微透镜阵列Microlens Arrays

微透镜阵列（也称为微透镜阵列或小透镜阵列）用于增加CCD中的光学填充因子，例如行间转移器件，由于金属屏蔽而导致孔径减小。 这些微小的透镜系统用于将光聚焦并聚集到光电二极管表面上，而不是让其落在器件的非感光区域上，在该区域中，CCD收集的成像信息会将其丢失。

典型的小透镜放置方案如图1所示，其中将一个微小的光学透镜策略性地放置在光电二极管的染料层和金属遮光板上。小透镜在CCD的制造过程中以平行阵列的形式生长，或者由诸如石英的材料制成，并在包装​​过程中放置​​在阵列表面上。每个小透镜都是高质量的光学表面，其中包含直径范围从几百到大约10微米不等的折射元件，具体取决于应用。镜头质量非常好，以至于微透镜在物理上等同于普通的单片透镜。

将微透镜阵列添加到CCD光电二极管可以使光学填充因子增加多达三倍，这是在没有微小光学组件的情况下实现的。增加填充因子会相应增加光电二极管的灵敏度。微透镜阵列大大提高了行间转移CCD成像阵列的性能，该阵列具有侧向过流漏极和相当大数量的受屏蔽像素空间。由于与总像素尺寸相比，有效像素面积减少，因此这些器件通常会遭受光学填充系数降低的困扰。

图2所示为行间转移CCD像素对的示意图，其中一个装有微透镜以将光聚集到光电二极管中，而另一个必须吸收入射光线而没有微透镜的光学辅助。 撞击微透镜的入射光子通过穿过包含微透镜的玻璃或聚合物的折射而被引入光电二极管。 没有微透镜的光电二极管会收集到入射光子的相当低的部分，因为那些会影响屏蔽区域（曝光栅和邻近结构）的光子在电荷积分中没有用处。 行间转移CCD的光学填充系数因为屏蔽垂直转移移位寄存器的存在能降低到20％以下。 使用微透镜阵列，填充系数可以接近100％，具体取决于制造参数。

到达微透镜表面的光锥的结构取决于用于将光引导至CCD的显微镜或相机镜头的光学特性。 而且，多晶硅栅极的厚度严重影响位于栅极结构下方的光电二极管收集光的能力。 使用回流技术在抗蚀剂层上制造微透镜阵列，以在短焦距和20至800微米的相应透镜直径下实现0.15至0.4的数值孔径。 微透镜阵列的填充因子在很大程度上取决于用于创建阵列的制造过程。 也使用数值孔径稍低（0.05至0.2）的玻璃透镜。 较低数值孔径的微透镜具有较少的光学像差，而焦距明显更长。

微透镜的缺点远远不如具有这些光学元件的器件灵敏度的提高。 当来自像素外部的光线聚焦到相邻透镜（然后聚焦到检测器光电二极管）上时会导致配准错误，这是主要的困难之一。 另外，当检测器像素大小达到微透镜的衍射极限时，像素变得过满，从而导致测量不准确。 随着光电二极管变小，与生产优质微透镜相关的问题增加。 需要更高质量的微透镜以在这些阵列上产生图像，但是球差随后成为问题。 将微透镜添加到CCD会增加处理步骤，并且透镜阵列的均匀性是一个变量，经常会在制造过程中引起问题。

撰稿人
Mortimer Abramowitz – Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Melville, New York, 11747.
Michael W. Davidson – National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310.