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Stand der Technik
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Bildsensoren
mit einer Matrix-förmigen Anordnung von lichtempfindlichen
Elementen bzw. Bildpunkten oder Pixeln werden insbesondere in CMOS- oder
CCD-Technologie ausgebildet,
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Bildsensoren
können für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt
werden. Ein Anwendungsgebiet ist der Einsatz für ein Bildbearbeitungssystem in
einem Fahrerassistenzsystem. Je nach Funktion eines solchen Fahrerassistenzsystems
ist es notwendig, den gesamten Farbraum eines aufzunehmenden Objektes,
beispielsweise der Umgebung eines Fahrzeugs, mit einer hohen Farbtreue
abzubilden, oder aber Objekte nur in grobe Farbklassen zu unterteilen.
Für die elektronische Bildaufnahme mit hoher Farbtreue
können so genannte Drei-Chip-Kameras mit je einem Spektralkanal
für rot, grün und blau verwendet werden. Eine
Kamera umfasst neben dem Bildsensor insbesondere optische Elemente
wie Linsen, Polarisatoren oder Filter. Des Weiteren ist es bekannt,
Kameras mit Bildsensoren zu verwenden, bei denen vor den einzelnen
lichtempfindlichen Elementen ein Farbfilter, üblicherweise
ein Rot-, Grün- oder Blau-Filter, angeordnet ist. Diese
Filteranordnung wird als „color mosaic filter” bezeichnet.
Die Mosaikanordnung richtet sich nach dem Verwendungszweck der Kamera.
Eines der gebräuchlichsten Filtermuster ist das Bayer-Pattern,
welches eine gute Farbseparation im gesamten CIE (Commission internationale
de l'éclairage)-Farbraum erlaubt.
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Bei
Bildsensoren auf Halbleiterbasis werden für die Farbseparation
typischerweise dünne on-Chip-Mosaikfilterschichten eingesetzt,
die aus organischen Materialien bestehen und je nach Zusammensetzung
Licht spektral selektiv filtern; die Mosaikfilterschichten werden
somit direkt auf den lichtempfindlichen Elementen des Bildsensors
aufgetragen. Die Filtercharakteristik solcher Filter ist in der Regel
allerdings über einen großen Spektralbereich, insbesondere
auch im infraroten Spektralbereich transparent. Um beispielsweise
eine Farbseparation wirksam durchführen zu können,
ist eine zusätzliche Filtereinheit notwendig, die eine
Dämpfung beispielsweise der infraroten Strahlung vornimmt.
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In
der Regel werden zusätzliche Filter großflächig
als vom Bildsensor getrennte separate Einheit oder als aufgetragene
Schicht auf optischen Elementen ausgebildet. Die
DE 10 2004 001 556 A1 offenbart
beispielsweise eine Kamera mit einem Bildsensor, wobei vor einem
Teilbereich des Bildsensors mit einem Abstand eine separate Filtereinheit
angeordnet ist. Die Filtereinheit wird dazu eingesetzt, den Abblendlichtbereich
zu dämpfen, damit die Empfindlichkeit des Bildsensors im
nahen Infrarot-Bereich erhalten bleibt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
ein Bildsensor geschaffen, bei dem lediglich vor einem Teil bzw.
einer Teilmenge der lichtempfindlichen Elemente jeweils ein wellenlängenselektives
erstes Mikrofilterelement angebracht ist. Die Mikrofilterelemente
sind an einem transparenten Träger ausgebildet bzw. angebracht, der
somit als Ganzes an dem Substrat des Bildsensors direkt oder indirekt
befestigt werden kann.
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Durch
die ersten Mikrofilterelemente kann auf die lichtempfindlichen Elemente
auftretende Strahlung selektiv für kleine Gruppen von lichtempfindlichen
Elementen, insbesondere auch für einzelne lichtempfindliche
Elemente, gefiltert werden. Vorzugsweise sind dabei die ersten Mikrofilterelemente räumlich
gleichmäßig verteilt vor den lichtempfindlichen
Elementen angeordnet.
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Indem
die ersten Mikrofilterelemente an einem Träger befestigt
sind, wird ermöglicht, die ersten Mikrofilterelemente in
einem unabhängigen Prozess getrennt von der Herstellung
der lichtempfindlichen Elemente und möglicherweise Versehen
der lichtempfindlichen Elemente mit zusätzlichen Schichten, beispielsweise
organischen Farbfiltern, herzustellen. Die Herstellung der ersten
Mikrofilterelemente auf einem separaten Träger ermöglicht
es, nicht für die Halbleiter-Prozessierung geeignete Verfahren,
z. B. Lift-Off-Verfahren zu verwenden, bei denen z. B. für die
ersten Mikrofilterelemente Materialien verwendet werden, die im
Herstellprozess der lichtempfindlichen Elemente und ggf. auf den
lichtempfindlichen Elementen aufgebrachten weiteren Schichten unerwünscht
sind, beispielsweise zu einer Kontaminierung dieser Elemente führen
könnten.
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Die
ersten Mikrofilterelemente und die lichtempfindlichen Elemente besitzen
vorzugsweise Abmaße im Mikrometerbereich. Vorzugsweise
ist die maximale Ausdehnung eines Mikrofilterelementes und eines
lichtempfindlichen Elementes kleiner/gleich 100 μm, bevorzugt
kleiner/gleich 10 μm. Die lichtempfindlichen Elemente sind
vorzugsweise halbleiterbasiert, z. B. CMOS- und/oder CCD-Elemente.
Die ersten Mikrofilterelemente können beispielsweise als
Interferenz- oder Absorptionsfilter ausgebildet sein. Der transparente
Träger kann beispielsweise ein Glas oder eine transparente
Folie sein.
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Vorzugsweise
sind die ersten Mikrofilterelemente derart ausgebildet, dass diese
Licht zumindest im nahen Infrarotbereich (NIR) blocken, also im
Wellenlängenbereich von etwa 780 bis 1.000 nm. Bestimmte
lichtempfindliche Elemente des Bildsensors, die beispielsweise mit
Farbfiltern für die Erkennung von Farbbereichen im visuellen
Spektralbereich ausgebildet sind, können auf diese Weise
durch derartige erste Mikrofilterelemente effektiv vor einer Überstrahlung
durch NIR-Strahlung geschützt werden. Dies gilt insbesondere
für den benachbart zum NIR-Spektralbereich liegenden Spektralbereich
des sichtbaren roten Lichtes.
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Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines
derartigen Bildsensors werden auf einem transparenten Träger
eine Vielzahl von ersten Mikrofilterelementen aufgebracht. Der Träger mit
den an diesem befestigten ersten Mikrofilterelementen wird derart
von einer Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen angeordnet,
dass vor einem Teil der lichtempfindlichen Elemente jeweils vor
einem lichtempfindlichen Element ein erstes Mikrofilterelement angeordnet
ist derart, dass auf diese lichtempfindlichen Elemente treffendes
Licht durch ein erstes Mikrofilterelement gefiltert ist.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen,
die durch mehrere Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
erste Ausführungsform eines Bildsensors vor dem Fügen
eines Trägers mit daran befestigten ersten Mikrofilterelementen
an einem Substrat mit lichtempfindlichen Elementen,
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2 den
Bildsensor gemäß der ersten Ausführungsform
nach Fügen des Trägers an dem Substrat,
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3 eine
Aufsicht auf ein durch die lichtempfindliche Elemente des Bildsensors
der ersten Ausführungsform gebildeten Sensorfeldes,
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4 eine
zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Bildsensors,
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5 eine
Aufsicht auf ein durch die lichtempfindlichen Elemente des Bildsensors
der zweiten Ausführungsform gebildeten Sensorfeldes,
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6 eine
dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Bildsensors, und
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7 ein
durch die lichtempfindlichen Elemente gebildetes Sensorfeld der
dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Bildsensors.
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Gleiche
oder einander entsprechende Bauteile sind in den Figuren mit denselben
Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen
schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Bildsensors 1a jeweils in einer Querschnittsansicht. Zwecks
besserer Erkennbarkeit der einzelnen Elemente wurde auf Maßstabstreue
der Figuren verzichtet.
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Der
Bildsensor 1a umfasst eine Vielzahl von ein Sensorfeld 11a,
siehe 3, bildenden lichtempfindlichen Elementen 2,
eine Vielzahl von ersten Mikrofilterelementen 3a und einen
transparenten Träger 4a, an dessen Oberfläche
die ersten Mikrofilterelemente 3a befestigt sind. Die lichtempfindlichen
Elemente 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel
als eindiffundierte Dioden in einem Siliziumsubstrat 8 ausgebildet
und als CMOS-Sensoren ausgebildet. Alternativ können die
lichtempfindlichen Elemente 2 beispielsweise auch als CCD-Sensor
ausgebildet sein. Der Träger 4a wird durch ein
transparentes Glassubstrat gebildet.
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Die
ersten Mikrofilterelemente 3a sind als Interferenzfilter
für das Blockieren von Licht im nahen Infrarotbereich ausgebildet.
Ihre Ausdehnung ist an die Ausdehnung der lichtempfindlichen Elemente 2 angepasst,
so dass ein einzelnes Mikrofilterelement 3a deckend vor
einem lichtempfindlichen Element 2 angeordnet werden kann,
aber keine benachbart liegenden lichtempfindlichen Elemente 2 überdeckt. Die
einem lichtempfindlichen Element gegenüberliegende Oberfläche 9 eines
ersten Mikrofilterelementes ist quadratisch mit einer Seitenlänge
von 6 μm ausgebildet. Dies entspricht im Wesentlichen der
Seitenlänge des ebenfalls mit quadratischer Oberfläche 10 ausgebildeten
lichtempfindlichen Elementes 2. Die Dicke von einem ersten
Mikrofilterelement 3a und einem lichtempfindlichen Element 2 liegt
unterhalb dieses Wertes.
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Auf
einer Teilmenge der lichtempfindlichen Elemente 2 ist jeweils
an der Oberfläche 10 eines lichtempfindlichen
Elementes 2 ein Farbfilter aufgebracht, hier ein Farbfilter
aus einem organischen Material. Von vier benachbart liegenden lichtempfindlichen
Elementen 2, siehe 3, ist auf
jeweils einem lichtempfindlichen Element 2 ein Rot-Filter 6a für
die Filterung von rotem Licht, ein Grün-Filter 6b für
die Filterung von grünem Licht und ein Blau-Filter 6c für die
Filterung von blauem Licht aufgebracht. Das vierte lichtempfindliche
Element dieser Vierer-Gruppe bleibt unbedeckt durch einen derartigen
Farbfilter. Die Farbfilter 6a, 6b, 6c entsprechen
in ihren Abmaßen der Oberfläche 10 der
lichtempfindlichen Elemente 2.
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Die
ersten Mikrofilterelemente 3a sind derart auf der Oberfläche
des Trägers 4a angeordnet, dass jeweils ein erstes
Mikrofilterelement 3a vor einem lichtempfindlichen Element 2,
das durch einen Farbfilter 6a, 6b oder 6c überdeckt
ist, angeordnet werden kann. Das vierte lichtempfindliche Element 2 einer solchen
Vierer-Gruppe bleibt damit durch Farbfilter 6a, 6b, 6c und
zweites Mikrofilterelement 3a unbedeckt.
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Des
Weiteren befinden sich zwischen zweiten Mikrofilterelementen 3a und
dem Träger 4a dritte Mikrofilterelemente 7,
die als V-Lambda-Filter ausgebildet sind. V-Lambda-Filter sind als
solche bekannt; sie berücksichtigen die unterschiedliche
Empfindlichkeit des Auges für verschiedene Wellenlängen
des sichtbaren Lichtes und filtern die einfallende Strahlung somit
in entsprechender Weise. Die entsprechen in ihrer Flächenausdehnung
hier in etwa den ersten Mikrofilterelementen 3a. Alternativ
hierzu können die V-Lambda-Filter 7 aber auch
in den Bereichen zwischen den ersten Mikrofilterelementen vorgesehen
sein und somit auch das Licht filtern, dass auf die weiteren licht empfindlichen
Elemente 2 fällt.
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In
diesem Ausführungsbeispiel sind die ersten Mikrofilterelemente 3a und
die V-Lambda-Filter in einem separaten Prozess auf den Träger 4a aufgebracht
worden. Für die Aufbringung der ersten und dritten Mikrofilterelemente 3a, 7 können
bekannte Mikrostrukturierungsprozesse verwendet werden, die nicht
Halbleiter-kompatibel sind, beispielsweise ein Lift-Off-Verfahren.
Der Träger 4a mit den ersten Mikrofilterelementen 3a und
den V-Lambda-Filtern wird nun derart vor den lichtempfindlichen
Elementen 2 angeordnet, dass die mit einem Farbfilter bedeckten lichtempfindlichen
Elemente durch erste Mikrofilterelemente 3a einschließlich
V-Lambda-Filter überdeckt sind, siehe 2.
Die ersten Mikrofilterelemente 3a sind dabei den lichtempfindlichen
Elementen 2 zugewandt und werden im Wesentlichen spaltfrei über den
lichtempfindlichen Elementen 2 angeordnet. Diese spaltfreie
Anordnung der ersten Mikrofilterelemente 3a vor den lichtempfindlichen
Elementen 2 verhindert ein seitliches Unterstrahlen der
ersten Mikrofilterelemente 3a. Dünne Filterelemente,
wie die Farbfilter 6a, 6b, 6c oder dünne
Schutzschichten sind dabei dem Spalt nicht zugerechnet.
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Die
lichtempfindlichen Elemente 2 sind sensitiv über
einen Spektralbereich, der sichtbares Licht und nahes Infrarot umfasst.
Der Bildsensor 1a ermöglicht damit die Bildaufnahme
sowohl im sichtbaren Spektralbereich als auch im nahen Infrarotbereich.
Dadurch, dass vor den Farbfiltern 6a, 6b, 6c erste
Mikrofilterelemente angeordnet sind, die Strahlung im nahen Infrarot
blocken, wird eine Überstrahlung der zugeordneten lichtempfindlichen
Elemente 2 verhindert. Die V-Lambda-Filter unterstützen
die Farbtreue der Bildaufnahme. Die durch erste Mikrofilterelemente 3a nicht
bedeckten lichtempfindlichen Elemente 2 ermöglichen
die NIR-Bildaufnahme. Dadurch, dass die ersten Mikrofilterelemente 3a räumlich
gleichmäßig verteilt vor den lichtempfindlichen Elementen 2 angeordnet
sind, insbesondere sich benachbart zu jedem lichtempfindlichen Element 2,
vor dem ein erstes Mikrofilterelement 3a angeordnet ist, ein
lichtempfindliches Element 2 befindet, vor dem kein erstes
Mik rofilterelement angeordnet ist, ist die Nutzung des durch die
lichtempfindlichen Elemente 2 gebildeten gesamten Sensorfeldes
für die Bildaufnahme in beiden Spektralbereichen, also
sichtbares Licht und NIR, möglich. Zu dem ist eine hohe
Auflösung gewährleistet.
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Der
Bildsensor 1a ist beispielsweise verwendbar für
eine Kamera eines Fahrzeugassistenzsystems für die Bildaufnahme
bei Tag und Nacht. Die V-Lambda-Filter 7 können
auch weg gelassen werden.
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Die 4 und 5 zeigen
schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Bildsensors 1b. 4 zeigt dabei eine Querschnittsansicht
des Bildsensors 1b, 5 ein Sensorfeld
des Bildsensors 1b.
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Der
Bildsensor 1b umfasst eine Vielzahl von ein Sensorfeld 11b bildenden
lichtempfindlichen Elementen 2, eine Vielzahl von ersten
Mikrofilterelementen 3a und einen transparenten Träger 4a,
an dem die ersten Mikrofilterelemente 3a befestigt sind.
Träger 4a, erste Mikrofilterelemente 3a und
lichtempfindliche Elemente 2, die in einem Silizium-Substrat 8 ausgebildet
sind, sind entsprechend den Elementen der ersten Ausführungsform
ausgebildet. Allerdings weist der Bildsensor 1b keine V-Lambda-Filter 7 auf, d.
h., die ersten Mikrofilterelemente 3a sind direkt auf der
Oberfläche des Trägers 4a befestigt.
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Im
Gegensatz zur ersten Ausführungsform umfasst der Bildsensor 1b als
zweite Mikrofilterelemente lediglich Rot-Filter 6a. Die
Sensoroberfläche jedes zweiten lichtempfindlichen Elementes 2 ist
von einem Rot-Filter 6a überdeckt, siehe 5.
Die Rot-Farbfilter 6a sind dabei räumlich gleichmäßig über
die lichtempfindlichen Elemente 2 verteilt. Die ersten
Mikrofilterelemente 3a sind derart an dem Träger 4a angeordnet,
dass jeweils ein einzelnes erstes Mikrofilterelement 3a vor
einem lichtempfindlichen Element 2 angeordnet ist, das
von einem Rot-Farbfilter 6a überdeckt ist. Diejenigen
lichtempfindli chen Elemente 2, die nicht durch einen Rot-Farbfilter 6a überdeckt
sind, sind damit auch nicht durch erste Mikrofilterelemente 3a bedeckt.
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Die
Herstellung des Bildsensors 1b kann mittels des im Rahmen
des ersten Ausführungsbeispiels beschriebenen Herstellungsverfahrens
umgesetzt werden.
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Der
Bildsensor 1b eignet sich insbesondere für Anwendungen,
bei denen die Trennung von einzelnen Spektralbereichen erwünscht
ist, aber die Sensitivität durch Strahlung aus anderen
Spektralbereichen, hier dem nahen Infrarot, beeinträchtigt
ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird durch die ersten Mikrofilterelemente 3a verhindert,
dass NIR-Strahlung auf die von den Rot-Farbfiltern 6a bedeckten lichtempfindlichen
Elemente 2 trifft. Die Roterkennung des Bildsensors 1b wird
also nicht durch NIR-Strahlung beeinträchtigt. Ein derartiger
Sensor eignet sich insbesondere für die Unterscheidung
von rotem und weißem Licht. Ein Spektralbereich des weißen
Lichtes im nahen Infrarot wird durch die ersten Mikrofilterelemente 3a geblockt.
Vorzugsweise wird ein derartiger Bildsensor 1b im Rahmen
eines Fahrerassistenzsystems eingesetzt. Mit einem derartigen Bildsensor 1b kann
sicher unterschieden werden, ob beispielsweise bei einem anderen
Fahrzeug eine rote Bremsleuchte oder ein weißes Rücklicht
aktiviert ist. Mit dieser Information kann das Fahrerassistenzsystem
unterschiedliche Maßnahmen, beispielsweise Ausgabe eines
Warnsignals, einleiten.
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Die 6 und 7 zeigen
schematisch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Bildsensors 1c. 6 zeigt eine Querschnittsansicht
des Bildsensors 1c, 7 ein durch
die lichtempfindlichen Elemente 2 gebildetes Sensorfeld 11c des
Bildsensors 1c.
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Der
Bildsensor 1c umfasst eine Vielzahl von ein Sensorfeld 11c bildenden
lichtempfindlichen Elementen 2, eine Vielzahl von ersten
Mikrofilterelementen 3c und einen transparenten Träger 4c,
wobei die ersten Mikrofilterele mente 3c an dem Träger 4c befestigt
sind. Die lichtempfindlichen Elemente 2 sind entsprechend
der ersten und der zweiten Ausführungsform ausgebildet.
Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
ist in diesem Fall der Träger 4c als transparente,
flexible Folie 4c ausgebildet. Des Weiteren sind die ersten
Mikrofilterelemente 3c als Linsen ausgebildet.
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Der
Träger 4c ist mit den ersten Mikrofilterelementen 3c derart
vor den lichtempfindlichen Elementen 2 angeordnet, dass
vor einem Teil der lichtempfindlichen Elemente 2 jeweils
vor einem lichtempfindlichen Element 2 ein erstes Mikrofilterelement 3c angeordnet
ist zum Filtern von auf die lichtempfindlichen Elemente 2 treffendem
Licht. Die Mikrolinsen 3c sind räumlich gleichmäßig
vor den lichtempfindlichen Elementen 2 angeordnet. Der
Träger 4c befindet sich zwischen ersten Mikrofilterelementen 3c und
lichtempfindlichen Elementen 2.
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Die
Mikrolinsen 3c sind derart ausgebildet, dass sie den Erfassungsraumwinkel 12 eines
einzelnen lichtempfindlichen Elementes 2 zu einem vergrößerten
Erfassungsraumwinkel 13 aufweiten. Die Dicke des Trägers 4c kann
an die gewünschte Aufweitung des Erfassungswinkels eines
lichtempfindlichen Elementes 2 angepasst werden. Aufgrund
dieses vergrößerten Erfassungsraumwinkels 13 kann
den lichtempfindlichen Elementen 2, vor denen eine Mikrolinse 3c angeordnet
ist, ein im Vergleich zu den lichtempfindlichen Elementen 2,
vor denen keine Mikrolinse 3c angeordnet ist, vergrößertes
Wirkungsvolumen zugeordnet werden. In der 7 ist dieses vergrößerte
Wirkungsvolumen durch einen Kreis 14 gekennzeichnet. Sind
die lichtempfindlichen Elemente 2, vor denen eine Mikrolinse 3c angeordnet
ist, nur dünn besiedelt, wie auch in diesem Ausführungsbeispiel,
in dem von neun lichtempfindlichen Elementen 2 nur ein
lichtempfindliches Element 2 durch eine Mikrolinse 3c bedeckt
ist, entsteht ein unterabgetastetes Bild. Diese Unterabtastung hat
die Wirkung eines Tiefpasses. Damit ist der weitere Vorteil verbunden, dass
die Ausbildung von Moiré-Mustern deutlich reduziert ist.
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Die
Mikrolinsen 3c sind in diesem Ausführungsbeispiel
als Absorptionsfilter, hier speziell als NIR-Absorptionsfilter,
ausgebildet. Aufgrund ihrer Linsenform erlauben sie auch im Mikrometerbereich ein
ausreichend großes Absorptionsvolumen insbesondere für
die NIR-Blockierung. Die maximale Ausdehnung einer Mikrolinse 3c beträgt
in diesem Ausführungsbeispiel etwas weniger als 10 μm.
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In
einer Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für
einen derartigen Bildsensor 1c wird in einem separaten
Prozess eine Vielzahl von Mikrolinsen 3c auf dem Träger 4c hergestellt.
Die Herstellung der Mikrolinsen 3c kann über bekannte Mikrostrukturierverfahren
erfolgen, beispielsweise ein Lift-Off-Verfahren. Die Linsenform
kann durch thermische Behandlung der ersten Mikrofilterelemente 3c erreicht
werden, beispielsweise durch Anschmelzen. In einem nächsten
Schritt wird der Träger 4c mit den an diesen befestigten
Mikrolinsen 3c auf den lichtempfindlichen Elementen 2 justiert.
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Alternativ
zu einem Träger 4c aus einer flexiblen Folie kann
auch ein transparentes Glas verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004001556
A1 [0004]