可测量入射光角度的像素阵列、图像传感器及方法
【专利摘要】本发明公开了一种可测量入射光角度的像素阵列、图像传感器及方法。图像传感器其从下到上依次包括：基底，所述基底中设置有传感器层，用于感应到的入射光进行光电转换；金属层，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；微透镜层，用于将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，以根据所述微透镜层中入射光的敏感角度与对应的像素地址映射关系，获得射向所述微透镜层表面的入射光的角度信息。
【专利说明】可测量入射光角度的像素阵列、图像传感器及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于图像传感器领域，具体地说，涉及一种可测量入射光角度的像素阵列、图像传感器及方法。
【背景技术】
[0002]图像传感器在民用和商业范畴内得到了广泛的应用。目前，图像传感器由CMOS图像传感器(CMOS IMAGE SENSOR，以下简称CIS)和电荷耦合图像传感器(Charge-coupledDevice,以下简称(XD)。与CXD图像传感器相比较，CMOS图像传感器虽然具有RollingShutter Effect和信噪比较低的劣势，但是CMOS图像传感器也具有制造成本低、功耗低以及图像延时较小的优势。随着工艺的进步，CMOS图像传感器的卷帘快门效应(RollingShutter Effect)和信噪比劣势逐渐被克服，其整体性能已逐渐与CXD图像传感器向媲美。
[0003]CMOS图像传感器在手机相机、网络摄像头、监控摄像头、光学鼠标、数码单反相机实得到了广泛应用。在这些领域使用的CMOS图像传感器通常是基于有源像素传感器(Active Pixel Sensor,简称APS)形成的像素单元组成图像传感器的像素阵列。
[0004]基于APS形成的,其捕捉的图像的原理为:利用一感光二极管(photo diode,简称PD)接收入射光的光子并进行光电转换输出电压信号，再通过后续电路如放大电路、滤波去噪电路等处理，最终输出形成图像信号。入射光越强，输出的电压信号越大。
[0005]由此可见，基于APS的图像传感器，仅仅直接对入射光的光强敏感，只能输出反应入射光强度的电压信号，而对于入射光中除强度以外的其他信息，则通常无法直接反应。
[0006]现有技术中，虽然说借助于一定的算法处理，比如光场(Light Fileld)算法，也可以间接反映入射光中除强度以外的其他信息如角度。但是，依赖于额外引入的算法，因此，无法实现系统的最优化。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是提供一种可测量入射光角度的像素阵列、图像传感器及方法，用以部分或全部克服、部分或全部解决现有技术存在的上述技术问题。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可测量入射光角度的像素阵列，其从下到上依次包括:
[0009]基底，所述基底中设置有传感器层，用于感应到的入射光进行光电转换；
[0010]金属层，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；
[0011]微透镜层，用于将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，以根据所述微透镜层中入射光的敏感角度与对应的像素地址映射关系，获得射向所述微透镜层表面的入射光的角度。
[0012]优选地，在本发明的一实施例中，所述金属层设置在氧化硅材质的中间层中。
[0013]优选地，在本发明的一实施例中，所述微透镜层包括左向微透镜层和右向微透镜层，所述左向微透镜层用于对位于其法线左侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，右向微透镜层，用于对位于其法线右侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光。
[0014]优选地，在本发明的一实施例中，左向微透镜层和右向微透镜层中各微透镜按照入射光的敏感角度大小依序排列布置。
[0015]优选地，在本发明的一实施例中，左向微透镜层和右向微透镜层中包括由入射光的敏感角度大小相同的多个微透镜组成的微透镜组，按照入射光的敏感角度大小依序排列布置所述微透镜组。
[0016]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可测量入射光角度信息的新型图像传感器，其包括上述任一像素阵列。
[0017]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种测量入射光角度信息的方法，其包括:
[0018]将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光；
[0019]对感应到的入射光进行光电转换得到电信号输出到外围电路进行处理得到像素地址；
[0020]根据所述微透镜层中入射光的敏感角度与所述像素地址映射关系，获得射向所述微透镜层表面的入射光的角度。
[0021]优选地，在本发明的一实施例中，将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光包括:
[0022]将对位于其法线左侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层左侧感光面的入射光；
[0023]将位于其法线右侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层右侧感光面的入射光。
[0024]优选地，在本发明的一实施例中，由入射光的敏感角度大小相同的多个微透镜组成的微透镜组，按照入射光的敏感角度大小依序排列布置所述微透镜组，以形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光。
[0025]与现有的方案相比，本发明中，微透镜层将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，以根据所述微透镜层中入射光的敏感角度与对应的像素地址映射关系，获得射向所述微透镜层表面的入射光的角度。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明实施例一中像素阵列线性阵列示意图；
[0027]图2为本发明实施例像素阵列中的某一个像素的剖视图；
[0028]图3为本发明实施例一中像素阵列的列像素L线性排列展开剖视图；
[0029]图4为本发明实施例一中像素阵列的列像素R线性排列展开剖视图；
[0030]图5为本发明实施例一中像素阵列的列像素L线性排列展开平面图；[0031]图6为本发明实施例一中像素阵列的列像素R线性排列展开平面图；
[0032]图7为本发明实施例二中像素阵列的列像素L线性排列展开剖视图；
[0033]图8为本发明实施例二中像素阵列的列像素R线性排列展开剖视图；
[0034]图9为本发明实施例二中像素阵列的列像素L线性排列展开平面图；
[0035]图10为本发明实施例二中像素阵列的列像素R线性排列展开平面图；
[0036]图11为本发明实施例三中像素阵列的列像素L线性排列展开平面图；
[0037]图12为本发明实施例三中像素阵列的列像素R线性排列展开平面图；
[0038]图13为本发明实施例四中测量入射光角度信息的方法流程图。
【具体实施方式】
[0039]以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
[0040]本发明 中，微透镜层将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，以根据所述微透镜层中入射光的敏感角度与对应的像素地址映射关系，获得射向所述微透镜层表面的入射光的角度。
[0041]本发明的主要思想:
[0042]本发明下述实施例提供了一种可测量入射光角度的像素阵列，其从下到上依次包括:基底，所述基底中设置有传感器层，用于感应到的入射光进行光电转换；金属层，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；微透镜层，用于将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，以根据所述微透镜层中入射光的敏感角度与对应的像素地址映射关系，获得射向所述微透镜层表面的入射光的角度。
[0043]为对本发明的上述思想做简要说明，本发明下述实施例中，以像素阵列不包括滤镜层只采集灰度图像为例进行举例。当然，对于本领域普通技术人员来说，在本发明主要思想的启发下，以及结合相关现有技术，无须创造性劳动，即可将本发明的主要思想运用于包括滤镜可采集彩色图像的像素阵列，详细在本发明的下述实施例中，将不再赘述。
[0044]本发明下述实施例中，具体以所述微透镜层包括左向微透镜层和右向微透镜层，所述左向微透镜层用于对位于其法线左侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，右向微透镜层，用于对位于其法线右侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光。当然对于本领域的普通技术人员来说，左向微透镜层和右向微透镜层只是实现将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光的一种具体方式。在本发明的主要思想的启发下，无须创造性劳动，也可以想到其他等同替代方式，详细不再赘述。
[0045]图1为本发明实施例一中像素阵列线性阵列示意图；如图1所示，沿着列的方向依次为左向微透镜层对应的列像素L右左向微透镜层对应的列像素R，LRLR……排列形成像素阵列。
[0046]图2为本发明实施例像素阵列中的某一个像素的剖视图，如图2所示，其从下到上依次包括:基底201、金属层202、微透镜层203。其中:
[0047]所述基底201中设置有传感器层211，用于对光通路中的入射光进行光电转换；具体地，该传感层202由多个感光二极管组成。
[0048]金属层202用于将光电转换的电信号传输到外围电路(图中未示出)进行处理。本实施中，所述金属层202设置在氧化硅材质的中间层200中。
[0049]微透镜层203，用于将位于所述微透镜层203法线左/右侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光。根据所述微透镜层203中入射光的敏感角度与对应的像素地址映射关系，获得射向所述微透镜层表面的入射光的角度。微透镜层203由若干个微透镜213。
[0050]图3为本发明实施例一中像素阵列的列像素L线性排列展开剖视图，图4为本发明实施例一中像素阵列的列像素R线性排列展开剖视图，如图3和图4所示，为了便于说明，在不影响对本发明上述主要技术思想说明的情况下，图3中略去了图2中的基底、感光单元、金属层等结构，只示意出了微透镜213。详细如下所述。
[0051]如图3所示，列像素L线性排列中，通过微透镜213的有针对性选择，对应将各像素敏感的光线方向设置为左上方射入，从左到右的方向，微透镜213对入射光的敏感角度最大为a，最小为0，即与法线F平行。每个微透镜213将其敏感的入射光折射处理，形成垂直入射感光二极管感光面的入射光。
[0052]如图4所示，列像素R线性排列中，通过微透镜213的有针对性选择，对应将各像素敏感的光线方向设置为右上方射入，从右到左的方向，微透镜213对入射光的敏感角度最大为a，最小为0，即与法线F平行。每个微透镜213将其敏感的入射光折射处理，形成垂直入射感光二极管感光面的入射光。
[0053]图5为本发明实施例一中像素阵列的列`像素L线性排列展开平面图，图6为本发明实施例一中像素阵列的列像素R线性排列展开平面图。以每列包括11个像素为例进行说明。
[0054]由于根据对入射光的敏感角度，有针对性的选择了微透镜，因此，对于每个像素来说，其敏感角度与Pixel地址存在--映射关系，angle=f (index Pixel)。
[0055]如图5所示,假如最大敏感角度a对应的像素值为PO，而最小角对应为p0、p1、P2……plO依次排列，如图5所示，假设用一个二进制表示像素值，。类似地，如图6所示，plO、plU pl2……p20依次排列，其中由于都是按照与法线夹角为0，因此plO在图5和图6中共用。综上，p0、pl、p2……p20共有21个像素，从而形成一个21位码，根据该21位码即可确定进入微透镜的入射光线的角度信息。推而广之，线性展开的图像像素阵列包含多少对L、R，即能输出多少个角度信息，亦即其分辨率大小。
[0056]图7为本发明实施例二中像素阵列的列像素L线性排列展开剖视图，图8为本发明实施例二中像素阵列的列像素R线性排列展开剖视图。与上述图3和图4不同的是，以具有同一敏感角度的微透镜组实现，即η个具有同一敏感角度的微透镜成组设置。
[0057]图9为本发明实施例二中像素阵列的列像素L线性排列展开平面图，图10为本发明实施例二中像素阵列的列像素R线性排列展开平面图。每组像素的敏感角度与Pixel地址成η对I的映射关系，angle=f(index pixel/n)。以图9为例,从左到右最大入敏感角度a对应η个像素φ。+ +......ρη-1 ;最小角O度对应p1(ln、p1(ln+1、p1(ln+2......P1W由于对应每种敏感角度的像素有η个，对于单个角度测量的可靠性大大提高。在对输出值编码时应以每组η个像素为单位，这样每个敏感角对应一个η位2进制数，整个列像素L输出21个这样的角度信息，即测量精度为21。以图10为例，从右到左，ρ11η, ρ11η+1、ρ11η+2……P211rfP211ri,同样地，测量精度为21。
[0058]图11为本发明实施例三中像素阵列的列像素L线性排列展开平面图，图12为本发明实施例三中像素阵列的列像素R线性排列展开平面图。与实施例一和实施例二不同的是，同一敏感角度的像素扩展到m列η行。以输出值考量的话，由于用到的像素所测的角度皆在同一平面上，像素阵列输出的角度仍旧一维的。
[0059]图11和图12中的，为了通过使用若干像素来提高唯一输出的角度值的确定性，对同一敏感角度的共有m行像素，每一行等同于实施例二中的像素阵列，根据实际应用情况，应该判别m和η的大小。当m〈〈n时，重复像素行的意义在于增强角度测量的可靠性，图11或图12输出m*21个η位2进制数，但分辨率只有1，即此空间位置上最终可以判断的角度数目为I ;当111>>11时，重复像素行的意义在于增强角度测量的分辨率，分辨率为m。由于在像素阵列上，图11和图12所示的像素依然对称，因此，可以尽可能接近半个圆周的光线入射角。
[0060]图13为本发明实施例四中测量入射光角度信息的方法流程图；如图13所示，其包括:
[0061]步骤1301、将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形 成垂直入射所述传感器层感光面的入射光；
[0062]步骤1302、对感应到的入射光进行光电转换得到电信号输出到外围电路进行处理得到像素地址；
[0063]步骤1303、根据所述微透镜层中入射光的敏感角度与所述像素地址映射关系，获得射向所述微透镜层表面的入射光的角度。
[0064]优选地，步骤1301可以具体包括:
[0065]步骤1311、将对位于其法线左侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层左侧感光面的入射光；
[0066]步骤1321、将位于其法线右侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层右侧感光面的入射光。
[0067]在本发明的上述实施例中，选用折射率梯度变化的GRIN微透镜层。
[0068]上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种可测量入射光角度的像素阵列，其特征在于，从下到上依次包括: 基底，所述基底中设置有传感器层，用于感应到的入射光进行光电转换； 金属层，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理； 微透镜层，用于将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，以根据所述微透镜层中入射光的敏感角度与对应的像素地址映射关系，获得射向所述微透镜层表面的入射光的角度。
2.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，所述金属层设置在氧化硅材质的中间层中。
3.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，所述微透镜层包括左向微透镜层和右向微透镜层，所述左向微透镜层用于对位于其法线左侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，右向微透镜层，用于对位于其法线右侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光。
4.根据权利要求3所述的像素阵列，其特征在于，左向微透镜层和右向微透镜层中各微透镜按照入射光的敏感角度大小依序排列布置。
5.根据权利要求4所述的像素阵列，其特征在于，左向微透镜层和右向微透镜层中包括由入射光的敏感角度大小相同的多个微透镜组成的微透镜组，按照入射光的敏感角度大小依序排列布置所述微透镜组。
6.一种可测量入射光角度信息的新型图像传感器，其特征在于，包括权利要求1-5中的任一像素阵列。
7.—种测量入射光角度信息的方法,其特征在于,包括: 将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光； 对感应到的入射光进行光电转换得到电信号输出到外围电路进行处理得到像素地址； 根据所述微透镜层中入射光的敏感角度与所述像素地址映射关系，获得射向所述微透镜层表面的入射光的角度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将位于所述微透镜层法线左右两侧位于同一平面且入射角度不同的入射光分别进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光包括: 将对位于其法线左侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层左侧感光面的入射光； 将位于其法线右侧的入射角度不同的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层右侧感光面的入射光。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，由入射光的敏感角度大小相同的多个微透镜组成的微透镜组，按照入射光的敏感角度大小依序排列布置所述微透镜组，以形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光。
【文档编号】H01L27/146GK103745984SQ201310753977
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】陈嘉胤 申请人:上海集成电路研发中心有限公司