DE102005016564A1

DE102005016564A1 - Bildsensor mit integrierter elektrischer optischer Vorrichtung und diesbezügliches Verfahren

Info

Publication number: DE102005016564A1
Application number: DE102005016564A
Authority: DE
Inventors: Guolin Milpitas Ma
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Aptina Imaging Corp
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2025-04-12
Also published as: DE102005016564B4; JP2006066912A; TWI370542B; US20060043260A1; US20080131992A1; TW200608565A; US7329856B2

Abstract

Eine Bilderfassungsvorrichtung ist offenbart, die einen Chip, der mit einem Array von Photoerfassungsstellen gebildet ist, und eine Struktur eines optischen Materials aufweist, das Infrarot-absorbierende Charakteristika aufweist, die über den Photoerfassungsstellen gebildet ist. Ein Ausführungsbeispiel ist offenbart, bei dem die Struktur des optischen Materials, das Infrarot-absorbierende Charakteristika aufweist, als ein Array von Mikrolinsen gebildet ist zum Richten von sichtbarem Bildlicht auf die Photoerfassungsstellen und zum gleichzeitigen Herausfiltern von Infrarotwellenlängen, die die Bilderfassung stören. Alternativ dazu kann die Struktur konzipiert sein, um andere Wellenbereiche außerhalb des sichtbaren Spektrums herauszufiltern.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Bilderfassungssysteme und insbesondere auf ein Filtern von ausgewählten Wellenlängen, wie zum Beispiel Infrarotenergie, aus Licht, das auf Sensorvorrichtungen in einer integrierten elektrischen optischen Vorrichtung abgebildet wird.
Bilderfassungsvorrichtungen, die einfarbige oder Farbbilder durch Veränderungen der elektrischen Eigenschaften von Photoerfassungspixeln auf Integrierte-Schaltung-Halbleiterstücken (Dies) oder -Chips erfassen, haben eine Alternative zur herkömmlichen Filmtechnologie geliefert. Bekannte Sensortypen umfassen Feldeffekttransistor-(FET) oder Diodenvorrichtungen, die mit Komplementärmetalloxidhalbleiter-(CMOS) oder Ladungsgekoppelte-Vorrichtung-(CCD)Technologie hergestellt sind.

CMOS- und CCD-Bildsensoren haben jeweils ihre Vor- und Nachteile. Die CMOS-Technologie bietet eine einfache Schnittstellenbildung mit anderer CMOS-basierter Hardware und kann eine Leistungsaufnahme bei tragbaren Vorrichtungen, wie zum Beispiel Digitalkameras, Videotelefonen, Personaldigitalassistenten und anderen Geräten und vor allem batteriebetriebenen Einheiten, verringern. Bei einer CCD-Ausrüstung handelt es sich um eine ältere Technologie, und dieselbe kann in vielen Fällen einfacher mit höheren Pixeldichten hergestellt werden. Diese beiden und andere Sensoren erfordern normalerweise ein Abblocken von Infrarot-(TR-) Lichtenergie von dem Bilderfassungslicht, das das gewünschte sichtbare Bild enthält. Auch kann es erwünscht sein, Ultraviolett- (UV-) Energie aus dem Bilderfassungslicht herauszufiltern.

Dies erklärt sich daraus, dass die gängigsten halbleiterbasierten Bilderfassungsvorrichtungen, wie zum Beispiel die im Vorhergehenden genannten, auf Silizium basieren und nicht nur auf sichtbares Licht (etwa 380 bis 780 Nanometer), sondern auch auf Infrarotlicht in dem Bereich von etwa 780 bis 1.100 Nanometer ansprechen. Eine Qualitätsfarberfassung ohne ein Sperrfilter für diese Wellenlängen ist praktisch unmöglich, da das IR normalerweise die Sensorleistung überschwemmt und dadurch die Ausgabepegel verfälscht. Auf ähnliche Weise stützt sich eine einfarbige Erfassung auf ein Bewahren der Luminanz bei dem erfassten sichtbaren Licht, was ohne ein IR-Filtern schwierig ist.

Es gibt zwei Typen von gängigen IR-Filtern, die Energie in dem Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums herausfiltern. Bei der ersten Art handelt es sich um blau gefärbtes Glas, wie es zum Beispiel durch Ionenfärbung hergestellt wird. Ein derartiges gefärbtes Glas ist relativ teuer, etwa 20 Mal teurer als klares Glas . Ein weiterer Filterelementtyp verwendet ein klares Glasstück, das eine Dünnfilmbeschichtung auf einer Oberfläche aufweist, um eine Aufhebung durch Interferenz derjenigen ankommenden Wellenlängen, wie zum Beispiel IR, die außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen, zu bewirken. Dieser Filtertyp verwendet mehrschichtige Dünnfilmstapel mit konzipierten Dicken, normalerweise im Nanometer-(nm-)Bereich, um eine ausgewählte Wellenlänge durchzulassen und zu reflektieren. Um IR zu filtern, beträgt die Grenzwellenlänge etwa 630 nm, wobei die Transmission bei 650 nm auf etwa 50 % abfällt und bei 680 nm auf einige wenige Prozent abfällt. Ein Problem bei diesem Lösungsansatz besteht jedoch darin, dass die Dünnfilmbeschichtung normalerweise für bestimmte Wellenlängen und für Lichtstrahlen, die zu der Dünnfilmoberfläche normal sind, optimiert ist. Deshalb werden die Infrarotlichtstrahlen in der Nähe der Ränder des Pixelarrays, die die Feldlinse normalerweise in einem Winkel verlassen, weniger wirksam gefiltert. Dieser Randeffekt verschiebt die 50%-Transmissionswellenlänge normalerweise von 650 nm auf weni ger als 630 nm, wodurch die Farbe des abgebildeten Lichtes in den roten Teil des Spektrums verschoben wird. Dies kann ein visuelles Artefakt an den Rändern des Bildes bewirken, das als eine Farbdiskontinuität bekannt ist. In einigen Fällen kann eine Bildverarbeitung verwendet werden, um die Farbverschiebung zu entfernen, was jedoch mit zusätzlichen Kosten und Komplexität verbunden ist.

Obwohl Anstrengungen unternommen worden sind, um ein IR- und UV-Blockieren ohne ein Aufgeben der Bildintegrität oder ein Hinzufügen von übermäßigen Kosten und Komplexität zu der Bilderfassungsoptikeinrichtung zu liefern, sind diese Lösungsansätze bislang in ein oder mehr Hinsichten erfolglos geblieben. Zum Beispiel umfassen bestimmte Digitalbilderfassungssysteme ein getrenntes Filter, normalerweise aus Glas oder Kunststoff, als einen Teil des Strahlenganges, d.h. irgendwo in dem optischen System, entweder vor oder zwischen der Feldlinse und dem Sensorgehäuse. Die Feldlinse oder die Feldlinsenanordnung ist normalerweise durch Luft oder ein anderes Füllgas von dem Sensor getrennt, und diese offene Kammer kann in einem Baustein, manchmal Schalengehäuse genannt, abgedichtet sein. Ein Befestigen des Filters in der Gehäusekammer kann dazu führen, dass Staub oder andere Verunreinigungsstoffe sich auf den Sensorpixeln niederlassen und die Bildstrahlen blockieren. Ein weiterer bekannter Lösungsansatz platziert ein IR-Filterelement über oder an einem Fenster des Sensorbausteins über dem Sensorchip.

Eine derartige Platzierung ist beispielhaft in den 1A und 1B, die als Stand der Technik gekennzeichnet sind, gezeigt, wobei ein Baustein oder ein Gehäuse 15 einen Bildsensorchip 17 enthält. Ein Fenster an dem Gehäuse ist durch ein Filterelement 25 bedeckt, das aus beschichtetem Glas oder einem Kunststoffmaterial hergestellt sein kann, das einen Farbstoff zum Absorbieren von IR-Wellenlängen enthält.

Das getrennte selektive IR- und/oder UV-Filterelement 25 fügt dem Gesamtsystemzählwert, d.h. dem Stückteilzählwert, eine zusätzliche Komponente hinzu und steigert die Komplexität und die Herstellungskosten des Bilderfassungssystems. Ferner kann es abhängig davon, wo das selektive Filter 25 platziert ist, zu einer Steigerung der Systemgröße kommen, die die Leistungskosten unterschiedlich beeinflusst. Außerdem wird das getrennte Filter oft entweder auf dotiertes Glas dünnfilmbeschichtet oder aus dotiertem Glas hergestellt und dann in kleine Stücke geschnitten und befestigt. Der resultierende Staub und die resultierenden Partikel aus diesen Operationen können den Kamerasensor verunreinigen und aktive Sensorpixel blockieren.

Sensorpixel, die das gefilterte Licht empfangen, sind zum Beispiel an einem Sensorchip 17' gemäß dem Stand der Technik und einer Mikrolinse 30 in 1B gezeigt. Der Chip 17' ist einer von vielen identischen Chips, die normalerweise gleichzeitig in einem Halbleiterwafer hergestellt werden. Die Chips werden oft Schicht um Schicht gebildet und ergeben ein Gitter oder Array von Photoerfassungsstellen 20. Andere Integrierte-Schaltung-Elemente (nicht gezeigt), wie zum Beispiel Transistoren, die mit den Photoerfassungsstellen zusammenarbeiten, liefern ein Bildsignal, wie es in dieser Technik bekannt ist. Die Photoerfassungselemente und die anderen Schaltungselemente sind unter Verwendung von ein oder mehr Metallschichten (nicht gezeigt) verbunden. Ein Farbfiltermaterial (nicht gezeigt) kann dann in Wannen über den gesamten Wafer, normalerweise über einer Passivierungsschicht (nicht gezeigt), aufgebracht werden. Dieses Material wird wiederholt aufgebracht und strukturiert, so dass mehrere unterschiedliche Farbfilter angeordnet sind, um Licht einer spezifischen Farbe auf ein Empfangssensorelement zu leiten. Um die Effizienz zu verbessern, mit der die Photoerfassungsstellen 20 auf das einfallende Licht ansprechen, wird eine Mikrolinsenstruktur 30 an dem Chip 17' angebracht oder an demselben gebildet, und dieselbe fokussiert das einfallende Licht auf die Photoerfassungsstellen 20.

Der Sensorchip oder das -halbleiterstück 17' können unter Verwendung von CMOS- oder CCD-Technologie hergestellt werden. Jahrelang haben CCDs den Markt im Hinblick auf Geschwindigkeit, Empfindlichkeit, Zuverlässigkeit, Häusen und Preis dominiert. CMOS-Vorrichtungen bieten jedoch die im Vorhergehenden genannten Vorteile, und es werden in der CMOS-Technologie Anstrengungen unternommen, alle kritischen Preis- und Leistungscharakteristika von CCDs zu erreichen oder zu übertreffen und Produktentwicklern Vorteile zu liefern, die CCDs nicht bieten. Ein Entwurfsfaktor bei diesen Anstrengungen besteht darin, ein Arrayformat zu verwenden, das die im Vorhergehenden beschriebene Mikrolinsenstruktur umfasst. Da CMOS-basierte Sensoren mit CCD-Vorrichtungen in Konkurrenz stehen, wird die Bereitstellung von Mikrolinsenarrays über den Photoerfassungsstellen wichtig. Mikrolinsen ermöglichen die Verwendung kleinerer Transistorstellen, was wiederum eine gesteigerte Sensordichte und einen verbesserten Füllfaktor liefert.

Die Mikrolinsenstruktur, bei der es sich um ein Array von halbkugelförmigen, zylindrischen oder anders geformten Linsenelementen handelt, ist oft aus einem optisch klaren Polymerharzmaterial, wie zum Beispiel einem langlebigen Acryl, gebildet, das in die Form des gewünschten Linsenarrays geformt oder gegossen wird und haftend an dem Sensorchip angebracht wird. Bei anderen Herstellungen wird das Harz auf den gesamten Wafer aufgeschleudert und durch Photoresist und ein Ätzen in die Mikrolinsenformen verarbeitet. Die sich ergebende Mikrolinsenschicht kann zum Beispiel eine Dicke von 1-3 μm aufweisen. Geeignete Materialien für eine Mikrolinsenstruktur umfassen Materialien wie zum Beispiel Acrylkunststoffe und thermisch oder durch UV-Licht härtbares Epoxid, die eine hohe Durchlässigkeit (mehr als 90 %) über das gesamte sichtbare Lichtspektrum (380–780 nm) aufweisen und gegenüber Alterungseffekten (zum Beispiel Oxidierung, Zersetzung), Umgebungseffekten (zum Beispiel Feuchtigkeitsaufnahme, Hitzebeständigkeit) und physischen Effekten (zum Beispiel Belastung, Verformung) beständig sind.

Wie es jedoch im Vorhergehenden erörtert ist, besteht ein Problem bei dem im Vorhergehenden beschriebenen Bilderfassungssystem darin, dass das IR-Filterelement 25 die Größe und den Teilzählwert und somit die Kosten des Systems erhöhen kann und eine Verunreinigung einführen kann, die die Leistung des Systems verringert. Außerdem kann das Filterelement, wo das Filterelement 25 mit einem Dünnfilm beschichtet ist, eine Farbdiskontinuität in das erfasste Bild einbringen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bilderfassungsvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Bilderfassungsvorrichtung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Bilderfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 10 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 25 gelöst.

Eine Bilderfassungsvorrichtung ist offenbart, die einen Chip, der mit einem Array von Photoerfassungsstellen gebildet ist, und eine Struktur eines optischen Materials aufweist, die Lichtenergie außerhalb des sichtbaren Spektrums absorbiert und über den Photoerfassungsstellen angeordnet ist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist offenbart, bei dem die Struktur ein optisches Material ist, das Infrarot-absorbierende Charakteristika aufweist, und in der Form eines Arrays von Mikrolinsen gebildet ist, zum Richten von sichtbarem Bildlicht auf die Photoerfassungsstellen, während gleichzeitig Infrarot herausgefiltert wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A eine isometrische Darstellung einer Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem Entwurf gemäß dem Stand der Technik;
1B eine isometrische Darstellung eines Sensorchips, der ein Mikrolinsenarray umfasst, gemäß einem Entwurf gemäß dem Stand der Technik;
2 eine planare Seitenansicht, die teilweise zu Zwecken der Übersichtlichkeit geschnitten ist, die ein Ausführungsbeispiel der Bilderfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
3A eine fragmentarische schematische Seitenansicht eines stark vergrößerten Abschnitts des Mikrolinsenarrays und des Arrays von elektrischen Sensoren eines Chips, der in der Vorrichtung von 2 enthalten ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3B eine fragmentarische Draufsicht des Mikrolinsenarrays von 3A gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine Schnittseitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Bilderfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
5 ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel des Herstellungsprozesses zum Herstellen des Ausführungsbeispiels der Bilderfassungsvorrichtung von 4 veranschaulicht; und
6 ein Blockdiagramm eines Bilderfassungssystems, das eine oder beide der Bilderfassungsvorrichtungen von 2–3A und 4 umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, einen Farbstoff zu verwenden, der Lichtenergie einer Wellenlänge absorbiert, die außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt, wie zum Beispiel IR, und einen derartigen Farbstoff in einen Kunststoff zu mischen, der dann in eine optische Struktur gebildet wird, die an dem Sensor angeordnet wird. Ein absorbierender Farbstoff weist oft eine bessere Leistung auf als eine Dünnfilmbeschichtung, da die Filtration des unerwünschten Lichtes normalerweise unabhängig von dem Einfallswinkel des ankommenden Lichtes erfolgt, und auch weil die IR-Absorption durch den Farbstoff normalerweise keine Farbverschiebung um die Ränder des Bildes bewirkt. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es hier offenbart ist, wird das IR-absorbierende Material in ein Polymerharz gemischt. Während eines erhitzten fluiden Zustands wird die Mischung zu der Sensormikrolinse gebildet. Die Mikrolinsenstruktur, die aus dem Farbstoff und dem Polymerharz hergestellt ist, liegt über den Photoerfassungstellen und filtert unerwünschte Wellenlängen, wie zum Beispiel IR, heraus, und fokussiert das gewünschte sichtbare Licht auf die Stellen. Durch ein Liefern der selektiven Filtration und des Linsenfokus mit der gleichen optischen Struktur werden der Herstellungsprozess, die Produktgröße und der Teilzählwert normalerweise verbessert, und die Kosten werden normalerweise verringert.
Die Mikrolinse wird zum Beispiel durch einen Füllprozess in einer Form gebildet, um dieselbe über dem Bildsensorchip in die richtige Form zu bringen. Durch ein einfaches Hinzufügen des IR-absorbierenden Materials in das Rohpolymer vor dem Bilden der Mikrolinse wird das IR-Filter bei dem Mikrolinsenbildungsprozess bei kaum oder keiner zusätzlichen Komplexität wirksam mit der Mikrolinse integriert. Außerdem spart dies Kosten, da das Glas- oder ein anderes getrenntes Filter nicht mehr benötigt wird. Dies verringert auch die Komplexität der Anordnung. Dies zeigt sich besonders dort, wo der Bildsensor einen Baustein umfasst, der die Mikrolinse zusammen mit dem Integrierte-Schaltung-Chip in einer Kammer versiegelt, die das Pixelarray enthält. Da dieses Häusen außerdem bereits in einem Reinraum stattfindet, kann dasselbe die Möglichkeit, dass Staub während der Herstellung in die Kammer eindringt, beseitigen, da nun kein getrenntes IR-Filter in die Kammer eingeführt werden muss. Da außerdem ein absorbierender Farbstoff verwendet wird, kann Licht aus einem beliebigen Winkel gefiltert werden, und eine Farbverschiebung um die Bildränder erfolgt normalerweise nicht.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Bildsensorchip 100, der eine Struktur von in einem Array angeordneten Mikrolinsen 130 an einem Chipsubstrat 110 aufweist, an einer Schaltungsplatine 112 befestigt ist. Der Chip 100 wird schichtweise hergestellt, um Photoerfassungsstellen 120 (siehe 3A) und andere integrierte Schaltungsanordnungen, wie es in dieser Technik bekannt ist, an dem Substrat 110 zu umfassen. Die Mikrolinsen 130 werden aus der Mischung eines Polymerharzes und einem IR-absorbierenden Farbstoff geformt, zum Beispiel durch einen Prozess eines Spritzeinfüllens unter Verwendung der Wärmefluidität des Mikrolinsenmaterials. Der Formprozess kann zum Beispiel das IR-Filter und das Linsenmaterial auf einer Oberfläche des Substrats 110, wie gezeigt, so bilden, dass die Linsen des Arrays in optischer Ausrichtung mit entsprechenden Pixelstellen 120 angebracht sind. Alternativ dazu können die Mikrolinsen getrennt geformt, gegossen oder durch Mikrobearbeitung hergestellt werden und dann durch ein Haftmittel an dem Chip 100 angebracht werden. Ein weiterer Prozess kann verwendet werden, der die Mikrolinsen 130 an dem Chip 100 durch ein sequentielles Aufbringen und Strukturätzen des Kunststoffs unter Verwendung bekannter Linsenherstellungstechniken bildet.
Metallanschlussflächen oder Metallschichten (nicht gezeigt) an dem Chip 100 werden mit der Schaltungsplatine 112, wie es bei 114 gezeigt ist, in einer bekannten Assemblierungsprozedur drahtverbunden, um eine elektrische Verbindung mit der integrierten Schaltungsanordnung des Chips 110 herzustellen. Ein haftendes organisches Harz in der Form eines Kleckses 116, bisweilen „Glob Top" genannt, befestigt den Chip 100 auf bekannte Weise an der Schaltungsplatine 112. Um die Ausrichtung zwischen den Mikrolinsen 130 und einer Feldlinse 124 aufrechtzuerhalten, wird eine Seitenwand 118 einer Feldlinsenhaltevorrichtung 119 ebenfalls durch haftende Harzkleckse 116 in Position gehalten. Eine Haltevorrichtungsummantelung 122, die zum Beispiel aus Kunststoff oder einem anderen geeignet starren Material gebildet ist, hält die Feldlinse 124 in optischer Ausrichtung mit dem Chip 100. Ein optischer Weg, der durch einen gestrichelten Weg 126 angezeigt ist, bildet ein Objekt auf die Oberfläche des Chips 100 und die in einem Array angeordneten Mikrolinsen 130 ab. Die Feldlinsenhaltevorrichtung 119 kann ein umschlossenes Gehäuse sein, das den Raum zwischen der Linse 124 und den Mikrolinsen 130 abdichtet, um den Chip 100 vor Staub zu schützen.
Die 3A und 3B zeigen in einer vergrößerten Querschnittsansicht und einer vergrößerten Grundrissdraufsicht, dass sich die Mikrolinsen 130 des Arrays wie auch die Photoerfassungsstellen 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem x-y-Array befinden. Bildlicht von der Feldlinse 124 wird durch den Farbstoff in den Kunststoffmikrolinsen 130 gefiltert, wodurch das IR absorbiert wird, und die Formen der Mikrolinsen richten die Bildlichtstrahlen in dem sichtbaren Spektrum um, um auf die jeweiligen Erfassungsstellen 120 fokussiert zu sein.
Insbesondere sind die Photoerfassungsstellen 120 und die Mikrolinsen 130 in einem zweidimensionalen Array angeordnet, wobei jede derartige Stelle einem Erfassungspixel ent spricht. Derartige Stellen 120 können aus p- und n-dotierten Regionen in einem Material wie zum Beispiel massivem Silizium oder amorphem Silizium oder Verarmungsregionen unter Polysilizium- oder Metallgates hergestellt sein. Diese Stellen 120 verhalten sich wie ein Kondensator, wenn eine elektrische Ladung gegeben ist, geben jedoch bei Photonenauftreffen Elektronen ab. Die Entladungsgeschwindigkeit nimmt proportional zu der Intensität des einfallenden Lichtes zu. Eine Schaltungsanordnung (nicht gezeigt), zum Beispiel CMOS-Gates, zwischen und um die photoempfindlichen Stellen 120 misst für jedes Pixel über einen bekannten Zeitraum die Ladungsveränderung und erzeugt Signale, die ein Bild darstellen, das auf der Oberfläche des Bildsensorsubstrats 110 gebildet ist.
Die Mikrolinsen 130 richten Licht von einem breiteren Sichtfeld auf die jeweiligen darunter liegenden photoempfindlichen Stellen 120 um. Bei einer Konfiguration entspricht jede Mikrolinse 130 einer einzelnen Photoerfassungspixelstelle 120 und weist eine halbkugelförmige oder im Allgemeinen konvexe Form auf, die Licht auf die entsprechende Stelle 120 fokussiert. Andere Mikrolinsenkonfigurationen werden in Betracht gezogen, wie zum Beispiel ein Bilden der Mikrolinse mit dem IR-absorbierenden Farbstoff zu einem Halbzylinder (d.h. in der allgemeinen Form eines großen Flugzeughangars), der über einer Zeile oder Spalte von photoempfindlichen Stellen 120 liegt. Die Halbzylinderform fokussiert das gefilterte Licht auf die Zeile oder Spalte der Erfassungsstellen 120.
Wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, wird die Mischung aus Farbstoff und Polymerharz aufgebracht und UV-gehärtet oder wird in einem bekannten Füllprozess spritzgegossen, um die Mikrolinsen 130 an dem Substrat 110 zu bilden. Andere Linsenbildungsprozesse können verwendet werden. Eine Technik zum Bilden des Arrays von Mikrolinsen 130 beginnt mit einem Beschichten des Substrats 110 mit einer Schicht eines transparenten Photoresist. Der Photoresist wird dann struk turiert, um kleine Regionen zu bilden, die den Mikrolinsen 130 entsprechen. Nach dem Strukturieren verflüssigt ein Erwärmen den Photoresist, und die Oberflächenspannung des verflüssigten Photoresist bewirkt, dass jede Region eine konvexe Form annimmt, die bestehen bleibt, wenn der Photoresist fest wird. Unter den Mikrolinsen 130 werden dann Farbfilterschichtstrukturen in dem Lichtweg, der zu den Stellen 120 führt, in einer bekannten Weise an dem Substrat 110 gebildet, um einen Farbgehalt in dem sichtbaren Lichtspektrum zu erfassen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ist in 4 gezeigt, um eine Glasplatte 240 oder eine andere transparente Abdeckung zu umfassen, die an einer Seitenwand 218 eines Schalengehäusesensorbausteins 228 angebracht ist, der einen Chip 200 und das Array von Infrarotabsorbierenden Mikrolinsen 230 darauf umgibt. Die Bausteinseitenwand 218 ist aus einem geeignet beständigen Material, wie zum Beispiel Kunststoff oder Keramik, das dimensioniert ist, um eine Trennung zwischen der Unterseite der Platte 240 und den oberen konvexen Oberflächen der Mikrolinsen 230 zu liefern. Eine Glasoberplatte 240 ist mit den oberen Erstreckungen 219 der Wand 218 durch ein abdichtendes Haftmittel verbunden und schützt die Mikrolinsen 230. Verbindungen 250 mit den Anschlussflächen an einer Schaltungsplatine 212 befestigen den Sensor und verbinden denselben elektrisch mit einer externen Schaltungsanordnung. Eine Feldlinsenanordnung wird, wenn dieselbe verwendet wird, durch eine geeignete Haltestruktur (nicht gezeigt) an der Platine 212 befestigt, um sich in Optischer-Weg-Ausrichtung mit dem Sensorbaustein und dem Sensorchip 200 zu befinden.
5 ist ein Flussdiagramm eines Herstellungsprozesses 500 für einen Bildsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem Prozess 500 verwendet ein Anfangsschritt 505 herkömmliche CMOS-Integrierte-Schaltung-Herstellungstechniken, um elektrische Komponenten des Bildsensors in und an einem Siliziumwafer zu bilden. Normaler weise wird eine Anzahl von Sensorchips oder -halbleiterstücken an einem Wafer gebildet und dann später in getrennte Chips geschnitten, von denen jeder einen getrennten Bildsensor bilden soll. Bei Schritt 508 werden selektive Farbstoffe gemäß bekannten Verfahrensvorschriften in Pulverform in das Polymerharz gemischt, um so viel IR-Wellenlängen oder andere nicht sichtbare Lichtenergie wie gewünscht zu absorbieren und damit zu blockieren oder herauszufiltern. Dann wird die Mischung aus Farbstoff und Harz durch ein Erwärmen oder UV-Härten und bekannte Herstellungsprozesse bei Schritt 510 verarbeitet, um ein Array von Mikrolinsen auf dem Bildsensorsubstrat zu bilden. Diese Linsenarrays können unter Verwendung herkömmlicher Techniken, wie zum Beispiel Spritzgießen oder Gießen, gebildet werden. Alternativ dazu können die Mikrolinsenarrays durch ein sequentielles Schichten und Ätzen unter Verwendung von strukturiertem Photoresist, Ätzchemikalien und angelegter Wärme gebildet werden, um konvexe optische Formen an jeder Pixelstelle zu erzeugen. Bei Schritt 512 wird der fertiggestellte Chip mit dem Integrierte-Schaltung-Substrat und dem Mikrolinsenarray in einem Schalengehäuse befestigt und verbunden, und die transparente Glasschutzabdeckung wird haftend an ihrer Position an der oberen Öffnung des Gehäuses befestigt. Bei Schritt 514 wird die Feldlinse oder die Linsenanordnung (mehr als eine Linse kann abhängig von der Anwendung verwendet werden) ausgerichtet und an dem Schalengehäuse oder einer anderen Haltestruktur in optischer Ausrichtung mit dem Mikrolinsenfeld des Sensorchips befestigt. Bei dieser Herstellungssequenz werden die Mikrolinsen, die auch als das IR-Sperrfilter dienen, in einer Reinraumumgebung gebildet, und die Platzierung der Abdeckung dichtet den Baustein ab, um die Möglichkeit zu verringern, dass verunreinigende Staubpartikel während der Assemblierung der Kamera oder eines anderen Anwendungsprodukts auf den Mikrolinsenpixeln zu liegen kommen.
Alternativ dazu können die Mikrolinsen, die an dem Chipsubstrat gebildet sind, einen anderen bekannten Typ aufweisen, wie zum Beispiel Gradientenindexlinsen, die durch ein Verändern des Brechungsindex in Abhängigkeit der Linsentiefe hergestellt sind. In diesem Fall werden die IR-absorbierenden Charakteristika durch ein Präparieren des Linsenbasismaterials mit verschiedenen bekannten IR-Absorptionsinhaltsstoffen zusammen mit Erzeugungsschritten, die die Gradientenveränderung des Brechungsindex einführen, erhalten.
Beim Bilden des Linsenarrays aus einem Kunststoff oder einem Polymerharz gibt es verschiedene bekannte Verfahren, die fertiggestellte Struktur für IR-Licht selektiv zu machen, einschließlich eines Dispergierens des Farbstoffes in einem Kunststoffmaterial oder einem Gießen oder Auftragen des Farbstoffes in oder auf das Kunststoffmaterial. Geeignete Kunststoffmaterialien, die diesem Zweck dienen können, umfassen einschließlich, aber nicht ausschließlich, Polymethylmethacrylat, Polycarbonate oder Polystyren. Ein geeignetes Harzmaterial ist ein metallbasiertes Epoxid. Die IR-selektiven Farbstoffe können einschließlich, aber nicht ausschließlich, Dithiolen- und Phenyldiamin-Nickel-Komplex-Typen umfassen.
Mit Bezugnahme auf 6 können die Bilderfassungsvorrichtungen der 2–4 und ihre Alternativen, die im Vorhergehenden beschrieben sind, als Teil eines digitalen Bilderfassungssystems 600 verwendet werden. Das Bilderfassungssystem 600 weist einen Bildsensor 610 auf, wie er durch die im Vorhergehenden beschriebenen Sensoren 100 und 200 bereitgestellt ist, zum Empfangen von Abbildungslicht, das Infrarotenergie aufweist, von einer Feldlinse 612. In den Sensor 610 integriert sind der Sensorchip und ein Pixelmikrolinsenarray 614 zum Absorbieren des IR und zum Fokussieren des verbleibenden sichtbaren Lichtes auf die Photosensoren. Zum Beispiel können die Mikrolinsen 130 oder 230, die im Vorhergehenden beschrieben sind, das Array 614 bilden. Der Sensor 610 weist auch verschiedene damit integrierte Schaltungsanordnungen auf, die hier Folgendes umfas sen: eine Pixelfarbverstärkungsverhältnisfunktion 616, einen Analog-Digital-Wandler 617, eine Fenstergrößensteuerung 618, eine Pixelverstärkungsfunktion 619 und eine Zeitgebungssteuerung 620. Ein Bildprozessor 622, der eine bekannte Schaltungsanordnung und einen bekannten Betrieb aufweist, ist mit dem Sensor 610 verbunden und weist die verschiedenen Steuerungs- und Datenleitungen 624 zum Steuern der Schaltungsanordnung und zum Empfangen eines elektrischen Abdrucks des erfassten Bildes auf. Da eine derartige Schaltungsanordnung und Signalverarbeitung in dieser Technik bekannt sind, werden sie hier nicht näher beschrieben. Der ganze Prozessor 622 oder ein Teil desselben kann in den gleichen Chip integriert sein, der den Sensor 610 umfasst.
Bei der vorhergehenden detaillierten Beschreibung ist die Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene Modifizierungen und Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne von der breiteren Wesensart und dem Schutzbereich der Erfindung, wie derselbe in den Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen. Die Beschreibung und die Zeichnungen sollen dementsprechend in einem veranschaulichenden anstatt einem einschränkenden Sinn verstanden werden. Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Beschreibung nur ein Beispiel der Anwendung der Erfindung und sollte nicht als eine Beschränkung betrachtet werden. Obwohl die obigen Ausführungsbeispiele zum Beispiel CMOS-Bildsensoren verwenden, können auch andere Vorrichtungen, die Mikrolinsenarrays verwenden, aus den Ausführungsbeispielen der Erfindung, die eine IR-Blockierung (oder eine Blockierung einer anderen elektromagnetischen Energie) bei dem Mikrolinsenarray an den Sensorchip liefern, einen Nutzen ziehen. Obwohl die Mikrolinsen so gezeigt sind, dass dieselben direkt an dem Substrat angeordnet sind, können außerdem andere Schichten zwischen den Mikrolinsen und dem Substrat vorliegen, und eine oder mehr dieser Schichten können einen IR-absorbierenden Farbstoff zusätzlich zu oder anstelle von dem IR-absorbierenden Farbstoff in den Mikrolinsen umfassen. Obwohl Beschreibungen einiger spezifischer Materialien und bestimmter Strukturen gegeben sind, liefern derartige Beschreibungen außerdem nur geeignete Beispiele und sollen keine Einschränkung darstellen. Verschiedene andere Anpassungen und Kombinationen von Merkmalen der offenbarten Ausführungsbeispiele fallen in den Schutzbereich der Erfindung.

Claims

Bilderfassungsvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (110, 210), das Photoerfassungselemente (120) aufweist; eine lichtdurchlässige optische Struktur (130, 230) an dem Substrat (110, 210), um Licht auf die Photoerfassungselemente (120) zu richten; und wobei die optische Struktur (130, 230) Infrarotenergie aus dem Licht absorbiert.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die optische Struktur (130, 230) ein Array von Linsen (130, 230) aufweist.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die optische Struktur (130, 230) ein Kunststoffmaterial aufweist, das zu einem Array von Linsen (130, 230) gebildet ist.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das Kunststoffmaterial einen Farbstoff aufweist, der Infrarotenergie absorbiert.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die optische Struktur (130, 230) ein Kunststoffharz aufweist.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die optische Struktur eine Schicht Kunststoffharz aufweist, die an dem Substrat (110, 210) zu einem Mikrolinsenarray (130, 230) gebildet ist.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Photoerfassungselemente (120) CMOS-Vorrichtungen (120) umfassen.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die optische Struktur (130, 230) eine Kunststoffsubstanz aufweist, die an dem Substrat (110, 210) gebildet ist, um Lichtenergie auf die Photoerfassungselemente (120) zu richten, und die Kunststoffsubstanz einen Farbstoff aufweist, der selektiv Infrarotenergie absorbiert.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die optische Struktur (130, 230) folgende Merkmale aufweist: eine optische Schicht, die an dem Substrat (110, 210) angeordnet und wirksam ist, um die Infrarotenergie aus dem Licht zu absorbieren; und ein Array von Mikrolinsen (130, 230), das an der optischen Schicht angeordnet ist.
Bilderfassungsvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (110, 210), das integrierte elektrische Elemente umfasst; ein Array von Linsen (130, 230) an dem Substrat (110, 210); eine Schalenstruktur (228), die das Array von Linsen (130, 230) umgibt und eine obere Öffnung aufweist; eine lichtdurchlässige Abdeckung (240), die an der oberen Öffnung der Schalenstruktur angebracht ist; und wobei das Array von Linsen (130, 230) aus einer Substanz hergestellt ist, die im Wesentlichen für sichtbares Licht durchlässig ist und im Wesentlichen ausgewählte Wellenlängen von Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums absorbiert.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die Abdeckung (240) Glas aufweist.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, bei der das Array der Linsen (130, 230) aus einem Polymerharz gebildet ist.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der das Array von Linsen (130, 230) aus einer Mischung eines Polymers und eines Farbstoffs zum Absorbieren der ausgewählten Wellenlängen von Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums gebildet ist.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der das Array von Linsen (130, 230) ein Kunststoffharz aufweist, das mit einem Farbstoff gemischt ist, der Energie in der Infrarotbande absorbiert.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, die ferner eine Feldlinse (124) aufweist, die in einer beabstandeten Beziehung zu der Abdeckung (240) befestigt ist, zum Richten von Bildlicht auf das Array von Linsen (130, 230).
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, bei der die Feldlinse (124) Glas aufweist.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16, bei der die elektrischen Elemente CMOS-Vorrichtungen umfassen.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17, die ferner ein haftendes Dichtmittel aufweist, das die Abdeckung (240) an der Schalenstruktur (228) anbringt, um das Linsenarray (130, 230) und das Substrat (110, 210) zu schützen.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 18, bei der das Array von Linsen (130, 230) Mikrolinsen aufweist, die an dem Substrat (110, 210) gebildet sind, um Lichtenergie auf bestimmte der elektrischen Elemente zu fokussieren.
Bilderfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 19, die ferner Farbfilter aufweist, die wirksam sind, um zu bewirken, dass die elektrischen Elemente einen Farbgehalt eines Bildes erfassen.
Verfahren zum Herstellen einer Bilderfassungsvorrichtung, das folgende Schritte aufweist: Bilden (505) von elektrischen Bilderfassungselementen (120) an einem Substrat (110, 210); Bilden (508) einer Mischung eines wellenlängenselektiven Absorptionsfarbstoffs und eines optisch durchlässigen Materials; und Verarbeiten (510) der Mischung zu den Formen von Mikrolinsen (130, 230) an dem Substrat (110, 210) über den elektrischen Bilderfassungselementen (120).
Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem das Verarbeiten der Mischung ein Mischen des Farbstoffs in das optisch durchlässige Material, um ein flüssiges Material zu bilden, und ein Formen des flüssigen Materials zu der Form der Mikrolinsen (130, 230) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, bei dem der Farbstoff ausgewählt ist, um Infrarotwellenlängen zu absorbieren.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, bei dem der Farbstoff ausgewählt ist, um Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Spektrums zu absorbieren.
Verfahren zum Herstellen einer Bilderfassungsvorrichtung, das folgende Schritte aufweist: Herstellen eines Substrat (110, 210), das Photoerfassungselemente (120) aufweist; und Bilden einer lichtdurchlässigen Infrarot-absorbierenden optischen Schicht an dem Substrat (110, 210), um sichtbares Licht auf die Photoerfassungselemente (120) durchzulassen.
Verfahren gemäß Anspruch 25, bei dem das Bilden der lichtdurchlässigen Infrarot-absorbierenden optischen Schicht ein Mischen eines Farbstoffs in ein Kunststoffharz und ein Formen der Mischung aus Farbstoff und Harz aufweist, solange dieselbe in einem flüssigen Zustand ist, um die lichtdurchlässige Infrarot-absorbierende optische Schicht an dem Substrat zu bilden.