CN111200711A - 子像素阵列以及图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种子像素阵列以及图像传感器。子像素阵列包括感光层、多个第一微透镜以及多个第二微透镜。感光层包括多个感测区域。所述多个感测区域非均匀地分布于感光层中。所述多个感测区域对应于多个子像素。多个第一微透镜形成在感光层上方，并且一对一地对应于所述多个感测区域。多个第二微透镜形成在所述多个第一微透镜上方，并且一对一地对应于所述多个第一微透镜。所述多个第二微透镜用以接收多个光信号，并且所述多个光信号经由所述多个第二微透镜传递至所述多个第一微透镜，接着经由所述多个第一微透镜传递至所述多个感测区域。本发明的子像素阵列以及图像传感器可有效地将特定的功能电路整合至感光层中。

Description

子像素阵列以及图像传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种子像素阵列以及图像传感器的架构。
背景技术
随着图像感测技术的演进，各种图像传感器被不断地被设计出来，并且被广泛地应用于例如图像感测、距离感测、指纹感测、人脸感测等诸如此类的感测应用。然而，在具有特定功能的图像传感器的设计过程中，由于图像传感器必须搭载有其他功能电路，以实现特定的感测功能，因此如何设计有良好的布局架构，并且可有效地整合特定功能电路至图像传感器是目前本领域主要的研究与设计方向之一。有鉴于此，以下将提出几个实施例的解决方案。
发明内容
本发明提供一种子像素阵列以及图像传感器具有良好的布局架构。
本发明的一种子像素阵列包括感光层、多个第一微透镜以及多个第二微透镜。感光层包括多个感测区域。所述多个感测区域非均匀地分布于感光层中。所述多个感测区域对应于多个子像素。所述多个第一微透镜形成在感光层上方，并且一对一地对应于所述多个感测区域。所述多个第二微透镜形成在所述多个第一微透镜上方，并且一对一地对应于所述多个第一微透镜。所述多个第二微透镜用以接收多个光信号。所述多个光信号经由所述多个第二微透镜传递至所述多个第一微透镜，接着经由所述多个第一微透镜传递至所述多个感测区域。
本发明的一种图像传感器包括多个子像素阵列。所述多个子像素阵列阵列排列为像素阵列。所述多个子像素阵列各别与各自周围的子像素阵列间隔配置。所述多个子像素阵列各别包括感光层、多个第一微透镜以及多个第二微透镜。感光层包括多个感测区域。所述多个感测区域非均匀地分布于感光层中。所述多个感测区域对应于多个子像素。所述多个第一微透镜形成在感光层上方，并且一对一地对应于所述多个感测区域。所述多个第二微透镜形成在所述多个第一微透镜上方，并且一对一地对应于所述多个第一微透镜。所述多个第二微透镜用以接收多个光信号。所述多个光信号经由所述多个第二微透镜传递至所述多个第一微透镜，接着经由所述多个第一微透镜传递至所述多个感测区域。
基于上述，本发明的子像素阵列以及图像传感器可有效地将特定的功能电路整合至感光层中。特定的功能电路可例如是模拟至数字转换器(Analog to DigitalConverter,ADC)。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的子像素阵列的示意图；
图2A是依照本发明的一实施例的感光层的示意图；
图2B是依照本发明的一实施例的多个第二微透镜的示意图；
图3是依照本发明的另一实施例的感光层的示意图；
图4是依照本发明的另一实施例的子像素阵列的示意图；
图5是依照本发明的又一实施例的子像素阵列的示意图。
附图标号说明：
110、210、410、510：感光层；
110_1、110_2、210_1～210_4：子像素阵列；
111_1～111_4、112_1～112_4、411_1、411_2、511_1、511_2：感测区域；
120、420、520：第一介质层；
131_1、131_2、132_1、132_2、431_1、431_2、531_1、531_2：第一微透镜；
140、440、540：薄氧化层；
150、450、550：第二介质层；
161_1～161_4、162_1～162_4、461_1、461_2、561_1、561_2：第二微透镜；
171～173、471、472、571、572：电路布局区域；
D1、D2、D3：方向；
h11、h12、h41、h42、h51、h52：高度；
110S、210S：空白区域；
P1_1、P1_2、P2_1、P2_2、P4_1、P4_2、P5_1、P5_2：子像素。
具体实施方式
为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，代表相同或类似部件。
图1是依照本发明的一实施例的子像素阵列的示意图。图1为应用于图像传感器的像素阵列中的子像素阵列，其中图像传感器可例如是互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)，但本发明并不限于此。图1为多个子像素架构的侧视图，并且本发明的子像素架构可还包括一般图像传感器的其他必要架构或元件而不限于图1所示。参考图1，子像素P1_1、P1_2以及第二方向D2的一侧的另两个子像素(图未示)组成一个子像素阵列(如图2A所示的子像素阵列110_1)，并且子像素P2_1、P2_2以及第二方向D2的一侧的又两个子像素(图未示)组成一个子像素阵列(如图2A所示的子像素阵列110_2)。在本实施例中，感光层110包括多个感测区域111_1、111_2、112_1、112_2，并且这些感测区域111_1、111_2、112_1、112_2分别属于子像素P1_1、P1_2、P2_1、P2_2。在本实施例中，这些感测区域111_1、111_2、112_1、112_2非均匀地分布于感光层110中。这些感测区域111_1、111_2、112_1、112_2可为光电二极管(photodiode)。
在本实施例中，这些感测区域111_1、111_2、112_1、112_2各别偏离于这些子像素P1_1、P1_2、P2_1、P2_2的各别的像素中心(例如第二微透镜161_1、161_2、162_1、162_2各别透镜中心光轴)，并且在感光层110的这些感测区域111_1、111_2、112_1、112_2以外的区域还包括电路布局区域171～173。在本实施例中，电路布局区域171～173可例如包括模拟至数字转换器(Analog to Digital Converter,ADC)。也就是说，本实施例的子像素P1_1、P1_2、P2_1、P2_2可通过将感测区域111_1、111_2、112_1、112_2以非均匀的方式配置，以便在感光层110可进一步设置电路布局区域171～173。因此，本实施例的这些子像素P1_1、P1_2、P2_1、P2_2可有效地整合有模拟至数字转换器的电路布局。
在本实施例中，由于感测区域111_1、111_2、112_1、112_2各别偏离于子像素P1_1、P1_2、P2_1、P2_2的各别的像素中心，因此子像素P1_1、P1_2、P2_1、P2_2分别以两层微透镜(micro-lenses)结构来将光信号传导至感测区域111_1、111_2、112_1、112_2。详细而言，第一介质层120形成在感光层110以及多个第一微透镜131_1、131_2、132_1、132_2之间，并且第一介质层120可例如包括多个金属走线耦接至这些感测区域111_1、111_2、112_1、112_2，以取得各子像素的感测结果。第一微透镜131_1、131_2、132_1、132_2一对一地对应于感测区域111_1、111_2、112_1、112_2。
在本实施例中，薄氧化层140覆盖这些第一微透镜131_1、131_2、132_1、132_2，以提供抗反射效果。第二介质层150形成在第一介质层120以及多个第二微透镜161_1、161_2、162_1、162_2之间，以覆盖这些第一微透镜131_1、131_2、132_1、132_2。第二微透镜161_1、161_2、162_1、162_2一对一地对应于第一微透镜131_1、131_2、132_1、132_2，并且这些第二微透镜161_1、161_2、162_1、162_2均匀地分布在第二介质层150上。
在本实施例中，光信号经由第三方向D3入射至第二微透镜161_1、161_2、162_1、162_2，并且经由第二介质层150传导至第一微透镜131_1、131_2、132_1、132_2，接着再经由第一微透镜131_1、131_2、132_1、132_2以及第一介质层120传递至这些感测区域111_1、111_2、112_1、112_2。第一方向D1、第二方向D2以及第三方向D3相互垂直。在本实施例中，这些子像素P1_1、P1_2、P2_1、P2_2可例如是红色(red)子像素、绿色(green)子像素、蓝色(blue)子像素以及红外光(infrared)子像素。感测区域111_1、111_2、112_1、112_2可各别例如用于感测红光、绿光、蓝光以及红外光，并且例如经转换后输出对应的RGB图像信息、红外光感测信息或距离信息，但本发明并不加以限制。
对于子像素P1_1来说，感测区域111_1朝第一方向D1偏移，并且第一微透镜131_1也对应地沿着第一方向D1偏移，但本发明并不限于此。感测区域111_1以及第一微透镜131_1可相对应地沿着第一方向D1或第二方向D2偏移设置。子像素P1_1的第一微透镜131_1为对称(symmetric)微透镜。子像素P1_1的第二微透镜161_1位于子像素P1_1的像素中心，并且第二微透镜161_1为对称微透镜。也就是说，子像素P1_1通过第一微透镜131_1的位置偏移设计，以将光信号传导致偏移的感测区域111_1。值得注意的是，第一介质层120的高度h11以及第二介质层150的高度h12可对应于第一微透镜131_1的偏移距离来设计之，以使第一微透镜131_1可将来自第二微透镜161_1的光信号完全地传导至感测区域111_1。以此类推，子像素P1_2、P2_1、P2_2也可为相应的设计，因此不再赘述。
图2A是依照本发明的一实施例的感光层的示意图。图2B是依照本发明的一实施例的多个第二微透镜的示意图。先参考图2A，图2A为图像传感器的像素阵列的感光层的俯视图。在图2A中，感光层110设置多个2×2子像素阵列，并且这些子像素阵列各别与各自周围的子像素阵列间隔配置。搭配图1来说，子像素阵列110_1可包括四个子像素，并且感测区域111_1～111_4相邻但彼此未连接。子像素阵列110_2可包括四个子像素，因此感测区域112_1～112_4相邻但彼此未连接。同理，其余子像素的感测区域的排列方式如图2A所示。因此，感光层110的这些感测区域以外的空白区域110S可作为电路布局区域，以配置一或多个模拟至数字转换器。
接着参考图2B，图2B为图像传感器的像素阵列的多个第二微透镜的俯视图。在图2B中，第二介质层150上可形成多个第二微透镜。这些第二微透镜阵列排列且均匀地分布在第二介质层150上，并且这些第二微透镜为对称微透镜，以有效地接收的整面的光信号。在图2B中，第二微透镜161_1～161_4可对应于图2A的感测区域111_1～111_4，并且第二微透镜162_1～162_4可对应于图2A的感测区域112_1～112_4。此外，图2B的图像传感器的像素阵列的这些第二微透镜在第三方向上D3还可配置一个大透镜，以将感测的多个光信号聚光至这些第二微透镜。
图3是依照本发明的另一实施例的感光层的示意图。参考图3，本发明的图像传感器的像素阵列亦可包括多个4×4子像素阵列。图3为图像传感器的像素阵列的感光层的俯视图。在图3中，感光层210设置多个3×3子像素阵列，并且这些子像素阵列各别与各自周围的子像素阵列间隔配置。举例而言，子像素阵列210_1～210_4可各别包括十六个子像素，并且各别对应的十六个感测区域相邻但彼此未连接。因此，感光层210的这些感测区域以外的空白区域210S可作为电路布局区域，以配置一或多个模拟至数字转换器。
图4是依照本发明的另一实施例的子像素阵列的示意图。图4为多个子像素架构的侧视图，并且本发明的子像素架构可还包括一般图像传感器的其他必要架构或元件而不限于图4所示。参考图4，子像素P4_1、P4_2组成一个子像素阵列。在本实施例中，感光层410包括多个感测区域411_1、411_2，并且这些感测区域411_1、411_2分别属于子像素P4_1、P4_2。在本实施例中，这些感测区域411_1、411_2非均匀地分布于感光层410中。
在本实施例中，这些感测区域411_1、411_2各别偏离于这些子像素P4_1、P4_2的各别的像素中心(例如第二微透镜461_1、461_2各别透镜中心光轴)，并且在感光层410的这些感测区域411_1、411_2以外的区域还包括电路布局区域471、472。在本实施例中，电路布局区域471、472可例如包括模拟至数字转换器。也就是说，本实施例的子像素P4_1、P4_2可通过将感测区域411_1、411_2以非均匀的方式配置，以便在感光层410可进一步设置电路布局区域471、472。因此，本实施例的这些子像素P4_1、P4_2有效地整合有模拟至数字转换器。
在本实施例中，由于感测区域411_1、411_2各别偏离于子像素P4_1、P4_2的各别的像素中心，因此子像素P4_1、P4_2分别以两层微透镜结构来将光信号传导至感测区域411_1、411_2。详细而言，第一介质层420形成在感光层410以及多个第一微透镜431_1、431_2之间，并且第一介质层420可例如包括多个金属走线耦接至这些感测区域411_1、411_2，以取得各子像素的感测结果。第一微透镜431_1、431_2一对一地对应于感测区域411_1、411_2。
在本实施例中，薄氧化层440覆盖这些第一微透镜431_1、431_2，以提供抗反射效果。第二介质层450形成在第一介质层420以及多个第二微透镜461_1、461_2之间，以覆盖这些第一微透镜431_1、431_2。第二微透镜461_1、461_2一对一地对应于第一微透镜431_1、431_2，并且这些第二微透镜461_1、461_2均匀地分布在第二介质层450上。
在本实施例中，光信号经由第三方向D3入射至第二微透镜461_1、461_2，并且经由第二介质层450传导至第一微透镜431_1、431_2，接着再经由第一微透镜431_1、431_2以及第一介质层420传递至这些感测区域411_1、411_2。在本实施例中，这些子像素P4_1、P4_2可例如是红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素以及红外光子像素。感测区域411_1、411_2可用于感测红光、绿光、蓝光以及红外光，并且例如经转换后输出对应的RGB图像信息、红外光感测信息或距离信息，但本发明并不加以限制。
对于子像素P4_1来说，感测区域411_1朝第一方向D1偏移，但第一微透镜431_1可维持在子像素P4_1的像素中心(例如对应于第二微透镜461_1的中心光轴)，但本发明并不限于此。在一实施例中，感测区域411_1以及第一微透镜431_1可相对应地沿着第一方向D1或第二方向D2偏移设置。值得注意的是，子像素P4_1的第一微透镜431_1为对称微透镜。子像素P4_1的第二微透镜461_1位于子像素P4_1的像素中心，并且第二微透镜461_1为非对称(asymmetric)微透镜。也就是说，子像素P4_1通过第二微透镜461_1的非对称微透镜设计，以将光信号传导致偏移的感测区域411_1。值得注意的是，第一介质层420的高度h41以及第二介质层450的高度h42可对应于第二微透镜461_1的非对称程度来设计之，以使第一微透镜431_1可将来自第二微透镜461_1的光信号完全地传导至感测区域411_1。以此类推，子像素P4_2也可为相应的设计，因此不再赘述。
图5是依照本发明的又一实施例的子像素阵列的示意图。图5为多个子像素架构的侧视图，并且本发明的子像素架构可还包括一般图像传感器的其他必要架构或元件而不限于图5所示。参考图5，子像素P5_1、P5_2组成一个子像素阵列。在本实施例中，感光层510包括多个感测区域511_1、511_2，并且这些感测区域511_1、511_2分别属于子像素P5_1、P5_2。在本实施例中，这些感测区域511_1、511_2非均匀地分布于感光层510中。
在本实施例中，这些感测区域511_1、511_2各别偏离于这些子像素P5_1、P5_2的各别的像素中心(例如第二微透镜561_1、561_2各别透镜中心光轴)，并且在感光层510的这些感测区域511_1、511_2以外的区域更包括电路布局区域571、572。在本实施例中，电路布局区域571、572可例如包括模拟至数字转换器。也就是说，本实施例的子像素P5_1、P5_2可通过将感测区域511_1、511_2以非均匀的方式配置，以便在感光层510可进一步设置电路布局区域571、572。因此，本实施例的这些子像素P5_1、P5_2有效地整合有模拟至数字转换器。
在本实施例中，由于感测区域511_1、511_2各别偏离于子像素P5_1、P5_2的各别的像素中心，因此子像素P5_1、P5_2分别以两层微透镜结构来将光信号传导至感测区域511_1、511_2。详细而言，第一介质层520形成在感光层510以及多个第一微透镜531_1、531_2之间，并且第一介质层520可例如包括多个金属走线耦接至这些感测区域511_1、511_2，以取得各子像素的感测结果。第一微透镜531_1、531_2一对一地对应于感测区域511_1、511_2。
在本实施例中，薄氧化层540覆盖这些第一微透镜531_1、531_2，以提供抗反射效果。第二介质层550形成在第一介质层520以及多个第二微透镜561_1、561_2之间，以覆盖这些第一微透镜531_1、531_2。第二微透镜561_1、561_2一对一地对应于第一微透镜531_1、531_2，并且这些第二微透镜561_1、561_2均匀地分布在第二介质层550上。
在本实施例中，光信号经由第三方向D3入射至第二微透镜561_1、561_2，并且经由第二介质层550传导至第一微透镜531_1、531_2，接着再经由第一微透镜531_1、531_2以及第一介质层520传递至这些感测区域511_1、511_2。在本实施例中，这些子像素P5_1、P5_2可例如是红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素以及红外光子像素。感测区域511_1、511_2可用于感测红光、绿光、蓝光以及红外光，并且例如经转换后输出对应的RGB图像信息、红外光感测信息或距离信息，但本发明并不加以限制。
对于子像素P5_1来说，感测区域511_1朝第一方向D1偏移，但第一微透镜531_1可维持在子像素P5_1的像素中心(例如对应于第二微透镜561_1的中心光轴)，但本发明并不限于此。在一实施例中，感测区域511_1以及第一微透镜531_1可相对应地沿着第一方向D1或第二方向D2偏移设置。值得注意的是，子像素P5_1的第一微透镜531_1为非对称微透镜。子像素P5_1的第二微透镜561_1位于子像素P5_1的像素中心，并且第二微透镜561_1亦为非对称微透镜。也就是说，子像素P5_1通过第一微透镜531_1以及第二微透镜561_1的非对称微透镜设计，以将光信号传导致偏移的感测区域511_1。值得注意的是，第一介质层520的高度h51以及第二介质层550的高度h52可对应于第一微透镜531_1以及第二微透镜561_1的非对称程度来设计之，以使第一微透镜531_1可将来自第二微透镜561_1的光信号完全地传导至感测区域511_1。以此类推，子像素P5_2也可为相应的设计，因此不再赘述。
综上所述，本发明的子像素阵列以及图像传感器的感光层可设计有非均匀分布的多个感测区域，以有效地节省的感测区域的布局架构面积，来设置其他功能电路，例如模拟至数字转换器。并且，本发明的子像素阵列以及图像传感器可通过第一微透镜组以及第二微透镜组来进行两阶段导光，以有效地将完整的光信号传导至非均匀配置的这些感测区域中。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (20)

1.一种子像素阵列，其特征在于，包括：
感光层，包括多个感测区域，其中所述多个感测区域非均匀地分布于所述感光层中，并且所述多个感测区域对应于多个子像素；
多个第一微透镜，形成在所述感光层上方，并且一对一地对应于所述多个感测区域；以及
多个第二微透镜，形成在所述多个第一微透镜上方，并且一对一地对应于所述多个第一微透镜，其中所述多个第二微透镜用以接收多个光信号，并且所述多个光信号经由所述多个第二微透镜传递至所述多个第一微透镜，接着经由所述多个第一微透镜传递至所述多个感测区域。
2.根据权利要求1的子像素阵列，其中所述多个感测区域各别偏离于所述多个子像素的各别的像素中心，并且在所述感光层的所述多个感测区域以外的区域还包括电路布局区域，其中所述电路布局区域包括模拟至数字转换器。
3.根据权利要求1的子像素阵列，其中所述多个子像素包括红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素以及红外光子像素的至少其中之一。
4.根据权利要求1的子像素阵列，还包括：
第一介质层，形成在所述感光层以及所述多个第一微透镜之间，并且包括多个金属走线耦接至所述多个感测区域；
第二介质层，形成在所述第一介质层以及所述多个第二微透镜之间，以覆盖所述多个第一微透镜，其中所述多个第二微透镜均匀地分布在所述第二介质层上；以及
薄氧化层，覆盖所述多个第一微透镜上。
5.根据权利要求1的子像素阵列，其中所述多个第一微透镜为多个对称微透镜。
6.根据权利要求1的子像素阵列，其中所述多个第一微透镜为多个非对称微透镜。
7.根据权利要求1的子像素阵列，其中所述多个第二微透镜为多个对称微透镜。
8.根据权利要求1的子像素阵列，其中所述多个第二微透镜为多个非对称微透镜。
9.根据权利要求1的子像素阵列，其中所述多个第一微透镜对应于所述多个感测区域，并且均匀地分布在第一介质层上。
10.根据权利要求1的子像素阵列，其中所述多个第一微透镜对应于所述多个感测区域，并且非均匀地分布在第一介质层上。
11.一种图像传感器，其特征在于，包括：
多个子像素阵列，阵列排列为像素阵列，并且所述多个子像素阵列各别与各自周围的子像素阵列间隔配置，其中所述多个子像素阵列各别包括：
感光层，包括多个感测区域，其中所述多个感测区域非均匀地分布于所述感光层中，并且所述多个感测区域对应于多个子像素；
多个第一微透镜，形成在所述感光层上方，并且一对一地对应于所述多个感测区域；以及
多个第二微透镜，形成在所述多个第一微透镜上方，并且一对一地对应于所述多个第一微透镜，其中所述多个第二微透镜用以接收多个光信号，并且所述多个光信号经由所述多个第二微透镜传递至所述多个第一微透镜，接着经由所述多个第一微透镜传递至所述多个感测区域。
12.根据权利要求11的图像传感器，其中所述多个感测区域各别偏离于所述多个子像素的各别的像素中心，并且在所述感光层的所述多个感测区域以外的区域还包括电路布局区域，
其中所述多个感测区域包括所述电路布局区域包括模拟至数字转换器。
13.根据权利要求11的图像传感器，其中所述多个子像素包括红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素以及红外光子像素的至少其中之一。
14.根据权利要求11的图像传感器，还包括：
第一介质层，形成在所述感光层以及所述多个第一微透镜之间，并且包括多个金属走线耦接至所述多个感测区域；
第二介质层，形成在所述第一介质层以及所述多个第二微透镜之间，以覆盖所述多个第一微透镜，其中所述多个第二微透镜均匀地分布在所述第二介质层上；以及
薄氧化层，覆盖所述多个第一微透镜上。
15.根据权利要求11的图像传感器，其中所述多个第一微透镜为多个对称微透镜。
16.根据权利要求11的图像传感器，其中所述多个第一微透镜为多个非对称微透镜。
17.根据权利要求11的图像传感器，其中所述多个第二微透镜为多个对称微透镜。
18.根据权利要求11的图像传感器，其中所述多个第二微透镜为多个非对称微透镜。
19.根据权利要求11的图像传感器，其中所述多个第一微透镜对应于所述多个感测区域，并且均匀地分布在第一介质层上。
20.根据权利要求11的图像传感器，其中所述多个第一微透镜对应于所述多个感测区域，并且非均匀地分布在第一介质层上。
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