圖像傳感器集成微透鏡陣列設(shè)計(jì)

1、南昌航空大學(xué)科技學(xué)院2014屆學(xué)士學(xué)位論文1緒論1.1、CCD 的發(fā)展現(xiàn)狀 自從 1970 年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一只電荷耦合器件(CCD)以來(lái)，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(cè)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(dòng)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(zhǎng)、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場(chǎng)干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)【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

2、文觀測(cè)、通訊等眾多領(lǐng)域。 CCD 圖像傳感器經(jīng)過(guò)近 30 年的發(fā)展，目前已經(jīng)成熟并實(shí)現(xiàn)了商品化。CCD 圖像傳感器從最初簡(jiǎn)單的 8 像元移位寄存器發(fā)展至今，已具有數(shù)百萬(wàn)至上千萬(wàn)像元【12】。由于CCD 圖像傳感器具有很大的潛在市場(chǎng)和廣闊的應(yīng)用前景，因此，近年來(lái)國(guó)際上在這方面的研究工作進(jìn)行得相當(dāng)活躍，美國(guó)、日本、英國(guó)、荷蘭、德國(guó)、加拿大、俄羅斯、南韓等國(guó)家均投入了大量的人力、物力和財(cái)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(guó)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(shì)是高分辨率、高速度和微型化。從 1993 年德州儀器公司報(bào)道 1024

3、5;1024 像元 CCD 開(kāi)始，目前 CCD 像元數(shù)已從 100 萬(wàn)像元提高到 2000 萬(wàn)像元以上。福特空間公司還推出了 2048×2048、4096×4096 像元幀轉(zhuǎn)移 CCD。在攝像機(jī)方面，日電公司制成了 4096×5200 像元的超高分辨率 CCD 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，分辨率高達(dá)1000×1000 條 TV 線。加拿大達(dá)爾薩(Dalsa)公司報(bào)道了 5120×5120 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7000×9000像元CCD。1997年美國(guó)EGG·Retion研制出 6144×6

4、144、8192×8192 像元高分辨率 CCD 圖像傳感器。亞利桑那大學(xué)報(bào)道了9126×9126 像元 CCD，1999 年歐洲南部天文開(kāi)發(fā)成功 8184×8196 像元多光譜、寬視場(chǎng) CCD 攝像器件，并計(jì)劃在 2001 年開(kāi)發(fā)出 16000×16000 像元的 CCD。1998 年日本采用拼接技術(shù)開(kāi)發(fā)成功了 16384×12288 像元即(4096×3072)×4 像元的 CCD 圖像傳感器【8-9】。目前美國(guó)、日本、德國(guó)和法國(guó)的部分公司已開(kāi)發(fā)出長(zhǎng)線陣和大面陣可見(jiàn)光 CCD圖像傳感器。另外，法國(guó)、美國(guó)和日本的部分公司還

5、研制出具有多針相模式工作的CCD(即 MPPCCD)圖像傳感器。 國(guó)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(duì)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(shí)驗(yàn)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 256×320、512×320、491×384、580×394、512×512、600×500、756×

6、581、800×800 像元器件。在實(shí)驗(yàn)室已研制出了 1024×1024，2048×2048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(jiàn)光 CCD 圖像傳感器外，國(guó)內(nèi)目前還研制出了線陣 64、128、256、1024 像元和面陣 32×64、128×128、256×256 像元硅化鉑肖特基勢(shì)壘紅外 CCD(PtSi IRCCD)【6】。目前國(guó)內(nèi)正在研制和開(kāi)發(fā)的 CCD 有：512×512 像元 X 射線 CCD、512×512 像元光纖面板耦合CCD像敏

7、器件、512×512像元幀轉(zhuǎn)移可見(jiàn)光CCD、1024×1024像元紫外CCD、1024 像元 X 射線 CCD、 512×512 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(guó)內(nèi) CCD 圖像傳感器的研究進(jìn)展尚不夠迅速，目前還沒(méi)有生產(chǎn)能力，與國(guó)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(guò)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(guó)和俄羅斯引進(jìn)可見(jiàn)光和紅外 CCD 芯片生產(chǎn)線并開(kāi)展試驗(yàn)工作，這將大大促進(jìn)我國(guó) 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

8、光學(xué)器件中一類(lèi)重要的光學(xué)元件，它是一系列孔徑在幾個(gè)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(diǎn)，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(jì)算，光學(xué)平行處理系統(tǒng)中的互連元件，寬場(chǎng)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(zhǎng)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(chǎng)和孔徑角)參數(shù)及成像質(zhì)量(對(duì)比度和分辨

9、率)，還可以實(shí)現(xiàn)與經(jīng)典元件的色散補(bǔ)償。這些特點(diǎn)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(bào)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(jì)算、光互連、光數(shù)據(jù)傳輸、兩維點(diǎn)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

10、，微光學(xué)在各個(gè)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(gè)重要課題。從目前來(lái)看，微透鏡無(wú)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(guó)家，對(duì)微光學(xué)和微透鏡的研究已經(jīng)引起政府部門(mén)的高度重視，競(jìng)相投資發(fā)展這一光學(xué)前沿領(lǐng)域及其在軍事上，如紅外探測(cè)、精確制導(dǎo)、偵察、搜索和預(yù)警以及夜間和惡劣天氣時(shí)的作戰(zhàn)輔助等方面的應(yīng)用。我國(guó)在微透鏡陣列研究方面起步較晚，基礎(chǔ)薄弱，再加上我國(guó)的總體科技水平與發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)較小，單元尺寸相對(duì)較大，離實(shí)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(lèi)重要光電器件

11、。高靈敏度和高分辨率成像探測(cè)系統(tǒng)通常要求傳感器的響應(yīng)率和探測(cè)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(shí)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)，但像元尺寸的減小將導(dǎo)致光電信號(hào)減弱，信噪比特性惡化。這對(duì)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(jiǎn)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(guó)或地區(qū)，如日本、歐洲和美國(guó)，因此這些國(guó)家和地區(qū)開(kāi)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(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展了微透鏡陣

12、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(jiàn)CCD 的微透鏡陣列，并實(shí)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(guó)外同期的水平，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始服務(wù)于生產(chǎn)。 本文的目的主要是設(shè)計(jì)合適的微透鏡陣列與CCD圖像傳感器集成。 1.3.2、研究?jī)?nèi)容 本文研究的內(nèi)容是根據(jù)CCD圖像傳感器設(shè)計(jì)出合適的微透鏡整列與之匹配。272、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

13、CCD 和面陣 CCD 兩大類(lèi)，根據(jù)應(yīng)用的波段不同又可分為可見(jiàn)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(zhǎng)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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展影像電話和半導(dǎo)體氣泡式

14、內(nèi)存。將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來(lái)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(lái)做為記憶裝置，當(dāng)時(shí)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(shí)驗(yàn)室的研究員已經(jīng)能用簡(jiǎn)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(guó)無(wú)線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instrument

15、s）。其中快捷半導(dǎo)體的產(chǎn)品領(lǐng)先上市，于1974年發(fā)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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)；3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大；4.響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無(wú)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(cè)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(lèi)。線陣C

16、CD通常將CCD內(nèi)部電極分成數(shù)組，每組稱(chēng)為一相，并施加同樣的時(shí)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(chǎng)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(duì)較簡(jiǎn)單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點(diǎn)是處理信息速度快，外圍電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(gè)方陣，并以一定的形式連接成一個(gè)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(shì)是大面陣、小像元、寬光譜、抗輻射和微

17、型化。國(guó)外繼美國(guó)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 5120×5120 像元 CCD 后，荷蘭菲利浦光電子中心在 6 英寸晶片上研制出 9000×7000 像元 CCD 陣列，最近美國(guó)亞利那大學(xué)研制的 CCD 芯片，分辨率已達(dá) 9126×9126 的空前高度。目前最小像元尺寸為 3.24µm×3.275µm，38 萬(wàn)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(chēng)為一相，并施加同樣的時(shí)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(duì)。光生少子被相應(yīng)的

18、勢(shì)阱收集，形成信號(hào)電荷。CCD 信號(hào)電荷的傳輸是通過(guò)控制各像素上的電極電壓，使信號(hào)電荷包在半導(dǎo)體表面或體內(nèi)作定向運(yùn)動(dòng)，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 可滿足不同場(chǎng)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(duì)較簡(jiǎn)單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點(diǎn)是處理信息速度快，外圍電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(gè)方陣，并以一定的形式連接成一個(gè)器件，獲取信息量大，能

19、處理復(fù)雜的圖像。常見(jiàn)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(lèi)，它們的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2-3。由圖可以看出，IT-CCD 的受光面包括光敏區(qū)和信號(hào)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(huì)很高，一般只有 30左右；而 FT-CCD 專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了獨(dú)立的寄存區(qū)，且與光敏區(qū)分開(kāi)，這樣受光面上的光敏區(qū)面積可以設(shè)計(jì)得很大，從而使得其填充因子可以達(dá)到一個(gè)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(lèi)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

20、轉(zhuǎn)移 PSIT-CCD等，其型號(hào)繁多，并正以各種形式的陣列、尺寸、價(jià)格大量上市。 紅外電荷耦合器件(IRCCD)，是在硅 CCD 和紅外探測(cè)器陣列技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(jiàn)推廣到中遠(yuǎn)紅外，而且為制造集成像敏感與信號(hào)處理為一體的“靈巧圖像傳感器”拓開(kāi)了廣闊的前景。用多元紅外探測(cè)器陣列代替 CCD 的光敏區(qū)部分，完成對(duì)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(shí)、積分、傳輸?shù)刃盘?hào)處理，就構(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(cè)器

21、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(hào)電子的轉(zhuǎn)換則由紅外敏感器件完成。混合式 IRCCD 是將紅外探測(cè)器陣列與完成讀出功能的硅 CCD 相接。這里，CCD 起一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器的作用。 圖 2-2 CCD 內(nèi)部信號(hào)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?jī)尚泄饷魡卧g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(kāi)，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

22、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(jià)格低的特點(diǎn)，目前的發(fā)展勢(shì)頭很快，在中低端圖像傳感器應(yīng)用市場(chǎng)，具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)是在工作中勿需電荷逐級(jí)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(guó)的洛克威爾公司、得克薩斯儀器公司、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)了多種 APS 的基本結(jié)構(gòu)。APS 的另一突出優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需 CCD 那樣高的驅(qū)動(dòng)電壓，能使各種信號(hào)處理電電路

23、與攝像器件實(shí)現(xiàn)單片集成，這是未來(lái)相機(jī)小型化、低成本、低功耗的關(guān)鍵。但是在高端應(yīng)用領(lǐng)域，CCD 仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，這主要是由于 CCD 的靈敏度、信噪比和成像質(zhì)量高于 CMOS 傳感器。APS 的主要缺點(diǎn)是像素尺寸較大，填充系數(shù)小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)與內(nèi)線轉(zhuǎn)移 CCD 接近。2.4、性能參數(shù)1.光譜靈敏度CCD的光譜靈敏度取決于量子效率、波長(zhǎng)、積分時(shí)間等參數(shù)。量子效率表征CCD芯片對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換本領(lǐng)。不同工藝制成的CCD芯片，其量子效率不同。靈敏度還與光照方式有關(guān)，背照CCD的量子效率高，光譜響應(yīng)曲線無(wú)起伏，正照CCD由于反射和吸收損失，光譜響應(yīng)曲線上存在若干個(gè)峰和谷。2.CCD的暗電

24、流與噪聲CCD暗電流是內(nèi)部熱激勵(lì)載流子造成的。CCD在低幀頻工作時(shí)，可以幾秒或幾千秒的累積（曝光）時(shí)間來(lái)采集低亮度圖像，如果曝光時(shí)間較長(zhǎng)，暗電流會(huì)在光電子形成之前將勢(shì)阱填滿熱電子。由于晶格點(diǎn)陣的缺陷，不同像素的暗電流可能差別很大。在曝光時(shí)間較長(zhǎng)的圖像上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)星空狀的固定噪聲圖案。這種效應(yīng)是因?yàn)樯贁?shù)像素具有反常的較大暗電流，一般可在記錄后從圖像中減去，除非暗電流已使勢(shì)阱中的電子達(dá)到飽和。晶格點(diǎn)陣的缺陷產(chǎn)生不能收集光電子的死像素。由于電荷在移出芯片的途中要穿過(guò)像素，一個(gè)死像素就會(huì)導(dǎo)致一整列中的全部或部分像素?zé)o效；過(guò)渡曝光會(huì)使過(guò)剩的光電子蔓延到相鄰像素，導(dǎo)致圖像擴(kuò)散性模糊。3.轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損

25、失率電荷包從一個(gè)勢(shì)阱向另一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移時(shí)，需要一個(gè)過(guò)程。像素中的電荷在離開(kāi)芯片之前要在勢(shì)阱間移動(dòng)上千次或更多，這要求電荷轉(zhuǎn)移效率極其高，否則光電子的有效數(shù)目會(huì)在讀出過(guò)程中損失嚴(yán)重。引起電荷轉(zhuǎn)移不完全的主要原因是表面態(tài)對(duì)電子的俘獲，轉(zhuǎn)移損失造成信號(hào)退化。采用“胖零”技術(shù)可減少這種損耗。4.時(shí)鐘頻率的上、下限下限取決于非平衡載流子的平均壽命，上限取決于電荷包轉(zhuǎn)移的損失率，即電荷包的轉(zhuǎn)移要有足夠的時(shí)間。5.動(dòng)態(tài)范圍表征同一幅圖像中最強(qiáng)但未飽和點(diǎn)與最弱點(diǎn)強(qiáng)度的比值。數(shù)字圖像一般用DN表示。6.非均勻性表征CCD芯片全部像素對(duì)同一波長(zhǎng)、同一強(qiáng)度信號(hào)響應(yīng)能力的不一致性。7.非線性度表征CCD芯片對(duì)于同一波長(zhǎng)

26、的輸入信號(hào)，其輸出信號(hào)強(qiáng)度與輸入信號(hào)強(qiáng)度比例變化的不一致性。8.時(shí)間常數(shù)表征探測(cè)器響應(yīng)速度，也表示探測(cè)器響應(yīng)的調(diào)制輻射能力。時(shí)間常數(shù)與光導(dǎo)和光伏探測(cè)器中的自由載流子壽命有關(guān)。9.CCD芯片像素缺陷a.像素缺陷：對(duì)于在50%線性范圍的照明，若像素響應(yīng)與其相鄰像素偏差超過(guò)30%，則為像素缺陷。b.簇缺陷：在3*3像素的范圍內(nèi)，缺陷數(shù)超過(guò)5個(gè)像素。c.列缺陷：在1*12的范圍內(nèi)，列的缺陷超過(guò)8個(gè)像素。d.行缺陷：在一組水平像素內(nèi)，行的缺陷超過(guò)8個(gè)像素。2.5、主要應(yīng)用 四十年來(lái)，CCD器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚人的進(jìn)展，特別是在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速。隨著CCD技術(shù)和理論的不斷發(fā)

27、展，CCD技術(shù)應(yīng)用的廣度與深度必將越來(lái)越大。CCD是使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料集成，它能夠根據(jù)照射在其面上的光線產(chǎn)生相應(yīng)的電荷信號(hào)，在通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成“0”或“1”的數(shù)字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮和程序排列后，可由閃速存儲(chǔ)器或硬盤(pán)卡保存即收光信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的電子圖像信號(hào)，可對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量、分析。 含格狀排列像素的CCD應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)掃瞄儀與攝影機(jī)的感光元件。經(jīng)冷凍的CCD同時(shí)在1990年代初亦廣泛應(yīng)用于天文攝影與各種夜視裝置，而各大型天文臺(tái)亦不斷研發(fā)高像素CCD以拍攝極高解像之天體照片。一般的CCD大多能感應(yīng)紅外線，所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度（或趨

28、近零照度）攝影機(jī)/照相機(jī)等。3、透鏡的成像3.1、成像規(guī)律規(guī)律1：當(dāng)物距大于2倍焦距時(shí)，則像距在1倍焦距和2倍焦距之間，成倒立、縮小的實(shí)像。此時(shí)像距小于物距，像比物小，物像異側(cè)。應(yīng)用：照相機(jī)、攝像機(jī)。 圖3.1成像在1倍焦距和2倍焦距之間規(guī)律2：當(dāng)物距等于2倍焦距時(shí)，則像距也在2倍焦距， 成倒立、等大的實(shí)像。此時(shí)物距等于像距，像與物大小相等，物像異側(cè)。 圖3.2成像在2倍焦距規(guī)律3：當(dāng)物距小于2倍焦距、大于1倍焦距時(shí)，則像距大于2倍焦距， 成倒立、放大的實(shí)像。此時(shí)像距大于物距，像比物大，物像異側(cè)。應(yīng)用：投影儀、幻燈機(jī)、電影放映機(jī)。圖3.3成像在大于2倍焦距處 規(guī)律4：當(dāng)物距等于1倍焦距時(shí)，則不

29、成像，成平行光射出。圖3.4不成像規(guī)律5：當(dāng)物距小于1倍焦距時(shí)，則成正立、放大的虛像。此時(shí)像距大于物距，像比物大，物像同側(cè)。應(yīng)用：放大鏡。 圖3.5成虛像3.2、成像原理 圖3.6球面透鏡光路圖根據(jù)菲涅爾折射定律： （式3.1）在幾何上有： （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，即從Q點(diǎn)發(fā)出的同心光束不能保持同心性。欲使折射光線保持同心性，必須滿足近軸（傍軸）條件 0，得 （式3.7）單個(gè)球面折射成像公式： （式3.8）平行光入射，S = ，得出像方焦距；折射光為平行光，= ，得出物方焦距（式3.9）將式3.9代入式3.8中得：(式

30、3.10)4、微透鏡的設(shè)計(jì) 4.1、微透鏡的參數(shù)分析 通過(guò)已知的CCD圖像傳感器，我們知道它的尺寸大小和分辨率大小，這里就假設(shè)單個(gè)像元的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。 我們用樹(shù)脂作為制作微透鏡的材料，這里我們能知道折射率n以及厚度d。 圖4.1設(shè)計(jì)微透鏡光路圖圖中f是相機(jī)鏡頭的焦距，為已知量；r是微透鏡的數(shù)值孔徑。根據(jù)折射定律： （式4.1）幾何關(guān)系上有： （式4.2） （式4.3）將式4.3代入式4.2中并兩邊平方 （式4.4） 由式4.4得（式4.5）圖4.1中，通過(guò)幾何關(guān)系得 （式4.6）將式4.6代入4.5中得 （式4.7）令i=1得（式4.8）通過(guò)式4.8就可算出微透鏡的數(shù)值孔徑r，而且還可以得出，CC

31、D尺寸大小不一樣，微透鏡的數(shù)值孔徑也不一樣，這也符合實(shí)際情況。接下來(lái)求微透鏡的曲率半徑R在3.2中我們已經(jīng)討論了透鏡的成像原理，并得出了成像公式。 圖4.2微透鏡成像光路圖由圖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說(shuō)明，微透鏡的曲率半徑R與鏡頭到微透鏡的距離D一一對(duì)應(yīng)。4.2、實(shí)例分析我們已知一個(gè)516*516的CCD圖像傳感器，其參數(shù)如表4-1；我們用一塊折射率n=1.74，厚度d=2mm的樹(shù)脂做為微透鏡的材料；并已知鏡頭焦距f=50mm。表4-1 516×516 元可見(jiàn)光 CCD 性能參數(shù) 在4.1

32、節(jié)中我們已經(jīng)算出了微透鏡的參數(shù)公式，將相關(guān)參數(shù)代入式4.8。由于公式解算復(fù)雜，在這用了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 兩個(gè)復(fù)根去掉，由于r<L/2，所以數(shù)值孔徑r=10.8um。 我們把微透鏡放在離鏡頭45mm處，既D=45mm。將相關(guān)參數(shù)代入式4.11中可算出曲率半徑R

33、=1.92mm。5、微透鏡改善圖像傳感器性能分析 在凝視光學(xué)系統(tǒng)中，紅外焦平面(FPA，F(xiàn)ocal Plane Array) 接收目標(biāo)輻射的光子并轉(zhuǎn)換成電子或載流子，貯存在焦平面上，積累的時(shí)間越長(zhǎng)，貯存的電子就越多，因而可提高信號(hào)強(qiáng)度。但是焦平面的面積有限，供每個(gè)像元貯存電荷用的面積很少，在強(qiáng)背景輻射和大孔徑光學(xué)系統(tǒng)使用時(shí)很快飽和因此從減緩 FPA 飽和程度的角度考慮， 一般商品化的 IRFPA，其填充因子(光敏區(qū)域與像素的面積比) 大約只有 30或更小。為了增加凝視時(shí)間、減緩飽和，一般主要是從信號(hào)處理電路方面進(jìn)行改進(jìn)。從光學(xué)的角度看，可以采用微鏡集成技術(shù)來(lái)縮小探測(cè)器光敏面積，提高探測(cè)器的有效

34、填充因子。 5.1、微透鏡提高像元靈敏度的作用機(jī)理 考慮理想情況下平行光入射，由于行間轉(zhuǎn)移可見(jiàn)光和紅外 CCD，以及 CMOS-APS 圖像傳感器的填充系數(shù)都不高，只有 30%左右。如圖 3-1 所示，傳統(tǒng)的 CCD（含可見(jiàn)光 CCD 和紅外 CCD），受光面由兩部分組成，“光敏區(qū)”部分（感光部分）和“死區(qū)”部分（電荷轉(zhuǎn)移和讀出電路部分）。信號(hào)光入射到受光面，只有“光敏區(qū)”部分產(chǎn)生光電響應(yīng)，構(gòu)成有用信號(hào)，而入射到“死區(qū)”的信號(hào)光被白白地浪費(fèi)掉了，信號(hào)光利用率約 1/3，也就是填充系數(shù)（或占空比）約 1/3?！八绤^(qū)”是留作信號(hào)轉(zhuǎn)移和讀出電路用的（含時(shí)鐘偏壓電路、信號(hào)傳輸電路和放大電路等），是必不

35、可少的。過(guò)份壓縮“死區(qū)”將導(dǎo)致信號(hào)傳輸容量減小、工藝難度加大、成品率下降和傳輸性能惡化等。 圖 5-1 CCD 傳感器/聚光微透鏡集成組件結(jié)構(gòu) 為了充分利用這部分光能，得到更高的靈敏度，希望在更小的像元面積上盡可能多地將入射的光子轉(zhuǎn)換成電子，減少光子的損失。如圖 3-2 所示，光子的損失部分主要由以下幾部分組成：介電層上的反射和吸收部分、光敏接受面上的未吸收部分、光生電子的復(fù)合或逃逸損失部分?？梢?jiàn)，光子的損失不僅是一種極大的浪費(fèi)，而且可能由于光子被非光敏區(qū)反射和吸收，增加信號(hào)串?dāng)_，引起圖像畸變。 圖 5-2 入射到 CCD 像元上光能的分配示意圖 解決上述問(wèn)題的一種方法是在圖像傳感器芯片上集成

36、微透鏡陣列。微透鏡的作用就是使原本落入介電層或非光敏區(qū)上的光子由于微透鏡的相位變化作用而偏折落入光敏區(qū)。 5.2、微透鏡的其它優(yōu)點(diǎn)（1）提高 CCD 的空間分辨率 采用微透鏡陣列與 CCD 陣列集成的方法，可使 CCD 的占空比和感光靈敏度提高。在正常光照下，CCD 的極限分辨率由奈奎斯特公式?jīng)Q定，即像元尺寸決定 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數(shù)值，噪聲成為限制分辨率的主要因素。 通過(guò)微透鏡的聚光功能，提高信號(hào)強(qiáng)度，提高信噪比，因而可提高空間分辨率。理論指出：在弱信號(hào)下，CCD 空間分辨率近似地與信號(hào)強(qiáng)度成正比。因此在弱信號(hào)下，提高 CCD 的占空比，可以

37、達(dá)到提高 CCD 的信噪比和空間分辨率的目的。 凝視型 CCD，由于采用微透鏡陣列，可使 CCD 的感光靈敏度增大到 2-3 倍，從而使 CCD 的信噪比和空間分辨率增大 1 倍以上。對(duì)于作 TD（Itime delay integration）運(yùn)行的 CCD，例如 16 級(jí) TDI-CCD 在無(wú)微透鏡集成的情況下，其信噪比（SNR）增加 16 倍，即 4 倍。而采用微透鏡陣列后，以每級(jí)感光靈敏度增大到 2 倍計(jì)，則 16級(jí) TDI CCD 運(yùn)行，可使信號(hào)增大到 32 倍，而噪聲只增大 16 倍，故總的信噪比增大8 倍。顯然，采用微透鏡后性能改善了 1 倍。 （2） 增大成像光學(xué)系統(tǒng)的 F 數(shù)

38、和減小前視光學(xué)系統(tǒng)的體積和重量。 如果通過(guò)微透鏡與 CCD 集成，使 CCD 的占空比增大 1 倍，在保持探測(cè)系統(tǒng)空間分辨率不變的情況下，使探測(cè)系統(tǒng)的體積和重量減小到原來(lái)的 1/21/3。 如果利用微透鏡與 CCD 集成，使 CCD 的光敏元尺寸減小一半，則光學(xué)前視系統(tǒng)的體積和重量可減小到原來(lái)的 1/4，并保持原有的視（FOV）和分辨率不變。 (3) 縮小探測(cè)器的尺寸。(4)增大系統(tǒng)的光學(xué)增益 總 結(jié)微透鏡的一個(gè)重要應(yīng)用方向是與圖像傳感器集成，提高圖像傳感器的填充系數(shù)和感光靈敏度。本文重點(diǎn)介紹了CCD的工作原理以及與微透鏡集成技術(shù)。目前，實(shí)驗(yàn)室制造的微透鏡與 CCD 集成組件的響應(yīng)率比無(wú)微透鏡

39、時(shí)提高了2倍左右。要想更好的提高響應(yīng)率，那就得從材料選取、微透鏡制作工藝、集成工藝等方面考慮，相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，隨著科技的發(fā)展，微透鏡與CCD圖像傳感器集成會(huì)取得更好的成果，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，商品化。參考文獻(xiàn)1. 柯才軍, 易新建, 賴(lài)建軍. 提高 CCD 圖像傳感器填充因子的微透鏡陣列的研究J. 紅外與激光工程, 2004, 33(2): 209-212.2. 柯才軍. 微透鏡陣列的設(shè)計(jì), 制作及與 CCD 的集成技術(shù) D. 華中科技大學(xué), 2005.3. 孔令彬, 易新建, 申畢紅, 等. 微透鏡及其應(yīng)用簡(jiǎn)介J. 紅外技術(shù), 2002, 24(2): 18-21.4. 郭彩霞. 基于微透鏡陣列

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