使用相位偏移全息影像的影像感测器的制作方法

本发明涉及影像感测器，特别涉及一种使用相位偏移全息影像(phase-shiftinghologram)的无镜头影像感测器(lens-freeimagesensor)。

背景技术：

随着科技进步，具有照相机的电子装置已变得非常普及。然而，在传统照相机(亦称为彩色影像感测装置)中的模块式镜头(modularlens)通常是获取入射光并将光线转换为数字影像的必要元件。然而，因为传送照像技术的限制，均需要镜头以形成影像，且模块式镜头会占了照相机中的大部分的可利用空间。因为便携式电子装置的尺寸变得愈来愈小，大尺寸的模块式镜头并不适用于这些装置。

因此，需要一种无镜头影像感测器以减少照相机的尺寸。

技术实现要素：

本发明提供一种影像感测器，包括：多个光电元件，用以接收一入射光，其中该多个光电元件排列为多个单元格，且各单元格包括一第一光电元件及一第二光电元件，其中在各单元格中的该第一光电元件是获取在一第一相位的一第一像素，且在各单元格中的该第二光电元件是获取在一第二相位的一第二像素，其中该第一相位是不同于该第二相位。

附图说明

图1是显示一相位偏移数字全息影像装置的功能方框图。

图2a是显示依据本发明一实施例中的影像感测器的侧视图。

图2b是显示依据本发明图2a的实施例中的影像感测器的俯视图。

图2c是显示依据本发明图2a的实施例中的影像感测器的斜视图。

图2d是显示依据本发明另一实施例中的影像感测器的斜视图。

图3是显示依据本发明一实施例中用于一影像感测器的4步骤相位偏移全息成像方法的流程图。

图4a是显示依据本发明又一实施例中的影像感测器的俯视图。

图4b是显示依据本发明图4a的实施例中的影像感测器的斜视图。

图5a是显示依据本发明一实施例中的彩色影像感测器的侧视图。

图5b是显示依据本发明图5a的实施例中的彩色影像感测器的俯视图。

图5c是显示依据本发明图5a的实施例中的彩色影像感测器的斜视图。

图5d是显示依据本发明中图5a的实施例中的一部分详细侧视图。

图5e是显示依据本发明中图5a的实施例中的另一部分详细侧视图。

图6是显示依据本发明一实施例中用于一彩色影像感测器的四步骤相位偏移全息投影方法的流程图。

图7a是显示依据本发明一实施例中的一影像感测器的侧视图。

图7b是显示依据本发明图7a的实施例中的影像感测器的俯视图。

图7c是显示依据本发明图7a的实施例中的影像感测器的斜视图。

图7d是显示依据本发明另一实施例中的影像感测器的斜视图。

图8a是显示依据本发明一实施例中的彩色影像感测器的侧视图。

图8b是显示依据本发明图8a的实施例中的彩色影像感测器的俯视图。

【符号说明】

100～相位偏移数字全息影像装置；

110～激光光源；

120～感测器阵列；

111～光束发射器；

101、103～光束分离器；

102～压电转换镜；

104～反射镜；

200～影像感测器；

220～感测器阵列；

221～光电元件；

230～基板；

251－254～光电元件；

250～单元格；

450～巨单元格；

410－440～单元格；

411－414、421－424、431－434、441－444～光电元件；

500～彩色影像感测器；

510～滤波器阵列；

520～感测器阵列；

521～光电元件；

530－560～单元格；

531－534、541－544、551－554、561－564～光电元件；

570～巨单元格；

700～影像感测器；

720～感测器阵列；

721～光电元件；

730～基板；

750～单元格；

751－752～光电元件；

800～彩色影像感测器；

810～滤波器阵列；

820～感测器阵列；

821～光电元件；

830、840、850、860～单元格；

831－832、841－842、851－852、861－862～光电元件；

870～巨单元格。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合说明书附图，作详细说明如下。

图1是显示一相位偏移数字全息影像装置的功能方框图。如图1所示，相位偏移数字全息影像装置100包括一激光光源110、一光束发射器111、光束分离器101及103、一压电转换镜(piezoelectrictransducermirror)102、一反射镜104、及一感测器阵列120。由激光光源110所发出的激光光线会由光束发射器111所强化，且由光束发射器111所发出的激光光线会被光束分离器分离为一物件光线(objectlight)及一参考光线(referencelight)。参考光线会被压电转换镜102所反射，且会相位调制该参光线。通过对参考光线进行偏移一固定相位，可取得不同的全息影像以推导出物件波(objectwave)的多个振幅(complexamplitude)。

举例来说，参考波的初始相位为0，且每一步骤会改变π/2。假设使用四步骤相位偏移数字全息成像演算法(4-stepphase-shiftingdigitalholographyalgorithm)，则干涉图样(interferencepatterns)在不同相位(例如0、π/2、π、及3π/2)的强度(intensity)可分别由方程式(1)～(4)所表示：

在取得在相位0、π/2、π、及3π/2的干涉图样的强度后，物件光的多个振幅可由方程式(5)计算而得：

物件光的多个振幅有时可称为多个全息影像，因为可经由执行数字倒传递(digitalback-propagation)由该多个振幅ψ0取得物件光在物件平面的振幅分布。

因此，必需知道参考光线的多个振幅以计算物件波。通常而言，参考光线为一平面波(planewave)或是一球面波(sphericalwave)，故其相位可不经由测量而得。本发明领域中技术人员当可了解使用在不同相位的物件波以重建物件影像的技术，故其细节于此不再赘述。

需注意的是在图1的例子中所介绍的相位偏移数字全息影像装置100需在每一步骤改变相位，且亦需要耗费时间来改变相位、计算干涉图样的强度、并重建影像。因此，将相位偏移数字全息影像装置100用于目前在市场上的任意便携式电子装置并不实际。

然而，使用相位偏移数字全息成像演算法的相位延迟的概念是可用于本发明中的影像感测器。图2a是显示依据本发明一实施例中的影像感测器的侧视图。为了便于说明，举例来说，影像感测器200为一单色影像感测器(mono-colorimagesensor)。如图2a所示，影像感测器200包括一感测器阵列220。感测器阵列220包括多个光电元件221用以接收一入射光。光电元件221可经由半导体工艺而产生在一基板230上(如图2c及图2d所示)。需注意的是，在影像感测器200中并未使用任何镜头，且为了便于说明，在图2a中的感测器阵列220并未示出光电元件221的相对高度(厚度)。

图2b是显示依据本发明图2a的实施例中的影像感测器的俯视图。图2c是显示依据本发明图2a的实施例中的影像感测器的斜视图。

如图2b所示，感测器阵列220包括多个单元格(unitcell)250，其中各单元格250具有4个光电元件，其排列为一2x2阵列。举例来说，光电元件251、252、253、及254具有不同高度，且光电元件251、252、253、及254的每一者的高度表示相关的一全息影像的特定相位。光电元件251、252、253、及254的高度可由下列方式程计算而得：

其中λ表示一特定波长；n表示光电元件的材料的折射率(refractiveindex)；δm表示一给定的相位值，例如0、π/2、π、及3π/2。需注意的是在感测器阵列220中的所有光电元件可由相同材料所实现，故其均有相同的折射率。更详细而言，4步骤相位偏移数字全息成像演算法是整合进影像感测器200的结构中。举例来说，光电元件251～254的高度分别为d0、d1、d2、d3，且分别相应至相位δ0、δ1、δ2、δ3。相位δ0、δ1、δ2、δ3的数值分别为0、π/2、π、及3π/2。因为高度d0～d3符合方程式(6)，故高度d0、d1、d2、d3的数值可分别计算为0、λ/4n、λ/2n、3λ/4n。光电元件251～254的高度差异是示出于图2c。需注意的是单位格250是重复排列于感测器阵列220之中，且在各单位格250中的光电元件可获取具有在四个不同相位中的一个别相位的像素。举例来说，在各单位格250中的光电元件251、252、253、及254可分别获取在第一相位的一第一像素、在第二相位的一第二像素、在第三相位的一第三像素、以及在第四相位的一第四像素。因为第一像素、第二像素、第三像素、及第四像素是分别由各单位格250中的光电元件251～254所获取，第一像素、第二像素、第三像素、及第四像素的位置实质上是相同的。举例来说，用于相位δ0的全息影像可由各单位格250中的光电元件251所获取的像素而得。类似地，用于相位δ1、δ2、δ3的全息影像可由各单位格250中的光电元件252、253、及254所分别获取的像素而得。

在取得四个相位的全息影像后，在傅里叶域(fourierdomain)的物件波可由方程式(5)计算而得。接着，可对该物件波进行反傅里叶变换以重建在空间域(spatialdomain)的物件影像。选择性地，可预先估计用于将傅里叶域的物件波转换为空间域的物件影像的转换函式h(x,y)，故可进行该物件波与该转换函式的折积(convolution)运算以得到物件影像。

图2d是显示依据本发明另一实施例中的影像感测器的斜视图。在另一实施例中，在单位格250中的光电元件251～254的位置与图2b相同，但在单位格250中的光电元件251～254的高度亦相同，如图2d所示。举例来说，光电元件251～254可由具有折射率的不同材料所制成。更详细而言，各光电元件的折射率是符合下列方程式(7)：

在方程式(7)中，高度d为一常数，且折射率nm为一变数。4步骤相位偏移数字全息成像演算法亦可应用于此实施例。举例来说，在此实施例中，4步骤相位偏移数字全息成像演算法的相位为π/4、3π/4、5π/8、及7π/8。给定高度d为0.5λ，光电元件251～254的材料的折射率的范围为0.5～1.2。

图3是显示依据本发明一实施例中用于一影像感测器的4步骤相位偏移全息成像方法的流程图。在步骤s310，取得在不同相位的四个相位偏移全息影像。举例来说，在图2c或图2d中的影像感测器200可用于下述实施例。详细而言，此四个相位偏移全息影像是分别相应于相位0、π/2、π、及3π/2。

在步骤s320，依据在不同相位的该四个相位偏移全息影像以计算在傅里叶域的一物件波。举例来说，可利用方程式(1)～(4)以计算在不同相位(例如相位0、π/2、π、及3π/2)的全息影像的强度，且可利用方程式(5)以计算物件波。然而，为了简化物件波的计算过程，物件波的计算可近似于下列方程式(8)：

在步骤s330，依据该物件波以重建该物件影像。举例来说，物件波是在傅里叶域且物件影像是在空间域，因此可在物件波上套用一反傅里叶变换以重建物件影像。选择性地，可预先估计用于将傅里叶域的物件波转换为空间域的物件影像的转换函式h(x,y)，故可进行该物件波与该转换函式的折积运算以得到物件影像。

图4a是显示依据本发明又一实施例中的影像感测器的俯视图。图4b是显示依据本发明图4a的实施例中的影像感测器的斜视图。如图2b的实施例所述，各单元格包括了四个光电元件，且其排列为一2x2阵列。请参考图4a，在另一实施例中，感测器阵列220包括多个巨单元格(macrounitcell)，且各巨单元格包括四个单元格，其排列为一2x2单元格阵列。详细而言，各巨单元格包括16个光电元件，其排列为一4x4阵列。

举例来说，巨单元格450包括单元格410、420、430、440，且各单元格包括4个光电元件，且在各单元格中的各光电元件是分别获取在四个不同相位中的一个别相位的一像素。在单元格410、420、430、440中的光电元件的高度是遵循在前述实施例所介绍的四步骤相位偏移全息成像方法，例如分别相应于相位0、π/2、π、及3π/2。此外，在巨单元格450中的单元格410、420、430、及440中有两个有被旋转。详细而言，在影像感测器相关的斜视图中，为了防止莫列效应(moireeffect)产生在各个获取的全息影像，单元格430是逆时针旋转90度相对于单元格410，且单元格440是顺时针旋转90度相对于单元格420。

需注意的是在图4a中的单元格430及440的旋转仅为一例子，本发明并不限于此。在巨单元格450中的一或多个单元格可用一预定排列方式(例如使用一或多个预定角度)进行旋转以防止莫列效应产生。

图5a是显示依据本发明一实施例中的彩色影像感测器的侧视图。彩色影像感测器500包括一滤波器阵列510及一感测器阵列520。滤波器阵列510包括多个彩色滤波器，例如红色滤波器511、绿色滤波器512、蓝色滤波器513。举例来说，两个绿色滤波器、一个红色滤波器、以及一个蓝色滤波器可以2x2彩色滤波器阵列的方式排列为一拜耳图样(bayerpattern)。感测器阵列520包括多个光电元件521，用以通过滤波器阵列510接收入射光。光电元件521是可排列为多个单元格。为了便于说明，图5a中的感测器520并未示出在感测器阵列520中的光电元件的相对高度。

图5b是显示依据本发明图5a的实施例中的彩色影像感测器的俯视图。图5c是显示依据本发明图5a的实施例中的彩色影像感测器的斜视图。如图5b所示，单元格530、540、550、及560是排列为一2x2阵列，其是相应至滤波器阵列510中的一2x2彩色滤波器阵列。因此，单元格530、540、550、及560是通过滤波器阵列510中的2x2彩色滤波器阵列以分别接收绿光、蓝光、红光、及绿光。详细而言，在巨单元格570中的四个单元格530、540、550、及560是用以分别获取在四个不同相位(例如0、π/2、π、及3π/2)的绿色像素、蓝色像素、红色像素、及绿色像素。当在感测器阵列520中的光电元件是由相同材料所制成，在单元格530、540、550、及560中的光电元件531～534、541～544、551～554、561～564的高度设计是依照前述实施例中的方程式(6)，故其细节于此不再赘述。然而，方程式(6)是设计用于具有固定波长的单一色彩。

给定λr、λg、及λb分别代表红光、绿光、及蓝光的波长，因为红光具有最长的波长，且蓝光具有最短的波长，故可推导出上述波长的关为：λr>λg>λb。因此，假设在感测器阵列520中的光电元件是由相同材料所制成，在单元格550中的光电元件551～554用于接收红光，故光电元件551～554比在巨单元格570中的其他单元格中的光电元件具有相对较高的高度。意即，在各单元格中的光电元件的高度是与所接收的光线的波长成比例。

举例来说，请参考图5c，在单元格550中的光电元件551～554是用以接收红光，故光电元件551～554与用于接收绿光的单元格530中的具有相同位置(co-located)的光电元件531～534相比，会具有相对较高的高度。

图5d是显示依据本发明中图5a的实施例中的一部分详细侧视图。图5e是显示依据本发明中图5a的实施例中的另一部分详细侧视图。在图5d中的侧视图是示出了用于接收绿光的单元格530中的光电元件531～532以及用于接收红光的单元格550中的光电元件551～552的相对高度。对于相同相位来说，光电元件551比光电元件531具有较高的高度，且光电元件552比光电元件532具有较高的高度。

图5e中的侧视图是示出了用于接收绿光的单元格530中的光电元件531～532以及用于接收蓝光的单元格540中的光电元件541～542的相对高度。对于相同相位来说，光电元件531比光电元件541具有较高的高度，且光电元件532比光电元件542具有较高的高度。

因为巨单元格570在感测器阵列520的是重复排列，故可通过分别结合由在感测器阵列52中的多个巨单元格的单元格530、540、550、及560所获取的像素以取得四个相位偏移全息影像，故总共可取得16个相位偏移全息影像。需注意的是，由单元格530所获取的绿色相位偏移全息影像是不同于单元格560所获取的绿色相位偏移全息影像。举例来说，总共16个相位偏移全息影像可为(rδ0,rδ1,rδ2,rδ3)、(g1δ0,g1δ1,g1δ2,g1δ3)、(bδ0,bδ1,bδ2,bδ3)、及(g2δ0,g2δ1,g2δ2,g2δ3)，其中绿色相位偏移全息影像(g1δ0,g1δ1,g1δ2,g1δ3)是由单元格530所获取，且绿色相位偏移全息影像(g2δ0,g2δ1,g2δ2,g2δ3)是由单元格560所获取。

图6是显示依据本发明一实施例中用于一彩色影像感测器的四步骤相位偏移全息投影方法的流程图。与图3的流程图不同，在图6中的流程图用于一彩色影像感测器。在步骤s610，取得在不同色彩通道及不同相位的16张相位偏移全息影像。举例来说，可使用图5所示的彩色影像感测器500。如上所述，16张相位偏移全息影像分别为(rδ0,rδ1,rδ2,rδ3)、(g1δ0,g1δ1,g1δ2,g1δ3)、(bδ0,bδ1,bδ2,bδ3)、及(g2δ0,g2δ1,g2δ2,g2δ3)。

在步骤s620，依据在不同色彩通道及不同相位的16张相位偏移全息影像以计算在傅里叶域中的各色彩通道的物件波。

在步骤s630，依据各色彩通道的物件波以重建各色彩通道的物件影像。详细而言，对于彩色影像感测器来说有四个色彩通道，例如一红色通道、一蓝色通道、以及两个绿色通道，且用于单一色彩通道的计算物件波以及重建物件影像的计算过程可参考图3的实施例，故其细节于此不再赘述。

因此，在执行步骤s630后可取得分别代表红色通道、蓝色通道、以及两个绿色通道的四张物件影像，且与彩色影像感测器500所耦接的影像信号处理器(未示出)可利用此四张物件影像以重建原始彩色影像。

图7a是显示依据本发明一实施例中的一影像感测器的侧视图。为了便于说明，举例来说，影像感测器700为一单色影像感测器。如图7a所示，影像感测器700包括一感测器阵列720。感测器阵列720包括多个光电元件用以接收一入射光。光电元件721可经由半导体工艺而产生在一基板730上。需注意的是，在影像感测器200中并未使用任何镜头，且为了便于说明，在图7a中的感测器阵列720并未示出光电元件721的相对高度(厚度)。

图7b是显示依据本发明图7a的实施例中的影像感测器的俯视图。图7c是显示依据本发明图7a的实施例中的影像感测器的斜视图。

如图7b所示，感测器阵列720包括多个单元格750，其中各单元格包括两个光电元件，其排列为一2x1阵列。举例来说，光电元件751及752具有不同高度，且光电元件751及752分别的高度是表示一相应的全息影像的一特定相位。举例来说，在感测器阵列720中是使用二步骤正交相位偏移全息成像方法，且两个不同的相位可为0及π/2。在取得在相位的干涉图样的强度后，可利用方程式(9)计算物件光的多个振幅：

举例来说，光电元件751及752的高度可利用方程式(10)计算而得：

其中λ表示一特定波长；n表示光电元件的材料的折射率；δm表示一给定的相位值，例如0及π/2。需注意的是在感测器阵列720中的所有光电元件可由相同材料所实现，故其均有相同的折射率。更详细而言，2步骤正交相位偏移数字全息成像演算法是整合进影像感测器700的结构中。举例来说，光电元件752及752的高度分别为d0及d1，且分别相应至相位δ0及δ1。相位δ0及δ1的数值分别为0及π/2(或是π及3π/2)。因为高度d0～d1符合方程式(10)，故高度d0及d1的数值可分别计算为0及λ/4n。光电元件751及752的高度差异是示出于图7c。需注意的是单位格750是重复排列于感测器阵列720之中，且在各单位格750中的光电元件可获取具有在两个不同相位中的一个别相位的像素。举例来说，在各单位格750中的光电元件751及752可分别获取在第一相位的一第一像素、以及在第二相位的一第二像素。因为第一像素及第二像素是分别由各单位格750中的光电元件751～752所获取，第一像素及第二像素的位置实质上是相同的。举例来说，用于相位δ0的全息影像可由各单位格750中的光电元件751所获取的像素而得。类似地，用于相位δ1的全息影像可由各单位格750中的光电元件752所获取的像素而得。

在取得两个相位的全息影像后，在傅里叶域的物件波可由方程式(9)计算而得。接着，可对该物件波进行反傅里叶变换以重建在空间域的物件影像。选择性地，可预先估计用于将傅里叶域的物件波转换为空间域的物件影像的转换函式h(x,y)，故可进行该物件波与该转换函式的折积运算以得到物件影像。

图7d是显示依据本发明另一实施例中的影像感测器的斜视图。在另一实施例中，在单位格750中的光电元件751～752的位置与图7b相同，但在单位格750中的光电元件751～752的高度亦相同，如图7d所示。举例来说，光电元件751～752可由具有折射率的不同材料所制成。更详细而言，各光电元件的折射率是符合下列方程式(11)：

在方程式(11)中，高度d为一常数，且折射率nm为一变数。2步骤正交相位偏移数字全息成像演算法亦可应用于此实施例。举例来说，在此实施例中，2步骤正交相位偏移数字全息成像演算法的相位为0及π/2(或是π及3π/2)。给定高度d为0.5λ，光电元件751及752的材料的折射率可依据方程式(11)计算而得。

图8a是显示依据本发明一实施例中的彩色影像感测器的侧视图。彩色影像感测器800包括一滤波器阵列810及一感测器阵列820。滤波器阵列810包括多个彩色滤波器，例如多个红色滤波器、多个绿色滤波器、及多个蓝色滤波器。举例来说，两个绿色滤波器、一个红色滤波器、以及一个蓝色滤波器可以2x2彩色滤波器阵列的方式排列为一拜耳图样。感测器阵列820包括多个光电元件821，用以通过滤波器阵列810接收入射光。为了便于说明，图8a中的感测器820并未示出在感测器阵列820中的光电元件的相对高度。

图8b是显示依据本发明图8a的实施例中的彩色影像感测器的俯视图。如图8b所示，单元格830、840、850、及860是分别接收绿光、蓝光、红光、及绿光。单元格830、840、850、及860的每一者均包括两个光电元件，且具有一相应的色彩滤波器。举例来说，单元格830、840、850、及860是经由滤波器阵列810以分别接收绿光、蓝光、红光、及绿光。详细而言，可利用单元格830、840、850、及860以形成具有拜耳图样的巨单元格870。

在此实施例中，使用了二步骤正交相位偏移全息成像方法。举例来说，在各单元格中的两个光电元件是具有不同高度，其是设计为用以接收在不同相位(例如0及π/2)的像素。

当在感测器阵列820中的光电元件是由相同材料所制成，在单元格830、840、850、及860中的光电元件831～832、841～842、851～852、861～862的高度设计是依照前述实施例中的方程式(6)，故其细节于此不再赘述。然而，方程式(6)是设计用于具有固定波长的单一色彩。

给定λr、λg、及λb分别代表红光、绿光、及蓝光的波长，因为红光具有最长的波长，且蓝光具有最短的波长，故可推导出上述波长的关为：λr>λg>λb。因此，假设在感测器阵列820中的光电元件是由相同材料所制成，在单元格850中的光电元件851～852用于接收红光，故光电元件851～852比在巨单元格870中的其他单元格中的光电元件具有相对较高的高度。

与图5中的感测器阵列520相比，因为在感测器阵列520中的巨单元格的尺寸为4x4且在感测器阵列820中的巨单元格的尺寸为4x2，故使用感测器阵列820可在垂直方向具有两倍的分辨率。然而，使用感测器阵列820以取得物件波的计算复杂度也变得更高。举例来说，在二步骤正交相位偏移全息成像方法中的物件波可利用方程式(12)计算而得：

综上所述，本发明是提供一种无镜头影像感测器。通过排列具有不同高度的光电元件于一感测器阵列中，且上述高度是设计用于在四步骤(或二步骤)相位偏移全息成像演算，故可利用由光电元件所获取的相位偏移全息影像以重建物件影像。因此，使用本发明的影像感测器则在照相机模块中并不需要模块镜头，故整个照相机模块的成本可降低且其厚度也能变得更薄。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，当可做些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求为准。