新型微偏振器件阵列的设计、制备与单片集成研究

In the past few years, light-polarization-based imaging systems have shown great promise by solving many difficulties encountered by traditional intensity or color based CMOS/CCD imaging systems in a wide range of applications, including satellite remote sensing, ocean development, biomedical engineering, to name a few. Compared with all the other existing polarization imaging systems, CMOS monolithic polarization imaging systems, which consist of "micropolarizing device array" and "CMOS image sensor", exhibit great advantages in terms of manufacture cost, system volume, sensing speed and power consumption, .etc. However, research on the design/fabrication of micropolarizing device array is still on its early stage, there are quite a few problems to be solved, such as no extraction of circular polarized components, large pixel size, low optical performance, .etc. In addition, research on the monolithic integration of micropolarizing device array and CMOS image sensor just started, technical efforts on the related modelling, process implementation, post-process analysis and optimization are urgently expected. Therefore, we propose this project of "Research on the design, fabrication and monolithic integration of novel micropolarizing device array", hopefully we can realize the CMOS polarization imaging system on a single chip by solving the above-mentioned problems, and provide a set of economic and effective solutions for the difficulties encountered by those applications.

近年来，传统只依赖光强或颜色的CMOS/CCD成像系统在卫星遥感、海洋开发、生物医学等相当多领域的应用遇到了很大困难，而利用光偏振特性的成像系统在解决这些困难方面已经取得了非常好的效果。与已有其它偏振成像系统相比，以"微偏振器件阵列"和"CMOS图像传感器"为核心器件的CMOS单片偏振成像系统在成本、体积、速度和功耗等诸多方面都表现出了极大的优势。然而，关于微偏振器件阵列的设计制备研究尚处于初级阶段，很多诸如圆偏振分量无法提取、像素尺寸过大、光学性能参数过低等方面的问题有待解决。此外，微偏振器件阵列与CMOS图像传感器单片集成方面的研究尚属起步，相关建模、工艺实现、集成后续分析优化等方面的技术亟待开发。鉴于此，我们提出"新型微偏振器件阵列的设计、制备与单片集成研究"项目，希望在综合解决上述问题基础上实现真正意义上的CMOS偏振成像系统芯片，为上述应用领域遇到的困难提供经济有效的解决方案。

近些年来，偏振成像在解决传统光强或彩色成像领域所面临的诸多问题和困难方面表现出很大的优势。本项目中，我们主要聚焦在微偏振器件阵列的设计、制备及其与固态图像传感器的单片集成等方面。本项目所取得的主要研究成果总结如下：1）我们设计了一个基于液晶分子间“宾主”机制的微偏振片阵列用来实现可见光的偏振成像。制备出来的薄型微偏振片阵列的厚度仅为0.95微米，最小像素尺寸仅为5微米。通过使用光控取向后的SD1材料来对向列相液晶“主分子”进行再取向，在可见光400-700nm的光谱范围内，我们可以测得器件的平均主透过率、偏振效率和取向系数分别为80.3%，0.863和0.848。2）我们提出了一种基于聚合物液晶材料的双层微四分之一波长相位延迟器阵列，该器件首次实现了整个可见光波段入射光中圆偏振分量的实时提取。与以往的研究工作相比较，我们所制备的微四分之一波长相位延迟器具有高的消色差性，这使得基于此结构的传感器应用不再局限于单波长的入射光。此外，该器件具有优良的光学性能，厚度仅有2.43微米，有效地缓解了相邻感光像素之间的光学串扰，极大地提高了在单芯片上实现多波段全斯托克斯偏振成像的可行性。3）在本项目研究中，我们还报道了一种基于模拟伽马校正技术的新型对数式图像传感器用来降低器件的量化噪声和提高动态范围。所提出的结构利用了一个基于非线性电压控振荡器（VCO）的模数转换器（ADC）来在模数转换的同时实现伽马校正。从得到的结果看出，我们提出的结构可以在保证对数式图像传感器高动态范围的同时不增加量化噪声。此外，通过将伽马校正功能与模数转换功能相结合，我们可以极大地降低芯片面积和所需要的总功耗。4）本项目还通过引入电控可变焦液晶微透镜阵列来解决了大角度倾斜入射时相邻像素间的光学信号串扰以及所造成微偏振器件光学性能参数下降的问题。基于上述方法所制备的不同直径尺寸的微透镜，分别为100微米和400微米。当两边所加电场为零时，该微透镜的焦距最小；当两边所加电场不断加大时，该微透镜的焦距也将不断增大直到接近无限远。本项目顺利地完成了预定的目标，所取得的研究成果对偏振图像传感器的大规模量产和应用具有重要的意义。