基于CMOS制造工藝可實(shí)現(xiàn)大面陣、單片式單光子雪崩光電二極管(SPAD)陣列，并受到如3D成像、熒光壽命成像等各種應(yīng)用的青睞，但常常受到低填充因子(fill factor，指感光區(qū)域面積與像元面積的比值)的困擾。SPAD填充因子的數(shù)值通常小于5%，當(dāng)然如果犧牲一些功能，如刪除計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)，SPAD陣列填充因子也可以高達(dá)60%。

將大面陣SPAD陣列與微透鏡陣列進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，可以大大提高其探測(cè)效率。微透鏡陣列利用折射原理或者衍射原理，將入射光集中到感光區(qū)域。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，英國赫瑞瓦特大學(xué)(Heriot-Watt University)、英國愛丁堡大學(xué)(The University of Edinburgh)、美國博伊西州立大學(xué)(Boise State University)和意大利米蘭理工大學(xué)(意大利語：Politecnico di Milano)的研究人員在美國光學(xué)學(xué)會(huì)(Optical Society of America, OSA)旗下期刊Optica上發(fā)表論文：《可提高填充因子的CMOS SPAD陣列與高濃度因子衍射微透鏡集成設(shè)計(jì)》(High concentration factor diffractive microlenses integrated with CMOS single-photon avalanche diode detector arrays for fill-factor improvement)，公布了專為大面陣SPAD陣列設(shè)計(jì)的微透鏡陣列的研究成果。

文中介紹了為兩款32 x 32硅基CMOS SPAD陣列設(shè)計(jì)的衍射微透鏡陣列，目的均是提高SPAD陣列有效填充因子，從而提高在低光子環(huán)境下的單光子探測(cè)效率(SPDE)。其中一個(gè)SPAD探測(cè)器陣列MF32的感光區(qū)域面積直徑僅為7μm，對(duì)應(yīng)填充因子約為1.5%；另一個(gè)為SPAD探測(cè)器陣列MiSPIA的感光區(qū)域面積直徑為30μm，對(duì)應(yīng)填充因子約為3.4%。因?yàn)檠苌錁O限焦斑尺寸可通過透鏡刻度調(diào)節(jié)焦距實(shí)現(xiàn)，需要透鏡能夠?qū)⒆銐蚨嗟墓饩€聚集在感光區(qū)域內(nèi)。透鏡陣列采用熔融石英襯底，然后倒裝到SPAD陣列上。

無限共軛微透鏡結(jié)構(gòu)示意圖?？蓪o限遠(yuǎn)的物體成像到SPAD像素，設(shè)計(jì)焦距為熔融石英襯底與其折射率的比值。

研究人員采用二元光刻技術(shù)制作微透鏡陣列。為了在給定波長(zhǎng)λ的條件下獲得衍射光學(xué)元件(DOE)的最大衍射效率，等效折射透鏡的形貌寬度被分為2π，從而實(shí)現(xiàn)元件的相位匹配。

采用二元光刻技術(shù)制作微透鏡陣列的工藝步驟

論文對(duì)微透鏡陣列與兩種不同的SPAD陣列集成后的效果進(jìn)行了測(cè)試。這兩款SPAD陣列的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

用變異系數(shù)(Coefficient of Variation, CV)統(tǒng)計(jì)可看出探測(cè)器陣列的光照均勻性。分別收集MiSPIA和MF32在波長(zhǎng)為808 nm和580 nm時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的表現(xiàn)，可以看出與微透鏡陣列集成后一致性更佳。

SPAD陣列的CV表現(xiàn)與光圈數(shù)值的關(guān)系：(a)MiSPIA，波長(zhǎng)為808 nm；(2)MF32，波長(zhǎng)為580 nm。CV值越小說明整個(gè)SPAD陣列上的光線分布均勻性越好。

而濃度因子(Concentration Factor, CF)則是表示利用微透鏡提升探測(cè)器陣列探測(cè)能力的參數(shù)。CV的含義是，在相同條件下，光子事件被集成微透鏡的探測(cè)器陣列探測(cè)到的數(shù)量與裸探測(cè)器芯片探測(cè)到的數(shù)量的比值。為了保證比較的公平性，每種條件下，裸探測(cè)器、微透鏡與探測(cè)器陣列的集成器件所探測(cè)的信息都會(huì)記錄對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)、光圈數(shù)值，同時(shí)保證所有測(cè)量的激光功率水平相同。從下圖(a)可以看出，隨著入射光最大角度的減小，CF隨著照明光圈值增加，這與預(yù)期一致，因?yàn)槲⑼哥R就是為準(zhǔn)直入射光源而設(shè)計(jì)的。從下圖(b)可以看出，透鏡在波長(zhǎng)為780 nm處效率最高，CF在波長(zhǎng)為808 nm、不同光圈數(shù)值時(shí)均略有降低。

CF對(duì)比：MiSPIA與微透鏡陣列集成后與之前研究工作收集的數(shù)據(jù)。(a)峰值的CF(紅色)和設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的CF(黑色)與照明光圈f的關(guān)系，實(shí)線為新數(shù)據(jù)，虛線為過去研究收集的數(shù)據(jù)；(b)在f=22(紅色)、f=11(黑色)的新舊數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)線為新數(shù)據(jù)，虛線為過去研究收集的數(shù)據(jù)。

研究人員在較廣的波長(zhǎng)范圍(500nm ~ 900nm)和光圈范圍(f=2 ~ f=22)內(nèi)，在不同條件下對(duì)每個(gè)微透鏡陣列進(jìn)行全面表征，主要以CF和CV兩個(gè)參數(shù)為主。在兩個(gè)實(shí)例中，除了最低的光照(f=2)以外，其它條件下CV都大大降低了，證明了以二元光刻制造的微透鏡的高質(zhì)量、高均勻性等衍射性能。MiSPIA陣列達(dá)到的最大CF值是19.5，而MF32陣列最高達(dá)到33.8。通過將微透鏡陣列與SPAD陣列集成，可以大大提高SPAD陣列的填充因子。帶來的優(yōu)勢(shì)對(duì)光子數(shù)量極少環(huán)境中的應(yīng)用特別有用，如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熒光壽命成像或者正電子發(fā)射斷層掃描(PET)、飛行時(shí)間(ToF)測(cè)距以及激光雷達(dá)(LiDAR)。

論文鏈接：https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-59-14-4488

總結(jié)

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