TW202308373A - 抑制耀斑影像感測器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露減少花瓣耀斑的實施例。一種抑制耀斑影像感測器包括多個像素，多個像素包括第一組像素和第二組像素。抑制耀斑影像感測器還包括多個微透鏡，其中每個微透鏡與第一組像素中的相應像素對準。抑制耀斑影像感測器還包括多個子微透鏡，其中每個微透鏡陣列與第二組像素中的相應像素對準。

Description

抑制耀斑影像感測器
本發明涉及一種影像感測器之技術領域，特別是一種抑制耀斑影像感測器。
商業產品例如獨立數位相機、行動裝置、汽車部件和醫療設備中的相機模組包括具有像素陣列的影像感測器。像素陣列包括配置成二維週期性陣列的多個像素。許多影像感測器包括由多個微透鏡形成的微透鏡陣列，每個微透鏡與相應像素對準。影像感測器的像素陣列和其上的微透鏡陣列之週期性導致影像感測器類似於反射式二維繞射光柵。入射到影像感測器上的部分光被繞射到相機的成像透鏡。相機之不同元件，例如蓋玻璃、紅外截止濾光器、成像透鏡之表面，將繞射光反射回影像感測器，從而產生稱為花瓣耀斑的影像偽影。
本發明揭露減少花瓣耀斑的實施例。一種抑制耀斑影像感測器包括多個像素，多個像素包括第一組像素和第二組像素。抑制耀斑影像感測器還包括多個微透鏡，其中每個微透鏡與第一組像素中的相應像素對準。抑制耀斑影像感測器還包括多個子微透鏡陣列，其中每個子微透鏡陣列與第二組像素中的相應像素對準。
當光從影像感測器中的一個透鏡散射到另一個透鏡上，使影像失真時，就會發生花瓣耀斑。例如，當光反射、繞射或入射到透鏡上時，光可能於附近的透鏡干涉。本實施例的一個觀點包括以下認識：花瓣耀斑的主要來源是入射到相鄰像素的透鏡或微透鏡上並由其聚焦的光。本發明揭露之實施例係通過將像素配置成與交替的微透鏡和子微透鏡對準來減少花瓣耀斑。本發明實施例係藉由包括與多個交替像素對準的多個子微透鏡（子微透鏡陣列）來減少花瓣耀斑，其中每個子微透鏡使入射到每個子微透鏡的折射元件上的光的一部分透射。在一些實施例中，不是具有與微透鏡和子微透鏡陣列對準的多個交替像素，像素的配置可以是另一種週期性圖案或隨機的，以充分減少影像感測器內的花瓣-耀斑（petal-flare）積聚。
微透鏡可以是寬度範圍在10微米與1毫米之間的透鏡，而子微透鏡可以是寬度範圍在半微米到3微米之間的透鏡。
圖1顯示影像感測器100，其包括像素陣列154。在圖1所描繪的情境中，影像感測器100併入在對場景成像的相機190中。相機190包括影像感測器100，其包括像素陣列154。影像感測器100可以是晶片級封裝或板上晶片封裝之一部分。
圖2是抑制耀斑影像感測器（例如，影像感測器100）之像素陣列200（例如，圖1的像素陣列154之一部分）的示意圖。圖2所示的像素陣列200包括像素202、204和像素210、212，像素202、204各自與微透鏡206對準，像素210、212各自與子微透鏡214陣列對準。子微透鏡214可以具有微透鏡206的大致一半（例如，在40%與60%之間）的寬度和大致一半（例如，在40%與60%之間）的曲率半徑。此外，子微透鏡214以2×2陣列配置在像素210、212的表面區域。然而，在一些實施例中，子微透鏡陣列214可以是N×N陣列，其中N是大於1的任何整數。例如，N×N微透鏡陣列可以是3×3陣列，4×4陣列，或足以減少花瓣-耀斑積聚的任何整數N。
例如，圖3是抑制耀斑影像感測器（例如，影像感測器100）之像素陣列300（例如，像素陣列154之一部分）的示意圖。圖3包括像素302、304和像素310、312，像素302、304各自與微透鏡206對準，像素310、312各自與子微透鏡314對準。子微透鏡314配置成3×3陣列。每個子微透鏡314可以具有微透鏡206的大致三分之一（例如，在20%與45%之間）的寬度和曲率半徑。子微透鏡314的高度、半徑和幾何形狀可以變化以充分減少花瓣-耀斑積聚，並且不受本發明所揭露的實施例的限制。
像素陣列200和300可以被組織成多個行和列，並且每一列可以包括與微透鏡對準的第一組像素和與N×N陣列的子微透鏡對準的第二組像素。在一列內的第一組和第二組像素的配置可以是週期性的或隨機的。例如，該配置在（i）來自第一組像素的像素與（ii）來自第二組像素的相鄰像素之間交替。該配置可以是來自第一組像素的兩個像素，之後是來自第二組像素的兩個像素。及/或該配置可以包括來自第一組像素的一個像素，之後是來自第二組像素的兩個像素。通常，第一組像素和第二組像素的配置可以是週期性的或隨機的。
圖4-6各顯示包括三個像素的影像感測器（例如，影像感測器100）之一部分，並且顯示第一組像素和第二組像素之配置的不同排列或像素內的不同N×N陣列之子微陣列。圖4是包括三個像素402、404、406的影像感測器400之一部分的示意圖，其中像素402、406與微透鏡206對準，而像素404與子微透鏡214對準。影像感測器400可以包括一個或多個層，其示例包括光譜濾光器陣列、鈍化層和氧化物層。
影像感測器400包括相鄰像素之間的深溝槽隔離層418、420，深溝槽隔離層在半導體基板422內的深度可以變化。在一些實施例中，深溝槽隔離層418、420包括氧化物。深溝槽隔離層418、420具有寬度424，寬度424可以至少為150 nm，使得入射到深溝槽隔離層418、420上的光經歷全內反射並且不被透射到相鄰像素。半導體基板422具有頂表面416。
微透鏡206可以是氧化物並且利用化學氣相沉積來製造。在一些實施例中，微透鏡206由具有140℃與180℃之間的轉變溫度的材料（例如玻璃）所形成，使得其能夠承受與影像感測器（例如，影像感測器100）相關聯的迴焊製程的溫度。在一些實施例中，子微透鏡214包括與微透鏡206基本類似或相同的材料。在一些實施例中，子微透鏡214包括與微透鏡206不同的材料。
每個子微透鏡214可以具有一高度峰值，該高度峰值被確定為使得每個子微透鏡214具有等於頂表面416之厚度430的後焦距。在一些實施例中，微透鏡206之高度426是子微透鏡214高度的兩倍。在一些實施例中，微透鏡206之高度426與子微透鏡214的高度的比例是足以減少花瓣-耀斑積聚的值。例如，子微透鏡214之高度在微透鏡206之高度426的30%與70%之間。類似地，微透鏡206之基部的寬度428與子微透鏡214之基部的寬度的比例可以是足以減少花瓣-耀斑積聚的值。在一些實施例中，寬度428和透鏡214之寬度可以是沿同一方向的最大寬度。在一些實施例中，寬度428大致是子微透鏡214之基部寬度的兩倍。例如，子微透鏡214之寬度在寬度428的30%與70%之間。在一些實施例中，寬度428在5微米與1毫米之間，而子微透鏡214之寬度在半微米與3微米之間。
圖5和圖6是影像感測器500和600之部分的示意圖，影像感測器500和600之每一個包括三個像素並且是影像感測器400的變型。影像感測器500和600可以包括一個或多個層，其示例包括光譜濾光器陣列、鈍化層和氧化物層。像素502、602和606分別與微透鏡206對準，而像素504、506和604分別與子微透鏡214、314對準。半導體基板524、624分別具有頂表面518、618。在下面的描述中最好一起察看圖5和圖6。
影像感測器500、600至少在與像素502-506、602-606對準的微透鏡和子微透鏡類型的週期性配置方面與影像感測器400不同。例如，影像感測器500包括不同序列的微透鏡206和子微透鏡214。如此可以看出，不是像在影像感測器400中那樣微透鏡206與子微透鏡214相鄰，影像感測器500具有以下序列：與微透鏡206對準的像素502，之後是與子微透鏡214對準的兩個像素504、506。對於影像感測器像素陣列之每一列像素，該序列可以繼續。此外，每一列（未圖示）可以在像素序列中相對於像素陣列內的相鄰列具有一位移。例如，第一列像素可以始於影像感測器500之序列：與微透鏡206對準的像素502，之後是與子微透鏡214對準的兩個像素504、506，如圖5所示。第二列（未圖示）可以始於與子微透鏡214對準的像素（例如，像素504），之後是與子微透鏡214對準的像素（例如，像素506），再之後是與微透鏡206對準的像素（例如，像素502）。並且第三列可以繼續，使得圖5中所示的多個像素之影像感測器500對於每個後續的列向右位移一個像素。或者，替代地，第二列可以始於與子微透鏡214對準的像素，之後是與微透鏡206對準的像素，並且圖5中所示的多個像素之序列可以繼續。在一些實施例中，考慮與相應微透鏡或子微透鏡對準的像素序列之任何排列（週期性或隨機），使得該排列充分減少花瓣-耀斑積聚。
類似地，影像感測器600顯示與影像感測器400之像素序列類似的像素序列，即與微透鏡206對準的像素和與子微透鏡314對準的像素相鄰；然而，子微透鏡314係為3×3陣列。與圖4、5中的可用排列相似，在本發明中考慮的可用排列使得排列充分減少花瓣-耀斑積聚。例如，第一列可以包括圖6中所示的列，並且影像感測器600之第二列像素可以始於與子微透鏡314對準的像素，之後是與微透鏡206對準的像素等。本發明所揭露的實施例不限於圖4至圖6，並且可以包括任何排列和任何N×N子微透鏡陣列，其中N是大於1的任何整數。例如，一列像素可以包括如圖5所示的像素序列，但是與子微透鏡214對準的每個像素可以具有3×3、4×4、5×5等陣列。在一些實施例中，與微透鏡206、子微透鏡214、314等對準的任何9×9像素陣列可以包括影像感測器400、500、600之任何組合。例如，9×9陣列感測器元件可以包括影像感測器400、500、600之每一種影像感測器中的一個、影像感測器400、500、600中的兩個，影像感測器中的一個可以旋轉使得影像感測器內的一列像素可以變成一行，等等。
圖7顯示例子1-3，每一例子都被描繪成與相對應微透鏡（例如，微透鏡206）或子微透鏡（例如，子微透鏡214）對準的2×2像素陣列。在一些實施例中，可以使用拜耳濾光器，並且每個像素可以是綠色、紅色或藍色濾光器之一。例如，例子1顯示2×2像素陣列，每個像素與微透鏡對準。例子1進一步顯示出具有指示藍色濾光器的第一圖案之第一像素702；具有指示綠色濾光器的第二圖案之第二像素704；具有指示綠色濾光器的第二圖案的第三像素706；以及具有指示紅色濾光器的第三圖案之第四像素708。
例子2顯示了2×2像素陣列，第一列像素和第二列像素各自包括與微透鏡對準的像素712、714和與子微透鏡對準的像素710、716。在例子2中使用與在例子1中使用的拜耳濾光器的紅色濾光器、綠色濾光器和藍色濾光器相對應的相同圖案。例如，像素710具有指示藍色濾光器的第一圖案；像素712、714具有指示綠色濾光器的第二圖案；並且像素716具有指示紅色濾光器的第三圖案。例子3包括與微透鏡或子微透鏡對準的像素。例子3具有從例子2中看到的情形，切換拜耳濾光器顏色的微透鏡和子微透鏡。例如，像素具有與例子2中相同的圖案；然而，像素718與微透鏡對準；像素720、722與子微透鏡對準；並且像素726與微透鏡對準。
圖8顯示了波長範圍從400 nm到700 nm的光之二階繞射的曲線圖800，包括繞射測量810、820、830，分別對應於例子1、例子2和例子3，如圖例840中所示。與繞射測量810相比，繞射測量820和830顯示出除了410 nm區域之外，所有波長的光之二階繞射顯著減少。此外，繞射測量820和830保持大致的一致性，直到大約590 nm區域，然後發散。繞射測量820與830之間的差異可歸因於微透鏡或子微透鏡所覆蓋的拜耳濾光器的顏色。在一些實施例中，可以使用拜耳濾光器以外的彩色濾光器陣列，例如RGBE濾光器、RYYB濾光器、CYYM濾光器、CYGM濾光器、RGBW濾光器、X-Trans濾光器、Quad Bayer濾光器、RYYB Quad濾光器、Nonacell濾光器、RCCC濾光器、RCCB濾光器等。在一些實施例中，彩色濾光器陣列之每個濾光器可以包括紅色濾光器、綠色濾光器、藍色濾光器、青色濾光器、品紅色濾光器、黃色濾光器和全色濾光器中的一種或多種。在一些實施例中，影像感測器包括位於子微透鏡陣列與半導體基板之間的彩色濾光器陣列（CFA），並且該CFA包括以拜耳圖案配置的多個彩色濾光器。
以上描述以充分、清晰、簡明和準確的術語呈現了設想用於執行本實施例的最佳模式，以及實踐它們的方式和過程，以使其所屬領域的任何技術人員能夠實踐這些實施例。然而，本實施例易於從以上討論做出完全等效的修改和替代構造。因此，本發明不受所揭露的特定實施例的限制。相反，本發明涵蓋了在本發明的精神和範圍內的所有修改和替代構造。例如，本文描述的像素或微透鏡陣列的配置/序列不需要以與它們已經呈現的相同的結構形成，並且可以以任何方式形成。此外，在替代實施例中，已經呈現為單獨形成的結構可以同時形成。同樣，在替代實施例中，已經呈現為同時形成的結構可以單獨形成。 特徵組合
具體設想以下實施例，以及與彼此相容的這些實施例的任何組合：
（A）一種抑制耀斑影像感測器，包括多個像素，多個像素包括第一組像素和第二組像素。抑制耀斑影像感測器還包括多個微透鏡，每個微透鏡與第一組像素中的相應像素對準。抑制耀斑影像感測器還包括多個子微透鏡陣列，每個子微透鏡陣列與第二組像素中的相應像素對準。
（B）在由（A）表示的實施例中，第一組像素和第二組像素被週期性地佈置，使得來自第一組像素之每X個像素之後是來自第二組像素之Y個像素，其中X和Y都是正整數。
（C）在由（B）表示的實施例中，X大於Y。
（D）在由（B）表示的實施例中，X等於1，而Y等於2。
（E）在由（A）表示的實施例中，每個子微透鏡具有在半微米與3微米之間的寬度。
（F）在由（A）表示的實施例中，每個微透鏡具有在5微米與1毫米之間的寬度。
（G）在由（A）表示的實施例中，每個微透鏡的寬度大約是每個子微透鏡寬度的兩倍。
（H）在由（A）表示的實施例中，每個微透鏡的寬度大約是每個子微透鏡寬度的三倍。
（I）在由（A）表示的實施例中，第一組像素和第二組像素週期性地配置以充分減少花瓣耀斑積聚。
（J）在由（A）表示的實施例中，每個子微透鏡陣列配置成M×N陣列，其中M和N是大於1的數值。
（K）在由（A）和（J）表示的實施例中，M等於N。
（L）在由（A）和（J）表示的實施例中，M不等於N。
（M）在由（A）表示的實施例中，多個像素位於半導體基板內。多個微透鏡之每一個和多個子微透鏡陣列之每一個位於半導體基板上方的微透鏡平面中。該影像感測器包括在微透鏡平面與半導體基板之間的彩色濾光器陣列（CFA），該CFA包括以拜耳圖案配置的多個彩色濾光器。
（N）在（A）和（M）所示的實施例中，第一組像素之每個像素具有拜耳圖案的紅色濾光器或藍色濾光器之一，而第二組像素之每個像素具有拜耳圖案的綠色濾光器。
（O）在由（A）表示的實施例中，多個像素位於半導體基板內。多個微透鏡之每一個和多個子微透鏡陣列之每一個位於半導體基板上方的微透鏡平面中。該影像感測器包括在微透鏡平面與半導體基板之間的彩色濾光器陣列（CFA）。CFA之每一個濾光器是紅色濾光器、綠色濾光器、藍色濾光器、青色濾光器、品紅色濾光器、黃色濾光器和全色濾光器中的一種或多種。
（P）在由（A）表示的實施例中，第一組像素和第二組像素被隨機地配置。
100,400,500,600:影像感測器 154,200,300:像素陣列 190:相機 202,204,210,212,302,304,310,312,402,404,406,502,504,506,602,604,606,710,712, 714,716,718,720,722,726:像素 206:微透鏡 214,314:子微透鏡 416,518,618:頂表面 418,420:深溝槽隔離層 422,524,624:半導體基板 424,428:寬度 426:高度 430:厚度 702:第一像素 704:第二像素 706:第三像素 708:第四像素 800:曲線圖 810,820,830:繞射測量 840:圖例
［圖1］描繪了根據一實施例的使場景成像的相機。
［圖2］和［圖3］是作為圖1的影像感測器之實施例的抑制耀斑影像感測器之像素陣列的示意圖。
［圖4至圖6］示出了根據一實施例的與微透鏡或子微透鏡陣列對準的像素序列的側視圖。
［圖7］顯示與微透鏡或子微透鏡陣列對準的像素陣列的三種例子。
［圖8］顯示根據實施例的對於三種不同例子研究的變化波長的二階繞射的曲線圖。
200:像素陣列
202,204,210,212:像素
206:微透鏡
21:子微透鏡

Claims (16)

  1. 一種抑制耀斑影像感測器，包括： 多個像素，包括第一組像素和第二組像素； 多個微透鏡，每個微透鏡對準該第一組像素之一相應像素；以及 多個子微透鏡陣列，每個子微透鏡陣列對準該第二組像素之一相應像素。
  2. 根據請求項1所述的抑制耀斑影像感測器，其中該第一組像素和該第二組像素被週期性地配置，使得來自該第一組像素之每X個像素之後是來自該第二組像素之Y個像素，其中X和Y是正整數。
  3. 根據請求項2所述的抑制耀斑影像感測器，其中X大於Y。
  4. 根據請求項2所述的抑制耀斑影像感測器，其中X等於1，而Y等於2。
  5. 根據請求項1所述的抑制耀斑影像感測器，其中每個子微透鏡具有在半微米與3微米之間的寬度。
  6. 根據請求項1所述的抑制耀斑影像感測器，其中每個微透鏡具有在5微米與1毫米之間的寬度。
  7. 根據請求項1所述的抑制耀斑影像感測器，其中每個微透鏡的寬度大約是每個子微透鏡寬度的兩倍。
  8. 根據請求項1所述的抑制耀斑影像感測器，其中每個微透鏡的寬度大約是每個子微透鏡寬度的三倍。
  9. 根據請求項1所述的抑制耀斑影像感測器，其中該第一組像素和該第二組像素被週期性地配置，以充分減少花瓣耀斑積聚。
  10. 根據請求項1所述的抑制耀斑影像感測器，其中每個子微透鏡陣列配置成M×N陣列，其中M和N是大於1的數值。
  11. 根據請求項10所述的抑制耀斑影像感測器，其中M等於N。
  12. 根據請求項10所述的抑制耀斑影像感測器，其中M不等於N。
  13. 根據請求項1所述的抑制耀斑影像感測器，其中該多個像素位於半導體基板內，其中該多個微透鏡之每一個和該多個子微透鏡陣列之每一個位於該半導體基板上方的微透鏡平面，其中該影像感測器包括在該微透鏡平面與該半導體基板之間的彩色濾光器陣列，該彩色濾光器陣列包括以拜耳圖案配置的多個彩色濾光器。
  14. 根據請求項13所述的抑制耀斑影像感測器，其中該第一組像素之每個像素具有該拜耳圖案之紅色或藍色濾光器之一，並且其中該第二組像素之每個像素具有該拜耳圖案之綠色濾光器。
  15. 根據請求項1所述的抑制耀斑影像感測器，其中該多個像素位於半導體基板內，其中該多個微透鏡之每一個和該多個子微透鏡陣列之每一個位於所述半導體基板上方的微透鏡平面，其中該影像感測器包括在該微透鏡平面與該半導體基板之間的彩色濾光器陣列，其中該彩色濾光器陣列之每個濾光器是紅色濾光器、綠色濾光器、藍色濾光器、青色濾光器、品紅色濾光器、黃色濾光器和全色濾光器中的一種或多種。
  16. 根據請求項1所述的抑制耀斑影像感測器，其中該第一組像素和該第二組像素隨機地配置。
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