CN104241310A - 一种具有双微透镜层的cmos图像像素阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列，通过在像素阵列的上方设置由2层微透镜上下排列构成的双微透镜层，使平行的入射光线经过双微透镜层每一组上下对应的2个微透镜的二次折射后，可仍以平行状态同时垂直射向其下方对应耦合的一组多个感光二极管使其感光，并通过获取的多幅相互之间具有相位差的子图像，进行多轴向相位检测和自动对焦，实现在像素阵列的单元像素级别集成自动对焦功能，从而消除了现有技术中存在的图像系统需要较复杂的对焦单元进行辅助或自动对焦速度较慢、精度不高的问题，可以在快速自动对焦的同时合理保证图像质量。

Description

一种具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种可用于进行相位检测和自动对焦的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列。

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、可视通信等民用和商业范畴内已得到了广泛的应用。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、高性能及多功能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。像素阵列通常可分为正面照射式(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。滤镜层一般包括微透镜(Micro-lens)和颜色滤镜阵列(Color Filter Array，CFA)的二者或其一，用于对入射光进行聚焦和得到彩色图像；金属层包括由多层金属布线形成的电路结构，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；感光层中包括有感光二极管(Photo Diode，PD)，也被称为PD层，用于对接收的入射光进行光电转换。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FSI像素阵列的平面结构示意图。如图1所示，其颜色滤镜阵列采用Bayer模式排列，图中例举了Bayer模式的其中一种排列方式，若以字母R代表红色滤镜，G代表绿色滤镜，B代表蓝色滤镜，在Bayer模式的此种排列形式的颜色滤镜阵列中，颜色滤镜按照第一行RGRG……、第二行GBGB……以此类推并按4个颜色滤镜为单位重复的形式排列。每种颜色的一个颜色滤镜4-1～4-4下方对应设置一个感光二极管1-1～1-4，并中心对齐。在图示的FSI像素阵列的结构中，由于在颜色滤镜与感光二极管之间的金属层要放置金属布线(电路结构)，故而相邻的感光二极管间需留有一定间距。如果换做BSI像素阵列，因金属层位于感光二极管下方，则相邻的感光二极管间间距可以相对缩小(本处图略、请参看图1)。

请参阅图2，图2是现有技术的一种CMOS图像传感器的FSI像素阵列的结构剖面示意图。如图2所示，从剖面上看，像素阵列基本分为上中下三层，上层为滤镜层6，用来放置微透镜5和颜色滤镜4，每个微透镜5为一个凸透镜，其下方对应一个金属层7的光通道3、感光层9的光通道2及感光二极管1。中层为金属层7，基质为氧化硅材料，放置有多层金属布线8(图示为4层)，并以电连接方式形成电路结构，用来传递电信号，相邻金属布线之间的空隙形成光通道3，入射光可从此光通道3穿过到达感光二极管1。下层为感光层9，基质材料为硅，用来放置感光二极管1，感光层9的光通道2与金属层7的光通道3连通并对准。微透镜5用来聚集光线，入射光(如图中空心箭头所指)通过滤镜层6依次进入金属层光通道3、感光层光通道2到达下层的感光二极管1，感光二极管1遇光子发生光电效应，再传出电信号。

请参阅图3，图3是现有技术的一种CMOS图像传感器的BSI像素阵列的结构剖面示意图。如图3所示，与FSI像素阵列不同的是，在BSI像素阵列的结构中，自上而下依次为滤镜层6、感光层9、金属层7，金属层7位于感光层9的下方。滤镜层6用来放置微透镜5和颜色滤镜4，每个微透镜5为一个凸透镜，其下方对应一个感光层9的光通道2及感光二极管1。入射光(如图中空心箭头所指)将只需通过感光层9的光通道2直接到达感光二极管1，而不必通过金属层7，缩短了光通道。由于光通道不需要因为金属层7的金属布线8而腾挪空间，使相邻像素间的距离可以适当缩短。

目前，摄像领域的自动对焦技术主要有主动式对焦和被动式对焦两种方式。主动式对焦方式需要利用信号发射源如红外线或是声纳，因而很少与CIS结合用到通用的数字图像系统之中。被动式对焦方式又分为相位检测对焦和对比度检测对焦两大类。

请参阅图4，图4(a)～(d)是相位检测对焦的原理示意图。如图4(a)所示，其表示经过摄像主镜头汇聚的图像通过两个圆孔(即分离镜)的分离后，投射到相位检测平面上，获得eyeL和eyeR两幅子图像构成的图像对(即从2个位于同一检测平面的图像感测单元，例如人的左、右眼或2个CIS传感器得到的两幅子图像)。eyeL与eyeR关于圆孔中心线al与ar连线的中垂线am对称。如图4(b)所示，其表示相位检测的合焦状态，即子图像eyeL与eyeR各自位于其对应圆孔中心线al和ar上时的状态，此时即为焦距对准的状态。如图4(c)所示，其表示相位检测的离焦状态之一，即子图像eyeL与eyeR位于圆孔中心线al与ar之间时的状态。如图4(d)所示，其表示相位检测的离焦状态之二，即子图像eyeL与eyeR位于圆孔中心线al与ar之外时的状态。图4(c)和图4(d)代表焦距未对准的状态。当自动对焦系统检测到2幅子图像处于离焦状态时，就会通过调整主镜头的焦距重新采集图像进行对比，直至达到合焦状态，以形成清晰的图像。

在被动式对焦方式中，相位检测相对速度快、精度高，但需要较复杂的对焦单元进行辅助，且现有的相位检测只能针对1对图像对进行1个轴向(即相位检测平面上的经过两个圆孔中心线的一个连线方向)的相位检测，影响了其精度的提高；对比度检测虽然只需数字模块协助计算即可，然而其对焦过程会在焦点附近经常往返，以致对焦速度相对较缓慢。

从现有的例如上述图1～图3所例举的CIS图像传感器的结构可知，其仅仅是一个光电转换系统，根据上述相位检测对焦的原理可以看出，现有的CIS图像传感器是无法自己实现自动对焦(Auto Focus，AF)功能的。使用CIS的图像系统若要实现自动对焦，必须借助相位检测的对焦部件或是借助对比度检测的数字处理模块。

为了实现相位检测对焦的高效和高精度，同时简化其系统复杂程度，有必要开发一种具有相位检测对焦功能的新型CMOS图像像素阵列。

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，提供一种可用于进行相位检测和自动对焦的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列，通过在像素阵列的上方设置由微透镜排列构成的双微透镜层，使平行的入射光线经过双微透镜层每一组上下对应的2个微透镜的二次折射后，可仍以平行状态同时垂直射向其下方对应耦合的一组感光二极管使其感光，并通过获取的多幅相互之间具有相位差的子图像进行多轴向相位检测和自动对焦，实现在像素阵列的单元像素级别集成自动对焦功能，从而消除了现有技术中存在的图像系统需要较复杂的对焦单元进行辅助或自动对焦速度较慢、精度不高的问题，可以在快速自动对焦的同时合理保证图像质量。

为实现上述目的，本发明采用了以下二个技术方案：

本发明的第一个技术方案是：

一种具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列，包括滤镜层、金属层、感光层，其特征在于，所述滤镜层包括由上下设置的第一微透镜层和第二微透镜层形成的双微透镜层，以及位于所述第一微透镜层或所述第二微透镜层之下并与其下方邻接的颜色滤镜层；所述双微透镜层的每一组上下对应的2个微透镜与所述颜色滤镜层的1个颜色滤镜对应且中心对准设置，其下方同时耦合至所述感光层的一组2×2个感光二极管，并与该2×2个所述感光二极管构成的像素区域的几何中心对准；其中，平行的入射光线经过每一组上下对应的2个所述微透镜的二次折射后，可仍以平行状态同时垂直射向其下方对应耦合的一组2×2个所述感光二极管使其感光，并通过获取的4幅相互之间具有相位差的子图像进行多轴向相位检测和自动对焦。

优选的，所述第一微透镜层通过支撑层与所述第二微透镜层位置固定，所述支撑层竖直设于所述第二微透镜层的各所述微透镜之间，所述第一微透镜层下方设有透明衬底层，所述支撑层上接所述透明衬底层的下表面、下接所述像素阵列的所述金属层或所述感光层。

优选的，所述颜色滤镜层的各所述颜色滤镜按照Bayer模式排列构成重复的颜色滤镜阵列，每组2×2个所述感光二极管共用其上方对应的1种颜色的1个所述颜色滤镜及上下对应的2个所述微透镜。

优选的，每组的2×2个所述感光二极管以其上方对应的所述微透镜的中心轴为中心对称设置；位于对称位置的2对所述感光二极管所分别采集的2幅子图像构成相位差检测图像对，以进行2轴向相位检测和自动对焦。

本发明的第二个技术方案是：

一种具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列，包括滤镜层、金属层、感光层，其特征在于，所述滤镜层包括由上下设置的第一微透镜层和第二微透镜层形成的双微透镜层，以及位于所述第一微透镜层或所述第二微透镜层之下并与其下方邻接的颜色滤镜层；所述双微透镜层的每一组上下对应的2个微透镜与所述颜色滤镜层的1个颜色滤镜对应且中心对准设置，其下方同时耦合至所述感光层的一组3×3个感光二极管，并与该3×3个所述感光二极管构成的像素区域的几何中心对准；其中，平行的入射光线经过每一组上下对应的2个所述微透镜的二次折射后，可仍以平行状态同时垂直射向其下方对应耦合的一组3×3个所述感光二极管使其感光，并通过获取的9幅相互之间具有相位差的子图像进行多轴向相位检测和自动对焦。

优选的，所述第一微透镜层通过支撑层与所述第二微透镜层位置固定，所述支撑层竖直设于所述第二微透镜层的各所述微透镜之间，所述第一微透镜层下方设有透明衬底层，所述支撑层上接所述透明衬底层的下表面、下接所述像素阵列的所述金属层或所述感光层。

优选的，所述颜色滤镜层的各所述颜色滤镜按照Bayer模式排列构成重复的颜色滤镜阵列，每组3×3个所述感光二极管共用其上方对应的1种颜色的1个所述颜色滤镜及上下对应的2个所述微透镜。

优选的，每组的3×3个所述感光二极管以其上方对应的所述微透镜的中心轴为中心对称设置；位于对称位置的4对所述感光二极管所分别采集的2幅子图像构成相位差检测图像对，以进行4轴向相位检测和自动对焦。

优选的，位于每组3×3个所述感光二极管中心的1个感光二极管的感光面积大于组中其他的感光二极管。

优选的，位于每组3×3个所述感光二极管中心的1个感光二极管的感光面积是组中其他感光二极管的4倍。

从上述技术方案可以看出，本发明以传统的FSI像素阵列或BSI像素阵列结构为基础，将自动对焦原理应用到像素级别的模块内，通过在像素阵列的上方设置由微透镜排列构成的双微透镜层，使平行的入射光线经过双微透镜层每一组上下对应的2个微透镜的二次折射后，可仍以平行状态同时垂直射向其下方对应耦合的一组感光二极管使其感光，能在相位检测平面的不同轴向上各自捕捉一对用于相位检测的图像对(子像素值)，图像系统的数字处理模块可对这些图像对进行相位计算并检测合焦状态，从而驱动对焦机构对主镜头进行对焦；同时，输出的若干幅子图像也可用于合成传感器的最终成像。

与现有技术相比，本发明的优点在于，将AF相关的相位检测集成在像素模块级别，省去了图像系统中专门的相位检测模块；与对比度检测相比，本发明的CMOS图像像素阵列所进行的相位检测在焦点附近往返次数有限，效率较高；与现有的单轴向的相位检测相比，本发明的多轴向的相位检测在精度上的优势要高出很多。此外，对于对焦而言，若干个子像素组成的若干个子图像是有冗余的，可以利用其中的非冗余信息，应用超分辨率重构算法进行高分辨率重构，从而补偿此像素阵列因为在同一位置附近多次采样而相对减少的分辨率。因此，本发明CMOS图像像素阵列的设计，是一种充分利用现有技术并加以突破的创新，其成本可控，AF效率优于对比度检测，AF精度也远远高于单轴向的相位检测，同时，其适当补偿的分辨率也保证了输出图像的图像质量。

附图说明

图1是现有技术的一种CMOS图像传感器的FSI像素阵列的平面结构示意图；

图2是现有技术的一种CMOS图像传感器的FSI像素阵列的结构剖面示意图；

图3是现有技术的一种CMOS图像传感器的BSI像素阵列的结构剖面示意图；

图4(a)～(d)是相位检测对焦的原理示意图；

图5是本发明实施例一中的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列的结构剖面示意图；

图6是本发明实施例一中的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列的平面结构示意图；

图7是本发明实施例二中的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列的结构剖面示意图；

图8是本发明实施例二中的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列的平面结构示意图；

图9是本发明实施例三中的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列的结构剖面示意图；

图10是本发明实施例三中的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列的平面结构示意图。

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，在下述的具体实施方式中，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，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

实施例一

在本实施例中，请参阅图5，图5是本发明实施例一中的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列的结构剖面示意图。如图5所示，本发明的CMOS图像像素阵列，以传统的FSI像素阵列结构为基础，自上而下包括滤镜层17、金属层20、感光层21。本发明的金属层20和感光层21的结构与图2中传统FSI像素阵列的金属层7和感光层9的结构相同，本发明的金属层20的基质同样可为氧化硅材料，放置有多层金属布线12(图示为4层)，并以电连接方式形成电路结构，用来传递电信号；相邻金属布线之间的空隙形成金属层20的光通道13。金属层20下方感光层21的基质材料为硅，设有感光二极管10，感光二极管10上方的感光层光通道11与金属层的光通道13竖直设置，并相连通及对准。

请继续参阅图5。本发明的滤镜层17设在金属层20上方，与传统FSI像素阵列的单层滤镜层的不同之处在于，本发明的滤镜层17为双层结构，包括上下设置的由微透镜16、15分别排列构成的第一微透镜层和第二微透镜层，形成双微透镜层结构；滤镜层17还设有一层由颜色滤镜14排列构成的颜色滤镜层，颜色滤镜层可紧邻设于第一微透镜层之下，也可紧邻设于第二微透镜层之下。本实施例采用将颜色滤镜层紧邻设于第二微透镜层之下的形式。滤镜层17下方邻接金属层20，即颜色滤镜层紧邻设于金属层20上方。

请继续参阅图5。第一微透镜层和第二微透镜层的每一组上下对应的2个微透镜16、15(例如图中标记16和15所指位置的2个微透镜)与颜色滤镜层的1个颜色滤镜14(例如图中标记14所指位置的1个颜色滤镜)对应且中心对准设置，构成滤镜层的1个滤镜组。每个滤镜组的下方同时耦合至感光层21的一组2×2个感光二极管10，并与该2×2个感光二极管10构成的像素区域的几何中心对准。也就是说，1个滤镜组下方通过金属层20、感光层21对应的2×2个光通道13和11，与光通道底部对应的2×2个感光二极管10相连通。从图5中可看出，在水平宽度方向上，1个滤镜组占据了大致2个感光二极管10所构成的像素区域的宽度位置。可以理解为，在保持微透镜16、15和颜色滤镜14尺寸不变的情况下，缩小了光通道13、11和感光二极管10的尺寸；或者是在保持光通道13、11和感光二极管10尺寸不变的情况下，增大了微透镜16、15和颜色滤镜14的尺寸。

作为本实施例的另一种实现方式，本发明的CMOS图像像素阵列，也可以传统的BSI像素阵列结构为基础构成，其变化之处仅在于金属层和感光层上下位置互换，自上而下包括滤镜层、感光层、金属层，其他结构无不同之处。因此，可结合图3进行理解，本实施例不再赘述。

请参阅图6，图6是本发明实施例一中的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列的平面结构示意图，其显示4个相邻滤镜组及其下方分别对应耦合的2×2个感光二极管的相对位置及结构。如图6所示，微透镜16、15采用圆形，颜色滤镜14采用方形，感光二极管10-1～10-4的感光面为方形。每2个微透镜16和15上下设置且中心对准(图示为重叠状态)，并与下层微透镜15下方的颜色滤镜14的中心对准，构成1个滤镜组；每个滤镜组与其下方耦合的感光层的4个感光二极管10-1～10-4所构成的像素区域的几何中心对准。本发明的颜色滤镜层的各颜色滤镜按照Bayer模式排列构成重复的颜色滤镜阵列，即每个滤镜组中的颜色滤镜按照Bayer模式排列，例如按照图示的Bayer模式的一种RGRG…、GBGB…的模式重复排列。如果将1个感光二极管所代表的1个像素单元看作是1个子像素，则可将1个滤镜组耦合的4个感光二极管10-1～10-4所代表的4个子像素pl、pu、pr、pd的整体看作是1个大像素。每个滤镜组的4个子像素pl、pu、pr、pd(即感光二极管10-1～10-4)共用其上方对应的1种颜色的1个颜色滤镜14及对应的上下2个微透镜16、15，每个滤镜组的投影范围覆盖4个子像素pl、pu、pr、pd。4个感光二极管10-1～10-4(即4个子像素pl、pu、pr、pd)以其上方对应的微透镜16、15的中心轴为中心对称设置，即感光二极管10-1与感光二极管10-3对称设置，感光二极管10-2与感光二极管10-4对称设置，形成相互垂直的2个子像素对pl和pr、pu和pd。

假设每个子像素对应的方形感光二极管的边长为a，则大像素(由4个感光二极管及其周围空隙所构成的像素区域)的边长约为6a，即假设子像素的边长为1微米，则大像素的边长就约为6微米。而边长为6微米的像素，在图像质量极高的数字图像采集设备中应用广泛，例如数码单反相机、高清摄像机、数码医学成像系统等等。

请继续参阅图5和图6。第一微透镜层和第二微透镜层之间留有一定距离，因此，采用了支撑层19将第一微透镜层与第二微透镜层之间进行位置固定。为了使支撑层19起到支撑第一微透镜层的作用，同时又不影响入射光线在上下微透镜层之间的传导，支撑层19不直接与第一微透镜层和第二微透镜层的表面接触，而是将支撑层19竖直设于第二微透镜层的各微透镜15之间的空隙位置。并且，在第一微透镜层的下方设有连续的透明衬底层18，将第一微透镜层托起。作为本实施例的一种优选方式，支撑层19采用相互分离的竖直立柱形式，分设于第二微透镜层的各微透镜15之间的空隙位置，具体是设在任意4个滤镜组之间空隙区域的中心位置(请参考图6)。支撑层19的每个竖直立柱上接透明衬底层18的下表面、下接金属层20的上表面。采用相互分离的竖直立柱作为支撑层的一种实现形式，可在起到支撑作用的同时，减轻器件结构的重量，并且为器件设计留出更宽裕的腾挪空间。支撑层可采用金属材质加工，也可采用与金属层相同的材质；透明衬底层可采用呈透明的硅氧化物例如二氧化硅加工，避免影响光线的传导。这样，每个滤镜组中对应的上下2个微透镜16和15、1个颜色滤镜14可保持中心对准状态，且位于上部的第一微透镜层的每个微透镜16都可以与下部的第二微透镜层的对应微透镜15保持位置的固定，使整个滤镜层17平稳地设置在金属层20之上。

如果将颜色滤镜层设在第一微透镜层的紧邻下方，则透明衬底层应位于颜色滤镜层的下方设置。

按照本实施例的CMOS图像像素阵列的结构，平行的入射光线经过滤镜层17每个滤镜组上下对应的2个微透镜16和15的二次折射后，可仍以平行状态同时垂直射向其下方对应耦合的4个感光二极管10-1～10-4(请参考图6)使其感光，并可通过获取的4幅相互之间具有相位差的由子像素pl、pu、pr、pd所构成的子图像，进行垂直、水平方向的2轴向的相位检测和自动对焦。

请继续参阅图5和图6。像素阵列的每个大像素在平面同一采样位置含有4个子像素pl、pu、pr、pd，位于对称位置的子像素pu与pd采集构成的子图像实现平面上垂直轴向的相位差检测图像对，子像素pl与pr采集构成的子图像实现平面上水平轴向的相位差检测图像对。对于同一采样位置，入射的平行光经过滤镜组中2层微透镜16、15的两次折射，交换平面位置后射向下方4个子像素pl、pu、pr、pd对应的光通道。例如在图5中，左边的入射光Il交换位置后射向右边感光区的感光二极管10-3(即子像素pr)，右边的入射光Ir交换位置后射向左边感光区的感光二极管10-1(即子像素pl)，以此类推(如图5中空心箭头所指)。子像素pl与pr形成的子图像对，能够实现图6中水平轴向的相位差检测自动对焦，子像素pu与pd形成的子图像对，能够实现图6中垂直轴向的相位差检测自动对焦。这样，从同一采样位置的4个子像素pl、pu、pr、pd获取的4幅相互之间具有相位差的子图像，通过图像系统的数字处理模块可对这些图像对进行相位计算并检测合焦状态，从而驱动对焦机构对主镜头进行对焦。同时，输出的4幅子图像也可用于合成传感器的最终成像；对于对焦而言，从4个子像素pl、pu、pr、pd获取的4个子图像是有冗余的，可以利用其中的非冗余信息，应用超分辨率重构算法的计算进行高分辨率重构，从而补偿此像素阵列因为在同一位置附近多次采样而相对减少的分辨率，输出一幅分辨率接近物理分辨率的数字图像。举例来讲，假设像素阵列的面积为S，而大像素的个数为N×N(即有N×N个理论采样位置)，则实际物理分辨率为N×N×4。如果直接将4个子像素合成一个像素输出的话，像素阵列的分辨率只有其物理分辨率的四分之一；而利用4个子像素间的相差，可以以较低分辨率的图像为基础，重构一幅超过其分辨率的大图像，这样就弥补了将单个像素规模扩大后图像分辨率的不足。

在本实施例中，为了在像素模块的级别上实现精度较高的相位检测，需要在同一位置附近放置若干子像素进行采样，从而在多个轴向上获取具有相位差的图像对。为了很好地隔离一对具有相差的图像(请回顾图4的相位检测对焦的原理进行理解)，本发明中的像素阵列设置了上下两层微透镜，能够将平行光进行两次折射还原为平行光入射子像素(感光二极管)。在感光二极管尺寸不变的条件下，本发明中的像素阵列其理论分辨率必然小于现有技术下的像素阵列。然而，由于其物理分辨率几乎不变，利用子图像中的非冗余信息，可以超分辨率重构其输出的数字图像，使其理论分辨率接近于物理分辨率。

综上所述，与现有技术相比，本发明的优点在于，将AF相关的相位检测集成在像素模块级别，省去了图像系统中专门的相位检测模块；与对比度检测相比，本发明的CMOS图像像素阵列所进行的相位检测在焦点附近往返次数有限，效率较高；与现有的单轴向的相位检测相比，本发明的多轴向的相位检测在精度上的优势要高出很多。此外，对于对焦而言，若干个子像素组成的若干个子图像是有冗余的，可以利用其中的非冗余信息，应用超分辨率重构算法进行高分辨率重构，从而补偿此像素阵列因为在同一位置附近多次采样而相对减少的分辨率。因此，本发明CMOS图像像素阵列的设计，是一种充分利用现有技术并加以突破的创新，其成本可控，AF效率优于对比度检测，AF精度也远远高于单轴向的相位检测，同时，其适当补偿的分辨率也保证了输出图像的图像质量。

实施例二

在本实施例中，请参阅图7，图7是本发明实施例二中的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列的结构剖面示意图。如图7所示，本发明的CMOS图像像素阵列，以传统的FSI像素阵列结构为基础，自上而下包括滤镜层17、金属层20、感光层21。本发明的金属层20和感光层21的结构与图2中传统FSI像素阵列的金属层7和感光层9的结构相同，本发明的金属层20的基质同样可为氧化硅材料，放置有多层金属布线12(图示为4层)，并以电连接方式形成电路结构，用来传递电信号；相邻金属布线之间的空隙形成金属层的光通道13。金属层20下方感光层21的基质材料为硅，设有感光二极管10，感光二极管10上方的感光层光通道11与金属层的光通道13竖直设置，并相连通及对准。

请继续参阅图7。本发明的滤镜层17设在金属层20上方，与传统FSI像素阵列的单层滤镜层的不同之处在于，本发明的滤镜层17为双层结构，包括上下设置的由微透镜16、15分别排列构成的第一微透镜层和第二微透镜层，形成双微透镜层结构；滤镜层17还设有一层由颜色滤镜14排列构成的颜色滤镜层，颜色滤镜层可紧邻设于第一微透镜层之下，也可紧邻设于第二微透镜层之下。本实施例采用将颜色滤镜层紧邻设于第一微透镜层之下的形式。滤镜层17下方邻接金属层20，即第二微透镜层紧邻设于金属层20上方。

请继续参阅图7。第一微透镜层和第二微透镜层的每一组上下对应的2个微透镜16、15(例如图中标记16和15所指位置的2个微透镜)与颜色滤镜层的1个颜色滤镜14(例如图中标记14所指位置的1个颜色滤镜)对应且中心对准设置，构成滤镜层17的1个滤镜组。每个滤镜组的下方同时耦合至感光层21的一组3×3个感光二极管10，并与该3×3个感光二极管10构成的像素区域的几何中心对准。也就是说，1个滤镜组下方通过金属层20、感光层21对应的3×3个光通道13、11，与光通道底部对应的3×3个感光二极管10相连通。从图7中可看出，在水平宽度方向上，1个滤镜组占据了大致3个感光二极管10所构成的像素区域的宽度位置。可以理解为，在保持微透镜16、15和颜色滤镜14尺寸不变的情况下，缩小了光通道13、11和感光二极管10的尺寸；或者是在保持光通道13、11和感光二极管10尺寸不变的情况下，增大了微透镜16、15和颜色滤镜14的尺寸。

作为本实施例的另一种实现方式，本发明的CMOS图像像素阵列，也可以传统的BSI像素阵列结构为基础构成，其变化之处仅在于金属层和感光层上下位置互换，自上而下包括滤镜层、感光层、金属层，其他结构无不同之处。因此，可结合图3进行理解，本实施例不再赘述。

请参阅图8，图8是本发明实施例二中的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列的平面结构示意图，其显示4个相邻滤镜组及其下方分别对应耦合的3×3个感光二极管的相对位置及结构。如图8所示，微透镜16、15采用圆形，颜色滤镜14采用方形，感光二极管10-5～10-13的感光面为方形。每2个微透镜16、15上下设置且中心对准(图示为重叠状态)，并与上层微透镜16下方的颜色滤镜14的中心对准，构成1个滤镜组；每个滤镜组与其下方耦合的感光层的9个感光二极管10-5～10-13所构成的像素区域的几何中心对准。本发明的颜色滤镜层的各颜色滤镜按照Bayer模式排列构成重复的颜色滤镜阵列，即每个滤镜组中的颜色滤镜按照Bayer模式排列，例如按照图示的Bayer模式的一种RGRG…、GBGB…的模式重复排列。如果将1个感光二极管所代表的1个像素单元看作是1个子像素，则可将1个滤镜组耦合的9个感光二极管10-5～10-13所代表的9个子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd的整体看作是1个大像素。每个滤镜组的9个子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd(即感光二极管10-5～10-13)共用其上方对应的1种颜色的1个颜色滤镜14及对应的上下2个微透镜16、15，每个滤镜组的投影范围覆盖9个子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd。9个感光二极管10-5～10-13(即9个子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd)以其上方对应的微透镜16、15的中心轴为中心对称设置，即感光二极管10-6与感光二极管10-11对称设置，感光二极管10-8与感光二极管10-13对称设置，感光二极管10-7与感光二极管10-12对称设置，感光二极管10-9与感光二极管10-5对称设置，形成在垂直、水平及交叉轴向的4个子像素对。位于中心位置的感光二极管10-10与微透镜16、15的中心轴对准设置。

假设每个子像素对应的方形感光二极管的边长为a，则大像素(由9个感光二极管及其周围空隙所构成的像素区域)的边长约为6a，即假设子像素的边长为1微米，则大像素的边长就约为6微米。而边长为6微米的像素，在图像质量极高的数字图像采集设备中应用广泛，例如数码单反相机、高清摄像机、数码医学成像系统等等。

请继续参阅图7和图8。第一微透镜层和第二微透镜层之间留有一定距离，因此，采用了支撑层19将第一微透镜层(包括颜色滤镜层)与第二微透镜层之间进行位置固定。为了使支撑层19起到支撑第一微透镜层(包括颜色滤镜层)的作用，同时又不影响入射光线在上下微透镜层之间的传导，支撑层19不直接与第一微透镜层和第二微透镜层的表面接触，而是将支撑层19竖直设于第二微透镜层的各微透镜15之间的空隙位置。并且，在颜色滤镜层的下方设有连续的透明衬底层18，将第一微透镜层(包括颜色滤镜层)托起。作为本实施例的一种优选方式，支撑层19采用相互分离的竖直立柱形式，分设于第二微透镜层的各微透镜15之间的空隙位置，具体是设在任意4个滤镜组之间空隙区域的中心位置(请参考图8)。支撑层19的每个竖直立柱上接透明衬底层18的下表面、下接金属层20的上表面。采用相互分离的竖直立柱作为支撑层的一种实现形式，可在起到支撑作用的同时，减轻器件结构的重量，并且为器件设计留出更宽裕的腾挪空间。支撑层可采用金属材质加工，也可采用与金属层相同的材质；透明衬底层可采用呈透明的硅氧化物例如二氧化硅加工，避免影响光线的传导。这样，每个滤镜组中对应的上下2个微透镜16、15、1个颜色滤镜14可保持中心对准状态，且位于上部的第一微透镜层的每个微透镜16及颜色滤镜层的每个颜色滤镜14都可以与下部的第二微透镜层的对应微透镜15保持位置的固定，使整个滤镜层17平稳地设置在金属层20之上。

如果将颜色滤镜层设在第二微透镜层的紧邻下方，则透明衬底层就直接位于第一微透镜层的下方设置。

按照本实施例的CMOS图像像素阵列的结构，平行的入射光线经过滤镜层每个滤镜组上下对应的2个微透镜16、15的二次折射后，可仍以平行状态同时垂直射向其下方对应耦合的9个感光二极管10-5～10-13(请参考图8)使其感光，并可通过获取的9幅相互之间具有相位差的由子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd所构成的子图像，进行垂直、水平及交叉方向的4轴向的相位检测和自动对焦。

请继续参阅图7和图8。像素阵列的每个大像素在平面同一采样位置含有9个子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd，位于对称位置的子像素pu与pd采集构成的子图像实现平面上垂直轴向的相位差检测图像对，子像素pl与pr采集构成的子图像实现平面上水平轴向的相位差检测图像对，子像素pul与pdr采集构成的子图像实现平面上交叉(倾斜)轴向的相位差检测图像对，子像素pur与pdl采集构成的子图像实现平面上另一交叉(倾斜)轴向的相位差检测图像对。对于同一采样位置，入射的平行光经过滤镜组中2层微透镜16、15的两次折射，交换平面位置后射向下方9个子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd对应的光通道。例如，左边的入射光Il交换位置后射向右边感光区的感光二极管10-11(即子像素pr)，右边的入射光Ir交换位置后射向左边感光区的感光二极管10-6(即子像素pl)，以此类推，而中间的入射光Im仍旧垂直入射，射向中间感光区的感光二极管10-10(即子像素pm)(如图7中空心箭头所指)。子像素pl与pr形成的子图像，能够实现图8中水平轴向的相位差检测自动对焦，子像素pu与pd形成的子图像，能够实现图8中垂直轴向的相位差检测自动对焦，子像素pul与pdr形成的子图像，能够实现图8中一交叉轴向的相位差检测自动对焦，子像素pur与pdl形成的子图像，能够实现图8中另一交叉轴向的相位差检测自动对焦。这样，从同一采样位置的9个子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd可获取9幅相互之间具有相位差的子图像，通过图像系统的数字处理模块，可对除去中间子像素pm构成的子图像后的周围4个子图像对进行相位计算并检测合焦状态，从而驱动对焦机构对主镜头进行对焦。同时，输出的9幅子图像也可用于合成传感器的最终成像；对于对焦而言，从9个子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd获取的9个子图像是有冗余的，可以利用其中的非冗余信息，应用超分辨率重构算法的计算进行高分辨率重构；在进行高分辨率重构算法时，以中间子像素pm获取的子图像为基础，利用其余8幅子图像中的非冗余部分，为输出图像增加分辨率，可输出一幅分辨率接近物理分辨率的数字图像。

实施例三

本实施例属于实施例二的一种变形形式。在本实施例中，请参阅图9和图10，图9和图10分别是本发明实施例三中的具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列的结构剖面示意图和平面结构示意图。如图10所示，与实施例二不同的是，在每个大像素的9个子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd中，位于中间的子像素pm对应的感光二极管10-10具有相对较大的感光面积，即位于1个大像素中的一组3×3个感光二极管10-5～10-13中心的1个感光二极管10-10的感光面积大于组中其他的感光二极管10-5～10-9、10-11～10-13。进一步优选的，此感光二极管10-10的感光面积是组中周围其他感光二极管10-5～10-9、10-11～10-13的4倍，也就是此感光二极管10-10的边长是组中周围其他感光二极管10-5～10-9、10-11～10-13的2倍。如图9所示，此感光二极管10-10上方所对应的光通道11、13的尺寸也得到相应的扩大，此感光二极管10-10对应的子像素pm与周围子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pr、pdr、pd的间距相应缩小了(请参考图10)，但大像素的整体区域尺寸保持不变。这样，中间子像素pm对应的感光二极管10-10就能接受更多的中间的入射光Im(请参见图9中的空心箭头)，能够对入射光进行更为微妙的汇聚，使得此像素阵列获得更高的动态范围。相比周围的子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pr、pdr、pd位置可获得的入射光光强，位于中间位置处的入射光较强，因此配以感光面积较大的感光二极管10-10，使得输出值不会轻易饱和。周围的光强虽然较弱，但4个轴向的4对子图像已足以实现相位检测自动对焦。在进行高分辨率重构算法时，以中间子像素pm获取的子图像为基础，利用周围其余8幅子图像中的非冗余部分，为输出图像增加分辨率。与实施例一中的像素阵列比较，本实施例中的像素阵列在大像素的中心位置使用了更大的感光二极管进行感光，因此具有更高的动态范围。本实施例中的像素阵列的其他结构与实施例二相同，可参考实施例二进行理解，故不再重复说明。

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)

1.一种具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列，包括滤镜层、金属层、感光层，其特征在于，所述滤镜层包括由上下设置的第一微透镜层和第二微透镜层形成的双微透镜层，以及位于所述第一微透镜层或所述第二微透镜层之下并与其下方邻接的颜色滤镜层；所述双微透镜层的每一组上下对应的2个微透镜与所述颜色滤镜层的1个颜色滤镜对应且中心对准设置，其下方同时耦合至所述感光层的一组2×2个感光二极管，并与该2×2个所述感光二极管构成的像素区域的几何中心对准；其中，平行的入射光线经过每一组上下对应的2个所述微透镜的二次折射后，可仍以平行状态同时垂直射向其下方对应耦合的一组2×2个所述感光二极管使其感光，并通过获取的4幅相互之间具有相位差的子图像进行多轴向相位检测和自动对焦。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像像素阵列，其特征在于，所述第一微透镜层通过支撑层与所述第二微透镜层位置固定，所述支撑层竖直设于所述第二微透镜层的各所述微透镜之间，所述第一微透镜层下方设有透明衬底层，所述支撑层上接所述透明衬底层的下表面、下接所述像素阵列的所述金属层或所述感光层。

3.根据权利要求1所述的CMOS图像像素阵列，其特征在于，所述颜色滤镜层的各所述颜色滤镜按照Bayer模式排列构成重复的颜色滤镜阵列，每组2×2个所述感光二极管共用其上方对应的1种颜色的1个所述颜色滤镜及上下对应的2个所述微透镜。

4.根据权利要求1所述的CMOS图像像素阵列，其特征在于，每组的2×2个所述感光二极管以其上方对应的所述微透镜的中心轴为中心对称设置；位于对称位置的2对所述感光二极管所分别采集的2幅子图像构成相位差检测图像对，以进行2轴向相位检测和自动对焦。

5.一种具有双微透镜层的CMOS图像像素阵列，包括滤镜层、金属层、感光层，其特征在于，所述滤镜层包括由上下设置的第一微透镜层和第二微透镜层形成的双微透镜层，以及位于所述第一微透镜层或所述第二微透镜层之下并与其下方邻接的颜色滤镜层；所述双微透镜层的每一组上下对应的2个微透镜与所述颜色滤镜层的1个颜色滤镜对应且中心对准设置，其下方同时耦合至所述感光层的一组3×3个感光二极管，并与该3×3个所述感光二极管构成的像素区域的几何中心对准；其中，平行的入射光线经过每一组上下对应的2个所述微透镜的二次折射后，可仍以平行状态同时垂直射向其下方对应耦合的一组3×3个所述感光二极管使其感光，并通过获取的9幅相互之间具有相位差的子图像进行多轴向相位检测和自动对焦。

6.根据权利要求5所述的CMOS图像像素阵列，其特征在于，所述第一微透镜层通过支撑层与所述第二微透镜层位置固定，所述支撑层竖直设于所述第二微透镜层的各所述微透镜之间，所述第一微透镜层下方设有透明衬底层，所述支撑层上接所述透明衬底层的下表面、下接所述像素阵列的所述金属层或所述感光层。

7.根据权利要求5所述的CMOS图像像素阵列，其特征在于，所述颜色滤镜层的各所述颜色滤镜按照Bayer模式排列构成重复的颜色滤镜阵列，每组3×3个所述感光二极管共用其上方对应的1种颜色的1个所述颜色滤镜及上下对应的2个所述微透镜。

8.根据权利要求5所述的CMOS图像像素阵列，其特征在于，每组的3×3个所述感光二极管以其上方对应的所述微透镜的中心轴为中心对称设置；位于对称位置的4对所述感光二极管所分别采集的2幅子图像构成相位差检测图像对，以进行4轴向相位检测和自动对焦。

9.根据权利要求5、7或8所述的CMOS图像像素阵列，其特征在于，位于每组3×3个所述感光二极管中心的1个感光二极管的感光面积大于组中其他的感光二极管。

10.根据权利要求9所述的CMOS图像像素阵列，其特征在于，位于每组3×3个所述感光二极管中心的1个感光二极管的感光面积是组中其他感光二极管的4倍。