CN103531602A - 输出彩色图像的像素阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器的像素单元。该输出彩色图像的像素阵列，其可以包括若干个像素，每个像素从上到下依次包括一滤镜、一感光单元，根据滤镜可还原颜色的不同，给每个像素设置具有相应不同曝光性能的感光单元。该输出彩色图像的像素阵列，也可以给一部分像素设置具有一曝光相应性能的感光单元，另外一部分像素设置具有另一曝光相应性能的感光单元。本发明中，通过给像素阵列中不同的像素配置不同类型的感光单元，获得一致的曝光响应曲线，提高像素阵列的动态范围以及避免颜色失真。

Description

输出彩色图像的像素阵列

技术领域

本发明属于集成电路领域，具体地说，涉及一种输出彩色图像的像素阵列。

背景技术

图像传感器在民用和商业范畴内得到了广泛的应用。目前，图像传感器由CMOS图像传感器（CMOS IMAGE SENSOR，以下简称CIS）和电荷耦合图像传感器（Charge-coupled Device，以下简称CCD）。CCD与CIS相比来说，功耗较高、集成难度较大，而后者功耗低、易集成且分辨率较高。虽然说，在图像质量方面CCD可能会优于CIS。但是，随着CIS技术的不断提高，一部分CIS的图像质量已经接近于同规格的CCD。

图1为现有技术中CIS的像素阵列的平面示意图。图2为图1中第一行像素的剖视图。如图1和图2所示，该像素阵列为bayer模式，颜色滤镜的排列模式为：RGRGRG…；GBGBGB…；……。每个像素位置上对应的感光二极管PD为同一类型。从图1所示看出，图2中第一行的像素从左到右依次为红色滤镜、绿色滤镜、红色滤镜、绿色滤镜.....；像素阵列从上到下分为三层，上层为滤镜层101，中层为氧化硅材料层102，该氧化硅材料层102中设置有金属层103，下层为硅材料层104，该硅材料层104中设置有感光二极管105。图中示意出了从左到右依次为红色滤镜、绿色滤镜、红色滤镜、绿色滤镜.....；且每一滤镜111与微透镜层106中的微透镜116是一一对应的，一个微透镜116对应一个光通道及一个感光二极管105。微透镜116用于聚集光线，聚焦的光线经过滤镜111经由光通道到达下层的感光二极管105。金属层103即M1～M4之间电连接，用来传递电信号，相邻金属层之间留有光通道。

由上可见，输出彩色图像的CIS一般采用Bayer模式的Color Filter实现颜色还原。虽然有源像素active pixel配置的颜色滤镜有RGB三种颜色，但每个像素使用的感光二极管PD为同一种类型。另外，由于感光二极管PD通常使用主要材料硅Si，其对不同波长的可见光的吸收率不同，使得同一类型的感光二极管PD对于不同波长的曝光响应曲线也不同。因此，输出彩色图像的CIS的动态范围受限于其感光二极管PD对于三元色RGB或CMY各单色光的曝光响应特性，远远低于灰度CIS的动态范围。另外，输出彩色图像CIS像素阵列中RGB三色曝光响应的完全不同，导致输出图像出现大面积的颜色失真。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种输出彩色图像的像素阵列，用以部分或全部克服、部分或全部解决现有技术存在的上述技术问题。

为了部分或全部克服、部分或全部解决上述技术问题，本发明提供了一种输出彩色图像的像素阵列，其包括若干个像素，每个像素从上到下依次包括一滤镜、一感光单元，根据滤镜可还原颜色的不同，给每个像素设置具有相应不同曝光性能的感光单元。

优选地，根据本发明的一实施例，若干个像素基于BAYER模式进行排列，具有同一还原颜色能力的滤镜配置有具有同一曝光性能的感光单元。

优选地，根据本发明的一实施例，不同像素具有同样大小的曝光量。

优选地，根据本发明的一实施例，若干个像素基于RGB三原色或者CMY三原色。

为了部分或全部克服、部分或全部解决上述技术问题，本发明还提供了一种输出彩色图像的像素阵列，其包括若干个像素，每个像素从上到下依次包括一滤镜、一感光单元，若干个像素中，一部分像素设置具有一曝光相应性能的感光单元，另外一部分像素设置具有另一曝光相应性能的感光单元。

为了部分或全部克服、部分或全部解决上述技术问题，本发明还提供了一种输出彩色图像的CMOS图像传感器，其包括上述任意所述的像素阵列。

与现有的方案相比，本发明中通过给像素阵列中不同的像素配置不同类型的感光单元，获得一致的曝光响应曲线，提高像素阵列的动态范围以及避免颜色失真。

附图说明

图1为现有技术中CIS的像素阵列的平面示意图；

图2为图1中RGRG像素的剖视图；

图3为本发明实施例一中输出彩色图像CIS的像素阵列的平面示意图；

图4为图3中RGRG行像素的剖视图；

图5为图3中GBGB行像素的剖视图；

图6为现有技术中未配置滤镜的像素阵列的动态范围曲线图；

图7为现有技术中配置滤镜但未进行感光单元工艺优化的像素阵列的动态范围曲线图；

图8为现有技术中配置滤镜且进行感光单元工艺优化的像素阵列的动态范围曲线图；

图9-图11为上述图4-图5中配置滤镜且采用三种不同类型感光单元的像素阵列的动态范围曲线图；

图12为本发明实施例三中像素阵列的平面示意图；

图13为本发明实施例四中像素阵列的平面示意图。

具体实施方式

以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明的下述实施例中，通过给像素阵列中不同的像素配置不同类型的感光单元，获得一致的曝光响应曲线，提高像素阵列的动态范围以及避免颜色失真。

图3为本发明实施例一中输出彩色图像CIS的像素阵列的平面示意图。如图3所示，本实施例中，以BAYER模式进行说明，该像素阵列包括若干个像素，这些像素的排列方式为RGRGRG....；隔行为GBGB....；....RGRGRG....；隔行为GBGB....；.......。，图3虽然与图1从平面示意图上看，没有区别，后续将通过剖面图说明两者的不同。

本实施例中，由于基于RGB三原色形成的像素阵列，包括红色R像素、绿色G像素和蓝色B像素，与图1不同的是，具有同一还原颜色能力的滤镜配置有具有同一曝光性能的感光单元，这些不同像素可以具有同样大小的曝光量，以获得相同数量级别的动态范围。比如为所有红色R像素配置第一类型的感光单元，为所有绿色G像素配置第二类型的感光单元，为所有蓝色B像素配置第三类型的感光单元。换言之，整个像素阵列共有三种不同类型的感光单元，具有三种不同的曝光性能。

图4为图3中RGRG行像素的剖视图，图5为图3中GBGB行像素的剖视图。如图4和图5所示，每个像素从上到下依次包括一滤镜401、一感光单元405，根据滤镜401可还原颜色的不同，给每个像素设置具有相应不同曝光性能的感光单元405。感光单元405设置在硅材料层404中。

本实施例中，如图4和图5所示，为所有红色R像素配置第一类型的感光单元415，为所有绿色G像素配置第二类型的感光单元425，为所有蓝色B像素配置第三类型的感光单元435。

在上述实施例中，每个像素还可以包括金属层403和微透镜406，其与滤镜401、感光单元405的位置关系可参见上述图1，在此不再赘述。

以下对本实施例的动态性能结合现有技术进行说明。图6-图9中，x-轴表示曝光时间，y-轴表示像素值。

图6为现有技术中未配置滤镜的像素阵列的动态范围曲线图。x-轴表示曝光时间，y-轴表示像素值。图6中，如图6所示，由于感光单元PD没有配置Color Filter，其红色曝光响应曲线A敏感度Sensitivity最大，绿色曝光响应曲线B敏感度Sensitivity其次，蓝色曝光响应曲线C敏感度Sensitivity最小。

各个波长下敏感度Sensitivity之间的不同，与感光单元PD的硅Si材料直接相关。由于硅Si对较短波长的可见光吸收率较大，使得长波长的红光穿透能力相对较强，同时也具有相对高的敏感度Sensitivity，也就具有相对较低的动态范围Dynamic Range。

从图6可知，三条不同颜色响应曲线的线性部分，在x-轴向的交集几乎没有，像素阵列的动态范围极小。

图7为现有技术中配置滤镜但未进行感光单元工艺优化的像素阵列的动态范围曲线图。由于感光单元PD配置了滤镜Color Filter，其绿色曝光响应曲线B敏感度Sensitivity最大，红色曝光响应曲线A敏感度Sensitivity其次，蓝色曝光响应曲线C敏感度Sensitivity最小。

此时各像素的曝光响应曲线不单和PD的材料特性有关，也和滤镜ColorFilter的滤色特性相关。此种情况下，像素阵列的动态范围受限于绿色响应曲线的动态范围，为n个stops的曝光量。

图8为现有技术中配置滤镜且进行感光单元工艺优化的像素阵列的动态范围曲线图。感光单元PD配置了Color Filter，并且进行了感光单元PD工艺的优化。和图7相比较，对应像素的三条曝光响应曲线在一致性上有了明显的提高。绿色和红色曝光响应曲线向蓝色曝光响应曲线贴近，像素阵列的动态范围提升为2n个stops的曝光量。

图9-图11为上述图4-图5中配置滤镜且采用三种不同类型感光单元的像素阵列的动态范围曲线图。对于第三类型的感光单元435，针对蓝色曝光响应曲线C优化，获得3n个stops曝光量的动态范围；对于第一类型的感光单元415，针对红色曝光响应曲线A优化，获得3n个stops曝光量的动态范围。对于第二类型的感光单元425，针对绿色曝光响应曲线B优化，获得3n个stops曝光量的动态范围；

因此，使用三种不同类型的感光单元作为有源像素的组成，使像素阵列获得3n stops动态范围的同时，较为宽松感光单元PD工艺就能够保证RGB三色的曝光响应曲线进行一致。

图12为本发明实施例三中像素阵列的平面示意图，如图12所示，本实施例中，与上述图3不同的是，为所有红色R像素配置第二类型的感光单元425，为所有绿色G像素配置第二类型的感光单元425，为所有蓝色B像素配置第一类型的感光单元415。换言之，整个像素阵列共有两种不同类型的感光单元，具有两种不同的曝光性能。

图13为本发明实施例四中像素阵列的平面示意图，如图13所示，本实施例中，与上述图3不同的是，为所有蓝色B像素和红色R像素配置第三类型的感光单元435，为所有绿色G像素配置第二类型的感光单元425，即为具有同一还原颜色能力的滤镜配置有具有同一曝光性能的感光单元。换言之，整个像素阵列共有两种不同类型的感光单元，具有两种不同的曝光性能。

图12-图13像素阵列的剖视结构可参见上述图4-图5，在此不再赘述。

图12-图13像素阵列与上述图3中的像素阵列相比，工艺的开发周期较短、成本较低。

需要说明的是，在上述图12或图13中的像素阵列，实际上采用了两种不同类型而不是三种不同类型的感光单元，使一部分像素设置具有一曝光相应性能的感光单元，另外一部分像素设置具有另一曝光相应性能的感光单元。不同像素具有同样大小的曝光量。

本发明其他实施例还提供了一种输出彩色图像CIS，包括权利要求上述图3所示的像素阵列。

本发明其他实施例还提供了一种输出彩色图像CIS，包括图12或图13中的像素阵列。

上述输出彩色图像CMOS图像传感器CIS的详细结构示意图，本领域普通技术人员根据本发明实施例其他部分的记载，无须创造性劳动即可得知，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例虽然示例性的以RGB三原色构建了像素阵列，但是对于本领域的普通技术人员来说，在本发明实施例的其发现无须创造性劳动，也可以以CMY三原色构建像素阵列，在此不再赘述。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种输出彩色图像的像素阵列，其特征在于，包括若干个像素，每个像素从上到下依次包括一滤镜、一感光单元，根据滤镜可还原颜色的不同，给每个像素设置具有相应不同曝光性能的感光单元。

2.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，若干个像素基于BAYER模式进行排列，具有同一还原颜色能力的滤镜配置有具有同一曝光性能的感光单元。

3.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，不同像素具有同样大小的曝光量。

4.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，若干个像素基于RGB三原色或者CMY三原色。

5.一种输出彩色图像的像素阵列，其特征在于，包括若干个像素，每个像素从上到下依次包括一滤镜、一感光单元，若干个像素中，一部分像素设置具有一曝光相应性能的感光单元，另外一部分像素设置具有另一曝光相应性能的感光单元。

6.根据权利要求5所述的像素阵列，其特征在于，若干个像素基于BAYER模式进行排列，具有同一还原颜色能力的滤镜配置有具有同一曝光性能的感光单元。

7.根据权利要求5所述的像素阵列，其特征在于，不同像素具有同样大小的曝光量。

8.根据权利要求5所述的像素阵列，其特征在于，若干个像素基于RGB三原色或者CMY三原色。

9.一种输出彩色图像的CMOS图像传感器，其特征在于，包括权利要求1-4任意所述的像素阵列。

10.一种输出彩色图像的CMOS图像传感，其特征在于，包括权利要求5-8任意所述的像素阵列。

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