CN104091814A - 一种cmos图像传感器的像素阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器的像素阵列，滤镜层为面向摄像镜头方向的凹形曲面形状，采用支撑层进行支撑，感光层和金属层为平面形状，由摄像镜头射入的倾斜光线，在接近滤镜层的边缘部位进入滤镜层时，可以获得增大的入射角，并通过光纤传导至感光二极管，可避免入射光在光通道中发生明显的光强损失，实现入射光信号的高效传输，使成像质量大大提高，并可有效抑制像素间的串扰，还可进一步匹配光学结构更为简洁的镜头设计，缩短主镜头的法兰焦距以及整个成像系统的尺寸。

Description

一种CMOS图像传感器的像素阵列

技术领域

本发明涉及一种CMOS图像传感器，更具体地，涉及一种CMOS图像传感器的像素阵列。

背景技术

图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。根据光电转换方式的不同，图像传感器通常可以分为电荷耦合器件图像传感器(Charge-coupled Device，CCD)和CMOS图像传感器(CMOS IMAGE SENSOR，CIS)两类。

对于CCD来说，一方面，在专业的科研和工业领域，具有高信噪比的CCD成为首选；另一方面，在高端摄影摄像领域，能提供高图像质量的CCD也颇受青睐。而对于CIS来说，在网络摄像头和手机拍照模块也得到了广泛应用。

CCD与CIS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CIS，但是，随着CIS技术的不断提高和CMOS制造工艺水平的大幅提升，一部分CIS的图像质量已经接近于同规格的CCD。CIS在性能上正在取得实质性的进展，并凭借其低成本、高效率、传输速度快等优势被广泛用于平板电脑、智能手机等各类新兴领域。伴随着照相手机等消费类电子领域对CIS的促进，未来的CMOS图像传感器的市场前景将更为广阔。小尺寸、高性能CIS的设计成为本领域研究的重要课题之一。

图像传感器一个直观的性能指标就是对图像的复现能力，而图像传感器的像素阵列就是直接关系到这一指标的关键性功能模块。像素阵列可分为正面照射式(Front Side Illuminated，FSI)像素阵列和背照式(Back SideIlluminated，BSI)像素阵列。在FSI像素阵列的结构中，沿入射光方向依次包括滤镜层、金属层和感光层；感光层中包括有感光二极管(Photo Diode，PD)，滤镜层一般包括微透镜(Micro-lens)和颜色滤镜阵列(Color FilterArray，CFA)的二者或其一。如果是BSI像素阵列，则沿入射光方向依次包括滤镜层、感光层和金属层，其结构中的金属层位置与感光层互换，即位于背离入射光的最远端层。在滤镜层和感光层之间设有光通道，入射光经过滤镜层，沿光通道到达感光层中的PD，实现光电转换、模数转换，输出数字图像。在采用有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)作为其感光单元的CIS的像素阵列中，一个APS(即一个像素单元)包括一个感光二极管(PhotoDiode，PD)和一个有源放大器(Active Amplifier)。

请参阅图1，图1是现有技术的一种CMOS图像传感器的像素阵列的结构示意图。如图1所示，此像素阵列为平面型FSI像素阵列，采用APS作为感光单元，其结构中的滤镜层6、金属层7和感光层8以平面形式分层布置。滤镜层6由平面的微透镜层5和颜色滤镜层4组成；金属层7主要成分为氧化硅，其中有电路结构3；感光层8即PD层，主要成分为硅，其中有感光二极管(PD)1；光通道2由PD1通向滤镜层6。一个微透镜、颜色滤镜、PD和对应的光通道、电路结构构成一个像素单元，像素单元依次排列构成像素阵列，并在实际制作中将金属层和感光层整体进行加工。

在上述现有技术的像素阵列中，当入射光向APS照射时，Sensor(传感器)表面的金属材质会反射掉一部分入射光；剩余的光线才会由微透镜汇聚，通过颜色滤镜和光通道到达PD。这使得PD感光需要的光强大为受损。特别是在FSI像素阵列中，当光线通过光通道时，由于其中的金属层有很多层金属布线，使得光线进一步受到损失。因此，当CMOS图像像素阵列与镜头组进行耦合时，图像中心的成像质量就要远远好于图像边缘的部分，其重要原因就是由于FSI像素阵列中较为狭长的光通道，使得入射角较为倾斜的光线无法抵达PD进行感光。与FSI像素阵列相比，BSI像素阵列因金属层处于感光层的外侧，通过缩短的光通道可提高其像素阵列的光敏感度。然而，BSI仍不能彻底解决光线倾斜入射时响应较差的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种新型结构的CMOS图像传感器的像素阵列，通过将像素阵列中的滤镜层设置成凹形曲面形状，使由摄像镜头射入的倾斜光线，在接近滤镜层的边缘部位进入滤镜层时，可以获得增大的入射角，并通过光纤传导至感光二极管，从而避免了入射光在光通道中发生明显的光强损失，当CMOS图像像素阵列与摄像镜头耦合时，可实现入射光信号的高效传输，在图像边缘得到清晰的成像。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种CMOS图像传感器的像素阵列，面向摄像镜头方向依次包括感光层、金属层、滤镜层，所述感光层设有感光二极管，所述感光层和所述金属层设有光通道，所述光通道具有分别朝向所述感光二极管和所述滤镜层的开口，其特征在于，所述感光层和所述金属层为平面形状，所述滤镜层为面向所述摄像镜头方向的凹形曲面形状，所述光通道中设有光纤，所述光纤一端连接所述感光二极管，另一端连接所述滤镜层；其中，由所述摄像镜头射入的倾斜光线，在接近所述滤镜层的边缘部位进入所述滤镜层时，可以获得较平面形状的滤镜层增大的入射角，并通过所述光纤传导至所述感光二极管。

本发明的技术方案与现有技术相比，将像素阵列中的滤镜层设置成凹形曲面形状，使由摄像镜头射入的倾斜光线，在凹面的滤镜层接近边缘的部位，相对于平面的滤镜层可以增大的、较垂直的入射角进入，并通过光纤传导至感光二极管，从而避免了入射光在光通道中发生明显的光强损失；光通道中放置有光纤，可使入射光在到达感光层的路径中不会被金属层反射而损失光强。由于入射光可几乎无反射地抵达感光区域，使入射光的利用率大大提高，可实现入射光信号的高效传输。在同样的光照条件下，采用本发明的技术方案，能够获得更为明亮、清晰、噪点更少的彩色数字图像。由于光纤两端分别与滤镜层和感光二极管紧密连接，使像素单元间的串扰也同时受到有效地抑制。

进一步地，所述滤镜层按面向所述摄像镜头方向设有颜色滤镜层和微透镜层，所述光纤一端连接所述感光二极管，另一端连接所述颜色滤镜层。

进一步地，所述滤镜层为正对所述摄像镜头的凹形曲面形状，以便得到对称、均匀的光照。

进一步地，所述滤镜层为正对所述摄像镜头的球形凹形曲面形状。采用球形曲面还是非球形曲面，可配合相应的摄像主镜头的光学设计来决定。

进一步地，所述球形凹形曲面的最大曲率半径为11毫米。

进一步地，还包括支撑层，所述支撑层设于所述滤镜层与所述金属层之间，并分别与所述滤镜层和所述金属层密合；所述光纤穿过所述支撑层连接所述滤镜层。支撑层用来支撑滤镜层，可避免滤镜层的曲面发生改变，并可保证整个像素阵列结构的稳定。

进一步地，所述支撑层设有光通道，所述光纤穿过所述支撑层的所述光通道连接所述滤镜层。

进一步地，所述支撑层为氧化硅支撑层，所述滤镜层按面向摄像镜头方向设有颜色滤镜层和微透镜层，所述光纤连接所述颜色滤镜层。

进一步地，所述光纤为可见光传导柔性光纤，光纤具有一定的柔软度，可方便与颜色滤镜和感光二极管的连接，并可调整在光纤端口部的连接方向。

进一步地，所述光纤的内径为8～20微米，适用现有技术的光纤规格。

采用本发明除了能够获得更为优秀的彩色数字图像和抑制像素串扰外，还可以使与之匹配的光学结构更为简洁，从而缩小整个成像系统的尺寸。可通过图2来进一步说明本发明同时产生的该技术效果。

请参阅图2，图2是人眼光学结构与照相机光学结构的比较示意图。如图2所示，图中上半部分展示了人眼的光学结构及成像原理：物体13表面反射光线通过人的眼球11的晶状体12折射，汇聚到眼球11远端的视网膜10表面形成图像。图中下半部分展示了照相机的光学结构及成像原理：物体13表面反射光线通过光学结构的镜头18折射，汇聚到了CIS17表面，形成数字图像。比较这两个成像系统，可以发现三个不同点：首先，人眼的视网膜10为球形凹曲面，而CIS17为矩形平面；其次，人眼只有晶状体12一个镜片，而照相机镜头18由若干镜片组成镜头组；再次，如果将人眼晶状体12后端到视网膜10的距离作为是人眼的法兰焦距9，此法兰焦距9比照相机系统的主镜头的法兰焦距16要短很多，且人眼成像系统的物距14也比照相机系统的物距15短。

本发明正是由人眼成像系统得到启发，将像素阵列的滤镜层模拟人眼的视网膜设计成凹面曲面形状，当CMOS图像像素阵列与摄像镜头耦合时，由于对摄像主镜头边缘处的倾斜入射光容忍度较高，使得具有凹面的CMOS图像像素阵列可以像人眼成像系统那样，匹配光学结构更为简洁的镜头设计—镜头的镜片数量可以大大减少，并可同时保证相同视角下的成像更为优秀，从而大大缩短主镜头的法兰焦距以及整个成像系统的尺寸。

从上述技术方案可以看出，本发明通过将像素阵列中的滤镜层设置成凹形曲面形状，使由摄像镜头射入的倾斜光线，在凹面的滤镜层接近边缘的部位，相对于平面的滤镜层可以增大的、较垂直的入射角进入，并通过可见光传导柔性光纤传导至感光二极管，从而避免了入射光在光通道中发生明显的光强损失；光通道中放置有光纤，可使入射光在到达感光层的路径中不会被金属层反射而损失光强。由于入射光可几乎无反射地抵达感光区域，使入射光的利用率大大提高，可实现入射光信号的高效传输。本发明充分利用了现有的技术基础，对镜头边缘处倾斜光线的入射问题进行了优化，使得成像质量大大提高。在同样的光照条件下，采用本发明的技术方案，能够获得更为明亮、清晰、噪点更少的彩色数字图像。并且，光纤两端分别与滤镜层和感光二极管紧密连接，使像素单元间的串扰也同时受到有效地抑制。此外，由于对摄像主镜头边缘处的倾斜入射光容忍度较高，使本发明可匹配光学结构更为简洁的镜头设计，并可同时保证相同视角下的成像更为优秀，从而大大缩短了主镜头的法兰焦距以及整个成像系统的尺寸。可以看出，在小规模成像系统中，若要获得高质量的数字成像，凹面的像素阵列设计较之传统平面的像素阵列，具有明显的绝对优势。

附图说明

图1是现有技术的一种CMOS图像传感器的像素阵列的结构示意图；

图2是人眼光学结构与照相机光学结构的比较示意图；

图3是本发明一种CMOS图像传感器的像素阵列的结构示意图；

图4是现有技术的平面像素阵列与本发明的凹面像素阵列的光线入射角比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的实施例中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大及变形处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在本实施例中，请参阅图3，图3是本发明一种CMOS图像传感器的像素阵列的结构示意图。如图3所示，本发明的像素阵列为FSI像素阵列，按面向照相机成像系统的镜头方向依次包括感光层28、金属层27、支撑层26和滤镜层25。滤镜层25包括颜色滤镜层23和微透镜层24，由按Bayer模式排列的颜色滤镜和微透镜构成，用于对入射光进行聚焦和得到彩色图像；感光层28又称为PD(感光二极管)层，主要成分为硅，设有感光二极管19，用于对接收的入射光进行光电转换；感光层28和金属层27设有光通道20，光通道20具有分别朝向感光二极管19和滤镜层25的开口，用于传导入射光；金属层27主要成分为氧化硅，其中有电路结构21，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；支撑层26设于滤镜层25的颜色滤镜层23与金属层26之间，主要成分为氧化硅，分别与滤镜层25和金属层26密合，用来支撑滤镜层25，可避免滤镜层25的曲面发生改变，并可保证整个像素阵列结构的稳定。

请继续参阅图3。一个像素单元包括一个微透镜、颜色滤镜、PD以及对应电路结构的金属层部分、对应的支撑层部分、对应的光通道，像素单元依次排列构成像素阵列。在实际制作中是将感光层28、金属层27和支撑层26采用现有工艺整体进行加工的。其中，支撑层26可采用蚀刻工艺形成于金属层27之上，然后，再在支撑层26上加工出滤镜层25。

请继续参阅图3。感光层28和金属层27为平面形状，与现有技术一致；而将包括颜色滤镜层23和微透镜层24的滤镜层25加工为正对摄像镜头(图略)方向的球形凹形曲面形状，以便得到对称、均匀的光照。考虑到人眼视网膜的直径大致为22毫米，半径即11毫米，因此，将球形凹形曲面的最大曲率半径设计为不超过11毫米，可根据照相机成像系统的设计需要来选定。每个光通道20中都设有1条可见光传导光纤22，用来高效传输入射的自然光。光纤22一端连接感光二极管19，另一端可植入支撑层26并穿过支撑层26连接颜色滤镜层23中的颜色滤镜。由于滤镜层25为曲面形状，所以采用具有一定柔软度的光纤22，以便以垂直方向与颜色滤镜和感光二极管连接，使入射光能够尽量以正向进入光纤22，并通过光纤22折射后尽可能地垂直照射感光二极管19。光纤22的内径设计为8～20微米，适用现有技术的光纤规格，可结合微透镜和感光二极管的尺寸进行选用。支撑层26也可以采用铸型工艺加工出对准颜色滤镜的光通道，使光纤22可从光通道穿过，连接颜色滤镜。

请参阅图4，图4是现有技术的平面像素阵列与本发明的凹面像素阵列的光线入射角比较示意图。如图4所示，图中上半部分为现有技术的平面像素阵列在光线照射时的情况，入射光线(图中上半部分中的箭头所示)与微透镜层的各个微透镜的法线方向依次形成夹角29-1～29-11。可以看出，位于中心处的光线以垂直方向入射，与位于中心的微透镜的法线形成的夹角29-6为0度；边缘处的光线以倾斜方向入射，形成的夹角29-1、29-11较大，即夹角29-1、29-11远大于0度。图中下半部分为本发明的凹面像素阵列在光线照射时的情况，入射光线(图中下半部分中的箭头所示)与凹面的微透镜层的各个微透镜的法线方向依次形成夹角30-1～30-11。可以看出，位于中心处的光线以垂直方向入射，与位于中心的微透镜的法线形成的夹角30-6也为0度；而边缘处的光线虽然是以倾斜方向入射，但在微透镜层变为凹面形后，此处倾斜光线的入射角得到增大，形成的夹角30-1、30-11变得较小，即夹角30-1、30-11已接近于0度。在下半部分的图中，光线的入射方向没有改变，与上半部分的图示相同，而其相对法线的夹角却明显不同。可以发现，夹角30-1接近于0度而远小于夹角29-1；同理，夹角30-11接近于0度而远小于夹角29-11。与现有技术的平面像素阵列相比较，本发明的凹面像素阵列在边缘处对入射光的响应效率显然要高出很多。因此，由摄像镜头射入的倾斜光线，在接近滤镜层的边缘部位可以增大的、较垂直的入射角进入，并通过光纤传导至感光二极管，从而避免了入射光在光通道中发生明显的光强损失。

通过上述实施例可以看出，本发明将像素阵列中的滤镜层设置成凹形曲面形状，使由摄像镜头射入的倾斜光线，在接近滤镜层的边缘部位可以增大的、较垂直的入射角进入，并通过光纤传导至感光二极管；采用光纤以垂直方向连接颜色滤镜和感光二极管，可使入射光在到达感光层的路径中不会被Sensor的金属层反射而损失光强。由于入射光可几乎无反射地抵达感光区域，使入射光的利用率大大提高，可实现入射光信号的高效传输。在同样的光照条件下，采用本发明的像素阵列，能够获得更为明亮、清晰、噪点更少的彩色数字图像。光纤两端分别与滤镜层和感光二极管紧密连接，还可使像素单元间的串扰也同时受到有效地抑制。

此外，由于对摄像主镜头边缘处的倾斜入射光容忍度较高，使本发明可匹配光学结构更为简洁的镜头设计，并可同时保证相同视角下的成像更为优秀，从而大大缩短了主镜头的法兰焦距以及整个成像系统的尺寸。因此，在小规模成像系统中，若要获得高质量的数字成像，凹面的像素阵列设计较之传统平面的像素阵列，具有明显的绝对优势。

需要说明的是，滤镜层也可以制作成正对摄像镜头的非球形凹形曲面形状。采用球形曲面还是非球形曲面，可配合相应的摄像主镜头的光学设计来决定。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种CMOS图像传感器的像素阵列，面向摄像镜头方向依次包括感光层、金属层、滤镜层，所述感光层设有感光二极管，所述感光层和所述金属层设有光通道，所述光通道具有分别朝向所述感光二极管和所述滤镜层的开口，其特征在于，所述感光层和所述金属层为平面形状，所述滤镜层为面向所述摄像镜头方向的凹形曲面形状，所述光通道中设有光纤，所述光纤一端连接所述感光二极管，另一端连接所述滤镜层；其中，由所述摄像镜头射入的倾斜光线，在接近所述滤镜层的边缘部位进入所述滤镜层时，可以获得增大的入射角，并通过所述光纤传导至所述感光二极管。

2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的像素阵列，其特征在于，所述滤镜层按面向所述摄像镜头方向设有颜色滤镜层和微透镜层，所述光纤一端连接所述感光二极管，另一端连接所述颜色滤镜层。

3.如权利要求1或2所述的CMOS图像传感器的像素阵列，其特征在于，所述滤镜层为正对所述摄像镜头的凹形曲面形状。

4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器的像素阵列，其特征在于，所述滤镜层为正对所述摄像镜头的球形凹形曲面形状。

5.如权利要求4所述的CMOS图像传感器的像素阵列，其特征在于，所述球形凹形曲面的最大曲率半径为11毫米。

6.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的像素阵列，其特征在于，还包括支撑层，所述支撑层设于所述滤镜层与所述金属层之间，并分别与所述滤镜层和所述金属层密合；所述光纤穿过所述支撑层连接所述滤镜层。

7.如权利要求6所述的CMOS图像传感器的像素阵列，其特征在于，所述支撑层设有光通道，所述光纤穿过所述支撑层的所述光通道连接所述滤镜层。

8.如权利要求6或7所述的CMOS图像传感器的像素阵列，其特征在于，所述支撑层为氧化硅支撑层，所述滤镜层按面向摄像镜头方向设有颜色滤镜层和微透镜层，所述光纤连接所述颜色滤镜层。

9.如权利要求1、2、6或7所述的CMOS图像传感器的像素阵列，其特征在于，所述光纤为可见光传导柔性光纤。

10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的像素阵列，其特征在于，所述光纤的内径为8～20微米。