专利名称：像素阵列上的微透镜阵列设计方法及图像感测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有偏移微透镜阵列的图像感测装置，尤其涉及一种微透镜阵列
中微透镜偏移量的计算。
背景技术：
随着光电产品诸如数字相机、数字图像记录器、具有图像拍摄功能的手机、以及 监视器逐渐普及化，图像感测装置的需求也与日倶增。图像感测装置用于记录来自图像 的光学信号的变化并且将光学信号转换成电子信号。在记录及处理上述电子信号之后， 便可产生一数字图像。而图像感测装置一般可分为二种主要类型一种为电荷耦合装置 (charge—coupled device, CCD)，而另——禾中为互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor， CMOS)装置。 图像感测装置通常包括一像素阵列。每一阵列包括一光感测器(photosensor)，用 以提供对应照射于光感测器的光强度的一信号。当一图像聚焦于该阵列时，这些信号可用 于显示一对应的图像。在传统的技术中，微透镜阵列对应设置于像素阵列上方，用以将光线 聚焦于像素阵列上。然而，尽管使用了微透镜阵列，由于微透镜阵列几何排列，大量的入射 光线并未能有效地导入光感测器。像素阵列中不同的像素所接收的光线具有不同的主光入 射角(chief ray angle,CRA)，其取决于像素阵列中像素的所在位置。举例而言，像素阵列 中位于中心的像素所接收的光线的主光入射角为O度，而像素阵列中位于外围的像素所接 收的光线的主光入射角增加为25至30度。因此，入射光线对于每一像素/光感测器的强 度及聚焦深度会随着光线的主光入射角的改变而有所改变。光线强度及聚焦深度的改变会 使像素的阴影效应(shading effect)以及串音(cross-talk)更为严重，如此一来，图像感 测装置的信号信噪比(signal to noise ratio, SNR)及光敏性(photosensitivity)会因 而降低。 因此，有必要寻求一种新的微透镜阵列设计，其能够增加像素的耦合效率 (coupling efficiency)以及降低像素的串音。
发明内容
本发明一实施例为了解决现有技术的问题而提供一种像素阵列上的微透镜阵列 设计方法。计算在一像素阵列中一中心像素至每一像素的一径向距离，其中以中心像素作 为X-Y坐标的一原点。依据对应的径向距离来决定每一像素的一主光入射角。依据对应的 主光入射角来决定相对于对应的像素的一微透镜偏移量。依据对应的微透镜偏移量来排列
多个微透镜，以在像素阵列上形成一微透镜阵列。其中，每一微透镜偏移量结合了 -x轴向 偏移量与-Y轴向偏移量，且X轴向偏移率不同于Y轴向偏移率。另外，X轴向偏移率为X轴 向偏移量与偏移的微透镜沿X轴向到原点的距离的比率，而Y轴向偏移率为Y轴向偏移量 与偏移的微透镜沿Y轴向到原点的距离的比率。 本发明另一实施例提供一种图像感测装置，其包括一像素阵列及一微透镜阵列。像素阵列具有多个像素，而微透镜阵列具有多个微透镜对应配置于像素，其中除了对应于 该像素阵列中心像素的该微透镜之外，每一微透镜相对于对应的该像素偏移一距离，且该 距离依据下列方法步骤而决定。计算在一像素阵列中一中心像素至每一像素的一径向距 离，其中以中心像素作为X-Y坐标的一原点。依据对应的径向距离来决定每一像素的一主 光入射角。依据对应的主光入射角来决定相对于对应的像素的一微透镜偏移量。依据对应 的微透镜偏移量来排列多个微透镜，以在像素阵列上形成一微透镜阵列。其中，每一微透镜 偏移量结合了 -X轴向偏移量与-Y轴向偏移量，且X轴向偏移率不同于Y轴向偏移率。另 外，X轴向偏移率为X轴向偏移量与偏移的微透镜沿X轴向到原点的距离的比率，而Y轴向 偏移率为Y轴向偏移量与偏移的微透镜沿Y轴向到原点的距离的比率。
本发明可增加图像感测装置的信号信噪比，提升感测装置的光敏性。
图1示出根据本发明实施例的图像感测装置剖面示意图； 图2示出根据本发明实施例的像素阵列上的微透镜阵列设计方法流程图； 图3示出图1中配置于像素阵列中偏移的微透镜平面示意图； 图4示出主光入射角与偏移率的关系曲线图； 图5A示出微透镜阵列中未偏移的微透镜分布； 图5B示出微透镜阵列中根据本发明实施例而偏移的微透镜分布；以及
图6示出根据本发明实施例的具有不同凸面高度的微透镜。
其中，附图标记说明如下 H、12 曲线；100 图像感测装置；102 像素阵列；103 中间层；104 微透镜 阵列；104a 微透镜；106 图像透镜；107 入射光线；L 凸面高度；0 原点；R 径向 距离；A S 微透镜偏移量；A x X轴向偏移量；A y Y轴向偏移量。
具体实施例方式以下说明本发明实施例的制作与使用。然而，可轻易了解本发明所提供的实施例
仅用于说明以特定方法制作及使用本发明，并非用以局限本发明的范围。 请参照图l，其示出根据本发明实施例的图像感测装置。图像感测装置100包括 具有像素阵列102形成于内的一基底、一中间层103、一微透镜阵列104、以及一图像透镜 106。像素阵列102包括多个像素(未示出)，且每一像素可包含一光感测器，将来自图像透 镜106的入射光线107的光学信号转换成电子信号。中间层103设置于像素阵列102上， 且可为一多层结构。举例而言，多层结构包括用于金属化(metallization)的一层间介电 (interlayer dielectric, ILD)层以及一金属层间介电(intermetal dielectric, IMD)层。 另外，多层结构还包括一彩色滤光片阵列以及位于其上以提供保护的钝化(passivation) 层或平坦(planarization)层。此处为了简化附图，上述多层结构仅以一平整的中间层103 表示。微透镜阵列104包括多个微透镜104a对应配置于像素阵列102中的像素。
在本实施例中，除了对应于像素阵列102的中心像素的微透镜104a之外，将每一 微透镜104a设计成相对于对应的像素偏移一距离，借以补偿随主光入射角(CRA)而变的光 强度，进而降低像素的阴影效应以及串音。另外，将位于不同主光入射角的微透镜104a设计成具有不同的凸面高度L(如图6所示)。具有不同的凸面高度L的微透镜104a用于补 偿不同主光入射角的微透镜104a而产生的聚焦深度偏移。 请参照图2，其示出根据本发明实施例的像素阵列102上的微透镜阵列104设计 方法流程图。在起始步骤Si0中，如图3所示，以像素阵列102的中心像素(未示出)作 为-X-Y坐标的一原点0。须注意的是X-Y坐标中的每一点表示一微透镜/像素的中心，而 原点O则表示中心像素的中心。此处为了简化附图，图3仅示出其中一微透镜104a。接下 来，计算像素阵列102中一中心像素(即，原点0)至每一像素的一径向距离。举例而言，虚 线表示位于一特定位置的像素并标示为像素(xl，yl)。计算原点O至像素(xl，yl)的径向 距离R(xl， yl)。接下来，进行步骤S20，将对应的径向距离R(xl， yl)转换成一图像高度。 可以理解的是若像素是位于像素阵列102的中心，则图像高度为O，而若像素是通过像素阵 列102中心的对角线(diagonal)边缘(假设像素阵列102为方形)，则图像高度为1。
接下来，进行步骤S30，依据步骤S20中所计算出对应的图像高度来决定每一像素 的主光入射角。因此，可获得像素(xl， yl)的主光入射角。而主光入射角与图像高度之间 的关系则是由微透镜阵列上的一图像透镜的光学特性来获得。也即，借由用于微透镜阵列 104的图像透镜106 (如图1所示)的光学特性来决定主光入射角与图像高度的关系曲线。
接下来，进行步骤S40，依据对应的主光入射角来决定相对于对应的像素的微透镜 偏移量。在本实施例中，每一微透镜偏移量结合了-X轴向偏移量与-Y轴向偏移量。另外， X轴向偏移率不同于Y轴向偏移率。此处，"X轴向偏移率"所指的是X轴向偏移量与偏移的 微透镜沿X轴向到原点0的距离的比率，而"Y轴向偏移率"所指的是Y轴向偏移量与偏移 的微透镜沿Y轴向到原点0的距离的比率。图4示出主光入射角与偏移率的关系曲线图， 其中曲线ll表示X轴向偏移率，而曲线12表示Y轴向偏移率。 举例而言，相对于对应的像素(xl， yl)的微透镜偏移量A S结合了 X轴向偏移量 Ax与-Y轴向偏移量Ay，且X轴向偏移率(即，Ax/x2)不同于Y轴向偏移率(即，Ay/ y2)。在本实施例中，如图4所示，当像素(xl，yl)的主光入射角为"c"时，X轴向偏移率为 "a"，而Y轴向偏移率为"b"，其中"a"大于"b"。另外，在其他实施例中，当像素(xl，yl)的 主光入射角为"c"时，X轴向偏移率也可小于Y轴向偏移率。 请参照图5A及图5B，其中示出微透镜阵列中未偏移的微透镜分布，而图5B示出微 透镜阵列104中根据本发明实施例而偏移的微透镜分布。每一虚线表示微透镜阵列104中 沿着X轴向或Y轴向的微透镜中心的连线。由于X轴向偏移率不同于Y轴向偏移率，位于 相同主光入射角的偏移的微透镜分布呈现非圆形对称，如图5B所示。 在步骤S40中，同样也依据对应的主光入射角来决定每一微透镜的凸面高度。位 于外围(即，对应于像素阵列的外围像素的区域)的微透镜的主光入射角通常大于位于中 心(即，对应于像素阵列的中心像素的区域)的微透镜的主光入射角。同时，由于当每一微 透镜具有相同的凸面高度时，位于外围的微透镜的聚焦深度短于位于中心的微透镜的聚焦 深度，因此图像感测装置会因为外围的微透镜无法适当地聚焦于对应的光感测器而降低光 敏性(photosensitivity)。因此，在本实施例中，外围的微透镜的凸面高度L小于中心的微 透镜的凸面高度L。也就是说，凸面高度与主光入射角成反比关系。在本实施例中，微透镜 104a的凸面高度L在0.4微米(iim)至0. 8微米的范围，取决于对应的主角。
最后，进行步骤S50，在决定每一微透镜104a的凸面高度以及对应的微透镜偏移
5量之后，在像素阵列102上排列微透镜104a，以形成微透镜阵列104。图6示出根据本发明 实施例的具有不同凸面高度L的微透镜104a，其中对应于像素阵列102的外围像素的微透 镜104a，其凸面高度L小于对应于像素阵列102的中心像素附近的微透镜104a的凸面高度 L。另外，由于除了对应于中心像素的微透镜104a之外，每一微透镜104a偏移一对应的距 离，因此微透镜104a彼此局部重叠。 根据上述实施例，由于每一微透镜104a设计成相对于对应的像素偏移一距离，因 此随主光入射角而改变的光强度可获得补偿而可降低像素的阴影效应及串音。也就是说， 图像感测装置的信号信噪比可增加。另外，微透镜阵列104中的微透镜104a具有随主光入 射角而改变的凸面高度，且不同主光入射角的入射光线可适当地聚焦于对应的光感测器， 因而感测装置的光敏性得以提升。 虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普 通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围 当视所附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
一种像素阵列上的微透镜阵列设计方法，包括如下步骤计算在一像素阵列中一中心像素至每一像素的一径向距离，其中以该中心像素作为X-Y坐标的一原点；依据对应的径向距离来决定每一像素的一主光入射角；依据对应的主光入射角来决定相对于对应的该像素的一微透镜偏移量；以及依据对应的微透镜偏移量来排列多个微透镜，以在该像素阵列上形成一微透镜阵列；其中每一微透镜偏移量结合了一X轴向偏移量与一Y轴向偏移量，且X轴向偏移率不同于Y轴向偏移率；以及其中该X轴向偏移率为该X轴向偏移量与该偏移的微透镜沿X轴向到该原点的距离的比率，而该Y轴向偏移率为该Y轴向偏移量与该偏移的微透镜沿Y轴向到该原点的距离的比率。
2. 如权利要求1所述的像素阵列上的微透镜阵列设计方法，其中该X轴向偏移率大于 该Y轴向偏移率。
3. 如权利要求1所述的像素阵列上的微透镜阵列设计方法，其中根据转换该对应的径 向距离而得的一图像高度来决定该主光入射角。
4. 如权利要求3所述的像素阵列上的微透镜阵列设计方法，其中该主光入射角的决定 包括由该微透镜阵列上的一图像透镜的光学特性来获得该主光入射角与该图像高度之间 的关系。
5. 如权利要求1所述的像素阵列上的微透镜阵列设计方法，还包括依据对应的主光入 射角来决定每一微透镜的凸面高度。
6. 如权利要求5所述的像素阵列上的微透镜阵列设计方法，其中该凸面高度与该主光 入射角成反比关系。
7. 如权利要求1所述的像素阵列上的微透镜阵列设计方法，其中该凸面高度在0. 4微 米至0.8微米的范围。
8. —种图像感测装置，包括 一像素阵列，具有多个像素；以及一微透镜阵列，具有多个微透镜对应配置于所述多个像素，其中除了对应于该像素阵 列中心像素的该微透镜之外，每一微透镜相对于对应的该像素偏移一距离，且该距离依据 权利要求1所述的方法而决定。
9. 如权利要求8所述的图像感测装置，其中该X轴向偏移率大于该Y轴向偏移率。
10. 如权利要求8所述的图像感测装置，其中每一微透镜具有依据对应的主光入射角 而决定的一凸面高度，且该凸面高度与该主光入射角成反比关系。
11. 如权利要求8所述的图像感测装置，其中该凸面高度在0. 4微米至0. 8微米的范围。
全文摘要
本发明揭示一种像素阵列上的微透镜阵列设计方法及图像感测装置。该方法计算在一像素阵列中一中心像素至每一像素的一径向距离，而中心像素作为X-Y坐标的原点。依据对应的径向距离来决定每一像素的一主光入射角。依据对应的主光入射角来决定相对于对应的像素的一微透镜偏移量。每一微透镜偏移量结合了一X轴向偏移量与一Y轴向偏移量，且X轴向偏移率不同于Y轴向偏移率。据对应的微透镜偏移量来排列多个微透镜而形成一微透镜阵列。本发明还揭示一种图像感测装置。本发明可增加图像感测装置的信号信噪比，提升感测装置的光敏性。
文档编号H04N5/335GK101795364SQ20091016519
公开日2010年8月4日 申请日期2009年7月27日 优先权日2009年1月29日
发明者刘宇杰, 彭进宝, 曾志翔, 杨政霖 申请人:采钰科技股份有限公司