CN103139488A - 高动态范围影像感测装置、方法、及装置制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态范围影像感测装置、方法、及装置制造方法。其中，一种高动态范围影像感测方法包括：通过第一长积分时间传感器而以长积分时间感测影像；以及通过第一短积分时间传感器而以短积分时间感测所述影像。

Description

高动态范围影像感测装置、方法、及装置制造方法

技术领域

本发明涉及影像感测装置，还涉及具有长及短积分时间传感器的高动态范围（high dynamic range，HDR）影像感测装置。

背景技术

对传统的影像传感器而言，为了在短时间内取得高分辨率的影像，必须依照环境光线照度手动或自动地决定适当的影像补捉速度（即快门速度）。然而，影像捕捉速度与分辨率之间必须有所取舍。当影像捕捉速度愈快，则影像画质通常愈差；当欲取得画质愈高的影像，则必须减缓影捕捉速度。在录制影片时，前述的影像捕捉速度也决定了画面速率（frame rate）的高低。

此外，在高动态范围环境下，例如在行车上捕捉道路状况的影像时，正常的影像传感器通常只能提供低劣的色彩辨识力，特别是在环境光线不足时此现象会更加严重。

有鉴于此，若有一种能够以高画面速率捕捉高分辨率以及高色彩辨识力影像的高动态范围影像感测装置或是影像感测方法，其在使用上将会相当理想。

发明内容

本发明提供一种高动态范围影像感测装置，其至少包括：第一对影像传感器，其具有：第一长积分时间传感器，其以长积分时间感测影像；以及第一短积分时间传感器，耦接至所述第一长积分时间传感器，其以一短积分时间感测所述影像。

本发明还提供一种高动态范围影像感测方法，其包括：通过第一长积分时间传感器而以长积分时间感测影像；以及通过第一短积分时间传感器而以短积分时间感测所述影像。

本发明还提供一种高动态范围影像感测装置制造方法，其包括：在晶圆上至少第一列上形成多个第一对影像传感器，其中各第一对影像传感器具有互相耦接的第一长积分时间传感器以及第一短积分时间传感器。

附图说明

图1是依据本发明第一实施例的高动态范围（HDR）影像感测装置示意图。

图2是依据本发明第二实施例的高动态范围影像感测装置200示意图。

图3是依据本发明第三实施例的高动态范围影像感测装置300示意图。

图4A与图4B分别是本发明第四及第五实施例的影像感测装置示意图。

图5为本发明影像传感器500的结构图。

图6A-6C分别为本发明第六、第七及第八实施例的所述影像感测装置示意图。

图7A是依据本发明一实施例的所述高动态范围影像感测方法流程图。

图7B是依据本发明另一实施例的高动态范围影像感测方法流程图。

图8A-8C皆表示一部分的晶圆，以及制于其上的高动态范围影像感测装置。

图9A是本发明一实施例的高动态范围影像感测装置制造流程图。

图9B是依据本发明另一实施例的高动态范围影像感测装置制造方法。

图9C是依据本发明另一实施例的高动态范围影像感测装置制造方法。

【主要元件符号说明】

100~高动态范围影像感测装置；

102~第一对影像传感器；

104~影像处理器；

L~第一长积分时间传感器；

S~第一短积分时间传感器；

200~高动态范围影像感测装置；

202~影像传感器；

204~影像传感器；

300~高动态范围影像感测装置；

400A~高动态范围影像感测装置；

402~第一对影像传感器；

404~第二对影像传感器；

L1~第一长积分时间传感器；

S1~第一短积分时间传感器；

L2~第二长积分时间传感器；

L3~第三长积分时间传感器；

400B~高动态范围影像感测装置；

402~第一对影像传感器；

406~第三对影像传感器；

L1~第一长积分时间传感器；

S1~第一短积分时间传感器；

S2~第二短积分时间传感器；

S3~第三短积分时间传感器；

600~影像感测装置；

601、602、603、604~影像传感器；

R～红色滤镜；

G~绿色滤镜；

B~蓝色滤镜；

N~透明滤镜；

611、612、613、614~影像传感器；

621、622、623、624~影像传感器；

800A、800B、800C~晶圆。

具体实施方式

下文为介绍本发明的优选实施例。各实施例用以说明本发明的原理，但非用以限制本发明。本发明的范围当以后附的权利要求为准。

高动态范围影像感测装置

图1是依据本发明第一实施例的高动态范围（HDR）影像感测装置示意图。所述高动态范围影像感测装置100用以在高动态范围下感测影像。举例而言，高动态范围影像感测装置100可以是用以记录画面或影片的行车记录器或倒车辅助影像传感器等。

动态范围影像感测装置100至少包括第一对影像传感器102。所述第一对影像传感器102具有第一长积分时间传感器L以及第一短积分时间传感器S，两者彼此紧密相连。所述第一长积分时间传感器可以长积分时间感测所述影像，因此对昏暗区域有着较佳的影像敏感度。所述第一短积分时间传感器S可以短积分时间感测所述影像，因此画面速率较佳，且对明亮区域影像有着较佳的影像敏感度。在优选实施例中，应该尽可能地将第一长与短积分时间传感器L与S制造成具有最小的尺寸，因为当所述影像传感器L与S的尺寸愈小时，两者所捕捉的影像间的视角差就会愈小。

在图1的实施例中仅有一对影像传感器102。因此，所述高动态范围影像感测装置100仅得以用来捕捉2D影像。

在一实施例中，所述第一长与短积分时间传感器L与S所感测的影像将被传送给影像处理器104进行处理，目的在取得高分辨率、高画面速率及高动态范围的影像。在一简化的实施例中，处理器104可通过将传感器所取得的影像中的明亮部分与传感器L所取得的影像中的灰暗部分予以合成而产生高动态范围影像。

图2是依据本发明第二实施例的高动态范围影像感测装置200示意图，其中所述高动态范围影像感测装置200用于捕捉3D影像。在此实施例中，高动态范围影像感测装置200具有两个第一对影像传感器，分别具有长积分时间传感器L与短积分时间传感器S。如图2所示，所述影像传感器202位于左侧（举例而言，设置于左测的立体摄影机上），而另一影像传感器204位于右侧（举例而言，设置于右测的立体摄影机上），两者可间隔一定的距离以模拟人眼的立体视觉。

图3是依据本发明第三实施例的高动态范围影像感测装置300示意图，其中所述高动态范围影像感测装置300用于捕捉多维影像。在此实施例中，高动态范围影像感测装置300具有三对或三对以上的影像传感器，而各对影像传感器分别具有长积分时间传感器L与短积分时间传感器S。在此实施例中，各所述影像传感器接收不同角度的影像，因而营造出复眼视觉。图3中以阵列形态表示此影像传感器仅为方便说明，本发明不必以此为限。本领域技术人员可以不同的阵列形式模拟各种复眼视觉，例如联立眼（apposition eye）视觉、重复眼（superposition eye）视觉或拋物线式重复眼（parabolic superposition eye）视觉，只要能够依照本发明的精神同时运用长及短积分时间传感器，皆具有取得高分辨率、高画面速率影像的效果。

图4A与图4B分别是本发明第四及第五实施例的影像感测装置示意图。在第四实施例中，高动态范围影像感测装置400A包括第一对影像传感器402以及第二对影像传感器404。第一对影像传感器402具有第一长积分时间传感器L1与第一短积分时间传感器S1，而第二对影像传感器404具有第二长积分时间传感器L2与第三长积分时间传感器L3。其中，第二与第三长积分时间传感器L2与L3可以长积分时间感测所述影像。长积分时间传感器L1、L2与L3可分别以不同的时间曝光，藉以使长积分时间传感器L1、L2与L3以及所述短积分时间传感器S1能撷取到更多的影像细节。

在图4B的第五实施例中，高动态范围影像感测装置400B包括第一对影像传感器402与第三对影像传感器406。所述第一对影像传感器402具有第一长积分时间传感器L1与第一短积分时间传感器S 1，而所述第三对影像传感器406具有第二短积分时间传感器S2与第三短积分时间传感器S3。第二与第三短积分时间传感器S2与S3皆可以短积分时间感测所述影像。值得注意的是，上述实施例中，第一对影像传感器402绘示于所述第二或第三对影像传感器404、406之上，而所述第一长及第一短积分时间传感器L1与S1分别位于不同侧，但其只是为了方便说明，上述传感器位置的安排不必以此为限。

图5为本发明影像传感器500的结构图。影像传感器500包括滤镜阵列510与像素阵列520。在此实施例中，滤镜阵列510依据贝尔图（Bayerpattern）排列，所述像素阵列520上具有红色、蓝色与绿色滤镜，而其中绿色滤镜的数量为红色滤镜或蓝色滤镜的两倍（50%绿色，25%红色与25%蓝色），藉此模仿人眼视觉。所述影像传感器500可由前述各个实施例中所描述的各种传感器L与S所构成。

图6A-6C分别为本发明第六、第七及第八实施例的所述影像感测装置示意图。在第六实施例中，影像感测装置600包括传感器601、602、603与604。所述传感器601包括像素阵列（图未示）以及红色滤镜R，所述红色滤镜R用以覆盖整个传感器601中的像素阵列。所述传感器602包括像素阵列（图未示）以及透明滤镜N，所述透明滤镜N用以覆盖整个传感器602中的像素阵列。所述传感器603包括像素阵列（图未示）以及绿色滤镜G，用以覆盖整个传感器603中的像素阵列。所述传感器604包括像素阵列（图未示）以及蓝色滤镜B，所述蓝色滤镜用以覆盖整个传感器604中的像素阵列。在优选实施例中，应该尽可能地将传感器601-604制造成具有最小的尺寸，因为当所述传感器601-604的尺寸愈小时，其所捕捉的影像间的视角差就会愈小。值得注意的是，对传感器602而言，所述透明滤镜N并非必要，在某些实施例中，传感器602可以仅有像素阵列而不增设任何滤镜。

在一实施例中，传感器601、603与604皆可对应至长积分时间，而所述传感器602则对应至短积分时间。在此例中，传感器602可以短积分时间曝光，藉以撷取场景中较明亮的部分以及较多的影像细节，而具有RGB滤镜的传感器601、603与604则以长积分时间曝光，藉以撷取场景中较昏暗的部分以及色彩更丰富的影像。在相反的实施例中，传感器601、603与604可对应至短积分时间，而所述传感器602则对应至长积分时间，本领域技术人员可自行类推。

在图6B所示的第七实施例中，影像感测装置610包括传感器611、612、613与614。所述传感器611包括像素阵列（图未示）以及红色滤镜R，所述红色滤镜R用以覆盖整个传感器611中的像素阵列。所述传感器612包括像素阵列（图未示）以及透明滤镜N，所述透明滤镜N用以覆盖整个传感器612中的像素阵列。所述传感器613包括像素阵列（图未示）以及绿色滤镜G，用以覆盖整个传感器613中的像素阵列。所述传感器614包括像素阵列（图未示）以及蓝色滤镜B，所述蓝色滤镜用以覆盖整个传感器614中的像素阵列。在一实施例中，传感器611、613与614对应至长积分时间，而所述传感器612则对应至短积分时间。在另一相反的实施例中，传感器611、613与614对应至短积分时间，而所述传感器612则对应至长积分时间。

在图6C的第8实施例中，影像感测装置620包括传感器621、622、623与624。所述传感器621包括像素阵列（图未示）以及红色滤镜R，所述红色滤镜R用以覆盖整个传感器621中的像素阵列。所述传感器622包括像素阵列（图未示）以及透明滤镜N，所述透明滤镜N用以覆盖整个传感器622中的像素阵列。所述传感器623包括像素阵列（图未示）以及绿色滤镜G，用以覆盖整个传感器623中的像素阵列。所述传感器624包括像素阵列（图未示）以及蓝色滤镜B，所述蓝色滤镜用以覆盖整个传感器624中的像素阵列。在一实施例中，传感器621、623与624对应至长积分时间，而所述传感器622则对应至短积分时间。在另一相反的实施例中，传感器621、623与624对应至短积分时间，而所述传感器622则对应至长积分时间。

高动态范围影像感测方法

除了所述高动态范围影像感测装置之外，本发明还提供高动态范围影像感测方法。

图7A是依据本发明一实施例的所述高动态范围影像感测方法流程图。在此实施例中，方法700A包括：在步骤S702中，通过第一长积分时间传感器（例如，图4A的L1）而以长积分时间感测影像通过第一短积分时间传感器（例如，图4A的S1）而以短积分时间感测所述影像；在步骤S704中，另通过第二长积分时间传感器与第三长积分时间传感器（例如，图4A的L2与L3）而以长积分时间感测所述影像；以及在步骤S706中，分别将红色滤镜、绿色滤镜以及蓝色滤镜（例如，图6A-6C的RGB滤镜）覆盖所述第一、第二及第三长积分时间传感器（即L1、L2与L3），并且不对所述第一短积分时间传感器（即S1）进行色彩滤波（或者，以透明滤镜覆盖第一短积分时间传感器）。

图7B的依据本发明另一实施例的高动态范围影像感测方法流程图。在此实施例中，方法700B包括：在步骤S712中，通过第一长积分时间传感器（例如，图4B的L1）而以长积分时间感测影像通过第一短积分时间传感器（例如，图4B的S1）而以短积分时间感测所述影像；在步骤S714中，另通过第二短积分时间传感器与第三短积分时间传感器（例如，图4A的S2与S3）而以短积分时间感测所述影像；以及在步骤S716中，分别将红色滤镜、绿色滤镜以及蓝色滤镜（例如，图6A-6C的RGB滤镜）覆盖所述第一、第二及第三短积分时间传感器（即S1、S2与S3），并且不对所述第一长积分时间传感器（即L1）进行色彩滤波（或者，以透明滤镜覆盖第一短积分时间传感器）。

由于本领域技术人员可参照前述实施例并配合图1至图6了解本发明的方法700A与700B，因此，本文不再赘述此方法的其它细节。

值得注意的是，在本发明中，每一个RGB滤镜覆盖“整个”影像传感器（举例而言，影像传感器包括1024×768像素），而非一一覆盖影像传感器的各别像素，其尺寸通常会比现有技术中的贝尔滤镜（Bayer filter）大，因此更易于制造。通过使用大尺寸的滤镜，本发明可明显地减影像传感器中影像信号间的串扰效应（crosstalk），并避免影像的模糊化（blooming）。

高动态范围影像感测装置制造方法

除了高动态范围影像感测装置与方法之外，本发明还提供一种高动态范围影像感测装置制造方法，其中特别的是，本发明可以晶圆层级工艺（wafer level module，WLM）批量制造多个高动态范围影像感测装置（例如影像晶片）。图8A-8C皆表示一部分的晶圆，以及制于其上的高动态范围影像感测装置。

图9A是本发明一实施例的高动态范围影像感测装置制造流程图。请一并参照图8A及图9A。方法900A包括：在步骤S902中，在晶圆800A上各列形成多个第一对影像传感器102，其中各所述第一对影像传感器102具有第一长积分时间传感器L以及第一短积分时间传感器S，两者彼此耦接。在一实施例中，方法900A还包括步骤S908：将各所述第一对所述影像传感器自所述晶圆上切割出来。

图9B是依据本发明另一实施例的高动态范围影像感测装置制造方法。请一并参照图8B及图9B。其中所述方法900B包括：在步骤S922中，在晶圆800B的至少第一列上形成多个第一对影像传感器402，其中各所述第一对影像传感器402具有第一长积分时间传感器L1以及第一短积分时间传感器S1，两者彼此耦接；在步骤S924中，在晶圆800B的至少第二列上形成多个第二对影像传感器404，其中各所述第二对影像传感器404具有第二长积分时间传感器L2以及第三长积分时间传感器L3。在此实施例中，方法900B还包括：在步骤S926中，分别在所述第一、第二与第三长积分时间传感器L1、L2与L3上覆盖以红色滤镜R、绿色滤镜G以及蓝色滤镜B，并且不在所述第一短积分时间传感器S1上覆盖任何滤镜（或者，在所述第一短积分时间传感器S1上覆盖透明滤镜）。虽然在此实施例中的晶圆仅具有两列（第一列及第二列），但其仅为方便说明，本发明不必以此为限，本领域技术人员可依据本发明的精神类推增设第三列、第四列乃至更多列。此外，在一实施例中，方法900B还包括步骤S928：将第一对所述影像传感器402连同第二对所述影像传感器404自所述晶圆（800B）切割出来。

图9C是依据本发明另一实施例的高动态范围影像感测装置制造方法。请一并参照图8C及图9C。所述方法900C包括：在步骤S942中，在晶圆800C的至少第一列上形成多个第一对影像传感器402，其中各所述第一对影像传感器402具有第一长积分时间传感器L1以及第一短积分时间传感器S1，且两者彼此耦接；在步骤S944中，在晶圆800C的至少第二列上形成多个第三对影像传感器406，其中各所述第三对影像传感器406具有第二短积分时间传感器S2以及第三长积分时间传感器S3。在一实施例中，方法900C还包括：在步骤S946中，分别在所述第一、第二与第三短积分时间传感器S1、S2与S3上覆盖以红色滤镜R、绿色滤镜G以及蓝色滤镜B，并且不在所述第一短积分时间传感器L1覆盖任何滤镜（或者，在所述第一长积分时间传感器L1上覆盖透明滤镜）。虽然在此实施例中的晶圆仅具有两列（第一列及第二列），但其仅为方便说明，本发明不必以此为限，本领域技术人员可依据本发明的精神类推增设第三列、第四列乃至更多列。此外，在一实施例中，方法900C还包括步骤S948：将第一对所述影像传感器402连同第三对所述影像传感器406自所述晶圆（800C）切割出来。

由于本领域技术人员可参照前述实施例了解上述方法900A-900C，因此，本文不再赘述此方法的其它细节。

本发明虽以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (22)

1.一种高动态范围影像感测装置，至少包括：

第一对影像传感器，具有：

第一长积分时间传感器，其以长积分时间感测影像；以及

第一短积分时间传感器，耦接至所述第一长积分时间传感器，其以短积分时间感测所述影像。

2.根据权利要求1所述的高动态范围影像感测装置，还包括：

第二对影像传感器，与所述第一对影像传感器并联，具有：

第二长积分时间传感器与第三长积分时间传感器，两者皆耦接至所述第二长积分时间传感器，并以长积分时间感测所述影像。

3.根据权利要求2所述的高动态范围影像感测装置，还包括：

红色滤镜、绿色滤镜以及蓝色滤镜，其中所述红色、绿色及蓝色滤镜分别覆盖所述第一、第二及第三长积分时间传感器，且未覆盖所述第一短积分时间传感器。

4.根据权利要求1所述的高动态范围影像感测装置，还包括：

第三对影像传感器，与所述第一对影像传感器并联，具有：

第二短积分时间传感器与第三短积分时间传感器，两者皆耦接至所述第二短积分时间传感器，并以短积分时间感测所述影像。

5.根据权利要求4所述的高动态范围影像感测装置，还包括：

红色滤镜、绿色滤镜以及蓝色滤镜，其中所述红色、绿色及蓝色滤镜分别覆盖所述第一、第二及第三短积分时间传感器，且未覆盖所述第一长积分时间传感器。

6.根据权利要求4所述的高动态范围影像感测装置，还包括：

红色滤镜、绿色滤镜以及蓝色滤镜，其中所述红色、绿色及蓝色滤镜分别覆盖所述第一、第二及所述第三短积分时间传感器，而所述第一长积分时间传感器被透明滤镜覆盖。

7.根据权利要求4所述的高动态范围影像感测装置，还包括影像处理器，用以依据由所述第一长积分时间传感器与所述第一短积分时间传感器所取得的影像产生高动态范围影像。

8.一种高动态范围影像感测方法，包括：

通过第一长积分时间传感器而以长积分时间感测影像；以及

通过第一短积分时间传感器而以短积分时间感测所述影像。

9.根据权利要求8所述的高动态范围影像感测方法，还包括：

另通过第二长积分时间传感器与第三长积分时间传感器而以长积分时间感测所述影像。

10.根据权利要求9所述的高动态范围影像感测方法，还包括：

分别将红色滤镜、绿色滤镜以及蓝色滤镜覆盖所述第一、第二及第三长积分时间传感器；以及

不以任何滤镜覆盖所述第一短积分时间传感器。

11.根据权利要求8所述的高动态范围影像感测方法，还包括：

另通过第二短积分时间传感器与第三短积分时间传感器而以短积分时间感测所述影像。

12.根据权利要求11所述的高动态范围影像感测方法，还包括：

分别将红色滤镜、绿色滤镜以及蓝色滤镜覆盖所述第一、第二及第三短积分时间传感器；以及

不以任何滤镜覆盖所述第一短积分时间传感器。

13.根据权利要求11所述的高动态范围影像感测方法，还包括：

分别将红色滤镜、绿色滤镜以及蓝色滤镜覆盖所述第一、第二及第三短积分时间传感器；以及

以透明滤镜覆盖所述第一长积分时间传感器。

14.根据权利要求11所述的高动态范围影像感测方法，还包括：

依据由所述第一长积分时间传感器与所述第一短积分时间传感器所取得的影像产生高动态范围影像。

15.一种高动态范围影像感测装置制造方法，包括：

在晶圆上至少第一列上形成多个第一对影像传感器，其中各第一对影像传感器具有互相耦接的第一长积分时间传感器以及第一短积分时间传感器。

16.根据权利要求15所述的高动态范围影像感测装置制造方法，还包括：

在所述晶圆上各列形成所述第一对影像传感器。

17.根据权利要求15所述的高动态范围影像感测装置制造方法，还包括：

在所述晶圆的至少第二列上形成多个第二对影像传感器，其中各所述第二对所述影像传感器具有第二长积分时间传感器以及第三长积分时间传感器。

18.根据权利要求17所述的高动态范围影像感测装置制造方法，还包括：

分别在所述第一、第二与第三长积分时间传感器上覆盖以红色滤镜、绿色滤镜以及蓝色滤镜；以及

不在所述第一短积分时间传感器覆盖任何滤镜。

19.根据权利要求15所述的高动态范围影像感测装置制造方法，还包括：

在所述晶圆上的至少第二列上形成多个第三对影像传感器，其中各所述第三对所述影像传感器具有第二短积分时间传感器与第三短积分时间传感器。

20.根据权利要求19所述的高动态范围影像感测装置制造方法，还包括：

分别在所述第一、第二与第三短积分时间传感器上覆盖以红色滤镜、绿色滤镜以及蓝色滤镜；以及

不在所述第一长积分时间传感器覆盖任何滤镜。

21.根据权利要求19所述的高动态范围影像感测装置制造方法，还包括：

不在所述第一短积分时间传感器覆盖任何滤镜；以及

在所述第一长积分时间传感器覆盖以透明滤镜。

22.根据权利要求19所述的高动态范围影像感测装置制造方法，还包括：

依据由所述第一长积分时间传感器与所述第一短积分时间传感器所取得的影像产生高动态范围影像。

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