TWI567961B - 影像感測器 - Google Patents

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TWI567961B
TWI567961B TW104138011A TW104138011A TWI567961B TW I567961 B TWI567961 B TW I567961B TW 104138011 A TW104138011 A TW 104138011A TW 104138011 A TW104138011 A TW 104138011A TW I567961 B TWI567961 B TW I567961B
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陳立瑋
林綺涵
塗宗儒
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采鈺科技股份有限公司
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Description

影像感測器
本發明主要關於一種影像感測器，尤指一種具有不同尺寸之微透鏡的影像感測器。
一般而言，數位相機利用了影像感測器來感測光線以及產生一影像訊號，且依據影像訊號產生數位相機所拍攝的畫面。
隨者數位相機的發展，對於影像訊號的品質具有越來越高的要求。使用了背照式(BSI,backside illumination)技術的影像感測器可具有光導管結構以引導光線照射至光電二極體。上述背照式影像感測器具有較高之光敏度以及影像品質。
然而，雖然目前之影像感測器符合了其使用之目的，但尚未滿足許多其他方面的要求。因此，需要提供影像感測器的改進方案。
本發明提供了改進了影像訊號之品質的影像感測器。
本發明提供了一種影像感測器，包括一感測層、一第一微透鏡、以及多個第二微透鏡。第一微透鏡設置於感測層上。第二微透鏡設置於感測層，且鄰近於第一微透鏡。第一 微透鏡的直徑大於第二微透鏡的直徑。
本發明提供了一種影像感測器包括一感測層以及一微透鏡陣列。微透鏡陣列設置於感測層上，且包括設置於感測層之多個第一微透鏡，以及設置於感測層且鄰近於第一微透鏡的多個第二微透鏡。第一微透鏡具有多個第一直徑，由微透鏡陣列之一中央區域至微透鏡陣列之一邊緣區域逐漸增加。第二微透鏡具有多個第二直徑，且在邊緣區域內之第一微透鏡之第一直徑大於在邊緣區域之第二微透鏡之第二直徑。
綜上所述，由於第一微透鏡的直徑大於第二微透鏡的直徑，光線通過第一微透鏡的量大於通過第二微透鏡的量。因此，增進了對應於第一微透鏡之一特定顏色(例如綠色)的量子效率，進而增進了影像感測器的影像品質。
1‧‧‧影像感測器
10‧‧‧感測層
11‧‧‧基材
12‧‧‧感測單元
13‧‧‧遮擋結構
131‧‧‧遮擋部
20‧‧‧濾光單元
20a‧‧‧第一濾光單元(綠色濾光單元)
20b‧‧‧第二濾光單元(藍色濾光單元、紅色濾光單元)
21、23‧‧‧上表面
22、24‧‧‧下表面
30‧‧‧微透鏡陣列
31‧‧‧第一微透鏡
311‧‧‧第一照射表面
32‧‧‧第二微透鏡
321‧‧‧第二照射表面
40‧‧‧格狀結構
41‧‧‧第一網格
411‧‧‧上表面
42‧‧‧第二網格
421‧‧‧上表面
43‧‧‧遮蔽部
A1、A2、A3‧‧‧夾角
D11、D12、D13‧‧‧第一直徑
D21、D22、D23‧‧‧第二直徑
P1‧‧‧參考平面
W1、W2、W2a‧‧‧寬度
W3、W4‧‧‧最大寬度
Z1‧‧‧中央區域
Z2‧‧‧中間區域
Z3‧‧‧邊緣區域
第1圖為本發明之第一實施例之影像感測器的示意圖。
第2圖為本發明之第一實施例之影像感測器的俯視圖。
第3圖為本發明之第二實施例之影像感測器的示意圖。
第4圖為本發明之第三實施例之影像感測器的示意圖。
第5圖為本發明之第四實施例之影像感測器的示意圖。
第6圖為本發明之第五實施例之影像感測器的示意圖。
第7圖為本發明之第六實施例之影像感測器的示意圖。
以下之說明提供了許多不同的實施例、或是例子，用來實施本發明之不同特徵。以下特定例子所描述的元件 和排列方式，僅用來精簡的表達本發明，其僅作為例子，而並非用以限制本發明。例如，第一特徵在一第二特徵上或上方的結構之描述包括了第一和第二特徵之間直接接觸，或是以另一特徵設置於第一和第二特徵之間，以致於第一和第二特徵並不是直接接觸。
此外，本說明書於不同的例子中沿用了相同的元件標號及/或文字。前述之沿用僅為了簡化以及明確，並不表示於不同的實施例以及設定之間必定有關聯。再者，圖式中之形狀、尺寸或是厚度可能為了清楚說明之目的而未依照比例繪製或是被簡化，僅提供說明之用。
第1圖為本發明之第一實施例之影像感測器1的示意圖。第2圖為本發明之第一實施例之影像感測器1的俯視圖。影像感測器1用以偵測一影像。影像感測器1可應用於一影像裝置，例如一數位相機。影像感測器1之種類可具有多種。於一些實施例中，影像感測器1可為互補式金屬氧化物半導體(CMOS，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)感測器、一背照式(BSI，backside illumination)CMOS感測器、或是其他適合之感測器。
影像感測器1包括一感測層10、多個濾光單元20、一微透鏡陣列30、以及一格狀結構40。感測層10延伸一參考平面P1。感測層10用以偵測入射光，且根據照射於感測層10之光線產生一影像訊號。
感測層10可包括所有下列之元件，但只要能達到感測層10之使用目的，可不需要包括所有下列之元件。感測層 10包括一基材11、多個感測單元12、以及一遮擋結構13。於一些實施例中，感測層10更包括其他光學層，例如一抗反射層(圖未示)。
感測單元12可設置於基材11上。感測單元12以陣列的方式排列於一參考平面P1。於一些實施例中，感測單元12為光二極體。每一感測單元12用以感測光線且根據照射於其上之光線的強度產生一強度信號。這些強度信號形成影像訊號。於一些實施例中，感測單元12之間具有相同的間距。
遮擋結構13環繞於感測單元12，且位於格狀結構40之下。遮擋結構13包括具有相同間距之複數個遮擋部131。感測單元12位於兩相鄰之遮擋部131之間。遮擋部131用以遮擋光線。
濾光單元20設置於感測層10。濾光單元20以陣列的方式排列於平行於參考平面P1之一平面。每一濾光單元20設置於感測單元12中之一者上。
每一濾光單元20可允許於一預定範圍內之波長的光線通過。於一些實施例中，如第2圖所示，濾光單元20為彩色濾光單元。濾光單元20包括多個第一濾光單元20a以及多個第二濾光單元20b。第一濾光單元20a與第二濾光單元20b以陣列的方式交錯排列。
於此實施例中，第一濾光單元20a以及第二濾光單元20b垂直於感測層10之剖面為矩形。第一濾光單元20a之體積相等於第二濾光單元20b之體積，第一濾光單元20a之寬度相等於第二濾光單元20b之寬度。
於一些實施例中，第一濾光單元20a為綠色濾光單元。第二濾光單元20b為紅色濾光單元或是藍色濾光單元。舉例而言，紅色濾光單元20可允許波長為620nm至750nm(紅光)的光線通過感測單元12。綠色濾光單元20b可允許波長為495nm至570nm(綠光)的光線通過感測單元12。藍色濾光單元20c可允許波長為476nm至495nm(藍光)的光線通過感測單元12。
微透鏡陣列30設置於感測層10以及濾光單元20之上，且平行於參考平面P1。格狀結構40連接及環繞於第一濾光單元20與第二濾光單元20b。格狀結構40接觸感測層10，且平行於參考平面P1。
於一些實施例中，格狀結構40之折射率低於濾光單元20之折射率，且因此濾光單元20與格狀結構40形成一光管結構。格狀結構40用以將濾光單元20內之光線朝向感測單元12反射。
於一些實施例中，格狀結構40包括於大約為1.3至1.9之範圍內的折射率。濾光單元20包括於大約為1.7至3.2之範圍內的折射率。格狀結構40包括丙烯(propylene)、矽氧聚合物(polysiloxane)或其組合。於一些實施例中，格狀結構40包括至少70wt%之丙烯、矽氧聚合物或其組合。
於一些實施例中，格狀結構40包括多個第一網格41以及多個第二網格42。第一濾光單元20a連接第一網格41與第二網格42且位於第一網格41與第二網格42之間。第一網格41以及第二網格42相互平行，且垂直於感測層10。第一網格41與第二網格42以相同之間距交錯排列。每一第一網格41與第二網 格42設置於遮擋部131中之一者上。
當一光線落於影像感測器1時，光線通過微透鏡陣列30以及濾光單元20至感測單元12。光線經由微透鏡陣列30聚焦。每一濾光單元20允許預定範圍內之波長的光線通過。每一感測單元12根據照射於其上之光線的強度產生一強度信號，且這些強度信號形成影像訊號。
於此實施例中，微透鏡陣列30包括多個第一微透鏡31以及多個第二微透鏡32。如第2圖所示，微透鏡陣列30之第一微透鏡31以及第二微透鏡32以陣列的方式排列於平行於參考平面P1之一平面。第一微透鏡31以及第二微透鏡32具有多種之排列與尺寸。於此實施例中，第一微透鏡31與第二微透鏡32設置於感測層10，且以陣列的方式交錯排列。第二微透鏡32鄰近於第一微透鏡31。於一些實施例中，第二微透鏡32環繞第一微透鏡31。第一微透鏡31以及第二微透鏡32用以將光線聚焦於感測單元12。
每一第一微透鏡31設置於第一濾光單元20a中之一者上，且每一第二微透鏡32設置於第二濾光單元20b中之一者上。換句話說，第一濾光單元20a位於第一微透鏡31與感測層10的感測單元12之間，且第二濾光單元20b位於第二微透鏡32與感測層10之感測單元12之間。
第一微透鏡31之第一照射表面311之面積大於第二微透鏡32之第二照射表面321的面積，且第一微透鏡31的直徑大於第二微透鏡32的直徑。
於一些實施例中，第一微透鏡31的第一照射表面 311大於第二微透鏡32之第二照射表面321，第一微透鏡31的直徑大於第二微透鏡32的直徑。
於一些實施例中，第一網格41具有一上表面411，且第二網格42具有一上表面421。上表面411以及上表面421被第一微透鏡31完全覆蓋。第一微透鏡31之直徑W1相等或大致相等於第一網格41、第一濾光單元20a、與第二網格42之總寬度W2。換句話說，第一微透鏡31之直徑W1大於或等於第一網格41(或第二網格42)以及第一濾光單元20a之總寬度W2a。
藉由第一微透鏡31與第二微透鏡32的結構，光線通過第一微透鏡31與第一濾光單元20a的量大於光線通過第二微透鏡32與第二濾光單元20b的量。因此，增進了對應於第一微透鏡31與第一濾光單元20a之一特定顏色(例如綠色)的量子效率(quantum efficiency)。
於一些實施例中，第一濾光單元20a為綠色濾光單元，影像感測器1增進了感測單元12對於綠光的量子效率，並增進了影像感測器1所產生影像之綠色的品質。由於人眼對於綠色的敏感度較高，因此進而提昇了整體影像的品質。
第3圖為本發明之第二實施例之影像感測器1的示意圖。第一網格41以及第二網格42相對於感測層10傾斜，且第一網格41和第二網格42相對於第一濾光單元20a之中央對稱。於一些實施例中，第一網格41(或第二網格42)與感測層10之間的夾角為大約60度至85度的範圍之間。上表面411以及上表面421完全的被第二微透鏡32所覆蓋。
第一濾光單元20a垂直於感測層10之剖面為梯 形。第一濾光單元20a由第一濾光單元20a之上表面21至下表面22逐漸變窄。換句話說，上表面21的面積大於下表面22的面積。上表面21連接於第一微透鏡31，且下表面22連接於感測層10。
第二濾光單元20b垂直於感測層10之剖面為梯形。第二濾光單元20b由下表面24朝上表面23漸窄。換句話說，下表面22的面積大於上表面23的面積。上表面21連接於第一微透鏡31，且下表面22連接於感測層10。
第一濾光單元20a的體積大於第二濾光單元20b的體積。第一濾光單元20a之最大寬度W3大於第二濾光單元20b之最大寬度W4。
藉由濾光單元20、第一微透鏡31、第二微透鏡32、以及格狀結構40之結構，光通過第一濾光單元20a的量大於光通過第二濾光單元20b的量。
格狀結構40更包括於第一網格41以及第二網格42內之一遮蔽部43。遮蔽部43包括HfOx、SiO2、低折射率有機材料(low index organic material)、或其組合。於一些實施例中，遮蔽部43包括至少70wt%的HfOx、SiO2、低折射率有機材料(low index organic material)、或其組合。遮蔽部43包括於大約為1.3至1.9之範圍內的折射率。於一些實施例中，遮蔽部43具有低於30%的穿透率(transmittance)，且第一網格41與第二網格42具有高於80%或90%的穿透率。
於一些實施例中，遮蔽部43接觸感測層10。遮蔽部43的長度短於第一網格41(或第二網格42)的長度。遮蔽部43 用以遮蔽光線通過。因此，降低了第一濾光單元20a內之光線傳送至第二濾光單元20b。
第4圖為本發明之第三實施例之影像感測器1的示意圖。第一濾光單元20a垂直於感測層10的剖面為一平行四邊形。第一網格41以及第二網格42相對於感測層10傾斜，且第一網格4和第二網格42相互平行。於一些實施例中，第一網格41(或第二網格42)和感測層10之間的夾角為60度至85度的範圍之間。
上表面411被第二微透鏡32所完全覆蓋，且上表面421被第一微透鏡31所完全覆蓋。第一濾光單元20a之最大寬度W3大於第二濾光單元20b之最大寬度W4。
藉由濾光單元20、第一微透鏡31、第二微透鏡32、以及格狀結構40之結構，光線通過第一濾光單元20a的量大於光線通過第二濾光單元20b的量。
第5圖為本發明之第四實施例之影像感測器1的示意圖。於此實施例中，第一濾光單元20a垂直於感測層10之剖面為矩形。第一濾光單元20a與第二濾光單元20b的體積相同，第一濾光單元20a之寬度相等於第二濾光單元20b之寬度。第一網格41與第二網格42相互平行，且垂直於感測層10。
第一微透鏡31之直徑由微透鏡陣列30的中央區域Z1至微透鏡陣列30的邊緣區域Z3逐漸增加。換句話說，在邊緣區域Z3中的第一微透鏡31的直徑D13大於在中間區域Z2中的第一微透鏡31的直徑D12，以及在中間區域Z2中第一微透鏡31的直徑D12大於在中央區域Z1中的第一微透鏡31的直徑D11。
在中央區域Z1中的第一微透鏡31的直徑D11大於或等於在中央區域內的第二微透鏡32的直徑D21。在中間區域Z2中的一微透鏡31的直徑D12大於在中間區域Z2中的第二微透鏡32的直徑D22。在邊緣區域Z3中的第一微透鏡31的直徑D13大於在邊緣區域Z3中的第二微透鏡32的直徑D23。
藉由第一微透鏡31與第二微透鏡32的結構，光線通過中央區域Z1以及邊緣區域Z3內之第一微透鏡31的量為均勻的，且因此增進了影像感測器1所產生之影像的品質。
第6圖為本發明之第五實施例之影像感測器1的示意圖。於此實施例中，在中間區域Z2與邊緣區域Z3內之第一濾光單元20a垂直於感測層10的剖面為梯形。於一些實施例中，在中央區域Z1內第一濾光單元20a垂直於感測層10之剖面為矩形或梯形。
第一濾光單元20a的體積由第一濾光單元20a之中央區域Z1至第一濾光單元20a之邊緣區域Z3逐漸增加。在邊緣區域Z3(以及中間區域Z2)內之第一濾光單元20a的最大寬度W3大於在邊緣區域Z3(以及中間區域Z2)內相鄰之第二濾光單元20b的最大寬度W4。在邊緣區域Z3之第一濾光單元20a的體積大於在邊緣區域Z3之第二濾光單元20b的體積。
在中央區域Z1中之第一網格41與第二網格42相互平行或相互傾斜，且垂直於感測層10。在中間區域Z2與邊緣區域Z3中的第一網格41與第二網格42相對於感測層10傾斜。第一網格41中之一者以及第二網格42中之一者相對於第一濾光單元20a中之一者的中央對稱。
每一第一網格41與相鄰之第二網格42之間的距離由中央區域Z1至邊緣區域Z3逐漸增加。上表面411與上表面421全部被邊緣區域Z3內之第二微透鏡32所覆蓋。
第7圖為本發明之第六實施例之影像感測器1的示意圖。於此實施例中，在中間區域Z2和邊緣區域Z3中的第一濾光單元20a垂直於感測層10之剖面為平行四邊形。於一些實施例中，在中央區域Z1中之第一濾光單元20a垂直於感測層10之剖面為矩形或平行四邊形。
第一網格41與感測層10間之夾角A1、A2、A3由中央區域Z1至邊緣區域Z3逐漸增加。於一些實施例中，夾角A1為大約80度至大約90度的範圍之間，夾角A2為大約70度至大約85度的範圍之間，且夾角A3為大約60度至大約80度的範圍之間。
在中央區域Z1中的第一網格41與第二網格42相互平行，且垂直於感測層10。在中間區域Z2與邊緣區域Z3中的第一網格41與第二網格42相對於感測層10傾斜，且相互平行。
上表面411被在邊緣區域Z3內之第二微透鏡32所完全覆蓋，且上表面421被在邊緣區域Z3中的第一微透鏡31所完全覆蓋。
藉由微透鏡陣列30以及濾光單元20的結構，光線通過第五及第六實施例中之中央區域Z1、中間區域Z2、以及邊緣區域Z3內之第一微透鏡31的量為均勻的，透過增加光線通過中間區域Z2以及邊緣區域Z3中的第一微透鏡31以及第一濾光單元20a的量達成。因此，增進了影像感測器1所產生之影像的 品質。
綜上所述，由於第一微透鏡的直徑大於第二微透鏡的直徑，光線通過第一微透鏡的量大於通過第二微透鏡的量。因此，增進了對應於第一微透鏡之一特定顏色(例如綠色)的量子效率，進而增進了影像感測器的影像品質。
本發明雖以各種實施例揭露如上，然而其僅為範例參考而非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾。因此上述實施例並非用以限定本發明之範圍，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。
1‧‧‧影像感測器
10‧‧‧感測層
11‧‧‧基材
12‧‧‧感測單元
13‧‧‧遮擋結構
131‧‧‧遮擋部
20‧‧‧濾光單元
20a‧‧‧第一濾光單元
20b‧‧‧第二濾光單元
30‧‧‧微透鏡陣列
31‧‧‧第一微透鏡
311‧‧‧第一照射表面
32‧‧‧第二微透鏡
321‧‧‧第二照射表面
40‧‧‧格狀結構
41‧‧‧第一網格
411‧‧‧上表面
42‧‧‧第二網格
421‧‧‧上表面
P1‧‧‧參考平面
W1、W2、W2a‧‧‧寬度

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括：一感測層；一第一濾光單元，設置於該感測層；複數個第二濾光單元，設置於該感測層；一格狀結構，連接及環繞於該第一濾光單元以及該第二濾光單元，其中該格狀結構包括一第一網格以及一第二網格，且該第一濾光單元連接於該第一網格以及該第二網格且位於該第一網格以及該第二網格之間；一第一微透鏡，設置於該第一濾光單元；以及複數個第二微透鏡，分別設置於該第二濾光單元，且鄰近於該第一透鏡，其中該第一微透鏡之直徑大於每一該等第二微透鏡之直徑，且該第一微透鏡之直徑大於該第一網格與該第一濾光單元之總寬度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該第一濾光單元之剖面為矩形，該第一濾光單元之體積相等於每一該等第二濾光單元之體積，且該第一濾光單元之寬度相等於每一該等第二濾光單元之寬度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該第一濾光單元之體積大於每一該等第二濾光單元之體積。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該第一濾光單元之一最大寬度大於每一該等第二濾光單元之一最大寬度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該第一濾光單元之一剖面為一梯形或是一平行四邊形。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該感測層包括：複數個感測單元，設置於該第一及第二濾光單元之下；以及一遮擋結構，環繞該感測單元設置，且設置於該格狀結構之下，其中該遮擋結構包括具有相同間距之複數個遮擋部。
  7. 一種影像感測器，包括：一感測層；一微透鏡陣列，設置於該感測層，包括：複數個第一微透鏡，設置於該感測層；以及複數個第二微透鏡，設置該感測層，且於鄰近於該第一微透鏡；其中該等第一微透鏡具有複數個第一直徑，由該微透鏡陣列之一中央區域至該微透鏡陣列之一邊緣區域逐漸增加，其中該等第二微透鏡具有複數個第二直徑，且在該邊緣區域內之該第一微透鏡之該第一直徑大於在該邊緣區域內之該等第二微透鏡之該等第二直徑。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之影像感測器，更包括：複數個第一濾光單元，位於該第一微透鏡以及該感測層之間；複數個第二濾光單元，位於該等第二微透鏡以及該感測層 之間；以及一格狀結構，連接及環繞於該等第一濾光單元以及該等第二濾光單元。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之影像感測器，其中於該邊緣區域內之該等第一濾光單元之最大寬度大於在該邊緣區域內之該等第二濾光單元之最大寬度。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之影像感測器，其中該格狀結構包括複數個第一網格以及複數個第二網格，其中每一該等第一濾光單元連接該等第一網格之一者與該等第二網格之一者，且位於該等第一網格之一者與該等第二網格之一者之間。
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