TW202307523A - 使用液晶偏振全像圖及超表面進行感測 - Google Patents

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Abstract

本發明提供成像系統、相機及影像感測器，其包括成像像素，這些成像像素包括子像素。諸如超表面透鏡層或液晶偏振全像圖（LCPH）之繞射光學元件配置以將影像光聚焦至這些成像像素之這些子像素。

Description

使用液晶偏振全像圖及超表面進行感測
本發明一般係關於光學器件，且特定言之，係關於感測應用。 相關申請案之交叉參考
本申請案主張2021年7月29日申請之美國臨時申請案第63/226,916號及2022年7月14日申請之美國非臨時申請案第17/865,223號之優先權，這些申請案特此以引用之方式併入。
裝置中之光學組件包括折射透鏡、繞射透鏡、彩色濾光器、中性密度濾光器及偏振器。在諸如相機之成像應用中，折射透鏡及微透鏡用以將影像光聚焦至感測器。
本發明的一態樣為一種影像感測器，其包含：成像像素，其包括配置以感測影像光之第一子像素及配置以感測該影像光之第二子像素；及圖案化液晶偏振全像圖層，其具有安置於這些成像像素上方之微透鏡區，其中這些微透鏡區配置以將該影像光聚焦至這些成像像素之該第一子像素及該第二子像素。
在本發明的態樣所述之影像感測器中，該圖案化液晶偏振全像圖層中之液晶經摻雜以：將第一波長帶之該影像光傳遞至該第一子像素而非該第二子像素；及將第二波長帶之該影像光傳遞至該第二子像素而非該第一子像素。
在本發明的態樣所述之影像感測器中，這些微透鏡區與這些成像像素之子像素具有一對一對應關係。
在本發明的態樣所述之影像感測器中，這些微透鏡區與這些成像像素具有一對一對應關係。
在本發明的態樣所述之影像感測器中，這些微透鏡區為矩形的。
本發明的態樣所述之影像感測器進一步包含：安置於這些成像像素之半導體層與該圖案化液晶偏振全像圖層之間的波長濾波層。
在本發明的態樣所述之影像感測器中，該圖案化液晶偏振全像圖層包括盤查拉特納姆-貝瑞相位（LC-PBP）設計。
在本發明的態樣所述之影像感測器中，該圖案化液晶偏振全像圖層包括偏振體積全像圖設計。
在本發明的態樣所述之影像感測器中，該液晶偏振全像圖層之這些微透鏡區具有小於四微米寬之最長尺寸。
本發明的另一態樣為一種影像感測器，其包含：成像像素，其包括配置以感測影像光之第一子像素及配置以感測該影像光之第二子像素；及超表面透鏡層，其具有安置於這些成像像素上方之微透鏡區，其中這些微透鏡區配置以將該影像光聚焦至這些成像像素之該第一子像素及該第二子像素。
在本發明的另一態樣所述之影像感測器中，該超表面透鏡層中之奈米結構配置以：將第一偏振定向傳遞至這些成像像素且拒絕第二偏振定向入射於這些成像像素上，該第一偏振定向不同於該第二偏振定向。
在本發明的另一態樣所述之影像感測器中，該超表面透鏡層中之這些奈米結構配置以：將第一波長帶之該影像光傳遞至該第一子像素而非該第二子像素；及將第二波長帶之該影像光傳遞至該第二子像素而非該第一子像素。
在本發明的另一態樣所述之影像感測器中，該超表面透鏡層包括非對稱奈米結構。
在本發明的另一態樣所述之影像感測器中，該超表面透鏡層為偏振相依的。
在本發明的另一態樣所述之影像感測器中，該超表面透鏡層之奈米結構由矽、氮化矽或氧化鈦中之至少一者形成。
在本發明的另一態樣所述之影像感測器中，這些微透鏡區與這些成像像素之子像素具有一對一對應關係。
在本發明的另一態樣所述之影像感測器中，這些微透鏡區與這些成像像素具有一對一對應關係。
在本發明的另一態樣所述之影像感測器中，這些微透鏡區為矩形的。
本發明的又一態樣為一種相機，其包含：影像感測器，其包括配置以感測影像光之複數個成像像素；及透鏡組裝件，其具有配置以將該影像光聚焦至該影像感測器之這些成像像素的液晶盤查拉特納姆-貝瑞相位（LC-PBP）透鏡，其中該透鏡組裝件不具有由玻璃或塑膠形成之折射透鏡。
本發明的又一態樣所述的相機進一步包含：圓形偏振器層，其中該液晶盤查拉特納姆-貝瑞相位透鏡安置於該圓形偏振器層與這些成像像素之間。
本文中描述成像情境中之液晶偏振全像圖（LCPH）及超表面之具體實例。在以下描述中，闡述大量特定細節以便提供對具體實例之透徹理解。然而，所屬技術領域中具通常知識者將認識到，可在無特定細節中之一或多者的情況下或藉由其他方法、組件、材料等實踐本文中所描述之技術。在其他情況下，未詳細展示或描述熟知結構、材料或操作以避免混淆某些態樣。
在本說明書通篇中參考「一個具體實例」或「一具體實例」可意謂結合具體實例描述之特定特徵、結構或特性可包括於本發明之至少一個具體實例中。因此，片語「在一個具體實例中」或「在一具體實例中」貫穿本說明書在各處之出現未必皆參考同一具體實例。此外，可在一或多個具體實例中以任何適合方式組合特定特徵、結構或特性。
在本發明之態樣中，可見光可定義為具有約380 nm至700 nm之波長範圍。非可見光可定義為具有在可見光範圍外的波長之光，諸如紫外光及紅外光。具有約700 nm至1 mm之波長範圍的紅外光包括近紅外光。在本發明之態樣中，近紅外光可定義為具有約700 nm至1.6 µm之波長範圍。在本發明之態樣中，術語「透明的」可定義為具有大於90%的光透射率。在一些態樣中，術語「透明的」可定義為具有大於90%之可見光透射率的材料。
習知影像感測器使用偏振器、波長濾波器及折射微透鏡來過濾影像光且將影像光聚焦至感測器之成像像素及子像素。然而，此等習知組件增加了感測器的體積，且亦可引起解析度問題並減少感測器之信雜比（signal-to-noise；SNR）。本發明之實施方案包括液晶偏振全像圖（LCPH）及超表面，其配置具有偏振器、波長濾波器及/或微透鏡中之一或多者之功能性以用於替換感測應用中之習知光學組件（例如，影像感測器）。結合圖1至圖17更詳細地描述此等及其他具體實例。
圖1說明根據本發明之實施方案的包括圖案化LCPH層141之成像系統100，該圖案化LCPH層具有配置以將影像光聚焦至影像像素陣列102之不同子像素的微透鏡區。成像系統100包括具有焦距116之聚焦元件115，及影像像素陣列102。在一些實施方案中，影像像素陣列102可實施為互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide semiconductor；CMOS）影像感測器。聚焦元件115將自物件110散射/反射之影像光聚焦至影像像素陣列102。影像像素陣列102包括諸如成像像素151之複數個成像像素。實例成像像素151包括第一子像素111A及第二子像素111B。濾光器層137可包括不同波長濾波器（例如，紅色、綠色、藍色、紅外線、近紅外線、紫外線）以過濾傳播至成像像素151之半導體層145（例如，矽）的影像光之波長。間隔件層135可安置於圖案化LCPH層141與濾光器層137之間。間隔件層135可包括例如深溝槽介面（Deep Trench Interface；DTI）或內埋屏蔽金屬（Buried Shielding Metal；BSM）。
圖案化LCPH層141包括用於將影像光聚焦至子像素111A及111B之微透鏡區。圓形偏振器118可安置於聚焦元件115與影像像素陣列102之間以將圓偏振影像光提供至覆蓋影像像素陣列102之全部或一部分的圖案化LCPH層141。儘管未特定說明，但圖案化LCPH層141可安置於影像像素陣列102上方，其中圖案化LCPH層141包括以一對一對應關係安置於各成像像素上方的各種微透鏡區。在一實施方案中，圖案化LCPH層141包括與成像像素151之子像素（例如，111A及111B）具有一對一對應關係的微透鏡區。
圖2A說明根據本發明之實施方案的包括子像素252A及252B之實例成像像素252的側視圖。圖2A說明遇到圖案化LCPH層241之影像光290。圖案化LCPH層241安置於影像像素陣列（例如，影像像素陣列102）之成像像素（例如，成像像素252）上方。實例成像像素252包括圖2A中之子像素252A及子像素252B。圖2B說明包括四個子像素252A、252B、252C及252D之實例成像像素252的透視圖。
圖2A將子像素252A展示為量測/感測一定強度之可見光的單色子像素，而將子像素252B說明為紅外線子像素。子像素252B可配置以量測/感測特定帶之紅外光（例如，800 nm光）或量測/感測波長高於可見紅光之廣譜紅外光。子像素252A包括濾光器層237中之濾光器238，其配置以將可見光傳遞（同時拒絕/阻擋非可見光）至成像像素252之半導體層245中的感測區211A。濾光器238可為在傳遞可見光時阻擋/拒絕紅外光的紅外線截止濾光器。子像素252B包括濾光器239，其可配置以將廣譜紅外光（例如，約700 nm至3000 nm）或窄帶紅外光（例如，795 nm至805 nm）傳遞至成像像素252之半導體層245中的感測區211B。子像素252A之感測區211A及子像素252B之感測區211B可實施於包括於半導體層245中之摻雜矽中。深溝槽隔離（DTI）及金屬層可分隔不同子像素之感測區。成像像素252之各子像素可為1至2微米。
圖2A展示層235可安置於LCPH層241與濾光器層237之間。層235可包括DTI及/或背側金屬（back side metal；BSM）。視情況選用之氧化物層243經展示為安置於半導體層245與濾光器層237之間。氧化物層243可包括二氧化矽。氧化物層243可包括BSM。BSM可包括鎢及一或多層氮化鈦。除安置於子像素252C及252D上方的其他波長濾波器以外，波長濾波層237亦可包括實例濾光器238及239。層237安置於半導體層245與圖案化LCPH層241之間。所屬技術領域中具通常知識者瞭解到，即使圖2A僅說明單個成像像素252，層235、237、層243及層245亦可延伸至影像像素陣列中之許多成像像素。
圖2B說明實例成像像素包括四個子像素，其中子像素中之兩者（252A及252C）可為配置以量測/感測一定強度之影像光290的單子像素（mono subpixel），及可配置以量測/感測紅外光之一個子像素252B。根據本發明之實施方案，其他波長濾波器及不同濾光器圖案亦可用於成像像素。子像素252D可包括紅色、綠色或藍色濾光器，其將紅光、綠光或藍光傳遞至子像素252D之感測區。在一些實施方案中，成像像素包括例如紅綠綠藍（red-green-green-blue；RGGB）濾光器圖案。成像像素252之各子像素可為1至2微米。
在圖2B中，圖案化LCPH層241包括配置以將影像光290聚焦至子像素252A、252B、252C及252D之微透鏡區。在一實施方案中，圖案化LCPH層241藉由液晶盤查拉特納姆-貝瑞相位（liquid crystal Pancharatnam-Berry Phase；LC-PBP）設計來實施。在一實施方案中，圖案化LCPH層241包括偏振體積全像圖（polarized volume hologram；PVH）設計。在一實施方案中，圖案化LCPH層241中之液晶摻雜有彩色染料以為特定波長帶提供濾光器或阻擋特定波長。舉例而言，圖案化LCPH層241之某些微透鏡區可經摻雜以傳遞特定波長帶之影像光290，而圖案化LCPH層241之其他微透鏡區可經摻雜以傳遞其他（不同）波長帶之影像光290。
圖3說明根據本發明之態樣的配置有待安置於子像素上方之微透鏡區的圖案化LCPH層301。在圖3中，將微透鏡區341說明為配置以將影像光聚焦至成像像素352之四個子像素01、02、05及06的圓形或橢圓形微透鏡區。因此，微透鏡區341與成像像素352具有一對一對應關係。換言之，圖案化LCPH層301經圖案化以具有微透鏡區，以針對每一成像像素聚焦影像光（例如，影像光290）。子像素01配置以量測/感測紅外光，子像素02配置以量測/感測一定強度之可見光，子像素05配置以量測/感測一定強度之可見光，且子像素06配置以量測/感測紅光、綠光或藍光。當然，不同子像素可配置以藉由改變子像素之濾光器層中的濾光器來感測不同波長之光。
微透鏡區342安置於成像像素353上方。將微透鏡區342說明為配置以將影像光聚焦至成像像素353之四個子像素03、04、07及08的圓形或橢圓形微透鏡區。因此，微透鏡區342與成像像素353具有一對一對應關係。子像素03配置以量測/感測紅外光，子像素04配置以量測/感測一定強度之可見光，子像素07配置以量測/感測一定強度之可見光，且子像素08配置以量測/感測紅光、綠光或藍光。儘管未特定說明，但圖案化LCPH層301之橢圓形、圓形或矩形微透鏡區可安置於成像像素354之子像素09、10、13及14上方。此外，圖案化LCPH層301之橢圓形、圓形或矩形微透鏡區可安置於成像像素355之子像素11、12、15及16上方。
圖案化LCPH層301可為連續層。連續圖案化LCPH層301可覆蓋整個影像像素陣列，其中影像像素陣列包括數千或數百萬個成像像素。
圖4說明根據本發明之態樣的包括微透鏡區之圖案化LCPH層401，這些微透鏡區與成像像素之子像素具有一對一對應關係。在圖4中，將微透鏡區441說明為配置以將影像光聚焦至一個子像素（子像素01）之圓形或橢圓形微透鏡區。微透鏡區442配置以將影像光聚焦至子像素02，微透鏡區443配置以將影像光聚焦至子像素05，且微透鏡區444配置以將影像光聚焦至子像素06。因此，圖案化LCPH層401之微透鏡區與成像像素452之子像素（其包括子像素01、02、05及06）具有一對一對應關係。類似地，圖案化LCPH層401之微透鏡區445、446、447及448分別與成像像素454之子像素09、10、13及14具有一對一對應關係。換言之，圖案化LCPH層401經圖案化以具有微透鏡區，以針對圖4中之各子像素聚焦影像光（例如，影像光290）。
仍參考圖4，子像素01配置以量測/感測紅外光，子像素02配置以量測/感測一定強度之可見光，子像素05配置以量測/感測一定強度之可見光，且子像素06配置以量測/感測紅光、綠光或藍光。當然，不同子像素可配置以藉由改變子像素之濾光器層中的濾光器來感測不同波長之光。儘管未特定說明，但圖案化LCPH層401之橢圓形、圓形或矩形微透鏡區可（個別地）安置於成像像素453之子像素03、04、07及08上方。此外，圖案化LCPH層401之橢圓形、圓形或矩形微透鏡區可（個別地）安置於成像像素455之子像素11、12、15及16上方。
在一些實施方案中，圖案化LCPH層401之微透鏡區配置以傳遞不同波長之光。舉例而言，微透鏡區441可摻雜有充當濾光器之彩色染料，且微透鏡區442可摻雜有充當過濾不同波長之光的濾光器的不同彩色染料。第一微透鏡區可配置以將第一波長帶之影像光傳遞至第一子像素而非第二子像素，且第二微透鏡區可配置以將第二（不同）波長帶之影像光傳遞至第二子像素而非第一子像素。
圖案化LCPH層401可為連續層。連續圖案化LCPH層401可覆蓋整個影像像素陣列，其中影像像素陣列包括數千或數百萬個成像像素。圖案化LCPH層301及/或圖案化LCPH層401可被視為「圖案化」的，此係因為微透鏡區經配置、經設定大小及/或配置以將影像光聚焦至影像像素陣列之子像素或成像像素上。
圖5說明根據本發明之態樣的包括影像像素陣列502之成像系統500。在一些實施方案中，成像系統500之全部或部分可包括於影像感測器中。成像系統500包括控制邏輯508、處理邏輯512及影像像素陣列502。影像像素陣列502可以列及行配置，其中整數 y為列之數目且整數 x為行之數目。影像像素陣列502可具有總共 n個像素（P），且整數n可為整數 x與整數 y之乘積。在一些實施方案中， n超過一百萬個成像像素。各成像像素可包括本發明中所描述之子像素。
在操作中，控制邏輯508驅動影像像素陣列502擷取影像。影像像素陣列502可配置以具有例如全域快門或滾動快門。各子像素可組態於3-電晶體（3-transistor；3T）或4-電晶體（4-transistor；4T）讀出電路組態中。處理邏輯512配置以自各子像素接收成像信號。處理邏輯512可執行進一步操作，諸如自其他成像信號減去或添加一些成像信號以產生影像515。根據本發明之圖1至圖4之圖案化LCPH層的態樣可安置於成像系統500中之影像像素陣列502上方。在一實施方案中，圖案化LCPH層301安置於成像系統500中之影像像素陣列502上方。在一實施方案中，圖案化LCPH層401安置於成像系統500中之影像像素陣列502上方。
圖6說明根據本發明之實施方案的包括超表面透鏡層641之感測系統600，該超表面透鏡層具有配置以將影像光聚焦至影像像素陣列602之不同子像素的微透鏡區。成像系統600包括具有焦距116之聚焦元件115，及影像像素陣列602。在一些實施方案中，影像像素陣列602可實施為互補金屬氧化物半導體（CMOS）影像感測器。聚焦元件115將自物件110散射/反射之影像光聚焦至影像像素陣列602。影像像素陣列602包括諸如成像像素651之複數個成像像素。成像像素651包括第一子像素611A及第二子像素611B。濾光器層137可包括不同波長濾波器（例如，紅色、綠色、藍色、紅外線、近紅外線）以過濾傳播至成像像素651之半導體層645（例如，矽）的影像光之波長。間隔件層135可安置於超表面透鏡層641與濾光器層137之間。間隔件層135可包括例如深溝槽介面（DTI）或內埋屏蔽金屬（BSM）。
超表面透鏡層641包括用於將影像光聚焦至子像素611A及611B之微透鏡區。圓形偏振器118可安置於聚焦元件115與影像像素陣列602之間以將圓偏振影像光提供至超表面透鏡層641。儘管未特定說明，但超表面透鏡層641可安置於影像像素陣列602上方，其中超表面透鏡層641包括以一對一對應關係安置於各成像像素上方的各種微透鏡區。在一實施方案中，超表面透鏡層641包括與成像像素651之子像素（例如，611A及611B）具有一對一對應關係的微透鏡區。
圖7A說明根據本發明之實施方案的包括子像素752A及752B的實例成像像素752之側視圖。圖7A說明遇到超表面透鏡層741之影像光290。超表面透鏡層741安置於影像像素陣列（例如，影像像素陣列602）之成像像素（例如，成像像素752）上方。實例成像像素752包括圖7A中之子像素752A及子像素752B。圖7B說明包括四個子像素752A、752B、752C及752D之實例成像像素752的透視圖。
圖7A將子像素752A展示為量測/感測一定強度之可見光的單色子像素，而將子像素752B說明為紅外線子像素。子像素752B可配置以量測/感測特定帶之紅外光（例如，800 nm光）或量測/感測波長高於可見紅光之廣譜紅外光。子像素752A包括濾光器層237中之濾光器238，其配置以將可見光傳遞（同時拒絕/阻擋非可見光）至成像像素752之半導體層745中的感測區711A。子像素752B包括濾光器239，其可配置以將廣譜紅外光（例如，約700 nm至3000 nm）或窄帶紅外光（例如，795 nm至805 nm）傳遞至成像像素752之半導體層745中的感測區711B。子像素752A之感測區711A及子像素752B之感測區711B可實施於包括於半導體層745中的摻雜矽中。深溝槽隔離（DTI）及金屬層可分隔不同子像素之感測區。成像像素752之各子像素可為1至2微米。
圖7A展示層235可安置於超表面透鏡層741與濾光器層237之間。層235可包括DTI及/或背側金屬（BSM）。視情況選用之氧化物層243經展示為安置於半導體層745與濾光器層237之間。波長濾波層237可包括實例濾光器238及239。層237安置於半導體層745與超表面透鏡層741之間。所屬技術領域中具通常知識者瞭解到，即使圖7A僅說明單個成像像素752，層235、237、層243及層745亦可延伸至影像像素陣列中之許多成像像素。
圖7B說明實例成像像素752包括四個子像素，其中子像素中之兩者（752A及752C）可為配置以量測/感測影像光290之單子像素，及可配置以量測/感測紅外光之一個子像素752B。根據本發明之實施方案，其他波長濾波器及不同濾光器圖案亦可用於成像像素。子像素752D可包括紅色、綠色或藍色濾光器，其將紅光、綠光或藍光傳遞至子像素752D的感測區。在一些實施方案中，成像像素包括例如紅綠綠藍（RGGB）濾光器圖案。成像像素752之各子像素可為1至2微米。在圖7B中，超表面透鏡層741包括配置以將影像光290聚焦至子像素752A、752B、752C及752D之微透鏡區。
圖11A至圖14B說明根據本發明之態樣的可包括於超表面透鏡層之微透鏡區中的各種奈米結構。圖11A至圖14B之奈米結構亦可稱為超表面透鏡層之超單元。圖11A說明圓形奈米結構1101之俯視圖，且圖11B說明具有高度H1之奈米結構1101的透視圖。圖12A說明橢圓形奈米結構1201之俯視圖，且圖12B說明具有高度H2之奈米結構1201的透視圖。圖13A說明矩形奈米結構1301之俯視圖，且圖13B說明具有高度H3之奈米結構1301的透視圖。圖14A說明正方形奈米結構1401之俯視圖，且圖14B說明具有高度H4之奈米結構1401的透視圖。根據本發明之態樣，亦可使用包括非對稱奈米結構之其他形狀之奈米結構。
超表面透鏡層之微透鏡區可包括二維或一維奈米結構。奈米結構之高度可在例如50 nm與約兩微米之間。在一些實施方案中，奈米結構之寬度或長度可在10 nm與約500 nm之間。為了形成超表面透鏡層，可使用減色處理（例如，微影及/或蝕刻）自平面基板（例如，矽、氮化矽或鈦氧化矽）形成奈米結構。因此，具有微透鏡區之所得超表面透鏡層可被視為僅具有微小厚度變化（超表面之各種奈米結構之高度/厚度）之平坦光學組件。超表面透鏡層之各微透鏡區的超表面設計可配置以將影像光聚焦至影像像素陣列之子像素。
此外，在一些實施方案中，微透鏡區之超表面設計可進一步配置以傳遞/傳輸或阻擋/拒絕特定波長及/或偏振定向之影像光290。在一實施方案中，使用基於超表面之減色彩色濾光器製造技術來形成超表面之波長濾波特徵，這些技術可包括使用CMOS處理技術在玻璃晶圓上形成超表面。
圖8說明根據本發明之態樣的配置有待安置於子像素上方之微透鏡區的超表面透鏡層801。在圖8中，將微透鏡區841說明為配置以將影像光聚焦至成像像素852之四個子像素01、02、05及06的圓形或橢圓形微透鏡區。因此，微透鏡區841與成像像素852具有一對一對應關係。子像素01配置以量測/感測紅外光，子像素02配置以量測/感測一定強度之可見光，子像素05配置以量測/感測一定強度之可見光，且子像素06配置以量測/感測紅光、綠光或藍光。當然，不同子像素可配置以藉由改變子像素之濾光器層中的濾光器來感測不同波長之光。
微透鏡區842安置於成像像素853上方。將微透鏡區842說明為配置以將影像光聚焦至成像像素853之四個子像素03、04、07及08的圓形或橢圓形微透鏡區。因此，微透鏡區842與成像像素853具有一對一對應關係。子像素03配置以量測/感測紅外光，子像素04配置以量測/感測一定強度之可見光，子像素07配置以量測/感測一定強度之可見光，且子像素08配置以量測/感測紅光、綠光或藍光。儘管未特定說明，但超表面透鏡層801之橢圓形、圓形或矩形微透鏡區可安置於成像像素854之子像素09、10、13及14上方。此外，超表面透鏡層801之橢圓形、圓形或矩形微透鏡區可安置於成像像素855之子像素11、12、15及16上方。
超表面透鏡層801可為連續層。連續超表面透鏡層801可覆蓋整個影像像素陣列，其中影像像素陣列包括數千或數百萬個成像像素。
圖9說明根據本發明之態樣的包括微透鏡區之超表面透鏡層901，這些微透鏡區與成像像素之子像素具有一對一對應關係。在圖9中，將微透鏡區941說明為配置以將影像光聚焦至一個子像素（子像素01）之圓形或橢圓形微透鏡區。微透鏡區942配置以將影像光聚焦至子像素02，微透鏡區943配置以將影像光聚焦至子像素05，且微透鏡區944配置以將影像光聚焦至子像素06。因此，超表面透鏡層901之微透鏡區與成像像素952之子像素（其包括子像素01、02、05及06）具有一對一對應關係。類似地，超表面透鏡層901之微透鏡區945、946、947及948分別與成像像素954之子像素09、10、13及14具有一對一對應關係。換言之，超表面透鏡層901配置以具有微透鏡區，以針對圖9中之各子像素聚焦影像光（例如，影像光290）。
仍參考圖9，子像素01配置以量測/感測紅外光，子像素02配置以量測/感測一定強度之可見光，子像素05配置以量測/感測一定強度之可見光，且子像素06配置以量測/感測紅光、綠光或藍光。當然，不同子像素可配置以藉由改變子像素之濾光器層中的濾光器來感測不同波長之光。儘管未特定說明，但超表面透鏡層901之橢圓形、圓形或矩形微透鏡區可（個別地）安置於成像像素953之子像素03、04、07及08上方。此外，超表面透鏡層901之橢圓形、圓形或矩形微透鏡區可（個別地）安置於成像像素955之子像素11、12、15及16上方。
超表面透鏡層901可為連續層。連續超表面透鏡層901可覆蓋整個影像像素陣列，其中影像像素陣列包括數千或數百萬個成像像素。
在一實施方案中，本發明之超表面透鏡層為偏振相依的。在一個實施方案中，本發明之超表面透鏡層中之奈米結構配置以將第一偏振定向傳遞/傳輸向至成像像素且拒絕/防止第二（不同）偏振定向入射於成像像素上。在一個實施方案中，第一偏振定向正交於第二偏振定向。在一實施方案中，超表面透鏡層中之奈米結構配置以傳遞右旋圓偏振光且阻擋左旋圓偏振光。在一實施方案中，超表面透鏡層中之奈米結構配置以傳遞左旋圓偏振光且阻擋右旋圓偏振光。
在一實施方案中，超表面透鏡層中之奈米結構配置以：（1）將第一波長帶之影像光傳遞至第一子像素而非第二子像素；及（2）將第二（不同）波長帶之影像光傳遞至第二子像素而非第一子像素。
圖10說明根據本發明之態樣的可包括超表面透鏡層之成像系統1000。在一些實施方案中，成像系統1000之全部或部分可包括於影像感測器中。成像系統1000包括控制邏輯1008、處理邏輯1012及影像像素陣列1002。影像像素陣列1002可以列及行配置，其中整數 y為列之數目且整數 x為行之數目。影像像素陣列1002可具有總共 n個像素（P），且整數n可為整數 x與整數 y之乘積。在一些實施方案中， n超過一百萬個成像像素。各成像像素可包括本發明中所描述之子像素。
在操作中，控制邏輯1008驅動影像像素陣列1002擷取影像。影像像素陣列1002可配置以具有例如全域快門或滾動快門。各子像素可組態於3-電晶體（3T）或4-電晶體（4T）讀出電路組態中。處理邏輯1012配置以自各子像素接收成像信號。處理邏輯1012可執行進一步操作，諸如自其他成像信號減去或添加一些成像信號以產生影像1015。根據本發明之圖6至圖9之超表面透鏡層的態樣可安置於成像系統1000中之影像像素陣列1002上方。在一實施方案中，超表面透鏡層801安置於成像系統1000中之影像像素陣列1002上方。在一實施方案中，超表面透鏡層901安置於成像系統1000中之影像像素陣列1002上方。
圖15A說明根據本發明之實施方案的具有多功能微透鏡層1541之實例成像像素1552的側視圖。多功能微透鏡層1541可充當（1）微透鏡及偏振器；（2）微透鏡及波長濾波器；或（3）微透鏡、偏振器及波長濾波器之組合。藉由組合微透鏡層及過濾層及/或偏振層之功能性，影像感測器可變得較小、較不昂貴且減少製造程序中之製造步驟。多功能微透鏡層1541可實施為圖案化LCPH層。在一實施方案中，多功能微透鏡層1541經實施為經設計為LC-PBP之圖案化LCPH層。若圖案化LCPH層包括波長濾波功能性，則圖案化LCPH層中之液晶可摻雜有彩色染料以為特定波長帶提供濾光器或阻擋特定波長。根據本發明中先前描述之實施方案，多功能微透鏡層1541可經實施為超表面。
圖15A說明遇到多功能微透鏡層1541之影像光290。多功能微透鏡層1541安置於影像像素陣列之成像像素（例如，成像像素1552）上方。實例成像像素1552包括圖15A中之子像素1552A及子像素1552B。圖15B說明包括四個子像素1552A、1552B、1552C及1552D之實例成像像素1552的透視圖。
圖15A將子像素1552A展示為量測/感測一定強度之可見光的單色子像素，而將子像素1552B說明為紅外線子像素。濾光功能性係由多功能微透鏡層1541之微透鏡區提供。子像素1552B可配置以量測/感測特定帶之紅外光（例如，800 nm光）或量測/感測波長高於可見紅光之廣譜紅外光。此外，此濾光功能性係由多功能微透鏡層1541之微透鏡區提供。子像素1552A之感測區1511A及子像素1552B之感測區1511B可實施於包括於半導體層1545中之摻雜矽中。深溝槽隔離（DTI）及金屬層可分隔不同子像素之感測區。成像像素1552之各子像素可為1至2微米。
圖15B說明實例成像像素1552包括四個子像素，其中子像素中之兩者（1552A及1552C）可為配置以量測/感測一定強度之影像光290的單子像素，及可配置以量測/感測紅外光之一個子像素1552B。子像素1552D可配置以量測/感測傳播至子像素1552D之感測區的紅光、綠光或藍光。各子像素之過濾功能性可由安置於特定子像素上方的多功能微透鏡層1541之微透鏡區提供。類似地，亦可藉由安置於特定子像素上方的多功能微透鏡層1541之微透鏡區提供各子像素之偏振過濾。成像像素1552之各子像素可為1至2微米。
圖16說明根據本發明之實施方案的包括具有繞射聚焦元件1615之透鏡組裝件1633的相機系統1600。繞射聚焦元件1615可實施為LC-PBP透鏡或微表面透鏡。繞射聚焦元件1615具有焦距116以將影像光聚焦至影像像素陣列1602上。透鏡組裝件1633可包括繞射聚焦元件1615及圓形偏振器118。圓形偏振器118可將特定旋偏振定向（例如，右旋偏振或左旋偏振光）傳遞至繞射聚焦元件1615。在一些實施方案中，影像像素陣列1602可實施為CMOS影像感測器。透鏡組裝件1633配置以將自物件110散射/反射之影像光聚焦至影像像素陣列1602之成像像素。影像像素陣列1602包括諸如成像像素1651之複數個成像像素。成像像素1651包括第一子像素1611A及第二子像素1611B。濾光器層137可包括不同波長濾波器（例如，紅色、綠色、藍色、紅外線、近紅外線）以過濾傳播至成像像素1651之半導體層1645（例如，矽）的影像光之波長。間隔件層135可安置於微透鏡層1641與濾光器層137之間。間隔件層135可包括例如深溝槽介面（DTI）或內埋屏蔽金屬（BSM）。
微透鏡層1641包括用於將影像光聚焦至子像素1611A及1611B之微透鏡區。微透鏡層1641可實施為具有上文在本發明中所描述之特徵的圖案化LCPH或超表面層。替換習知折射透鏡（例如，由塑膠或玻璃形成）極大地減小相機系統1600之高度且減小重量。
圖17A至圖17C說明用於製造根據本發明之實施方案的LCPH之實例製程。在圖17A中，使用旋轉塗佈技術在玻璃層1710上形成光配向材料（photoalignment material；PAM）1712以形成光學結構1700。在圖17B中，使用旋轉塗佈技術在PAM層1712上形成液晶單體層1714。在圖17C中，根據製造中之LCPH之特定組態，光學結構1700由紫外（ultraviolet；UV）光照射以使液晶單體層1714光聚合。
本發明之具體實例可包括人工實境系統或結合人工實境系統實施。人工實境係在呈現給使用者之前已以某一方式調整之實境形式，其可包括例如虛擬實境（virtual reality；VR）、擴增實境（augmented reality；AR）、混合實境（mixed reality；MR）、混雜實境或其某一組合及/或衍生物。人工實境內容可包括完全產生之內容或與所捕獲（例如，真實世界）內容組合之所產生內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、觸覺反饋或其某一組合，且其中之任一者可在單個通道中或在多個通道中（諸如，對檢視者產生三維效應之立體視訊）呈現。另外，在一些具體實例中，人工實境亦可與用以例如在人工實境中創建內容及/或以其他方式用於人工實境中（例如，在人工實境中執行活動）之應用程式、產品、配件、服務或其某一組合相關聯。提供人工實境內容之人工實境系統可實施於各種平台上，包括連接至主機電腦系統之頭戴式顯示器（head-mounted display；HMD）、獨立式HMD、行動裝置或計算系統或能夠將人工實境內容提供至一或多個檢視者之任何其他硬體平台。
本發明中之術語「處理邏輯」可包括一或多個處理器、微處理器、多核心處理器、特定應用積體電路（Application-specific integrated circuit；ASIC）及/或場可程式化閘陣列（Field Programmable Gate Array；FPGA）以執行本文中所揭示之操作。在一些具體實例中，記憶體（未說明）經整合至處理邏輯中以儲存用以執行操作之指令及/或儲存資料。處理邏輯亦可包括類比或數位電路系統，以執行根據本發明之具體實例的操作。
本發明中所描述之「記憶體（memory或memories）」可包括一或多個揮發性或非揮發性記憶體架構。「記憶體（memory或memories）」可為以任何方法或技術實施以用於儲存資訊（諸如，電腦可讀取指令、資料結構、程式模組或其他資料）的抽取式及非抽取式媒體。實例記憶體技術可包括RAM、ROM、EEPROM、快閃記憶體、CD-ROM、數位多功能光碟（digital versatile disk；DVD）、高清晰度多媒體/資料儲存磁碟或其他光學儲存器、盒式磁帶、磁帶、磁碟儲存器或其他磁性儲存裝置，或可用於儲存資訊以供計算裝置存取之任何其他非傳輸媒體。
網路可包括任何網路或網路系統，諸如但不限於以下：對等式網路；區域網路（Local Area Network；LAN）；廣域網路（Wide Area Network；WAN）；公用網路，諸如網際網路；專用網路；蜂巢網絡；無線網路；有線網絡；無線及有線組合網絡；及衛星網路。
通訊通道可包括或利用IEEE 802.11協定、藍牙、串列周邊介面（Serial Peripheral Interface；SPI）、內積體電路（Inter-Integrated Circuit；I 2C）、通用串聯埠（Universal Serial Port；USB）、控制器區域網路（Controller Area Network；CAN）、蜂巢資料協定（例如，3G、4G、LTE、5G）、光學通訊網路、網際網路服務提供者（Internet Service Provider；ISP）、同級間網路、區域網路（LAN）、廣域網路（WAN）、公用網路（例如，「網際網路」）、專用網路、衛星網路或以其它方式來經由一或多個有線或無線通訊路由。
計算裝置可包括桌上型電腦、膝上型電腦、平板電腦、平板手機、智慧型手機、功能電話機、伺服器電腦或其他。伺服器電腦可遠端地位於資料中心中或儲存於本端。
本發明之所說明具體實例的以上描述（包括發明摘要中所描述之內容）並不意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確形式。儘管本文中出於說明性目的描述本發明之特定具體實例及實例，但如所屬技術領域中具通常知識者將認識到，在本發明之範圍內，各種修改係可能的。
根據以上詳細描述，可對本發明作出此等修改。在以下申請專利範圍中所使用之術語不應被視為將本發明限於本說明書中所揭示之特定具體實例。實情為，本發明之範疇應完全由以下申請專利範圍來判定，申請專利範圍將根據申請專利範圍解釋之已確立原則來解釋。
01:子像素 02:子像素 03:子像素 04:子像素 05:子像素 06:子像素 07:子像素 08:子像素 09:子像素 10:子像素 11:子像素 12:子像素 13:子像素 14:子像素 15:子像素 16:子像素 100:成像系統 102:影像像素陣列 110:物件 111A:第一子像素 111B:第二子像素 115:聚焦元件 116:焦距 118:圓形偏振器 135:間隔件層 137:濾光器層 141:圖案化LCPH層 145:半導體層 151:成像像素 211A:感測區 211B:感測區 235:層 237:濾光器層 238:濾光器 239:濾光器 241:圖案化LCPH層 243:氧化物層 245:半導體層 252A:子像素 252B:子像素 252C:子像素 252D:子像素 252:成像像素 290:影像光 301:圖案化LCPH層 341:微透鏡區 342:微透鏡區 352:成像像素 353:成像像素 354:成像像素 355:成像像素 401:圖案化LCPH層 441:微透鏡區 442:微透鏡區 443:微透鏡區 444:微透鏡區 445:微透鏡區 446:微透鏡區 447:微透鏡區 448:微透鏡區 500:成像系統 502:影像像素陣列 508:控制邏輯 512:處理邏輯 515:影像 600:感測系統 602:影像像素陣列 611A:第一子像素 611B:第二子像素 641:超表面透鏡層 645:半導體層 651:成像像素 711A:感測區 711B:感測區 741:超表面透鏡層 745:半導體層 752A:子像素 752A:子像素 752B:子像素 752B:子像素 752C:子像素 752D:子像素 752:成像像素 801:超表面透鏡層 841:微透鏡區 842:微透鏡區 852:成像像素 853:成像像素 854:成像像素 855:成像像素 901:超表面透鏡層 941:微透鏡區 942:微透鏡區 943:微透鏡區 944:微透鏡區 945:微透鏡區 946:微透鏡區 947:微透鏡區 948:微透鏡區 952:成像像素 953:成像像素 954:成像像素 955:成像像素 1000:成像系統 1002:影像像素陣列 1008:控制邏輯 1012:處理邏輯 1015:影像 1101:奈米結構 1201:奈米結構 1301:奈米結構 1401:奈米結構 1511A:感測區 1511B:感測區 1541:微透鏡層 1545:半導體層 1552A:子像素 1552B:子像素 1552C:子像素 1552D:子像素 1552:成像像素 1600:相機系統 1602:影像像素陣列 1611A:第一子像素 1611B:第二子像素 1615:繞射聚焦元件 1633:透鏡組裝件 1641:微透鏡層 1645:半導體層 1651:成像像素 1700:光學結構 1710:玻璃層 1712:光配向材料 1714:液晶單體層 H1:高度 H2:高度 H3:高度 H4:高度 P:像素
參考以下圖式描述本發明之非限制性及非窮盡性具體實例，其中除非另外指定，否則貫穿各種視圖，相同附圖標號指代相同部分。 [圖1]說明根據本發明之態樣的包括圖案化液晶偏振全像圖（liquid crystal polarization hologram；LCPH）層之感測系統，該圖案化液晶偏振全像圖層具有配置以將影像光聚焦至影像感測器之不同子像素的微透鏡區。 [圖2A]至[圖2B]說明根據本發明之態樣的包括子像素之實例成像像素。 [圖3]說明根據本發明之態樣的配置有待安置於子像素上方之微透鏡區的圖案化LCPH層。 [圖4]說明根據本發明之態樣的包括微透鏡區之圖案化LCPH層，這些微透鏡區與成像像素之子像素具有一對一對應關係。 [圖5]說明根據本發明之態樣的包括影像像素陣列之實例成像系統。 [圖6]說明根據本發明之態樣的包括超表面透鏡層之感測系統，該超表面透鏡層具有配置以將影像光聚焦至影像感測器之不同子像素的微透鏡區。 [圖7A]至[圖7B]說明根據本發明之態樣的包括子像素之實例成像像素。 [圖8]說明根據本發明之態樣的配置有待安置於子像素上方之微透鏡區的超表面透鏡層。 [圖9]說明根據本發明之態樣的包括微透鏡區之超表面透鏡層，這些微透鏡區與成像像素之子像素具有一對一對應關係。 [圖10]說明根據本發明之態樣的可包括超表面透鏡層之成像系統。 [圖11A]至[圖14B]說明根據本發明之態樣的可包括於超表面透鏡層之微透鏡區中的各種奈米結構。 [圖15A]至[圖15B]說明根據本發明之態樣的具有多功能微透鏡層之實例成像像素。 [圖16]說明根據本發明之態樣的包括具有繞射聚焦元件之透鏡組裝件的相機系統。 [圖17A]至[圖17C]說明用於製造根據本發明之態樣的LCPH之實例製程。
100:成像系統
102:影像像素陣列
110:物件
111A:第一子像素
111B:第二子像素
115:聚焦元件
116:焦距
118:圓形偏振器
135:間隔件層
137:濾光器層
141:圖案化LCPH層
145:半導體層
151:成像像素

Claims (20)

  1. 一種影像感測器，其包含： 成像像素，其包括配置以感測影像光之第一子像素及配置以感測該影像光之第二子像素；及 圖案化液晶偏振全像圖層，其具有安置於這些成像像素上方之微透鏡區，其中這些微透鏡區配置以將該影像光聚焦至這些成像像素之該第一子像素及該第二子像素。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該圖案化液晶偏振全像圖層中之液晶經摻雜以： 將第一波長帶之該影像光傳遞至該第一子像素而非該第二子像素；及 將第二波長帶之該影像光傳遞至該第二子像素而非該第一子像素。
  3. 如請求項1之影像感測器，其中這些微透鏡區與這些成像像素之子像素具有一對一對應關係。
  4. 如請求項1之影像感測器，其中這些微透鏡區與這些成像像素具有一對一對應關係。
  5. 如請求項1之影像感測器，其中這些微透鏡區為矩形的。
  6. 如請求項1之影像感測器，其進一步包含：安置於這些成像像素之半導體層與該圖案化液晶偏振全像圖層之間的波長濾波層。
  7. 如請求項1之影像感測器，其中該圖案化液晶偏振全像圖層包括盤查拉特納姆-貝瑞相位（LC-PBP）設計。
  8. 如請求項1之影像感測器，其中該圖案化液晶偏振全像圖層包括偏振體積全像圖設計。
  9. 如請求項1之影像感測器，其中該液晶偏振全像圖層之這些微透鏡區具有小於四微米寬之最長尺寸。
  10. 一種影像感測器，其包含： 成像像素，其包括配置以感測影像光之第一子像素及配置以感測該影像光之第二子像素；及 超表面透鏡層，其具有安置於這些成像像素上方之微透鏡區，其中這些微透鏡區配置以將該影像光聚焦至這些成像像素之該第一子像素及該第二子像素。
  11. 如請求項10之影像感測器，其中該超表面透鏡層中之奈米結構配置以： 將第一偏振定向傳遞至這些成像像素且拒絕第二偏振定向入射於這些成像像素上，該第一偏振定向不同於該第二偏振定向。
  12. 如請求項11之影像感測器，其中該超表面透鏡層中之這些奈米結構配置以： 將第一波長帶之該影像光傳遞至該第一子像素而非該第二子像素；及 將第二波長帶之該影像光傳遞至該第二子像素而非該第一子像素。
  13. 如請求項10之影像感測器，其中該超表面透鏡層包括非對稱奈米結構。
  14. 如請求項10之影像感測器，其中該超表面透鏡層為偏振相依的。
  15. 如請求項10之影像感測器，其中該超表面透鏡層之奈米結構由矽、氮化矽或氧化鈦中之至少一者形成。
  16. 如請求項10之影像感測器，其中這些微透鏡區與這些成像像素之子像素具有一對一對應關係。
  17. 如請求項10之影像感測器，其中這些微透鏡區與這些成像像素具有一對一對應關係。
  18. 如請求項10之影像感測器，其中這些微透鏡區為矩形的。
  19. 一種相機，其包含： 影像感測器，其包括配置以感測影像光之複數個成像像素；及 透鏡組裝件，其具有配置以將該影像光聚焦至該影像感測器之這些成像像素的液晶盤查拉特納姆-貝瑞相位（LC-PBP）透鏡，其中該透鏡組裝件不具有由玻璃或塑膠形成之折射透鏡。
  20. 如請求項19之相機，其進一步包含： 圓形偏振器層，其中該液晶盤查拉特納姆-貝瑞相位透鏡安置於該圓形偏振器層與這些成像像素之間。
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