[发明专利]全光透镜在光传感器衬底上的单片集成

说明书

本发明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。

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”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本文公开的发明涉及图像拍摄，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。本发明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。

背景技术

“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；发明人Todor G.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。