三维图像生成芯片、制备方法、装置及三维图像生成方法与流程

本发明涉及图像获取技术领域，具体涉及一种三维图像生成芯片、制备方法、装置及三维图像生成方法。

背景技术：

现有的各种图像获取装置，一般采用光源输出，反射镜反射，在于反射镜不同个光路上，采用图像获取器件获取物体反射光束信号。由于图像获取器件与反射镜相分离，导致光束能量消耗，信号失真。而且，所得到的图像获取装置体积较大，不利于小型化和轻薄化。

随着人们生活水平的提高和科技的进步，各种电子设备越来越倾向于小型化和轻薄化，便于携带。而且对于获取的图像质量要求越来越高，对于图像的获取速度和传输速度也迫切要求提高。

因此，顺应时代的要求，研究轻薄化且快速获取高质量的图像装置技术是非常重要的。

此外，三维图像的生成往往需要更加精准的大量的数据，目前的三维图像生成包括静态三维图像和动态三维图像。动态三维图像的生成难度比较大，而且容易出现失真和清晰度差的问题。如何能够提高三维图像的生成速率和分辨率，提高实时传输时的三维图像效果，是十分重要的。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种三维图像生成芯片，利用mems扫描微镜上集成图像获取单元和光发射单元，实现光束的动态发射、以及图像的快速扫描和获取。

为了达到上述目的，本发明提供了一种三维图像生成芯片，包括：

mems图像扫描单元，用于获取物体的图像信息数据；

光发射单元，设置于mems图像扫描单元中，用于向外界发射光束；mems图像扫描单元获取外界反射的光束，生成图像信息数据；

计算单元，根据图像信息数据进行计算得到三维图像信息数据。

优选地，光发射单元，设置于反射镜中，用于向外界发射光束；其中，mems扫描微镜沿着扭臂进行摆动，每摆动一次，光发射单元随之摆动并发射出随之摆动的光束，从而实现动态发光；所述光束达到外界物体并反射回来，所述反射镜同时接收反射回来的光束；

所述mems图像扫描单元包括：

mems扫描微镜，包含反射镜；反射镜悬浮在整个芯片中；

图像获取单元，设置于反射镜中，用于获取外界的反射回来的光束，并生成图像信息；并且与外界电路元件相电连，通过外界电路元件来反馈图像信息数据；其中，mems扫描微镜沿着扭臂进行摆动，每摆动一次，接收外界的反射回来的光束一次。

优选地，所述反射镜通过磁场悬浮在整个芯片中；或者所述mems扫描微镜芯片还具有扭臂；所述反射镜通过扭臂悬架在整个芯片中。

优选地，所述光发射单元为红外光发射器、可见光发射器或紫外光发射器。

优选地，所述图像获取单元为白光图像传感器、红外图像传感器或二者混合图像传感器。

优选地，所述图像获取单元中设置无线通讯模块；所述图像获取单元通过无线通讯信号与外界电路元件相电连。

优选地，所述图像获取单元连接有传输电路，传输电路与所述扭臂相复合，利用传输扭臂提供的路径与外界电路元件相连。

优选地，所述芯片具有沟槽，所述扫描微镜置于所述沟槽中，并且通过扭臂连接所述扫描微镜外围的芯片部分；所述扫描微镜通过扭臂进行扭转。

优选地，环绕所述扫描微镜的所述芯片具有互连电路；所述互连电路连接所述反射镜和所述图像获取单元；所述芯片至少还包括：

处理器，与所述扫描微镜、所述光发射单元和所述图像获取单元分别相电连，用于处理所述扫描微镜的驱动逻辑和所述图像获取单元的信息传输逻辑；

存储器，用于存储图像获取单元获取的图像数据并且存储所述计算单元得到的三维格式数据。

优选地，所述图像获取微型芯片的厚度不大于500μm。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种三维图像生成装置，包括上述的三维图像生成芯片；还包括图像生成单元，根据三维图像信息进行格式转换为三维图像。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种上述的三维图像生成芯片的制备方法，其包括：

步骤01：提供一芯片；在芯片上制备mems扫描微镜、光发射单元、图像获取单元、计算单元以及互连线；其中，mems扫描微镜中具有反射镜和扭臂，通过扭臂与互连线相连；在反射镜中制备有光发射单元、图像获取单元；光发射单元、图像获取单元、计算单元、反射镜均与互连线相连；计算单元环绕mems扫描微镜周围设置；计算单元通过互连线c与光发射单元、图像获取单元相连；

步骤02：提供另一芯片；将另一芯片减薄；

步骤03：将步骤01的芯片和步骤的另一芯片键合，从而获得三维图像生成芯片。

为了达到上述目的，本发明提供了一种的三维图像生成芯片的制备方法，包括：

步骤01：提供一芯片；

步骤02：在芯片上制备mems扫描微镜、光发射单元、图像获取单元、计算单元以及互连线；以及在图像获取单元中制备无线通讯模块；其中，mems扫描微镜中具有反射镜和扭臂，通过扭臂与互连线相连；在反射镜中制备有图像获取单元；计算单元、反射镜均与互连线相连；计算单元环绕mems扫描微镜周围设置；图像获取单元通过无线通讯模块与计算单元相连。

为了达到上述目的，本发明提供了一种上述的三维图像生成芯片的制备方法，包括：

步骤01：提供一芯片；在芯片上制备mems扫描微镜、光发射单元、图像获取单元、计算单元以及互连线；同时还在计算单元底部制备第一接触孔；其中，mems扫描微镜中具有反射镜和扭臂，通过扭臂与互连线相连；在反射镜中制备有图像获取单元、光发射单元；计算单元环绕mems扫描微镜周围设置；计算单元、光发射单元、图像获取单元和mems扫描微镜均与互连线相连；

步骤02：提供另一芯片，在另一芯片上制备互连层；互连层上还制备有第二接触孔；第一接触孔和第二接触孔的位置相对应；

步骤03：将步骤01的芯片和步骤02的另一芯片键合，第一接触孔底部和第二接触孔顶部相键合，使得mems扫描微镜、光发射单元、图像获取单元与互连层对应的电路电连。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种采用上述的三维图像生成芯片进行的三维图像生成方法，包括：

步骤01：mems扫描微镜沿着扭臂进行摆动，光发射单元伴随着mems扫描微镜的摆动发出动态光束到外界；

步骤02：所述图像获取单元随着所述mems扫描微镜的摆动而摆动；外界将所述动态光束进行反射形成反射光束到所述反射镜上，图像获取单元接收到反射光束生成图像信息数据；

步骤03：将图像信息数据进行计算并且转换为三维图像信息数据。

优选地，所述mems扫描微镜每摆动一次，扫描外界的反射光束生成一个像素。

优选地，还包括：重复步骤01～03，利用所述mems扫描微镜来扫描外界的反射光束到图像获取单元获得完整的三维图像信息数据。

优选地，所述步骤02中，所述图像获取单元通过无线通讯信号将图像信息数据传送到外界电路元件；或者，利用所述扭臂设置传输电路，利用传输电路将图像信息数据传送到外界电路元件。

优选地，所述步骤01中，还包括：对所述mems扫描微镜的驱动逻辑进行处理，对所述光发射单元的驱动逻辑进行处理以及对图像获取单元的信息传输逻辑进行处理；

所述步骤02中，还包括：对所述图像获取单元生成的图像信息数据进行存储；并且进行格式转换，再发送到外界电路元件中。

本发明的三维图像生成芯片，利用mems图像扫描单元获取物体的图像信息数据，利用计算单元来得到三维图像信息数据。其中，图像扫描单元采用的mems扫描微镜上集成了图像获取单元和光发射单元，特别是图像获取单元、光发射单元设置在反射镜上，可以伴随着反射镜沿扭臂的摆动而向外发出光束或者接受外界的反射光束，实现动态发光，提高发光均匀性，提高图像探测扫描速率，降低光能损耗，提高图像亮度和分辨率。并且，利用mems扫描微镜的摆动来实现大量像素的快速生成，从而确保了在实时传输过程中生成的动态三维图像的分辨率和清晰度。由于mems扫描微镜具有快速扫描、能够获取分辨率高的图像优势，本发明能够对外界的物体进行快速扫描和图像获取，而且，相比于传统的图像获取装置中图像获取器与反射镜芯片分离的弊端，本发明有效减小了光损耗，提高了图像亮度和清晰度。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的三维图像生成芯片的俯视结构示意图

图2为图1中沿aa’方向的三维图像生成芯片的截面结构示意图

图3为图1中沿b’方向的三维图像生成芯片的截面结构示意图

图4为图1中沿mm’方向的三维图像生成芯片的截面结构示意图

图5为与图4的结构相同仅电路传输方式不同的截面结构示意图

图6为本发明的一个实施例的三维图像生成装置的方块图

图7～9为本发明的一个实施例的三维图像生成芯片的制备方法的步骤示意图

图10～12为本发明的一个实施例的三维图像生成芯片的制备方法的步骤示意图

图13为本发明的一个实施例的三维图像生成方法的流程示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

以下结合附图1～13和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，本实施例中的三维图像生成芯片00，包括：mems图像扫描单元、光发射单元和计算单元201。mems图像扫描单元用于获取物体的图像信息数据；光发射单元，设置于mems图像扫描单元中，用于向外界发射光束；mems图像扫描单元获取外界反射的光束，生成图像信息数据。计算单元201根据图像信息数据进行计算得到三维图像信息数据。此外，还可以包括光源，利用光源来形成图像。这里，mems图像扫描单元包括mems扫描微镜和图像获取单元102。在mems扫描微镜周围环绕的互连线c，并且在互连线c周围设置计算单元201，还可以有处理器202和存储器203。计算单元201、处理器202和存储器203与互连线c相连。关于图1中计算单元201、处理器202和存储器203与互连线c相连的走线分布设计可以采用任意适合的方式，本实施例中采用了直线走线方式，从计算单元201出来的走线与处理器202连接并且与扭臂105垂直，而处理器202和存储器203之间的连接且连接线与扭臂103垂直。

这里的光源可以为激光光源，因为激光光源的亮度和能量保持较好，避免传输过程中光源光束不必要的浪费和大量的损耗。

本实施例中，光发射单元设置于反射镜中，用于向外界发射光束；其中，mems扫描微镜沿着扭臂进行摆动，每摆动一次，光发射单元随之摆动并发射出随之摆动的光束，从而实现动态发光；光束达到外界物体并反射回来，所述反射镜同时接收反射回来的光束。较佳的，光发射单元为红外光发射器、可见光发射器或紫外光发射器。这些发射器可以为激光发射器。

接下来具体来看本实施例的mems图像扫描单元。

请再次参阅图1，这里的mems扫描微镜包含反射镜101和扭臂103、105；反射镜101通过扭臂103、105悬架在整个芯片00中。这里，反射镜101周围还环绕有平衡环104，平衡环104通过扭臂105与芯片连接。反射镜101通过扭臂103与平衡环连接。

请结合图1和2，这里的芯片具有沟槽，mems扫描微镜置于沟槽中，并且通过扭臂103、105连接mems扫描微镜外围的芯片00部分；mems扫描微镜通过扭臂103、105进行扭转。mems扫描微镜可以采用常规的双轴mems扫描微镜。该微型芯片00亦直接可以采用mems扫描微镜芯片即可，无需额外设置芯片。图像获取微型芯片的厚度可以做的很薄，例如不大于500μm。此外，在其他实施例中，反射镜也可以通过磁场悬浮在整个芯片中。

图像获取单元102，设置于反射镜101中，用于获取外界的光束；并且与外界电路元件相电连，通过外界电路元件来反馈图像信息数据。这里，在mems扫描微镜芯片00的基础上，在反射镜101中设置图像获取单元102。图形获取单元102可以为白光图像传感器、红外图像传感器或二者混合图像传感器。

mems扫描微镜沿着扭臂103、105进行摆动，每摆动一次，光发射单元向外发射光束，并且图像获取单元接收外界的反射光束，从而使得mems扫描微镜的摆动能够将外界的反射光束进行快速扫描而形成大量图像信息数据，由于图像获取单元随着mems扫描微镜的摆动而摆动，使得图获取单元能够实时获得图像信息数据，每摆动一次获得的图像信息数据生成一个像素，从而构成完成的图像。

这里，图像获取单元102可以通过无线通讯信号与外界电路元件相电连，图像获取单元102中设置无线通讯模块，例如wifi等，也可以通过线路传输。例如，光发射单元、图像获取单元102连接有传输电路。这样，环绕扫描微镜的芯片00中设置有互连电路c；互连电路c连接反射镜101、光发射单元、图像获取单元102；该芯片00至少包括：请参阅图2和图3，在截面结构图中，图3中可以看到，在反射镜101下方设置有传输电路c2，反射镜101通过接触孔c1与传输电路c2连接。在反射镜101周围的芯片00中设置有互连层c。互连层c中用于连接各个电路。这里需要说明的是，互连层c也可以设置在反射镜101下方的沟槽表面中内部。图3和图2的结合中，传输电路c2沿着反射镜101的底部和侧壁以及扭臂103和、平衡环104和扭臂105传输到互连层c上，传输电路c2设置于扭臂103和105中以及平衡环104的方式可以为在扭臂103和105、平衡环104表面，或者在扭臂103和105中以及平衡环104的中心夹层有传输电路c2。需要说明的是，即使在反射镜101的扫描摆动过程中，扭臂103和105会产生一定的变形，由于传输电路c2的尺寸非常细小，通常为金属材质，例如铜，也可以为高分子导电材质，具有一定的弹性，不会产生断裂。

请参阅图4并结合图1，计算单元201和处理器202、存储器203设置在mems扫描微镜周围的芯片00中，计算单元201、处理器202、存储器203与互连线c之间的连接线可以设置在芯片表面。此外，请参阅图5并结合图1，计算单元201、处理器202、存储器203与互连线c之间的连接可以采用接触孔c3和设置于芯片00背面的互连层c4来连接，此时互连线c与互连层c4连接。互连层c4可以位于图1中的计算单元201、处理器202、存储器203的连接线下方对准位置，此时，连接线不设置即可。图5中为了表示出互连层c4与互连线c的关系而将互连层c4的位置显示出来，这仅用于表达清楚。此时，在mm’截面方向上看不到完整的互连层c4。然而，互连层c4可以任意设置，只要将芯片00中的各个单元或器件连接即可。

本实施例中，处理器202与扫描微镜101、光发射单元、图像获取单元102分别相电连，用于处理扫描微镜101的驱动逻辑、光发射单元的驱动逻辑和图像获取单元102的信息传输逻辑。存储器203用于存储图像获取单元102获取的图像数据合，利用传输扭臂103、105提供的路径与外界电路元件相连。

此外，请参阅图6，本实施例的三维图像生成芯片00中还可以设置图像生成单元204从而形成三维图像生成装置，图像生成单元204与计算单元201和互连线c连接，图像生成单元204根据三维图像信息进行格式转换为三维图像，并输出到外界的显示器中。需要说明的是，本实施例的三维图像生成装置中的图像生成单元204还可以不集成于芯片00中，而设置在外界的电路单元中。

此外，本实施例的上述的三维图像生成芯片的制备方法，可以采用如下过程：

步骤01：请参阅图7并结合图1，提供一芯片x01；在芯片x01上制备mems扫描微镜、光发射单元和图像获取单元102以及互连线c；互连线c中具有与mems扫描微镜相匹配的连接电路，这里反射镜101通过扭臂103和105与互连线c连接。在反射镜101上制备光发射单元、图像获取单元102。本步骤01中，还在芯片x01中制备计算单元201、处理器202和存储器203；处理器202通过互连线c与扫描微镜、光发射单元和图像获取单元102分别相电连，用于处理扫描微镜的驱动逻辑、光发射单元的驱动逻辑和图像获取单元102的信息传输逻辑；存储器203通过互连线c与图像获取单元102相连；计算单元201、图像处理器202、存储器203均与互连线c相连。计算单元201根据图像信息数据进行计算得到三维图像信息数据。

步骤02：请参阅图8，提供另一芯片x02；这里，该芯片x02可以通过减薄工艺进行减薄。

步骤03：请参阅图9，将步骤01的芯片x01和步骤02的芯片x02键合，从而获得三维图像生成芯片00。

关于三维图像生成芯片00的具体结构不再赘述，可以参见上述描述。

此外，结合图1和图5，针对图5中，计算单元201、处理器202和存储器203采用芯片00背面的互连层c4方式来与互连线c连接，本实施例的上述三维图像生成芯片的制备方法，还可以采用如下过程：

步骤01：请参阅图10并结合图1，图10中从mm’方向的截面结构来显示；提供一芯片y01；在芯片y01上制备mems扫描微镜和图像获取单元102以及互连线c；互连线c中具有与mems扫描微镜相匹配的连接电路；这里反射镜101通过扭臂103和105与互连线c连接。本步骤01中，还在芯片y01中制备计算单元201、处理器202和存储器203；同时还制备位于计算单元201、处理器202和存储器203底部的第一接触孔c31。

步骤02：请参阅图11，提供另一芯片y02，在另一芯片y02上制备互连层c4；具体的，互连层c4上还制备有第二接触孔c32。处理器202通过互连层c4与互连线c、扫描微镜、光发射单元和图像获取单元102分别相电连，用于处理扫描微镜的驱动逻辑、光发射单元的驱动逻辑和图像获取单元102的信息传输逻辑；存储器203通过互连层c4与互连线c、图像获取单元102相连；计算单元201、图像处理器202、存储器203均与互连层c4、互连线c相连。计算单元201根据图像信息数据进行计算得到三维图像信息数据。关于互连层c4的制备可以采用常规的互连层制备工艺，例如刻蚀和填充导电金属等。

步骤03：请参阅图12，将步骤01的芯片y01和步骤02的芯片y02键合，使得mems扫描微镜、光发射单元和图像获取单元与互连层对应的电路电连。这里，第一接触孔c31的底部和第二接触孔c32的顶部相键合，形成接触孔c3。

此外，针对本实施例的上述采用无线通讯方式的三维图像生成芯片的制备方法，请结合图1，还可以采用如下过程：

步骤01：提供一芯片00；

步骤02：在芯片00上制备mems扫描微镜、光发射单元和图像获取单元102以及互连线c；互连线c中具有与mems扫描微镜相匹配的连接电路；这里，步骤02中，还在芯片00中制备计算单元201、处理器202和存储器203；处理器202通过互连线c与扫描微镜相电连，用于处理扫描微镜的驱动逻辑；存储器203通过互连线c与光发射单元、图像获取单元102分别相连；计算单元201、图像处理器202、存储器203均与互连线c相连。计算单元201根据图像信息数据进行计算得到三维图像信息数据。步骤02中还包括：在图像获取单元中制备无线通讯模块；通过无线通讯模块与处理器202连接和信号传输。

基于上述步骤01和步骤02完成三维图像生成芯片的制作。关于三维图像生成芯片的具体结构可以参见上述描述，这里不再赘述。

需要说明的是，由于mems扫描微镜的制备工艺已经成熟，因此，本实施例的图像快速获取微型芯片的制备可以在mems扫描微镜的制备过程中进行制备，图像获取单元、光发射单元通常采用cmos工艺来制备，而mems扫描微镜的制备也是兼容在cmos工艺上的，因此，二者可以很好的兼容，无需增加成本。图像获取单元可以在制备mems扫描微镜的反射镜的同时进行制备，例如，在反射镜中设置沟槽和通孔结构，通过填充通孔和在沟槽中制备图像获取单元来实现结构和电传输，也可以先采用cmos工艺制备出图像获取单元以及底部的传输电路，再在图像获取单元周围例如进行光刻和刻蚀工艺制备反射镜和扭臂等结构。关于反射镜和扭臂的制备可以采用常规工艺，这里不再赘述。

请参阅图13，为利用本实施例的上述的三维图像生成芯片进行的三维图像生成方法，其特点在于，mems扫描微镜每摆动一次，向外反射光束的同时还接收外界的反射光束，每摆动一次生成一个图像像素。具体包括：

步骤01：mems扫描微镜沿着扭臂进行摆动，光发射单元伴随着mems扫描微镜的摆动发出动态光束到外界。这里的光源可以为激光光源、led光源等。光源可以为白光光源、红外光源或者二者的混合。而针对而二者的混合，图像获取单元分别获取白光反射光束和红外反射光束来综合形成图像。此外，还可以包括：对mems扫描微镜的驱动逻辑进行处理，对光发射单元的驱动逻辑进行处理以及对图像获取单元的信息传输逻辑进行处理。

步骤02：所述图像获取单元随着所述mems扫描微镜的摆动而摆动；外界将所述动态光束进行反射形成反射光束到所述反射镜上，图像获取单元接收到反射光束生成图像信息数据；

这里，图像获取单元通过无线通讯信号将图像信息数据传送到外界电路元件；或者，利用扭臂设置传输电路，利用传输电路将图像信息数据传送到外界电路元件。此外，由于mems扫描微镜芯片上还可以设置处理器、存储器等，本步骤中还可以包括：对图像获取单元生成的图像信息数据进行存储；并且进行格式转换，再发送到外界电路元件中。

步骤03：将图像信息数据进行计算并且转换为三维图像信息数据。

这样，重复步骤01～03，利用mems扫描微镜来扫描外界的反射光束到图像获取单元获得完整的图像。

这里需要说明的是，由于图像获取单元、光发射单元集成于反射镜上，因此，图像获取单元针对光源的入射光和物体的反射光设置有识别模块，利用识别模块获取反射光束，从而确保获取图像的准确性。这种识别模块可以根据光束的强弱、路程差等来计算获得，例如，光源入射光强度很高，而反射光强度较低，因此，在预设的阈值范围内，可以筛除入射光信号。也就是针对不同的光源，识别模块中会设置不同的光强阈值范围，在该光强阈值范围内的光默认为入射光而被剔除，图像获取单元经识别出的反射光，也即是仅收集反射光。

另外，由于本实施例中的微型芯片面积非常小，而其中的反射镜的面积更加小，单个光束足以将反射镜覆盖，不会出现光束不能照射到图像获取单元上的问题。例如，mems扫描微镜芯片中的反射镜，直径尺寸在3～4个毫米以下，面积非常小，通常的光斑都会覆盖其中。而经物体反射的反射光束也自然会覆盖在反射镜上。此时，利用mems扫描微镜中反射镜沿扭臂的摆动，来获得物体各个位置的光束信息，从而得到整个图像信息。这样，关于图像信息数据的处理和存储亦可以设置在mems扫描微镜芯片中，从而大大简化了整个图像获取芯片的体积和重量，提高了图像获取芯片的集成度，使得基于此的图像获取装置更加轻薄便携。

这里关于mems扫描微镜向外界发射光束和扫描外界反射光束的过程是同步进行的，均是在mems扫描微镜上完成，从而避免现有的图像获取装置与扫描微镜分离的弊端，减小损耗，保持图像信息数据的保真度，缩短传输路径，加快传输。利用mems扫描微镜的快速扫描，快速获取图像，并且可以获取高分辨率的图像。

综上所述，本发明中，图像扫描单元采用的mems扫描微镜上集成了图像获取单元和光发射单元，特别是图像获取单元、光发射单元设置在反射镜上，可以伴随着反射镜沿扭臂的摆动而向外发出光束或者接受外界的反射光束，实现动态发光，提高发光均匀性，提高图像探测扫描速率，降低光能损耗，提高图像亮度和分辨率。并且，利用mems扫描微镜的摆动来实现大量像素的快速生成，从而确保了在实时传输过程中生成的动态三维图像的分辨率和清晰度。由于mems扫描微镜具有快速扫描、能够获取分辨率高的图像优势，本发明能够对外界的物体进行快速扫描和图像获取，而且，相比于传统的图像获取装置中图像获取器与反射镜芯片分离的弊端，本发明有效减小了光损耗，提高了图像亮度和清晰度。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。