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Stand der Technik
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Bildsensoren mit einer Matrix-förmigen Anordnung von lichtempfindlichen Elementen bzw. Bildpunkten oder Pixeln werden insbesondere in CMOS- oder CCD-Technologie ausgebildet,
Bildsensoren können für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden. Ein Anwendungsgebiet ist der Einsatz für ein Bildbearbeitungssystem in einem Fahrerassistenzsystem. Je nach Funktion eines solchen Fahrerassistenzsystems ist es notwendig, den gesamten Farbraum eines aufzunehmenden Objektes, beispielsweise der Umgebung eines Fahrzeugs, mit einer hohen Farbtreue abzubilden, oder aber Objekte nur in grobe Farbklassen zu unterteilen. Für die elektronische Bildaufnahme mit hoher Farbtreue können so genannte Drei-Chip-Kameras mit je einem Spektralkanal für rot, grün und blau verwendet werden. Eine Kamera umfasst neben dem Bildsensor insbesondere optische Elemente wie Linsen, Polarisatoren oder Filter. Des Weiteren ist es bekannt, Kameras mit Bildsensoren zu verwenden, bei denen vor den einzelnen lichtempfindlichen Elementen ein Farbfilter, üblicherweise ein Rot-, Grün- oder Blau-Filter, angeordnet ist. Diese Filteranordnung wird als „color mosaic filter“ bezeichnet. Die Mosaikanordnung richtet sich nach dem Verwendungszweck der Kamera. Eines der gebräuchlichsten Filtermuster ist das Bayer-Pattern, welches eine gute Farbseparation im gesamten CIE (Commission internationale de l'éclairage)-Farbraum erlaubt.
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Bei Bildsensoren auf Halbleiterbasis werden für die Farbseparation typischerweise dünne on-Chip-Mosaikfilterschichten eingesetzt, die aus organischen Materialien bestehen und je nach Zusammensetzung Licht spektral selektiv filtern; die Mosaikfilterschichten werden somit direkt auf den lichtempfindlichen Elementen des Bildsensors aufgetragen. Die Filtercharakteristik solcher Filter ist in der Regel allerdings über einen großen Spektralbereich, insbesondere auch im infraroten Spektralbereich transparent. Um beispielsweise eine Farbseparation wirksam durchführen zu können, ist eine zusätzliche Filtereinheit notwendig, die eine Dämpfung beispielsweise der infraroten Strahlung vornimmt.
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In der Regel werden zusätzliche Filter großflächig als vom Bildsensor getrennte separate Einheit oder als aufgetragene Schicht auf optischen Elementen ausgebildet. Die
DE 10 2004 001 556 A1 offenbart beispielsweise eine Kamera mit einem Bildsensor, wobei vor einem Teilbereich des Bildsensors mit einem Abstand eine separate Filtereinheit angeordnet ist. Die Filtereinheit wird dazu eingesetzt, den Abblendlichtbereich zu dämpfen, damit die Empfindlichkeit des Bildsensors im nahen Infrarot-Bereich erhalten bleibt.
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Die
DE 10 2009 013 112 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Waferstapels mit einer Vielzahl von mikrooptischen Elementen.
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Die
US 2007/0 052 050 A1 offenbart eine Methode zur Herstellung einer Vorrichtung, welche eine ausgedünnte Rückseite eines Halbleiter Wafers umfasst.
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Die
DE 602 23 052 T2 beschreibt eine Verfahren zur Herstellung eines Farbbildsensors.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Bildsensor geschaffen, bei dem lediglich vor einem Teil bzw. einer Teilmenge der lichtempfindlichen Elemente jeweils ein wellenlängenselektives erstes Mikrofilterelement angebracht ist. Die Mikrofilterelemente sind an einem transparenten Träger ausgebildet bzw. angebracht, der somit als Ganzes an dem Substrat des Bildsensors direkt oder indirekt befestigt werden kann.
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Durch die ersten Mikrofilterelemente kann auf die lichtempfindlichen Elemente auftretende Strahlung selektiv für kleine Gruppen von lichtempfindlichen Elementen, insbesondere auch für einzelne lichtempfindliche Elemente, gefiltert werden. Vorzugsweise sind dabei die ersten Mikrofilterelemente räumlich gleichmäßig verteilt vor den lichtempfindlichen Elementen angeordnet.
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Indem die ersten Mikrofilterelemente an einem Träger befestigt sind, wird ermöglicht, die ersten Mikrofilterelemente in einem unabhängigen Prozess getrennt von der Herstellung der lichtempfindlichen Elemente und möglicherweise Versehen der lichtempfindlichen Elemente mit zusätzlichen Schichten, beispielsweise organischen Farbfiltern, herzustellen. Die Herstellung der ersten Mikrofilterelemente auf einem separaten Träger ermöglicht es, nicht für die Halbleiter-Prozessierung geeignete Verfahren, z.B. Lift-Off-Verfahren zu verwenden, bei denen z.B. für die ersten Mikrofilterelemente Materialien verwendet werden, die im Herstellprozess der lichtempfindlichen Elemente und ggf. auf den lichtempfindlichen Elementen aufgebrachten weiteren Schichten unerwünscht sind, beispielsweise zu einer Kontaminierung dieser Elemente führen könnten.
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Die ersten Mikrofilterelemente und die lichtempfindlichen Elemente besitzen vorzugsweise Abmaße im Mikrometerbereich. Vorzugsweise ist die maximale Ausdehnung eines Mikrofilterelementes und eines lichtempfindlichen Elementes kleiner/gleich 100 µm, bevorzugt kleiner/gleich 10 µm. Die lichtempfindlichen Elemente sind vorzugsweise halbleiterbasiert, z.B. CMOS- und/ oder CCD-Elemente. Die ersten Mikrofilterelemente können beispielsweise als Interferenz- oder Absorptionsfilter ausgebildet sein. Der transparente Träger kann beispielsweise ein Glas oder eine transparente Folie sein. Vorzugsweise sind die ersten Mikrofilterelemente derart ausgebildet, dass diese Licht zumindest im nahen Infrarotbereich (NIR) blocken, also im Wellenlängenbereich von etwa 780 bis 1.000 nm. Bestimmte lichtempfindliche Elemente des Bildsensors, die beispielsweise mit Farbfiltern für die Erkennung von Farbbereichen im visuellen Spektralbereich ausgebildet sind, können auf diese Weise durch derartige erste Mikrofilterelemente effektiv vor einer Überstrahlung durch NIR-Strahlung geschützt werden. Dies gilt insbesondere für den benachbart zum NIR-Spektralbereich liegenden Spektralbereich des sichtbaren roten Lichtes.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bildsensors werden auf einem transparenten Träger eine Vielzahl von ersten Mikrofilterelementen aufgebracht. Der Träger mit den an diesem befestigten ersten Mikrofilterelementen wird derart von einer Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen angeordnet, dass vor einem Teil der lichtempfindlichen Elemente jeweils vor einem lichtempfindlichen Element ein erstes Mikrofilterelement angeordnet ist derart, dass auf diese lichtempfindlichen Elemente treffendes Licht durch ein erstes Mikrofilterelement gefiltert ist.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, die durch mehrere Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
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Dabei zeigt:
- 1 eine erste Ausführungsform eines Bildsensors vor dem Fügen eines Trägers mit daran befestigten ersten Mikrofilterelementen an einem Substrat mit lichtempfindlichen Elementen,
- 2 den Bildsensor gemäß der ersten Ausführungsform nach Fügen des Trägers an dem Substrat,
- 3 eine Aufsicht auf ein durch die lichtempfindliche Elemente des Bildsensors der ersten Ausführungsform gebildeten Sensorfeldes,
- 4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors,
- 5 eine Aufsicht auf ein durch die lichtempfindlichen Elemente des Bildsensors der zweiten Ausführungsform gebildeten Sensorfeldes,
- 6 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors, und
- 7 ein durch die lichtempfindlichen Elemente gebildetes Sensorfeld der dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors.
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Gleiche oder einander entsprechende Bauteile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors 1a jeweils in einer Querschnittsansicht. Zwecks besserer Erkennbarkeit der einzelnen Elemente wurde auf Maßstabstreue der Figuren verzichtet.
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Der Bildsensor 1a umfasst eine Vielzahl von ein Sensorfeld 11a, siehe 3, bildenden lichtempfindlichen Elementen 2, eine Vielzahl von ersten Mikrofilterelementen 3a und einen transparenten Träger 4a, an dessen Oberfläche die ersten Mikrofilterelemente 3a befestigt sind. Die lichtempfindlichen Elemente 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel als eindiffundierte Dioden in einem Siliziumsubstrat 8 ausgebildet und als CMOS-Sensoren ausgebildet. Alternativ können die lichtempfindlichen Elemente 2 beispielsweise auch als CCD-Sensor ausgebildet sein. Der Träger 4a wird durch ein transparentes Glassubstrat gebildet.
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Die ersten Mikrofilterelemente 3a sind als Interferenzfilter für das Blockieren von Licht im nahen Infrarotbereich ausgebildet. Ihre Ausdehnung ist an die Ausdehnung der lichtempfindlichen Elemente 2 angepasst, so dass ein einzelnes Mikrofilterelement 3a deckend vor einem lichtempfindlichen Element 2 angeordnet werden kann, aber keine benachbart liegenden lichtempfindlichen Elemente 2 überdeckt. Die einem lichtempfindlichen Element gegenüberliegende Oberfläche 9 eines ersten Mikrofilterelementes ist quadratisch mit einer Seitenlänge von 6 µm ausgebildet. Dies entspricht im Wesentlichen der Seitenlänge des ebenfalls mit quadratischer Oberfläche 10 ausgebildeten lichtempfindlichen Elementes 2. Die Dicke von einem ersten Mikrofilterelement 3a und einem lichtempfindlichen Element 2 liegt unterhalb dieses Wertes.
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Auf einer Teilmenge der lichtempfindlichen Elemente 2 ist jeweils an der Oberfläche 10 eines lichtempfindlichen Elementes 2 ein Farbfilter aufgebracht, hier ein Farbfilter aus einem organischen Material. Von vier benachbart liegenden lichtempfindlichen Elementen 2, siehe 3, ist auf jeweils einem lichtempfindlichen Element 2 ein Rot-Filter 6a für die Filterung von rotem Licht, ein Grün-Filter 6b für die Filterung von grünem Licht und ein Blau-Filter 6c für die Filterung von blauem Licht aufgebracht. Das vierte lichtempfindliche Element dieser Vierer-Gruppe bleibt unbedeckt durch einen derartigen Farbfilter. Die Farbfilter 6a, 6b, 6c entsprechen in ihren Abmaßen der Oberfläche 10 der lichtempfindlichen Elemente 2.
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Die ersten Mikrofilterelemente 3a sind derart auf der Oberfläche des Trägers 4a angeordnet, dass jeweils ein erstes Mikrofilterelement 3a vor einem lichtempfindlichen Element 2, das durch einen Farbfilter 6a, 6b oder 6c überdeckt ist, angeordnet werden kann. Das vierte lichtempfindliche Element 2 einer solchen Vierer-Gruppe bleibt damit durch Farbfilter 6a, 6b, 6c und zweites Mikrofilterelement 3a unbedeckt.
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Des Weiteren befinden sich zwischen zweiten Mikrofilterelementen 3a und dem Träger 4a dritte Mikrofilterelemente 7, die als V-Lambda-Filter ausgebildet sind. V-Lambda-Filter sind als solche bekannt; sie berücksichtigen die unterschiedliche Empfindlichkeit des Auges für verschiedene Wellenlängen des sichtbaren Lichtes und filtern die einfallende Strahlung somit in entsprechender Weise. Die entsprechen in ihrer Flächenausdehnung hier in etwa den ersten Mikrofilterelementen 3a. Alternativ hierzu können die V-Lambda-Filter 7 aber auch in den Bereichen zwischen den ersten Mikrofilterelementen vorgesehen sein und somit auch das Licht filtern, dass auf die weiteren lichtempfindlichen Elemente 2 fällt.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die ersten Mikrofilterelemente 3a und die V-Lambda-Filter in einem separaten Prozess auf den Träger 4a aufgebracht worden. Für die Aufbringung der ersten und dritten Mikrofilterelemente 3a, 7 können bekannte Mikrostrukturierungsprozesse verwendet werden, die nicht Halbleiter-kompatibel sind, beispielsweise ein Lift-Off-Verfahren. Der Träger 4a mit den ersten Mikrofilterelementen 3a und den V-Lambda-Filtern wird nun derart vor den lichtempfindlichen Elementen 2 angeordnet, dass die mit einem Farbfilter bedeckten lichtempfindlichen Elemente durch erste Mikrofilterelemente 3a einschließlich V-Lambda-Filter überdeckt sind, siehe 2. Die ersten Mikrofilterelemente 3a sind dabei den lichtempfindlichen Elementen 2 zugewandt und werden im Wesentlichen spaltfrei über den lichtempfindlichen Elementen 2 angeordnet. Diese spaltfreie Anordnung der ersten Mikrofilterelemente 3a vor den lichtempfindlichen Elementen 2 verhindert ein seitliches Unterstrahlen der ersten Mikrofilterelemente 3a. Dünne Filterelemente, wie die Farbfilter 6a, 6b, 6c oder dünne Schutzschichten sind dabei dem Spalt nicht zugerechnet.
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Die lichtempfindlichen Elemente 2 sind sensitiv über einen Spektralbereich, der sichtbares Licht und nahes Infrarot umfasst. Der Bildsensor 1a ermöglicht damit die Bildaufnahme sowohl im sichtbaren Spektralbereich als auch im nahen Infrarotbereich. Dadurch, dass vor den Farbfiltern 6a, 6b, 6c erste Mikrofilterelemente angeordnet sind, die Strahlung im nahen Infrarot blocken, wird eine Überstrahlung der zugeordneten lichtempfindlichen Elemente 2 verhindert. Die V-Lambda-Filter unterstützen die Farbtreue der Bildaufnahme. Die durch erste Mikrofilterelemente 3a nicht bedeckten lichtempfindlichen Elemente 2 ermöglichen die NIR-Bildaufnahme. Dadurch, dass die ersten Mikrofilterelemente 3a räumlich gleichmäßig verteilt vor den lichtempfindlichen Elementen 2 angeordnet sind, insbesondere sich benachbart zu jedem lichtempfindlichen Element 2, vor dem ein erstes Mikrofilterelement 3a angeordnet ist, ein lichtempfindliches Element 2 befindet, vor dem kein erstes Mikrofilterelement angeordnet ist, ist die Nutzung des durch die lichtempfindlichen Elemente 2 gebildeten gesamten Sensorfeldes für die Bildaufnahme in beiden Spektralbereichen, also sichtbares Licht und NIR, möglich. Zu dem ist eine hohe Auflösung gewährleistet.
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Der Bildsensor 1a ist beispielsweise verwendbar für eine Kamera eines Fahrzeugassistenzsystems für die Bildaufnahme bei Tag und Nacht. Die V-Lambda-Filter 7 können auch weg gelassen werden.
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Die 4 und 5 zeigen schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bildsensors 1b. 4 zeigt dabei eine Querschnittsansicht des Bildsensors 1b, 5 ein Sensorfeld des Bildsensors 1b.
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Der Bildsensor 1b umfasst eine Vielzahl von ein Sensorfeld 11b bildenden lichtempfindlichen Elementen 2, eine Vielzahl von ersten Mikrofilterelementen 3a und einen transparenten Träger 4a, an dem die ersten Mikrofilterelemente 3a befestigt sind. Träger 4a, erste Mikrofilterelemente 3a und lichtempfindliche Elemente 2, die in einem Silizium-Substrat 8 ausgebildet sind, sind entsprechend den Elementen der ersten Ausführungsform ausgebildet. Allerdings weist der Bildsensor 1b keine V-Lambda-Filter 7 auf, d. h., die ersten Mikrofilterelemente 3a sind direkt auf der Oberfläche des Trägers 4a befestigt.
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Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform umfasst der Bildsensor 1b als zweite Mikrofilterelemente lediglich Rot-Filter 6a. Die Sensoroberfläche jedes zweiten lichtempfindlichen Elementes 2 ist von einem Rot-Filter 6a überdeckt, siehe 5. Die Rot-Farbfilter 6a sind dabei räumlich gleichmäßig über die lichtempfindlichen Elemente 2 verteilt. Die ersten Mikrofilterelemente 3a sind derart an dem Träger 4a angeordnet, dass jeweils ein einzelnes erstes Mikrofilterelement 3a vor einem lichtempfindlichen Element 2 angeordnet ist, das von einem Rot-Farbfilter 6a überdeckt ist. Diejenigen lichtempfindlichen Elemente 2, die nicht durch einen Rot-Farbfilter 6a überdeckt sind, sind damit auch nicht durch erste Mikrofilterelemente 3a bedeckt.
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Die Herstellung des Bildsensors 1b kann mittels des im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels beschriebenen Herstellungsverfahrens umgesetzt werden.
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Der Bildsensor 1b eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen die Trennung von einzelnen Spektralbereichen erwünscht ist, aber die Sensitivität durch Strahlung aus anderen Spektralbereichen, hier dem nahen Infrarot, beeinträchtigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird durch die ersten Mikrofilterelemente 3a verhindert, dass NIR-Strahlung auf die von den Rot-Farbfiltern 6a bedeckten lichtempfindlichen Elemente 2 trifft. Die Roterkennung des Bildsensors 1b wird also nicht durch NIR-Strahlung beeinträchtigt. Ein derartiger Sensor eignet sich insbesondere für die Unterscheidung von rotem und weißem Licht. Ein Spektralbereich des weißen Lichtes im nahen Infrarot wird durch die ersten Mikrofilterelemente 3a geblockt. Vorzugsweise wird ein derartiger Bildsensor 1b im Rahmen eines Fahrerassistenzsystems eingesetzt. Mit einem derartigen Bildsensor 1b kann sicher unterschieden werden, ob beispielsweise bei einem anderen Fahrzeug eine rote Bremsleuchte oder ein weißes Rücklicht aktiviert ist. Mit dieser Information kann das Fahrerassistenzsystem unterschiedliche Maßnahmen, beispielsweise Ausgabe eines Warnsignals, einleiten.
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Die 6 und 7 zeigen schematisch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors 1c. 6 zeigt eine Querschnittsansicht des Bildsensors 1c, 7 ein durch die lichtempfindlichen Elemente 2 gebildetes Sensorfeld 11c des Bildsensors 1c.
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Der Bildsensor 1c umfasst eine Vielzahl von ein Sensorfeld 11c bildenden lichtempfindlichen Elementen 2, eine Vielzahl von ersten Mikrofilterelementen 3c und einen transparenten Träger 4c, wobei die ersten Mikrofilterelemente 3c an dem Träger 4c befestigt sind. Die lichtempfindlichen Elemente 2 sind entsprechend der ersten und der zweiten Ausführungsform ausgebildet. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist in diesem Fall der Träger 4c als transparente, flexible Folie 4c ausgebildet. Des Weiteren sind die ersten Mikrofilterelemente 3c als Linsen ausgebildet.
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Der Träger 4c ist mit den ersten Mikrofilterelementen 3c derart vor den lichtempfindlichen Elementen 2 angeordnet, dass vor einem Teil der lichtempfindlichen Elemente 2 jeweils vor einem lichtempfindlichen Element 2 ein erstes Mikrofilterelement 3c angeordnet ist zum Filtern von auf die lichtempfindlichen Elemente 2 treffendem Licht. Die Mikrolinsen 3c sind räumlich gleichmäßig vor den lichtempfindlichen Elementen 2 angeordnet. Der Träger 4c befindet sich zwischen ersten Mikrofilterelementen 3c und lichtempfindlichen Elementen 2.
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Die Mikrolinsen 3c sind derart ausgebildet, dass sie den Erfassungsraumwinkel 12 eines einzelnen lichtempfindlichen Elementes 2 zu einem vergrößerten Erfassungsraumwinkel 13 aufweiten. Die Dicke des Trägers 4c kann an die gewünschte Aufweitung des Erfassungswinkels eines lichtempfindlichen Elementes 2 angepasst werden. Aufgrund dieses vergrößerten Erfassungsraumwinkels 13 kann den lichtempfindlichen Elementen 2, vor denen eine Mikrolinse 3c angeordnet ist, ein im Vergleich zu den lichtempfindlichen Elementen 2, vor denen keine Mikrolinse 3c angeordnet ist, vergrößertes Wirkungsvolumen zugeordnet werden. In der 7 ist dieses vergrößerte Wirkungsvolumen durch einen Kreis 14 gekennzeichnet. Sind die lichtempfindlichen Elemente 2, vor denen eine Mikrolinse 3c angeordnet ist, nur dünn besiedelt, wie auch in diesem Ausführungsbeispiel, in dem von neun lichtempfindlichen Elementen 2 nur ein lichtempfindliches Element 2 durch eine Mikrolinse 3c bedeckt ist, entsteht ein unterabgetastetes Bild. Diese Unterabtastung hat die Wirkung eines Tiefpasses. Damit ist der weitere Vorteil verbunden, dass die Ausbildung von Moire-Mustern deutlich reduziert ist.
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Die Mikrolinsen 3c sind in diesem Ausführungsbeispiel als Absorptionsfilter, hier speziell als NIR-Absorptionsfilter, ausgebildet. Aufgrund ihrer Linsenform erlauben sie auch im Mikrometerbereich ein ausreichend großes Absorptionsvolumen insbesondere für die NIR-Blockierung. Die maximale Ausdehnung einer Mikrolinse 3c beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwas weniger als 10 µm.
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In einer Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für einen derartigen Bildsensor 1c wird in einem separaten Prozess eine Vielzahl von Mikrolinsen 3c auf dem Träger 4c hergestellt. Die Herstellung der Mikrolinsen 3c kann über bekannte Mikrostrukturierverfahren erfolgen, beispielsweise ein Lift-Off-Verfahren. Die Linsenform kann durch thermische Behandlung der ersten Mikrofilterelemente 3c erreicht werden, beispielsweise durch Anschmelzen. In einem nächsten Schritt wird der Träger 4c mit den an diesen befestigten Mikrolinsen 3c auf den lichtempfindlichen Elementen 2 justiert.
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Alternativ zu einem Träger 4c aus einer flexiblen Folie kann auch ein transparentes Glas verwendet werden.
