CN102024833A - 3d成像装置、用于制造该3d成像装置的方法及3d成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D成像装置、用于制造该3D成像装置的方法以及3D成像系统，该3D成像装置包括：光电探测器(2)矩阵(M)；固定在光电探测器矩阵的一个表面上的材料层(1)，材料层(1)能够吸收或反射光，每个光电探测器(2)处的所述材料层中均形成有开口(3)；固定在所述材料(1)层上的能够反射或吸收光的绝缘材料层(6)，绝缘材料层(6)具有在其本体中包围一组G个波导件(5)的一个表面，这组波导件中的每个波导件(5)均与开口(3)相对地、且关于所述表面竖直地设置，关于绝缘材料层的表面考虑的不同波导件的高度定义N个不同水平，N为大于或等于2的整数。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D(三维)成像装置、以及一种用于制造3D成像装置的方法。
本发明还涉及一种3D成像系统，其包括能够形成三维目标的体积图像(volume image)的元件和根据本发明的3D成像装置。
背景技术
本发明可应用于许多领域中，例如电影和电视设备、摄影装置、远程监控、遥测、生物和医学成像等。
从现有技术中获知了用于执行3D成像的几种方法。
这些方法中最为人所知的是体视法(stereoscopy)。体视法基于使用在空间上略微错开的两个相同的成像系统，每个成像系统均传递观察到的场景的图像。然后从成像系统所传递的两个图像构建3D图像。体视法的缺点是需要使用两个传感器。这两个传感器实际上构成庞大的组件，需精密地校准这两个传感器的相应位置。
为了抵消使用两个传感器的缺点，一种已知的方法是自动体视法，其包括使用由装配有微透镜的探测器的矩阵形成的单个传感器来产生3D图像，装配有微透镜的探测器的矩阵本身完全被设置在支架中的透镜覆盖。这样的传感器缺点在于该精密组件由不同元件构成。
另一种方法基于使用透镜景深。该方法的原理包括改变透镜的图像平面的位置，以在深度上解析要研究的目标。为此，一个人移动透镜并使目标的不同图像平面重组(recompose)。该方法的一个缺点是其实施起来非常复杂。
根据本发明的3D成像装置没有前述现有技术的缺点。
发明内容
实际上，本发明涉及一种3D成像装置，包括光电探测器矩阵，其特征在于，其包括：
-第一材料层，固定在光电探测器矩阵的一个表面上，该第一材料层能够反射或吸收入射到其表面中的任意一个上的光，每个光电探测器处的第一材料层中均形成有开口；以及
-第二材料层，由电绝缘材料形成，具有固定在第一材料层上的第一表面，第二材料层在其本体中包围一组G个波导件(waveguide)，G是大于或等于2的整数，这组G个波导件中的每个波导件均具有基本与第二材料层的第一表面齐平并基本面对开口设置的第一端以及基本与第二材料层的与第一表面相对的第二表面齐平的第二端，每个第二端均形成用于入射到第二材料层的第二表面上的光的传感器元件，将N个不同波导件的第一端与第二端分开的距离彼此不同，N是大于或等于2且小于或等于G的整数。
“能够反射或吸收入射到其任意一个表面上光的材料层”是指通过反射和/或吸收阻止入射到其任意一个表面上的光的透射的材料层。
“形成用于入射到第二材料层的第二表面上的光的传感器元件的第二端”意指波导件的第二端构成导向件的由此将入射光的一部分耦合到该导向件中的入口。
根据本发明的优选实施方式，波导件是由金属触点通过生长而形成的纳米导线(nanowire)。然而，本发明不考虑使用在微电子领域中已知的其他技术形成的其他类型的波导件，例如离子交换或蚀刻填充有这样的材料的层，即，该材料的折射率大于该层的折射率(例如使用CVD、或化学气相沉积型的方法)。
根据本发明的又一另外的特征，这G个波导件分布在光电探测器矩阵的表面上方，从而使分别与形成在Nd个相邻光电探测器处的Nd个开口相对地设置的至少一组Nd个波导件的Nd个波导件相对于第二材料层的第一表面具有N个不同高度，这Nd个相邻光电探测器形成P行和Q列的初等子矩阵，P和Q是大于或等于2的整数(P×Q＝Nd)，Nd为大于或等于N的整数。
根据本发明的又一另外的特征，当光电探测器矩阵包括Nd个波导件的几个不同组件，每组Nd个波导件的Nd个波导件根据对于各组Nd个波导件均相同的图案分布。
本发明还涉及一种用于制造3D成像装置的方法，其特征在于，其包括：
-用于形成第一结构的步骤，由光电探测器矩阵形成该第一结构，在该光电探测器矩阵的一个表面上沉积能够反射或吸收其任意一个表面上的入射光的第一材料层，在每个光电探测器处的第一材料层中形成开口，
-用于形成第二结构的步骤，由绝缘体型衬底上的硅形成该第二结构，将涂覆有第二电绝缘材料层的纳米导线固定在该第二结构上，将纳米导线以与分布形成在第一结构的第一材料层中的开口的方式基本相同的方式分布在绝缘体型衬底上的硅上，并使纳米导线与材料层的平面表面齐平，
-用于将第二结构附设到第一结构上从而将纳米导线的与第二材料层的平面表面齐平的端部与所述开口相对地设置的步骤，以及
-用于蚀刻绝缘体型衬底上的硅和涂覆纳米导线的材料层，以首先去除绝缘体型衬底上的硅、然后形成涂覆纳米导线的N个不同水平的第二材料层的步骤，这N个不同水平使得可以分别定义彼此高度不同的N个不同纳米导线，N为大于或等于2的整数。
根据按照本发明的方法的一个另外的特征，形成第一结构的步骤包括：
-用于在光电探测器矩阵的表面上沉积第一材料层的步骤，以及
-用于蚀刻第一材料层以形成在光电探测器处得到的开口的步骤。
根据本发明的又一另外的特征，形成第二结构的步骤包括：
-用于在绝缘体型衬底上的硅上沉积金属层的步骤，
-用于蚀刻金属层以形成在绝缘体型组件上的硅上以与在光电探测器矩阵上分布开口的方式基本相同的方式分布的一组金属触点的步骤，
-用于从金属触点生长纳米导线的步骤，
-用于在绝缘体型衬底上的硅上沉积第二材料层以涂覆所有纳米导线的步骤，以及
-用于使第二材料层平面化以去除金属触点并使第二层的表面成为平面从而使纳米导线与所述表面齐平的步骤。
本发明还涉及一种3D成像系统，其包括能够形成三维目标的体积图像的元件，其特征在于，其还包括为了体积图像而设置的根据本发明的3D成像装置。
附图说明
根据下面参照附图完成的描述，本发明的其他特征和优点将显而易见，附图中：
图1-图7示出了根据本发明的优选实施方式的用于制造3D成像装置的方法的连续步骤；以及
图8示出了根据本发明的3D成像装置的运作；
图9示出了根据本发明的3D成像系统的例子。
在所有图中，相同的标号指代相同的元件。
具体实施方式
图1-图7示出了根据本发明的优选实施方式的用于制造3D成像装置的方法的连续步骤，其中波导件为纳米导线。
图1示出了根据本发明的优选实施方式的用于制造3D成像装置的方法的第一步。
本制造方法的第一步包括在光电探测器2的矩阵M上沉积能够反射或吸收入射光的材料层1，例如铝层。光电探测器2是例如形成在硅中的PN结、电荷耦合装置(CCD)、辐射热测量仪等。层1的厚度例如等于100nm。
然后以本身已知的方式蚀刻层1，以在每个光电探测器2上方形成开口3，该开口的尺寸例如等于150nm×150nm(参见图2)。形成在两个相邻光电探测器上方的两个开口分开距离d，例如等于5μm。然后形成第一装置D1。
第三步包括在绝缘体型衬底(更一般地被称为SOI衬底)上的硅上形成一组金属触点。图3示出了该第三步。在SOI衬底S上沉积金属层，例如金层，该SOI衬底通过叠置硅Si衬底、SiO2绝缘层和硅Si薄层而形成。然后以本身已知的方式蚀刻金属层，以形成触点4。在SOI衬底的表面上以与在前面步骤2中分布形成在铝层中的开口3的方式基本相同的方式分布触点4。因此，两个相邻触点4从轴线到轴线分开(参见图3)基本等于两个相邻开口3从轴线到轴线分开的距离d(参见图2)的距离。触点4的横截面选择成装配到开口的表面中。因此，对于尺寸为150nm×150nm的开口3，触点4的横截面例如等于100nm。
用于纳米导线生长的步骤紧随在SOI衬底上形成触点4之后。使用VLS(气相液相固相)方法以本身已知的方式进行纳米导线生长步骤。图4示出了纳米导线生长步骤的结果。纳米导线5的高度h优选地在100nm与100μm之间(例如50μm)，并且其直径W优选地在50nm与3μm之间。形成纳米导线的材料例如是氧化锌(ZnO)、或硅(Si)、或氮化镓(GaN)等。
一旦产生纳米导线，便在SOI衬底的硅层上沉积电绝缘材料层6，例如SiO2层(参见图5)。层6的特征在于，在系统运作时所处波长内它的低吸收(典型地为电介质型材料)。低吸收是指其折射率的虚部的绝对值小于0.01的材料。
然后用电绝缘材料6涂覆纳米导线5。对层6进行化学机械抛光或平面化，以去除触点4并使层的表面成为平面。然后使纳米导线的端部与层6的表面齐平。然后形成第二装置D2。
然后组装在上述步骤结束时获得的两个装置D1和D2(参见图2中所示的装置和图5中所示的装置)，从而与开口3相对地设置纳米导线5的与层6的表面齐平的端部，纳米导线5关于开口3基本居中(参见图6)。以本身已知的方式完成装置D1和D2的组装，例如使用对所用波长透明的胶水。然后蚀刻由装置D1和D2的组装获得的装置D3。在该蚀刻过程中，去除SOI衬底，并且在N个不同的水平上蚀刻由纳米导线5和涂覆纳米导线的绝缘层6形成的块，N为优选地在10与20之间的整数(然而，根据需要，整数N能够采用在2与10之间或大于20的任何其他值)。在图7中，例如，有4个水平。这N个水平可以是或不是均匀地分布在第一水平(行1水平)与第N水平(行N水平)之间。对于入射到绝缘层6上的光，绝缘层6的N个水平因此形成N个不同感测水平。这N个水平能够分布在例如等于500μm的深度上。作为非限制性的例子，参照图7，四个平行平面P1、P2、P3、P4表示四个不同感测水平。
在本发明的第一实施方式中，不同水平的高度(即，纳米导线的高度)随机分布。用于蚀刻3D装置的掩膜于是为此而设计。
在本发明的第二实施方式中，光电探测器按照光电探测器的块或初等子矩阵而分组到一起。初等子矩阵于是包括分布在P行和Q列上的Nd个光电探测器，P和Q是大于或等于2的整数(P×Q＝Nd)，Nd是大于或等于N的数。与初等子矩阵的Nd个光电探测器相关的Nd个纳米导线的高度于是定义N个不同的平行探测平面。
图8示出了图7中所示的成像装置的运作。成像装置的初等探测器由光电探测器2和位于光电探测器2正上方的纳米导线5形成。能够反射或吸收光的材料层1防止所述光直接达到光电探测器。与绝缘材料层6的表面齐平的纳米导线5的每端均是用于入射到层6上的光的一部分的感测元件。每个纳米导线5因此均构成在其中传导聚集的光的波导件。达到光电探测器2的光子ph于是只有那些在位于光电探测器2正上方的纳米导线5中传导的光子。波导件的长度(即，纳米导线的高度)决定了在此切掉图像的一部分的平面。
在使用成像装置之前，校准步骤(在该校准步骤中，形成设置在距离成像装置的已知距离处的已知尺寸的目标的图像)有利地使得可以确定能够通过根据本发明的成像装置逐个探测器地探测的深度。校准的结果有利地能够存储并随后用于确定成像的任何目标的位置。已经观察到，由于纳米导线，本发明的成像装置对于分开图像平面具有非常高的选择性。
图9示出了根据本发明的3D成像系统。成像系统I包括能够形成目标Ob的图像I(Ob)的元件L以及根据本发明的装置的成像装置Im。元件L是例如透镜。图像I(Ob)根据不同的目标平面形成在成像装置Im处。
Claims (10)
1.一种3D成像装置，包括光电探测器(2)矩阵(M)，其特征在于，所述3D成像装置包括：
-第一材料层(1)，固定在所述光电探测器矩阵的一个表面上，所述第一材料层(1)能够反射或吸收入射到其表面(3)中的任意一个上的光，每个光电探测器(2)处的所述第一材料层中均形成有开口；以及
-第二材料层(6)，由电绝缘材料形成，具有固定在所述第一材料层(1)上的第一表面，所述第二材料层(6)在其本体中包围一组G个波导件(5)，G是大于或等于2的整数，这组G个波导件中的每个波导件(5)均具有与所述第二材料层的所述第一表面基本齐平并基本面对开口(3)设置的第一端以及与所述第二材料层(6)的与所述第一表面相对的第二表面基本齐平的第二端，每个第二端均形成用于入射到所述第二材料层的所述第二表面上的光的传感器元件，将N个不同波导件的所述第一端与所述第二端分开的距离彼此不同，N为大于或等于2且小于或等于G的整数。
2.根据权利要求1所述的3D成像装置，其中，所述波导件是纳米导线。
3.根据权利要求1或2所述的3D成像装置，其中，所述G个波导件分布在所述光电探测器矩阵的表面上方，从而使分别与形成在Nd个相邻光电探测器处的Nd个开口相对地设置的至少一组Nd个波导件的Nd个波导件相对于所述第二材料层的所述第一表面具有N个不同高度，所述Nd个相邻光电探测器形成P行且Q列的初等子矩阵，P和Q是大于或等于2的整数(P×Q＝Nd)，Nd为大于或等于N的整数。
4.根据权利要求3所述的3D成像装置，并且包括具有Nd个波导件的至少两个不同组件，其中，每组Nd个波导件的所述Nd个波导件根据对于各组Nd个波导件均相同的图案分布。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的3D成像装置，其中，所述第一材料层(1)是反射光的金属层。
6.一种用于制造3D成像装置的方法，其特征在于，所述方法包括：
-用于形成第一结构(D 1)的步骤，由光电探测器(2)矩阵(M)形成所述第一结构，在所述光电探测器矩阵的一个表面上沉积能够反射或吸收其任意一个表面上的入射光的第一材料层(1)，在每个光电探测器(2)处的所述第一材料层中形成开口(3)，
-用于形成第二结构(D2)的步骤，由绝缘体型衬底(S)上的硅形成所述第二结构，将涂覆有第二电绝缘材料层(6)的纳米导线固定在所述第二结构上，将所述纳米导线以与分布形成在所述第一材料层(1)中的所述开口(3)的方式基本相同的方式分布在所述绝缘体型衬底上的硅上，并使所述纳米导线与所述材料层(6)的平面表面齐平，
-用于将所述第二结构(D2)附设到所述第一结构(D1)上从而将所述纳米导线的与所述第二材料层的平面表面齐平的端部与所述开口(3)相对地设置的步骤，以及
-用于蚀刻所述绝缘体型衬底上的硅和涂覆所述纳米导线的所述材料层，以首先去除所述绝缘体型衬底上的硅、且然后形成涂覆所述纳米导线的N个不同水平的所述第二材料层的步骤，这N个不同水平使得能够分别定义彼此高度不同的N个不同纳米导线，N为大于或等于2的整数。
7.根据权利要求6所述的用于制造3D成像装置的方法，其中，所述用于形成所述第一结构(D1)的步骤包括：
-用于在所述光电探测器(2)矩阵(M)的所述表面上沉积所述第一材料层(1)的步骤，以及
-用于蚀刻所述第一材料层(1)以形成在所述光电探测器(2)处得到的所述开口(3)的步骤。
8.根据权利要求6或7所述的用于制造3D成像装置的方法，其中，所述用于形成所述第二结构(D2)的步骤包括：
-用于在所述绝缘体型衬底(S)上的硅上沉积金属层的步骤，
-用于蚀刻所述金属层以形成在所述绝缘体型组件(S)上的硅上以与在所述光电探测器矩阵上分布所述开口(3)的方式基本相同的方式分布的一组金属触点(4)的步骤，
-用于从所述金属触点(4)生长纳米导线(5)的步骤，
-用于在所述绝缘体型衬底(S)上的硅上沉积所述第二材料层(6)以涂覆所有所述纳米导线(5)的步骤，以及
-用于使所述第二材料层(6)平面化以去除所述金属触点(4)并使所述第二层(6)的表面成为平面从而使所述纳米导线与所述表面齐平的步骤。
9.一种3D成像系统，包括能够形成三维目标(Ob)的体积图像(I(Ob))的元件，其特征在于，所述3D成像系统还包括为了所述体积图像而设置的根据权利要求1到5中任一项所述的的3D成像装置。
10.根据权利要求9所述的3D成像系统，其中，所述能够形成三维目标的体积图像的元件是透镜。
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