全光透镜在光传感器衬底上的单片集成制造技术

本发明专利技术涉及全光结构在图像传感器上的单片集成，其中在光传感器的衬底上利用具有低折射率的材料(包括或者不包括滤色镜和/或像素微透镜)并且在具有低折射率的所述材料上布置具有高折射率的材料来制造全光微透镜。直接在光传感器的衬底上制造全光微透镜。高集成密度的光传感器被以最小距离布置以最小化像素间干扰，为了高密度集成的目标，在邻近具有相同颜色的像素的光传感器的顶点上具有“变形的方向”的几何形状，从所述顶点移除任何光敏区域，以使光传感器远离具有相同颜色的邻近像素的噪声(具有相同颜色的邻近像素的辐照圆或者艾里盘)。通过距衬底不同距离处的全光微透镜的结构(在其周边上更小)和/或在其周边上的更不对称的轮廓和/或朝向传感器的周边的具有不同尺寸和形状的像素，来提高光效率。通过产生低折射率和高折射率的交替层来制造微物镜。

Monolithic Integration of All-optical Lens on the Substrate of Optical Sensors

【技术实现步骤摘要】
全光透镜在光传感器衬底上的单片集成本申请是申请日为2013年12月07日、申请号为201380078180.9、题为“全光透镜在光传感器衬底上的单片集成”的中国专利技术专利申请的分案申请。
本文公开的专利技术涉及图像拍摄，更具体而言，涉及利用固态传感器拍摄全光图像，其中不仅拍摄图像，而且还拍摄光线的到达方向。这一领域包括光学元件、光电传感器(将光强转换成电流)和所拍摄图像的处理元件。其目的在于降低图像传感器的生产成本，同时提高其质量，减小其尺寸并以极高的量提供制造能力。本专利技术提供了一种晶片等级的光学设计和几个光电和光学晶片的“夹层结构”，得到可用于数字相机、移动电话、平板计算机、膝上计算机和结合相机的一般消费品，尤其是但并非唯一与CMOS图像传感器组合的一般消费品中的传感器。本文描述了图像传感器的各种结构和制造方法。
技术介绍
“单片式集成电路”是指利用普通芯片设计技术获得的集成电路，其中基础材料(衬底)不仅包含有源元件(晶体管、传感器等)，还包含互连元件。使用这个术语是指通常不同的技术和功能的集成，例如，在同一芯片上使用模拟和数字电路，或者功率半导体器件与模拟、数字电路、信号处理、传感器和保护电路在同一芯片上的集成。在光电子学中，“单片集成”是指在通常由“电子材料”制成的芯片自身上将激光器、探测器、以及带有其电子偏置电路、控制和管理系统的所有，集成为单个“电光集成电路”特征，例如光纤输入/输出光波导。在正常相机中，膜(或数字相机中的传感器)拍摄二维图像，其中膜的每个点(或数字相机中的像素传感器)集成从任何方向到达该点的所有光线。全光相机(或光场相机)能够对一定范围的光以及光场中光线的方向采样。拍摄光的到达方向会合成“新视图”或新图像，例如3维图像、重新聚焦在不同点上的图像和“完全聚焦的”图像(不论现实世界中物体的距离如何)。图1(从美国专利8290358B1复制；专利技术人TodorG.Georgiev)示出了现有技术的实施方式，即相机(具有两个或更多透镜或物镜，对于该图，图的顶部有三个透镜)部分的阵列。每个透镜/物镜都将现实世界中的图像聚焦在照片传感器的特定部分中(图像底部上的薄膜)，但也可以在几个光传感器中这样做。可以组合若干所拍摄图像以形成单个图像。图2(再次从美国专利8290358B1复制)示出了全光相机现有技术的实施方式，其使用了单个物镜或透镜(在图像的顶部)和一组微透镜(或微透镜阵列)，微透镜例如能够包括100000个一个挨一个的小透镜(或在近来的实施方式中有更多)，形成二维图案(图2中用箭头表示的微透镜阵列在该图中位于三个光束交叉的点处)。所述微透镜阵列通常位于光传感器(图像的底部)的小距离处(大约半毫米)，光传感器可以是CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器、CCD(电荷耦合器件)传感器或任何其他过去、现在或将来的光传感器技术。微透镜阵列的平面平行于光传感器的平面。前一段中描述的由全光相机传感器拍摄的图像实际是相机透镜/主要物镜的小图像集合(阵列)，这种图像常常被称为“微图像”。在每点处所描述的“微透镜/传感器”结构不仅拍摄亮度，而且拍摄不同方向中的光强分布。几个微透镜的每个将从主透镜向它而来的光束分离成来自主透镜不同位置的光线。光线被作为像素存储于光传感器中，每个微透镜上的该组像素形成被称为宏像素(图2中用钥匙(key)表示)的n个像素的图像。第三种“光场相机”类似于图2的那种，只是微型透镜阵列被孔径阵列(不透明表面上让光进入的小孔)替代。第四种“全光相机”类似于图2，只是没有折射“正弦掩模”替代微透镜，所述掩模调制入射光，但不对其进行折射，导致所拍摄的图像是利用光场掩模入射的光场卷积；这种相机直接在傅里叶频域中拍摄光场。于是，二维(2D)传感器像素代表几个编码入射光线的线性组合，可以由软件对所述线性组合解码以获得光场的所有信息(包括光线的到达方向)。图3和4(从GB2488905复制，专利技术人NorihitoHiasa和KoshiHatakeyama)示出了光线的传播，以及能够用于各种任务，例如重新聚焦、计算距离等的算法来源。图3示出了靶平面的一对点要被聚焦到定位在超过微透镜平面的平面中的情况，不过，这些光线不会到达焦点，它们被微透镜衍射，并在传感器中产生几个像素(而不是在会被聚焦的平面中产生单个像素)。图4示出了平面物体中的一对点要被聚焦到微透镜前方平面上的情况，这对点从该点发散，并且被微透镜衍射，并在传感器平面中产生几个像素。在两种情况下，如果传感器(或膜)在微透镜所在的地方，这些点的图像会显得模糊；不过，利用全光相机，能够确定光线的到达方向，有多种算法来计算什么会是图3和4中所述物体的聚焦图像，计算光线的“回溯”(从空间中的图像传感器向主透镜右侧，直到焦平面，甚至物空间中这些光线的原点，到达透镜左侧)。由于空间的三角形与物体图像空间相似，还可以计算从焦平面(201)到图3和4中所示的平面(101，102和202)的距离，甚至能够计算图像像素到物空间中这些像素原点的距离，利用这种信息，然后可以为3维(3D)电视图像生成图像，重新聚焦图像，产生完全聚焦图像等。尽管已经利用后面的实施方式描述了全光相机，Lippman在1908年已经描述过它，但技术上的困难使得直到2004年都未能实现显著进展，那时，Ng，Hanrahan，Levoy和Horowitz在他的专利US2007/025074中(如同在“StanfordTechReport”CTSR2005-02中那样)描述了一种相机，其分辨率与所使用的微透镜数量相同。在2004年10月，Ng，Hanrahan，Levoy和Horowitz(US2012/0300097)描述了一种全光传感器，结构类似于图2、3和4中所述那种。我们在图6A中复制所述传感器，论述其主要部分。图像的下部描述了整体组件，而图像的上部描述了所述组件的各个部分。“数字背部”向设备提供了机械强度，同时执行“芯片封装”被插入处(其相应的芯片输入-输出管脚插入“数字背部”中)的印刷电路板的功能，该芯片包括“光传感器”，并包括安装于光传感器上的“基础板”(或基底)以及机械固定到“透镜支架”的“微透镜阵列”(或微透镜的阵列)，透镜支架被附着到“基底板”(基底)，其中“分离弹簧”维持微透镜和光传感器之间的特定距离，位于三个位置处的“调节螺钉”(或螺钉)控制光传感器平面和微透镜阵列的距离和平行性。这幅图未示出主要的相机透镜。以上专利中表达的概念启发了面向消费市场的早期全光相机，在2012年，Lytro公司开始销售相机，其方案在图6B中示出，该公司的员工包括前述专利的专利技术人之一。图6B(从www.lytro.com提取)在其顶部示出了一组输入透镜(8×变焦，固定孔径f/2)、概念类似于图6A的“光场传感器”(具有“微透镜阵列”和“数字图像传感器”)，在图像的底部示出了“光场引擎”(由一些处理能力构成，以实施前述段落中简单提到的全光算法(基本是重新聚焦于产品的早期版本))。2008年，Lumsdaine、Georgiev和Intwala在前述专利(“A.Lumsdaine和T.Georgiev.FullresolutionLightfieldrendering.Technica本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全光传感器，所述全光传感器整体集成以下元件：具有光传感器的基板；由高折射率材料层构成并位于所述具有光传感器的基板上方的像素微透镜；由高折射率材料层构成并位于所述像素微透镜上方的全光微透镜。

【技术特征摘要】
2013.05.21 ES P2013307271.一种全光传感器，所述全光传感器整体集成以下元件：具有光传感器的基板；由高折射率材料层构成并位于所述具有光传感器的基板上方的像素微透镜；由高折射率材料层构成并位于所述像素微透镜上方的全光微透镜。2.如权利要求1所述的全光传感器，其中，所述全光微透镜是球形的。3.如权利要求1所述的全光传感器，其中，所述全光微透镜具有非球形结构。4.如权利要求1至3中任一项所述的全光传感器，其中，所述像素微透镜和全光微透镜都位于所述具有光传感器的基板上。5.如权利要求1至4中任一项所述的全光传感器，还包括位于所述全光微透镜上的微物镜；其中，低折射率和高折射率的一个或者多个层被相继添加，从而形成所述微物镜。6.如权利要求1至3中任一项所述的全光传感器，其中，所述全光微透镜被放置为距离所述具有光传感器的基板一定距离的位置处。7.如权利要求6所述的全光传感器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：豪尔赫·比森持·布拉斯科克拉雷特，
申请(专利权)人：弗托斯传感与算法公司，
类型：发明
国别省市：西班牙,ES