TWI414813B - 微透鏡陣列及影像感測裝置 - Google Patents

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TWI414813B
TWI414813B TW097127915A TW97127915A TWI414813B TW I414813 B TWI414813 B TW I414813B TW 097127915 A TW097127915 A TW 097127915A TW 97127915 A TW97127915 A TW 97127915A TW I414813 B TWI414813 B TW I414813B
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Wu Chieh Liu
Chin Poh Pang
Chi Xiang Tseng
Cheng Lin Yang
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Visera Technologies Co Ltd
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Description

微透鏡陣列及影像感測裝置
本發明係關於應用於光學系統內之微透鏡陣列，且特別是關於一種應用於影像感測裝置內之微透鏡陣列，以改善如起因於微透鏡間焦距差(focal length differences)所導致之光場曲像差(light field curvature)之像差問題。
於攝影應用(photo imaging)方面已普遍地採用電耦合裝置(CCD)以及互補型金氧半導體裝置(CMOS device)之固態影像感測裝置。固態影像感測裝置可包括由數個影像畫素所形成之陣列。而各畫素中則分別包括轉換光能成為電子訊號之一光電裝置。光電裝置則例如為光電管(photogate)、感光鼓(photoconductor)以及具有累積光生電荷(photo-generated charge)之摻雜區之感光二極體。
此外，於於影像畫素上之相對位置處通常設置有微透鏡(rnicrolens)。微透鏡之作用在於聚焦光線至影像畫素之電荷累積區域處。微透鏡通常藉由採用光阻材料所製成，並將光阻材料形成位於影像畫素上之方形或圓形之圖樣。接著於製造過程加熱上述經圖案化之光阻材料之圖樣，以成形並硬化成所需之微透鏡。一般而言，形成於影像畫素上之於微透鏡陣列之微透鏡具有相同之半徑(radius)、形狀與高度，且依照固定之間距而設置。透過微透鏡之採用，可將來自於相對大之聚光區的光線聚焦 至於畫素內相對小之感光區，因而顯著地改善影像感測裝置之感光性及感光效率。
然而，隨著畫素尺寸之縮減以及畫素密度之增加，採用前述形成於影像畫素上之具有相同半徑、外型、高度以及固定間距設置之微透鏡所形成之微透鏡陣列於畫素陣列之一邊緣區則會發現有微透鏡不易聚焦入射光線至感光區之問題，進而形成了場曲像差之現象。如此之問題係部分起因於於不同區域內之入射光於微透鏡處之繞射情形，因此造成於不同區域內微透鏡之焦距差異，進而位於感光區上之多個區域內形成劣化之影像。
有鑑於此本發明提供了微透鏡陣列以及影像感測裝置，藉以解決上述習知問題。
依據一實施例，本發明提供了一種微透鏡陣列，包括：一基礎膜層；複數個第一微透鏡，設置於該基礎膜層之一第一區域上，其中該些第一微透鏡具有一第一球高；複數個第二微透鏡，設置於該基礎膜層之一第二區域上，其中該第二區域圍繞該第一區域且該些第二微透鏡具有低於該第一球高之一第二球高；以及複數個第三微透鏡，設置於該基礎膜層之一第三區域上，其中該第三區域圍繞該第二區域與該第一區域，且該些第三微透鏡具有低於該第一球高與該第二球高之一第三球高。
依據另一實施例，本發明提供了一種影像感測裝置，包括：一基板，其內設置有複數個感光元件；一中間膜層，位於該基板上並覆蓋該些感光元件；一保護層，形成於該中間膜層上；以及一微透鏡陣列，設置於該保護層上，其中該基礎膜層為該保護層，而該第一微透鏡、該第二微透鏡及該第三微透鏡係分別對照於該基底內之該些感光元件之一而設置。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：
請參照第1圖與第2圖等示意圖，分別顯示了依據本發明一實施例之影像感測裝置10之上視情形與及剖面情形。在此，第1圖與第2圖分別顯示了位於影像感測裝置10之一保護層66上且對準於其中心處50而設置之數個區域A、B、C與D，而於此些區域內則分別設置有複數個具有不同球高之微透鏡20、30、40與45。在此，影像感測裝置10係繪示為具有方形陣列之16X16影像畫素之設置情形，但並非以限定為上述實施情形。影像感測裝置10內之影像畫素則可為按照其他型態所設置之陣列，並具有較多或較少之畫素設置情形。請參照第1圖，在此僅繪示了微透鏡20、30、40與45之設置情形，而 影像感測裝置10之其他元件則繪示於第2圖內，並藉由第2圖顯示了沿第1圖內線段2-2之剖面情形。
請繼續參照第1圖與第2圖，微透鏡20係形成於保護層60上之區域A內，微透鏡30則形成於保護層66上之區域B內，微透鏡40則形成於保護層66上之區域C內，微透鏡20、30與40分別具有不同之球高H1 、H2 與H3 。另外，微透鏡45則形成於保護層66上之區域D內，其具有相異於H1 、H2 與H3 之一高度H4 (並未見於第2圖內)。此些微透鏡20、30、40與45可採用光阻材料且可藉由習知製造方法所形成。在此，微透鏡20、30、40與45之型態為對照於影像感測裝置10之中心處50而共心地設置之陣列型態，其分別具有大體方形、大體十字形及其他多邊型之上視型態，但並非以第1圖所示型態而加以限制，微透鏡20、30、40與45亦可為對照於影像感測裝置之中心處50而同心地設置之其他陣列型態。於第2圖中，則僅繪示了微透鏡20、30與40之設置情形，而影像感測裝置10於保護層66之下方則更包括至少一中間膜層64(例如彩色濾光層、金屬化層等膜層)，以及形成於基底60內且分別具有一微透鏡20、30或40設置於其上之數個影像畫素62，藉以改善各影像畫素之收光效率。如第2圖所示，微透鏡20、30、40係具有圓頂狀(dome shape)之外型，而微透鏡20之球高H1 係高於微透鏡30之球高H2 以及微透鏡40之球高H3 。微透鏡30之球高H2 則高於微透鏡40之球高H3 。此外，大體環繞微 透鏡40之微透鏡45則具有高於微透鏡40之高度H3 之一高度H4 (未顯示於第2圖中)。
於如第1圖與第2圖所示之實施例中，藉由於不同區域A、B、C與D等區域中設置具有不同球高之微透鏡20、30、40與45之設置情形，因而可使得具有較大入射角度之入射光可因而為於相對較邊緣區內之各畫素62內的光感測器(未顯示，例如為光電管、感光鼓或感光二極體)所收集，且可進而增長如區域B、C、D內之微透鏡30、40與45之微透鏡的有效焦距，因而減少了微透鏡20、30、40與45之間的焦距差異情形，以提供了大體平行於基板60之表面70一平坦之焦平面(focal plane)。請參照第2圖，則顯示了當區域A、B、C與D內僅設置有微透鏡20時所得到之彎曲之焦平面80之實施情形。當影像感測裝置10具有平坦之焦平面，因此入射光(未顯示)可經偏斜而自畫素60之區域外側而抵達鄰近邊緣部之畫素62內感光元件，進而增加位於邊緣部之畫素62內感光元件之所感測之入射光比率。
第7圖繪示了如第1圖與第2圖所示之影像感測裝置10所得到之一灰階影像。如第7圖所示，在此灰階影像中顯示了起因於遮蔽效應之不良半色調(halfone)影像，於影像中顯現出了數個共心之半色調之次影像(sub image)且此些次影像間具有顯著的邊界。由於影像感測裝置10中具有如此之缺陷影像，因此便需要針對如此之問題進行改量，以解決如此之影像問題。
請參照第3圖與第4圖，分別顯示了依據本發明另一實施例之影像顯示裝置100之上視圖與剖面圖，在此影像顯示裝置100之組成大體相似於如第1圖與第2圖所示之影像感測裝置10，其可解決於前述實施例內起因於影像遮蔽效應之灰階影像問題。於本實施例中，所採用之相同於第1圖與第2圖之相似元件係採用相同標號，於下文中則僅討論與前述實施例之相異之處。
請參照第3圖與第4圖，分別顯示了位於影像感測裝置100之一保護層66上且對準於其中心150處而設置之數個區域A、B、C與D，而於此些區域內則分別設置有複數個具有不同球高之微透鏡120、130、140與145。在此，影像感測裝置100係繪示為具有方形陣列之16X16影像畫素之設置情形，但並非以限定為上述實施情形。影像感測裝置100內之影像畫素則可為按照其他型態所設置之陣列，並具有較多或較少之畫素設置情形。請參照第3圖，在此僅繪示了微透鏡120、130、140與145之設置情形，而影像感測裝置100之其他元件則繪示於第4圖內，並藉由第4圖顯示了沿第3圖內線段4-4之剖面情形。
如第3圖所示，於本實施例中A區域內更細分為一內側子區(sub-region)A1以及外側子區A2，其中外側子區A2環繞內側子區A1而設置，且外側子區A2鄰近於設置有微透鏡130所設置之區域B。此時，於內側子區A1內僅設置有微透鏡120，而於外側子區A2內則混雜 有至少一理應形成於區域B內之微透鏡130。此外，此時區域B內則細分為內側子區B1、居中子區B2以及外側子區B3，其中外側子區B3係環繞子區B2與B1，且外側子區B3鄰近於微透鏡140所設置之區域C。此時，於鄰近於區域A之外側子區A2之內側子區B1內並非完全設置微透鏡130而混雜有至少一理應形成於區域A之微透鏡120。居中子區B2則可選擇性地設置，且其內僅設置有微透鏡130。另外，外側子區B3則混雜有至少一理應形成于區域C內之微透鏡140。此外，區域C內則細分為內側子區C1、居中子區C2以及外側子區C3，其中外側子區C3係環繞子區C2與C1且鄰近於微透鏡145所設置之區域D。此時，內側子區C1內係鄰近於區域B之外側子區B3，且非完全設置微透鏡140而混雜有至少一理應形成於區域B內之微透鏡130。中間子區C2則可選擇性地設置，且其內僅設置有微透鏡140。而外側子區C3非完全設置微透鏡140而摻雜有至少一理應形成于區域D內之微透鏡150。再者，區域D內細分為內側子區D1以及外側子區D2，其中外側子區D2係環繞內側子區D1而設置，而內側子區D1則鄰近於微透鏡140所設置之區域C。此時，外側子區D2內僅設置有微透鏡145，而內側子區D1內則非完全設置微透鏡145且混雜有至少一理應形成於區域C內之微透鏡140。
形成並混雜於鄰近於區域A、B、C與D內之邊界處之A2、B1、B3、C1、C3與D1等內側子區與外側子區 內之微透鏡之數量與位置可藉由誤差擴散法(error diffusion)而預先決定，以降低前述實施例中位於A、B、C與D等區域間之影像遮蔽效應所造成之影像劣化情形。
於如第3圖與第4圖所示之實施例中，藉由於區域A、B、C與D之一子區內之微透鏡120、130、140與145摻雜情形，仍可增長於B、C與D等區域內之相對邊緣部內之微透鏡之焦距，以降低微透鏡120、130、140與145間之焦具差異，因而於基板60上得到平行於表面70之平坦焦平面。彎曲之聚焦平面80顯示了當區域A、B、C與D內僅設置有微透鏡120之情形。請參照第4圖，亦顯示了當區域A、B、C與D內僅設置有微透鏡120時所得到之彎曲之焦平面80之實施情形。當影像感測裝置100具有平坦之焦平面，因此入射光(未顯示)可經偏斜而自畫素60之區域外側而抵達鄰近邊緣部之畫素62內感光元件(未顯示，例如為光電管、感光鼓或感光二極體)，進而增加位於邊緣部之畫素62內感光元件之所感測之入射光比率。
第8圖繪示了如第3圖與第4圖所示之影像感測裝置100之灰階影像情形。如第8圖所示，顯示了不具有習知遮蔽效應之半色調影像，而改善先前實施例中所存在之複數個共心且具有明顯邊界之半色調之次影像。因而藉由影像感測裝置100之設置情形可得到了較為均勻且不具有明顯邊界之灰階影像情形。
第5圖為一示意圖，顯示了相似於第2圖所示影像 感測裝置之一影像感測裝置100’，並繪示了於區域A、B與C內之微透鏡的修正設置情形。在此，相同編號代表了相同之元件，且於下文中僅討論其差異處。如第5圖所示，微透鏡30與40經過位於其下方之墊高部30’與40’而墊高，進而於微透鏡20、30與40間形成了一大體等高之頂面90’。墊高部30’與40’亦可藉由如製備第1圖所示之微透鏡30與40之習知方法與材料所製成，且於形成其圓頂狀部時同時形成，在此微透鏡20、30與40之圓頂狀部仍分別具有H1 、H2 與H3 之球高。
第6圖為一示意圖，顯示了相似於第4圖所示影像感測裝置之一影像感測裝置100”，並繪示了於區域A、B與C內之微透鏡的修正設置情形。在此，相同編號代表了相同之元件，且於下文中僅討論其差異處。如第6圖所示，微透鏡130與140經過位於其下方之墊高部130’與140’而墊高，進而於微透鏡120、130與140間形成了一大體等高之頂面190’。墊高部130’與140’亦可藉由如製備第4圖所示之微透鏡130與140之習知方法與材料所製成，且於形成其圓頂狀部時同時形成，在此微透鏡120、130與140之圓頂狀部仍分別具有H1 、H2 與H3 之球高。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、100、100’、100”‧‧‧影像感測裝置
20、30、40、45、120、130、140、145‧‧‧微透鏡
50、150‧‧‧影像感測裝置之中心處
60‧‧‧基板
62‧‧‧影像畫素
64‧‧‧中間膜層
66‧‧‧保護層
70‧‧‧基板之表面
80‧‧‧彎曲之焦平面
30’、130’、40’、140’‧‧‧微透鏡之墊高部
90’、190’‧‧‧微透鏡間之大體等高頂面
A、B、C、D‧‧‧影像感測裝置上之區域
A1‧‧‧影像感測裝置上區域A之內側子區
A2‧‧‧影像感測裝置上區域A之外側子區
B1‧‧‧影像感測裝置上區域B之內側子區
B2‧‧‧影像感測裝置上區域B之居中子區
B3‧‧‧影像感測裝置上區域B之外側子區
C1‧‧‧影像感測裝置上區域C之內側子區
C2‧‧‧影像感測裝置上區域C之居中子區
C3‧‧‧影像感測裝置上區域C之外側子區
D1‧‧‧影像感測裝置上區域D之內側子區
D2‧‧‧影像感測裝置上區域D之外側子區
H1 ‧‧‧微透鏡20、120之球高
H2 ‧‧‧微透鏡30、130之球高
H3‧‧‧微透鏡40、140之球高
第1圖為一示意圖，顯示了依據本發明一實施例之影像感測裝置的上視情形；第2圖為一示意圖，顯示了沿第1圖內線段2-2之剖面情形，顯示了影像感測裝置之一部；第3圖為一示意圖，顯示了依據本發明另一實施例之影像感測裝置的上視情形；第4圖為一示意圖，顯示了沿第3圖內線段4-4之剖面情形，顯示了影像感測裝置之一部；第5圖為一示意圖，顯示了依據本發明另一實施例之影像感測裝置的剖面情形；第6圖為一示意圖，顯示了依據本發明又一實施例之影像感測裝置的剖面情形；第7圖為一示意圖，顯示了依據本發明一實施例之影像感測裝置之灰階影像；以及第8圖為一示意圖，顯示了依據本發明另一實施例之影像感測裝置之灰階影像表現。
100‧‧‧影像感測裝置
120、130、140、145‧‧‧微透鏡
150‧‧‧影像感測裝置之中心處
A、B、C、D‧‧‧影像感測裝置上之區域
A1‧‧‧影像感測裝置上區域A之內側子區
A2‧‧‧影像感測裝置上區域A之外側子區
B1‧‧‧影像感測裝置上區域B之內側子區
B2‧‧‧影像感測裝置上區域B之居中子區
B3‧‧‧影像感測裝置上區域B之外側子區
C1‧‧‧影像感測裝置上區域C之內側子區
C2‧‧‧影像感測裝置上區域C之居中子區
C3‧‧‧影像感測裝置上區域C之外側子區
D1‧‧‧影像感測裝置上區域D之內側子區
D2‧‧‧影像感測裝置上區域D之外側子區

Claims (13)

  1. 一種微透鏡陣列，包括：一基礎膜層；複數個第一微透鏡，設置於該基礎膜層之一第一區域上，其中該些第一微透鏡具有一第一球高；複數個第二微透鏡，設置於該基礎膜層之一第二區域上，其中該第二區域圍繞該第一區域且該些第二微透鏡具有低於該第一球高之一第二球高；以及複數個第三微透鏡，設置於該基礎膜層之一第三區域上，其中該第三區域圍繞該第二區域與該第一區域，且該些第三微透鏡具有低於該第一球高與該第二球高之一第三球高，其中該第一區域更包括一第一子區與一第二子區該第一區域之第一子區內僅包括該些第一微透鏡，而該第一區域之該第二子區係鄰近並環繞該第一區域之該第一子區且至少摻雜有至少一該第二微透鏡。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列，其中該基礎膜層具有一平坦表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列，其中該第一區域、該第二區域與該第三區域係對照於該微透鏡陣列之一中心而同心地設置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列，其中該第二區域包括一第一子區與一第二子區，該第二區域之該第一子區包括至少一該第一微透鏡，而該第二區域之該第二子區係鄰近該第三區域且環繞第二區域之該第一子區， 而該第二區域之該第二子區包括至少一該第三微透鏡。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之微透鏡陣列，其中該第二區域更包括一第三子區，設置於該第一子區與該第二子區之間，且該第二區域之該第三子區僅包括該第二微透鏡。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之微透鏡陣列，其中該第三區域包括一第一子區以及一第二子區，該第三區域之該第一子區包括至少一該第二微透鏡，而該第三區域之該第二子區環繞該第三區域之該第一子區並包括該第三微透鏡。
  7. 一種影像感測裝置，包括：一基板，其內設置有複數個感光元件；一中間膜層，位於該基板上並覆蓋該些感光元件；一保護層，形成於該中間膜層上；以及如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列，設置於該保護層上，其中該基礎膜層為該保護層，而該第一微透鏡、該第二微透鏡及該第三微透鏡係分別對照於該基底內之該些感光元件之一而設置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之影像感測裝置，其中該保護層具有一平坦表面。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之影像感測裝置，其中該第一區域、該第二區域與該第三區域係對照於該微透鏡陣列之一中心而同心地設置。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之影像感測裝置，其中 該第二區域包括一第一子區與一第二子區，該第二區域之該第一子區包括至少一該第一微透鏡，而該第二區域之該第二子區係鄰近該第三區域且環繞第二區域之該第一子區，而該第二區域之該第二子區包括至少一該第三微透鏡。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測裝置，其中該第二區域更包括一第三子區，設置於該第一子區與該第二子區之間，且該第二區域之該第三子區僅包括該第二微透鏡。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測裝置，其中該第三區域包括一第一子區以及一第二子區，該第三區域之該第一子區包括至少一該第二微透鏡，而該第三區域之該第二子區環繞該第三區域之該第一子區並包括該第三微透鏡。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之影像感測裝置，其中該些感光元件包括光電管、感光鼓或感光二極體。
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