CN106257679A - 图像传感器及成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图像传感器及一种成像系统。图像传感器包含安置在半导体材料中的光电二极管。所述光电二极管中的每一者经相同地定大小且使用相同半导体处理条件制造在所述半导体材料中。所述光电二极管被组织成包含第一光电二极管和第二光电二极管的虚拟大‑小群组。微透镜安置在所述半导体材料上方，其中微透镜中的每一者安置在相应光电二极管上方。第一微透镜安置在所述第一光电二极管上方，且第二微透镜安置在所述第二光电二极管上方。掩模安置在所述第一微透镜与所述第一光电二极管之间。所述掩模包含开口，被引导通过所述第一微透镜的入射光的第一部分通过所述开口引导到所述第一光电二极管。被引导通过所述第一微透镜的所述入射光的第二部分被所述掩模阻挡而无法到达所述第一光电二极管。在所述第二微透镜与所述第二光电二极管之间不存在掩模。

Description

图像传感器及成像系统
技术领域
本发明大体上涉及成像，且更具体来说，本发明涉及高动态范围图像传感器。
背景技术
图像传感器已变得无处不在。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(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS))的技术继续大幅进步。举例来说，对更高分辨率及更低功率消耗的需求促使这些图像传感器的进一步小型化及集成。
高动态范围(HDR)图像传感器已用于许多应用。一般来说，普通图像传感器(包含例如电荷耦合装置(CCD)及CMOS图像传感器)具有约70dB动态范围的动态范围。相比之下，人眼具有高达约100dB的动态范围。存在其中具有增加的动态范围的图像传感器是有益的各种情形。举例来说，为了处置不同的驾驶条件(例如，从黑暗隧道驶向光明阳光下)，在汽车行业中需要具有100dB以上的动态范围的动态范围的图像传感器。实际上，许多应用可能需要具有至少90dB的动态范围或更大动态范围的图像传感器以适应从低光条件到亮光条件变化的广泛范围的照明情况。
使用具有大光电二极管和小光电二极管的双像素的现代高动态范围图像传感器的挑战之一是为提供为制造大光电二极管和小光电二极管所需的不同半导体工艺条件所涉及的工艺复杂性。此外，存在与大光电二极管和小光电二极管相关联的非对称晕光(blooming)、串扰和噪声，这导致不平衡的高动态范围成像。此外，小光电二极管与大光电二极管相比具有有限的全阱容量，这限制了高光动态范围的扩展。
发明内容
一方面，本发明涉及一种图像传感器。所述图像传感器包括：多个光电二极管，其布置在半导体材料中，其中所述多个光电二极管接近所述半导体材料的正面而安置，其中所述多个光电二极管中的每一者经相同地定大小且使用相同半导体处理条件制造在所述半导体材料中，其中所述多个光电二极管组织成包含第一光电二极管和第二光电二极管的虚拟大-小群组；微透镜阵列，其安置在所述半导体材料上方，其中所述微透镜中的每一者安置在所述光电二极管中的相应一者上方，其中所述微透镜阵列的第一微透镜安置在所述第一光电二极管上方，且其中所述微透镜阵列的第二微透镜安置在所述第二光电二极管上方；以及掩模，其沿着所述第一微透镜与所述第一光电二极管之间的光学路径安置在所述半导体材料上方，其中所述掩模包含开口，被引导通过所述第一微透镜的入射光的第一部分通过所述开口引导到所述第一光电二极管，其中被引导通过所述第一微透镜的所述入射光的第二部分被所述掩模阻挡而无法到达所述第一光电二极管，其中没有掩模沿着所述第二微透镜与所述第二光电二极管之间的光学路径安置在所述半导体材料上方，其中所述掩模接近所述半导体材料的背面而安置，且其中所述入射光被引导通过所述半导体材料的所述背面而到所述多个光电二极管。
另一方面，本发明涉及一种成像系统。所述成像系统包括：像素阵列，其包含布置在半导体材料中的多个光电二极管，其中所述多个光电二极管接近所述半导体材料的正面而安置，其中所述多个光电二极管中的每一者经相同地定大小且使用相同半导体处理条件制造在所述半导体材料中，其中所述多个光电二极管组织成包含第一光电二极管和第二光电二极管的虚拟大-小群组；微透镜阵列，其安置在所述半导体材料上方，其中所述微透镜中的每一者安置在所述光电二极管中的相应一者上方，其中所述微透镜阵列的第一微透镜安置在所述第一光电二极管上方，且其中所述微透镜阵列的第二微透镜安置在所述第二光电二极管上方；掩模，其沿着所述第一微透镜与所述第一光电二极管之间的光学路径安置在所述半导体材料上方，其中所述掩模包含开口，被引导通过所述第一微透镜的入射光的第一部分通过所述开口引导到所述第一光电二极管，其中被引导通过所述第一微透镜的所述入射光的第二部分被阻挡而无法到达所述第一光电二极管，其中没有掩模沿着所述第二微透镜与所述第二光电二极管之间的光学路径安置在所述半导体材料上方，其中所述掩模接近所述半导体材料的背面而安置，且其中所述入射光被引导通过所述半导体材料的所述背面而到所述多个光电二极管；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像素阵列读出图像数据。
附图说明
参看以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中除非另外指定，否则相似参考数字贯穿各视图指代相似部分。
图1为说明根据本发明的教示的包含实例虚拟高动态范围大-小像素图像传感器的成像系统的一个实例的图式。
图2为说明根据本发明的教示的包含实例虚拟高动态范围大-小像素的图像传感器的HDR像素电路的一个实例的示意图。
图3说明根据本发明的教示的实例虚拟高动态范围大-小像素图像传感器的一部分的横截面图。
图4A说明根据本发明的教示的实例虚拟高动态范围大-小像素图像传感器的一部分的俯视图。
图4B说明根据本发明的教示的安置在一部分上的实例彩色滤光器阵列的俯视图，其展示实例虚拟高动态范围大-小像素图像传感器。
对应的参考字符贯穿图式的若干视图指示对应组件。熟练的技术人员将了解，图中的元件是出于简化及清楚目的而说明且未必是按比例绘制。举例来说，图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸示以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。并且，通常未描绘在商业可行实施例中有用或有必要的常见而容易理解的元件，以促进更容易地查看本发明的这些各种实施例。
具体实施方式
在以下描述中，陈述许多特定细节以提供对本发明的彻底了解。然而，所属领域的一般技术人员将明白，不需要采用所述特定细节实践本发明。在其它情况下，尚未详细描述众所周知的材料或方法以避免混淆本发明。
贯穿本说明书的对“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”的提及意味着结合所述实施例或实例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实例中”、“在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”在贯穿本说明书的各处的出现未必全都是指同一实施例或实例。此外，在一或多个实施例或实例中，可以任何合适的组合和/或子组合来组合特定特征、结构或特性。特定特征、结构或特性可包含在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能性的其它合适组件中。此外，应了解，本文提供的图是出于向所属领域的一般技术人员解释的目的且图式未必是按比例绘制。
根据本发明的教示的实例描述了一种虚拟高动态范围(HDR)大-小像素图像传感器，其中多个光电二极管布置成包含虚拟大对称像素和虚拟小对称像素的虚拟大-小像素群组(例如，对)，所述虚拟大对称像素和虚拟小对称像素具有相同地定大小且使用相同半导体处理条件制造的光电二极管。在大-小像素群组的光电二极管具有相同大小的情况下，处理被简化，这是因为当制造光电二极管时可使用相同半导体制造工艺条件。此外，可在虚拟大光电二极管和虚拟小光电二极管之间实现几何对称性，这可导致较少制造工艺步骤和增加的电性能和光学性能的对称性，这因此提供关于晕光、窜扰、光响应不均匀性(PRNU)和类似者的改善性能。此外，虚拟小光电二极管具有基本上等于虚拟大光电二极管的全阱容量的全阱容量，这为虚拟小光电二极管提供改善的高光动态范围。
为进行说明，图1是大体上展示根据本发明的教示的虚拟HDR大-小像素图像感测系统100的一个实例的图式，虚拟HDR大-小像素图像感测系统100包含具有实例像素阵列102的图像传感器，像素阵列102带有虚拟大-小像素110。在一个实例中，根据本发明的教示，虚拟大-小像素110可包含至少包含虚拟大光电二极管和虚拟小光电二极管的像素，所述虚拟大光电二极管和虚拟小光电二极管具有对称像素，所述对称像素具有相同大小的光电二极管，所述相同大小的光电二极管使用相同半导体工艺条件制造但具有不同的光灵敏度。如所描绘的实例中展示，虚拟HDR大-小像素图像感测系统100包含耦合到控制电路108的像素阵列102和耦合到功能逻辑106的读出电路104。
在一个实例中，像素阵列102为成像传感器或虚拟大-小像素110(例如，像素P1、P2、……、Pn)的二维(2D)阵列。在一个实例中，每一虚拟大-小像素110为至少包含虚拟大光电二极管和虚拟小光电二极管的CMOS成像像素。如所说明，将每一虚拟大-小像素110布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人、地点、物件等等的图像数据，所述图像数据接着可用于渲染所述人、地点、物件等等的图像。
在一个实例中，在每一虚拟大-小像素110已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路104通过读出列112读出且随后转移到功能逻辑106。在各种实例中，读出电路104可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它电路。功能逻辑106可仅存储图像数据乃至通过应用后图像效果(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)操纵图像数据。在一个实例中，读出电路104可沿读出列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，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耦合到像素阵列102以控制像素阵列102的操作特性。例如，控制电路108可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，所述快门信号为全局快门信号，其用于同时使像素阵列102中的全部像素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，所述快门信号为滚动快门信号，使得像素的每一行、每一列或每一群组在连续获取窗口期间被循序地启用。
图2是说明根据本发明的教示的虚拟大-小像素210的一个实例的示意图。在一个实例中，应理解，虚拟大-小像素110可为包含在具有上文在图1中说明的虚拟HDR大-小像素图像感测系统100的实例像素阵列102的图像传感器中的多个虚拟大-小像素110中的一者。应了解，虚拟大-小像素210是出于解释目的而提供且因此仅表示用于实施图1的像素阵列102内的每一像素的一个可能架构，且根据本发明的教示的实例不限于特定像素架构。实际上，受益于本发明的所属领域的一般技术人员将理解，本教示可适用于3T设计、4T设计、5T设计以及根据本发明的教示的各种其它合适的像素架构。
如图2中描绘的实例中所展示，虚拟大-小像素210包含虚拟大-小像素群组，其包含虚拟大像素(其包含耦合到虚拟大光电二极管PDL 214的转移晶体管T1L 218)和虚拟小像素(其包含耦合到虚拟小光电二极管PDS 216的转移晶体管T1S 220)，如所展示。在一个实例中，虚拟大光电二极管PDL 214和虚拟小光电二极管PDS 216具有经相同地定大小且使用相同半导体处理条件对称地制造的光电二极管。
然而，如将在下文更详细论述，根据本发明的教示，虚拟小光电二极管PDS 216还包含虚拟小光电二极管PDS 216前方的掩模230，掩模230沿着到虚拟小光电二极管PDS216的入射光234的光学路径图案化，而在虚拟大光电二极管PDL 214的前面不存在掩模。根据本发明的教示，在掩模230仅安置在虚拟小光电二极管PDS 216的前方的情况下，入射光234通过其被引导到虚拟小光电二极管PDS 216的掩模230中的小开口232的大小控制虚拟小光电二极管PDS 216的光灵敏度。因为掩模230仅安置在虚拟小光电二极管PDS 216的前方且不定位在虚拟大光电二极管PDL 214的前方，所以虚拟小光电二极管PDS 216和虚拟大光电二极管PDL 214对入射光234具有不同灵敏度。根据本发明的教示，通过在虚拟大-小像素210中使用虚拟小光电二极管PDS 216和虚拟大光电二极管PDL 214，实现了HDR成像感测。
继续图2中描绘的实例，响应于到达虚拟小光电二极管PDS 216和虚拟大光电二极管PDL 214的入射光234在虚拟小光电二极管PDS 216和虚拟大光电二极管PDL 214中光生电荷。积累在虚拟大光电二极管PDL 214中的电荷响应于控制信号TXL通过转移晶体管T1L 218转移到浮动漏极FD 228，且积累在虚拟小光电二极管PDS 216中的电荷响应于控制信号TXS通过转移晶体管T1S 220转移到浮动漏极FD 228。
如实例中所展示，虚拟大-小像素210还包含放大器晶体管T3 224，放大器晶体管T3 224具有耦合到浮动漏极FD 228的栅极端子。因此，在所说明的实例中，来自虚拟大光电二极管PDL 216和虚拟小光电二极管PDS 216的电荷单独转移到浮动漏极FD228，浮动漏极FD 228耦合到放大器晶体管T3 224。在一个实例中，放大器晶体管T3 224如所展示以源极跟随器配置耦合，其因此将放大器晶体管T3 224的栅极端子处的输入信号放大到放大器晶体管T3 224的源极端子处的输出信号。如所展示，行选择晶体管T4226耦合到放大器晶体管T3 224的源极端子以响应于控制信号SEL将放大器晶体管T3224的输出选择性地切换到读出列212。如实例中所展示，虚拟大-小像素210还包含耦合到浮动漏极FD 228、虚拟大光电二极管PDL 214和虚拟小光电二极管PDS 216的复位晶体管222，复位晶体管222可用于响应于复位信号RST复位积累在像素210中的电荷。在一个实例中，根据本发明的教示，在在虚拟大光电二极管PDL 214和虚拟小光电二极管PDS 216中积累电荷以获取新HDR图像之前，可在虚拟大-小像素210的初始化周期期间或例如每当在电荷信息已从虚拟大-小像素210读出之后复位积累在浮动漏极FD228、虚拟大光电二极管PDL 214和虚拟小光电二极管PDS 216中的电荷。
图3说明根据本发明的教示的实例像素阵列302的一部分的横截面图，实例像素阵列302包含在实例虚拟HDR大-小像素图像感测系统的图像传感器中。应了解，图3中说明的实例像素阵列302的部分可为图1中展示的虚拟HDR大-小像素图像感测系统100的像素阵列102的实施方案的一部分的一个实例(其包含例如图2中展示的虚拟大光电二极管PDL 214和虚拟小光电二极管PDS 216)，且下文提及的类似命名和编号的元件类似于上文描述那样耦合和起作用。
如所描绘的横截面中展示，像素阵列302包含安置在半导体材料336中的多个光电二极管。在一个实例中，半导体材料可包含硅或另一合适的半导体材料。在所描绘的实例中，多个光电二极管包含安置在半导体材料336中的虚拟小光电二极管PDS 316A、虚拟大光电二极管PDL 314和虚拟小光电二极管PDS 316B。在一个实例中，虚拟小光电二极管PDS 316A、虚拟大光电二极管PDL 314和虚拟小光电二极管PDS 316B接近于半导体材料336的正面350而安置。在实例中，虚拟小光电二极管PDS 316A、虚拟大光电二极管PDL 314和虚拟小光电二极管PDS 316B中的每一者共享相同制造工艺条件、相同大小、相同全阱容量和设计对称性。在一个实例中，多个光电二极管中的每一者在半导体材料336中通过浅槽隔离(STI)结构338分隔。
如所描绘的实例中所展示，使用被引导通过半导体材料336的背面348的入射光334照明多个光电二极管中的每一者，如所展示。在所描绘的实例中，氧化物层340安置在半导体材料336的背面348上方，其中彩色滤光器阵列342安置在氧化物层340上方，且微透镜阵列安置在彩色滤光器阵列342上方。在一个实例中，彩色滤光器阵列包含彩色滤光器的马赛克(mosaic)，其中每一者如所展示安置在像素阵列302的相应光电二极管上方以捕获颜色信息。类似地，微透镜阵列包含多个微透镜，其中每一者如所展示安置在像素阵列302的相应光电二极管上方以将入射光334引导到像素阵列302的相应光电二极管。
因此，如所描绘的实例中所展示，入射光334被引导通过微透镜阵列的微透镜344A、彩色滤光器阵列342的相应彩色滤光器、氧化物层340、半导体材料336的背面348而到达虚拟小光电二极管PDS 316A。类似地，入射光334被引导通过微透镜阵列的微透镜346、彩色滤光器阵列342的相应彩色滤光器、氧化物层340、半导体材料336的背面348而到达虚拟大光电二极管PDL 314。类似地，入射光334被引导通过微透镜阵列的微透镜344B、彩色滤光器阵列342的相应彩色滤光器、氧化物层340、半导体材料336的背面348而到达虚拟小光电二极管PDS 316B。
在一个实例中，像素阵列302还包含掩模，所述掩模沿着到半导体材料336中的每一相应光电二极管的入射光334的光学路径在半导体材料336的背面348上方图案化。在实例中，掩模在多个微透镜与半导体材料336中的多个光电二极管之间安置在半导体材料336上。在实例中，如所展示，掩模覆盖有氧化物层340，且经图案化使得掩模仅安置在虚拟小光电二极管上方，且未安置在虚拟大光电二极管中的任何者上方。在实例中，根据本发明的教示，掩模经进一步图案化使得安置在虚拟小光电二极管上方的掩模界定开口，入射光的仅一部分被允许通过所述开口到达下伏虚拟小光电二极管，而入射光的一部分被掩模遮蔽(例如，阻挡、阻碍、阻止等等)而无法到达下伏虚拟小光电二极管。
为进行说明，图3中描绘的实例说明安置在虚拟小光电二极管PDS 316A上方的半导体材料336的背面348上方的掩模330A，及安置在虚拟小光电二极管PDS 316B上方的半导体材料336的背面348上方的掩模330B。如实例中所展示，没有掩模安置在虚拟大光电二极管PDL 314上方。在实例中，掩模330A包含开口332A，被引导通过微透镜344A的入射光334的一部分被允许通过开口332A到达下伏虚拟小光电二极管PDS316A。然而，被引导通过微透镜344A的入射光334的一部分被掩模330A阻挡而无法到达下伏虚拟小光电二极管PDS 316A，如所展示。类似地，掩模330B包含开口332B，被引导通过微透镜344B的入射光334的一部分被允许通过开口332B到达虚拟小光电二极管PDS 316B。然而，被引导通过微透镜344B的入射光334的一部分被掩模330B阻挡而无法到达下伏虚拟小光电二极管PDS 316B，如所展示。因为在虚拟大光电二极管PDL 314上方不存在掩模，所以被引导通过微透镜346的入射光334的所有部分均不会被掩模阻挡而无法到达下伏虚拟大光电二极管PDL 314，如所展示。
因此，根据本发明的教示，在入射光334的一部分被掩模330A和330B阻挡而无法到达虚拟小光电二极管PDS 316A和PDS 316B且没有入射光334被阻挡而无法到达虚拟大光电二极管PDL 314的情况下，应了解，虚拟小光电二极管PDS 316A和PDS 316B具有较低光灵敏度，而虚拟大光电二极管PDL 314具有高光灵敏度。在一个实例中，半导体材料336的背面348上方的掩模(例如，掩模330A、掩模330B)可为金属掩模，其包含例如铝、钨或另一合适的遮蔽材料。
在实例中，根据本发明的教示，可基于像素阵列302的所要灵敏度比率以及其它设计要求选择开口(例如，开口332A、开口332B)的大小。例如，在一个实例中，每一光电二极管(包含虚拟小光电二极管PDS 316A和PDS 316B以及虚拟大光电二极管PDL 314)可经定大小在2x2到4x4μm左右，且每一掩模开口(包含开口332A和332B)可控制在0.7x0.7μm到1.5x1.5μm。应了解，掩模开口大小充分大以减小或最小化可见光波长的衍射效应。
图4A说明根据本发明的教示的包含在实例虚拟高动态范围大-小像素图像传感器中的像素阵列402的一部分的俯视图。应了解，图4中说明的实例像素阵列402的部分可为图1中展示的虚拟HDR大-小像素图像感测系统100的像素阵列102的实施方案的一部分的一个实例(其包含例如图2中所展示的虚拟大光电二极管PDL 214和虚拟小光电二极管PDS 216)的俯视图或图3的像素阵列302的实例部分的俯视图，且下文提及的类似命名和编号的元件类似于上文描述那样耦合和起作用。例如，应了解，图3中说明的横截面实例像素阵列302可为沿着图4A的像素阵列的虚线A-A'的横截面。
如图4A中描绘的实例中所展示，像素阵列402包含多个虚拟大-小像素群组，其中每一群组包含(例如)虚拟小光电二极管PDS和虚拟大光电二极管PDL。虚拟小光电二极管PDS和虚拟大光电二极管PDL的每一者经相同地定大小且使用相同半导体处理工艺对称地制造。然而，存在安置在每一虚拟小光电二极管PDS上方的掩模430，且不存在安置在虚拟大光电二极管PDL的任何者上方的掩模430。因此，应了解，在所描绘的实例中，掩模430的总数目与像素阵列402中的虚拟大光电二极管和小光电二极管的组合总数目(例如，PDL+PDS)的比率为1:2。
此外，如所描绘的实例中所说明，多个掩模430中的每一者包含开口432，开口432仅允许入射光的一部分到达相应下伏虚拟小光电二极管PDS。因而，与到达每一虚拟大光电二极管PDL的入射光的量相比，较少的入射光到达每一虚拟小光电二极管PDS。因此，根据本发明的教示，每一光虚拟小光电二极管PDS具有低光灵敏度，而每一虚拟大光电二极管PDL具有高光灵敏度。根据本发明的教示，入射光通过其被引导到虚拟小光电二极管PDS的每一掩模430中的开口432的大小控制虚拟小光电二极管PDS的光灵敏度。
此外，如所描绘的实例中所说明，虚拟大-小像素群组中的每一虚拟大光电二极管PDL和其对应虚拟小光电二极管PDS以像素阵列402的邻近列和行布置在半导体材料中，如所展示。换句话说，虚拟大-小像素群组的每一相应虚拟大光电二极管PDL和其对应虚拟小光电二极管PDS彼此邻近且沿着像素阵列402中的对角线布置，如图4A的实例中展示。
图4B说明像素阵列402的部分的俯视图，其展示布置在如图4A中说明的实例虚拟高动态范围大-小像素图像传感器的部分上方的实例彩色滤光器阵列440。如实例中所展示，彩色滤光器阵列440包含彩色滤光器的马赛克，其中每一者如所展示安置在像素阵列402的相应光电二极管上方以捕获颜色信息。在实例中，彩色滤光器阵列440包含红色(R)、蓝色(B)和绿色(G)彩色滤光器。应注意，图4B中描绘的实例描绘彩色滤光器阵列440，其中滤光器自身描绘为旋转45度。然而，应注意，像素阵列402中的虚拟大光电二极管PDL和虚拟小光电二极管PDS的每一对(例如，群组)在其上具有相同的彩色滤光器。
因此，如图4B中描绘的实例中所展示，对于像素阵列402中具有红色(R)彩色滤光器的每一虚拟大光电二极管PDL，所述对的对应邻近虚拟小光电二极管PDS也具有红色(R)彩色滤光器。对于像素阵列402中具有绿色(G)彩色滤光器的每一虚拟大光电二极管PDL，所述对的对应邻近虚拟小光电二极管PDS具有绿色(G)彩色滤光器。类似地，对于像素阵列402中具有蓝色(B)彩色滤光器的虚拟大光电二极管PDL，所述对的对应邻近虚拟小光电二极管PDS具有蓝色(B)彩色滤光器。
因此，不同于常规拜耳(Bayer)彩色滤光器设计，在图4B中说明的实例彩色滤光器阵列440展示始终存在检测相同颜色的两个邻近光电二极管。这种类型的彩色阵列的一个原因是促进像素“合并”，其中两个邻近光电二极管可被合并，从而使传感器自身对光更“敏感”。另一个原因是使传感器记录两个不同曝光，所述两个不同曝光接着被合并以产生具有更大动态范围的图像。在一个实例中，下伏电路具有从传感器的交替行取得其信息的两个读出通道。结果是：其可充当针对感光单元的每一半具有不同曝光时间的两个交织传感器，可有意地使感光单元的一半曝光不足使得其完全捕获场景的较亮区域。根据本发明的教示，此保持的强光信息接着可与来自记录“全”曝光的传感器的另一半的输出混合，从而再次利用经类似着色的光电二极管的紧密间隔。
本发明的所说明实例的以上描述(包含摘要中描述的内容)并不希望为详尽或被限制为所揭示的精确形式。虽然出于说明目的而在本文描述了本发明的特定实施例及实例，但在不脱离本发明的较广精神及范围的情况下，各种等效修改是可能的。
可依据以上详细描述对本发明的实例做出这些修改。在所附权利要求书中使用的术语不应理解为将本发明限制为说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。而是，所述范围完全由所附权利要求书确定，权利要求书将根据已确立的权利要求阐释学说来解释。本说明书及图因此被认为是说明性而不是限制性的。

Claims (24)

1.一种图像传感器，其包括：
多个光电二极管，其布置在半导体材料中，其中所述多个光电二极管接近所述半导体材料的正面而安置，其中所述多个光电二极管中的每一者经相同地定大小且使用相同半导体处理条件制造在所述半导体材料中，其中所述多个光电二极管组织成包含第一光电二极管和第二光电二极管的虚拟大-小群组；
微透镜阵列，其安置在所述半导体材料上方，其中所述微透镜中的每一者安置在所述光电二极管中的相应一者上方，其中所述微透镜阵列的第一微透镜安置在所述第一光电二极管上方，且其中所述微透镜阵列的第二微透镜安置在所述第二光电二极管上方；以及
掩模，其沿着所述第一微透镜与所述第一光电二极管之间的光学路径安置在所述半导体材料上方，其中所述掩模包含开口，被引导通过所述第一微透镜的入射光的第一部分通过所述开口引导到所述第一光电二极管，其中被引导通过所述第一微透镜的所述入射光的第二部分被所述掩模阻挡而无法到达所述第一光电二极管，其中没有掩模沿着所述第二微透镜与所述第二光电二极管之间的光学路径安置在所述半导体材料上方，其中所述掩模接近所述半导体材料的背面而安置，且其中所述入射光被引导通过所述半导体材料的所述背面而到所述多个光电二极管。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括彩色滤光器阵列，所述彩色滤光器阵列在所述微透镜阵列与所述半导体材料中的所述多个光电二极管之间安置在所述半导体材料上方。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述掩模由金属组成。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其进一步包括安置在所述半导体材料上方的氧化物层，其中所述掩模在所述半导体材料上方安置在所述氧化物层中。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一光电二极管为图像传感器的高动态范围像素的低光灵敏度光电二极管，且其中所述第二光电二极管为图像传感器的所述高动态范围像素的高光灵敏度光电二极管。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述第一光电二极管的全阱容量基本上等于所述第二光电二极管的全阱容量。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中每一虚拟大-小群组的所述第一光电二极管和所述第二光电二极管以像素阵列的邻近列和行布置在所述半导体材料中。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中每一虚拟大-小群组的所述第一光电二极管和所述第二光电二极管在像素阵列的所述半导体材料中邻近。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其进一步包括彩色滤光器阵列，所述彩色滤光器阵列在所述微透镜阵列与所述半导体材料中的所述多个光电二极管之间安置在所述半导体材料上方，其中所述彩色滤光器阵列包含多个彩色滤光器，其中所述彩色滤光器中的每一者为第一颜色、第二颜色或第三颜色中的一者。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述彩色滤光器中的每一者为红色、绿色或蓝色中的一者。
11.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述多个彩色滤光器中的第一者安置在所述第一光电二极管上方，且所述多个彩色滤光器中的第二者安置在所述第二光电二极管上方，其中所述第一和第二彩色滤光器均为所述第一颜色。
12.根据权利要求1所述的图像传感器，其中掩模的总数目与所述像素阵列中的光电二极管的组合总数目的比率为1:2。
13.一种成像系统，其包括：
像素阵列，其包含布置在半导体材料中的多个光电二极管，其中所述多个光电二极管接近所述半导体材料的正面而安置，其中所述多个光电二极管中的每一者经相同地定大小且使用相同半导体处理条件制造在所述半导体材料中，其中所述多个光电二极管组织成包含第一光电二极管和第二光电二极管的虚拟大-小群组；
微透镜阵列，其安置在所述半导体材料上方，其中所述微透镜中的每一者安置在所述光电二极管中的相应一者上方，其中所述微透镜阵列的第一微透镜安置在所述第一光电二极管上方，且其中所述微透镜阵列的第二微透镜安置在所述第二光电二极管上方；
掩模，其沿着所述第一微透镜与所述第一光电二极管之间的光学路径安置在所述半导体材料上方，其中所述掩模包含开口，被引导通过所述第一微透镜的入射光的第一部分通过所述开口引导到所述第一光电二极管，其中被引导通过所述第一微透镜的所述入射光的第二部分被阻挡而无法到达所述第一光电二极管，其中没有掩模沿着所述第二微透镜与所述第二光电二极管之间的光学路径安置在所述半导体材料上方，其中所述掩模接近所述半导体材料的背面而安置，且其中所述入射光被引导通过所述半导体材料的所述背面而到所述多个光电二极管；
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像素阵列读出图像数据。
14.根据权利要求13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从所述像素阵列读出的所述图像数据。
15.根据权利要求13所述的成像系统，其进一步包括彩色滤光器阵列，所述彩色滤光器阵列在所述微透镜阵列与所述半导体材料中的所述多个光电二极管之间安置在所述半导体材料上方。
16.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述掩模由金属组成。
17.根据权利要求16所述的成像系统，其进一步包括安置在所述半导体材料上方的氧化物层，其中所述掩模在半导体材料上方安置在所述氧化物层中。
18.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述第一光电二极管为图像传感器的高动态范围像素的低光灵敏度光电二极管，且其中所述第二光电二极管为图像传感器的所述高动态范围像素的高光灵敏度光电二极管。
19.根据权利要求18所述的成像系统，其中所述第一光电二极管的全阱容量基本上等于所述第二光电二极管的全阱容量。
20.根据权利要求13所述的成像系统，其中每一虚拟大-小群组的所述第一光电二极管和所述第二光电二极管以像素阵列的邻近列和行布置在所述半导体材料中。
21.根据权利要求20所述的成像系统，其中每一虚拟大-小群组的所述第一光电二极管和所述第二光电二极管在像素阵列的所述半导体材料中邻近。
22.根据权利要求21所述的成像系统，其进一步包括彩色滤光器阵列，所述彩色滤光器阵列在所述微透镜阵列与所述半导体材料中的所述多个光电二极管之间安置在所述半导体材料上方，其中所述彩色滤光器阵列包含多个彩色滤光器，其中所述彩色滤光器中的每一者为第一颜色、第二颜色或第三颜色中的一者。
23.根据权利要求22所述的成像系统，其中所述多个彩色滤光器中的第一者安置在所述第一光电二极管上方，且所述多个彩色滤光器中的第二者安置在所述第二光电二极管上方，其中所述第一和第二彩色滤光器均为相同颜色。
24.根据权利要求13所述的成像系统，其中掩模的总数目与所述像素阵列中的光电二极管的组合总数目的比率为1:2。
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