CN103715215A

CN103715215A - 一种对角度敏感的图像像素单元

Info

Publication number: CN103715215A
Application number: CN201310746883.6A
Authority: CN
Inventors: 陈嘉胤
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-30
Also published as: CN103715215B

Abstract

本发明公开了一种对角度敏感的图像像素单元，包括感光单元，用于对经微透镜折射进入光通路中的入射光进行光电转换，其中所述微透镜的材料为梯度折射率材料；读出电路，用于输出所述感光单元的电压信号；以及比较单元，与所述读出电路相连，将所述读出电路输出的电压信号与一参考阈值进行比较，根据比较结果输出1比特数字信号“1”或“0”。本发明能够方便、直观、可靠地对光线入射角度进行判断。

Description

一种对角度敏感的图像像素单元

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，特别涉及一种对角度敏感的图像像素单元。

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）。与CCD图像传感器相比较，CMOS图像传感器具有制造成本低、功耗低以及图像延时较小的主要优势；同时，随着工艺的进步，CIS固有的果冻现象（Rolling Shutter Effect）和信噪比较低的劣势正在慢慢改变，不少CIS产品的图像质量已经堪比CCD产品。

目前，很大一部分CIS使用有源像素传感器（Active Pixel Sensor，简称APS）来构成其单元像素，使用标准CMOS工艺流程进行制造。使用APS的CIS产品应用的领域主要有：手机相机、网络摄像头、监控摄像头、光学鼠标、数码单反相机等等。虽然在大规模像素领域和科研医疗领域，CCD产品仍旧占主导地位，较大规模像素的CMOS产品正在蓬勃发展，其性能正在不断赶超。

APS图像像素，其捕捉图像信号的原理在于APS光电转换过程。APS中的感光二极管（Photodiode，PD）接收光子后转换为电压信号，并通过主动放大器进行放大后输出。图1为现有技术中APS图像像素的剖面图。如图1所示，从剖面上看像素基本分为上中下三层，上层为滤镜层，中层为氧化硅材料层，下层为硅材料层101。硅材料层101用来放置感光二极管。氧化硅材料层中设置有金属层102，相邻金属层之间留有光通道。滤镜层用来放置微透镜（Micro-lens）103，每个微透镜为一个凸透镜，对应一个光通道及感光二极管。其中金属层102有电连接，用来传递电信号。微透镜103聚集光线，入射光进入光通道到达感光二极管。

然而，现有的使用APS图像像素的CIS产品只对入射光的光强敏感，对于入射光的其它信息都有所忽略。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种对入射光的角度敏感的图像像素单元。

为达成上述目的，本发明提供一种对角度敏感的图像像素单元，包括感光单元，用于对经微透镜折射进入光通路中的入射光进行光电转换，其中所述微透镜的材料为梯度折射率材料；读出电路，用于输出所述感光单元的电压信号；以及比较单元，与所述读出电路相连，将所述感光单元的电压信号与一参考阈值进行比较，根据比较结果输出1比特数字信号“1”或“0”。

可选的，所述入射光经至少两层微透镜折射进入所述光通道，所述至少两层微透镜的材料为梯度折射率材料。

可选的，所述感光单元输出的电压信号为以所述入射光的入射角度为变量的函数。

可选的，当所述电压信号大于所述参考阈值时，所述比较单元输出1比特数字信号“1”；否则输出1比特数字信号“0”。

本发明还提供了另一种对角度敏感的图像像素单元，其包括感光单元，用于对经微透镜折射进入光通路中的入射光进行光电转换，其中所述微透镜的材料为梯度折射率材料；读出电路，用于输出所述感光单元的电压信号；模数转换单元，与所述读出电路相连，将所述感光单元的电压信号转换为数字信号；以及比较单元，与所述模数转换单元相连，将所述数字信号与一参考阈值进行比较，根据比较结果输出1比特数字信号“1”或“0”。

可选的，当所述数字信号大于所述参考阈值时，所述比较单元输出1比特数字信号“1”；否则输出1比特数字信号“0”。

可选的，在重复进行步骤S1至S3时，所述控制电压从初始电压逐渐增加。

可选的，所述初始电压接近0V。

本发明的图像像素单元通过采用梯度折射率材料作为微透镜材料，使感光单元只对某一特定角度入射的光线进行感应，且通过对感光单元的信号进行读取、比较及对比较结果加以二值化的量化，可以简单可靠地对光线入射角度加以判断。

附图说明

图1为现有技术中图像像素阵列的剖面图；

图2为采用梯度折射率材料的微透镜对光线折射的原理图；

图3为本发明一实施例多个图像像素单元的剖面图；

图4为本发明另一实施例多个图像像素单元的剖面图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。此外，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

图2为采用梯度折射率材料的微透镜（GRIN Micro-lens）对光线折射的原理图。如图2所示，虚线为感光二极管表面法线。图2左侧图为采用梯度折射率材料的微透镜对入射角为a的光线的折射，经过折射后的光线能够平行于法线。图2右侧图为该微透镜对入射角为b的光线的折射，经过折射后的光线不能够平行于法线。根据上述原理图可知，通过使用采用梯度折射率材料的微透镜，使得进入图像像素的入射光，只在某一角度入射时才能经过折射后垂直入射感光二极管的表面（与感光二极管表面的法线平行），当入射光以其它角度入射时，感光二极管只能感应到极少量的光强。

图3为本发明一实施例多个图像像素单元的剖面图。如图3所示，从剖面上看多个图像像素单元，其从下到上依次包括：基底301、金属层302、微透镜层303。其中基底301中设置有多个感光单元，用于经光通路进入其表面的光子进行光电转换；金属层302用于将光电转换的电信号传输（图中未示出）进行处理，该处理将在下文详细描述。本实施中，金属层302设置在氧化硅材质的中间层中。微透镜层303根据像素单元的个数包括有若干个微透镜。微透镜为平的方形透镜，其材料为梯度折射率材料，该微透镜必须满足的约束是，只有当光线以a角度入射时，经过折射之后的光线才能够垂直地射向感光单元表面（平行于法线），从而使得感光单元光电转换后产生的电信号最大。

图4为本发明另一实施例多个图像像素单元的剖面图。其与图3所示的图像像素单元的区别在于，本实施例中微透镜层为两层，如图4所示，多个图像像素单元，其从下到上依次包括：基底401、金属层402、微透镜层403和404。此处图示垂直放置两层梯度折射率材料的微透镜层，用于针对入射光的入射角比较大的情况。当入射角度a0较大，经过微透镜层404折射后光线仍不能够垂直于感光单元的表面，而以a1入射角射入微透镜层403，经其折射后的光线垂直于感光单元的表面（平行于表面法线）出射。通过两层梯度折射率材料的微透镜层的设置，只有当光线以a0角度入射时，经过折射之后的光线才能够垂直地射向感光单元表面（平行于法线），从而使得感光单元光电转换后产生的电信号最大。

接下来将进一步说明对感光单元产生的电信号进行处理的过程。具体来说，图像像素单元包括感光单元，读出电路以及比较单元。如前所述，感光单元只对某一特定角度入射的光线进行感应。因此，感光单元在光电转换后输出的模拟电压是一个以入射角度为变量的函数，其在该特定的入射角时处于最大值，而在其余入射角时函数值快速衰减。读出电路与感光单元相连，用于放大并输出感光单元的模拟电压值。读出电路可包括传输晶体管，复位晶体管，源跟随器，行选通管等常规晶体管，本发明不再详述。比较单元与读出电路相连，用于根据读出电路输出的模拟电压值和一个参考电压值进行比较，当模拟电压值大于等于该参考电压值时，则输出1比特数字信号“1”，否则输出1比特数字信号“0”。根据比较单元的输出结果，若为“1”，则说明感光单元输出的模拟电压最大，光线入射角度符合特定角度，否则则说明光线入射角度不为特定角度。由此，通过比较单元所输出的1位数字信号，就可以对入射角是否为特定角度加以直观判断。

在本发明的另一实施例中，图像像素单元还包括模数转换单元，比较单元通过该模数转换单元与读出电路相连。模数转换单元将读出电路输出的模拟电压信号转换为二进制的数字信号并输出。比较单元则将该数字信号与预设的阈值比较，若大于阈值则输出“1”，若小于阈值则输出“0”。与上述实施例相同，本实施例也可通过比较单元所输出的1位数字信号，对入射角度进行简单可靠的判断。

综上所述，本发明通过采用梯度折射率材料作为微透镜材料，使图像像素单元的感光单元只对某一特定角度入射的光线进行感应，使其在光电转换后输出的电压信号是一个以入射角度为变量的函数。再通过对感光单元输出信号的处理、比较及将比较结果加以二值化的量化，可以简单可靠地对光线入射角度加以判断。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种对角度敏感的图像像素单元，包括：

感光单元，用于对经微透镜折射进入光通路中的入射光进行光电转换，其中所述微透镜的材料为梯度折射率材料；

读出电路，用于输出所述感光单元的电压信号；以及

比较单元，与所述读出电路相连，将所述读出电路输出的电压信号与一参考阈值进行比较，根据比较结果输出1比特数字信号“1”或“0”。

2.根据权利要求1所述的对角度敏感的图像像素单元，其特征在于，所述入射光经至少两层微透镜折射进入所述光通道，所述至少两层微透镜的材料为梯度折射率材料。

3.根据权利要求1所述的对角度敏感的图像像素单元，其特征在于，所述感光单元输出的电压信号为以所述入射光的入射角度为变量的函数。

4.根据权利要求3所述的对角度敏感的图像像素单元，其特征在于，当所述电压信号大于等于所述参考阈值时，所述比较单元输出1比特数字信号“1”；否则输出1比特数字信号“0”。

5.一种对角度敏感的图像像素单元，包括：

读出电路，用于输出所述感光单元的电压信号；

模数转换单元，与所述读出电路相连，将所述感光单元的电压信号转换为数字信号；以及

比较单元，与所述模数转换单元相连，将所述数字信号与一参考阈值进行比较，根据比较结果输出1比特数字信号“1”或“0”。

6.根据权利要求5所述的对角度敏感的图像像素单元，其特征在于，所述入射光经至少两层微透镜折射进入所述光通道，所述至少两层微透镜的材料为梯度折射率材料。

7.根据权利要求5所述的对角度敏感的图像像素单元，其特征在于，所述感光单元输出的电压信号为以所述入射光的入射角度为变量的函数。

8.根据权利要求5所述的对角度敏感的图像像素单元，其特征在于，当所述数字信号大于等于所述参考阈值时，所述比较单元输出1比特数字信号“1”；否则输出1比特数字信号“0”。