CN100481479C - 半导体感光器件所用图像传感器及使用它的图像处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像传感器和使用该图像传感器的图像处理装置，其中图像传感器具有敞开窗格与单色滤色器格交替的滤色器阵列。图像传感器包括：透镜阵列，包括多个微透镜；滤色器阵列，具有多个敞开窗格和滤色器格，每个均对应于一个微透镜。图像传感器还包括：保护层；以及像素传感器阵列，其包括：第一光电传感器，用于感应穿过每个滤色器格的第一光；第二光电传感器，形成于第一光电传感器之下，用于感应穿过每个滤色器格的第二光；第三光电传感器，用于感应穿过每个敞开窗格的第三光；以及第四光电传感器，形成于第三光电传感器之下，用于感应穿过每个敞开窗格的第四光。

Description

半导体感光器件所用图像传感器及使用它的图像处理装置

本申请要求于2005年5月25日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2005-44149号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及在摄像机、数码相机等中使用的图像传感器和图像处理装置。更具体地，本发明涉及用于半导体感光器件的图像传感器以及使用它的图像处理装置，其中，该半导体感光器件使用具有彼此交替的敞开窗口和单色滤色器的滤色器阵列，用于每个像素使用多种颜色信息，以能够进行更精确的插值，从而用于每个像素提取更精确的颜色。

背景技术

总的来说，借助于有线/无线高速网络系统的图像通信中的最近发展，以及诸如用于数码相机中的图像输入和识别技术，导致增加了数码相机模块在移动无线电通信终端(诸如移动电话)中的使用。相应地，在数码相机模块中使用的图像传感器方面进行积极的研究和开发。

这样的图像传感器是感应由物体反射的光以感应对象图像的传感器。根据制造技术，图像传感器主要分为电荷耦合器件(CCD)型和互补金属氧化物半导体(CMOS)型。

CCD图像传感器使用门脉冲将由光产生的电子传送到输出部。在该过程中，由于外部噪声，电压可能变化，但是电子的数量不会有变化。因此，噪声不影响输出信号，这表现出抗噪声的优越特性。由于这样的优点，CCD型图像传感器广泛地用于诸如数码相机和摄像机等需要高级图像质量的多媒体装置中。

另一方面，CMOS图像传感器(CIS)将由光产生的电子转变成每个像素中的电压，然后通过多个CMOS开关输出该电压。此时，电压信号可能由于噪声而衰减，这表现出抗噪声的平庸性能。然而，同CCD型相比，CIS的诸如低制造成本、低功率消耗、以及可以与附近电路集成的优点众所周知，在二十世纪九十年代末，人们努力改进了CMOS处理技术以及信号处理算法。因此，随着时间的流逝，已经改进了现有的缺点，近来，对CIS的研究变得更加活跃。

涉及图像传感器的最具代表性的技术包括拜耳模式(Bayerpattern)的滤色器阵列，以及允许在每个像素中感应所有三种颜色的三光电二极管色敏元件。如今，大多数图像传感器中使用的都是拜耳模式技术，其中，三种颜色由滤色器分开，使得光在每个像素被感应。

图1是示出了传统图像处理装置的框图。

参照图1，传统图像处理装置包括：图像传感器10，包括多个微透镜11、滤色器阵列12、保护层13、和像素传感器阵列14；以及信号处理器20，用于诸如通过插值来自图像传感器的颜色信号R、G、B来处理信号。

这里，如图1中所示，滤色器阵列12采用的是在包括CCD型图像传感器的大多数图像传感器中使用的拜耳模式。

图2是示出图1中示出的拜耳模式的滤色器阵列的示意图。

参照图1和图2，滤色器阵列12采用众所周知的拜耳模式。拜耳模式由多个基本单元(unit)组成，每个基本单元由2×2个格子(cell)构成，其中，两个绿色滤色器对角布置，以及单个的红色和蓝色滤色器均对角布置。由于人眼对绿色比对红色和蓝色更敏感，因此绿色滤色器区域由两个格子构成。

像素传感器阵列14包括：光电传感器，用于通过光电二极管接收光；以及信号检测器，用于输出由光电传感器产生的信号。光电传感器和信号检测器的微型化是CMOS图像传感器的核心技术。光电传感器是与常规CMOS图像传感器兼容的常规P-N结结构的光电二极管，因此广泛地用于CMOS图像传感器。包括这样的光电传感器的像素传感器阵列的结构如图3所示。

图3是示出图1中示出的图像传感器的像素传感器阵列的框图。

参照图1和图3，像素传感器阵列14包括：P+衬底14-1；P-外延层14-2，生长在P+衬底14-1上；N-阱层14-3，形成于P-外延层14-2上，其形成能够接收光的单P-N结结构的光电传感器；以及P+浅结层14-4，由从P-外延层14-2的上表面向下预定深度的P+半导体材料形成。N-阱层具有大约0.6μm的结深。

此外，信号检测器将由光电传感器从光转换的信号转换成输出到信号处理器20的电压。

图4(a)和(b)是用于说明由图1中示出的信号处理器进行的插值的示意图。

参照图4(a)和(b)，由信号处理器20进行的插值处理是由在图像传感器10中采用的滤色器的模式决定的。

参照图4(a)，在用于插值的单元被设置为2×2个格子时，根据如下的等式1进行2×2插值，从而获得对于任意像素的用于红色R、绿色G、和蓝色B的颜色信息ri、gi、和bi。

ri＝R

gi＝(G+G)/2

bi＝B     等式1

这里，ri、gi、和bi是通过插值获得的任意像素的RGB颜色信息。

如等式1中所示，每个像素的RGB颜色信息通过插值获得。这里，绿色信息gi基于任意像素中的两个颜色信号而获得，而红色信息ri和蓝色信息bi分别仅基于一个颜色信号而获得。因此，如果红色R信号和蓝色B信号在这种情况下由于噪声而失真，则这可能是由于CMOS图像传感器中诸如固定图像噪声(fixed pattern noise)的误差而导致。即，如果由于在制造过程中缺少一致性而导致白噪声和暗噪声在红色信号和蓝色信号中占据较大部分，则插值由于固定图像噪声而变得不够精确。这在小像素的高度密集像素排布中更加严重。

为了克服这样的缺点，有时在高密度图像传感器中使用3×3插值，以下将参照图4(b)对其进行描述。

参照图4(b)，使用拜耳模式的滤色器阵列12，根据如下的等式2进行3×3插值，从而获得红色、绿色、和蓝色信息ri、gi和bi。

1.红色像素中的3×3插值

ri＝R

gi＝(G+G+G+G)/4

bi＝(B+B+B+B)/4

2.绿色像素中的3×3插值

ri＝(R+R)/2

gi＝(G+G+G+G+G)/5

bi＝(B+B)/2

3.蓝色像素中的3×3插值

ri＝(R+R+R+R)/4

gi＝(G+G+G+G)/4

bi＝B              等式2

如等式2中所示，在红色像素中，绿色G信息gi和蓝色B信息bi由相邻的4个颜色信号的平均值获得，但是红色R信息ri由单个颜色信号获得。在蓝色像素中，红色R信息ri和绿色G信息gi从相邻的4个颜色信号的平均值获得，但是蓝色B信息bi从单个颜色信号获得。因而，3×3插值允许从最多5个彩色信号的平均值获得颜色信息，并且因此不会受到像2×2插值那样的固定图像噪声的影响。此外，3×3插值包括从单个颜色信号获得颜色信息的情况，同样具有2×2插值中存在的问题。

如上所述，在传统图像传感器和图像处理装置中，每个像素的颜色信息是基于单个颜色信号来获得。在该情况下，如果红色R和蓝色B信号被噪声变形，则在CMOS图像传感器中会发生诸如固定图像噪声的误差。同样，如果由于在制造过程中缺少一致性而导致白噪声和暗噪声占据大部分，则插值由于固定图像噪声而变得更不精确，这使得每个像素不能提取精确的颜色信息。

发明内容

本发明致力于解决现有技术的上述问题，因此本发明的一个目的在于提供一种用于半导体感光器件的图像传感器以及一种使用它的图像处理装置，该图像传感器使用具有与单色滤色器格(colorfilter cell)交替的敞开窗格(open window cell)的滤色器阵列，以允许每个像素在插值期间使用多种颜色的信息，最小化有缺陷像素或噪声的影响，以使更精确的插值成为可能，从而用于每个像素提取更精确的颜色信息。

根据本发明实现该目的一个方面，提供了一种图像传感器，包括：透镜阵列，包括以二维矩阵排布的多个微透镜；滤色器阵列，其形成于透镜阵列下面，包括多个敞开窗格和多个滤色器格，每个都对应于透镜阵列中的一个微透镜，其中，每个敞开窗格使红光、绿光、和蓝光通过，而每个滤色器格使预定颜色的光通过；保护层，在滤色器阵列下面由介电材料形成；以及像素传感器阵列，形成于保护层下面，包括：第一光电传感器，用于感应通过每个滤色器格的第一光；第二光电传感器，形成于第一光电传感器之下，用于感应通过每个滤色器格的第二光；第三光电传感器，用于感应通过每个敞开窗格的第三光；以及第四光电传感器，形成于第三光电传感器之下，用于感应通过每个敞开窗格的第四光。

根据实现该目的的本发明的另一方面，还提供了一种图像传感装置，包括：透镜阵列，包括以二维矩阵排布的多个微透镜；滤色器阵列，其形成于透镜阵列下面，包括在行和列中彼此交替的多个敞开窗格和多个滤色器格，每个都对应于透镜阵列中的一个微透镜，其中，每个敞开窗格使红光、绿光、和蓝光通过，而每个滤色器格使预定颜色的光通过；保护层，在滤色器阵列下面由介电材料形成；像素传感器阵列，其形成于保护层下面，包括：第一光电传感器，用于感应通过多个滤色器格中的每一个的第一光；第二光电传感器，形成于第一光电传感器之下，用于感应通过多个滤色器格中的每一个的第二光；第三光电传感器，用于感应通过多个敞开窗格中的每一个的第三光；以及第四光电传感器，形成于第三光电传感器之下，用于感应通过多个敞开窗格中的每一个的第四光；以及信号处理器，用于将分别由第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器、和第四光电传感器所感应的第一信号、第二信号、第三信号、和第四信号A/D转换成数字信号，并且从数字信号中提取颜色信息。

在根据本发明的图像传感器和图像处理装置中，滤色器阵列具有与透镜阵列相同的、对应的维数。

滤色器阵列的滤色器格使从由红色、绿色、蓝色、黄色、品红色、青色、以及鲜绿色(emerald green)组成的组中选择的颜色通过。

像素传感器阵列包括：基底，由P型半导体材料形成；外延层，在基底上由P型半导体材料形成；第一光电阱层，具有由N型半导体材料以从外延层的上表面向下的预定第一深度形成的多个第一光电阱区，其中，每个第一光电阱区通过与外延层的P-N结形成第一光电传感器和第三光电传感器；以及第二光电阱层，具有由具有预定厚度的N型半导体材料以从外延层的上表面向下比第一深度深的预定第二深度形成的多个第二光电阱区，其中，多个第二光电阱区中的每个与多个第一光电阱区中的每个相重叠，并且通过与外延层的P-N结形成第二光电传感器和第四光电传感器。

像素传感器阵列进一步包括P+浅结层，由P+半导体材料以从外延层的上表面向下的预定第三深度制成，以防止外延层的任何表面缺陷。

像素传感器阵列的第一光电阱层以大约为0.6μm的第一深度形成。

像素传感器阵列的第二光电阱层以从大约2.75μm到大约3.5μm的第二深度形成。

像素传感器阵列的P+浅结层以从大约0.01μm到大约0.2μm的第三深度形成。

像素传感器阵列的第二光电阱层的第二深度在滤色器阵列的滤色器格是红色滤色器的情况下，比滤色器阵列的滤色器格是绿色滤色器或蓝色滤色器的情况下大。

此外，在本发明的图像处理装置中，信号处理器被设置为将由两个敞开窗格和两个滤色器格组成的2×2格子单元所感应的光信号A/D转换成数字信号，并且从该数字信号中提取颜色信息。

可选地，信号处理器被设置为将由四个敞开窗格和五个滤色器格组成的3×3格子单元所感应的光信号A/D转换成数字信号，并且从该数字信号提取颜色信息。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征、和其他优点将更加容易被理解，在附图中：

图1是传统图像处理装置的框图；

图2是示出了图1中示出的图像传感器的像素传感器阵列的图案(pattern)的示意图；

图3是示出图1中示出的图像传感器的像素传感器阵列的结构图；

图4是示出图1中示出的信号处理器的插值的示意图；

图5是示出根据本发明的图像处理装置的框图；

图6是示出图5中示出的图像传感器的滤色器阵列的图案的示意图；

图7是示出图5中示出的图像传感器的像素传感器阵列的框图；

图8是图5中示出的图像传感器的像素传感器阵列的部分A的放大图；

图9(a)、(b)、和(c)是示出图6中示出的滤色器阵列的格子图案的实例的示意图；

图10a至10c是示出由本发明的滤色器阵列的不同滤色器进行的感光的原理的示意图；以及

图11(a)和(b)是用于说明根据本发明的信号处理器的插值的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述根据本发明的优选实施例。具有大体相同功能和构造的组成部分将用相同的参考标号来表示。

图5是根据本发明的图像处理装置的框图。

参照图5，根据本发明的图像处理装置包括：图像传感器(IMS)，用于感应来自物体图像的光；以及信号处理器500，用于处理来自IMS的信号。

参照图5，IMS包括：透镜阵列100、滤色器阵列200、保护层300、和像素传感器阵列400，每个都在硅半导体中形成。透镜阵列100包括形成为二维矩阵的多个微透镜110。这里，每个微透镜都将入射光聚焦到预定区域。

图6是示出图5中示出的IMS的滤色器阵列的图案的示意图。

参照图5和图6，滤色器阵列200形成于透镜阵列100的下面，包括多个敞开窗格O和滤色器格C，每个都对应于一个微透镜。敞开窗格O在行中和列中与滤色器格C交替。每个敞开窗格O都允许所有的红色R、绿色G、和蓝色B光入射通过每个微透镜。每个滤色器格C允许光中预定颜色的光入射通过每个微透镜。

即，滤色器阵列200包括以格子图案排布的多个敞开窗格O和滤色器格C。例如，滤色器格C设置在一个敞开窗格O的上侧和下侧、左侧和右侧的四个位置上，并且，敞开窗格O设置在一个滤色器格C的上侧和下侧、左侧和右侧的四个位置。

具有格子图案的滤色器阵列200以与透镜阵列100基本上相同的、对应的维数形成，使得透镜阵列100的每个微透镜与敞开窗格O或滤色器格C对准。

此外，滤色器阵列200的滤色器格过滤的颜色是从由红色R、绿色G、蓝色B、黄色Y、品红色、青色、以及鲜绿色组成的组中选择的一种，下面将参照图9对此进行描述。

参照图5，保护层300由介电材料形成于滤色器阵列下面。保护层300用于保护电路图案或电路元件，该电路图案用于将每个光电传感器与外部电路相连接，该电路元件用于将来自光电传感器的光转换成电信号。

图7是示出图5中示出的图像传感器的像素传感器阵列的框图。

参照图5至图7，形成于保护层300下面的像素传感器阵列400包括：第一光电传感器PS1，用于感应第一光OP1；第二光电传感器PS2，用于感应第二光OP2；第二光电传感器PS2形成于第一光电传感器PS1下面，每束光均通过多个滤色器格C中的一个；第三光电传感器PS3，用于感应第三光OP3；以及第四光电传感器PS4，用于感应第四光OP4，第四光电传感器PS4形成于第三光电传感器PS3的下面，每束光均通过多个敞开窗格O中的一个。

这里，第一光OP1和第二光OP2是穿过滤色器格C的光。第三光OP3是穿过敞开窗格O的包含所有红色R光、绿色G光、和蓝色B光的光，以及第四光OP4是穿过敞开窗格O的包含红色R光和绿色G光的光。

图8是图5中示出的图像传感器的像素传感器阵列的部分A的放大图。

参照图5和图8，像素传感器阵列400包括基底410、外延层420、第一光电阱层430、和第二光电阱层440。

基底410由P型半导体材料形成。

外延层420由P型半导体材料形成于基底410上。

第一光电阱层430包括由N型半导体材料预定以从外延层420的上表面向下第一深度D1形成的多个第一光电阱区PWA1。每个第一光电阱区PWA1被设计为通过与外延层420的P-N结而形成第一光电传感器PS1和第三光电传感器PS3。

这里，第一光电传感器PS1检测第一光以输出第一信号S1，以及第二光电传感器PS2检测第二光以输出第二信号S2。第三光电传感器PS3检测第三光以输出第三信号S3，以及第四光电传感器PS4检测第四光以输出第四信号S4。

第二光电阱层400，包括预定以从外延层420的上表面向下比第一深度D1深的第二深度D2形成的多个第二光电阱区PWA2。第二光电阱区PWA2由具有预定厚度的N型半导体材料形成。每个第二光电阱区PWA2与多个第一光电阱区PWA1中的每个重叠，并且被设计为通过与外延层420的P-N结形成第二光电传感器PS2和第四光电传感器PS4。

如上所述，本发明的像素传感器阵列400包括具有由第一光电阱层430和第二光电阱层440形成的双结结构。即，为了感应通过每个滤色器格C的第一光和第二光，第一光电传感器PS1和第二光电传感器PS2形成双结结构。同样，为了感应通过每个敞开窗格O的第三光和第四光，第三光电传感器PS3和第四光电传感器PS4形成双结结构。

此外，为了防止外延层420的任何表面缺陷，像素传感器阵列400可以进一步包括P+浅结层450，其由P+半导体材料以从外延层420的上表面向下的预定第三深度D3形成。P+浅结层450防止外延层420暴露于外部，因此防止由外延层420的可能的暴露而引起的电流泄露。此外，用于形成本发明的像素传感器阵列400的各个层的半导体材料可以使用硅。

同时，检测信号中包含的颜色信息根据形成第三光电传感器PS3和第四光电传感器PS4的深度而变化的原因在于，光渗入半导体内部的深度(光到达半导体内部的深度)根据光的波长而变化。因此，蓝色B、绿色G、和红色R透入半导体材料中的深度彼此不同。例如，蓝色B、绿色G、和红色R的透入深度分别为大约1μm、3μm、和6μm。

由于在取决于光波长的渗入深度方面的差异，第一光电阱层430和第二光电阱层440以考虑了期望光的波长的渗入深度的深度来形成，以检测期望的颜色信号。

例如，如果形成像素传感器阵列400的第一光电阱层430的第一深度D1很小，则对蓝光的感光能力增强。然而，由于制造工艺该第一深度D1倾向于为6μm，并且如果该第一深度D1越大，则对红光和绿光的感应能力将越弱。

像素传感器阵列400的第二光电阱层440以大约2.7μm到大约3.5μm的第二深度形成，并且厚度为大约0.75μm。如果该厚度越小，则对于红光和绿光的感应能力将越弱。

像素传感器阵列400的P+浅结层450以确定在大约0.01μm至0.2μm的范围内的第三深度D3形成。

如上所述，当滤色器阵列200的滤色器格C是使红色R、绿色G、和蓝色B中的某一颜色通过的特定滤色器时，第一光电传感器PS1和第二光电传感器PS2从穿过滤色器格C的第一光和第二光中只能获得来自于红色R、绿色G、和蓝色B中的该特定颜色信息。另一方面，第三光电传感器PS3和第四光电传感器PS4可以从通过敞开窗格O的第三光和第四光中获得关于所有红色R、绿色G、和蓝色B的信息。

在具有这样的双结结构的光电传感器中，第三光电传感器PS3和第四光电传感器PS4检测穿过敞开窗格C的光，然后通过其输出端子输出第三信号S3和第四信号S4。第三信号S3含有红色R、绿色G、和蓝色B的颜色信息，而第四信号S4含有绿色G和红色R的颜色信息。此外，第一光电传感器PS1和第二光电传感器PS2检测通过滤色器格C的光，然后通过其输出端子输出第一信号S1和第二信号S2。第一信号S1和第二信号S2仅含有红色R的颜色信息，因此，可以通过单条线连接，并且作为整合信号输出。结果，具有检测通过敞开窗格O的光的双结结构的光电传感器PS3和PS4输出两个信号S3和S4，而具有双结结构的光电传感器PS1和PS2输出一个信号S1+S2。

图9(a)、9(b)、和9(c)是示出滤色器阵列的格子图案的实例的示意图。

图9(a)示出了滤色器格C是红色滤色器的情况下的格子图案。用R表示透红色的滤色器格C，用B/G表示透所有光中除红色之外的蓝色和绿色的敞开窗格O。

图9(b)示出了在滤色器阵列的滤色器格C是绿色G滤色器的情况下的格子图案。用G表示透绿色的滤色器格C，用B/R表示透所有光中除绿色之外的蓝色和红色的敞开窗格O。

此外，图9(c)示出了在滤色器阵列200的滤色器格C是蓝色B滤色器的情况下的格子图案。用B表示透蓝色的滤色器格C，用R/G表示透所有光中除蓝色之外的红色和绿色的敞开窗格O。

图10a至10c是用于解释根据本发明的滤色器阵列的不同滤色器而改变的感光原理的示意图。如图10a至10c中所示，第三光电传感器PS3和第四光电传感器PS4检测入射通过敞开窗格O的光。由于第三光电传感器PS3以所有颜色可以透过的深度形成，因此从第三光电传感器输出的第三信号S3含有所有红色R、绿色G、和蓝色B。此外，由于第四光电传感器PS4以红色R和绿色G可以透过的深度形成，因此从第四光电传感器PS4输出的第四信号S4含有红色R和绿色G。

由于穿过滤色器格C的光根据不同的滤色器而改变，因此，第一信号S1和第二信号S2含有不同的颜色，这将在下文中描述。

在图10a中，在滤色器阵列200的滤色器格C是红色R滤色器的情况下，像素传感器阵列400的第一光电传感器PS1和第二光电传感器PS2感应红色R，因此第一信号S1和第二信号S2含有红色R。

在图10b中，在滤色器阵列200的滤色器格C是绿色G滤色器的情况下，第一光电传感器PS1和第二光电传感器PS2感应绿色G，因此第一信号S1和第二信号S2含有绿色。

在图10c中，在滤色器阵列200的滤色器格C是蓝色B滤色器的情况下，像素传感器阵列400的第一光电传感器PS1和第二光电传感器PS2可以感应蓝色B，因此第一信号S1和第二信号S2含有蓝色B。

参照图10a至10c，像素传感器阵列的第二深度D2在滤色器阵列的滤色器格C是绿色G或蓝色B滤色器的情况下比滤色器阵列的滤色器格C是红色R滤色器的情况下小。如上所述，光的波长越大，透入硅中越深，并且由于绿光和蓝光的波长比红光小，因此即使在较小深度仍然能够检测到绿光和蓝光。

信号处理器500(见图5)将来自第一光电处理器PS1、第二光电处理器PS2、第三光电处理器PS3、以及第四光电处理器PS4的第一信号S1、第二信号S2、第三信号S3、以及第四信号S4A/D转换成数字信号，然后插值该数字信号，以从其中提取红色R、绿色G、和蓝色B的颜色信息。

信号处理器500能够根据滤色器阵列420的格子图案来进行2×2插值和3×3插值。

图11(a)和(b)是用于解释由根据本发明的信号处理器进行插值的示意图。

参照图11(a)和(b)，信号处理器500(见图5)把在2×2格子单元(由两个敞开窗格O和两个滤色器格C组成)处感应的光信号A/D转换成数字信号，并从该数字信号获取颜色信息。

例如，参照图11(a)，在滤色器阵列420的滤色器格C是绿色G的情况下，2×2格子单元的插值可以根据下面的等式3来进行。

ri＝(R1+R4)/2

gi＝(G2+G3)/2

bi＝(B1+B4)/2          等式3

如以上等式3中所示，可以从两个光信号的平均值获得任意像素的RGB颜色信息ri、gi和bi。从敞开窗格，不但可以获得关于红色R和蓝色B颜色信号的信息，还可以获得绿色信号的信息。然而，由于可以从滤色器格获得更精确的绿色G信号，因此没有必要插值来自敞开窗格的绿色G。即，从敞开窗格获得从滤色器获得的除特定颜色信号以外的两个信号。

可选地，信号处理器500能够将由四个敞开窗格O和五个滤色器格C组成的3×3格子单元感应的光信号A/D转换成数字信号，并从该数字信号提取颜色信息。

例如，参照图11(b)，在滤色器阵列420的滤色器格C是绿色G滤色器的情况下，3×3格子单元根据下面的等式4来进行插值。

ri＝(R+R+R+R+R)/5

gi＝(G+G+G+G)/4

bi＝(B+B+B+B+B)/5                等式4

如以上的等式4所示，在3×3格子单元的插值的情况下，从最多5个颜色信号的平均值获得任意像素的RGB颜色信息ri、gi、和bi。即，可以从相邻的5个颜色信号的平均值来获得红色R和蓝色B的颜色信息，并且可以从4个彩色信号的平均值来获得绿色G的颜色信息。因此，不同于传统的图像传感器，根据本发明的图像传感器采用具有格子图案的滤色器阵列，从而对于2×2和3×3格子单元的插值而言，就不会从单个颜色信号获得颜色信息。因此，即使在颜色信号或像素中发生噪声，因为在插值中使用更多的颜色信号，所以可获得更精确的颜色信息。

在上述的本发明中，在用于摄像机、数码相机等的图像传感器和图像处理器装置中使用具有与单个滤色器格交替的敞开窗格的滤色器阵列。这允许将每个像素的多种颜色的颜色信息用于插值，使缺陷像素或噪声的影响最小化，从而能够更精确地插值。结果，每个像素可以获得更精确的颜色。

换句话说，同现有技术相比，可以从较少的单元格子获得三种颜色R、G、B的信息，使缺陷像素或噪声的影响最小化，以能够更精确地插值，从而提高图像处理的速度。因此，能够克服CMOS图像传感器的诸如固定图像噪声的缺点，并且可以改进滤色器制造工艺，其是低产量的主要因素(大约30％)。此外，在降低图像传感器的制造成本的同时，可以提高高密度像素图像处理器的产量。

虽然已经结合优选实施例描述和示出了本发明，但是在不偏离由权利要求限定的本发明的精神和范围之内，可以对本发明做出各种修改和变化，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (18)

1.一种图像传感器，包括：

透镜阵列，包括以二维矩阵排布的多个微透镜；

滤色器阵列，形成于所述透镜阵列下面，包括在行和列中彼此交替的多个敞开窗格和多个滤色器格，每个都对应于所述透镜阵列中的一个微透镜，其中，每个敞开窗格使红光、绿光、和蓝光通过，而每个滤色器格使预定颜色的光通过；

保护层，在所述滤色器阵列的下面由介电材料形成；以及

像素传感器阵列，形成于所述保护层下面，包括：第一光电传感器，用于感应穿过每个滤色器格的第一光；第二光电传感器，形成于所述第一光电传感器之下，用于感应穿过每个滤色器格的第二光；第三光电传感器，用于感应穿过每个敞开窗格的第三光；以及第四光电传感器，形成于所述第三光电传感器之下，用于感应穿过每个敞开窗格的第四光。

其中，所述像素传感器阵列包括：

基底，由P型半导体材料形成；

外延层，由P型半导体形成于所述基底上；

第一光电阱层，具有由N型半导体材料以从所述外延层的上表面向下的预定第一深度形成的多个第一光电阱区，其中，每个所述第一光电阱区通过与所述外延层的P-N结形成所述第一光电传感器和所述第三光电传感器；以及

第二光电阱层，具有由N型半导体材料以从所述外延层的上表面向下比所述第一深度深的预定第二深度形成的多个第二光电阱区，其中，所述多个第二光电阱区中的每个与所述多个第一光电阱区中的每个相重叠，并且通过与所述外延层的P-N结形成所述第二光电传感器和所述第四光电传感器。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述滤色器阵列具有与所述透镜阵列相同的对应的维数。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述滤色器阵列的所述滤色器格使从由红色、绿色、蓝色、黄色、品红色、青色、和鲜绿色组成的组中选择的颜色通过。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述像素传感器阵列进一步包括P+浅结层，其由P+半导体材料以从所述外延层的上表面向下的预定第三深度形成，以防止所述外延层的任何表面缺陷。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一光电阱层以0.6μm的所述第一深度形成。

6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第二光电阱层以2.75μm到3.5μm的所述第二深度形成。

7.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述P+浅结层以0.01μm到0.2μm的所述第三深度形成。

8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述像素传感器阵列的所述第二光阱层的所述第二深度在所述滤色器阵列的所述滤色器格是红色滤色器的情况下，比在所述滤色器阵列的所述滤色器格是绿色滤色器或蓝色滤色器的情况下大。

9.一种图像处理装置，包括：

透镜阵列，包括以二维矩阵排布的多个微透镜；

滤色器阵列，其形成于所述透镜阵列下面，包括在行和列中彼此交替的多个敞开窗格和多个滤色器格，每个都对应于所述透镜阵列中的一个微透镜，其中，每个敞开窗格使红光、绿光、和蓝光通过，而每个滤色器格使预定颜色的光通过；

保护层，由介电材料形成于所述滤色器阵列的下面；

像素传感器阵列，其形成于所述保护层下面，包括：第一光电传感器，用于感应穿过所述多个滤色器格中的每一个的第一光；第二光电传感器，形成于所述第一光电传感器之下，用于感应穿过所述多个滤色器格中的每一个的第二光；第三光电传感器，用于感应穿过所述多个敞开窗格中的每一个的第三光；以及第四光电传感器，形成于所述第三光电传感器之下，用于感应穿过所述多个敞开窗格中的每一个的第四光；以及

信号处理器，用于将分别由所述像素传感器阵列的所述第一光电传感器、所述第二光电传感器、所述第三光电传感器、以及所述第四光电传感器所感应的第一信号、第二信号、第三信号、以及第四信号A/D转换成数字信号，并且从所述数字信号中提取颜色信息。

其中，所述像素传感器阵列包括：

基底，由P型半导体材料形成；

外延层，由P型半导体形成于所述基底上；

第一光电阱层，具有由N型半导体材料以从所述外延层的上表面向下的预定第一深度形成的多个第一光电阱区，其中，每个所述第一光电阱区通过与所述外延层的P-N结形成所述第一光电传感器和所述第三光电传感器；以及

第二光电阱层，具有由具有预定深度的N型半导体材料以从所述外延层的上表面向下比所述第一深度深的预定第二深度形成的多个第二光电阱区，其中，所述多个第二光电阱区中的每个与所述多个第一光电阱区中的每个相重叠，并且通过与所述外延层的P-N结形成所述第二光电传感器和所述第四光电传感器。

10.根据权利要求9所述的图像处理装置，其中，所述滤色器阵列具有与所述透镜阵列相同的对应的维数。

11.根据权利要求10所述的图像处理装置，其中，所述滤色器阵列的所述滤色器格使从由红色、绿色、蓝色、黄色、品红色、青色、和鲜绿色组成的组中选择的颜色通过。

12.根据权利要求9所述的图像处理装置，其中，所述像素传感器阵列进一步包括P+浅结层，其由P+半导体材料以从所述外延层的上表面向下的预定第三深度形成，以防止所述外延层的任何表面缺陷。

13.根据权利要求9所述的图像处理装置，其中，所述像素传感器阵列的所述第一光电阱层以0.6μm的所述第一深度形成。

14.根据权利要求9所述的图像处理装置，其中，所述像素传感器阵列的所述第二光电阱层以2.75μm到3.5μm的所述第二深度形成。

15.根据权利要求12所述的图像处理装置，其中，所述像素传感器阵列的所述P+浅结层以0.01μm到0.2μm的所述第三深度形成。

16.根据权利要求9所述的图像处理装置，其中，所述像素传感器阵列的所述第二光阱层的所述第二深度在所述滤色器阵列的所述滤色器格是红色滤色器的情况下，比在所述滤色器阵列的所述滤色器格是绿色滤色器或蓝色滤色器的情况下大。

17.根据权利要求9所述的图像处理装置，其中，所述信号处理器用于将由两个敞开窗格和两个滤色器格组成的2×2格子单元所感应的光信号A/D转换成数字信号，并且从所述数字信号中提取颜色信息。

18.根据权利要求9所述的图像处理装置，其中，所述信号处理器用于将由包括四个敞开窗格和五个滤色器格的3×3格子单元所感应的光信号A/D转换成数字信号，并且从所述数字信号中提取颜色信息。

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