CN1484863A - 采用集成电路技术的光敏传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光敏传感器，尤其是用CMOS集成电路技术制成的光敏传感器。传感器(40)包括一基片(42)，所述基片具有形成接受光射线(r1、r2、r3、r4、r5、r6)的感光表面的一像素阵列(16、44)，并且所述基片在光射线的通路中包括具有一记录好的全息图的一全息层，所述全息层具有相应于空间扩散功能的相反的光学功能，以使以扩散的倾斜入射角到达该层的光射线靠近感光表面的法线。本发明可应用于低成本的数码照相机、光学传感器。

Description

采用集成电路技术的光敏传感器

技术领域

本发明涉及光敏传感器，尤其是采用CMOS(互补金属氧化物半导体)集成电路技术、包括小感光像素的电子图像传感器。

背景技术

在电子照相机中，用电子图像传感器来替代传统相机中的感光胶卷。包括一感光表面的这种类型的传感器用于低成本成像(例如用于数码照相机中)、大批量生产的数字照相设备或光学传感器中。在用于照相机的实施例中，传感器的感光表面例如可能是用一480行、每行640感光像素的结构构成的。每一像素提供一电子信号，该电子信号为其所接受到的光强度水平的函数。用来处理这些信号的电子装置产生与在传感器的感光表面上所投射的真实光图像相应的电子信号。

图1示出了使用CMOS类型的一种图像传感器12的电子照相机10的简化的实施例，该图像传感器12包括像素16的感光表面14。

该电子照相机包括一***，该***包括一透镜18和将从照相机所瞄准的图像发出的光线聚焦到电子传感器12的感光表面14上的一光圈20，且由于使其紧凑方面的原因，该***不是焦阑的。靠近该光学***的光轴ZZ′的光射线r1的入射角大致垂直于传感器的感光表面14，而光射线r2、r3则偏离所述光轴ZZ′地到达传感器的边缘，并与该感光表面14的法线成某一入射角α。

制成图像传感器装置所需要的基片有许多层，这意味着图像传感器12的诸像素16作用就像光的井孔。像素的感光区22位于每一个这些井孔的底部。将光线正确地聚焦到像素的感光区域上是必需的，一方面这是为了获得较高的像素效率，另一方面是为了部分地重现到达像素周围的未使用的光线。为此，现有的图像传感器包括一微透镜阵列，阵列中的每一微透镜与一相应的像素相关，并将入射光线聚焦在一像素和像素的周围、且在该像素的感光区22上。

图2是图1所示图像传感器12的详细图，该图像传感器12包括一微透镜阵列30，每一像素有一微透镜32。微透镜32的目的是将到达像素16处的光线聚焦到位于像素底部中的感光区22上。目前，最小的像素的尺寸，宽度L约为5至10微米且像素的厚度H也相近，是所能生产的微透镜的极限尺寸。

这样的微透镜阵列30在光轴ZZ′附近的一区域中可以获得较高的图像传感器效率，但随着朝传感器的周界远离该光轴，这个效率就降低。实际上(如图2所示)，靠近光轴ZZ′并实际上平行于该光轴的光射线r1正确地聚焦在像素的感光部分22上，而偏离传感器12的中心的光射线r2、r3的入射角相对传感器表面的法线成一入射角α。光射线的入射角α越大，相关的像素就都偏离光轴ZZ′越远，光射线r2、r3的聚焦区域逐渐向像素的边缘移动。在传感器的周界处，光射线不再聚焦在像素的感光区22上，而是聚焦在像素井孔的边缘上，这些边缘对像素所接受到的同样的光强度提供较小的电荷。

现有技术的传感器的另一个明显的缺点在于，偏离光轴入射并倾斜地到达感光表面上的光射线r2、r3可能会到达相邻像素的感光区，这会导致在该相邻像素上由于非其所要的光射线所产生的附加调制或串扰。事实上，光学传感器的像素不具有不透明的光学侧面分隔物，侧壁相对是透明的，倾斜的光射线可以扫到相邻的像素。

发明内容

为了消除现有技术的光敏传感器的缺点，本发明提供一种光敏传感器，尤其是用CMOS技术制成的光敏传感器，它包括一基片，所述基片具有形成接受光射线的一感光表面的一像素阵列，所述光敏传感器的特点在于，它在光射线的路径中包括具有一记录好的全息图的一全息层，所述全息层具有对应于空间扩散功能的相反的光学功能，以使以扩散的倾斜入射角到达该层的光射线靠近感光表面的法线。

在一更为复杂的型式中，使到达像素周围的表面上的入射光射线靠近感光表面法线的功能使入射光射线向像素集中。

本发明还涉及一种制作光敏传感器、尤其是采用CMOS技术制成的光敏传感器的方法，所述光敏传感器包括一基片，所述基片具有形成接受光射线的一感光表面的一像素阵列，所述方法的特点在于，具有一记录好的全息图的一全息层沉积在光射线通路中的传感器表面上，所述全息层具有对应于空间扩散功能的相反的光学功能，以使以扩散的倾斜入射角到达该层的光射线靠近感光表面的法线。

在根据本发明的图像传感器的第一实施例中，在传感器的表面上产生支承全息图的全息层，然后在传感器的整体的全息层上记录全息图。

在本发明的图像传感器的另一实施例中，全息层包括分开制作的全息图，然后将该全息层贴附在光敏传感器的基片上。

例如由对光线透明的基片支承的全息层包括一记录在其体积内的全息图案。所记录的全息图案产生所要求的光学功能。全息层可以形成在聚碳酸酯或聚脂薄膜上、在玻璃板上或者在任何其它以透射模式工作的全息支承件上。

附图简述

借助于根据本发明的光敏传感器的示范性实施例并参照附图，将能更好地理解本发明。这些附图中：

图1和2示出了已经描述的现有技术的图像传感器；

图3示出了根据本发明的图像传感器，它包括了在传感器上的全息层；

图4a示出了在全息层厚度中的全息记录；

图4b示出了在全息层上的一凹凸的全息记录；

图5示出了图3所示图像传感器的第一变化的实施例；

图6示出了根据本发明的图像传感器的另一实施例。

具体实施方式

图3示出了根据本发明的电子图像传感器40的第一实施例，该实施例例如可用于一电子照相机中。图像传感器主要包括一基片42和一全息层48，基片42具有使用CMOS技术制成、并形成有一感光表面42的一像素阵列44，全息层48沉积在基片42上并产生所要的光学功能。

生产根据本发明的图像传感器的方法至少包括下述步骤：

—在基片42上形成像素阵列44，像素阵列44使用CMOS技术制成并形成有感光表面；

—在基片上沉积全息层48；

—在全息层48中记录一全息图，该全息图具有使以扩散的倾斜入射角到达该层表面的光射线靠近全息层表面法线的光学功能。

全息层48包括一产生所要光学功能的全息干涉图案。这样的、具有设计成使以扩散的倾斜入射角到达该层的光射线r1、r2、r3靠近全息层48表面法线的光学功能的全息图，例如可以这样来获得：通过在全息层的厚度中形成两相干光波之间的一系列干涉的全息图案来产生，每一干涉由例如从全息层一侧且相对该层成一预定角度地到达的一第一光波与从全息层的另一侧、相对于全息层表面成一干涉角度地到达且该干涉角度会对每一干涉变化的一第二光波的干涉，这个干涉角的变化扫过了所要使其靠近该层表面法线的扩散的倾斜入射光波的立体角。

在图3的实施例中，来自照相机光学***的光射线r1、r2、r3相对于图像传感器表面法线成一倾斜入射角地到达，该倾斜入射角作为光射线在传感器的感光表面上的所到达的位置的函数而变化。在穿越全息层时，使光射线r1、r2、r3靠近传感器的感光表面的法线。特别是，通过全息层48的光学作用，使到达位于靠近传感器边缘处、且相对传感器法线具有最大的倾斜度的光射线靠近法线。

这致使光射线r1、r2、r3靠近传感器法线的效果使位于靠近传感器边缘的像素的照度明显地增加，且这些像素中的效率也得到改善。在由使光射线靠近传感器法线的诸优点中，值得注意的是：

—无论是在传感器感光表面的哪一给定位置，传感器的灵敏度都是均匀的；

—像素间的串扰减轻，尤其是在传感器的边缘处，且实质性地上减少了用于相邻像素的光射线所产生的附加照度。

全息图可以记录在感光全息层的体积之内。图4a示出了这样一个在根据本发明的图像传感器的全息层48的厚度中的全息图案记录。为此，感光层54暴露于两相干光波V1和V2之下，这两相干光波V1和V2在感光层54中产生一干涉图案。全息图案58产生所要的光学功能。

全息图可以其它已知的方式来记录在全息层中，即：

—通过在一热塑层上凹凸地印制全息图案。图4b示出了这种方式的记录，其中，通过借助于硬质材料制成且包括与所要印制的图案互补的凹凸图案的模具，对紧固在一支承件56上热塑层62的表面进行加压，来压印出一凹凸的全息图案60。支承件56也可以是电子图像传感器的基片42，

—或者，将光刻胶层暴露于辐射之下来产生全息干涉图案。然后将该光刻胶层显影，以获得在全息层表面上的凹凸图案。

相对于利用向像素的感光区导向光射线的效应的现有技术传感器，根据本发明的图3所示图像传感器的实施例在性能方面有明显的改善，尤其是在传感器所产生的电子信号的信噪比方面的改善。

图5示出了图3所示图像传感器的一变化的实施例，它提供在像素效率方面更多的改善。在该变化形式中，全息层除了具有使光射线朝向像素的感光区域地更靠近传感器的法线的作用之外，还包括其它的作用，即将光射线向像素的感光区域22集中。之所以这样能进一步改善像素的效率，是因为在图3所示的实施例中，照亮像素感光区周围部分的光射线r4、r5、r6不会产生对生成代表图像的电子信号有用的电荷。

在这个变化形式中，一图像传感器70包括用CMOS技术制成并且形成有感光表面的基片42和在基片42上的一全息层74，全息层的光学集中功能起作用，以使到达像素周围的表面上的入射光射线向像素集中。

图6示出了根据本发明的光敏传感器80的另一个实施例，它包括具有前述实施例的各层的全息图的记录的一全息层82。在图6所示的实施例中，全息层包括单独制作、然后附着到光敏传感器的基片42上的全息图。

根据图6所示的实施例，根据本发明的光敏传感器80至少包括下述的制造步骤：

—使用CMOS技术并形成感光表面来在基片42上制成像素阵列44；

—在一对光线透明的支承件86上形成全息层82；

—根据已知技术，通过热成形或照相显示，在支承全息图的层中记录全息图；

—将包括全息层的支承件86沉积在光射线的通路中的基片的表面上。

至于图3和5所示实施例的传感器，在图6所示的变化形式中，利用全息层，到达像素周围的表面上的光射线r4、r5、r6可以向像素的感光区集中。

全息干涉图案是将两相干光波结合在感光层中的结果，第一入射光波直接来自干涉光源，第二入射光波来自同一光源，但照亮的是要记录其对应的所要光学功能的全息图的目标物。这是通过自然的手段来进行记录的。

全息图可以是人工合成型的。在这样的情况中，可以通过计算机计算来制成干涉图案，这样做的优点是能够产生使用自然手段的记录无法获得的全息图案。使用人工合成的全息图，是为了产生频率过滤或显示过滤的光学功能，或者用来产生光学元件。全息图案还可以通过组合自然全息图和人工合成全息图来进行记录。

记录在根据本发明的图像传感器的全息层中的全息图使得灵活和方便地获得光学传感器所需的各种光学功能成为可能。然而，全息图还提供了其它的可能性，如彩色照相机的色彩过滤。为此，全息层除了具有所述实施例的光学功能之外，还包括过滤光学三基色：红色、绿色及蓝色的光学过滤功能。

在用于照相机或视频摄像机的图像传感器中，人们在寻求产生相应于来自所要显示的目标物的可视光线的电信号的方法。因此，不希望不可视光线照亮传感器的像素。为此，在根据本发明的图像传感器的一第三实施例中，全息层包括一具有过滤对照相机无用的红外射线的光学功能的全息图。

根据本发明的传感器的应用不局限于照相机的图像传感器。在某些类型的光学传感器中，光线经由光纤传输到感光像素，并且该光纤的输出端位于与该像素的相对处。光纤通过在光纤的壁上反射来在光纤中运动。在光纤的端部处所发出的光线与像素的感光区法线成一非零的角度。如在本发明中所述的全息层可使从光纤发出的光线靠近该像素感光区的法线，并具有上面所述的优点。

Claims (16)

1.一种光敏传感器，尤其是用CMOS技术制成的光敏传感器，它包括一基片，所述基片具有形成接受光射线(r1、r2、r3、r4、r5、r6)的一感光表面的一像素阵列(16、44)，其特征在于，它在光射线的通路中包括具有一记录好的全息图的一全息层，所述全息层具有对应于空间扩散功能的相反的光学功能，以使以扩散的倾斜入射角到达该层的光射线靠近感光表面的法线。

2.如权利要求1所述的光敏传感器，其特征在于，使到达像素周围的表面上的入射光射线靠近感光表面法线的功能使入射光射线向像素(44)集中。

3.如权利要求1或2所述的光敏传感器，其特征在于，全息层具有彩色照相机的光学过滤三基色：红色、绿色及蓝色的光学过滤功能。

4.如权利要求1至3中任一项所述的光敏传感器，其特征在于，全息层包括产生过滤红外射线的光学功能的一全息图。

5.一种制作光敏传感器、尤其是用CMOS技术制成的光敏传感器的方法，所述光敏传感器包括一基片(42)，所述基片具有形成接受光射线(r1、r2、r3、r4、r5、r6)的感光表面的一像素阵列(44)，其特征在于，具有一记录好的全息图的一全息层(48、74、82)沉积在光射线路径中的传感器表面上，所述全息层具有相应于空间扩散功能的相反的光学功能，以使以扩散的倾斜入射角到达该层的光射线靠近感光表面的法线。

6.如权利要求5所述的制作光敏传感器的方法，其特征在于，通过在全息层(48、74、82)的厚度中产生两相干光波之间的一系列干涉的全息图案来获得被记录的全息图，每一干涉通过从全息层一侧且相对于全息层成一预定角度地到达的第一光波与从全息层的另一侧、相对于全息层表面成一干涉角度地到达且该干涉角度会对每一干涉变化的第二光波的干涉来形成，这个干涉角的变化扫过了所要使其靠近该层表面法线的扩散的倾斜入射光波的立体角。

7.如权利要求5或6所述的制作光敏传感器的方法，其特征在于，全息层(82)包括分开制作的全息图，然后将该全息层附着在光敏传感器的基片(42)上。

8.如权利要求5至7中任一项所述的制作光敏传感器的方法，其特征在于，全息层(48、74)可以形成在一聚碳酸酯或聚脂薄膜上、在一玻璃板上或者在任何其它以透射模式工作的全息支承件上。

9.如权利要求5或6所述的制作光敏传感器的方法，其特征在于，在图像传感器的表面上沉积一支承全息图的全息层(48)，然后在传感器的整体的全息层上制成全息图。

10.如权利要求9所述的制作光敏传感器的方法，其特征在于，在制造包括多个光敏传感器的硅片时将支承全息图的一全息层(48)沉积在传感器的基片(42)上。

11.如权利要求10所述的制作光敏传感器的方法，其特征在于，全息层(62、82)是一热塑层，全息图通过热成形来进行记录。

12.如权利要求10所述的制作光敏传感器的方法，其特征在于，全息层是一感光明胶制成的层，全息图通过照相显示来进行记录。

13.如权利要求5至9中任一项所述的制造光敏传感器的方法，其特征在于，通过借助于硬质材料制成且包括与所要印制的图案互补的凹凸图案的模具，在紧固在一支承件(50、56)上一热塑层上印制出凹凸的全息图案，来将全息图记录在全息层(48、74、82)中。

14.如权利要求5至9中任一项所述的制造光敏传感器的方法，其特征在于，通过将一光刻胶层暴露于产生全息干涉图案的辐射之下、然后将该光刻胶层显影以获得在全息层表面上的一凹凸图案(60)来将全息图记录在全息层(62、82)中。

15.如权利要求5至13中任一项所述的制造光敏传感器的方法，其特征在于，全息干涉图案是在一全息层(48、58、74、82)中组合两相干光波(V1、V2)的结果，第一入射光波直接来自干涉光源，第二入射光波来自同一光源，但照亮的是要记录其对应于所要光学功能的全息图的目标物。

16.如权利要求5至13中任一项所述的制造光敏传感器的方法，其特征在于，全息图可以是人工合成的类型，通过计算机计算来产生全息干涉图案。

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