CN103716558A - 高动态像素阵列、像素单元及图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态像素阵列、像素单元及图像传感器。像素阵列包括多个像素单元，每个像素单元包括若干个子像素组，每个子像素组包括一个第一子像素和至少两个第二子像素，所述第一子像素和所述第一子像素包括感光面积不同的第一感光单元和第二感光单元，所述第一感光单元和所述第二感光单元在基底中的设置位置相邻。由于整个像素阵列具有两种不同感光面积的感光单元，因此感光二极管PD的动态范围较大，最终提高了图像传感器的动态范围。

Description

高动态像素阵列、像素单元及图像传感器

技术领域

本发明属于图像传感器领域，具体地说，涉及一种配置了不同动态范围的感光单元的高动态像素阵列、像素单元及图像传感器。 

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，图像传感器有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）。在专业的科研和工业领域，具有高信噪比的CCD图像传感器成为首选；在高端摄影摄像领域，能提供高图像质量的CCD图像传感器也颇受青睐。而相比之下，在网络摄像头和手机拍照模块领域，CMOS图像传感器得到了广泛应用。 

CCD图像传感器与CMOS图像传感器相比，前者功耗较高、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CMOS图像传感器。但是，随着CMOS图像传感器制造工艺的不断提高，CMOS图像传感器的图像质量已经接近于同规格的CCD图像传感器。 

通常，CMOS图像传感器是基于有源像素传感器（Active Pixel Sensor，简称APS）形成的像素单元，由该像素单元组成图像传感器的像素阵列。 

基于APS形成的图像传感器，其捕捉的图像的原理为：利用一感光二极管（photo diode，简称PD）接收入射光的光子并进行光电转换输出电压信号；再通过后续电路如放大电路、滤波去噪电路等处理，最终输出形成的图像信号。 

但是，基于APS形成的图像传感器，其像素阵列的动态范围基本由感光二极管PD的动态范围决定。但是，由于在整个阵列中使用的感光二极管PD为一种规格，每个感光二极管PD的感光面积均相同，导致每个感光二极管PD的动态范围固定。因此，每个感光二极管PD的动态范围固定，使得图像传感器的动态范围较低，有待进一步提高。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高动态像素阵列、像素单元及图像传感器，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。 

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高动态像素阵列，其包括：多个像素单元，每个像素单元包括若干个子像素组，每个子像素组包括一个第一子像素和至少两个第二子像素，所述第一子像素和所述第二子像素包括感光面积不同的第一感光单元和第二感光单元，所述第一感光单元和所述第二感光单元在基底中的设置位置相邻。 

优选地，在本发明的一实施例中，所述第一子像素和第二子像素的形状均为正多边形，每个子像素组中，所述第二子像素围绕所述第一子像素设置。 

优选地，在本发明的一实施例中，所述第二子像素沿着所述第一子像素外围对称设置。 

优选地，在本发明的一实施例中，所述第二子像素在所述第一子像素外围的设置位置相邻或者相对，且位于不同子像素组中的两个第一子像素之间。 

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高动态像素单元，其包括若干个子像素组，每个子像素组包括一个第一子像素和至少两个第二子像素，所述第一子像素和所述第一子像素包括感光面积不同的第一感光单元和第二感光单元，所述第一感光单元和所述第二感光单元在基底中的设置位置相邻。 

优选地，在本发明的一实施例中，所述第一子像素和第二子像素的形状均为正多边形，每个子像素组中，所述第二子像素围绕所述第一子像素设置。 

优选地，在本发明的一实施例中，所述第二子像素在所述第一子像素外围的设置位置相邻或者相对，且位于不同子像素组中的两个第一子像素之间。 

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高动态图像传感器，其包括上述任意高动态像素阵列。 

与现有的方案相比，本发明中，由于每个像素单元包括若干个子像素组，每个子像素组包括一个第一子像素和至少两个第二子像素，所述第一子像素和所述第一子像素分别包括感光面积不同的第一感光单元和第二感光单元，所述第一感光单元和所述第二感光单元在基底中的设置位置相邻。由于整个 像素阵列具有两种不同感光面积的感光单元，因此感光二极管PD的动态范围较大，最终提高了图像传感器的动态范围。 

附图说明

图1为本发明实施例一中子像素组的平面示意图； 

图2为本发明实施例二中子像素组的平面示意图； 

图3为本发明实施例三中子像素组的平面示意图； 

图4为本发明实施例四中子像素组的平面示意图； 

图5为本发明实施例五中子像素组的平面示意图； 

图6为本发明实施例六中子像素组的平面示意图； 

图7为本发明实施例七中子像素组的平面示意图； 

图8为本发明实施例八中子像素组的平面示意图； 

图9为本发明实施例九中子像素组的平面示意图； 

图10为本发明实施例十中子像素组的平面示意图； 

图11为本发明实施例十一中子像素组的平面示意图； 

图12为本发明实施例十二中像素阵列的平面示意图； 

图13为本发明实施例十三中像素阵列的平面示意图; 

图14为本发明实施例十四中像素阵列的平面示意图； 

图15为本发明实施例十五中像素阵列的平面示意图； 

图16为本发明实施例十六中像素阵列的平面示意图； 

图17为本发明上述实施例十二中像素阵列的剖视图。 

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，每个像素单元包括若干个子像素组，每个子像素组包括一个第一子像素和至少两个第二子像素，所述第一子像素和所述第一子像素包括感光面积不同的第一感光单元和第二感光单元，所述第一感光单元和所述第二感光单元在基底中的设置位置相邻。因此感光二极管PD的动态范围较大，提高了图像传感器的动态范围。 

本发明的主要思想： 

本发明下述实施例中的高动态像素阵列可以包括：多个像素单元，每个 像素单元包括若干个子像素组，每个子像素组包括一个第一子像素和至少两个第二子像素，所述第一子像素和所述第一子像素包括感光面积不同的第一感光单元和第二感光单元，所述第一感光单元和所述第二感光单元在基底中的设置位置相邻。 

由于每个像素单元具有两种不同感光面积的第一感光单元和第二感光单元。因此，整个像素阵列也具备两类不同感光面积的第一感光单元和第二感光单元。与现有技术中只由一类固定感光面积的感光单元组成的像素阵列相比，具有较高的动态范围。 

本发明下述实施例中，以所述第一子像素和第二子像素的形状均为正多边形，每个子像素组中，所述第二子像素围绕所述第一子像素设置的方式为例，对本发明的主要思想进行说明。具体地，正多边形可以为正三角形、正六边形、菱形等等。 

下述实施例中具体以正六边形为例进行说明。当然，对于本领域普通技术人员来说，在本发明主要思想及下述实施例的启发下，无须创造性劳动，也可以想到任何其他设置方式，在此不再赘述。 

本发明下述实施例中，以所述第二子像素与所述第一子像素位置相邻或者相对，且位于不同子像素组中的两个第一子像素之间为例，对本发明的主要思想进行说明。当然，对于本领域普通技术人员来说，在本发明主要思想及下述实施例的启发下，无须创造性劳动，也可以想到任何其他设置方式，在此不再赘述。 

子像素实施例

图1为本发明实施例一中子像素组的平面示意图；如图1所示，子像素组包括一个第一子像素111和两个第二子像素121，所述第一子像素111和所述第二子像素121包括感光面积不同的第一感光单元（图1中未示出）和第二感光单元（图1中未示出），所述第一感光单元和所述第二感光单元在基底中的设置位置相邻（图1中未示出）。 

具体地，如前所述，第一子像素111和两个第二子像素121均为正六边形，两个第二子像素121按照位置相对的方式设置在第一子像素111外围，两个第二子像素121以第一子像素111的几何中心为准对称。如图1所示，在本实施例一中，两个第二子像素121中，一个设置在-30度方向，一个设置 在120度方向。 

图2为本发明实施例二中子像素组的平面示意图，与上述图1不同的是，本实施例二中，两个第二子像素121中，一个设置在-90度方向，另外一个设置在90度方向。 

图3为本发明实施例三中子像素组的平面示意图，与上述图1不同的是，本实施例三中，两个第二子像素121中一个设置在30度方向，另外一个设置在-150度方向。 

图4为本发明实施例四中子像素组的平面示意图；如图4所示，与上述实施例图1-图3实施例不同的是，本实施例中，两个第二子像素121按照位置相邻的方式设置在第一子像素111外围，实质上两个第二子像素121是以第一子像素111正六边形对角线堆成的方式设置。如图4所示，在本实施例四中，两个子像素121中沿着水平方向对称。 

图5为本发明实施例五中子像素组的平面示意图；如图5所示，与上述图4所示不同的是，两个第二子像素121中，沿着60度方向对角线对称。 

图6为本发明实施例六中子像素组的平面示意图；如图6所示，与上述图4所示不同的是，两个第二子像素121中，沿着垂直方向对角线对称。 

图7为本发明实施例七中子像素组的平面示意图；如图7所示，与上述图4所示不同的是，两个第二子像素121沿着-60度方向对角线对称。 

图8为本发明实施例八中子像素组的平面示意图；如图8所示，与上述图4所示不同的是，两个第二子像素121中，沿着水平方向的对角线对称，但分布在第一子像素111的右侧。 

图9为本发明实施例九中子像素组的平面示意图；如图9所示，与上述图4所示不同的是，两个第二子像素121中沿着60度方向对角线对称。 

图10为本发明实施例十中子像素组的平面示意图；如图10所示，与上述图4所示不同的是，两个第二子像素121中沿着垂直方向的对角线对称。 

图11为本发明实施例十一中子像素组的平面示意图；如图11所示，与上述图4所示不同的是，两个子像素121沿着120度方向的对角线对称。 

本发明的下述实施例中，以基于RGB三原色的BAYER模式为例进行说明。当然，对于本领域普通技术人员来说，也可以在本发明下述实施例的启发下，无须创造性劳动，也可以以CMYK四原色为例进行，详细不再赘述。 

像素阵列实施例

图12为本发明实施例十二中像素阵列的平面示意图；如图12所示，本实施例中，像素单元的包括一个红色子像素组1201（r1Rr1）、两个绿色子像素组1202（g1G1g1）（g2G2g2）、一个蓝色子像素组1203（b1B1b1），红色子像素组1201包括一第一红色子像素1211(R)和两个第二红色子像素1221(r1,r2)，每个子像素组如图1所示，每个绿色子像素组1202第一绿色子像素1212(G1)和两个第二绿色子像素1222(g1,g2)，蓝色子像素组1203包括一第一蓝色子像素1213(B1)和两个第二蓝色子像素1223(b1,b2)。 

本实施例中，红色子像素组1201中第一红色子像素1211和两个第二红色子像素1221的设置方式如图1所示。绿色子像素组1202、蓝色子像素组1203中个子像素的设置方式也如图1所示。 

图13为本发明实施例十三中像素阵列的平面示意图；如图13所示，与上述图12不同的是，本实施例中，各个子像素组中子像素的设置方式如图2所示。 

图14为本发明实施例十四中像素阵列的平面示意图；如图14所示，与上述图12不同的是，本实施例中，各个子像素组中子像素的设置方式如图3所示。 

图15为本发明实施例十五中像素阵列的平面示意图；如图15所示，与上述图12不同的是，本实施例中，各个子像素组中子像素的设置方式如图4所示。 

图16为本发明实施例十六中像素阵列的平面示意图；如图16所示，本实施例中，各个子像素组中子像素的设置方式如图7所示。 

需要说明的是，也可以根据图5、图8-图11中的子像素组形成类似图15-图16的像素阵列，详细不再赘述。 

图17为本发明上述实施例十二中像素阵列的剖视图，如图17所示，其从下到上依次包括：基底1701、金属层1702、滤镜层1703、微透镜层1704。其中： 

所述基底1701中设置有传感器层1711，用于对光通路中的入射光进行光电转换，传感器层包括若干组第一感光单元1721和第二感光单元1731，第一感光单元1721和第二感光单元1731可以具体为感光二极管PD，所述第一感 光单元1721和所述第二感光单元1731在基底1701中的设置位置相邻。 

金属层1702（M1-M4）用于将光电转换的电信号传输到外围电路（图17中未示出）进行处理。 

滤镜层1703用于对不同颜色进行还原，以采集到彩色图像，其包括红色、绿色、蓝色滤镜，，对应第一感光单元1721和第二感光单元1731，也具有大小不同的第一滤镜1713和第二滤镜1723。 

微透镜层1704用于对进入光通道的入射光进行聚焦处理，微透镜层1704根据像素的个数包括若干个第一微透镜1714和第二微透镜1724，分别对应第一感光单元1721和第二感光单元1731。 

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 (8)

1.一种高动态像素阵列，其特征在于，包括：多个像素单元，每个像素单元包括若干个子像素组，每个子像素组包括一个第一子像素和至少两个第二子像素，所述第一子像素和所述第二子像素包括感光面积不同的第一感光单元和第二感光单元，所述第一感光单元和所述第二感光单元在基底中的设置位置相邻。

2.根据权利要求1所述的高动态像素阵列，其特征在于，所述第一子像素和第二子像素的形状均为正多边形，每个子像素组中，所述第二子像素围绕所述第一子像素设置。

3.根据权利要求2所述的高动态像素阵列，其特征在于，所述第二子像素与所述第一子像素的设置位置相邻或者相对，且位于不同子像素组中的两个第一子像素之间。

4.根据权利要求3所述的高动态像素阵列，所述第二子像素沿着所述第一子像素外围对称设置。

5.一种高动态像素单元，其特征在于，包括若干个子像素组，每个子像素组包括一个第一子像素和至少两个第二子像素，所述第一子像素和所述第二子像素包括感光面积不同的第一感光单元和第二感光单元，所述第一感光单元和所述第二感光单元在基底中的设置位置相邻。

6.根据权利要求5所述的高动态像素单元，其特征在于，所述第一子像素和第二子像素的形状均为正多边形，每个子像素组中，所述第二子像素围绕所述第一子像素设置。

7.根据权利要求5所述的高动态像素单元，其特征在于，所述第二子像素与所述第一子像素的设置位置相邻或者相对，且位于不同子像素组中的两个第一子像素之间。

8.一种高动态图像传感器，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的高动态像素阵列。

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