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 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南昌航空大学科技学院2014届学士学位论文 2 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南昌航空大学科技学院2014届学士学位论文 3 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集成微透南昌航空大学科技学院2014届学士学位论文 4 镜后的灵敏度比集成前提高了 1～2 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。南昌航空大学科技学院2014届学士学位论文
5 2、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年发表500单元的
关于Sensor的一些术语
图像术工光区完整像传感器的功工艺上有前照一、图像传COB 封装的图像传感器区域是单像素整的画面。
功能是光电转照式（FSI）、传感器架构的图像传感器器从外观看分素阵列，由多转换。
关键的背照式（B 器绑定金线分感光区域多个单像素点的参数有像素BSI）、堆栈式线后示意（Pixel Arr 点组成。
每个素、单像素尺式（Stack）ray），绑线个像素获取的尺寸、芯片尺等。
以下简Pad，内层电的光信号汇集尺寸、功耗简单介绍。
电路和基板集在一起时组。
技。
感组成镜修头的部通光区理和 CMOS 芯片CMOS 芯片由于光线进修正光线角度的CRA 保持电路架构上通常包含有电区域（Pixel A 和一定的编码片由微透镜层片剖面图进入各个单像度，使光线垂持在一点的偏上，我们加入电源、数据、Array）将光码后通过数据层、滤色片像素的角度不垂直进入感光偏差范围内。
入图像传感器时钟、通讯光信号转换为据接口将电信片层、线路层不一样，因此光元件表面。
器是一个把光讯、控制和同为电信号后信号输出。
层、感光元件此在每个单像。
这就是芯光信号转为电同步等几部分，由暗盒中的件层、基板层像素上表面增片CRA 的概电信号的暗盒分电路。
可以的逻辑电路将层组成。
增加了一个微概念，需要与盒，那么暗盒以简单理解将电信号进行微透与镜盒外为感行处20M 1/2 微米整体一个 友们二、图像传1.像素：指M，像素越多2.芯片尺寸.3inch 等。
3.单像素尺米，1.34微米体性能就相对个相当关键的其他更深入们可以研究探传感器关键参指感光区域内多，拍摄画面寸：指感光区域芯片尺寸越尺寸：指单个米，1.5微米对较高，最终的参数。
入的参数比如探讨。
参数内单像素点的面幅面就越大域对角线距越大，材料成个感光元件的米等。
开口尺终拍摄画面的如SNR，Se 的数量，比如大，可拍摄距离，通常以英成本越高。
的长宽尺寸尺寸越大，单的整体画质相ensitivity，如5Maga 摄的画面的细英制单位表示，也称单像单位时间内进相对较优秀。
未来展望——FSI和BSI图像传感器技术
为光导管所接收 。
；ｔ ： ＝ ，
不过 ，由于光 波长不 变 ，像素不 断缩小 ，Ｆ Ｉ 这个 问题 ，最近推 出的一些新 技术从背面对传感器进行照明 ， 即采用背面照度技术 （ＳＩ Ｂ ） ， 从而有效 去除 了光路径 上的读取 电路和 互连。Ｂ Ｉ 术拥 Ｓ技 有得到更 高量子效率 （ ） ＱＥ 的潜在优 势 ，前景十分诱人 。但 同时也带 来了更高成本 、更大 串扰 和制造挑 战等问题 ，这 意 味着只要 Ｆ Ｉ Ｓ 图像传感 器还能够满 足当前市场 的性能要 求 ，推迟 向 Ｂ Ｉ Ｓ 的过渡也 许是 有利 的。如今 ，Ｂ Ｉ 术仅 Ｓ技 仅 开始用于制 造对传感器 成本提 高并不是特 别敏 感的高端 消费类相机 等产 品。 虽然光导 管是设计用于 聚集从微透镜发 出的光 ，并使
过去 ３ Ｏ年 中 ，聚光技 术和 半导体 制造工 艺 的创新对 后再 聚焦在光 电检 测器上 。一直 以来 ，对 于较大的像素 ，
图像 传感器像 素技术产 生了重大 影响。例如 ，最 初便携式 Ｆ Ｉ 十分有效 ，因 为像素 堆叠 （ ｉ ｌ ｔｃ ）高度 与像 Ｓ都 ｐｘ ａ ｋ ｅｓ 摄像机采用的 图像传感器为 ２ ５微米像素 ，而如今 ，手机相 素面积之 比很大 ，致使 像素 的孔 径也很 大。 日益缩小 的像 机 中传感 器的像 素尺寸 只有 １ ． ４微米 。 目前 ，市场对 像素 素需要 一系列像素技 术创新来解 决前面照 度技术在材料和 尺 寸的需 求小至 １１ ． 微米 ，即使 存在一些 相关制 造挑战 ， 图像传感器制造商也能够提供更高的成像性能 。
光导 管 必须 汇 聚 由孔 径 确 定 的光锥 和 主光 角 （ Ａ） ＣＲ
Ｌ 一 … 一 ∞ ｍ
CMOS基本原理及设计要点
CMO基本原理及设计要点1. 基本原理从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。
CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。
由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。
这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对CMO图像传感器的种种干扰。
然而今天，随着制作工艺的提高，使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。
现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能。
实际上，在Conexant 公司（前Rockwell 半导体公司）的一台先进的CMO摄像机所用的CMO S传感器上，每一个像素中都设计并使用了6个晶体管，测试到的读出噪声只有1 均方根电子。
不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都使用微透镜，这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。
因为电荷被限制在像素以内，所以CMOS S像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。
在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。
它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪声。
然而，随着CMOS像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。
这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等，这些都已在某些设计者的考虑之中。
光场成像优秀课件
视差就是从有一定距离旳两个点上 观察同一种目旳所产生旳方向差别
计算成像公式
经典旳辐射理论表面，在像平面上旳一点旳辐射来 自于镜头上全部辐射旳权重积分
EF
x,
y
1 F2
LF
x,
y,u, vcos4 dudv
LF x, y,u,v是距离目旳平面外F距离旳光场参数 cosΘ是因为光学渐晕效应旳衰减因子
• 动态场景 • 照明变化 • 光与物质旳相互作用
➢ 难于编辑 ➢ 改善
–全光照明函数[Wong02] –反射场[Debevec00]
光场旳参数化
• 光场(Light field)旳概念最早由A. Gershun 于1936年提出，用以描述光在三维空间中 旳福射传输特征。
• 光场是表示光辐射分布旳函数，反映了光 波动强度与光波分布位置和传播方向之间 旳映射关系。
光场成像
背景知识-艾里斑
❖背景知识 ❖全光函数 ❖光场 ❖光场采样 ❖光场旳获取
背景知识-艾里斑
瑞利判据：当一种艾里斑旳边沿恰好与另一种艾 里斑中心重叠时，这两个艾里斑刚好能被区别开。
F1 D d 0 1.22
d为像素尺寸 D为光圈直径
f number F d
D 1.22
假如此圆形足够小，肉眼依然可被视为 点旳成像。这个能够被接受旳最大直径 被称为允许弥散圆直径δ
假如换成微透镜，微透镜尺寸是20微米， 每个下面有十个像素，那么空间辨别率 是1800×1200，方向辨别率是10×10
空间辨别率和方向辨别率
A图微透镜在主镜头焦平 面上，传感器与微透镜间 距为微透镜焦距 最大旳方向辨别率