CN104079903B - 高动态范围的彩色及灰度图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高动态范围的彩色及灰度图像传感器。其中彩色图像传感器的每个像素单元从下到上依次包括：衬底、金属层、颜色滤镜层、微透镜层，衬底和颜色滤镜层之间至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；金属层向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；颜色滤镜层用于颜色还原以输出彩色图像，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应颜色滤镜层中不同的滤镜；微透镜层对进入光通道的入射光进行汇聚处理，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应微透镜层中不同的微透镜。本申请获得了高动态范围的动态图像。
Description
技术领域
本发明属于图像传感器技术领域，具体地说，涉及一种高动态范围的彩色及灰度图像传感器。
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，图像传感器包括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-coupledDevice，以下简称CCD)。
在专业的科研和工业领域，具有高信噪比的CCD成为首选；在高端摄影摄像领域，能提供高图像质量的CCD也颇受青睐。CCD在网络摄像头和手机拍照模块得到了广泛应用。
CCD与CIS相比来说，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。
现有技术中，CIS中的像素阵列采用有源像素侦测结构(Active Pixel Sensor，简称APS)。一个APS侦测结构即一个像素单元包括一个具有特定光敏感度的感光二极管(Photo Diode，简称PD)，导致图像传感器输出动态范围固定的图像，当环境的光线强度不同时，无法实现动态范围可变。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高动态范围的彩色及灰度图像传感器，用以解决现有技术中当环境的光线强度不同时无法实现动态范围可变的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有高动态范围的彩色图像传感器，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：衬底、金属层、颜色滤镜层、微透镜层，所述衬底和所述颜色滤镜层之间至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；不同光通道具有不同的深度，不同光通道底部设置的具有不同光敏感度的感光单元处于不同的水平面上；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述颜色滤镜层用于颜色还原以输出彩色图像，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述颜色滤镜层中不同的滤镜；所述微透镜层用于对进入所述光通道的入射光进行汇聚处理，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述微透镜层中不同的微透镜。
优选地，在本发明的一实施例中，每个光通道中设置有一光纤，所述光纤的顶端设置在所述颜色滤镜层的下表面，光纤的底端设置在感光单元的上表面，用于对光通道中传送的入射光进行汇聚处理。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有高动态范围的彩色图像传感器，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：金属层、衬底、颜色滤镜层、微透镜层，所述衬底中至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；不同光通道具有不同的深度，不同光通道底部设置的具有不同光敏感度的感光单元处于不同的水平面上；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述颜色滤镜层用于颜色还原以输出彩色图像，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述颜色滤镜层中不同的滤镜；所述微透镜层用于对进入所述光通道的入射光进行汇聚处理，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述微透镜层中不同的微透镜。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有高动态范围的灰度图像传感器，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：衬底、金属层、微透镜层，所述衬底和微透镜层之间至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；不同光通道具有不同的深度，不同光通道底部设置的具有不同光敏感度的感光单元处于不同的水平面上；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述微透镜层包括至少两个微透镜，分别用于对进入不同光通道的入射光进行汇聚处理。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有高动态范围的灰度图像传感器，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：金属层、衬底、微透镜层，所述衬底中至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；不同光通道具有不同的深度，不同光通道底部设置的具有不同光敏感度的感光单元处于不同的水平面上；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述微透镜层包括至少两个微透镜，分别用于对进入不同光通道的入射光进行汇聚处理。
优选地，在本发明的一实施例中，每个光通道中设置有一光纤，所述光纤的顶端设置在所述微透镜层的下表面，光纤的底端设置在感光单元的上表面，用于对光通道中传送的入射光进行汇聚处理。
与现有的方案相比，本发明中，由于每个像素包括至少两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号，实质上相当于每个像素至少包括两个子像素，不同子像素输出不同的电信号，从而可获得高动态范围的动态图像。
附图说明
图1为本发明实施例一彩色图像传感器的平面示意图；
图2为本发明实施例一彩色图像传感器的剖视图；
图3为本发明实施例二彩色图像传感器的剖视图；
图4为本发明实施例三灰度图像传感器的平面示意图；
图5为本发明实施例三灰度图像传感器的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。应该理解，以下列举的实施例仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。
本发明的核心思想之一
针对正面照射式FSI彩色图像传感器，本发明下述实施例的核心思想在于，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：衬底、金属层、颜色滤镜层、微透镜层，所述衬底和所述颜色滤镜层之间至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述颜色滤镜层用于颜色还原以输出彩色图像，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述颜色滤镜层中不同的滤镜；所述微透镜层用于对进入所述光通道的入射光进行汇聚处理，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述微透镜层中不同的微透镜。
本发明的核心思想之二
针对背照射式BSI彩色图像传感器，本发明下述实施例的核心思想在于，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：金属层、衬底、颜色滤镜层、微透镜层，所述衬底中至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述颜色滤镜层用于颜色还原以输出彩色图像，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述颜色滤镜层中不同的滤镜；所述微透镜层用于对进入所述光通道的入射光进行汇聚处理，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述微透镜层中不同的微透镜。
本发明的核心思想之三
针对正面照射式FSI灰度图像传感器，本发明下述实施例的核心思想在于，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：衬底、金属层、微透镜层，所述衬底和微透镜层之间至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述微透镜层包括至少两个微透镜，分别用于对进入不同光通道的入射光进行汇聚处理。
本发明的核心思想之四
针对背照射式BSI彩色图像传感器，本发明下述实施例的核心思想在于，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：金属层、衬底、微透镜层，所述衬底中至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述微透镜层包括至少两个微透镜，分别用于对进入不同光通道的入射光进行汇聚处理。
本发明下述实施例中，以基于红绿蓝RGB三原色的BAYER模式图像传感器为例，对本发明的上述核心思想进行说明。需要说明的是，本发明的上述核心思想也可以应用到基于青色Cyan、品红色Magenta、黄色Yellow(CMYK)的图像传感器，或者其他模式的图像传感器，详细在下述实施例中将不再另行赘述。
实施例一
图1为本发明实施例一彩色图像传感器的平面示意图；如图1所示，本实施例中将同时配置两个光敏感度不同的感光单元以及每个感光单元配置一个光纤，同时实现高动态范围，以及汇聚光通道中的入射光以提高光的利用效率。图1中以RGGB共计四个像素为例，分别纵向、横向均匀排布，每个像素对应两个感光单元如感光二极管PD101和光纤102，这两个感光单元的几何中心沿着其所在像素的对角线对齐，且这两个感光单元具有不同的光敏感度。两个感光单元的均为正方形，边长分别为d1、d2，d1大于d2。
需要说明的是，在本发明的另外一实施例中，也可以不同时设置光纤，即无图1中所示的光纤102，详细实施例将不再赘述。
图2为本发明实施例一彩色图像传感器的剖视图；如图2所示，本实施例具体涉及正面照射式FSI图像传感器，其中每个像素单元从下到上依次包括：衬底201、金属层202、颜色滤镜层203、微透镜层204。其中：
所述衬底201和所述颜色滤镜层203之间开设有两条光通道205，每个光通道205中设置有一光纤206，所述光纤206的顶端设置在所述颜色滤镜层的下表面，光纤206的底端设置在感光单元207的上表面，用于对光通道205中传送的入射光进行进行汇聚处理，避免侦测结构表面的金属材质反射掉一部分入射光以及进入光通道205的入射光被金属层中金属布线反射，提高入射光的利用率。不同光通道205的底部设置具有不同光敏感度的感光单元207，用于感测不同光通道205中的入射光并输出大小不同的电信号。
本实施例中，不同光通道205具有不同的深度，不同光通道205底部设置的具有不同光敏感度的感光单元207处于不同的水平面上，从而使具有不同光敏感度的感光单元207获得相同的入射光强度。比如，光敏感度较小即动态范围较大的感光单元207位于较低的水平面，而光敏感度较大即动态范围较小的感光单元207位于较高的水平面。
本实施例中，由于是正面照射式FSI彩色图像传感器，光通道205实际纵向穿越衬底201、金属层202。
所述金属层202用于向外围电路传输每个感光单元207输出的与感测的入射光对应的电信号。本实施例中，金属层202实际包括若干层金属布线，该金属布线具体嵌在一作为中间层的半导体层如氧化硅层200中。
所述颜色滤镜层203用于颜色还原以输出彩色图像，同一像素单元中不同光通道205底部设置的感光单元207对应所述颜色滤镜层203中不同的滤镜213；
本实施例中，颜色微透镜层203包括分别对红色red、绿色green、蓝色blue进行还原的滤镜，每个像素对应设置对某一特定颜色进行还原的滤镜。
本实施例中，所述颜色滤镜层203中每一个颜色滤镜的几何中心与所述衬底201对应设置的感光单元207几何中心重叠。进一步地，所述光纤横向剖面的几何中心均与所述颜色滤镜层203中每一个颜色滤镜的几何中心、所述衬底201中对应设置的感光单元207的几何中心重叠。
所述微透镜层204用于对进入所述光通道205的入射光进行汇聚处理，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元207对应所述微透镜层204中不同的微透镜214。
实施例二
图3为本发明实施例二彩色图像传感器的剖视图；如图3所示，本实施例具体涉及背照射式BSI图像传感器，其中每个像素单元从下到上依次包括：金属层202、衬底201、颜色滤镜层203、微透镜层204。与上述实施例不同之处在于，金属层202位于衬底201之下，具体地：
所述衬底201和所述颜色滤镜层203之间开设有两条光通道205，每个光通道205中设置有一光纤206，所述光纤206的顶端设置在所述颜色滤镜层的下表面，光纤206的底端设置在感光单元207的上表面，用于对光通道205中传送的入射光进行汇聚处理，避免侦测结构表面的金属材质反射掉一部分入射光以及进入光通道205的入射光被金属层中金属布线反射，提高入射光的利用率。不同光通道205的底部设置具有不同光敏感度的感光单元207，用于感测不同光通道205中的入射光并输出大小不同的电信号。
本实施例中，不同光通道205具有不同的深度，不同光通道205底部设置的具有不同光敏感度的感光单元207处于不同的水平面上，从而使具有不同光敏感度的感光单元207获得相同的入射光强度。比如，光敏感度较小即动态范围较大的感光单元207位于较低的水平面，而光敏感度较大即动态范围较小的感光单元207位于较高的水平面。
本实施例中，由于是背照射式BSI彩色图像传感器，光通道205实际设置在衬底201和颜色滤镜层203之间，金属层202中无任何光通道。
所述金属层202用于向外围电路传输每个感光单元207输出的与感测的入射光对应的电信号。本实施例中，金属层202实际包括若干层金属布线，该金属布线具体嵌在一作为中间层的半导体层如氧化硅层200中。
所述颜色滤镜层203用于颜色还原以输出彩色图像，同一像素单元中不同光通道205底部设置的感光单元207对应所述颜色滤镜层203中不同的滤镜213；
所述微透镜层204用于对进入所述光通道205的入射光进行汇聚处理，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元207对应所述微透镜层204中不同的微透镜214。
在本发明的另外一实施例中，如果使用灰度图像传感器，则去除颜色滤镜层，无论是正面照射式FSI或者背照式BSI图像传感器来说，光通道设置在衬底和微透镜层之间，两者的区别在于前者在金属层对应有光通道，而后者由于金属层在衬底之下，因此金属层中无光通道。详细本申请实施例将不再详细赘述。
实施例三
图4为本发明实施例三灰度图像传感器的平面示意图；如图4所示，本实施例具体涉及背面照射式BSI图像传感器，与上述实施例配置两个光敏感度不同的感光单元不同的是，本实施例中将同时配置三个光敏感度不同的感光单元以及每个感光单元配置一个光纤，同时实现高动态范围，以及汇聚光通道中的入射光以提高光的利用效率。图4中以RGGB共计四个像素为例，分别纵向、横向均匀排布，每个像素对应三个感光单元如感光二极管PD101和光纤102，这三个感光单元的几何中心沿着其所在像素的对角线对齐以及水平对齐，且这三个感光单元具有不同的光敏感度。三个感光单元的面积从大到小依次为d1、d2、d3。d1与d2对应的感光单元的几何中心沿着其所在像素的对角线对齐，d1与d2对应的感光单元的几何中心水平对齐,d2与d3对应的感光单元的几何中心垂直对齐。
图5为本发明实施例三灰度图像传感器的剖视图；如图5所示与上述图2所示实施例不同的是，本实施例涉及背照式BIS图像传感器，以及开设有三条光通道205。
每个像素单元从下到上依次仍然包括：金属层202、衬底201、微透镜层204。其中：
所述衬底201和微透镜层204之间开设有三条光通道205，每个光通道205中设置有一光纤206，共计三条光纤，每个光纤206的顶端设置在所述微透镜层204的下表面，光纤206的底端设置在感光单元207的上表面，用于对光通道205中传送的入射光进行汇聚处理。不同光通道205的底部设置具有不同光敏感度的感光单元207，用于感测不同光通道205中的入射光并输出大小不同的电信号。
本实施例中，不同光通道205具有不同的深度，不同光通道205底部设置的具有不同光敏感度的感光单元207处于不同的水平面上，从而使具有不同光敏感度的感光单元207获得相同的入射光强度，即在衬底的垂直方向上堆叠不同光敏感度的感光单元。比如，边长为d1的感光单元207位于中间的水平面，边长为d2的感光单元207位于最高的水平面，边长为d3的感光单元207位于最低的水平面。这三个感光单元可以在相同的光照条件下输出三种不同大小等级的信号，从而可以获得高动态范围的灰度图像。
所述金属层202用于向外围电路传输每个感光单元207输出的与感测的入射光对应的电信号。本实施例中，金属层202实际包括若干层金属布线，该金属布线具体嵌在一作为中间层的半导体层如氧化硅层200中。
所述微透镜层204用于对进入所述光通道205的入射光进行汇聚处理，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元207对应所述微透镜层中不同的微透镜。
需要说明的是，在本实施例三的基础上，在微透镜层和衬底之间增加一颜色滤镜层，从而形成可形成彩色图像的彩色图像传感器，形成另外一实施例。与上述实施例三不同的是，光通道和光纤设置在衬底和颜色滤镜层之间。对于背照式BSI和正面照射式FSI图像传感器来说，前者金属层在衬底之下，而后者衬底在金属层之下。本申请实施例将不再赘述。
本申请的上述实施例中，由于每个像素包括至少两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号，实质上相当于每个像素至少包括两个子像素，不同子像素输出不同的电信号，从而可获得高动态范围的动态图像
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 (7)
1.一种具有高动态范围的彩色图像传感器，其特征在于，包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：衬底、金属层、颜色滤镜层、微透镜层，所述衬底和所述颜色滤镜层之间至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；不同光通道具有不同的深度，不同光通道底部设置的具有不同光敏感度的感光单元处于不同的水平面上；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述颜色滤镜层用于颜色还原以输出彩色图像，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述颜色滤镜层中不同的滤镜；所述微透镜层用于对进入所述光通道的入射光进行汇聚处理，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述微透镜层中不同的微透镜。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每个光通道中设置有一光纤，所述光纤的顶端设置在所述颜色滤镜层的下表面，光纤的底端设置在感光单元的上表面，用于对光通道中传送的入射光进行汇聚处理。
3.一种具有高动态范围的彩色图像传感器，其特征在于，包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：金属层、衬底、颜色滤镜层、微透镜层，所述衬底中至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；不同光通道具有不同的深度，不同光通道底部设置的具有不同光敏感度的感光单元处于不同的水平面上；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述颜色滤镜层用于颜色还原以输出彩色图像，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述颜色滤镜层中不同的滤镜；所述微透镜层用于对进入所述光通道的入射光进行汇聚处理，同一像素单元中不同光通道底部设置的感光单元对应所述微透镜层中不同的微透镜。
4.一种具有高动态范围的灰度图像传感器，其特征在于，包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：衬底、金属层、微透镜层，所述衬底中至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；不同光通道具有不同的深度，不同光通道底部设置的具有不同光敏感度的感光单元处于不同的水平面上；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述微透镜层包括至少两个微透镜，分别用于对进入不同光通道的入射光进行汇聚处理。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，每个光通道中设置有一光纤，所述光纤的顶端设置在所述微透镜层的下表面，光纤的底端设置在感光单元的上表面，用于对光通道中传送的入射光进行汇聚处理。
6.一种具有高动态范围的灰度图像传感器，其特征在于，包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上依次包括：金属层、衬底、微透镜层，所述衬底中至少开设有两条光通道，不同光通道的底部设置具有不同光敏感度的感光单元，用于感测不同光通道中的入射光并输出大小不同的电信号；不同光通道具有不同的深度，不同光通道底部设置的具有不同光敏感度的感光单元处于不同的水平面上；所述金属层用于向外围电路传输每个感光单元输出的与感测的入射光对应的电信号；所述微透镜层包括至少两个微透镜，分别用于对进入不同光通道的入射光进行汇聚处理。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，每个光通道中设置有一光纤，所述光纤的顶端设置在所述微透镜层的下表面，光纤的底端设置在感光单元的上表面，用于对光通道中传送的入射光进行汇聚处理。
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