图像传感器集成微透镜阵列设计

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1024×1024 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 2048×2048、4096×4096 像元帧转移 CCD。在摄像机方面，日电公司制成了 4096×5200 像元的超高分辨率 CCD 数字摄像机，分辨率高达1000×1000 条 TV 线。加拿大达尔萨(Dalsa)公司报道了 5120×5120 像元帧转移 CCD【10】。荷兰菲利浦成像技术公司研制成功了7000×9000像元CCD。1997年美国EG＆G·Retion研制出 6144×6144、8192×8192 像元高分辨率 CCD 图像传感器。亚利桑那大学报道了9126×9126 像元 CCD，1999 年欧洲南部天文开发成功 8184×8196 像元多光谱、宽视场 CCD 摄像器件，并计划在 2001 年开发出 16000×16000 像元的 CCD。1998 年日本采用拼接技术开发成功了 16384×12288 像元即(4096×3072)×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 MPP－CCD)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 256×320、512×320、491×384、580×394、512×512、600×500、756×581、800×800 像元器件。在实验室已研制出了 1024×1024，2048×2048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 32×64、128×128、256×256 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：512×512 像元 X 射线 CCD、512×512 像元光纤面板耦合CCD像敏器件、512×512像元帧转移可见光CCD、1024×1024像元紫外CCD、1024 像元 X 射线 CCD、 512×512 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，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