JP6480919B2 - プレノプティックセンサとその製造方法およびプレノプティックセンサを有する配置 - Google Patents
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Description
本発明はイメージキャプチャに関連しており、より具体的には、キャプチャされたイメージだけではなく、光線の到達の方向もキャプチャする固体のセンサを用いたプレノプティックイメージ(plenoptic images)のキャプチャに関する。この分野は、光学上の素子、光電子センサ(光の強さを電流に変換するもの)、キャプチャされたイメージの加工素子も備えている。イメージセンサの製品の質を上げ、その大きさを縮小し、豊富な製造能力を提供すると共に、そのコストを削減することが目的とされている。本発明は、ウェハレベルの光学設計と、多様な光電子部品および光学ウェハの「サンドイッチ」の作製を提供する。結果として、カメラを組み入れた、デジタルカメラ、携帯電話、タブレット端末、ラップトップ型コンピュータ、総合消費者商品に用いられ得るセンサとなり、特に、CMOSイメージセンサと組み合わせられる(ただしこれに限定されるわけではない)。イメージセンサの多様な構造および作製方法がここに記載されている。
「モノリシック集積回路」は、一般的なチップ設計技術を使用して得られたものであり、ベース材料(基板)が、能動素子(トランジスタ、センサなど)だけではなく、相互接続の素子も含んでいる。この用語は、通常異なる技術および機能の集積化に用いられる。通常異なる技術および機能の例として、同じチップに入ったアナログおよびデジタル回路を使用すること、または、アナログ、デジタル回路、信号処理、センサ、および保護回路と共にパワー半導体を集積化することが挙げられる。光電子工学では、「モノリシック集積化」は、通常、「電子材料」、レーザー光、検出器、およびそれらを有する電子バイアス回路、制御、および管理システムによって作られた、それ自体がチップに入っている光学ファイバー入力/出力光学導波管といった構成を1つの「電子光学集積回路」に集積化するための傾向のことを指す。
下記の記載は、発明を実行する特定の方法を反映する。しかし、主たる目的は、発明の原理を説明することであり、意図を限定してはならない。発明の範囲は、この書面の特許請求の範囲を参照することにより定められるのが最良である。
マイクロ電子工学により提供される製造方法と同様の光学の製造方法により提供される柔軟性は、無限である。例えば、図17は、画素マイクロレンズと、その上にプレノプティックマイクロレンズとのみがある構造を示し、この図では、第1、及び第2のマイクロレンズとも球面であり、図18では非球面の構造を有する。図内の「プレノプティック半球」の直径と「画素半球」の直径との間の距離は、ゼロに等しい(どちらの半球も基板上にある)。しかし、プレノプティック半球は、基板からのもっと離して設置して、図8.Cのものと同様の構造を作製してもよい。
図41に示す幾何形状の画素を用いるフォトセンサは、非常に小さい空間に非常に高い画素密度の画像を捕捉するのに用いることができ、その結果、従来技術を劇的に改善した画素間のコントラストが得られ、隣接画素間の信号/ノイズ比が増加し、非常に高いメガピクセル総数でさらに増大し、かつ非常に小さいサイズ(センサは1cm×1cmより小さい面積を占める)の、携帯電話、タブレット、ラップトップまたは他の携帯機器のカメラなどの応用を含む。本発明は、(プレノプティックマイクロレンズの無い)従来のセンサには、(プレノプティックマイクロレンズの有る)ライトフィールドセンサにも適用可能であるが、後者に特に有利であり、なぜなら、(到達方向を識別する)マイクロレンズあたりの画素数と、使用可能なメガピクセルの数を増やすための増加するマイクロレンズの数との間のバランスが、現在の技術を超える総画素数のセンサを押すからであり、Mooreの法則の限界を超えるが、非常に小さい画素寸法について望まない屈折を導く光波現象をできるだけ緩和する。
1.V. G. Veselago (1968 (Russian text 1967)). . Soy. Phys. Usp. 10 (4): 509-14. Bibcode: 1968SvPhU.10.509V. doi: 10.1070/PU 1968v010n04ABEH003699、
2.Negative Refraction at Visible Frequencies, Henry J. Lezec et al., Science 316, 430 (2007); D01: 10.1126/science.1139266。
Claims (22)
- フォトセンサを有する基板と、
上記フォトセンサを有する基板の上に配置された、低屈折率の材料の層と、
上記低屈折率の材料の層の上に配置された、プレノプティックマイクロレンズと、
上記プレノプティックマイクロレンズの上に配置された、マイクロ対物レンズと、
をモノリシックに集積するプレノプティックセンサであって、
上記低屈折率の材料の層の厚みが、上記プレノプティックマイクロレンズの焦点距離に近い値からゼロに近い値まで取り、
上記プレノプティックマイクロレンズは、高屈折率の材料の層から成り、
上記プレノプティックマイクロレンズと上記フォトセンサの基板の画素との間の配置が、10分の1ミクロンより小さい許容誤差であり、
上記マイクロ対物レンズは、低屈折率の材料の層と高屈折率の材料の層とが連続的に加えられることにより構成されていることを特徴とするプレノプティックセンサ。 - 上記屈折率の上記材料が、CMOSまたはCCDフォトセンサの上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のプレノプティックセンサ。
- 上記低屈折率の材料の層と上記高屈折率の材料の層が、半導体プロセスに用いられる以下の1つ以上の技術:
・ウェハ処理、
・材料の層の堆積、
・光学的ウェハおよび/または電子的ウェハのサンドイッチ積層、
・分離材の使用、
・フォトリソグラフィ、
・陽性または陰性のフォトレジスト材料の使用、
・種々の溶媒での化学攻撃、
・プラズマ攻撃、
・光学的または電子的材料のドーピング、
・熱処理、
・紫外線硬化または熱硬化、
・種々のカプセル法を用いた回路/センサの包装、
・熱によりまたは紫外線により液体ポリマーを硬化させることによるレンズ複製、
を用いて、
上記フォトセンサを有する上記基板の上に形成され、
それによって、電子工学素子と光学素子との間の配置、または種々の層間の配置、または、上記低屈折率の材料の層と上記高屈折率の材料の層の厚みを、関係する範囲における波長部分に到達する許容誤差で得ることを特徴とする請求項1または2に記載のプレノプティックセンサ。 - 各上記フォトセンサと各上記低屈折率の材料の層との間に、上記低屈折率の材料の層より高い屈折率を有する、画素としてのマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。
- カラーフィルタが、
各上記フォトセンサの上に、または、各上記プレノプティックマイクロレンズの上に、または、上記プレノプティックマイクロレンズの下に、設けられている、
または、
上記プレノプティックマイクロレンズを構成する色の材料で構成されている、
または、
画素としてのマイクロレンズを構成する色の材料で構成されている、
または、
これらの組み合わせである、
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。 - 近赤外線または赤外線のフィルタが設けられ、上記フィルタは、カラーフィルタの材料の一部として構成されている、
ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。 - 可視光の通過を防ぎ、赤外スペクトルだけを許可するフィルタが設けられていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。
- 上記プレノプティックマイクロレンズまたは上記画素の幾何形状とは無関係に、
光学素子によって設定されるパワー分布のメインローブの面積と実質的に同一の面積をフォトセンサが有するように、および、
第2ローブが隣接フォトセンサ間の不透明な領域を照明するように、
上記フォトセンサの面積と、上記フォトセンサの間の距離とが設計されていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。 - 画素のためのメインローブのパワーのピークが隣接画素のゼロパワーと一致するように、隣接フォトセンサ間の距離が設計され、フォトセンサのアクティブ領域が、隣接画素間のノイズの量と、信号/ノイズ比とに依存して設計されることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。
- 上記フォトセンサの面積および上記フォトセンサの間の距離が、請求項8に記載のものの上と、請求項9に記載のものの下との間であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。
- 斜めに隣接する同じ色の画素のフォトセンサのアクティブ領域の幾何形状は、修正され、それによって、上記アクティブ領域と、斜めに隣接する画素からの同じ色の光との距離を増加させることを特徴とする請求項8ないし10のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。
- フォトセンサの正方形形状は、斜めに配置された同じ色の最も近い画素に近いほうのフォトセンサのアクティブ領域を遠ざける線の導入によって、斜めに隣接する同じ色のセンサに最も近い正方形の頂点を平坦化することによって修正され、アクティブ領域を六角形にすることを特徴とする請求項11に記載のプレノプティックセンサ。
- 感光セルのアクティブ領域は、正方形の元の頂点から正方形の中央領域に向かって貫く非感光領域または非アクティブ領域の三角形の導入によって、その頂点にて正方形の寸法が減少することを特徴とする請求項11に記載のプレノプティックセンサ。
- 感光セルのない領域である非アクティブ領域は、正方形の元の頂点から正方形の中央領域に向かって貫く非感光性領域またはアクティブ領域の階段状三角形の導入によって、その頂点にて正方形の寸法が減少し、この三角形は、45度で、垂直線および水平線によって構成されることを特徴とする請求項11に記載のセンサ。
- 上記低屈折率の材料は、1よりも低い屈折率を有するメタ材料または材料であり、それによって、高屈折率のレンズと上記フォトセンサとの間の距離を減少させることを特徴とする請求項1ないし14のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。
- プレノプティックマイクロレンズは、フォトセンサの中央から最も離れた領域にて効率を改善するために、プレノプティックアレイの中央から離れた位置ほど、徐々に、より非対称なプロファイルで上記プレノプティックアレイを形成するように設計されていることを特徴とする請求項1ないし15のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。
- プレノプティックマイクロレンズは、プレノプティックアレイの中央から離れた位置ほど、基板までのまたは画素としてのマイクロレンズまでの距離が徐々に小さくなる上記プレノプティックアレイを形成するように設計になっており、それによって、フォトセンサの中央から最も離れた領域にて効率を改善し、プレノプティックアレイの中央から離れるにつれて全てのマイクロレンズが急峻に構成され、アレイの中央のマイクロレンズが光軸に垂直または略垂直であることを特徴とする請求項1ないし16のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。
- フォトセンサおよび/またはフォトセンサのアクティブ領域および/またはフォトセンサのアクティブ領域の間の幾何形状が、フォトセンサの中央と周辺とで異なり、中央から周辺へと徐々に変化し、それによって、フォトセンサの中央から最も離れた領域にて効率を改善することを特徴とする請求項1ないし15のいずれか1項に記載のセンサ。
- フォトセンサの中央から最も離れた領域にて効率を改善するために、請求項16、17および18に記載の測定のうちの2つ以上およびそれらの間の組み合わせおよび/または交換が行われることを特徴とする請求項1ないし15のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。
- 上記低屈折率の材料の層と上記高屈折率の材料の層の1つ以上および/またはレンズの1つ以上の上に、反射防止コーティングの1つ以上の層が堆積されていることを特徴とする請求項1ないし19のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサ。
- 請求項1ないし20のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサを製造する方法であって、
上記低屈折率の材料の層と上記高屈折率の材料の層が、半導体プロセスに用いられる以下の1つ以上の製造技術:
・ウェハ処理、
・CVD、LPCVD、PECVDまたはHIPCVDを用いての材料の層の堆積、
・ウェハの光学的および/または電子的サンドイッチ積層、
・分離材の使用、
・フォトリソグラフィ、
・フォトレジスト材料の使用、
・溶媒での化学攻撃、
・プラズマ攻撃、
・光学的または電子的材料のドーピング、
・熱処理、
・紫外線硬化または熱硬化、
・複数のカプセルを用いた回路の包装、
を用いて基板フォトセンサの上に形成されることを特徴とする、プレノプティックセンサの製造方法。 - 請求項1ないし20のいずれか1項に記載のプレノプティックセンサを複数有する配置であって、上記プレノプティックセンサはさらに、
光学的サンドイッチの複数のレンズでのマイクロメカニズムズーム、または、
電圧、電流または他のパラメータである外部パラメータの制御下で焦点距離を変化させる、光学的サンドイッチの複数のレンズでの固定ズーム、または、
外部パラメータにて制御可能なマイクロメカニズムズームおよび固定ズームの組み合わせ、
を有することを特徴とする配置。
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