專利名稱:采用強度和方向檢測的光傳感器的制作方法
技術領域:
本發明一般地涉及測量入射光束的強度和方向的半導體光傳感器或光檢測器。
背景技術:
固定和便攜式電子顯示器經常包括針對觀看質量和人機工程學性能來監控環境 照明的功能。例如,傳統的膝上型計算機、蜂窩電話以及其他電子設備包括環境光傳感器, 以確定環境光條件并將設備的顯示屏的背光調節到所檢測到的條件內舒適的水平。在不同 應用中,顯示器圖像平面的取向以及在屏幕和反射器的空間內的適當定位也影響所感知的 圖像質量。在許多傳統應用中,感測環境光的強度而不知道環境光的角分布,這不足以對顯 示設備進行適當控制以補償環境照明條件。為了測量環境光的強度和方向,傳統的半導體光傳感器使用諸如準直器或偏振器 之類的外部組件來確定入射光源相對于光傳感器的方向。在一些傳統設備中,具有外部方 向組件的光傳感器用于基于參考光源的相對位置來進行校準。準直器與位置靈敏光檢測器 相結合用于采集與準直的光束在一個或多個電極中所產生的電荷量有關的信息。來自電極 的信息用于得到光的入射方向。其他的傳統設備實現了分布在球形(例如,半球形)表面 上的光檢測器,以基于哪些光檢測器被入射光激活來檢測入射光的方向。其他傳統設備使 用偏振濾光鏡來唯一地使來自不同方向的光偏振,以基于檢測到的偏振類型來檢測入射光 的方向。
發明內容
描述了一種光傳感器和光感測系統。還描述了制造和使用光傳感器和光感測系統 的方法。在一個實施例中,光傳感器檢測入射光的強度和入射光的入射角。光傳感器的實 施例包括介電層(或介電層的堆疊)、相對于介電層而耦合的多個光檢測器、以及嵌入介電 層內的多個不透明板條堆疊。介電層對入射光實質上透明。光檢測器檢測通過介電層的入 射光。不透明板條堆疊與介電層與光檢測器之間的界面近似平行。不透明板條堆疊在相鄰 的不透明板條堆疊之間限定了光孔徑。將至少一些不透明板條堆疊布置為與其他不透明板 條堆疊成非零角。還描述了光傳感器的其他實施例。光感測系統的實施例包括光傳感器和耦合至光傳感器的光信號處理器。光傳感器 包括介電層、多個光檢測器以及多個不透明板條堆疊。不透明板條堆疊在相鄰的不透明板 條堆疊之間限定了光孔徑。光信號處理器從至少一個光檢測器接收光檢測器信號,并基于 與相應的光檢測器檢測到的入射光相關聯的光檢測器信號來計算入射光的強度。光信號處 理器的實施例還計算入射光的方位角、入射光的入射角和/或入射光的其他特性。還描述 了光感測系統的其他實施例。通過以下結合附圖、對本發明原理進行示例說明的詳細描述, 本發明的其他方面和優點將變得清楚起來。
圖1示出了對于折射率為1.8的均勻電介質,作為入射角的函數的可見光光功率 傳輸系數的圖示。圖2示出了針對與標準CMOS技術的五金屬相對應的電介質堆疊,在空氣中波長范 圍為350nM到IlOOnM的光束的光功率傳輸系數的三維圖示,所述光功率傳輸系數是入射角 和波長的函數。圖3示出了針對結合圖2所描述的光束和電介質堆疊的光功率傳輸系數的等值線 圖。圖4A示出了光傳感器內的光學檢測器的一個實施例的橫截面圖。圖4B示出了光傳感器內的另一光學檢測器的一個實施例的橫截面圖。圖5A-5D示出了方向光傳感器的光學檢測器的各種布置。圖6示出了光子通量密度矢量F的圖示,所述光子通量密度矢量F與光檢測器的 平面(XY平面)相交。圖7示出了圖4B的光學檢測器的幾何參數。圖8示出了光控系統的一個實施例的示意性框圖。圖9示出了圖8的光控系統的操作方法的一個實施例的示意性流程圖。圖10示出了制造光傳感器的方法的一個實施例的示意性流程圖。在整個說明書中,相似的參考數字可以用于標識相似的單元。
具體實施例方式在以下描述中,提供了各種實施例的特定細節。然而,一些實施例是可以采用這些 特定細節中的一部分來實現的。在其他實例中,為了簡明和清楚起見,僅以可以實現本發明 的各實施例的詳細程度來描述特定的方法、過程、組件、結構和/或功能。盡管本文描述了多個實施例,然而至少一些所描述的實施例便于在沒有外部光定 向組件的情況下使用半導體技術來檢測環境照明的強度和方向。光傳感器的實施例將多個 層集成到光檢測器器件中,使得可以確定入射光的極角(傾角)和方位角(azimuth angle) (方位角(bearing angle))以及入射光的強度。應注意,盡管描述針對用于檢測光的傳感 器,然而一些實施例可以檢測可見光頻譜之外的電磁輻射。因此,所謂光傳感器或感測光通 常被理解為可以包括可見光頻譜之外的電磁輻射頻率。在一些實施例中,方向光傳感器用于控制以下裝置的角位置電子顯示器圖像平 面、反射鏡、以及允許在給定的環境照明情況下增強圖像質量感知的屏幕。此外,一些實施 例使用檢測到的入射光方向來控制照明的強度和方向或電子設備的亮度。其他實施例使用 檢測到的入射光方向來控制導光設備。光傳感器的實施例包括嵌入器件的電介質(或介電 層)中的不透明材料(如,金屬或多晶硅)的板條(slat)。多個連續變窄、水平對齊的板條 垂直堆疊在電介質內,最窄的板條在堆疊的頂部而最寬的板條在堆疊的底部(最靠近光檢 測器和基板)。板條堆疊沿著一條邊沿垂直對齊(即,與基板的表面成直角),從而形成不 對稱的楔形或錐形光學阻擋。這些阻擋的垂直對齊的邊沿在下方的光檢測器上產生的部分 陰影使得可以確定沒有沿著相鄰的不透明板條堆疊之間所限定的狹縫或孔徑而對齊的入 射光的傾斜(相對于未受阻礙的波束或經由相鄰板條堆疊之間的非對稱孔徑到達光檢測器的波束部分)。具有兩個彼此成非零角布置的這種光孔徑集合使得可以確定入射光的傾 斜和方位。一旦知道光的方向,就可以使用介電層的傳遞函數以傳統方式確定光的強度。因此,光傳感器的實施例能夠檢測所感測的照明(輻射通量)的方向,以便得到以 下信息入射光通量的強度和方向。在半導體技術環境下,不透明層或板條用于根據光的入 射方向來調制光(即,控制暴露于入射光束下的光檢測器面積的比例)。不透明板條由位于 透明電介質內相對于光傳感器芯片的光檢測器處于不同高度處的層制成。可以使用一種或 多種算法來處理來自光檢測器的信號,以便允許在測量入射光束的強度之外重構入射光束 的傾角和方位角。此外,通過在半導體技術環境下實現光傳感器,可以以單片的形式來制造 包括光檢測器和信號處理電子裝置在內的光傳感器。盡管可以實現光傳感器和光感測系統的不同實施例,然而至少一些實施例可以以 使用諸如互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術之類的現有技術的光檢測器來實現。此外,實 現方式可以在沒有諸如準直器和偏振器之類的外部組件的情況下工作,從而便于實現更小 的封裝和對空間的更有效利用。此外,實施例將通量和方向的感測集成到了單個封裝中。以 下更詳細地描述光傳感器和光感測系統、以及相應方法的其他實施例。圖1示出了對于折射率為1.8的均勻電介質,作為入射角的函數的可見光光功率 傳輸系數的圖示10。在一個實施例中,平行的光束入射在由對光透明的電介質制成的光傳 感器表面。電介質可以是折射率為1.8的非導電介質,而其他實施例可以使用具有不同折 射率的介電層。折射光的傾斜入射傳播方向由斯涅耳定律來限定nairsin[ θ χ = nsin[ θ ] (1)其中,空氣和介電層的折射率分別表示為和η,入射光束和折射光束相對于入 射表面法線的角度分別表示為9工和θ。如果光來自于空氣,則圖1示出了作為入射角的 函數的、計算出的(針對兩個偏振而組合的)透射功率。因此,在測量了位于介電層下方的 光檢測器處的入射光束角度的情況下,可以根據在介電層內部傳播的光的輻射強度以及入 射角,來恢復入射輻射強度。圖2示出了針對使用CMOS技術的五金屬電介質堆疊,在空氣中波長范圍為350nM 到IlOOnM的光束的光功率傳輸系數的三維圖示20,所述光功率傳輸系數是入射角以及波 長的函數。在一些實施例中,電介質堆疊用在作為技術環境的半導體技術中,以便于金屬互 連。由于在不同入射角針對特定波長而出現的類似Fabry-Perot諧振條件,電介質堆疊的 光功率傳輸系數可以實質上依賴于波長。因此,圖2提供了示例電介質堆疊中作為入射角 以及入射光的波長的函數的光功率傳輸系數的角度依賴性的圖示。圖3示出了針對結合圖2所描述的光束和電介質堆疊的光功率傳輸系數的等值線 圖30。在一個實施例中,在85度入射角處,電介質堆疊對于感興趣的所有頻譜區域是幾乎 不透明的。然而,在不同的角度和特定波長處看到透明度相對較高的一些“島”。對于函數 F1(A)所描述的入射輻射譜,可以如下計算傳輸通量F 其中,λ是入射光的波長。對于任何給定的入射光譜,傳播的光強度是入射角Q1的函數。還可以使用表達式1 (并且忽略折射率對波長的無關緊要的依賴性)將傳播的光 強度表示為角θ的函數。在必要時,如果引入折射率對波長的依賴性,則可以更精確地表 示角變換函數(表達式1);對于所需的精確程度,對于任何電介質成分來說角θ是都是入 射角Q1的明確函數。然而,為了簡明起見,假定由可見光譜(S卩,譜的形狀由針對純可見 光的典型眼睛響應曲線來給出)來描述入射光譜。圖4Α示出了光傳感器內的光學檢測器40的一個實施例的橫截面圖。通常,光學 檢測器40檢測入射在光學檢測器40上的光的強度和方向。所示出的光學檢測器40包括 基板42。光學檢測器40還包括一個或多個光檢測器44 (例如,光電二極管)和介電層46。 光檢測器44相對于介電層46而耦合,例如,直接物理接觸或通過中間物理材料來耦合。光 檢測器44檢測通過介電層46的入射光。介電層46實質上對入射光透明。此外,光學檢測器40還包括由嵌入在介電層46內的不透明板條50組成的若干堆 疊48。根據光學檢測器40的制造工藝,不透明板條50可以由任何不透明材料制成。不透 明板條50的一些示例材料包括金屬和多晶硅化物(poly-silicide)。水平地、近似與介電 層46和光檢測器44之間的界面平行地定向不透明板條50的堆疊48。在一個實施例中,不 透明板條50具有充分大于寬度維度的長度維度(在平面內)。板條的特定維度可以根據光 檢測器和介電層的實現方式而變化。作為一個示例,在四個金屬層中形成的板條的寬度可 以是3340nM、2490nM、1680nM和640nM(從堆疊底部的最寬板條到堆疊頂部的最窄板條)。 在該示例中,底部板條之間的示例寬度是2700nM。在另一示例實施例中,四個金屬層的寬度 可以是366011]\1、281011]\1、200011]\1和96011]\1,其中間隙也是270011]\1。其他實施例可以針對板條 使用不同的寬度和/或寬度比(或另一數目的板條)。此外,相鄰堆疊底部板條之間的寬度 可以是除了 2700nM以外的另一寬度。在這些示例中,長度可以是幾十或幾百微米。在至少 一些實施例中,長寬比是大約100。因此,不透明板條50的配置類似于木板或直尺,但是其尺寸適于半導體制造。不 透明板條50的堆疊48被布置為限定不透明板條50的相鄰堆疊48之間的光孔徑52。在 給定形成堆疊48的不透明板條50的分層特性的情況下,光孔徑52也可以稱作多層孔徑, 所述多層孔徑相對于光檢測器44位于不同深度處。參考圖4A,不透明板條50的五個堆疊 48 (以橫截面圖示出,每個堆疊48具有四個不透明板條50)限定了四個中間光孔徑52。在至少一些實施例中,堆疊48內的不透明板條50具有不同的橫截面寬度。如圖 4A所示,每個堆疊48中的四個不透明板條50的寬度從最寬(在堆疊48的底部)到最窄 (堆疊48的頂部)變化。盡管按照遞減的寬度示出了堆疊48中的不透明板條50,然而其 他實施例可以使用其他的寬度組合,此外可以按照另一順序來布置不透明板條50。在所示的實施例中,不透明板條50被布置為形成錐形堆疊48,所述錐形堆疊48在 靠近光檢測器44處最寬而在靠近介電層46的入射表面處最窄。備選地,可以利用一個或 多個堆疊48來實現其他錐形樣式。例如,實施例可以以在底部最窄而在頂部最寬的錐形的 形式來實現堆疊48。另一示例實施例可以實現實質上非線性錐形,其中,各個板條50的邊 沿與非線性曲線或路徑對齊。此外,圖4A所示的不透明板條50被不布置為限定具有非對稱橫截面的錐形堆疊 48。具體地,板條50 —側的邊沿近似與基板42的法線(S卩,垂直)方向對齊。然而,板條 50另一側的邊沿與基板42的法線方向成非零角。作為一個示例,對于折射率1. 8,所述非零角可以是大約33度,而其他實施例可以使用其他非零角。其他實施例可以實現非對稱錐 形堆疊48,其中,板條50兩側都與基板42的法線方向成非零角。在一個實施例中,由不透明板條50的堆疊48限定的光孔徑52與一個或多個光檢 測器44對齊。盡管可以實現各種類型的光檢測器44,然而至少一些實施例實現了分段式光 檢測器。在一些實施例中,光檢測器44可以是分光光檢測器。其他實施例可以使用其他類 型的光檢測器。圖4B示出了光傳感器內另一光學檢測器54的一個實施例的橫截面圖。光學檢測 器54的組成部分實質上類似于光學檢測器40。然而,不透明板條50的堆疊56被布置為限 定光孔徑58,所述光孔徑58本質上是光學檢測器40的光孔徑52的鏡像(S卩,反轉圖像) (堆疊56在另一側上具有錐形邊沿)。圖5A-5D示出了方向光傳感器的光學檢測器的各種布置。由于檢測是有用的。具 體地,圖5A示出了具有兩對光檢測器44 (第一對是Xl和X2 ;第二對是Yl和Y2)的光學檢 測器60,其中光檢測器44具有相應的不透明板條50的堆疊48 (在平面圖中被示為垂直和 水平線)。每對光檢測器44包括不透明板條50的平行堆疊48。然而,類似于圖4A和4B 所示的實現方式,每對中的不透明板條50的堆疊48是相反配置的。例如,與表示為Xl的 光檢測器44相對應的不透明板條50在一個方向上非對稱,如圖4A所示;然而,與表示為X2 的光檢測器44相對應的不透明板條50在相反方向上非對稱。類似地,與表示為Yl和Y2 的光檢測器44相對應的不透明板條50是平行的,但是使用相反的非對稱堆疊。應注意,使用多對光檢測器44可以便于檢測入射在光傳感器上的光束的方向以 及強度,只要其中兩對或更多對具有非平行的(例如,正交的)光孔徑52。例如,第一對光 檢測器44 (XI和X2)具有平行光孔徑52,與第二對光檢測器44 (Yl和Y2)的光孔徑52正 交。其他實施例可以使用不正交的非平行光孔徑52,或者正交和非正交光孔徑52的組合。 例如,圖5B使用三對六邊形光檢測器44的布置62,其中一對表示為1和2。作為另一示例, 圖5C使用兩對矩形光檢測器44的布置64,其中示例對也表示為1和2。作為另一示例,圖 5D使用與圖5A相類似的布置66,不同之處在于重新定位了光檢測器段對的位置。對于每 對光檢測器44或光檢測器段,光孔徑52的橫截面的輪廓如圖4所示并且如上所述。具體 地,每對光檢測器44或光檢測器段使用具有鏡像的或反轉的、楔形形狀的平行光孔徑52。 在這些實施例中的每個實施例中,不透明板條50的至少一些堆疊48被布置為與不透明板 條50的其他堆疊48成非零角。此外,光檢測器44被配置為檢測沿著與相應光孔徑52的 長度方向不平行的路徑入射的光。圖6示出了光子通量密度矢量F的圖示70,所述光子通量密度矢量70與光檢測 器44的平面(XY平面)相交。在該圖示70中,方位角表示為φ,相對于檢測器平面法線的 入射角表示為θ。如針對圖6的X和Y方向所示的,為了完整表示矢量F,檢測矢量F在感測方向上 的至少兩個投影。其他實施例可以使用多于兩個感測方向(例如,采用多于兩對的(檢測 器)段,它們具有與這些方向相對應的光孔徑52或狹縫),這使得可以檢測發散通量剖面 (profile)。圖7示出了圖4B的光學檢測器54的幾何參數。多層孔徑58的寬度在相對于光 學檢測器的正面(例如,芯片正面)的不同深度處變化。還應注意,不透明板條50的堆疊56使得可以根據入射光束的入射角在特定位置對光檢測器44有效地投陰影。換言之,光學 檢測器54包括不透明板條50的至少一個堆疊56,所述至少一個堆疊56阻擋某一入射角的 入射光到達與不透明板條50的相應堆疊54相鄰的光檢測器44。對于到達光檢測器44的 光,光檢測器產生一個或多個相應的電信號或光電流。 在通過電介質堆疊46進行變換之后,平行光束入射與光檢測器平面法線成角θ 入射在光檢測器44上。如上所述,位于介電層46中的不透明板條50在X和Y方向上呈現 出正交或非平行的光孔徑58的系統。在X和Y方向上進行感測的光檢測器44中產生的光 電流可以表示如下Ilx = Lwcos[ θ ]F[ θ ] η 其中,L是置于每個光檢測器前面的孔徑中開口的總長度,F[ θ ]表示光子通量功 率密度(入射角的函數),n表示針對所考慮的譜區域的光檢測器積分量子效率,φ是檢測 器平面處入射方向的方位角,Tg表示正切函數。在一些實施例中,堆疊56的高度h以及光 孔徑58的寬度W被指定為允許檢測到最大入射角θ_的光。最大角度θ_由限定均勻電 介質中的全內反射的相同條件來確定。
圖7所示的傳感器設計假定 w
從上述等式中,如下所示根據四個檢測到的信號得到方位角φ θ
上述幾何參數L、w和h以及表達式3a、3b、4a、4b可以用于如下所示推導出入射角
(8) 此外,可以使用表達式3a或4a來得到積分通量F。通過斯涅耳定律(或對電介質 堆疊中的多個介電層依次應用斯涅耳定律)根據電介質中的入射角θ來推導出空氣中的 入射角Θ”使用電介質堆疊的光功率傳遞函數,可以通過表達式2中描述的依賴性來恢復空氣中的光密度。可以針對任何給定的光源譜形狀(例如,針對純可見光,使用典型眼睛響 應曲線給定的形狀)來實現這一點。通過使用允許從光檢測器信號中提取可見輻射分量的 信號處理器,可以使用所提出的原理來完全恢復入射光輻射通量。上述光傳感器的實施例使用多個檢測元件來檢測入射光束的方向。光傳感器的實 施例還使用比多準直系統簡單的信號處理,并且可以使用更少的光傳感器。此外,束方向的 角分辨率取決于束的信噪比(SNR)和發散度。采用具有譜選擇性能力的光檢測器44,方向 光傳感器的實施例使得可以使用表達式2中所描述的光功率變換來實現源的譜恢復。圖8示出了光控系統90的一個實施例的示意性框圖。盡管所示出的光控系統90 包括本文所描述的若干功能塊,然而光控系統90的其他實施例可以包括更少或更多的功 能塊以實現更多或更少的功能。所示出的光控系統90包括光傳感器92、光信號處理器94和存儲器裝置96。在一 個實施例中,存儲器裝置96存儲一種或多種算法98。備選地,光信號處理器94可以實現硬 件或硬件與軟件的組合,以實現與所描述的算法98等效的功能。此外,在一些實施例中,算 法98中的一些或全部可以存儲在光信號處理器94的存儲器部分中或存儲在耦合至光信號 處理器94的另一設備中。在一個實施例中,光傳感器92、光信號處理器94和存儲器裝置 96實現在單個芯片100上。備選地,這些組件可以實現在分離的芯片或芯片的組合上。在一個實施例中,光傳感器92檢測入射光。上述光傳感器的任何實施例都可以用 在光控系統90中。在一個實施例中,如上所述,光傳感器92包括介電層46、多個光檢測器 44、以及不透明板條50的多個堆疊48。然而,在一些實施例中,光傳感器92可以僅具有平 行的光孔徑52,而沒有非平行的孔徑52。備選地,光傳感器92可以包括非平行的孔徑52。光信號處理器94耦合至光傳感器92以從光傳感器92的多個光檢測器44中的至 少一個光檢測器接收光檢測器信號(例如,光電流)。光信號處理器94還基于與相應光檢 測器44檢測到的入射光相關聯的光檢測器信號,來計算入射光(如與光傳感器92相鄰的 波狀線所示)的強度。對于包括正交或非平行光孔徑52的光傳感器92的實施例,光信號處理器94還基 于來自多個光檢測器44中的兩個或更多個光檢測器的光檢測器信號,來計算入射光信號 的方位角。此外,光信號處理器94基于來自多個光檢測器44中的兩個或更多個光檢測器 的光檢測器信號,來計算入射光信號的入射角。此外,光信號處理器94可以基于方位角計 算和入射角計算,來推導出入射光的強度。在一些實施例中,計算出的入射光強度表示介電 層46外部的入射光的強度。類似地,計算出的入射角可以表示介電層46外部的入射光的 入射角。所示的光控系統90還包括電源102和光源104。光源104針對諸如膝上型計算 機、移動電話、個人數字助理(PDA)、平視顯示器或其他類型的設備之類的電子設備產生光。 電源102耦合在光信號處理器94和光源104之間,以響應于光信號處理器94對入射光的 計算來調節光源104的輸出特性。例如,如果光信號處理器94經由光傳感器92確定環境 照明在閾值以上,則可以增大光源104的輸出。備選地,如果光信號處理器94經由光傳感 器92確定環境照明在閾值以下,則可以減小光源104的輸出。在其他實施例中,光信號處 理器94可以以另一方式與光源104接口連接,以響應于來自光傳感器92的信號來改變光 源104的特性。例如,光信號處理器94可以機械地控制光源104的位置或取向。其他實施例可以便于對光源104的其他類型控制。圖9示出了圖8的光控系統90的操作方法110的一個實施例的示意性流程圖。盡 管針對圖8的光控系統90描述了圖9的操作方法110,然而可以結合其他光控系統來實現 其他實施例。在方框112,光學檢測器在光傳感器92處接收入射光束。因此,如上所述,光檢測 器44基于到達光檢測器44的光的量來產生光電流。在方框116,光信號處理器94例如使 用上述等式,基于光電流來計算入射光束的方位角。在方框118,光信號處理器94還計算光 傳感器92的介電層46內入射光束的入射角。在一個實施例中,光信號處理器94基于光電 流以及不透明板條50的堆疊48的幾何參數來計算入射角。在方框120,光信號處理器94還基于光電流來計算入射光束的積分通量。在方框 122,光信號處理器94還計算空氣中入射光束的入射角。如上所述,使用斯涅爾定律,基于 電介質材料46中光束的入射角來計算空氣中入射光束的入射角。在方框124,光信號處理 器94還基于電介質材料46的光功率傳遞函數,來計算空氣中入射光束的強度。然后所述 方法110結束。然而,該方法的其他實施例可以實現其他操作以基于上述一個或多個計算 值來調節光源104的特性。圖10示出了用于制造光傳感器92的方法130的一個實施例的示意性流程圖。盡 管針對圖8的光傳感器92描述了圖10的方法130,然而可以結合其他光傳感器來實現其他 實施例。在方框132,在基板42上形成多個分段式光檢測器44。然后,在方框134,形成介 電層46,以與所述多個光檢測器44界面連接。在方框136,將不透明板條50的多個堆疊48 嵌入介電層46內。如上所述,堆疊48 (還有堆疊56)在不透明板條50的相鄰堆疊對之間 限定了相應光孔徑50 (還有光孔徑58)。在一些實施例中,與電介質堆疊的各個層相結合來 形成不透明板條50。然后所述方法130結束。在另一實施例中,方法130還包括布置不透明板條50的多個堆疊48,使得不透明 板條50的至少一些堆疊48被定向為與不透明板條50的其他堆疊48平行,不透明板條50 的另一些堆疊48被定位成與不透明板條50的平行堆疊48成非零角。此外,不透明板條50 的每個堆疊48可以包括錐形堆疊48形式的多個不透明板條50,所述錐形堆疊48沿著相對 于多個光檢測器44的表面實質上垂直的方向遠離所述多個光檢測器44而變窄。此外,每 個堆疊48內的每個不透明板條50可以具有與相同堆疊48內的其他不透明板條50不同的 寬度,每個堆疊48的不透明板條50可以被布置為形成非對稱錐形堆疊。 在另一實施例中,方法130還包括在單個芯片100上組合光傳感器92和相關信號 處理電路(例如,光信號處理器94)。光信號處理器94可以包括用于實現執行以下計算的 算法的電路計算入射光束的傾斜角、計算入射光束的方位角、以及計算入射光束的強度測 量。此外,光信號處理器94可以包括用于實現執行以下計算的算法的電路基于入射光的 方向重構以及計算出的入射光束強度的傳遞函數,來計算入射光的積分通量以及入射光束 的束頻譜。光信號處理器94的其他實施例可以包括實現其他功能的其他電路。
盡管針對控制例如顯示器監視器的亮度來描述了上述各實施例,然而可以實現其 他實施例以便于對系統的其他方面進行控制。作為另一示例,一些實施例可以結合導光設 備的操作來實現。
盡管描述并示出了本發明的特定實施例,然而本發明不限于本文所描述和示出的 部件的特定形式或布置。本發明僅由權利要求來限制。
權利要求
一種用于檢測入射光的強度和入射光的入射角的光傳感器,所述光傳感器包括介電層,其中所述介電層對入射光實質上透明;相對于介電層而耦合的多個光檢測器,所述光檢測器檢測通過介電層的入射光;以及嵌入介電層內、與介電層和光檢測器之間的界面近似平行的多個不透明板條堆疊,所述多個不透明板條堆疊在相鄰的不透明板條堆疊之間限定光孔徑,其中至少一些不透明板條堆疊被布置為與其他不透明板條堆疊成非零角。
2.根據權利要求0所述的光傳感器,其中,所述多個不透明板條堆疊還包括 實質上彼此平行的第一不透明板條堆疊對;以及實質上彼此平行并且實質上與第一不透明板條堆疊對正交的第二不透明板條堆疊對。
3.根據權利要求0所述的光傳感器,其中,至少一個不透明板條堆疊內的不透明板條 具有不同寬度并且被布置為形成錐形堆疊,其中,錐形堆疊的橫截面限定非對稱錐形。
4.根據權利要求0所述的光傳感器,其中,所述多個光檢測器包括分段式光檢測器,不 透明板條堆疊所限定的光孔徑與分段式光檢測器對齊。
5.根據權利要求0所述的光傳感器,其中,分段式光檢測器包括分光光檢測器。
6.根據權利要求0所述的光傳感器,其中,不透明板條包括金屬板條或多晶硅板條。
7.根據權利要求0所述的光傳感器,其中,至少一個不透明板條堆疊被配置為阻止一 定入射角的入射光到達與相應的不透明板條堆疊相鄰的光檢測器。
8.一種光感測系統,包括用于檢測入射光的光傳感器,所述光傳感器包括 介電層,其中所述介電層對入射光實質上透明;相對于介電層而耦合的多個光檢測器,所述光檢測器檢測通過介電層的入射光;以及 嵌入介電層內、與介電層和光檢測器之間的界面近似平行的多個不透明板條堆疊,所 述多個不透明板條堆疊在相鄰的不透明板條堆疊之間限定光孔徑,以及耦合至光傳感器的光信號處理器,所述光信號處理器從所述多個光檢測器中的至少一 個光檢測器接收光檢測器信號,并基于與相應的光檢測器檢測到的入射光相關聯的光檢測 器信號來計算入射光的強度。
9.根據權利要求0所述的光感測系統,其中,至少一些不透明板條堆疊被布置為與其 他不透明板條堆疊正交。
10.根據權利要求0所述的光感測系統,其中,光信號處理器還被配置為基于來自所述 多個光檢測器中的兩個或更多個光檢測器的光檢測器信號,來計算入射光信號的方位角。
11.根據權利要求0所述的光感測系統,其中,光信號處理器還被配置為基于來自所述 多個光檢測器中的兩個或更多個光檢測器的光檢測器信號,來計算入射光信號的入射角。
12.根據權利要求0所述的光感測系統,其中,光信號處理器還被配置為基于方位角計 算和入射角計算,來推導出入射光的強度。
13.根據權利要求0所述的光感測系統,其中,計算出的入射光的強度表示介電層外部 的入射光的強度,計算出的入射角表示介電層外部的入射光的入射角。
14.根據權利要求0所述的光感測系統,還包括 光源,針對電子設備產生光;以及電源,耦合在光信號處理器與光源之間,所述電源響應于光信號處理器對入射光的計2算,來調節光源的輸出特性。
15.根據權利要求0所述的光感測系統,還包括耦合至光信號處理器的存儲裝置,所述 存儲裝置存儲光信號處理器針對入射光而執行的計算的算法。
16.根據權利要求0所述的光感測系統,其中,在芯片上實現光傳感器的電子組件,在 相同的芯片上實現光信號處理器的電子組件。
17.—種制造光傳感器的方法,所述方法包括在基板上形成多個分段式光檢測器;形成介電層以與所述多個分段式光檢測器界面連接;以及將多個不透明板條堆疊嵌入介電層內,以在相鄰的不透明板條堆疊對之間限定相應的 光孔徑。
18.根據權利要求0所述的方法,還包括將所述多個不透明板條堆疊布置為使得至少 一些不透明板條堆疊被定向為與其他不透明板條堆疊平行,而另一些不透明板條堆疊被定 向為與平行的不透明板條堆疊成非零角,其中,每個不透明板條堆疊包括錐形堆疊形式的多個不透明板條,所述錐形堆疊沿著相對于 所述多個光檢測器的表面實質上垂直的方向遠離所述多個光檢測器而變窄,每個堆疊內的每個不透明板條具有與相同堆疊內的其他不透明板條不同的寬度,并且 每個堆疊的不透明板條被布置為形成非對稱錐形堆疊。
19.根據權利要求0所述的方法,還包括在單個芯片上組合光傳感器和相關的信號處 理電路,其中,所述相關的信號處理電路包括用于實現計算入射光束的傾斜角的算法的電路;用于實現計算入射光的方位角的算法的電路;以及用于實現計算入射光束的強度測量的算法的電路。
20.根據權利要求0所述的方法,其中,所述相關的信號處理電路還包括用于實現計算入射光束的積分通量的算法的電路;以及用于實現基于入射光束的方向重構以及計算出的入射光束強度的傳遞函數來計算入 射光束的束頻譜的算法的電路。
全文摘要
本發明提供了一種用于檢測入射光強度和入射光的入射角的光傳感器和光感測系統。所述光傳感器包括介電層;相對于介電層而耦合的多個光檢測器;以及嵌入介電層內的多個不透明板條堆疊。介電層對入射光實質上透明。光檢測器檢測通過介電層的入射光。不透明板條堆疊近似與介電層和光檢測器之間的界面平行。不透明板條堆疊在相鄰的不透明板條堆疊之間限定了光孔徑。至少一些不透明板條堆疊被布置為與其他不透明板條堆疊成非零角。
文檔編號G01J1/04GK101910808SQ200880123589
公開日2010年12月8日 申請日期2008年12月26日 優先權日2008年1月2日
發明者帕德雷格·歐馬休娜, 維塔利·蘇什科夫, 羅伯特·范達倫 申請人:Nxp股份有限公司