查看引用/信息源請點擊：映維網(wǎng)Nweon

增加光吸收效率以改善圖像傳感器的性能

（映維網(wǎng)Nweon?2022年08月30日）圖像傳感器中的典型像素包括光電二極管，用于通過將光子轉(zhuǎn)換為電荷來感測入射光。入射光可以包括用于不同應(yīng)用的不同波長范圍的分量，例如2D和3D傳感。

另外，為了減少圖像失真，可以執(zhí)行全局快門操作，其中光電二極管陣列的每個光電二極管在全局曝光周期中同時感測入射光以產(chǎn)生電荷。電荷可以由電荷感測單元轉(zhuǎn)換成電壓。像素單元陣列可以基于由電荷感測單元轉(zhuǎn)換的電壓測量入射光的不同分量，并提供用于生成場景的2D和3D圖像的測量結(jié)果。

圖像傳感器可以基于不同波長范圍的光來執(zhí)行2D和3D傳感。例如，可見光可用于2D傳感，而不可見光（例如紅外光）可用于3D傳感。圖像傳感器可以包括濾光器陣列，以允許不同光學(xué)波長范圍和顏色的可見光到達(dá)被分配用于2D傳感的第一組像素單元，并且允許不可見光到達(dá)分配用于3D傳感的第二組像素單元。

為了執(zhí)行2D感測，像素單元處的光電二極管可以以與入射到像素單元上的可見光分量的強(qiáng)度成比例的速率產(chǎn)生電荷，并且在曝光時段中累積的電荷量可以用于表示可見光的強(qiáng)度。電荷可以暫時存儲在光電二極管處，然后轉(zhuǎn)移到電容器以產(chǎn)生電壓。

電壓可以由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣和量化，以生成與可見光強(qiáng)度相對應(yīng)的輸出?？梢曰趤碜员慌渲脼楦袦y可見光的不同顏色分量的多個像素單元的輸出來生成圖像像素值。

同時，為了執(zhí)行基于主動照明的3D傳感，可以將不同波長范圍的光投射到對象之上，并且可以通過像素單元檢測反射光。光可以包括結(jié)構(gòu)光、光脈沖等。像素單元輸出可以用于基于例如檢測反射的結(jié)構(gòu)光的圖案、測量光脈沖的飛行時間來執(zhí)行深度感測操作。

為了檢測反射的結(jié)構(gòu)光的圖案，可以確定在曝光時間期間由像素單元生成的電荷量的分布，并且可以基于與電荷量相對應(yīng)的電壓生成像素值。對于飛行時間測量，可以確定在像素單元的光電二極管處產(chǎn)生電荷的定時，以表示在像素單元處接收反射光脈沖的時間。當(dāng)光脈沖被投射到物體時和當(dāng)反射光脈沖在像素單元處被接收時之間的時間差可以用于提供飛行時間測量。

實現(xiàn)圖像傳感器的一個挑戰(zhàn)是如何令光電二極管有效地吸收光以產(chǎn)生電荷。低吸收效率意味著光電二極管將需要暴露于較高強(qiáng)度的光以產(chǎn)生一定量的電荷，這會降低信噪比（SNR）。具體而言，圖像傳感器的輸出通常包括歸因于來自光電二極管的檢測光的信號分量，以及歸因于由圖像傳感器的其他部件引入的噪點分量。

如果吸收效率低，并且如果檢測到的光具有低強(qiáng)度，則圖像傳感器的輸出可能包括相對于歸因于檢測到的信號的信號分量的大噪點分量，并且信號分量可能變得與噪點分量不可區(qū)分。因此，圖像傳感器在測量低強(qiáng)度光時的性能可能變差。

在名為“Multi-spectral image sensor”的專利申請中，Meta提出了一種多光譜圖像傳感器，它可以增加吸收效率以改善圖像傳感器的性能。

在一個實施例中，圖像傳感器可以包括像素單元陣列。每個像素單元可以包括形成在半導(dǎo)體襯底的光敏區(qū)域中的多個光電二極管，并且可以包括第一光電二極管和第二光電二極管，第一光電二極管沿著第一軸定位為與第二光電二極體相鄰。每個光電二極管可以對應(yīng)于像素單元的子像素。

每個像素單元同時包括沿著垂直于第一軸的第二軸的第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)。圖像傳感器同時包括沿著第二軸定位在第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)上方的一個或多個微透鏡，從而使得微透鏡、光學(xué)結(jié)構(gòu)和光電二極管沿著第二軸線形成堆疊。一個或多個微透鏡可以收集光并將光引導(dǎo)到每個像素單元的第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)。然后，每個像素單元的第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)可以將光分別引導(dǎo)到像素單元的第二光電二極管和第一光電二極管。

像素單元可以包括含有第一濾光器和第二濾光器的濾光器層，其中第一濾光器沿著第一軸與第二濾光器相鄰定位。濾光器層可以定位在微透鏡與第一和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)之間。第一濾光器可以選擇性地將光的第一分量傳遞到第一光學(xué)結(jié)構(gòu)，然后第一光學(xué)結(jié)構(gòu)可以將光的第二分量引導(dǎo)到第一光電二極管。第二濾光器可以選擇性地將光的第二分量傳遞到第二光學(xué)結(jié)構(gòu)，然后第二光學(xué)機(jī)構(gòu)可以將光的第一分量引導(dǎo)到第二光電二極管。

第一光分量可以與第一波長（例如可見光）相關(guān)聯(lián)并且是第一光電二極管的第一帶內(nèi)光分量，而第二光分量可以和第二波長（例如紅外或近紅外）相關(guān)聯(lián)并且可以是第二光電二極管的第二帶內(nèi)光成分。

第一光電二極管可以將光的第一分量轉(zhuǎn)換為第一電荷，而第二光電二極管可以把光的第二分量轉(zhuǎn)換為第二電荷。在穿過濾波器層之后，第一分量和第二分量可以分別沿著垂直軸朝向第一光電二極管和第二光電二極管傳播。

第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)具有不同的光學(xué)特性，其中第一光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性基于第一波長配置，第二光學(xué)構(gòu)造的光學(xué)特性根據(jù)第二波長配置。光學(xué)特性使得光學(xué)結(jié)構(gòu)能夠基于其波長選擇性地引導(dǎo)帶內(nèi)光分量遠(yuǎn)離垂直軸，并朝向相應(yīng)光電二極管的側(cè)壁。帶內(nèi)光分量可以從側(cè)壁反射，并且可以在光電二極管內(nèi)經(jīng)歷額外的內(nèi)部反射。

由于反射，可以延長光電二極管內(nèi)帶內(nèi)光的傳播路徑，這可以提高光電二極管對帶內(nèi)光分量的吸收效率。同時，已經(jīng)被濾光器層基本上衰減的帶外光分量可以經(jīng)歷從光學(xué)結(jié)構(gòu)的較小程度的轉(zhuǎn)向，并且在光電二極管內(nèi)經(jīng)歷較少的反射，這可以進(jìn)一步縮短傳播路徑并降低光電二極管對帶外光成分的吸收效率。

第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)可以基于各種機(jī)制操縱其各自的帶內(nèi)光分量。一個示例機(jī)制是折射。當(dāng)節(jié)距尺寸小于要操縱的帶內(nèi)光分量的波長時，光學(xué)結(jié)構(gòu)可以基于折射操縱帶內(nèi)光成分。具體地，每個光學(xué)結(jié)構(gòu)可以包括與第二軸形成傾斜角度的傾斜光透射表面。

光可以在光學(xué)結(jié)構(gòu)的光透射表面處折射，并且折射光可以以超過全內(nèi)反射的臨界角的入射角到達(dá)側(cè)壁，這使得光能夠在側(cè)壁上反射而不是穿過側(cè)壁。

然而，臨界角是入射光波長的函數(shù)，并且第一和第二光分量可以具有不同的臨界角。每個光學(xué)結(jié)構(gòu)可以配置為折射光電二極管的相應(yīng)帶內(nèi)光分量，使得帶內(nèi)光成分以高于帶內(nèi)光組件從側(cè)壁反射的臨界角的入射角到達(dá)光電二極管的側(cè)壁。另外，帶外光分量可以被光學(xué)結(jié)構(gòu)折射，使得帶外光成分以低于帶外光組件的臨界角的入射角到達(dá)光電二極管的側(cè)壁，以最小化反射。

第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)可以具有基于每個光電二極管的相應(yīng)帶內(nèi)光分量的波長定制的不同折射特性，以最大化帶內(nèi)光成分在側(cè)壁處的反射，這又可以增加光電二極管內(nèi)帶內(nèi)光組分的內(nèi)反射和吸收。

具體地，在一個示例中，第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)可以具有不同的幾何形狀，例如傾斜光透射表面的不同傾斜角度，以在不同折射角度折射不同入射波長的相應(yīng)帶內(nèi)光分量。這可以確保側(cè)壁上的每個帶內(nèi)光分量的入射角超過帶內(nèi)光成分的波長相關(guān)臨界角。

例如，第一光學(xué)結(jié)構(gòu)的傾斜角度可以基于第一光分量的第一波長范圍確定，而第二光學(xué)結(jié)構(gòu)的傾斜角可以基于第二帶內(nèi)光分量的第二波長范圍確定。如果要被第一光電二極管吸收的第一帶內(nèi)光分量具有比要被第二光電二極管吸收第二帶內(nèi)光成分更長的入射波長，則第一光學(xué)結(jié)構(gòu)可以具有比第二光學(xué)結(jié)構(gòu)更大的傾斜角。

在另一示例中，第一和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)可以具有不同的材料，其可以為相同的入射波長提供不同的折射率?？梢赃x擇每個光學(xué)結(jié)構(gòu)的材料以實現(xiàn)每個帶內(nèi)光分量的目標(biāo)臨界角?？梢栽O(shè)置每個光分量的目標(biāo)臨界角，以確保光分量在側(cè)壁上的入射角超過相應(yīng)的臨界角。光學(xué)結(jié)構(gòu)可以具有各種形狀的突出結(jié)構(gòu)，例如三角錐體、梯形錐體、錐體和/或梯形錐體。

第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)可以控制其帶內(nèi)光分量的另一示例機(jī)制可以基于衍射。當(dāng)光穿過寬度等于或大于光波長的開口后彎曲時，會發(fā)生衍射。當(dāng)光通過開口傳播并變得衍射時，衍射光之間可能發(fā)生相長干涉以形成光束。

衍射光可以基于相長干涉形成光束，并且光束可以從第二/垂直軸以特定角度傳播，特定角度由光的波長和光學(xué)結(jié)構(gòu)的間距之間的比率給出。光束可以從側(cè)壁反射并在光電二極管內(nèi)經(jīng)歷額外的內(nèi)部反射，以增強(qiáng)光的吸收。側(cè)壁可以包括反射材料層以反射光。

第一和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)可以具有基于每個光電二極管的相應(yīng)帶內(nèi)光分量的波長定制的不同衍射特性，以最大化側(cè)壁處的帶內(nèi)光成分的反射，這反過來可以增加光電二極管內(nèi)帶內(nèi)光組分的內(nèi)反射和吸收。

具體地，第一和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)可以具有不同的節(jié)距尺寸，其中節(jié)距尺寸基于要衍射的帶內(nèi)光分量的波長來配置。例如，可以使每個光學(xué)結(jié)構(gòu)的節(jié)距尺寸等于或大于相應(yīng)帶內(nèi)光分量的波長，以最大化相應(yīng)帶內(nèi)光分量的衍射和內(nèi)反射。另外，由于例如帶外光分量的波長短于光學(xué)結(jié)構(gòu)的間距，可以減少相應(yīng)帶外光成分的衍射和內(nèi)反射。為了最大化不同波長的不同帶內(nèi)光分量的衍射，第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)可以具有不同的間距大小，其匹配不同帶內(nèi)光學(xué)分量的不同波長。

在一個示例中，第一和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)可以通過衍射和折射的組合來引導(dǎo)帶內(nèi)光分量。第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)的幾何形狀可以配置為例如允許衍射或折射中的一個占主導(dǎo)地位。例如，如上所述，當(dāng)間距尺寸小于帶內(nèi)分量的波長時，折射可以占主導(dǎo)地位，而當(dāng)間距尺寸等于或大于帶內(nèi)分量波長時，衍射可以占主導(dǎo)。

另外，在光學(xué)結(jié)構(gòu)的所選節(jié)距尺寸低于光電二極管的節(jié)距尺寸的情況下，可以在光電二極管上形成突起結(jié)構(gòu)陣列作為第一或第二光學(xué)結(jié)構(gòu)，每個突起結(jié)構(gòu)的節(jié)距大小和幾何結(jié)構(gòu)基于要衍射和內(nèi)部反射的帶內(nèi)分量的波長而配置。

在一個示例中，第一光學(xué)結(jié)構(gòu)和第二光學(xué)結(jié)構(gòu)中的每一個都可以包括突起結(jié)構(gòu)的陣列。由于相長干涉，突起結(jié)構(gòu)的陣列可以衍射光以形成多個光束，并且衍射光可以在光電二極管內(nèi)以不同的角度傳播，這可以延長光在光電二極管中的傳播路徑并提高光電二極管對光的吸收效率。

同時，每個突出結(jié)構(gòu)可以使光在子像素內(nèi)經(jīng)歷全內(nèi)反射，以進(jìn)一步增強(qiáng)光電二極管對光的吸收。突起結(jié)構(gòu)陣列的節(jié)距尺寸可以與帶內(nèi)光分量的波長相似，以增加帶內(nèi)光成分的衍射。間距大小同時可以設(shè)置陣列內(nèi)每個突出結(jié)構(gòu)的光透射表面的傾斜角度，以便于帶內(nèi)光分量在光電二極管處的全內(nèi)反射。

總的來說，Meta的發(fā)明描述了便于光纖在光電二極管內(nèi)內(nèi)反射的光學(xué)結(jié)構(gòu)，這可以提高光電二極管對光的吸收效率。

相關(guān)專利：Meta Patent | Multi-spectral image sensor

名為“Multi-spectral image sensor”的專利申請最初在2021年2月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。

---
原文鏈接：https://news.nweon.com/100270