CN103811509A - 测量入射光在三维空间中入射角度的像素阵列及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量入射光在三维空间中入射角度的像素阵列、图像传感器及方法。像素阵列从下到上依次包括：基底，所述基底中设置有传感器层，用于对感应到的入射光进行光电转换；金属层，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；微透镜层，所述微透镜层由梯度折射率材质制成，用于对其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，以根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度。本发明获得了除强度以外的入射光在三维空间中的实际入射角度。
Description
技术领域
本发明属于图像传感器领域，具体地说，涉及一种测量入射光在三维空间中入射角度的像素阵列、图像传感器及方法。
背景技术
图像传感器在民用和商业范畴内得到了广泛的应用。目前，图像传感器由CMOS图像传感器（CMOS IMAGE SENSOR，以下简称CIS）和电荷耦合图像传感器（Charge-coupled Device，以下简称CCD）。与CCD图像传感器相比较，CMOS图像传感器虽然具有Rolling Shutter Effect和信噪比较低的劣势，但是CMOS图像传感器也具有制造成本低、功耗低以及图像延时较小的优势。随着工艺的进步，CMOS图像传感器的卷帘快门效应（Rolling ShutterEffect）和信噪比劣势逐渐被克服，其整体性能已逐渐与CCD图像传感器向媲美。
CMOS图像传感器在手机相机、网络摄像头、监控摄像头、光学鼠标、数码单反相机实得到了广泛应用。在这些领域使用的CMOS图像传感器通常是基于有源像素传感器（Active Pixel Sensor，简称APS）形成的像素单元组成图像传感器的像素阵列。
基于APS形成的图像传感器，其捕捉的图像的原理为：利用一感光二极管（photo diode，简称PD）接收入射光的光子并进行光电转换输出电压信号，再通过后续电路如放大电路、滤波去噪电路等处理，最终输出形成图像信号。入射光越强，输出的电压信号越大。
由此可见，基于APS的图像传感器，仅仅直接对入射光的光强敏感，只能输出反应入射光强度的电压信号，而通常无法直接反应入射光中除强度以外的其他信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测量入射光在三维空间中入射角度的像素阵列、图像传感器及方法，用以解决现有技术中无法直接反应入射光中除强度以外的其他信息的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种测量入射光在三维空间中入射角度的像素阵列，其从下到上依次包括：
基底，所述基底中设置有传感器层，用于对感应到的入射光进行光电转换；
金属层，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；
微透镜层，所述微透镜层由梯度折射率材质制成，用于对其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，以根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度。
优选地，在本发明的一实施例中，所述金属层设置在氧化硅材质的中间层中。
优选地，在本发明的一实施例中，所述微透镜层和所述金属层之间设置有彩色滤镜层。
优选地，在本发明的一实施例中，根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度具体包括：根据在垂直于所述微透镜的法线的平面内入射光的投影和所述微透镜的法线的投影之间的夹角、在平行于所述微透镜的法线的平面内入射光的投影和所述微透镜的法线的投影之间的夹角，分别设定所述微透镜层在三维空间中的第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量。
优选地，在本发明的一实施例中，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，对所述像素阵列包括的多个微透镜层进行分组。
优选地，在本发明的一实施例中，按照行、列，或者参照BAYER模式，对分组的微透镜层依次进行水平排布。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种图像传感器，其包括上述任一所述的像素阵列。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种测量入射光在三维空间中入射角度的方法，其包括：
由梯度折射率材质制成的微透镜层将其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射传感器层感光面的入射光；
基底中设置的所述传感器层对感应到的入射光进行光电转换；
金属层将传感器层进行光电转换处理得到的电信号传输到外围电路进行处理，以根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度。
优选地，在本发明的一实施例中，由梯度折射率材质制成的微透镜层将其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射传感器层感光面的入射光之前，还包括：根据在垂直于所述微透镜的法线的平面内入射光的投影和所述微透镜的法线的投影之间的夹角、在平行于所述微透镜的法线的平面内入射光的投影和所述微透镜的法线的投影之间的夹角，分别设定所述微透镜层在三维空间中的第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量。
与现有的方案相比，本发明中，梯度折射率(Gradient refractive index，GRIN)材料制成的微透镜层将其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度，克服了现有技术中只能直接获得入射光的强度，而无法直接获得除强度以外的入射光的实际入射角度。
附图说明
图1为GRIN Micro-lens对光线折射的原理图；
图2为普通玻璃对光线折射的原理示意图；
图3为普通Micro-lens对光线折射的原理示意图；
图4为本发明实施例中采集灰度图像的像素阵列线性阵列中的剖视图；
图5为本发明实施例中像素模块A的平面示意图；
图6为像素模块A中像素值与角度之间的映射关系示意图；
图7为本发明实施例中像素模块B’的平面示意图；
图8为像素模块B’中像素值与角度之间的映射关系示意图；
图9为本发明实施例中像素模块C’的平面示意图；
图10为像素模块C’中像素值与角度之间的映射关系示意图；
图11为本发明实施例中像素模块D的平面示意图；
图12为像素模块D中像素值与角度之间的映射关系示意图；
图13为本发明实施例中像素阵列一的示意图；
图14为本发明实施例中像素阵列二的示意图；
图15为本发明实施例中测量入射光在三维空间中入射角度的方法流程示意图。
具体实施方式
以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明下述实施例中，梯度折射率(Gradient refractive index，GRIN)材料制成的微透镜层将其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度。
本发明的主要思想
测量入射光在三维空间中入射角度的像素阵列从下到上依次包括：基底，所述基底中设置有传感器层，用于对感应到的入射光进行光电转换；金属层，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；微透镜层，所述微透镜层的由梯度折射率材质制成，用于对其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度。
为对本发明的上述思想做简要说明，本发明下述实施例中，以像素阵列不包括滤镜层，只采集灰度图像为例进行说明。当然，对于本领域普通技术人员来说，在本发明主要思想的启发下，以及结合相关现有技术，无须创造性劳动，只要在采集灰度图像的像素阵列基础上增加彩色滤镜阵列（ColorFilter Array，简称CFA）即可将本发明的主要思想运用于包括滤镜可采集彩色图像的像素阵列，详细在本发明的下述实施例中，将不再赘述。
图1为GRIN Micro-lens对光线折射的原理图。如图1所示，虚线为感光二极管感光表面的法线，对入射角为a的光线的折射，经过折射后的光线能够平行于法线。
对比地，图2为普通玻璃对光线折射的原理示意图，入射光以角度a入射，出射时依然带有一定角度，不能平行于法线。
对比地，图3为普通Micro-lens对光线折射的原理示意图，经过折射后一些入射角为a的光线能够垂直入射感光二极管感光表面，而平行于感光二极管感光表面法线的入射光经折射后趋向于法线上的一点。
图4为本发明实施例中采集灰度图像的像素阵列线性阵列中的剖视图，如图4所示，其从下到上依次包括：基底401、金属层402、微透镜层403。其中：
所述基底401中设置有传感器层411，用于对光通路中的入射光进行光电转换；具体地，该传感层411由多个感光二极管组成。
金属层402用于将光电转换的电信号传输到外围电路（图中未示出）进行处理。本实施中，所述金属层402设置在氧化硅材质的中间层400中。
微透镜层403由梯度折射率材质制成，用于对其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，以根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度。微透镜层403包括若干个微透镜413。
本发明下述实施例中，具体以确定入射光在平行于微透镜法线平面形成的角度分量、垂直于法线平面的角度分量为例，来说明如何确定获得入射光在三维空间中的实际入射角度。
梯度折射率材质制成的微透镜可以单独配置敏感的入射光，换言之，某一微透镜只对其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射感光二极管感光表面的光线。如果要确定获得入射光在三维空间中的实际入射角度，则需要单独设置入射光在三维空间中的敏感角度分量。具体地，可以根据垂直于所述微透镜的法线平面的角度、平行于所述微透镜的法线平面的角度分别设定所述微透镜层在三维空间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图中只能看见表示其向量的带箭头线段的长短；第二敏感入射角度分量只能看见其方向变化。
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镜的法线的平面内，入射光的投影与所述所述微透镜的法线的投影之间的夹角，第一敏感角入射度分量从0°变化到a°。由于第一敏感角入射度分量表示在垂直于所述微透镜的法线的平面内，入射光与所述所述微透镜的法线的投影之间的夹角，因此，a°的范围为0°-90°。由于第二敏感入射角度分量表示在平行于所述微透镜的法线的平面内，入射光的投影与所述所述微透镜的法线的投影之间的夹角，因此，其范围为0°～360°。
假如像素阵列中微透镜的第一敏感入射角度分量范围为0°～a°、-a°～0°，微透镜的第二敏感入射角度分量范围为0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°，由此形成的组合有两组,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，对所述像素阵列包括的多个微透镜层进行分组结果如下：
（1）第一组：第一敏感入射角度分量范围为0°～a°，第二敏感入射角度分量范围为0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°；
（2）第二组：第一敏感入射角度分量范围为-a°～0°，微透镜的第二敏感入射角度分量范围为0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°。
下述实施例中将分别以像素模块A、B、C、D进行示例性说明：
（1）像素模块A：第一敏感入射角度分量范围为-a°～0°、第二敏感入射角度分量范围为0°～90°；
（2）像素模块B’：第一敏感入射角度分量范围为0°～a°、第二敏感入射角度分量范围为90°～180°；
（3）像素模块C’：第一敏感入射角度分量范围为0°～a°、第二敏感入射角度分量范围为180°～270°；
（4）像素模块D：第一敏感入射角度分量范围为-a°～0°、第二敏感入射角度分量范围为270°～360°。
图5为本发明实施例中像素模块A的平面示意图；如图5所示，此图像像素阵列以2D面阵的形式展开，即：第一敏感入射角度分量F(X)范围为-a°～0°、第二敏感入射角度分量G(Y)范围为0°～90°，X表示水平方向上像素的输出值，Y表示垂直方向上像素的输出值，F(X)、G(Y)分别表示水平方向上像素的输出值X、垂直方向上像素的输出值Y与角度之间的映射关系。图6为像素模块A中像素值与角度之间的映射关系示意图，如图6所示，相互垂直的两个轴向分别映射两组敏感角分量的角度变化。
像素模块A镜像处理得到第一敏感入射角度分量F(X)范围为0°～a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范围为0°～90°的像素模块A’，像素模块A’与A共享第二敏感入射角度分量G(Y)，详细不再赘述。
图7为本发明实施例中像素模块B’的平面示意图；如图7所示，此图像像素阵列以2D面阵的形式展开，即：第一敏感入射角度分量F(X)范围为0°～a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范围为90°～180°，X表示水平方向上像素的输出值，Y表示垂直方向上像素的输出值，F(X)、G(Y)分别表示水平方向上像素的输出值X、垂直方向上像素的输出值Y与角度之间的映射关系。图8为像素模块B’中像素值与角度之间的映射关系示意图，如图8所示，相互垂直的两个轴向分别映射两组敏感角分量的角度变化。
像素模块B’镜像处理得到第一敏感入射角度分量F(X)范围为0°～a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范围为90°～180°的像素模块B，像素模块B’与B共享第二敏感入射角度分量G(Y)，详细不再赘述。
图9为本发明实施例中像素模块C’的平面示意图；如图9所示，此图像像素阵列以2D面阵的形式展开，即：第一敏感入射角度分量F(X)范围为0°～a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范围为180°～270°，X表示水平方向上像素的输出值，Y表示垂直方向上像素的输出值，F(X)、G(Y)分别表示水平方向上像素的输出值X、垂直方向上像素的输出值Y与角度之间的映射关系。图10为像素模块C’中像素值与角度之间的映射关系示意图，如图10所示，相互垂直的两个轴向分别映射两组敏感角分量的角度变化。
像素模块C’成镜像处理，得到第一敏感入射角度分量F(X)范围为-a°～0°、第二敏感入射角度分量G(Y)范围为180°～270°的像素模块C，像素模块C’与C共享第二敏感入射角度分量G(Y)，详细不再赘述。
图11为本发明实施例中像素模块D的平面示意图；如图11所示，此图像像素阵列以2D面阵的形式展开，即：第一敏感入射角度分量F(X)范围为0°～a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范围为270°～360°，X表示水平方向上像素的输出值，Y表示垂直方向上像素的输出值，F(X)、G(Y)分别表示水平方向上像素的输出值X、垂直方向上像素的输出值Y与角度之间的映射关系。图12为像素模块D中像素值与角度之间的映射关系示意图，如图12所示，相互垂直的两个轴向分别映射两组敏感角分量的角度变化。
像素模块D镜像处理，得到第一敏感入射角度分量F(X)范围为0°～a°、第二敏感入射角度分量G(Y)范围为270°～360°的像素模块D’，像素模块D’与D共享第二敏感入射角度分量G(Y)，详细不再赘述。
图13为本发明实施例中像素阵列一的示意图；如图13所示，将第一敏感入射角度分量范围为0°～a°的像素模块A’、像素模块B’、像素模块C’、像素模块D’作为一列，将第一敏感入射角度分量范围为-a°～0°的像素模块A、像素模块B、像素模块C、像素模块D作为另外一列，按照列的方向进行交替排列。
参见上述像素模块A、B、C、D、A’、B’、C’、D’的说明，由于每个像素模块可以记录两个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，由于这两个角度分量分别是沿着垂直于所述微透镜的法线、平行于所述微透镜的法线形成的，因此，基于这两个角度分量可以得到三维空间中入射光的实际角度。
图14为本发明实施例中像素阵列二的示意图；如图14所示，按照第二敏感入射角度分量范围依次为0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°顺时针方向排布像素模块A’、像素模块B’、像素模块C’、像素模块D’最为一组，以及按照第二敏感入射角度分量范围依次为0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°顺时针方向排布像素模块A、像素模块B、像素模块C、像素模块D作为另外一组，按照BAYER模式进行交替排列。
图15为本发明实施例中测量入射光在三维空间中入射角度的方法流程示意图；如图15所示，其可以包括：
步骤1501、由梯度折射率材质制成的微透镜层将其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射传感器层感光面的入射光；
步骤1502、基底中设置的所述传感器层对感应到的入射光进行光电转换；
步骤1503、金属层将传感器层进行光电转换处理得到的电信号传输到外围电路进行处理；
步骤1504、根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度。
在本发明的另外一实施例中，步骤1501之前还可以包括：根据平行于所述微透镜的法线平面的角度、垂直于所述微透镜的法线平面内的角度分别设定所述微透镜层在三维空间中的第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量，以形成所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度。
有关第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量，详细请参见上述有关内容，在此不再赘述。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种测量入射光在三维空间中入射角度的像素阵列，其特征在于，从下到上依次包括：
基底，所述基底中设置有传感器层，用于对感应到的入射光进行光电转换；
金属层，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；
微透镜层，所述微透镜层由梯度折射率材质制成，用于对其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射所述传感器层感光面的入射光，以根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度。
2.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，所述金属层设置在氧化硅材质的中间层中。
3.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，所述微透镜层和所述金属层之间设置有彩色滤镜层。
4.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度包括：分别根据在垂直于所述微透镜的法线的平面内入射光的投影和所述微透镜的法线的投影之间的夹角、在平行于所述微透镜的法线的平面内入射光的投影和所述微透镜的法线的投影之间的夹角，分别设定所述微透镜层在三维空间中的第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量。
5.根据权利要求4所述的像素阵列，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，对所述像素阵列包括的多个微透镜层进行分组。
6.根据权利要求5所述的像素阵列，其特征在于，按照行、列，或者参照BAYER模式，对分组的微透镜层依次进行水平排布。
7.一种图像传感器，其特征在于，包括权利要求1至权利要求6任一所述的像素阵列。
8.一种测量入射光在三维空间中入射角度的方法，其特征在于，包括：
由梯度折射率材质制成的微透镜层将其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射传感器层感光面的入射光；
基底中设置的所述传感器层对感应到的入射光进行光电转换；
金属层将传感器层进行光电转换处理得到的电信号传输到外围电路进行处理，以根据所述微透镜层在三维空间中的敏感入射角度与对应的像素映射关系，获得入射光在三维空间中的实际入射角度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，由梯度折射率材质制成的微透镜层将其敏感的入射光进行折射处理，形成垂直入射传感器层感光面的入射光之前，还包括：分别根据在垂直于所述微透镜的法线的平面内入射光的投影和所述微透镜的法线的投影之间的夹角、在平行于所述微透镜的法线的平面内入射光的投影和所述微透镜的法线的投影之间的夹角，分别设定所述微透镜层在三维空间中的第一敏感入射角度分量和第二敏感入射角度分量。
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|---|---|---|---|---|
| CN104241302A (zh) * | 2014-04-10 | 2014-12-24 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 测量入射光在三维空间中入射角度的像素阵列及方法 |
| WO2021133628A1 (en) * | 2019-12-26 | 2021-07-01 | Waymo Llc | Microlensing for real-time sensing of stray light |
| CN113809109A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-12-17 | 神盾股份有限公司 | 光感测阵列模块与光收发装置 |
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2014
- 2014-03-26 CN CN201410043665.0A patent/CN103811509A/zh not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C04 | Withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20140521 |