CN112219279A - 具有用于接收样本的两个或更多个图像的两个或更多个光敏子区域的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

整体图像传感器尤其包括具有表面区域的传感器表面，在该表面区域处以行和列布置光敏像素。该表面区域包括两个或更多个光敏子区域，每个子区域配置为沿着两个正交维度从晶片切割以形成离散图像传感器。沿着两个正交维度之一布置两个或更多个光敏子区域。整体图像传感器的传感器表面在两个或更多个子区域上是平坦且连续的。

Description

具有用于接收样本的两个或更多个图像的两个或更多个光敏 子区域的图像传感器
技术领域
该描述涉及图像传感器。
背景技术
例如，通常从晶片获得数码相机应用中使用的各个离散图像传感器，在该晶片上，通过切割晶片将以行和列形成的传感器分开。在某些切割过程中，在晶片上沿两个正交方向进行切片，以在传感器的行和列之间形成锯道。每个图像传感器具有光敏像素阵列，其通常以与布置传感器本身所沿着的行和列平行的行和列布置。当传感器形成在晶片上时，在传感器之间形成不包含光敏像素的子区域，以提供用于制造切割切片或切缝的空间而不损坏传感器。为了将传感器结合到电路中，从电路到通常沿着传感器的两个或更多个侧面布置的互连触点进行电连接。
图像传感器有时用于在物体和传感器之间不包括透镜的应用，例如用于接触成像系统，比如在2014年2月5日提交的美国专利申请序列号14/173500中描述的系统，该专利申请通过引用并入本文。
发明内容
通常，一方面，整体图像传感器包括具有表面区域的传感器表面，在该表面区域处以行和列布置光敏像素。表面区域包括两个或更多个光敏子区域，每个子区域配置为沿着两个正交维度从晶片切割以形成离散图像传感器。沿着两个正交维度之一布置两个或更多个光敏子区域。整体图像传感器的传感器表面在两个或更多个子区域上是平坦且连续的。
实施方式可以包括以下特征中的一个或者两个或更多个的组合。晶片被切割所沿着的两个正交维度平行于像素的行和列的方向。子区域的单个行或列沿着两个正交维度之一布置。沿着图像传感器的侧面有互连，以与光敏子区域进行电接触。沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的一个或多个侧面有互连，以与光敏子区域进行电接触。沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的不超过两个相对侧面有互连，以与光敏子区域进行电接触。表面区域包括在两个光敏子区域之间的至少一个非光敏子区域。非光敏子区域配置为在晶片被切割的情况下成为锯道。传感器驱动电路耦合到整体图像传感器。存储器耦合到传感器驱动电路。处理器和应用耦合到存储器。室与传感器表面相关。室包括与传感器表面间隔开预定距离的表面，所述预定距离与样品的单层相关。
通常，一方面，整体图像传感器包括具有表面区域的传感器表面，在该表面区域中以行和列布置光敏像素。表面区域包括以行或列的两个或更多个光敏子区域。沿着该行或列的连续光敏子区域被非光敏区域分开。整体图像传感器的传感器表面在两个或更多个子区域上是平坦且连续的。
实施方式可以包括以下特征中的一个或者两个或更多个的组合。沿着图像传感器的侧面有互连。沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的一个或多个侧面有互连，以与光敏子区域进行电接触。沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的不超过两个相对侧面有互连，以与光敏子区域进行电接触。光敏子区域之间的非光敏子区域配置为在晶片被切割的情况下成为锯道。传感器驱动电路耦合到整体图像传感器。存储器耦合到传感器驱动电路。处理器和应用耦合到存储器。室与传感器表面相关。室包括与传感器表面间隔开预定距离的表面，所述预定距离与样品的单层相关。
通常，一方面，大面积高纵横比整体图像传感器包括在传感器表面处以行的两个或更多个光敏子区域。沿着该行有连续光敏子区域并且它们被非光敏区域分开。具有室，其配置成将血液或其他样本的单层限制在传感器表面处。
实施方式可以包括以下特征中的一个或者两个或更多个的组合。整体图像传感器的传感器表面在两个或更多个光敏子区域上是平坦且连续的。沿着图像传感器的侧面有互连，以与光敏子区域进行电接触。沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的一个或多个侧面有互连，以与光敏子区域进行电接触。沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的不超过两个相对侧面有互连，以与光敏子区域进行电接触。传感器驱动电路耦合到整体图像传感器。存储器耦合到传感器驱动电路。处理器和应用耦合到存储器。应用配置为执行样品的血液计数或其他分析。室与传感器表面相关。室包括与传感器表面间隔开预定距离的表面，所述预定距离与样品的单层相关。
通常，一方面，将装有成行图像传感器的晶片切片，以使所述行彼此分开。将每一行切片以形成一个或多个大面积高纵横比传感器，每个包括以单行的两个或更多个图像传感器。不将大面积传感器切片成单个图像传感器。
通常，一方面，从大面积高纵横比整体图像传感器接收图像信息。该图像信息代表血液或其他样品的单层。使用接收到的图像信息对样品进行血液计数或其他分析。
通常，一方面，至少一个部件配置为提供样本的两个或更多个图像，以及大面积高纵横比整体图像传感器具有定位成从所述部件接收两个或更多个图像的两个或更多个光敏子区域。
实施方式可以包括以下特征中的一个或者两个或更多个的组合。所述部件包括分束部件，其配置为将样品的准直图像分为准直图像的两个或更多个副本，并且将两个或更多个光敏子区域定位为接收来自分束设备的准直图像的两个或更多个副本。从分束部件到大面积高纵横比整体图像传感器的光路在图像传感器上没有任何中间滤色器阵列。所述部件配置为从两个或更多个不同的角度获取样本的两个或更多个图像，并且两个或更多个光敏子区域定位为接收样本的两个或更多个图像。
通常，一方面，部件配置为提供样本的两个或更多个图像，以及大面积高纵横比整体图像传感器具有定位成从所述部件接收两个或更多个图像的两个或更多个光敏子区域。
实施方式可以包括以下特征中的一个或者两个或更多个的组合。所述部件包括分束部件和光学器件，以将样本的两个或更多个相同图像投影到两个或更多个光敏子区域上。从分束部件到大面积高纵横比整体图像传感器有光路。所述部件配置为从样本的位于距设备不同距离的两个或更多个层中获取样本的两个或更多个图像，并将图像聚焦在两个或更多个光敏子区域上。
这些及其他方面、特征和实施方式可以表示为方法、设备、系统、部件、程序产品、开展业务的方法、用于执行功能的装置或步骤以及以其他方式。
这些及其他方面、特征和实施方式将从包括权利要求的以下描述中变得显而易见。
附图说明
图1是晶片的一部分的示意性俯视图。
图2是血液计数装置的示意图。
图3是分束装置的透视示意图。
图4是分束装置的示意图。
具体实施方式
如图1所示，在制造过程中，图像传感器12在半导体晶片10上沿着一个维度18以行14布置，并且这些行沿着正交于维度18的第二维度20并排布置。在某些情况下，各行布置使得相邻行中的图像传感器交错，如图1所示。在某些情况下，各行可以布置成使得相邻行中的传感器按列对齐。
每个图像传感器具有光敏像素22阵列，该光敏像素22也在图像传感器的光敏子区域28内沿着维度18、20以图案例如行和列24、26的图案布置。非光敏子区域30、32在相邻的光敏子区域28之间沿着维度18、20在整个晶片上延伸。所有图像传感器及其像素暴露在晶片的单个连续光滑平坦表面33处。在典型的晶片处理中，为了将晶片切割成单独离散传感器34，可以使用诸如切片、激光切割或蚀刻之类的各种处理来去除非光敏子区域中的材料条，从而在图像传感器之间留下锯道。
为了使每个这样的离散传感器能够连接到可驱动传感器并接收其图像信号的传感器驱动电路，沿着位于每行14中的图像传感器的相对边缘36、38在晶片中形成互连触点。当晶片被切割时，通常沿着每个离散传感器的两个相对侧面44、46从与光敏子区域28相邻的顶表面可访问互连触点。
在某些情况下，其中晶片被切割以产生离散图像传感器，所得的传感器可用于例如数码相机应用或显微镜检查。
在此类图像传感器在无透镜(例如接触式)显微成像中的应用(例如血液计数应用等)中，可能希望在光敏子区域和大光敏感区域中都具有高密度(分辨率)像素。通常以相对低成本在商业上可获得的图像传感器可能具有高像素数(例如在全画幅相机型传感器中为10-20兆像素)。这种图像传感器的表面积通常受到诸如透镜的光学特征(例如焦距)和它们将用于的相机的光学特征(例如预期的最终图像的纵横比)之类的因素的限制。图像传感器通常是矩形的，并且具有相对低纵横比，例如2:1或3:2。例如，某些全画幅相机传感器为24mm x 36mm。各种形状和纵横比的较大面积传感器是可用的，但由于生产受限、制造困难、需要定制设计或其他考虑，成本较高。
便宜的、随时可用的较大面积传感器在近场成像应用中将是有用和可用的。理论上，可以通过以行或者以行和列安装市售的小纵横比传感器作为平铺来形成用于近场成像应用的大面积传感器。然而，对于许多这样的应用，对于图像传感器的整个大面积而言，具有光滑连续平坦(即共面)表面是重要的。使用平铺的单个离散传感器来实现这样的表面可能很困难，并且如果可能的话，也很昂贵。
可以从现有晶片10以相对低成本制造具有连续光滑平坦表面62的大面积高分辨率高纵横比图像传感器60，在现有晶片10上形成有单独低纵横比图像传感器(比如数码相机传感器)12并且准备好切割，如下所述。如果晶片上每个单独低纵横比图像传感器的所有互连都沿着传感器的不超过两个相对侧面布置，并且如果以行的所有单独传感器的互连都在晶片上类似地对齐，则我们描述的技术将特别有用。
为了形成高纵横比传感器，而不是在两个正交方向18、20上进行切割以形成单个离散图像传感器，首先仅将晶片在定向互连所沿着的维度18上进行切片，从而形成以单行的图像传感器的条。然后将每一行在正交维度20上切片，以形成大面积高分辨率高纵横比图像传感器60，每个具有所需的数量，例如以行的两个、三个、四个、五个、六个或更多个(可能包括非常大的数量)传感器64。
我们广泛使用术语“大面积”来包括例如比典型的数码相机图像传感器的光敏区域大的面积，例如面积大于10平方毫米、1/2平方厘米、1平方厘米、2平方厘米、5平方厘米或更多。
我们使用术语“高纵横比”来指例如纵横比大于2:1，例如3:1、4:1、6:1、8:1或更大。
我们使用术语“低纵横比”来指代纵横比不大于2:1或者在1:1至2:1的范围内。
我们使用术语“高分辨率”来表示例如像素间距小于5微米或3μm或1μm或者亚微米。
每个大面积图像传感器60具有沿着两个相对侧面74、76的互连触点，该侧面平行于穿过沿着条的离散传感器的中心的轴线77，以连接到可以驱动和接收来自大面积图像传感器的所有离散光敏子区域的所有像素的信号的传感器驱动电路78。使用可用的数码相机控制器可以控制和读取来自多个光敏子区域的信号，该控制器可以同时为多个数码相机执行类似功能。这些像素(可以具有高分辨率间隔)一起表示并可被处理以生成大面积图像80，其又可以例如在血液计数应用中被查看、处理或分析。
这样的大面积图像传感器的表面与从之被切割的晶片一样连续、光滑且平坦。大面积高分辨率高纵横比图像传感器60具有大表面区域82，其包括光敏子区域84、85、87，该光敏子区域与由非光敏区域88分开的行中的各个图像传感器86相关。
大面积高分辨率高纵横比图像传感器60还具有高纵横比(其宽度与其长度之比)，该高纵横比可以是可从原始晶片切割的单个离散图像传感器的纵横比的许多倍。理论上，有可能从晶片(其中每个切割的传感器在一个维度上将具有例如以行的三个图像传感器，而在另一方向上将具有三列图像传感器)切割大面积正常纵横比传感器。然而，这样的图像传感器实际并非有用，因为嵌入在传感器的行和列内的传感器的边缘的互连触点将难以或无法接近。
具有高纵横比和一些非光敏子区域的大面积高分辨率高纵横比图像传感器60可能不适用于普通数码相机或设计成生成由相机镜头形成的图像某些其他成像应用。但是对于某些应用，例如用于血液计数的无透镜显微成像以及许多其他应用，具有高纵横比的图像传感器即使具有非光敏子区域也可能是有用的，前提是其从而实现大图像面积，进而提供较大视场。在某些血液计数应用中，目标是准确地识别和计数精确的极少量血液中的各种类型的成分，该血液代表了从中抽取样品的人的血液。较大视场会导致较大样本尺寸，并因此导致更准确的计数，并且可以用于多种其他应用。传感器的纵横比或存在非光敏子区域并不妨碍此计数，只要(a)已知由光敏子区域成像的血液量和(b)由光敏子区域成像的血液量中的成分的分布代表样品中的成分的整体分布。对于大多数成分，可以通过确保成分没有异常地集中在样本中的某些位置(例如在非光敏子区域的位置)来获得正确的结果。确保成分均匀分布的方法描述于例如2017年4月7日提交的美国专利申请序列号15/482215和2014年6月25日提交的美国专利申请序列号14/314743中，两者均通过引用并入本文。
具有较大视场不仅对计数有用，而且对许多显微成像应用也很有用。例如，病理学家通常会很高兴看到组织样本的更多区域。在这种应用中，由于非光敏区域造成的间隙很小。
如图2所示(其中元件未按比例示出)，大面积高分辨率高纵横比图像传感器60可耦合至传感器驱动电路78(例如与之电互连)，该传感器驱动电路78布置成驱动图像传感器并从图像传感器接收与保持在室96内的样品94的图像相对应的图像信号。该室具有表面97，其面对图像传感器的光敏表面98并且与表面98间隔开精确距离100，其足够接近图像传感器以将样品限制为单层，其中样品的至少一部分在图像传感器的近场距离102内。传感器驱动电路将来自图像传感器的图像信号作为图像数据存储在数据存储设备104中，数据存储设备104可以耦合至传感器驱动电路或是其一部分。然后，由与数据存储设备耦合的处理器108执行的应用106可以从存储设备中获取图像数据，并应用图像处理和分析例程来执行各种任务，例如血液计数，并且将结果提供给用户或其他过程。大面积高分辨率高纵横比图像传感器60、传感器驱动电路78、数据存储设备104、处理器108和应用106一起可以构成血液计数设备110。有关无透镜接触式光学显微镜、及配置、相关设备及其用途的附加信息例如可以在2015年5月6日发布的美国专利9041790；2016年12月13日发布的9518920和2015年7月7日发布的9075225；以及2014年2月5日提交的美国专利申请序列号14/173500；2016年3月10日提交的序列号15/066065中找到；其全部通过引用整体并入本文。
其他实施方式也在所附权利要求的范围内。
例如，如图3所示，高纵横比图像传感器可以用作接触式光学显微镜中的传感器以外的各种应用。在一些应用中，这种传感器120可以用于基于透镜的显微镜检查或摄影中，以使用来自光源122的通过准直光学器件124和样本126的光121来接收和处理图像的不同版本。代替将图像直接发送到单个低纵横比传感器以在典型的基于透镜的系统中进行检测，可以使用分束装置128(例如分束棱镜)来将图像分为图像的两个(或更多个)相似副本130、132、134，每个沿着等效的光路指向高纵横比图像传感器的光敏子区域280、282、284中的相应一个。
在一些实施方式中，可以基于波长来过滤从分束设备传送的每个图像(例如通过使用用于分束的二向色镜)，从而允许每个光敏子区域以单色模式进行操作，而不需要任何中间的拜耳(Bayer)或其他滤色器阵列，即可获得具有多光谱信息的最高分辨率图像。在一些应用中，可以基于偏振对从分束设备传送的每个图像进行滤波(例如通过使用偏振分束器)。此方法将促进的这种同时多参数成像在生理学、材料科学和其他领域中具有重要的应用。
因为所有光敏区域都位于传感器的同一平坦表面上(共面性尽可能好)，并且被非常精确已知的距离分开(精确地已知光敏区域的相对XY位置)，所以在所有这些情况下，从一个或多个透镜到两个或更多个光敏子区域的不同路径可以布置为具有完全相同的长度，并且可以将传送到不同子区域的图像布置为具有完全相同的尺寸和焦点。
如图4所示，在一些应用中，通过透镜307和一个或多个分束器308、310、312到光敏区域的路径302、304、306可以布置为具有完全不同(而不是相同)的长度，以使在两个或更多个光敏区域314、316、318上形成的图像将在光敏区域的公共平面上对准，但在焦点上具有不同的物平面330、332、334，从而允许简单的同时高分辨率多焦点成像，适合通过计算手段进一步插值。在某些情况下，例如图4所示的情况，通过以相对于光轴350成一角度来倾斜承载光敏区域的条，实现适当的不同路径长度。实现适当的不同路径长度的其他方式也是可能的。
可以通过仔细地布置和定向光束指向光学器件来实现上述所有这些条件和方案，但无需付出其他努力即可将离散传感器的表面对准同一平面并在子区域之间以精确的已知间距对准。

Claims (40)

1.一种设备，包括：
整体图像传感器，其包括具有表面区域的传感器表面，在该表面区域处以行和列布置光敏像素，
所述表面区域包括两个或更多个光敏子区域，每个子区域配置为沿着两个正交维度从晶片切割以形成离散图像传感器，沿着所述两个正交维度之一布置所述两个或更多个光敏子区域，
所述整体图像传感器的传感器表面在两个或更多个子区域上是平坦且连续的。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述晶片被切割所沿着的两个正交维度平行于所述像素的行和列的方向。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述子区域的单个行或列沿着所述两个正交维度之一布置。
4.根据权利要求3所述的设备，包括沿着所述图像传感器的侧面的互连，以与所述光敏子区域进行电接触。
5.根据权利要求3所述的设备，包括沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的一个或多个侧面的互连，以与所述光敏子区域进行电接触。
6.根据权利要求3所述的设备，包括沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的不超过两个相对侧面的互连，以与所述光敏子区域进行电接触。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述表面区域包括在两个光敏子区域之间的至少一个非光敏子区域。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述非光敏子区域配置为在所述晶片被切割的情况下成为锯道。
9.根据权利要求1所述的设备，包括耦合到所述整体图像传感器的传感器驱动电路。
10.根据权利要求9所述的设备，包括耦合到所述传感器驱动电路的存储器。
11.根据权利要求10所述的设备，包括处理器和耦合到所述存储器的应用。
12.根据权利要求1所述的设备，包括与所述传感器表面相关的室。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述室包括与所述传感器表面间隔开预定距离的表面，所述预定距离与样品的单层相关。
14.一种设备，包括：
整体图像传感器，其包括具有表面区域的传感器表面，在该表面区域中以行和列布置光敏像素，
所述表面区域包括以行或列的两个或更多个光敏子区域，沿着该行或列的连续光敏子区域被非光敏区域分开，
所述整体图像传感器的传感器表面在两个或更多个子区域上是平坦且连续的。
15.根据权利要求14所述的设备，包括沿着所述图像传感器的侧面的互连，以与所述光敏子区域进行电接触。
16.根据权利要求14所述的设备，包括沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的一个或多个侧面的互连，以与所述光敏子区域进行电接触。
17.根据权利要求14所述的设备，包括沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的不超过两个相对侧面的互连，以与所述光敏子区域进行电接触。
18.根据权利要求14所述的设备，其中，所述表面区域包括在两个光敏子区域之间的至少一个非光敏子区域。
19.根据权利要求14所述的设备，其中，所述非光敏子区域配置为在所述晶片被切割的情况下成为锯道。
20.根据权利要求14所述的设备，包括耦合到所述整体图像传感器的传感器驱动电路。
21.根据权利要求20所述的设备，包括耦合到所述传感器驱动电路的存储器。
22.根据权利要求21所述的设备，包括处理器和耦合到所述存储器的应用。
23.根据权利要求14所述的设备，包括与所述传感器表面相关的室。
24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述室包括与所述传感器表面间隔开预定距离的表面，所述预定距离与样品的单层相关。
25.一种设备，包括：
大面积高纵横比整体图像传感器，其包括在传感器表面处以行的两个或更多个光敏子区域，沿着该行的连续光敏子区域被非光敏区域分开，
室，其配置成将血液或其他样本的单层限制在传感器表面处。
26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述整体图像传感器的传感器表面在所述两个或更多个光敏子区域上是平坦且连续的。
27.根据权利要求25所述的设备，包括沿着所述图像传感器的侧面的互连，以与所述光敏子区域进行电接触。
28.根据权利要求25所述的设备，包括沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的一个或多个侧面的互连，以与所述光敏子区域进行电接触。
29.根据权利要求25所述的设备，包括沿着跨越两个或更多个子区域的行或列的不超过两个相对侧面的互连，以与所述光敏子区域进行电接触。
30.根据权利要求25所述的设备，包括耦合到所述整体图像传感器的传感器驱动电路。
31.根据权利要求30所述的设备，包括耦合到所述传感器驱动电路的存储器。
32.根据权利要求31所述的设备，包括处理器和耦合到所述存储器的应用，所述应用配置为执行所述样本的血液计数或其他分析。
33.根据权利要求25所述的设备，包括与所述传感器表面相关的室。
34.根据权利要求33所述的设备，其中，所述室包括与所述传感器表面间隔开预定距离的表面，所述预定距离与样品的单层相关。
35.一种方法，包括：
将装有成行图像传感器的晶片切片，以使所述行彼此分开，
将每一行切片以形成一个或多个大面积高纵横比传感器，每个包括以单行的两个或更多个图像传感器，以及
避免将每个大面积传感器切片成单个图像传感器。
36.一种方法，包括：
从大面积高纵横比整体图像传感器接收图像信息，该图像信息代表血液或其他样品的单层，以及
使用接收到的图像信息对样品进行血液计数或其他分析。
37.一种设备，包括：
至少一个部件，其配置为提供样本的两个或更多个图像，以及
大面积高纵横比整体图像传感器，其具有定位成从所述部件接收两个或更多个图像的两个或更多个光敏子区域。
38.根据权利要求37所述的设备，其中，所述部件包括分束部件和光学器件，以将样本的两个或更多个相同图像投影到两个或更多个光敏子区域上。
39.根据权利要求37所述的设备，其中，从所述分束部件到所述大面积高纵横比整体图像传感器的光路在图像传感器上没有任何滤色器像素阵列。
40.根据权利要求37所述的设备，其中，所述部件配置为从样本的位于距所述设备不同距离的两个或更多个层中获取样本的两个或更多个图像，并将图像聚焦在两个或更多个光敏子区域上。
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