圖像傳感器集成微透鏡陣列設(shè)計

南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文11 緒論1.1、CCD 的發(fā)展現(xiàn)狀自從 1970 年美國貝爾實驗室研制成功第一只電荷耦合器件(CCD)以來，依靠業(yè)已成熟的 MOS 集成電路工藝，CCD 技術(shù)得以迅速發(fā)展 【2】 。CCD 圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測量等領(lǐng)域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD 圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點 【5】 。其應(yīng)用領(lǐng)域也極其廣泛，涉及到航天、航空、遙感、衛(wèi)星偵察、天文觀測、通訊等眾多領(lǐng)域。 CCD 圖像傳感器經(jīng)過近 30 年的發(fā)展，目前已經(jīng)成熟并實現(xiàn)了商品化。CCD 圖像傳感器從最初簡單的 8 像元移位寄存器發(fā)展至今，已具有數(shù)百萬至上千萬像元 【12】 。由于 CCD 圖像傳感器具有很大的潛在市場和廣闊的應(yīng)用前景，因此，近年來國際上在這方面的研究工作進(jìn)行得相當(dāng)活躍，美國、日本、英國、荷蘭、德國、加拿大、俄羅斯、南韓等國家均投入了大量的人力、物力和財力，并在 CCD 圖像傳感器的研究和應(yīng)用方面取得了令人矚目的成果 【1】 。美國和日本的器件和整機(jī)系統(tǒng)已進(jìn)入了商品化階段。 CCD 的發(fā)展趨勢是高分辨率、高速度和微型化。從 1993 年德州儀器公司報道 10241024 像元 CCD 開始，目前 CCD 像元數(shù)已從 100 萬像元提高到 2000 萬像元以上。福特空間公司還推出了 20482048、40964096 像元幀轉(zhuǎn)移 CCD。在攝像機(jī)方面，日電公司制成了 40965200 像元的超高分辨率 CCD 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，分辨率高達(dá) 10001000 條 TV 線。加拿大達(dá)爾薩(Dalsa)公司報道了 51205120 像元幀轉(zhuǎn)移 CCD【10】 。荷蘭菲利浦成像技術(shù)公司研制成功了 70009000 像元 CCD。1997年美國 EGGRetion 研制出 61446144、81928192 像元高分辨率 CCD 圖像傳感器。亞利桑那大學(xué)報道了 91269126 像元 CCD，1999 年歐洲南部天文開發(fā)成功 81848196 像元多光譜、寬視場 CCD 攝像器件，并計劃在 2001 年開發(fā)出 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文21600016000 像元的 CCD。1998 年日本采用拼接技術(shù)開發(fā)成功了 1638412288 像元即(40963072)4 像元的 CCD 圖像傳感器 【8-9】 。目前美國、日本、德國和法國的部分公司已開發(fā)出長線陣和大面陣可見光 CCD 圖像傳感器。另外，法國、美國和日本的部分公司還研制出具有多針相模式工作的 CCD(即 MPPCCD)圖像傳感器。 國內(nèi) CCD 圖像傳感器的研制工作也在穩(wěn)步地進(jìn)行。目前第一代普通線陣 CCD 圖像傳感器(光敏元為 MOS 結(jié)構(gòu))和第二代對藍(lán)光響應(yīng)特性好的(光敏元為光電二極管陣列)CCPD 均已形成 128、256、512、1024、1728、2048、2500 像元的系列產(chǎn)品在實驗室已做出了 3456、4096 像元的 CCPD 樣品；面陣 CCD 圖像傳感器已研制出 256320、512320、491384、580394、512512、600500、756581、800800 像元器件。在實驗室已研制出了 10241024，20482048 像元的器件，基本上形成了系列化產(chǎn)品 【2-3】 。隨著器件性能的改進(jìn)，CCD 攝像機(jī)也將得到迅速發(fā)展。除可見光 CCD 圖像傳感器外，國內(nèi)目前還研制出了線陣 64、128、256、1024 像元和面陣 3264、128128、256256 像元硅化鉑肖特基勢壘紅外 CCD(PtSi IRCCD)【6】 。目前國內(nèi)正在研制和開發(fā)的 CCD 有：512512 像元 X 射線 CCD、512512 像元光纖面板耦合 CCD 像敏器件、512512 像元幀轉(zhuǎn)移可見光CCD、10241024 像元紫外 CCD、1024 像元 X 射線 CCD、 512512 像元 PtSi IRCCD、微光 CCD 和多光譜紅外 CCD 等 【9】 。但由于受經(jīng)費(fèi)、設(shè)備等因素影響，國內(nèi) CCD 圖像傳感器的研究進(jìn)展尚不夠迅速，目前還沒有生產(chǎn)能力，與國際先進(jìn)水平相比差距很大。就 CCD 的應(yīng)用潛力而言，也最多不過發(fā)揮了 1左右。據(jù)悉，信息產(chǎn)業(yè)部下屬研究所目前已從美國和俄羅斯引進(jìn)可見光和紅外 CCD 芯片生產(chǎn)線并開展試驗工作，這將大大促進(jìn)我國 CCD 芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 【15】 。 1.2、微透鏡及陣列 微透鏡陣列是陣列光學(xué)器件中一類重要的光學(xué)元件，它是一系列孔徑在幾個微米至幾百微米的微小型透鏡按一定排列組成的陣列。根據(jù)其光學(xué)原理的不同，基本上可以將微透鏡分成兩種：基于光的折射理論的折射微透鏡陣列和基于光的衍射理論的南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文3衍射微透鏡陣列。 由于微透鏡具有尺寸小，便于大規(guī)模制造、傳輸損耗小，可制成陣列形式、有特殊功能等優(yōu)點，因而廣泛用于微光學(xué)系統(tǒng)中的微型元件，光學(xué)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，光學(xué)平行處理系統(tǒng)中的互連元件，寬場和紅外成像系統(tǒng)中的元件，光學(xué)濾波和材料加工系統(tǒng)中的衍射元件，以及用于抗反射和偏振態(tài)控制的亞波長光柵結(jié)構(gòu)等等 【11】 。 衍射微透鏡與經(jīng)典光學(xué)元件組合可以改善其光學(xué)性能(視場和孔徑角)參數(shù)及成像質(zhì)量(對比度和分辨率)，還可以實現(xiàn)與經(jīng)典元件的色散補(bǔ)償。這些特點可促進(jìn)光學(xué)儀器和元件向集成化、多功能化發(fā)展。有關(guān)二元光學(xué)的詳細(xì)論述在其它文章中已有報道。當(dāng)前隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，人們要求光學(xué)元件小型化、集成化，微型透鏡陣列作為新一代的光學(xué)元件在光學(xué)領(lǐng)域里得到了廣泛的運(yùn)用。在微小光學(xué)系統(tǒng)中，它可用于光信息處理、光計算、光互連、光數(shù)據(jù)傳輸、兩維點光源產(chǎn)生。也可用于復(fù)印機(jī)、圖像掃描器、傳真機(jī)、照相機(jī)以及醫(yī)療衛(wèi)生器械中 【16】 。在一些新型的攝像機(jī)中微透鏡陣列直接制作在電荷耦合器件（CCD）的表面上，用于光線的聚集，提高 CCD 器件的靈敏度 【19】 。 1.3、本論文的研究 1.3.1、背景及目的 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，微光學(xué)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，已經(jīng)成為 21世紀(jì)科技發(fā)展中的一個重要課題。從目前來看，微透鏡無論在軍事上還是在民用上都發(fā)揮著舉足輕重的作用。在日、美、英、德等一些發(fā)達(dá)國家，對微光學(xué)和微透鏡的研究已經(jīng)引起政府部門的高度重視，競相投資發(fā)展這一光學(xué)前沿領(lǐng)域及其在軍事上，南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文4如紅外探測、精確制導(dǎo)、偵察、搜索和預(yù)警以及夜間和惡劣天氣時的作戰(zhàn)輔助等方面的應(yīng)用。我國在微透鏡陣列研究方面起步較晚，基礎(chǔ)薄弱，再加上我國的總體科技水平與發(fā)達(dá)國家相比，還有一定的距離，所以盡管在微透鏡方面做了一些工作，但陣列規(guī)模相對較小，單元尺寸相對較大，離實用化階段還有一段距離。CCD 圖像傳感器是現(xiàn)代廣泛應(yīng)用的一類重要光電器件。高靈敏度和高分辨率成像探測系統(tǒng)通常要求傳感器的響應(yīng)率和探測率高、噪聲低、像元數(shù)大、像元尺寸小和填充因子大。由于材料制備和工藝制作上的困難，這些要求一般很難同時實現(xiàn)。例如空間分辨率的提高可以采取縮小像元尺寸，增大陣列規(guī)模來實現(xiàn)，但像元尺寸的減小將導(dǎo)致光電信號減弱，信噪比特性惡化。這對于低填充系數(shù)的圖像傳感器陣列更為不利。微透鏡陣列技術(shù)的發(fā)展為這些困難的解決提供了一條簡捷而高效的途徑。 微透鏡陣列改善像質(zhì)的應(yīng)用主要集中在 CCD 的主要生產(chǎn)國或地區(qū)，如日本、歐洲和美國，因此這些國家和地區(qū)開展微透鏡技術(shù)應(yīng)用于圖像傳感器聚光功能的研究較早，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于其產(chǎn)品中。實驗室在國內(nèi)較早開展了微透鏡陣列技術(shù)提高圖像傳感器填充系數(shù)從而提高成像質(zhì)量的研究。制作了可用于紅外 CCD 和可見 CCD 的微透鏡陣列，并實現(xiàn)了微透鏡與紅外 CCD 圖像傳感器的集成。紅外 CCD 集成微透鏡后的靈敏度比集成前提高了 12 倍以上，達(dá)到了國外同期的水平，此項技術(shù)已經(jīng)開始服務(wù)于生產(chǎn)。 本文的目的主要是設(shè)計合適的微透鏡陣列與 CCD 圖像傳感器集成。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文51.3.2、研究內(nèi)容本文研究的內(nèi)容是根據(jù) CCD 圖像傳感器設(shè)計出合適的微透鏡整列與之匹配。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文62、CCD 圖像傳感器 常用的圖像傳感器包括電荷耦合器件（CCD）和 CMOS 有源像元傳感器(APS)。CCD 是目前技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的圖像傳感器，從功能上可分為線陣 CCD 和面陣 CCD 兩大類，根據(jù)應(yīng)用的波段不同又可分為可見光和紅外 CCD。CCD 單元結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。它是由金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）構(gòu)成的密排器件。一般是在 p 型(或 n 型)Si 單晶的襯底上生長一層 SiO2層，再在 SiO2層上沉積具有一定形狀金屬電極(柵極)，一般是鋁，形成 MOS 結(jié)構(gòu)。 圖 2-1 CCD 單元結(jié)構(gòu)圖 2.1、CCD 發(fā)展史 CCD 是于1969年由美國貝爾實驗室（Bell Labs）的維拉波義耳(Willard S. Boyle）和喬治史密斯（GeorgeE. Smith）所發(fā)明的。當(dāng)時貝爾實驗室正在發(fā)展影像電話和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存。將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來后，波義耳和史密斯得出一種裝置，他們命名為“電荷氣泡元件” （Charge “Bubble“ Devices） 。這種裝置的特性就是它能沿著一片半導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來做為記憶裝置，當(dāng)時只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)能使此種元件表面產(chǎn)生電荷，而組成數(shù)位影像。 到了70年代，貝爾實驗室的研究員已經(jīng)能用簡單的線性裝置捕捉影像，CCD 就此誕生。有幾家公司接續(xù)此一發(fā)明，著手進(jìn)行進(jìn)一步的研究，包括快捷半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor） 、美國無線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instruments） 。其中快捷半導(dǎo)體的產(chǎn)品領(lǐng)先上市，于1974年發(fā)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文7表500單元的線性裝置和100x100像素的平面裝置。 2.2、功能特性可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動，性能穩(wěn)定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大；4.響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學(xué)方法測量外徑的儀器，把 CCD 器件作為光電接收器。CCD 從功能上可分為線陣 CCD 和面陣 CCD 兩大類。線陣 CCD 通常將 CCD 內(nèi)部電極分成數(shù)組，每組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數(shù)由 CCD 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)相異的 CCD可滿足不同場合的使用要求。線陣 CCD 有單溝道和雙溝道之分，其光敏區(qū)是 MOS 電容或光敏二極管結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝相對較簡單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現(xiàn)實時控制，但獲取信息量小，不能處理復(fù)雜的圖像（線陣 CCD 如右圖所示） 。面陣 CCD 的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個方陣，并以一定的形式連接成一個器件，獲取信息量大，能處理復(fù)雜的圖像。2.3、CCD 器件的工作原理 面陣 CCD 的發(fā)展趨勢是大面陣、小像元、寬光譜、抗輻射和微型化。國外繼美國軌道公司和加拿大達(dá)爾莎傳感器公司 1994 年研制成功單片集成 51205120 像元 CCD 后，荷蘭菲利浦光電子中心在 6 英寸晶片上研制出 90007000 像元 CCD 陣列，最近美國亞利那大學(xué)研制的 CCD 芯片，分辨率已達(dá) 91269126 的空前高度。目前最小像元尺寸為 3.24m3.275m，38 萬像元陣列正趨向于 1/6 英寸以下芯片尺寸。 通常將 CCD 內(nèi)部電極分成數(shù)組，每組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。光從半導(dǎo)體器件一側(cè)照射，在 MOS 結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了光生電子空穴對。光生少子被相應(yīng)的勢阱收集，形成信號電荷。CCD 信號電荷的傳輸是通過控制各像素上的電極電壓，使信號電荷包在半導(dǎo)體表面或體內(nèi)作定向運(yùn)動，如圖 2-2 所示。CCD 的傳輸系統(tǒng)可以分為三相、二相或四相。所需相數(shù)由 CCD 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)相異的 CCD 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文8可滿足不同場合的使用要求。線陣 CCD 有單溝道和雙溝道之分，其光敏區(qū)是 MOS 電容或光敏二極管結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝相對較簡單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現(xiàn)實時控制，但獲取信息量小，不能處理復(fù)雜的圖像。面陣 CCD 的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。它由很多光敏區(qū)排列成一個方陣，并以一定的形式連接成一個器件，獲取信息量大，能處理復(fù)雜的圖像。常見的面陣 CCD 按結(jié)構(gòu)分為行間轉(zhuǎn)移(IT-CCD)和幀轉(zhuǎn)移（FT-CCD）兩大類，它們的基本結(jié)構(gòu)見圖 2-3。由圖可以看出，IT-CCD 的受光面包括光敏區(qū)和信號讀出電路、寄存區(qū)等組成，由于讀出電路和寄存區(qū)的存在，故使得 CCD 的填充因子不會很高，一般只有 30左右；而 FT-CCD 專門設(shè)計了獨(dú)立的寄存區(qū)，且與光敏區(qū)分開，這樣受光面上的光敏區(qū)面積可以設(shè)計得很大，從而使得其填充因子可以達(dá)到一個很高的水平。隨著 CCD 技術(shù)的飛速發(fā)展，在這兩種基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又產(chǎn)生了許多新的類型，如全幀轉(zhuǎn)移 FFT-CCD、隔列內(nèi)線轉(zhuǎn)移 IIT-CCD、幀內(nèi)線轉(zhuǎn)移 FIT-CCD、累進(jìn)掃描內(nèi)線轉(zhuǎn)移 PSIT-CCD 等，其型號繁多，并正以各種形式的陣列、尺寸、價格大量上市。 紅外電荷耦合器件(IRCCD)，是在硅 CCD 和紅外探測器陣列技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代固體焦平面技術(shù)。它的發(fā)展不但使圖像傳感器的工作波段從可見推廣到中遠(yuǎn)紅外，而且為制造集成像敏感與信號處理為一體的“靈巧圖像傳感器”拓開了廣闊的前景。用多元紅外探測器陣列代替 CCD 的光敏區(qū)部分，完成對目標(biāo)紅外輻射的光電轉(zhuǎn)換，將光生電荷注入到 CCD 寄存器中，由 CCD 完成延時、積分、傳輸?shù)刃盘柼幚?，就?gòu)成了紅外 CCD。以 CCD 為基礎(chǔ)的固體紅外圖像敏感器，有單片式和混合式兩種結(jié)構(gòu)。單片式 IRCCD 是把紅外探測器和具有掃描功能的 CCD 集成在同一襯底上。這里，CCD 的作用只是電荷包的轉(zhuǎn)移和讀出，而由輻射能到信號電子的轉(zhuǎn)換則由紅外敏感器件完成?；旌鲜?IRCCD 是將紅外探測器陣列與完成讀出功能的硅 CCD 相接。這里，CCD 起一個多路轉(zhuǎn)換器的作用。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文9圖 2-2 CCD 內(nèi)部信號電荷傳輸原理 圖 2-3 面陣 CCD 結(jié)構(gòu) 在面陣 CCD 相機(jī)中，內(nèi)線轉(zhuǎn)移 CCD 由于在每兩行光敏單元之間都夾著一行不透明的移位寄存單元，因而像元的填充系數(shù)只有 2030%。幀轉(zhuǎn)移 CCD 由于成像單元與移位單元分開，因而填充系數(shù)較高，可以達(dá)到 70%以上。 近幾年 CMOS-APS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體有源像素)圖像傳感器發(fā)展很快，CCD 相比，由于其制作工藝與微電子工藝兼容，因而具有體積小、功耗和價格低的特點，目前的發(fā)展勢頭很快，在中低端圖像傳感器應(yīng)用市場，具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，在 21 世紀(jì)將成為數(shù)字照相機(jī)、攝像機(jī)和高清晰度電視(HDTV)的關(guān)鍵器件。CMOSAPS 的最大優(yōu)點是在工作中勿需電荷逐級轉(zhuǎn)移，回避了影響 CCD 性能的主要參數(shù)電荷轉(zhuǎn)換效率（CTE） 。90 年代初，美國的洛克威爾公司、得克薩斯儀器公司、噴氣推進(jìn)實驗室加州理工學(xué)院(JPL/Caltech)及日本的東芝、奧林巴斯、俄佳能等公司均開發(fā)了多種 APS 的基本結(jié)構(gòu)。APS 的另一突出優(yōu)點是無需 CCD 那樣高的驅(qū)動電壓，能使各種信號處理電電路與攝像器件實現(xiàn)單片集成，這是未來相機(jī)小型化、低成本、低功南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)