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索尼新型CMOS传感器内置偏振元件,去除玻璃反射

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索尼新型CMOS传感器内置偏振元件,去除玻璃反射

索尼的半导体制造和索尼半导体解决方案部门在“IEDM 2016”上发表论文演讲,介绍了新型背照式CMOS传感器(BSI)。该传感器的特点是配备了偏振元件(polarizar)。在普通偏振相机上,成像元件和偏振元件是各自独立的,有的把偏振元件设在位于BSI受光部(PD:Photo Ditector)上方的片上透镜(On-chip lens)与该透镜上方的外置保护玻璃之间。而此次发布的BSI则是在PD的上方设置用金属线栅制作的偏振元件,实现了单芯片化。

由此可以实现比以往更小、成本更低的偏振相机。

偏振相机的代表性用途有两个。一是监控摄像头,拍摄人的肉眼看不到的场所。例如太阳光会在汽车前挡风玻璃上产生镜面反射,反射光会导致肉眼看不清驾驶席的情况,而偏振相机仍能清晰拍摄。前挡风玻璃镜面反射的光与车内人物反射的光具有不同的偏振状态,只将前挡风玻璃反射的光分离出来,就可以拍摄车内的情况。

另一个用途是三维测量。通过捕捉测量对象表面反射光的偏振状态,就可以更加精细地拍摄到物体表面的凹凸。不过,用偏振相机只能分辨出位移量,并不能分辨与物体之间的距离的绝对值。因此,要想知道距离,同时还要使用立体摄像头那样的距离传感器。

研究人员认为,此次试制的摄像元件还可用于上述以外的用途。在IEDM上发表论文也是为了探索新的应用。

索尼新型CMOS传感器内置偏振元件,去除玻璃反射

左为以往产品,右为此次试制品的结构(图片来自IEDM,由索尼集团制作)

还抑制重影

偏振元件是一种只让特定偏振状态的光透过而把其他光全部反射出去的滤镜。试制摄像元件上搭载的偏振元件有4种,分别让不同偏振方向(偏振角)的线性偏振光透过(0度、45度、90度、135度)。

索尼在演讲中强调,作为偏振相机(传感器)指标的透射率和“消光比”都没有问题。消光比方面,在400nm~700nm波段实现了比以往偏振相机更高的消光比。此外还具有灵敏度和消光比对入射角依存度低等优点。

另外,还克服了拍摄的影像中映入了偏振元件的课题(“鬼影”)。偏振相机中,偏振元件的反射光会反射到其上方的镜头上,然后再反射到该元件上。因此拍摄的影像中会映出偏振元件。为此,此次作为偏振元件的金属线栅的上方另外设置了防反射层,使来自该元件的反射光不射入镜头。由此大大降低了偏振元件造成的鬼影问题。

索尼新型CMOS传感器内置偏振元件,去除玻璃反射

左为4种偏振元件。右为偏振元件发挥功能的线栅和抑制鬼影的防反射层(图片来自IEDM,由索尼集团制作)

试制320万像素产品

索尼在演讲中还公布了试制品的规格和彩色的影像样品。试制品为1/2.8型320万(水平2065 垂直1565)像素,像素尺寸为2.5 m见方。帧速为120帧/秒。透射率63.3%,消光比为85,使灵敏度减半的入射角在垂直和水平方向上均为30度。采用90nm的制造工艺制造。线栅的周期为150nm。

影像样品拍摄的是一个透明的盒子以及盒子里的物品。展示了2种影像,一种是仍保留着盒子上反射出的盒子内外物品的影子,另一种影像中则消除了反射。(记者:根津祯)

索尼新型CMOS传感器内置偏振元件,去除玻璃反射

透明的盒子及盒子里的物品。左边的影像中,盒子上留着反射出的物品的影子,右边则消除了反射出的影子。(照片:IEDM、拍摄:索尼集团)

(全文完)

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