FR3102007A1

FR3102007A1 - Capteur d’images

Info

Publication number: FR3102007A1
Application number: FR1911402A
Authority: FR
Inventors: Jérôme Vaillant; Lucie DILHAN
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2039-10-14
Also published as: CN215220725U; FR3102007B1; US20240030255A1; CN112736100A; US11764242B2; US20210111211A1

Abstract

Capteur d’images La présente description concerne un capteur d’images (200) comportant une pluralité de pixels (P) formés dans et sur un substrat semiconducteur (101) et agencés en matrice selon N lignes et M colonnes, avec N entier supérieur ou égal à 1 et M entier supérieur ou égal à 2, et, pour chaque pixel, une microlentille (L) associée au pixel, disposée en vis-à-vis du substrat, les microlentilles étant agencées en matrice selon N lignes et M colonnes, dans lequel, dans la direction des lignes de la matrice de pixels, le pas de la matrice de microlentilles est supérieur au pas de la matrice de pixels. Figure pour l'abrégé : Fig. 2

Description

Capteur d’images

La présente description concerne de façon générale le domaine des capteurs d’images. Elle vise plus particulièrement un capteur d’images comportant une matrice de pixels formée dans et sur un substrat semiconducteur et surmontée d’une matrice de microlentilles.

Un capteur d’images comprend classiquement une pluralité de pixels formés dans et sur un substrat semiconducteur et agencés en matrice selon des rangées et des colonnes. Chaque pixel comprend typiquement une zone photosensible dans laquelle la lumière incidente est convertie en paires électron-trou, et un ou plusieurs transistors de contrôle permettant de lire un signal représentatif d’une quantité de charges photogénérées dans la zone photosensible. Ainsi, la zone photosensible du pixel n’occupe qu’une partie de la surface du pixel. Pour compenser la perte de surface de collecte liée au facteur de remplissage (fill-factor) du pixel, et augmenter la sensibilité des pixels, on a déjà proposé de disposer, sur chaque pixel, une microlentille s’étendant sur sensiblement toute la surface du pixel et adaptée à concentrer la lumière incidente sur la zone photosensible du pixel.

Il serait souhaitable d’améliorer au moins en partie certains aspects des capteurs d’images connus comportant une matrice de pixels formée dans et sur un substrat semiconducteur et surmontée d’une matrice de microlentilles.

Pour cela, un mode de réalisation prévoit un capteur d’images comportant une pluralité de pixels formés dans et sur un substrat semiconducteur et agencés en matrice selon N lignes et M colonnes, avec N entier supérieur ou égal à 1 et M entier supérieur ou égal à 2, et, pour chaque pixel, une microlentille associée au pixel, disposée en vis-à-vis du substrat, les microlentilles étant agencées en matrice selon N lignes et M colonnes,
dans lequel, dans la direction des lignes de la matrice de pixels, le pas de la matrice de microlentilles est supérieur au pas de la matrice de pixels.

Selon un mode de réalisation, l’axe optique de chaque microlentille passe par le centre d’une zone photosensible du pixel auquel elle est associée.

Selon un mode de réalisation, la matrice de microlentilles comprend des microlentilles hors d’axe.

Selon un mode de réalisation, N est supérieur ou égal à 2, et, dans la direction des colonnes de la matrice de pixels, le pas de la matrice de microlentilles est supérieur au pas de la matrice de pixels.

Selon un mode de réalisation, les pixels de la pluralité de pixels ont les mêmes dimensions dans la direction des lignes de la matrice de pixels et dans la direction des colonnes de la matrice de pixels.

Selon un mode de réalisation, les microlentilles de la pluralité de microlentilles ont toutes les mêmes dimensions dans la direction des lignes de la matrice de pixels et dans la direction des colonnes de la matrice de pixels.

Selon un mode de réalisation, des microlentilles de la pluralité de microlentilles ont des dimensions différentes dans la direction des lignes de la matrice de pixels et/ou dans la direction des colonnes de la matrice de pixels.

Selon un mode de réalisation, la surface de chaque microlentille est d’autant plus grande que la distance entre l’axe central de la microlentille et l’axe central du pixel auquel elle est associée est importante.

Selon un mode de réalisation, le capteur comporte un espaceur optique disposé entre la matrice de pixels et la matrice de microlentilles.

Selon un mode de réalisation, les microlentilles sont des microlentilles réfractives, ou des lentilles diffractives.

Selon un mode de réalisation, les microlentilles sont des microlentilles diffractives de type FZP.

Selon un mode de réalisation, les microlentilles sont des microlentilles diffractives de type métasurface.

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

la figure 1 représente de façon schématique un exemple d’un capteur d’images ;

la figure 2 représente de façon schématique un exemple d’un capteur d’images selon un mode de réalisation ;

la figure 3 représente de façon schématique un exemple de réalisation de microlentilles du capteur d’images de la figure 2 ;

la figure 4 illustre une variante du capteur d’images de la figure 2 ;

la figure 5 représente une autre variante de réalisation du capteur d’images de la figure 2 ;

la figure 6 représente un exemple de réalisation de microlentilles du capteur d’images de la figure 5 ;

la figure 7 représente une autre variante de réalisation du capteur d’images de la figure 2 ;

la figure 8 représente une autre variante de réalisation du capteur d’images de la figure 2 ; et

la figure 9 représente une autre variante de réalisation du capteur d’images de la figure 2.

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.

Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la réalisation des matrices de pixels et des circuits périphériques de contrôle des capteurs d’images décrits n’a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les réalisations usuelles de ces éléments.

Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés ou couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés ou couplés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.

Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures, étant entendu que, en pratique, les dispositifs décrits peuvent être orientés différemment.

Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.

La figure 1 représente de façon schématique un exemple d’un capteur d’images 100. La figure 1 comprend plus particulièrement une vue (A) de dessus du capteur 100 et une vue (B) en coupe selon le plan B-B de la vue (A).

Le capteur 100 comprend une pluralité de pixels P formés dans et sur un substrat semiconducteur 101, par exemple en silicium. Les pixels P ont par exemple tous les mêmes dimensions, aux dispersions de fabrication près. Les pixels P ont par exemple, en vue de dessus, une forme carrée ou rectangulaire. Sur les figures, les pixels P sont délimités latéralement par des traits en pointillé. Les pixels P sont régulièrement disposés selon une matrice de M colonnes par N lignes, avec M et N entiers supérieurs ou égaux à 2. Dans l’exemple représenté, une matrice de M=4 par N=4 pixels a été représentée. En pratique, la matrice peut comprendre un nombre plus important de lignes et de colonnes.

Chaque pixel comporte une zone photosensible PD formée dans le substrat 101. Chaque pixel peut en outre comporter des éléments de contrôle, par exemple un ou plusieurs transistors de contrôle (non détaillés sur la figure), formés dans et sur le substrat 101, par exemple dans une région périphérique du pixel, autour de la zone photosensible PD du pixel (en vue de dessus).

Le capteur 100 comprend en outre un circuit périphérique CP (non détaillé sur la figure) formé dans et sur le substrat 101, disposé dans une région périphérique du capteur, autour de la matrice de pixels P (en vue de dessus). Le circuit périphérique CP peut par exemple comprendre des circuits d’alimentation, de commande et/ou de lecture de la matrice de pixels P et/ou des métallisations de connexion du capteur à un dispositif extérieur.

Sur la figure 1, on a en outre représenté, du côté de la face supérieure du substrat 101, un empilement de couches isolantes et conductrices (non détaillées sur la figure), aussi appelé empilement d’interconnexion, dans lequel peuvent être formés des pistes, vias et plots métalliques d’interconnexion des pixels P et du circuit périphérique CP du capteur. Dans l’exemple représenté, l’empilement d’interconnexion 103 est disposé du côté de la face d’éclairement du substrat 101, c'est-à-dire du côté de la face supérieure du substrat 101 dans l’orientation de la vue (B) de la figure 1. On parle alors de capteur à éclairement par la face avant ou capteur FSI (de l’anglais « Front-Side-Illumination »). A titre de variante, l’empilement d’interconnexion 103 peut être disposé du côté opposé à la face d’éclairement du substrat 101, c'est-à-dire du côté de la face inférieure du substrat 101 dans l’orientation de la vue (B) de la figure 1. On parle alors de capteur à éclairement par la face arrière ou capteur BSI (de l’anglais « Back-Side-Illumination »). Bien que les exemples représentés sur les figures et décrits dans la présente description concernent tous des capteurs de type FSI, les modes de réalisation décrits peuvent bien entendu être adaptés à des capteurs de type BSI.

Le capteur 100 comprend en outre, pour chaque pixel P, une microlentille L disposée sur la face d’éclairement du pixel, c'est-à-dire sur sa face supérieure dans l’orientation de la vue (B) de la figure 1. Dans l’exemple représenté, chaque microlentille L a, vu de dessus, une surface sensiblement égale à la surface du pixel P sous-jacent et est disposée sensiblement à l’aplomb du pixel P sous-jacent. Ainsi, l’ensemble des microlentilles L définit une matrice de MxN microlentilles, le pas de la matrice de microlentilles L (c'est-à-dire la distance centre à centre entre deux microlentilles voisines de la matrice de microlentilles) et le pas de la matrice de pixels P (c'est-à-dire la distance centre à centre entre deux pixels voisins de la matrice de pixels) étant sensiblement identiques dans la direction des lignes, et le pas de la matrice de microlentilles L et le pas de la matrice de pixels P étant sensiblement identiques dans la direction des colonnes.

Chaque microlentille L est adaptée à concentrer la lumière reçue sur sa face supérieure vers la zone photosensible PD du pixel sous-jacent. Dans cet exemple, chaque microlentille L a un axe optique AL sensiblement orthogonal à la face supérieure du substrat 101 (vertical dans l’orientation de la vue (B) de la figure 1), passant, en vue de dessus, par le centre de la zone photosensible PD du pixel (coïncidant dans cet exemple avec le centre du pixel).

On a considéré dans l’exemple de la figure 1 que la lumière arrive en incidence normale sur la face supérieure du capteur 100. Dans le cas d’un capteur de grandes dimensions destiné à être placé derrière un objectif compact, par exemple dans le cas d’un capteur d’images embarqué sur un smartphone, la lumière arrive généralement en incidence normale sur les pixels situés au voisinage du centre de la matrice de pixels, mais peut arriver avec une relativement forte inclinaison sur les pixels situés au voisinage des bords de la matrice de pixels. Dans ce cas on peut prévoir d’utiliser des microlentilles L de dimensions légèrement inférieures à celles des pixels P, et de décaler les microlentilles vers le centre du capteur avec un décalage croissant au fur et à mesure que l’on s’éloigne du centre de capteur, de façon à compenser l’inclinaison de la lumière incidente, par exemple tel que décrit dans l’article « Microlens design for compact lens system » de H.-J. Hsu, F.-T. Weng, C.-K. Chang, et Y.-K. Hsiao (Proc. SPIE 5116, Smart Sensors, Actuators, and MEMS, (24 April 2003)). Dans ce cas, le pas de la matrice de microlentilles L peut être inférieur au pas de la matrice de pixels P dans la direction des lignes et dans la direction des colonnes.

A titre d’exemple, les microlentilles L peuvent être formées par fluage de plots de résine, éventuellement suivi d’un transfert de forme, par exemple tel que décrit dans l’article « Advanced microlens and color filter process technology for the high-efficiency CMOS and CCD image sensors » de Y.-T. Fan, C.-S. Peng, et C.-Y. Chu (SPIE, 2000, vol. 4115, P. 263-274) et dans l’article « A Microlens Reactive Ion Etching Process Study on CMOS Image Sensor-Wen-Hao Lo » de P.-C. Huang, C.-H. Ting, K.-F. Huang, et T.-S. Tzeng (2018 e-Manufacturing & Design Collaboration Symposium (eMDC), p. 1-3). A titre de variante, les microlentilles L peuvent être formées par nanoimpression, par exemple tel que décrit dans l’article « High fidelity fabrication of microlens arrays by nanoimprint using conformal mold duplication and low-pressure liquid material curing » de C. Peng, X. Liang, Z. Fu, et S. Y. Chou (J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct., vol. 25, no 2, p. 410, 2007), ou par lithographie en niveaux de gris, par exemple tel que décrit dans l’article « Grayscale lithography process study applied to zero-gap microlenses for sub-2μm CMOS image sensors » de S. Audran et al. (Proceedings of SPIE, 2010, p. 763910–763910).

Les méthodes décrites ci-dessus conduisent à la formation de microlentilles réfractives de type plan-convexe, c'est-à-dire comportant une face inférieure ou base sensiblement plane, en contact avec la face supérieure du pixel, et une face supérieure convexe. A titre de variante, les microlentilles L peuvent être constituées par des structures diffractives, fonctionnant dans un domaine de longueur d’ondes restreint, par exemple tel que décrit dans l’article « A MOS Image Sensor With a Digital-Microlens » de K. Onozawa et al. (IEEE Trans. Electron Devices, vol. 55, no 4, p. 986‑991, avr. 2008) ou dans l’article « A 256x256 45/65nm 3D-stacked SPAD-based direct TOF image sensor for LiDAR applications with optical polar modulation for up to 18.6dB interference suppression » de A. R. Ximenes, P. Padmanabhan, M. J. Lee, Y. Yamashita, D. N. Yaung, et E. Charbon (2018 IEEE International Solid - State Circuits Conference - (ISSCC), 2018, p. 96‑98). A titre de variante, les microlentilles L sont des lentilles de métasurface, par exemple tel que décrit dans l’article « Subwavelength-thick lenses with high numerical apertures and large efficiency based on high-contrast transmitarrays » de A Arbabi et al (Nature Communications, vol. 6, p. 7069, mai 2015), ou dans l’article « Concept of non-periodic metasurfaces based on positional gradients applied to IR-flat lenses » de M. Gonidec (Opt. Mater. Express 7, 2346-2351 (2017)).

Une limitation du capteur de la figure 1 est que la surface occupée par le circuit périphérique CP n’est pas utilisée pour collecter la lumière.

Selon un aspect d’un mode de réalisation, on prévoit de réaliser un capteur d’images comportant une matrice de pixels formée dans et sur un substrat semiconducteur, et une matrice de microlentilles surmontant la matrice de pixels, dans lequel les dimensions des microlentilles sont supérieures aux dimensions des pixels, ce qui permet d’obtenir une surface de collecte de lumière plus grande pour chaque pixel, en utilisant tout ou partie de la surface occupée par le circuit CP en périphérie de la matrice de pixels comme surface de collecte lumineuse. Le pas de la matrice de microlentilles est alors supérieur au pas de la matrice de pixels. Le capteur a ainsi une sensibilité accrue par rapport à un capteur dans lequel les dimensions des microlentilles sont égales ou inférieures aux dimensions des pixels.

La figure 2 représente de façon schématique un exemple d’un capteur d’images 200 selon un mode de réalisation. La figure 2 comprend plus particulièrement une vue (A) de dessus du capteur 200 et une vue (B) en coupe selon le plan B-B de la vue (A).

Le capteur 200 de la figure 2 diffère du capteur 100 de la figure 1 principalement par les dimensions de sa matrice de microlentilles.

Comme dans l’exemple de la figure 1, le capteur 200 comprend une microlentille L par pixel P, soit MxN microlentilles L, disposées du côté de la face d’éclairement du capteur, c'est-à-dire du côté de sa face supérieure dans l’orientation de la vue (B) de la figure 2.

Dans l’exemple de la figure 2, chaque microlentille L a, vu de dessus, une surface supérieure à la surface du pixel P auquel elle est associée. Plus particulièrement, chaque microlentille a, dans la direction des lignes et dans la direction des colonnes, des dimensions supérieures aux dimensions du pixel P auquel elle est associée. Comme dans l’exemple de la figure 1, les microlentilles L sont coplanaires, c'est-à-dire que leurs bases, sensiblement planes, sont disposées dans un même plan correspondant, dans l’exemple représenté, à la face supérieure de l’empilement d’interconnexion 103. Ainsi, en vue de dessus, les dimensions de la matrice de microlentilles L dans la direction des lignes et dans la direction des colonnes sont supérieures aux dimensions correspondantes de la matrice de pixels P, et le pas de la matrice de microlentilles L est supérieur au pas de la matrice de pixels P, dans la direction des lignes et dans la direction des colonnes. La matrice de microlentilles L s’étend donc non seulement sur toute la surface de la matrice de pixels P, mais également sur tout ou partie de la surface périphérique du capteur, occupée par le circuit périphérique CP. Ceci permet d’augmenter la surface de collecte de chaque pixel P et donc d’augmenter la sensibilité du capteur par rapport à l’exemple de la figure 1. On notera que si le circuit CP comprend, du côté de la face supérieure du capteur, des métallisations de connexion du capteur à un dispositif extérieur, il conviendra de laisser ces métallisations accessibles et donc de ne pas les recouvrir par des microlentilles. Les métallisations de connexion du capteur délimiteront donc la surface disponible pour étendre la matrice de microlentilles.

Dans l’exemple de la figure 2, en vue de dessus, les MxN microlentilles L ont toutes sensiblement la même forme, par exemple une forme carrée ou rectangulaire, et les mêmes dimensions (aux dispersions de fabrication près), et sont régulièrement réparties en lignes et en colonnes. Autrement dit, le pas de la matrice de microlentilles L est constant dans la direction des lignes et dans la direction des colonnes.

Chaque microlentille L de la matrice de MxN microlentilles est adaptée à concentrer la lumière reçue sur sa face supérieure vers la zone photosensible PD du pixel P auquel elle est associée, c'est-à-dire le pixel P de mêmes coordonnées dans la sous-matrice de MxN pixels. Dans cet exemple, chaque microlentille L a un axe optique AL sensiblement orthogonal à la face supérieure du substrat 101 (vertical dans l’orientation de la vue (B) de la figure 2), passant, en vue de dessus, par le centre de la zone photosensible PD du pixel (coïncidant dans cet exemple avec le centre du pixel).

Dans l’exemple de la figure 2, les microlentilles L sont des microlentilles dites hors d’axe, c'est-à-dire des microlentilles dont l’axe optique n’est pas situé, en vue de dessus, au centre de la lentille, ce qui permet d’assurer la focalisation de la lumière reçue par chaque microlentille dans la zone photosensible PD du pixel correspondant, malgré la différence de pas entre la matrice de pixels et la matrice de microlentilles.

Les microlentilles L sont par exemple des microlentilles réfractives formées par nanoimpression ou par lithographie en niveau de gris, ou des lentilles diffractives aussi appelées méta-surfaces, constituées d’un réseau diffractif de nano-éléments, par exemple formés par structuration d’une couche planaire.

La figure 3 représente de façon schématique un exemple de réalisation de microlentilles du capteur d’images de la figure 2.

Dans cet exemple, les microlentilles sont des microlentilles diffractives de type FZP (de l’anglais « Fresnel Zone Plate » - ou zone plaque de Fresnel), constituées chacune d’un réseau d’anneaux ou de portions d’anneaux concentriques formés par lithographie et gravure d’une couche planaire. Sur la figure 3, par souci de simplification et du fait de la symétrie de la matrice de microlentilles par rapport à ses axes centraux horizontaux et verticaux, seules quatre microlentilles L, correspondants respectivement aux quatre microlentilles formant le quart gauche supérieur de la matrice de microlentilles de la vue (A) de la figure 2, ont été représentées.

L’axe optique de chaque microlentille L coïncide avec le centre des anneaux ou portions d’anneaux concentriques formant la microlentille. Comme indiqué ci-dessus, les microlentilles L sont des microlentilles hors d’axe, ce qui est obtenu, dans l’exemple de la figure 3, par le fait que le centre des anneaux ou portions d’anneaux concentriques formant chaque microlentille est décalé par rapport au centre de la microlentille. Pour certaines microlentilles L du capteur, l’axe optique de la microlentille peut ne pas passer par la microlentille. Dans l’exemple de la figure 3, la microlentille est alors constituée uniquement de portions d’anneaux concentriques dont le centre est situé en dehors de la microlentille.

La figure 4 est une vue en coupe dans le même plan que la vue (B) de la figure 2, illustrant une variante du capteur d’images de la figure 2.

Le capteur 400 de la figure 4 diffère du capteur 200 de la figure 2 en ce qu’il comprend en outre, entre la face supérieure de l’empilement d’interconnexion 103 et la face inférieure de la matrice de microlentilles L, un espaceur optique 401, sous la forme d’une couche plane transparente, par exemple de 5 à 50 µm d’épaisseur, par exemple de l’ordre de 10 µm d’épaisseur. L’espaceur 401 permet de limiter ou supprimer d’éventuelles interactions parasites de la lumière incidente avec le circuit périphérique CP du capteur et/ou avec les métallisations d’interconnexion des pixels P du capteur.

On notera que les modes de réalisation décrits ci-dessus en relation avec les figures 2 à 4 sont particulièrement avantageux pour des capteurs de faible résolution, par exemple pour M et N inférieurs ou égaux à 100. En effet, pour conserver une bonne efficacité de collecte de la lumière, il est préférable que le décalage entre l’axe optique des microlentilles et l’axe central des pixels reste limité. On note ici X=x*PP le décalage maximum toléré entre l’axe optique d’une microlentille L du capteur et l’axe central du pixel P correspondant, avec, de préférence, x inférieur ou égal à 2, et en désignant par PP le pas de la matrice de pixels. En désignant par PL le pas de la matrice de microlentilles, on a : PL = (M+2*x)/(M-1)*PP. Le gain G en sensibilité apporté est alors : G = ((M+2*x)/(M-1))²(dans le cas M=N et en considérant que les pixels d’une part, et les microlentilles d’autre part, ont des dimensions identiques dans la direction des lignes et dans la direction des colonnes). Pour x=2 et M=N=100, on obtient G = 1,1036 soit un gain d’environ 10 %.

Les modes de réalisation décrits ci-dessus sont notamment très avantageux dans un capteur comportant une petite matrice de SPAD (de l’anglais « Single Photon Avalanche Diode » - diode à avalanche à photon unique) partageant un même circuit périphérique CP, par exemple une matrice de MxN SPAD avec M et N inférieurs ou égaux à 10, par exemple M=N=4.

Une petite matrice de SPAD peut notamment être utilisée pour former un capteur de type SiPM (de l’anglais "Silicon PhotoMultiplier" ou photomultiplicateur silicium). Dans ce cas, les MxN SPAD sont connectés en parallèle, ce qui permet notamment d’augmenter la dynamique, ou encore d’ajouter un filtre de corrélation temporelle pour filtrer les évènements détectés. Par exemple, lorsque l’on cherche à dater l’arrivée d’une impulsion laser, on peut prévoir de considérer uniquement les évènements générés dans une fenêtre temporelle limitée à la largeur de l’impulsion laser. La matrice de MxN SPAD est alors considérée comme étant l’élément de résolution spatiale de l’image. Il n’y a donc pas de contrainte sur l’échantillonnage spatial à l’intérieur de l’image. Dans ce cas, les microlentilles peuvent avoir une distribution spatiale irrégulière. En particulier, la matrice de microlentilles peut comporter des microlentilles de dimensions différentes. Ceci permet notamment de compenser d’éventuelles différences d’efficacité des microlentilles en fonction de leur positionnement dans la matrice. En effet, suivant la technologie utilisée pour réaliser les microlentilles, et en particulier dans le cas de structures diffractives, l’efficacité de collecte de la lumière par la microlentille peut diminuer lorsque le décalage entre l’axe optique de la microlentille et son centre augmente. Pour compenser cette diminution, on peut prévoir de faire varier la surface de la microlentille en fonction du décalage de son axe optique par rapport à son centre.

La figure 5 est une vue de dessus dans la même orientation que la vue (A) de la figure 2, illustrant une variante du capteur d’images de la figure 2. Le capteur 500 de la figure 5 diffère du capteur 200 de la figure 2 principalement par la forme de ses MxN microlentilles L.

Dans l’exemple de la figure 5, les microlentilles peuvent avoir des formes et/ou des dimensions différentes en fonction de leur position dans la matrice de microlentilles, étant entendu que chaque microlentille a une surface totale supérieure à la surface du pixel auquel elle est associée. Dans l’exemple de la figure 5, les MxN microlentilles ont toutes des formes carrées ou rectangulaires, mais présentent une surface d’autant plus grande que le décalage de leur axe optique par rapport au centre de la lentille est important.

La figure 6 représente de façon schématique un exemple de réalisation des microlentilles L du capteur d’images de la figure 5. Dans cet exemple, comme dans l’exemple de la figure 3, les microlentilles L sont des microlentilles diffractives de type FZP constituées d’anneaux ou de portions d’anneaux concentriques formés par lithographie et gravure d’une couche planaire. Sur la figure 6, par souci de simplification, seules quatre microlentilles L, correspondants respectivement aux quatre microlentilles formant le quart droit supérieur de la matrice de microlentilles de la figure 5, ont été représentées.

Les figures 7 et 8 sont des vues de dessus dans la même orientation que la figure 5, illustrant deux variantes du capteur de la figure 5. Les capteurs 700 et 800 des figures 7 et 8 diffèrent du capteur 500 de la figure 5 principalement par la forme de leurs MxN microlentilles L respectives, non nécessairement rectangulaires. Dans le capteur 700 de la figure 7, la matrice de microlentilles comprend des microlentilles rectangulaires et des microlentilles non rectangulaires. Dans le capteur 800 de la figure 8, la matrice de microlentilles comprend uniquement des microlentilles non rectangulaires.

La figure 9 est une vue de dessus, dans l’orientation de la vue (A) de la figure 2, illustrant une autre variante de réalisation du capteur de la figure 2. Le capteur 900 de la figure 9 diffère du capteur de la figure 2 principalement en ce qu’il ne s’agit pas d’un capteur bidimensionnel (M et N supérieurs ou égaux à 2), mais d’un capteur linéaire comportant une barrette de M pixels agencés en ligne (M supérieur ou égal à 2 et N=1).

Comme dans l’exemple de la figure 2, chaque microlentille L a, vue de dessus, une surface supérieure à la surface du pixel P auquel elle est associée. Plus particulièrement, chaque microlentille a, dans la direction d’alignement des pixels, une dimension supérieure à la dimension du pixel P à laquelle elle est associée. Ainsi, le pas de la barrette de microlentilles L est supérieur au pas de la matrice de pixels P, dans la direction d’alignement des pixels P. Ceci permet d’augmenter la surface de collecte de chaque pixel P et donc d’augmenter la sensibilité du capteur.

Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L’homme de l’art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaitront à l’homme de l’art. En particulier, la variante de la figure 4 peut être combinée aux variantes des figures 5, 7, 8 ou 9. De plus, les variantes des figures 5, 7 ou 8 peuvent être adaptés à la variante de la figure 9.

Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de l’homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims

Capteur d’images (200 ; 400 ; 500 ; 700 ; 800 ; 900) comportant une pluralité de pixels (P) formés dans et sur un substrat semiconducteur (101) et agencés en matrice selon N lignes et M colonnes, avec N entier supérieur ou égal à 1 et M entier supérieur ou égal à 2, et, pour chaque pixel, une microlentille (L) associée au pixel, disposée en vis-à-vis du substrat, les microlentilles étant agencées en matrice selon N lignes et M colonnes,
dans lequel, dans la direction des lignes de la matrice de pixels, le pas de la matrice de microlentilles est supérieur au pas de la matrice de pixels.
Capteur (200 ; 400 ; 500 ; 700 ; 800 ; 900) selon la revendication 1, dans lequel l’axe optique de chaque microlentille (L) passe par le centre d’une zone photosensible (PD) du pixel (P) auquel elle est associée.
Capteur (200 ; 400 ; 500 ; 700 ; 800 ; 900) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la matrice de microlentilles (L) comprend des microlentilles hors d’axe.
Capteur (200 ; 400 ; 500 ; 700 ; 800) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel N est supérieur ou égal à 2, et dans lequel, dans la direction des colonnes de la matrice de pixels (P), le pas de la matrice de microlentilles (L) est supérieur au pas de la matrice de pixels.
Capteur (200 ; 400 ; 500 ; 700 ; 800 ; 900) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les pixels (P) de ladite pluralité de pixels ont les mêmes dimensions dans la direction des lignes de la matrice de pixels et dans la direction des colonnes de la matrice de pixels.
Capteur (200 ; 400 ; 900) selon la revendication 5, dans lequel les microlentilles (L) de ladite pluralité de microlentilles ont toutes les mêmes dimensions dans la direction des lignes de la matrice de pixels (P) et dans la direction des colonnes de la matrice de pixels.
Capteur (500 ; 700 ; 800) selon la revendication 5, dans lequel des microlentilles (L) de ladite pluralité de microlentilles ont des dimensions différentes dans la direction des lignes de la matrice de pixels (P) et/ou dans la direction des colonnes de la matrice de pixels.
Capteur (500 ; 700 ; 800) selon la revendication 7, dans lequel la surface de chaque microlentille (L) est d’autant plus grande que la distance entre l’axe central de la microlentille et l’axe central du pixel (P) auquel elle est associée est importante.
Capteur (400) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comportant un espaceur optique (401) disposé entre la matrice de pixels (P) et la matrice de microlentilles (L).
Capteur (200 ; 400 ; 500 ; 700 ; 800 ; 900) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les microlentilles (L) sont des microlentilles réfractives, ou des lentilles diffractives.
Capteur (200 ; 400 ; 500 ; 700 ; 800 ; 900) selon la revendication 10, dans lequel les microlentilles (L) sont des microlentilles diffractives de type FZP.
Capteur (200 ; 400 ; 500 ; 700 ; 800 ; 900) selon la revendication 10, dans lequel les microlentilles (L) sont des microlentilles diffractives de type métasurface.