面。

[0099] 优选地，在本申请的一个实施例中，所述超表面结构单元为轴对称的超表面结构单元，以降低复合透镜3对入射电磁波偏振态的敏感性。

[0100] 需要说明的是，轴对称的超表面结构单元的形状包括但不限于方形柱，方形环，十字状，田字状，圆柱，圆环，圆环与圆柱组合，圆十字，对应的结构示意图如图5至图12所示。
轴对称的超表面结构单元的深度与高度一致。

[0101] 不同的轴对称的超表面结构单元拥有不同尺寸自由度，每个轴对称的超表面结构单元可以调整的尺寸自由度从1至3不等，例如，对于方形柱的超表面结构单元，自由度为1，
指截面的正方形的边长，对于方形环的超表面结构单元，自由度为2，分别指截面的两个正
方形的边长，对于不同的轴对称的超表面结构单元，可以在允许尺寸范围内，选择一个特定
步长改变轴对称的超表面结构单元的尺寸，得到包括大量的表面结构单元的表面结构单元
数据库。

[0102] 为了简化轴对称的超表面结构单元的制作工艺，将轴对称的超表面结构单元的高度设置成固定值。

[0103] 下面以图2所示的复合透镜3为例，设计焦距为5mm，控制入射波段为8～12μm，对复合透镜3的性能进行表征。

[0104] 请参见图13，横坐标为入射波产，纵坐标为焦距，可以得出，焦距随入射波长偏移率为0.26％，并且无论是该波段内的何种波长，都可以汇聚在设计焦距5mm附近。进一步结
合图14中不同入射波长下透镜3后xz平面上的光强分布图可知，复合透镜3实现了良好的消
色差功能。

[0105] 请参见图15，横坐标为入射波产，纵坐标为透镜3焦平面半高宽，在不同入射波长下，半高宽在8‑14μm范围内不等，表明焦点处的汇聚情况良好，分辨率较高。

[0106] 进一步参见图16，横坐标为空间频率，纵坐标为光学传递函数，在9.6um入射波长下，当光学传递函数数值下降至0.1时，对应的空间频率为76lp/mm，图16中的曲线表明复合
透镜3分辨率较好，基本能够接近衍射极限。

[0107] 本申请还提供一种复合透镜制作方法，请参见图17，图17为本申请实施例所提供的一种复合透镜制作方法的流程图，包括：

[0108] 步骤S101：获得包括基底和透镜的透镜组合；所述透镜与所述基底的第一表面相连。

[0109] 步骤S102：获得所述透镜的面型。

[0110] 步骤S103：根据所述面型在所述基底的第二表面形成第一超表面结构阵列，所述第一超表面结构阵列包括多个超表面结构单元；其中，所述第一表面与所述第二表面相背。

[0111] 本申请中对透镜的面型不做具体限定，例如，透镜既可以为球透镜，也可以为非球透镜。下面以球透镜为例，根据球透镜的种类不同，分别对复合透镜制作方法进行阐述。

[0112] 当所述透镜为平凸球面球透镜时，复合透镜制作方法包括：

[0113] 步骤S201：获得所述基底。

[0114] 步骤S202：在所述基底的第一表面旋涂第三光刻胶。

[0115] 本步骤请参见图18，基底2的上表面旋涂第三光刻胶6。

[0116] 步骤S203：利用灰度光刻法、纳米压印法、激光直写法、热回流法中的任一种方法，对所述第三光刻胶进行处理以形成与平凸球面球透镜的球面相匹配的图案。

[0117] 本步骤中以灰度光刻法为例进行具体说明，在第三光刻胶上方添加光刻掩膜板进行光刻，不同位置的第三光刻胶溶解情况不同，在基底表面形成厚度梯度，中间保留的第三
光刻胶比两侧厚，请参见图19。

[0118] 对于纳米压印法、激光直写法、热回流法的具体制作工艺已为本领域技术人员所熟知，此处不再详细赘述。

[0119] 步骤S204：对所述第一表面进行刻蚀形成所述平凸球面球透镜，得到所述基底和所述透镜的所述透镜组合。

[0120] 本步骤中，由于不同位置的第三光刻胶厚度不同，对分布有第三光刻胶的第一表面进行干法刻蚀，由于边缘处的第三光刻胶较中央处的薄，边缘刻蚀深度会显著大于中央
部分，逐渐形成球面，如图20所示。本步骤中透镜组合中的透镜为平凸球面球透镜。

[0121] 步骤S205：获得所述球透镜的面型。

[0122] 可选的，所述获得所述透镜的面型包括：

[0123] 步骤S2051：通过轮廓仪得到所述透镜的面型数据；

[0124] 步骤S2052：拟合所述面型数据得到所述面型。

[0125] 面型数据也可以通过台阶仪测得。以平凸球面球透镜的面型为椭圆曲面时为例，得到面型数据后，利用椭圆面型函数进行拟合得到面型。

[0126] 具体的，面型函数可以为椭圆面型函数 表示在刻蚀球面镜的过程中，两侧刻蚀速率较快，中央刻蚀速率较慢。

[0127] 刻蚀选择比是一项加工参数，决定透镜的形貌。假设在距离球面镜底面圆心距离r的某一位置，光刻胶厚度为δ(r)，理论刻蚀深度为H(r)，η0为此时的理论刻蚀选择比，那么
有δ(r)×η0＝H(r)。由于在实际加工过程中，刻蚀选择比在不同位置可能发生变化，导致加
工误差产生，因此，测量发生加工误差后球面镜的面型。

[0128] 步骤S206：根据所述面型在所述基底的第二表面形成第一超表面结构阵列，所述第一超表面结构阵列包括多个超表面结构单元；其中，所述第一表面与所述第二表面相背。

[0129] 可以理解的是，本步骤的面型为加工后的面型。透镜在不同位置处所需要的相位和色散数值发生变化，在表面结构单元数据库中找到与各个位置所需的理论值最接近的表
面结构单元，并排布在基底相应位置上形成第一超表面结构阵列，从而修正由于面型的加
工误差而产生的像差。

[0130] 以图2所示的复合透镜为例，此时设计焦距为5mm，入射波段为8～12μm，以利用椭圆面型函数进行修正为例，对本申请中复合透镜的成像效果进行仿真。图21为复合透镜偏
差面型的示意图，此时椭圆长轴位于水平方向，短轴位于竖直方向，图22为不同入射波长
下，第一超表面结构阵列对加工误差修正后的复合透镜焦点以及没有进行加工误差修正时
焦点的分布图，横坐标为入射波产，纵坐标为焦距，由图21和图22可知，由于透镜畸变为椭
圆面型，透镜汇聚能力增强，修正前复合透镜的焦点值相比于设计值较小，而修正后，焦点
值重新达到设计指标附近，此时焦点在工作带宽内的偏移率为0.048％。

[0131] 可选的，所述根据所述面型在所述基底的第二表面形成第一超表面结构阵列包括：

[0132] 步骤S2061：利用时域有限差分方法对多个待选超表面结构单元建模，得到每个所述待选超表面结构单元在不同入射波长下产生的相位。

[0133] 多个待选超表面结构单元包括但不限于上述八种不同尺寸的轴对称的超表面结构单元，利用时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain，简称FDTD)建模，扫描
不同几何尺寸的超表面结构单元，可以依次得到每种超表面结构单元在不同入射波长下对
入射电磁波产生的相位以及透过率。

[0134] 步骤S2062：根据所述相位确定所述待选超表面结构单元所提供的色散值。

[0135] 色散值为入射波段内与最长波长、最短波长对应的相位的差值。例如，当入射波段为8～12μm时，在FDTD方法扫描过程中，将8μm和12μm下的相位相减即可得出待选超表面结
构单元所能提供的色散值。进一步地，该入射波段的中心角频率对应波长为9.6μm，将9.6μm
入射波长入射的情况下，待选超表面结构单元产生的相位为排布超表面结构单元的基准相
位，则基于以上不同尺寸的待选超表面结构单元以及其在不同波长下产生的相位，可以建
立有关数据库。

[0136] 步骤S2063：根据所述面型确定在距透镜圆心的预设位置处，所述透镜所需的理论相位和理论色散值。

[0137] 其中，预设位置即为需要设置超表面结构单元的位置。

[0138] 单层超表面结构阵列起到汇聚透镜作用时，理论相位计算公式为：

[0139]

[0140] 式中， 为理论相位，f为焦距，λ为入射波长，r为预设位置距离复合透镜圆心的距离；

[0141] 理论色散值的计算公式为：

[0142]

[0143] 式中， 为理论色散值，f为焦距，λmin为入射波段内的最小波长，λmax为入射波段内的最大波长，r为预设位置距离超透镜圆心距离；

[0144] 获得透镜的面型数据后，基于公式(1)和公式(2)，再次利用软件进行优化，从而得到复合透镜中基底的第二表面各位置处对应的理论相位和理论色散。步骤S2064：根据所述
理论相位、所述理论色散值、所述相位、所述色散值，从所述待选超表面结构单元中确定在
所述预设位置处需设置的所述超表面结构单元，形成所述第一超表面结构阵列。

[0145] 将透镜在预设位置处所需的理论相位和理论色散值与待选超表面结构单元所能提供的相位和色散值进行匹配，即可确定在预设位置处需要设置的超表面结构单元。

[0146] 当所述透镜为双凸球面透镜时，复合透镜制作方法包括：

[0147] 步骤S301：获得所述基底。

[0148] 步骤S302：在透镜基板的上表面旋涂第一光刻胶。

[0149] 本步骤请参见图23，透镜基板8的上表面旋涂第一光刻胶7。

[0150] 步骤S303：利用灰度光刻法、纳米压印法、激光直写法、热回流法中的任一种方法，对所述第一光刻胶进行处理以形成与所述双凸球面球透镜中第一球面相匹配的图案。

[0151] 本步骤中以灰度光刻法为例进行具体说明，在第一光刻胶上方添加光刻掩膜板，进行光刻，中间保留的第一光刻胶比两侧厚，光刻后请参见图24。

[0152] 对于纳米压印法、激光直写法、热回流法的具体制作工艺已为本领域技术人员所熟知，此处不再详细赘述。

[0153] 步骤S304：对所述上表面进行刻蚀，形成所述双凸球面球透镜的所述第一球面。

[0154] 本步骤请参见图25，利用干法刻蚀技术进行刻蚀。

[0155] 步骤S305：在所述透镜基板的下表面旋涂第二光刻胶。

[0156] 本步骤请参见图26，在上表面被刻蚀后的透镜基板8的下表面旋涂第二光刻胶9。

[0157] 步骤S306：利用灰度光刻法、纳米压印法、激光直写法、热回流法中的任一种方法，对所述第二光刻胶进行处理以形成与所述双凸球面球透镜中第二球面相匹配的图案。

[0158] 本步骤中以灰度光刻法为例进行具体说明，在第二光刻胶上方添加光刻掩膜板进行光刻，光刻后请参见图27所示。

[0159] 步骤S307：对所述下表面进行刻蚀，形成所述双凸球面球透镜的所述第二球面，得到所述双凸球面球透镜。

[0160] 本步骤请参见图28，利用干法刻蚀技术进行刻蚀形成第二球面，得到双凸球面球透镜。

[0161] 步骤S308：获得双凸球面球透镜的面型。

[0162] 本步骤的具体过程请参考上述实施例，此处不再详细赘述。

[0163] 步骤S309：根据所述面型在所述基底的第二表面形成第一超表面结构阵列，所述第一超表面结构阵列包括多个超表面结构单元；其中，所述第一表面与所述第二表面相背。

[0164] 本步骤的具体过程请参考上述实施例，此处不再详细赘述。

[0165] 步骤S310：在所述基底的所述第一表面形成第二超表面结构阵列，所述第二超表面结构阵列包括多个超表面结构单元。

[0166] 可以理解的是，形成第二超表面结构阵列与形成第一超表面结构阵列的原理相同，具体请参考上述形成第一超表面结构阵列的过程，此处不再详细赘述。分布有第一超表
面结构阵列1和第二超表面结构阵列5的基底2的的结构示意图如图29所示。

[0167] 步骤S311：利用键合方式将所述双凸球面球透镜与所述基底的所述第一表面连接；其中，所述第二超表面结构阵列位于所述双凸球面球透镜与所述第一表面形成的空腔
内。

[0168] 可选的，键合方式可以为硅‑硅直接键合、共晶键合、金属热压键合中的任一种。

[0169] 具体的，对双凸球面球透镜与基底的第一表面进行清洁与活化，当采用硅‑硅键合时，在室温下使双凸球面球透镜的抛光面和第一表面的抛光面贴合在一起，利用短程分子
间作用力吸合在一起，然后把贴合好的结构在氧气或氮气环境下经数小时高温退火处理，
使得界面处发生物理化学反应，增加整体键合强度；当采用金属热压键合时，在双凸球面球
透镜和第一表面键合位置处生长金，然后进行键合；当采用共晶键合时，在双凸球面球透镜
或第一表面键合位置处生长金，进行金‑硅共晶键合；然后对键合后的结构进行切割，去除
多余结构，得到如图3所示的复合透镜。

[0170] 当复合透镜的应用波段为中红外波段、远红外波段时，透镜的材料为单晶硅，在制作过程中可以完全使用半导体工艺，例如上述的灰度光刻，电子束曝光以及干法刻蚀等，无
需使用其他传统加工方法对透镜进行加工，相较于现有技术中以光刻胶为材料的透镜，需
要利用激光飞秒技术对透镜的面型加工，本申请中的半导体加工工艺效率更高，成本降低。

[0171] 此外，由于现有的基于超表面的复合透镜使用光刻胶作为透镜，需要和超表面进行连接装配，界面处的稳定性和装配过程中的误差显然会对复合透镜成像的效果和稳定性
产生影响，而本申请中当复合透镜应用于红外波段、远红外波段时，基底、透镜、第一超表面
结构阵列的材料均为单晶硅，可以利用同一块硅材料制得复合透镜，无需将两部分分别制
造再进行装配。

[0172] 本申请中的复合透镜制作方法得到的复合透镜包括基底，以及分别位于基底相背的第一表面和第二表面的透镜和第一超表面结构阵列，由于透镜和第一超表面结构阵列在
基底两个不同的表面上，透镜制作完成后，可以根据透镜的面型而设置第一超表面结构阵
列，以修正透镜加工时由于面型误差而产生的像差，提升成像效果，并且由于可以在透镜制
作完成后设置第一超表面结构阵列，对加工误差的容忍度极高。

[0173] 优选地，在本申请的一个实施例中，所述获得所述基底包括：

[0174] 步骤S401：获得待处理基底。

[0175] 步骤S402：利用掩膜版覆盖位于所述待处理基底的上表面中部的第一预设区域，对所述待处理基底的所述上表面进行刻蚀，使未被掩膜版覆盖的区域被刻蚀至第一高度。

[0176] 请参考图30，本步骤中第一预设区域关于待处理基底10的上表面的中心线对称。

[0177] 步骤S403：利用掩膜版覆盖所述待处理基底的上表面的第二预设区域，对所述待处理基底的所述上表面进行刻蚀，使未被掩膜版覆盖的区域被刻蚀至第二高度，得到具有
左右对称的阶梯状表面的所述基底；其中，所述第二预设区域包括所述第一预设区域且大
于所述第一预设区域。

[0178] 请参考图31，本步骤中第二预设区域将第一预设区域均匀向外侧扩张，第二预设区域同样关于待处理基底的上表面的中心线对称，得到的阶梯状表面的基底如图32所示。

[0179] 为了便于加工制作，第一高度与第二高度的高度差，也即相邻台阶的高度差为1‑2um。

[0180] 基底的中央区域最厚，提供的色散值最大，两边衬底较薄，提供的色散值较小，可以将透镜外围边缘处的色散需求设计为超表面结构单元所能提供的最小色散值，色散需求
从边缘到中央逐渐上升，最大能提供的色散值由中央超表面结构单元所能提供的最大色散
值决定。

[0181] 本实施例中提供的是具有三台阶的基底的制作过程，本申请中对台阶数量并不做具体限定，视情况而定。

[0182] 在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述超表面结构单元和所述基底采用SOI(Silicon‑On‑Insulator，绝缘衬底上的硅)片制得，利用SiO2作为刻蚀阻挡
层，将所有超表面结构单元高度及其内孔深度控制为指定高度，以解决超表面结构单元刻
蚀高度出现不一致的情况。

[0183] 当透镜和基底为一体式结构时，第一超表面结构阵列、透镜和基底可以均由SOI片制得；当复合透镜设置有键合层时，例如图3所示，第一超表面结构阵列、第一超表面结构阵
列、基底可以均由SOI片制得，双凸球面球透镜由其他的材料制得。

[0184] 出现上述情况的原因是，由于超表面结构单元包含小尺寸孔状结构，超表面结构单元深宽比较大，在刻蚀过程中负载效应可能影响深硅刻蚀的均匀性，在图形密集区域，反
应离子消耗比非密集区域快，导致刻蚀速度下降，最终造成超表面结构单元刻蚀高度不一
致的情况。

[0185] 下面对采用SOI片制作超表面结构单元的过程进行描述。

[0186] 步骤S501：将包含预埋氧化层的硅晶圆中的上层硅的厚度打磨至和超表面结构单元具有相同的高度。

[0187] 请参考图33，上层硅12的厚度与超表面结构单元的高度相等，硅晶圆中预埋氧化层11的厚度在50～200nm之间，过厚的预埋氧化层11将影响复合透镜的透过率。

[0188] 步骤S502：在硅晶圆的上表面旋涂第四光刻胶，并添加光刻掩膜板对第四光刻胶进行光刻。

[0189] 本步骤请参考图34至图35，在上层硅12的上表面旋涂第四光刻胶13，并添加光刻掩膜板14进行光刻。

[0190] 步骤S503：以剩余的第四光刻胶作为掩模，对上层硅进行干法刻蚀，得到高度一致的超表面结构单元。

[0191] 本步骤请参考图36至图37所示，由于预埋氧化层11的存在，所有超表面结构单元的高度将被控制为和上层硅一致的高度。

[0192] 步骤S504：用干法工艺或者湿法工艺去除开口区的预埋氧化层。

[0193] 本步骤请参考图38所示，去除开口区预埋氧化层11，可以减少由于预埋氧化层11导致的透过率下降问题。

[0194] 需要指出的是，当复合透镜同时包括第一超表面结构阵列和第二超表面结构阵列时，可以在两片包含预埋氧化层的硅晶圆上单独制备第一超表面结构阵列和第二超表面结
构阵列中的超表面结构单元，然后再对包含预埋氧化层的硅晶圆进行键合。

[0195] 本申请还提供一种红外探测器，请参考图39，红外探测器包括上述任一实施例中所述的复合透镜，基板晶圆15，焦平面探测器阵列16，读出电路17，键合部18，电极焊点19。

[0196] 复合透镜通过键合部18作为硅窗口覆盖在基板晶圆15上，起到密封保护作用。焦平面探测器阵列16和读出电路17是利用单片集成技术直接在基板晶圆15上生长得到，电极
焊点19用于外部的电路连接。

[0197] 可选的，红外探测器还包括红外镜头组20，红外镜头组20包含其他的光学透镜，可参考现有的相关红外探测器。

[0198] 入射红外光经过红外探测器中的第一超表面结构阵列1，再经过透镜3，聚焦在焦平面探测器阵列16上，焦平面探测器阵列16集成了大量光信号探测器，光信号探测器在积
分时间内将光信号转换为电信号，读出电路17对信号进行积分，读出，噪声消除，整形后，通
过内部引脚输出到基板晶圆15上。

[0199] 由于第一超表面结构阵列的引入，红外镜头组中需要的其他传统光学透镜数量有所减少，甚至可以不使用红外镜头组，在降低成本的基础上，减小了红外探测器的质量与体
积。本申请中的红外探测器，入射红外的波段得以延伸，同时扩大了红外探测器能够实现消
像差的口径，拓宽了红外镜头组的成像范围。此外，还可以灵活修正红外镜头组在加工或其
他过程中产生的像差，提升红外探测器的灵敏度。

[0200] 需要说明的是，对于图39所示的红外探测器，复合透镜中的第一超表面结构阵列1和透镜3的位置可以互换。

[0201] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装
置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分
说明即可。

[0202] 以上对本申请所提供的复合透镜及其制作方法、红外探测器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于
帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在
不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落
入本申请权利要求的保护范围内。