CN104570170A - 光学元件阵列、光电转换装置以及图像拾取系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学元件阵列、光电转换装置以及图像拾取系统。光学元件阵列包括第一光学元件和比第一光学元件更远离阵列区域中心的第二光学元件。第一和第二光学元件的正交投影分别包括第一、第二端部和第三、第四端部，并且其顶点在第一和第二位置处。第三端部和第二位置之间的间隔小于第一端部和第一位置之间的间隔以及第四端部和第二位置之间的间隔。第一和第二光学元件分别包括从其顶点延伸到第二和第四端部的第一和第二外缘。第二外缘的曲率半径或曲率半径的中间值在第一外缘的曲率半径或曲率半径的中间值的80％至120％的范围内。

Description

光学元件阵列、光电转换装置以及图像拾取系统

技术领域

本发明涉及光学元件阵列、包括光学元件阵列的光电转换装置以及图像拾取系统。

背景技术

光电转换装置包括诸如微透镜阵列的光学元件阵列。日本专利特开2006-049721号公开了这样的光电转换装置：其中光电转换装置外部(外围)区域中的微透镜的凸面的最大曲率大于光电转换装置中心区域中的微透镜的凸面的最大曲率，从而可以有效地收集斜射入到光电转换装置上的光。

发明内容

光学元件阵列包括多个光学元件，所述多个光学元件至少包括位于同一平面的第一光学元件和第二光学元件。第一光学元件位于阵列区域的中心处，所述阵列区域是其中布置光学元件的相同平面上的区域。第二光学元件比第一光学元件距离阵列区域的中心更远。第一光学元件在平面上的正交投影包括第一端部和第二端部，所述第二端部比第一端部距离第二光学元件更近并且位于穿过第一端部和阵列区域的中心的第一直线上。第一光学元件的顶点在平面上的正交投影与第一端部和第二端部的间隔相等并且位于第一直线上的第一位置处。第二光学元件在平面上的正交投影包括位于第一直线上的第三端部和位于第一直线上并且比第三端部距离阵列区域的中心更远的第四端部。第二光学元件的顶点在平面上的正交投影位于第一直线上的第二位置。第三端部与第二位置之间的间隔小于第一端部与第一位置之间的间隔，并且也小于第四端部与第二位置之间的间隔。在第一光学元件的横截面中，该横截面垂直于所述平面并且包括第一直线，第一光学元件包括从第一光学元件的顶点延伸到第二端部的第一外缘。在第二光学元件的横截面中，该横截面垂直于所述平面并且包括第一直线，第二光学元件包括从第二光学元件的顶点延伸到第四端部的第二外缘。第二外缘的曲率半径或第二外缘的曲率半径的中间值大于或等于第一外缘的曲率半径或第一外缘的曲率半径的中间值的80％并且小于或等于第一外缘的曲率半径或第一外缘的曲率半径的中间值的120％。

光学元件阵列包括多个光学元件，所述多个光学元件至少包括位于同一平面上的第一光学元件和第二光学元件。第二光学元件比第一光学元件距离阵列区域的中心更远，所述阵列区域是其中布置光学元件的相同平面上的区域。第一光学元件在所述平面上的正交投影包括第一端部和第二端部，所述第二端部比第一端部距离阵列区域的中心更远并且位于穿过第一端部和阵列区域的中心的第一直线上。第一光学元件的顶点在所述平面上的正交投影位于第一直线上的第一位置处。第二光学元件在所述平面上的正交投影包括位于第一直线上的第三端部和位于第一直线上并且比第三端部距离阵列区域的中心更远的第四端部。第二光学元件的顶点在所述平面上的正交投影位于第一直线上的第二位置处。第三端部与第二位置之间的间隔小于第一端部与第一位置之间的间隔，并且也小于第四端部与第二位置之间的间隔。在第一光学元件的横截面中，该横截面垂直于所述平面并且包括第一直线，第一光学元件包括从第一光学元件的顶点延伸到第二端部的第一外缘。在第二光学元件的横截面中，该横截面垂直于所述平面并且包括第一直线，第二光学元件包括从第二光学元件的顶点延伸到第四端部的第二外缘。第二外缘的曲率半径或第二外缘的曲率半径的中间值大于或等于第一外缘的曲率半径的80％且小于或等于第一外缘的曲率半径的120％，或者大于或等于第一外缘的曲率半径的中间值的80％且小于或等于第一外缘的曲率半径的中间值的120％。

参照附图根据下列示例性实施例的描述，本发明的更多特征将变得明白。

附图说明

图1是用于描述第一实施例的示意性平面图。

图2A是用于描述根据第一实施例的光学元件阵列的形状的图。

图2B是用于描述第一实施例的示意性截面图。

图3A是用于描述根据第一实施例的光学元件阵列的形状的图。

图3B是用于描述第一实施例的示意性截面图。

图4A是用于描述根据第二实施例的光学元件阵列的形状的图。

图4B是用于描述第二实施例的示意性截面图。

图5是用于描述第二实施例的示意性平面图。

图6A是用于描述第二实施例的曲线图。

图6B是用于描述第二实施例的曲线图。

图7A是用于描述第三实施例的示意性截面图。

图7B是用于描述第三实施例的示意性截面图。

图8A是用于描述根据第四实施例的光学元件阵列的形状的图。

图8B是用于描述根据第四实施例的光学元件阵列的形状的图。

图8C是用于描述根据第四实施例的光学元件阵列的形状的图。

图9是用于描述根据任一实施例的光学元件的形状的图。

具体实施方式

关于日本专利特开2006-049721号中描述的微透镜，虽然考虑了微透镜的凸面的最大曲率，但是没有考虑微透镜的端部的曲率。微透镜的端部的曲率与微透镜的位置之间的关系也没有考虑。

当光学元件的端部根据光学元件在光学元件阵列的阵列区域中的位置而具有不同的曲率时，有可能在阵列区域的外围处将会降低光学元件的光收集性能。光学元件的光收集性能在阵列区域的外围处的降低可能在光电转换装置中引起图像的阴影。

因此，本公开提供光学元件阵列，采用该光学元件阵列可以抑制光学元件的光收集性能在阵列区域的外围处的降低。

将描述根据本公开的实施例的光学元件阵列的结构。可以适当地对实施例进行修改或组合。根据本公开的光学元件阵列可以被包括在光电转换装置、显示设备、包含光电转换装置的图像拾取系统或包含显示设备的显示系统中。

在下面的描述中，穿过某中心O的X轴方向(第一方向)、Y轴方向(第二方向)和Z轴方向(第三方向)被用作参考物(reference)。但是，参考物不限于此。例如，相对于图1中所示的X轴方向倾斜角度θ1的方向131可以定义为第一方向，而与方向131垂直的方向可以定义为第二方向。换句话说，从其中布置有光学元件的区域(阵列区域)的中心向该区域的外围放射状地延伸的任何方向可以定义为第一方向，而与第一方向垂直的方向可以定义为第二方向。在下面的描述中，假设光学元件阵列沿着包括第一方向和第二方向的平面延伸。

第一实施例

将参照图1、2A和2B描述根据第一实施例的光学元件阵列。图1是示出了光学元件阵列100的示意性平面图。该示意性平面图示出了其中每个元件被投影到包括X轴和垂直于X轴的Y轴的平面上的投影图像(正交投影图像)。

光学元件阵列100包括同一平面上的多个光学元件110。光学元件110被布置在阵列区域120中。阵列区域120的正交投影具有中心(在下文中称为中心O)。阵列区域120的中心O是其中在至少一个方向上布置光学地起作用的光学元件110的区域的中心。在这里，没有光学地起作用的光学元件包括例如布置在光电转换装置的包括光学黑区、外围电路区域等的遮光区域中的光学元件。布置光学元件110使得光学元件110的正交投影图像的中心在沿单一方向延伸的直线上。

在本实施例中，光学元件110布置在包括X轴和垂直于X轴的Y轴的平面上。更具体地，光学元件110布置在包括n列(n是自然数)和m行(m是自然数)的矩阵图案(二维图案)中，所述列布置在沿着X轴的方向(在下文中称为X轴方向)上，所述行布置在沿着Y轴的方向(在下文中称为Y轴方向)上。一个方向被定义为X轴方向(直线)。在图1中，每个光学元件110的坐标被定义为(m,n)。在下面的描述中，光学元件111(第一光学元件)和光学元件112(第二光学元件)将作为示例被描述。如图1所示，在本实施例中，光学元件111在阵列区域120的中心O处，并且在X轴方向上光学元件112与光学元件111隔开长度141。在这里，假设光学元件110的底表面被包括在上述平面中。

图2A是用于描述光学元件111和光学元件112的沿着在X轴方向和沿Z轴的方向(在下文中称为Z轴方向)上延伸的平面的横截面形状的示意图。Z轴与X轴、Y轴都垂直。在下面的描述中，每个光学元件在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的尺寸分别定义为长度、宽度和高度。现在详细描述光学元件111和光学元件112的形状。在示出了光学元件的横截面形状的图中，例如图2A，横截面形状可称为横截面。

光学元件111具有半球形状，并且在沿X轴方向和Z轴方向延伸的平面中在Z轴上有顶点。参照图2A，在光学元件111的横截面211中，光学元件111包括布置在第一方向上的第一端部201和第二端部202。每个端部既可以是点也可以是线。在下面的描述中，端部是布置在第一方向(直线)上的点。如横截面211中所示，光学元件111具有在Z＝0的位置处沿着X轴延伸的底表面243。光学元件111的第一端部201在与X轴方向相反的方向上与中心O隔开，并且光学元件111的第二端部202在X轴方向上与中心O隔开。在X轴方向上第一端部201和第二端部202之间的长度为长度220。第一端部201和第二端部202之间的长度可以是光学元件111在X轴方向上的最大长度。在这里，两个位置之间的长度可意指间隔或距离。

如图2A所示，在正交投影图像中光学元件111具有位于X轴方向上的第一位置207处的第一顶点205。光学元件111相对于底表面243的穿过顶点205的法线具有旋转对称的形状。在这里，顶点是光学元件的最高部分。光学元件可以具有平坦的顶表面。在这种情况中，平坦表面上的任一点的高度可以定义为顶点的高度。同样在下面的描述中，顶点具有相同的意思。第一顶点205位于在Z轴方向上与底表面243隔开长度230的位置。换句话说，光学元件111的高度是长度230。另外，在正交投影图像中，第一位置207和第一端部201之间的长度等于第一位置207和第二端部202之间的长度。当假设光学元件111被设在作为具有长度220的矩形区域的单位单元中时，可以说第一顶点205位于单位单元的中心C1处。在本实施例中，第一位置207位于图1中阵列区域120的中心O处。

光学元件112具有非球面形状。当横截面212被设为参照物时，光学元件112是对称的(线对称)。但是，光学元件112不具有相对于底表面243的穿过第二顶点206的法线旋转对称的形状。光学元件112可以例如具有如图8A至8C中所示的平面形状(这将在下面描述)或被称为泪珠形状的形状。

参照图2A，光学元件112的横截面212包括第三端部203和第四端部204。如横截面212中所示，光学元件112具有在Z＝0的位置处沿着X轴延伸的底表面244。光学元件112的第三端部203距中心O较近，而光学元件112的第四端部204距中心O较远。在X轴方向上第三端部203和第四端部204之间的长度为长度221。第三端部203和第四端部204之间的长度可以为光学元件112在X轴方向上的最大长度。

如图2A所示，光学元件112具有位于X轴方向上的第二位置208处的第二顶点206。在Z轴方向上第二顶点206在与底表面244隔开长度230的位置处。换句话说，光学元件112的高度是长度230，其与光学元件111的高度相同。在正交投影图像中，第二位置208和第三端部203之间的长度小于第二位置208和第四端部204之间的长度。当假设光学元件112被设在作为具有长度220的矩形区域的单位单元中时，可以说相比于单位单元的中心C2，第二顶点206与中心O的距离要近长度223。

当光学元件111和光学元件112彼此相比较时，在X轴方向上，第一端部201和第一位置207之间的长度大于第三端部203和第二位置208之间的长度。换句话说，不像光学元件111的第一顶点205和中心之间的位置关系，第二顶点206从光学元件112的中心向中心O偏移。另外，长度221比长度220小长度222，其中长度221是第三端部203和第四端部204之间的长度，长度220是第一端部201和第二端部202之间的长度。

光学元件111和光学元件112中的每一个具有下面将描述的多个外缘。光学元件111具有从第一顶点205延伸到第二端部202的外缘241(第一外缘)。类似地，光学元件112具有从第二顶点206延伸到第四端部204的外缘242(第二外缘)。外缘242的曲率半径与外缘241的曲率半径相同。当光学元件具有这样的形状时，在光学元件的顶点被偏移的情况中，即使在X轴方向上与中心O分隔开的位置处也可以抑制光学元件的光收集性能的降低。在外缘241和/或外缘242具有非均一曲率半径的情况中，可以确定外缘241的曲率半径的中间值和/或外缘242的曲率半径的中间值。只要曲率半径或曲率半径的中间值在80％或以上且120％或以下的范围内，就可以取得本实施例的效果。换句话说，只要曲率半径或曲率半径的中间值之间的差异在±20％以内，就可以取得所述效果。

接下来，将参照图2B描述根据本实施例的光学元件阵列被包括在光电转换装置中的情况。图2B是包括与图2A对应的光学元件阵列的光电转换装置的一部分的示意性截面图。在半导体衬底250上提供有多层布线结构252、滤色器层253和平面化层254，其中半导体衬底250包括多个光电转换元件251，多层布线结构252包括多个布线层和多个绝缘层，滤色器层253包括多个滤色器。在平面化层254上提供有光学元件阵列100。半导体衬底是例如N型半导体衬底，并且包括外延层和充当阱(well)的P型半导体区域。光电转换元件是例如光电二极管。在图2B中，示出了充当光电转换元件的N型半导体区域。在这里，像素是矩形区域，并且也被视为单位单元(unit cell)。每个像素包括至少一个光电转换元件。在本实施例中，为包括在光学元件阵列100中的每个光学元件提供单个像素。换句话说，根据图像拾取区域来布置光学元件阵列100，在图像拾取区域中布置光电转换装置的多个像素。在这里，图像拾取区域是其中布置有用于获取图像信号的像素的区域，并且图像拾取区域的中心是其中布置有用于获取光学信号的像素的区域的中心。其中布置有用于获取光学信号的像素的区域不包括光学黑色像素或电路区域。图2B示出了三个光学元件111和三个光学元件112。为该三个光学元件111提供三个光电转换元件(第一光电转换元件)，并且为该三个光学元件112提供三个光电转换元件(第二光电转换元件)。所述三个光学元件111被之间无间隙地布置，并且彼此相接触。在这里，间隙是指光学元件之间的平坦区域。在之间有间隙G1的情况下布置所述三个光学元件112。现在将描述光在上述光电转换装置中的行为。

一般而言，成像透镜(未示出)被设在光电转换装置的图像拾取区域上方。成像透镜被布置为使得其光轴对应于图像拾取区域的中心并且将来自对象的光聚焦到图像拾取区域的平面上。在这个时候，主光线(chief ray)的入射角在图像拾取区域的中心处小，并且主光线的入射角在图像拾取区域的外围处大。在这里，入射角是例如垂直于光电转换装置的顶表面的方向和主光线之间的角度。为了增加在图像拾取区域外围处的灵敏度，有必要收集入射光并且使光入射到光电转换装置的每个光电转换元件的光接收表面上的方向与垂直于光接收表面的方向接近。

参照图2B，光261是在图像拾取区域的中心(也是光学元件阵列100的中心)处入射到光学元件阵列100上并且在基本上垂直于表面255的方向上入射到半导体衬底250的表面255上的主光线。光262是在与图像拾取区域的中心隔开即与光学元件阵列100的中心隔开的位置处入射到光学元件阵列100上并且斜入射到半导体衬底250的表面255上的主光线。每个光学元件112能够减小光262入射到相应光电转换元件的光接收表面上的入射角。另外，即使在图像拾取区域的外围处也可以取得高的光收集性能。作为结果，可以在图像拾取区域的外围处增加灵敏度。

接下来，将参照图3A和3B描述根据本实施例的光学元件所取得的效果。图3A和3B示出其中使用了包括具有与图2A和2B中光学元件的形状不同的形状的光学元件312的光学元件阵列300的情况。图3A是与图2A对应的示意图，并且示出了每个光学元件111和每个光学元件312的横截面形状。图3B是与图2B对应的示意截面图，并且示出了包括光学元件111和光学元件312的光电转换装置。在图3A和3B中所示的结构中，光学元件111与图2A和2B中所示的光学元件111相同，因此省略对它的描述。

图3A中所示的光学元件312的横截面包括与中心O相距较近的光学元件312的端部303和与光学元件312的中心O相距较远的光学元件312的端部304，并且是沿着X轴取得的。如横截面中所示，光学元件312具有在Z＝0的位置处沿着X轴延伸的底表面。光学元件312的端部303与中心O相距较近，而光学元件312的端部304与中心O相距较远。在X轴方向上端部303和端部304之间的长度为长度220。端部303和端部304之间的长度是光学元件312在X轴方向上的最大长度。

参照图3A，光学元件312在X轴方向上的位置308处具有顶点306。顶点306在Z轴方向上与底表面隔开长度230的位置处。换句话说，光学元件312的高度是长度230，其与光学元件111的高度相同。位置308和端部303之间的长度小于位置308和端部304之间的长度。当假设光学元件312被设在作为具有长度220的矩形区域的单位单元中时，可以说相比于单位单元的中心C3，顶点306相距中心O要近长度223。

与光学元件111相似，图3A中所示的光学元件312的横截面具有从顶点306延伸到端部304的外缘342。光学元件312与图2A和图2B中所示的光学元件112之间的差异是X轴方向上的长度和外缘的曲率半径。外缘342的曲率半径不同于图2A和2B中所示的光学元件112的外缘242的曲率半径。换句话说，外缘342的曲率半径不同于光学元件111的外缘241的曲率半径。外缘342的曲率半径或曲率半径的中间值不在外缘241的曲率半径或曲率半径的中间值的80％或以上且120％或以下(即，大于或等于80％且小于或等于120％)的范围内。更具体地说，外缘342的曲率半径在外缘241的曲率半径的80％或以上且120％或以下(即，大于或等于80％且小于或等于120％)的范围之上。

图3B示出了其中光262以类似于图2B中的方式入射到包括具有上述结构的光学元件312的光电转换装置上的情况。光学元件312的光收集性能小于图2B所示的光学元件112的光收集性能，并且光262入射到布线层上而不是入射到相应的光电转换元件251上。

图2B所示的光学元件112的曲率半径与光学元件111的曲率半径相同。采用这种光学元件阵列，可以抑制光学元件的光收集性能在阵列区域的外围处的降低。在包括所述光学元件阵列的光电转换装置中，可以抑制灵敏度在图像拾取区域的外围处的降低。

根据本实施例的光学元件阵列可以通过下面的方法形成。例如，在光电转换装置的多层布线结构上形成滤色器层253。然后，形成用于形成光学元件的光敏抗蚀剂的膜。光敏抗蚀剂是例如正型抗蚀剂，并且可以通过旋涂来施加。光敏抗蚀剂通过使用基于上述光学元件阵列的形状而形成的光掩模来经受曝光，然后被显影。这样，形成光学元件。半色调掩模或面积灰度(area gradation)掩模可用作光掩模。面积灰度掩模是通过调整小遮光元件的密度和面积来控制其透射率的光掩模。光学元件阵列可以通过其他方法形成。在光学元件由于制造中的变化而具有与设计不同的高度和形状的情况中，当差异在下面的范围内时，可以取得抑制灵敏度在外围处的降低的效果。即，外围处的光学元件的高度需要在图像拾取区域中心处的光学元件的高度的80％或以上且120％或以下(即，大于或等于80％且小于或等于120％)的范围内，并且外围处的光学元件的外缘的曲率半径需要在图像拾取区域中心处的光学元件的外缘的曲率半径的80％或以上且120％或以下(即，大于或等于80％且小于或等于120％)的范围内。针对高度的范围可以是90％或以上且110％或以下(即，大于或等于90％且小于或等于110％)，并且针对外缘的曲率半径的范围可以是90％或以上且110％或以下(即，大于或等于90％且小于或等于110％)。

在本实施例中，在正交投影图像中光学元件111的顶点位于阵列区域120的中心O处。但是，在正交投影图像中，阵列区域120的中心O和光学元件之间的位置关系不限于此。例如，中心O可以位于两个光学元件之间。作为替代，中心O可以偏离光学元件111的顶点。

当对根据本实施例的光学元件阵列的形状进行测量时，可以确认光学元件阵列具有下面的结构。即，在远离阵列区域中心的方向上布置的光学元件的顶点具有基本上相同的高度。此外，相比于在光学元件中靠近阵列区域中心的光学元件的顶点，在光学元件中远离阵列区域中心的光学元件的顶点更靠近阵列区域的中心。另外，光学元件之间的间隙的宽度随着相距阵列区域中心的距离增加而增加。当光学元件具有上述形状时，可以获得本实施例中所述的结构。

第二实施例

将参照图4A和4B描述根据第二实施例的光学元件阵列。根据本实施例的光学元件阵列400包括光学元件113(第三光学元件)。图4A是示出了光学元件的横截面形状的示意图，并且图4B是光电转换装置的示意性截面图。在图4A和4B中，光学元件112与图2A和2B中的光学元件相同，因此省略对它的描述。

参照图1，图4A和4B中所示的光学元件113比光学元件112在X轴方向上距离中心O更远，并且在X轴方向上与中心O隔开长度142。使光学元件113成形，以便当把横截面413设为参照物时光学元件113是对称的并且当把底表面445的穿过第三顶点407的法线设为参照物时光学元件113是不对称的。

参照图4A，光学元件113的横截面413包括第五端部405和第六端部406。如横截面413中所示，光学元件113具有在Z＝0位置处沿着X轴延伸的底表面445。光学元件113的第五端部405与中心O相距较近，而光学元件113的第六端部406与中心O相距较远。在X轴方向上第五端部405和第六端部406之间的长度为长度421。第五端部405和第六端部406之间的长度是光学元件113在X轴方向上的最大长度。

如图4A所示，光学元件113在X轴方向上的第三位置409处具有第三顶点407。第三顶点407是在Z轴方向上与底表面445隔开长度230的位置处。换句话说，光学元件113的高度与光学元件112的高度相同。第三位置409和第五端部405之间的长度小于第三位置409和第六端部406之间的长度。当假设光学元件113被设在作为具有长度220的矩形区域的单位单元中时，可以说相比于单位单元的中心C4，第三顶点407相距中心O近了长度423。

当光学元件112和光学元件113彼此相比较时，在X轴方向上，第三端部203和第二位置208之间的长度大于第五端部405和第三位置409之间的长度。换句话说，与第二顶点206和光学元件112的中心之间的位置关系相比，第三顶点407朝着中心O偏移光学元件113的中心更远。另外，长度421(第五端部405和第六端部406之间的长度)小于长度220，并且也小于长度221(第三端部203和第四端部204之间的长度)。换句话说，长度422小于长度222。

在横截面413中光学元件113具有从第三顶点407延伸到第六端部406的外缘442(第三外缘)。外缘442的曲率半径与光学元件112在横截面212中的外缘242的曲率半径相同。因为光学元件113具有这样的形状，所以也可以在X轴方向上比光学元件112距离中心O更远的位置处抑制光学元件的光收集性能的降低。类似于第一实施例，同样针对外缘242和外缘442，可以确定曲率半径的中间值。当这些值在80％或以上且120％或以下(即，大于或等于80％且小于或等于120％)的范围内时，可以取得本实施例的效果。

在光学元件113和在X轴方向上与光学元件113邻近的光学元件之间提供具有长度422的间隙G2。在光学元件112和在X轴方向上与光学元件112邻近的光学元件之间提供间隙G1，所述G1具有比长度422小的长度222。像这样，光学元件之间的间隙随着相距光学元件阵列的中心O的距离增加而增加。光学元件111和在X轴方向上与光学元件111邻近的光学元件之间的间隔的长度小于长度222。作为替代，相邻的光学元件可以彼此相接触(未示出)。在光学元件阵列包括上述光学元件的情况下，即使在与中心O隔开的位置处也可以抑制光学元件的光收集性能的降低。另外，在光学元件阵列被包括在如图4B所示的光电转换装置中的情况中，可以进一步抑制光学元件的光收集性能在与中心O隔开的位置处的降低。

在图4B中，布置光学元件阵列400的光学元件的单位单元使得所述单位单元的中心与光电转换装置的相应像素的中心重合。然而，当在阵列区域120的外围处光的入射角大时，光学元件的单位单元可以朝着阵列区域120的中心O偏移。这将参照图5详细描述。

图5是包括光学元件阵列100的光电转换装置500的示意性平面图。光电转换装置500包括其中布置有光电转换装置500的多个像素510的图像拾取区域520。在图5中，阵列区域120和图像拾取区域520被画成重叠，并且包括像素510的矩形单位单元和包括各自的光学元件110的矩形单位单元被示意性地画成重叠。阵列区域120的中心O与图像拾取区域520的中心重合。每个光学元件110的中心从相应的像素510的中心朝着中心O偏移某个长度。即使当光以大入射角倾斜入射到图像拾取区域520的外围附近的像素上时，光学元件也位于光路上。所以，可以抑制光收集性能的降低。可以以这种方式调整光学元件和像素的位置。另一种使像素的中心相对于各自的光学元件的中心偏移的方法是使包括光学元件110的单位单元的尺寸(面积)小于包括像素510的单位单元的尺寸(面积)。另一种使像素的中心相对于光学元件的中心偏移的方法是改变图2B中所示的间隙的尺寸。

在图5所示的光学元件阵列中，偏移量随着距离图像拾取区域的中心的长度增加而增加。将参照图6A描述偏移量。在图6A中，水平轴代表在从图像拾取区域中心朝向图像拾取区域外部的方向上距离图像拾取区域的中心的长度，而垂直轴代表每个光学元件的顶点的偏移量。图6A示出了改变偏移量的方式的三个示例。线A示出了其中偏移量与距离图像拾取区域的中心的长度成正比增加的示例。线B示出了其中偏移量关于距离图像拾取区域的中心的长度沿着抛物线非线性地增加的示例。线C示出了其中偏移量从与图像拾取区域中心隔开某长度的位置处开始增加的示例。因此，可以以任何方式改变偏移量。例如，偏移量可以基于诸如光电转换装置的开口率(openingratio)、从光电转换元件到光学元件的高度、每种材料的折射率和光的入射角之类的设计数据来确定。

如图2B所示，为了保持在图像拾取区域的外围处的每个光学元件的外缘的曲率半径，在每个光学元件112和与其相邻的光学元件之间提供间隙，所述间隙是平坦的区域。将参照图6B描述间隙的长度。在图6B中，水平轴代表在从图像拾取区域中心朝向图像拾取区域外部的方向上距离图像拾取区域中心的长度，而垂直轴代表间隙长度。图6B示出了改变间隙长度的方式的三个示例。线A示出了其中间隙长度和距离图像拾取区域中心的长度成正比增加的示例。线B示出了其中间隙长度关于距离图像拾取区域中心的长度沿着抛物线非线性地增加的示例。线C示出了其中间隙长度从与图像拾取区域中心隔开某长度的位置处开始增加的示例。类似于偏移量，可以以任何方式改变间隙长度。在沿着线B改变偏移量的情况中，也可以沿着线B改变间隙长度以便于设计每个光学元件的外缘的曲率半径。

在本实施例中，图1中所示的光学元件111、光学元件112和光学元件113分别被描述为第一、第二和第三光学元件。但是，顶点的偏移量和间隙长度的上述关系也适用于例如包括图1中所示的光学元件112、光学元件113和光学元件114的三个光学元件。如图1中所示，光学元件114比光学元件113在X轴方向上相距中心O更远，并具有高度230，类似于光学元件112和光学元件113。在这种情况中，光学元件114的顶点的偏移量和间隙长度可以被设计以满足上面所述的关系。

在光学元件阵列中，第一到第三光学元件中的每一个的数量，例如可以是1。作为替代，可以提供不同数量的第一到第三光学元件。因此，可以提供任意数量的第一到第三光学元件。例如，可以在光学元件阵列中以多个的形式设置第一到第三光学元件中的每一种。在这种情况中，光学元件阵列可以包括其中布置有第一光学元件的第一区域、其中布置有第二光学元件的第二区域和其中布置有第三光学元件的第三区域。

第三实施例

图7A和7B是示出了根据第三实施例的光电转换装置的示意性截面图。图7A是与图2B对应的示意性截面图。光学元件阵列700包括光学元件711和光学元件712。光学元件711与图2B中所示的光学元件111的不同之处在于相邻光学元件之间的边界比光学元件111之间的边界高出高度721，并且光学元件711具有这样的形状，即具有高度721的构件与光学元件111组合在一起。光学元件712与图2B中所示的光学元件112的不同之处在于相邻光学元件之间没有间隙。类似于图2B，光学元件711的高度和光学元件712的高度都等于长度722。类似于图2B，在各自的单位单元中，光学元件712的顶点比光学元件711的顶点向图像拾取区域的中心偏移的更远。同样当光学元件711和712具有上述形状时，可以使光学元件711的高度与光学元件712的高度相同，并且可以使每个光学元件711的顶点和端部之间的外缘的曲率半径与每个光学元件712的顶点和端部之间的外缘的曲率半径相同。在该光学元件阵列中，因为在与图像拾取区域的外围对应的区域中没有间隙，所以相比于第一实施例，可以增加在图像拾取区域的外围可收集到的入射光的量。作为结果，可以进一步抑制灵敏度在图像拾取区域外围处的降低。

光学元件阵列的形状不限于此，并且光学元件阵列可改为具有图7B中所示的形状。图7B是与图7A对应的示意性截面图。光学元件阵列1700具有光学元件1711和光学元件1712。光学元件1711和图7A中所示的光学元件711相同。光学元件1712与图7A中所示的光学元件712的不同之处在于相邻光学元件之间的边界比光学元件712之间的边界高出高度723。类似于图7A，在各自的单位单元中，光学元件1712的顶点比光学元件1711的顶点向图像拾取区域的中心偏移的更远。同样当光学元件1711和1712具有上述形状时，可以使光学元件1711的高度与光学元件1712的高度相同，并且可以使每个光学元件1711的顶点和端部之间的外缘的曲率半径与每个光学元件1712的顶点和端部之间的外缘的曲率半径相同。

第四实施例

在第四实施例中，将描述根据其他实施例的光学元件112的形状的示例。图8A是示出了光学元件112的平面形状的示意图。图8B和8C是示出了光学元件112的横截面形状的示意图。

图8A是示出了光学元件112在X轴方向和Y轴方向上延伸的平面上的底表面800的示意性平面图。底表面800具有和通过将光学元件112投影到在X轴方向和Y轴方向上延伸的平面上获得的图像(正交投影图像)相同的形状。从底表面800可以清楚地看到，光学元件112在X轴方向和Y轴方向上都具有长度L1。底表面800(光学元件)包括在X轴方向上布置的位置P1至P6。从最靠近中心O的位置开始依次布置位置P3、P1、P6、P5、P2和P4。

在光学元件112的底表面800中，区域850的外缘811被置于位置P3处，外缘811与中心O相距最近并且在Y轴方向上延伸。另外，在光学元件112的底表面800中，区域850的外缘815被置于位置P4处，外缘815与中心O相距最远并且在Y轴方向上延伸。光学元件112的底表面800的中心被置于位置P5处，所述位置P5是位置P3和位置P4之间的中点。换句话说，位置P4与位置P3隔开长度L1，并且位置P5与位置P3隔开长度L1的一半(L1/2)。位置P6是光学元件112的顶点在X轴方向上的位置，如下面所描述的。区域850与其他实施例中所述的单位单元相对应，并且与阵列区域120中布置的二维网格中的单个格相对应。每个格中放置单个光学元件。

如图8A所示，底表面800关于X轴水平地线对称，并且包括外缘811至818。外缘811是连接点801和点808的直线。外缘812是连接点801和点802的曲线。外缘813是连接点802和点803的直线。外缘814是连接点803和点804的曲线。外缘815是连接点804和点805的直线。外缘816是连接点805和点806的曲线。外缘817是连接点806和点807的直线。外缘818是连接点807和点808的曲线。外缘811和815是在Y轴方向上延伸的直线。外缘813和817是在X轴方向上延伸的直线。外缘812、814、816和818具有曲率，并且连接直线。

底表面800在X轴方向上的位置P1(第四位置)处具有Y轴方向上的宽度W1(第一宽度)。底表面800在X轴方向的位置P2(第五位置)处具有Y轴方向上的宽度W2(第二宽度)。另外，底表面800在位置P3和P4处分别具有Y轴方向上的宽度W3和W4。这些宽度至少满足W1>W2。此外，可以满足W1>W2>W3>W4。在图8A中，满足W1＝L1。

位置P1是与位置P3隔开长度小于或等于长度L1的一半的任何位置，并且位置P2是与位置P3隔开长度大于长度L1的一半的任何位置。换句话说，位置P1是比与位置P3隔开长度L1的一半的位置更靠近位置P3的任何位置，并且位置P2是比与位置P3隔开长度L1的一半的位置更远离位置P3的任何位置。布置位置P1和P2使得位置P2和中心O之间的距离大于位置P1和中心O之间的距离。

图8B是示出了光学元件112沿着图8A中的X轴的横截面形状的示意图。光学元件112沿着在Z轴方向和X轴方向延伸的平面的横截面820包括外缘831至833。外缘831是连接点821和点822的直线。外缘832是连接点822和点823的曲线。外缘833是连接点823和点824的曲线。光学元件112在位置P1处具有高度H1(第一高度)，在位置P2处具有高度H2(第二高度)，并且在位置P6处具有高度H3。高度满足H3>H1>H2。在这里，高度H3是光学元件112的最大高度。换句话说，位置P6处的点823是光学元件112的顶点。光学元件112的顶点在位置P6处，该位置P6比位置P5更靠近中心O。在这里，顶点意味着横截面的最高部分。在本实施例中，光学元件112具有顶点。然而，不一定最高部分是一个点，并且位置P1和位置P5之间的部分例如可以具有高度H3。

如图8B所示，在光学元件112中，外缘832包括具有比外缘833的曲率半径更小的曲率半径的部分。外缘832还可包括具有比外缘833的曲率半径更大的曲率半径的部分。外缘833的曲率半径或曲率半径的中间值和光学元件111的外缘241的曲率半径或曲率半径的中间值相同。采用这种结构，可以获得高透镜焦度(lens power)，并且可以用比现有技术的结构中的光收集性能更高的光收集性能来收集入射到外缘833上的光。曲率半径可以根据光学元件的横截面上任一点处的正切线来确定。例如，外缘833在X轴方向上的中点处(位置P6和P4之间的中点)的外缘833的正切线被确定。可以根据与该正切线接触的内切圆来确定曲率半径。每个部分的曲率半径可以通过其他用于测量曲率半径的通用方法来确定。作为替代，类似于其他实施例，每个外缘的曲率半径的中间值可以被确定。

图8C是示出了光学元件112在图8A中的位置P1和位置P2处的横截面形状的示意图。横截面841是光学元件112在图8A的位置P1处沿着Y轴方向所取的横截面。横截面842是光学元件112在图8A的位置P2处沿着Y轴方向所取的横截面。在横截面841中，光学元件112在横截面841的顶点处具有宽度W1和第一高度H1，所述第一高度H1是横截面841的最大高度。横截面841的外缘具有曲率半径R1(第一曲率半径)。在横截面842中，光学元件112在横截面842的顶点处具有宽度W2和高度H2，所述高度H2是横截面842的最大高度。虽然在本实施例中光学元件112的横截面具有顶点，如上所述，但是光学元件112具有高度H1和H2的部分不一定是点。横截面842的外缘具有曲率半径R2(第二曲率半径)。曲率半径满足R1<R2。虽然可以满足R1≥R2，但是在这种情况下将减小宽度W2。因此，有可能将减小面积占有率(area occupancy)。在这种情况下，光学元件的宽度W2可形成图8A中的外缘。当具有宽度W2的外缘被设在距离中心O最远的位置处时，可增加面积占有率并且可在更宽的范围内接收光。

如图8A至8C中所示，光学元件112在位置P1处具有宽度W1、高度H1和曲率半径R1，并且在位置P2处具有宽度W2、高度H2和曲率半径R2。当满足W1>W2、H1>H2且R1<R2时,光学元件112相比于相关现有技术的结构提供了更高的光收集性能和更大的面积占有率，并且可以增加光收集效率。

每个实施例的光学元件可以通过例如光刻来形成。在这种情况中，希望的光学元件可以通过使用具有根据光学元件形状的设计数据确定的透光率的灰色调掩模或面积灰度掩模使光致抗蚀剂在曝光设备中经受曝光，然后执行显影来获得。另外，可以额外地执行用于使光致抗蚀剂的形状变形的热处理。由于曝光处理中的光衍射或热处理的影响，根据任一上述实施例的通过上述方法制造的光学元件阵列可能具有与设计数据限定的形状不同的形状。

将参照图9来描述根据任一实施例的已制造的光学元件阵列的形状。图9是示出了与图2A所示光学元件111的横截面211的形状对应的形状941的图。在图9中，与图2A中部件相同的部件用相同的附图标记来表示，并因此省略对其的描述。制造的光学元件111可包括延伸部分901，所述延伸部分901与底表面200接触并从底表面200展开。与底表面200接触的部分的展开可发生在任何区域中的任何光学元件中。当实际测量宽度和间隙时，平行于底表面200的平面900可设在高度为任何光学元件111的最大高度H4的1％的位置处，并且可测量每个光学元件在平面900上的形状。另外当相邻光学元件彼此相接触并且难以确定其形状时，可以测量平面900上的距离等。

用于测量形状的方法的示例包括用AFM等测量光学元件阵列的表面的方法和用SEM等测量光学元件阵列的横截面的方法。

上述实施例可应用于诸如照相机之类的图像拾取系统中。图像拾取系统的概念不局限于主要用来进行拍摄操作的设备，也包括具有作为辅助功能的拍摄功能的设备(例如，个人计算机或移动设备)。图像拾取系统包括根据本发明上述实施例中任何实施例的光电转换装置，以及用于处理从光电转换装置输出的信号的信号处理单元。该信号处理单元包括，例如A/D转换器和用于处理从A/D转换器输出的数字数据的处理器。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但是要理解的是本发明不局限于已公开的示例性实施例。下列权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以便覆盖所有这样的修改以及等效的结构和功能。

Claims (18)

1.一种光学元件阵列，其特征在于包括：

多个光学元件，至少包括位于同一平面上的第一光学元件和第二光学元件，

其中第一光学元件位于阵列区域的中心处，所述阵列区域是其中布置有光学元件的同一平面上的区域，

第二光学元件比第一光学元件距离阵列区域的中心更远，

第一光学元件在所述平面上的正交投影包括第一端部和第二端部，所述第二端部比第一端部距离第二光学元件更近并且位于穿过第一端部和阵列区域的中心的第一直线上，

第一光学元件的顶点在所述平面上的正交投影与第一端部和第二端部的间隔相等并且位于第一直线上的第一位置处，

第二光学元件在所述平面上的正交投影包括位于第一直线上的第三端部和位于第一直线上并且比第三端部距离阵列区域的中心更远的第四端部，

第二光学元件的顶点在所述平面上的正交投影位于第一直线上的第二位置处，

第三端部和第二位置之间的间隔小于第一端部和第一位置之间的间隔，并且也小于第四端部和第二位置之间的间隔，

在第一光学元件的横截面中，所述横截面垂直于所述平面并且包括第一直线，第一光学元件包括从第一光学元件的顶点延伸到第二端部的第一外缘，

在第二光学元件的横截面中，所述横截面垂直于所述平面并且包括第一直线，第二光学元件包括从第二光学元件的顶点延伸到第四端部的第二外缘，并且

第二外缘的曲率半径或第二外缘的曲率半径的中间值大于或等于第一外缘的曲率半径或第一外缘的曲率半径的中间值的80％并且小于或等于第一外缘的曲率半径或第一外缘的曲率半径的中间值的120％。

2.根据权利要求1所述的光学元件阵列，其中第三端部和第四端部之间的间隔小于第一端部和第二端部之间的间隔。

3.根据权利要求1所述的光学元件阵列，其中第二光学元件具有关于所述横截面对称的形状。

4.根据权利要求1所述的光学元件阵列，其中光学元件还包括第三光学元件，沿着第一直线所述第三光学元件比第二光学元件距离阵列区域的中心更远，

第三光学元件在所述平面上的正交投影包括位于第一直线上的第五端部和位于第一直线上并且比第五端部距离阵列区域的中心更远的第六端部，

第三光学元件的顶点在所述平面上的正交投影位于第一直线上的第三位置处，

第五端部和第三位置之间的间隔小于第三端部和第二位置之间的间隔，

在第三光学元件的横截面中，所述横截面垂直于所述平面并且包括第一直线，第三光学元件包括从第三光学元件的顶点延伸到第六端部的第三外缘，并且

第三外缘的曲率半径或第三外缘的曲率半径的中间值大于或等于第二外缘的曲率半径的80％并且小于或等于第二外缘的曲率半径的120％，或者大于或等于第二外缘的曲率半径的中间值的80％并且小于或等于第二外缘的曲率半径的中间值的120％。

5.根据权利要求4所述的光学元件阵列，其中光学元件还包括第四光学元件、第五光学元件和第六光学元件，所述第四光学元件沿着第一直线与第一光学元件邻近，所述第五光学元件沿着第一直线与第二光学元件邻近，所述第六光学元件沿着第一直线与第三光学元件邻近，

其中第二光学元件和第五光学元件之间的间隔大于第一光学元件和第四光学元件之间的间隔，并且

第三光学元件和第六光学元件之间的间隔大于第二光学元件和第五光学元件之间的间隔。

6.根据权利要求4所述的光学元件阵列，其中第五端部和第六端部之间的间隔小于第三端部和第四端部之间的间隔。

7.根据权利要求1所述的光学元件阵列，其中光学元件阵列包括其中布置有多个第一光学元件的第一区域和其中布置有多个第二光学元件的第二区域。

8.根据权利要求1所述的光学元件阵列，其中第二光学元件在所述平面上的正交投影在第二光学元件中位于第一直线上的第四位置处具有沿着第二直线的第一宽度，所述第二直线位于所述平面上并且垂直于第一直线，并且第二光学元件在所述平面上的正交投影在第二光学元件中位于第一直线上的第五位置处具有沿着第二直线的第二宽度，所述第五位置比第四位置距离阵列区域的中心更远，第二宽度小于第一宽度，

在第二光学元件的第一横截面中，所述第一横截面垂直于所述平面并且包括第一宽度，第二光学元件具有第一曲率半径和第一最大高度，

在第二光学元件的第二横截面中，所述第二横截面垂直于所述平面并且包括第二宽度，第二光学元件具有第二曲率半径和第二最大高度，并且

第二曲率半径大于第一曲率半径，并且第二最大高度小于第一最大高度。

9.根据权利要求1所述的光学元件阵列，其中第二光学元件在所述平面上的正交投影在第二光学元件中位于第一直线上的第四位置处具有沿第二直线的第一宽度，所述第二直线位于所述平面上并且垂直于第一直线，并且第二光学元件在所述平面上的正交投影在第二光学元件中位于第一直线上的第五位置处具有沿着第二直线的第二宽度，所述第五位置比第四位置距离阵列区域的中心更远，第二宽度小于第一宽度，

在第二光学元件的第一横截面中，所述第一横截面垂直于所述平面并且包括第一宽度，第二光学元件具有第一最大高度，

在第二光学元件的第二横截面中，所述第二横截面垂直于所述平面并且包括第二宽度，第二光学元件具有第二最大高度，并且

第二高度小于第一高度，并且第五位置位于第二光学元件在所述平面上的正交投影的外缘上。

10.一种光学元件阵列，其特征在于包括：

多个光学元件，至少包括位于同一平面上的第一光学元件和第二光学元件，

其中第二光学元件比第一光学元件距离阵列区域的中心更远，所述阵列区域是其中布置有光学元件的同一平面上的区域，

第一光学元件在所述平面上的正交投影包括第一端部和第二端部，所述第二端部比第一端部距离阵列区域的中心更远并且位于穿过第一端部和阵列区域的中心的第一直线上，

第一光学元件的顶点在所述平面上的正交投影位于第一直线上的第一位置处，

第二光学元件在所述平面上的正交投影包括第三端部和第四端部，所述第三端部位于第一直线上，所述第四端部位于第一直线上并且比第三端部距离阵列区域的中心更远，

第二光学元件的顶点在所述平面上的正交投影位于第一直线上的第二位置处，

第三端部和第二位置之间的间隔小于第一端部和第一位置之间的间隔，并且也小于第四端部和第二位置之间的间隔，

在第一光学元件的横截面中，所述横截面垂直于所述平面并且包括第一直线，第一光学元件包括从第一光学元件的顶点延伸到第二端部的第一外缘，

在第二光学元件的横截面中，所述横截面垂直于所述平面并且包括第一直线，第二光学元件包括从第二光学元件的顶点延伸到第四端部的第二外缘，并且

第二外缘的曲率半径或第二外缘的曲率半径的中间值大于或等于第一外缘的曲率半径的80％并且小于或等于第一外缘的曲率半径的120％，或者大于或等于第一外缘的曲率半径的中间值的80％并且小于或等于第一外缘的曲率半径的中间值的120％。

11.根据权利要求10所述的光学元件阵列，其中第三端部和第四端部之间的间隔小于第一端部和第二端部之间的间隔。

12.根据权利要求10所述的光学元件阵列，其中第二光学元件具有关于所述横截面对称的形状。

13.根据权利要求10所述的光学元件阵列，其中光学元件还包括第三光学元件，沿着第一直线所述第三光学元件比第二光学元件距离阵列区域的中心更远，

第三光学元件在所述平面上的正交投影包括第五端部和第六端部，所述第五端部位于第一直线上，所述第六端部位于第一直线上并且比第五端部距离阵列区域的中心更远，

第三光学元件的顶点在所述平面上的正交投影位于第一直线上的第三位置处，

第五端部和第三位置之间的间隔小于第三端部和第二位置之间的间隔，

在第三光学元件的横截面中，所述横截面垂直于所述平面并且包括第一直线，第三光学元件包括从第三光学元件的顶点延伸到第六端部的第三外缘，并且

第三外缘的曲率半径或第三外缘的曲率半径的中间值大于或等于第二外缘的曲率半径的80％并且小于或等于第二外缘的曲率半径的120％，或者大于或等于第二外缘的曲率半径的中间值的80％并且小于或等于第二外缘的曲率半径的中间值的120％。

14.根据权利要求13所述的光学元件阵列，其中光学元件还包括第四光学元件、第五光学元件和第六光学元件，所述第四光学元件沿着第一直线与第一光学元件邻近，所述第五光学元件沿着第一直线与第二光学元件邻近，所述第六光学元件沿着第一直线与第三光学元件邻近，

其中第二光学元件和第五光学元件之间的间隔大于第一光学元件和第四光学元件之间的间隔，并且

第三光学元件和第六光学元件之间的间隔大于第二光学元件和第五光学元件之间的间隔。

15.根据权利要求13所述的光学元件阵列，其中第五端部和第六端部之间的间隔小于第三端部和第四端部之间的间隔。

16.一种光电转换装置，其特征在于包括：

根据权利要求1或10所述的光学元件阵列；以及

半导体衬底，包括第一光电转换元件和第二光电转换元件，所述第一光电转换元件被提供为与第一光学元件对应，并且第二光电转换元件被提供为与第二光学元件对应。

17.根据权利要求16所述的光电转换装置，

其中第一光电转换元件形成第一像素，并且第二光电转换元件形成第二像素，

第一像素和第二像素在所述平面上的正交投影包括具有各自的中心的矩形区域，

第一光学元件和第二光学元件的正交投影具有各自的中心，并且

在第一像素、第二像素、第一光学元件和第二光学元件在所述平面上的正交投影中，第二光学元件的中心和第二像素的矩形区域的中心沿着第一直线布置，并且第二光学元件的中心从第二像素的矩形区域的中心朝着阵列区域的中心移动第一长度。

18.一种图像拾取系统，其特征在于包括：

光电转换装置，所述光电转换装置包括根据权利要求1或10的光学元件阵列和半导体衬底，所述半导体衬底包括第一光电转换元件和第二光电转换元件，所述第一光电转换元件被提供为与第一光学元件对应，并且第二光电转换元件被提供为与第二光学元件对应；以及

信号处理单元，对来自光电转换装置的信号进行处理。