CN102130139A - 三维彩色图像传感器及三维光学成像系统 - Google Patents

三维彩色图像传感器及三维光学成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三维彩色图像传感器及含有三维彩色图像传感器的三维光学成像系统，三维彩色图像传感器包含半导体基底，具有多个第一与第二光电二极管，以及导线层形成于所述多个第一与第二光电二极管之下，滤光阵列层设置于所述多个第一与第二光电二极管上，具有多个彩色滤光图案与多个红外光滤光图案，其中每个红外光滤光图案接收物体的三维彩色图像的深度信息并对应至第一光电二极管，且每个彩色滤光图案接收物体的三维彩色图像的彩色图像信息并对应至第二光电二极管。本发明的三维彩色图像传感器具有高度的移动检测灵敏度，在使用上可以更加具有弹性及效率。

Description

三维彩色图像传感器及三维光学成像系统
技术领域
本发明涉及一种传感器，特别涉及一种接收物体的三维彩色图像的深度与彩色图像信息的传感器。
背景技术
三维(three dimensional；3D)光学成像系统，例如3D照相机，可对拍摄的物体进行距离测量而应用在许多不同的用途上，例如对制造的商品进行外观检查、计算机辅助设计(computer-aided design；CAD)的检验、地理测量以及物体成像。
3D照相机包含照射被拍摄景象的光源，为了拍摄景象并测定从照相机到景象中物体的距离，通常使用由光源所发出的一连串光脉冲去照射景象，被景象中的物体所反射的光脉冲的光会在3D照相机的感光表面上成像，从光源发出光脉冲到景象中的物体，以及被反射的光脉冲回到照相机之间所消耗的时间被用来测定从3D照相机到物体的距离。
一般而言，传统的3D光学成像系统使用两种传感器以产生3D图像，其中一种传感器为深度传感器，用来测定从照相机到景象中物体的距离，并产生物体的3D深度图像。另一种传感器为图像传感器，用以收集景象中物体的二维图像信息，并产生物体的照片。由于传统的3D光学成像系统需要两种传感器来分别接收深度信息以及图像信息，因此在传统的3D光学成像系统中，用以处理来自两种传感器的信息的信号处理器的演算法较为复杂。同时，当传统的3D光学成像系统应用在实时的3D图像游戏时，因为两种传感器所导致的低移动感测灵敏度与低信号噪声比(signal-to-noise ratio；SNR)，使得使用者细微的手指移动无法被传统的3D光学成像系统中的传感器检测到。
因此，业界亟需一种3D彩色图像传感器，其可以接收物体的3D彩色图像的深度信息与彩色图像信息。
发明内容
为克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种3D彩色图像传感器，此3D彩色图像传感器接收物体的3D彩色图像的深度信息与彩色图像信息。在一实施例中，3D彩色图像传感器包括半导体基底，其具有多个第一光电二极管与多个第二光电二极管，导线层位于半导体基底内，形成于所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管之下。滤光阵列层设置于所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管上，具有多个彩色滤光图案与多个红外光滤光图案，其中每个红外光滤光图案接收物体的三维彩色图像的深度信息，并对应至第一光电二极管，且每个彩色滤光图案接收物体的三维彩色图像的彩色图像信息，并对应至第二光电二极管。
此外，本发明还提供一种3D光学成像系统。在一实施例中，3D光学成像系统包括照射物体的光源，以及接收物体的三维彩色图像的深度信息与彩色图像信息，并转换深度信息与彩色图像信息成为电子信号的三维彩色图像传感器。此外，还包含处理从三维彩色图像传感器发出的电子信号的信号处理器，以产生物体的三维彩色图像。其中，三维彩色图像传感器包括半导体基底，其具有多个第一光电二极管与多个第二光电二极管，以及导线层位于半导体基底内，形成于所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管之下。另外，还包含滤光阵列层设置于所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管上，具有多个彩色滤光图案与多个红外光滤光图案，其中每个红外光滤光图案接收物体的三维彩色图像的深度信息，并对应至第一光电二极管，且每个彩色滤光图案接收物体的三维彩色图像的彩色图像信息，并对应至第二光电二极管。
物体的三维彩色图像的深度信息与彩色图像信息都被同一个三维彩色图像传感器接收，本发明的3D彩色图像传感器具有高度的移动检测灵敏度，在使用上可以更加具有弹性及效率。
为了让本发明的上述目的、特征、及优点能更明显易懂，以下配合附图进行详细说明。
附图说明
图1A显示依据本发明的一实施例，滤光阵列层的平面示意图。
图1B显示依据本发明另一实施例，滤光阵列层的平面示意图
图2显示依据本发明的一实施例，沿着图1A的剖面线2-2’的三维彩色图像传感器的剖面示意图。
其中，附图标记说明如下：
100～半导体基底；112～第一光电二极管；114～第二光电二极管；116～绝缘体；120～导线层；122、124～电路区；200～滤光阵列层；202～红外光滤光图案；204～彩色滤光图案；300～微透镜阵列；302～第一微透镜；304～第二微透镜；400～三维彩色图像传感器；510～红外光；520～可见光。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种三维彩色图像传感器(3D color image sensor)，用以接收物体的三维彩色图像的深度信息(depth information)与彩色图像信息(color image information)，其中物体通过具有三维图像传感器于其中的三维光学成像系统(3D optical imaging system)而成像。三维图像传感器包含半导体基底，其具有多个第一光电二极管(photodiode)与多个第二光电二极管。第一光电二极管用来接收物体的三维彩色图像的深度信息，第二光电二极管则用来接收物体的三维彩色图像的彩色图像信息。导线层(wiring layer)位于半导体基底内，形成在所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管之下，导线层包含多个电路区，分别对应至所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管。滤光阵列层(light filter array layer)位于半导体基底上，设置于所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管之上，具有多个彩色滤光图案(color filter pattern)与多个红外光滤光图案(infrared light filterpattern)，这些彩色滤光图案与红外光滤光图案依序排列成阵列形式。每个红外光滤光图案接收物体的三维彩色图像的深度信息，并对应至第一光电二极管。每个彩色滤光图案接收物体的三维彩色图像的彩色图像信息，并对应至第二光电二极管。
参阅图1A，其显示依据本发明的一实施例，滤光阵列层200的平面示意图。滤光阵列层200包含多个红外光滤光图案202与多个彩色滤光图案204。在一实施例中，红外光滤光图案202的形状可以是八边形，而彩色滤光图案204的形状则可以是四边形，每个彩色滤光图案204与四个红外光滤光图案202邻接排列。红外光滤光图案202可由黑色光致抗蚀剂形成，以允许红外光穿透。彩色滤光图案204可由彩色光致抗蚀剂形成，以允许可见光穿透。彩色滤光图案204可以是红色、绿色或蓝色的彩色滤光片(color filter)，分别允许红色、绿色或蓝色的光穿透。在一实施例中，红色、绿色与蓝色的彩色滤光图案204尽可能地靠近排列，例如三个红色、绿色与蓝色的彩色滤光图案204可以排列成三角形。
参阅图1B，其显示依据本发明另一实施例，滤光阵列层200的平面示意图。在此实施例中，红外光滤光图案202与彩色滤光图案204的形状都是圆形，红外光滤光图案202与彩色滤光图案204的材料以及其排列方式可以与上述实施例相同。依据本发明的示范性实施例，红外光滤光图案202的尺寸大于彩色滤光图案204的尺寸，且红外光滤光图案202的尺寸与彩色滤光图案204的尺寸的比值优选为大于10。
滤光阵列层200由红外光滤光图案202与彩色滤光图案204组成，其中彩色滤光图案204可以是红色、绿色或蓝色的彩色滤光片，滤光阵列层200的图案布局(pattern layout)方式可以如图1A或图1B所示，但不限于上述的图案布局方式。在滤光阵列层200中，红外光滤光图案202与彩色滤光图案204的排列方式可依据三维彩色图像传感器的需求，进行弹性且有效的调整。
本发明的一实施例提供三维光学成像系统，其中包含三维彩色图像传感器。一般而言，三维光学成像系统包含光源，其提供一连串的光脉冲(a train oflight pulses)，优选为红外光脉冲，用以照射被三维光学成像系统拍摄的物体。从光源来的红外光会被物体反射，并且被三维彩色图像传感器中的红外光滤光图案202接收，进而产生物体的三维深度图像(3D depth map)。同时，来自自然界光线的可见光或来自三维光学成像系统的其他光源的可见光也会被物体反射，并且被三维彩色图像传感器中的彩色滤光图案204接收，进而产生物体的彩色图像(color image)。依据本发明的实施例，物体的三维彩色图像的深度信息与彩色图像信息都被同一个三维彩色图像传感器接收。因此，与传统的三维光学成像系统使用两个传感器分别接收物体的三维彩色图像的深度信息与彩色图像信息相较之下，用于处理来自本发明的三维彩色图像传感器的数据的信号处理器的演算法可以较传统的三维光学成像系统所使用的演算法简单。另外，依据本发明的一实施例，红外光滤光图案202的尺寸与彩色滤光图案204的尺寸的比值大于10，因此，当本发明的三维彩色图像传感器应用于实时(real time)的三维图像游戏时，使用者微小的手指移动动作也可以被检测到，这是因为本发明的三维彩色图像传感器具有尺寸较大且数量较多的红外光滤光图案202，其对于物体的移动具有高度的移动传感灵敏度。
接着，请参阅图2，其显示依据本发明的一实施例，沿着图1A图的剖面线2-2’的三维彩色图像传感器400的剖面示意图。三维彩色图像传感器400包含半导体基底100，例如为硅基底或其他半导体基底。半导体基底100具有多个第一光电二极管112与多个第二光电二极管114形成于其中，第一光电二极管112与第二光电二极管114通过绝缘体116隔离开来。绝缘体116可以是浅沟槽隔离区(shallow trench isolations；STI)，其形成于第一光电二极管112与第二光电二极管114之间。滤光阵列层200设置于第一光电二极管112与第二光电二极管114之上，且位于半导体基底100上。滤光阵列层200包含多个红外光滤光图案202与多个彩色滤光图案204，红外光滤光图案202与彩色滤光图案204依序排列成阵列形式，如图1A图或图1B所示的滤光阵列层200。每个红外光滤光图案202接收物体的三维彩色图像的深度信息，亦即从物体反射的红外光，并且对应至第一光电二极管112。每个彩色滤光图案204接收物体的三维彩色图像的彩色图像信息，亦即从物体反射的可见光，并且对应至第二光电二极管114。
导线层120形成于第一光电二极管112与第二光电二极管114之下，且位于半导体基底100内。导线层120由数层金属层与数层位于金属层之间的介电层所组成，其可由本领域普通技术人员所熟悉的半导体集成电路工艺技术形成，为了简化附图，在图2中并未绘出这些金属层与介电层。导线层120包含多个电路区122与124，分别对应至第一光电二极管112与第二光电二极管114。从物体反射的红外光以箭头510表示，红外光510穿过红外光滤光图案202与第一光电二极管112，并通过第一光电二极管112转换成电子信号，然后此电子信号传送至电路区122。因此，从物体反射的红外光510会被转换成物体的三维彩色图像的深度信息的电子信号，其代表从物体到三维光学成像系统的距离。同时，从物体反射的可见光以箭头520表示，可见光520穿过彩色滤光图案204与第二光电二极管114，并通过第二光电二极管114转换成另一电子信号，此电子信号也传送至电路区124。因此，从物体反射的可见光520会被转换成物体的三维彩色图像的彩色图像信息的电子信号，其代表被三维光学成像系统拍摄的物体的彩色图像。
在一实施例中，三维彩色图像传感器400还包含微透镜阵列(micro-lensarray)300，设置于滤光阵列层200之上，微透镜阵列300具有多个第一微透镜302，对应至红外光滤光图案202，以及多个第二微透镜304，对应至彩色滤光图案204。微透镜阵列300可提高被红外光滤光图案202与彩色滤光图案204接收的红外光510与可见光520的量。在一实施例中，第一微透镜302的尺寸大体上与红外光滤光图案202的尺寸相同，而第二微透镜304的尺寸大体上与彩色滤光图案204的尺寸相同。另外，微透镜阵列300的图案布局大体上与滤光阵列层200的图案布局方式相同，亦即第一微透镜302与第二微透镜304可以采用与图1A或图1B所示的红外光滤光图案202与彩色滤光图案204的排列方式排列。
一般而言，在半导体基底100中，具有电路形成于其上的表面称为正面，而与正面相反的表面则称为背面。如果光线照射在传感器的背面，则此传感器称为背面照射型(backside illumination；BSI)传感器。依据本发明的一实施例，在三维彩色图像传感器中，用以接收红外光510与可见光520的表面与具有电路区122与124形成于其上的表面相反，因此，依据本发明的一实施例，三维彩色图像传感器可以是背面照射型传感器。背面照射型三维彩色图像传感器具有较大的空间可以设置导线层，因此其光接收效能(light receivingefficiency)不会降低。此外，依据本发明的实施例，背面照射型三维彩色图像传感器可具有较大的电路布局空间，以接收物体的三维彩色图像的大量深度信息与大量彩色图像信息。
依据上述实施例，三维彩色图像传感器可同时接收物体的三维彩色图像的深度信息与彩色图像信息，因此，相较于传统的三维光学成像系统，其使用两个传感器分别来接收物体的三维彩色图像的深度信息与彩色图像信息，用以处理来自本发明的三维彩色图像传感器的数据的信号处理器的演算法可以较传统的三维光学成像系统所使用的信号处理器的演算法更简单。同时，依据本发明的实施例，红外光滤光图案的尺寸大于彩色滤光图案的尺寸，其可以提升三维彩色图像传感器对于红外光的灵敏度。因此，当本发明的三维彩色图像传感器应用在实时的三维彩色图像游戏时，使用者手指的微小移动也可以被三维彩色图像传感器检测到，因为其具有高度的移动检测灵敏度。此外，三维彩色图像传感器的滤光阵列层的图案布局可以调整，因此三维彩色图像传感器在使用上可以更加具有弹性及效率。
虽然本发明已公开优选实施例如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视随附的权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种三维彩色图像传感器，包括：
一半导体基底，具有多个第一光电二极管与多个第二光电二极管，以及一导线层形成于所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管之下；以及
一滤光阵列层，设置于所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管上，具有多个彩色滤光图案与多个红外光滤光图案，其中每个红外光滤光图案接收一物体的三维彩色图像的深度信息并对应至所述第一光电二极管，且每个彩色滤光图案接收所述物体的三维彩色图像的彩色图像信息并对应至所述第二光电二极管。
2.如权利要求1所述的三维彩色图像传感器，其中所述多个彩色滤光图案与所述多个红外光滤光图案的排列使得每个彩色滤光图案邻接四个红外光滤光图案。
3.如权利要求1所述的三维彩色图像传感器，其中所述红外光滤光图案的尺寸与所述彩色滤光图案的尺寸的比值大于10。
4.如权利要求1所述的三维彩色图像传感器，其中所述物体的三维彩色图像的所述彩色图像信息由从所述物体反射的一可见光提供，且所述物体的三维彩色图像的所述深度信息由从所述物体反射的一红外光提供。
5.如权利要求1所述的三维彩色图像传感器，还包括多个绝缘体分别设置在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间。
6.如权利要求1所述的三维彩色图像传感器，其中所述导线层包括多个电路区，分别对应至所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管，且其中对应至所述多个第一光电二极管的所述多个电路区提供数据以产生所述物体的三维深度图像，对应至所述多个第二光电二极管的所述多个电路区提供数据以产生所述物体的彩色图像。
7.如权利要求1所述的三维彩色图像传感器，还包括一微透镜阵列设置在所述滤光阵列层之上，其中所述微透镜阵列包括多个第一微透镜对应至所述多个红外光滤光图案，以及多个第二微透镜对应至所述多个彩色滤光图案。
8.如权利要求7所述的三维彩色图像传感器，其中所述第一微透镜的尺寸与所述红外光滤光图案的尺寸相同，且所述第二微透镜的尺寸与所述彩色滤光图案的尺寸相同。
9.如权利要求1所述的三维彩色图像传感器，其中所述红外光滤光图案由一黑色光致抗蚀剂形成，且所述红外光滤光图案允许一红外光穿透。
10.如权利要求1所述的三维彩色图像传感器，其中所述彩色滤光图案与所述红外光滤光图案的形状为圆形。
11.如权利要求1所述的三维彩色图像传感器，其中所述彩色滤光图案的形状为四边形，且所述红外光滤光图案的形状为八边形。
12.一种三维光学成像系统，包括：
一光源，用以照射一物体；
一三维彩色图像传感器，用以接收所述物体的三维彩色图像的深度信息与彩色图像信息，并转换所述深度信息与所述彩色图像信息成为电子信号；以及
一信号处理器，用以处理从所述三维彩色图像传感器产生的所述电子信号，以产生所述物体的三维彩色图像，
其中所述三维彩色图像传感器包括：
一半导体基底，具有多个第一光电二极管与多个第二光电二极管，以及一导线层形成于所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管之下；以及
一滤光阵列层，设置于所述多个第一光电二极管与所述多个第二光电二极管上，具有多个彩色滤光图案与多个红外光滤光图案，其中每个红外光滤光图案接收所述物体的三维彩色图像的所述深度信息并对应至所述第一光电二极管，且每个彩色滤光图案接收所述物体的三维彩色图像的所述彩色图像信息并对应至所述第二光电二极管。
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