CN105321975A - 图像传感器和图像探测器 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器和图像探测器，所述图像传感器包括：基底以及位于基底上的至少一个像素单元，所述像素单元包括：聚光件，用于汇聚入射光；位于基底表面的光电器件，用于感测经所述聚光件汇聚后的入射光并形成电信号。本发明通过在像素单元中设置位于光电器件上的聚光件，汇聚入射光并使入射光透射至光电器件上，由此可以在不减少入射光量的前提下，减小受到入射光照射的光电器件的面积，使减小光电器件面积成为可能，以达到减小图像传感器噪声的目的，能够有效的提高图像传感器的信噪比，改善图像传感器的性能。

Description

图像传感器和图像探测器

技术领域

本发明涉及图像采集领域，特别涉及一种图像传感器和图像探测器。

背景技术

线性阵列图像探测器是一种以线性阵列图像传感器为核心的X射线影像探测器。在X射线照射下探测器将X射线光子直接或者间接转换为电信号，再通过外围电路检出及ADC变换，从而获得数字化图像。线性阵列图像传感器以光电二极管为核心，且这些二极管按照一定规则排列成的一行或者几行的阵列，并集成以数据线、偏置电压线等。

目前线性阵列图像探测器所用的线性阵列传感器几乎都是晶体硅线性阵列传感器。这类线性阵列扫描探测器在晶圆衬底上制作，并将器件、导线等集成在衬底上。基于此工艺形成的线性阵列探测器，相邻像素单元之间的串扰严重，且工艺复杂、成本高，而且探测器尺寸受限于晶圆衬底的尺寸。

为了增大探测器的尺寸，降低制造成本，避免相邻像素之间的串扰，采用非晶硅工艺形成图像传感器，以构成非晶硅图像探测器。

但是现有技术中的非晶硅图像传感器存在图像噪声较大的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种图像传感器和图像探测器，以降低图像噪声。

为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器，用于实现入射光的光电转换，包括基底以及位于基底上的至少一个像素单元，所述像素单元包括：

聚光件，用于汇聚入射光；

位于基底表面的光电器件，用于感测经所述聚光件汇聚后的入射光并形成电信号。

可选的，所述光电器件设置于所述聚光件的主光轴上。

可选的，所述光电器件与所述聚光件之间的距离小于所述聚光件的焦距。

可选的，所述光电器件受到入射光照射的表面为感光面，所述聚光件在所述感光面上的投影面积大于所述感光面的面积。

可选的，所述聚光件在所述基底表面的投影面积与所述像素单元的面积相当。

可选的，所述聚光件在所述基底表面的投影面积在所述像素单元面积的90％到100％范围内。

可选的，所述聚光件包括凸透镜或梯度折射率透镜。

可选的，所述像素单元还包括支撑件，所述聚光件固定在所述支撑件上。

可选的，所述支撑件的材料为透明材料。

可选的，所述支撑件为与所述基底相对的透光平板，所述聚光件固定在所述透光平板朝向所述基底的面上。

可选的，所述聚光件为平凸透镜，包括：平面入射面和凸面出光面；所述平凸透镜的平面入射面与所述透光平板相贴合。

可选的，所述光电器件包括光电二极管。

可选的，所述基底为玻璃基底。

可选的，所述图像传感器为线阵列图像传感器，所述像素单元呈线性排布。

相应的，本发明还提供一种图像探测器，包括：

本发明所提供的图像传感器。

可选的，所述图像探测器为X射线图像探测器；所述图像探测器还包括：位于所述图像传感器上的X射线转换层。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明通过在像素单元中设置位于光电器件上的聚光件，汇聚入射光并使入射光透射至光电器件上，由此可以在不减少入射光量的前提下，减小受到入射光照射的光电器件的面积，使减小光电器件面积成为可能，以达到减小图像传感器噪声的目的，能够有效的提高图像传感器的信噪比，改善图像传感器的性能。

附图说明

图1是现有技术中一种图像传感器的布局示意图；

图2至图4是本发明所提供图像传感器一实施例的结构示意图；

图5是本发明所提供的图像探测器一实施例的结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中的图像传感器存在信号噪声过大的问题。现结合现有技术中图像传感器的结构分析其噪声过大的原因：

参考图1，示出了现有技术中一种图像传感器的布局示意图。

呈阵列排布的像素单元11在基底10上构成像素阵列12，其中，像素单元11中的感光器件13一般为光电二极管。像素阵列12的数据线14通过绑定垫15(pad)与外部电路实现电连接。

光电二极管通过采集光信号，并根据光信号产生电信号：

在不饱和的情况下，光电二极管感光面受到光线辐照的强度与光电二极管所产生电信号的强度成正比：

Q＝η_QE×G_L×S×t

其中，G_L为光电二极管感光面受到光线辐照的光子流量，即单位时间内光电二极管感光面单位面积吸收光子的数量；η_QE为量子效率，即光电二极管每秒产生光电子数量与所吸收光子数的比值，与光线的波长以及光电二极管的偏压有关；S是光电二极管感光面的面积；t为光信号入射的时间。

由此可知，在投射到光电二极管感光面的光线的强度、光电二极管的厚度以及偏压一定的情况下，光电二极管感光面的面积越大，其产生的信号量越大，越有利于提高图像传感器的成像质量。

此外，光电二极管的电容为：C＝ε₀×ε×S/d，其中S是光电二极管的面积，d是光电二极管的厚度，由此可以知道，在光电二极管厚度一定的情况下，光电二极管的电容大小与其面积成正比。

光电二极管的图像噪声包括读出芯片前端引起的噪声以及光电二极管本身的噪声。

其中，读出芯片前端引起的噪声为：q₁＝[(C_pd+C_int)/C_int]×V_noiseopamp；光电二极管引起的噪声为：q₂＝sqrt(2kTC_pd)×e；因此光电二极管的总噪声为：q_total＝sqrt(q₁×q₁+q₂×q₂)。由此可见，光电二极管的噪声与电容成正比，即电容越大，引起的噪声越大。Cint是读出芯片运算放大器的积分电容；Cpd是感光二极管的电容；V_noiseopamp是噪音引起的运算放大器输出电压的变化值

由此可知，在不饱和的前提下，光电二极管的感光面面积越大，吸收的光子越多，光电二极管产生的光电子量越多，也就是产生的电信号强度越大。但是一般情况下，入射光通常投射至光电二极管的上表面，也就是说，感光面通常位于光电二极管的上表面，因此光电二极管的面积不小于其感光面的面积。所以，光电二极管的感光面面积越大，光电二极管的面积越大，噪音越大。

为解决所述技术问题，本发明提供一种图像传感器，用于实现入射光的光电转换，包括：

基底以及位于基底上的至少一个像素单元，所述像素单元包括：聚光件，用于汇聚入射光；位于基底表面的光电器件，用于感测经所述聚光件汇聚后的入射光并形成电信号。

本发明通过在像素单元中设置位于光电器件上的聚光件，汇聚入射光并使入射光透射至光电器件上，由此可以在不减少入射光量的前提下，减小受到入射光照射的光电器件的面积，使减小光电器件面积成为可能，以达到减小图像传感器噪声的目的，能够有效的提高图像传感器的信噪比，改善图像传感器的性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图2，示出了本发明所提供图像传感器一实施例的结构示意图。

所述图像传感器用于实现入射光的光电转换，包括基底100以及位于基底100上的至少一个像素单元200。

所述基底100为后续制造工艺提供操作平台。本实施例中，所述基底100的材料为玻璃。采用玻璃材质的基底100形成所述图像传感器的好处在于，成本低廉，能够降低所述图像传感器的制造成本。此外，玻璃材质的基底100具有较好的绝缘性，能够避免相邻像素之间的串扰，提高所形成图像传感器的性能。

需要说明的是，采用玻璃基底的做法仅为一示例，本发明的其他实施例中，所述基底还可以采用有机玻璃等其他绝缘材料，本发明对此不做限制。

所述像素单元200包括用于汇聚入射光的聚光件210以及用于感测经所述聚光件210汇聚后的入射光并形成电信号的光电器件220，所述光电器件220位于基底100表面。

所述聚光件210用于汇聚入射光，从而在不减小入射光光量的前提下，减小入射光的照射面积，从而可以减小采集入射光所需要光电器件的面积。具体的，所述聚光件210可以为凸透镜等光学器件。

本实施例中，所述聚光件210为凸透镜，以降低所述图像传感器的制造成本。但是需要说明的是，本实施例中采用凸透镜作为聚光件210的做法仅为一示例。本发明对所述聚光件210的具体方式不做限制。在本发明其他实施例中，所述聚光件还可以采用折射率渐变的微透镜，本发明对此不做限制。

位于基底100表面的光电器件220用于感测经所述聚光件210汇聚后的入射光并形成电信号。所述光电器件220可以为光电二极管。本实施例中，所述基底100为玻璃基底，因此所述光电器件220可以为非晶硅光电二极管。因此，可以采用非晶硅工艺在玻璃基底上形成所述光电器件220，从而降低所述图像传感器的制造成本。

具体的，所述光电器件220设置于基底100表面，入射光从所述光电器件220的上表面入射。因此本实施例中，所述聚光件210设置于所述光电器件220的正上方。

所述光电器件220用于采集入射光的表面为感光面221，所述聚光件210在所述感光面221上的投影面积大于所述感光面221的面积，从而使所述光电器件220能够充分采集经所述聚光件210汇聚的入射光，以提高光电器件220所产生的电信号的强度。

此外，所述聚光件210在所述基底100表面的投影面积与所述像素单元200的面积相当，也就是说，所述聚光件210尽量铺满所述像素单元200，从而可以使投射到所述图像传感器的入射光能够尽可能多的汇聚，从而能够提高所述光电器件220所产生电信号的强度，在光信号强度不变的情况下减小所述光电器件220的面积，有效减小所述光电器件220的噪声，以改善所述图像传感器的性能。具体的，所述聚光件210在所述基底100表面的投影面积为所述像素单元面积的90％到100％之间。

具体的，结合参考图3，示出了图2中沿AA线的剖视图。

本实施例中，所述聚光件210为凸透镜。具体的，所述像素单元200还包括支撑件230，用于固定所述聚光件210。所述支撑件230的材料可以为透明材料。

具体的，所述支撑件230为与所述基底100相对设置的透光平板，所述聚光件210固定在所述透光平板朝向所述基底100的一面上。

本实施例中，所述聚光件210为平凸透镜，包括平面入射面和凸面出光面，所述平凸透镜的平面入射面与所述透光平板向贴合。入射光投射至所述透光平板后，经透光平板以及所述平凸透镜透射，在所述平凸透镜的凸面出光面发生折射而汇聚。

结合参考图4，示出了图3中聚光件210的光路图。

为了提高所述聚光件210对入射光的汇聚能力，所述光电器件220设置于所述聚光件210的主光轴上。

入射光由所述感光面211入射至所述光电器件220。因此，所述聚光件210的主光轴垂直于所述光电器件220的入射面221。本实施例中，所述聚光件210的主光轴经所述光电器件220入射面221的中心，且垂直于所述光电器件220的入射面221。

为了获得更好的汇聚效果，以改善所述图像传感器的成像效果，所述光电器件220与所述聚光件210之间的距离小于所述聚光件210的焦距。也就是说，所述光电器件220设置于所述聚光件210的焦点以内，从而能够在较小的空间内使入射光有效汇聚，且避免投射至平凸透镜平面上光线的位置与投射至光电二极管感光面上光线位置发生颠倒。

具体的，本实施例中，所述光电二极管220pd的感光面设置于所述平凸透镜的主光轴上OE上，且所述光电二极管220pd的感光面与所述平凸透镜光心O之间的距离小于所述平凸透镜的焦距。也就是说，所述光电二极管220pd设置于所述平凸透镜的光心O和焦点F之间。

继续参考图3，对于投射至所述透光平板的入射光，经所述透光平板和所述平凸透镜的透射，在所述平凸透镜的凸面出光面发生折射汇聚，投射至光电器件220的感光面221被所述光电器件220采集形成电信号。由于所述入射光被所述平凸透镜汇聚，因此所述光电器件220采集光信号的感光面221的面积小于所述入射光投射至所述透光平板的面积，从而能够减小所述光电器件220的面积，以减小所述光电器件220的噪声，改善所述图像传感器的信噪比，提高所形成图像传感器的性能。

继续参考图2，本实施例中，所述图像传感器为线阵列图像传感器，所述像素单元200呈线性分布，构成一维线性像素阵列。但是需要说明的是，所述像素单元呈线性排布形成线阵列图像传感器的做法仅为一示例，本发明对所述像素单元的排列方式不做限制。在本发明其他实施例中，所述图像传感器为面阵图像传感器时，所述像素单元还可以呈阵列排布。

相应的，本发明还提供一种图像探测器，包括：本发明所提供的图像传感器。

参考图5，示出了本发明所提供的图像探测器一实施例的结构示意图。

所述图像探测器包括：本发明所提供的图像传感器310，具体方案参考前述图像传感器的实施例，本发明在此不再赘述。

所述图像探测器还包括：用于提供支撑功能的基板300。本实施例中，所述基板300为所述图像探测器外壳的一部分。因此所述基板300还用于保护所述图像传感器310。

所述基板300表面还包括设置于所述图像传感器310一侧的外部电路320。所述外部电路320可以用于读取所述图像传感器310所形成电信号。所述图像传感器310和所述外部电路320之间通过柔性电路板330实现电连接。

具体的，所述柔性电路板330通过所述图像传感器上的连接垫相连，接收所述图像传感器310形成的电信号，所述柔性电路板330还用于与所述外部电路320相连，从而实现外部电路320和图像传感器310之间的电连接。

需要说明的是，本实施例中，将外部电路320设置在所述图像传感器310侧面，并通过柔性电路板330与图像传感器310实现连接。但是这种做法仅为一示例，本发明其他实施例中，所述外部电路320可以设置在所述图像传感器310的其他位置，而且还可以通过印刷电路板等其他连接方式，实现连接，本发明对此不作限制。

此外，本实施例中，所述图像探测器为X射线图像探测器。因此所述图像探测器还包括位于所述图像传感器上的X射线转换层340。所述X射线转换层340的作用是将X射线光子转换为可见光，之后才能由图像传感器310中的光电器件采集。具体的，所述X射线转换层340可以为闪烁体层或荧光体层。本实施例中，所述X射线转换层340为碘化铯闪烁体层。

综上，本发明通过在像素单元中设置位于光电器件上的聚光件，汇聚入射光并使入射光透射至光电器件上，由此可以在不减少入射光量的前提下，减小受到入射光照射的光电器件的面积，使减小光电器件面积成为可能，以达到减小图像传感器噪声的目的，能够有效的提高图像传感器的信噪比，改善图像传感器的性能。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (16)

1.一种图像传感器，用于实现入射光的光电转换，其特征在于，包括基底以及位于基底上的至少一个像素单元，所述像素单元包括：

聚光件，用于汇聚入射光；

位于基底表面的光电器件，用于感测经所述聚光件汇聚后的入射光并形成电信号。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电器件设置于所述聚光件的主光轴上。

3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述光电器件与所述聚光件之间的距离小于所述聚光件的焦距。

4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电器件受到入射光照射的表面为感光面，所述聚光件在所述感光面上的投影面积大于所述感光面的面积。

5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述聚光件在所述基底表面的投影面积与所述像素单元的面积相当。

6.如权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述聚光件在所述基底表面的投影面积在所述像素单元面积的90％到100％范围内。

7.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述聚光件包括凸透镜或梯度折射率透镜。

8.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元还包括支撑件，所述聚光件固定在所述支撑件上。

9.如权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述支撑件的材料为透明材料。

10.如权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述支撑件为与所述基底相对的透光平板，所述聚光件固定在所述透光平板朝向所述基底的面上。

11.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述聚光件为平凸透镜，包括：平面入射面和凸面出光面；所述平凸透镜的平面入射面与所述透光平板相贴合。

12.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电器件包括光电二极管。

13.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述基底为玻璃基底。

14.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器为线阵列图像传感器，所述像素单元呈线性排布。

15.一种图像探测器，其特征在于，包括：

如权利要求1至权利要求14任一项权利要求所述的图像传感器。

16.如权利要求15所述的图像探测器，其特征在于，所述图像探测器为X射线图像探测器；

所述图像探测器还包括：位于所述图像传感器上的X射线转换层。