图像传感器集成微透镜阵列设计

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文11 绪论1.1、CCD 的发展现状自从 1970 年美国贝尔实验室研制成功第一只电荷耦合器件(CCD)以来，依靠业已成熟的 MOS 集成电路工艺，CCD 技术得以迅速发展 【2】 。CCD 图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。作为摄像器件，与摄像管相比，CCD 图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点 【5】 。其应用领域也极其广泛，涉及到航天、航空、遥感、卫星侦察、天文观测、通讯等众多领域。 CCD 图像传感器经过近 30 年的发展，目前已经成熟并实现了商品化。CCD 图像传感器从最初简单的 8 像元移位寄存器发展至今，已具有数百万至上千万像元 【12】 。由于 CCD 图像传感器具有很大的潜在市场和广阔的应用前景，因此，近年来国际上在这方面的研究工作进行得相当活跃，美国、日本、英国、荷兰、德国、加拿大、俄罗斯、南韩等国家均投入了大量的人力、物力和财力，并在 CCD 图像传感器的研究和应用方面取得了令人瞩目的成果 【1】 。美国和日本的器件和整机系统已进入了商品化阶段。 CCD 的发展趋势是高分辨率、高速度和微型化。从 1993 年德州仪器公司报道 10241024 像元 CCD 开始，目前 CCD 像元数已从 100 万像元提高到 2000 万像元以上。福特空间公司还推出了 20482048、40964096 像元帧转移 CCD。在摄像机方面，日电公司制成了 40965200 像元的超高分辨率 CCD 数字摄像机，分辨率高达 10001000 条 TV 线。加拿大达尔萨(Dalsa)公司报道了 51205120 像元帧转移 CCD【10】 。荷兰菲利浦成像技术公司研制成功了 70009000 像元 CCD。1997年美国 EGGRetion 研制出 61446144、81928192 像元高分辨率 CCD 图像传感器。亚利桑那大学报道了 91269126 像元 CCD，1999 年欧洲南部天文开发成功 81848196 像元多光谱、宽视场 CCD 摄像器件，并计划在 2001 年开发出 南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文21600016000 像元的 CCD。1998 年日本采用拼接技术开发成功了 1638412288 像元即(40963072)4 像元的 CCD 图像传感器 【8-9】 。目前美国、日本、德国和法国的部分公司已开发出长线阵和大面阵可见光 CCD 图像传感器。另外，法国、美国和日本的部分公司还研制出具有多针相模式工作的 CCD(即 MPPCCD)图像传感器。 国内 CCD 图像传感器的研制工作也在稳步地进行。目前第一代普通线阵 CCD 图像传感器(光敏元为 MOS 结构)和第二代对蓝光响应特性好的(光敏元为光电二极管阵列)CCPD 均已形成 128、256、512、1024、1728、2048、2500 像元的系列产品在实验室已做出了 3456、4096 像元的 CCPD 样品；面阵 CCD 图像传感器已研制出 256320、512320、491384、580394、512512、600500、756581、800800 像元器件。在实验室已研制出了 10241024，20482048 像元的器件，基本上形成了系列化产品 【2-3】 。随着器件性能的改进，CCD 摄像机也将得到迅速发展。除可见光 CCD 图像传感器外，国内目前还研制出了线阵 64、128、256、1024 像元和面阵 3264、128128、256256 像元硅化铂肖特基势垒红外 CCD(PtSi IRCCD)【6】 。目前国内正在研制和开发的 CCD 有：512512 像元 X 射线 CCD、512512 像元光纤面板耦合 CCD 像敏器件、512512 像元帧转移可见光CCD、10241024 像元紫外 CCD、1024 像元 X 射线 CCD、 512512 像元 PtSi IRCCD、微光 CCD 和多光谱红外 CCD 等 【9】 。但由于受经费、设备等因素影响，国内 CCD 图像传感器的研究进展尚不够迅速，目前还没有生产能力，与国际先进水平相比差距很大。就 CCD 的应用潜力而言，也最多不过发挥了 1左右。据悉，信息产业部下属研究所目前已从美国和俄罗斯引进可见光和红外 CCD 芯片生产线并开展试验工作，这将大大促进我国 CCD 芯片的产业化进程 【15】 。 1.2、微透镜及阵列 微透镜阵列是阵列光学器件中一类重要的光学元件，它是一系列孔径在几个微米至几百微米的微小型透镜按一定排列组成的阵列。根据其光学原理的不同，基本上可以将微透镜分成两种：基于光的折射理论的折射微透镜阵列和基于光的衍射理论的南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文3衍射微透镜阵列。 由于微透镜具有尺寸小，便于大规模制造、传输损耗小，可制成阵列形式、有特殊功能等优点，因而广泛用于微光学系统中的微型元件，光学及神经网络计算，光学平行处理系统中的互连元件，宽场和红外成像系统中的元件，光学滤波和材料加工系统中的衍射元件，以及用于抗反射和偏振态控制的亚波长光栅结构等等 【11】 。 衍射微透镜与经典光学元件组合可以改善其光学性能(视场和孔径角)参数及成像质量(对比度和分辨率)，还可以实现与经典元件的色散补偿。这些特点可促进光学仪器和元件向集成化、多功能化发展。有关二元光学的详细论述在其它文章中已有报道。当前随着现代技术的发展，人们要求光学元件小型化、集成化，微型透镜阵列作为新一代的光学元件在光学领域里得到了广泛的运用。在微小光学系统中，它可用于光信息处理、光计算、光互连、光数据传输、两维点光源产生。也可用于复印机、图像扫描器、传真机、照相机以及医疗卫生器械中 【16】 。在一些新型的摄像机中微透镜阵列直接制作在电荷耦合器件（CCD）的表面上，用于光线的聚集，提高 CCD 器件的灵敏度 【19】 。 1.3、本论文的研究 1.3.1、背景及目的 随着现代信息技术的迅猛发展，微光学在各个领域的应用日趋广泛，已经成为 21世纪科技发展中的一个重要课题。从目前来看，微透镜无论在军事上还是在民用上都发挥着举足轻重的作用。在日、美、英、德等一些发达国家，对微光学和微透镜的研究已经引起政府部门的高度重视，竞相投资发展这一光学前沿领域及其在军事上，南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文4如红外探测、精确制导、侦察、搜索和预警以及夜间和恶劣天气时的作战辅助等方面的应用。我国在微透镜阵列研究方面起步较晚，基础薄弱，再加上我国的总体科技水平与发达国家相比，还有一定的距离，所以尽管在微透镜方面做了一些工作，但阵列规模相对较小，单元尺寸相对较大，离实用化阶段还有一段距离。CCD 图像传感器是现代广泛应用的一类重要光电器件。高灵敏度和高分辨率成像探测系统通常要求传感器的响应率和探测率高、噪声低、像元数大、像元尺寸小和填充因子大。由于材料制备和工艺制作上的困难，这些要求一般很难同时实现。例如空间分辨率的提高可以采取缩小像元尺寸，增大阵列规模来实现，但像元尺寸的减小将导致光电信号减弱，信噪比特性恶化。这对于低填充系数的图像传感器阵列更为不利。微透镜阵列技术的发展为这些困难的解决提供了一条简捷而高效的途径。 微透镜阵列改善像质的应用主要集中在 CCD 的主要生产国或地区，如日本、欧洲和美国，因此这些国家和地区开展微透镜技术应用于图像传感器聚光功能的研究较早，现在已经广泛地应用于其产品中。实验室在国内较早开展了微透镜阵列技术提高图像传感器填充系数从而提高成像质量的研究。制作了可用于红外 CCD 和可见 CCD 的微透镜阵列，并实现了微透镜与红外 CCD 图像传感器的集成。红外 CCD 集成微透镜后的灵敏度比集成前提高了 12 倍以上，达到了国外同期的水平，此项技术已经开始服务于生产。 本文的目的主要是设计合适的微透镜阵列与 CCD 图像传感器集成。 南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文51.3.2、研究内容本文研究的内容是根据 CCD 图像传感器设计出合适的微透镜整列与之匹配。南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文62、CCD 图像传感器 常用的图像传感器包括电荷耦合器件（CCD）和 CMOS 有源像元传感器(APS)。CCD 是目前技术最成熟，应用最广泛的图像传感器，从功能上可分为线阵 CCD 和面阵 CCD 两大类，根据应用的波段不同又可分为可见光和红外 CCD。CCD 单元结构如图 1-1 所示。它是由金属氧化物半导体（MOS）构成的密排器件。一般是在 p 型(或 n 型)Si 单晶的衬底上生长一层 SiO2层，再在 SiO2层上沉积具有一定形状金属电极(栅极)，一般是铝，形成 MOS 结构。 图 2-1 CCD 单元结构图 2.1、CCD 发展史 CCD 是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉波义耳(Willard S. Boyle）和乔治史密斯（GeorgeE. Smith）所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷气泡元件” （Charge “Bubble“ Devices） 。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。 到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像，CCD 就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor） 、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments） 。其中快捷半导体的产品领先上市，于1974年发南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文7表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。 2.2、功能特性可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把 CCD 器件作为光电接收器。CCD 从功能上可分为线阵 CCD 和面阵 CCD 两大类。线阵 CCD 通常将 CCD 内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由 CCD 芯片内部结构决定，结构相异的 CCD可满足不同场合的使用要求。线阵 CCD 有单沟道和双沟道之分，其光敏区是 MOS 电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像（线阵 CCD 如右图所示） 。面阵 CCD 的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。2.3、CCD 器件的工作原理 面阵 CCD 的发展趋势是大面阵、小像元、宽光谱、抗辐射和微型化。国外继美国轨道公司和加拿大达尔莎传感器公司 1994 年研制成功单片集成 51205120 像元 CCD 后，荷兰菲利浦光电子中心在 6 英寸晶片上研制出 90007000 像元 CCD 阵列，最近美国亚利那大学研制的 CCD 芯片，分辨率已达 91269126 的空前高度。目前最小像元尺寸为 3.24m3.275m，38 万像元阵列正趋向于 1/6 英寸以下芯片尺寸。 通常将 CCD 内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。光从半导体器件一侧照射，在 MOS 结构中产生了光生电子空穴对。光生少子被相应的势阱收集，形成信号电荷。CCD 信号电荷的传输是通过控制各像素上的电极电压，使信号电荷包在半导体表面或体内作定向运动，如图 2-2 所示。CCD 的传输系统可以分为三相、二相或四相。所需相数由 CCD 芯片内部结构决定，结构相异的 CCD 南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文8可满足不同场合的使用要求。线阵 CCD 有单沟道和双沟道之分，其光敏区是 MOS 电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。面阵 CCD 的结构要复杂得多。它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。常见的面阵 CCD 按结构分为行间转移(IT-CCD)和帧转移（FT-CCD）两大类，它们的基本结构见图 2-3。由图可以看出，IT-CCD 的受光面包括光敏区和信号读出电路、寄存区等组成，由于读出电路和寄存区的存在，故使得 CCD 的填充因子不会很高，一般只有 30左右；而 FT-CCD 专门设计了独立的寄存区，且与光敏区分开，这样受光面上的光敏区面积可以设计得很大，从而使得其填充因子可以达到一个很高的水平。随着 CCD 技术的飞速发展，在这两种基本结构的基础上又产生了许多新的类型，如全帧转移 FFT-CCD、隔列内线转移 IIT-CCD、帧内线转移 FIT-CCD、累进扫描内线转移 PSIT-CCD 等，其型号繁多，并正以各种形式的阵列、尺寸、价格大量上市。 红外电荷耦合器件(IRCCD)，是在硅 CCD 和红外探测器阵列技术的基础上发展起来的新一代固体焦平面技术。它的发展不但使图像传感器的工作波段从可见推广到中远红外，而且为制造集成像敏感与信号处理为一体的“灵巧图像传感器”拓开了广阔的前景。用多元红外探测器阵列代替 CCD 的光敏区部分，完成对目标红外辐射的光电转换，将光生电荷注入到 CCD 寄存器中，由 CCD 完成延时、积分、传输等信号处理，就构成了红外 CCD。以 CCD 为基础的固体红外图像敏感器，有单片式和混合式两种结构。单片式 IRCCD 是把红外探测器和具有扫描功能的 CCD 集成在同一衬底上。这里，CCD 的作用只是电荷包的转移和读出，而由辐射能到信号电子的转换则由红外敏感器件完成。混合式 IRCCD 是将红外探测器阵列与完成读出功能的硅 CCD 相接。这里，CCD 起一个多路转换器的作用。 南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文9图 2-2 CCD 内部信号电荷传输原理 图 2-3 面阵 CCD 结构 在面阵 CCD 相机中，内线转移 CCD 由于在每两行光敏单元之间都夹着一行不透明的移位寄存单元，因而像元的填充系数只有 2030%。帧转移 CCD 由于成像单元与移位单元分开，因而填充系数较高，可以达到 70%以上。 近几年 CMOS-APS(互补金属氧化物半导体有源像素)图像传感器发展很快，CCD 相比，由于其制作工艺与微电子工艺兼容，因而具有体积小、功耗和价格低的特点，目前的发展势头很快，在中低端图像传感器应用市场，具有很强的优势，在 21 世纪将成为数字照相机、摄像机和高清晰度电视(HDTV)的关键器件。CMOSAPS 的最大优点是在工作中勿需电荷逐级转移，回避了影响 CCD 性能的主要参数电荷转换效率（CTE） 。90 年代初，美国的洛克威尔公司、得克萨斯仪器公司、喷气推进实验室加州理工学院(JPL/Caltech)及日本的东芝、奥林巴斯、俄佳能等公司均开发了多种 APS 的基本结构。APS 的另一突出优点是无需 CCD 那样高的驱动电压，能使各种信号处理电电路与摄像器件实现单片集成，这是未来相机小型化、低成本、低功南昌航空大学科技学院 2014 届学士学