图像传感器集成微透镜阵列设计.doc

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1、1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

2、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

3、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 818

4、48196 像元多光谱、宽视场 CCD 摄像器件，并计划在 2001 年开发出 1600016000 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)C

5、CPD 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、2562

6、56 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

7、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

8、，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

9、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，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，

10、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

11、，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。 1.3.2、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。2、CCD 图像传感器 常用的

12、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(Willa

13、rd 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

14、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

15、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

16、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

17、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 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

18、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 F

19、IT-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

20、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。 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

21、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

22、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、低功耗的关键。但是在高端应用领域，CCD 仍然占据着主导地位，这主要是由于 CCD 的灵敏度、信噪比和成像质量高于 CMOS 传感器。APS 的主要缺点是像素尺寸较大，填充系数小，其设计填充系数与内线转移 CCD 接近。2.4、性能参数1.光谱灵敏度CCD的光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。量子效率表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换本领。不同工艺制成的CCD芯片，其量子效率不同。灵敏度还与光照方式有关，背照CCD的量子效率高，光谱响应曲线无起伏，正照CCD由于反射和吸收损失，光谱响应曲线上存在若干

23、个峰和谷。2.CCD的暗电流与噪声CCD暗电流是内部热激励载流子造成的。CCD在低帧频工作时，可以几秒或几千秒的累积（曝光）时间来采集低亮度图像，如果曝光时间较长，暗电流会在光电子形成之前将势阱填满热电子。由于晶格点阵的缺陷，不同像素的暗电流可能差别很大。在曝光时间较长的图像上，会产生一个星空状的固定噪声图案。这种效应是因为少数像素具有反常的较大暗电流，一般可在记录后从图像中减去，除非暗电流已使势阱中的电子达到饱和。晶格点阵的缺陷产生不能收集光电子的死像素。由于电荷在移出芯片的途中要穿过像素，一个死像素就会导致一整列中的全部或部分像素无效；过渡曝光会使过剩的光电子蔓延到相邻像素，导致图像扩散性

24、模糊。3.转移效率和转移损失率电荷包从一个势阱向另一个势阱转移时，需要一个过程。像素中的电荷在离开芯片之前要在势阱间移动上千次或更多，这要求电荷转移效率极其高，否则光电子的有效数目会在读出过程中损失严重。引起电荷转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获，转移损失造成信号退化。采用“胖零”技术可减少这种损耗。4.时钟频率的上、下限下限取决于非平衡载流子的平均寿命，上限取决于电荷包转移的损失率，即电荷包的转移要有足够的时间。5.动态范围表征同一幅图像中最强但未饱和点与最弱点强度的比值。数字图像一般用DN表示。6.非均匀性表征CCD芯片全部像素对同一波长、同一强度信号响应能力的不一致性。7.非线性度

25、表征CCD芯片对于同一波长的输入信号，其输出信号强度与输入信号强度比例变化的不一致性。8.时间常数表征探测器响应速度，也表示探测器响应的调制辐射能力。时间常数与光导和光伏探测器中的自由载流子寿命有关。9.CCD芯片像素缺陷a.像素缺陷：对于在50%线性范围的照明，若像素响应与其相邻像素偏差超过30%，则为像素缺陷。b.簇缺陷：在3*3像素的范围内，缺陷数超过5个像素。c.列缺陷：在1*12的范围内，列的缺陷超过8个像素。d.行缺陷：在一组水平像素内，行的缺陷超过8个像素。2.5、主要应用 四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随

26、着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。 含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。经冷冻的CCD同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置，而各大型天文台亦不断研发高像素CCD以拍摄极高解像之天体照片。一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影

27、像、夜视装置、零照度（或趋近零照度）摄影机/照相机等。3、透镜的成像3.1、成像规律规律1：当物距大于2倍焦距时，则像距在1倍焦距和2倍焦距之间，成倒立、缩小的实像。此时像距小于物距，像比物小，物像异侧。应用：照相机、摄像机。 图3.1成像在1倍焦距和2倍焦距之间规律2：当物距等于2倍焦距时，则像距也在2倍焦距， 成倒立、等大的实像。此时物距等于像距，像与物大小相等，物像异侧。 图3.2成像在2倍焦距规律3：当物距小于2倍焦距、大于1倍焦距时，则像距大于2倍焦距， 成倒立、放大的实像。此时像距大于物距，像比物大，物像异侧。应用：投影仪、幻灯机、电影放映机。图3.3成像在大于2倍焦距处 规律4：

28、当物距等于1倍焦距时，则不成像，成平行光射出。图3.4不成像规律5：当物距小于1倍焦距时，则成正立、放大的虚像。此时像距大于物距，像比物大，物像同侧。应用：放大镜。 图3.5成虚像3.2、成像原理 图3.6球面透镜光路图根据菲涅尔折射定律： （式3.1）在几何上有： （式3.2） （式3.3） （式3.4） （式3.5） （式3.6）由式3.6可知，不同，s也不同，即从Q点发出的同心光束不能保持同心性。欲使折射光线保持同心性，必须满足近轴（傍轴）条件 0，得 （式3.7）单个球面折射成像公式： （式3.8）平行光入射，S = ，得出像方焦距；折射光为平行光，= ，得出物方焦距（式3.9）将式3

29、.9代入式3.8中得：(式3.10)4、微透镜的设计 4.1、微透镜的参数分析 通过已知的CCD图像传感器，我们知道它的尺寸大小和分辨率大小，这里就假设单个像元的长度为L。 我们用树脂作为制作微透镜的材料，这里我们能知道折射率n以及厚度d。 图4.1设计微透镜光路图图中f是相机镜头的焦距，为已知量；r是微透镜的数值孔径。根据折射定律： （式4.1）几何关系上有： （式4.2） （式4.3）将式4.3代入式4.2中并两边平方 （式4.4） 由式4.4得（式4.5）图4.1中，通过几何关系得 （式4.6）将式4.6代入4.5中得 （式4.7）令i=1得（式4.8）通过式4.8就可算出微透镜的数值孔

30、径r，而且还可以得出，CCD尺寸大小不一样，微透镜的数值孔径也不一样，这也符合实际情况。接下来求微透镜的曲率半径R在3.2中我们已经讨论了透镜的成像原理，并得出了成像公式。 图4.2微透镜成像光路图由图4.2可得，物距,像距。（式4.9）代入式3.10得： （式4.10）其中，代入式4.10中得 （式4.11）式4.11说明，微透镜的曲率半径R与镜头到微透镜的距离D一一对应。4.2、实例分析我们已知一个516*516的CCD图像传感器，其参数如表4-1；我们用一块折射率n=1.74，厚度d=2mm的树脂做为微透镜的材料；并已知镜头焦距f=50mm。表4-1 516516 元可见光 CCD 性能

31、参数 在4.1节中我们已经算出了微透镜的参数公式，将相关参数代入式4.8。由于公式解算复杂，在这用了MATLAB，程序如下：L=0.022;n=1.74;d=2;f=50; p=4*n2-4,4*L-4*L*n2,n2*L2+4*n2*f2-L2-4*d2,-4*n2*L*f2,n2*L2*f2; x=roots(p)x =-0.0000 +61.0820i-0.0000 -61.0820i0.0113 0.0108 两个复根去掉，由于rL/2，所以数值孔径r=10.8um。 我们把微透镜放在离镜头45mm处，既D=45mm。将相关参数代入式4.11中可算出曲率半径R=1.92mm。5、微透镜

32、改善图像传感器性能分析 在凝视光学系统中，红外焦平面(FPA，Focal Plane Array) 接收目标辐射的光子并转换成电子或载流子，贮存在焦平面上，积累的时间越长，贮存的电子就越多，因而可提高信号强度。但是焦平面的面积有限，供每个像元贮存电荷用的面积很少，在强背景辐射和大孔径光学系统使用时很快饱和因此从减缓 FPA 饱和程度的角度考虑， 一般商品化的 IRFPA，其填充因子(光敏区域与像素的面积比) 大约只有 30或更小。为了增加凝视时间、减缓饱和，一般主要是从信号处理电路方面进行改进。从光学的角度看，可以采用微镜集成技术来缩小探测器光敏面积，提高探测器的有效填充因子。 5.1、微透镜

33、提高像元灵敏度的作用机理 考虑理想情况下平行光入射，由于行间转移可见光和红外 CCD，以及 CMOS-APS 图像传感器的填充系数都不高，只有 30%左右。如图 3-1 所示，传统的 CCD（含可见光 CCD 和红外 CCD），受光面由两部分组成，“光敏区”部分（感光部分）和“死区”部分（电荷转移和读出电路部分）。信号光入射到受光面，只有“光敏区”部分产生光电响应，构成有用信号，而入射到“死区”的信号光被白白地浪费掉了，信号光利用率约 1/3，也就是填充系数（或占空比）约 1/3。“死区”是留作信号转移和读出电路用的（含时钟偏压电路、信号传输电路和放大电路等），是必不可少的。过份压缩“死区”将

34、导致信号传输容量减小、工艺难度加大、成品率下降和传输性能恶化等。 图 5-1 CCD 传感器/聚光微透镜集成组件结构 为了充分利用这部分光能，得到更高的灵敏度，希望在更小的像元面积上尽可能多地将入射的光子转换成电子，减少光子的损失。如图 3-2 所示，光子的损失部分主要由以下几部分组成：介电层上的反射和吸收部分、光敏接受面上的未吸收部分、光生电子的复合或逃逸损失部分。可见，光子的损失不仅是一种极大的浪费，而且可能由于光子被非光敏区反射和吸收，增加信号串扰，引起图像畸变。 图 5-2 入射到 CCD 像元上光能的分配示意图 解决上述问题的一种方法是在图像传感器芯片上集成微透镜阵列。微透镜的作用就

35、是使原本落入介电层或非光敏区上的光子由于微透镜的相位变化作用而偏折落入光敏区。 5.2、微透镜的其它优点（1）提高 CCD 的空间分辨率 采用微透镜阵列与 CCD 阵列集成的方法，可使 CCD 的占空比和感光灵敏度提高。在正常光照下，CCD 的极限分辨率由奈奎斯特公式决定，即像元尺寸决定 CCD 的分辨率。在低照度下，CCD 信噪比下降，若信噪比下降到一定数值，噪声成为限制分辨率的主要因素。 通过微透镜的聚光功能，提高信号强度，提高信噪比，因而可提高空间分辨率。理论指出：在弱信号下，CCD 空间分辨率近似地与信号强度成正比。因此在弱信号下，提高 CCD 的占空比，可以达到提高 CCD 的信噪比

36、和空间分辨率的目的。 凝视型 CCD，由于采用微透镜阵列，可使 CCD 的感光灵敏度增大到 2-3 倍，从而使 CCD 的信噪比和空间分辨率增大 1 倍以上。对于作 TD（Itime delay integration）运行的 CCD，例如 16 级 TDI-CCD 在无微透镜集成的情况下，其信噪比（SNR）增加 16 倍，即 4 倍。而采用微透镜阵列后，以每级感光灵敏度增大到 2 倍计，则 16级 TDI CCD 运行，可使信号增大到 32 倍，而噪声只增大 16 倍，故总的信噪比增大8 倍。显然，采用微透镜后性能改善了 1 倍。 （2） 增大成像光学系统的 F 数和减小前视光学系统的体积和

37、重量。 如果通过微透镜与 CCD 集成，使 CCD 的占空比增大 1 倍，在保持探测系统空间分辨率不变的情况下，使探测系统的体积和重量减小到原来的 1/21/3。 如果利用微透镜与 CCD 集成，使 CCD 的光敏元尺寸减小一半，则光学前视系统的体积和重量可减小到原来的 1/4，并保持原有的视（FOV）和分辨率不变。 (3) 缩小探测器的尺寸。(4)增大系统的光学增益 总 结微透镜的一个重要应用方向是与图像传感器集成，提高图像传感器的填充系数和感光灵敏度。本文重点介绍了CCD的工作原理以及与微透镜集成技术。目前，实验室制造的微透镜与 CCD 集成组件的响应率比无微透镜时提高了2倍左右。要想更好

38、的提高响应率，那就得从材料选取、微透镜制作工艺、集成工艺等方面考虑，相信在不远的未来，随着科技的发展，微透镜与CCD图像传感器集成会取得更好的成果，并实现工业化，商品化。参考文献1. 柯才军, 易新建, 赖建军. 提高 CCD 图像传感器填充因子的微透镜阵列的研究J. 红外与激光工程, 2004, 33(2): 209-212.2. 柯才军. 微透镜阵列的设计, 制作及与 CCD 的集成技术 D. 华中科技大学, 2005.3. 孔令彬, 易新建, 申毕红, 等. 微透镜及其应用简介J. 红外技术, 2002, 24(2): 18-21.4. 郭彩霞. 基于微透镜阵列的集成图像超分辨率技术的研

39、究D. 长春理工大学, 2012.5. Nussbaum P, Voelkel R, Herzig H P, et al. Design, fabrication and testing of microlens arrays for sensors and microsystemsJ. Pure and Applied Optics: Journal of the European Optical Society Part A, 1997, 6(6): 617.6.张新宇，易新建，何苗等.氩离子束刻蚀制作大面阵微透镜阵列.华中理工大学学报，1998,26(II):1012 . 7.青木，裕光

40、. 微透镜 CCD 固体摄像元件的高灵敏化. 光机情报, 1992，9（2）：610 .8.程开富. CCD 图像传感器的市场与发展. 国外电子元器件，2000，(7)：27 .9.庄思聪，朱瑞兴. 一种制作微透镜阵列的方法. 上海师范大学学报(自然科学版)，Jun 1997， 26(2)：3337. 10. Michael W.Farn.Micro-concentrators for focal plane arrays. Proc.SPIE，1992, 1751106117 .11 许乔.微透镜阵列反应离子束蚀刻传递研究. 光学学报，1998，18(11)：15231527 12 张新宇，

41、易新建，何苗，赵兴荣. 用于强功率半导体激光器的石英柱微透镜阵列. 华中科技大学学报，Nov. 1998,26(A02)：79 13 T.Cbia，L.L.Hench. Micro-optical arrays by laser densification of Gel-silica matrices. SPIE 1992，1758：215226 14 刘德森，第五届全国纤维光学与集成光学学术研讨会，第四届光计算技术讨论会论文集，厦门，1992：16 15 朱传贵，第五届全国纤维光学与集成光学学术研讨会，第四届光计算技术讨论会论文集，厦门，1992：391 16 刘德森. 微小光学的研究现状.

42、 物理, 1994, 6：321328 17 Feldman, Micheal R. Diffractive optics move into the commercial arena. Laser Focus World, Oct 1994, 30(10)：143151 18 Lee W. Computer generated holography. Progress in Optics. Wolf E.Ed. Amsterdam: North-Holland，1978，16：172175 19 Temmen M G，Kathman A D，Clark R L. Holographic op

43、tics:optically and computer generated. SPIE，1989，1052：108112 20 M.Oilccwa, et al. Appl Opt.，1983，22-3：411 21 K.Iga, et al. Fundamentals of microoptics. Academic Press, Orlando, 1984：195 22 傅丹鹰，殷纯永. 微光学机电系统的发展和应用. 光学 精密工程，1998，6(4): 714 23 陈非凡，殷玲等. 微光机电系统（MOEMS）的研究现状及展望. 微细加工技术，2002, (3)：17 24 马军山，陈高庭，王向朝等用于光通信的微电子机械系统技术进展激光与光电子学进展，1999，(10)：1118 25 王立鼎，刘冲微机电系统科学与技术发展趋势大连理工大学学报，2000，40(5)：505508 26 周光亚