光场图像传感器、方法及应用的制作方法

专利名称：光场图像传感器、方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明的多个实施方案一般指向光场及光场图像检测领域。更特别地，本发明的 多个实施方案指向无透镜的角度敏感像素(ASP)设备以及由能够测量光场的强度及方向 角以提供光场图像的两个或多个无透镜的ASP设备组成的无透镜的光场图像检测器。本发 明的多个实施方案还包括，但不限于，伪3D的CMOS、ASP成像设备、与所述设备实施方案关 联的成像方法、以及其应用。相关技术讨论传统的成像使用光敏元件的大型阵列，以在图像平面建立光强度的分布图。但是， 该强度分布图不能采集入射角、偏振角以及光射线经过图像平面的其他特性。这些附加的 参数的完整描述定义了在图像平面的光场或光的“流”。Michael Faraday在19世纪中叶首先提出了光作为场的概念。该概念被在三维 空间中的“光场”的理论扩展。在一个给定的点上，光场被向量的无限集合定义，该向量代 表从所有的角度到达该点的光。光场能够被多个变量的“全光函数”形式上地定义。该全 光函数关于强度I参数化了经过所有空间的光射线，该强度I取决于空间(X，1，ζ)中的位 置，方向(Θ，炉)，波长(入)，时间(t)以及偏振角(ρ)。因此，I(x，y，z，θ ,φ, λ，t，p)是 可见景像的完整表示并且包含场景的所有可能的视图。测量全光函数将要求观察者在时间中的所有瞬间以及在空间中的每个点上，对每 个波长能够确定每个射线的强度。明显地，对任何实际场景，全光函数的完美确定是不可能 的。但是，共同地已知为光场成像的多种技术已被设计，其能够在平面上记录超出简单的强 度的全光函数的多个方面。一种报告的方法使用针孔照相机阵列，其中每个相机在特殊的 位置(Xo，y。)采集与入射的角度相关的强度ι (θ，识)。相机在不同的位置(Xi，Yi)采集全 光函数的片段I(x，y，θ ,φ)α传统相机阵列也能够被使用，同样照相机扫描或多个遮光框 (mask)也能够使用。小尺寸的解决方案已使用微镜头以仿真相机序列。但是，所有的这些 方法需要大量的并列的或可移动的光学部件，以采集关于超出简单的强度分布图的光场的 fn息ο有关场景的光场的记录信息提供了比传统照片或电影更完整的该场景的描述，并 且对多个应用是有用的。光场允许在给定的已知源的表面上的照明图的预测以及场景的三 维重建(例如，“光场重现”或者“三维形状近似”)。图la，Ib显示了光场的一个方面，例如 入射角，是怎样能够用于定位三维空间中的光源。采集光场也允许用任意的焦面和光圈来构建图像。在照相学和显微学中，该能力对获得多个焦面而不移动光学部件来说是有用的。广泛种类的应用需要关于微尺寸采样的三维结构的信息。使用没有附加硬件的半 导体芯片产品直接采集该信息将减少很多仪器和检验的大小和成本几个数量级。现有的固 态图像传感器采用大量光敏像素，其采集入射光的强度分布图，但是无角度信息。在典型的 成像应用中，需要透镜以确保强度分布图表示感兴趣的一些目标。不使用透镜，必须纯粹地 依靠包含在照射图像传感器的光射线中的信息。如果采样被放置在足够地接近于图像传感 器，并且被照射，作为结果的强度分布图将典型地包含一些模糊不清的二维空间信息。三维 信息被完全地丢失。包含在光射线的入射角内的信息是所感兴趣的，因为其还包含可恢复 的空间信息。迄今为止，在未修改的集成电路技术中，宏观角度检测器已被提供。像素尺寸角度 敏感结构已在芯片上被提供，但是需要在后装配的微透镜阵列，其在标准成像器的制造及 使用上大大增加了成本和复杂性。另一个被报告的技术涉及使用金属区域的硅绝缘体(SOI)结构，该金属区域和光 的波长有很大关系，以在下部的光电二极管上产生阴影。该方法据报道已被用于执行单一 的角度测量，但是不是很适合于在成像器阵列中采用。发明人认识到，对在现有技术中的缺点及挑战的解决方案和改进是必要的并且将 是有益的。更具体地，对比于需要多个透镜和/或可移动部分的其他方法，单片式的、不需 要除传感器本身之外的光学部件的、并且能在标准平面微细工艺(例如CMOQ中被生产的 器件在技术中是有优势的。这里公开的以及要求权利的本发明的多个实施方案成功地解决 了这些问题，并达到了这些目标。

发明内容
本发明的多个实施方案指向用于测量在给定的图像平面上的光场的装置及方法。 这里公开的像素及检测器设备对出自目标场景的入射光的强度和入射角是灵敏的。公开的 装置及方法利用周期的光衍射结构的Talbot效应，以通过其幅度以及方向来特征化入射 光。在某些方面，在大量传感器位置的每个处的微尺度的衍射光栅用于采集该信息。为了 从数字图像传感器的典型的像素分辨这些设备中的某些，这里我们把它们称作“角度敏感 像素” (ASP)。本发明的一个实施方案是在标准CMOS制造过程中整体地制造的角度敏感像素设 备。在非限制的方面，该ASP设备含有设备支持结构；第一周期的光衍射结构，其具有周期 P1，布置在支持结构的顶面内或支持结构的顶面上；第二周期的结构，其具有周期P2，平行 于第一周期的结构被定向并且在第一周期的光衍射结构之下以所选择的距离布置在支持 结构中。如这里使用的，m、η是正整数，λ是在第一周期的光衍射结构上的单色的平面的 入射波前的波长，并且P1等于或大于λ。在一个方面，P1等于ρ2。根据一个方面，第二周期 的结构还含有至少两个交错的扩散型二极管的至少两组，该二极管可以是指状二极管。该 二极管组分别横向地从第一周期的光衍射结构偏移距离nPl/m，其中η能取值0、1、2、3、4、 5、6、7、8，并且m能取值2、3、4、8。该交错的二极管组在第一周期的光衍射结构以及第二周 期的结构之下，以选择的距离Zn = (Hi1Ai1) (2Ρι2/ λ )布置。具体化的微尺寸设备需要周期的衍射结构以产生Talbot自身图像、以及用于分析这些自身图像的结构。通过调整整个设备使其安装在一侧上的最多十微米的区域内，空 间分辨率可以达到与现有的图像传感器可比的程度。在一个阐释性的方面中，周期的衍射 结构在这个区域内将具有几个周期，以产生可操作的周期自身图像。因此衍射结构可具有 仅几个波长的一个周期。目前的平面光刻技术能容易地达到产生合适的衍射结构所需要的 分辨率。数字建模及仿真能够准确地预测建立在单一微米尺寸上的有限的光栅的反应。根据一般的实施方案，用于分析由周期的衍射结构产生的自身图像的结构可以是 集成的光检测器；例如，至少两个扩散型二极管的周期的交错的至少两组在技术中是被熟 知的。根据于此以下描述的进一步的实施方案，用于分析自身图像的结构可以是周期的结 构的一层或多层，其后是以以下形式的传感器扩散型二极管的周期的交错的至少两个组、 在技术中已知的一个或多个单一的大阱型二极管、或布置在(并且部分地被封进)一个或 多个单一的大阱型二极管中的交错的扩散二极管的组合。周期的结构的一层或多层可以或 可以不共同垂直地排列。本发明的一个实施方案是无透镜的角度敏感像素(ASP)设备，其包含设备支持结 构；第一周期的光衍射结构，其具有周期P1，布置在支持结构的顶面中或支持结构的顶面 上；第二周期的结构，其具有周期P2，平行第一周期的光衍射结构被定向，并且在第一周期 的光衍射结构下方，以选择的间距布置在支持结构中；以及传感器，其在第一周期的光衍射 结构以及第二周期的结构下方，以选择的间距布置在支持结构中。本发明的一个实施方案是无透镜的光场检测器，其包含检测器支持结构；第一像 素设备以及邻近第一像素设备线性地布置的第二像素设备。第一像素设备包括第一周期 的光衍射结构，其具有周期P1，布置在支持结构的顶面中或支持结构的顶面上；第二周期的 结构，其具有周期P2，平行第一周期的光衍射结构被定向，并且在第一周期的光衍射结构下 方，以选择的间距布置在支持结构中，其中第二周期的结构非横向地从第一周期的光衍射 结构偏移；以及第一传感器，其在第一周期的光衍射结构以及第二周期的结构下，以第一选 择的间距布置在支持结构中。第二像素设备包括第一周期的光衍射结构，其具有周期P1，布 置在支持结构的顶面中或支持结构的顶面上；第二周期的结构，其具有周期P2，平行第一周 期的光衍射结构被定向，并且在第一周期的光衍射结构的下方，以选择的间距布置在支持 结构中，其中第二周期的结构横向地从第一周期的光衍射结构偏移数量Oll1Al2Vp1 ；以及第 二传感器，其在第一周期的光衍射结构下方，以第一选择的间距布置在支持结构中，其中m， η是正整数，λ是在第一周期的光衍射结构上的单色的平面的入射波前的波长，Pl大于λ。 根据一个方面，第一及第二像素设备还包括第一中间的周期的光衍射结构，其具有周期P1, 布置在第一周期的光衍射结构和第二周期的结构之间，垂直于第一及第二周期的结构被定 向；以及第二中间的周期的光衍射结构，其具有周期Ρ2，布置在第二周期的结构和第一及第 二传感器之间，垂直于第一及第二周期的结构被定向，其中在第一像素设备中，第一和第二 中间的周期的光衍射结构非横向地分别从第一及第二周期的结构偏移，进一步地，其中在 第二像素设备中，第一及第二中间的周期的光衍射结构横向地分别从第一及第二周期的结 构偏移数量(m2/m2)/Pl。根据一个方面，检测器还包括邻近第(n-1)个像素设备线性地布 置的至少第η (η彡3)个像素设备，其包含第一周期的光衍射结构，该结构具有周期P1，布置 在支持结构的顶面中或支持结构的顶面上；第二周期的结构，其具有周期Ρ2，平行于第一周 期的光衍射结构被定向，并且在第一周期的光衍射结构下方，以选择的间距布置在支持结
8构中，其中第二周期的结构横向地从第一周期的光衍射结构偏移数量(mn/nn)/Pl，其中(mn/ nn) > Ov1Av1)；以及第η个传感器，其在第一周期的光衍射结构下方，以第一选择的间距 布置在支持结构中。在进一步的方面中，每个第η (η ^ 3)个像素设备还包括第一中间的周 期的光衍射结构，其具有周期P1，布置在第一周期的结构和第二周期的结构之间，垂直于第 一及第二周期的结构被定向；以及第二中间的周期的光衍射结构，其具有周期P2，布置在第 二周期的结构和第η个传感器之间，垂直于第一及第二周期的结构被定向，其中在每个第 η (η ^ 3)个像素设备中，第一及第二中间的周期的光衍射结构横向地从第一周期的光衍射 结构偏移数量(mn/nn)/Pl，其中(mn/nn) > Ov1Av1)。本发明的另一个实施方案是无透镜的光场成像设备，其包括如这里阐述的ASP光 场检测器的二维MXN阵列，其中M、N是等于或大于1的整数。根据所有上述的实施方案，周期的衍射结构可以是多种形式，包含但不限于衍射 光栅、平行双线阵列、Ronchi刻线(Ronchi ruling)以及技术中熟知的其他结构。衍射孔 径可以是以狭缝或其他孔径形状的形式。光栅可以有利地由金属制成。传感器可以是，但 不限于，反向偏置p-n结二极管、正向偏置二极管、p-i-n 二极管、电荷耦合器件(CXD)或单 光子雪崩二极管中的一个。例如，如果入射光具有可有利地被变窄的广谱，那么设备可以结 合一个或多个滤光器。本发明的一个实施方案指向于用于确定来自物体的入射光的方向的方法，其包括 创建来自物体的入射光的周期干涉图案、检测该干涉图案以及基于不同二极管的相对的照 明确定相对于参考位置的图案的相移。本发明的多个实施方案因此涉及成像设备以及方法，其能够启动关于目标光的三 维结构的信息的提取。这里描述的成像器的类型中的每个ASP可提取光的入射角以及其亮 度。独立的ASP可用于定位一个或多个光源(例如，对于太阳跟踪)。当很多这样的ASP结 合在阵列中时，这样的信息可用于重建三维表面或者3D空间中的多个不同的点，其在例如 生物成像中可具有应用。根据本发明的多个实施方案的成像设备可在标准半导体制造过程 中，例如用于建造微处理器以及现代数码相机成像器的过程中，例如，标准CMOS制造过程， 被有利地被建立。应理解，上述一般的描述和下文详细的描述都仅仅是本发明的示例，并且意味着 提供用于理解如要求权利的本发明的性质和特征的综述或框架。包含的附图提供本发明的 进一步地理解，并且被并入本说明书并且构成本说明书的一部分。附示了本发明的各 种实施方案，并且与描述一起共同用来解释本发明的原理及操作。


图Ia显示了光场成像器的透视图像以及来自光源的光怎样以不同的入射角照射 阵列的每个像素；图Ib根据本发明的一个阐述性的实施方案，图示了如果阵列中的每个像 素能够确定入射角以及其检测到的光的强度，则阵列能够在三维中定位光源；图加是以尺寸和维度定义的衍射光栅的横截面示意图；图2b显示了光通常入射 在光栅上的Talbot效应的FDTD仿真，以及在l/2Talbot深度的倍数的自身图像；图Ic是 根据本发明的一个阐述性的实施方案，基于FDTD仿真的曲线，其显示了随着入射角从θ = 0°移动到5°，自身图像在l/2Talbot深度的横向地移动；
图3 根据本发明的一个阐述性的实施方案，图示了在l/2Talbot深度处包括分析 栅的效应的FDTD仿真，含有a)当自身图像的波峰与分析栅的栅栏对齐时，少量的光穿过 到达之下的光检测器；b)当入射角度移动以致波峰与分析栅中的空隙对齐时，更多的光经 过而到达检测器；c)检测的光的强度随着入射角的扫掠周期性地变化；图4a、b根据本发明的可选择的示例性的方面，利用图表显示了用于提取关于衍 射图相位的信息的结构；图fe图示了 ASP设备，其具有多个相邻的单阱光电二极管以及布置在上面的堆叠 的偏移的光栅(黑色虚线图示了光栅的相应校准)；图恥根据本发明的一个实施方案，显 示了各种偏移的仿真结果注意，产生波峰响应的入射角随着光栅的偏移成比例地变化；图6a、b是根据本发明的一个实施方案的以130nmCM0S制造的a) —个ASP以及b) ASP的8X8阵列的微观照片；图7是根据本发明的一个可选择的方面的图像传感器的图解的横截面图；图8是根据本发明的一个实施方案的基于ASP的光场摄像设备的透视图；图9是根据本发明的一个阐述性的方面，显示了当入射角扫掠时ASP的测量的响 应的图示；图10是根据本发明的一个阐述性的方面，显示在角灵敏度b以及调制深度m上的 波长的测量的影响的图示；图11根据本发明的一个阐述性的方面，显示了对于保持在阵列上方500um并且稍 向左的光源的所测量的ASP阵列的响应a)独立传感器的响应，其中比较亮的方格代表被 猛烈照射的传感器并且白线划定独立ASP的界限；b)为每个ASP (被投影到x-y平面)计 算出的入射角；图12根据本发明的一个阐述性的方面，显示了 8 X 8ASP阵列怎样准确地分辨在3D 空间中光源的位置a)由于在阵列上方550um的光源，所测量的光矢量场能够清晰地重构 位置中横向的移动(在该情况下为IOOum) ；b)测量的光光矢量场也能够用于重构在光源的 深度(ζ)中的变化，在该情况下为50um;图13是根据本发明的一个可选择的方面的图像传感器的图解的横截面图；图14根据本发明的一个可选择的方面的图像传感器的图解的横截面图；图15根据本发明的一个可选择的方面的图像传感器的图解的横截面图；图16a、16b分别是根据本发明的一个阐述性的方面，可选择的成像传感器的俯视 图和截面图；图17(a_c)根据本发明的一个示例性的实施方案，显示了全部的交错的二极管光 场传感器单元的顶视横截面平面图；图18是根据本发明的一个阐述性方面，其中所有的二极管被移动1/8的金属光栅 栅距的图解的横截面图；图19根据本发明的本发明的一个阐述性方面，图解地显示了来自相对于光栅在 0°、90°、180°、270°的四个不同的二极管阵列的仿真的光电流，其中入射角从-30°扫 掠到30° ；图20(a_c)根据本发明的一个示例性的实施方案，利用图表图示了使用入射角数 据连同透镜系统来计算3D位置；
图21是根据本发明的一个可选择的方面的图像传感器的图解的横截面图；以及图22是根据本发明的一个可选择的方面的图像传感器的图解的横截面图。
具体实施方案将详细参考本发明的现有示例性的实施方案，其实施例图示在附图中。本发明的多个实施方案指向于角度敏感像素设备以及并入这些ASP设备以测 量入射光的强度及入射角的光场图像检测器、以及关联的方法。公开的装置及方法利用 Talbot 效应。Talbot效应、或周期性物体如衍射光栅的自身成像特征被Henry FoxTalbot在 1836年首次发现。当无限衍射光栅被垂直于它的表面的平面波照射时，光栅的相同的图像 在光栅后的某些相等的空间距离上形成。图加利用图表图示了衍射光栅102的参数，其中 入射光100(标称500nm波长)以法线入射及以θ =5°入射角照射光栅。Talbot效应是 Fresnel衍射的结果，并且如在图2b中显示的以箭头1标出的干涉图像(衍射图)104在 Talbot距离Zt = 2d2/λ的整数倍上形成，其中d是光栅的周期以及λ是入射光的波长。 另外，更复杂的子图像105、106在极小的Talbot距离ζ = (m/n)zT(以箭头1/2、3/2标出) 上能够被观察到，其中m和η是正整数。Talbot效应的一个特征是其对于离轴照射的响应。对于被以角度θ入射的离轴 平面波照射的宏观(d>> λ)线性光栅，自身成像在距离ζ = 2COS3(e)d2/x的倍数上 被观察到。另外，作为离轴波传播的结果，图像显示出垂直于光栅线的横向的移动ΔΧ = Ζ
tan(θ)。离轴照射的多个源中的每个产生它们各自的横向地移动的光栅自身成像组，并且 这些自身成像叠置。对于小角度，这些自身图像全部在大约相同的距离上形成，并且叠置的 图像包含关于照射幅度以及方向的信息。照射光栅的光射线的入射角能够通过测量Talbot 自身图像中的移动被确定。图2c利用图表显示了在对于垂直的入射光以及以θ =5°入射的光的二极管平 面上的Talbot图像的光强。衍射图的横向移动随着入射角而变化。标准CMOS电路的现代半导体制造过程允许在光的单一波长的数量级上的非常细 微特征的制作，并且因此允许金属衍射光栅以及比可见光的波长小的光电二极管阵列的构 造。为了在标准CMOS层堆叠中产生Talbot效应，自身图像需要在衍射光栅的微米内形成。 这可能需要衍射光栅具有仅仅几个波长的一个周期。传统的衍射分析在这些尺寸是无效 的；但是，例如用于产生图2的那些数字仿真证实了即使对这些几何结构，衍射在规则的距 离产生类似Talbot的自身图像。这些周期强度图保持入射角灵敏度。然后，挑战是使用在像素尺寸上的结构提取在这些周期强度图中的移动。对于宏 观尺寸的应用，测量这些移动的最简单的方法是在自身图像形成的平面上放置CXD或CMOS 光电传感器的小阵列。该阵列直接地采集自身图像，其能够用于确定入射光的角度及强度。 对于微尺寸，然而，在硅中的光渗透深度限制了光电二极管的分辨率为大约lum，使得分辨 自身图像的亚微米特征变得困难。微尺寸的光场成像器设备需要Talbot自身图像发生器以及能够分析这些图像的 结构。为了达到与现有的图像传感器可比的空间分辨率，整个设备结构必须安装在一侧上的最多十微米的区域内。为了产生合理的周期自身图像，光栅必须具有在这个区域内的几 个周期。结合这两个约束条件建议使用以仅几个波长为周期的光栅。当代平面光刻技术能 容易地达到产生合适的衍射结构所需要的分辨率。数字建模及仿真能够准确地预测建立在 单微米尺寸上的有限光栅的反应。数值处理显示，只要周期大于入射光的波长，类似Talbot的自身图像能够在极接 近于衍射光栅中被观察到。我们使用时域有限差分(FDTD)技术及如图2b和2c中所示的 观察到的图来执行仿真。特殊地，从l/2Talbot距离开始，我们观察到周期与衍射光栅相同 的强的强度图。附加的仿真显示，在离轴照射下，由高密度光栅产生的强度图横向地移动。 移动到波长尺寸的衍射光栅的效果是压缩了更高阶的微小的Talbot图像。为了提取关于Talbot图的入射角信息，特征化自身图像的水平偏移是必要的。之 前报告的工作使用光栅(及自身图像)，其远大于(栅距d = 250um)图像传感器本身的像 素。因此图像传感器阵列能够直接地采集自身图像作为一组电信号。但是，在根据本发明的 一个方面的微尺寸设备中，高密度成像器阵列需要1/4光栅栅距(例如，在200nm的数量级 上)的像素间距，以有效地分辨Talbot图像的特征。虽然亚微米光电传感器能够被建造， 但是它们采集的图像往往被扩散效应弄得模糊，限制它们真实的分辨率于Ium或更坏。由本发明的一个实施方案提供的解决方案含有第二平行分析栅304，其周期与布 置在自身图像平面的第一光栅302的周期相同，如图3a、3b中所图示的。第二(分析)光 栅304使用Moir6效应以过滤Talbot图像。当强度波峰与在图北中所显示的第二光栅内 的空隙对齐时，光经过分析栅304。当强度波峰在校准(图3a)之外时，分析栅的栅栏阻挡 了光。通过在分析栅下放置单个大的光电传感器并且测量总光通量，我们能够提取自身图 像与分析栅的校准。图4b显示了用于提取关于衍射图相位的空间信息的这样一个结构的实施方案 300-2的示例性的图解的图示。在集成在基底310中的单个大的阱型二极管307的上方，两 个金属光栅3(^a、302b以相对彼此90°的横向偏移放置。移动0°、180°、270°或可选择 地0°、120° ,240°的光栅的独立的像素，例如，将提取全部角度信息。该方法将二极管的 设计从光栅的设计中去耦，允许更好的二极管。而且，因为在这个方面的最优的特征是光栅 本身而不是光电二极管，所以同类型的结构能够使用较低的分辨率光刻(即，在较大特征 尺寸中的较便宜的制造工艺)来被制造。检测的总光通量取决于全部的源亮度和入射角。这可能导致在传感器输出中强度 和角度之间的模糊不清，因为亮源在被阻挡的角度产生与在被分析栅经过的角度的暗源相 同的传感器输出。为了消除角度和强度的模糊，按照如图如所图示的本发明的一个方面， 检测器400-2包含集成在基底410中的η个(如显示，η = 4)单个阱型二极管传感器407η， 以及极接近地放置在上方的以便其可见近似相同光场的两个堆叠的光栅40h、402b。每个 二极管具有在分析器光栅402b和图像产生光栅40 之间的不同的相对偏移。使用传感器 组中的每个产生的唯一的信号，能够复原强度及入射角。对于在不同角度的平面照射下的一组4个传感器的仿真的响应在图恥中示出。可 见，经过分析栅的透射因为周期的自身图像的横向移动而在入射角中是周期的。这些传感 器的响应能够被以下公式近似地模拟R0 = I0(l-mcos(b θ ))F( θ )
R174 = I0 (1+mcos (b θ )) F ( θ )R172 = I0 (1+mcos (b θ )) F ( θ )(1)R374 = I0 (1-mcos (b θ )) F ( θ )其中Itl成比例于入射强度，θ是入射角，m是调制深度的测量值，以及b是角灵敏 度的测量值。F( θ )是所包含的偶对称函数，以说明了表面反射以及减小独立于角灵敏度的 高角度入射光的响应的其他影响。从在公式1中的4个输出，确定光的强度以及入射角(在x-z平面中)是可能的。 总计ASP响应Rtl及！？…(R174或R3/4)移除了由入射角产生的调制，并且提供了在全部的强度 上的信息。
权利要求
1.一种无透镜的角度敏感像素(ASP)设备，包括 设备支持结构；第一周期光衍射结构，其具有周期P1，布置于所述支持结构的顶面内或所述支持结构 的顶面上；第二周期结构，其具有周期p2，平行于所述第一周期光衍射结构被定向，并且在所述第 一周期光衍射结构下方，以选择的距离布置在所述支持结构中；以及传感器，其在所述第二周期结构下方布置在所述支持结构中，其中P1等于或大于λ，所 述λ是在所述第一周期光衍射结构上的单色的平面的入射波前的波长。
2.如权利要求1所述的设备，其中P2= Pl。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述第二周期结构以第二选择的Talbot距离zT2= (Hi2Ai2) (2Ρι2/λ)布置在所述支持结构中，其中m、n是正整数并且P1等于或大于λ。
4.如权利要求1所述的设备，其中在所述第一周期光衍射结构以及所述第二周期结构 下方，所述传感器以第一选择的Talbot距离zT1 = (Hi1Ai1) Op12/λ)布置在所述支持结构 中，其中m、n是正整数并且P1等于或大于入。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述传感器是单阱型p-n光电二极管。
6.如权利要求4所述的设备，其中所述传感器包括至少两组周期的交错的扩散型二极 管，进一步地，其中所述二极管组分别横向地从所述第一周期光衍射结构偏移距离nPl/m， 其中η能取值0、1、2、3、4、5、6、7、8并且m能取值2、3、4、8。
7.如权利要求5所述的设备，其中所述传感器还包括以深度zT1= (Hi1Ai1) (2Ρι2/λ)被 布置的至少两组周期的交错的扩散型二极管，进一步地，其中所述二极管组分别横向地从 所述第一周期光衍射结构偏移距离nPl/m，其中η能取值0、1、2、3、4、5、6、7、8并且m能取值 2、3、4、8，进一步地，其中所述二极管组布置在所述单阱型p-n光电二极管中。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述第一周期光衍射结构为Ronchi刻线。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述设备是集成的CMOS半导体结构。
10.一种无透镜的光场检测器，包括 检测器支持结构；第一像素设备，其包括第一周期光衍射结构，其具有周期P1，布置在所述支持结构的顶面内或所述支持结构 的顶面上；第二周期结构，其具有周期P2，平行于所述第一周期光衍射结构被定向并且在所述第 一周期光衍射结构下方，以第二选择的Talbot距离h = (m2/n2) (2Pl2/ λ )布置在所述支持 结构中，其中所述第二周期结构非横向地从所述第一周期光衍射结构偏移；以及 第一传感器，其在所述第二周期结构下方，以选择的距离布置在所述支持结构中， 进一步地，其中m、η是正整数，λ是在所述第一周期光衍射结构上的单色的平面的入 射波前的波长，P1等于或大于λ ；以及第二像素设备，其邻近所述第一像素设备被线性地布置，包括 第一周期光衍射结构，其具有周期P1，布置在所述支持结构的顶面内或所述支持结构 的顶面上；第二周期结构，其具有周期P2，平行于所述第一周期光衍射结构被定向，并且在所述第 一周期光衍射结构下方，以所述第二选择的Talbot距离布置在所述支持结构中，其中所述第二周期结构横向地从所述第一周期光衍射结构以(Hl2Al2)P1的量偏移；以及第二传感器，其在所述第二周期结构下方布置在所述支持结构中。
11.如权利要求10所述的检测器，其中在所述第一周期光衍射结构下方，所述第一传 感器以第一选择的Talbot距离zT1 = (Hi1Ai1) (2Ρι2/ λ )布置在所述支持结构中，进一步地， 其中Zt2小于Zt1。
12.如权利要求10所述的检测器，其中p2= Pl。
13.如权利要求10所述的检测器，其中所述第一传感器以及第二传感器每个都是单阱 型p-n光电二极管。
14.如权利要求13所述的检测器，其中所述第一传感器以及第二传感器中的每个还 包括以深度zT1 = (Iii1Ai1) (2Ρι7 λ)被布置的至少两组周期的交错的扩散型二极管，进一步 地，其中所述二极管组分别横向地从所述第一周期光衍射结构偏移距离nPl/m，其中η能取 值 0、1、2、3、4、5、6、7、8 并且 m 能取值 2、3、4、8，进一步地，其中所述二极管组中的每个分别地布置在每个所述单阱型P-n光电二极管中。
15.如权利要求10所述的检测器，其中所述第一传感器及第二传感器中的每个还包括 在所述第一周期光衍射结构的下方以深度zT1 = (Iii1Ai1) (2Ρι2/λ)布置的至少两组周期的 交错的扩散型二极管，其中ζΤ2 < zT1，进一步地，其中所述二极管组分别横向地从所述第一 周期光衍射结构偏移距离即乂！！！，其中！！能取值^^^^力^口^并且！！！能取值〗、〗、*』。
16.如权利要求10所述的检测器，还包括邻近于第(η-1)像素设备线性地布置的至少一个第η (η彡3)像素设备，其包括 第一周期光衍射结构，其具有周期P1，布置在所述支持结构的顶面内或所述支持结构 的顶面上；第二周期结构，其具有周期P2，平行于所述第一周期光衍射结构被定向并且在所述第 一周期光衍射结构下方布置在所述支持结构中，其中所述第二周期光衍射结构横向地从所述第一周期光衍射结构以量(HlnAln)P1偏移， 其中(mn/nn) > Ov1Av1)；以及第η传感器，其在所述第一周期光衍射结构下方，以所述第一选择的Talbot距离布置 在所述支持结构中。
17.如权利要求16所述的检测器，其中所述第η传感器是单阱型p-n光电二极管。
18.如权利要求16所述的检测器，其中所述第η传感器还包括在所述第一周期光衍 射结构下方以深度z = (Iii1Ai1) (2Ρι7 λ)布置的至少两组周期的交错的扩散型二极管，其 中ζΤ2 < zT1，进一步地，其中所述二极管组分别横向地从所述第一周期光衍射结构偏移距离 nPl/m，其中η能取值0、1、2、3、4、5、6、7、8并且m能取值2、3、4、8，进一步地，其中所述二极 管组中的每个分别地布置在每个第η单阱型P-n光电二极管中。
19.如权利要求17所述的检测器，其中所述第η传感器还包括以深度zT1= (Hi1Ai1) (2Ρι2/λ)布置的至少两组周期的交错的扩散型二极管，进一步地，其中所述二极管组分别横向地从所述第一周期光衍射结构偏移距离nPl/m，其中η能取值0、1、2、3、4、5、6、7、8并且 m能取值2、3、4、8。
20.如权利要求10所述的检测器，其中所述第一像素设备及第二像素设备还包括 第一中间周期光衍射结构，其具有周期P1,布置在所述第一周期光衍射结构和所述第二周期光衍射结构之间，垂直于所述第一周期结构及第二周期结构被定向；以及第二中间周期光衍射结构，其具有周期P2，布置在所述第二周期结构和所述第一传感 器及第二传感器之间，垂直于所述第一周期结构及第二周期结构被定向，其中在所述第一像素设备中，所述第一中间周期光衍射结构及第二中间周期光衍射结 构非横向地从分别的所述第一周期结构及第二周期结构偏移，进一步地，其中在所述第二 像素设备中，所述第一中间周期光衍射结构及第二中间周期光衍射结构横向地从分别的所 述第一周期结构及第二周期结构以量(Hl2Al2)P1偏移。
21.如权利要求20所述的检测器，其中p2= Pl。
22.如权利要求16所述的检测器，其中每个第η(η ^ 3)像素设备还包括第一中间周期光衍射结构，其具有周期P1,布置在所述第一周期结构和所述第二周期 结构之间，垂直于所述第一周期结构及第二周期结构被定向；以及第二中间周期光衍射结构，其具有周期Ρ2，布置在所述第二周期结构和所述第η传感器 之间，垂直于所述第一周期结构及第二周期结构被定向，其中在每个第η (η ≥ 3)像素设备中，所述第一中间周期光衍射结构及第二中间周期光 衍射结构横向地从所述第一周期结构以量(mn/nn)Pl偏移，其中(mn/nn) > (IV1ZV1)t5
23.如权利要求13所述的检测器，还包括布置在所述第一单阱型p-n光电二极管及第 二单阱型p-n光电二极管的每个中的至少两组周期的交错的扩散型二极管。
24.如权利要求17所述的检测器，还包括布置在第η单阱型p-n光电二极管的每个中 的至少两组周期的交错的扩散型二极管。
25.一种无透镜的光场成像设备，包括如权利要求10中阐述的光场检测器的二维MXN 阵列。
26.一种无透镜的光场成像设备，包括如权利要求16中阐述的光场检测器的二维MXN 阵列。
27.一种像素设备，包括 设备支持结构；第一周期光衍射结构，其具有周期P1，布置在所述支持结构的顶面中或所述支持结构 的顶面上；第二周期结构，其具有周期P2，平行于所述第一周期结构被定向，在所述第一周期光衍 射结构下方，以选择的Talbot距离、=(m/n) (2Pl2/ λ )布置在所述支持结构中，其中m、n是正整数，λ是在所述第一周期光衍射结构上的单色的平面的入射波前的波 长，并且P1等于或大于入。
28.如权利要求27所述的设备，其中所述第二周期结构还包括至少两组交错的扩散 型二极管，进一步地，其中所述二极管组分别横向地从所述第一周期光衍射结构偏移距离 nPl/m，其中 η 能取值 0、1、2、3、4、5、6、7、8 并且 m 能取值 2、3、4、8。
29.一种用于确定来自物体的入射光的方向的方法，包括创建来自所述物体的入射光的周期干涉图； 检测所述干涉图；以及 确定所述图相应于参考位置的相移。
全文摘要
一种使用Talbot效应以检测光的局部强度及入射角的角度敏感像素(ASP)设备，其包含堆叠在光电二极管之上的两个局部衍射光栅。当被平面波照射时，上层光栅在选择的Talbot深度产生自身图像。放置于此深度的第二光栅依靠入射角阻挡或通过光。被调到不同入射角的几个这样的结构足以提取局部入射角以及强度。这样的结构的阵列足以定位三维空间中的光源而不用任何附加的光学部件。
文档编号H01L27/146GK102099916SQ200980137426
公开日2011年6月15日 申请日期2009年7月24日 优先权日2008年7月25日
发明者艾伯特·王, 阿廖沙·莫尔纳 申请人:康奈尔大学