一种基于超透镜的晶圆级光学成像系统的制作方法

1.本实用新型涉及晶圆级光学成像领域，更具体的说，涉及基于超透镜的晶圆级光学成像系统。


背景技术：

2.随着科技的发展，光学成像系统在消费电子、安防监控、智能家居、军事防务和医疗成像领域有着越发重要的应用。现有光学成像系统由传统光学镜头、机械镜筒以及光学探测器模组构成。然而，传统光学成像系统具有体积大、重量沉、校准复杂、不易集成等缺点，难以满足当代小型化设备对高集成化设计的需求。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种基于超透镜的晶圆级光学成像系统。
4.本本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种基于超透镜的晶圆级光学成像系统，包括：
6.超透镜层，包括若干个周期排列的超透镜，所述超透镜包含基板与设置于所述基板上的超表面结构单元；
7.图像传感器模块层，包括若干个与所述超透镜层排列相同的图像传感器模块，其成像面朝向所述超透镜层；
8.间隔层，设置于所述超透镜层与所述图像传感器模块层之间，包若干个与所述超透镜层排列相同的中空间隔。
9.可选地，所述超表面结构单元对入射光的偏振不敏感。
10.可选地，所述超表面结构单元为正六边形或正四边形，所述超表面结构单元的中心位置分别设有纳米结构；所述超表面结构单元不同位置处的单元周期相同；所述纳米结构为纳米柱结构；所述纳米柱结构包括圆形纳米柱结构、圆孔纳米柱结构、中空纳米柱结构、环孔纳米柱结构、拓扑纳米柱结构中的一种或几种。
11.可选地，所述纳米结构的材料为目标波段处透明材料，所述纳米结构的高度为0.3
‑
25μm；优选地，所述纳米结构的材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化镓、氧化钛、晶体硅、硫系玻璃、锗单晶、非晶硅、硫化锌和硒化锌中的一种。
12.可选地，所述基板的材料为目标波段处透明的材料，所述基板的厚度为 0.1
‑
3毫米。
13.可选地，所述超透镜层没有超表面结构的一面镀有与所述超透镜层基板材料匹配的目标波段的增透膜。
14.可选地，所述间隔层材料为目标波段不透明的材料，所述间隔层开设有若干个通光孔，形成所述中空间隔，每个所述通光孔的内径不小于单个图像传感器外接圆的直径。
15.可选地，所述间隔层厚度与所述超透镜层的超透镜后焦距相同。
16.可选地，当目标波段为可见光波段/近红外波段时，图像传感器模块为互补金属氧化物半导体；当目标波段为远红外波段时，图像传感器模块为氧化钒探测器、非晶硅探测器和碲化铟探测器中的一种。
17.可选地，所述超透镜层、所述间隔层和所述图像传感器层通过键合封装，且每个单独的所述超透镜与对应的所述中空间隔及所述图像传感器模块同轴。
18.实施本实用新型的基于超透镜的晶圆级光学成像系统，具有以下有益效果：通过将超透镜与图像传感器模块的晶圆级封装，有效的解决了传统光学系统体积大、重量沉、校准复杂、不易集成等缺点。
19.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本实用新型。
附图说明
20.图1是本实用新型实施例提供的基于超透镜的晶圆级光学成像系统的晶圆封装和结构示意图；
21.图2a是本实用新型实施例提供的超透镜的结构示意图；
22.图2b是本实用新型实施例提供的超透镜的四边形结构单元排列示意图；
23.图2c是本实用新型实施例提供的超透镜的正六边形结构单元排列示意图；
24.图3a是本实用新型实施例提供的超透镜的圆形纳米柱的结构示意图；
25.图3b是本实用新型实施例提供的超透镜的圆形纳米柱结构在940nm的光相位与横截面直径关系的示意图；
26.图3c是本实用新型实施例提供的超透镜的圆形纳米柱结构在940nm的透过率与横截面直径关系的示意图；
27.图4a是本实用新型实施例提供焦距为3mm的超透镜表面纳米结构的分布示意图；
28.图4b是本实用新型实施例提供焦距为3mm的超透镜表面半径与光相位关系的示意图；
29.图5a是本实用新型实施例提供的焦距为3mm的基于超透镜的晶圆级光学成像系统的0、0.5与1视场的调制传递函数示意图；
30.图5b是本实用新型实施例提供的焦距为3mm的基于超透镜的晶圆级光学成像系统的子午与弧矢焦点示意图；
31.图6是本实用新型实施例提供的仿真成像效果图；
32.图中标记为：
33.图像传感器模块层100，图像传感器模块1，
34.间隔层200，中空间隔2，
35.超透镜层300，超透镜3，基板31，超表面结构单元32，纳米结构33。
具体实施方式
36.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如
所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子，本实用新型中所涉及的“若干个”均是指其设置数量可以是一个或者是两个及以上的多个。
37.下面将结合附图1
‑
6和示例性实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.本实施例提供一种基于超透镜的晶圆级光学成像系统，包括依次设置的图像传感器模块层100、间隔层200以及超透镜层300。所述图像传感器模块层100包括若干个与所述超透镜层300排列相同的图像传感器模块1，其成像面朝向所述超透镜层300；所述间隔层200设置于所述超透镜层300与所述图像传感器模块层100之间，包若干个与所述超透镜层300排列相同的中空间隔2；所述超透镜层300包括若干个周期排列的超透镜3，所述超透镜3包含基板31与设置于所述基板31上的超表面结构单元32。
39.具体的，所述基于超透镜的晶圆级光学成像系统可以包括若干个晶圆封装，该基于超透镜的晶圆级光学成像经切割后得到的若干个晶圆封装可单独使用。使用时，被成像物体反射或者散射的光被所述超透镜3聚焦后被所述图像传感器模块收集并成像到所述图像传感器的感光面，感光面吸收被成像物体的光并转换成图像电信号输出。
40.具体的，所述超透镜层300的超表面结构单元对入射光的偏振不敏感，任意偏振方向光入射，所述超透镜3聚焦(响应)均相同。参见图2a，所述超透镜3包括基板31和设置于所述基板31一面的超表面结构单元32，所述超表面结构单元32呈周期排列，所述周期排列的阵列式超表面结构单元32 在不同位置处的单元周期相同，可选的，所述超表面结构单元32呈正六边形或正四边形排列，所述超表面结构单元32的中心位置分别设有纳米结构。示例的，本实施例中以正四边形排列的超表面结构单元32阵列为例进行描述，每个超表面结构单元32的中心位置分别设有一个纳米结构33，阵列示例图参见图2b。示例的，本实施例中以正六边形排列的超表面结构单元32阵列为例进行描述，每个超表面结构单元32的中心位置分别设有一个纳米结构33，阵列示例图参见图2c。可以理解的，所述超表面结构单元32的排列方式可以为其他满足需求的选择。
41.所述纳米结构33为纳米柱结构；所述纳米柱结构包括圆形纳米柱结构、圆孔纳米柱结构、中空纳米柱结构、环孔纳米柱结构、拓扑纳米柱结构中的一种或几种；所述纳米结构33的材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化镓、氧化钛、晶体硅、硫系玻璃、锗单晶、非晶硅、硫化锌和硒化锌中的一种。示例的，本实施例以圆形纳米柱为例进行描述；所述纳米结构33材质在 920
‑
960nm波段透明。示例的，本实施例以非晶硅纳米结构为例进行描述。可以理解的，所述纳米结构33的材质可以为其他满足在所述超透镜的工作波段透明的选择。纳米柱结构的横截面形状可为圆形、圆环形、正方形、正八边形、拓扑形状中的一种或多种的组合。示例的，本实施例以横截面为圆形的圆形纳米柱为例进行说明，参见图3a。
42.具体的，所述纳米结构的材料为目标波段处透明的材料，示例性的，目标波段的波长范围可以为920
‑
960纳米。进一步的，所述纳米结构的高度为 0.3
‑
25μm，可以选择为0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、 0.9μm、1μm、10μm、20μm、25μm等。
43.具体的，所述基板31的材料为目标波段处透明的材料，所述基板31的厚度为0.1
‑
3毫米，例如可以为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、1mm、 2mm、3mm等。可选地，当目标波段为940nm周围的窄带近红外光时，所述基板31材料可以为石英玻璃，所述基板31厚度为725μ
m。
44.作为本实用新型的其他优选实施例，所述超透镜层300没有所述超表面结构32的一面镀有与所述基31板材料匹配的目标波段的增透膜。
45.所述间隔层2材料为目标波段不透明的材料，开设有若干个通光孔，形成所述中空间隔21，每个所述通光孔的内径不小于单个图像传感器模块1外接圆的直径。示例性的，所述图像传感器模块1的感光面为2.8mmx2.1mm的长方形，相对应的间隔层100的通光孔的内径不小于3.5mm。
46.具体的，所述间隔层100厚度与所述超透镜层300的超透镜3后焦距相同。示例性的，所述超透镜3的后焦距为3mm，则间隔层厚度需3mm。
47.具体的，当目标波段为可见光波段或者近红外波段时，所述图像传感器模块1为互补金属氧化物半导体(cmos)；当目标波段为远红外波段时，图像传感器模块1为氧化钒探测器、非晶硅探测器和碲化铟探测器中的一种。
48.作为本实用新型的优选实施例，所述超透镜层300、所述间隔层200和所述图像传感器层100通过键合封装，且每个单独的所述超透镜3与对应的所述中空间隔2及所述图像传感器模块1同轴。
49.作为本实用新型的优选实施例补充说明，所述纳米柱结构的几何尺寸，包括纳米柱高度、横截面直径、纳米柱之间间距，可以根据不同情况的需求选择。本实施例中，所述超透镜3的纳米柱结构的高度大于或等于300nm，并且小于或等于25μm；纳米柱结构的最小尺寸(直径、边长和/或相邻的两个纳米柱结构间的最小间距等)大于或等于60nm；纳米柱结构的最大深宽比，即纳米柱结构的高度与超透镜3中纳米柱结构最小直径的比值，小于或等于 20。纳米柱结构在不同位置处的横截面直径部分相同或互不相同；纳米柱结构在不同位置处的结构周期相同；所述纳米结构33的光相位与纳米柱横截面直径相关；示例的，本实施例中，不同位置处纳米柱结构的高度均为480nm，相邻纳米柱结构中心之间的间距为410nm，纳米柱横截面直径大于或等于60nm，并小于或等于360nm。近红外光940nm时，纳米柱光相位与横截面直径之间的关系参见图3b；近红外光940nm时，纳米柱结构透过率与横截面直径之间的关系参见图3c。可以理解的，纳米柱结构的几何形状和尺寸可以为其他满足探测需求和加工条件的选择。
50.本实施例的基于超透镜的晶圆级光学成像系统，所述超透镜3的焦距为 3mm,故所述间隔层200的厚度为3mm，材质为光伏级晶体硅，电阻率不限。
51.本实施例中，所述超透镜3为圆形透镜，直径为3.8mm；所述超透镜3的光相位满足惠更斯表面聚焦透镜相位分布，所述超透镜3焦距为3mm，f数为 2.5，全视场角为50
°
。此超透镜3的微纳结构示意图参见图4a；此超透镜3 的光相位与表面半径的关系图可参见图4b。
52.本实施例中，图像传感器模块1为图像传感器为互补金属氧化物半导体 (cmos)，感光面尺寸为2.8mmx2.1mm，单个像元大小为3μmx3μm。
53.该基于超透镜的晶圆级光学成像系统中，调制传递函数(mtf)与像散(子午弧矢焦点)曲线能够全面地评估该成像系统的成像效果。本实施例中的光学成像系统的调制传递函数可参见图5a，其中0、0.5与1视场的传递函数均接近衍射极限限制的传递函数，且在截止频率160lp/mm处均大于0.4。像散曲线可参见图5b，可见所有入射角下的像散均小于10μm。成像仿真可以更加直观的说明本实施例中近红外成像系统的成像效果，本实施例的成像
系统成像图像可参见图6。
54.本实用新型提出的基于超透镜的晶圆级光学成像系统，通过将超透镜3 与图像传感器模块1的晶圆级封装，有效的解决了传统光学成像模组体积大、重量沉、校准复杂、不易集成等缺点。
55.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。