圖 | MEMS
編者按：本文來自微信公眾號「MEMS」（ID：MEMSensor），作者麥姆斯諮詢，原文題目《大面陣SPAD陣列集成微透鏡陣列，填充因子改善明顯》，36氪經授權發布，略有刪減。
據麥姆斯諮詢報導，基於CMOS製造工藝可實現大面陣、單片式單光子雪崩光電二極體（SPAD）陣列，並受到如3D成像、螢光壽命成像等各種應用的青睞，但常常受到低填充因子（fill factor，指感光區域面積與像元面積的比值）的困擾。SPAD填充因子的數值通常小於5%，當然如果犧牲一些功能，如刪除計時電路設計，SPAD陣列填充因子也可以高達60%，
將大面陣SPAD陣列與微透鏡陣列進行集成設計，可以大大提高其探測效率。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域。
近日，英國赫瑞瓦特大學（Heriot-Watt University）、英國愛丁堡大學（The University of Edinburgh）、美國博伊西州立大學（Boise State University）和義大利米蘭理工大學（義大利語：Politecnico di Milano）的研究人員在美國光學學會（Optical Society of America, OSA）旗下期刊Optica上發表論文：《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計》（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陣列設計的微透鏡陣列的研究成果。
文中介紹了為兩款32 x 32矽基CMOS SPAD陣列設計的衍射微透鏡陣列，目的均是提高SPAD陣列有效填充因子，從而提高在低光子環境下的單光子探測效率（SPDE）。
其中一個SPAD探測器陣列MF32的感光區域面積直徑僅為7μm，對應填充因子約為1.5%；另一個為SPAD探測器陣列MiSPIA的感光區域面積直徑為30μm，對應填充因子約為3.4%。因為衍射極限焦斑尺寸可通過透鏡刻度調節焦距實現，需要透鏡能夠將足夠多的光線聚集在感光區域內。透鏡陣列採用熔融石英襯底，然後倒裝到SPAD陣列上。
無限共軛微透鏡結構示意圖。可將無限遠的物體成像到SPAD像素，設計焦距為熔融石英襯底與其折射率的比值。
研究人員採用二元光刻技術製作微透鏡陣列。為了在給定波長λ的條件下獲得衍射光學元件（DOE）的最大衍射效率，等效折射透鏡的形貌寬度被分為2π，從而實現元件的相位匹配。
採用二元光刻技術製作微透鏡陣列的工藝步驟
論文對微透鏡陣列與兩種不同的SPAD陣列集成後的效果進行了測試。這兩款SPAD陣列的設計參數如下：
用變異係數（Coefficient of Variation, CV）統計可看出探測器陣列的光照均勻性。分別收集MiSPIA和MF32在波長為808 nm和580 nm時光學系統的表現，可以看出與微透鏡陣列集成後一致性更佳。
SPAD陣列的CV表現與光圈數值的關係：（a）MiSPIA，波長為808 nm；（2）MF32，波長為580 nm。CV值越小說明整個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器陣列探測能力的參數。CV的含義是，在相同條件下，光子事件被集成微透鏡的探測器陣列探測到的數量與裸探測器晶片探測到的數量的比值。
為了保證比較的公平性，每種條件下，裸探測器、微透鏡與探測器陣列的集成器件所探測的信息都會記錄對應波長、光圈數值，同時保證所有測量的雷射功率水平相同。
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，這與預期一致，因為微透鏡就是為準直入射光源而設計的。從下圖（b）可以看出，透鏡在波長為780 nm處效率最高，CF在波長為808 nm、不同光圈數值時均略有降低。
CF對比：MiSPIA與微透鏡陣列集成後與之前研究工作收集的數據。（a）峰值的CF（紅色）和設計波長的CF（黑色）與照明光圈f的關係，實線為新數據，虛線為過去研究收集的數據；（b）在f=22（紅色）、f=11（黑色）的新舊數據對比，實線為新數據，虛線為過去研究收集的數據。
研究人員在較廣的波長範圍（500nm ~ 900nm）和光圈範圍（f=2 ~ f=22）內，在不同條件下對每個微透鏡陣列進行全面表徵，主要以CF和CV兩個參數為主。在兩個實例中，除了最低的光照（f=2）以外，其它條件下CV都大大降低了，證明了以二元光刻製造的微透鏡的高質量、高均勻性等衍射性能。MiSPIA陣列達到的最大CF值是19.5，而MF32陣列最高達到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。帶來的優勢對光子數量極少環境中的應用特別有用，如生物醫學領域的螢光壽命成像或者正電子發射斷層掃描（PET）、飛行時間（ToF）測距以及雷射雷達（LiDAR）。