CN106249332B - 彩色滤光片阵列、彩色滤光片阵列设备及图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及彩色滤光片阵列、彩色滤光片阵列设备及图像传感器。彩色滤光片阵列的实施例包含多个平铺的最小重复单元，每一最小重复单元包括个别滤光片的M x N集合，且所述集合中的每一个别滤光片具有选自四个不同光响应当中的一光响应。每一最小重复单元包含：第一光响应的滤光片的棋盘模式，及第二、第三及第四光响应的滤光片，其分散在所述棋盘模式当中，使得所述第二、第三及第四光响应的所述滤光片绕所述最小重复单元的一对正交轴中的一者或两者而序列对称。

Description

彩色滤光片阵列、彩色滤光片阵列设备及图像传感器
分案申请的相关信息
本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2014年6月27日、申请号为201410302864.9、发明名称为“彩色滤光片阵列、彩色滤光片阵列设备及图像传感器”的发明专利申请案。
相关申请案的交叉参考
本申请案依据35U.S.C.§119(e)主张2013年7月1日申请的第61/841,818号美国临时申请案及2013年7月19日申请的第61/856,558号美国临时申请案的优先权。两个临时申请案当前在申请中且其全文以引用的方式并入本文中。
技术领域
所揭示的实施例通常涉及图像传感器，且特定来说，但非排他性地涉及用以减少包含具有全局快门的图像传感器的图像传感器中的颜色混叠的彩色及红外线滤光片阵列模式。
背景技术
颜色混叠是由电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的特定彩色滤光片阵列(CFA)模式引起的通常不合需要的效应。作为颜色混叠的典型实例，在个别像素上显露的在黑色或别样暗背景上的小白线将被解释为含有显露的主要颜色中的每一者的单个像素的线。因此需要设计最小化颜色混叠的CFA模式。
发明内容
本发明提供一种彩色滤光片阵列，其包括：多个平铺的最小重复单元，每一最小重复单元包括个别滤光片的M x N集合，且所述集合中的每一个别滤光片具有选自四个不同光响应当中的一光响应，其中每一最小重复单元包含：第一光响应的滤光片的棋盘模式，及第二、第三及第四光响应的滤光片，其分散在所述棋盘模式当中，使得所述第二、第三及第四光响应的所述滤光片绕所述最小重复单元的一对正交轴中的一者或两者而序列对称。
本发明提供一种彩色滤光片阵列设备，其包括：多个平铺的最小重复单元，每一最小重复单元包括个别滤光片的M x N集合，且所述集合中的每一个别滤光片具有选自四个不同光响应当中的一光响应，其中每一最小重复单元包含：第一光响应的滤光片的棋盘模式，及第二、第三及第四光响应的滤光片，其分散在所述棋盘模式当中，使得所述第二、第三及第四光响应的所述滤光片随机地或半随机地定位在具有所述第一光响应的所述滤光片当中。
本发明提供一种图像传感器，其包括：像素阵列，其包含多个个别像素；彩色滤光片阵列，其定位在所述像素阵列之上且光学地耦合到所述像素阵列，所述彩色滤光片阵列包括多个平铺的最小重复单元，每一最小重复单元包括个别滤光片的M x N集合，且所述集合中的每一个别滤光片具有选自四个不同光响应当中的一光响应，其中每一最小重复单元包含：第一光响应的滤光片的棋盘模式，及第二、第三及第四光响应的滤光片，其分散在所述棋盘模式当中，使得所述第二、第三及第四光响应的所述滤光片绕所述最小重复单元的一对正交轴中的一者或两者而序列对称；及电路及逻辑，其耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列中的所述个别像素读出信号。
附图说明
参看下图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中，各图中相同参考数字始终指代相同部分，除非另有指定。
图1为包含彩色滤光片阵列的图像传感器的实施例的示意图。
图2为包含全局快门规定的图像传感器像素的实施例的横截面图。
图3为包含全局快门规定的图像传感器像素的另一实施例的横截面图。
图4为说明图2到3的图像传感器像素的操作的实施例的时序图。
图5A到5B为一对正面照明像素及一对背面照明像素的横截面。
图6A到6F为解释用以描述彩色滤光片阵列、最小重复单元或构成滤光片模式的实施例的术语的图。
图7A到7K为可用以形成最小重复单元的构成滤光片模式的实施例的图。
图8A到8F为可使用图7A到7K中所示的构成滤光片模式的实施例中的一或多者形成的最小重复单元的实施例的图。
图9A到9F为包含红外线滤光片且可用以形成最小重复单元的构成滤光片模式的其它实施例的图。
图10A到10C为可使用图9A到9F中所示的构成滤光片模式的实施例中的一或多者形成的最小重复单元的实施例的图。
图11A到11B为低密度红外线构成滤光片模式及可使用低密度红外线构成滤光片模式形成的最小重复单元的实施例的图。
具体实施方式
描述了用于用以减少颜色混叠的彩色及红外线彩色滤光片阵列模式的设备、系统及方法的实施例。描述特定细节以提供对实施例的全面理解，但所属领域的技术人员将认识到可在无所描述的细节中的一或多者的情况下或通过其它方法、组件、材料等实践本发明。在一些例子中，熟知结构、材料或操作并未详细展示或描述，但仍然包含在本发明的范围内。
遍及本说明书对“一个实施例”或“实施例”的参考意谓结合实施例描述的特定特征、结构或特性包含在至少一个所描述实施例中。因此，片语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定皆指相同实施例。此外，在一或多个实施例中，所描述的特征、结构或特性可以任何合适方式组合。
图1说明互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器100的实施例，所述CMOS图像传感器包含彩色像素阵列105、耦合到像素阵列的读出电路170、耦合到读出电路的功能逻辑115及耦合到像素阵列的控制电路120。彩色像素阵列105为具有X个像素列及Y个像素行的个别成像传感器或像素(例如，像素P1、P2、......、Pn)的二维(“2D”)阵列。彩色像素阵列105可实施于正面照明图像传感器中，如图5A中所示，或实施为背面照明图像传感器，如图5B中所示。如所说明，阵列中的每一像素布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人、地方或物体的图像数据，所述图像数据接着可用以呈现人、地方或物体的2D图像。彩色像素阵列105使用耦合到像素阵列的彩色滤光片阵列(“CFA”)将颜色指派给每一像素，如下文结合彩色滤光片阵列的所揭示实施例进一步论述。
在像素阵列105中的每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路170读出且被传送到功能逻辑115以供存储、额外处理等。读出电路170可包含放大电路、模/数(“ADC”)转换电路或其它电路。功能逻辑115可通过应用后图像效应(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处理)而存储图像数据及/或操纵图像数据。功能逻辑115还可用于一个实施例中以处理图像数据以校正(即，减少或移除)固定模式噪声。控制电路120耦合到像素阵列105以控制彩色像素阵列105的操作特性。举例来说，控制电路120可产生用于控制图像获取的快门信号。
图2到4说明包含全局复位或全局快门的像素的实施例。第7,781,718号美国专利中进一步描述这些实施例，所述专利的全文特此以引用的方式并入。所说明的全局快门像素可用于耦合到本文中所描述的彩色滤光片阵列中的任一者的像素阵列中。
图2说明具有实施于像素阵列中的势垒植入物的样本“一个共享”像素结构的横截面。像素结构200包含形成P阱结构204及206的衬底202。将光电二极管区210植入及/或散布于衬底202中。光电二极管区210可为形成于衬底202上的氢化非晶硅。N型区212、214及216形成于P阱204中。钉扎层222可形成于区210上方，其帮助将光电子限制在区210直到读出时间为止。区212可为掺杂P型或轻掺杂N型。
绝缘结构220形成于P阱结构206上方。绝缘结构220可使用例如浅沟槽隔离(STI)或硅的局部氧化(LOCOS)等过程形成。使用STI过程的绝缘结构220可通过在P阱结构206内蚀刻空隙及在空隙内沉积电介质材料(例如，二氧化硅)来形成。沉积的电介质材料可使用CMP来平面化。
存储栅极晶体管具有在区210及212上方且在区210及212之间的区域中的栅极224。存储栅极(SG)晶体管由信号SG控制(如关于图6更全面地论述)。存储栅极晶体管在将俘获的电荷传送到存储栅极时控制电子从光电二极管区210到存储栅极224的流动。存储栅极晶体管还在接通传送栅极时控制电子从存储栅极224到浮动扩散214的流动。主充电存储区为存储栅极224。
势垒植入物208形成于在衬底202中的存储栅极224下方的区中。可使用P型植入物形成势垒植入物。势垒植入物208通过帮助防止流过形成于存储栅极224下方的通道(当激活栅极224时)的电荷以免回流到区210中而帮助减少图像延迟。
例如在存储栅极224上方提供光屏蔽罩230以帮助界定可俘获光子232的孔隙的边缘。光屏蔽罩230还帮助防止光子232不利地影响在集成之后像素的存储电荷(下文参看图6更全面地论述了像素的操作)。可通过在存储栅极224之上沉积金属层或硅化物而形成光屏蔽罩230结构。
通过在区212及214上方且在区212及214之间的区中形成栅极226而使用区212及区214形成传送栅极晶体管。传送栅极(TG)晶体管由信号TG控制，如关于图4更全面地论述。传送栅极晶体管在传送俘获的电荷以供读出时控制电子从存储栅极224到浮动扩散区214的流动。传送栅极晶体管还在接通存储栅极及传送栅极两者时控制电子从浮动扩散区214到光电二极管区210的流动。
通过在区216及214上方且在区216及214之间的区中形成全局复位栅极228而使用区216及区214形成全局复位晶体管。全局复位(GR)晶体管由信号GR控制，如关于图4更全面地论述。全局复位晶体管在(全局)复位像素时控制电子从复位电压(VRST)区216到浮动扩散(FD)区214的流动。如果还接通存储栅极224及传送栅极，那么全局复位晶体管将复位光电二极管区210。全局复位晶体管还可用以实施FD的行复位作为行内的像素的读出的部分。
图3说明具有实施于像素阵列中的势垒栅极晶体管的样本“一个共享”像素结构300的横截面。结构300包含形成P阱结构304及306的衬底302。将光电二极管区310植入及/或散布于衬底302中。N型区312、314及316形成于P阱304中。钉扎层322可形成于区310上方，其帮助将光电子限制在区310直到读出时间为止。
绝缘结构320形成于P阱结构306上方。绝缘结构320可使用例如浅沟槽隔离(STI)或硅的局部氧化(LOCOS)等过程形成。使用STI过程的绝缘结构320可通过在P阱结构306内蚀刻沟槽及在沟槽内沉积电介质材料(例如，二氧化硅)来形成。沉积的电介质材料可使用CMP来平面化。
通过在区310及318上方且在区310及318之间的区域中形成晶体管栅极334而使用区310及区318形成势垒栅极晶体管。势垒栅极(BG)晶体管由信号BG控制，如关于图4更全面地论述。势垒栅极晶体管控制电子从光电二极管区310到区318的流动。势垒晶体管通过结合存储栅极晶体管(下文论述)操作帮助防止流过形成于存储栅极324下方的通道(在激活栅极324时)的电荷以免回流到区310中而帮助减少图像延迟。
通过在区318及312上方且在区318及312之间的区域中形成晶体管栅极324而使用区318及区312形成存储栅极晶体管。存储栅极(SG)晶体管由信号SG控制，如关于图4更全面地论述。存储栅极晶体管控制电子从光电二极管区318到区312的流动。
在存储栅极324及势垒栅极334上方提供光屏蔽罩330以帮助界定可俘获光子332的孔隙的边缘。光屏蔽罩330还帮助防止光子332影响在集成之后像素的存储电荷。通过在区312及314上方且在区312及314之间的区中形成传送晶体管栅极326而使用区312及区314形成传送栅极晶体管。传送栅极(TG)晶体管由信号TG控制，如关于图6更全面地论述。传送栅极晶体管在传送俘获的电荷以供稍后测量时控制电子从(存储)区312到(浮动扩散)区314的流动。传送栅极晶体管还在全局复位像素时控制电子从浮动扩散区314到区312的流动。
通过在区316及314上方且在区316及314之间的区中形成全局复位栅极328而使用区316及区314形成全局复位晶体管。全局复位(GR)晶体管由信号GR控制，如关于图4更全面地论述。全局复位晶体管在(全局)复位像素时控制电子从复位电压(VRST)区316到浮动扩散(FD)区314的流动。
图4为说明使用例如图2到3中所示的像素实施例等像素实施例的样本全局复位像素阵列的操作的时序图。在时间T0，声明信号GR(全局复位)、TG(传送栅极)、SG(源栅极)、BG(势垒栅极)。在一些实施例中，在全局复位时间期间同时声明所有行选择线以同时复位所有像素。在一些实施例中，响应于GR信号激活SG晶体管及TG晶体管。
参看图3，晶体管栅极334、324、326及328全部同时激活。作为响应，信号VRST(复位电压)横跨形成于栅极328之下的N通道从节点316传播，使得对区314(浮动扩散)充电到VRST电压(小于栅极328的阈值电压)，或在光电二极管完全耗尽的情况下充电到Vpin。在激活栅极326、324及334的情况下，对区310(像素光电二极管的光敏区)预充电到VRST电压(小于介入栅极的阈值电压)。在光电二极管为可完全耗尽的钉扎光电二极管的状况下，将光电二极管复位到Vpin，只要Vpin<VRST-Vthreshold。因此，像素阵列内的像素可根据所揭示的全局复位并发地复位。
在图4中，像素阵列中的每一像素在时间T1经历集成周期。在集成周期期间，像素光电二极管的光敏部分(区310)暴露于入射光332，所述入射光致使创建并积聚电子-空穴对(电荷)。集成周期在时间T2结束，其中激活势垒栅极及存储栅极。势垒栅极及样本栅极的激活允许将累积电荷从光电二极管传送到存储栅极。如图中所示，在去活存储栅极之前去活势垒栅极，以帮助防止积聚的电荷从存储栅极回流到光电二极管。此时并不激活传送栅极，这防止电荷流动到浮动扩散区，所述浮动扩散区实质上维持其预充电电平。在存储栅极打开时，传送到存储栅极的电荷存储于其处。
在时间T3，声明行选择线，其预备待测量的像素阵列的行内的所有像素。在时间T4，测量浮动扩散电压(如由源极跟随器缓冲)。在时间T5，接通传送栅极，允许将电荷从存储栅极传送到浮动扩散。通过强制电荷到存储栅极之外而主动地关断存储栅极以提供帮助。因为BG关闭，所以强制将存储栅极中的电荷传送到浮动扩散。使用图3作为实例，激活图3的信号TG，因为激活了行选择线RS0。因此，将积聚的电荷从集成(曝光值)传送到浮动扩散。在时间T6，测量如由源极跟随器缓冲的浮动扩散电压。在时间T6的结束处，去活行选择线RS0。因此，以此方式，可以逐行的方式读出电荷。
图5A说明CMOS图像传感器中的正面照明(FSI)像素500的实施例的横截面，其中FSI像素500使用例如彩色滤光片阵列501等彩色滤光片布置，其可为使用本文中所描述的MRU中的任一者的彩色滤光片阵列。FSI像素500的正面为衬底上安置有光敏区域504及相关联的像素电路且形成用于重新分配信号的金属堆叠506的面。金属堆叠506包含金属层M1及M2，所述金属层经图案化以创建光学通路，入射于FSI像素500上的光可经由所述光学通路到达光敏或光电二极管(“PD”)区504。为了实施彩色图像传感器，正面包含彩色滤光片布置100，其中其个别彩色滤光片(在此特定横截面中说明个别滤光片503及505)中的每一者安置于微透镜506之下，所述微透镜辅助将入射光聚焦到PD区504上。
图5B说明CMOS图像传感器中的背面照明(BSI)像素550的实施例的横截面，其中BSI像素使用彩色滤光片阵列501的实施例，其可为使用本文中所描述的MRU中的任一者的彩色滤光片阵列。正如像素500一样，像素550的正面为安置有光敏区504及相关联的像素电路且形成用于重新分配信号的金属堆叠506的衬底的面。背面为像素的与正面相反的面。为了实施彩色图像传感器，背面包含彩色滤光片阵列501，其中其个别彩色滤光片(在此特定横截面中说明个别滤光片503及505)中的每一者安置于微透镜506之下。微透镜506辅助将入射光聚焦到光敏区504上。像素550的背面照明意谓金属堆叠506中的金属互连线不会遮盖成像的物体与光敏区504之间的路径，导致光敏区的更大信号产生。
图6A到6F说明将用于彩色滤光片阵列(CFA)、最小重复单元(MRU)及构成模式的随后论述中的各种概念及术语。图6A说明CFA 600的实施例。CFA 600包含实质上对应于CFA通到或将耦合到的像素阵列中的个别像素的数目的数个个别滤光片。每一个别滤光片具有特定光响应且光学耦合到像素阵列中的对应个别像素。结果，每一像素具有选自光响应的集合的特定颜色光响应。特定光响应具有对电磁光谱的某些部分的高敏感性，同时具有对光谱的其它部分的低敏感性。因为CFA通过将滤光片置于像素之上而将单独光响应指派给每一像素，所以将像素称作所述特定光响应的像素是常见的。因此，像素可在其不具有滤光片或耦合到透明(即，无色)滤光片的情况下被称作“透明像素”，在其耦合到蓝色滤光片的情况下被称作“蓝色像素”，在其耦合到绿色滤光片的情况下被称作“绿色像素”或在其耦合到红色滤光片的情况下被称作“红色像素”，等等。
选择用于传感器的颜色光响应的集合通常具有至少三个颜色，但还可包含四个或四个以上。如本文中所使用，白色或全色光响应是指具有比颜色光响应的选定集合中表示的所述光谱敏感性宽的光谱敏感性的光响应。全色光敏感性可具有横跨整个可见光谱的高敏感性。术语全色像素将指具有全色光响应的像素。尽管全色像素通常具有比颜色光响应的集合宽的光谱敏感性，但每一全色像素可具有相关联的滤光片。此滤光片为中性密度滤光片或彩色滤光片。
在一个实施例中，光响应的集合可为红色、绿色、蓝色及透明或全色(即，中性或无色)。在其它实施例中，除了列出的光响应之外，或替代列出的光响应，CFA 600可包含其它光响应。举例来说，其它实施例可包含青色(C)、洋红色(M)及黄色(Y)滤光片、透明(即，无色)滤光片、红外线滤光片、紫外线滤光片、x射线滤光片等。其它实施例还可包含具有包含比针对MRU 602所说明的像素数目大或小的像素数目的MRU的滤光片阵列。
将CFA 600中的个别滤光片分组成例如MRU 602等最小重复单元(MRU)，且MRU是垂直及水平地平铺的(如由箭头所指示)以形成CFA 600。最小重复单元为重复单元以使得没有其它重复单元具有更少的个别滤光片。给定彩色滤光片阵列可包含若干不同重复单元，但在阵列中存在包含更少个别滤光片的另一重复单元的情况下，重复单元不为最小重复单元。
图6B说明MRU 602的实施例。MRU 602为分组成行及列的个别滤光片的阵列。MRU602包含M个列及N个行，其中列由指数i测量，且行由指数j测量，因此i的范围为1到M，且j的范围为1到N。在所说明实施例中，MRU 602为正方形，意谓N＝M，但在其它实施例中，N不需要等于M。
可将MRU 602划分成四个象限，其中第一到第四象限的编号为I到IV，且从右上开始逆时针布置：右上象限I、左上象限II，左下象限III，及右下象限IV。如下文所论述，一种形成例如MRU 602等MRU的方式为布置比不同象限中的MRU 602小的多个构成模式。MRU 602还包含正交且实质上二等分MRU的轴1及2的集合：轴1将MRU 602划分成上半部及下半部，而轴2将MRU划分成左半部及右半部。在其它实施例中，轴的其它集合是有可能的，且轴不需要彼此正交；例如，在其它实施例中，MRU的对角线可形成MRU的轴。
图6C说明用于本发明中以描述MRU的一些方面(特别是其对称性、非对称性或反对称性)的术语。图展示位置在轴的左侧及右侧的红色(R)、绿色(G)及蓝色(B)滤光片。左侧的滤光片具有下标1(R1、B1等)，而右侧的滤光片具有下标2(R2、B2等)。
行604为既绕轴物理对称的又绕轴序列对称的，使得左侧及右侧绕轴为彼此的镜像。行604为物理对称的，因为每一颜色相对于轴的位置相同：R1及R2距轴相同距离(xR1＝xR2)，B1及B2距轴相同距离(xB1＝xB2)等等。且所述行还为序列对称的，因为颜色序列绕轴为对称的：从轴向右移动，颜色序列为RBG，且从轴向左移动，颜色序列也为RBG。
行606说明不绕轴物理对称但为序列对称的实施例。行606不为物理对称的(即，其为物理非对称的)，因为每一颜色相对于轴的位置不相同：R1及R2距轴不同距离(xR1≠xR2)，蓝色像素B1及B2距轴不同距离(xB1≠xB2)等等。但是尽管所说明的实施例不物理对称，但其仍是序列对称的，因为颜色序列绕轴对称：从轴向右移动，颜色序列为RBG，且类似地从轴向左移动，颜色序列也为RBG。
行608说明物理及序列非对称(即，既不绕轴序列对称也不绕轴物理对称)的实施例。行608不物理对称，因为每一颜色相对于轴的位置不相同：R1及R2距轴不同距离(xR1≠xR2)，蓝色像素B1及B2在不同距离(xBl≠xB2)处等等。类似地，所述行为序列非对称的，因为颜色序列不绕轴对称：从轴向左移动，颜色序列为RBG，但从轴向右移动，颜色序列为BRG。
行610说明物理非对称及序列反对称的实施例。行608不物理对称，因为每一颜色相对于轴的位置不相同：R1及R2距轴不同距离(xR1≠xR2)，蓝色像素B1及B2在不同距离(xBl≠xB2)处等等。类似地，所述行为序列反对称的，因为在轴的一侧上的颜色序列与轴的另一侧上的颜色序列正好相反：从轴向左移动，颜色序列为RBG，但从轴向右移动，颜色序列为GBR。
图6D说明下文用以描述可组装成8x 8MRU的揭示的4x 4构成模式的术语，但所述术语还可用以描述不同尺寸的构成模式，且可用以作为一个整体描述MRU自身或彩色滤光片阵列(CFA)。主对角线从左上行进到右下，而次对角线从右上行进到左下。从左上行进到右下的四个像素长的对角线被称作主要长对角线。在主要长对角线上方，从左上行进到右下的两个像素的对角线被称作上部主要短对角线。在主要长对角线下方，从左上行进到右下的两个像素的对角线被称作下部主要短对角线。用于次对角线的术语将为类似的，如图中所示。本发明仅论述了主对角线，但此仅出于说明的目的。涉及次对角线的实施例为替代实施例，因此尽管下文未论述所述实施例，但所述实施例应被视为本发明的部分。
图6E到6F说明棋盘滤光片模式的实施例。棋盘模式为形成MRU的阵列或形成构成模式的阵列中的交替滤光片具有相同光响应(例如，具有第一光响应的滤光片)的棋盘模式。用以形成棋盘的第一光响应还可被称作棋盘光响应。棋盘光响应接着占据MRU中的个别滤光片的实质上一半。在所说明实施例中，棋盘光响应为白色或全色，但在其它实施例中，棋盘光响应可不同，例如绿色。如下文所解释，模式中的剩余点(不为棋盘的部分的点)可用不同于第一或棋盘光响应的第二、第三及第四光响应的滤光片来填充。
图6E说明通过将具有棋盘光响应的滤光片放置于奇数行(j奇数)的偶数列(i偶数)上及将具有棋盘光响应的滤光片放置于偶数行(j偶数)的奇数列(i奇数)上而形成的棋盘实施例。图6F说明通过将具有棋盘光响应的滤光片放置于奇数行(j奇数)的奇数列(i奇数)上及将具有棋盘光响应的滤光片放置于偶数行(j偶数)的偶数列(i偶数)上而形成的棋盘实施例。
基础RGBW构成模式
图7A到7K说明可经组装以通过使用布置成图6B中所示的象限的四个构成模式的集合而形成MRU的构成模式的实施例。图7A到7C说明将被称作构成模式I的第一构成模式及其一些变体；图7D到7K说明将被称作构成模式II的第二构成模式及其一些变体。图7A到7K中所说明的构成模式为可经组装于四个集合中以形成8x 8MRU的4x 4模式，但在其它实施例中，构成模式可具有不同于4x 4的大小。由四个这些其它构成模式实施例的集合形成的MRU可具有不同于8x 8的大小。
通常，图7A到7K中所说明的构成模式使用包含用于棋盘的第一光响应以及用于非棋盘滤光片的第二、第三及第四光响应的四个光响应的集合。在所说明实施例中，第一或棋盘光响应为全色或白色(W)，且第二、第三及第四光响应是选自红色(R)、绿色(G)及蓝色(B)当中。当然，其它实施例可使用光响应的不同集合。举例来说，其它实施例可包含青色(C)、洋红色(M)及黄色(Y)滤光片、透明(即，无色)滤光片、红外线滤光片、紫外线滤光片、x射线滤光片等。
在所说明实施例中，使非棋盘滤光片(即，第二、第三及第四光响应的滤光片)的数目尽可能地接近相等。在非棋盘滤光片的数目可由待分配的光响应的数目整除的实施例中可实现完全相等，但在非棋盘滤光片的数目不可由待分配的光响应的数目整除的实施例中可仅实现近似相等。在其它实施例中，第二、第三及第四光响应中的每一者的滤光片可在非棋盘滤光片的0％与100％以及任何个别数目或其间的子范围之间变化。
图7A到7C说明构成模式I及其一些变体。图7A说明构成模式I，构成模式I由于其滤光片布置而可能遭受对角线方向上的颜色混叠。如果单独使用构成模式I以建构较大MRU，那么将继续存在相同对角线颜色混叠问题。这些构成模式的一些变体可有助于减少颜色混叠。
图7B说明构成模式I-1，其为构成模式I的变体。与构成模式I相对比，存在两个主要修改：绿色(G)像素现移动到主要长对角线，且蓝色(B)像素偶联体BB及红色(R)像素偶联体RR移动到主要短对角线。更具体来说，BB偶联体现占据上部主要短对角线，且RR偶联体现占据下部主要短对角线。对这些修改的替代例可包含BB及RR偶联体的对角线的反转，使G像素仅占据主要长对角线的一部分等。
图7C说明构成模式I-2，其为构成模式I的另一变体。此模式类似于构成模式I-1，除了偶联体BB现占据下部主要短对角线且偶联体RR现占据上部主要短对角线。替代例为类似的，如上文所论述。
图7D到7K说明构成模式II及其一些变体。图7D说明构成模式II，类似构成模式I，构成模式II可能遭受对角线方向上的颜色混叠。如果单独使用构成模式II以建构较大MRU，那么将继续存在相同对角线颜色混叠问题。这些构成模式的一些变体可有助于减少颜色混叠。
图7E说明构成模式II-1，其为构成模式II的变体。与构成模式II相对比，存在两个主要修改：G像素移动以占据整个主要长对角线且BR(或替代地RB)偶联体移动到主要短对角线。对这些修改的替代例类似于本发明中关于第一实施例所论述的替代例。
图7F说明构成模式II-2，其为构成模式II的另一变体。此模式类似于构成模式II-1，除了使用偶联体RB而不是偶联体BR。替代例为类似的，如上文所论述。
具有半随机化的RGBW构成模式
为了改进颜色混叠的减少，可根据更复杂规则进一步修改上文所揭示的基础RGBW构成模式。如在上文所揭示的RGBW构成模式中，第一光响应(在所说明实施例中的W)仍形成棋盘模式，但更随机地分配具有第二、第三及第四光响应(在此些实施例中的R、G及B)的滤光片，使得所得MRU模式看起来更随机，但仍遵循某些规则。因此，针对下文所说明的实施例揭示的修改过程被称作半随机化。在未说明的其它实施例中，可完全随机地分配第二、第三及第四光响应。在放置非棋盘光响应滤光片(即，具有第二、第三及第四光响应的滤光片)时增加随机性对于减少颜色混叠是合意的。
图7G说明构成模式II-3，其为构成模式II的变体。此构成模式的主要长对角线为构成模式II及构成模式II-1或II-2的混合。沿着主要长对角线，替代使BR交替或全部为G，左上为B，且右下为R，而两个中间像素为G。上部及下部主要短对角线与构成模式II-2相同。替代例为类似的，如上文所论述。
图7H说明构成模式II-4，其为构成模式II的另一变体。此模式类似于构成模式II-2，除了偶联体RB现占据主要长对角线的两个中间像素。替代例为类似的，如上文所论述。
图7I说明构成模式II-5，其为构成模式II的另一变体。此处进行若干修改。首先，沿着主要长对角线的颜色次序从BR反转到RB。其次，上部主要短对角线现包含偶联体BG而不是偶联体GG。第三，下部主要短对角线现包含偶联体GR而不是偶联体GG。替代例为类似的，如上文所论述。
图7J说明构成模式II-6，其为构成模式II的另一变体。构成模式II-6类似于构成模式II-5，除了上部主要短对角线现包含偶联体GR而不是偶联体GG，且下部主要短对角线现包含偶联体BG而不是偶联体GG。替代例为类似的，如上文所论述。
图7K说明构成模式II-7，其为构成模式II的另一变体。此模式类似于构成模式II-6，除了在主要长对角线方向上的R滤光片替换为B滤光片，使得颜色模式现为RBBB而不是RBRB。构成模式II-3到II-7仅为半随机化过程的实例。存在图式中并未展示但仍为本发明的部分的更多实例。
第一RGBW MRU实施例及替代例
图8A说明使用构成模式I及I-1的红-绿-蓝-白(RGBW)MRU的实施例。构成模式I-1占据第一及第三象限，且构成模式I占据第二及第四象限。所得MRU具有绕轴A2序列对称但绕轴A1序列非对称的非棋盘光响应(第二、第三及第四光响应)。
存在本实施例的若干替代例。首先，可更改构成模式类型的象限指派。举例来说，构成模式I可占据第二及第四象限或第一及第二象限等等，而构成模式I-1占据剩余象限。其次，还可更改构成模式的数目。举例来说，可存在三个构成模式I及一个构成模式I-1，或可存在一个构成模式I及三个构成模式I-1。还可仅存在一个构成模式，例如构成模式I-1。象限指派及构成模式的各种排列可产生众多替代实施例，其在此处并未全部详细说明或列出，而是仍然为本发明的部分。
第二RGBW MRU实施例及替代例
图8B说明使用构成模式II及II-1的RGBW MRU的第二实施例。构成模式II-1占据第一及第三象限，且构成模式II占据第二及第四象限。所得MRU具有绕轴A1及A2两者序列对称的非棋盘光响应(第二、第三及第四光响应)。对MRU的此第二实施例的替代例类似于本发明中上文关于第一实施例所论述的替代例。
第三RGBW MRU实施例及替代例
图8C说明使用构成模式II及II-2的RGBW MRU的第三实施例。两个构成模式II及两个构成模式II-2用以建构最终MRU。构成模式II-2占据第一及第三象限，且构成模式II占据第二及第四象限。所得MRU具有绕轴A1及A2两者序列非对称的非棋盘光响应(第二、第三及第四光响应)。对此第三MRU实施例的替代例类似于上文所论述的替代例。
第四RGBW MRU实施例及替代例
图8D说明使用构成模式I及I-2的RGBW MRU的第四实施例。使用两个构成模式I及两个构成模式I-2：构成模式I-2占据第一及第三象限，且构成模式I占据第二及第四象限。所得MRU具有绕轴A1及A2两者序列非对称的非棋盘光响应(第二、第三及第四光响应)。对此第四MRU实施例的替代例类似于上文所论述的替代例。
第五RGBW MRU实施例及替代例
图8E说明使用由半随机化导致的构成模式(具体来说，构成模式II-3及II-7)的RGBW MRU的第五实施例。构成模式II-7占据第一及第三象限，且构成模式II-3占据第二及第四象限。所得MRU具有绕轴A1及A2两者序列非对称的非棋盘光响应(第二、第三及第四光响应)。对此第五MRU实施例的替代例类似于上文所论述的替代例。
第六RGBW MRU实施例及替代例
图8F说明使用由半随机化导致的构成模式(具体来说，构成模式II-3、II-4、II-5及II-6)的RGBW MRU的第五实施例。构成模式II-5占据第一象限，构成模式II-3占据第二象限，构成模式II-6占据第三象限，且构成模式II-4占据第四象限。所得MRU具有绕轴A1及A2两者序列对称的非棋盘光响应(第二、第三及第四光响应)。对此第五MRU实施例的替代例类似于上文所论述的替代例。
RGB-IR构成模式
为了改进颜色混叠的减少同时改进CCD或CMOS图像传感器的红外线(IR)响应，可进一步修改图7G到7K中所揭示的RGBW构成模式以包含IR滤光片。所得RGB-IR模式将呈现为随机的，但仍遵循某些规则。应注意红色(R)滤光片允许红光及红外光两者通过其相应光敏感区(例如，光电二极管)、绿色(G)滤光片允许绿光及红外光两者通过，且蓝色(B)滤光片允许蓝光及红外光两者通过。在一些实施例中，红外线(IR)像素覆盖有仅允许红外光通过的RGB滤光片材料的组合。
在所描述的RGB-IR构成模式中，第一(棋盘)光响应为绿色而非白色，且第二、第三及第四光响应是选自红色、蓝色及红外线当中。当然，其它实施例可使用光响应的不同集合。举例来说，其它实施例可包含青色(C)、洋红色(M)及黄色(Y)滤光片、透明(即，无色)滤光片、红外线滤光片、紫外线滤光片、x射线滤光片等。
图9A到9F说明可经组装以通过使用布置成图6B中所示的象限的四个集合而形成RGB-IR MRU的红-绿-蓝-红外线(RGB-IR)构成模式的实施例。图9A说明构成模式I-3，其为构成模式I的变体。与构成模式I相对比，构成模式I-3具有两个主要修改：构成模式I的绿色(G)像素已替换为红外线(IR)像素，且白色(W)(也被称作透明或全色)像素替换为绿色(G)像素。IR-IR偶联体占据上部主要短对角线及下部主要短对角线两者，而主要长对角线包含在左上角的BB偶联体及在右下角的RR偶联体。
图9A中的构成模式I-3仅为可用以建构8X8或更大MRU的构成模式的一个实例。可类似地修改先前提及的构成模式中的任一者。即，RGBW构成模式I、I-1、I-2、II、II-1、II-2、II-3、II-4、II-5、II-6、II-7中的任一者及其替代例可通过首先将绿色(G)像素替换为红外线(IR)像素及接着将白色(W)像素替换为绿色(G)像素来修改。换句话说，可修改RGBW构成模式I、I-1、I-2、II、II-1、II-2、II-3、II-4、II-5、II-6、II-7及其替代例以使得第一(棋盘)光响应为绿色而不是白色，且第二、第三及第四光响应是选自红色、蓝色及红外线当中。下文是实施此些修改的若干实例构成模式及所得MRU。
图9B说明构成模式I-4，其为构成模式I的另一变体。此模式类似于构成模式I-3，除了偶联体RR现占据左上角且偶联体BB现占据主要长对角线的右下角。
图9C说明构成模式I-5，其为构成模式I的另一变体。构成模式I-5类似于构成模式I-3，除了IR像素移动到主要长对角线，RR偶联体现占据上部主要短对角线，且BB偶联体现占据下部主要短对角线。
图9D说明构成模式I-6，其类似于构成模式I-5，除了偶联体BB占据上部主要短对角线，且偶联体RR占据下部主要短对角线。
图9E说明构成模式II-8，其为构成模式II的另一修改。与构成模式II相对比，存在两个主要修改：构成模式II的绿色(G)像素已替换为红外线(IR)像素，且白色(W)像素替换为绿色(G)像素。更具体来说，IR-IR偶联体现占据上部主要短对角线及下部主要短对角线两者，而主要长对角线包含在左上角的BR偶联体及在右下角的BR偶联体。
图9F说明构成模式II-9，其为构成模式II的另一变体。此模式类似于构成模式II-8，除了IR像素移动到主要长对角线，BR偶联体现占据上部主要短对角线，且另一BR偶联体现占据下部主要短对角线。
第一RGB-IR MRU实施例及替代例
图10A说明使用构成模式I-3到I-6的红-绿-蓝-红外线(RGB-IR)MRU的第一实施例，意谓包含由半随机化导致的构成模式。构成模式I-5占据第一象限，构成模式I-3占据第二象限，构成模式I-6占据第三象限，且构成模式I-4占据第四象限。所得MRU具有绕轴A1及A2两者序列非对称的非棋盘光响应(第二、第三及第四光响应)。象限指派及构成模式数目的各种排列可产生众多替代实施例，其在此处并未详细列出，而是仍被视为本发明的部分。
如显而易见，图10A中所示的第一RGB-IR MRU实施例是图8D中所示的第四RGBW实施例的经修改版本。即，第一RGB-IR实施例可通过进行第四RGBW MRU实施例，将绿色(G)像素替换为红外线(IR)像素及将白色(W)像素替换为绿色(G)像素而形成。
第二RGB-IR MRU实施例及替代例
图10B说明使用构成模式II-8及II-9的第二RGB-IR MRU实施例，意谓包含由半随机化导致的构成模式。构成模式II-9占据第一及第三象限，而构成模式II-8占据第二及第四象限。所得MRU具有绕轴A1及A2两者序列非对称的非棋盘光响应(第二、第三及第四光响应)。象限指派及构成模式数目的各种排列可产生众多替代实施例，其在此处并未详细列出，而是仍被视为本发明的部分。
如显而易见，第二RGB-IR MRU实施例为图8B中所示的第二RGBW MRU实施例的经修改版本。即，第二RGB-IR MRU实施例可通过进行第二RGBW MRU实施例，将绿色(G)像素替换为红外线(IR)像素及将白色(W)像素替换为绿色(G)像素而形成。可类似地修改先前论述的RGBW MRU实施例中的任一者以包含IR像素。
第三RGB-IR MRU实施例及替代例
图10C说明使用构成模式II-8及II-9的红外线MRU的第三RGB-IR MRU实施例，意谓包含由半随机化导致的构成模式。构成模式II-9经定位于第一及第三象限中，而构成模式II-8经定位于第二及第四象限中。所得MRU具有绕轴A1及A2两者序列对称的非棋盘光响应(第二、第三及第四光响应)。
在一些实施例中，可遵循规定绿色(G)、蓝色(B)、红色(R)及红外线(IR)像素的比率的组成的第一规则建构构成模式及所得RGB-IR MRU。在一个实施例中，组成的第一规则可规定构成模式包含大约50％绿色滤光片、12.5％蓝色滤光片、12.5％红色滤光片及25％红外线滤光片。此滤光片比率在某些应用中(例如，三维(3D)成像中)可为有益的。
如上文所示，构成模式I-3到I-6、II-8及II-9中的每一者以及所得第一及第二RGB-IR MRU中的每一者遵循此规则。即，构成模式I-3到I-6、II-8及II-9中的每一者具有50％绿色滤光片、12.5％蓝色滤光片、12.5％红色滤光片及25％红外线滤光片。类似地，第一及第二RGB-IR MRU两者还包含50％绿色像素、12.5％蓝色像素、12.5％红色像素及25％红外线像素。但在一些实施例中，倘若所得RGB-IR MRU遵循组成的第一规则，那么构成模式自身不需要遵循组成的第一规则。即，只要所得颜色及IR滤光片阵列模式仍符合组成的第一规则，便可执行构成模式的进一步随机化。
第四RGB-IR MRU实施例及替代例
在一些实施例中，可遵循提供较低密度的红外线(IR)像素的组成的第二规则建构构成模式及所得RGB-IR MRU。在一个实施例中，组成的第二规则可规定模式包含大约50％绿色像素、18.75％蓝色像素、18.75％红色像素及12.5％红外线像素。例如由组成的第二规则提供的比率等比率在某些应用中(例如，在夜视成像中)可为有益的。
图11A到11B说明低密度IR构成模式的实施例及MRU的对应实施例。图11A说明低密度IR构成模式。图11B说明使用定位于所有四个象限中的图11A的低密度IR构成模式的RGB-IR MRU的第四实施例。所得MRU具有绕轴A1及A2两者序列反对称的非棋盘光响应(第二、第三及第四光响应)。
本发明的所说明实施例的以上描述(包含摘要中的描述)不意欲为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然本文中出于说明目的而描述本发明的特定实施例及实例，但各种等效修改在本发明的范围内是可能的，如所属领域的技术人员将认识到。可根据上文详细描述对本发明作出这些修改。
以下权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。而是，本发明的范围应全部由以下权利要求书确定，所述权利要求书将根据权利要求解释的建立的原则来建构。

Claims (13)

1.一种彩色滤光片阵列，其包括：
多个平铺的最小重复单元，每一最小重复单元包括个别滤光片的M x N集合，且所述集合中的每一个别滤光片具有选自四个不同光响应当中的一光响应，其中每一最小重复单元包含：
第一光响应的滤光片的棋盘模式，其中所述第一光响应为可见光响应且其中棋盘模式为其中所述集合中的交替滤光片具有所述第一光响应的棋盘模式，及
第二、第三及第四光响应的滤光片，其分散在所述棋盘模式当中，其中所述第一光响应为绿色(G)，所述第二光响应为红外线(IR)，所述第三光响应为红色(R)，且所述第四光响应为蓝色(B)，且其中所述第三及第四光响应的各自滤光片的数目相等，其中所述最小重复单元包含：
大约50％绿色(G)像素，大约12.5％蓝色(B)像素，大约12.5％红色(R)像素，及大约25％红外线(IR)像素；或
大约50％绿色(G)像素，大约18.75％蓝色(B)像素，大约18.75％红色(R)像素，及大约12.5％红外线(IR)像素。
2.根据权利要求1所述的彩色滤光片阵列，其中M＝N＝4，且所述最小重复单元为：
3.根据权利要求1所述的彩色滤光片阵列，其中M＝N＝4，且所述最小重复单元为：
4.根据权利要求1所述的彩色滤光片阵列，其中M＝N＝8且所述最小重复单元为：
5.根据权利要求1所述的彩色滤光片阵列，其中M＝N＝8且所述最小重复单元为：
6.根据权利要求1所述的彩色滤光片阵列，其中M＝N＝8且所述最小重复单元为：
7.一种图像传感器，其包括：
像素阵列，其包含多个个别像素；
彩色滤光片阵列，其定位在所述像素阵列之上且光学地耦合到所述像素阵列，所述彩色滤光片阵列包括多个平铺的最小重复单元，每一最小重复单元包括个别滤光片的M x N集合，且所述集合中的每一个别滤光片具有选自四个不同光响应当中的一光响应，其中每一最小重复单元包含：
第一光响应的滤光片的棋盘模式，其中所述第一光响应为可见光响应且其中棋盘模式为其中所述集合中的交替滤光片具有所述第一光响应的棋盘模式，及
第二、第三及第四光响应的滤光片，其分散在所述棋盘模式当中，其中所述第一光响应为绿色(G)，所述第二光响应为红外线(IR)，所述第三光响应为红色(R)，且所述第四光响应为蓝色(B)，且其中所述第三及第四光响应的各自滤光片的数目相等，其中所述最小重复单元包含：
大约50％绿色(G)像素，大约12.5％蓝色(B)像素，大约12.5％红色(R)像素，及大约25％红外线(IR)像素；或
大约50％绿色(G)像素，大约18.75％蓝色(B)像素，大约18.75％红色(R)像素，及大约12.5％红外线(IR)像素；及
电路及逻辑，其耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列中的所述个别像素读出信号。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述电路及逻辑包含可对所述像素阵列执行全局复位的全局快门。
9.根据权利要求7所述的图像传感器，其中M＝N＝4，且所述最小重复单元为：
10.根据权利要求7所述的图像传感器，其中M＝N＝4，且所述最小重复单元为：
11.根据权利要求7所述的图像传感器，其中M＝N＝8且所述最小重复单元为：
12.根据权利要求7所述的图像传感器，其中M＝N＝8且所述最小重复单元为：
13.根据权利要求7所述的图像传感器，其中M＝N＝8且所述最小重复单元为：
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