用于高分辨率无透镜光学传感的具有奇对称的相位光栅的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]平面傅立叶捕获阵列(PFCA)为图像传感设备，该图像传感设备采用角度敏感像素阵列来消除对于反射镜、透镜、焦距、或移动部件的需要。像素阵列可以使用标准集成电路制作工艺制成。由于这些优点，因此PFCA可以制得比最小聚焦照相机小得多并且便宜得多。
[0002]一些PFCA使用被称为“塔宝(Talbot)效应”的近场衍射效应来产生角度敏感像素。这种图像传感器包括在光电传感器阵列上进行图案化的并且平行于该光电传感器阵列的两个衍射光栅。光栅之间的间隔很重要，并且可能难以使用廉价且容易获得的制作工艺来可靠地获得。而且，光栅对感兴趣的波长带中的入射光的波长敏感，从而使其难以准确地重现彩色图像。
【附图说明】
[0003]图1A和图1B是具有奇对称光栅105的传感设备100的剖视图，该奇对称光栅105覆盖在光电检测器阵列I1上面并且模拟相应的入射平面115和160的光。
[0004]图2描绘了根据一个实施例的二元奇对称光栅200。
[0005]图3描绘了根据实施例的传感设备300，其中二元奇对称相位光栅305由两种不同折射率的材料之间的界面形成。
[0006]图4A是根据另一实施例的传感器400的平面图。
[0007]图4B是图4A的传感器400的三维透视图。
[0008]图5A、5B、5C、和每个均描绘了二维光电二极管阵列505上的三个奇对称边界500。
[0009]图6描绘了三个奇对称光栅600、620、和630，每个均具有不同相对宽度的特征段。
[0010]图7A是根据实施例的相位光栅700的剖面图，相位光栅700使用两个以上的水平来产生奇对称。
[0011]图7B是相位光栅710的剖面图，相位光栅710与图7A的相位光栅700光学上类似但使用较少的层。
[0012]图8是相位光栅800的剖面图，其图示如何能够将奇对称扩展成曲面函数。
[0013]图9是根据实施例的光栅900的平面视图，其中奇对称边界905沿径向从光栅的中心延伸，并且其中特征段的宽度随着远离中心而逐渐加宽。
[0014]图10是根据实施例的具有同中心的奇对称边界1005的光栅1000的平面视图，并且包括沿线A-A的剖视图。
[0015]图11是根据实施例的类似于图9的光栅900的光栅1100的平面视图。
[0016]图12是根据另一实施例的光栅1200的平面视图。
[0017]图13描绘了根据另一实施例的光栅1300。
[0018]图14描绘了光栅1400和所关联的光电二极管阵列1405。
[0019]图15描绘了光栅1500和所关联的光电二极管阵列1505。
[0020]图16是根据实施例的具有五边形的奇对称边界1605的光栅1600的平面视图。
[0021]图17A是根据另一实施例的光栅1700的平面视图。
[0022]图18描绘了设置在光电二极管阵列(未示出)上的光栅1805的二维阵列1800。
[0023]图19是详述如何根据图17的光栅1700来捕获并解析图像1905的流程图1900。
[0024]图20描绘了根据一个实施例的用于形成图像传感器2000的光刻工艺。
[0025]附图是以示例的方式进行说明，而非限制性的方式。附图中相同附图标记指代相似元件。
【具体实施方式】
[0026]图1A是具有覆盖在光电检测器阵列110上面的奇对称光栅105的传感设备100的剖视图。光栅105的特征提供对感兴趣的波长带中的入射光的波长相当大的不敏感性，并且提供对光栅105和光电检测器阵列110之间的制造距离相当大的不敏感性。光栅105产生干涉图案用于被阵列110捕获。然后，照片和其它图像信息可以从该图案中提取。因此，图像可以在没有透镜的情况被捕获，照相机可以制得小于那些依赖于透镜和射线-光学聚焦的照相机。
[0027]感兴趣的波长带中的光(诸如可见光谱)从与光栅105的横向平面120正交的方向115入射到光栅105。虚线125突出显示周期性的基本上奇对称边界。这些边界中的每个边界是奇对称的特征130和135的结果，并且产生由相邻特征130和135之间的相消相位干涉所产生的最小强度的正常布置的幕帘140。幕帘140通过聚焦145分离，并且幕帘140和聚焦145 (最大光强度的幕帘)的集合从光栅105延伸穿过设备100的本体150，以在光电检测器阵列110上产生干涉图案。阵列110内的一个光敏元件155在聚焦145下方被遮蔽以便作为后续讨论设备100对入射光的角度的敏感性的参考。
[0028]图1A的图像是从使用以下参数并且假定特定参数模拟传感设备得到的。本体150是由熔融石英制成，并且与具有间隔为2.2 μ m的光敏元件的常规的光电检测器阵列110接触。光栅105的顶部在本示例中为空中界面。特征130和135的相对较小的段大约为I μπι，并且相对较大的段大约为4 μ m。这些段通常形成横向平面120，该横向平面120与阵列110分离大约25 μ m0对于532nm的入射光，幕帘140和聚焦145为相消干涉图案和相长干涉图案。
[0029]尽管选择532nm的光用于模拟，但是对于400nm的光，本体150的厚度被优化。因此，最紧密的聚焦发生在阵列110上(在20 μπι的标记处)大约5 μπι处。然而，所得幕帘140清楚地分离远在20 μ m的标记上方和下方的聚焦145，从而说明对感兴趣的带内的波长鲁棒的不敏感性。幕帘140的相对深的且连续渗透还为本体150的厚度提供了相当大的制造公差。
[0030]图1B描绘了呈锐角160模拟光入射平面120来图示幕帘140和聚焦145对入射角的敏感性的图1A的传感器100。使用元件155作为参考点，我们看到，在图1B中，照在图1A中的元件155上的聚焦145已经显著向右移动。幕帘140和聚焦145以锐角延伸，根据斯涅耳定律该锐角与角度160有关。维持通过幕帘140来分离聚焦145。因此，传感器100对入射角敏感。
[0031]图2描绘了根据一个实施例的二元奇对称光栅200。三个奇对称边界中的每个边界使用垂直虚线表示。光栅200的上部特征相对于下部特征的高度足以引起感兴趣的带中的二分之一的迟延波长、或弧度的相对相位延迟。每个边界的任一侧上的特征205和210使用三个不同大小的段展现奇对称。通过这种布置，配对的段(例如，特征205和210内的W。)引起相应的相位延迟，该相位延迟在感兴趣的波长带上相差大约半个波长。
[0032]图3描绘了根据实施例的传感设备300，其中二元奇对称相位光栅305由两种不同折射率的材料之间的界面形成，在本示例中为聚碳酸酯层315和光学重镧火石玻璃320。四个奇对称边界325中的每个边界使用垂直虚线来表示。如在前述示例中，光栅310的上部特征相对于下部特征引起半个波长(31弧度)的相位迟延。每个边界的任一侧上的特征330和335均展现奇对称。通过这种布置，配对的特征引起相应的相位延迟，该相位延迟在感兴趣的波长带上相差大约半个波长。
[0033]这些元件以结合图1A和IB详述的方式在检偏器层325 (例如，