光學元件陣列和包括該陣列的固態成像裝置制造方法

光學元件陣列和包括該陣列的固態成像裝置制造方法
【專利摘要】本申請公開了光學元件陣列和包括該陣列的固態成像裝置。一種光學元件陣列，包括沿第一方向和第二方向布置的多個光學元件。第一光學元件被包括在距光學元件陣列的中心第一距離的位置處。第一光學元件在第一位置處具有第一寬度、第一高度和第一曲率半徑以及在第二位置處具有第二寬度、第二高度和第二曲率半徑。第一寬度寬于第二寬度，第一高度高于第二高度，并且第一曲率半徑小于第二曲率半徑。第一位置和第二位置是沿單個方向取得的。
【專利說明】光學元件陣列和包括該陣列的固態成像裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及光學元件陣列以及包括光學元件陣列的固態成像裝置。

【背景技術】
[0002]諸如微透鏡陣列之類的光學元件陣列用在固態成像裝置和顯示設備中。日本專利申請早期公開N0.2007-335723公開了具有淚滴形狀的微透鏡，以及配備具有淚滴形狀的微透鏡的陣列的固態成像裝置，以用于高效地收集來自對角方向的入射光。從平面視圖看，具有淚滴形狀的微透鏡具有朝向固態成像裝置的外側逐漸變窄的曲線形狀，并且在外側的端部處具有頂點。
[0003]根據在日本專利申請早期公開N0.2007-335723中公開的微透鏡，從平面視圖看，微透鏡的面積占有率降低。入射到固態成像裝置中未設置微透鏡的部分上的光不被收集，這降低了面積占有率并且降低了所收集的光量。另外，根據在日本專利申請早期公開N0.2007-335723中公開的微透鏡，包括其中淚滴形狀的曲率半徑較小的部分，因此，存在光收集能力受到限制的可能性。


【發明內容】

[0004]根據本公開一個或多個實施例的一種光學元件陣列包括沿第一方向放置的多個第一光學元件，其中第一光學元件位于沿第一方向距其中放置所述多個光學元件的陣列區域的中心第一距離處。第一光學元件具有底面，所述底面與包括第一方向和與第一方向正交的第二方向的面一致。底面具有沿第二方向的、位于第一光學元件內的第一方向上的第一位置處第一寬度，以及比第一寬度窄的、沿第二方向的、位于比第一光學元件內的第一方向上的第一位置更遠離陣列區域的中心的第二位置處的第二寬度。第一光學元件具有第一曲率半徑和第一高度以及第二曲率半徑和第二高度，第一高度是當在第一位置處沿第二方向取第一橫截面時在第一橫截面內的最高點，第二曲率半徑大于第一曲率半徑，第二高度低于第一高度，第二高度是當在第二位置處沿第二方向取第二橫截面時在第二橫截面內的最聞點。
[0005]根據本公開其它實施例的一種光學元件陣列，包括沿第一方向布置的多個第一光學元件，其中第一光學元件位于沿第一方向距其中放置所述多個光學元件的陣列區域的中心第一距離處。第一光學元件具有在包括第一方向和與第一方向正交的第二方向的面中的底面。底面具有沿第二方向的位于第一光學元件內的第一方向上的第一位置處的第一寬度，以及比第一寬度窄的、沿第二方向的、位于比第一光學元件內的第一方向上的第一位置更遠離陣列區域的中心的第二位置處的第二寬度。第一光學元件具有第一高度，第一高度是當在第一位置處沿第二方向取第一橫截面時在第一橫截面內的最高點，以及第二高度，第二高度低于第一高度，第二高度是當在第二位置處沿第二方向取第二橫截面時在第二橫截面內的最高點。第二位置位于底面的外邊緣處。
[0006]本發明的更多特征將從參考所附附圖對示例性實施例的以下描述變得顯然。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1A和IB是描述根據第一實施例的光學元件陣列的平面示意圖。
[0008]圖2A是描述根據第一實施例的光學元件的平面示意圖。
[0009]圖2B和2C是描述根據第一實施例的光學元件的橫截面示意圖。
[0010]圖3A和3B是描述根據第一實施例的光學元件的平面示意圖。
[0011]圖3C和3D是描述根據第一實施例的光學元件的橫截面示意圖。
[0012]圖4A和4B是描述根據第一實施例的光學元件的平面示意圖。
[0013]圖4C和4D是描述根據第一實施例的光學元件的橫截面示意圖。
[0014]圖5是描述根據第一實施例的光學兀件的橫截面不意圖。
[0015]圖6A和6B是描述根據第二實施例的光學元件的平面示意圖。
[0016]圖7是描述根據第三實施例的光學元件的平面示意圖。
[0017]圖8A是描述根據第四實施例的光學元件陣列的橫截面示意圖。
[0018]圖SB是描述根據第四實施例的光學元件陣列的平面示意圖。
[0019]圖9A至9C是描述根據第四實施例的光學元件陣列的修改例的平面示意圖。
[0020]圖1OA至1E是描述根據第五實施例的光學元件陣列的平面示意圖。
[0021]圖11是描述根據第六實施例的光學元件陣列的平面示意圖。
[0022]圖12是描述根據第七實施例的固態成像裝置的橫截面示意圖。
具體實施例
[0023]將使用多個實施例來描述本公開的光學元件的配置。每個實施例可以被修改或被組合。光學元件陣列可以應用于固態成像裝置和顯示設備，以及應用于使用該固態成像裝置的成像系統和使用該顯示設備的顯示系統。
[0024]以下描述使用以中心O為基準的X軸方向(第一方向)，和Y軸方向(第二方向)，其中X軸方向也簡稱為“X軸”，Y軸方向也簡稱為“Y軸”，但本發明不限于此。例如，如圖1A和IB中所示的與X軸成Θ I角度傾斜的方向131可以指定為第一方向，而與方向131正交的方向可以指定為第二方向。即，從布置光學元件的區域(陣列區域)的中心向外周輻射的任意方向都可以指定為第一方向，并且與之正交的任意方向可以指定為第二方向。
[0025]第一實施例
[0026]將參考圖1至7來描述根據本實施例的光學元件陣列。圖1A是描述光學元件陣列100的平面示意圖。光學元件陣列100包括多個光學元件110。陣列區域120包括中心O并且是放置多個光學元件110的地方。這多個光學元件110在包括X軸和Y軸的面(平面)上按矩陣(兩個維度)布置，矩陣包括沿X軸的η列(η是自然數)和沿Y軸的m行(m是自然數)。沿一個方向(X軸)的這多個光學元件被放置在陣列區域120中，陣列區域120可以被設置為使得每個光學元件的中心位于表示單個方向的線上。在圖1A中圖示出每個光學元件110的坐標。之后，描述將關注第一光學元件111至第四光學元件114。
[0027]第一光學元件111至第四光學元件114是位于沿X軸的線130上的距中心O的一距離處的任意光學元件。光學元件被布置在該線上，按照從第二光學元件112到第一光學元件111、第三光學元件113然后到第四光學元件114的次序從陣列區域120的中心O到陣列區域120的外周(外邊緣)。相似的光學元件位于任何線131上，線131是繞中心O從線130旋轉角度Θ I的線。
[0028]第一光學元件111位于距陣列區域120的中心O的距離Dl (第一距離)處。第二光學元件112位于距陣列區域120的中心O的距離D2(第二距離)處。第三光學元件113位于距陣列區域120的中心O的距離D3(第三距離)處。第四光學元件114位于距陣列區域120的中心O的距離D4(第四距離)處。當測量距離時光學元件的位置是光學元件的中心沿X軸的位置。第二光學元件112的中心與陣列區域120的中心O處于相同位置，并且第二距離D2的距離為零。然而，陣列區域120的中心O和第二光學元件112的中心不是必須匹配。這些距離之間的關系可以表示為D2 = 0<D1<D3<D4。距陣列區域120的中心O的距離表示沿單個方向(X軸)從中心O到每個光學元件的中心的距離。
[0029]圖1B是圖1A中圖示出的光學元件陣列100的更具體的平面示意圖。
[0030]圖1B中的第二光學元件112具有球狀形狀并且包括在中心O處的頂點，如從平面視圖可見。頂點描述第二光學兀件112的最高點。第一光學兀件111、第三光學兀件113和第四光學元件114具有相同形狀，其不是球狀形狀，如從平面視圖可見。將使用第一光學元件111作為示例參考圖2A至2C來描述該形狀。
[0031]圖2A是第一光學元件111的平面示意圖，并且圖2B和2C是第一光學元件111的橫截面示意圖。
[0032]圖2A是圖示出第一光學元件111在包括X軸和Y軸的面中(或平面上)的底面(底表面)200的平面示意圖。底面200等于將第一光學元件111投影在包括X軸和Y軸的面上的圖像(正投影表示)的外邊緣。第一光學元件111具有沿X軸的第一長度LI和沿Y軸的第一長度LI，如能夠在底面200上看見的。
[0033]第一位置Pl到第六位置P6沿底面200中(光學元件中)中的X軸存在，它們按照從光學元件陣列的中心O到第三位置P3、第一位置P1、第六位置P6、第五位置P5、第二位置P2和第四位置P4的次序布置。
[0034]光學元件111的底面200的邊緣中，沿Y軸并且最靠近第一區域121的中心O的邊緣211設置在第三位置P3處。光學元件111的底面200的邊緣中，沿Y軸并且與第一區域121的中心O最遠的邊緣215設置在第四位置P4處。光學元件111的底面200的中心設置在第五位置P5處，第五位置P5是第三位置P3和第四位置P4之間的中央的位置。即，第四位置P4位于遠離第三位置P3第一長度LI處，并且第五位置P5位于遠離第三位置P3第一長度LI的一半(L1/2)處。第六位置P6表示光學元件111的頂點沿X軸的位置，這將在稍后描述。第一區域121是在陣列區域120中二維地設置的矩陣的一個晶格。一個光學元件被提供給一個晶格。
[0035]如圖2A中所示，底面200具有關于X軸成垂直線對稱的形狀，并且配置有外邊緣211到218。邊緣211是連接點201和208的直線，而邊緣212是連接點201和202的曲線。邊緣213是連接點202和203的直線，而邊緣214是連接點203和204的曲線。邊緣215是連接點204和205的直線，而邊緣216是連接點205和206的曲線。邊緣217是連接點206和207的直線，而邊緣218是連接點207和208的曲線。邊緣211是沿X軸的直線。邊緣213和217是沿Y軸的直線。邊緣212，214，216和218具有曲率，連接直線中的每條。
[0036]底面200具有關于X軸位于第一位置Pl處的沿Y軸的第一寬度Wl。底面200還具有位于X軸中的第二位置P2處的沿Y軸的第二寬度W2。底面200還具有分別位于第三位置P3和第四位置P4處的沿Y軸的第三寬度W3和第四寬度W4。這些寬度至少滿足如下關系=Wl大于W2。另外，優選它們滿足關系:W1>W2>W3>W4。關于圖2A，Wl = LI。
[0037]第一位置Pl可選地位于距第三位置P3的不大于第一長度LI的一半的距離處。第二位置P2可選地位于距第三位置P3至少為第一長度LI的一半的距離處。可選地，第一位置Pl可選地位于與第三位置P3更近的不大于第一長度LI的一半的距離處。第二位置P2可選地位于距第三位置P3為至少第一長度LI的一半的距離處。第一位置Pl和第二位置P2滿足如下關系:關于距中心O的距尚，Ρ2>Ρ1 ο
[0038]圖2B是圖2A中沿X軸的第一光學元件111的橫截面示意圖。在包括Z軸和X軸的面中，第一光學元件111被配置有在橫截面220內的外邊緣231到233。邊緣231是連接點221和222的直線。邊緣232是連接點222和223的曲線。邊緣233是連接點223和224的曲線。第一光學元件111具有位于第一位置Pl的第一高度H1、位于第二位置P2的第二高度H2和位于第六位置P6的第三高度H3。這些高度之間的關系是H3>H1>H2。第三高度H3是第一光學元件111的最高高度。S卩，點223，即第六位置P6，是第一光學元件111的頂點。第六位置P6是第一光學元件111的頂點，其比第五位置P5更靠近中心O。這里，頂點是在該橫截面內的最高位置。根據本實施例，第一光學元件111具有頂點，其不是必須是最高點。例如，從第一位置Pl到第五位置P5的高度H3可以具有頂點。
[0039]關于如圖2B中所示的第一光學元件111，邊緣232比邊緣233具有更小的曲率半徑。邊緣232可以比邊緣233具有更大的曲率半徑。根據該配置，輸入到邊緣233上的入射光由于強大的屈光能力而顯著彎曲，這增大光收集效率。曲率半徑可以根據光學元件的橫截面的任意點處的切線(tangent)確定。例如，可以在邊緣233沿X軸的中心點(第六位置P6和第四位置P4之間的中央)處獲得邊緣233的切線。可以從該切線的內切圓求得曲率半徑。另外，可以使用用于測量曲率半徑的其它典型方法來獲取每個曲率半徑。
[0040]圖2C圖示出第一光學元件111在如圖2A中的第一位置Pl和第二位置P2處的橫截面。橫截面241是第一光學元件111沿Y軸的位于圖2A中的第一位置Pl處的橫截面。橫截面242是第一光學元件111沿Y軸的位于圖2A中的第二位置P2處的橫截面。關于第一橫截面241,第一光學兀件111具有第一寬度Wl,和最高的第一高度Hl,其是第一橫截面241的頂點。該外邊緣在第一橫截面241中具有第一曲率半徑R1。關于第二橫截面242,第一光學元件111具有第二寬度W2，和最高的第二高度H2，其是第二橫截面242的頂點。本實施例具有這些頂點，但是它們不是必須在包含前述第一高度Hl和第二高度H2的部分中。
[0041]關于第二橫截面242，該外邊緣具有第二曲率半徑R2。這些曲率半徑之間的關系是R1〈R2。Rl可以大于或等于R2，但在此情況中，寬度W2減小，這減小面積占有率。在此情況中，光學元件的第二寬度W2可以配置圖2A中的外邊緣。通過具有包括位于與中心O最遠的位置處的第二寬度W2的邊緣來提高面積占有率，從而使得能夠收集更寬范圍的光。
[0042]如圖2A至2C中所示，第一光學元件111具有位于第一位置Pl處的第一寬度Wl、第一高度Hl和第一曲率半徑Rl，并具有位于第二位置P2處的第二寬度W2、第二高度H2，和第二曲率半徑R2。與現有技術相比，第一光學元件111能夠在具有高占有面積的同時維護高的光收集能力，這通過建立W1>W2，H1>H2，和R1〈R2的關系來提高光收集率。接著，將參考圖3A至3D和圖4A至4D來描述光收集率。
[0043]圖3A至3D是比較第一光學元件111和淚滴形光學元件311的示圖。圖3A是圖示出第一光學元件111的底面200的平面示意圖，并且圖3B是圖示出用于比較目的的光學元件311的底面300的平面示意圖。圖3C是第一光學元件111的橫截面示意圖，而圖3D是用于比較目的的光學元件311的橫截面示意圖。圖3A圖示出在圖2A中圖示出的相同第一光學元件111，因此，省略了其標號和詳細描述。第一區域121在圖3A至3D中被設置用于描述面積。第一區域121是正方形，其中一條邊緣具有第一長度LI，并且第一區域121也是限定每個光學元件的外邊緣的矩形。在圖3A至3D中，每個光學元件都設有第一區域121。第一光學元件111和光學元件311關于第一位置Pl具有等同的形狀。
[0044]如圖3B中所示，光學元件311具有底面300。底面300沿Y軸的寬度從第五位置P5朝向第四位置P4減小，終止于點312，其是第四位置P4。即，光學元件311的底面300具有比光學元件111的底面200小的面積。如前所述和根據本實施例，光學元件的正投影的圖像等于底面，因此光學元件111的面積大于光學元件311的面積。關于圖3A，區域341至344是關于第一區域121未被包括在底面200中的部分。關于圖3B，區域351至354是關于第一區域121未被包括在底面300中的部分。這些區域341至344和區域351至354未被包括在光學元件中，因此這些區域不收集光(無效區域)。如前所述，區域341至344的面積之和小于區域351至354的面積之和。
[0045]面積占有率是關于包括X軸和Y軸的面，提供給光學元件的面積與第一區域121的面積之比。如前所述，第一光學元件111的面積占有率大于用于比較目的的光學元件311的面積占有率。具體地，第一光學元件111的面積占有率約91 %，而用于比較目的的光學元件311的面積占有率約73%。如果入射在第一區域121上的所有光為100%，則相比于能夠收集的，存在略少于20%的光量差。相比于現有技術的配置，第一光學元件111具有更高的面積占有率，使能更高的光收集率。
[0046]圖3C是圖示出第一光學元件111在圖3A中的第二位置P2處沿Y軸的橫截面351的橫截面示圖。圖3D是圖示出用于比較目的的光學元件311在圖3B的第二位置P2處沿Y軸的橫截面352的橫截面示圖。在圖3C和3D中提供與底面等距離的虛擬入射面361以圖示出每個光學元件的光行為。等同的光380和381入射到任一光學元件上。光學元件111在第二位置P2處具有寬度W2，并且具有比第一位置Pl處的第一曲率半徑Rl大的第二曲率半徑R2，因此光學元件111的光收集能力不顯著。因此，光學元件111收集光381中的大多數，并且入射面361能夠在適當位置處收集集聚光382。相反，光學元件311具有在第二位置P2處更窄的寬度W302，因此具有較小的曲率半徑。因此，光學元件311只能收集光381中的一部分。另外，由于曲率半徑小，在光學兀件311中發生顯著的折射,并且光383由于入射面361的大角度而雜散。相比于這種方式的現有技術的配置，光學元件111的形狀提聞了光收集能力和面積占有率，從而提聞了光收集率。
[0047]接著，將使用圖4A至4D來比較第一光學元件111和半球形透鏡411,半球形透鏡411是現有技術的不同配置。圖4A是圖示出第一光學元件111的底面200的平面示意圖，而圖4B是圖示出用于比較目的的光學元件411的底面400的平面示意圖。圖4C是第一光學元件111的橫截面示意圖，而圖4D是用于比較目的的光學元件411的橫截面示意圖。
[0048]圖4A和4C圖示出在圖2A和2B中圖示出的同樣的第一光學元件111，因此，省略其標號和詳細描述。在圖4A至4D中，具有相同面積的第一區域121被提供給每個光學元件。
[0049]如圖4B中所示，光學元件411具有底面400。底面400是半徑為第一長度LI的一半(L1/2)的圓。如圖4B中所示，光學元件411的頂點位于第五位置P5，第五位置P5是第一區域121的中心。
[0050]圖4C是圖示出光學元件111如圖4A中沿X軸的橫截面451的橫截面示意圖。圖4D是圖示出光學元件411如圖4B中沿X軸的橫截面452的橫截面示意圖。兩個光學元件的頂點的高度都是第三高度H3。在圖4C和4D中提供與底面等距的虛擬入射面461來圖示出每個光學元件的光行為。相對于光學元件的光接收面的法線具有角度Θ 2的對角光481被照射到這兩個光學元件上。
[0051]輸入到光學元件411的入射光481，例如，被收集為光483，光483包括相對于光481具有角度Θ4的光。相反，輸入到光學元件111的入射光481，例如，被收集作為光482，光482包括相對于光481具有角度Θ 3的光，角度Θ 3大于角度Θ 4。如具有由第六位置P6示出的邊界的橫截面451所示,光學元件111在具有逐漸改變的斜率的每個邊緣處不同地折射光。根據本實施例，第一位置Pl處的曲率半徑小于第二位置P2處的曲率半徑。當與光學元件411比較時，在第四位置P4附近的位置處，光學元件111能夠通過將對角入射光(角度Θ 2)改變成沿Z軸的光(角度Θ 3)來更高效地收集對角入射光。當角度Θ 2在20到40度之間時，使用第一光學元件111時的像素靈敏度相比于光學元件411增大10到20%。
[0052]與現有技術相比，這樣的第一光學元件111在具有高占有面積的同時保持高的光收集能力，從而使能高的光收集率。因此，通過提供遠離陣列區域120的中心O第一距離Dl的至少一個第一光學元件111，能夠提供具有高的光收集率的光學元件陣列。
[0053]第二位置P2還可以是第四位置P4，只要滿足之前描述的條件。即，邊緣215可以具有第二寬度W2。這相比于之前描述的形狀使能更高的面積占有率。
[0054]光學元件的頂點可以處于第一位置Pl。即，第六位置P6可以處于與第一位置Pl相同的位置。根據本實施例，第一位置Pl的第一寬度Wl是最寬寬度。然而,具有最寬寬度的位置可以不同，并且優選在第五位置P5和第二位置P2之間。可以通過在這樣的位置具有最寬寬度來進一步提聞面積占有率。
[0055]根據本實施例，第一區域121被表示為具有正方形形狀。然而，從平面視圖看，第一區域121可以是其中外邊緣限定光學元件的矩形，并且該矩形形狀可以具有第一長度LI的邊緣。多個光學元件可以布置在至少一個維度上。第三位置P3處的第三寬度W3可以等于LI。
[0056]根據本實施例，第一長度LI是至少0.5 μ m并且不大于50 μ m。第一寬度Wl和第二寬度W2是至少0.5 μ m并且不大于50 μ m,并且第一寬度Wl和第二寬度W2之間的比在0.05和0.99之間的范圍內。該范圍優選在0.2和0.8之間。第一高度Hl和第二高度H2為至少0.1ym并且不大于5.0 μ m。第一曲率半徑Rl的值由第一高度Hl和第一寬度Wl確定。第二曲率半徑R2的值由第二高度H2和第二寬度W2確定。這些值一般至少是0.25 μ m并且不大于100 μ m。因此，第一光學元件的寬度、高度和曲率半徑應當被設置為使得面積占有率為至少80 %。關于固態成像裝置，如果第一光學元件的面積占有率小于80%，則不被收集的光量將至少為20%，這產生圍繞圖像的周邊的顯著陰影的問題。
[0057]根據本實施例的第一光學元件,例如，能夠具有使用光刻(photolithography)技術的形狀。在該情況中，通過在使用能夠獲取從關于第一光學元件的形狀的設計數據獲得的透射率的灰階掩模或面積灰度掩模的曝光裝置中曝光和顯影光刻膠，可以獲得期望的光學元件。
[0058]將參考圖5來描述制造后的第一光學元件。圖5是圖示出橫截面541的橫截面示意圖，橫截面541對應于圖2C中的橫截面241。在圖5中，配置與圖2C中的配置相同，因此具有相同標號，并且省略這樣的描述。光學兀件111具有在與底面200連接的部分中向底面200延伸的部分501。連接底面200的這部分的擴展可能在任何部分中發生。在測量第一寬度W1、第二寬度W2等時，優選通過采用在具有第三高度H3的I %的高度的點(X軸位置)處的與底面200平行的橫截面500來進行測量，其中第三高度H3是第一光學元件111的最高點。在連接相鄰光學元件時，測量此連接處點的長度和寬度。
[0059]第二實施例
[0060]根據本實施例的第一光學元件611具有根據第一實施例的第一光學元件111的底面200的修改版本。圖6A和6B是對應于圖2A的平面示意圖。對于相同配置的各個部分，省略標號和描述。圖6A和6B是圖不出相同光學兀件611的平面不意圖。光學兀件611具有底面600。底面600不具有與邊緣211和215對應的邊緣，邊緣211和215被包括在圖2A中的光學元件111的底面200中。
[0061]如圖6A中所示，底面600的外邊緣具有彎曲邊緣621，其從點601連接到602，通過第三位置P3。底面600在第三位置P3處具有第三曲率半徑R3。第三曲率半徑R3至少是第一長度LI的一半，S卩，具有如下關系:R3> (L1/2)。面積占有率可以利用具有這樣的曲率半徑的形狀來提高。如圖6B中所示，底面600的外邊緣具有彎曲邊緣622，其從點603連接到點604，通過第四位置P4。底面600在第四位置P4處具有第四曲率半徑R4。第四曲率半徑R4至少是第一長度LI的一半，S卩，具有如下關系:R4彡(L1/2)。沿Y軸的寬度由于具有這樣的曲率半徑的形狀而增大，其提高面積占有率。當沿Y軸的寬度增大時，沿Y軸的橫截面中的曲率半徑也增大，這會減少由于曲率半徑太小，即，折射角太大，而引起的雜散光的發生。
[0062]本實施例呈現了其中底面的兩個位置處的曲率半徑至少為L1/2的配置，但底面的這些位置中的僅一個處的曲率半徑需要是至少L1/2。
[0063]第三實施例
[0064]根據本實施例的第一光學元件711具有根據第一實施例的第一光學元件111的底面200的修改版本。圖7A是對應于圖2A的平面示意圖。對于相同的配置的各個部分，省略標號和描述。
[0065]圖7中的光學元件711具有底面700。在X軸中光學元件711的中心位于第五位置P5。然而，在X軸中底面700端部在位置P71和位置P72之間。對應于圖2A中的邊緣211的邊緣711位于位置P71而不是第三位置P3，并且對應于圖2A中的邊緣215的邊緣715位于位置P72而不是第四位置P4。即，在X軸中光學元件711的長度短于第一長度LI。SP，在相鄰光學元件之間存在間隙。在此情況中，關于限定光學元件的第一區域121’的面積占有率相比于根據現有技術的光學元件能夠被增大。通過調節相鄰光學元件之間的間隙的寬度，可以容易地執行瞳孔校正以及簡化相鄰光學元件之間的制造過程。間隙的寬度不大于有關光學元件的X軸長度的L1/2，并且具體地，優選不大于L1/4。
[0066]在圖7中，邊緣721的切線731與邊緣722的切線732的交點位于位置P70，其中邊緣721是從點701連接到點702的曲線，邊緣722是從點703連接到點704的曲線，位置P70比位置P72更遠離中心O。具有高面積占有率的光學元件具有這樣的切線交點。
[0067]本實施例呈現了其中光學元件711在X軸中具有間隙的形狀，但該形狀可以在Y軸中具有間隙，或該形狀可以在X軸和Y軸中都具有間隙。
[0068]光學元件與相鄰光學元件之間的邊界，例如，可以位于X軸中光學元件的長度的中心與相鄰光學元件的長度的中心之間。在Y軸中可以同樣如此，并且也可以以相同方式規定其它方向。光學元件的外邊緣，例如，在遵循X軸的橫截面處與相鄰光學元件的外邊緣接觸，并且可以從一點獲得，在該點中，光學元件的外邊緣的切線的斜率在沿X軸的橫截面中變為零。例如，通過獲得在光學元件的外邊緣的斜率變為零的兩點處的在X軸中的位置的距離，可以獲得在X軸中的光學元件的長度。當光學元件與相鄰光學元件接觸時，可以以同樣的方式獲得它。
[0069]第四實施例
[0070]本實施例描述了其中圖1A和IB中的第三光學元件113和第四光學元件114的形狀不同于第一光學元件111的情況。第一光學元件811具有與圖2B中的第一光學元件111相同的結構。圖8A是圖示出分別對應于圖2B中的橫截面的橫截面831至834的第一光學元件811至第四光學元件814的橫截面示意圖。如由橫截面831至834所示出的，第一光學元件811至第四光學元件814全都具有不同形狀。第一光學元件811至第四光學元件814各自具有相等的第三高度H3和第一長度LI。
[0071]第一光學元件811至第四光學元件814的頂點的位置不同。第一光學元件811的頂點是第六位置P6，第二光學元件812的頂點是第五位置P5，第三光學元件的頂點是位置P83，而第四光學元件814的頂點是位置P84。此時，頂點的位置與作為在X軸中的每個光學元件中心的第五位置P5的位置在第二光學元件812中隔開距離D82 (未示出)，并且在第一光學元件811中隔開距離D81(第四距離)。頂點的位置與距離作為在X軸中的每個光學元件中心的第五位置P5在第三光學元件813中隔開距離D83 (第五距離)，并且在第四光學元件814中隔開距離D84。距離D82為零。距離具有如下關系D82 = 0<D81<D83<D84。即，位于距陣列區域的中心O更遠位置處的光學元件具有在X軸中的距光學元件的中心更遠的位置處提供的頂點。通過將光學元件陣列中的每個光學元件的頂點的位置從中心O朝向外邊緣改變，可以抑制陣列區域中的光收集率的變化(在陣列區域的外周處收集的光量的減小)。
[0072]如圖8B中所示，陣列區域120優選被配置為包括多個分區821至826。這多個分區各自具有為平面視圖中的矩形形狀的帶狀，并且包括設有第一光學元件811的第一分區821和設有第二光學元件812并且比第一分區821的位置更靠近陣列區域120的中心O的第二分區822。多個第一光學元件811被設置在第一分區821中，并且多個第二光學元件812被設置在第二分區822中。還可以包括比第一分區821更遠離中心O的第三分區823和第四分區824。多個第三光學元件813被設置在第三分區823中，并且多個第四光學元件814被設置在第四分區824中。具有等同形狀的光學元件被設置在每個對應的分區中，這相比于為所有光學元件改變形狀的情況，簡化了設計。
[0073]將利用將光學元件陣列應用于固態成像裝置的情況作為示例來描述提供多個分區的方法。一般而言，較小數目的分區簡化光學元件陣列的設計。然而，當分區的數目小時，在相鄰分區中設置的光學元件的形狀之間的差異增大。形狀中的差異例如，可以產生分區邊界處的光收集率的差異，這會導致固態成像裝置中的像素靈敏度的差異和圖像中的亮度的差異。有必要減小在相鄰分區中設置的光學元件形狀的差異來減小亮度差異。體積上的差異優選保持在相鄰光學元件的體積的95%到105%的范圍內。因此優選調節分區的數目來使得體積上的差異不大于±5%。
[0074]分區的形狀可以按照需要設置，諸如通過改變如本實施例所呈現的每個分區的X軸的長度。具體而言，當看著X軸時，第一分區821的長度短于第二分區822，但是長于第三分區823。第三分區823的長度長于第四分區824的長度。然而，每個分區的長度可以相同。這里，長度表示沿X軸從第一分區821和第二分區822之間的邊界到第一分區821和第三分區823之間的邊界的長度。
[0075]如圖9A中所示，陣列區域120還可以分割成例如晶格形狀，并且每個分區901的大小可以按照需要設置。在圖9A的情況中，分區901越靠近中心0，分區901的面積增大越多。利用這樣的形狀，可以減小光收集率的變化。
[0076]如圖9B中所示，可以針對中心O的中心設置具有同心形狀的分區并且隨后可以利用從中心O放射狀擴展的分區902來分割陣列。具有同心形狀的多個分區共有中心0，并且不共有外圓周。外圓周中的一個外圓周在外圓周中的另一個外圓周內。如圖9C中所示，可以設置以中心O為中心的具有多邊形形狀的分區，隨后可以利用從中心O放射狀擴展的分區903來分割陣列。
[0077]關于圖9A至9C中所示的情況，分區的長度是指關于某分區的邊界的沿某一軸的、在該分區和相鄰分區的邊界與該分區和另一相鄰分區的邊界之間的長度。
[0078]第五實施例
[0079]本實施例涉及根據第四實施例的分區的邊界。圖1OA至1E是多個分區之間的邊界的擴展平面示意圖。
[0080]圖1OA至1D圖示出兩個分區之間的邊界。圖1OA圖示出分區1001和分區1002之間的邊界，并且該邊界用直線1031表示。相反，圖1OB圖示出分區1003和分區1004之間的邊界，并且邊界用z字線1032表示。通過設計這樣的配置，相比于圖1OA中的情況，可以減小由于與相鄰部分具有不同形狀的光學元件之間的光收集率的差異引起的圖像電平的差異。
[0081]圖1OC圖示出分區1005和分區1006之間的邊界，并且該邊界由不規則的z字線1033表示。通過使用這樣的沒有規則的形狀，相比于圖1OB中的情況，可以減小由于與相鄰部分具有不同形狀的光學元件之間的光收集效率的差異引起的圖像電平的差異。
[0082]圖1OD圖示出分區1007和分區1008之間的邊界，并且該邊界由直線1034表示。然而，分區1007和1008兩者都具有包括線1034的緩沖區域1020。緩沖區域1020部分包含在其它分區中使用的光學元件類型。例如，分區1008中的光學元件1014被設置在分區1007中，而分區1007的光學元件1042被設置在分區1008中。以這種方式，通過在邊界處在分區之間切換光學元件中的若干光學元件，可以減小由于與相鄰部分具有不同形狀的光學元件之間的光收集率的差異引起的圖像電平的差異。
[0083]圖1OE圖示出圖9B中的邊界區域910的擴展示圖。四個分區1009至1012之間的邊界區域910的邊界由z字線1035至1038表示。如圖1OE中所示，四個分區1009至1012連接的點可以被設置為使得兩個分區1010和1012位于兩個分區1009和1011之間。
[0084]第六實施例
[0085]將參考圖11來描述根據本實施例的光學元件陣列。本實施例是區別這多個光學元件的形狀的與第四實施例不同的方法。圖11是第一光學元件1111、第三光學元件1113和第四光學元件1114的平面示意圖。第二光學元件與第四實施例的第二光學元件類似，并且因此省略其標號和描述。
[0086]第一光學元件1111具有重心為Gl的底面1131。第三光學元件1113具有重心為G3的底面1133。第四光學元件1114具有重心為G4的底面1134。重心Gl位于點P111，重心G3位于點Pl 13，而重心G4位于點Pl 14。這些點和作為光學元件的中心的第五位置P5之間的距離用距離D1151，D1153至D1154表示，并且這些距離具有如下關系:D1151〈D1153〈D1154。具有這樣的光學元件配置的光學元件陣列使得能夠減小陣列區域之間的光收集率的變化。
[0087]第七實施例
[0088]根據本實施例，將參考圖12來描述其中之前描述的光學元件陣列被應用于固態成像裝置的情況。根據本實施例的，固態成像裝置是CMOS傳感器。
[0089]固態成像裝置1200包括半導體部分1280和設置在半導體部分1280上的光學元件陣列1270。光學元件陣列1270包括多個光學元件。圖12圖示出第一光學元件1211、第三光學元件1213和第四光學元件1214。第二光學元件與其它實施例中的第二光學元件相似，因此省略其標號和描述。
[0090]半導體部分1280具有多個像素，這多個像素被布置為使得每個像素對應于這多個光學元件中的每個。圖12圖示出對應于第一光學元件1211的第一像素1291，對應于第三光學元件1213的第三像素1293，和對應于第四光學元件1214的第四像素1294。每個光學元件和每個像素的長度等于第一長度LI。即，這多個光學元件之間的間隔和這多個像素之間的間隔相同。因此，在圖12中，每個像素與每個光學元件是一一對應的。
[0091]半導體部分1280上的每個像素具有提供給半導體基板1281的光電轉換元件。光電轉換元件具有例如，N型半導體區域1282，其能夠保持提供給P型半導體區域的電荷。在半導體基板1281上設置多個布線層1284和絕緣層1283，絕緣層1283由在每個布線層之間提供的絕緣材料制成。在絕緣層1283上提供保護層1285和平坦化層1286。例如，半導體基板1281由硅制成，絕緣層1283由硅氧化物制成，而這多個布線層1284由諸如銅作為主要材料的導電材料制成。例如，保護層1285由硅氮化物制成，而平坦化層1286由有機材料制成。在每個布線層與半導體基板1281之間提供晶體管電路、元件隔離器、插頭等，但是在圖12中沒有示出這些，因為那些元件對于本領域普通技術人員是公知的。
[0092]關于根據本實施例的光學元件陣列，每個光學元件的中心的第五位置P5對應于每個像素的中心的位置而變化。每個像素的中心的位置由在半導體區域1282的面上示出的位置P12表示。例如，第一光學元件1211對于第一像素1291從中心O改變距離1201。第三光學元件1213對于第三像素1293從中心O改變距離1203。第四光學元件1214對于第四像素1294從中心O改變距離1204。以這種方式，通過沿著中心O的方向關于中心O改變光學元件的位置，可以減小由于應用到固態成像裝置而可能發生的光收集率的變化(陰影)。
[0093]表示每個光學元件和對應像素之間的變化量的距離D1201、D1203和D1204具有如下關系:D1201〈D1203〈D1204。以這種方式，通過增大處于遠離中心O的位置的光學元件與對應像素之間的變化量，可以進一步減小陰影。
[0094]當改變多個光學元件的中心與這多個像素的中心之間的位置關系時，這多個光學元件之前的間隔可以不同于這多個像素之間的間隔。光學元件的中心例如是光學元件沿X軸的長度的中心以及光學元件沿Y軸的寬度的中心。像素的中心是例如以重復的單位提供的區域的沿X軸的中心和沿Y軸的中心。例如，這多個光學元件沿X軸的大小和像素的大小可以改變。每個光學元件沿X軸的大小，例如，也可以不同。以這種方式，光學元件的大小和位置可以按照需要設置以減小陣列區域的光收集率中的變化。
[0095]根據本實施例，固態成像裝置是CMOS傳感器，但也可以是CXD傳感器、背光型傳感器或具有帶濾色鏡的形狀或帶波導的形狀的傳感器。
[0096]根據本實施例的固態成像裝置通常被包括在諸如相機之類的成像系統中。成像系統的概念不限于主要意圖用于拍攝圖像的設備，并且也包括配備有補充拍攝功能的設備(例如個人計算機或移動設備)。成像系統包括與用前述實施例圖示出的本發明有關的固態成像裝置和用于處理從固態成像裝置輸出的信號的信號處理單元。該信號處理單元包括已知的電子電路系統，例如A/D (模數)轉換器和可操作地連接到存儲用于處理從A/D轉換器輸出的數字數據的指令的存儲器的一個或多個處理器(多核)的中央處理單元(CPU)。
[0097]盡管已經參考示例性實施例描述了本發明，但是應當理解，本發明不限于所公開的示例性實施例。以下權利要求書的范圍依照最廣泛的解釋，以便涵蓋所有這樣的修改例和等同結構和功能。
【權利要求】
1.一種光學元件陣列包括: 多個光學元件， 其中所述多個光學元件包括第一光學元件，第一光學元件沿第一方向布置并且位于沿第一方向距其中放置所述多個光學元件的陣列區域的中心第一距離處， 其中第一光學元件具有底面，所述底面與包括第一方向和與第一方向正交的第二方向的面一致， 其中，底面具有 沿第二方向的、位于第一光學元件內的第一方向上的第一位置處的第一寬度，以及比第一寬度窄的、沿第二方向的、比位于第一光學元件內的第一方向上的第一位置更遠離陣列區域的中心的第二位置處的第二寬度， 并且其中第一光學元件具有 第一曲率半徑和第一高度，第一高度是當在第一位置處沿第二方向取第一橫截面時在第一橫截面內的最高點，以及 第二曲率半徑和第二高度，第二曲率半徑大于第一曲率半徑，第二高度低于第一高度，第二高度是當在第二位置處沿第二方向取第二橫截面時在第二橫截面內的最高點。
2.如權利要求1所述的光學元件陣列， 其中在第一方向上，第一光學元件具有第一長度， 并且其中在第一方向上，第一光學元件的最靠近陣列區域的中心的部分位于第三位置處，并且第一光學元件的最遠離陣列區域的中心的部分位于第四位置處。
3.如權利要求2所述的光學元件陣列，其中 在第一方向上，第一位置更靠近第三位置并距離第三位置小于第一長度的一半，而第二位置距離第三位置至少為第一長度的一半，或 在第一方向上，第一位置距離第三位置小于第一長度的一半，并且第二位置距離第三位置至少為第一長度的一半。
4.如權利要求2所述的光學元件陣列， 其中在第一方向上，底面具有位于第五位置處的寬度，該寬度是沿第二方向的最寬寬度， 并且其中在第一方向上，第五位置距離第三位置至少為第一長度的一半，并且在第一位置和第二位置之間。
5.如權利要求2所述的光學元件陣列， 其中底面具有第三曲率半徑，第三曲率半徑大于第一長度的一半并且位于第三位置處。
6.如權利要求3所述的光學元件陣列，其中底面具有第四曲率半徑，第四曲率半徑大于第一長度的一半并且關于包括第一方向和第二方向的面位于第四位置處。
7.如權利要求1所述的光學元件陣列， 其中底面具有圍繞底面的外周的矩形的面積的至少80%的面積。
8.如權利要求1所述的光學元件陣列， 其中所述多個光學元件包括第二光學元件，第二光學元件沿第一方向位于比第一距離更靠近陣列區域的中心的第二距離處。 其中第二光學元件具有在包括第一方向和第二方向的面內的底面， 并且其中第二光學元件在第一方向上的第二光學元件的底面的中心處具有最高高度。
9.如權利要求8所述的光學元件陣列， 其中陣列區域被配置為在包括第一方向和第二方向的面中包括多個分區， 并且其中所述多個分區包括設有多個第一光學元件的第一分區，和設有多個第二光學元件并且位于比第一分區更靠近陣列區域的中心的位置處的第二分區。
10.如權利要求9所述的光學元件陣列， 其中第一分區和第二分區被布置為使得關于包括第一方向和第二方向的面，第一分區的第一方向上的長度短于第二分區的第一方向上的長度。
11.如權利要求9所述的光學元件陣列， 其中第一分區和第二分區在包括第一方向和第二方向的面中具有同心形狀。
12.如權利要求9所述的光學元件陣列， 其中第一分區和第二分區在包括第一方向和第二方向的面中具有帶狀。
13.如權利要求9所述的光學元件陣列， 其中第一分區和第二分區在包括第一方向和第二方向的面中具有在第一分區和第二分區之間的邊界處的緩沖區域， 并且其中緩沖區域設有第一光學元件和第二光學元件。
14.如權利要求8所述的光學元件陣列， 其中第一光學元件和第二光學元件的體積之比在95%到105%的范圍內。
15.如權利要求2所述的光學元件陣列， 其中所述多個光學元件包括第三光學元件，第三光學元件位于沿第一方向比第一距離更遠離陣列區域的中心的第三距離處， 其中第一光學元件具有位于在第一方向上距離第一光學元件的底面的中心第四距離處的頂點， 其中第三光學元件具有在包括第一方向和第二方向的面中的底面， 并且其中第三光學元件具有在第一方向上距第三光學元件的底面的中心大于第四距離的第五距離處的頂點。
16.如權利要求15所述的光學兀件陣列， 其中陣列區域被配置為包括多個分區， 并且其中所述多個分區包括設有多個第一光學元件的第一分區，和設有多個第三光學元件的并且位于比第一分區更遠離陣列區域的中心的位置處的第三分區。
17.如權利要求1所述的光學元件陣列， 其中，進一步地，所述多個光學元件被放置在第二方向上。
18.一種光學元件陣列包括: 多個光學元件， 其中所述多個光學元件包括第一光學元件，第一光學元件沿第一方向布置并且位于沿第一方向距其中放置所述多個光學元件的陣列區域的中心第一距離處， 其中第一光學元件具有在包括第一方向和與第一方向正交的第二方向的面中的底面， 其中底面具有 沿第二方向的位于第一光學元件內的第一方向上的第一位置處的第一寬度，以及比第一寬度窄的、沿第二方向的、比位于第一光學元件內的第一方向上的第一位置更遠離陣列區域的中心的第二位置處的第二寬度， 其中第一光學元件具有 第一高度，第一高度是當在第一位置處沿第二方向取第一橫截面時在第一橫截面內的最聞點，以及 第二高度，第二高度位于第二位置處，第二高度低于第一高度，第二高度是當在第二位置處沿第二方向取第二橫截面時在第二橫截面內的最高點， 并且其中第二位置位于底面的外邊緣處。
19.如權利要求18所述的光學元件陣列，其中第一光學元件具有第一方向上的第一長度， 并且其中第一光學元件的最靠近陣列區域的中心的部分位于第一方向上的第三位置處，并且第一光學元件的最遠離陣列區域的中心的部分位于第四位置處。
20.如權利要求19所述的光學元件陣列，其中 在第一方向上，第一位置更靠近第三位置并距離第三位置小于第一長度的一半，而第二位置距離第三位置至少為第一長度的一半，或 在第一方向上，第一位置距離第三位置小于第一長度的一半，并且第二位置距離第三位置至少為第一長度的一半。
21.一種固態成像裝置包括: 如權利要求1至20中任一項所述的光學元件陣列；以及 多個像素，所述多個像素被設置為使得每個像素對應于所述多個光學元件中的每個。
22.如權利要求21所述的固態成像裝置， 其中所述多個光學元件的中心之間的間隔和所述多個像素的中心之間的間隔在第一方向上相等。
23.如權利要求21所述的固態成像裝置， 其中所述多個光學元件的中心之間的間隔和所述多個像素的中心之間的間隔在第一方向上不同。
【文檔編號】G02B3/00GK104252013SQ201410299663
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年6月27日 優先權日:2013年6月28日
【發明者】川端一成, 伊庭潤, 和田全平 申請人:佳能株式會社