CN105810702A - 彩色滤光器阵列上的光学隔离栅格 - Google Patents

彩色滤光器阵列上的光学隔离栅格 Download PDF

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Abstract

本申请案涉及一种彩色滤光器阵列上的光学隔离栅格。一种彩色图像传感器包含布置在像素阵列中的多个像素单元。多个彩色滤光器布置在安置在所述像素阵列上的彩色滤光器阵列中。每一彩色滤光器与对应下伏像素单元对准。光学隔离栅格安置在所述彩色滤光器阵列上，使得入射光在被引导通过所述彩色滤光器阵列到所述像素阵列之前被引导通过所述光学隔离栅格。所述光学隔离栅格包含多个侧壁，其经布置以界定所述光学隔离栅格中的多个开口。每一开口与对应彩色滤光器对准，使得每一彩色滤光器由所述光学隔离栅格光学隔离以接收仅通过所述多个开口中的对应对准开口的入射光。

Description

彩色滤光器阵列上的光学隔离栅格
技术领域
本发明涉及图像传感器，且更特定来说，涉及用于彩色图像传感器中的彩色滤光器阵列。
背景技术
图像传感器已变得无所不在。图像传感器在数码静态相机、蜂窝式电话、监控摄像机以及医疗、汽车及其它应用中广泛使用。用于制造图像传感器及(特定来说)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)的技术持续大幅进步。举例来说，对较高分辨率及较低功率消耗的需求已经促使这些图像传感器的进一步小型化及集成。
在常规彩色图像传感器中，入射光通常被引导通过微透镜且接着通过彩色滤光器阵列的彩色滤光器到像素阵列的像素单元。像素单元包含光敏元件以将入射光转换成与入射光的强度成比例的电信号。彩色图像传感器使用彩色滤光器阵列来帮助捕获入射光中的颜色信息。彩色滤光器阵列包含不同颜色滤光器的图案以过滤到达下伏彩色图像传感器中的每一像素单元的光。
随着彩色图像传感器中的像素单元尺寸变得较小，微透镜通过彩色滤光器阵列中的特定彩色滤光器将所有入射光聚焦到下伏像素单元变得越来越有挑战性。因此，当被引导到一个彩色滤光器中的光最终泄漏到彩色滤光器阵列中的不同的非预期彩色滤光器中时，在下伏彩色滤光器之间可能存在非所要的串扰。这还引起下伏像素单元之间的非所要串扰。彩色滤光器阵列中的彩色滤光器之间和/或像素阵列中的下伏像素单元之间的串扰在图像传感器中产生不合意噪声且因此使由图像传感器捕获的图像的总体图像质量降级。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种彩色图像传感器，其包括：多个像素单元，其布置在像素阵列中；多个彩色滤光器，其布置在安置在所述像素阵列上的彩色滤光器阵列中，其中所述多个彩色滤光器中的每一者与所述像素阵列的对应下伏像素单元对准；以及光学隔离栅格，其安置在所述彩色滤光器阵列上，使得入射光在被引导通过所述彩色滤光器阵列到所述像素阵列之前被引导通过所述光学隔离栅格，其中所述光学隔离栅格包含多个侧壁，所述多个侧壁经布置以界定所述光学隔离栅格中的多个开口，其中所述多个开口中的每一者与所述多个彩色滤光器中的对应下伏彩色滤光器对准，使得所述多个彩色滤光器中的每一者由所述光学隔离栅格光学隔离以接收仅通过所述多个开口中的对应对准开口的入射光。
本发明的另一实施例涉及一种成像系统。所述成像系统包括：彩色图像传感器，其包含：多个像素单元，其布置在像素阵列中；多个彩色滤光器，其布置在安置在所述像素阵列上的彩色滤光器阵列中，其中所述多个彩色滤光器中的每一者与所述像素阵列的对应下伏像素单元对准；以及光学隔离栅格，其安置在所述彩色滤光器阵列上，使得入射光在被引导通过所述彩色滤光器阵列到所述像素阵列之前被引导通过所述光学隔离栅格，其中所述光学隔离栅格包含多个侧壁，其经布置以界定所述光学隔离栅格中的多个开口，其中所述多个开口中的每一者与所述多个彩色滤光器中的对应下伏彩色滤光器对准，使得所述多个彩色滤光器中的每一者由所述光学隔离栅格光学隔离以接收仅通过所述多个开口中的对应对准开口的入射光；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；以及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素单元读出图像数据。
附图说明
参看以下图式描述本发明的非限制性且非详尽的实施例，图式中除非另有说明，否则在各个视图中相同参考数字指代相同部件。
图1为说明根据本发明的教示的成像系统的一个实例的图式，所述成像系统包含图像传感器，所述图像传感器具有安置在彩色滤光器阵列上的光学隔离栅格。
图2为说明根据本发明的教示的具有安置在彩色滤光器阵列上的光学隔离栅格的图像传感器的实例平面视图。
图3为说明根据本发明的教示的成像系统的一部分的一个实例的实例横截面图，所述成像系统包含安置在图像传感器上的微透镜阵列，所述图像传感器具有安置在彩色滤光器阵列上的光学隔离栅格。
贯穿图式的数个视图，对应参考符号指示对应组件。熟练的技术人员将理解，为了简明和清晰而说明图中的元件，且不一定按比例绘制。举例来说，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件有所夸示，以帮助提高对本发明的各个实施例的理解。而且，未描述在商业上可行的实施例中有用或必需的常见但好理解的元件以促进对本发明的这些各种实施例的较顺畅理解。
具体实施方式
揭示包含图像传感器的成像系统的实例，所述图像传感器具有安置在彩色滤光器阵列上的光学隔离栅格。在以下描述中，陈述许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在没有所述具体细节中的一或多者的情况下实施或以其它方法、组件、材料等等实践本文中描述的技术。在其它实例中，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面混淆不清。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“一实施例”的参考意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各种地方出现短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定都指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可在一或多个实施例中以任何合适的方式组合。
贯穿本说明书，使用若干技术术语。这些术语具有在其所来源于的领域中的一般含义，除非本文中具体定义或其使用上下文清楚地另外指示。例如，术语“或”以包含性意义(例如，如以“和/或”)使用，除非上下文清楚地另外指示。
如将展示，揭示包含图像传感器的成像系统的实例，所述图像传感器具有安置在彩色滤光器阵列上的光学隔离栅格。光学隔离栅格的实例包含经布置以界定多个开口的多个侧壁。在实例中，光学隔离栅格安置在彩色滤光器阵列上。界定在光学隔离栅格中的每一开口与彩色滤光器阵列的对应下伏彩色滤光器阵列对准。根据本发明的教示，在光学隔离栅格安置在彩色滤光器阵列上方的情况下，彩色滤光器由光学隔离栅格光学隔离以接收仅通过光学隔离栅格中的对应开口的入射光。
为了说明，图1为说明根据本发明的教示的成像系统100的一个实例的图式，所述成像系统包含图像传感器102，所述图像传感器具有安置在彩色滤光器阵列110上的光学隔离栅格120。在所描绘的实例中，根据本发明的教示，成像系统100包含带有读出电路104、功能逻辑106和控制电路108的图像传感器102。
在一个实例中，图像传感器102为包含二维(2D)像素单元(例如，像素单元P1、P2、P3……Pn)阵列的彩色图像传感器。在各个实例中，图像传感器102可实施为前侧照明传感器或背侧照明传感器。在一个实例中，彩色滤光器阵列110安置在像素单元的阵列上以将颜色信息指派给下伏像素单元中的每一者。在一个实例中，彩色滤光器阵列110可包含安置成图案的红色彩色滤光器112、绿色彩色滤光器114以及蓝色彩色滤光器116。例如，如所描绘的实例中所展示，红色滤光器112、绿色彩色滤光器114以及蓝色彩色滤光器116安置成拜耳(Bayer)图案。当然，应了解，根据本发明的教示，也可在彩色滤光器阵列110中利用其它颜色(诸如，例如，透明、青色、品红色等等)以及其它图案的组合。
如下文将更详细论述，光学隔离栅格120安置在彩色滤光器阵列110上方，使得入射光在被引导通过彩色滤光器阵列110到像素阵列的下伏像素单元P1、P2、P3……Pn之前被引导通过光学隔离栅格120。光学隔离栅格120包含多个侧壁118，其经布置以界定光学隔离栅格120中的多个开口。根据本发明的教示，光学隔离栅格120中的多个开口中的每一者与彩色滤光器阵列110的多个彩色滤光器中的对应下伏彩色滤光器对准，使得所述多个彩色滤光器中的每一者由多个光学隔离栅格120光学隔离以接收仅通过光学隔离栅格120的多个开口中的对应对准开口的入射光。
如所描绘的实例中说明，根据本发明的教示，图像传感器102中的每一像素单元布置成行(例如，行R1到Ry)和列(例如，列C1到Cx)以获取人、地点、物体等等的图像的图像数据，其接着可用于渲染所述人、地点、物体等等的2D图像。例如，在一个实例中，仅通过光学隔离栅格120中的对应开口且通过彩色滤光器阵列110的对应下伏彩色滤光器将入射光从物体引导到图像传感器102中的每一像素单元。在每一像素单元中响应于入射光产生图像电荷。在像素单元中产生图像电荷之后，由读出电路104通过读出线读出响应于图像电荷产生的图像数据接着且将所述图像数据转移到功能逻辑106。
在各个实例中，读出电路104可包含诸如(例如)放大电路、模/数(ADC)转换电路等电路。功能逻辑106可包含数字电路且可仅存储图像数据或可甚至使用图像信号处理技术操纵图像数据以施加后图像效果(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或以其它方式)。在一个实例中，读出电路104可沿读出线一次读出一行图像数据(已说明)或可使用各种其它技术读出图像数据(未说明)，例如(举例来说)，串行读出或同时完全并行读出全部像素。
在一个实例中，控制电路108耦合到图像传感器102中的像素单元以控制图像传感器102的操作特性。举例来说，控制电路108可产生耦合到包含于图像传感器102中的像素单元的快门信号及其它控制信号以控制图像获取。在一个实例中，所述快门信号可为全局快门信号，其用于同时使包含于图像传感器102中的全部像素单元能够在单一获取窗口期间同时获取其相应图像数据。在另一实例中，所述快门信号可为滚动快门信号，使得像素的每一行、列或群组在连续获取窗口期间被循序地启用。
图2为说明根据本发明的教示的具有安置在彩色滤光器阵列210上的光学隔离栅格220的实例图像传感器202的一部分的实例平面图。应注意，图2的彩色图像传感器202为图1的彩色图像滤光器102的另一实例，且/或图2的彩色滤光器阵列210为图1的彩色滤光器阵列110的另一实例，且/或图2的光学隔离栅格220为图1的光学隔离栅格120的另一实例。因此，应了解，下文引用的类似命名及编号的元件类似于上文描述那样布置和起作用。
继续图2中描绘的实例，彩色滤光器阵列210包含布置成图案的多个彩色滤光器。例如，在图2中描绘的实例中，第一行彩色滤光器包含绿色彩色滤光器214、蓝色彩色滤光器216和绿色彩色滤光器214。第二行彩色滤光器包含红色彩色滤光器212、绿色彩色滤光器214和红色彩色滤光器212。因此，图2的实例彩色滤光器阵列210的彩色滤光器布置成拜耳图案。当然，应了解，根据本发明的教示，也可在彩色滤光器阵列210中利用彩色滤光器和图案的其它组合。
图2中描绘的实例还说明根据本发明的教示的安置在彩色滤光器阵列210上的光学隔离栅格220。在所描绘的实例中，光学隔离栅格220包含多个侧壁218，其界定侧壁218之间的开口，如所展示。在一个实例中，用于形成多个侧壁218的材料可为具有n1的折射率的透明材料。光学隔离栅格220中的多个开口中的每一者与彩色滤光器阵列210的多个彩色滤光器中的对应下伏彩色滤光器对准。例如，如图2中描绘的实例中所展示，由第一行中的光学隔离栅格220的多个侧壁218界定的开口与彩色滤光器阵列210的下伏绿色彩色滤光器214、蓝色彩色滤光器216和绿色彩色滤光器214对准，如所展示。由第二行中的光学隔离栅格220的多个侧壁218界定的开口与下伏红色彩色滤光器212、绿色彩色滤光器214和红色彩色滤光器212对准，如所展示。
图2中描绘的实例进一步说明，根据本发明的教示，图像传感器202还可包含安置在光学隔离栅格220上的微透镜222的阵列。如所描绘的实例中所展示，微透镜阵列的微透镜222中的每一者与光学隔离栅格220的多个开口中的对应开口对准。在一个实例中，微透镜222的阵列以透镜材料形成，且光学隔离栅格220中的多个开口用微透镜222的阵列的透镜材料填充，如所展示。在一个实例中，用于形成微透镜222的阵列的透镜材料具有n2的折射率。在一个实例中，多个侧壁218的折射率n1小于微透镜阵列的透镜材料的折射率n2。在一个实例中，根据本发明的教示，因为微透镜222的透镜材料具有与用于形成侧壁218的材料不同的折射率，所以被引导通过微透镜222到微透镜222的材料与侧壁218的材料之间的界面的入射光被偏转。
为了说明，图3为根据本发明的教示的沿着图2的线A-A'的实例横截面视图，其说明成像系统300的一部分，成像系统300包含具有安置在光学隔离栅格320上的微透镜322的阵列的彩色图像传感器302。如所描绘的实例中所展示，根据本发明的教示，光学隔离栅格320安置在彩色滤光器阵列310上，彩色滤光器阵列310安置在像素阵列上。如实例中所展示，彩色图像传感器302的每一像素单元包含光电二极管(PD)324以感测入射光326。彩色滤光器阵列310安置在彩色图像传感器302的像素单元上，使得被引导到彩色图像传感器302的像素单元中的光电二极管324的入射光326被引导通过微透镜322的阵列、光学隔离栅格320和彩色滤光器阵列310，如所展示。
应注意，图3的彩色图像传感器302为图1的彩色图像传感器102或图2的彩色图像传感器202的另一实例，且/或图3的彩色滤光器阵列310为图1的彩色滤光器阵列110或图2的彩色滤光器阵列210的另一实例，且/或图3的光学隔离栅格320为图1的光学隔离栅格120或图2的光学隔离栅格220的另一实例，且/或微透镜322的阵列为图2的微透镜222的阵列的另一实例。因此，应了解，下文引用的类似命名及编号的元件类似于上文描述那样布置和起作用。
继续图3中描绘的实例，实例彩色滤光器阵列310说明为包含安置在布置在图像传感器302的像素阵列中的下伏像素单元上且与所述下伏像素单元对准的红色彩色滤光器312、绿色彩色滤光器314和红色彩色滤光器312。在所说明的实例中，每一像素单元包含光电二极管324以感测入射光326。图3中描绘的实例还展示光学隔离栅格320安置在彩色滤光器阵列310上，使得入射光326在被引导通过彩色滤光器阵列310到像素阵列中的相应光电二极管324之前被引导通过微透镜322和光学隔离栅格320。在所说明的实例中，光学隔离栅格320包含多个侧壁318，其经布置以界定光学隔离栅格320中的多个开口，如所展示。
如所描绘的实例中所展示，由多个侧壁318界定的多个开口中的每一者与彩色滤光器阵列310的多个彩色滤光器312/314/312中的对应下伏彩色滤光器对准。因而，根据本发明的教示，彩色滤光器阵列310的多个彩色滤光器312/314/312中的每一者通过下伏光学隔离栅格320光学隔离以接收仅通过光学隔离栅格320的多个开口中的对应对准开口的入射光326，如所展示。在一个实例中，光学隔离栅格320的多个侧壁318中的每一者与彩色滤光器阵列310的相邻彩色滤光器312/314/312之间的对应下伏边界对准，如所展示。
图3中描绘的实例进一步说明，根据本发明的教示，图像传感器302还可包含安置在光学隔离栅格320上的微透镜322的阵列。如所描绘的实例中所展示，微透镜阵列的微透镜322中的每一者与由多个侧壁318界定的多个开口中的对应开口对准。在一个实例中，微透镜322的阵列以透镜材料形成，且光学隔离栅格320中的多个开口用微透镜322的阵列的透镜材料填充，如所展示。
在一个实例中，用于形成微透镜322的阵列的透镜材料具有n2的折射率。在一个实例中，用于形成多个侧壁318的材料的折射率为n1。在一个实例中，用于形成多个侧壁的材料的折射率小于微透镜阵列的透镜材料的折射率n2。因此，根据本发明的教示，因为微透镜322的透镜材料具有与用于形成侧壁318的材料不同的折射率，所以被引导通过微透镜322到用于形成微透镜322的透镜材料与用于形成侧壁318的材料之间的界面的入射光326被偏转，如图3中展示，这防止入射光326泄漏到相邻彩色滤光器和/或相邻像素单元中。
为了说明，如所描绘的实例中展示，在微透镜322的透镜材料与侧壁318的材料之间的界面处偏转的入射光326以某个角度偏转回到微透镜322的透镜材料中且偏转到彩色滤光器阵列310的对准下伏彩色滤光器312/314/312中而非泄漏到相邻微透镜/彩色滤光器/像素单元中而引起非所要串扰。因此，根据本发明的教示，光学隔离栅格320的多个侧壁318适于隔离彩色滤光器阵列310的多个彩色滤光器312/314/312中的每一者使其无法从多个材料滤光器312/314/312中的相邻彩色滤光器接收非所要入射光326。因此，根据本发明的教示，在如所论述通过安置在彩色滤光器阵列310上的光学隔离栅格320的多个侧壁318提供较少的串扰的情况下，减少了图像传感器302中的不合意噪声且提高了通过图像传感器302捕获的图像的总体图像质量。
对本发明的所说明的实施例的以上描述(包含在说明书摘要中描述的内容)不希望为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。如相关领域的技术人员将认识到，虽然出于说明目的描述了本发明的特定实施例及本发明的实例，但各种修改在本发明的范围内是可能的。
在以上详细描述的背景下可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应被解释为将本发明限于说明书中揭示的特定实施例。而是，本发明的范围将完全由根据沿用已久的权利要求解释规则来解释的所附权利要求书确定。

Claims (19)

1.一种彩色图像传感器，其包括：
多个像素单元，其布置在像素阵列中；
多个彩色滤光器，其布置在安置在所述像素阵列上的彩色滤光器阵列中，其中所述多个彩色滤光器中的每一者与所述像素阵列的对应下伏像素单元对准；以及
光学隔离栅格，其安置在所述彩色滤光器阵列上，使得入射光在被引导通过所述彩色滤光器阵列到所述像素阵列之前被引导通过所述光学隔离栅格，其中所述光学隔离栅格包含多个侧壁，所述多个侧壁经布置以界定所述光学隔离栅格中的多个开口，其中所述多个开口中的每一者与所述多个彩色滤光器中的对应下伏彩色滤光器对准，使得所述多个彩色滤光器中的每一者由所述光学隔离栅格光学隔离以接收仅通过所述多个开口中的对应对准开口的入射光。
2.根据权利要求1所述的彩色图像传感器，其中所述光学隔离栅格的所述多个侧壁中的每一者与所述彩色滤光器阵列的相邻彩色滤光器之间的对应下伏边界对准。
3.根据权利要求1所述的彩色图像传感器，其中光学隔离栅格适于隔离所述多个彩色滤光器中的每一者使其无法从所述多个彩色滤光器中的相邻彩色滤光器接收入射光。
4.根据权利要求1所述的彩色图像传感器，其中所述光学隔离栅格的多个侧壁由具有不同于所述多个开口中的折射率的折射率的材料组成。
5.根据权利要求4所述的彩色图像传感器，其中所述多个侧壁适于使所述入射光从所述多个开口偏转。
6.根据权利要求1所述的彩色图像传感器，其进一步包括安置在所述光学隔离栅格上的微透镜阵列，其中所述微透镜阵列的所述微透镜中的每一者与所述光学隔离栅格的所述多个开口中的对应开口对准。
7.根据权利要求6所述的彩色图像传感器，其中所述微透镜阵列中的所述微透镜中的每一者由透镜材料组成，其中所述光学隔离栅格中的所述多个开口用所述微透镜阵列的所述透镜材料填充。
8.根据权利要求6所述的彩色图像传感器，其中所述光学隔离栅格的多个侧壁由具有小于所述微透镜阵列的所述透镜材料的折射率的折射率的材料组成。
9.根据权利要求8所述的彩色图像传感器，其中所述多个侧壁适于使所述入射光从所述多个开口中的所述透镜材料偏转。
10.一种成像系统，其包括：
彩色图像传感器，其包含：
多个像素单元，其布置在像素阵列中；
多个彩色滤光器，其布置在安置在所述像素阵列上的彩色滤光器阵列中，其中所述多个彩色滤光器中的每一者与所述像素阵列的对应下伏像素单元对准；以及
光学隔离栅格，其安置在所述彩色滤光器阵列上，使得入射光在被引导通过所述彩色滤光器阵列到所述像素阵列之前被引导通过所述光学隔离栅格，其中所述光学隔离栅格包含多个侧壁，其经布置以界定所述光学隔离栅格中的多个开口，其中所述多个开口中的每一者与所述多个彩色滤光器中的对应下伏彩色滤光器对准，使得所述多个彩色滤光器中的每一者由所述光学隔离栅格光学隔离以接收仅通过所述多个开口中的对应对准开口的入射光；
控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；以及
读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素单元读出图像数据。
11.根据权利要求10所述的成像系统，其进一步包括功能逻辑，所述功能逻辑耦合到所述读出电路以存储来自所述多个像素单元中的每一者的所述图像数据。
12.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述光学隔离栅格的所述多个侧壁中的每一者与所述彩色滤光器阵列的相邻彩色滤光器之间的对应下伏边界对准。
13.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述光学隔离栅格适于隔离所述多个彩色滤光器中的每一者使其无法从所述多个彩色滤光器中的相邻彩色滤光器接收入射光。
14.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述光学隔离栅格的多个侧壁由具有不同于所述多个开口中的折射率的折射率的材料组成。
15.根据权利要求14所述的成像系统，其中所述多个侧壁适于使所述入射光从所述多个开口偏转。
16.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述彩色图像传感器进一步包含安置在所述光学隔离栅格上的微透镜阵列，其中所述微透镜阵列的所述微透镜中的每一者与所述光学隔离栅格的所述多个开口中的对应开口对准。
17.根据权利要求16所述的成像系统，其中所述微透镜阵列中的所述微透镜中的每一者由透镜材料组成，其中所述光学隔离栅格中的所述多个开口用所述微透镜阵列的所述透镜材料填充。
18.根据权利要求16所述的成像系统，其中所述光学隔离栅格的多个侧壁由具有小于所述微透镜阵列的所述透镜材料的折射率的折射率的材料组成。
19.根据权利要求18所述的成像系统，其中所述多个侧壁适于使所述入射光从所述多个开口中的所述透镜材料偏转。
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