[发明专利]集成有光学低通滤波器的固体成像器件

说明书

本发明涉及采用固体成像器件的成像系统，更具体地说，涉及采用光学低通滤波器构成固体成像器件的透明窗口的方法。本发明将光学低通滤波器集成在固体成像器件中，以简化成像系统的结构，降低其尺寸和制造成本。本发明提供一种具有优越频率特性的固体成像器件，以及一种采用相位光栅作为光学低通滤波器构成该固体成像器件的方法。

在当前广泛用作图像传感器的电荷耦合器件(CCD)图像传感器或者自90年代以来使用的CMOS图像传感器中，由光接收元件制作的图像传感器是二维排列的，以将输入图像转换成电子信号。

图1表示传统的摄录组合像机(camcorder)或数字相机系统的结构。待成像的运动画面或静止画面1由光学透镜结构3聚焦，然后通过光学低通滤波器2，入射至设在图像传感器4表面的光接收元件中。光学透镜结构3包括适当的光学透镜例如凹透镜和凸透镜，以便将输入图像1聚焦在成像器件4上。图1所示的光学透镜结构3或光学低通滤波器一般包括一个UV滤波器或IR滤波器，分别用于阻挡包含在输入图像1中的紫外光线或红外光线。该UV或IR滤波器一般通过在透镜或透明基片上涂覆适当的材料来制造。为了在图1的成像系统中将输入至固体成像器件的图像恢复成原始状态，需要使光学低通滤波器2的截止频率为采样空间频率的一半。

图2表示二维图像传感器中在光接收元件的重复周期在x方向为X并且在y方向为Y的情况下的理想采样。如果采用具有图2空间采样特性的二维传感器对具有图3A空间频谱的图像成像，则采样图像具有图3B的空间频谱，其中重复了原始图像的空间频谱。在图3B中，采样图像频谱的重复周期对应于采样间隔的倒数，也即，在x方向为1/X并且在y方向为1/Y。相应地，为了将输入该二维图像传感器的图像恢复成原始状态，需要能够通过对应于自原点起一个周期的频谱但是阻断更高空间频率的光学低通滤波器。

如上所述，为了将输入固体成像器件的图像恢复至原始状态，图1所示的光学低通滤波器2最好具有为采样空间频率一半的截止频率。此处，采样空间频率对应于固体成像器件的光接收元件的重复周期的倒数。也就是说，在图2的二维光接收元件结构中， f s = 1 d ]]>并且 f c = f s 2 = 1 2 d , ]]>其中d为x方向的X以及y方向的Y。此处，f_s表示采样频率而f_c表示理想光学低通滤波器的截止频率。

图4表示该光学透镜结构的空间频率传递特性。图4中虚线限定的频带为理想光学低通滤波器的频率传递函数。该透镜的最大传递频率f_m为2(NA/λ)。此处，NA表示透镜的数值孔径，λ表示入射光的波长。尽管该透镜用作一种光学低通滤波器，但是其最大截止频率f_m通常显著高于图4中所示的光学低通滤波器的截止频率f_c。该透镜的频率传递特性可以近似至图4的直线，以便进行数学模拟，该直线表示的近似值与实际传递特性之间的差别随着f_m越来越大于f_c而变得越来越小。

图5A表示传统固体成像器件外观的透视图，图5B表示该传统固体成像器件沿图5A中线A-A所取的截面图。在该传统固体成像器件中，固体成像器件芯片53和54的盖板51和52由透明玻璃板制成，因为入射光应当透过盖板51和52，即透明窗口，射向位于固体成像器件芯片表面上的光接收装置上。