光场图像传感器、方法及应用技术

一种使用Ｔａｌｂｏｔ效应以检测光的局部强度及入射角的角度敏感像素（ＡＳＰ）设备，其包含堆叠在光电二极管之上的两个局部衍射光栅。当被平面波照射时，上层光栅在选择的Ｔａｌｂｏｔ深度产生自身图像。放置于此深度的第二光栅依靠入射角阻挡或通过光。被调到不同入射角的几个这样的结构足以提取局部入射角以及强度。这样的结构的阵列足以定位三维空间中的光源而不用任何附加的光学部件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的多个实施方案一般指向光场及光场图像检测领域。更特别地，本专利技术的 多个实施方案指向无透镜的角度敏感像素(ASP)设备以及由能够测量光场的强度及方向 角以提供光场图像的两个或多个无透镜的ASP设备组成的无透镜的光场图像检测器。本发 明的多个实施方案还包括，但不限于，伪3D的CMOS、ASP成像设备、与所述设备实施方案关 联的成像方法、以及其应用。相关技术讨论传统的成像使用光敏元件的大型阵列，以在图像平面建立光强度的分布图。但是， 该强度分布图不能采集入射角、偏振角以及光射线经过图像平面的其他特性。这些附加的 参数的完整描述定义了在图像平面的光场或光的“流”。Michael Faraday在19世纪中叶首先提出了光作为场的概念。该概念被在三维 空间中的“光场”的理论扩展。在一个给定的点上，光场被向量的无限集合定义，该向量代 表从所有的角度到达该点的光。光场能够被多个变量的“全光函数”形式上地定义。该全 光函数关于强度I参数化了经过所有空间的光射线，该强度I取决于空间(X，1，ζ)中的位 置，方向(Θ，炉)，波长(入)，时间(t)以及偏振角(ρ)。因此，I(x，y，z，θ ,φ, λ，t，p)是 可见景像的完整表示并且包含场景的所有可能的视图。测量全光函数将要求观察者在时间中的所有瞬间以及在空间中的每个点上，对每 个波长能够确定每个射线的强度。明显地，对任何实际场景，全光函数的完美确定是不可能 的。但是，共同地已知为光场成像的多种技术已被设计，其能够在平面上记录超出简单的强 度的全光函数的多个方面。一种报告的方法使用针孔照相机阵列，其中每个相机在特殊的 位置(Xo，y。)采集与入射的角度相关的强度ι (θ，识)。相机在不同的位置(Xi，Yi)采集全 光函数的片段I(x，y，θ ,φ)α传统相机阵列也能够被使用，同样照相机扫描或多个遮光框 (mask)也能够使用。小尺寸的解决方案已使用微镜头以仿真相机序列。但是，所有的这些 方法需要大量的并列的或可移动的光学部件，以采集关于超出简单的强度分布图的光场的 fn息ο有关场景的光场的记录信息提供了比传统照片或电影更完整的该场景的描述，并 且对多个应用是有用的。光场允许在给定的已知源的表面上的照明图的预测以及场景的三 维重建(例如，“光场重现”或者“三维形状近似”)。图la，Ib显示了光场的一个方面，例如 入射角，是怎样能够用于定位三维空间中的光源。采集光场也允许用任意的焦面和光圈来构建图像。在照相学和显微学中，该能力对获得多个焦面而不移动光学部件来说是有用的。广泛种类的应用需要关于微尺寸采样的三维结构的信息。使用没有附加硬件的半 导体芯片产品直接采集该信息将减少很多仪器和检验的大小和成本几个数量级。现有的固 态图像传感器采用大量光敏像素，其采集入射光的强度分布图，但是无角度信息。在典型的 成像应用中，需要透镜以确保强度分布图表示感兴趣的一些目标。不使用透镜，必须纯粹地 依靠包含在照射图像传感器的光射线中的信息。如果采样被放置在足够地接近于图像传感 器，并且被照射，作为结果的强度分布图将典型地包含一些模糊不清的二维空间信息。三维 信息被完全地丢失。包含在光射线的入射角内的信息是所感兴趣的，因为其还包含可恢复 的空间信息。迄今为止，在未修改的集成电路技术中，宏观角度检测器已被提供。像素尺寸角度 敏感结构已在芯片上被提供，但是需要在后装配的微透镜阵列，其在标准成像器的制造及 使用上大大增加了成本和复杂性。另一个被报告的技术涉及使用金属区域的硅绝缘体(SOI)结构，该金属区域和光 的波长有很大关系，以在下部的光电二极管上产生阴影。该方法据报道已被用于执行单一 的角度测量，但是不是很适合于在成像器阵列中采用。专利技术人认识到，对在现有技术中的缺点及挑战的解决方案和改进是必要的并且将 是有益的。更具体地，对比于需要多个透镜和/或可移动部分的其他方法，单片式的、不需 要除传感器本身之外的光学部件的、并且能在标准平面微细工艺(例如CMOQ中被生产的 器件在技术中是有优势的。这里公开的以及要求权利的本专利技术的多个实施方案成功地解决 了这些问题，并达到了这些目标。
技术实现思路
本专利技术的多个实施方案指向用于测量在给定的图像平面上的光场的装置及方法。 这里公开的像素及检测器设备对出自目标场景的入射光的强度和入射角是灵敏的。公开的 装置及方法利用周期的光衍射结构的Talbot效应，以通过其幅度以及方向来特征化入射 光。在某些方面，在大量传感器位置的每个处的微尺度的衍射光栅用于采集该信息。为了 从数字图像传感器的典型的像素分辨这些设备中的某些，这里我们把它们称作“角度敏感 像素” (ASP)。本专利技术的一个实施方案是在标准CMOS制造过程中整体地制造的角度敏感像素设 备。在非限制的方面，该ASP设备含有设备支持结构；第一周期的光衍射结构，其具有周期 P1，布置在支持结构的顶面内或支持结构的顶面上；第二周期的结构，其具有周期P2，平行 于第一周期的结构被定向并且在第一周期的光衍射结构之下以所选择的距离布置在支持 结构中。如这里使用的，m、η是正整数，λ是在第一周期的光衍射结构上的单色的平面的 入射波前的波长，并且P1等于或大于λ。在一个方面，P1等于ρ2。根据一个方面，第二周期 的结构还含有至少两个交错的扩散型二极管的至少两组，该二极管可以是指状二极管。该 二极管组分别横向地从第一周期的光衍射结构偏移距离nPl/m，其中η能取值0、1、2、3、4、 5、6、7、8，并且m能取值2、3、4、8。该交错的二极管组在第一周期的光衍射结构以及第二周 期的结构之下，以选择的距离Zn = (Hi1Ai1) (2Ρι2/ λ )布置。具体化的微尺寸设备需要周期的衍射结构以产生Talbot自身图像、以及用于分析这些自身图像的结构。通过调整整个设备使其安装在一侧上的最多十微米的区域内，空 间分辨率可以达到与现有的图像传感器可比的程度。在一个阐释性的方面中，周期的衍射 结构在这个区域内将具有几个周期，以产生可操作的周期自身图像。因此衍射结构可具有 仅几个波长的一个周期。目前的平面光刻技术能容易地达到产生合适的衍射结构所需要的 分辨率。数字建模及仿真能够准确地预测建立在单一微米尺寸上的有限的光栅的反应。根据一般的实施方案，用于分析由周期的衍射结构产生的自身图像的结构可以是 集成的光检测器；例如，至少两个扩散型二极管的周期的交错的至少两组在技术中是被熟 知的。根据于此以下描述的进一步的实施方案，用于分析自身图像的结构可以是周期的结 构的一层或多层，其后是以以下形式的传感器扩散型二极管的周期的交错的至少两个组、 在技术中已知的一个或多个单一的大阱型二极管、或布置在(并且部分地被封进)一个或 多个单一的大阱型二极管中的交错的扩散二极管的组合。周期的结构的一层或多层可以或 可以不共同垂直地排列。本专利技术的一个实施方案是无透镜的角度敏感像素(ASP)设备，其包含设备支持结 构；第一周期的光衍射结构，其具有周期P1，布置在支持结构的顶面中或支持结构的顶面 上；第二周期的结构，其具有周期P2，平行第一周期的光衍射结构被定向，并且在第一周期 的光衍射结构下方，以选择的间距布置在支持结构中；以及传感器，其在第一周期的光衍本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无透镜的角度敏感像素（ＡＳＰ）设备，包括：　　设备支持结构；　　第一周期光衍射结构，其具有周期ｐ↓［１］，布置于所述支持结构的顶面内或所述支持结构的顶面上；　　第二周期结构，其具有周期ｐ↓［２］，平行于所述第一周期光衍射结构被定向，并且在所述第一周期光衍射结构下方，以选择的距离布置在所述支持结构中；以及　　传感器，其在所述第二周期结构下方布置在所述支持结构中，其中ｐ↓［１］等于或大于λ，所述λ是在所述第一周期光衍射结构上的单色的平面的入射波前的波长。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿廖沙·莫尔纳，
申请(专利权)人：康奈尔大学，
类型：发明
国别省市：US