測量入射光在三維空間中入射角度的像素陣列及方法
【專利摘要】本發明公開了一種測量入射光在三維空間中入射角度的像素陣列、圖像傳感器及方法。像素陣列從下到上依次包括：基底，所述基底中設置有傳感器層，用于對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，所述微透鏡層由梯度折射率材質制成，用于對其敏感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，以根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系，獲得入射光在三維空間中的實際入射角度。本發明獲得了除強度以外的入射光在三維空間中的實際入射角度。
【專利說明】測量入射光在三維空間中入射角度的像素陣列及方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于圖像傳感器領域，具體地說，涉及一種測量入射光在三維空間中入射角度的像素陣列、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形成的圖像傳感器，其捕捉的圖像的原理為:利用一感光二極管(photod1de，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，而通常無法直接反應入射光中除強度以外的其他信息。


【發明內容】

[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種測量入射光在三維空間中入射角度的像素陣列、圖像傳感器及方法，用以解決現有技術中無法直接反應入射光中除強度以外的其他信息的技術問題。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種測量入射光在三維空間中入射角度的像素陣列，其從下到上依次包括:
[0008]基底，所述基底中設置有傳感器層，用于對感應到的入射光進行光電轉換；
[0009]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；
[0010]微透鏡層，所述微透鏡層由梯度折射率材質制成，用于對其敏感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，以根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系,獲得入射光在三維空間中的實際入射角度。
[0011]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。
[0012]優選地，在本發明的一實施例中，所述微透鏡層和所述金屬層之間設置有彩色濾鏡層。
[0013]優選地，在本發明的一實施例中，根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系，獲得入射光在三維空間中的實際入射角度具體包括:根據在垂直于所述微透鏡的法線的平面內入射光的投影和所述微透鏡的法線的投影之間的夾角、在平行于所述微透鏡的法線的平面內入射光的投影和所述微透鏡的法線的投影之間的夾角，分別設定所述微透鏡層在三維空間中的第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量。
[0014]優選地，在本發明的一實施例中，按照具有相同所述第一敏感入射角度分量、不同所述第二敏感入射角度分量，對所述像素陣列包括的多個微透鏡層進行分組。
[0015]優選地，在本發明的一實施例中，按照行、列，或者參照BAYER模式，對分組的微透鏡層依次進行水平排布。
[0016]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種圖像傳感器，其包括上述任一所述的像素陣列。
[0017]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種測量入射光在三維空間中入射角度的方法，其包括:
[0018]由梯度折射率材質制成的微透鏡層將其敏感的入射光進行折射處理，形成垂直入射傳感器層感光面的入射光；
[0019]基底中設置的所述傳感器層對感應到的入射光進行光電轉換；
[0020]金屬層將傳感器層進行光電轉換處理得到的電信號傳輸到外圍電路進行處理，以根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系，獲得入射光在三維空間中的實際入射角度。
[0021]優選地，在本發明的一實施例中，由梯度折射率材質制成的微透鏡層將其敏感的入射光進行折射處理，形成垂直入射傳感器層感光面的入射光之前，還包括:根據在垂直于所述微透鏡的法線的平面內入射光的投影和所述微透鏡的法線的投影之間的夾角、在平行于所述微透鏡的法線的平面內入射光的投影和所述微透鏡的法線的投影之間的夾角，分別設定所述微透鏡層在三維空間中的第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量。
[0022]與現有的方案相比，本發明中，梯度折射率(Gradient refractive index, GRIN)材料制成的微透鏡層將其敏感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，根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系，獲得入射光在三維空間中的實際入射角度，克服了現有技術中只能直接獲得入射光的強度，而無法直接獲得除強度以外的入射光的實際入射角度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為GRIN Micro-1ens對光線折射的原理圖；
[0024]圖2為普通玻璃對光線折射的原理示意圖；
[0025]圖3為普通Micro-1ens對光線折射的原理示意圖；
[0026]圖4為本發明實施例中采集灰度圖像的像素陣列線性陣列中的剖視圖；
[0027]圖5為本發明實施例中像素模塊A的平面示意圖；
[0028]圖6為像素模塊A中像素值與角度之間的映射關系示意圖；
[0029]圖7為本發明實施例中像素模塊B’的平面示意圖；
[0030]圖8為像素模塊B’中像素值與角度之間的映射關系示意圖；
[0031]圖9為本發明實施例中像素模塊C’的平面示意圖；
[0032]圖10為像素模塊C’中像素值與角度之間的映射關系示意圖；
[0033]圖11為本發明實施例中像素模塊D的平面示意圖；
[0034]圖12為像素模塊D中像素值與角度之間的映射關系示意圖；
[0035]圖13為本發明實施例中像素陣列一的示意圖；
[0036]圖14為本發明實施例中像素陣列二的示意圖；
[0037]圖15為本發明實施例中測量入射光在三維空間中入射角度的方法流程示意圖。

【具體實施方式】
[0038]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。
[0039]本發明下述實施例中，梯度折射率(Gradient refractive index, GRIN)材料制成的微透鏡層將其敏感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，根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系，獲得入射光在三維空間中的實際入射角度。
[0040]本發明的豐要思想
[0041]測量入射光在三維空間中入射角度的像素陣列從下到上依次包括:基底，所述基底中設置有傳感器層，用于對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，所述微透鏡層的由梯度折射率材質制成，用于對其敏感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，根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系，獲得入射光在三維空間中的實際入射角度。
[0042]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說明。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，只要在采集灰度圖像的像素陣列基礎上增加彩色濾鏡陣列(Color Filter Array，簡稱CFA)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。
[0043]圖1為GRIN Micro-1ens對光線折射的原理圖。如圖1所示，虛線為感光二極管感光表面的法線，對入射角為a的光線的折射，經過折射后的光線能夠平行于法線。
[0044]對比地，圖2為普通玻璃對光線折射的原理示意圖，入射光以角度a入射，出射時依然帶有一定角度，不能平行于法線。
[0045]對比地，圖3為普通Micro-1ens對光線折射的原理示意圖，經過折射后一些入射角為a的光線能夠垂直入射感光二極管感光表面,而平行于感光二極管感光表面法線的入射光經折射后趨向于法線上的一點。
[0046]圖4為本發明實施例中采集灰度圖像的像素陣列線性陣列中的剖視圖，如圖4所示，其從下到上依次包括:基底401、金屬層402、微透鏡層403。其中:
[0047]所述基底401中設置有傳感器層411，用于對光通路中的入射光進行光電轉換；具體地，該傳感層411由多個感光二極管組成。
[0048]金屬層402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402設置在氧化硅材質的中間層400中。
[0049]微透鏡層403由梯度折射率材質制成，用于對其敏感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，以根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系，獲得入射光在三維空間中的實際入射角度。微透鏡層403包括若干個微透鏡413。
[0050]本發明下述實施例中，具體以確定入射光在平行于微透鏡法線平面形成的角度分量、垂直于法線平面的角度分量為例，來說明如何確定獲得入射光在三維空間中的實際入射角度。
[0051]梯度折射率材質制成的微透鏡可以單獨配置敏感的入射光，換言之，某一微透鏡只對其敏感的入射光進行折射處理，形成垂直入射感光二極管感光表面的光線。如果要確定獲得入射光在三維空間中的實際入射角度，則需要單獨設置入射光在三維空間中的敏感角度分量。具體地，可以根據垂直于所述微透鏡的法線平面的角度、平行于所述微透鏡的法線平面的角度分別設定所述微透鏡層在三維空間中的第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量。因此，在下述示例中，第一敏感入射角度分量在平面圖中只能看見表示其向量的帶箭頭線段的長短；第二敏感入射角度分量只能看見其方向變化。
[0052]在下述示例中，第一敏感角入射度分量表示在垂直于所述微透鏡的法線的平面內，入射光的投影與所述所述微透鏡的法線的投影之間的夾角，第一敏感角入射度分量從0°變化到a°。由于第一敏感角入射度分量表示在垂直于所述微透鏡的法線的平面內，入射光與所述所述微透鏡的法線的投影之間的夾角，因此，a°的范圍為0° -90°。由于第二敏感入射角度分量表示在平行于所述微透鏡的法線的平面內，入射光的投影與所述所述微透鏡的法線的投影之間的夾角，因此，其范圍為0°?360°。
[0053]假如像素陣列中微透鏡的第一敏感入射角度分量范圍為0°?a°、-a°?0°，微透鏡的第二敏感入射角度分量范圍為0°?90°、90°?180°、180°?270°、270°?360°，由此形成的組合有兩組，按照具有相同所述第一敏感入射角度分量、不同所述第二敏感入射角度分量，對所述像素陣列包括的多個微透鏡層進行分組結果如下:
[0054](I)第一組:第一敏感入射角度分量范圍為0°?a°，第二敏感入射角度分量范圍為 O。?90°、90。?180。,180° ?270。,270° ?360。；
[0055](2)第二組:第一敏感入射角度分量范圍為_a°?0°，微透鏡的第二敏感入射角度分量范圍為 O。?90°、90。?180。,180° ?270。,270° ?360。。
[0056]下述實施例中將分別以像素模塊A、B、C、D進行示例性說明:
[0057](I)像素模塊A:第一敏感入射角度分量范圍為_a°?0°、第二敏感入射角度分量范圍為0°?90° ;
[0058](2)像素模塊B’:第一敏感入射角度分量范圍為0°?a°、第二敏感入射角度分量范圍為90°?180° ；
[0059](3)像素模塊C’:第一敏感入射角度分量范圍為0°?a°、第二敏感入射角度分量范圍為180°?270° ；
[0060](4)像素模塊D:第一敏感入射角度分量范圍為_a°?0°、第二敏感入射角度分量范圍為270°?360°。
[0061]圖5為本發明實施例中像素模塊A的平面示意圖；如圖5所示，此圖像像素陣列以2D面陣的形式展開，S卩:第一敏感入射角度分量F(X)范圍為-a°?0°、第二敏感入射角度分量G(Y)范圍為0°?90°，X表示水平方向上像素的輸出值，Y表示垂直方向上像素的輸出值，F(X)、G(Y)分別表示水平方向上像素的輸出值X、垂直方向上像素的輸出值Y與角度之間的映射關系。圖6為像素模塊A中像素值與角度之間的映射關系示意圖，如圖6所示，相互垂直的兩個軸向分別映射兩組敏感角分量的角度變化。
[0062]像素模塊A鏡像處理得到第一敏感入射角度分量F(X)范圍為0°?a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范圍為0°?90°的像素模塊A’，像素模塊A’與A共享第二敏感入射角度分量G (Y)，詳細不再贅述。
[0063]圖7為本發明實施例中像素模塊B’的平面示意圖；如圖7所示，此圖像像素陣列以2D面陣的形式展開，S卩:第一敏感入射角度分量F(X)范圍為0°?a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范圍為90°?180°，X表示水平方向上像素的輸出值，Y表示垂直方向上像素的輸出值，F(X)、G(Y)分別表示水平方向上像素的輸出值X、垂直方向上像素的輸出值Y與角度之間的映射關系。圖8為像素模塊B’中像素值與角度之間的映射關系示意圖，如圖8所示，相互垂直的兩個軸向分別映射兩組敏感角分量的角度變化。
[0064]像素模塊B’鏡像處理得到第一敏感入射角度分量F(X)范圍為0°?a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范圍為90°?180°的像素模塊B，像素模塊B’與B共享第二敏感入射角度分量G (Y)，詳細不再贅述。
[0065]圖9為本發明實施例中像素模塊C’的平面示意圖；如圖9所示，此圖像像素陣列以2D面陣的形式展開，S卩:第一敏感入射角度分量F(X)范圍為0°?a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范圍為180°?270°，X表示水平方向上像素的輸出值，Y表示垂直方向上像素的輸出值，F(X), G(Y)分別表示水平方向上像素的輸出值X、垂直方向上像素的輸出值Y與角度之間的映射關系。圖10為像素模塊C’中像素值與角度之間的映射關系示意圖，如圖10所示,相互垂直的兩個軸向分別映射兩組敏感角分量的角度變化。
[0066]像素模塊C’成鏡像處理，得到第一敏感入射角度分量F(X)范圍為_a°?0°、第二敏感入射角度分量G(Y)范圍為180°?270°的像素模塊C，像素模塊C’與C共享第二敏感入射角度分量G (Y)，詳細不再贅述。
[0067]圖11為本發明實施例中像素模塊D的平面示意圖；如圖11所示，此圖像像素陣列以2D面陣的形式展開，S卩:第一敏感入射角度分量F(X)范圍為0°?a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范圍為270°?360°，X表示水平方向上像素的輸出值，Y表示垂直方向上像素的輸出值，F(X), G(Y)分別表示水平方向上像素的輸出值X、垂直方向上像素的輸出值Y與角度之間的映射關系。圖12為像素模塊D中像素值與角度之間的映射關系示意圖，如圖12所示，相互垂直的兩個軸向分別映射兩組敏感角分量的角度變化。
[0068]像素模塊D鏡像處理，得到第一敏感入射角度分量F(X)范圍為0°?a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范圍為270°?360°的像素模塊D’，像素模塊D’與D共享第二敏感入射角度分量G (Y)，詳細不再贅述。
[0069]圖13為本發明實施例中像素陣列一的示意圖；如圖13所示，將第一敏感入射角度分量范圍為0°?a°的像素模塊A’、像素模塊B’、像素模塊C’、像素模塊D’作為一列，將第一敏感入射角度分量范圍為-a°?0°的像素模塊A、像素模塊B、像素模塊C、像素模塊D作為另外一列，按照列的方向進行交替排列。
[0070]參見上述像素模塊么、8、(:、0、4’、8’、(:’、0’的說明，由于每個像素模塊可以記錄兩個角度分量即第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量，由于這兩個角度分量分別是沿著垂直于所述微透鏡的法線、平行于所述微透鏡的法線形成的，因此，基于這兩個角度分量可以得到三維空間中入射光的實際角度。
[0071]圖14為本發明實施例中像素陣列二的示意圖；如圖14所示，按照第二敏感入射角度分量范圍依次為0°?90°、90°?180°、180°?270°、270°?360°順時針方向排布像素模塊A’、像素模塊B’、像素模塊C’、像素模塊D’最為一組，以及按照第二敏感入射角度分量范圍依次為0°?90°、90°?180°、180°?270°、270°?360°順時針方向排布像素模塊A、像素模塊B、像素模塊C、像素模塊D作為另外一組，按照BAYER模式進行交替排列。
[0072]圖15為本發明實施例中測量入射光在三維空間中入射角度的方法流程示意圖；如圖15所示，其可以包括:
[0073]步驟1501、由梯度折射率材質制成的微透鏡層將其敏感的入射光進行折射處理，形成垂直入射傳感器層感光面的入射光；
[0074]步驟1502、基底中設置的所述傳感器層對感應到的入射光進行光電轉換；
[0075]步驟1503、金屬層將傳感器層進行光電轉換處理得到的電信號傳輸到外圍電路進行處理；
[0076]步驟1504、根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系，獲得入射光在三維空間中的實際入射角度。
[0077]在本發明的另外一實施例中，步驟1501之前還可以包括:根據平行于所述微透鏡的法線平面的角度、垂直于所述微透鏡的法線平面內的角度分別設定所述微透鏡層在三維空間中的第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量，以形成所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度。
[0078]有關第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量，詳細請參見上述有關內容，在此不再贅述。
[0079]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】
1.一種測量入射光在三維空間中入射角度的像素陣列，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，用于對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，所述微透鏡層由梯度折射率材質制成，用于對其敏感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，以根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系，獲得入射光在三維空間中的實際入射角度。
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，所述微透鏡層和所述金屬層之間設置有彩色濾鏡層。
4.根據權利要求1所述的像素陣列，其特征在于，根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系，獲得入射光在三維空間中的實際入射角度包括:分別根據在垂直于所述微透鏡的法線的平面內入射光的投影和所述微透鏡的法線的投影之間的夾角、在平行于所述微透鏡的法線的平面內入射光的投影和所述微透鏡的法線的投影之間的夾角，分別設定所述微透鏡層在三維空間中的第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量。
5.根據權利要求4所述的像素陣列，其特征在于，按照具有相同所述第一敏感入射角度分量、不同所述第二敏感入射角度分量，對所述像素陣列包括的多個微透鏡層進行分組。
6.根據權利要求5所述的像素陣列，其特征在于，按照行、列，或者參照BAYER模式，對分組的微透鏡層依次進行水平排布。
7.一種圖像傳感器，其特征在于，包括權利要求1至權利要求6任一所述的像素陣列。
8.一種測量入射光在三維空間中入射角度的方法，其特征在于，包括: 由梯度折射率材質制成的微透鏡層將其敏感的入射光進行折射處理，形成垂直入射傳感器層感光面的入射光； 基底中設置的所述傳感器層對感應到的入射光進行光電轉換； 金屬層將傳感器層進行光電轉換處理得到的電信號傳輸到外圍電路進行處理，以根據所述微透鏡層在三維空間中的敏感入射角度與對應的像素映射關系，獲得入射光在三維空間中的實際入射角度。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，由梯度折射率材質制成的微透鏡層將其敏感的入射光進行折射處理，形成垂直入射傳感器層感光面的入射光之前，還包括:分別根據在垂直于所述微透鏡的法線的平面內入射光的投影和所述微透鏡的法線的投影之間的夾角、在平行于所述微透鏡的法線的平面內入射光的投影和所述微透鏡的法線的投影之間的夾角，分別設定所述微透鏡層在三維空間中的第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量。
【文檔編號】H01L27/146GK104241302SQ201410143325
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】陳嘉胤 申請人:上海集成電路研發中心有限公司