TWI588980B - 影像感測器以及影像擷取裝置 - Google Patents

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TWI588980B
TWI588980B TW105105089A TW105105089A TWI588980B TW I588980 B TWI588980 B TW I588980B TW 105105089 A TW105105089 A TW 105105089A TW 105105089 A TW105105089 A TW 105105089A TW I588980 B TWI588980 B TW I588980B
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郭武政
林國峰
林宗澔
蕭玉焜
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采鈺科技股份有限公司
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Description

影像感測器以及影像擷取裝置
本發明主要關於一種影像感測器以及影像擷取裝置，尤指一種具有波導模態共振結構之影像感測器與影像擷取裝置。
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。此外，光譜儀亦可利用影像感測器來感測紅外線、紫外線及/或可見光。
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。
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。
本揭露提供了一種影像感測器，其製作成本較低且具備了多種功能。
本揭露提供了一種影像感測器，包括一感測層、 一透光板、以及一第一波導模態共振結構。感測層包括用以感測一光束之多個感測單元。透光板位於感測層之上。第一波導模態共振結構設置於透光板之一第一區域上，且止擋光束之一第一波段通過。
於一些實施例中，影像感測器更包括一第二波導模態共振結構，設置於透光板之一第二區域上，且止擋光束之一第二波段通過。
於一些實施例中，影像感測器更包括一抗反射層，設置於透光板之一透光區域。
於一些實施例中，影像感測器更包括一上部彩色濾光單元，設置於透光板之一彩色濾光區域上。
於一些實施例中，影像感測器更包括多個彩色濾光單元，設置於感測層上，且位於透光板之第一區域之下。
本揭露提供了一種影像擷取裝置，包括一感測殼體、一感測結構、以及一保護結構。感測殼體包括一容置腔以及連通於容置腔之一開口。感測結構設置於容置腔內，且包括一感測層。
感測層包括用以感測一光束之多個感測單元。保護結構包括一透光板以及一第一波導模態共振結構。透光板覆蓋開口，且位於感測結構之上。第一波導模態共振結構設置於透光板之一第一區域上，且止擋光束之一第一波段通過。
綜上所述，由於波導模態共振結構之結構，可省略設置於感測層上之彩色濾光單元，進而節省感測結構之製作成本並簡化感測結構。再者，藉由波導模態共振結構以及上部 彩色濾光單元，影像感測器可設計用來提供多種功能，例如影像擷取與姿勢偵測。
A1‧‧‧影像擷取裝置
A10‧‧‧外殼
A20‧‧‧鏡頭
A21‧‧‧透鏡殼體
A22‧‧‧透鏡組
A221‧‧‧透鏡
1‧‧‧影像感測器
10‧‧‧感測殼體
11‧‧‧容置腔
12‧‧‧開口
20‧‧‧感測結構
21‧‧‧感測層
211‧‧‧基材
212、212a、212b、212c‧‧‧感測單元
22‧‧‧平坦層
23‧‧‧微透鏡
24‧‧‧濾光單元
24a‧‧‧紅色濾光單元
24b‧‧‧綠色濾光單元
24c‧‧‧藍色濾光單元
30‧‧‧保護結構
31‧‧‧透光板
32、32a、32b、32c、32d‧‧‧波導模態共振結構
321‧‧‧基底層
322‧‧‧光柵單元
323‧‧‧透光材料
33‧‧‧抗反射層
34‧‧‧上部彩色濾光單元
50‧‧‧處理模組
D1、D2‧‧‧排列方向
H1‧‧‧高度
P1‧‧‧參考平面
S1‧‧‧中空空間
T1‧‧‧厚度
Z1a、Z1b、Z1c、Z1d‧‧‧區域
Z2‧‧‧透光區域
Z3‧‧‧彩色濾光區域
第1圖為根據本揭露之一些實施例中之一影像擷取裝置的示意圖。
第2圖為根據本揭露之一些實施例中之一影像感測器的示意圖。
第3圖為根據本揭露之一些實施例中之部分保護結構的示意圖。
第4圖為根據本揭露之一些實施例中之部分保護結構的示意圖。
第5圖為根據本揭露之一些實施例中之部分保護結構的示意圖。
第6圖為根據本揭露之一些實施例中之一影像感測器的示意圖。
第7圖為根據本揭露之一些實施例中之一保護結構的俯視圖。
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。
再者，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。此外，圖式中之形狀、尺寸、以及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圖為根據本揭露之一些實施例中之一影像擷取裝置A1的示意圖。於一些實施例中，影像擷取裝置A1可為光譜儀(spectrometer)、姿勢偵測器(gesture detector)、或是飛行時間偵測器(Time of Flight,TOF,detector)。於一些實施例中，影像擷取裝置A1為具有拍照功能之一電子裝置。於一些實施例中，影像擷取裝置A1為具有拍照功能之一影像模組，設置於例如行動電話或是電腦等電子裝置中。
影像擷取裝置A1包括一外殼A10、一鏡頭A20、以及一影像感測器1。鏡頭A20設置於外殼A10、且影像感測器1設置於外殼A10內。鏡頭A20包括一透鏡殼體A21以及一透鏡組A22。透鏡殼體A21設置於感測殼體10。於一些實施例中，透鏡殼體A21可相對於感測殼體10移動。
透鏡組A22設置於透鏡殼體A21內。透鏡組A22包括一或多個透鏡A221。透鏡A221用以將一光束聚焦於影像感測器1。
影像感測器1用以擷取一影像。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。於一些實施例中，影像感測器1為一前照式(FSI，Frontside illumination)、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包括一感測殼體10、一感測結構20、以及一保護結構30。感測殼體10包括一容置腔11以及連通於容置腔11之一開口12。
感測結構20設置於容置腔11內。感測結構20用以偵測一入射光束，並根據照射於感測結構20之光束產生一影像訊號。一影像可根據影像訊號來產生。
保護結構30覆蓋且連接於開口12。保護結構30用以保護感測結構20。於一些實施例中，保護結構30為一板狀結構。
第2圖為根據本揭露之一些實施例中之一影像感測器1的示意圖。第3圖為根據本揭露之一些實施例中之部分保護結構30的示意圖。
感測結構20包括一感測層21、一平坦層22、以及多個微透鏡23。感測層21沿一參考平面P1延伸。感測層21用以偵測一入射光束，且將照射於感測層21之光束轉換為電子訊號。
感測層21可包括所有下列之元件，但只要能達到感測層21之使用目的，可不需要包括所有下列之元件。感測層21包括一基材211以及多個感測單元212。於一些實施例中，感測層21亦包括其他光學層，例如一介電層或是一抗反射層(圖 未示)。
感測單元212設置於基材211內。感測單元212沿參考平面P1排列於一感測陣列。於一些實施例中，感測單元212為光二極體。每一感測單元212用以感測一光束，且根據照射於其上之光束的強度產生一強度訊號。影像訊號可依據強度訊號形成。
平坦層22設置於感測層21上。平坦層22用以保持感測單元212以及微透鏡23之間的距離。於一些實施例中，平坦層22為平行於參考平面P1之一平坦結構。於一些實施例中，平坦層22為透明的。平坦層22由光阻、有機聚合物或是介電材料所製成。
每一微透鏡23設置於感測單元212中之一者之上。微透鏡23排列於平行於參考平面P1之一平面上之一微透鏡陣列。微透鏡23用以將光束聚焦於感測單元212。
保護結構30包括一透光板31、多個波導模態共振結構32、以及一抗反射層33。透光板31覆蓋且連接於開口12。透光板31用以保護感測結構20。於一些實施例中，透光板31由玻璃所製成。
透光板31為平行於參考平面P1之板狀結構。於一些實施例中，透光板31為一透鏡，例如一凸透鏡或是一凹透鏡。
透光板31設置於感測結構20上。如第1圖及第2圖所示，透光板31位於感測結構20上，且與感測結構20分離。換句話說，於保護結構30以及感測結構20之間為一中空空間S1。
波導模態共振結構32包括一基底層321、多個光柵 單元322、以及一透光材料323。基底層321設置於透光板31上，且平行於參考平面P1延伸。光柵單元322設置於基底層321上。
於一些實施例中，光柵單元322排列於平行於基底層321或是參考平面P1之一平面。光柵單元322可為圓柱(cylinder)、柱狀體(column)、角錐(angular pyramid)、截角錐(truncated pyramid)、圓錐(cone)、或是截圓錐(truncated cone)。光柵單元322排列於一光柵陣列。於一些實施例中，光柵單元322排列於一N x M矩陣。N以及M為正整數。於一些實施例中，N等於、大於、或是小於M。於一些實施例中，N以及M大於10。舉例而言，N為10或大於10，且M為10或大於10。
於一些實施例中，基底層321之厚度T1約為0.1nm至30nm的範圍之間。於一些實施例中，光柵單元322對於基底層321之高度H1約為30nm至100nm的範圍之間。光柵單元322之寬度約為120nm至260nm的範圍之間。
兩相鄰之光柵單元322的間隔約為100nm至260nm的範圍之間。間距(pitch)定義為寬度加間隔，且填充因子(fill factor)定義為寬度除以間距。於一些實施例中，填充因子約為0.2至0.8的範圍之間。
於一些實施例中，光柵單元322與基底層321的材質相同，且一體成形。光柵單元322以及基底層321之材質可為有機光阻或是無機材料。光柵單元322以及基底層321包括SiN、Si、具有相對高折射率(n>1.6)之光阻、或是其組合。
透光材料323設置於基底層321以及光柵單元322上。如第2圖所示，透光材料323亦設置於透光板31與基底層321 之間，且透光材料323填充於光柵單元322之間。
於一些實施例中，透光材料323為有機光阻或是無機材料。於一些實施例中，透光材料323包括SiO2、具有相對低之折射率(n<1.5)的光阻、或是其組合。
於一些實施例中，光柵單元322以及基底層321之折射率大於透光材料323之折射率。於一些實施例中，光柵單元322以及基底層321之折射率約為1.6至2.5的範圍之間。透光材料323之折射率約為1.2至1.5的範圍之間。
藉由上述波導模態共振結構32之結構，波導模態共振結構32能提供波導模態共振效應(guided-mode resonance effect)。波導模態共振結構32止擋光束大於一預定範圍之波長通過(或是到達感測結構20)。
舉例而言，如第2圖及第3圖所示，波導模態共振結構32包括波導模態共振結構32a、32b、32c。於一些實施例中，具有許多波導模態共振結構32a、波導模態共振結構32b、波導模態共振結構32c排列於一陣列。一些波導模態共振結構32a、32b、32c沿一排列方向D1交錯排列。
如第2圖及第3圖所示，相鄰之波導模態共振結構、32a、32b、32c對應於處理模組50根據強度訊號所產生之影像之一像素(pixel)。抗反射層33環繞波導模態共振結構32a、32b、32c。
波導模態共振結構32a設置於透光板31之區域Z1a上。波導模態共振結構32a之填充因子約為0.3至0.5的範圍之間，且波導模態共振結構32a之間距約為240nm至300nm的範 圍之間。波導模態共振結構32a止擋光束之第一波段通過(或是照射於感測結構20)。於一些實施例中，第一波段約為430nm至480nm的範圍之間。第一波段對應於光束之藍光組成(可見光組成)。於一些實施例中，第一波段對應於光束之紫外線組成(ultraviolet component)。
波導模態共振結構32b設置於透光板31之區域Z1b上。波導模態共振結構32b之填充因子約為0.3至0.5的範圍之間，且波導模態共振結構32a之間距約為320nm至380nm的範圍之間。波導模態共振結構32b止擋光束之一第二波段通過(或是照射於感測結構20)。於一些實施例中，第二波段約為510nm至570nm的範圍之間。第二波段對應於光束之綠色組成(可見光組成)。
波導模態共振結構32c設置於透光板31之區域Z1c。波導模態共振結構32c之填充因子約為0.3至0.5的範圍之間，波導模態共振結構32a之間距約為400nm至460nm的範圍之間。波導模態共振結構32c止擋光束之第三波段通過(或是照射於感測結構20上)。於一些實施例中，第三波段約為620nm至670nm。第三波段對應於光束之紅光組成(可見光組成)。於一些實施例中，第三波段對應於光束之紅外線組成(infrared component)。
抗反射層33設置於透光板31之透光區域(clear area)Z2。抗反射層33允許光束通過(或是到達感測結構20)。換句話說，抗反射層33並不止擋光束中一預定範圍內的波長通過(或是照射於感測結構20)。
位於區域Z1a下之感測單元212根據通過波導模態共振結構32a之光束產生第一強度訊號。第一強度訊號對應於光束之第一波段。位於區域Z1b下之感測單元212根據通過波導模態共振結構32b之光束產生第二強度訊號。第二強度訊號對應於光束之第二波段。
位於區域Z1c下之感測單元212根據通過波導模態共振結構32c之光束產生第三強度訊號。第三強度訊號對應於光束之第三波段。位於透光區域Z2下之感測單元212下根據通過透光板31之透光區域Z2之光束產生參考強度訊號。參考強度訊號對應於光束之所有波段。
處理模組50電性連接於感測單元212。處理模組50接受第一強度訊號，且根據第一強度訊號之強度產生第一強度值。處理模組50接收第二強度訊號，且根據第二強度訊號之強度產生第二強度值。
處理模組50接收第三強度訊號，且根據第三強度訊號之強度產生第三強度值。處理模組50接受參考強度訊號，且根據參考強度訊號之強度產生參考強度值。
處理模組50根據第一強度訊號以及參考強度訊號取得一第一色彩值。於一些實施例中，第一色彩值經由參考強度訊號減第一強度訊號取得。於此實施例中，第一色彩值對應於光束之藍光組成。於一些實施例中，第一色彩值對應於光束之紫外線組成。
處理模組50根據第二強度訊號以及參考強度訊號取得一第二色彩值。於一些實施例中，第二色彩值經由參考強 度訊號減第二強度訊號取得。於此實施例中，第二色彩值對應於光束之綠光組成。
處理模組50根據第三強度訊號以及參考強度訊號取得一第三色彩值。於一些實施例中，第三色彩值經由參考強度訊號減第三強度訊號取得。於此實施例中，第三色彩值對應於光束之紅光組成。於一些實施例中，第三色彩值對應於光束之紅外線組成。
因此，處理模組根據第一色彩值、第二色彩值、以及第三色彩值50取得影像之一像素的像素值。
由於光束之紅外線組成、紫外線組成、及/或可見光組成均可被影像感測器1偵測，因此，舉例而言，影像感測器1可為一光譜儀。於一些實施例中，藉由調整波導模態共振結構32來對應於光束之不同的可見光波段，影像感測器1可為一相機。
再者，由於可省略設置於感測層上之彩色濾光單元，因此可減少感測結構20之製作成本且可簡化感測結構20之結構。
第4圖為根據本揭露之一些實施例中之部分保護結構30的示意圖。部分之保護結構30對應於影像之一像素。於一些實施例中，波導模態共振結構32a、32b、以及32c沿一排列方向D2交錯排列。
抗反射層33位於波導模態共振結構32a、32b、32c之一側。換句話說，抗反射層33連接或是鄰近於波導模態共振結構32a、32b、32c相同之一側。
再者，區域Z1a、Z1b、以及Z1c沿排列方向D2排列。透光區域Z2位於區域Z1a、Z1b、以及Z1c之一側。
第5圖為根據本揭露之一些實施例中之部分保護結構30的示意圖。部分之保護結構30對應於影像之一像素。於一些實施例中，波導模態共振結構32a以及抗反射層33沿排列方向D1交錯排列。
於一些實施例中，波導模態共振結構32b以及抗反射層33沿排列方向D1交錯排列。於一些實施例中，波導模態共振結構32b以及抗反射層33沿排列方向D1交錯排列。
波導模態共振結構32a之一邊緣、波導模態共振結構32b之一邊緣、以及波導模態共振結構32c之一邊緣於排列方向D2上疊置。
第6圖為根據本揭露之一些實施例中之一影像感測器1的示意圖。第7圖為根據本揭露之一些實施例中之一保護結構30的俯視圖。於一些實施例中，區域Z1d位於透光板31之中央。波導模態共振結構32d設置於區域Z1上。波導模態共振結構32d之填充因子為約0.5至0.8的範圍之間。
波導模態共振結構32d止擋光束之第四波段通過。於一些實施例中，第四波段約為800nm至1000nm之間。第四波段對應於光束之紅外線。
保護結構30包括一上部彩色濾光單元34，設置於透光板31之一彩色濾光區域Z3上。彩色濾光區域Z3環繞區域Z1d。於一些實施例中，彩色濾光區域Z3位於透光板31之邊緣。
上部彩色濾光單元34允許光束中於一預定範圍內 之波長通過(或是到達感測單元212b)。於一些實施例中，上部彩色濾光單元34允許光束中於800nm至1000nm的範圍之間的波長(紅外線)通過。
感測結構20更包括彩色濾光單元24。如第6圖所示，於透光板31之區域Z1d下之平坦層22被彩色濾光單元24所取代。
彩色濾光單元24設置於感測層21上，且位於透光板31之區域Z1d之下。於一些實施例中，彩色濾光單元24位於感測層21以及微透鏡23之間。彩色濾光單元24沿平行於參考平面P1之一平面排列於一濾光陣列。每一彩色濾光單元24設置於感測單元212a中之一者之上。
每一彩色濾光單元24允許光束中於一預定範圍內之波長通過(或是到達感測單元212a)。於一些實施例中，彩色濾光單元24為彩色濾光單元。彩色濾光單元24包括紅色濾光單元24a、綠色濾光單元24b、以及藍色濾光單元24c。紅色濾光單元24a、綠色濾光單元24b、以及藍色濾光單元24c交錯排列於濾光陣列。
紅色濾光單元24a允許光束約為580nm至750nm之範圍之間的波長(紅光)通過至感測單元212a。綠色濾光單元24b主要允許光束中約為450nm至620nm的範圍之間的波長(綠光)通過至感測單元212a。藍色濾光單元24c主要許光束中約為400nm至520nm之範圍之間的波長(藍光)通過至感測單元212a。
如第6圖所示，平坦層22設置於感測層21上，且位於上部彩色濾光單元34之下。微透鏡23設置於平坦層22上，且 位於彩色濾光區域Z3之下。平坦層22環繞彩色濾光單元24。於一些實施例中，平坦層22直接接觸彩色濾光單元24。平坦層22以及彩色濾光單元24沿平行於參考平面P1之一平面排列。
位於感測單元212a與感測單元212b之間的感測單元212c為虛設(dummy)感測單元。如第6圖所示，僅有一個感測單元212c位於感測單元212a與感測單元212b之間。然而，於一些實施例中，可有至少兩個感測單元212c位於感測單元212a與感測單元212b之間。換句話說，感測單元212c並不產生任何強度訊號。再者，並沒有微透鏡23位於感測單元212c之上。因此，由感測單元212a所產生之強度訊號應不會被通過上部彩色濾光單元34之光束所影響。感測單元212b所產生之強度訊號亦應不會被通過波導模態共振結構32d之光束所影響。
於此實施例中，由於上部彩色濾光單元34允許紅外線通過，感測單元212b可根據照射於其上之紅外線產生強度訊號。因此，影像感測器1用以偵測姿勢(gestures)或TOF等應用。
再者，由於彩色濾光單元24設置於感測單元212a上，一影像可根據感測單元212a所產生之強度訊號而被擷取。此外，由於波導模態共振結構32d止擋紅外線，因此上述影像並不會被紅外線所影響。因此，於此實施例中，影像感測器1提供了影像擷取以及姿勢偵測等多種功能。
綜上所述，由於波導模態共振結構之結構，可省略設置於感測層上之彩色濾光單元，進而節省感測結構之製作成本並簡化感測結構。再者，藉由波導模態共振結構以及上部 彩色濾光單元，影像感測器可設計用來提供多種功能，例如影像擷取與姿勢偵測。
上述已揭露之特徵能以任何適當方式與一或多個已揭露之實施例相互組合、修飾、置換或轉用，並不限定於特定之實施例。
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
20‧‧‧感測結構
21‧‧‧感測層
211‧‧‧基材
212‧‧‧感測單元
22‧‧‧平坦層
23‧‧‧微透鏡
30‧‧‧保護結構
31‧‧‧透光板
32、32a、32b、32c‧‧‧波導模態共振結構
321‧‧‧基底層
322‧‧‧光柵單元
323‧‧‧透光材料
33‧‧‧抗反射層
50‧‧‧處理模組
H1‧‧‧高度
P1‧‧‧參考平面
S1‧‧‧中空空間
T1‧‧‧厚度
Z1a、Z1b、Z1c‧‧‧區域
Z2‧‧‧透光區域

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括：一感測層，包括複數個感測單元，用以感測一光束；一透光板，位於該感測層之上；以及一第一波導模態共振結構，設置於該透光板之一第一區域上，且止擋該光束之一第一波段通過，其中該第一波導模態共振結構包括複數個光柵單元。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包括一第二波導模態共振結構，設置於該透光板之一第二區域上，且止擋該光束之一第二波段通過。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包括一抗反射層，設置於該透光板之一透光區域。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該第一波導模態共振結構包括：一基底層，且該等光柵單元設置於該基底層上；以及一透光材料，設置於該基底層以及該等光柵單元上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包括：一平坦層，設置於該感測層上；以及複數個微透鏡，設置於該平坦層上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包括：一平坦層，設置於該感測層上；複數個微透鏡，設置於該平坦層上；複數個彩色濾光單元，設置於該感測層上，且位於該透光板之該第一區域之下；以及 一上部彩色濾光單元，設置於該透光板之一彩色濾光區域上。
  7. 一種影像擷取裝置，包括：一感測殼體，包括一容置腔以及連通於該容置腔之一開口；一感測結構，設置於該容置腔內，包括一感測層，其中該感測層包括用以感測一光束之複數個感測單元；以及一保護結構，包括：一透光板，覆蓋該開口，且位於該感測結構之上；以及一第一波導模態共振結構，設置於該透光板之一第一區域上，且止擋該光束之一第一波段通過，其中該第一波導模態共振結構包括複數個光柵單元。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之影像擷取裝置，更包括：一透鏡殼體，設置於該感測殼體；以及一透鏡組，設置於該透鏡殼體內。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之影像擷取裝置，其中該保護結構更包括一第二波導模態共振結構，設置於該透光板之一第二區域之上，且止擋該光束之一第二波段通過。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之影像擷取裝置，其中該保護結構更包括一抗反射層，設置於該透光板之一透光區域上。
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