CN212696099U - 成像系统、图像传感器封装装置和图像传感器 - Google Patents

成像系统、图像传感器封装装置和图像传感器 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及成像系统、图像传感器封装装置和图像传感器。成像系统可包括可调谐偏振滤光器。该可调谐偏振滤光器可直接集成到图像传感器封装中。例如，可调谐偏振滤光器可充当图像传感器封装的覆盖玻璃。该可调谐偏振封装玻璃可结合到图像传感器封装中，该图像传感器封装在该图像传感器与该覆盖玻璃之间具有气隙或者在该图像传感器与该覆盖玻璃之间具有透明粘合剂。可以全局水平、子阵列水平或像素水平控制该可调谐偏振层。在一些情况下，该可调谐偏振层可为可调谐偏振滤光器。在该示例中，调谐该偏振滤光器的方向。在其他情况下，该可调谐偏振层可为可调谐偏振旋转器。在该示例中，该可调谐偏振层使穿过该可调谐偏振层的光的偏振选择性地旋转。

Description

成像系统、图像传感器封装装置和图像传感器
交叉引用
本申请要求于2019年7月23日提交的临时专利申请号62/877,701的权益，该专利申请据此以引用的方式全文并入本文。本申请要求于2019年10月11日提交的临时专利申请号62/914,254的权益，该专利申请据此以引用方式并入本文。
技术领域
本实用新型整体涉及成像系统，并且更具体地，涉及具有偏振滤光器的成像系统、图像传感器封装装置和图像传感器。
背景技术
一些图像传感器可与偏振滤光器一起使用。常规上，偏振滤光器是形成在图像传感器封装的外部或形成在图像传感器芯片上的无源偏振滤光器。然而，具有这种类型的无源偏振滤光器的成像系统缺乏灵活性。
因此，期望能够提供具有偏振滤光器的改进型成像系统。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题是：具有无源偏振滤光器的成像系统缺乏灵活性。
在第一方面，提供了一种成像系统，该成像系统包括：衬底；图像传感器，该图像传感器具有形成在衬底上的图像像素阵列；和可调谐偏振层，该可调谐偏振层覆盖图像传感器，其中，可调谐偏振层和衬底形成用于图像传感器的封装。
在第二方面，提供了图像传感器封装装置，该图像传感器封装装置包括：图像传感器管芯，该图像传感器管芯具有第一侧和相对的第二侧；衬底，该衬底形成在图像传感器管芯的形成封装基部的第一侧上；和可调谐偏振层，该可调谐偏振层形成在所述图像传感器管芯的形成封装盖的所述第二侧上。
第三方面，提供了一种图像传感器，该图像传感器包括：成像像素阵列；多个微透镜，其中，每一个微透镜均与成像像素阵列中的相应成像像素重叠；和可调谐偏振层，该可调谐偏振层插置在成像像素阵列与多个微透镜之间。
本实用新型达到的技术效果为：提高了具有无源偏振滤光器的成像系统的灵活性。
附图说明
图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图。
图2是根据一个实施方案的用于读出图像传感器中的图像信号的示例性像素阵列以及相关联的读出电路的示意图。
图3是根据一个实施方案的具有可调谐偏振滤光器的示例性成像系统的示意图。
图4是根据一个实施方案的具有形成封装盖的可调谐偏振层的示例性图像传感器封装的横截面侧视图，该可调谐偏振层被全局控制并且通过气隙与图像传感器管芯分开。
图5是根据一个实施方案的具有形成封装盖的可调谐偏振层的示例性图像传感器封装的横截面侧视图，该可调谐偏振层被划分为子阵列尺寸的片段并且通过气隙与图像传感器管芯分开。
图6是根据一个实施方案的具有形成封装盖的可调谐偏振层的示例性图像传感器封装的横截面侧视图，该可调谐偏振层被全局控制并且通过透明粘合剂与图像传感器管芯分开。
图7是根据一个实施方案的具有可调谐偏振旋转器的示例性成像系统的示意图。
图8是根据一个实施方案的具有可调谐偏振旋转器的示例性图像传感器的横截面侧视图。
图9是根据一个实施方案的具有插置在像素微透镜与滤色器阵列之间的可调谐偏振层的示例性图像传感器封装的横截面侧视图。
具体实施方式
本实用新型的实施方案涉及图像传感器。本领域的技术人员应当理解，本实用新型的示例性实施方案可在不具有一些或所有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本实用新型的实施方案，未详细描述众所周知的操作。
电子设备诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(例如，数百或数千或更多)的像素。典型图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如用于操作像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件生成的电荷相对应。
图1是示例性成像和响应系统的示意图，该系统包括使用图像传感器捕获图像的成像系统。图1的系统100可以是电子设备，诸如相机、移动电话、摄像机、或捕获数字图像数据的其他电子设备，可以是车辆安全系统(例如，主动制动系统或其他车辆安全系统)，或者可以是监视系统。
在车辆安全系统中，由图像传感器捕获的图像可供车辆安全系统使用以确定车辆周围的环境状况。例如，车辆安全系统可包括系统诸如停车辅助系统、自动或半自动巡航控制系统、自动制动系统、防撞系统、车道保持系统(有时称为车道漂移避免系统)、行人检测系统等。在至少一些情况下，图像传感器可形成半自动或自动无人驾驶车辆的一部分。系统100还可用于医学成像、监视和一般机器视觉应用。
如图1所示，系统100可包括成像系统(诸如成像系统10)和主机子系统(诸如主机子系统20)。成像系统10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器封装14(有时称为图像传感器14)以及一个或多个透镜。
相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者，在给定图像传感器阵列集成电路中可以有不同类型的图像传感器。在图像捕获操作期间，每一个透镜均可将光聚焦到相关联的图像传感器封装14上。图像传感器封装14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，像素)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、寻址电路等。
可以将来自相机传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径28提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图像专家组格式或简称JPEG格式)。在典型的布置方式(有时称为片上系统(SOC)布置方式)中，图像传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用半导体衬底(例如，共用硅图像传感器集成电路管芯)上实现。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在单独半导体衬底上。例如，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在已堆叠的单独衬底上。
成像系统10(例如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20。主机子系统20可包括处理软件，该处理软件用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中物体的距离、过滤或以其他方式处理成像系统10提供的图像。
如果需要，系统100可为用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为了实现这些功能，系统100的主机子系统20可具有输入-输出设备22(诸如按钮、小键盘、触敏区域、输入-输出端口、操纵杆和显示器)以及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性存储器和非易失性存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。
图2中示出了图1的相机模块12的布置方式的示例。如图2中所示，相机模块12包括图像传感器封装14以及控制和处理电路44。控制和处理电路44可对应于图1中的图像处理和数据格式化电路16。图像传感器封装14可包括像素阵列，诸如像素34(形成在图像传感器封装中的一个或多个图像传感器芯片上)的阵列32，并且还可包括控制电路40和42。控制和处理电路44可耦接到行控制电路40，并且可经由数据路径26耦接到列控制和读出电路42。行控制电路40可从控制和处理电路44接收行地址，并可通过控制路径36向图像像素34供应对应行控制信号(例如，双重转换增益控制信号、像素重置控制信号、电荷转移控制信号、光晕控制信号、行选择控制信号或任何其他期望像素控制信号)。列控制和读出电路42可经由一条或多条导线诸如列线38耦接到像素阵列32的列。列线38可耦接到图像像素阵列32中的每列图像像素34(例如，每列像素可耦接到对应列线38)。列线38可用于从像素34(在本文中有时称为图像传感器像素、成像像素或图像像素34)读出图像信号，并且用于向图像像素34供应偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。在图像像素读出操作期间，可使用行控制电路40来选择图像像素阵列32中的像素行，并且与该像素行的图像像素34相关联的图像数据可由列控制和读出电路42在列线38上读出。
列控制和读出电路42可包括列电路，诸如用于放大从阵列32读出的信号的列放大器、用于对从阵列32读出的信号进行采样和存储的采样和保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模拟-数字转换器电路、以及用于存储读出信号和任何其他期望数据的列存储器。列控制和读出电路42可通过线26将数字像素值输出到控制和处理电路44。
阵列32可以具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列32的大小以及阵列32中的行和列的数量将取决于图像传感器14的特定具体实施。虽然行和列在本文中一般相应被描述为水平和竖直的，但是行和列可以指任何网格状的结构(例如，本文中描述为行的特征部可竖直地布置，并且本文中描述为列的特征部可水平地布置)。
像素阵列32可以设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件，该滤色器阵列允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，图像传感器像素诸如阵列32中的图像像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的对应的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由2×2个图像像素的重复单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一个合适示例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何期望数量的图像像素34上方形成任何期望颜色和任何期望图案的滤色器元件。
如果需要，阵列32可为堆叠管芯布置方式的一部分，其中阵列32的像素34被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在此类布置方式中，阵列32中的每个像素34可在像素内的任何期望节点处被划分在两个管芯之间。举例来说，节点诸如浮动扩散节点可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与期望节点(在本示例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。期望节点可形成在连接这两个管芯的耦接结构(诸如导电焊盘、微型焊盘、导电互连结构或导电通孔等)上(即，作为该耦接结构的一部分)。在两个管芯结合之前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦合。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是例示性的。如果需要，可以使用任何金属对金属结合技术诸如软钎焊或焊接，来将形成在相应第一管芯和第二管芯上的耦接结构的第一部分和第二部分结合在一起。
如上所述，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望节点可为浮动扩散节点。另选地，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望节点可为在浮动扩散区与源极跟随器晶体管的栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在其上形成光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接到第二管芯上的源极跟随器晶体管)、在浮动扩散区与转移晶体管的源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在光电二极管未位于其上的第二管芯上)、在源极跟随器晶体管的源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点、或像素电路的任何其他期望节点。
一般来讲，阵列32、行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在一个示例中，阵列32可以形成在第一衬底中，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第二衬底中。在另一个示例中，阵列32可以被划分在第一衬底和第二衬底之间(使用上述像素划分方案中的一个像素划分方案)，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第三衬底中。
本文所述的成像系统可包括可调谐偏振滤光器。成像系统中的偏振滤光器可用于管理反射、抑制眩光、改进图像传感器的性能等。包括可调谐偏振滤光器提供了主动且可控地调制由图像传感器接收的光的偏振的能力。这可增强偏振成像的效果和灵活性，可改进全局快门传感器的性能，可增强光学开关设备和光学调制设备的效率，可减轻闪烁和眩光伪影，并且可用于像素设计。
可调谐偏振滤光器可直接集成到图像传感器封装中。例如，可调谐偏振滤光器可充当图像传感器封装的覆盖玻璃。这样集成可调谐偏振滤光器和图像传感器封装是有益的，因为其减小了系统尺寸和重量，并且还有助于减轻由于反射引起的光损耗和图像伪影。
可调谐偏振封装玻璃可结合到在图像传感器与封装玻璃之间具有气隙的图像传感器封装中。可调谐偏振封装玻璃也可结合到在图像传感器与覆盖玻璃之间没有气隙的图像传感器封装中。
可以全局水平、子阵列水平或像素水平控制该可调谐偏振层。以全局水平进行控制时，可单独控制整个可调谐偏振层(例如，整个可调谐偏振层具有相同状态)。因此，整个图像传感器接收具有相同偏振的光。当以子阵列水平进行控制时，可调谐偏振层可被划分为小于整个图像传感器的区段。可单独控制可调谐偏振层的每一个区段(例如，可调谐偏振层的区段可具有不同状态)。以像素水平进行的控制是以子阵列水平进行的控制的具体情况(例如，子集)。当以像素水平进行控制时，可调谐偏振层可被划分为各自对应于单独图像传感器像素的区段。可单独控制可调谐偏振层的每一个区段以向对应像素提供期望偏振的光。
在一些情况下，可调谐偏振层可为可调谐偏振滤光器。在该示例中，调谐该偏振滤光器的方向。可调谐偏振滤光器可在其中偏振滤光器的光轴(例如，透光轴)与入射光的偏振对准的第一状态和其中偏振滤光器的光轴垂直于入射光的偏振的第二状态之间切换。线性偏振片可定位在可调谐偏振滤光器的前面以确保光以已知偏振到达可调谐偏振滤光器。然后可调谐偏振滤光器根据需要使光通过或阻挡光。
在其他情况下，该可调谐偏振层可为可调谐偏振旋转器。在该示例中，该可调谐偏振层使穿过该可调谐偏振层的光的偏振选择性地旋转。可调谐偏振层可在其中入射光的偏振不旋转的第一状态与其中入射光的偏振旋转(例如，旋转九十度)的第二状态之间切换。线性偏振片可定位在可调谐偏振层的前面以确保光以已知偏振到达可调谐偏振层。然后，可调谐偏振滤光器使光不改变地通过，或者使光旋转以具有不同的正交偏振。附加的线性偏振片可定位在可调谐偏振层下方以使光通过或阻挡光(基于可调谐偏振层的状态)。
图3是示出具有充当可调谐偏振滤光器的可调谐偏振层的成像系统的操作的示意图。如图3中所示，入射光152A可接近具有偏振的混合的图像传感器封装(例如，“未偏振的”光)。入射光152A可穿过具有平行于图3的X轴的透光轴(例如，光轴)的线性偏振片150。因此，离开线性偏振片150的光152B具有均匀偏振(例如，平行于X轴)。随后将均匀偏振光提供给可调谐偏振层140。在图3中，可调谐偏振层充当具有可调谐透光轴的可调谐偏振滤光器。可调谐偏振层可具有其中透光轴平行于X轴的第一状态(在左侧)和其中透光轴平行于Y轴的第二状态(在右侧)。在左侧，可调谐偏振层140的透光轴与入射光152B的偏振对准。因此，光152C穿过可调谐偏振层140到达图像传感器芯片122(例如，具有成像像素阵列(如图2中的阵列32所示)的一个或多个半导体衬底层)。在右侧，可调谐偏振层140的透光轴垂直于入射光152B的偏振。因此，没有光穿过可调谐偏振层140到达图像传感器芯片122。
图4示出了具有图像传感器和可调谐偏振层的示例性集成设备14(有时称为图像传感器封装14或封装14)。图像传感器封装14包括被滤色器阵列(CFA)128和微透镜129(有时统称为CFA堆叠)覆盖的图像传感器芯片122。每一个滤色器元件128均可覆盖图像传感器芯片122的一个像素(或多于一个像素)。相应的微透镜129可覆盖每一个滤色器元件。
图像传感器122具有接合焊盘130。接合焊盘130可电连接到焊球124(例如，作为一个示例，通过衬底126中的通孔电连接到焊球)。衬底126可耦接到挡板(dam)层120。衬底126有时可称为封装基部。衬底可由一个或多个电介质层形成(作为一个示例)。挡板层120可由任何期望的材料形成并且可具有任何期望的尺寸。挡板120可例如为可限定光粘合剂，诸如可使用光刻技术施加和图案化的干膜粘合剂。附加的粘合剂118可任选地插置在挡板层120与可调谐偏振层140之间。又如，挡板层120可直接附接到可调谐偏光层140而无需介入粘合剂。
可调谐偏振层140(有时称为可调谐偏振覆盖玻璃140、可调谐偏振滤光器140、可调谐偏振设备140等)包括液晶材料层110，该液晶材料层插置在透明衬底102和104与充当电极(并且因此有时称为电极106和108)的透明导电涂层106和108之间。透明衬底102和104可由玻璃或另一种期望材料形成。线性偏振片150可形成在透明衬底102上方。间隔件116可用于包封液晶材料110。配向膜(alignment film)(例如，由聚酰亚胺形成)可形成在电极层中的一个电极层(例如，电极层108)与液晶材料110之间。第一电极层106可插置在液晶层110与玻璃衬底102之间。第二电极层108可插置在液晶层110与玻璃衬底104之间。透明导电层106和108可由透明导电氧化物(诸如氧化铟锡(ITO)、掺杂铝的氧化锌(AZO)等)、透明导电聚合物(诸如聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT))和/或碳纳米管形成。液晶层110可由任何期望的液晶材料(例如，铁电液晶)形成。液晶层110充当可调谐偏振层140的可切换层。用于形成可调谐偏振层的可切换层的液晶材料的示例也仅仅是示例性的。一般来讲，具有可控光学特性(例如，响应于电场)的任何材料均可用于将可调谐偏振层中的光选择性地改变。
电极层106可电连接到端子114(有时称为偏置电压源端子114、电压源端子114等)。电极层108可电连接到端子112(有时称为偏置电压源端子112、电压源端子112等)。
端子112和114可被控制以跨液晶层110施加期望电场(偏置电压)。在第一偏置电压下，液晶层可使第一偏振(例如，来自内衬偏振片150的已知偏振)的光通过并且阻挡不同于(例如，正交于)第一偏振的第二偏振的光。在第二偏置电压下，液晶层可使第二偏振的光通过并阻挡第一偏振的光。因为来自线性偏振片150的所有光均具有均匀偏振，所以如果需要，可阻挡所有光。
这样，可使用电极106和108来调谐可调谐偏振设备140。调整偏振滤光器的能力提高了成像系统的操作中的灵活性。将可调谐偏振层140集成为封装14的一部分减小了成像系统的尺寸和重量，并且还有助于减轻由于反射引起的光损耗和图像伪影。
在图4中，可调谐偏振设备140通过充气间隙132与图像传感器122、滤色器阵列128和微透镜129分开。该示例仅仅是示例性的，并且如果需要，可以用其他材料填充充气间隙。
在图4的示例中，全局地控制可调谐偏振设备140。电极106和108覆盖整个图像传感器芯片122。可控制电极，使得整个液晶层被置于期望状态，并且由图像传感器芯片接收的所有光均以相同方式由可调谐偏振层进行滤光。
这个示例仅仅为示例性的。如果需要，可以子阵列水平或逐像素水平控制可调谐偏振封装玻璃。图5示出了这种类型的图像传感器封装14。图5的封装类似于图4的封装，并且已经结合图4描述的部件将不再结合图5进行描述。
在图5中，电极106被绝缘体138划分为电隔离区段，而不是如图4中的单个连续导电结构。绝缘体138可由任何期望的材料形成。相似地，可结合附加间隔件116以将液晶层110划分为隔离区段。绝缘体138和间隔件116可重叠(例如，以网格图案重叠)。液晶层110的每一个区段(由间隔件116限定)均可具有电极106的对应区段(由绝缘体138限定)。电极的每一个区段均被配置为控制其液晶层110的对应区段。
电极106(和液晶层110)的每一个单独可控区段可与图像传感器122的少于所有像素重叠(在子阵列控制方案中)和/或可与图像传感器122的恰好一个像素重叠(在逐像素控制方案中)。电极106的每一个区段均可具有对应端子114以用于控制施加到该电极区段和液晶层的对应部分的偏置电压。可能需要多于一个端子114来利用已划分电极106的益处。电极106(和液晶层110)的每一个单独可控区段也均可从图像传感器的相应像素偏移或偏离，使得具有具体主光线角度的全局透镜系统使光成角度穿过可调谐偏振片的具体区段进入图像传感器的指定像素。微透镜、滤色器和可调谐偏振片与图像传感器光电二极管之间的任何其他光导特征同样也可径向偏移，以便使通过相机系统聚焦的图像的角度接受度最大化。
仅仅示出了液晶材料110与透明衬底102之间的电极106被划分成电隔离区段而电极108保持未划分的示例。如果需要，可使用(已划分电极108和未划分电极106的)相反布置方式。
在图5中，可调谐偏振层140再次通过充气间隙132与图像传感器122、滤色器阵列128和微透镜129分开。该示例仅仅是示例性的，并且如果需要，可以用其他材料填充充气间隙。
图6示出了在图像传感器芯片122与可调谐偏振层140之间没有充气间隙的图像传感器封装的示例。图6的封装类似于图4的封装，并且已经结合图4描述的部件将不再结合图6进行描述。同样，区段或像素部件的径向位置中可存在偏移或偏离，这优化了从成像场景到每一个像素的光电二极管上的光的收集。这些参数基于聚焦透镜的主光线角度并且基于系统的z轴中的每一个分量的距离来优化。
在图6中，示出了封装14，该封装在微透镜129与滤色器阵列128以及可调谐偏振层140之间没有气隙。如图所示，透明粘合剂层136可插置在可调谐偏振层140和微透镜129以及滤色器阵列128(有时统称为滤色器堆叠)之间。在一些实施方案中，透明粘合剂层136可直接接触可调谐偏振层的玻璃衬底104和形成在图像传感器122上方的微透镜129两者。然而，附加的低折射率层134可任选地包括在滤色器堆叠上方。如图6中所示，低折射率层134可覆盖滤色器堆叠和图像传感器芯片122。因此，透明粘合剂136与衬底玻璃104和低折射率层134直接接触。在封装14中包括低折射率层134可增大微透镜与周围材料之间的折射率差值以允许微透镜更好地聚焦光。低折射率层134可具有比微透镜129和/或粘合剂层136低的折射率。低折射率层134的折射率可小于1.5、小于1.4、小于1.3、小于1.2、小于1.1等。
如图6中所示，可全局地控制图6的可调谐偏振层140。另选地，可以与图5所示类似的子阵列和/或逐像素水平控制图6的可调谐偏振层140。
图7是示出具有充当可调谐偏振旋转器的可调谐偏振层的成像系统的操作的示意图。如图7中所示，入射光152A可接近具有偏振的混合的图像传感器封装(例如，“未偏振的”光)。入射光152A可穿过具有平行于图7的X轴的透光轴的线性偏振片150。因此，离开线性偏振片150的光152B具有均匀偏振(例如，平行于X轴)。随后将均匀偏振光提供给可调谐偏振层140。在图7中，可调谐偏振层充当使光的偏振选择性地旋转的可调谐偏振旋转器。可调谐偏振层可具有其中光穿过未改变的可调谐偏振层的第一状态(在左侧)和其中穿过可调谐偏振层的光的偏振被旋转的第二状态(在右侧)。在左侧，穿过可调谐偏振层的光152C因此具有平行于X轴的偏振轴。在右侧，穿过可调谐偏振层的光152D因此具有平行于Y轴的偏振(例如，与光152B正交的偏振)。然后，来自可调谐偏振层的光可到达附加的线性偏振片162。在图7的示例中，线性偏振片162具有平行于X轴(例如，平行于线性偏振片150的透光轴)的透光轴(例如，光轴)。因此，光152C(在左侧)穿过线性偏振片162。来自线性偏振片162的光152E然后到达图像传感器管芯122。相比之下，光152D(在右侧)被线性偏振片162阻挡并且不会到达图像传感器管芯122。
在图7的示例中，线性偏振片162具有平行于线性偏振片150的轴的光轴。因此，未被可调谐偏振层140旋转的光穿过线性偏振片162，并且被可调谐偏振层旋转的光被线性偏振片162阻挡。这个示例仅仅为示例性的。如果需要，线性偏振片162可具有与偏振片150的光轴正交的光轴。在这种类型的布置方式中，被可调谐偏振层140旋转的光穿过线性偏振片162，并且未被可调谐偏振层旋转的光被线性偏振片162阻挡。
图8示出了包括可调谐偏振旋转器(如结合图7所示和所讨论)的示例性图像传感器封装14。图8的封装类似于图4的封装，并且已经结合图4描述的部件将不再结合图8进行描述。
如图8中所示，图像传感器封装14包括插置在透明衬底104与粘合剂118之间的附加的线性偏振片162。因此，该封装包括线性偏振片150、用于使光的偏振选择性地旋转的可调谐偏振片层140、以及用于将光传递到图像传感器管芯或阻挡光的线性偏振片162。
端子112和114可被控制以跨液晶层110施加期望电场(偏置电压)。在第一偏置电压下，液晶层可不旋转入射光的偏振。在第二偏置电压下，液晶层可旋转入射光的偏振(例如，旋转九十度)。中间偏置电压也可用于将入射光偏振旋转中间量。
这样，可使用电极106和108来调谐可调谐偏振设备140。调谐偏振滤光器的能力提供了成像系统的操作中更大的灵活性。将可调谐偏振层140集成为封装14的一部分减小了成像系统的尺寸和重量，并且还有助于减轻由于反射引起的光损耗和图像伪影。
在图8中，全局地控制可调谐偏振封装玻璃。这个示例仅仅为示例性的。如果需要，可替代地以子阵列水平和/或逐像素水平控制可调谐偏振封装玻璃。换句话讲，液晶层110和电极106可被分段成离散的、单独可控的部分，如结合图5所示。
相似地，图8中在图像传感器管芯122与偏振片162之间存在气隙的示例仅仅是示例性的。类似于结合图6所示，透明粘合剂层可插置在偏振片162和微透镜129以及滤色器阵列128之间。在一些实施方案中，透明粘合剂层可直接接触偏振片162和形成在图像传感器122上方的微透镜两者。然而，类似于图6所示，附加的低折射率层可任选地包括在滤色器堆叠上方。因此，透明粘合剂可直接接触偏振片162和低折射率层134。在封装14中包括低折射率层可增大微透镜与周围材料之间的折射率差值以允许微透镜更好地聚焦光。
在图4至图6以及图8的示例中，线性偏振片150直接形成在图像传感器封装的透明衬底102上。与在图像传感器封装外部形成线性偏振片150的布置方式相比，这可改进线性偏振片相对于可调谐偏振层的对准。然而，根据成像系统的特定设计，线性偏振片150可任选地形成在图像传感器封装的外部(例如，线性偏振片可不直接附接到图像传感器封装，而是可替代地结合到图像传感器封装上方的透镜堆叠中)。
在图4至图6以及图8中，衬底126、挡板120、粘合剂118、图像传感器管芯122、以及可调谐偏振层140可统称为具有可调谐偏振层的集成图像传感器或图像传感器封装。可调谐偏振层140形成图像传感器封装的盖(有时称为壁)。衬底126可称为形成图像传感器封装的基部或壁。挡板120和粘合剂118可称为形成图像传感器封装的壁。透明偏振层140(以及一个或多个伴随的偏振片)形成封装盖，而不是透明衬底简单地形成封装盖。然而，该示例仅仅是示例性的。在另选的布置方式中，可调谐偏振层可结合到CFA堆叠中。
图9是具有形成在像素阵列的微透镜下方的可调谐偏振层的示例性图像传感器封装的横截面侧视图。如图9中所示，类似于先前的示例，图像传感器封装14包括被滤色器阵列(CFA)128和微透镜129(有时统称为CFA堆叠)覆盖的图像传感器芯片122。每一个滤色器元件128均可覆盖图像传感器芯片122的一个像素(或多于一个像素)。相应的微透镜129可覆盖每一个滤色器元件。
另外，如图9中所示，可调谐偏振层140可插置在滤色器阵列128与微透镜129之间。该示例仅仅是示例性的，并且可调谐偏振层可替代地形成在CFA堆叠上方。可调谐偏振层可具有结合图4至图6以及图8所述的布置方式中的任一种布置方式。换句话讲，图9的可调谐偏振层可充当可调谐偏振滤光器或者可充当可调谐偏振旋转器。可全局地或以子像素阵列和/或逐像素水平控制图9的可调谐偏振层。在一个示例中，可调谐偏振层可具有部分阵列，其中每一个单独可控部分均对应于下面的图像传感器管芯中的相应像素。
图像传感器122具有接合焊盘130。接合焊盘130可电连接到焊球124(例如，作为一个示例，通过衬底126中的通孔电连接到焊球)。衬底126可耦接到挡板层120。挡板层120可由任何期望的材料形成并且可具有任何期望的尺寸。挡板120可例如为可限定光粘合剂，诸如可使用光刻技术施加和图案化的干膜粘合剂。粘合剂118可插置在挡板层120与透明衬底104(例如，玻璃或聚合物层)之间。
可调谐偏振层140插置在微透镜129与滤色器阵列128之间的示例仅仅是示例性的。如果需要，可调谐偏振层可替代地定位在滤色器阵列128与图像传感器管芯122之间或定位在图像传感器封装内的任何其他期望位置处。另外，一个或多个线性偏振片可与可调谐偏振层140相邻(例如，如图4至图6以及图8所示)。
在图3至图9的示例中，图像传感器封装的无源部件和有源部件具有均匀的光学特性。换句话讲，无源部件(诸如线性偏振片150和162)跨偏振片的整个区域具有相同的光轴方向。有源部件(例如，液晶层)也可自始至终具有相同的光学特性(即使当以子阵列和/或逐像素水平控制液晶层时)。然而，情况可能并非如此。在一些布置方式中，无源和/或有源部件的光学特性可跨图像传感器变化。例如，线性偏振片150和/或162可在偏振片内的不同位置处具有不同的透光轴取向。
使用图3至9的图像传感器封装具有许多益处。这些类型的布置方式可增大偏振成像应用中的阵列分辨率，因为每一个像素均可具有两种偏振态，可使偏振成像中的串扰最小化，可有益于光学切换和光学调制设备，并且可减轻杂散光和反射伪影。另外，控制被提供给成像像素的光的偏振态可有助于优化成像像素的设计。另外，使用此类液晶层控制光可用于改进传感器中的动态范围。
图3至图9的图像传感器封装还可提高全局快门传感器的全局快门效率，并且更重要的是，在全局重置释放快门(GRR)模式或试图用ERS传感器实现全局快门操作的另一种模式下操作时，提高电子卷帘快门(ERS)传感器的全局快门效率。图3至图9的可调谐偏振层可充当阻挡入射光到达下面的成像像素阵列的光学快门。在全局快门图像传感器中，与像素光电二极管分开形成的光学阻挡电荷存储区可用于存储电荷，直到执行逐行读出为止。ERS传感器不包括存储节点，这有利于使像素尺寸最小化。如果控制时序以确保所有像素在相同时间段内积分，则它们可在类似于全局快门操作的模式下操作。然而，如果没有防止光在一些像素积分但其他像素不积分的时间期间到达图像平面的机制，则应当预期获得伪影，诸如运动伪影和亮度随行顺序的逐渐变化。如果光学快门与ERS传感器操作同步以允许光仅在所有像素均积分时到达图像平面，则由图3至图9的可调谐偏振层实现的光学快门功能性可允许减轻这些类型的伪影。
图3至图9的图像传感器封装也可用于LIDAR(光探测和测距)应用中。LIDAR系统可使用激光器来提供已知偏振的光。关于返回脉冲的偏振态的信息可有益于构造所捕获场景的深度图。
根据一个实施方案，一种成像系统可包括衬底；图像传感器，该图像传感器具有形成在衬底上的成像像素阵列；以及可调谐偏振层，该可调谐偏振层覆盖图像传感器，该可调谐偏振层和该衬底形成用于图像传感器的封装。
根据另一个实施方案，可调谐偏振层可包括液晶材料层。
根据另一个实施方案，可调谐偏振层可包括第一电极和第二电极，并且液晶材料层可插置在第一电极与第二电极之间。
根据另一个实施方案，可调谐偏振层可包括第一透明衬底和第二透明衬底，该第一电极可插置在液晶材料层与第一透明衬底之间，并且该第二电极可插置在液晶材料层与第二透明衬底之间。
根据另一个实施方案，该成像系统还包括线性偏振片，该线性偏振片形成在第一透明衬底上，并且该液晶材料层可插置在该线性偏振片与图像传感器之间。
根据另一个实施方案，该成像系统还可包括挡板，该挡板附接到衬底；以及粘合剂，该粘合剂将挡板耦接到第二透明衬底。
根据另一个实施方案，该成像系统还可包括第一线性偏振片，该第一线性偏振片形成在第一透明衬底上；以及第二线性偏振片，该第二线性偏振片形成在液晶材料层与图像传感器之间。液晶材料层可插置在第一线性偏振片与图像传感器之间。
根据另一个实施方案，该成像系统还可包括挡板，该挡板附接到衬底；以及粘合剂，该粘合剂将挡板耦接到第二线性偏振片。
根据另一个实施方案，该图像传感器可形成在衬底的上表面上，并且该成像系统还可包括多个焊球，该多个焊球在衬底的下表面上。
根据另一个实施方案，在衬底与可调谐偏振层之间可存在气隙。
根据另一个实施方案，该成像系统还可包括，该透明粘合剂形成在衬底与可调谐偏振层之间。
根据另一个实施方案，该图像传感器可包括微透镜，该微透镜形成在成像像素阵列上方，并且该成像系统还可包括低折射率层，该低折射率层形成在微透镜与透明粘合剂之间。
根据另一个实施方案，可调谐偏振层可具有覆盖整个图像传感器的连续可调节部分。
根据另一个实施方案，可调谐偏振层可具有多个独立片段，该多个独立片段各自覆盖图像传感器的子集。
根据另一个实施方案，可调谐偏振层可包括被配置为将光选择性地传递到图像传感器的可调谐偏振滤光器。
根据另一个实施方案，可调谐偏振层可包括被配置为使光的偏振选择性地旋转的可调谐偏振旋转器。
根据一个实施方案，一种图像传感器封装可包括：图像传感器管芯，该图像传感器管芯具有第一侧和相反的第二侧；衬底，该衬底形成在图像传感器管芯的形成封装基部的第一侧上；以及可调谐偏振层，该可调谐偏振层形成在图像传感器管芯的形成封装盖的第二侧上。
根据另一个实施方案，可调谐偏振层可包括液晶层。
根据一个实施方案，一种图像传感器可包括成像像素阵列；多个微透镜，每一个微透镜均与成像像素阵列中的相应成像像素重叠；以及可调谐偏振层，该可调谐偏振层插置在成像像素阵列与多个微透镜之间。
根据另一个实施方案，可调谐偏振层可包括液晶层。
前述内容仅仅是对本实用新型原理的示例性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：
衬底；
图像传感器，所述图像传感器具有形成在所述衬底上的图像像素阵列；和
可调谐偏振层，所述可调谐偏振层覆盖所述图像传感器，其中，所述可调谐偏振层和所述衬底形成用于所述图像传感器的封装。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，其中，所述可调谐偏振层包括液晶材料层，其中，所述可调谐偏振层包括第一电极和第二电极，其中，所述液晶材料层插置在所述第一电极与所述第二电极之间，其中，所述可调谐偏振层包括第一透明衬底和第二透明衬底，其中，所述第一电极插置在所述液晶材料层与所述第一透明衬底之间，并且其中，所述第二电极插置在所述液晶材料层与所述第二透明衬底之间。
3.根据权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：
线性偏振片，所述线性偏振片形成在所述第一透明衬底上，其中，所述液晶材料层插置在所述线性偏振片与所述图像传感器之间；
挡板，所述挡板附接到所述衬底；和
粘合剂，所述粘合剂将所述挡板耦接到所述第二透明衬底。
4.根据权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：
第一线性偏振片，所述第一线性偏振片形成在所述第一透明衬底上，其中，所述液晶材料层插置在所述第一线性偏振片与所述图像传感器之间；
第二线性偏振片，所述第二线性偏振片形成在所述液晶材料层与所述图像传感器之间；
挡板，所述挡板附接到所述衬底；和
粘合剂，所述粘合剂将所述挡板耦接到所述第二线性偏振片。
5.根据权利要求1所述的成像系统，其中，在所述衬底与所述可调谐偏振层之间存在气隙。
6.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：
透明粘合剂，所述透明粘合剂形成在所述衬底与所述可调谐偏振层之间，其中，所述图像传感器包括形成在所述成像像素阵列上方的微透镜；和
低折射率层，所述低折射率层形成在所述微透镜与所述透明粘合剂之间。
7.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述可调谐偏振层具有覆盖所述整个图像传感器的连续可调节部分。
8.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述可调谐偏振层具有多个独立片段，所述多个独立片段各自覆盖所述图像传感器的子集。
9.一种图像传感器封装装置，其特征在于，所述图像传感器封装装置包括：
图像传感器管芯，所述图像传感器管芯具有第一侧和相对的第二侧；
衬底，所述衬底形成在所述图像传感器管芯的形成封装基部的所述第一侧上；和
可调谐偏振层，所述可调谐偏振层形成在所述图像传感器管芯的形成封装盖的所述第二侧上。
10.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：
成像像素阵列；
多个微透镜，其中，每一个微透镜均与所述成像像素阵列中的相应成像像素重叠；和
可调谐偏振层，所述可调谐偏振层插置在所述成像像素阵列与所述多个微透镜之间。
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