TWI749896B - 具有多部分繞射透鏡之影像感測器 - Google Patents

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Abstract

一影像感測器可包括一成像像素陣列。各成像像素可具有一光敏區域，該光敏區域由各別的一多部分繞射透鏡覆蓋，以將光聚焦至該光敏區域上。該等多部分繞射透鏡可具有具有不同折射率的多個部分。較靠近該等繞射透鏡之中心的該等繞射透鏡的該等部分可具有較高的折射率以將光聚焦。替代地，較接近該等繞射透鏡之中心的該等繞射透鏡之該等部分可具有將光散焦的較低折射率。該等多部分繞射透鏡可具有堆疊層，該等堆疊層具有相同折射率但不同寬度。

Description

具有多部分繞射透鏡之影像感測器
本發明大致上係關於影像感測器，且更具體地係關於具有透鏡的影像感測器以將光聚焦。
影像感測器經常用在電子裝置（諸如行動電話、相機、及電腦）中以擷取影像。在一典型配置中，一電子裝置具備依像素列及像素行配置之影像像素之一陣列。該陣列中之各影像像素包括經由轉移閘耦接至浮動擴散區域的光電二極體。各像素接收入射光子（光）及將該等光子轉換成電信號。行電路系統係耦接至各像素行，以用於自影像像素讀出像素信號。影像感測器有時係設計以使用聯合圖形專家群(Joint Photographic Experts Group, JPEG)格式來提供影像至電子裝置。
習知影像感測器有時在各像素上方包括濾色器元件及微透鏡。習知影像感測器之微透鏡一般具有彎曲表面及使用折射以將光聚焦於下伏的光電二極體上。然而，這些類型的微透鏡可允許周邊光通行穿過微透鏡而無需聚焦，導致光學串擾。
因此，希望提供用於影像感測器之改良透鏡。
本發明揭示一種影像感測器，其包含複數個成像像素，其中該複數個成像像素之各成像像素包含：一光電二極體；及一繞射透鏡，其形成於該光電二極體上方，其中該繞射透鏡具有一第一部分及一第二部分，該第一部分具有一第一折射率，該第二部分具有不同於該第一折射率之一第二折射率。
本發明揭示一種影像感測器，其包含複數個成像像素，其中該複數個成像像素之各成像像素包含：一光敏區域；一濾色器元件，其形成於該光敏區域上方；及一多部分繞射透鏡，其形成在該濾色器元件上方，該多部分繞射透鏡將入射光聚焦在該光敏區域上。
本發明揭示一種影像感測器，其包含複數個成像像素，其中該複數個成像像素之各成像像素包含：一光電二極體；及一繞射透鏡，其形成於該光電二極體上方，其中該繞射透鏡具有複數個部分，該複數個部分具有隨著該各別部分距該繞射透鏡之一邊緣的一距離增加而增加之各別折射率。
本發明之實施例係關於具有包括繞射透鏡之像素的影像感測器。具有數位相機模組之電子裝置係顯示於圖1中。電子裝置10可係數位相機、電腦、行動電話、醫療裝置、或其他電子裝置。相機模組12（有時稱為成像裝置）可包括影像感測器16及一或多個透鏡29。在操作期間，透鏡29（有時稱為光學器件29）將光聚焦至影像感測器16上。影像感測器16包括將光轉換成數位資料的光敏元件（例如像素）。影像感測器可具有任何數目個像素（例如數百、數千、數百萬、或更多）。例如，典型影像感測器可具有數百萬個像素（例如百萬像素）。例如，影像感測器16可包括偏壓電路系統（例如，源極隨耦器負載電路）、取樣保持電路系統、相關雙重取樣(correlated double sampling, CDS)電路系統、放大器電路系統、類比轉數位(analog-to-digital, ADC)轉換器電路系統、資料輸出電路系統、記憶體（例如緩衝器電路系統）、位址電路系統等。
來自影像感測器16的靜態及視訊影像資料可透過路徑27提供給影像處理與資料格式化電路系統14。影像處理與資料格式化電路系統14可用以執行影像處理功能，諸如自動聚焦功能、深度感測、資料格式化、調整白平衡與曝光、實施視訊影像穩定化、臉部偵測等。例如，在自動聚焦操作期間，影像處理與資料格式化電路系統14可處理由影像感測器16中的相位偵測像素收集的資料，以判定將所關注物體聚焦所需之透鏡移動（例如，透鏡29的移動）的量值與方向。
若需要，影像處理與資料格式化電路系統14亦可用以壓縮原始相機影像檔案（例如，壓縮至聯合圖形專家群或JPEG格式）。在典型配置（有時稱為系統單晶片(system on chip, SOC)配置）中，相機感測器16及影像處理與資料格式化電路系統14係實施於共用積體電路上。使用單一積體電路以實施相機感測器16及影像處理與資料格式化電路系統14可有助於降低成本。然而，此僅係說明性的。若需要，相機感測器14及影像處理與資料格式化電路系統14可使用分開的積體電路來實施。若需要，相機感測器16及影像處理電路系統14可形成在分開的半導體基材上。例如，相機感測器16及影像處理電路系統14可形成在已經堆疊之分開的基材上。
相機模組12可透過路徑18將所獲取的影像資料輸送至主機子系統19（例如，影像處理與資料格式化電路系統14可將影像資料輸送至子系統19）。電子裝置10一般對使用者提供許多高階功能。例如，在電腦或進階行動電話中，可提供使用者運行使用者應用程式的能力。為了實施這些功能，電子裝置10的主機子系統19可包括儲存與處理電路系統17及輸入輸出裝置21，諸如小鍵盤、輸入輸出埠、搖桿、及顯示器。儲存與處理電路系統17可包括揮發性及非揮發性記憶體（例如，隨機存取記憶體、快閃記憶體、硬碟、固態硬碟等）。儲存與處理電路系統17亦可包括微處理器、微控制器、數位信號處理器、特定應用積體電路、或其他處理電路。
如圖2所示，影像感測器16可包括：像素陣列20，其含有依列及行配置之影像感測器像素22（本文中有時稱為影像像素或像素）；及控制與處理電路系統24（其可包括例如影像信號處理電路系統）。例如，陣列20可含有數百或數千列及行之影像感測器像素22。控制電路系統24可耦接至列控制電路系統26及影像讀出電路系統28（有時稱為行控制電路系統、讀出電路系統、處理電路系統、或行解碼器電路系統）。像素陣列20、控制與處理電路系統24、列控制電路系統26、及影像讀出電路系統28可形成於基材23上。若需要，影像感測器16之一些或所有組件可替代地形成在基材23以外之基材上，其等可例如透過線接合或覆晶接合而連接至基材23。
列控制電路系統26可自控制電路系統24接收列位址，且透過列控制路徑30供應相對應之列控制信號（諸如重設、列選擇、電荷傳輸、雙轉換增益、及讀出控制信號）至像素22。一或多個導電線（諸如行線32）可耦接至陣列20中之各行像素22。行線32可用於自像素22讀出影像信號及用於供應偏壓信號（例如偏壓電流或偏壓電壓）至像素22。若需要，在像素讀出操作期間，陣列20中之一像素列可係使用列控制電路系統26來選擇，且在該像素列中之影像像素22所產生之影像信號可係沿行線32讀出。
影像讀出電路系統28可透過行線32接收影像信號（例如，由像素22所產生之類比像素值）。影像讀出電路系統28可包括用於取樣及暫時儲存自陣列20讀出之影像信號之取樣保持電路系統、放大器電路系統、類比轉數位轉換(ADC)電路系統、偏壓電路系統、行記憶體、用於選擇性啟用或停用行電路系統之鎖存器電路系統、或耦接至陣列20中之一或多行像素以用於操作像素22及用於自像素22讀出影像信號的其他電路系統。在讀出電路系統28中之ADC電路系統可將接收自陣列20之類比像素值轉換成為相對應之數位像素值（有時稱為數位影像資料或數位像素資料）。影像讀出電路系統28可針對一或多個像素行中之像素而透過路徑25供應數位像素資料至控制與處理電路系統24。
圖3A及圖3B係可用於影像感測器中之說明性繞射透鏡的截面側視圖。如圖3A所示，繞射透鏡42可形成在周圍介質44中。周圍材料44可由具有第一折射率(n1)的第一材料形成。繞射透鏡42可由具有第二折射率(n2)的第二材料形成。在圖3A的實例中，透鏡的折射率可大於周圍材料的折射率（亦即，n2＞n1）。此導致入射光係聚焦朝向焦點。在此配置中，繞射透鏡42作用為凸透鏡。
透鏡42可對入射光係透明的。因此，一些光可通行穿過該透鏡而未被聚焦。例如，入射光46-1可通行穿過繞射透鏡42之中心。在繞射透鏡之另一側上的對應光46-2可依與入射光46-1相同的方向行進。相比之下，繞射透鏡42之邊緣處的入射光可由於繞射而被重導向。例如，入射光46-3可通行經過繞射透鏡42之邊緣。光可經重導向，使得輸出光46-4以相對於入射光46-3的角度48行進。換言之，繞射透鏡使用繞射將光在透鏡的邊緣處重導向。
繞射當波（諸如光）遇到障礙時發生。當光繞物體的邊緣通行時，其將被彎曲或重導向，使得原始入射光的方向改變。彎曲的量及方向取決於數個因素。在成像感測器中，光的繞射可係（以繞射透鏡）用以依所欲方式重導向入射光（亦即，將入射光聚焦在光電二極體上以減輕光學串擾）。
在圖3A的實例中，繞射透鏡42具有大於周圍介質44折射率的折射率。此造成入射光聚焦朝向焦點。然而，此實例僅係說明性的，且可使用其他實施例。
如圖3B所示，繞射透鏡50可形成在周圍介質52中。周圍材料52可由具有第一折射率(n1)的第一材料形成。繞射透鏡50可由具有第三折射率(n3)的第三材料形成。在圖3B的實例中，透鏡的折射率可小於周圍材料的折射率（亦即，n1＞n3）。此導致入射光46被散焦。在此配置中，繞射透鏡50作用為凹透鏡。
透鏡50可對入射光係透明的。因此，一些光可通行穿過該透鏡而未被聚焦。例如，入射光46-1可通行穿過繞射透鏡50之中心。在繞射透鏡之另一側上的對應光46-2可依與入射光46-1相同的方向行進。相比之下，繞射透鏡50之邊緣處的入射光可由於繞射而被重導向。例如，入射光46-3可通行經過繞射透鏡50之邊緣。光可經重導向，使得輸出光46-4以相對於入射光46-3的角度54行進。換言之，繞射透鏡使用繞射將光在透鏡的邊緣處重導向。
除了該繞射透鏡與周圍材料的折射率外，該繞射透鏡的厚度亦可影響入射光對繞射透鏡的回應。圖4A及圖4B顯示用以聚焦入射光的說明性繞射透鏡（例如，如在圖3A中者）。如圖4A所示，繞射透鏡42可形成在周圍介質44中。周圍材料44可由具有第一折射率(n1)的第一材料形成。繞射透鏡42可由具有第二折射率(n2)的第二材料形成。在圖4A的實例中，透鏡的折射率可大於周圍材料的折射率（亦即，n2＞n1）。此導致該光係聚焦至焦點。
具體而言，入射光46-3可通行經過繞射透鏡42之邊緣。光可經重導向，使得輸出光46-4以相對於入射光46-3的角度48-1行進。此角度可取決於繞射透鏡42的厚度56。在圖4A的實例中，厚度56與繞射角度48-1相關聯。在圖4A中的繞射透鏡42可具有相對大的厚度，且據此，相對大的繞射角度48-1。
相比之下，在圖4B中的繞射透鏡42可具有相對小的厚度及相對小的繞射角度48-2。如圖4B所示，繞射透鏡42可形成在周圍介質44中。周圍材料44可由具有第一折射率(n1)的第一材料形成。繞射透鏡42可由具有第二折射率(n2)的第二材料形成。在圖4B的實例中，透鏡的折射率可大於周圍材料的折射率（亦即，n2＞n1）。此導致該光係聚焦至焦點。具體而言，在繞射透鏡之邊緣處的光可經重導向，使得輸出光46-4以相對於入射光46-3的角度48-2行進。此角度可取決於繞射透鏡42的厚度58。因為在圖4B中之厚度58小於在圖4A中之厚度56，所以在圖4B中之角度48-2小於在圖4A中之角度48-1。
圖4A及圖4B中的繞射透鏡42具有相同長度及寬度。然而，繞射透鏡的長度及寬度亦可經調整以變更入射光46的回應。該等繞射透鏡僅可重導向入射光，該入射光在該繞射透鏡之邊緣的一給定距離內（例如，具有不同折射率之兩個材料之間的界面）行進。該給定距離可係大約該入射光之波長的一半。
此顯示繞射透鏡可如何用以依所欲方式重導向入射光。可變更透鏡及周圍材料之折射率以定製入射光之回應。額外地，可變更繞射透鏡的厚度、長度、及寬度以定製入射光的回應。
在圖3A、圖3B、圖4A、及圖4B中，繞射透鏡（例如繞射透鏡42與繞射透鏡50）係描繪為由具有第一折射率之單一材料層所形成，該單層材料係由具有第二折射率的周圍介質所圍繞，該第二折射率不同於該第一折射率。因為這些繞射透鏡具有一均勻折射率（及因此透鏡與周邊介質之間的一折射率差），這些類型的繞射透鏡可稱為單邊繞射透鏡。這些類型的繞射透鏡亦可稱為單折射率繞射透鏡。
前述單邊繞射透鏡可有效在繞射透鏡邊緣處將光聚焦或散焦。在繞射透鏡中心處的光可依所需通行穿過而不被聚焦或散焦。然而，繞射透鏡的中心與邊緣之間的光行進通過繞射透鏡而不被聚焦或散焦。此可能不係所欲的，此係因為如果在該繞射透鏡之中心與邊緣之間的光亦被聚焦或散焦，則可改善透鏡的性能。
為了更佳地將光聚焦，繞射透鏡可因此具有二或更多個具有不同折射率的部分。此類型之實例係示於圖5A及圖5B中。
如圖5A所示，繞射透鏡62可形成在周圍介質44中。周圍材料44可由具有第一折射率(n1)的第一材料形成。繞射透鏡62可具有第一部分64及第二部分66，該第一部分由具有第二折射率(n2)之第二材料形成，該第二部分由具有第三折射率(n4)之第三材料形成。在圖5A的實例中，透鏡之第二部分的折射率(n4)可大於透鏡之第一部分的折射率(n2)，且透鏡之第一部分的折射率可大於周圍材料的折射率（亦即，n4＞n2＞n1）。此導致入射光係聚焦朝向焦點。在此配置中，繞射透鏡62作用為凸透鏡。
透鏡62（亦即，透鏡62之部分64及66兩者）對入射光可係透明的。因此，一些光可通行穿過該透鏡而未被聚焦。例如，入射光46-1可通行穿過繞射透鏡62之部分66之中心。在繞射透鏡之另一側上的對應光46-2可依與入射光46-1相同的方向行進。相比之下，繞射透鏡62之邊緣處的入射光可由於繞射而被重導向。例如，入射光46-3可通行經過繞射透鏡62之邊緣。光可經重導向，使得輸出光46-4以相對於入射光46-3的角度行進。換言之，繞射透鏡使用繞射將光在透鏡的邊緣處重導向。額外地，由於繞射透鏡的部分64與66之間的額外折射率差，在該繞射透鏡之邊緣與中心之間的光亦可經重導向。例如，入射光46-5可通行經過繞射透鏡62之部分64及66的界面。光可經重導向，使得輸出光46-6以相對於入射光46-5的角度行進。
各材料之間的折射率差可係任何所欲的折射率差（例如，大於0.2、大於0.3、大於0.4、大於0.5、大於0.8、大於1.0、介於0.2與0.5之間、介於0.2與0.8之間、介於0.2與1.0之間、小於1.0、小於0.5、小於0.3等）。
在圖5A中具有兩個部分的繞射透鏡的實例僅係說明性的。若需要，該繞射透鏡可具有：具有不同折射率之三個部分（如將在圖5C中展示者）、具有不同折射率之四個部分、具有不同折射率之五個部分、具有不同折射率之多於五個部分等。無論在該繞射透鏡中存在多少部分，各對相鄰部分可具有對應的折射率差。例如，各部分的折射率可隨著該部分距邊緣的距離而成比例地增加（意指邊緣部分（諸如部分64）具有低於中心部分（諸如部分66）的折射率）。換言之，各部分之折射率可隨著該部分自該中心之距離而成比例地減小。
在圖5A的實例中，繞射透鏡62使入射光聚焦朝向焦點。然而，此實例僅係說明性的，且可使用其他實施例。圖5B顯示將光散焦之具有二或更多個部分的繞射透鏡，該二或更多個部分具有不同折射率。
如圖5B所示，繞射透鏡72可形成在周圍介質44中。周圍材料44可由具有第一折射率(n1)的第一材料形成。繞射透鏡72可具有第一部分74及第二部分76，該第一部分由具有第二折射率(n3)之第二材料形成，該第二部分由具有第三折射率(n5)之第三材料形成。在圖5B的實例中，透鏡之第二部分的折射率(n5)可小於透鏡之第一部分的折射率(n3)，且透鏡之第一部分的折射率(n3)可小於周圍材料的折射率（亦即，n5＜n3＜n1）。此導致入射光被散焦。在此配置中，繞射透鏡72作用為凹透鏡。
透鏡72（亦即，透鏡72之部分74及76兩者）對入射光可係透明的。因此，一些光可通行穿過該透鏡而未被聚焦。例如，入射光46-1可通行穿過繞射透鏡72之部分76之中心。在繞射透鏡之另一側上的對應光46-2可依與入射光46-1相同的方向行進。相比之下，繞射透鏡72之邊緣處的入射光可由於繞射而被重導向。例如，入射光46-3可通行經過繞射透鏡72之邊緣。光可經重導向，使得輸出光46-4以相對於入射光46-3的角度行進。換言之，繞射透鏡使用繞射將光在透鏡的邊緣處重導向。額外地，由於繞射透鏡的部分74與76之間的額外折射率差，在該繞射透鏡之邊緣與中心之間的光亦可經重導向。例如，入射光46-5可通行經過繞射透鏡72之部分74及76的界面。光可經重導向，使得輸出光46-6以相對於入射光46-5的角度行進。
各材料之間的折射率差可係任何所欲的折射率差（例如，大於0.2、大於0.3、大於0.4、大於0.5、大於0.8、大於1.0、介於0.2與0.5之間、介於0.2與0.8之間、介於0.2與1.0之間、小於1.0、小於0.5、小於0.3等）。
在圖5B中具有兩個部分的繞射透鏡的實例僅係說明性的。若需要，該繞射透鏡可具有：具有不同折射率之三個部分、具有不同折射率之四個部分、具有不同折射率之五個部分、具有不同折射率之多於五個部分等。各對相鄰部分可具有對應的折射率差。例如，各部分的折射率可隨著該部分距邊緣的距離而成比例地減小（意指邊緣部分（諸如部分64）具有高於中心部分（諸如部分66）的折射率）。換言之，各部分之折射率可隨著該部分距該中心之距離而成比例地增加。
圖5C係具有多於兩個部分的說明性繞射透鏡的截面側視圖。如圖5C所示，聚焦繞射透鏡62可形成在周圍介質44中。周圍材料44可由具有第一折射率(n1)的第一材料形成。繞射透鏡62可具有第一部分64、第二部分66、及第三部分68，該第一部分由具有第二折射率(n2)之第二材料形成，該第二部分由具有第三折射率(n4)之第三材料形成，該第三材料由具有第四折射率(n6)之第四材料形成。在圖5C之實例中，透鏡之第三部分的折射率(n6)可大於透鏡之第二部分的折射率(n4)，透鏡之第二部分的折射率(n4)可大於透鏡之第一部分的折射率(n2)，且透鏡之第一部分的折射率可大於周圍材料的折射率（亦即，n6＞n4＞n2＞n1）。此導致入射光係聚焦朝向焦點。在此配置中，繞射透鏡62作用為凸透鏡。在圖5C中之繞射透鏡的部分可係同心的（亦即，所有部分共用一共同幾何中心）。
在圖5A至圖5C之實例中，顯示具有二或更多個部分的對稱繞射透鏡。然而，繞射透鏡不需係對稱的。該繞射透鏡可替代地係不對稱的以依任何所欲方式控制光的聚焦/散焦。該等繞射透鏡可係非對稱的，如圖5D及圖5E中所示。如圖5D所示，繞射透鏡62可形成在周圍介質44中。周圍材料44可由具有第一折射率(n1)的第一材料形成。繞射透鏡62可具有第一部分64及第二部分66，該第一部分由具有第二折射率(n2)之第二材料形成，該第二部分由具有第三折射率(n4)之第三材料形成。在圖5A的實例中，透鏡之第二部分的折射率(n4)可大於透鏡之第一部分的折射率(n2)，且透鏡之第一部分的折射率可大於周圍材料的折射率（亦即，n4＞n2＞n1）。此導致入射光係聚焦朝向焦點。在此配置中，繞射透鏡62作用為凸透鏡。因為該繞射透鏡係不對稱的，該焦點可能不在該繞射透鏡下方居中。
各材料之間的折射率差可係任何所欲的折射率差（例如，大於0.2、大於0.3、大於0.4、大於0.5、大於0.8、大於1.0、介於0.2與0.5之間、介於0.2與0.8之間、介於0.2與1.0之間、小於1.0、小於0.5、小於0.3等）。
在圖5D中具有兩個部分的繞射透鏡的實例僅係說明性的。若需要，該非對稱繞射透鏡可具有：具有不同折射率之三個部分、具有不同折射率之四個部分、具有不同折射率之五個部分、具有不同折射率之多於五個部分等。無論在該繞射透鏡中存在多少部分，各對相鄰部分可具有對應的折射率差。
非對稱繞射透鏡可替代地係散焦繞射透鏡。如圖5E所示，繞射透鏡72可形成在周圍介質44中。周圍材料44可由具有第一折射率(n1)的第一材料形成。繞射透鏡72可具有第一部分74及第二部分76，該第一部分由具有第二折射率(n3)之第二材料形成，該第二部分由具有第三折射率(n5)之第三材料形成。在圖5E的實例中，透鏡之第二部分的折射率(n5)可小於透鏡之第一部分的折射率(n3)，且透鏡之第一部分的折射率(n3)可小於周圍材料的折射率（亦即，n5＜n3＜n1）。此導致入射光被散焦。然而，由於繞射透鏡72的不對稱結構，散焦係不對稱的。在此配置中，繞射透鏡72作用為凹透鏡。
各材料之間的折射率差可係任何所欲的折射率差（例如，大於0.2、大於0.3、大於0.4、大於0.5、大於0.8、大於1.0、介於0.2與0.5之間、介於0.2與0.8之間、介於0.2與1.0之間、小於1.0、小於0.5、小於0.3等）。
在圖5E中具有兩個部分的繞射透鏡的實例僅係說明性的。若需要，該非對稱散焦繞射透鏡可具有：具有不同折射率之三個部分、具有不同折射率之四個部分、具有不同折射率之五個部分、具有不同折射率之多於五個部分等。無論在該繞射透鏡中存在多少部分，各對相鄰部分可具有對應的折射率差。
圖5A至圖5E之繞射透鏡各具有二或更多個部分，該二或更多個部分具有不同折射率。該等繞射透鏡可因此稱為多折射率繞射透鏡。圖5A至圖5E之繞射透鏡亦形成多個折射率差。例如，在圖5A中，部分64與周圍材料44之間的界面係第一折射率差，且部分64與部分66之間的界面係第二折射率差。在圖5B中，部分74與周圍材料44之間的界面係第一折射率差，且部分74與部分76之間的界面係第二折射率差。因此，圖5A至圖5E之透鏡有時可稱為多邊緣繞射透鏡、多部分繞射透鏡、複合式繞射透鏡(compound diffractive lens)、複合繞射透鏡(composite diffractive lens)、多部分繞射透鏡等。
圖6係具有繞射透鏡之說明性影像感測器的截面側視圖。影像感測器16可包括第一像素及第二像素，諸如像素1及像素2。像素1及像素2可包括形成於基材（諸如矽基材80）中的光敏區域82。例如，像素1可包括相關聯之光敏區域（諸如光電二極體PD1），且像素2可包括相關聯之光敏區域（諸如光電二極體PD2）。可選地，隔離區可包括在PD1及PD2之間及/或圍繞其等。隔離區可包括金屬或金屬/介電網格、深溝隔離、或基材80之摻雜部分。繞射透鏡62可形成於光電二極體PD1及PD2上方，且可係用以將入射光引導朝向光電二極體PD1及PD2。
如結合圖5A所討論者，繞射透鏡62可由具有不同折射率的二或更多個部分（例如，部分64及66）形成。若需要，額外的抗反射塗層（有時稱為繞射透鏡抗反射塗層）可形成在繞射透鏡62的一或多個表面上。
濾色器（諸如濾色器元件86）可係插置在繞射透鏡62與基材80之間。濾色器元件86可藉由僅允許預定波長通行通過濾色器元件86（例如，濾色器86可僅對一定範圍之波長係透明的）來濾波入射光。濾色器元件86可係形成在基材80之後表面上的濾色器陣列之部分。各別的繞射透鏡62可覆蓋濾色器陣列中的各濾色器元件86。此實例僅係說明性的。若需要，該等繞射透鏡可形成在濾色器元件86下，使得該等繞射透鏡係插置在濾色器元件86與光敏區域82之間。光可透過繞射透鏡62從影像像素的背側進入。若需要，雖然在圖6中影像感測器16係背側照明影像感測器，但影像感測器16可替代地係前側照明影像感測器。光電二極體PD1及PD2可用作吸收由繞射透鏡62聚焦之入射光，並產生對應於所吸收之入射光量的像素信號。
濾色器86可包括綠色濾波器、紅色濾波器、藍色濾波器、黃色濾波器、青色濾波器、洋紅色濾波器、清透濾波器、紅外濾波器、或其他類型濾波器。作為一實例，綠色濾波器通行綠光（例如，具有從495 nm至570 nm波長的光），且反射及/或吸收在該範圍之外的光（例如，綠色濾波器反射紅光及藍光）。可使用之濾色器陣列圖案的一實例係GRBG（綠色-紅色-藍色-綠色）拜耳圖案。在此類型的組態中，濾色器陣列係配置成四個濾色器的群組。在各群組中，四個濾色器之兩者係綠色濾波器，四個濾色器之一者係紅色濾波器，而剩餘的濾色器係藍色濾波器。若需要，可使用其他濾色器陣列圖案。
層94（有時稱為平坦化層、鈍化層、介電層、膜、平坦膜、或平坦化膜）可形成於繞射透鏡62上方。平坦化層94可跨影像感測器16中之成像像素之整個陣列形成。層94可具有任何所欲的折射率（例如，大於、小於、或等於繞射透鏡62之部分64的折射率）。第二層92可形成在繞射透鏡62之間（例如，層92可係插置在相鄰的繞射透鏡62的側表面之間）。當繞射透鏡係用以將光聚焦時，層92可具有小於繞射透鏡62之部分64折射率的折射率。替代地，然而，若繞射透鏡係用以將光散焦，則層92可具有大於繞射透鏡之部分64折射率的折射率。第三層90可形成在繞射透鏡62與濾色器86之間在繞射透鏡62下。層90可具有任何所欲的折射率（例如，大於、小於、或等於繞射透鏡62之部分64的折射率）。層90、92、及94可係透明的，且可由任何所欲材料形成。層90、92、及94可由相同材料或不同材料形成。在一可能實例中，層90、92、及94可全部由相同材料形成，且該等繞射透鏡可嵌入於該材料內。層90、92、及94有時可稱為平坦化層、介電層、或覆層。在一些情況中，層90、92、及94之一或多者可由空氣形成（亦即，空氣間隙可存在於繞射透鏡62之間）。
各繞射透鏡部分之間的折射率差可係任何所欲的折射率差（例如，大於0.2、大於0.3、大於0.4、大於0.5、大於0.8、大於1.0、介於0.2與0.5之間、介於0.2與0.8之間、介於0.2與1.0之間、小於1.0、小於0.5、小於0.3等）。
繞射透鏡62的各部分可由任何所欲的材料形成。可係所欲的是，繞射透鏡62係透明的且由具有比周圍材料（例如，層92）更高的折射率的材料形成。各繞射透鏡的各部分可由氮化矽（具有大約2.0的折射率）、二氧化矽（具有大約1.45的折射率）、氮氧化矽（具有大約1.8的折射率）、或任何其他所欲材料形成。一般而言，各繞射透鏡62的各部分可具有任何所欲的折射率（例如介於1.8及2.0之間、介於1.6及2.2之間、介於1.5及2.5之間、介於1.5及2.0之間、大於1.3、大於1.6、大於1.8、大於2.0、小於2.0、小於1.8等）。層92亦可係透明的，且由具有任何所欲折射率（例如，低於繞射透鏡62之部分64的折射率）的材料來形成。平坦層92可由具有介於1.3與1.5之間、介於1.2與1.8之間、大於1.3之折射率、或任何其他所欲折射率的材料形成。
可選擇繞射透鏡62及周圍材料（例如，層92）之部分的折射率，使得光係由該等繞射透鏡朝向該等像素的光電二極體來聚焦。例如，圖6顯示藉由繞射透鏡62朝向光敏區域PD2聚焦之入射光46。以此方式聚焦入射光可減少像素之間的光學串擾。在影像感測器16中使用聚焦多部分繞射透鏡的實例（如圖6中者）僅係說明性的。在本文中（亦即，在圖3A、圖3B、圖4A、圖4B、圖5A至圖5E、圖7A至圖7E、圖8A、及圖8B中）所示的繞射透鏡之任一者可以相同於圖6所示之方式併入影像感測器16中。
如先前所討論者，可變更該等繞射透鏡及周圍材料的折射率以及該等繞射透鏡的尺寸以定製對入射光的回應。額外地，可變更各繞射透鏡之間的距離102以改變入射光的回應。
在一些實施例中，在像素陣列中的各像素上方的繞射透鏡可係相同的。然而，在其他實施例中，不同的像素可具有獨特的繞射透鏡，以進一步定製對入射光之回應。
在圖6的實例中，至少一個繞射透鏡係形成於各像素上方。這些繞射透鏡可取代其他每像素的透鏡（亦即，該等繞射透鏡可係像素陣列中之該等像素上方僅有的每像素透鏡）。例如，沒有微透鏡可存在於具有彎曲上表面之各像素上方。沒有微透鏡可存在於使用折射以將光聚焦之各像素上方。若需要，可選地，使用折射以將光聚焦的具有彎曲上表面之微透鏡可係包括在各繞射透鏡上方。
在圖6的實例中，一個多部分繞射透鏡係形成於各像素上方。此實例僅係說明性的。若需要，多於一個的繞射透鏡可係形成在各影像像素上方。例如，一或多個聚焦繞射透鏡與一或多個散焦繞射透鏡可係形成於各像素上方。各繞射透鏡可係一多部分繞射透鏡（例如，如在圖5A或圖5B中者），或可係一單部分繞射透鏡（例如，如在圖3A或圖3B中者）。像素上方的所有繞射透鏡可係聚焦繞射透鏡，像素上方的所有繞射透鏡可係散焦繞射透鏡，或聚焦及散焦繞射透鏡兩者可存在於像素上方。類似地，像素上方的所有繞射透鏡可係多部分繞射透鏡，像素上方的所有繞射透鏡可係單部分繞射透鏡，或多部分及單部分繞射透鏡兩者可形成於像素上方。
各繞射透鏡62可具有任何所欲的形狀。圖7A至圖7E係具有不同形狀之說明性繞射透鏡的俯視圖。如圖7A所示，繞射透鏡62可具有部分66（其具有矩形（或正方形）形狀）及部分64（其側向圍繞部分66且具有矩形（或正方形）外周緣）。如圖7B所示，繞射透鏡62的部分66可由具有彎曲邊緣的形狀（諸如圓形或橢圓形）形成，且繞射透鏡62的部分64可側向圍繞部分66且具有圓形或橢圓形的外周緣。在圖7A與圖7B之實施例中，部分64與66具有相同的形狀。此實例僅係說明性的。如圖7C所示，繞射透鏡62可具有部分66（有時稱為內部分66），其具有與部分64（有時稱為外部分64）不同的形狀。如圖7D所示，該繞射透鏡不須係規則形狀。圖7D顯示經不規則定形狀的繞射透鏡。該繞射透鏡之各部分可包括一或多個平坦側、向外彎曲之一或多個彎曲側、及/或向內彎曲之一或多個彎曲側。最後，如圖7E所示，該繞射透鏡可係分成多於一個區段。繞射透鏡62的部分64可具有二或更多個分開形成的垂直區段、或二或更多個分開形成的水平區段。類似地，如圖7E所示，繞射透鏡62的部分66可具有二或更多個分開形成的垂直區段、或二或更多個分開形成的水平區段。
在圖6的實例中，繞射透鏡62的部分64與66具有均勻高度（厚度）。此實例僅係說明性的。大致上，在多部分繞射透鏡（其中多個部分具有不同折射率）中，繞射透鏡的各部分可具有任何所欲的寬度、高度、及厚度。若需要，各部分的寬度、高度、及厚度可選地可匹配繞射透鏡的一或多個其他部分的各別寬度、高度、及/或厚度。
圖5A、圖5B、圖6、及圖7描繪具有在單一層內具有不同折射率之不同部分的多部分繞射透鏡。此實例僅係說明性的。在一替代實施例中，多部分繞射透鏡可係由具有相同折射率與不同寬度的兩個堆疊層而形成。圖8A及圖8B顯示此類型之實例。在圖8A中，聚焦多部分繞射透鏡62係顯示其包括形成於第二材料層114上方並與之重疊的第一材料層112。第一繞射透鏡層112及第二繞射透鏡層114兩者可具有大於周圍材料44之折射率(n1)的相同折射率(n2)。下伏層(114)可具有小於層112的寬度。以此配置，在透鏡的邊緣之中心之間的點處通行穿過繞射透鏡的光可被聚焦。
在圖8B中，散焦多部分繞射透鏡72係顯示其包括形成於第二材料層124上方並與之重疊的第一材料層122。第一繞射透鏡層122及第二繞射透鏡層124兩者可具有小於周圍材料44之折射率(n1)的相同折射率(n3)。下伏層(124)可具有小於層122的寬度。以此配置，在透鏡的邊緣之中心之間的點處通行穿過繞射透鏡的光可被散焦。
圖8A及圖8B描繪具有與用以形成多部分繞射透鏡相同的折射率之堆疊層。此實例僅係說明性的。若需要，該等堆疊層可具有不同的折射率。各具有任何所欲折射率的三個、四個、五個、或多於五個堆疊層可用以形成多部分繞射透鏡。
圖8A及圖8B之堆疊繞射透鏡係對稱的。這些實例僅係說明性的。如結合圖5D及圖5E所討論者，該等繞射透鏡可係不對稱的。圖9A及圖9B係堆疊非對稱繞射透鏡的截面側視圖。在圖9A中，聚焦多部分非對稱繞射透鏡62係顯示為其包括重疊的第一材料層112及第二材料層114。第一繞射透鏡層112及第二繞射透鏡層114兩者可具有大於周圍材料44之折射率(n1)的相同折射率(n2)。層114可具有小於層112之寬度。層114可係自層112偏移偏離中心，如圖9A所示。
在圖9B中，散焦非對稱多部分繞射透鏡72係顯示為其包括重疊的第一材料層122及第二材料層124。第一繞射透鏡層122及第二繞射透鏡層124兩者可具有小於周圍材料44之折射率(n1)的相同折射率(n3)。層(124)可具有小於層122的寬度。層124可係自層122偏移偏離中心，如圖9A所示。
圖9A及圖9B描繪具有與用以形成多部分繞射透鏡相同的折射率之非對稱堆疊層。此實例僅係說明性的。若需要，該等非對稱堆疊層可具有不同的折射率。各具有任何所欲折射率的三個、四個、五個、或多於五個堆疊層可用以形成多部分非對稱繞射透鏡。
在圖8A與圖8B中，堆疊繞射透鏡中較小的層（亦即，具有較小寬度的層）係在較大的層下方。在圖9A與圖9B中，堆疊繞射透鏡中較小的層係在較大的層上方。大致上，具有任何所欲寬度的任何數目之層可係以任何所欲順序堆疊以控制入射光的方向。
在各種實施例中，一影像感測器可包括複數個成像像素，且各成像像素可包括一光電二極體及形成在該光電二極體上方之一繞射透鏡。該繞射透鏡可具有一第一部分及一第二部分，該第一部分具有一第一折射率，該第二部分具有不同於該第一折射率之一第二折射率。
該第一部分可係一邊緣部分，且該第二部分可係一中心部分，且該第一折射率可小於該第二折射率。該邊緣部分可側向圍繞該中心部分。該邊緣部分可相鄰具有一第三折射率之一材料，該第三折射率不同於該第一折射率及該第二折射率。該第三折射率可小於該第一折射率。
各繞射透鏡亦可包括具有一第三折射率的一第三部分，該第三折射率與該第一折射率及該第二折射率不同。該第二部分可係插置在該第一部分與該第三部分之間，且該第二折射率可小於該第一折射率且大於該第一折射率。各成像像素之繞射透鏡可具有一平坦上表面及一平坦下表面。具有一彎曲表面的微透鏡可能未形成在各像素之該繞射透鏡上方。該複數個成像像素之各成像像素亦可包括一濾色器元件，該濾色器元件係插置於彼成像像素之該光電二極體與該繞射透鏡之間。
在各種實施例中，一影像感測器可包括複數個成像像素，且該複數個成像像素之各成像像素可包括一光敏區域、形成在該光敏區域上方的一濾色器元件、及形成於該濾色器元件上方之一多部分繞射透鏡，該多部分繞射透鏡將入射光聚焦在該光敏區域上。
該多部分繞射透鏡可包括具有各別的第一折射率及第二折射率的第一部分及第二部分。該第二部分可側向圍繞該第一部分。該第二折射率可小於該第一折射率。該多部分繞射透鏡可由具有小於該第二折射率之一第三折射率的一材料所圍繞。該多部分繞射透鏡可包括一第一層及形成於該第一層上方之一第二層，該第一層可具有一第一寬度，且該第二層可具有大於該第一寬度的一第二寬度。該第一層及該第二層可具有相同折射率，且可由具有小於該第一層及該第二層之該折射率的一額外折射率之一材料所圍繞。具有一彎曲表面的微透鏡可能未形成在各像素之該多部分繞射透鏡上方。
在各種實施例中，一影像感測器可包括複數個成像像素，且該複數個成像像素之各成像像素可包括一光電二極體及形成在該光電二極體上方之一繞射透鏡。該繞射透鏡可具有複數個部分，該複數個部分具有隨著該各別部分距該繞射透鏡之一邊緣的一距離增加而增加之各別折射率。該複數個部分可係同心的。
根據一實施例，一影像感測器可包括複數個成像像素，且該複數個成像像素之各成像像素可包括一光電二極體及形成在該光電二極體上方之一繞射透鏡。該繞射透鏡可具有一第一部分及一第二部分，該第一部分具有一第一折射率，該第二部分具有不同於該第一折射率之一第二折射率。
根據另一實施例，該第一部分可係一邊緣部分，該第二部分可係一中心部分，且該第一折射率可小於該第二折射率。
根據另一實施例，該邊緣部分可側向圍繞該中心部分。
根據另一實施例，該邊緣部分可相鄰具有一第三折射率之一材料，該第三折射率不同於該第一折射率及該第二折射率。
根據另一實施例，該第三折射率可小於該第一折射率。
根據另一實施例，各繞射透鏡可包括具有一第三折射率之一第三部分，該第三折射率不同於該第一折射率及該第二折射率。
根據另一實施例，該第二部分可係插置在該第一部分與該第三部分之間，且該第二折射率可小於該第一折射率且大於該第一折射率。
根據另一實施例，各成像像素之繞射透鏡具有一平坦上表面及一平坦下表面。
根據另一實施例，具有一彎曲表面的微透鏡未形成在各像素之該繞射透鏡上方。
根據另一實施例，該複數個成像像素之各成像像素亦可包括一濾色器元件，該濾色器元件係插置於彼成像像素之該光電二極體與該繞射透鏡之間。
根據一實施例，一影像感測器可包括複數個成像像素，且該複數個成像像素之各成像像素可包括一光敏區域、形成在該光敏區域上方的一濾色器元件、及形成於該濾色器元件上方之一多部分繞射透鏡，該多部分繞射透鏡將入射光聚焦在該光敏區域上。
根據另一實施例，該多部分繞射透鏡可包括具有各別的第一折射率及第二折射率的第一部分及第二部分。
根據另一實施例，該第二部分側向圍繞該第一部分。
根據另一實施例，該第二折射率小於該第一折射率。
根據另一實施例，該多部分繞射透鏡可由具有小於該第二折射率之一第三折射率的一材料所圍繞。
根據另一實施例，該多部分繞射透鏡可包括一第一層及形成於該第一層上方之一第二層，該第一層可具有一第一寬度，且該第二層可具有大於該第一寬度的一第二寬度。
根據另一實施例，該第一層及該第二層可具有相同折射率，且可由具有小於該第一層及該第二層之該折射率的一額外折射率之一材料所圍繞。
根據另一實施例，具有一彎曲表面的微透鏡未形成在各像素之該多部分繞射透鏡上方。
根據一實施例，一影像感測器可包括複數個成像像素，且該複數個成像像素之各成像像素可包括一光電二極體及形成在該光電二極體上方之一繞射透鏡。該繞射透鏡可具有複數個部分，該複數個部分具有隨著該各別部分距該繞射透鏡之一邊緣的一距離增加而增加之各別折射率。
根據另一實施例，該複數個部分係同心的。
前文僅闡釋本發明之原理，且所屬技術領域中具有通常知識者可進行各種修改而不悖離本發明之範疇及精神。
10:電子裝置 12:相機模組 14:影像處理與資料格式化電路系統/相機感測器 16:影像感測器/相機感測器 17:儲存與處理電路系統 18:路徑 19:子系統 20:陣列 21:輸入輸出裝置 22:像素 23:基材 24:控制與處理電路系統/控制電路系統 25:路徑 26:列控制電路系統 27:路徑 28:讀出電路系統 29:透鏡/光學器件 30:列控制路徑 32:行線 42:透鏡 44:介質/材料 46:入射光 46-1:入射光 46-2:光 46-3:入射光 46-4:光 46-5:入射光 46-6:光 48:角度 48-1:角度 48-2:角度 50:透鏡 52:介質/材料 54:角度 56:厚度 58:厚度 62:透鏡 64:部分 66:部分 72:透鏡 74:部分 76:部分 80:基材/矽基材 82:光敏區域 86:濾色器元件/濾色器 90:層 92:層 94:層 102:距離 112:材料層/層 114:材料層/層 122:材料層/層 124:材料層/層 PD1:光電二極體 PD2:光電二極體 n1:折射率 n2:折射率 n3:折射率 n4:折射率 n5:折射率 n6:折射率
圖1係根據一實施例之可包括一影像感測器之說明性電子裝置的示意圖。 圖2係根據一實施例之一說明性像素陣列及用於自該像素陣列讀出影像信號之相關聯讀出電路系統的圖式。 圖3A係根據一實施例之具有大於周圍介質的折射率之說明性聚焦繞射透鏡的截面側視圖。 圖3B係根據一實施例之具有低於周圍介質的折射率之說明性散焦繞射透鏡的截面側視圖。 圖4A及圖4B係根據一實施例之說明性繞射透鏡的截面側視圖，該說明性繞射透鏡顯示可如何調整該繞射透鏡的厚度以改變對入射光的回應。 圖5A係根據一實施例之具有兩個部分之說明性多部分聚焦繞射透鏡的截面側視圖，該兩個部分具有大於周圍介質的折射率。 圖5B係根據一實施例之具有兩個部分之說明性多部分散焦繞射透鏡的截面側視圖，該兩個部分具有低於周圍介質的折射率。 圖5C係根據一實施例之具有三個部分之說明性多部分聚焦繞射透鏡的截面側視圖，該三個部分具有大於周圍介質的折射率。 圖5D係根據一實施例之具有兩個部分之說明性非對稱多部分聚焦繞射透鏡的截面側視圖，該兩個部分具有大於周圍介質的折射率。 圖5E係根據一實施例之具有兩個部分之說明性非對稱多部分散焦繞射透鏡的截面側視圖，該兩個部分具有低於周圍介質的折射率。 圖6係根據一實施例之說明性影像感測器的截面側視圖，該影像感測器具有形成在各像素之光敏區域上方的多部分繞射透鏡。 圖7A至圖7E係根據一實施例之顯示多部分繞射透鏡的不同形狀之說明性多部分繞射透鏡的俯視圖。 圖8A係根據一實施例之具有兩個堆疊層之說明性多部分聚焦繞射透鏡的截面側視圖，該兩個堆疊層具有高於該周圍介質的折射率。 圖8B係根據一實施例之具有兩個堆疊層之說明性多部分散焦繞射透鏡的截面側視圖，其中該兩個堆疊層具有低於周圍介質的折射率。 圖9A係根據一實施例之具有兩個堆疊層之說明性非對稱多部分聚焦繞射透鏡的截面側視圖，該兩個堆疊層具有大於該周圍介質的折射率。 圖9B係根據一實施例之具有兩個堆疊層之說明性非對稱多部分散焦繞射透鏡的截面側視圖，其中該兩個堆疊層具有低於周圍介質的折射率。
16:影像感測器
46:入射光
62:繞射透鏡
64:部分
66:部分
80:矽基材/基材
82:光敏區域
86:濾色器元件
90:層
92:層
94:層
102:距離

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，其包含複數個成像像素，其中該複數個成像像素之至少一者包含： 一光敏區域；及 一繞射透鏡，其形成於該光敏區域上方，其中該繞射透鏡具有一第一部分及一第二部分，該第一部分具有一第一折射率，該第二部分具有不同於該第一折射率之一第二折射率且其中該繞射透鏡係形成鄰接至具有一第三折射率之一固態材料，該第三折射率不同於該第一折射率及該第二折射率。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該繞射透鏡係一非對稱繞射透鏡。
  3. 如請求項1之影像感測器，其中該繞射透鏡之該第一部分形成多於該繞射透鏡之一半且該繞射透鏡之該第二部分形成少於該繞射透鏡之一半。
  4. 如請求項1之影像感測器，其中該繞射透鏡之該第一部分形成多於該繞射透鏡之一半且該繞射透鏡之該第二部分形成該繞射透鏡之一剩餘部分。
  5. 一種影像感測器，其包含複數個成像像素，其中該複數個成像像素之至少一者包含： 一光敏區域；及 一繞射透鏡，其形成於該光敏區域上方，其中該繞射透鏡具有一第一層及形成於該第一層上方之一第二層，其中該第一層具有一第一寬度，其中該第二層具有不同於該第一寬度之一第二寬度，且其中該第一層及該第二層具有一第一折射率。
  6. 如請求項5之影像感測器，其中該繞射透鏡係一非對稱繞射透鏡。
  7. 如請求項5之影像感測器，其中該第一層具有一第一中心，其中該第二層具有一第二中心，且其中該第二中心相對於該第一中心偏移。
  8. 如請求項5之影像感測器，其中該繞射透鏡係形成於具有一第二折射率之一圍繞材料中，其中該第二折射率不同於該第一折射率。
  9. 一種影像感測器，其包含複數個成像像素，其中該複數個成像像素之至少一者包含： 一基板； 一光敏區域，其在該基板中； 一覆層，其形成於該基板上方；及 一多部分繞射透鏡，其形成在該覆層中，其中該多部分繞射透鏡具有一第一部分及一第二部分，該第一部分具有一第一折射率，該第二部分具有不同於該第一折射率之一第二折射率。
  10. 如請求項9之影像感測器，其中該覆層係一固態覆層。
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