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CN105900238B - 全光透镜在光传感器衬底上的单片集成 - Google Patents

全光透镜在光传感器衬底上的单片集成 Download PDF

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CN105900238B CN201380078180.9A CN201380078180A CN105900238B CN 105900238 B CN105900238 B CN 105900238B CN 201380078180 A CN201380078180 A CN 201380078180A CN 105900238 B CN105900238 B CN 105900238B
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Abstract

本发明涉及全光结构在图像传感器上的单片集成，其中在光传感器的衬底上利用具有低折射率的材料(包括或者不包括滤色镜和/或像素微透镜)并且在具有低折射率的所述材料上布置具有高折射率的材料来制造全光微透镜。直接在光传感器的衬底上制造全光微透镜。高集成密度的光传感器被以最小距离布置以最小化像素间干扰，为了高密度集成的目标，在邻近具有相同颜色的像素的光传感器的顶点上具有“变形的方向”的几何形状，从所述顶点移除任何光敏区域，以使光传感器远离具有相同颜色的邻近像素的噪声(具有相同颜色的邻近像素的辐照圆或者艾里盘)。通过距衬底不同距离处的全光微透镜的结构(在其周边上更小)和/或在其周边上的更不对称的轮廓和/或朝向传感器的周边的具有不同尺寸和形状的像素，来提高光效率。通过产生低折射率和高折射率的交替层来制造微物镜。

Description

全光透镜在光传感器衬底上的单片集成
技术领域
本文公开的发明涉及图像拍摄，更具体而言，涉及利用固态传感器拍摄全光图像，其中不仅拍摄图像，而且还拍摄光线的到达方向。这一领域包括光学元件、光电传感器(将光强转换成电流)和所拍摄图像的处理元件。其目的在于降低图像传感器的生产成本，同时提高其质量，减小其尺寸并以极高的量提供制造能力。本发明提供了一种晶片等级的光学设计和几个光电和光学晶片的“夹层结构”，得到可用于数字相机、移动电话、平板计算机、膝上计算机和结合相机的一般消费品，尤其是但并非唯一与CMOS图像传感器组合的一般消费品中的传感器。本文描述了图像传感器的各种结构和制造方法。
背景技术
“单片式集成电路”是指利用普通芯片设计技术获得的集成电路，其中基础材料(衬底)不仅包含有源元件(晶体管、传感器等)，还包含互连元件。使用这个术语是指通常不同的技术和功能的集成，例如，在同一芯片上使用模拟和数字电路，或者功率半导体器件与模拟、数字电路、信号处理、传感器和保护电路在同一芯片上的集成。
在光电子学中，“单片集成”是指在通常由“电子材料”制成的芯片自身上将激光器、探测器、以及带有其电子偏置电路、控制和管理系统的所有，集成为单个“电光集成电路”特征，例如光纤输入/输出光波导。
在正常相机中，膜(或数字相机中的传感器)拍摄二维图像，其中膜的每个点(或数字相机中的像素传感器)集成从任何方向到达该点的所有光线。全光相机(或光场相机)能够对一定范围的光以及光场中光线的方向采样。
拍摄光的到达方向会合成“新视图”或新图像，例如3维图像、重新聚焦在不同点上的图像和“完全聚焦的”图像(不论现实世界中物体的距离如何)。
图1(从美国专利8290358B1复制；发明人Todor G.Georgiev)示出了现有技术的实施方式，即相机(具有两个或更多透镜或物镜，对于该图，图的顶部有三个透镜)部分的阵列。每个透镜/物镜都将现实世界中的图像聚焦在照片传感器的特定部分中(图像底部上的薄膜)，但也可以在几个光传感器中这样做。可以组合若干所拍摄图像以形成单个图像。
图2(再次从美国专利8290358B1复制)示出了全光相机现有技术的实施方式，其使用了单个物镜或透镜(在图像的顶部)和一组微透镜(或微透镜阵列)，微透镜例如能够包括100000个一个挨一个的小透镜(或在近来的实施方式中有更多)，形成二维图案(图2中用箭头表示的微透镜阵列在该图中位于三个光束交叉的点处)。所述微透镜阵列通常位于光传感器(图像的底部)的小距离处(大约半毫米)，光传感器可以是CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器、CCD(电荷耦合器件)传感器或任何其他过去、现在或将来的光传感器技术。微透镜阵列的平面平行于光传感器的平面。
前一段中描述的由全光相机传感器拍摄的图像实际是相机透镜/主要物镜的小图像集合(阵列)，这种图像常常被称为“微图像”。在每点处所描述的“微透镜/传感器”结构不仅拍摄亮度，而且拍摄不同方向中的光强分布。几个微透镜的每个将从主透镜向它而来的光束分离成来自主透镜不同位置的光线。光线被作为像素存储于光传感器中，每个微透镜上的该组像素形成被称为宏像素(图2中用钥匙(key)表示)的n个像素的图像。
第三种“光场相机”类似于图2的那种，只是微型透镜阵列被孔径阵列(不透明表面上让光进入的小孔)替代。第四种“全光相机”类似于图2，只是没有折射“正弦掩模”替代微透镜，所述掩模调制入射光，但不对其进行折射，导致所拍摄的图像是利用光场掩模入射的光场卷积；这种相机直接在傅里叶频域中拍摄光场。于是，二维(2D)传感器像素代表几个编码入射光线的线性组合，可以由软件对所述线性组合解码以获得光场的所有信息(包括光线的到达方向)。
图3和4(从GB2488905复制，发明人Norihito Hiasa和Koshi Hatakeyama)示出了光线的传播，以及能够用于各种任务，例如重新聚焦、计算距离等的算法来源。图3示出了靶平面的一对点要被聚焦到定位在超过微透镜平面的平面中的情况，不过，这些光线不会到达焦点，它们被微透镜衍射，并在传感器中产生几个像素(而不是在会被聚焦的平面中产生单个像素)。图4示出了平面物体中的一对点要被聚焦到微透镜前方平面上的情况，这对点从该点发散，并且被微透镜衍射，并在传感器平面中产生几个像素。在两种情况下，如果传感器(或膜)在微透镜所在的地方，这些点的图像会显得模糊；不过，利用全光相机，能够确定光线的到达方向，有多种算法来计算什么会是图3和4中所述物体的聚焦图像，计算光线的“回溯”(从空间中的图像传感器向主透镜右侧，直到焦平面，甚至物空间中这些光线的原点，到达透镜左侧)。由于空间的三角形与物体图像空间相似，还可以计算从焦平面(201)到图3和4中所示的平面(101，102和202)的距离，甚至能够计算图像像素到物空间中这些像素原点的距离，利用这种信息，然后可以为3维(3D)电视图像生成图像，重新聚焦图像，产生完全聚焦图像等。
尽管已经利用后面的实施方式描述了全光相机，Lippman在1908年已经描述过它，但技术上的困难使得直到2004年都未能实现显著进展，那时，Ng，Hanrahan，Levoy和Horowitz在他的专利US2007/025074中(如同在“Stanford Tech Report”CTSR2005-02中那样)描述了一种相机，其分辨率与所使用的微透镜数量相同。在2004年10月，Ng，Hanrahan，Levoy和Horowitz(US2012/0300097)描述了一种全光传感器，结构类似于图2、3和4中所述那种。我们在图6A中复制所述传感器，论述其主要部分。图像的下部描述了整体组件，而图像的上部描述了所述组件的各个部分。“数字背部”向设备提供了机械强度，同时执行“芯片封装”被插入处(其相应的芯片输入-输出管脚插入“数字背部”中)的印刷电路板的功能，该芯片包括“光传感器”，并包括安装于光传感器上的“基础板”(或基底)以及机械固定到“透镜支架”的“微透镜阵列”(或微透镜的阵列)，透镜支架被附着到“基底板”(基底)，其中“分离弹簧”维持微透镜和光传感器之间的特定距离，位于三个位置处的“调节螺钉”(或螺钉)控制光传感器平面和微透镜阵列的距离和平行性。这幅图未示出主要的相机透镜。
以上专利中表达的概念启发了面向消费市场的早期全光相机，在2012年，Lytro公司开始销售相机，其方案在图6B中示出，该公司的员工包括前述专利的发明人之一。图6B(从www.lytro.com提取)在其顶部示出了一组输入透镜(8×变焦，固定孔径f/2)、概念类似于图6A的“光场传感器”(具有“微透镜阵列”和“数字图像传感器”)，在图像的底部示出了“光场引擎”(由一些处理能力构成，以实施前述段落中简单提到的全光算法(基本是重新聚焦于产品的早期版本))。
2008年，Lumsdaine、Georgiev和Intwala在前述专利(“A.Lumsdaine和T.Georgiev.Full resolution Lightfield rendering.Technical report,AdobeSystems,January 2008”以及专利US2009/0041448)中描述了一种在有效分辨率方面具有更高规格的设计(直到那时，每个微透镜仅有一个像素)。
2009年10月，Georgiev描述(US2010/0020187)了一种不同的变体，其中为常规相机(其主透镜位于传感器前方)增加了几个透镜，并增加了几个棱镜(该组透镜/棱镜获得同一图像的不同视图，并通过主透镜将其指引向传感器)。本专利提供了该组透镜/棱镜(如图5A所示连接)和安装于相机中的该组“透镜/棱镜/主透镜”组件的图片。通过各个输入透镜获得的图像被组合以对“光场”采样。
优先权日期为2009年10月，DiFrancesco Selkirk、Duff、VandeWettering和Flowers在专利US 2011/0169994中描述了一种稍微不同的光学系统(参见图7A)，其中“微透镜阵列”(“小透镜阵列”或“微透镜的阵列”)置于透镜系统的前方，但输入透镜在所述透镜阵列和物空间之间。利用“头管(head tube)”和“尾管(tail pipe)”描述了所述透镜系统(图7B)的实际实施方式，“头管”包含具有更大直径的透镜，“尾管”在接近所述光学系统到相机的连接处的区域中具有更小直径的透镜。将微透镜阵列和输入透镜添加到通往第三管的入口的所述结构(如图7C所示)。该结构中使用的原理和算法类似于上文所述结构中使用的那些：“从多个图像获得光场的样本”。
除了以上述可能定位实施方式作为目标之外，从面向市场的消费产品的原型，通过为复杂应用追求极高光学质量的原型，同时还有一种趋势是减少体积和成本。在2001年2月，Ueno,Funaki和Kobayashi(US专利2012/0218448)描述了“以固态来实施的成像设备”，实际上是一个用于相机的小型模块(参见图8A)，包括输入透镜12，其向“微透镜阵列”14(包括透镜基板14b和微透镜自身)发送光，并最终向包含像素的“图像拍摄元件”(例如光电二极管)发送，其将光能转换成电能，所述元件由半导体衬底16a、偏置电路和读取电路(图中未示出)形成，读取电路提供电力并读取衬底16a中形成的像素16b，滤色器16c(例如红、绿或蓝)对应于每个像素16b，布置成标准格式(例如Bayer格式)，最后是每个滤色器上可选的小微型透镜16d，其任务是聚集入射在每个光传感器(像素16b)上的光束。在该组“半导体衬底/滤色器/像素微透镜”的顶部，但在光传感器区域的外部，有一些“树脂隔离物”42，其目的是维持光传感器16和微透镜14之间的距离，它们是包括“光透明衬底”40的组的部分，光透明衬底可以由允许可见光通过但消除红外光或近红外光的材料制成；在半导体衬底中，有用于像素16b的“读取和偏置电极”44，这样的电极由金属柱46连接，金属柱46利用“接触点”48垂直跨越半导体衬底50；芯片50可以包含偏置电路和光传感器(像素)的处理电路。利用柱体62将输入透镜12放置就位，由放置于透明衬底40上的支撑件64将柱体62保持在适当位置；“针对外部光的保护框”52从外部安装到所述结构，作为整个结构的外盖，以防止来自衬底16A或芯片50的光进入，所述盖仅被电极54中断，其将所述结构电连接到外部电子系统。本专利(即“权利要求”1)主张一种固态成像系统，包括：包括像素块和这些像素的半导体传感器；第一光学系统(图中由透镜12代表)；第二光学系统(图中由微透镜14代表)，并规定在物体位于无限远距离时对第一光学系统(透镜12)成像的平面应当在第一光学系统(透镜12)的距离之内，该距离大于第一光学系统(透镜12)和图像传感器(16)之间的距离。
在2011年3月，Ueno,lida和Funaki在其专利US 2012/0050589中(参见所述专利8B中再现的图像)公开了一种与前一段中描述的稍微不同的结构，例如，微透镜面向输入透镜系统(而不是面向传感器)和/或在微透镜和传感器中增加滤色器(例如，红、绿和蓝)，形成特定图案，例如Bayer图案，使得它们的图像传感器还拍摄颜色，并描述了制造这种结构的方法，其中将滤色器(及其关联传感器)转移到成像区域的周边(参见图8B)，在它们越接近周边时偏移越大。
在2009年10月，Brueckner,Duparré,Wippermann,Dannberg和Brauer在其专利US2011/0228142A1中还示出了单片式传感器、微电子线路和光学系统作为单个器件一部分的制造工艺的过程，在图8C中再现了其实施方式之一，这不是一种全光结构，而是仅仅将微透镜10分配在衬底100中包含的光传感器30'的组中，生成“3D空间观察锥”(参见线410)，在其最窄部分(位于微透镜上)被截断(truncate)，随着距离变宽，在物空间中的其视场中有一些交叠。为了避免与每个微透镜10相关联的不同光学通道之间的光学耦合的噪声(串扰)，存在带开口的不透明层11、12和12'，以仅让适当的光束通过。透明衬底20、21和22由玻璃、塑料或无机共聚物(例如，ORMOCER)制成。微透镜的焦距与微透镜10和传感器30'之间的距离重合，对于这些焦点距离而言达到30和3000微米之间，微透镜的直径在10和1000微米之间，微透镜的数量为4和25000之间，像素数量为10000和10兆之间或更大。传感器30'生成几个微图像(4和25000个之间)，通过附加硬件或软件将它们相继组合。这种结构的主要优点是其体积小，因为不需要额外的透镜，为便携式应用而设计，并且使其自身能够进行大批量制造工艺。
光场相机的历史曾经是三个领域的并行发展，即光学(如上所述)、算法(从光传感器图像的像素开始，形成新特征：不同焦点、完全聚焦、3D图像等)和微电子/微光学，光传感器获得越来越发展的特征(在百万像素数量、亮度、对比度等方面)。前两段中描述的方案首先是光学元件处理和制造中使用与微电子中使用类似技术的方案之一，实现晶片等级的制造技术，显著降低成本，同时提供质量水平和非常高的可再现性。不过，在近几十年中已经利用在半导体光电二极管面板上形成的微透镜和滤色器，具有与图10A类似的结构(复制专利US2012/0012959A1；发明人Po-Shuo Chen)，示出了CMOS(互补金属氧化物半导体)技术中现有技术的典型代表性传感器：从下到上，可以区分出：半导体衬底，其中在内部示出了三个光传感器(右方一个标记有箭头)，半导体受到氮化硅薄层的保护，在所述衬底上放置滤色器R(红-Rojo)、G(绿-Verded)和B(蓝-Azul)，同时可以使用基本颜色体系，像青、黄和品红；最后在顶部是三个微透镜，利用将光向光传感器聚集的光学材料形成，提高该结构的亮度效率(通常在大部分的有关光学的公开文献中，传感器是由简单的平坦光敏平面代表的，像传统的具有光敏连续层的膜那样，该连续层具有无穷小尺寸的光敏元件，但在现实中，每个光传感器的像素是分立尺寸的，在它们之间有空间，以分隔它们并保持偏置电路和读取电路，因此可用于上述微透镜)。滤色器通常是通过光刻方法制造的，其中对每个光敏彩色层进行沉积、部分曝光(例如负性阴影光刻掩模的图案)并蚀刻(显影)，但也可以通过喷墨印刷形成它。微透镜(通常利用热塑树脂或光敏透明材料制成)常常是通过沉积这样的材料，随后进行光刻和加热处理，通过热回流硬化并固化来形成的。
在2010年7月，Po-Shuo Chen在专利US2012/0012959(图10B)中描述了一种具有更好特征的结构，其中滤色器在它们之间分隔，微透镜阵列在相邻微透镜之间没有间隙，顶视图(图10C)示出了所述滤色器的多边形结构(它们之间在低于对角方向(D1)的水平和垂直方向(X1，Y1)上具有间隙)。这种结构避免“串扰”(颜色之间的串扰)的优点是明显的，此外，这种结构避免了微透镜之间的间隙，从而提高了光的效率。Chen还解释，这种结构(滤色器之间有间隙)打开了基于沉积和热处理的微透镜新制造方法的可能性，由此打开了使用不光敏的透明材料(例如热塑性树脂)的灵活性。显然，每个微透镜的光刻处理基于通过沉积和后续热处理而处理的材料而允许更高的精度，不过，该工艺在材料选择方面增加了灵活性。
另一个显著的进展是在照明传感器中，就是从FSI(前侧照明)技术、BSI(后侧照明)技术发展，图9中示出了两者之间的差异：在标准的CMOS工艺(图9A，FSI)中，执行硅工艺以生成光传感器，因此不同光传感器之间的区域以及它们上方的区域被用于承载不同电信号的金属层(偏置和读取光传感器、电源电压等)，这些金属化层提供了不透明结构，该不透明结构劣化了传感器的亮度效率；这个问题的解决方案是在已经生成光传感器的衬底的相对侧上(图9b)上立即进行连接和金属化，从而消除光传感器和滤色器之间的不透明层，由此改善亮度效率。有趣的是，值得提到的是，在Apple iPAD的升级材料中，他们披露，他们的相机(除了其他的特征之外)具有后照明或BSI等特征。BSI技术提供的其他优点是允许实现具有更小尺寸的光学模块，允许更宽的开口(更快的透镜)并允许设计最高质量的变焦(zoom)。
到现在为止，已经描述了利用大尺寸离散光学器件进行的第一种全光方案，第一种方案在距CMOS或CCD传感器非常小距离处放置一个微透镜阵列，其他方案放置微透镜作为添加到相机外部物镜上的外加模块，最后是向着单片集成和晶片处理的第一步，其中通过树脂衬底上的间隔体在透明衬底上放置微透镜，其中在树脂衬底上制造了传感器，例如，在CMOS制造工艺中在半导体衬底上的CCD传感器或光传感器。
本文阐述的发明的主要改进之一是，向着单片集成前进了一步，在单个晶片上被处理的结构，而不是在不同的晶片上被处理并且之后通过间隔体耦合的光学和电子结构，实现更好的光学特性和更低成本和更高质量的生产方法。
还有对现有技术的光传感器的快速回顾，尤其是CMOS技术中的传感器，越来越多的兆像素，发展成结构BSI(后侧照明)，具有颜色越来越复杂的滤波器，以及将微透镜定位在每个光传感器面上方以将光集中在有源区中的结构，避免浪费入射到仅包含偏置电路或读取电路的半导体区域上的能量。
最后，在继续描述本发明之前，将回顾一下光学器件及其相应传感器的完整安装组件的几种趋势。首先，商用相机(现在或将来)中安装的全光传感器可能具有图7B中所述的正常目标(或更少或更大的复杂性，固定的物镜或变焦)，与当前相机的唯一差异(除了全光传感器的微透镜之外)是传感器上所记录像素的后期处理。第二，当前市售的相机(和将来的相机)可以具有安装于外部物镜上的微透镜，如图7C中所述(或类似)。由于大透镜的原因，这些趋势在兆像素数量(因为在水平和垂直维度为几个平方厘米的传感器上制造很多兆像素是相对简单的)和高光学质量方面提供了高清晰度相机，这将确保低的光学像差和高的亮度效率。这一节将覆盖中、高和非常高价格的有利可图的市场，实现用于电视和电影的高质量的专业方案目的。
图11中示出了质量和成本的中间目标，其中，在底部可以看到其上安装了光传感器芯片的“柔性电路”(类似于上文所述那些，但在这一图像中，包括了用于与外部电子线路的连接的封装以及芯片顶端的小透明玻璃，旨在让光进入同时防止灰尘，尘土和湿气渗透到光传感器的区域中)。这个芯片容纳于将传感器与几个透镜对准的机械结构中，从而获得旨在被容纳于移动电话、膝上计算机和其他小型消费装置中的模块。这些模块的典型价格非常低，因为它们意在成为数以百万计生产的消费货物(移动计算机和智能电话)的部分，其价格应当能够让大量人承受得起。
上文描述的结构，尽管它们的成本较低，还暗示了一种不可忽略的机械和组装复杂性，甚至由于使用了机械手或自动化组装技术，与可以利用类似于微电子或微光学中采用的那些的处理技术组装的类似结构相比，所述机械结构中大量透镜的价格较高。追随这种趋势，在2007年11月，Weng和Lin(在US2009/0134483A1)描述了一种紧凑相机模块，图12中示出了这种模块，包括光传感器芯片(102)、一组透镜(126)和具有导电材料的外壳(134)。该模块包括基板100，基板100可以是硅或另一种半导体材料，可以包含CCD图像传感器或CMOS；位于半导体基板100上的透明基板100；以及位于两个结构之间的微透镜104的阵列，CCD或CMOS传感器包含通过典型半导体技术构建于基板100中的诸如光电二极管或光电晶体管的光电部件102的阵列。至少一个着陆管脚(land pin)(I/O管脚)114b连接到半导体基板100和利用微电子制造技术形成于基板上的导电层101。一组管脚114a还被定位以取出光传感器的读数。做为光学传感器的管脚的接地管脚都通过介质层112与基板电隔离。在半导体基板100上，沉积透明基板160(玻璃或石英)，在传感器102及其相应微透镜104上形成腔160b。在透明基板160上，放置一组透镜126，然后在半导体基板134和透镜上定位导电层，其功能是保护所有传感器结构以免受到电磁噪声干扰，因为这个层是通过层101和管脚114b接地的。此外，可以在导电层134上使用不透明层136(可以简单到一层简单的不透明漆)，以便获得更好的亮度绝缘结构。为了提高对外部电磁辐射结构的免疫力，可以在由诸如IZO(氧化铟锌、氧化锌铟)或ITO(铟锡氧化物、铟锡氧化物)的材料形成的结构顶部使用透明导电层130。本专利还描述了一种基于晶片处理的制造方法，允许以非常低的价格生产大量相机模块，例如，不仅将这样的技术用于制造传感器，而且在半导体基板100上放置玻璃晶片或石英晶片160，或者在晶片基板160上定位透镜126，或者在晶片中构造的所有子模块上方沉积透明导电层130。最后，可以对这种结构进行切割工艺(划片)或分离晶片上构建的每个子模块，然后在芯片底部使用通常的微电子封装技术，例如BGA(球栅阵列)或“焊锡成球”，它们通常在现代封装高密度芯片中可用(在图中由数字118b和118a代表)，允许非常高和密集数量的进入和出离管脚，非常方便利用高密度传感器中更常使用的新CMOS技术快速制造出越来越多的兆像素。
T.Y.Lin,C.Y.Cheng和H.Y.Lin在2007年5月在专利US2011/292271A1中描述了一种新颖的模块(图13中再现)，该图的底部包括焊球以将模块连接到印刷电路模块、光传感器300(CMOS或CCD)模块，其上沉积了类似于上文所述那些的微透镜302阵列，其目的是将光集中在每个光传感器的有源区域上，在所述结构上，已经放置了透明基板材料(例如玻璃、石英或其他透明材料)。这种结构类似于任何其他CCD或CMOS传感器的结构，但从这里开始放置了由干光阻膜(虚线区域)构成的平面结构112，非常类似于微电子工艺中常用的那种，但具有高粘性的特性，可以根据传感器和透镜之间设计的距离任意控制所述层的厚度，对所述层进行光刻工艺并腐蚀，获得在透镜基板和透镜10之间具有空白空间(112a)的结构；由基板100以及基板100的两个相对表面中的两个元件102和104形成透镜(10)(在图像中是凸起的，但可以是凹陷的)；透镜由有机材料形成，例如玻璃、环氧树脂、丙烯酸树脂或硅酮；通过加热工艺执行不同层之间的机械链接。可以通过沉积新的光阻材料层(206和214)及其选择性蚀刻以形成透镜(206a和214a)之间的分隔间隙，来增加更多透镜，最终在结构顶部放置透明基板216。所述制造工艺适用于晶片处理，第一晶片包含光传感器，在其上构建像素微透镜302并从该结构构建若干透镜，在晶片的所有传感器上一个接一个形成若干透镜，最后进行到切割工艺(划片或获得小块)，从其获得大量的相机模块。
前一段中描述的过程显著降低了制造成本，并且与在透镜之间或传感器和第一透镜之间使用玻璃间隔体的替代方案相比，尤其有用，尤其是考虑到出于技术原因，玻璃间隔体不能达到低于300微米的厚度(通过本发明，实现了高达大约30微米的厚度，通过减小组件的厚度并避免为该结构使用粘性材料，为透镜设计者赋予了更大灵活性。)
CCD传感器正在用于且已经用于数字相机和很多应用中，不过，因为CMOS传感器生产成本更便宜，制造过程中产量更高(满足指标的部件百分比)且尺寸更小，它们的普及性已经增大，这全都仰仗使用了为制造半导体(微处理器、存储器和逻辑电路)器件开发的技术和设备。
与所述进展同时，在不同原理的领域中，已经发展出元材料，这样的材料包括被设计成用于处理电磁波的小尺寸结构，早在1967年，Victor Veselago就在其文章“Theelectrodynamics of substances Simultaneously With negative Values ofεandμ”[1]中理论研究了具有负折射率材料的可能性。在2007年，Henry Lezec在可见光中获得了负折射[2]，从那时起，各个研究小组都对将这些材料用于诸如不可见性和放大倍数远超现有技术的显微镜的应用可能性进行理论研究。
3.具体实施方式
以下描述反映了实施本发明的特定方式，但其主要目的是例示本发明的原理，不应以限制意义来理解。本发明的范围通过参考本文的权利要求而得到最佳确定。
除了现有技术中描述的单片集成电路的定义之外，在本发明中，术语单片式扩展到结合到单个结构中的电光传感器，该单个结构主要由微电子和/或微光学中常用的方法处理，不仅仅有光传感器(通常是CCD或CMOS传感器或构建于衬底，通常为半导体衬底上的任何其他传感器)，而且还有位于传感器衬底上的若干层光学材料，它们在光线到达传感器之前对光线进行光学处理。
本发明的主要新颖性是使用了彼此堆叠布置的不同折射率的光学层，包括全光微透镜，所述层的底部在光传感器衬底上(CCD、CMOS或其他过去、现在或将来的光传感器技术)。
参考图14，其示出了发明之一的实施方式，从下到上可以区分出，衬底1，光传感器2位于衬底1上(衬底可以是例如半导体衬底，光传感器例如可以是光电二极管、光电晶体管或其他光传感器，使用的半导体技术可以是CMOS技术或任何过去、当前或将来制造光传感器和/或电子电路的技术)；该图仅示出了一个维度，但传感器是在二维中构造的，形成“二维阵列”。在“光传感器阵列”上，如果需要，可以放置滤色器(6，7和8)，以构建彩色图像传感器(与白色、黑色和灰度阴影中的一种相比)，滤色器通常包含三种主要颜色(绿色6、红色7和蓝色8；或者如果使用另一组基本颜色，黄色、品红和青色)，颜色阵列已经从图10A的那种结构发展到图10B和10C的那种结构；在最现代的制造工艺中，在滤色器上，通常为每个光传感器/滤波器放置微透镜，这些微透镜的目的是向(在光传感器的有源区上)内部聚焦光束，由于所有传感器2的所有面积之和小于衬底1的面积，因为需要使用空间来放置偏置和读取电路；在微透镜上，放置低折射率4的光学层3，使得光束向着光传感器折射，从而将每单位区域中的所有光能通过区域4聚集到光传感器2的区域中；为了满足这个条件，折射率材料4必须要具有小于材料3的折射率的值；最后，设置微透镜5(利用具有大折射率的材料，该大折射率大于材料4的折射率)。
由材料5、4和3并且适当设计透镜5和3的外形轮廓以及距离x所形成的结构，获得了图2、3、4、6、6B、8A和8B中所述的类似全光结构(在图14的实施方式中，在每个全光微透镜5下方，有4个像素，实际上假设全光透镜5具有方形(4×4像素)，那么在二维结构中它们有16个像素，但稍后将看到能够遵循与传统不同的模式设计像素和微透镜的几何形状)；以上述光学角度来看，通过几种方式描述的结构更好：靠着图像传感器附近的微透镜结构，类似于图3、4、6A和6B，显著减小了机械复杂度和制造成本，还能够使用如传统或接近传统目标所述的全光传感器，用于具有高质量光学器件和极高数量像素的专业相机(为大相机设计这种类型的传感器以在几平方厘米的面积内产生大量像素，其与设计用于移动电话或膝上计算机的相机难度相比每个微透镜面积值较大，在设计用于移动电话或膝上型计算机的相机时必须要在极小尺寸(小于1cm×1cm)中设计所期望的兆像素的数量和所期望的微透镜的数量，使得这样的传感器提供比图5A、5B、7A和7C的方案更好的特性，加之相对于图5A、6A、6B、7A和7C中所执行的分立制造步骤而言，便于控制微电子工艺(光刻或其他)中的微透镜的容限)。机械和制造复杂度也低于图8A和8B中能实现的复杂度，避免了像所述图的微透镜和传感器之间那样在不同晶片和气隙(或其他间隙)之间的对准过程，这些结构固有地不如本发明中所述那样单片程度高，并且更容易受到传感器和微透镜之间存在污染材料的影响。
返回到图14，微电子制造过程不仅允许以极高精度设计图14的微透镜3和5(球形、非球形、凸面、凹面或遵循设计者期望的任何图案)，而且极其可能根据距离算法来控制其他设计参数，例如距离x，其通常等于全光透镜5的焦距或对于其他类型算法而言更小/更大。例如，在图15中，这个距离相对于图14被减小(在像素数量方面实现了更高区分算法，但在传感器中入射光线方向性方面区分度更低)。
替代双凸形式的全光微透镜5(这样命名以对照像素微透镜3)，有时使用具有凸平面(5)的透镜，如图16中所示(其中示出了一种实施方式，其中在微透镜3和5(利用高折射率材料构造：图中标记为“折射率1”和“折射率4”)之间使用了两个具有低折射率的层(在图中标记为“折射率2”和“折射率3”)，唯一的目的是向制造过程和不同折射率之间的界面提供更多灵活性)。
类似于微电子学提供的那些的用于光学器件的制造方法所提供的灵活性是无限的，例如，图17示出了其上仅有像素微透镜以及全光微透镜的结构，在所述图中第一和第二个都是球形的，而图18中具有非球形结构。图中“全光半球”直径和“像素半球”直径之间的距离等于零(两个半球都停靠在衬底上)，但全光半球会被放在距衬底更大距离处，生成类似于图8C的结构。
图19到22示出了可能的实现了晶片级处理的制造流程，提供了以极低价格制造大量极高质量传感器的能力。
图中未示出包含光传感器的阵列的衬底或滤色器及其关联像素微透镜的制造，因为这些结构在现有产品中广泛为人所知，从而在前面本发明结构的详述中将被论述。
从图19开始，光传感器衬底(具有高折射率(图中标记为“折射率1”)的像素透镜用以将光束聚焦在光传感器的工作区域上)，在它们上方放置光敏透明低折射率(折射率2)材料，如图19中所示(通常基于透明树脂的像素微透镜的折射率可以具有大约1.5的值，而有些其他材料和元材料可以具有大约1.1甚至更低的值)。可以根据涂层数量使距离x更大或更小。在图19的结构上进行选择性照明，之后利用选择性腐蚀进行蚀刻(根据先前选择的照明)，获得图20的结构，记住图19中沉积的“折射率2”材料可以在光刻过程中通过选择性方式被腐蚀。
在图20的结构上，重新定位具有高折射率的透明光阻(图21中标记为“折射率3或折射率1”)，获得图21的结构。这种具有高折射率的材料可以类似于构造像素微透镜的材料甚至是相同材料(折射率-1)；下一步是新的光刻工艺和选择性照明和蚀刻，最终获得图22的结构，所述结构是图2、3、4、6A、6B、8和8B中公开的传统全光结构的单片版本(构造于单个芯片上)；因此，容易应用相同算法来识别的光线到达方向、重新聚焦、从相机到实际点的距离等。
能够使用通常用于微电子制造中的方法，获得了由具有不同折射率的元件形成的微型光学结构，并容易控制微电子中使用的高级制造工艺的容限，本发明在制造工艺或不同质量值关系方面赋予较大灵活性以适应到不同的设计折衷。
例如，利用CCD或CMOS的制造工艺非常成熟，因此，在已经为制造基础设施付款，且对于精密性和质量不主要的应用而言可能提供极低成本时，可能获得如图23中所述的结构：因为它们是成熟的工艺，其中与总体尺寸相比，偏压电路、读取和写入电路的尺寸较大，光传感器2相对于总面积占据基板1总面积的较低百分比(与例如图14相比，其中可以发现更高级的微电子工艺，其中已经减小了电子电路的尺寸，电子电路占据基板总面积的较低的面积)。图23中所述的这种结构将需要衬底(例如，硅CMOS工艺)表面和微透镜表面之间有更大距离(像素微透镜和全光微透镜之间的距离(x1)可以等于图14或与其不同)，因为入射光束应当聚焦在更小区域上，这是在图23中材料3具有增加的厚度的原因，这能够通过类似于微电子材料的光学材料来处理，例如沉积更厚的透明材料，接着进行光刻(照明并蚀刻)，以为球形和非球形微透镜创造具有非常高精度的微透镜表面。
图24示出了如何在光传感器衬底的方形区域上构建微透镜(更细线的方形是光传感器的区域)，高精度光刻工艺使得能够设计和制造具有方形基底的球形透镜，而非具有圆形基底的半球透镜。这样的制造工艺允许这样的结构：光传感器上的透镜，并非放置单个半球，而是放置半球的4个部分，这4个部分在4条线中彼此相交。图25A示出了彼此相邻构建的两个像素，细方形线是在所述光传感器之间的衬底(例如CMOS衬底)上构造的光传感器，粗线方形表示为偏置电子电路和读取电路保留的衬底区域，上部设置的叶片(X)代表构成与每个像素相关联的每个微透镜的四个半球部分之间的交叉。
图25B示出了4乘4像素阵列的顶视图，图26示出了该结构的横向视图，还示出了位于像素透镜3距离x2处的全光透镜5，在全光透镜5和像素透镜3之间为低折射率透镜4的透明材料。在本范例中，阵列全光微透镜的每个微透镜5包含16个像素(4乘4)。还可以看出，微电子制造工艺已经发展到更密集的结构(更加亚微米)，提高用于光传感器2的面积与衬底1的总面积的比例。在增大面积2的百分比时，像素微透镜的垂直尺寸也减小了(因为入射在像素微透镜3上的光束不需要很大垂直距离来聚集在光传感器2的面积上)。假如有彩色传感器，三种基色的可选滤波器(8，6和7)保持在适当位置。
可以通过现有技术中公知的工艺形成不同的光学层，例如CVD(化学气相沉积)、LPCVD(低压化学气相沉积)、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)、HIDPCVD(高密度等离子体化学气相沉积)或微电子中常用的其他材料沉积工艺，可以是通过熔融材料的重力进行简单沉积，在这种情况下使用的方法来执行光学材料沉积。
下面讨论用于或可用于执行本发明的光学材料，重点是这些光学材料仅仅是范例，绝不意在限制本发明的一般性，因为可以利用范例中提到的材料或利用替代材料，包括当前没有的新材料，来实施这样的发明。
全光透镜5以及像素透镜3可以由玻璃光敏材料制成，允许在晶片层级上制造，每个晶片有大量图像传感器和最小的人工干预，降低了制造成本。还可以在晶片等级，利用热塑性光阻材料或具有高折射率的透明聚合物来制造透镜(全光和像素)，在蚀刻之后，可以对它们进行固化处理(例如，利用UV光-紫外光-或在高温下热固化)。可以选择性进行UV固化，以便随后利用适当溶剂去除未固化的部分。还可以使用混合有机-无机聚合物和/或可由紫外光固化的高折射率尾料的几种商业实施。可以使用固体聚合物，其能够在未固化区域上进行腐蚀，或者使用液体聚合物，在特定条件下(温度或UV照射)，该液体聚合物变成具有若干折射率的透明固体，由此获得光学结构。
已经提到过，通常用于微透镜3和5的若干材料通常具有大于1.5的折射率，对于一些材料达到2，高折射率的适当透镜材料是氮化硅(折射率为2.0)，可以通过等离子体CVD工艺(等离子体的化学气相沉积)来沉积，另一种替代方式是通过在衬底上沉积并随后离心过滤(旋转)来形成聚酸亚胺树脂膜(折射率1.6到1.7)，然后利用对于所用材料类型而言合适的溶剂来生成正确的形状以生成透镜，例如，可以通过干法蚀刻(或干法化学腐蚀)来腐蚀氮化硅。可以沉积液体材料，获得更软的材料，接下来需要固化工艺(热或UV紫外光)来硬化，或在固化材料期间铸造沉积需要的硬度；适用于上文所述不同类型玻璃、塑料、有机-无机聚合物和其他材料的工艺。
微电子制造工艺提供的可能性为设计者赋予了灵活性，以利用具有不同阿贝数、不同色散特性，具有可变直径(间距)或具有不同折射率的不同材料来构建透镜，透镜为圆形(或者如果在三维中观看为半球/或半球形)、方形(如果在三维中观看，为彼此相交的四个交叠的穹顶/非球形)、六边形(在三维中观看，为六个交叠的球形/非球形顶端)，包括三角形，像素的设计同样是这种情况，并为以更优效率的全光算法提供新颖拓扑的设计打开了可能性，提供更好的照明性能(例如覆盖6个三角形像素的六边形微透镜)，还扩展了灵活性，以为消色差透镜提供了非常灵活的设计。可以沉积不同厚度的层，在先前透镜上沉积的不同特性的新层，最终，设计的灵活性远高于大的分立光学系统。此外，由于使用了“牺牲材料”，可以生成折射率接近1的层(包括空气)：在(材料3、4或5的)透明层上，沉积光阻厚度材料，并需要在其上形成，生成具有几个开口的(材料3、4或5的)新透明层，以允许适当的溶剂进入掩埋光阻材料中，接下来可以溶解并稍后去除它。尽管为设计者提供了灵活性以实现接近1的折射率，甚至是高折射率材料之间的空气层，但所述设计必须要包括“两层透明材料(3和5)之间的支撑柱”，例如如图14b中所示，但具有这需要造成的所有缺点(在两个层3和5之间存在高折射率4’的“柱”；或者由于更高折射率层之间所述机械支撑柱的低密度，结构可能具有机械问题)。更吸引人的是使用元材料(而不是空气或气体)，提供甚至可能低于1的折射率。可牺牲的材料可以是水溶性凝胶，以及几种市售材料或商用非常广泛的集成电路的常规光阻(可溶于水、丙酮或异丙醇)。
材料4可以是具有低折射率的任何透明材料。为了减小全光透镜和像素透镜之间的距离(图14中的x)以及像素透镜的尺寸，材料5和4(还有3和4)之间的折射率之比应当尽可能高。低折射率透明层4的可能性是折射率约为1.5的玻璃、塑料、无机共聚物或有机聚合物。
减小有机聚合物折射率的公知方法是提供具有更高氟含量的组分，不过，这样使得材料对水和油溶解度更低，使得其难以在高低折射率材料之间的界面中具有紧固的结，对这一问题的一种可能解决方案是使将要放置低折射率材料的高折射率透明表面(或放置高折射率材料的低折射率表面)置于富氧等离子体处理中(在氧含量高的气氛中)；不过，如果不通过非常受控的方式执行这一过程，可能会导致粘附性、质量劣化和制造效率的问题。这就是通常仅在传感器紧上方的第一层中使用氟代-有机化合物或氟代-无机化合物的原因，尽管它们的折射率低(对于通常通过离心旋涂形成的丙烯酸膜氟树脂或一般通过溅射而沉积的氟化镁膜为1.3或者1.4)，不仅基于折射率设计标准还基于层之间的粘附标准来利用各种折射率的层来形成“夹层结构”(尽管在图中简化为仅设置了单层)。
在光传感器紧上方使用的其他透明材料可以是(以单层或多层结构，可以包括钝化层和/或平坦化层)传统上用于金属层之间的电介质中的那些和/或通常用于在芯片的有源元件之间建立互连的多晶硅，诸如氧化硅、FSG(氟化硅酸盐玻璃或氟硅酸盐玻璃)、掺氧化物的硼、MSQ(甲基倍半硅氧烷)、HSQ(氢倍半硅氧烷)、FTEOS(氟四乙基原硅酸盐)或BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)的材料，后者通常通过大约900摄氏度左右的热回流工艺(回流)来形成，以上材料通过CVD、LPCVD、PECVD、HIPCVD或现有技术中其他公知沉积方法形成。钝化或平坦化层(图中出于简洁未示出，在现有技术中公知)可以由各种化合物形成，例如氮化硅(SiN或Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、碳化硅(SiC)、碳氧化硅(SiOC)或者具有其他性质的其他组合。滤色器通常通过设置额外的氧化硅透明涂层或其组合来保护它们，在图中为了清晰起见未示出它们，可以通过CVD、LPCVD、PECVD、HDPCVD或其他现有技术公知的沉积工艺来沉积。
然后参考图19、20、21和22中给出的制造工艺序列解释为本发明提出的制造工艺，其目的是获得与图14所述类似的结构。从光传感器衬底1开始，其光传感器2的阵列，其滤色器(6，7和8)和像素透镜3是现有技术公知的且广泛用于CMOS工艺结构中，虽然可以将本发明应用于各种结构。在为像素透镜提供高折射率的所述结构(图19)上，设置低折射率(折射率2)材料，低折射率(折射率2)材料的厚度x在设计过程中决定。这一层可以是单个层或“夹层”，例如图16中所示那种，通过诸如XCVD、沉积-离心或现有技术中其他公知工艺在其上增加低折射率(折射率2)的第一层，在该层上，已经键合了也是低折射率(图16中的折射率3)的衬底。
在图19的结构上，例如，有光敏剂层，其材料为正性光阻，该层定位于“折射率2”层上。利用灰色掩模，对所述光敏层进行选择性曝光，例如，利用灯的I线照明(具有极高压汞蒸气的灯)，从而将该结构暴露于不同的光强，利用曝光和对光敏材料层的后续蚀刻，提供与图20的顶部恰好相同的曲线。在蚀刻之后，光阻材料层被腐蚀，例如，利用干法蚀刻溶剂的化学腐蚀(干法蚀刻)，这通常涉及利用离子(通常是反应气体的等离子体，例如氟碳酸盐、氧气、氯气、三氯化硼，有时添加氢、氩、氦和其他气体)轰击该层。这种腐蚀，除了“清洁”光敏材料之外，开始“清洁”(清空)更低层的材料，将最初在光阻材料中形成的相同曲线转移到低折射率层4(图19中的“折射率2”)。使用干法蚀刻的精确度和可重复性非常好。也可以使用液体溶剂，但它们会以更加各向异性的方式腐蚀。在图20中，已经获得了凹面结构，但稍后将会看到，可能会获得凸面结构。
最后，生成具有高折射率的第三层材料(图21中的“折射率3或折射率1”)，可以利用类似于上文所述那些技术沉积它们，例如CVD、LPCVD、PECVD、HDPCVD或现有技术中公知的其他沉积工艺。如果该层“折射率3或折射率1”是利用光敏透明材料(树脂、玻璃或其他光敏材料)沉积的，它足以使所述结构受到类似上文所述的曝光，以便之后使所述层受到腐蚀，腐蚀选择性地溶解材料，获得图22的最终结构(利用微电子中通常使用的制造工艺获得的一种全光结构)。另一种备选方式是重复先前使用的过程来在图21的结构上放置光敏材料层，利用例如，灰度级掩模使该光敏材料层受到选择性照明，并例如使用干法蚀刻使所得结构受到最终腐蚀(使用干法溶剂的腐蚀)，以不仅清洁光阻材料的结构，还获得最初在光阻材料中生成的具有高折射率属性的层5。
已经以确定的光刻为例描述了本发明，但在实施本发明时也可以使用其他已知或将来的光刻技术，例如EUV(极紫外)，可以预计其清晰度可达到13.5纳米。
图14、15、16、17和18的优质光学层15、16、17和18也可以通过复制技术构造，亦即，在具有负的透镜形状的聚合物(在室温下可以是粘性的或液体)模具中沉积它，在所述模具上，以翻转形式放置晶片传感器，使得它与液体聚合物或粘性聚合物有物理接触(在光传感器和I像素透镜一侧)，然后通过暴露于紫外光或通过高温来固化聚合物。聚合物将成为具有适当折射率的透明固体，从而形成全光微透镜矩阵。
通过相继的光刻工艺来沉积三种颜色的每种的层，生成滤色器，然后利用保护层或钝化层覆盖所有滤色器。
有可能在全光微透镜顶端设置像素微透镜，在别处，设置抗眩光涂层，从而帮助改善结构的发光效率，以及IR(红外)滤波器，以便通过过滤光谱中不希望有的部分来改善光传感器中的信噪比。
类似于针对全光透镜方法描述的那些，来制造像素透镜。
简述的工艺，与光学和微电子的其他技术和器械(例如机械冲压玻璃(低温和高温)、热回流、具有超高精度的模制工具、激光标记和光学和微电子现有技术中公知的其他工艺)一起，导致工艺、工具和结果极其精密、精确且有成本效率，为设计者提供了由层厚容限设定的轴向容限可能性。侧面安装的容限由光刻掩模的精确度确定(能够以非常响的音量播放，几亿单位，图案小到28nm，不远的将来更小)，能够以极简单的制造技术实现单片集成产品，将使得微型产品竞争并克服具有大尺寸和重量的产品光学器件中的一些特征。作为范例，可以说，在微透镜的物理实现中具有纳米量级的容限，像差可以比大腔中低得多。
可以独立制造光学晶片和光学传感器晶片并接下来通过两个晶片中的“对准标记”将它们放在一起(通过焊接，阳极结合工艺或链接)并利用现代掩模对准器来提供高精度；或者可以由沉积技术、外延生长或其他现有技术中公知的技术，生成晶片传感器上具有不同图案的光学层。
如用于制造集成电路的微电子技术中那样，或者在图像传感器(CMOS、CCD或其他)的任何制造工艺中，最后的步骤由将晶片切割(划片)成几个个体芯片并稍后封装构成，通常利用塑料或陶瓷封装(包括开口，开口顶部有透明材料，以让光通过进入传感器)和金属管脚进行封装，金属管脚用于芯片与外部系统的电互连，或者对于具有非常高密度管脚的芯片而言，不用金属管脚，而是使用焊球阵列，焊球阵列位于芯片底部(BGA或球栅阵列)，类似于图13底部的焊球；甚至以更昂贵的单位成本为代价，根据制造工艺和特定器械的可用性，可能能够独立地进行光学晶片和电子晶片的切割(划片)，并在封装工艺的上游在每个光学传感器上放置每个器件。
微型化导致的几个实际问题，本发明公开比其他技术以更适当方式解决了它们。外透镜将入射光引导到所提出的传感器或者任何传感器时通常会看到：厚度减小(总厚度小于1cm甚至更小，以例如形成移动电话的一部分)的传感器在周边阵列的全光微透镜上比在阵列中心的微透镜上以较不垂直的方式来接收光线束，使得光不会有效率地指向光传感器，在光传感器的中心给出最大效率，向其周边逐渐劣化。入射在全光微透镜的阵列周边上的光比阵列中心更陡峭，使得从光传感器周边的像素看到的焦距比光传感器中心的像素更浅。有三种方式解决这个问题，第一种方式是在周边以与在中心的不同方式来间隔光传感器像素(将对应于全光微透镜设计的“盘”或“方形”或“六边形”或“任何形状”放置在远离中心区中的其邻边的“方形或六边形盘”的周边)，同时相对于传感器中心的像素来增大传感器周边中的像素的面积。这种方案效率不高，因为它增大了衬底(例如，CMOS工艺中的硅)面积并提高了产品成本，但我们认为提到它是适当的。
对前一段中描述的问题的第二种方案是设计一种在中心与在全光阵列周边具有不同轮廓的全光微透镜，以便确保更大的垂直偏差在全光阵列周边中比在全光阵列中心中作用更小；利用这种措施，仅有透镜阵列的中心关于轴完美对称，并在其向全光阵列周边移动时，微透镜相对于其轴逐渐增大地不对称，以确保光传感器中光束的垂直性在其中心区域与在其周边区域中恰好同样有效。这种解决方案，在离散光学实施中基本没有作用，利用如本发明所述用于制造微透镜的光刻工艺，实施起来却极其的高效和容易。
第三种方案是逐渐改变微透镜和传感器之间的距离(图14中的参数x)，使得所述距离在全光阵列周边比在其中心更小。仅有单个微透镜(或最多两个或四个)垂直于系统的光轴，传感器中心的微透镜，因为x在其他相对于光轴逐渐倾斜的微透镜中可变，并且在从全光阵列的中心离开时，更接近传感器平面。这种方案在离散光学系统中也基本无效，利用光刻工艺实施高效且容易。
从光学效率最大化和光学相差最小化的角度看，前面几段中论述的那些的混合方案效率最高，由于使用了光刻工艺，因为距离控制和透镜形状而造成效率已经非常低。
根据生产的可用工艺和材料以及如图14b那种的结构，其中已经用空气(或其他惰性气体材料，无腐蚀性且相对于水汽渗透具有良好性质)替代了材料层4(具有低折射率)；由于间隔体4’的原因，保持了光传感器2(或其关联透镜3)和“微透镜阵列”5之间的距离。利用“晶片堆叠”的制造技术，这种结构还相对简单且成本低廉：在现有技术的传感器的通常光传感器的晶片上(包含衬底1、光传感器2、滤色器6、7和8以及可选的微透镜3)，设置具有间隔体(4’)的第二晶片，并且在这第三晶片上设置微透镜5。用于制造工艺的掩模对准技术和微电子制造工艺中的晶片对准在光学晶片和利用光学器件对准电子晶片方面实现了极佳效果。通常，使用的是8或12英寸的标准晶片。
间隔体晶片4’的材料应当吸收光，避免任何种类的会导致“重影”的反射；可以通过简单的方式实现该物镜，例如利用抗反射材料涂布间隔体4’的侧壁(通过例如喷涂)。可以通过焊接、阳极键合、通过温度或可以利用紫外光或硬化温度固化的粘合剂树脂，将晶片间隔体4’附着到传感器晶片；这些树脂的沉积必须要相对于光轴对称，通过印刷技术或喷涂以选择性方式避开光到达传感器的光路区域。类似地，将微透镜晶片5固定到分隔体4’。
使间隔体晶片4’物理或化学腐蚀(蚀刻)与传感器晶片(通常8或12英寸)相同尺寸的玻璃衬底，也可以通过激光切割、粉末喷压或超声波钻孔，进行开孔。
在另一种选择中，可以将材料4’和5构造成一件，而不是两个独立的件。于是，在光感测晶片(1+2+6+7+8+3)上放置晶片5+4’。
作为制造光学晶片间隔体(4’)的替代，可以通过在半导体衬底(具有滤色器和像素透镜)上沉积干式光阻材料来构造这些，接下来进行化学腐蚀或物理(蚀刻)，以打开将把像素透镜(3)与全光微透镜对准的分隔间隙。
有很多方法制造微透镜晶片5。尽管在图14b中，仅能够看到最终产品，由于使用了在其顶部上形成有凸平微透镜，在其底部上形成有平凸微透镜的薄衬底，可以获得这种产品。可以利用玻璃、环氧树脂或硅酮或丙烯酸材料的有机材料制造微透镜。也可以通过复制工艺形成微透镜，其中使用了聚合物或可固化液体(通过光或热)，可以将微透镜构建于玻璃、塑料、石英或树脂的薄透明衬底上。通过这种方式，可以构建球形、非球形透镜或其他形式。还可以通过对化学或物理腐蚀敏感的材料的光刻腐蚀技术构造它，或者在微透镜衬底上沉积光阻材料，利用灰度掩模蚀刻它们以赋予它们透镜形状，以然后将该结构进行物理或化学腐蚀(蚀刻)，以获取光阻材料的形状，光阻材料接下来形成透镜材料；在微透镜晶片的一侧或两侧执行该工艺。
在将微透镜5与分隔体晶片4’对准并固定之后，可以继续进行到切割(划片)，或分离晶片中包含的全光传感器的每个。
可以利用层来覆盖结构顶部上的微透镜5，以过滤IR(红外)光，由此提高传感器的信噪比。使用抗反射涂层阻止使得入射光输出的一部分没有达到传感器。
图14b中描述的技术所用的全光算法将平面传感器置于小于输入光学系统的焦距的距离处。
所公开发明的最大影响是使用元材料作为所述微型光学工艺的一部分；由于使用了没有负折射率的材料，而仅使用具有小于1的正折射率的材料，能够显著减小光学器件的尺寸。参考图14，如果使层4的折射率为例如0.5或0.1，会显著减小距离x，使得能够以空前的厚度进行单片集成(尤其适用于诸如移动电话的领域，它们需要尺寸极小的传感器)。(通过集成电子和光学器件)来制造单片传感器，其中，像素微透镜3和表面微透镜5之间的距离为3毫米，或进一步增大集成传感器的尺寸，以达到利用小尺寸的分立光学器件所实现的尺寸(如图11)，以及能够获得超厚晶片，切割工艺(划片)中的巨大困难和机械不稳定性，降低了制造工艺的产率，增加了单片结构的成本和尺寸。
然而，使用具有小于1的低折射率的元材料不仅减小了像素微透镜和全光微透镜之间的距离x(图22B)，还允许获得可被本发明所述制造工艺接接受的微厚度(几个毫米)，以及作为单个单片传感器的部分的更大数量的透镜。参考图22B，使用折射率小于1的元材料4减小了距离x，并能够在全光微透镜上沉积第二层元材料4’，例如在其上可以构造出凹/凸透镜5’，或者双凹透镜5”、或凹/凸透镜5”’或双凸透镜5””，或类似于图22B所示的具有“夹层”结构的几个透镜的组合，获得了集成微型相机的所有透镜的单片传感器，这有赖于使用了本发明描述的光刻技术，在一些特征中，例如光学像差和照明效率，能够与其大型竞争对手对抗，这些相机以低成本非常高的产量击败生产厂家。
沉积不同透镜的次序可以是对于设计者适当的任何次序，因此图22B的结构是等同于图6B的微型光学结构的(除了变焦器，变焦器可以如下所述通过微型光学方式被构造)；如果层5(图22B)在“光学夹层”的顶部，那么就实现了等价于图5A和5B中的那些的集成结构；或者如果放置了第二者(在分隔物空间的微型相机的输入透镜紧下方)，则实现了图7A和7C的微型光学透镜等同物。
由于使用了折射率小于1的单片集成腔的材料，没有达到如图22B所报告的极端尺寸减小，在图22C中描述得到(其中，未以图22B相同的比例来绘示层间的间隙)。利用空气(或其他气体)替代图22B的低折射率(4)材料，由于使用了间隔晶片4””’，能够保证包括微透镜的高折射率透镜(5)之间的间距，使得在传感器晶片(包括层1、2、6、7、8和可选的3)上放置第一间隔晶片4””’，在其上放置了全光微透镜晶片5，在其上放置第二间隔晶片，其支撑着第一透镜(本范例中为凸凹透镜)的放置，等等，构造出性能优异的微型相机，适用于便携式装置(移动电话、膝上计算机、平板计算机等)中。通过在传感器晶片和第一全光透镜晶片上堆叠光学晶片，来添加更多透镜，本发明是图14b所示的超级集合。
已经公开了制造技术以描述图14b，下面解释在图22C的上层中制造透镜晶片的各种可能，有一些已经被Wolterink,Dohmen Sander Van Der Sijde,Arjen De Bruin,Groot和Anton Van Arendonk在WO 2004/027880A2中广泛描述过。利用解释图14b时描述过的材料，可以通过复制技术在薄的透明衬底上形成凹的光学元件，从而获得平凸透镜(球形、非球形或异形)。利用复制技术，能够在不透明材料衬底上构造透镜，在该衬底中已经构造了传感器尺寸的开口(让光通过的间隙)(方式类似于其透镜中带孔的一片瑞士硬干酪，但明显具有更规则设计的孔，用于使光通过)，不透明衬底防止“噪声光”到达传感器；例如，可以在衬底的凹陷中复制凸凹透镜，由此减小所得微型物镜的厚度。另一种效率较低的构造凸凹透镜的方式是在透明衬底顶部复制微细凸表面，在底部复制衬底中具有对应的凹面。可以如上所述构造出具有任何轮廓的光学晶片，不仅仅是图22C中所示那些，而是任何异形透镜。如上所述堆叠晶片，或光学领域专家容易推论出来的其他方式，从而通过这种方式，能够生产几乎任何类型的单片集成微型相机。
除了上述技术之外，在透镜的两侧还制造了具有高折射率玻璃或透明光敏材料的晶片，这些材料能够被现有技术公知的光刻技术来腐蚀，获得任何类型的具有任何轮廓的透镜，与利用光刻技术可实现的小尺寸容限相比，与大尺寸透镜制造方法相比，具有令人羡慕的像差。另一种可能性是在光学晶片上沉积光阻材料，然后对材料应用灰度掩模，蚀刻以在光阻材料上生成期望光学轮廓的透镜，然后继续进行物理或化学腐蚀(蚀刻)，不仅去除光阻材料，而且在光学衬底上再现通过光刻获得的表面的轮廓。这项技术获得的透镜在尺寸或像差方面是现有技术无法比拟的。
堆叠晶片以及构造传感器(或微型腔)的光学层的次序未必是图22B和22C所示那样，例如，微型透镜晶片可以是最后一个而不是第一个(从像素透镜的表面数起)，从而获得类似于图5中的分立实施(具有个体透镜)的单片实施。A；在另一个范例中，晶片微透镜可以介于输入透镜和其他透镜之间(位于LMA和传感器之间)，实现图7A、7B和7C的结构的单片实施。
22B和22C之间的图中的混合方案也是可能的，其中通过沉积交替的低折射率和高折射率层来构造距透镜最近的传感器，而通过间隔体和堆叠晶片构造传感器更远的层。微透镜可以是第一结构(通过在传感器中生长层来获得)或第二结构(通过堆叠晶片来获得)的部分。按照制造技术中的层的次序进行的任意排列都是可能的。
本发明创新的完全不同领域在于集成的兆像素数量(对于大型相机和用于移动电话、平板计算机和手持装置的微型相机)，理论上遵循微电子学中应用的Moore定律，但在实践中，受到极小像素光效率的限制，像素尺寸不能无限减小，因为对于非常小的尺寸，光的波动性开始显现出来，像素(光传感器)上占据的光束物镜、微型全光透镜和微透镜像素具有独立于传感器表面上距离的平面光输出密度，功率密度具有像图27A那样的形式(假设光路中为圆形透镜)，具有中心区域，在中心区域中集中了大部分能量(中心像素，被称为艾里环(艾里cirlce)，在图27A的底部处的暗灰色)，侧瓣随着离开中心像素而越来越小(艾里环，在图27A的底部更清晰的灰色同心圆)。已知在出射光曈为圆形的光学系统中，与点物体图像相关联的辐照度分布是由中心圆瓣和一系列强度递减的同心环构成的，在中心圆瓣中集中了大部分能量(84％)。
在一种被描述为像素透镜不是完美的半球(或半个球)，而是彼此相交以将光束聚焦到光传感器方形(图24)上的四个半球(或半个球)部分的实施方式中，圆和艾里环不是完美的圆，而是构成图27的顶部所见的被我们称为“cuadri圆”的四个圆形部分。B(与图下方通常的艾里圆相比)。但是这样的特性不会消除下述发明的一般性。如果像素透镜是六边形的，这会导致“六边圆”中的功率分布。
如果像素尺寸(微透镜和/或光传感器)变得如光能的主瓣一样小(图27或图27B的艾里环)，辅助输出会排队(27A的艾里环或图的“四分环”)。B)可能最终落到相邻像素中，而不是落在正确的光传感器上，导致像素之间的干扰。在继续讨论点间干扰现象之前，根据折射率之间的比例等，相邻像素之间的微透镜(半球或“四分球”，由四个半球部分或非球构成，或对于六边形透镜而言由“六分球”构成，或三分球或其他几何形状)可能会交叠，如图28中所示，图28示出了这样的深亚微米工艺，其中光传感器的面积与衬底总面积(光传感器和偏置电路与读取电路)相比非常大。事实是两个相邻像素的两个半球(或两个半球透镜或两个四分球)交叠不会有负面影响，而是有正面影响，因为如果与衬底总面积相比光传感器的面积非常小，像素微透镜(3)的垂直方向材料厚度会非常大，增大了结构的总尺寸。在这种情况下，像素微透镜3在垂直方向上的厚度非常小，在垂直方向从微透镜表面到像素光传感器的空间很小，使得结构的厚度非常小，通过主相机透镜到光传感器的有用表面接收了几乎100％的光能。与上述结构中一些的差异在于，微透镜3的上表面的限制，其轮廓的下部实际不会接触到衬底1，使得两个相邻低折射率材料4的微透镜表面之间的交线始终位于衬底1的最小距离处，如图28和29所示。
在指定非常小尺寸的设计时，其中相机会形成极小尺寸设备的一部分，并且同时被迫要有非常大量的像素，减小尺寸能够达到极端目的，其中可能需要每个光传感器的尺寸类似于图27的主瓣宽度。在这种情况下，必须要接受将有一些像素间噪声，如果其足够低，没有原因导致图像质量有可察觉的下降，还必须接受到达光传感器的光能将不是入射光能的100％。
实际上，在大部分情况下接近这样的尺寸(接近几微米，甚至稍低于微米)，只有得益于支持计算机中保持的变焦才能够认识到图像细节的丰富，该变焦显示图像特定区域的细节，直到像素以过度变焦为代价变得过于可见为止，在这种情况下，相邻像素之间的小干扰示出了现实世界中图像细节的轻微变化，这与这种细节在现实世界中可能具有不同颜色一样重要。在这种情况下，如果滤色器不是逐个像素被设计的，而是逐个微透镜被设计的，采用图30那样的结构，像素之间的干扰效果的危害要小得多。有几种可能性，其一是在全光透镜上设置滤色器(图30上方)，另一种可能性是在透镜和像素光传感器之间设置滤波器(图30底部)(传统上是这么做得)，第三种是使用更小的滤波器厚度，与混合上述两种方案结合(微透镜下方的滤波器和全光微透镜上下的像素)。另一种可能方案是，全光微透镜自身不仅由高折射率的透明材料构造，而且还有滤色性质，如图31中所示。还可能像素微透镜也是滤波器微透镜(如图32底部所示)，或者混合方案，其中在两个微透镜阵列中都进行滤波。这样的结构从实际角度讲也更有效率，因为用于制造微透镜像素和全光微透镜的材料的色散特性、折射率和其他光学特性并非始终不依赖于频率(颜色)，从而能够这样设计，其中对于每种颜色，像素微透镜和全光微透镜都是不同的且经过优化，允许使用较不精密的光学材料和价格。
由于使用了本发明中描述的应用于光学层的微电子制造技术，容易获得前面段落中描述的结构，或者图27中所示的侧瓣(艾里环)将落在用于偏置电路和读取电路的不透明衬底的区域上的结构，诸如图33A、图34和图35所示的选择像素之间的间隙。在增大兆像素传感器数量并减小对强制应用需求的最后，能够采用的尺寸减小到极限，以采用图33B所示的设计，其中由于在相邻像素中使用了不同滤色器，使用相邻彩色像素之间的正交性，可以在其最近像素的低谷功率中放置像素的中心，下文将详细解释这一点。
实现了这样极端的尺寸减小，还有变得重要的其他噪声效应，像红外或近红外光谱中的光输出那样，虽然不会被人眼觉察到，在光传感器中是相当大的噪声；如何使其最小化是增加针对这些频率范围的滤波器。可以将这样的滤波器自身或与滤色器组合(因为使用的滤波器不仅仅是一种颜色，而是对于要避免噪声的频率范围有很高选择性)放在光路的任何点(或多个点)，因此可以将红外滤波器放在全光微透镜上，像素微透镜和衬底之间的全光微透镜材料的一部分上，在位于像素微透镜和全光微透镜之间的低折射率材料中(例如，图29中的材料4中)形成微型像素透镜的部分，即像素上的微透镜。还可以通过上述几种方法的组合来构造它们。
图34示出了光能在4个相邻像素上的光能的分布，形成通常用于色彩传感器的Bayer图案(4个像素方形，绿、红、蓝、绿)。在图的顶部，包括来自微透镜和对应像素滤色器的辐射，在这种情况下，看到光传感器的区域(围绕字母V、R、A和V)的内部方形)和微型像素透镜被设计，使得辐射的主瓣到达光传感器表面，并且第二瓣和第三瓣入射到不透明区域上，从而防止相邻光传感器中有大量噪声。图35更清晰地示出了衬底1上的该现象(利用前一幅图的标识)，构建有光传感器2，它们沉积于绿色滤波器6和红色滤波器7上；不过，在“非有源衬底区域”(未被光传感器使用的区域，通常用于偏置电路、A/D转换器和读取光学传感器)上，已经沉积了不透明材料层，使得侧瓣不能达到衬底，根据材料技术，也能够起到通往光传感器(通常用于CMOS工艺中)的“金属连接”的作用，但是除了不透明金属还可以包括半导体制造中通常使用或可用的其他元素。
图36示出了Yotsuba图案，这是彩色中通常使用的另一个图案传感器(白色像素布置于对角，每个对角为绿色像素，对角为交替像素：2个蓝色，2个红色)，上文的论述也适用于该图案。
例如，在CMOS工艺或其他制造光传感器的将来、当前或过去的工艺中，都在向着更加亚微米技术的方向发展，偏置电路、读取和连接越来越小，使得能够在越来越小的空间中设计更大像素密度，如果同时尝试改进衬底的使用，随着光传感器的面积与衬底总面积相比占据越来越高百分比(因为明显的成本原因，例如，在CMOS工艺中，成本与硅面积成正比)，能够实现图37所示的那些结构，其中与衬底的总面积相比，光传感器的面积非常高，但问题在于，第二和第三瓣照射与光传感器相邻的像素，劣化了SNR(在像素间噪声方面)。实际上，这个问题比其一眼看起来没那么严重，因为图38所示颜色之间有正交性，图38示出了一种设计，其中对应用指定的极小尺寸的传感器和每单位面积像素数量的需求非常高，因此，没有人能够进一步减小微透镜像素或光传感器的尺寸，因为随着这些尺寸开始与入射光波长相当时，光束会受到衍射并且光学结构效率不高(非常少的光子到达光传感器)，记住在撰写本专利时，几家半导体制造商已经开始批量生产用于晶体管的栅极尺寸的28纳米CMOS技术了，显然，这种尺寸的光传感器效率不会高，因为光波长会显著高于光传感器的尺寸，导致工艺减少衍射显著大的光效率。
对小尺寸、高封装的迫切需求，以及因此对小空间中大量像素的迫切需求，已经推动了“光传感器/像素微透镜”成套设计，使得一组“像素微透镜/滤波器”的峰值辐射落到相邻像素的第一零辐射中(如图38和33B所示)，得到图38的顶部的红色和绿色色素的Bayer结构辐射。不过，通过颜色的正交性使得像素间干扰问题最小化，图38底部反映了通过滤波器从绿色到红色的辐射，6dB(实线)和10dB(虚线)的滤波衰减显然不能无限地增大滤波器的衰减，因为这些会达到无法接受的厚度，不过，对于大部分应用而言，容易达到情形可接受的对比度。
更关键的是相同颜色的相邻点的干扰，因为相邻像素噪声未被过滤。就此而言，Bayer图案提供了更好性能，因为仅有绿色像素具有绿色对角邻居，而在YOTSUBA图案中所有点都是相同颜色的对角邻居。这种现象在图39中示出，在这种情况下，光传感器的面积与衬底总面积的面积比充分低，使得两个绿色光束在光传感器的区域中具有其第一瓣功率，第二和第三瓣照射光传感器之间的不透明区域。不过，由于对更小面积中更多像素的需求的推动，并且亚微米技术允许，进入了像图40中那样的状况，对于特定应用而言其可能足够好，但设计标准已经推动了相邻的“微透镜/传感器”之间的光束彼此交叠，不仅是颜色之间的衰减交叠(红色被示为具有大衰减，蓝色和绿色有交叠)，而且在它们之间还交叠有两个绿色光束。记住，不可能设计或面积传感器或更小的微透镜，因为对于低于特定阈值的这些尺寸，波动现象开始超过直线传播，在这些阈值之下，这些结构不再有效率，造成多次折射和衍射，阻止大量光子到达传感器。此时，必须要接受一定的低效率，尽管如此，这仍会获得足够多的适于需要极小尺寸和每单位面积高密度像素的大量应用的传感器，尤其是如果利用下述发明使该问题最小化的情况下。首先，图40示出，并非所有主要射束辐射都被投射到传感器区域上，主瓣落在不透明区域上(效率下降，这是为了微型化我们必须要接受的)，但更严重的是，绿色像素的第二和第三瓣向其他相邻绿色像素中引入了噪声，增大了像素间的噪声，如图40中所示，因为在作为相同颜色的邻居时没有衰减滤波器。图40还示出了滤波器如何大大衰减了绿色区域中的红色像素辐射(还有蓝色，尽管未示出)。
对空间的需求、微型化趋势以及像素数量的增加推动出现了这样的结构，其中：照射相邻像素的光束在它们之间交叠，在那种状况下，可以忽略的波动现象与更大尺寸工作很好，必须要考虑它们，使得传感器能够继续工作。图27A的辐射在传感器上形成所谓的艾里圆(或图27B中的四分圆，在我们的范例中，是方形像素的透镜，在使用像素和三角形像素透镜时，为“三分圆”)，由如下表达式给出：
其中J1为第一类一阶Bessel函数，λ为波长，折射率为n，σ为出射光曈和光传感器平面之间光线的入射角，p’为径向坐标平面图像。
函数的第一个零出现在ρ1′＝0，61λ/n′sinσ′上，表示艾里圆的半径取决于入射波长，这利用针对不同颜色的区域光传感器的不同面积建立了设计标准，或针对每种颜色的不同透镜设计。
对于Bayer图案而言，对角方向上两个相邻绿色像素之间的干扰小于Yotsuba图案对角两个相邻红色像素之间的干扰，因为波长更小，因此艾里绿色圆比红色更小。再者，如果接近它们之间的像素，因此达到谨慎的极限，两个绿光光束开始汇集到一起，可以在光传感器的设计处采取步骤(动作)，如右像素中所示，图41已经拓宽绿色像素之间的间隙以改变光传感器的物理结构(去除了光传感器绿光的左侧角，消除了衬底的有源区域，将方形变成了像素的六角形对称设计)。图像左侧的绿色像素更有效率，它从绿色光传感器右侧的右角处去掉了三角形区域(使其成为衬底的非有源区域)，来自相邻绿色传感器的微透镜/滤波器的最大绿光渗透的两个光传感器相邻绿色区域之间的距离移动更远，记得来自结构顶部的光被传感器上承载的微透镜折射，并且最终被滤色器过滤，它可以是相同材料的微透镜的部分或者是位于微透镜下方的平坦彩色层。在上述两种状况的任一种中，在两个相邻绿色区域之间通过的最高辐射将因为两个原因通过3个彩色传感器(4个相邻像素)交汇的顶点，第一，距顶点的距离增大，因此衰减增大(距艾里盘中心较远)，第二，来自绿色相邻微透镜的绿光到达远处的顶点(在绿-红和蓝-绿汇集区域中)，在达到绿色之前通过红色和蓝色滤色器，衰减到在相邻绿色区域中不可觉察的程度，这就是去除截断传感器区域的三角形区域的传感器的原因，在接近相邻传感器的绿色区域中生成非常宽的“非敏感”区域，但随着距相邻传感器的距离增加而变窄，并抵达其最大值，并在来自相邻传感器的绿光最大渗透区域中不敏感，渗透到下方衰减点(四个像素交汇的顶点，参见图41)的对角光，使得像素之间的噪声最小化。
一些微电子技术在设计规则和光刻中不允许在任意角度划线，仅允许垂直、水平和45度角，在这种情况下，传感器光有源区域的三角形缺失将从图41所示被绘制到最右Bayer图案的绿色光传感器的右方。其他技术限制性更大，仅允许垂直和水平线，在这种情况下，有源区域的“三角形”缺失会被设计成如图41左侧绿色传感器左方角所示。
图41中给出的图案看起来非常小，但必须要记住，光谱的波长的范围能够从蓝色光谱顶部的大约400纳米到下方红色光谱中的大约800纳米。尽管在撰写本专利的时候，28纳米的亚微米CMOS技术正在大批量生产中，表示几乎任何CMOS技术(或其他过去，当前和将来的技术)都容易设计尺寸远小于可见光谱波长的几何形状，这正在固化微透镜和微型传感器的最小尺寸以避免衍射现象。
本文描述的发明在以极低价格大批量制造极高质量的全光传感器方面有很大优点，还在制造、感测小尺寸越来越大数量应用的兆像素方面有很大优点，允许达到极限，其中光波的波动现象不再被忽略，下文详细描述了其中一些内容。
本文描述的结构还可以是3D芯片的一部分，其中图14、14b、22B和22C所示的底部结构，并非被焊接在印刷电路上，而是位于具有特定功能(例如全光处理)的另一个集成电路上。
可以将提到的发明与微型机械变焦器组合，其中光学透镜中的一个(些)被MEMS(微机电系统)驱动垂直于轴向轴移动夹层(n)，并从而能够聚焦图像或使用该结构作为光学变焦。
可以将提到的发明与外部可控的静态变焦器组合，其中光学夹层的透镜之一(些)在外部参数(一个电压、电流或其他参数)的控制下改变(n)焦距，从而能够重新聚焦图像或使用该结构作为光学变焦器。
主要原型和市场上的第一批产品使用“现有技术”中描述的微透镜，如本文所述使用光传感器和微透镜为它们赋予了下文描述的应有优点。
展示与现有技术区别的使用范例
可以使用利用图41所述的像素几何形状的光传感器拍摄极小空间中极高密度的像素的图像，像素之间获得的对比度显著改善了现有技术，提高了相邻像素之间的信噪比；包括诸如移动电话相机、平板计算机或膝上计算机的应用，它们具有非常高的兆像素数，并且尺寸非常小(传感器占据不到1cm×1cm)。本发明适用于传统传感器(没有全光微透镜)和光场传感器(具有全光微透镜)，但在后一种情况下尤其有利，因为每个微透镜的像素数(区分更多到达方向)和越来越大微透镜数量之间有了平衡，以便增大可用数量，推动了兆像素传感器的总像素数量超过当前现有技术，偏离了Moore定律的限制，但尽可能减轻了光波导致极小像素尺寸发生不希望衍射的现象。
如果能够在每单位面积的兆像素数方面降低指标，如图40所示，或如图39进一步所示，还允许使用最低成本的光传感器技术(或使用密集技术增加每单位面积传感器的兆像素数量)，能够达到非常高数量(超过当前现有技术)，对于空间不是主要设计准则的应用(例如，在DSLR传感器中，尺寸可以是每边几个cm)，具有极高的亮度效率兆像素和腔尺寸正常/大型的高对比度。还是对于便携式装置(电话、平板计算机、膝上计算机等)中的应用，可以针对大量兆像素不是其目标的应用实现非常高的对比度和非常高的图像质量(低噪声)，对于像素区域包含第一满艾里圆(如图39中所示)的情况，基本质量可以非常高，在这些情况下，84％的入射光到达光传感器，恰好可觉察地增大了灵敏度，给定传感器的对比度应当乘以4传感器面积(以包括传感器区域中的第二瓣艾里)技术。本段中执行的权利要求适用于传统传感器和数字相机，但尤其对传感器全光相机有用，因为微透镜的数量呈指数增加，于是为区分大量方向指定的像素数量也增加。
所述发明在像素密度方面改善了现有技术，使得开始降低传感器/相机效率的主要因素是衍射光，尤其是更长波长中的红光，因此是第一个被衍射的。可以在正常或全光传感器中使用这些发明，下文描述了传感器的应用。
图14、14B、15、16、17、18、22、22B、22C、23和26中给出的发明能够获得全光传感器，其中，通过适当处理像素的信息，可以不仅获得关于像素中颜色强度的信息，而且可以获得光线的到达方向，实现新的应用，其中能够在照相拍摄的现实世界上聚焦的不同等级平面中重新聚焦图像，可以获得完全聚焦的图像(在图片的所有点处)，获得3D图像(三维)以在带有源眼镜(具有立体图像)的电影屏幕或监视器、带无源眼镜的屏幕/监视器上进行3D显示，或者将来无需眼镜的新屏幕/3D显示器。在不同深度聚焦的像素数量和可能平面的数量(随着每个微透镜像素数量而线性增加)由于使用了本发明而显著增大。
可以在来自若干较小光传感器的小型便携式相机中，甚至在具有精密光学系统和大数量像素的专业相机中，使用所述发明发展的全光传感器。相对于集成微透镜全光透镜的其他技术的主要优点是，相机透镜或微透镜阵列中的分立等级离散地位于传感器平面前方的平面中，利用类似于微电子中使用，还用于光学的制造技术能够处理晶片，全光传感器获得高质量，更低成本，制造工艺适用于极大量的生产，同时减小了光学像差，增大了每单位面积的微透镜数量和像素总数。
全光技术的缺点之一是，获得的像素数量取决于使用的算法，最终图像中的超级分辨率和内插的可能技术(后期处理的全光算法)将获得低于传感器像素数的图像中像素数；在低端，一些算法提供的像素数等于全光微透镜的数量。这一事实与区分光线到达方向需要若干像素对末尾中最高值进行可能的微透镜处理的事实耦合，会导致微透镜和传感器超出现有技术。
利用高级微电子工艺和/或微光学工艺，例如CMOS技术对微透镜进行单片集成，由于已经对微处理器、存储器和其他逻辑电路做出大量投资，已经达到了非常高的精密度，能够有非常精密的设计手段，生产还适用于全光微透镜，允许制造全光微透镜阵列，透镜数量超过现有技术，光学像差比等价离散系统更少。
为了认识到本专利中公开的发明优点，讨论当前不可能实现的将来的图像采集技术。假设想制造3D HDTV相机(对于这种应用，当前并行使用两个腔产生立体图像，制造成本超过加倍，显著增大了成本并降低了图像后期处理质量)，原则上，会有两种可能性，尝试使用1280×720透镜的微透镜(921600个微透镜)或640×360个透镜(211260个微透镜)，用于超级分辨率的算法关联以提高最终1280×720个像素的数量。假设还使用通过微透镜作用的16个像素的合理标准(导致7个焦平面)，这会导致第一种情况下14745600像素的传感器，或者在使用超级分辨率时，3686400个像素，尤其是第一个值极高，趋向撰写本专利时现有技术的边缘。在尝试提高3D图像质量并追求21个聚焦计划的情况下，不使用超级分辨率或25.6兆像素会缺少111.5兆像素传感器，使用超级分辨率2-1，明显超过撰写专利时的现有技术，尤其是对于极低成本的消费应用而言。
行业内宣告的第一个全光传感器之一将在2014年第二季度期间批量上市，在附上的链接上公布(http://lightfield-forum.com/light-field-camera-prototypes/ toshiba-lig htfield-camera-module/)，包含直径30微米的500000个微透镜阵列(以上范例中提到的HDTV相机所需两个数量之间的数量)，以及7×5mm面积中的CMOS 8兆射线传感器(也位于以上两个需求之间)。尽管没有该技术的发布数据，但其实施方式可能已类似于6中阐述的那些被执行。图6B或8A示出了技术8B。根据上述同一网络链接，图6B的离散实施方式的微透镜5的数量比我们范例中提到的全光传感器低5倍，相对于本专利中公开的发明数字较低。
从前面段落中的论述，将知道现有技术由于使用超级分辨率算法而仅实现HDTV相机，一般利用更低质量的算法，没有使用更大数量微透镜的超级分辨率。本专利发明中描述的微电子工艺，包括光刻工艺，能够生产超过先前网络中宣称的最大500000个微透镜的微透镜数量，还要指出的是，文献中提到关于微透镜的“无线电”使我们想到它们是圆形的而不是方形的，始终效率较低，因为几个圆之间的区域浪费了光传感器的一些像素，还浪费了入射光能。
如果设计标准是用于3D影片的相机传感器，以便获得4000×3000个像素，可以再次在全光微透镜阵列中利用12兆透镜设计(假设每个微透镜16个像素，仅聚焦7个平面，则为192兆像素传感器)，或全光阵列中的2000×1500(3兆透镜)以及2倍的超级分辨率；两种指标(尤其是第一种)都远远超过现有技术，仅仅使用微电子技术，例如本文所述那些，就能够实现，从微透镜到全光传感器，例如具有足够的像素间噪声水平的高集成密度。如果假设具有超过7个聚焦平面，以便提升3D图像的质量，指标远远超过关于现有技术的最疯狂梦想。
最后，使用折射率小于1的元材料，与本专利中描述的微电子工艺一起，使得能够对构建于传感器衬底上的完整对象进行单片集成；图22B所述的单片集成(有或没有全光透镜5)将获得成本显著低于图11中所述实施方式中当前提供的生产的制造成本的模块，其利用的自动化生产技术使得最大人工干预最小化，降低生产成本并提高质量，并且提高光和相机的效率；而无需将其与图5、5B、7A、7B和7C方案中阐述的相机比较，相对于使用本文阐述的传感器，那些方案变成陈旧的方案。
附图说明
图1全光传感器现有技术的可能实施方式的描述。
图2全光传感器现有技术的第二种可能实施方式的描述。
图3在平面聚焦于传感器后方的情况下，在传感器上投射全光光线。
图4在平面聚焦于传感器前方的情况下，在传感器上投射全光光线。
图5A微透镜位于主透镜和物空间之间的全光透镜实施方式。
图5B图5A的全光透镜安装于物空间(左方图像)、主透镜和相机(右)之间。
图6A位于距光传感器平面极小距离(0.5mm)处的全光微透镜阵列的实施方式。
图6B图6A的发明的早期工业实施方式(全光微透镜阵列位于距光传感器平面极小距离处)。
图7A透镜(透镜组)的全光微透镜部分置于第一输入物镜(左)和另一透镜(右)之间的实施方式的光学示意图。
图7B图7A结构的实施方式物件的机械光学方案。
图7C图7A结构的实施方式的机械光学方案。
图8A衬底上的实施方式，在衬底上全光光传感器，微透镜(构造于透明衬底14b上，由于使用了光传感器和衬底之间的树脂间隔体42，微透镜置于距光传感器极小距离处。)
图8B类似于图8A，其中微透镜置于透明衬底实施方式的顶部。
图8C实施一种单片结构，在光传感器100的衬底30上构造的传感器阵列上方放置微透镜10的阵列。
图9A使用光传感器技术FSI(前侧照明)的衬底现有技术。
图9B使用光传感器技术BSI(后侧照明)的衬底现有技术。
图10A在像素光传感器衬底上构造滤色器和微透镜的现有技术。
图10B优于图10A，在像素光传感器衬底上构造滤色器和微透镜的现有技术的发展。
图10C图10B的顶视图。
图11用于便携式应用的相机模块(移动电话、平板计算机、膝上型计算机)，包括光传感器(安装于柔性印刷电路上)和用于在光传感器上设置透镜的机械支撑。
图12用于便携式应用的相机模块(移动电话、平板计算机、膝上型计算机)，包括光传感器(安装于用于集成电路的封装上)和透明衬底上两个元件的透镜(126)，全部包裹于不透明导电图案中，该图案保护电磁辐射并向组件提供机械强度。
图13用于便携式应用的相机模块(移动电话、平板计算机、膝上型计算机)，类似于图12，但两个透镜在两个透明衬底上安装两个元件，以及第三透明衬底以保护该结构。
图14本专利发明的一些的实施方式，包含衬底(1)，衬底上构造了光传感器(2)，滤色器(6，7和8)位于光传感器上，还构造了微像素透镜(3)、低折射率材料(4)和全光微透镜(5)。
图14b类似于以上图(图14)，其中用空气(或其他气体)部署替代了低折射率材料，由于使用了间隔体，使微透镜晶片保持在距传感器晶片一定距离处。
图15一些发明的第二实施方式的范例。
图16一些发明的第三实施方式的范例。
图17一些发明的第四实施方式的范例。
图18一些发明的第五实施方式的范例。
图19、20、21、22制造本发明的顺序的详情：利用微电子工艺中通常使用的工艺在光学像素的微透镜上的全光微透镜，所述工艺适于处理晶片，以极高的质量和极低的成本进行大批量制造。
图22B由于使用了折射率小于1(4、4’、4”、4”’和4””层)的材料(或元材料)而使尺寸微型化，从而能够实现包括几个透镜(5””、5”’、5”、5’)和全光微透镜(5)的完整单片目标的实施方式。
图22C类似于图22B的发明的实施方式，利用低折射率的空气(或其他气体)替换了材料，并在功能上通过间隔体保持包括光学晶片和光电晶片的晶片分开。
图23类似于图14的发明的实施方式的范例，与光传感器衬底的总面积相比，光传感器的面积相对较低，因此，全光微透镜(3)在图14的实施方式的视图中具有顶部衬底上的厚度。
图24光传感器和最靠近所述光传感器的衬底部分上微透镜的构造细节(由4部分半球或非球构成)。
图25A图24的顶视图，示出了两个光传感器上两个微透镜的构造，包括与所述光传感器衬底最近的部分。
图25B图24的顶视图，示出了4×4光传感器以及与所述光传感器衬底最近的部分上的4×4微透镜阵列的构造。
图26图25的截面图，示出了低折射率(4)材料上的全光微透镜(5)的构造，位于4×4阵列的像素微透镜(3)上，位于4×4阵列的滤色器(8，6，7)阵列上，接着位于衬底(1)上构造的4×4阵列的光传感器(2)上。
图27A在具有圆形出射光曈的系统中的传感器平面上与物点图像相关联的辐照分布，获得圆盘和环形艾里(图的上部示出了垂直轴中的辐照分布与水平轴上与中心点距离的关系，在图下部，由灰度强度示出了功率水平)。
图27B与如果光圆盘具有圆形形状的艾里圆和环会是什么样相比(图下部)，使用图24、25A和25B中所述的像素微透镜所得到的“四分圆”艾里的表达。
图28在拓扑中微像素透镜彼此交叠，其中光传感器面积与衬底总面积的百分比较高，微透镜要实现其功能的厚度导致了这种交叠。
图29图28的横截面，包括衬底(1)、光传感器(2)、滤色器(6，7，8)、像素微透镜(3)、低折射率层(4)和全光微透镜(5)。注意，低折射率层4实际上绝不会接触滤色器(8，6和7)。
图30一种结构，其中通过全光微透镜对滤色器分组，并且滤色镜被分布在像素微透镜和全光微透镜下方的层。它们还可以完成红外滤波器的功能。
图31一种结构，其中通过全光微透镜对滤色器分组，为这样的全光微透镜提供第二功能，利用除了产生所需折射率变化，还对色彩通过有选择性的材料来构造。
图32一种结构，其中滤色器被分成全光微透镜和微透镜像素，为所有微透镜(全光和像素)提供第二功能，利用除了产生所需折射率变化，还对色彩通过有选择性的材料来构造。
图33A与通过两个相邻微透镜投射到传感器平面中两个相邻像素上的物空间中两个相邻点物体的图像相关联的辐照分布，获得两个不交叠的艾里盘和包括像素间区域的两个干涉艾里环。
图33B与投射到跨四个相邻微透镜的传感器平面中的四个相邻像素上的物空间中特定物体的四个连续图像相关联的辐照分布。像素被减小到其最小可接受尺寸，以避免由光波性质导致的衍射，以增大像素密度、位于相邻像素零辐照上的艾里盘的峰值(最大值)。
图34绿色像素和红色像素(对于蓝色是相似的)上Bayer图案的辐照分布，其中设定微透镜、光传感器的面积和光传感器之间的不透明面积的尺寸，使得主瓣(艾里圆)在光传感器区域中被完全反射，第二和第三瓣(第二和第三艾里环)处于没有光传感器的不透明区域上。
图35图34的截面，其中可以看出(从下到上)，光传感器衬底(1)、光传感器(2)、绿色滤色器(6)和红色滤色器(7)与像素微透镜(3)。滤色器，在衬底的金属层(用于极化和/或读取)的没有光传感器或者其他不透明材料的区域中。示出了完全包含在光传感器区域中的绿色和红色两个艾里圆的辐照大小。
图36一种图案，对像素间噪声更敏感，Yotsuba，Bayer图案，因为对角上有更多相同颜色的像素彼此干扰。
图37为了增大每单位面积的像素密度，已经接受了：辐照的第二和第三瓣可能干扰相邻像素。
图38为了进一步增大每单位面积的像素密度，已经接受了，艾里峰位于相邻零像素中，接受了并非所有的主瓣能量都被传感器使用，通过过滤颜色使不同颜色像素之间的干扰最小化。
图39在像素间噪声方面最关键的是像素是同一颜色的(Bayer图案中的绿色)，并且对角相邻，因为不能对其干扰进行过滤。
图40相同颜色的相邻像素之间的距离将由应用的最大可接受信噪比固定，在像素艾里的第一瓣开始与相同颜色的相邻像素艾里第一瓣干扰时(两者都是Bayer图案中的绿色)，信噪比将会显著下降。
图41相同颜色的相邻像素之间的距离将由该应用的最大可接受信噪比固定，随着艾里像素第一瓣开始与相同颜色的相邻像素艾里第一瓣干扰时(两者都是Bayer图案中的绿色)，信噪比将会显著下降，可以通过相同颜色相邻像素的光传感器的特殊几何形状使其最小化，其中远处光传感器方形的顶点不构成相邻区域下一个像素中光传感器的相邻像素有源区。
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Claims (25)

1.一种单片集成以下元件的全光传感器：
具有光传感器的衬底；
一种或者多种低折射率材料的一个或者多个第一层，所述一个或者多个第一层位于具有光传感器的所述衬底上；
全光微透镜，利用高折射率材料层构造并位于所述低折射率材料的层上；
一种或者多种低折射率材料的一个或者多个第二层，被构造在所述高折射率材料层上；
一个或者多个透镜层，由高折射率材料构造，并位于所述一个或者多个第二层上；
其中，能够通过复制由所述一个或者多个第二层和所述一个或者多个透镜层形成的构造来构造附加透镜。
2.根据权利要求1所述的全光传感器，其中，所述全光微透镜和具有光传感器的衬底之间的第一低折射率层没有出现，所述低折射率层的厚度为零，所述全光微透镜被构造在衬底上。
3.根据权利要求1或2所述的全光传感器，其中，不同折射率的材料构建于CMOS、CCD或者其他光传感器技术上。
4.根据权利要求1或2所述的全光传感器，其中，利用以下中的一个或多个用于半导体处理的技术在具有光传感器的衬底上构造层：晶片处理、材料层的沉积、光学晶片和/或电子晶片的夹层的堆叠、间隔体的使用、使用正或负光阻材料的光刻、利用不同溶剂的化学腐蚀、等离子体腐蚀、掺杂光学和电子成分材料、热处理、紫外或热固化、利用不同的封装方法对电路/传感器进行封装、球栅阵列BGA、通过热或者经由紫外光固化液体聚合物的透镜复制，从而实现电子器件和光学器件之间或各层之间的对准，或实现各层的厚度。
5.根据权利要求1所述的全光传感器，包括多个像素微透镜，其中每个像素微透镜位于所述光传感器的上方并且在所述具有光传感器的衬底上的一个或多个层的下方，其中每个像素微透镜的折射率比在所述具有光传感器的衬底上的一个或多个层的折射率高。
6.根据权利要求2所述的全光传感器，包括多个像素微透镜，其中每个像素微透镜位于所述光传感器的上方并且在衬底上的一个或多个层下方，其中每个像素微透镜的折射率比在所述衬底上的一个或多个层的折射率高。
7.根据权利要求5或6所述的全光传感器，向所述全光传感器增加了滤色器，所述滤色器位于光传感器上，或者每个全光微透镜上，或者构建在构成所述全光微透镜的彩色材料中，或者构建在构成像素微透镜的彩色材料中，或者基于以上的组合。
8.根据权利要求7所述的全光传感器，还包括近红外或红外滤色器，其中近红外或红外滤色器能够被构造成所述滤色器材料的一部分。
9.根据权利要求7所述的全光传感器，其中，所述滤色器防止可见光通过，仅允许红外或近红外光谱通过。
10.根据权利要求1所述的全光传感器，其中，所述光传感器面积和光传感器之间的距离被设计为，使得所述光传感器具有基本上与由光学器件设置的功率分布的主瓣的区域相同的区域，并且次瓣照射相邻光传感器之间的不透明区域，而与微透镜或像素的几何形状无关。
11.根据权利要求1所述的全光传感器，其中，相邻光传感器之间的距离被设计为，使得像素的主瓣的峰值功率匹配相邻像素的零功率，其中根据相邻像素之间可接受噪声的量以及传感器应用可接受的信噪比，来设计所述光传感器的有源区。
12.根据权利要求1所述的全光传感器，其中光传感器的面积和光传感器之间的距离介于以下之间：权利要求10所述的以上并且权利要求11所述的以下。
13.根据权利要求10、11或12所述的全光传感器，其中，沿对角线相邻的相同颜色的像素的光传感器的有源区的几何形状被修改，从而增加所述有源区与来自相邻对角线像素的相同颜色的光之间的距离。
14.根据权利要求13所述的全光传感器，其中，通过如下方式修改光传感器的方形形状：通过引入线使距相同颜色的相邻对角线传感器最近的方形的顶点平坦化，所述线去除了更靠近位于对角线上的具有相同颜色的最靠近像素的光传感器的有源区，留下作为六边形的有源区。
15.根据权利要求13所述的全光传感器，其中，通过在不是光敏的区域中或非有源区引入三角形，光敏单元的有源区在其顶点处具有尺寸被减小的方形，所述三角形从方形的旧顶点穿透到方形的中间。
16.根据权利要求13所述的全光传感器，其中，通过在不是光敏感的区域或有源区引入“楼梯三角形”，没有光敏单元的非有源区在其顶点处具有尺寸减小的方形，楼梯三角形从方形的旧角穿透到方形中心，所述三角形是由垂直和水平线构成的，呈45度。
17.根据权利要求5或6所述的全光传感器，其中，所述一种或者多种折射率材料是元材料或折射率小于1的材料，以便减小全光微透镜和衬底之间的距离，或者全光微透镜和像素微透镜之间的距离，或者透镜之间的距离。
18.根据权利要求1或2或5或6所述的全光传感器，其中，所述全光微透镜被设计成置于距“全光阵列”中心越大距离处时，逐渐具有越不对称的轮廓，以便提高距离所述光传感器中心最远区域中的效率。
19.根据权利要求1或2或5或6所述的全光传感器，其中，所述全光微透镜被设计成当全光微透镜被置于距“全光阵列”中心越大距离处时，形成距衬底或像素微透镜的距离逐渐越小的全光阵列，以便提高远离光传感器中心的区域中的效率，其中所有全光微透镜被构造为在位于远离全光阵列中心时更陡峭，其中阵列中心的全光微透镜是垂直或准垂直于光轴的。
20.根据权利要求1或2或5或6所述的全光传感器，其中，光传感器和/或光传感器有源区之间的距离和/或光传感器有源区的几何形状在光传感器的中心和周边是不同的，从中心逐渐转变到周边，以便提高光传感器最外区域中的效率。
21.根据权利要求1或2或5或6所述的全光传感器，其中，为了提高所述光传感器最外区域中的效率，同时采取权利要求18、19和20中所述的两种或更多措施，以及它们之间的任何组合和/或交换。
22.根据权利要求1或2或5或6所述的全光传 感器，其中，在一个或多个光学层和/或一个或多个透镜上沉积抗反射涂层。
23.根据权利要求1或2或5或6所述的全光传感器，包括：
一些光学透镜夹层的透镜中的微机械变焦器；或
一些光学夹层透镜中的静态变焦器，所述静态变焦器在外部参数的控制下改变焦距，所述外部参数是电压、电流或其他参数；或
能够通过外部参数控制的微机械变焦器和静态变焦器的组合。
24.根据权利要求1或2或5或6所述的全光传感器，其中，没有全光微透镜。
25.一种制造根据权利要求1到24中任一项所述的全光传感器的方法，包括使用以下用于半导体处理的制造技术在具有光传感器的衬底上构造光学层：处理晶片、各种材料层的沉积、光学晶片和电子晶片的夹层的堆叠和/或利用间隔体、使用光阻材料，正或负光阻材料，可牺牲和不可牺牲材料的光刻、利用溶剂的化学腐蚀、等离子体腐蚀、掺杂光学和电子材料、热处理、紫外或热固化、利用多个封装的封装电路、球栅阵列BGA、暴露于紫外线或热处理下的液体聚合物的固化。
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