超颖透镜以及图像传感器

技术领域

本发明涉及一种超颖透镜以及图像传感器。

背景技术

近年，随着高解析度图像感测技术的发展，各种图像传感器的结构设计与工艺技术不断地被提出。传统的图像感测模块常会通过大曲率的透镜来提升光线的聚焦效果。然而，大曲率的透镜容易产生像差，因此需要额外设置补偿透镜来校正图像的型变，导致图像传感器的整体厚度进一步增厚。另外，传统透镜与彩色滤光片(color filter array)具备的光学功能相当有限，使其在系统整合上有着一定的困难度。

发明内容

本发明提供一种超颖透镜，可以用于提升图像传感器的光电转换效率。

本发明提供一种光侦测器，具有光电转换效率高的优点。

本发明的至少一实施例提供一种超颖透镜。超颖透镜包括透明衬底以及多个透镜单元。透镜单元位于透明衬底上。每个透镜单元包括沿着第一方向连续地排列的多个第一柱状微结构以及沿着第二方向连续地排列的多个第二柱状微结构。第一柱状微结构的间距不同于第二柱状微结构的间距。

本发明的至少一实施例提供一种图像传感器。图像传感器包括超颖透镜以及重叠于超颖透镜的感光元件基板。

基于上述，由于超颖透镜的第一柱状微结构的间距不同于第二柱状微结构的间距，超颖透镜可以将不同波长的入射光线聚焦于感光元件基板上的不同位置，因此，可以提升图像传感器的光电转换效率。

附图说明

图1是依照本发明的一实施例的一种图像传感器的剖面示意图；

图2A是依照本发明的一实施例的一种超颖透镜的立体示意图；

图2B是图2A的超颖透镜的上视示意图；

图3是依照本发明的一实施例的一种超颖透镜在聚焦光线时的剖面示意图；

图4是依照本发明的一实施例的一种超颖透镜的柱状微结构的旋转角度与相位调控的模拟数据图；

图5是依照本发明的一实施例的一种超颖透镜的上视示意图。

附图标记说明

1:图像传感器；

10,10A:超颖透镜；

20:感光元件基板；

30:滤光片；

100:透明衬底；

110:透镜单元；

112:第一柱状微结构；

114:第二柱状微结构；

116:第三柱状微结构；

118:第四柱状微结构；

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:红光；

LG:绿光；

LB:蓝光；

LT:光线；

L1:第一长度；

L2:第二长度；

L3:第三长度；

L4:第四长度；

P1:第一间距；

P2:第二间距；

P3:第三间距；

P4:第四间距；

PD1,PD2,PD3,PD4:感光元件；

PX:像素单元；

θ1:第一夹角；

θ2:第二夹角；

θ3:第三夹角；

θ4:第四夹角。

具体实施方式

图1是依照本发明的一实施例的一种光侦测器的剖面示意图。请参考图1，图像传感器1包括超颖透镜10以及重叠于超颖透镜10的感光元件基板20。在一些实施例中，图像传感器1还包括滤光片30。滤光片30设置于超颖透镜10的外侧，其用于过滤特定波长的光线。举例来说，滤光片30为红外线滤光片，且滤光片30用于阻挡红外光。

超颖透镜10包括多个透镜单元110，其中图1省略示出透镜单元110的具体结构，关于透镜单元110的具体结构将于后续进行说明。超颖透镜10可通过次波长结构操控电磁波的波前，通过动态相位以及几何相位的搭配，能够将可见光波段的入射光在一微米之内改变方向，由此将光线引导至其所对应的感光元件。每个透镜单元110中包括多个柱状微结构(未绘出)，这些柱状微结构具有两种以上的间距、长度、排列方向和/或高度。通过调整柱状微结构的间距、长度、排列方向和/或高度，可以将不同波长的光线引导至不同的位置。在一些实施例中，超颖透镜10的焦距为200微米至400微米。

感光元件基板20包括衬底200以及位于衬底200上的多个像素单元PX。每个像素单元PX重叠于对应的一个透镜单元110。每个像素单元PX包括多个感光元件。举例来说，在本实施例中，一个像素单元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被配置成用于接收相同或不同颜色的光线。举例来说，感光元件PD1、感光元件PD2以及感光元件PD3分别被配置成用于接收红光LR、绿光LG以及蓝光LB，而感光元件PD4被配置成用接收绿光LG。

在一些实施例中，感光元件基板20中的多个像素单元PX是以拜尔排列(Bayerpattern)的方式阵列于衬底200之上，为了简单说明，图1仅示出其中一个像素单元PX。此外，虽然在图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，但本发明并不限制单个像素单元PX中感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4的具体排列方式。换句话说，单个像素单元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实际需求而定。此外，感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4的形状以及面积也可以依照实际需求而定。在一些实施例中，感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4为互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)感光元件，但本发明不以此为限。感光元件PD1、感光元件PD2、感光元件PD3以及感光元件PD4也可以为其他类型的感光元件。

在本实施例中，超颖透镜10中的微结构可以将不同波长的光线聚焦于感光元件基板20上的不同位置。举例来说，白光L在穿过超颖透镜10后被区分成红光LR、绿光LG以及蓝光LB，其中红光LR被引导至感光元件PD1，绿光LG被引导至感光元件PD2以及感光元件PD4，且蓝光LB被引导至感光元件PD3。

基于上述，通过利用超颖透镜10取代微透镜阵列以及彩色滤光片，可以减少图像传感器1的整体厚度。此外，由于超颖透镜10不像彩色滤光片一样对光线的吸收率很大，因此，利用超颖透镜10可以提升图像传感器1的光电转换效率。

图2A是依照本发明的一实施例的一种超颖透镜的立体示意图。图2B是图2A的超颖透镜的上视示意图。举例来说，图2A与图2B的超颖透镜是图1的超颖透镜10的其中一种态样。请参考图2A与图2B，超颖透镜10包括透明衬底100以及多个透镜单元110，其中图2A与图2B示出了超颖透镜10的其中一个透镜单元110。透明衬底100的材料例如为玻璃、石英、有机材料(例如塑料)或其他合适的材料。

透镜单元110位于透明衬底100上。在一些实施例中，透明衬底100的表面包括一层或多层缓冲层，而透镜单元110形成于前述缓冲层上。

每个透镜单元110包括沿着第一方向D1连续地排列的多个第一柱状微结构112、沿着第二方向D2连续地排列的多个第二柱状微结构114、沿着第三方向D3连续地排列的多个第三柱状微结构116以及沿着第四方向D4连续地排列的多个第四柱状微结构118。在一些实施例中，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。

相邻的第一柱状微结构112之间具有第一间距P1，相邻的第二柱状微结构114之间具有第二间距P2，相邻的第三柱状微结构116之间具有第三间距P3，相邻的第四柱状微结构118之间具有第四间距P4。在一些实施例中，第一间距P1、第二间距P2、第三间距P3以及第四间距P4彼此相同或不同。

第一柱状微结构112具有第一高度H1，第二柱状微结构114具有第二高度H2，第三柱状微结构116具有第三高度H3，第四柱状微结构118具有第四高度H4。在一些实施例中，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。

请参考图2B，设定一个虚设y轴以及一个虚设x轴以定义柱状微结构的中心轴方向。每个第一柱状微结构112正投影至透明衬底100上的形状为第一矩形，其中第一矩形的中心轴线与虚设x轴之间具有第一夹角θ1。每个第二柱状微结构114正投影至透明衬底100上的形状为第二矩形，其中第二矩形的中心轴线与虚设x轴之间具有第二夹角θ2。每个第三柱状微结构116正投影至透明衬底100上的形状为第三矩形，其中第三矩形的中心轴线与虚设x轴之间具有第三夹角θ3。每个第四柱状微结构118正投影至透明衬底100上的形状为第四矩形，其中第四矩形的中心轴线与虚设x轴之间具有第四夹角θ4。在一些实施例中，第一夹角θ1、第二夹角θ2、第三夹角θ3以及第四夹角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别具有第一长度L1、第二长度L2、第三长度L3以及第四长度L4。在一些实施例中，第一长度L1、第二长度L2、第三长度L3以及第四长度L4彼此相同或不同。

在一些实施例中，通过调整不同列的柱状微结构的排列方向、间距、高度、旋转角度和/或长度，可以使不同波长的光线分别被引导至不同的位置。举例来说，在一些实施例中，第一柱状微结构112的第一间距P1为100纳米，第一高度H1为1微米，且第一夹角θ1为50～70度，由此使第一柱状微结构112适用于将绿光折射至对应的感光元件PD2(请参考图1)；第二柱状微结构114的第二间距P2为150纳米，第二高度H2为800纳米，且第二夹角θ2为30～50度，由此使第二柱状微结构114适用于将红光折射至对应的感光元件PD1(请参考图1)；第三柱状微结构116的第三间距P3为80纳米，第三高度H3为700纳米，且第三夹角θ3为-10～-30(也等于350～330)度，由此使第三柱状微结构116适用于将蓝光折射至对应的感光元件PD3(请参考图1)；第四柱状微结构118的第四间距P4为150纳米，第四高度H4为1微米，且第四夹角θ4为90～110度，由此使第四柱状微结构118适用于将绿光折射至对应的感光元件PD4(请参考图1)。在前述范例中，第一间距P1、第二间距P2以及第三间距P3彼此不同，且第二间距P2与第四间距P4相等，但本发明不以此为限。在前述范例中，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与第四高度H4相等，但本发明不以此为限。

在一些实施例中，第一柱状微结构112、第二柱状微结构114、第三柱状微结构116以及第四柱状微结构118的材料包括砷化镓(GaN)、二氧化钛(TiO

在一些实施例中，单一个透镜单元110中的第一柱状微结构112、第二柱状微结构114、第三柱状微结构116以及第四柱状微结构118各自的配置方式可以通过有限元素分析法来计算。通过有限元素分析法可以获得调控光线相位的最小单元。此外，在搭配动态相位之后，可以在保持透镜单元110的聚焦效果的前提下大幅减少单一个透镜单元110中的柱状微结构所需的重复次数。举例来说，在本实施例中，单一个透镜单元110具有四个第一柱状微结构112、四个第二柱状微结构114、四个第三柱状微结构116以及三个第四柱状微结构118。另外，由于加入了动态相位，超颖透镜10在相同的面积之内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，由于加入动态相位，可减小超颖透镜10的焦距。在数学式1中，DOF为景深，u为物距，N为焦比，c为模糊圆半径，且f为焦距。由数学式1可得知，景深与焦距的平方成反比。因此，当超颖透镜10应用在图像传感器1时，具有景深非常长的优点。基于前述，超颖透镜10可将光线有效的聚焦于感光元件，由此提高图像传感器1的光电转换效率。

DOF＝2u

图3是依照本发明的一实施例的一种超颖透镜在聚焦光线时的剖面示意图。请参考图3，超颖透镜10主要是通过改变不同位置处的光线的相位，使光线的波前出现变形，以达到聚焦的效果。举例来说，在图3中，靠近边缘的光线LT在穿过超颖透镜10之后，与靠近中心的光线LT相比，光线LT的波前的相位偏移了π(pi＝180°)。通过调控光线LT的波前的相位，可以达到聚焦的效果。

图4是依照本发明的一实施例的一种超颖透镜的柱状微结构的旋转角度与相位调控的模拟数据图。在图4中，横轴表示柱状微结构的旋转角度，也可以说是柱状微结构透影至透明衬底的矩形的中心轴与虚设x轴之间的夹角(例如为图2B中的第一夹角θ1至第四夹角θ4)；纵轴表示光线的波前的相位调控量，也可以说是波前的相位偏移量。请参考图4，通过时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)进行模拟，通过改变柱状微结构的旋转角度可调控光线的波前的相位。具体地说，可以使光线的波前的相位出现0至300度的偏移。换句话说，本发明能通过控制柱状微结构的旋转角度改变入射光入射至预定区域的角度，由此达到聚焦的效果。须注意的是，当旋转角度超过180度时，则光线的波前的相位被调控的量跟前述旋转角度的共轭角的调控的量相同。举例来说，柱状微结构的旋转角为260度与柱状微结构的旋转角为80度(等于260度-180度)具有相同的波前的相位的调控量。

在一些实施例中，通过图案化的硬罩幕层(例如二氧化硅)以及图案化的光刻胶层来定义出具有各种不同旋转角度的柱状微结构。具体地说，可以通过光刻工艺与刻蚀工艺以定义出硬罩幕层以及光刻胶层的图案，进而获得具有不同旋转角度的柱状微结构。

图5是依照本发明的一实施例的一种超颖透镜的上视示意图。在此必须说明的是，图5的实施例沿用图2A和图2B的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

请参考图5，在本实施例中，超颖透镜10A包括沿着第一方向D1连续地排列的多排第一柱状微结构112、沿着第二方向D2连续地排列的多排第二柱状微结构114以及沿着第三方向D3连续地排列的多排第三柱状微结构116。通过调整不同列的柱状微结构的排列方向、间距、高度、旋转角度和/或长度，可以使不同波长的光线分别被引导至不同的位置。在一些实施例中，第一柱状微结构112、第二柱状微结构114以及第三柱状微结构116分别被配置成将不同波长的光线引导至不同的位置。举例来说，第一柱状微结构112被配置成用于将红光引导至感光元件PD1(请参考图1)，第二柱状微结构114被配置成用于将绿光引导至感光元件PD2(请参考图1)，第三柱状微结构116被配置成用于将蓝光被引导至感光元件PD3(请参考图1)。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。