CN111800560B - 使用晶圆级集成工艺的光场相机及方法 - Google Patents

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Abstract

相机模块具有光场相机和高分辨率相机，光场相机具有图像传感器上方的多透镜阵列。光场相机具有与高分辨率相机的透镜元件处于同一水平面的透镜元件，透镜元件承载光圈。光场相机的多透镜阵列在图像传感器上方、与高分辨率相机的平坦透明板处于同一水平面。通过接合模塑的透镜板和间隔板来同时制作相机透镜立方体，透镜板和间隔板包括具有上光场相机透镜元件和上高分辨率相机透镜元件且具有应用的光圈的上透镜板、多个间隔板和微透镜板，微透镜板在光场相机中承载微透镜阵列，微透镜板在高分辨率相机的区域中是平坦且透明的。

Description

使用晶圆级集成工艺的光场相机及方法
技术领域
本公开涉及光场相机技术领域，特别涉及使用晶圆级集成工艺的光场相机及方法。
背景技术
光场相机，也称为全光相机，捕获比标准相机所捕获的信息更多的信息。它们可以捕获有关场景中的光强度以及光线在空间中行进的方向的信息。可以对光场相机图像进行处理，以生成像在几个不同的焦距下拍摄的图像，或者以增强图像的焦深，或者以允许选择地减小焦深来使距相机一定距离(不同于期望物体的距离)的物体变得模糊。
一些光场相机100(包括1908年的原始Lippmann设计)在胶片106或图像传感器(现有技术)之前具有微透镜阵列104，如图1所示。聚焦透镜102将来自场景110的光聚焦到微透镜阵列104上并且从那里到达胶片106。透镜102、微透镜阵列104和胶片106或图像传感器被安装在不透明镜筒108中。
发明内容
我们已经将晶圆级图像光学传感器制造技术应用于光场相机的制造。
相机模块具有(一个或多个)光场相机和(一个或多个)高分辨率相机，(一个或多个)光场相机在图像传感器上方具有多透镜阵列。(一个或多个)光场相机具有与高分辨率相机的透镜元件处于同一水平面的透镜元件，透镜元件承载光圈。光场相机的多透镜阵列在图像传感器上方、与高分辨率相机的平坦透明板处于同一水平面。
通过接合模塑的透镜板和间隔板来同时制作相机的透镜立方体。透镜板和间隔板包括具有上光场相机透镜元件和高分辨率相机透镜元件且具有应用的光圈的上透镜板、多个间隔板、在光场相机中承载微透镜阵列的微透镜板。微透镜板是平坦的、透明的且在高分辨率相机的区域中有防反射涂层。
附图说明
图1是传统光场相机的现有技术示意图。
图2和3分别是成对的光场相机和高分辨率相机的镜头和侧视图。
图4是制作光场相机的方法的制造方法的局部流程图。
图5是使用来自光场相机和高分辨率相机的阵列的图像进行图像处理的局部流程图。
具体实施方式
两相机模块被同时形成并且从晶圆级集成光学器件切割而成，该两相机模块具有1×2布局，并且包括光场相机150(图2)、202(图3)和高分辨率传统相机152(图2)、204(图3)的相机对。在可替换实施例中，类似地形成2×2或1×3、4×4、或3×3相机模块，具有各种数量的高分辨率相机和光场相机；例如具有4个相机的2×2矩形模块可以具有2个光场相机和2个高分辨率相机、或者1个光场相机和3个高分辨率相机。具有相关联的纳米透镜的集成图像传感器206位于光场相机202的适当像平面处。第二图像传感器阵列208在高分辨率传统相机204的焦平面处与之并排放置。光场相机202和传统相机204由黑光吸收材料210隔开。同时形成的光场透镜立方体212和高分辨率透镜立方体214被应用在图像传感器阵列206、208的顶部上。
形成透镜立方体212、214的矩形阵列，其中阵列的每个立方体通过叠加一系列模塑板而同时形成，每个模塑板承载透镜、间隔件或类似结构的阵列。这些透镜和间隔板被接合或附接在一起以形成透镜立方体。
参考图3和图4，形成300光场相机和高分辨率相机开始于制造302集成图像传感器的晶圆，该晶圆具有与图像传感器的每个光电二极管相关联的集成纳米透镜。这通过使用CMOS图像传感器领域中已知的标准图像传感器制造工艺来执行。
透镜立方体212、214被形成304为透镜立方体的晶圆。形成304透镜立方体开始于模塑306上透镜板220，上透镜板220具有用于每个相机对的上光场相机透镜元件222和上高分辨率相机透镜元件224。上光场相机透镜元件222和上高分辨率相机透镜元件224可以但不必具有相同的曲率、透镜厚度或形状。在特定实施例中，上透镜板220的上高分辨率相机透镜元件包括多于一个焦距的上高分辨率相机透镜元件，使得高分辨率相机可以形成为具有选自近焦、远焦和中焦的多于一个聚焦范围。
接下来，在上透镜板200上沉积一层不透明光圈材料226，诸如铬金属化层或黑色光刻胶，并且在不透明光圈材料226中形成上光场光圈开口228和上高分辨率相机光圈开口230。接下来，形成间隔板232并且将间隔板232附接310到上透镜板的底部。在特定实施例中，上光场光圈开口228和上高分辨率光圈开口230具有不同的直径。
通过在透明板233上沉积312不透明材料层235，并且分别掩盖和蚀刻用于光场相机和高光分辨率相机的光圈开口234、236，从平坦的、防反射涂敷的透明板233形成光圈板。在实施例中，用于光场相机和高分辨率相机的光圈尺寸可以不同。在特定实施例中，不透明材料是铬或黑色光刻胶。在可替换实施例中，使用中心模塑的透镜板代替平板233，当相机完成时，形成用于光场相机和高分辨率相机中的每个的三元件透镜，而不是两元件透镜。然后将形成的光圈板233附接到间隔板232的底部。
形成第二间隔板238，并且将第二间隔板238附接314到光圈板的底部。
第二透镜板240被与光场相机下透镜元件242和高分辨率相机元件244一起模塑316，并且不透明黑色材料层245被沉积在其上并且被遮盖以形成第三对光圈246、248。然后将第二透镜板240附接318到第二间隔板238的底部。
形成第三间隔板250，并且将第三间隔板250附接320到第二透镜板240的底部。
模塑微透镜板252，微透镜板252在光场相机202的光路区域中承载多个微透镜254的阵列。微透镜板是平坦的、透明的且用防反射涂层处理，其中微透镜板用作高分辨率相机204的区域256中的透明平板。微透镜板252的透明平坦部分形成对应于微透镜板252的位于光场相机204的透镜元件242下方的微透镜承载部分、并且与之处于同一水平面的透明板。
形成第四间隔板260，并且将第四间隔板260附接326到微透镜板252的底部。
接下来，用可溶胶将组装的透镜立方体附接到载体晶圆(未示出)，并且在各个透镜***之间切开332沟槽，各个透镜***诸如由上光场相机镜头元件222、下光场透镜元件242、微透镜阵列板252以及周围间隔件形成的透镜***，以及包括上高分辨率透镜元件224和下高分辨率透镜元件244以及周围间隔件的高分辨率相机的透镜***。然后用黑色光刻胶或黑色相机间遮光罩265填充这些沟槽。
然后，通过锯成多个2×1模块化透镜立方体来将透镜立方体的晶圆切成小块，其各自具有一个具有上光场透镜元件222、下光场透镜元件242和微透镜阵列板252的光场透镜立方体以及一个具有上高分辨率透镜元件224和下高分辨率透镜元件244的高分辨率透镜立方体。在可替换实施例中，将透镜立方体晶圆切成多个2×2模块化透镜立方体，其各自具有两个光场透镜立方体以及两个高分辨率透镜立方体。在又一可替换实施例中，将透镜立方体的晶圆切成多个3×2阵列，其各自具有三个光场透镜立方体和三个高分辨率透镜立方体，或者多个4×4阵列，其各自具有四个光场透镜立方体和四个高分辨率透镜立方体。
在2×2阵列中，上高分辨率透镜元件224和下高分辨率透镜元件244的曲率可能不同，使得2×2阵列的一个高分辨率透镜立方体被优化用于近距离聚焦，而使得2×2阵列的另一个高分辨率透镜立方体被优化用于远距离聚焦。类似地，上光场透镜元件的曲率和下光场透镜元件的曲率可以在2×2阵列的一个光场透镜立方体中可以被配置和/或被优化用于低放大倍率，而2×2阵列的一个光场透镜立方体可以被配置和/或被优化用于高放大倍率。类似地，3×2和4×4阵列可以包括被配置和/或优化用于低放大倍率和高放大倍率两者以及近焦、远焦和中焦的透镜立方体。
如在彩色相机领域中已知的，1×2、2×2、3×2或4×2阵列的任何或所有相机可以具有滤色器层，其中红色、绿色和蓝色滤色器的图案被应用在图像传感器的光电传感器上方。在特定实施例中，阵列中的一个或多个相机的滤色器包括红色、绿色、蓝色和红外通过滤色器的矩形图案，红外通过滤色器是使850纳米波长、940纳米波长或两者的红外光通过的近红外通过滤色器。
然后，将切成小块的透镜立方体阵列附接330到集成图像传感器阵列206、208，并且封装336在球栅阵列相机封装件270中。然后，将组装的相机封装件耦合到微型电子相机领域中已知的图像处理器。
在特定实施例中，本文描述的1×2图像传感器阵列位于内窥镜中，并且被配置用于观察诸如人类的哺乳动物的内部结构。
因为它们在同一板上同时形成，所以光场透镜立方体的上光场透镜元件222和高分辨率透镜立方体的上高分辨率透镜元件224共面、并与下光场透镜元件242和下高分辨率透镜元件244相隔相同距离，而且下光场透镜元件242和下高分辨率透镜元件244共面、并与图像传感器相隔相同第二距离。此外，光场透镜立方体的光场相机微透镜板252在高分辨率镜立方体中具有相应的平板。
在这些实施例中，上光场透镜元件222、上高分辨率透镜元件224、下光场透镜元件242和下高分辨率透镜元件244都相对于图像传感器固定在适当的位置，从而为每个光场相机和高分辨率相机提供固定焦距。尽管光路是固定长度的，没有可调焦距，但是使用光场相机捕获的图像的图像处理可以克服该固定焦距，以在软件中提供可调焦距的图像。
在特定实施例中，光场相机和高分辨率相机具有相同的图像传感器。
在实施例500中，使用2×2或更大的相机阵列(诸如2×3或2×4相机阵列)，由该相机阵列记录502两个或更多个高分辨率相机图像，并且由该相机阵列记录至少一个光场图像，而在一些实施例中，每次执行成像时，由相机阵列记录504两个或更多个光场图像。在具有近焦、中焦和远焦的高分辨率相机的实施例中，在期望对象的平面处具有最佳聚焦的高分辨率相机图像中的一个被选择506用于进一步处理。在具有多于一个的光场相机的特定实施例中，还根据最佳聚焦来选择508光场图像；在阵列中具有单个光场相机的实施例中，默认选择来自该相机的图像。
所选择的高分辨率图像具有比低分辨率的光场图像更高的图像分辨率。然后根据从美国专利申请20140334745的方法得出的方法处理所选择的光场图像和所选择的高分辨率相机图像，以提供更高分辨率的光场图像。
在通过插值510或“上采样”选择最合适的高分辨率相机图像之后继续该方法，以提供具有对应于所选择的高分辨率相机图像的分辨率的像素阵列的光场图像。然后使用光场相机领域中已知的技术，执行投影操作520，以将光场图像投影为在所选择的高分辨率相机图像的像平面处具有焦点的低分辨率二维图像507。
然后，将低分辨率二维图像与所选择的高分辨率相机图像一起使用以计算约束505。约束505是将低分辨率光场图像的二维投影507映射到所选择的高分辨率图像501的一组因子。例如，约束505可以包括用于高分辨率图像501的每个像素的系数。实施例的用于每个像素的系数是当与低分辨率图像的二维投影507中的数据点相乘时提供所选择的高分辨率图像501中的相应像素值的值。
一旦已经确定了约束505，则它们被应用530于原始低分辨率光场图像，以提供高分辨率、合成的四维“光场”图像，其具有比原始所选择的光场图像503增强的分辨率。
在可替换实施例中，代替选择在最佳焦点示出期望对象的最佳高分辨率相机图像，从所有高分辨率相机图像中得出约束，并应用约束以给出单个高分辨率四维图像。
在没有脱离其范围的情况下，可以对上面的方法和***进行改变。因此应注意的是，包含在上面描述中或示出在附图中的内容应解释为说明性的，而不是限制性的。所附权利要求书旨在覆盖本文描述的所有通用且特定的特征，以及本方法和***的范围的所有陈述，就语言而言，可以认为其介于两者之间。还可以预期的是，可以以与示出的顺序不同的顺序来执行方法的步骤，并且仍然在权利要求书的含义内。

Claims (10)

1.一种相机模块，包括至少一个光场相机和至少一个高分辨率相机，
至少一个光场相机具有位于光场相机图像传感器上方的多透镜阵列；
其中，光场相机至少包括第一透镜元件，第一透镜元件在光场相机图像传感器上方、与高分辨率相机图像传感器上方的高分辨率相机的第一透镜元件处于同一水平面；
光场相机的第一透镜元件和高分辨率相机的第一透镜元件具有沉积在其上的不透明光圈材料，不透明光圈材料具有形成在其中的光圈开口；以及
光场相机的多透镜阵列在光场相机图像传感器上方的第二距离处、与高分辨率相机的平坦透明板处于同一水平面。
2.根据权利要求1所述的相机模块，其中，光场相机还包括第二透镜元件，光场相机的第二透镜元件在光场相机图像传感器上方的第三距离处、与高分辨率相机图像传感器上方的高分辨率相机的第二透镜元件处于同一水平面。
3.根据权利要求1所述的相机模块，其中，光场相机和高分辨率相机被封装在同一球栅阵列封装件中。
4.根据权利要求1所述的相机模块，其中，沉积在光场相机的第一透镜元件上的不透明光圈材料的光圈开口具有与沉积在高分辨率相机的第一透镜元件上的不透明光圈材料的光圈开口不同的尺寸。
5.根据权利要求1所述的相机模块，其中，相机模块中有四个相机。
6.根据权利要求5所述的相机模块，其中，相机模块包括具有第一焦距的第一高分辨率相机和具有第二焦距的第二高分辨率相机。
7.一种形成包括至少一个光场相机和至少一个高分辨率相机的相机模块的方法，包括：
通过接合模塑的透镜板和间隔板同时形成矩形阵列的光场相机和高分辨率相机透镜立方体，透镜板和间隔板包括：
具有上光场相机透镜元件和上高分辨率相机透镜元件的上透镜板；
不透明光圈材料层，不透明光圈材料选自金属和/或黑色光刻胶，不透明光圈材料层被沉积在上透镜板上，其中上光场相机光圈开口和上高分辨率相机光圈开口形成在不透明光圈材料中；
第一间隔板，被设置为邻近上透镜板的底部；
微透镜板，在至少一个光场相机的区域中承载多个微透镜的阵列，微透镜板是平坦的、透明的、且在至少一个高分辨率相机的区域中用防反射涂层处理；以及
第二间隔板，被附接到微透镜板的底部；以及
至少将形成在透镜立方体的矩形阵列中的至少一个光场相机透镜立方体和至少一个高分辨率相机透镜立方体与附接到同一集成电路封装件的图像传感器接合。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，透镜板和间隔板还包括：
透明光圈板，附接到所述第一间隔板的底部，具有沉积在其上的不透明材料层，不透明材料层具有用于至少一个光场相机和至少一个高分辨率相机的光圈开口，其中不透明材料选自铬或黑色光刻胶，以及
第三间隔板，被附接到所述透明光圈板的底部。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，透镜板和间隔板还包括：
第二透镜板，在其上形成有下光场相机透镜元件和下高分辨率相机透镜元件，以及
第四间隔板，被附接到第二透镜板的底部。
10.如权利要求9所述的方法，还包括在相机之间切割沟槽并且用不透明材料填充沟槽。
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