CN116264238A - 图像感测装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及图像感测装置。一种图像感测装置包括：透镜模块，其被构造为会聚来自场景的入射光并产生携带场景的图像信息的输出光束；以及像素阵列，其相对于透镜模块定位以接收来自透镜模块的输出光束并且被构造为包括多个像素，每个像素被构造为检测来自透镜模块的输出光束的光以生成携带场景的图像信息的电信号。

Description

图像感测装置
技术领域
本专利文档中公开的技术和实现总体上涉及包括能够生成与入射光的强度相对应的电信号的像素的图像感测装置。
背景技术
图像感测装置是用于通过使用对光起反应的光敏半导体材料将光转换为电信号来捕获光学图像的装置。随着汽车、医疗、计算机和通信行业的发展，在诸如智能电话、数码相机、游戏机、IoT(物联网)、机器人、安防摄像头和医疗微型相机之类的各个领域中，对高性能图像感测装置的需求不断增加。
图像感测装置大致可以分为CCD(电荷耦合器件)图像感测装置和CMOS(互补金属氧化物)图像感测装置。与CMOS图像感测装置相比，CCD图像感测装置提供更好的图像质量，但是它们往往消耗更多的功率并且更大。CMOS图像感测装置比CCD图像感测装置尺寸更小并且功耗更低。此外，使用CMOS制造技术制造CMOS传感器，因此可以将光敏元件和其它信号处理电路集成到单个芯片中，使得能够以更低成本生产小型化的图像感测装置。由于这些原因，正在为包括移动装置在内的许多应用开发CMOS图像感测装置。
发明内容
所公开的技术的各种实施方式涉及具有提高的光接收(Rx)效率的图像感测装置。
根据所公开的技术的实施方式，一种图像感测装置可以包括：透镜模块，其被构造为会聚来自场景的入射光，并且产生携带场景的图像信息的输出光束；以及像素阵列，其相对于透镜模块定位，以接收来自透镜模块的输出光束，并且被构造为包括多个像素，每个像素被构造为检测来自透镜模块的输出光束的光以生成携带场景的图像信息的电信号。像素阵列包括透镜模块的光轴穿过的中央区域、以及与透镜模块的光轴间隔开预定距离的边缘区域。边缘区域包括第一像素，并且边缘区域中包括的第一像素包括：半导体区域，其包括光电转换元件，光电转换元件被构造为通过转换输出光束的光来生成携带场景的图像信息的光电荷；以及微透镜，其包括从第一像素和更远离光轴设置的另一相邻的第一像素之间的边界延伸的反射表面，并且设置于半导体区域上方。反射表面的倾斜角依据像素相对于中央区域的位置而变化。
根据所公开的技术的另一实施方式，一种图像感测装置可以包括：半导体区域，其包括光电转换元件，光电转换元件被构造为生成与入射光的强度相对应的光电荷；以及微透镜，其设置于半导体区域上方以将入射光引导至半导体区域，并且包括反射表面，反射表面被构造为将入射到微透镜上的光朝向对应于微透镜的像素反射。反射表面相对于微透镜的底表面具有预定的倾斜角，并且反射表面的倾斜角依据对应于微透镜的像素的位置而变化。
要理解的是，所公开的技术的上述概括描述和以下详细描述二者都是例示性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的公开内容的进一步解释。
附图说明
当结合附图考虑时，参考以下详细描述，所公开的技术的以上特征和其它特征和有益方面将变得显而易见。
图1是例示基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置的示例的框图。
图2是例示基于所公开的技术的一些实现的图1所示的像素阵列的示例的示意图。
图3A是例示基于所公开的技术的一些实现的入射到图2所示的像素阵列上的光线的示例的图。
图3B是例示基于所公开的技术的一些实现的入射到图2所示的像素阵列的光线的示例的图。
图4是例示基于所公开的技术的一些实现的包括依据每个像素的位置的变化的形状的微透镜的像素的示例结构的图。
图5例示了基于所公开的技术的一些实现的如何确定微透镜的内反射表面的倾斜角。
图6例示了基于所公开的技术的一些实现的如何确定微透镜的内反射表面的倾斜角。
图7是例示基于所公开的技术的一些实现的用于确定像素阵列的每个位置的微透镜的形状的方法的示例的图。
具体实施方式
本专利文档提供了包括可以检测入射光并生成与入射光的强度相对应的电信号的一个或更多个像素的图像感测装置的实现和示例，以基本上解决一个或更多个技术或工程问题，并减轻在其它一些图像感测装置中遇到的限制或缺点。所公开的技术的一些实现涉及具有提高的光接收(Rx)效率的图像感测装置。所公开的技术提供了能够提高图像感测像素的光接收(Rx)效率并且能够实现整个像素阵列上的光学均匀性的图像感测装置的各种实现。
在下文中，将参照附图描述各种实施方式。然而，应当理解，所公开的技术不限于特定实施方式，而是包括实施方式的各种修改、等同物和/或替代物。所公开的技术的实施方式可以提供能够通过所公开的技术直接或间接识别的多种效果。
图1是例示根据所公开的技术的实施方式的图像感测装置100的框图。
参照图1，图像感测装置100可以包括像素阵列110、行驱动器120、相关双采样器(CDS)130、模数转换器(ADC)140、输出缓冲器150、列驱动器160和定时控制器170。仅通过示例的方式讨论了图1所示的图像感测装置100的组件，并且本专利文档涵盖许多其它改变、替换、变型、变更和修改。
像素阵列110可以包括布置在行和列中的多个像素。在一个示例中，多个像素可以布置成包括行和列的二维像素阵列。在另一示例中，多个单位成像像素可以布置成三维像素阵列。多个像素可以以像素为基础或以像素组为基础将光信号转换为电信号，其中像素组中的像素共享至少某个内部电路。像素阵列110可以从行驱动器120接收包括行选择信号、像素复位信号和传输信号的驱动信号。一旦接收到驱动信号，像素阵列110中的对应像素可以被激活以执行与行选择信号、像素复位信号和传输信号相对应的操作。
行驱动器120可以基于由诸如定时控制器170之类的控制器电路所提供的命令和控制信号来激活像素阵列110以对相应行中的像素执行某些操作。在一些实现中，行驱动器120可以选择布置在像素阵列110的一行或更多行中的一个或更多个像素。行驱动器120可以生成行选择信号以选择多个行当中的一行或更多行。行驱动器120可以顺序地使能用于复位与至少一个被选行相对应的成像像素的像素复位信号、以及用于与至少一个被选行相对应的像素的传输信号。因此，作为由被选行的每个成像像素所生成的模拟信号的参考信号和图像信号可以顺序地传送给CDS 130。参考信号可以是当像素的感测节点(例如，浮置扩散节点)被复位时提供给CDS 130的电信号，并且图像信号可以是当由像素生成的光电荷累积在感测节点中时提供给CDS 130的电信号。指示每个像素的独特复位噪声的参考信号和指示入射光的强度的图像信号可以根据需要统称为像素信号。
CMOS图像传感器可以使用相关双采样(CDS)，以通过对像素信号进行两次采样以去除这两次采样之间的差异，来去除已知为固定模式噪声的不期望的像素偏移值。在一个示例中，相关双采样(CDS)可以通过比较由入射光生成的光电荷累积在感测节点中之前和之后所获得的像素输出电压来去除不期望的像素偏移值，使得可以测量到仅基于入射光的像素输出电压。在所公开的技术的一些实施方式中，CDS 130可以顺序地采样并保持从像素阵列110提供给多条列线中的每一条的参考信号和图像信号的电压电平。也就是说，CDS130可以采样并保持与像素阵列110的每列相对应的参考信号和图像信号的电压电平。
在一些实现中，CDS 130可以基于来自定时控制器170的控制信号而将每列的参考信号和图像信号作为相关双采样信号传送给ADC 140。
ADC 140用于将模拟CDS信号转换为数字信号。在一些实现中，ADC 140可以被实现为斜坡比较型ADC。斜坡比较型ADC可以包括比较器电路和定时器，该比较器电路用于将模拟像素信号与诸如斜坡上升或下降的斜坡信号之类的参考信号进行比较，并且定时器进行计数直到斜坡信号的电压与模拟像素信号匹配。在所公开的技术的一些实施方式中，ADC140可以将由CDS 130针对每列所生成的相关双采样信号转换为数字信号，并输出数字信号。ADC 140可以基于针对每列的相关双采样信号和从定时控制器170提供的斜坡信号来执行计数操作和计算操作。以此方式，ADC 140可以消除或减少诸如在生成数字图像数据时从成像像素中出现的复位噪声之类的噪声。
ADC 140可以包括多个列计数器。像素阵列110的每列联接到列计数器，并且可以通过使用列计数器将从每列接收到的相关双采样信号转换为数字信号来生成图像数据。在所公开的技术的另一实施方式中，ADC 140可以包括全局计数器以使用从全局计数器提供的全局代码将与列对应的相关双采样信号转换为数字信号。
输出缓冲器150可以临时保持从ADC 140提供的基于列的图像数据以输出图像数据。在一个示例中，从ADC 140提供给输出缓冲器150的图像数据可以基于定时控制器170的控制信号而临时存储在输出缓冲器150中。输出缓冲器150可以提供接口以补偿图像感测装置100与其它装置之间的数据速率差异或传输速率差异。
列驱动器160可以在从定时控制器170接收到控制信号时选择输出缓冲器的列，并且顺序地输出被临时存储在输出缓冲器150的被选列中的图像数据。在一些实现中，在从定时控制器170接收到地址信号时，列驱动器160可以基于地址信号生成列选择信号并选择输出缓冲器150的列，从输出缓冲器150的被选列输出图像数据作为输出信号。
定时控制器170可以控制行驱动器120、ADC 140、输出缓冲器150和列驱动器160中的至少一个的操作。
定时控制器170可以为行驱动器120、CDS 130、ADC 140、输出缓冲器150和列驱动器160提供图像感测装置100的相应组件的操作所需的时钟信号、用于定时控制的控制信号、以及用于选择行或列的地址信号。在所公开的技术的实施方式中，定时控制器170可以包括逻辑控制电路、锁相环(PLL)电路、定时控制电路、通信接口电路等。
图2是例示图1所示的像素阵列110的示例的示意图。
参照图2，像素阵列110可以包括被布置成包括多个行和多个列的矩阵阵列的多个像素。像素阵列110可以根据其中包括的像素的相对位置而被划分为多个区域。
像素阵列110可以包括中央区域CT、第一水平边缘区域HL、第二水平边缘区域HR、第一垂直边缘区域VU、第二垂直边缘区域VD、以及第一对角边缘区域至第四对角边缘区域DLU、DRD、DLD和DRU。像素阵列110中包括的每个区域可以包括一定数量的像素。第一水平边缘区域HL、第二水平边缘区域HR、第一垂直边缘区域VU、第二垂直边缘区域VD、以及第一对角边缘区域至第四对角边缘区域DLU、DRD、DLD和DRU可以统称为边缘区域，并且边缘区域可以是与光轴OA间隔开预定距离的区域。
中央区域CT可以位于像素阵列110的中央。来自场景的光线穿过透镜模块(图3A和图3B所示的50)并被传输到像素阵列110，并且透镜模块的光轴穿过中央区域CT。
第一水平边缘区域HL和第二水平边缘区域HR可以位于像素阵列110的沿穿过中央区域CT的水平方向(例如，如图2所示的穿过中央区域CT的假想水平线A-A′)的边缘区域。在一些实现中，像素阵列110的每个边缘区域可以包括位于距像素阵列110的最外的像素在预定距离内的多个像素。
第一垂直边缘区域VU和第二垂直边缘区域VD可以设置在像素阵列110的沿穿过中央区域CT的垂直方向(例如，如图2所示的穿过中央区域CT的假想垂直线B-B′)的边缘区域。
第一对角边缘区域DLU可以设置在像素阵列110的沿从中央区域CT起的对角方向(例如，如图2所示的穿过中央区域CT的假想对角线OA-C)的边缘。
第二对角边缘区域DRD可以设置在像素阵列110的沿从中央区域CT起的对角方向(例如，如图2所示的穿过中央区域CT的假想对角线OA-C′)的边缘。
第三对角边缘区域DLD可以设置在像素阵列110的沿从中央区域CT起的对角方向(例如，如图2所示的穿过中央区域CT的假想线OA-D)的边缘。
第四对角边缘区域DRU可以设置在像素阵列110的沿从中央区域CT起的对角方向(例如，如图2所示的穿过中央区域CT的假想对角线OA-D′)的边缘。
图3A是例示入射到图2所示的像素阵列110上的光线的示例的图。
参照图3A，图1所示的图像感测装置100还可以包括透镜模块50。透镜模块50可以在从图像感测装置100向前方向上设置在要捕获的场景和像素阵列110之间。透镜模块50可以会聚从场景入射的光，并且可以允许会聚光作为携带场景的图像信息的输出光束被传输到像素阵列110的像素上。透镜模块50可以包括被布置为聚焦在光轴OA上的一个或更多个透镜。在这种情况下，光轴OA可以穿过像素阵列110的中央区域CT。
已经穿过透镜模块50的主光线可以从光轴OA被引导到像素阵列110的每个区域。在图2中，针对第一水平边缘区域HL的主光线可以被引导到相对于中央区域CT的左方向，针对第二水平边缘区域HR的主光线可以在相对于中央区域CT的右方向上发射，针对第一垂直边缘区域VU的主光线可以从中央区域CT被向上引导，并且针对第二垂直边缘区域VD的主光线可以从中央区域CT被向下引导。另一方面，针对第一对角边缘区域DLU的主光线可以被引导到对角方向OA-C上，针对第二对角边缘区域DRD的主光线可以被引导到对角方向OA-C′上，针对第三对角边缘区域DLD的主光线可以被引导到对角方向OA-D上，并且针对第四对角边缘区域DRU的主光线可以被引导到对角方向OA-D′上。
图3A是例示沿着图2所示的第一切割线A-A′截取的像素阵列110的示例的截面图。因此，中央区域CT可以设置在像素阵列110的中央，第一水平边缘区域HL可以设置在中央区域CT的左侧，并且第二水平边缘区域HR可以设置在中央区域CT的右侧。
入射到中央区域CT上的主光线可以垂直入射到像素阵列110的顶表面上。因此，入射到中央区域CT上的主光线的入射角(即，入射的角度)可以设置为0°(或接近0°的角度)。
然而，入射到第一水平边缘区域HL上的主光线CR和入射到第二水平边缘区域HR上的主光线可以倾斜地入射到像素阵列110的顶表面上。因此，入射到第一水平边缘区域HL上的主光线的入射角可以对应于预定角度(例如，大于0°且小于90°的角度)，并且入射到第二水平边缘区域HR上的主光线的入射角可以对应于预定角度(例如，大于0°且小于90°的角度)。在这种情况下，预定角度可以依据像素阵列110的尺寸、透镜模块50的曲率、透镜模块50和像素阵列110之间的距离等而变化。
入射到中央区域CT和第一水平边缘区域HL之间的区域上的主光线CR可以倾斜地入射到像素阵列110的顶表面上，如图3A的左侧虚线所示，但是入射到中央区域CT和第一水平边缘区域HL之间的区域上的主光线的入射角可以小于入射到第一水平边缘区域HL上的主光线的入射角。
入射到中央区域CT和第二水平边缘区域HR之间的区域上的主光线CR可以倾斜地入射到像素阵列110的顶表面上，如图3A的右侧虚线所示，但是入射到中央区域CT和第二水平边缘区域HR之间的区域上的主光线的入射角可以小于入射到第二水平边缘区域HR上的主光线的入射角。
尽管图3A为了便于描述而例示了沿着第一切割线A-A′截取的像素阵列110的截面图，但是参照图3A讨论的结构特征可以应用于沿着第二切割线B-B′截取的像素阵列110的其余区域，其中用第一垂直边缘区域VU替换图3A的第一水平边缘区域HL并且用第二垂直边缘区域VD替换图3A的第二水平边缘区域HR。
图3B是例示入射到图2所示的像素阵列110上的光线的示例的图。
更详细地，图3B是例示沿着第三切割线C-C′截取的像素阵列110的示例的截面图。因此，中央区域CT可以设置在像素阵列110的中央，第一对角边缘区域DLU可以设置在中央区域CT的左侧，并且第二对角边缘区域DRD可以设置在中央区域CT的右侧。
入射到中央区域CT上的主光线可以垂直入射到像素阵列110的顶表面上。因此，入射到中央区域CT上的主光线的入射角可以设置为0°(或接近0°的角度)。
然而，入射到第一对角边缘区域DLU上的主光线和入射到第二对角边缘区域DRD上的主光线可以倾斜地入射到像素阵列110的顶表面上。因此，入射到第一对角边缘区域DLU上的主光线的入射角可以对应于预定角度(例如，大于0°且小于90°的角度)，并且入射到第二对角边缘区域DRD上的主光线的入射角可以对应于预定角度(例如，大于0°且小于90°的角度)。在这种情况下，预定角度可以依据像素阵列110的尺寸、透镜模块50的曲率以及透镜模块50和像素阵列110之间的距离而变化。
入射到中央区域CT和第一对角边缘区域DLU之间的区域上的主光线可以倾斜地入射到像素阵列110的顶表面上，如图3B的左侧虚线所示，但是入射到中央区域CT和第一对角边缘区域DLU之间的区域上的主光线的入射角可以小于入射到第一对角边缘区域DLU上的主光线的入射角。
入射到中央区域CT和第二对角边缘区域DRD之间的区域上的主光线可以倾斜地入射到像素阵列110的顶表面上，如图3B的右侧虚线所示，但是入射到中央区域CT和第二对角边缘区域DRD之间的区域上的主光线的入射角可以小于入射到第二对角边缘区域DRD上的主光线的入射角。
尽管图3B为了便于描述而例示了沿着第三切割线C-C′截取的像素阵列110的截面图，但是参照图3B讨论的结构特征可以应用于沿着第四切割线D-D′截取的像素阵列110的其余区域，其中用第三对角边缘区域DLD替换图3B的第一对角边缘区域DLU并且用第四对角边缘区域DRU替换图3B的第二对角边缘区域DRD。
图4是例示包括依据每个像素的位置的变化的形状的微透镜的像素的示例结构的图。
图4示意性地例示了设置在中央区域CT的像素、设置在第一边缘区域ED1的像素、以及设置在第二边缘区域ED2的像素。另外，图4示意性地例示了位于设置在中央区域CT和第一边缘区域ED1之间的第一中央边缘区域MD1中的像素、位于设置在中央区域CT和第二边缘区域ED2之间的第二中央边缘区域MD2中的另一像素。第一边缘区域ED1或第二边缘区域ED2中包括的像素可以被定义为第一像素，并且第一中央边缘区域MD1或第二中央边缘区域MD2中包括的像素可以被定义为第二像素。
第一边缘区域ED1和第二边缘区域ED2可以对应于第一水平边缘区域HL、第二水平边缘区域HR、第一垂直边缘区域VU、第二垂直边缘区域VD、第一对角边缘区域DLU、第二对角边缘区域DRD、第三对角边缘区域DLD和/或第四对角边缘区域DRU。
设置在中央区域CT、第一边缘区域ED1、第二边缘区域ED2、第一中央边缘区域MD1和第二中央边缘区域MD2的每个像素可以包括半导体区域400、形成在半导体区域400上方的滤光器300、以及形成在滤光器300上方的微透镜200。
微透镜200可以形成在滤光器300上方，并且可以增加入射光的聚光能力，结果增加了对应像素的光接收(Rx)效率。
滤光器300可以形成在半导体区域400上方。滤光器300可以选择性地透射具有特定波长的光信号(例如，红光、绿光、蓝光、品红光、黄光、青光等)。
半导体区域400可以是指设置有像素阵列110的半导体基板当中的对应像素的一部分。半导体基板可以是P型或N型体基板，可以是通过在P型体基板上生长P型或N型外延层形成的基板，或者可以是通过在N型体基板上生长P型或N型外延层形成的基板。
半导体区域400可以包括对应于相应像素的光电转换元件。在这种情况下，光电转换元件可以生成并累积与入射光的强度相对应的光电荷。光电转换区域可以布置成占据尽可能大的区域，以增加指示光接收(Rx)效率的填充因子。例如，光电转换元件可以实现为光电二极管、光电晶体管、光电门、钉扎光电二极管或其组合。
如果光电转换元件被实现为光电二极管，则光电转换元件可以形成为通过将N型离子注入半导体区域400中而形成的N型掺杂区域。在一些实现中，可以通过层叠多个掺杂区域来形成光电转换元件。在这种情况下，可以通过注入P+离子和N+离子来形成下掺杂区域，并且可以通过注入N-离子来形成上掺杂区域。
在光电转换元件中生成并累积的光电荷可以通过对应像素中包括的读出电路(例如，4晶体管(4T)像素中所使用的传送晶体管、复位晶体管、源极跟随器晶体管和选择晶体管)转换为像素信号。在这种情况下，传送晶体管可以向感测节点传输光电转换元件的光电荷，复位晶体管可以将感测节点复位到特定电压，源极跟随器晶体管可以将感测节点的电位转换为电信号，并且选择晶体管可以将电信号输出到像素的外部。
微透镜200可以比滤光器300具有更低的折射率，并且滤光器300可以比半导体区域400具有低的折射率。
尽管图4为了描述方便而例示了设置在中央区域CT的一个像素、设置在第一边缘区域ED1的一个像素、设置在第一中央边缘区域MD1的一个像素、设置在第二边缘区域ED2的一个像素、以及设置在第二中央边缘区域MD2的一个像素，但是其它实现也是可行的，并且每个像素可以与其它像素相邻布置。
尽管在图中未示出，但是基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置也可以包括在相邻滤光器300之间的栅格结构，以减少或最小化相邻滤光器300之间否则将会发生的光学串扰。例如，栅格结构可以包括钨层或空气层。
另外，基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置也可以包括在相邻像素的半导体区域400之间的隔离结构，以减少或最小化相邻半导体区域400之间否则将会发生的光学串扰。例如，可以通过用绝缘材料填充通过深沟槽隔离(DTI)工艺形成的沟槽来形成隔离结构。
主光线CR在像素阵列110的中央区域CT中的入射角可以设置为0°(或接近0°的角度)，使得主光线CR可以沿着光轴OA垂直入射到每个像素上。然而，由于主光线CR在像素阵列110的边缘区域ED1、MD1、ED2或MD2中的入射角设置为大于0°的预定角度，所以主光线CR可以倾斜地入射到每个像素上。由于主光线CR倾斜地入射到每个像素上，因此对应像素的光接收(Rx)效率可能会降低，相邻像素之间发生光学串扰的风险增加。
在一些实现中，可以通过在边缘区域ED1、MD1、ED2和MD2内使滤光器300和微透镜200在主光线CR入射到半导体区域400上的方向上偏移，来减少这种光学串扰。在这种情况下，边缘区域ED1、MD1、ED2和MD2中的微透镜200从半导体区域400的偏移程度可以大于边缘区域ED1、MD1、ED2和MD2中的滤光器300从半导体区域400的偏移程度。另外，滤光器300和微透镜200相对于半导体区域400的偏移程度可以与距中央区域CT的距离的增加成比例地增加。例如，在第一边缘区域ED1中滤光器300和微透镜200相对于半导体区域400的偏移程度可以大于在第一中央边缘区域MD1中滤光器300和微透镜200相对于半导体区域400的偏移程度。
然而，当光学滤光器300和微透镜200如上所述地相对于半导体区域400偏移时，制造工艺中的覆盖和对准控制可能会变得困难。
在所公开的技术的一些实现中，微透镜200可以依据主光线CR的入射角而具有不同的形状，而无需使滤光器300和微透镜200相对于半导体区域400偏移，由此提高整个像素阵列110的光学均匀性并且减少相邻像素之间的光学串扰。
在中央区域CT中，微透镜200可以形成为具有预定曲率的凸透镜。另一方面，布置在边缘区域ED1、MD1、ED2、MD2中的微透镜200可以具有不同于凸透镜的形状。例如，布置在边缘区域ED1、MD1、ED2和MD2中的微透镜200可以具有从对应于微透镜200的像素与更远离入射到包括该微透镜200的像素上的主光线CR设置的另一相邻像素(或更远离包括该微透镜200的像素的中央点设置的另一相邻像素)之间的边界延伸的表面。在一些实现中，该表面可以包括平坦表面。微透镜200的平坦表面可以从对应像素与比对应像素与另一相邻像素之间的另一边界BD1更远离光轴设置的相邻像素之间的边界BD2延伸。微透镜200的平坦表面可以称为反射表面或内反射表面IR。
假设边缘区域ED1、MD1、ED2和MD2中的微透镜200是具有预定曲率的凸透镜，则主光线CR的至少一部分可以在主光线CR入射到微透镜200上的方向(或光轴OA)上倾斜地入射到微透镜200的顶部曲面上，并且主光线CR的该部分可以贯穿与包括微透镜200的像素的中央间隔开的另一曲面(例如，被定位为相对更远离光轴OA的边界BD2附近的表面)。
然而，基于所公开的技术的一些实施方式实现的边缘区域ED1、MD1、ED2和MD2包括微透镜200，该微透镜200包括作为内反射表面IR的平坦表面，该内反射表面IR从边界BD2延伸，该边界BD2被定位为相对于主光线CR入射到微透镜200上的轴(或光轴OA)比边界BD1相对更远离光轴OA。如图4所示，倾斜地入射到微透镜200上的主光线CR可以在内反射表面IR被朝向与微透镜200对应的像素的滤光器300和半导体区域400反射。如果微透镜200的光学折射率高于作为内反射表面IR的平坦表面外部的材料的光学折射率，则当倾斜入射光在平坦表面的入射角等于或大于临界角时，入射光经由内反射而被全反射。这里，应当注意，在没有考虑当主光线CR在上述方向上入射到微透镜200的一个表面上时可以发生的折射的情况下例示了图4中的主光线CR的路径。
对于给定的入射主光线CR，由不同位置的不同像素接收到的入射主光线CR呈现不同的入射角：主光线CR的入射角可以随着微透镜200更远离中央区域CT以及位于或更靠近像素阵列110的边缘区域ED1或ED2而逐渐增加。随着主光线CR的入射角逐渐增加，内反射表面IR的倾斜角可以朝向边缘区域ED1或ED2逐渐减小。也就是说，内反射表面IR的倾斜角可以依据包括微透镜200的像素的位置而变化。这里，内反射表面IR的倾斜角可以是指半导体基板的一个表面(或微透镜200的底表面)与内反射表面IR之间的角度。
随着主光线CR的入射角朝向边缘区域ED1或ED2逐渐增加，内反射表面IR的倾斜角逐渐减小，并且每个边缘区域ED1、MD1、ED2或MD2中的光接收(Rx)效率可以被设置为等于中央区域CT中的光接收(Rx)效率。
图5和图6是例示基于所公开的技术的一些实现的如何确定微透镜的内反射表面的倾斜角的图。
参照图5，微透镜可以形成为圆扇形形状，其中基于包括微透镜200的像素的中央点与主光线CR的入射方向相反设置的点(接触与包括微透镜200的像素的相邻像素的边界当中被定位为相对更远离光轴OA的边界)用作原点(Po)。圆扇形形状可以被两个半径和圆弧CA围绕，并且可以具有两个半径的圆心角。微透镜200的一个半径可以对应于微透镜200的底表面LD(或滤光器300的顶表面)，并且微透镜200的另一半径可以对应于微透镜200的内反射表面IR。另外，微透镜200的底表面LD可以通过圆弧CA连接到微透镜200的内反射表面IR。微透镜200的底表面LD和内反射表面IR中的每一个可以具有对应于像素长度(Lpx)的长度，像素长度(Lpx)对应于像素宽度。微透镜200的圆心角可以是指底表面LD和内反射表面IR之间的角度，并且可以对应于内反射表面IR的倾斜角(θ)。
尽管为了便于更好理解在像素阵列110内改变微透镜200的形状的原理，图5将微透镜200例示为具有圆扇形形状，但是微透镜200也可以根据需要形成为各种形状。例如，内反射表面IR可以比微透镜200的底表面LD长度更短，并且圆弧CA的曲率半径可以比像素长度(Lpx)更长。
主光线CR可以在圆弧CA上的入射点(Pi)进入。入射点(Pi)是光线进入光学系统(诸如包括微透镜200的图像感测装置)的点。在一个示例中，可以以实验方式确定入射点(Pi)。另外，入射点(Pi)可以依据每个像素在像素阵列110内的位置而变化。例如，第一边缘区域ED1内的入射点(Pi)的高度(即，微透镜200的底表面LD与入射点(Pi)之间的最短距离)可以大于第一中央边缘区域MD1内的入射点(Pi)的高度(参见图4)。
参照图5，主光线(CR)入射角(θCRA)可以是主光线CR入射到像素上的角度，并且可以是指主光线CR与垂直于微透镜200的底表面LD的直线之间的角度。另外，第一入射角(θinc)可以是微透镜200的表面与入射到微透镜200上的主光线CR之间的角度，并且可以是指主光线CR和穿过入射点(Pi)的法线之间的角度。这里，可以将CR(主光线)入射角(θCRA)与第一入射角(θinc)之间的差定义为计算角(θ′)。在这种情况下，可以基于像素长度(Lpx)和入射点(Pi)的台阶差(h)来对计算角(θ′)进行计算。
参照图6，微透镜200可以具有90°的圆心角，并且计算角(θ′)可以对应于穿过入射点(Pi)的法线与垂直于微透镜200的底表面LD的直线之间的角度。根据对顶角(verticalangle)和内错角(alternative angle)之间的关系，在包括原点(Po)、入射点(Pi)和台阶差点(Ph)的直角三角形中，直角三角形中的原点(Po)的内角可以对应于计算角(θ′)。这里，台阶差点(Ph)可以是平行于微透镜200的底表面LD并穿过入射点(Pi)的直线与微透镜200的内反射表面IR相交的点。在这种情况下，可以将台阶差点(Ph)与内反射表面IR的端点之间的距离定义为入射点台阶差(h)。
可以通过下式1计算基于包括原点(Po)、入射点(Pi)和台阶差点(Ph)的直角三角形所确定的计算角(θ′)。
[式1]
Figure BDA0003952998630000131
返回参照图5，入射到微透镜200上的主光线CR可以以折射角(θref)折射，使得折射后的主光线CR可以行进到微透镜200的内部。在这种情况下，可以根据Snell(斯涅尔)定律如下式2所示地计算折射角(θref)。
[式2]
Figure BDA0003952998630000132
在式2中，“nA”是空气的折射率，并且“nL”是微透镜200的折射率。
另一方面，行进到微透镜200中的主光线CR可以以第二入射角(θ′inc)入射到内反射表面IR上。也就是说，第二入射角(θ′inc)是主光线CR入射到微透镜200的内反射表面IR上的角度，并且可以对应于主光线CR与在穿过主光线CR与内反射表面IR相交的反射点(Pr)的同时垂直于内反射表面IR的直线之间的角度。
依据第二入射角(θ′inc)的尺寸，主光线CR可以被内反射表面IR反射，或者可以穿过内反射表面IR，由此行进至外部空气层。当第二入射角(θ′inc)满足下式3时，主光线CR可以被内反射表面IR反射。
[式3]
θc＜θ′inc≤90°
在式3中，阈值角(θc)可以是指发生全反射的入射角的最小值。如果第二入射角(θ′inc)等于阈值角(θc)，则主光线CR与反射点(Pr)相交，然后沿着内反射表面IR朝向原点(Po)行进。
可以根据Snell定律如式4计算阈值角(θc)。
[式4]
Figure BDA0003952998630000141
当穿过反射点(Pr)后垂直于内反射表面IR的一条直线与垂直于微透镜200的底表面LD的另一直线的交点被定义为交点(Pc)时，在由交点(Pc)、反射点(Pr)和入射点(Pi)形成的三角形内的交点(Pc)的内角可以等于内反射表面IR的倾斜角(θ)。
另外，可以基于指示由交点(Pc)、反射点(Pr)和入射点(Pi)形成的三角形的内角之和为180°的独特特性，通过下式5表示第二入射角(θ′inc)、内反射表面IR的倾斜角(θ)、折射角(θref)和计算角(θ′)之间的关系。
[式5]
θ′inc＝180°-θ-θFef-θ′
这里，当将式5代入式3中，然后基于内反射表面IR的倾斜角(θ)进行总结时，可以推导出由下式6表示的关系。
[式6]
90°-(θref+θ′)≤θ＜180°-(θc+θref+θ′)
也就是说，可以通过式6计算用于允许入射到入射点(Pi)上的主光线CR被引导到像素中的内反射表面IR的倾斜角(θ)的范围。内反射表面IR的倾斜角(θ)可以具有在对应于“90°-(θref+θ′)”的最小角和对应于“180°-(θc+θref+θ′)”的最大角之间的范围。
如果CR入射角(θCRA)、空气层的折射率(nA)、微透镜200的折射率(nL)、像素长度(Lpx)、以及入射点(Pi)的位置是预定的，则可以计算式6所示的阈值角(θc)、折射角(θref)和计算角(θ′)，使得可以确定内反射表面IR的倾斜角(θ)的范围。
如以上参照图5和图6所描述的，可以计算用于允许具有特定条件的主光线CR(例如，入射到特定位置Pi上的主光线CR)被引导到像素阵列110的特定位置的对应像素中的内反射表面IR的倾斜角(θ)的范围。
图7是例示基于所公开的技术的一些实现的用于确定像素阵列的每个位置的微透镜的形状的方法的示例的图。
参照图7，例示了中央区域CT中的微透镜200的形状、第一中央边缘区域MD1中的微透镜200的形状、以及第一边缘区域ED1中的微透镜200的形状。尽管为了便于描述，图7主要例示了中央区域CT、第一中央边缘区域MD1、以及第一边缘区域ED1，但是应当注意，也可以如参照图7所描述地确定第二中央边缘区域MD2中的微透镜200的形状以及第二边缘区域ED2中的微透镜200的形状。
在中央区域CT中，主光线CR可以垂直进入像素阵列110的顶表面。在这种情况下，主光线CR的入射角可以设置为0°(或接近0°的角度)。在中央区域CT中，微透镜200可以形成为具有预定曲率的凸透镜。
随着更远离中央区域CT和更接近第一边缘区域ED1，主光线CR的入射角可以逐渐增加。随着主光线CR的入射角逐渐增加，入射到微透镜200上然后贯穿到外部的主光线CR的量可以增加。在第一中央边缘区域MD1中贯穿到外部的主光线CR的量比中央区域CT更大，因此基于所公开的技术的一些实施方式实现的第一中央边缘区域MD1的微透镜200可以具有背向主光线CR进入的平坦表面，这与诸如中央区域CT的微透镜200之类的凸透镜的形状不同。在一些实现中，平坦表面从对应像素与更远离与主光线CR相关联的光轴设置的另一相邻像素之间的边界延伸。也就是说，第一中央边缘区域MD1的微透镜200可以包括内反射表面IR以将否则将会贯穿微透镜200至外部的主光线CR朝向对应像素反射。
可以考虑出射到外部空气层的主光线CR的量，以实验方式确定微透镜200的包括内反射表面IR的区域。
当在第一中央边缘区域MD1中确定CR入射角、空气的折射率、微透镜200的折射率、像素长度和入射点的位置时，可以基于确定的参数计算公式6所示的阈值角、折射角和计算角，使得内反射表面IR的入射角(θ1)的范围可以被确定。
如果将第一中央边缘区域MD1中的CR入射角设置为第一CR入射角(θCRA1)，则内反射表面IR的入射角(θ1)可以具有如式6所示在第一最小角(θMIN1)和第一最大角(θMAX1)之间的范围。也就是说，如果第一中央边缘区域MD1中的内反射表面IR的倾斜角(θ1)具有在第一最小角(θMIN1)和第一最大角(θMAX1)之间的范围，则进入特定入射点的主光线CR可以被引导到对应像素中。
在一些实现中，内反射表面IR的倾斜角(θ1)可以具有大于第一最小角(θMIN1)且小于第一最大角(θMAX1)的特定值(例如，平均值)。另选地，内反射表面IR的倾斜角(θ1)可以被确定为直角(90°)以及大于第一最小角(θMIN1)且小于第一最大角(θMAX1)的特定值(例如，平均值)当中的更小者。这是因为，当内反射表面IR的倾斜角(θ1)大于90°时，相应的结构应该无法避免地延伸到与相邻像素对应的区域，使得制造工艺变得复杂化，并且相邻像素的光接收(Rx)效率可能会降低。
另一方面，针对实际在第一中央边缘区域MD1中制造的微透镜200的内反射表面IR的倾斜角，可能在每个晶圆或每个芯片中出现误差。然而，如果将内反射表面IR的倾斜角(θ1)确定为第一最小角(θMIN1)和第一最大角(θMAX1)的平均值，则在出现制造误差的状态下内反射表面IR的倾斜角不等于倾斜角(θ1)并且对应于第一最小角(θMIN1)和第一最大角(θMAX1)之间的范围的可能性较大，使得能够确保第一中央边缘区域MD1内的像素的光学性能(例如，光接收(Rx)效率和光学均匀性)。
另外，如果在第一边缘区域ED1中确定CR入射角、空气的折射率、微透镜200的折射率、像素长度和入射点的位置，则可以从中计算式6所示的阈值角、折射角和计算角，并且可以确定内反射表面IR的倾斜角(θ2)的范围。
如果将第一边缘区域ED1中的CR入射角设置为第二CR入射角(θCRA2)，则内反射表面IR的入射角(θ2)可以具有根据式6的在第二最小角(θMIN2)与第二最大角(θMAX2)之间的范围。也就是说，当第一边缘区域ED1中的内反射表面IR的倾斜角(θ2)具有在第二最小角(θMIN2)与第二最大角(θMAX2)之间的范围时，入射到特定入射点的主光线CR能够被引导到对应像素中。
在一些实现中，内反射表面IR的入射角(θ2)可以被确定为大于第二最小角(θMIN2)且小于第二最大角(θMAX2)的特定值(例如，平均值)。另选地，内反射表面IR的倾斜角(θ2)可以被确定为直角(90°)以及大于第二最小角(θMIN2)且小于第二最大角(θMAX2)的特定值(例如，平均值)当中的更小者。这是因为，当内反射表面IR的倾斜角(θ2)大于90°时，对应结构应该无法避免地延伸到与相邻像素对应的区域，使得制作工艺变得复杂化，并且相邻像素的光接收(Rx)效率可能会降低。
另一方面，针对实际在第一边缘区域ED1中制造的微透镜200的内反射表面IR的倾斜角，可能在不同晶圆或芯片之间出现差异。然而，如果内反射表面IR的倾斜角(θ2)具有第二最小角(θMIN2)和第二最大角(θMAX2)的平均值，则即使第二最小角(θMIN2)和第二最大角(θMAX2)之间的范围内的内反射表面IR的倾斜角不等于倾斜角(θ2)，也能够确保第一边缘区域ED1内的像素的光学性能(例如，光接收(Rx)效率和光学均匀性)。
如图7所示，随着距中央区域CT的距离逐渐增加，CR入射角也可以逐渐增加。被定位为相对更远离中央区域CT的第一边缘区域ED1的第二CR入射角(θCRA2)可以大于被定位为相对靠近中央区域CT的第一中央边缘区域MD1的第一CR入射角(θCRA1)。
因此，对于第一边缘区域ED1内的内反射表面IR的倾斜角的第二最小角(θMIN2)和第二最大角(θMAX2)中的每一个可以小于对于第一中央边缘区域MD1内的内反射表面IR的倾斜角的第一最小角(θMIN1)和第一最大角(θMAX1)中的每一个。这是因为，假设第一边缘区域ED1中的入射点位置和第一中央边缘区域MD1中的入射点位置是恒定的，随着CR入射角在从第一中央边缘区域MD1到第一边缘区域ED1的方向上逐渐增加，最小角和最大角中的每一个根据式2和式6之间的关系而减小。
如上所述，当每个区域中的内反射表面IR的倾斜角被确定为最小角和最大角之间的平均值时，第一中央边缘区域MD1中的内反射表面IR的倾斜角(θ1)可以大于第一边缘区域ED1中的内反射表面IR的倾斜角(θ2)。另外，内反射表面IR的倾斜角可以在从第一中央边缘区域MD1到第一边缘区域ED1的方向上逐渐减小。
从以上描述中清楚的是，基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置能够提高像素的光接收(Rx)效率和整个像素阵列上的光学均匀性。
尽管已经描述了多个例示性实施方式，但应当理解，可以基于本专利文档中描述和/或例示的内容来设计对所公开的实施方式的各种修改和改进以及其它实施方式。
相关申请的交叉引用
本专利文档要求于2021年12月14日提交的韩国专利申请No.10-2021-0178298的优先权和权益，其公开内容通过引用整体并入本文中，作为本专利文档的公开内容的一部分。

Claims (18)

1.一种图像感测装置，所述图像感测装置包括：
透镜模块，所述透镜模块被构造为会聚来自场景的入射光并且产生携带所述场景的图像信息的输出光束；以及
像素阵列，所述像素阵列相对于所述透镜模块定位以接收来自所述透镜模块的所述输出光束并且被构造为包括多个像素，所述多个像素中的每一个被构造为检测来自所述透镜模块的所述输出光束的光以生成携带所述场景的图像信息的电信号，
其中，所述像素阵列包括：
中央区域，所述透镜模块的光轴穿过所述中央区域；以及
边缘区域，所述边缘区域与所述透镜模块的所述光轴间隔开预定距离，
其中，所述边缘区域包括第一像素，并且所述边缘区域中包括的所述第一像素包括：
半导体区域，所述半导体区域包括光电转换元件，所述光电转换元件被构造为通过转换所述输出光束的光来生成携带所述场景的图像信息的光电荷；以及
微透镜，所述微透镜包括从所述第一像素和更远离所述光轴设置的另一相邻的第一像素之间的边界延伸的反射表面，并且所述微透镜设置于所述半导体区域上方，
其中，所述反射表面的倾斜角依据所述像素相对于所述中央区域的位置而变化。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中：
所述反射表面包括平坦表面。
3.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中：
所述反射表面将来自所述微透镜的入射光朝向与所述微透镜相对应的像素反射。
4.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中：
所述倾斜角是所述微透镜的底表面与所述微透镜的所述反射表面之间的角度。
5.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中：
所述倾斜角是基于入射到所述边缘区域上的主光线的入射角而确定的。
6.根据权利要求5所述的图像感测装置，其中：
所述倾斜角是基于所述微透镜的折射率和包括所述微透镜的像素的长度而确定的。
7.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述中央区域中包括的像素包括：
半导体区域，所述半导体区域包括所述光电转换元件；以及
微透镜，所述微透镜设置于所述半导体区域上方并且形成为凸透镜形状。
8.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述像素阵列还包括：
中央边缘区域，所述中央边缘区域设置在所述中央区域和所述边缘区域之间。
9.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中：
随着主光线朝向所述中央区域、所述中央边缘区域和所述边缘区域移动，入射到所述像素阵列上的所述主光线的入射角逐渐增加。
10.根据权利要求9所述的图像感测装置，其中，所述中央边缘区域中包括的第二像素包括：
半导体区域，所述半导体区域包括光电转换元件；以及
微透镜，所述微透镜包括从所述第二像素与更远离所述光轴设置的另一相邻第二像素之间的边界延伸的反射表面，并且所述微透镜设置于所述半导体区域上方。
11.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中：
所述中央边缘区域中包括的微透镜的反射表面的倾斜角大于所述边缘区域中包括的微透镜的反射表面的倾斜角。
12.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述像素还包括：
滤光器，所述滤光器设置在所述微透镜和所述半导体区域之间。
13.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中：
所述微透镜的折射率小于所述滤光器的折射率；并且
所述滤光器的折射率小于所述半导体区域的折射率。
14.一种图像感测装置，所述图像感测装置包括：
半导体区域，所述半导体区域包括光电转换元件，所述光电转换元件被构造为生成与入射光的强度相对应的光电荷；以及
微透镜，所述微透镜设置于所述半导体区域上方以将所述入射光引导至所述半导体区域，并且所述微透镜包括反射表面，所述反射表面被构造为将入射到所述微透镜上的光朝向与所述微透镜相对应的像素反射，
其中，
所述反射表面相对于所述微透镜的底表面具有预定的倾斜角；并且
所述反射表面的所述倾斜角依据与所述微透镜相对应的像素的位置而变化。
15.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中：
所述反射表面从所述半导体区域与更远离所述图像感测装置的光轴设置的另一相邻半导体区域的边界延伸。
16.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中：
所述图像感测装置的中央边缘区域中包括的微透镜的反射表面的倾斜角大于所述图像感测装置的边缘区域中包括的所述微透镜的反射表面的倾斜角。
17.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中：
所述反射表面包括平坦表面。
18.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中：
所述倾斜角是所述微透镜的所述底表面与所述微透镜的所述反射表面之间的角度。
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