CN106941106A - 影像感测器以及影像提取装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种影像感测器及影像提取装置。该影像感测器包括一感测层、一透光板、以及一第一波导模态共振结构。感测层包括用以感测一光束的多个感测单元。透光板位于感测层之上。第一波导模态共振结构设置于透光板的一第一区域上，且止挡光束的一第一波段通过。

Description

影像感测器以及影像提取装置
技术领域
本发明主要关于一种影像感测器以及影像提取装置，特别涉及一种具有波导模态共振结构的影像感测器与影像提取装置。
背景技术
一般而言，数字相机利用了影像感测器来感测光线以及产生一影像信号，且依据影像信号产生数字相机所拍摄的画面。此外，光谱仪亦可利用影像感测器来感测红外线、紫外线及/或可见光。
随者数字相机的发展，对于影像信号的品质具有越来越高的要求。使用了背照式(BSI,backside illumination)技术的影像感测器可具有光导管结构以引导光线照射至光电二极管。上述背照式影像感测器具有较高的光敏度以及影像品质。
虽然目前的影像感测器符合了其使用的目的，但尚未满足许多其他方面的要求。因此，需要提供影像感测器的改进方案。
发明内容
本公开提供了一种影像感测器，其制作成本较低且具备了多种功能。
本公开提供了一种影像感测器，包括一感测层、一透光板、以及一第一波导模态共振结构。感测层包括用以感测一光束的多个感测单元。透光板位于感测层之上。第一波导模态共振结构设置于透光板的一第一区域上，且止挡光束的一第一波段通过。
于一些实施例中，影像感测器还包括一第二波导模态共振结构，设置于透光板的一第二区域上，且止挡光束的一第二波段通过。
于一些实施例中，影像感测器还包括一抗反射层，设置于透光板的一透光区域。
于一些实施例中，影像感测器还包括一上部彩色滤光单元，设置于透光板的一彩色滤光区域上。
于一些实施例中，影像感测器还包括多个彩色滤光单元，设置于感测层上，且位于透光板的第一区域之下。
本公开还提供了一种影像提取装置，包括一感测壳体、一感测结构、以及一保护结构。感测壳体包括一容置腔以及连通于容置腔的一开口。感测结构设置于容置腔内，且包括一感测层。
感测层包括用以感测一光束的多个感测单元。保护结构包括一透光板以及一第一波导模态共振结构。透光板覆盖开口，且位于感测结构之上。第一波导模态共振结构设置于透光板的一第一区域上，且止挡光束的一第一波段通过。
综上所述，由于波导模态共振结构的结构，可省略设置于感测层上的彩色滤光单元，进而节省感测结构的制作成本并简化感测结构。再者，通过波导模态共振结构以及上部彩色滤光单元，影像感测器可设计用来提供多种功能，例如影像提取与姿势检测。
附图说明
图1为根据本公开的一些实施例中的一影像提取装置的示意图。
图2为根据本公开的一些实施例中的一影像感测器的示意图。
图3为根据本公开的一些实施例中的部分保护结构的示意图。
图4为根据本公开的一些实施例中的部分保护结构的示意图。
图5为根据本公开的一些实施例中的部分保护结构的示意图。
图6为根据本公开的一些实施例中的一影像感测器的示意图。
图7为根据本公开的一些实施例中的一保护结构的俯视图。
附图标记说明：
影像提取装置 A1
外壳 A10
镜头 A20
透镜壳体 A21
透镜组 A22
透镜 A221
影像感测器 1
感测壳体 10
容置腔 11
开口 12
感测结构 20
感测层 21
基材 211
感测单元 212、212a、212b、212c
平坦层 22
微透镜 23
滤光单元 24
红色滤光单元 24a
绿色滤光单元 24b
蓝色滤光单元 24c
保护结构 30
透光板 31
波导模态共振结构 32、32a、32b、32c、32d
基底层 321
光栅单元 322
透光材料 323
抗反射层 33
上部彩色滤光单元 34
处理模块 50
排列方向 D1、D2
高度 H1
参考平面 P1
中空空间 S1
厚度 T1
区域 Z1a、Z1b、Z1c、Z1d
透光区域 Z2
彩色滤光区域 Z3
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。例如，第一特征在一第二特征上或上方的结构的描述包括了第一和第二特征之间直接接触，或是以另一特征设置于第一和第二特征之间，以致于第一和第二特征并不是直接接触。
再者，本说明书于不同的例子中沿用了相同的元件标号及/或文字。前述的沿用仅为了简化以及明确，并不表示于不同的实施例以及设定之间必定有关联。此外，附图中的形状、尺寸、以及厚度可能为了清楚说明的目的而未依照比例绘制或是被简化，仅提供说明之用。
图1为根据本公开的一些实施例中的一影像提取装置A1的示意图。于一些实施例中，影像提取装置A1可为光谱仪(spectrometer)、姿势检测器(gesture detector)、或是飞行时间检测器(Time of Flight,TOF,detector)。于一些实施例中，影像提取装置A1为具有拍照功能的一电子装置。于一些实施例中，影像提取装置A1为具有拍照功能的一影像模块，设置于例如移动电话或是电脑等电子装置中。
影像提取装置A1包括一外壳A10、一镜头A20、以及一影像感测器1。镜头A20设置于外壳A10、且影像感测器1设置于外壳A10内。镜头A20包括一透镜壳体A21以及一透镜组A22。透镜壳体A21设置于感测壳体10。于一些实施例中，透镜壳体A21可相对于感测壳体10移动。
透镜组A22设置于透镜壳体A21内。透镜组A22包括一或多个透镜A221。透镜A221用以将一光束聚焦于影像感测器1。
影像感测器1用以提取一影像。于一些实施例中，影像感测器1可为互补式金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)感测器。于一些实施例中，影像感测器1为一前照式(FSI，Frontside illumination)、背照式(BSI，backsideillumination)CMOS感测器、或是其他适合的感测器。
影像感测器1包括一感测壳体10、一感测结构20、以及一保护结构30。感测壳体10包括一容置腔11以及连通于容置腔11的一开口12。
感测结构20设置于容置腔11内。感测结构20用以检测一入射光束，并根据照射于感测结构20的光束产生一影像信号。一影像可根据影像信号来产生。
保护结构30覆盖且连接于开口12。保护结构30用以保护感测结构20。于一些实施例中，保护结构30为一板状结构。
图2为根据本公开的一些实施例中的一影像感测器1的示意图。图3为根据本公开的一些实施例中的部分保护结构30的示意图。
感测结构20包括一感测层21、一平坦层22、以及多个微透镜23。感测层21沿一参考平面P1延伸。感测层21用以检测一入射光束，且将照射于感测层21的光束转换为电子信号。
感测层21可包括所有下列的元件，但只要能达到感测层21的使用目的，可不需要包括所有下列的元件。感测层21包括一基材211以及多个感测单元212。于一些实施例中，感测层21亦包括其他光学层，例如一介电层或是一抗反射层(图未示)。
感测单元212设置于基材211内。感测单元212沿参考平面P1排列于一感测阵列。于一些实施例中，感测单元212为光二极管。每一感测单元212用以感测一光束，且根据照射于其上的光束的强度产生一强度信号。影像信号可依据强度信号形成。
平坦层22设置于感测层21上。平坦层22用以保持感测单元212以及微透镜23之间的距离。于一些实施例中，平坦层22为平行于参考平面P1的一平坦结构。于一些实施例中，平坦层22为透明的。平坦层22由光致抗蚀剂、有机聚合物或是介电材料所制成。
每一微透镜23设置于感测单元212中的一者之上。微透镜23排列于平行于参考平面P1的一平面上的一微透镜阵列。微透镜23用以将光束聚焦于感测单元212。
保护结构30包括一透光板31、多个波导模态共振结构32、以及一抗反射层33。透光板31覆盖且连接于开口12。透光板31用以保护感测结构20。于一些实施例中，透光板31由玻璃所制成。
透光板31为平行于参考平面P1的板状结构。于一些实施例中，透光板31为一透镜，例如一凸透镜或是一凹透镜。
透光板31设置于感测结构20上。如图1及图2所示，透光板31位于感测结构20上，且与感测结构20分离。换句话说，于保护结构30以及感测结构20之间为一中空空间S1。
波导模态共振结构32包括一基底层321、多个光栅单元322、以及一透光材料323。基底层321设置于透光板31上，且平行于参考平面P1延伸。光栅单元322设置于基底层321上。
于一些实施例中，光栅单元322排列于平行于基底层321或是参考平面P1的一平面。光栅单元322可为圆柱(cylinder)、柱状体(column)、角锥(angular pyramid)、截角锥(truncated pyramid)、圆锥(cone)、或是截圆锥(truncated cone)。光栅单元322排列于一光栅阵列。于一些实施例中，光栅单元322排列于一N x M矩阵。N以及M为正整数。于一些实施例中，N等于、大于、或是小于M。于一些实施例中，N以及M大于10。举例而言，N为10或大于10，且M为10或大于10。
于一些实施例中，基底层321的厚度T1约为0.1nm至30nm的范围之间。于一些实施例中，光栅单元322对于基底层321的高度H1约为30nm至100nm的范围之间。光栅单元322的宽度约为120nm至260nm的范围之间。
两相邻的光栅单元322的间隔约为100nm至260nm的范围之间。间距(pitch)定义为宽度加间隔，且填充因子(fill factor)定义为宽度除以间距。于一些实施例中，填充因子约为0.2至0.8的范围之间。
于一些实施例中，光栅单元322与基底层321的材质相同，且一体成形。光栅单元322以及基底层321的材质可为有机光致抗蚀剂或是无机材料。光栅单元322以及基底层321包括SiN、Si、具有相对高折射率(n>1.6)的光致抗蚀剂、或是其组合。
透光材料323设置于基底层321以及光栅单元322上。如图2所示，透光材料323亦设置于透光板31与基底层321之间，且透光材料323填充于光栅单元322之间。
于一些实施例中，透光材料323为有机光致抗蚀剂或是无机材料。于一些实施例中，透光材料323包括SiO2、具有相对低的折射率(n<1.5)的光致抗蚀剂、或是其组合。
于一些实施例中，光栅单元322以及基底层321的折射率大于透光材料323的折射率。于一些实施例中，光栅单元322以及基底层321的折射率约为1.6至2.5的范围之间。透光材料323的折射率约为1.2至1.5的范围之间。
通过上述波导模态共振结构32的结构，波导模态共振结构32能提供波导模态共振效应(guided-mode resonance effect)。波导模态共振结构32止挡光束大于一预定范围的波长通过(或是到达感测结构20)。
举例而言，如图2及图3所示，波导模态共振结构32包括波导模态共振结构32a、32b、32c。于一些实施例中，具有许多波导模态共振结构32a、波导模态共振结构32b、波导模态共振结构32c排列于一阵列。一些波导模态共振结构32a、32b、32c沿一排列方向D1交错排列。
如图2及图3所示，相邻的波导模态共振结构、32a、32b、32c对应于处理模块50根据强度信号所产生的影像的一像素(pixel)。抗反射层33环绕波导模态共振结构32a、32b、32c。
波导模态共振结构32a设置于透光板31的区域Z1a上。波导模态共振结构32a的填充因子约为0.3至0.5的范围之间，且波导模态共振结构32a的间距约为240nm至300nm的范围之间。波导模态共振结构32a止挡光束的第一波段通过(或是照射于感测结构20)。于一些实施例中，第一波段约为430nm至480nm的范围之间。第一波段对应于光束的蓝光组成(可见光组成)。于一些实施例中，第一波段对应于光束的紫外线组成(ultravioletcomponent)。
波导模态共振结构32b设置于透光板31的区域Z1b上。波导模态共振结构32b的填充因子约为0.3至0.5的范围之间，且波导模态共振结构32a的间距约为320nm至380nm的范围之间。波导模态共振结构32b止挡光束的一第二波段通过(或是照射于感测结构20)。于一些实施例中，第二波段约为510nm至570nm的范围之间。第二波段对应于光束的绿色组成(可见光组成)。
波导模态共振结构32c设置于透光板31的区域Z1c。波导模态共振结构32c的填充因子约为0.3至0.5的范围之间，波导模态共振结构32a的间距约为400nm至460nm的范围之间。波导模态共振结构32c止挡光束的第三波段通过(或是照射于感测结构20上)。于一些实施例中，第三波段约为620nm至670nm。第三波段对应于光束的红光组成(可见光组成)。于一些实施例中，第三波段对应于光束的红外线组成(infrared component)。
抗反射层33设置于透光板31的透光区域(clear area)Z2。抗反射层33允许光束通过(或是到达感测结构20)。换句话说，抗反射层33并不止挡光束中一预定范围内的波长通过(或是照射于感测结构20)。
位于区域Z1a下的感测单元212根据通过波导模态共振结构32a的光束产生第一强度信号。第一强度信号对应于光束的第一波段。位于区域Z1b下的感测单元212根据通过波导模态共振结构32b的光束产生第二强度信号。第二强度信号对应于光束的第二波段。
位于区域Z1c下的感测单元212根据通过波导模态共振结构32c的光束产生第三强度信号。第三强度信号对应于光束的第三波段。位于透光区域Z2下的感测单元212下根据通过透光板31的透光区域Z2的光束产生参考强度信号。参考强度信号对应于光束的所有波段。
处理模块50电性连接于感测单元212。处理模块50接受第一强度信号，且根据第一强度信号的强度产生第一强度值。处理模块50接收第二强度信号，且根据第二强度信号的强度产生第二强度值。
处理模块50接收第三强度信号，且根据第三强度信号的强度产生第三强度值。处理模块50接受参考强度信号，且根据参考强度信号的强度产生参考强度值。
处理模块50根据第一强度信号以及参考强度信号取得一第一色彩值。于一些实施例中，第一色彩值经由参考强度信号减第一强度信号取得。于此实施例中，第一色彩值对应于光束的蓝光组成。于一些实施例中，第一色彩值对应于光束的紫外线组成。
处理模块50根据第二强度信号以及参考强度信号取得一第二色彩值。于一些实施例中，第二色彩值经由参考强度信号减第二强度信号取得。于此实施例中，第二色彩值对应于光束的绿光组成。
处理模块50根据第三强度信号以及参考强度信号取得一第三色彩值。于一些实施例中，第三色彩值经由参考强度信号减第三强度信号取得。于此实施例中，第三色彩值对应于光束的红光组成。于一些实施例中，第三色彩值对应于光束的红外线组成。
因此，处理模块根据第一色彩值、第二色彩值、以及第三色彩值50取得影像的一像素的像素值。
由于光束的红外线组成、紫外线组成、及/或可见光组成均可被影像感测器1检测，因此，举例而言，影像感测器1可为一光谱仪。于一些实施例中，通过调整波导模态共振结构32来对应于光束的不同的可见光波段，影像感测器1可为一相机。
再者，由于可省略设置于感测层上的彩色滤光单元，因此可减少感测结构20的制作成本且可简化感测结构20的结构。
图4为根据本公开的一些实施例中的部分保护结构30的示意图。部分的保护结构30对应于影像的一像素。于一些实施例中，波导模态共振结构32a、32b、以及32c沿一排列方向D2交错排列。
抗反射层33位于波导模态共振结构32a、32b、32c的一侧。换句话说，抗反射层33连接或是邻近于波导模态共振结构32a、32b、32c相同的一侧。
再者，区域Z1a、Z1b、以及Z1c沿排列方向D2排列。透光区域Z2位于区域Z1a、Z1b、以及Z1c的一侧。
图5为根据本公开的一些实施例中的部分保护结构30的示意图。部分的保护结构30对应于影像的一像素。于一些实施例中，波导模态共振结构32a以及抗反射层33沿排列方向D1交错排列。
于一些实施例中，波导模态共振结构32b以及抗反射层33沿排列方向D1交错排列。于一些实施例中，波导模态共振结构32b以及抗反射层33沿排列方向D1交错排列。
波导模态共振结构32a的一边缘、波导模态共振结构32b的一边缘、以及波导模态共振结构32c的一边缘于排列方向D2上叠置。
图6为根据本公开的一些实施例中的一影像感测器1的示意图。图7为根据本公开的一些实施例中的一保护结构30的俯视图。于一些实施例中，区域Z1d位于透光板31的中央。波导模态共振结构32d设置于区域Z1上。波导模态共振结构32d的填充因子为约0.5至0.8的范围之间。
波导模态共振结构32d止挡光束的第四波段通过。于一些实施例中，第四波段约为800nm至1000nm之间。第四波段对应于光束的红外线。
保护结构30包括一上部彩色滤光单元34，设置于透光板31的一彩色滤光区域Z3上。彩色滤光区域Z3环绕区域Z1d。于一些实施例中，彩色滤光区域Z3位于透光板31的边缘。
上部彩色滤光单元34允许光束中于一预定范围内的波长通过(或是到达感测单元212b)。于一些实施例中，上部彩色滤光单元34允许光束中于800nm至1000nm的范围之间的波长(红外线)通过。
感测结构20还包括彩色滤光单元24。如图6所示，于透光板31的区域Z1d下的平坦层22被彩色滤光单元24所取代。
彩色滤光单元24设置于感测层21上，且位于透光板31的区域Z1d之下。于一些实施例中，彩色滤光单元24位于感测层21以及微透镜23之间。彩色滤光单元24沿平行于参考平面P1的一平面排列于一滤光阵列。每一彩色滤光单元24设置于感测单元212a中的一者之上。
每一彩色滤光单元24允许光束中于一预定范围内的波长通过(或是到达感测单元212a)。于一些实施例中，彩色滤光单元24为彩色滤光单元。彩色滤光单元24包括红色滤光单元24a、绿色滤光单元24b、以及蓝色滤光单元24c。红色滤光单元24a、绿色滤光单元24b、以及蓝色滤光单元24c交错排列于滤光阵列。
红色滤光单元24a允许光束约为580nm至750nm的范围之间的波长(红光)通过至感测单元212a。绿色滤光单元24b主要允许光束中约为450nm至620nm的范围之间的波长(绿光)通过至感测单元212a。蓝色滤光单元24c主要许光束中约为400nm至520nm的范围之间的波长(蓝光)通过至感测单元212a。
如图6所示，平坦层22设置于感测层21上，且位于上部彩色滤光单元34之下。微透镜23设置于平坦层22上，且位于彩色滤光区域Z3之下。平坦层22环绕彩色滤光单元24。于一些实施例中，平坦层22直接接触彩色滤光单元24。平坦层22以及彩色滤光单元24沿平行于参考平面P1的一平面排列。
位于感测单元212a与感测单元212b之间的感测单元212c为虚设(dummy)感测单元。如图6所示，仅有一个感测单元212c位于感测单元212a与感测单元212b之间。然而，于一些实施例中，可有至少两个感测单元212c位于感测单元212a与感测单元212b之间。换句话说，感测单元212c并不产生任何强度信号。再者，并没有微透镜23位于感测单元212c之上。因此，由感测单元212a所产生的强度信号应不会被通过上部彩色滤光单元34的光束所影响。感测单元212b所产生的强度信号亦应不会被通过波导模态共振结构32d的光束所影响。
于此实施例中，由于上部彩色滤光单元34允许红外线通过，感测单元212b可根据照射于其上的红外线产生强度信号。因此，影像感测器1用以检测姿势(gestures)或TOF等应用。
再者，由于彩色滤光单元24设置于感测单元212a上，一影像可根据感测单元212a所产生的强度信号而被提取。此外，由于波导模态共振结构32d止挡红外线，因此上述影像并不会被红外线所影响。因此，于此实施例中，影像感测器1提供了影像提取以及姿势检测等多种功能。
综上所述，由于波导模态共振结构的结构，可省略设置于感测层上的彩色滤光单元，进而节省感测结构的制作成本并简化感测结构。再者，通过波导模态共振结构以及上部彩色滤光单元，影像感测器可设计用来提供多种功能，例如影像提取与姿势检测。
上述已公开的特征能以任何适当方式与一或多个已公开的实施例相互组合、修饰、置换或转用，并不限定于特定的实施例。
本发明虽以各种实施例公开如上，然而其仅为范例参考而非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的变动与润饰。因此上述实施例并非用以限定本发明的范围，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种影像感测器，其特征在于，包括：
一感测层，包括多个感测单元，用以感测一光束；
一透光板，位于该感测层之上；以及
一第一波导模态共振结构，设置于该透光板的一第一区域上，且止挡该光束的一第一波段通过。
2.如权利要求1所述的影像感测器，还包括一第二波导模态共振结构，设置于该透光板的一第二区域上，且止挡该光束的一第二波段通过。
3.如权利要求1所述的影像感测器，还包括一抗反射层，设置于该透光板的一透光区域。
4.如权利要求1所述的影像感测器，其中该第一波导模态共振结构包括：
一基底层；
多个光栅单元，设置于该基底层上；以及
一透光材料，设置于该基底层以及该等光栅单元上。
5.如权利要求1所述的影像感测器，还包括：
一平坦层，设置于该感测层上；以及
多个微透镜，设置于该平坦层上。
6.如权利要求1所述的影像感测器，还包括：
一平坦层，设置于该感测层上；
多个微透镜，设置于该平坦层上；
多个彩色滤光单元，设置于该感测层上，且位于该透光板的该第一区域之下；以及
一上部彩色滤光单元，设置于该透光板的一彩色滤光区域上。
7.一种影像提取装置，其特征在于，包括：
一感测壳体，包括一容置腔以及连通于该容置腔的一开口；
一感测结构，设置于该容置腔内，包括一感测层，其中该感测层包括用以感测一光束的多个感测单元；以及
一保护结构，包括：
一透光板，覆盖该开口，且位于该感测结构之上；以及
一第一波导模态共振结构，设置于该透光板的一第一区域上，且止挡该光束的一第一波段通过。
8.如权利要求7所述的影像提取装置，还包括：
一透镜壳体，设置于该感测壳体；以及
一透镜组，设置于该透镜壳体内。
9.如权利要求7所述的影像提取装置，其中该保护结构还包括一第二波导模态共振结构，设置于该透光板的一第二区域之上，且止挡该光束的一第二波段通过。
10.如权利要求7所述的影像提取装置，其中该保护结构还包括一抗反射层，设置于该透光板的一透光区域上。
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