可測量入射光角度的像素陣列、圖像傳感器及方法
【專利摘要】本發明公開了一種可測量入射光角度的像素陣列、圖像傳感器及方法。圖像傳感器其從下到上依次包括：基底，所述基底中設置有傳感器層，用于感應到的入射光進行光電轉換；金屬層，用于將光電轉換的電信號傳輸到外圍電路進行處理；微透鏡層，用于將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光，以根據所述微透鏡層中入射光的敏感角度與對應的像素地址映射關系，獲得射向所述微透鏡層表面的入射光的角度信息。
【專利說明】可測量入射光角度的像素陣列、圖像傳感器及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于圖像傳感器領域，具體地說，涉及一種可測量入射光角度的像素陣列、圖像傳感器及方法。
【背景技術】
[0002]圖像傳感器在民用和商業范疇內得到了廣泛的應用。目前，圖像傳感器由CMOS圖像傳感器(CMOS IMAGE SENSOR，以下簡稱CIS)和電荷耦合圖像傳感器(Charge-coupledDevice,以下簡稱(XD)。與CXD圖像傳感器相比較，CMOS圖像傳感器雖然具有RollingShutter Effect和信噪比較低的劣勢，但是CMOS圖像傳感器也具有制造成本低、功耗低以及圖像延時較小的優勢。隨著工藝的進步，CMOS圖像傳感器的卷簾快門效應(RollingShutter Effect)和信噪比劣勢逐漸被克服，其整體性能已逐漸與CXD圖像傳感器向媲美。
[0003]CMOS圖像傳感器在手機相機、網絡攝像頭、監控攝像頭、光學鼠標、數碼單反相機實得到了廣泛應用。在這些領域使用的CMOS圖像傳感器通常是基于有源像素傳感器(Active Pixel Sensor,簡稱APS)形成的像素單元組成圖像傳感器的像素陣列。
[0004]基于APS形成的,其捕捉的圖像的原理為:利用一感光二極管(photo diode,簡稱PD)接收入射光的光子并進行光電轉換輸出電壓信號，再通過后續電路如放大電路、濾波去噪電路等處理，最終輸出形成圖像信號。入射光越強，輸出的電壓信號越大。
[0005]由此可見，基于APS的圖像傳感器，僅僅直接對入射光的光強敏感，只能輸出反應入射光強度的電壓信號，而對于入射光中除強度以外的其他信息，則通常無法直接反應。
[0006]現有技術中，雖然說借助于一定的算法處理，比如光場(Light Fileld)算法，也可以間接反映入射光中除強度以外的其他信息如角度。但是，依賴于額外引入的算法，因此，無法實現系統的最優化。

【發明內容】

[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種可測量入射光角度的像素陣列、圖像傳感器及方法，用以部分或全部克服、部分或全部解決現有技術存在的上述技術問題。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種可測量入射光角度的像素陣列，其從下到上依次包括:
[0009]基底，所述基底中設置有傳感器層，用于感應到的入射光進行光電轉換；
[0010]金屬層，用于將光電轉換的電信號傳輸到外圍電路進行處理；
[0011]微透鏡層，用于將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光，以根據所述微透鏡層中入射光的敏感角度與對應的像素地址映射關系，獲得射向所述微透鏡層表面的入射光的角度。
[0012]優選地，在本發明的一實施例中，所述金屬層設置在氧化硅材質的中間層中。
[0013]優選地，在本發明的一實施例中，所述微透鏡層包括左向微透鏡層和右向微透鏡層，所述左向微透鏡層用于對位于其法線左側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光，右向微透鏡層，用于對位于其法線右側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光。
[0014]優選地，在本發明的一實施例中，左向微透鏡層和右向微透鏡層中各微透鏡按照入射光的敏感角度大小依序排列布置。
[0015]優選地，在本發明的一實施例中，左向微透鏡層和右向微透鏡層中包括由入射光的敏感角度大小相同的多個微透鏡組成的微透鏡組，按照入射光的敏感角度大小依序排列布置所述微透鏡組。
[0016]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種可測量入射光角度信息的新型圖像傳感器，其包括上述任一像素陣列。
[0017]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種測量入射光角度信息的方法，其包括:
[0018]將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光；
[0019]對感應到的入射光進行光電轉換得到電信號輸出到外圍電路進行處理得到像素地址；
[0020]根據所述微透鏡層中入射光的敏感角度與所述像素地址映射關系，獲得射向所述微透鏡層表面的入射光的角度。
[0021]優選地，在本發明的一實施例中，將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光包括:
[0022]將對位于其法線左側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層左側感光面的入射光；
[0023]將位于其法線右側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層右側感光面的入射光。
[0024]優選地，在本發明的一實施例中，由入射光的敏感角度大小相同的多個微透鏡組成的微透鏡組，按照入射光的敏感角度大小依序排列布置所述微透鏡組，以形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光。
[0025]與現有的方案相比，本發明中，微透鏡層將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光，以根據所述微透鏡層中入射光的敏感角度與對應的像素地址映射關系，獲得射向所述微透鏡層表面的入射光的角度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發明實施例一中像素陣列線性陣列示意圖；
[0027]圖2為本發明實施例像素陣列中的某一個像素的剖視圖；
[0028]圖3為本發明實施例一中像素陣列的列像素L線性排列展開剖視圖；
[0029]圖4為本發明實施例一中像素陣列的列像素R線性排列展開剖視圖；
[0030]圖5為本發明實施例一中像素陣列的列像素L線性排列展開平面圖；[0031]圖6為本發明實施例一中像素陣列的列像素R線性排列展開平面圖；
[0032]圖7為本發明實施例二中像素陣列的列像素L線性排列展開剖視圖；
[0033]圖8為本發明實施例二中像素陣列的列像素R線性排列展開剖視圖；
[0034]圖9為本發明實施例二中像素陣列的列像素L線性排列展開平面圖；
[0035]圖10為本發明實施例二中像素陣列的列像素R線性排列展開平面圖；
[0036]圖11為本發明實施例三中像素陣列的列像素L線性排列展開平面圖；
[0037]圖12為本發明實施例三中像素陣列的列像素R線性排列展開平面圖；
[0038]圖13為本發明實施例四中測量入射光角度信息的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0039]以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題并達成技術功效的實現過程能充分理解并據以實施。
[0040]本發明 中，微透鏡層將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光，以根據所述微透鏡層中入射光的敏感角度與對應的像素地址映射關系，獲得射向所述微透鏡層表面的入射光的角度。
[0041]本發明的主要思想:
[0042]本發明下述實施例提供了一種可測量入射光角度的像素陣列，其從下到上依次包括:基底，所述基底中設置有傳感器層，用于感應到的入射光進行光電轉換；金屬層，用于將光電轉換的電信號傳輸到外圍電路進行處理；微透鏡層，用于將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光，以根據所述微透鏡層中入射光的敏感角度與對應的像素地址映射關系，獲得射向所述微透鏡層表面的入射光的角度。
[0043]為對本發明的上述思想做簡要說明，本發明下述實施例中，以像素陣列不包括濾鏡層只采集灰度圖像為例進行舉例。當然，對于本領域普通技術人員來說，在本發明主要思想的啟發下，以及結合相關現有技術，無須創造性勞動，即可將本發明的主要思想運用于包括濾鏡可采集彩色圖像的像素陣列，詳細在本發明的下述實施例中，將不再贅述。
[0044]本發明下述實施例中，具體以所述微透鏡層包括左向微透鏡層和右向微透鏡層，所述左向微透鏡層用于對位于其法線左側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光，右向微透鏡層，用于對位于其法線右側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光。當然對于本領域的普通技術人員來說，左向微透鏡層和右向微透鏡層只是實現將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光的一種具體方式。在本發明的主要思想的啟發下，無須創造性勞動，也可以想到其他等同替代方式，詳細不再贅述。
[0045]圖1為本發明實施例一中像素陣列線性陣列示意圖；如圖1所示，沿著列的方向依次為左向微透鏡層對應的列像素L右左向微透鏡層對應的列像素R，LRLR……排列形成像素陣列。
[0046]圖2為本發明實施例像素陣列中的某一個像素的剖視圖，如圖2所示，其從下到上依次包括:基底201、金屬層202、微透鏡層203。其中:
[0047]所述基底201中設置有傳感器層211，用于對光通路中的入射光進行光電轉換；具體地，該傳感層202由多個感光二極管組成。
[0048]金屬層202用于將光電轉換的電信號傳輸到外圍電路(圖中未示出)進行處理。本實施中，所述金屬層202設置在氧化硅材質的中間層200中。
[0049]微透鏡層203，用于將位于所述微透鏡層203法線左/右側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光。根據所述微透鏡層203中入射光的敏感角度與對應的像素地址映射關系，獲得射向所述微透鏡層表面的入射光的角度。微透鏡層203由若干個微透鏡213。
[0050]圖3為本發明實施例一中像素陣列的列像素L線性排列展開剖視圖，圖4為本發明實施例一中像素陣列的列像素R線性排列展開剖視圖，如圖3和圖4所示，為了便于說明，在不影響對本發明上述主要技術思想說明的情況下，圖3中略去了圖2中的基底、感光單元、金屬層等結構，只示意出了微透鏡213。詳細如下所述。
[0051]如圖3所示，列像素L線性排列中，通過微透鏡213的有針對性選擇，對應將各像素敏感的光線方向設置為左上方射入，從左到右的方向，微透鏡213對入射光的敏感角度最大為a，最小為0，即與法線F平行。每個微透鏡213將其敏感的入射光折射處理，形成垂直入射感光二極管感光面的入射光。
[0052]如圖4所示，列像素R線性排列中，通過微透鏡213的有針對性選擇，對應將各像素敏感的光線方向設置為右上方射入，從右到左的方向，微透鏡213對入射光的敏感角度最大為a，最小為0，即與法線F平行。每個微透鏡213將其敏感的入射光折射處理，形成垂直入射感光二極管感光面的入射光。
[0053]圖5為本發明實施例一中像素陣列的列`像素L線性排列展開平面圖，圖6為本發明實施例一中像素陣列的列像素R線性排列展開平面圖。以每列包括11個像素為例進行說明。
[0054]由于根據對入射光的敏感角度，有針對性的選擇了微透鏡，因此，對于每個像素來說，其敏感角度與Pixel地址存在--映射關系，angle=f (index Pixel)。
[0055]如圖5所示,假如最大敏感角度a對應的像素值為PO，而最小角對應為p0、p1、P2……plO依次排列，如圖5所示，假設用一個二進制表示像素值，。類似地，如圖6所示，plO、plU pl2……p20依次排列，其中由于都是按照與法線夾角為0，因此plO在圖5和圖6中共用。綜上，p0、pl、p2……p20共有21個像素，從而形成一個21位碼，根據該21位碼即可確定進入微透鏡的入射光線的角度信息。推而廣之，線性展開的圖像像素陣列包含多少對L、R，即能輸出多少個角度信息，亦即其分辨率大小。
[0056]圖7為本發明實施例二中像素陣列的列像素L線性排列展開剖視圖，圖8為本發明實施例二中像素陣列的列像素R線性排列展開剖視圖。與上述圖3和圖4不同的是，以具有同一敏感角度的微透鏡組實現，即η個具有同一敏感角度的微透鏡成組設置。
[0057]圖9為本發明實施例二中像素陣列的列像素L線性排列展開平面圖，圖10為本發明實施例二中像素陣列的列像素R線性排列展開平面圖。每組像素的敏感角度與Pixel地址成η對I的映射關系，angle=f(index pixel/n)。以圖9為例,從左到右最大入敏感角度a對應η個像素φ。+ +......ρη-1 ;最小角O度對應p1(ln、p1(ln+1、p1(ln+2......P1W由于對應每種敏感角度的像素有η個，對于單個角度測量的可靠性大大提高。在對輸出值編碼時應以每組η個像素為單位，這樣每個敏感角對應一個η位2進制數，整個列像素L輸出21個這樣的角度信息，即測量精度為21。以圖10為例，從右到左，ρ11η, ρ11η+1、ρ11η+2……P211rfP211ri,同樣地，測量精度為21。
[0058]圖11為本發明實施例三中像素陣列的列像素L線性排列展開平面圖，圖12為本發明實施例三中像素陣列的列像素R線性排列展開平面圖。與實施例一和實施例二不同的是，同一敏感角度的像素擴展到m列η行。以輸出值考量的話，由于用到的像素所測的角度皆在同一平面上，像素陣列輸出的角度仍舊一維的。
[0059]圖11和圖12中的，為了通過使用若干像素來提高唯一輸出的角度值的確定性，對同一敏感角度的共有m行像素，每一行等同于實施例二中的像素陣列，根據實際應用情況，應該判別m和η的大小。當m〈〈n時，重復像素行的意義在于增強角度測量的可靠性，圖11或圖12輸出m*21個η位2進制數，但分辨率只有1，即此空間位置上最終可以判斷的角度數目為I ;當111>>11時，重復像素行的意義在于增強角度測量的分辨率，分辨率為m。由于在像素陣列上，圖11和圖12所示的像素依然對稱，因此，可以盡可能接近半個圓周的光線入射角。
[0060]圖13為本發明實施例四中測量入射光角度信息的方法流程圖；如圖13所示，其包括:
[0061]步驟1301、將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形 成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光；
[0062]步驟1302、對感應到的入射光進行光電轉換得到電信號輸出到外圍電路進行處理得到像素地址；
[0063]步驟1303、根據所述微透鏡層中入射光的敏感角度與所述像素地址映射關系，獲得射向所述微透鏡層表面的入射光的角度。
[0064]優選地，步驟1301可以具體包括:
[0065]步驟1311、將對位于其法線左側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層左側感光面的入射光；
[0066]步驟1321、將位于其法線右側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層右側感光面的入射光。
[0067]在本發明的上述實施例中，選用折射率梯度變化的GRIN微透鏡層。
[0068]上述說明示出并描述了本發明的若干優選實施例，但如前所述，應當理解本發明并非局限于本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環境，并能夠在本文所述發明構想范圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和范圍，則都應在本發明所附權利要求的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種可測量入射光角度的像素陣列，其特征在于，從下到上依次包括: 基底，所述基底中設置有傳感器層，用于感應到的入射光進行光電轉換； 金屬層，用于將光電轉換的電信號傳輸到外圍電路進行處理； 微透鏡層，用于將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光，以根據所述微透鏡層中入射光的敏感角度與對應的像素地址映射關系，獲得射向所述微透鏡層表面的入射光的角度。
2.根據權利要求1所述的像素陣列，其特征在于，所述金屬層設置在氧化硅材質的中間層中。
3.根據權利要求1所述的像素陣列，其特征在于，所述微透鏡層包括左向微透鏡層和右向微透鏡層，所述左向微透鏡層用于對位于其法線左側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光，右向微透鏡層，用于對位于其法線右側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光。
4.根據權利要求3所述的像素陣列，其特征在于，左向微透鏡層和右向微透鏡層中各微透鏡按照入射光的敏感角度大小依序排列布置。
5.根據權利要求4所述的像素陣列，其特征在于，左向微透鏡層和右向微透鏡層中包括由入射光的敏感角度大小相同的多個微透鏡組成的微透鏡組，按照入射光的敏感角度大小依序排列布置所述微透鏡組。
6.一種可測量入射光角度信息的新型圖像傳感器，其特征在于，包括權利要求1-5中的任一像素陣列。
7.—種測量入射光角度信息的方法,其特征在于,包括: 將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光； 對感應到的入射光進行光電轉換得到電信號輸出到外圍電路進行處理得到像素地址； 根據所述微透鏡層中入射光的敏感角度與所述像素地址映射關系，獲得射向所述微透鏡層表面的入射光的角度。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，將位于所述微透鏡層法線左右兩側位于同一平面且入射角度不同的入射光分別進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光包括: 將對位于其法線左側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層左側感光面的入射光； 將位于其法線右側的入射角度不同的入射光進行折射處理，形成垂直入射所述傳感器層右側感光面的入射光。
9.根據權利要求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個微透鏡組成的微透鏡組，按照入射光的敏感角度大小依序排列布置所述微透鏡組，以形成垂直入射所述傳感器層感光面的入射光。
【文檔編號】H01L27/146GK103745984SQ201310753977
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】陳嘉胤 申請人:上海集成電路研發中心有限公司