CN111736420A - 三维成像模组及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三维成像模组及其制作方法，其包括：传感器、超透镜和马达；超透镜包括承载层和多个阵列设置在承载层的亚波长光学元件，多个亚波长光学元件用于成像至传感器上；MEMS马达用于驱动超透镜远离传感器以拍摄近景或者靠近传感器以拍摄远景。

Description

三维成像模组及其制作方法

【技术领域】

本发明涉及成像模组的技术领域，尤其涉及一种三维成像模组及其制作方法。

【背景技术】

在现有技术下，三维拍照有两种实现方式。其中一种方式是通过马达来回移动透镜，以获取不同深度的影像资料，这种方式的缺点在于，1透镜和马达体积大不利于使用在例如移动终端等空间受限的终端上，2马达移动速度慢、透镜灵敏度低，从而降低了三维图像的帧率。其中另外一种方式是改变阵列的微镜的转动角度，从而实现改变阵列的微镜的等效曲率，以达到变焦、拍摄二维图像的作用，这种方式的缺点在于，1，微镜阵列中，只要其中一个出现问题，则微镜阵列的光学性能会受到直接影响，因此对微镜的良率要求非常之高，制作成本高昂；2，微镜阵列的光学性能与单个微镜的尺寸和微镜的数量有直接关系，为了提高光学性能，通常需要较大数量的较小尺寸的微镜。

因而，有必要提供一种新的三维成像模组以解决上述的问题。

【发明内容】

本发明的目的公开一种能够提升光学性能的三维成像模组。

本发明的目的采用如下技术方案实现，提供一种三维成像模组，所述三维成像模组包括：传感器；超透镜，包括承载层和多个阵列设置在所述承载层的亚波长光学元件，所述多个亚波长光学元件用于成像至所述传感器上；以及MEMS马达，用于驱动所述超透镜远离所述传感器以拍摄近景或者靠近所述传感器以拍摄远景。

优选地，所述MEMS马达包括具有背腔的基底和设置在所述基底的靠近所述超透镜的一侧并与所述承载层连接的传动层，所述传动层包括多个悬臂，所述多个悬臂与所述承载层连接。

优选地，所述多个悬臂与所述承载层键合连接。

优选地，每个所述悬臂包括靠近所述基底的固定端、靠近所述承载层的自由端以及连接所述固定端与所述自由端的弹性连接部，所述多个悬臂的自由端相互连接形成连接环，所述承载层与所述连接环键合连接，所述多个悬臂的固定端相互连接形成固定环，所述固定环与所述基底固定连接。

优选地，所述传动层包括向靠近所述承载层的方向依次层叠设置的传动基底层、第一电极层、压电层和第二电极层，所述第二电极层与所述承载层键合连接，所述传动基底层与所述基底固定连接。

优选地，所述多个亚波长光学元件的横截面形状包括椭圆形、圆形、方形或者三角形中至少一种。

优选地，所述亚波长光学元件为多层结构。

优选地，所述亚波长光学元件为多波长响应光学元件。

优选地，所述亚波长光学元件为偏振相关型光学元件。

优选地，所述亚波长光学元件的材质为二氧化硅、二氧化钛、硅中的一种。

本发明还提供一种三维成像模组的制作方法，所述制作方法包括：

制备超透镜，提供承载层，在所述承载层上沉积超透镜阵列结构材料，并涂覆光刻胶，所述超透镜阵列结构材料经过曝光、显影和蚀刻后得到多个阵列排布的亚波长光学元件；

制备MEMS马达，提供复合基底，在所述复合基底上依次沉积第一电极层、压电层以及第二电极层，对所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层进行图案化，进行刻蚀、释放形成具有背腔的MEMS马达；

将所述承载层与所述MEMS马达键合连接后与传感器装配。

优选地，所述制备MEMS马达的步骤中还包括，提供第一基材层，在所述第一基材层上沉积第一绝缘层；在所述第一绝缘层上沉积第二基材层；在所述第二基材层上沉积第二绝缘层形成所述复合基底，所述第一电极层沉积在所述第二绝缘层上。

优选地，所述超透镜阵列结构材料包括二氧化硅、二氧化钛、硅中的任一种。

优选地，所述超透镜阵列结构材料为硅，制备所述超透镜的步骤包括：

在所述承载层上沉积所述超透镜阵列结构材料层；

在所述超透镜阵列结构材料层上沉积铬层；

在所述铬层上涂覆光刻胶，通过曝光、显影形成图案化的光刻胶层；

蚀刻所述铬层并去除所述图案化的光刻胶层；

刻蚀所述超透镜阵列结构材料层并去除所述铬层形成具有所述多个亚波长光学元件的所述超透镜。

相对于现有技术相比，本发明所提供的超透镜为亚波长级别，因此体积小，适合移动终端等空间受限情况的使用。另外，超透镜质量轻，从而与马达共振频率高，可使得三维成像模组能够快速对焦，从而提高三维成像速度，在物体移动前就完成拍照。

【附图说明】

图1是本发明较佳实施例提供的三维成像模组的结构示意图；

图2是图1中本发明较佳实施例提供的三维成像模组中去除传感器后的立体结构示意图；

图3是图1所示的三维成像模组中去除传感器后的分解结构示意图；

图4是图2所示的三维成像模组中去除传感器后的剖视图；

图5是本发明较佳实施例提供的三维成像模组的制作方法的的流程图；

图6a至6h示出了图5中超透镜与MEMS马达的具体制作工艺流程；

图7a至7f示出了本发明另一实施例提供的超透镜的具体制作工艺流程。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1至图5,本发明提供的三维成像模组100包括传感器10、超透镜20和MEMS马达30。

传感器10可以为图像传感器10，图像传感器10是利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号，从而获取被拍摄物的图像信息。

超透镜20具有透光和折射光线的作用，超透镜20包括承载层22和多个阵列设置在承载层22的亚波长光学元件24，亚波长光学元件24的尺寸为亚波长级别，多个亚波长光学元件24的间隔也是亚波长级别，多个亚波长光学元件24用于成像至传感器10上。

在拍摄近景时，MEMS马达30用于驱动超透镜20远离传感器10，然后对焦拍摄二维图像；在拍摄远景时，MEMS马达30用于驱动超透镜20靠近传感器10，然后对焦拍摄二维图像。利用三维成像模组100对不同距离处的物体拍照，对所拍的一系列二维图像进行处理，计算物体距离，构建出所拍摄物体的三维图像。

在本实施例中，超透镜20为亚波长级别，因此体积小，适合移动终端等空间受限情况的使用。另外，超透镜20质量轻，从而与MEMS马达30 共振频率高，可使得三维成像模组100能够快速对焦，从而提高三维成像速度，在物体移动前就完成拍照。

在一实施例下，所述亚波长光学元件24可以为偏振相关型光学元件。，并配合对应偏振的探测光，从而可提高探测信号的信噪比，增加探测距离和精度，以满足更专业的拍摄需求。

在另一实施例下，可以设计亚波长光学元件24为单波长响应，此时超透镜20只能对特定波长的光进行会聚或发散。也可以设计亚波长光学元件 24为多波长响应，此时超透镜20能对一定宽带波长的光进行会聚或发散。

多个亚波长光学元件24的横截面形状包括椭圆形、圆形、方形或者三角形中至少一种，当然，其余多边形或者不规则的形状也在本发明的保护范围内。可以理解地，在一情况下，超透镜20中的亚波长光学元件24的横截面形状可以都是一样的，具体为椭圆形、圆形、方形或者三角形中任意一种，图2中所示的亚波长光学元件24的横截面形状全部为方形；在另一情况下，超透镜20中的亚波长光学元件24的横截面形状也可以是不一样的，具体为椭圆形、圆形或者方形中至少两种，亚波长光学元件24的横截面形状包括圆形、方形和三角形。亚波长光学元件24可以为多层结构。

多个亚波长光学元件24的方位包括水平、倾斜或者垂直中至少一种，需要解释的是，此处的方位参考为水平方向。可以理解地，在一情况下，超透镜20中的亚波长光学元件24的方位可以都是一样的，具体为水平、倾斜或者垂直中任意一种，图2中所示的亚波长光学元件24的方位全部为水平，需要解释的是，图2中的亚波长光学元件24的横截面为正方形，因此水平或者垂直是相同的视觉效果；在另一情况下，超透镜20中的亚波长光学元件24的方位也可以是不一样的，具体为水平、倾斜或者垂直中至少两种。

MEMS马达30包括具有背腔300的基底32和设置在基底32的靠近超透镜20一侧并与承载层22连接的传动层34。传动层34包括多个悬臂31，多个悬臂31与承载层22连接，以对超透镜20起到承载的作用。

多个悬臂31与承载层22可以通过键合连接。键合是将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术。MEMS马达30与承载层22通过键合连接可以有效减小三维摄像成像模组100的整体厚度。

每个悬臂31包括靠近基底32的固定端312、靠近承载层22的自由端 314以及连接固定端312与自由端314的弹性连接部316，多个悬臂31的自由端314相互连接形成连接环315，承载层22与连接环315键合连接。所述多个悬臂31的固定端312相互连接形成固定环311，所述固定环311 与所述基底32固定连接。悬臂31的数量可以是2个、3个、4个等。多个悬臂31可以均匀阵列排布。

MEMS马达30包括静电式MEMS马达、压电式MEMS马达、电磁式MEMS 马达或者电热式MEMS马达。

静电式MEMS马达30是利用静电为能量源进行机电能量转换的电动机。

压电式MEMS马达30是利用压电体的压电逆效应进行机电能量转换的电动机。

电磁式MEMS马达30是利用电磁感应进行机电能量转换的电动机。

电热式MEMS马达30是利用热胀冷缩进行机电能量转换的电动机。

具体地，在本实施例中，传动层34包括向靠近承载层22的方向依次层叠设置的传动基底层340、第一电极层342、压电层343和第二电极层 344，第二电极层344与承载层22键合连接。传动基底层340与基底32 固定连接。第一电极层342和第二电极层344导电激发压电层343，以促使超透镜20运动。传动基底层340包括依次堆叠设置的第二基材层345 和第二绝缘层341。

基底32包括依次层叠设置的第一基材层321和第一绝缘层323，第一绝缘层323与传动基底层340连接。

第一基材层321和第二基材层345的材质可以为硅，第一绝缘层323 和第二绝缘层341的材质可以为二氧化硅，压电层343的材质为可以是锆钛酸铅压电陶瓷或者氮化铝。

请参阅图5,图5是本发明提供的三维成像模组100的制作方法的流程示意图。

S101，制备超透镜20，在承载层上沉积超透镜阵列结构材料，并涂覆光刻胶40，超透镜阵列结构材料经过曝光、显影和蚀刻后得到多个阵列排布的亚波长光学元件24。超透镜20具有成像作用。

具体地，请参阅图6a-6c，提供由硅或者二氧化硅制成的承载层22。在承载层22上沉积超透镜阵列结构材料24a，超透镜阵列结构材料24a可以是硅、二氧化硅、二氧化钛等，然后涂覆一层光刻胶40。

根据预先设计的亚波长光学元件的排布情况制作底片，然后将底片放在光刻胶40上曝光，从而将底片上的图像显影到光刻胶40上。

然后用化学溶剂将未曝光的光刻胶40去掉，对超透镜阵列结构材料 24a进行蚀刻，没有光刻胶40保护的超透镜阵列结构材料24a被蚀刻掉，剩余超透镜阵列结构材料24b。

最后将剩余的超透镜阵列结构材料24b上的已经曝光的光刻胶40去掉，就得到了亚波长光学元件24。亚波长光学元件24可以由硅、二氧化硅、二氧化钛中的一种。

S102，制备MEMS马达，提供复合基底，在复合基底上依次沉积第一电极层、压电层以及第二电极层，对第一电极层、压电层和第二电极层进行图案化，进行刻蚀、释放形成具有背腔的MEMS马达。

具体地，参阅图6d-6f，在复合基底上形成第一电极层342a，在第一电极层342a上形成压电层343a，在压电层343a上形成第二电极层344a。对第一电极层、压电层和第二电极层进行图案化获得图案化的第一电极层 342b，压电层343b和第二电极层344b。该图案化的第一电极层342b，压电层343b和第二电极层344b构成了悬臂的一部分。

第一电极层342b和第二电极层344b导电激发压电层343b，以促使超透镜20运动。当MEMS马达30为压电式MEMS马达30时，压电层343b对应为压电层。

更进一步地，复合基底的制作过程包括：在第一基材层321a上沉积第一绝缘层323a；在第一绝缘层323a上沉积第二基材层345a；在第二基材层345a上沉积第二绝缘层341a，形成复合基底，第一电极层342a沉积在第二绝缘层341a上。对复合基底进行刻蚀、释放形成背腔300。复合基底刻蚀、释放后形成堆叠的第一基材层321b、第一绝缘层323b、第二基材层345b以及第二绝缘层341b。刻蚀后，悬置的第二基材层345b和第二绝缘层341b构成了传动基底层340。

第一基材层321b的材质可以为硅，第一绝缘层323b的材质可以为二氧化硅，第二基材层345b的材质可以为硅，传动基底层341b的材质可以为二氧化硅。

在上述制作过程中，对超透镜20和MEMS马达30采用半导体工艺制备，适合大批量生产，且可降低成本。其次，超透镜20和MEMS马达30的尺寸、重量都分别得到了下降。

S103，参阅图6g-6h，将承载层22与多个悬臂31键合连接。将悬臂 31的第二电极层344b与承载层22连接在一起,可以将第二电极层344b与承载层22键合连接。

在拍摄近景时，MEMS马达30用于驱动超透镜20远离传感器10，然后对焦拍摄二维图像；在拍摄远景时，MEMS马达30用于驱动超透镜20靠近传感器10，然后对焦拍摄二维图像。利用三维成像模组100对不同距离处的物体拍照，对所拍的一系列二维图像进行处理，计算物体距离，构建出所拍摄物体的三维图像。

请参阅7a至7f,本实施例中，超透镜阵列结构材料为硅。对应超透镜 20的制备方法有所不同，在超透镜阵列结构材料层上增加了沉积铬层以用于导电和作为掩膜，具体地：

在承载层22上沉积超透镜阵列结构材料层24a；

在超透镜阵列结构材料层24a上沉积铬层26a；

在铬层26a上涂覆光刻胶40a，通过曝光、显影形成图案化光刻胶层 40b；

对未被光刻胶层40b涂覆的铬层26a进行蚀刻，形成图案化的铬层26b 并去除光刻胶层40b；

对未被图案化的铬层26b覆盖的超透镜阵列结构材料层24a进行刻蚀，形成图案化的超透镜阵列结构材料层24b，然后去除铬层26b，形成具有多个亚波长光学元件24的超透镜20。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种三维成像模组，其特征在于，所述三维成像模组包括：

传感器；

超透镜，包括承载层和多个阵列设置在所述承载层的亚波长光学元件，所述多个亚波长光学元件用于成像至所述传感器上；以及

MEMS马达，用于驱动所述超透镜远离所述传感器以拍摄近景或者靠近所述传感器以拍摄远景。

2.根据权利要求1所述的三维成像模组，其特征在于，所述MEMS马达包括具有背腔的基底和设置在所述基底的靠近所述超透镜的一侧并与所述承载层连接的传动层，所述传动层包括多个悬臂，所述多个悬臂与所述承载层连接。

3.根据权利要求2所述的三维成像模组，其特征在于，所述多个悬臂与所述承载层键合连接。

4.根据权利要求2所述的三维成像模组，其特征在于，每个所述悬臂包括靠近所述基底的固定端、靠近所述承载层的自由端以及连接所述固定端与所述自由端的弹性连接部，所述多个悬臂的自由端相互连接形成连接环，所述承载层与所述连接环键合连接，所述多个悬臂的固定端相互连接形成固定环，所述固定环与所述基底固定连接。

5.根据权利要求2所述的三维成像模组，其特征在于，所述传动层包括向靠近所述承载层的方向依次层叠设置的传动基底层、第一电极层、压电层和第二电极层，所述第二电极层与所述承载层键合连接，所述传动基底层与所述基底固定连接。

6.根据权利要求1所述的三维成像模组，其特征在于，所述多个亚波长光学元件的横截面形状包括椭圆形、圆形、方形或者三角形中至少一种。

7.根据权利要求1所述的三维成像模组，其特征在于，所述亚波长光学元件为多层结构。

8.根据权利要求1所述的三维成像模组，其特征在于，所述亚波长光学元件为多波长响应光学元件。

9.根据权利要求1所述的三维成像模组，其特征在于，所述亚波长光学元件为偏振相关型光学元件。

10.根据权利要求1所述的三维成像模组，其特征在于，所述亚波长光学元件的材质为二氧化硅、二氧化钛、硅中的一种。

11.一种三维成像模组的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

制备超透镜，提供承载层，在所述承载层上沉积超透镜阵列结构材料，并涂覆光刻胶，所述超透镜阵列结构材料经过曝光、显影和蚀刻后得到多个阵列排布的亚波长光学元件；

制备MEMS马达，提供复合基底，在所述复合基底上依次沉积第一电极层、压电层以及第二电极层，对所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层进行图案化，进行刻蚀、释放形成具有背腔的MEMS马达；

将所述承载层与所述MEMS马达键合连接后与传感器装配。

12.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述制备MEMS马达的步骤中还包括，提供第一基材层，在所述第一基材层上沉积第一绝缘层；在所述第一绝缘层上沉积第二基材层；在所述第二基材层上沉积第二绝缘层形成所述复合基底，所述第一电极层沉积在所述第二绝缘层上。

13.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述超透镜阵列结构材料包括二氧化硅、二氧化钛、硅中的任一种。

14.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述超透镜阵列结构材料为硅，制备所述超透镜的步骤包括：

在所述承载层上沉积所述超透镜阵列结构材料层；

在所述超透镜阵列结构材料层上沉积铬层；

在所述铬层上涂覆光刻胶，通过曝光、显影形成图案化的光刻胶层；

蚀刻所述铬层并去除所述图案化的光刻胶层；

刻蚀所述超透镜阵列结构材料层并去除所述铬层形成具有所述多个亚波长光学元件的所述超透镜。

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