TWI831413B - 超穎透鏡以及影像感測器 - Google Patents

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Abstract

一種超穎透鏡，包括透明基板以及多個透鏡單元。透鏡單元位於透明基板上。每個透鏡單元包括沿著第一方向連續地排列的多個第一柱狀微結構以及沿著第二方向連續地排列的多個第二柱狀微結構。第一柱狀微結構的間距不同於第二柱狀微結構的間距。

Description

超穎透鏡以及影像感測器
本發明是有關於一種超穎透鏡以及影像感測器。
近年，隨著高解析度影像感測技術的發展，各種影像感測器的結構設計與製程技術不斷地被提出。傳統的影像感測模組常會透過大曲率的透鏡來提升光線的聚焦效果。然而，大曲率的透鏡容易產生像差，因此需要額外設置補償透鏡來校正影像的型變，導致影像感測器的整體厚度進一步增厚。另外，傳統透鏡與彩色濾光片(color filter array)具備的光學功能相當有限，使其在系統整合上有著一定的困難度。
本發明提供一種超穎透鏡，可以用於提升影像感測器的光電轉換效率。
本發明提供一種光偵測器，具有光電轉換效率高的優點。
本發明的至少一實施例提供一種超穎透鏡。超穎透鏡包括透明基底以及多個透鏡單元。透鏡單元位於透明基板上。每個 透鏡單元包括沿著第一方向連續地排列的多個第一柱狀微結構以及沿著第二方向連續地排列的多個第二柱狀微結構。第一柱狀微結構的間距不同於第二柱狀微結構的間距。
本發明的至少一實施例提供一種影像感測器。影像感測器包括超穎透鏡以及重疊於超穎透鏡的感光元件基板。
基於上述，由於超穎透鏡的第一柱狀微結構的間距不同於第二柱狀微結構的間距，超穎透鏡可以將不同波長之入射光線聚焦於感光元件基板上的不同位置，因此，可以提升影像感測器的光電轉換效率。
1:影像感測器
10,10A:超穎透鏡
20感光元件基板
30:濾光片
100:透明基底
110:透鏡單元
112:第一柱狀微結構
114:第二柱狀微結構
116:第三柱狀微結構
118:第四柱狀微結構
D1:第一方向
D2:第二方向
D3:第三方向
D4:第四方向
H1:第一高度
H2:第二高度
H3:第三高度
H4:第四高度
L:白光
LR:紅光
LG:綠光
LB:藍光
LT:光線
L1:第一長度
L2:第二長度
L3:第三長度
L4:第四長度
P1:第一間距
P2:第二間距
P3:第三間距
P4:第四間距
PD1,PD2,PD3,PD4:感光元件
PX:畫素單元
θ1:第一夾角
θ2:第二夾角
θ3:第三夾角
θ4:第四夾角
圖1是依照本發明的一實施例的一種影像感測器的剖面示意圖。
圖2A是依照本發明的一實施例的一種超穎透鏡的立體示意圖。
圖2B是圖2A的超穎透鏡的上視示意圖。
圖3是依照本發明的一實施例的一種超穎透鏡在聚焦光線時的剖面示意圖。
圖4是依照本發明的一實施例的一種超穎透鏡的柱狀微結構的旋轉角度與相位調控的模擬數據圖。
圖5是依照本發明的一實施例的一種超穎透鏡的上視示意 圖。
圖1是依照本發明的一實施例的一種光偵測器的剖面示意圖。請參考圖1，影像感測器1包括超穎透鏡10以及重疊於超穎透鏡10的感光元件基板20。在一些實施例中，影像感測器1還包括濾光片30。濾光片30設置於超穎透鏡10的外側，其用於過濾特定波長的光線。舉例來說，濾光片30為紅外線濾光片，且濾光片30用於阻擋紅外光。
超穎透鏡10包括多個透鏡單元110，其中圖1省略繪示透鏡單元110的具體結構，關於透鏡單元110的具體結構將於後續進行說明。超穎透鏡10可藉由次波長結構操控電磁波的波前，透過動態相位以及幾何相位的搭配，能夠將可見光波段的入射光在一微米之內改變方向，藉此將光線引導至其所對應之感光元件。每個透鏡單元110中包括多個柱狀微結構(未繪出)，這些柱狀微結構具有兩種以上的間距、長度、排列方向及/或高度。藉由調整柱狀微結構的間距、長度、排列方向及/或高度，可以將不同波長的光線引導至不同的位置。在一些實施例中，超穎透鏡10的焦距為200微米至400微米。
感光元件基板20包括基板200以及位於基板200上的多個畫素單元PX。每個畫素單元PX重疊於對應的一個透鏡單元110。每個畫素單元PX包括多個感光元件。舉例來說，在本實施 例中，一個畫素單元PX包括感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4。感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4被配置成用於接收相同或不同顏色的光線。舉例來說，感光元件PD1、感光元件PD2以及感光元件PD3分別被配置成用於接收紅光LR、綠光LG以及藍光LB，而感光元件PD4被配置成用接收綠光LG。
在一些實施例中，感光元件基板20中的多個畫素單元PX是以拜爾排列(Bayer pattern)的方式陣列於基板200之上，為了簡單說明，圖1僅繪示出其中一個畫素單元PX。此外，雖然在圖1中，感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4排成一排，但本發明並不限制單個畫素單元PX中感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4的具體排列方式。換句話說，單個畫素單元PX中感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4的排列位置可以依照實際需求而定。此外，感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4的形狀以及面積也可以依照實際需求而定。在一些實施例中，感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4為互補式金屬氧化物半導體(英語：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)感光元件，但本發明不以此為限。感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4也可以為其他類型的感光元件。
在本實施例中，超穎透鏡10中的微結構可以將不同波長 之光線聚焦於感光元件基板20上的不同位置。舉例來說，白光L在穿過超穎透鏡10後被區分成紅光LR、綠光LG以及藍光LB，其中紅光LR被引導至感光元件PD1，綠光LG被引導至感光元件PD2以及感光元件PD4，且藍光LB被引導至感光元件PD3。
基於上述，藉由利用超穎透鏡10取代微透鏡陣列以及彩色濾光片，可以減少影像感測器1的整體厚度。此外，由於超穎透鏡10不像彩色濾光片一樣對光線的吸收率很大，因此，利用超穎透鏡10可以提升影像感測器1的光電轉換效率。
圖2A是依照本發明的一實施例的一種超穎透鏡的立體示意圖。圖2B是圖2A的超穎透鏡的上視示意圖。舉例來說，圖2A與圖2B的超穎透鏡是圖1的超穎透鏡10的其中一種態樣。請參考圖2A與圖2B，超穎透鏡10包括透明基底100以及多個透鏡單元110，其中圖2A與圖2B繪示了超穎透鏡10的其中一個透鏡單元110。透明基板100的材料例如為玻璃、石英、有機材料(例如塑膠材料)或其他合適的材料。
透鏡單元110位於透明基底100上。在一些實施例中，透明基底100的表面包括一層或多層緩衝層，而透鏡單元110形成於前述緩衝層上。
每個透鏡單元110包括沿著第一方向D1連續地排列的多個第一柱狀微結構112、沿著第二方向D2連續地排列的多個第二柱狀微結構114、沿著第三方向D3連續地排列的多個第三柱狀微結構116以及沿著第四方向D4連續地排列的多個第四柱狀微結構 118。在一些實施例中，第一方向D1、第二方向D2、第三方向D3以及第四方向D4彼此相同或不同。
相鄰的第一柱狀微結構112之間具有第一間距P1，相鄰的第二柱狀微結構114之間具有第二間距P2，相鄰的第三柱狀微結構116之間具有第三間距P3，相鄰的第四柱狀微結構118之間具有第四間距P4。在一些實施例中，第一間距P1、第二間距P2、第三間距P3以及第四間距P4彼此相同或不同。
第一柱狀微結構112具有第一高度H1，第二柱狀微結構114具有第二高度H2，第三柱狀微結構116具有第三高度H3，第四柱狀微結構118具有第四高度H4。在一些實施例中，第一高度H1、第二高度H2、第三高度H3以及第四高度H4彼此相同或不同。
請參考圖2B，設定一個虛設y軸以及一個虛設x軸以定義柱狀微結構的中心軸方向。每個第一柱狀微結構112正投影至透明基底100上的形狀為第一矩形，其中第一矩形的中心軸線與虛設x軸之間具有第一夾角θ1。每個第二柱狀微結構114正投影至透明基底100上的形狀為第二矩形，其中第二矩形的中心軸線與虛設x軸之間具有第二夾角θ2。每個第三柱狀微結構116正投影至透明基底100上的形狀為第三矩形，其中第三矩形的中心軸線與虛設x軸之間具有第三夾角θ3。每個第四柱狀微結構118正投影至透明基底100上的形狀為第四矩形，其中第四矩形的中心軸線與虛設x軸之間具有第四夾角θ4。在一些實施例中，第一夾 角θ1、第二夾角θ2、第三夾角θ3以及第四夾角θ4彼此相同或不同。此外，第一矩形、第二矩形、第三矩形以及第四矩形分別具有第一長度L1、第二長度L2、第三長度L3以及第四長度L4。在一些實施例中，第一長度L1、第二長度L2、第三長度L3以及第四長度L4彼此相同或不同。
在一些實施例中，藉由調整不同列的柱狀微結構的排列方向、間距、高度、旋轉角度及/或長度，可以使不同波長的光線分別被引導至不同的位置。舉例來說，在一些實施例中，第一柱狀微結構112的第一間距P1為100奈米，第一高度H1為1微米，且第一夾角θ1為50~70度，藉此使第一柱狀微結構112適用於將綠光折射至對應的感光元件PD2(請參考圖1)；第二柱狀微結構114的第二間距P2為150奈米，第二高度H2為800奈米，且第二夾角θ2為30~50度，藉此使第二柱狀微結構114適用於將紅光折射至對應的感光元件PD1(請參考圖1)；第三柱狀微結構116的第三間距P3為80奈米，第三高度H3為700奈米，且第三夾角03為-10~-30(也等於350~330)度，藉此使第三柱狀微結構116適用於將藍光折射至對應的感光元件PD3(請參考圖1)；第四柱狀微結構118的第四間距P4為150奈米，第四高度H4為1微米，且第四夾角θ4為90~110度，藉此使第四柱狀微結構118適用於將綠光折射至對應的感光元件PD4(請參考圖1)。在前述範例中，第一間距P1、第二間距P2以及第三間距P3彼此不同，且第二間距P2與第四間距P4相等，但本發明不以此為限。在前述範例中， 第一高度H1、第二高度H2以及第三高度H3彼此不同，且第一高度H1與第四高度H4相等，但本發明不以此為限。
在一些實施例中，第一柱狀微結構112、第二柱狀微結構114、第三柱狀微結構116以及第四柱狀微結構118的材料包括砷化鎵(GaN)、二氧化鈦(TiO2)或其他合適的材料。在一些實施例中，透過選用比砷化鎵具有更高折射率之二氧化鈦，可使得超穎透鏡10對於光線之波前的相位調控能力更強，還能減少超穎透鏡10的厚度。此外，二氧化鈦之吸收損耗少，可以使影像感測器1具有較高的光電轉換效率。在一些實施例中，影像感測器1針對457奈米、532奈米、633奈米波長之光線的外部量子效率(external quantum efficiency)分別約為80%、85%以及45%。
在一些實施例中，單一個透鏡單元110中的第一柱狀微結構112、第二柱狀微結構114、第三柱狀微結構116以及第四柱狀微結構118各自的配置方式可以透過有限元素分析法來計算。藉由有限元素分析法可以獲得調控光線相位之最小單元。此外，在搭配動態相位之後，可以在保持透鏡單元110之聚焦效果的前提下大幅減少單一個透鏡單元110中的柱狀微結構所需的重複次數。舉例來說，在本實施例中，單一個透鏡單元110具有四個第一柱狀微結構112、四個第二柱狀微結構114、四個第三柱狀微結構116以及三個第四柱狀微結構118。另外，由於加入了動態相位，超穎透鏡10在相同的面積之內具有更佳的聚焦效果，因而可以得到更小的聚焦光斑。另一方面，由於加入動態相位，可減小超穎 透鏡10的焦距。在數學式1中，DOF為景深，u為物距，N為焦比，c為模糊圓半徑，且f為焦距。由數學式1可得知，景深與焦距的平方成反比。因此，當超穎透鏡10應用在影像感測器1時，具有景深非常長的優點。基於前述，超穎透鏡10可將光線有效的聚焦於感光元件，藉此提高影像感測器1的光電轉換效率。
DOF=2u2Nc/f2 數學式1
圖3是依照本發明的一實施例的一種超穎透鏡在聚焦光線時的剖面示意圖。請參考圖3，超穎透鏡10主要是透過改變不同位置處的光線的相位，使光線的波前出現變形，以達到聚焦之效果。舉例來說，在圖3中，靠近邊緣的光線LT在穿過超穎透鏡10之後，與靠近中心的光線LT相比，光線LT的波前的相位偏移了π(pi=180°)。藉由調控光線LT的波前的相位，可以達到聚焦之效果。
圖4是依照本發明的一實施例的一種超穎透鏡的柱狀微結構的旋轉角度與相位調控的模擬數據圖。在圖4中，橫軸表示柱狀微結構的旋轉角度，也可以說是柱狀微結構透影至透明基底的矩形的中心軸與虛設x軸之間的夾角(例如為圖2B中的第一夾角θ1至第四夾角θ4)；縱軸表示光線的波前的相位調控量，也可以說是波前的相位偏移量。請參考圖4，藉由時域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)進行模擬，透過改變柱狀微結構的旋轉角度可調控光線的波前的相位。具體地說，可以使光線的波前的相位出現0至300度的偏移。換句話說，本發明 能藉由控制柱狀微結構的旋轉角度改變入射光入射至預定區域之角度，藉此達到聚焦的效果。須注意的是，當旋轉角度超過180度時，則光線的波前的相位被調控的量跟前述旋轉角度之共軛角的調控的量相同。舉例來說，柱狀微結構的旋轉角為260度與柱狀微結構的旋轉角為80度(等於260度-180度)具有相同的波前的相位的調控量。
在一些實施例中，透過圖案化的硬罩幕層(例如二氧化矽)以及圖案化的光阻層來定義出具有各種不同旋轉角度的柱狀微結構。具體地說，可以藉由微影製程與蝕刻製程以定義出硬罩幕層以及光阻層的圖案，進而獲得具有不同旋轉角度的柱狀微結構。
圖5是依照本發明的一實施例的一種超穎透鏡的上視示意圖。在此必須說明的是，圖5的實施例沿用圖2A和圖2B的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，在此不贅述。
請參考圖5，在本實施例中，超穎透鏡10A包括沿著第一方向D1連續地排列的多排第一柱狀微結構112、沿著第二方向D2連續地排列的多排第二柱狀微結構114以及沿著第三方向D3連續地排列的多排第三柱狀微結構116。藉由調整不同列的柱狀微結構的排列方向、間距、高度、旋轉角度及/或長度，可以使不同波長的光線分別被引導至不同的位置。在一些實施例中，第一柱 狀微結構112、第二柱狀微結構114以及第三柱狀微結構116分別被配置成將不同波長的光線引導至不同的位置。舉例來說，第一柱狀微結構112被配置成用於將紅光引導至感光元件PD1(請參考圖1)，第二柱狀微結構114被配置成用於將綠光引導至感光元件PD2(請參考圖1)，第三柱狀微結構116被配置成用於將藍光被引導至感光元件PD3(請參考圖1)。
100:透明基底
110:透鏡單元
112:第一柱狀微結構
114:第二柱狀微結構
116:第三柱狀微結構
118:第四柱狀微結構
H1:第一高度
H2:第二高度
H3:第三高度
H4:第四高度

Claims (10)

  1. 一種超穎透鏡，包括：透明基底；以及多個透鏡單元，位於所述透明基底上，其中每個所述透鏡單元包括：多個第一柱狀微結構，以固定的第一間距沿著第一方向連續地排列；多個第二柱狀微結構，以固定的第二間距沿著第二方向連續地排列；以及多個第三柱狀微結構，以固定的第三間距沿著第三方向連續地排列，其中所述第一方向、所述第二方向與所述第三方向中的一者不平行於另外兩者，且所述第一間距、所述第二間距以及所述第三間距彼此不同。
  2. 如請求項1所述的超穎透鏡，其中所述第一柱狀微結構的高度不同於所述第二柱狀微結構的高度。
  3. 如請求項1所述的超穎透鏡，其中每個所述第一柱狀微結構正投影至所述透明基底上的形狀為第一矩形，且每個所述第二柱狀微結構正投影至所述透明基底上的形狀為第二矩形，其中所述第一矩形的長度不同於所述第二矩形的長度。
  4. 如請求項3所述的超穎透鏡，其中以一個虛設x軸為基準，每個所述第一矩形的中心軸線與所述虛設x軸之間具有第一 夾角，每個所述第二矩形的中心軸線與所述虛設x軸之間具有第二夾角，其中所述第一夾角不同於所述第二夾角。
  5. 如請求項1所述的超穎透鏡，其中所述第一方向不同於所述第二方向
  6. 如請求項1所述的超穎透鏡，其中每個所述透鏡單元更包括：多個第四柱狀微結構，以固定的第四間距沿著第四方向連續地排列。
  7. 如請求項6所述的超穎透鏡，其中所述第四間距等於所述第二間距。
  8. 如請求項6所述的超穎透鏡，其中所述第一柱狀微結構的高度等於所述第四柱狀微結構的高度，且所述第一柱狀微結構的高度、所述第二柱狀微結構的高度以及所述第三柱狀微結構的高度彼此不同。
  9. 一種影像感測器，包括：如請求項1至8中任一項所述的超穎透鏡；以及感光元件基板，重疊於所述超穎透鏡。
  10. 如請求項9所述的影像感測器，其中所述感光元件基板包括多個畫素單元，每個畫素單元重疊於對應的一個透鏡單元，其中每個畫素單元包括多個感光元件。
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