CN107422407B - 彩色滤光阵列与应用其的影像感测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种彩色滤光阵列与应用其的影像感测装置。彩色滤光阵列包括多个排列为矩阵的彩色单元。每个彩色单元上具有中间区域与周围区域，且周围区域包围中间区域。中间区域形成彩色滤光物。部分周围区域形成多个透光物，且透光物由中间区域的边缘延伸至彩色单元的部分边缘。剩下的周围区域则形成彩色滤光物。彩色滤光物为高折射率材料，且透光物为低折射率材料。据此，在每个色彩单元中，中间区域的彩色滤光物与周围区域的彩色滤光物的组成可降低光谱干扰，周围区域的透光物可降低光学干扰，进而提升光电二极管感测到的影像质量。
Description
技术领域
本发明关于一种彩色滤光阵列与应用其的影像感测装置，且特别涉及一种降低光谱干扰(spectral crosstalk)的彩色滤光阵列与应用其的影像感测装置。
背景技术
影像感测装置为目前例如数字照相机与移动电话等光电装置内的主要构件之一。现有影像感测装置则包括电耦合装置(charge coupled device,CCD)影像感测装置与互补型金氧半导体(complementary metal oxide oxide,CMOS)影像感测装置。影像感测装置通常包括微透镜(Micro-lens)、彩色滤光阵列(color filter array)以及光电二极管(Photodiode)。
彩色滤光阵列是由多个子像素阵列排列而成。子像素阵列为由红色(R)、蓝色(B)与绿色(G)等不同色彩滤光物所构成的周期性图样(periodic pattern)。当光线经由透镜照射到彩色滤光阵列时，对应的红色光谱、对应的蓝色光谱与对应的绿色光谱之间有较小的光谱干扰(spectral crosstalk)。然而，照射在滤光物的光子会因绕射而移动到相邻的像素以形成光学干扰(optical crosstalk)，进而产生色偏现象且降低分辨率。
因此，在其他现有的彩色滤光阵列中，子像素阵列为由红色(R)、蓝色(B)与绿色(G)等不同色彩滤光物所构成的周期性图样(periodic pattern)，且每个色彩滤光物的周围皆形成有低折射率材料的物质来隔离每个色彩滤光物，以避免相邻滤光物之间的光学干扰。然而，此种彩色滤光阵列会因低折射率材料的全透光特性而严重造成光谱干扰(Spectral cross-talk)，降低红色光谱、蓝色光谱与绿色光谱的纯色性，使得影像饱和度变差及讯噪比(Signal to noise ratio,SNR)降低。
因此，若可以同时降低光学干扰与光谱干扰，将可以提升光电二极管所感测到的影像质量。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种彩色滤光阵列与应用其的影像感测装置，其通过配置彩色滤光物与低折射率材料的物质在彩色滤光阵列上的位置来同时降低光学干扰与光谱干扰，进而可提升光电二极管所感测到的影像质量。
本发明于一实施方式中提供一种彩色滤光阵列，且包括多个彩色单元。多个彩色单元排列为一矩阵。每个彩色单元上具有一中间区域与一周围区域，且周围区域包围中间区域。中间区域形成一彩色滤光物。部分的周围区域形成透光物，且透光物由中间区域的边缘延伸至彩色单元的部分边缘。而剩下的周围区域形成彩色滤光物。彩色滤光物为一高折射率材料，且透光物为一低折射率材料。
优选地，于每一个彩色单元中，多个透光物对称地配置在中间区域的部分周围。
优选地，于每一个彩色单元中，多个透光物根据一光线投射在对应的彩色单元上的光形配置在中间区域的部分周围。
优选地，于每一个色彩单元中，中间区域为一方形，且多个透光物位于方形的四个侧边。
优选地，于每一个色彩单元中，每一个透光物的宽度小于或等于方形的边长。
优选地，于每一个色彩单元中，中间区域为一方形，多个透光物位于方形的四个角隅(corner)。
优选地，每一个透光物延伸至方形的相邻的侧边。
优选地，于每一个彩色单元中，多个透光物位于周围区域的位置为关联于对应的彩色单元位于矩阵中的位置。
优选地，于每一个色彩单元中，周围区域具有一上部分、一下部分、一左部分与一右部分以包围中间区域。色彩单元位于矩阵中越上面的位置，透光物形成在上部分的宽度越长。色彩单元位于矩阵中越下面的位置，透光物形成在下部分的宽度越长。色彩单元位于矩阵中越左边的位置，透光物形成在左部分的宽度越长。色彩单元位于矩阵中越右边的位置，透光物形成在右部分的宽度越长。
本发明于另一实施方式中提供一种影像感测装置。影像感测装置包括一半导体基底、一彩色滤光阵列与多个微透镜。半导体基底上设置有多个光电二极管。彩色滤光阵列设置于半导体基底上，且彩色滤光阵列具有多个彩色单元。多个彩色单元排列为一矩阵，每一个彩色单元上具有一中间区域与一周围区域，且周围区域包围中间区域。中间区域形成一彩色滤光物，部分的周围区域形成多个透光物。多个透光物由中间区域的边缘延伸至彩色单元的部分边缘，且剩下的周围区域形成彩色滤光物。彩色滤光物为一高折射率材料，且透光物为一低折射率材料。多个微透镜分别设置于每一个彩色单元上。
优选地，于每一个彩色单元中，多个透光物对称地配置在中间区域的部分周围。
优选地，于每一个彩色单元中，多个透光物根据一光线穿过对应的微透镜投射在对应的彩色单元上的光形配置在中间区域的部分周围。
优选地，于每一个色彩单元中，中间区域为一方形，且多个透光物位于方形的四个侧边。
优选地，于每一个色彩单元中，每一个透光物的宽度小于或等于方形的边长。
优选地，于每一个色彩单元中，中间区域为一方形，多个透光物位于方形的四个角隅。
优选地，每一个透光物延伸至方形的相邻的侧边。
优选地，于每一个彩色单元中，多个透光物位于周围区域的位置为关联于对应的彩色单元位于矩阵中的位置。
优选地，于每一个色彩单元中，周围区域具有一上部分、一下部分、一左部分与一右部分以包围中间区域。色彩单元位于矩阵中越上面的位置，透光物形成在上部分的宽度越长。色彩单元位于矩阵中越下面的位置，透光物形成在下部分的宽度越长。色彩单元位于矩阵中越左边的位置，透光物形成在左部分的宽度越长。色彩单元位于矩阵中越右边的位置，透光物形成在右部分的宽度越长。
综上所述，本发明实施例所提供的彩色滤光阵列与应用其的影像感测装置可同时降低光学干扰与光谱干扰，进而可提升光电二极管所感测到的影像质量。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。
附图说明
图1是本发明实施例提供的影像感测装置的示意图。
图2A是本发明实施例提供的彩色滤光阵列的示意图。
图2B是本发明实施例提供的彩色单元的示意图。
图3A是本发明实施例提供的光线经微透镜投射在彩色单元上的光形的示意图。
图3B是图3A的彩色单元的示意图。
图3C是图3A的另一彩色单元的示意图。
图4A是本发明另一实施例提供的光线经微透镜投射在彩色单元上的光形的示意图。
图4B是图4A的彩色单元的示意图。
图4C是图4A的另一彩色单元的示意图。
图5A是本发明另一实施例提供的彩色滤光阵列的示意图。
图5B是图5A的某个彩色单元的示意图。
图5C是图5A的某个彩色单元的示意图。
图5D是图5A的某个彩色单元的示意图。
图5E是图5A的某个彩色单元的示意图。
具体实施方式
在下文中，将通过附图说明本发明的各种例示实施例来详细描述本发明。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。此外，附图中相同参考数字可用以表示类似的组件。
本发明实施例所提供的彩色滤光阵列与应用其的影像感测装置，其在每个色彩单元的中间区域与部分的周围区域形成彩色滤光物，并在未形成彩色滤光物的周围区域形成透光物。彩色滤光物为高折射率材料，且透光物为低折射率材料。据此，在每个色彩单元中，周围区域形成有彩色滤光物与透光物将可具有上述现有二个子像素阵列的优点，以同时降低光学干扰与光谱干扰，进而可提升光电二极管所感测到的影像质量。以下将进一步介绍本发明公开的彩色滤光阵列与应用其的影像感测装置。
首先，请同时参考图1与图2A。图1显示本发明实施例提供的影像感测装置的示意图。图2A显示本发明实施例提供的彩色滤光阵列的示意图。如图1-2所示，影像感测装置100包括一半导体基底、一彩色滤光阵列120与多个微透镜130。半导体基底上设置有多个光电二极管110。彩色滤光阵列120设置于光电二极管110上，且具有多个彩色单元10。而多个微透镜130则分别设置在每个彩色单元上。因此，光线LT射入透镜130后会先经由彩色滤光阵列120进行滤波，以使特定波长的光通过。接着，半导体基底上的光电二极管110感应光线LT强度，经由光电转换后将模拟信号转换为数字信号，以据此取得目标影像。目标影像接着再由处理器(未绘于附图中)进行图像处理而产生一输出影像以进行后续处理(如显示输出影像)。
值得注意的是，彩色滤光阵列120的多个彩色单元10排列为一矩阵，且在本实施例为9x9大小的矩阵。请同时参考图2B，其显示本发明实施例提供的彩色单元的示意图。如图2B所示，每个彩色单元10上具有中间区域11与周围区域12。中间区域11形成彩色滤光物Cf。部分的周围区域12形成透光物Tp，且透光物Tp由中间区域11的边缘延伸至彩色单元10的部分边缘。而剩下的周围区域12则形成彩色滤光物Cf。在本实施例中，每个彩色单元10的多个透光物Tp为对称地配置在中间区域11的部分周围，以均匀地对光线LT进行滤波。而彩色滤光物Cf用以滤除光线LT的部分波长，以供对应彩色滤光物的颜色的光线通过。举例来说，若彩色滤光物Cf为红色滤光物，仅有红色光可通过。而透光物Tp则为提供各种波长的光线通过。当然，彩色滤光物Cf亦可根据实际状况配置适合颜色的滤光物，本发明对此不作限制。
此外，彩色滤光物Cf为高折射率材料，透光物Tp为低折射率材料，且光线LT从各种角度入射到每个彩色单元10上。因此，当光线LT由高折射率材料(即彩色滤光物Cf)入射到低折射率材料(即透光物Tp)时，光线LT会产生全反射，使得照射在高折射率光材料的光子不会移动到相邻彩色单元10而形成光学干扰。
故由上述可知，在每个色彩单元中，中间区域的彩色滤光物与周围区域的彩色滤光物的组成可降低光谱干扰，而周围区域的透光物则可降低光学干扰，进而可提升光电二极管110所感测到的影像质量。
在其他实施例中，每个彩色单元10的透光物Tp可根据一光线LT1穿过对应的微透镜130投射在对应的彩色单元10上的光形(light field)，配置在中间区域11的部分周围。请同时参考图3A，光形30A为光线LT1投射在对应的彩色单元上的形状。光形30A具有一个集中部Pc1(代表光集中之处)与四个像散部Rd1(代表光未能有效聚焦之处)。由于四个像散部Rd1被视为光学干扰的来源之一，故透光物Tp将对应设置在四个像散部Rd1，以降低光学干扰。故在本实施例中，如图3B所示，每个色彩单元10A的中间区域11A为一方形，且形成有彩色滤光物Cf。透光物Tp则形成在方形的四个侧边(即四个像散部Rd1所对应部分的周围区域12A)，且透光物Tp的宽度等于方形的边长。而剩下的周围区域12A则形成彩色滤光物Cf。
此外，由于四个像散部Rd1的宽度为小于方形的边长，故透光物Tp的宽度亦可设置为小于方形的边长，以增加彩色滤光物在周围区域的面积。如图3C所示，每个色彩单元10B的中间区域11B为一方形，且形成有彩色滤光物Cf。透光物Tp则形成在方形的四个侧边(即四个像散部Rd1所对应部分的周围区域12B)，且透光物Tp的宽度小于方形的边长。而剩下的周围区域12B则形成彩色滤光物Cf。
故由上述可知，在每个色彩单元中，透光物Tp形成在周围区域的位置将可根据光线投射在彩色单元上的形状作配置，以避免四个像散部Rd1干扰相邻彩色单元。此外，相较于图3C的彩色滤光物Cf在周围区域12B的面积大于图3B的彩色滤光物Cf在周围区域12A的面积，彩色单元10B更可以减少光谱干扰，以提供光电二极管110感测到更好的影像质量。
在另一个实施例中，请同时参考图4A，不同于图3A的地方在于光线LT2投射在对应的彩色单元上的光形30C并不同于光形30A。更进一步来说，光形30C具有一个集中部Pc3(代表光集中之处)与四个像散部Rd3(代表光未能有效聚焦之处)。因此，如图4B所示，每个色彩单元10C的中间区域11C为一方形，且形成有彩色滤光物Cf。透光物Tp则形成在方形的四个角隅(即四个像散部Rd3所对应部分的周围区域12C)。而剩下的周围区域12C则形成彩色滤光物Cf。
而类似地，透光物Cf亦可延伸至方形的相邻的侧边，以增加透光物Cf在周围区域的面积。如图4C所示，每个色彩单元10D的中间区域11D为一方形，且形成有彩色滤光物Cf。透光物Tp则形成在方形的四个角隅(即四个像散部Rd3所对应部分的周围区域12D)，且透光物Tp延伸至方形的相邻侧边。而剩下的周围区域12D则形成彩色滤光物Cf。
据此，在每个色彩单元中，透光物Tp形成在周围区域的位置将可根据光线投射在彩色单元上的形状作配置，以避免四个像散部Rd3干扰相邻彩色单元。此外，相较于图4B的透光物Tp，图4C的透光物Tp延伸到方形的相邻侧边更可以减少光学干扰，以提供光电二极管110感测到更好的影像质量。
此外，在其他实施例中，每个彩色单元的透光物Tp位于周围区域的位置是关联于对应的彩色单元位于矩阵中的位置。如图5A所示，彩色滤光阵列120A的彩色单元排列为一矩阵。光线照射在彩色滤光阵列120A上，且光线投射在每个彩色单元上的主光线角度(chief ray angle)皆不相同。因此，每个彩色单元的透光物Tp位于周围区域的位置将因不同的主光线角度而适应性地调整，意即每个彩色单元的透光物Tp位于周围区域的位置将根据对应的彩色单元位于矩阵中的位置而进行调整。
以图5A中的彩色单元10E、10F、10G与10H为例来作说明。其中，彩色单元10E在矩阵中的位置定义为坐标(0,0)；彩色单元10F在矩阵中的位置定义为坐标(4,0)；彩色单元10G在矩阵中的位置定义为坐标(0,4)；彩色单元10H在矩阵中的位置定义为坐标(4,4)。
如图5B所示，其显示彩色单元10E的示意图。色彩单元10E的周围区域具有一上部分UP1、一下部分DN1、一左部分LT1与一右部分RT1以包围中间区域。色彩单元10E位于矩阵中的坐标(0,0)。因此，色彩单元10E将分别在中间区域的四个角隅(corner)形成透光物Tp。而中间区域与没有形成透光物周围区域则形成彩色滤光物Cf。
如图5C所示，其显示彩色单元10F的示意图。色彩单元10F的周围区域具有一上部分UP2、一下部分DN2、一左部分LT2与一右部分RT2以包围中间区域。色彩单元10F位于矩阵中的坐标(4,0)。因此，色彩单元10F将在整个右部分RT2形成透光物，并在靠近右部分RT2的上部分UP2形成透光物。而中间区域与没有形成透光物周围区域则形成彩色滤光物Cf。
如图5D所示，其显示彩色单元10G的示意图。色彩单元10G的周围区域具有一上部分UP3、一下部分DN3、一左部分LT3与一右部分RT3以包围中间区域。色彩单元10G位于矩阵中的坐标(0,4)。因此，色彩单元10G将在整个上部分UP3形成透光物，并在靠近上部分UP3的右部分RT3形成透光物。而中间区域与没有形成透光物周围区域则形成彩色滤光物Cf。
如图5E所示，其显示彩色单元10H的示意图。色彩单元10H的周围区域具有一上部分UP4、一下部分DN4、一左部分LT4与一右部分RT4以包围中间区域。色彩单元10H位于矩阵中的坐标(4,4)。因此，色彩单元10H将在整个上部分UP4形成透光物，并在整个右部分RT4形成透光物。而中间区域与没有形成透光物周围区域则形成彩色滤光物Cf。
由图5B-5E可以归纳出如何调整每个色彩单元的透光物Tp位于周围区域的位置。意即，色彩单元位于矩阵中越上面的位置，透光物Tp形成在上部分的宽度则越长；色彩单元位于矩阵中越下面的位置，透光物Tp形成在下部分的宽度则越长；色彩单元位于矩阵中越左边的位置，透光物Tp形成在左部分的宽度则越长；以及色彩单元位于矩阵中越右边的位置，透光物Tp形成在右部分的宽度则越长。
据此，每个彩色单元的透光物Tp位于周围区域的位置将根据对应的彩色单元位于矩阵中的位置调整为符合光线投射在对应的彩色单元上的角度。
综上所述，本发明实施例所提供的彩色滤光阵列与应用其的影像感测装置，其在每个色彩单元的中间区域与周围区域的彩色滤光物可降低光谱干扰，而周围区域的透光物则可降低光学干扰，进而可提升光电二极管所感测到的影像质量。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施例，而本发明的特征并不局限于此，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰，皆可涵盖在以下本案的专利范围。
Claims (18)
1.一种彩色滤光阵列，其特征在于，包括：
多个彩色单元，排列为一矩阵，每一个彩色单元上具有一中间区域与一周围区域，且该周围区域包围该中间区域；
其中，该中间区域形成一彩色滤光物，部分的该周围区域形成多个透光物，该多个透光物由该中间区域的边缘延伸至该彩色单元的部分边缘，且剩下的该周围区域形成该彩色滤光物；以及
其中，该彩色滤光物为一高折射率材料，且该透光物为一低折射率材料。
2.如权利要求1的彩色滤光阵列，其特征在于，于每一该彩色单元中，该多个透光物对称地配置在该中间区域的部分周围。
3.如权利要求1的彩色滤光阵列，其特征在于，于每一该彩色单元中，该多个透光物根据一光线投射在对应的该彩色单元上的光形配置在该中间区域的部分周围。
4.如权利要求1的彩色滤光阵列，其特征在于，于每一该彩色单元中，该中间区域为一方形，且该多个透光物位于该方形的四个侧边。
5.如权利要求4的彩色滤光阵列，其特征在于，于每一该彩色单元中，每一该透光物的宽度小于或等于该方形的边长。
6.如权利要求1的彩色滤光阵列，其特征在于，于每一该彩色单元中，该中间区域为一方形，该多个透光物位在该方形的四个角隅。
7.如权利要求6的彩色滤光阵列，其特征在于，每一该透光物延伸至该方形的相邻的侧边。
8.如权利要求1的彩色滤光阵列，其特征在于，于每一该彩色单元中，该多个透光物位于该周围区域的位置为关联于对应的该彩色单元位于该矩阵中的位置。
9.如权利要求8的彩色滤光阵列，其特征在于，于每一该彩色单元中，该周围区域具有一上部分、一下部分、一左部分与一右部分以包围该中间区域；
其中，该彩色单元位于该矩阵中越上面的位置，该透光物形成在该上部分的宽度越长；
其中，该彩色单元位于该矩阵中越下面的位置，该透光物形成在该下部分的宽度越长；
其中，该彩色单元位于该矩阵中越左边的位置，该透光物形成在该左部分的宽度越长；以及
其中，该彩色单元位于该矩阵中越右边的位置，该透光物形成在该右部分的宽度越长。
10.一种影像感测装置，其特征在于，包括：
一半导体基底，其上设置有多个光电二极管；
一彩色滤光阵列，设置于该半导体基底上，且该彩色滤光阵列具有多个彩色单元，该多个彩色单元排列为一矩阵，每一该彩色单元上具有一中间区域与一周围区域，且该周围区域包围该中间区域，其中，该中间区域形成一彩色滤光物，部分的该周围区域形成多个透光物，该多个透光物由该中间区域的边缘延伸至该彩色单元的部分边缘，且剩下的该周围区域形成该彩色滤光物，该彩色滤光物为一高折射率材料，且该透光物为一低折射率材料；以及
多个微透镜，分别设置于每一该彩色单元上。
11.如权利要求10的影像感测装置，其特征在于，于每一该彩色单元中，该多个透光物对称地配置在该中间区域的部分周围。
12.如权利要求10的影像感测装置，其特征在于，于每一该彩色单元中，该多个透光物根据一光线穿过对应的该微透镜投射在对应的该彩色单元上的光形配置在该中间区域的部分周围。
13.如权利要求10的影像感测装置，其特征在于，于每一该彩色单元中，该中间区域为一方形，且该多个透光物位在该方形的四个侧边。
14.如权利要求13的影像感测装置，其特征在于，于每一该彩色单元中，每一该透光物的宽度小于或等于该方形的边长。
15.如权利要求10的影像感测装置，其特征在于，于每一该彩色单元中，该中间区域为一方形，该多个透光物位于该方形的四个角隅。
16.如权利要求15的影像感测装置，其特征在于，每一该透光物延伸至该方形的相邻的侧边。
17.如权利要求10的影像感测装置，其特征在于，于每一该彩色单元中，该多个透光物位于该周围区域的位置为关联于对应的该彩色单元位于该矩阵中的位置。
18.如权利要求17的影像感测装置，其特征在于，于每一该彩色单元中，该周围区域具有一上部分、一下部分、一左部分与一右部分以包围该中间区域；
其中，该彩色单元位于该矩阵中越上面的位置，该透光物形成在该上部分的宽度越长；
其中，该彩色单元位于该矩阵中越下面的位置，该透光物形成在该下部分的宽度越长；
其中，该彩色单元位于该矩阵中越左边的位置，该透光物形成在该左部分的宽度越长；以及
其中，该彩色单元位于该矩阵中越右边的位置，该透光物形成在该右部分的宽度越长。
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