CN108269811A - 高动态范围彩色图像传感器及相关的方法 - Google Patents

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Abstract

高动态范围彩色图像传感器包括(a)具有感光像素阵列的硅基板，感光像素阵列具有多个第一像素和多个第二像素，(b)滤色镜层，滤色镜层被布置在硅基板上并至少包括(i)位于多个第一像素的第一子集和多个第二像素的第一子集的上方并用于选择性透射第一颜色的光的多个第一滤色镜，和(ii)位于多个第一像素的第二子集和多个第二像素的第二子集的上方并用于选择性透射第二颜色的光的多个第二滤色镜，以及(c)动态范围扩展层，动态范围扩展层被布置在滤色镜层上并包括被布置在多个第二像素上方以衰减朝多个第二像素传播的光的灰色滤光镜。

Description

高动态范围彩色图像传感器及相关的方法
技术领域
本申请涉及图像传感器技术领域，特别地涉及高动态范围彩色图像传感器及相关的方法。
背景技术
标准图像传感器具有大约60至70dB或更低的有限动态范围。例如，8位传感器具有仅48dB的动态范围。然而，真实世界的亮度动态范围要大得多，且自然场景通常跨越90dB或更大的范围。当图像传感器捕获具有超过传感器动态范围的亮度动态范围的场景时，必定丢失信息。取决于曝光设置，较亮的区域可能饱和和/或较暗的区域可能曝光不足，产生不能重现真实场景的质量的捕获图像。
为同步捕获场景的高亮区域和阴影区域，图像传感器已经使用高动态范围(HDR)技术以增加捕获的动态范围。增加动态范围的最常用技术中的一个是将使用标准、低动态范围图像传感器捕获的多个曝光合并为具有比单个曝光图像大得多的动态范围的单个HDR图像。例如，可以以两个不同的曝光时间记录相同场景的图像，其中设置较长的曝光以优化地捕获场景的最暗部分，并设置较短的曝光以优化地捕获场景的最亮部分。然而，这样的图像合并方法频繁地遭受例如由在曝光之间移动的场景中的物体引起的伪影。
已经发展了在单个帧中捕获HDR彩色图像的HDR图像传感器。这样的HDR图像传感器包括两个交错的像素阵列，一个像素阵列具有较大的像素且另一个像素阵列具有较小的像素。较大的像素是更加光敏感的，因此对捕获暗场景或场景的暗部分是优选的。较小的像素是较低光敏感的，因此对捕获亮场景或场景的较亮部分是优选的。
发明内容
在实施例中，高动态范围(HDR)彩色图像传感器包括具有感光像素阵列的硅基板，感光像素阵列具有多个第一像素和多个第二像素。HDR彩色图像传感器还包括布置在硅基板上并至少具有多个第一滤色镜和多个第二滤色镜的滤色镜层。第一滤色镜位于多个第一像素的第一子集和多个第二像素的第一子集的上方。第一滤色镜用于选择性透射第一颜色范围的光。第二滤色镜位于多个第一像素的第二子集和多个第二像素的第二子集的上方。第二滤色镜用于选择性透射第二颜色范围的光。HDR彩色图像传感器还包括布置在滤色镜层上的动态范围扩展层。动态范围扩展层包括被布置在多个第二像素上方的灰色滤光镜，以衰减朝多个第二像素传播的光。
在实施例中，用于制造高动态范围彩色图像传感器的方法包括在具有感光像素阵列的硅基板上沉积滤色镜层，感光像素阵列具有多个第一像素和多个第二像素。沉积的步骤包括至少形成(a)多个第一像素的第一子集和多个第二像素的第一子集上方的多个第一滤色镜和(b)多个第一像素的第二子集和多个第二像素的第二子集上方的多个第二滤色镜。第二滤色镜的厚度超过第一滤色镜的厚度。方法还包括在滤色镜层上沉积动态范围扩展层，动态范围扩展层包括第二像素上方的灰色滤光镜以衰减朝第二像素传播的光。滤色镜层和动态范围扩展层的组合厚度跨感光像素阵列是一致的，以便第二滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度小于第一滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度以在第二滤色镜的透射带中比在第一滤色镜的透射带中更大地补偿灰色滤光镜的材料的衰减。
在实施例中，用于生成高动态范围图像的方法可以包括部分地吸收从场景朝感光像素阵列的多个第一像素传播的第一光，以与从场景朝感光像素阵列的多个第二像素传播的第二光相比衰减第一光。多个第二像素与多个第一像素交错。方法还包括部分地吸收的步骤之后，对第一光进行谱滤波以在第一像素处的感光像素阵列上形成场景的衰减的彩色图像，并对第二光进行谱滤波以在第二像素处的感光像素阵列上形成场景的较亮的彩色图像。
附图说明
图1示出根据实施例的用于生成场景的高动态范围(HDR)图像的高动态范围彩色图像传感器。
图2A和2B示出根据实施例的基于相同尺寸的像素实施较高敏感度的像素阵列和较低敏感度的像素阵列的HDR彩色图像传感器。
图3A和3B示出根据实施例的实施具有较大像素的较高敏感度的像素阵列和具有较小像素的较低敏感度的像素阵列的HDR彩色图像传感器。
图4示出具有布置在硅基板的光接收表面和滤色镜层之间的灰色滤光镜的HDR彩色图像传感器。
图5是对于图4的HDR彩色图像传感器的滤色镜层和动态范围扩展层的透射系数的曲线图。
图6是对于三种不同厚度的灰色滤光镜的对于图1的HDR彩色图像传感器的灰色滤光镜的一个实施例的透射系数的曲线图。
图7是对于图1的HDR彩色图像传感器的滤色镜的一些实施例的透射系数的曲线图。
图8示出根据实施例的实施不同厚度的灰色滤光镜的HDR彩色图像传感器。
图9是根据实施例的对于图8的HDR彩色图像传感器的一个实施例的灰色滤光镜和滤色镜层的透射系数的曲线图。
图10是对于不被灰色滤光镜占据的动态范围扩展层的区域，形成图9的基础的图8的HDR彩色图像传感器的相同实施例的滤色镜层和动态范围扩展层的作为波长的函数的透射系数的曲线图。
图11是对于图4的HDR彩色图像传感器的一个示例的滤色镜层和动态范围扩展层的测量的透射系数的曲线图。
图12是对于图8的HDR彩色图像传感器的一个实施例的灰色滤光镜和滤色镜层的测量的透射系数的曲线图。
图13示出根据实施例的用于生成高动态范围图像的方法。
图14示出根据实施例的用于制造HDR彩色图像传感器的方法。
图15A-C示出用于形成图8的HDR彩色图像传感器的滤色镜层的图14的方法的部分的一个示例。
图16A-D示出用于形成图8的HDR彩色图像传感器的动态范围扩展层的图14的方法的部分的一个示例。
具体实施方式
图1示出用于生成场景的高动态范围(HDR)图像的一个示例性高动态范围(HDR)彩色图像传感器100。图1在示例性使用情景190中示出HDR彩色图像传感器100。示于图1中的剖面侧视图中的HDR彩色图像传感器100包括具有感光像素阵列112的硅基板110。HDR彩色图像传感器100还包括沉积在硅基板的平面光接收表面118上的滤色镜层120，和沉积在滤色镜层120的表面128上的动态范围扩展层130。表面128背对硅基板110。滤色镜层120为HDR彩色图像传感器100提供彩色灵敏度，且动态范围扩展层130扩展HDR彩色图像传感器100的动态范围超过感光像素阵列112及其相关的读取电路(未示于图1中)的动态范围。
示例性使用情景190利用HDR彩色图像传感器100的高动态范围捕获正确示出场景198的暗部分和亮部分的彩色图像。场景192包括将要穿过汽车170前方的公路的跑步者174。汽车170配备有使用HDR彩色图像传感器100以捕获汽车170前方场景的图像的汽车安全系统180，以警告驾驶员或自动汽车控制系统潜在的碰撞。场景192由太阳178背光照亮，且传统的图像传感器将不能生成显示(a)由太阳178照亮的公路172和(b)在房屋176的阴影中的跑步者174的图像。因此，传统的图像传感器将可能无法提供显示跑步者174将要跑到汽车170前方的公路172上的数据。相反，HDR彩色图像传感器100通过动态范围扩展层130能够生成显示公路172和跑步者174的场景192的图像。此外，HDR彩色图像传感器100提供彩色的此图像，其可以进一步帮助汽车安全系统180针对房屋176的背景识别出跑步者174。汽车安全仅是HDR彩色图像传感器100的示例性应用。HDR彩色图像传感器100的其他应用包括照相手机、摄像头和监控照相机。
滤色镜层120包括具有分别主要对不同颜色范围敏感的多个不同类型的滤色镜124的滤色镜阵列122。每个滤色镜124位于感光像素阵列124的对应像素的上方，以便由感光像素阵列的此像素检测的光为特定颜色。因此，滤色镜阵列122使能通过HDR彩色图像传感器100捕获彩色图像。为说明的清楚，图1中未标注所有滤色镜124。在示于图1的实施例中，滤色镜阵列122包括三种类型的滤色镜124(1)、124(2)和124(3)。滤色镜124(1)、124(2)和124(3)例如分别对红光、绿光和蓝光敏感。可选地，滤色镜阵列122可以包括分别对青光、黄光和品红光敏感的三种类型的滤色镜124(1)、124(2)和124(3)。在不脱离其范围的情况下，滤色镜阵列122可以仅包括两种类型的滤色镜(例如，选择性透射可见光谱内的光的一种类型的滤色镜124，和选择性透射红外光谱的至少部分内的光的另一种类型的滤色镜124)。此外，在不脱离其范围的情况下，滤色镜阵列122可以包括四种或更多种不同类型的滤色镜。例如，滤色镜阵列122可以包括分别对红光、绿光、蓝光和近红外光敏感的四种类型的滤色镜124，或对青光、黄光、绿光和品红光敏感的四种类型的滤色镜。此外，在不脱离其范围的情况下，滤色镜124可以与示于图1的配置不同地被布置。例如，红色、绿色和蓝色滤色镜可以以拜耳类型阵列布置。滤色镜阵列122可以跨越表面118和128之间的间隙。
动态范围扩展层130包括位于形成感光像素阵列112的第一子集的多个像素114上方的多个灰色滤光镜132。为说明的清楚，图1中未标注所有的像素114。无论光的颜色(至少在HDR彩色图像传感器100的敏感范围内，例如在可见光谱内)，每个灰色滤光镜132衰减朝对应的像素114传播的光。此由朝像素114传播的示例性光150'说明。随着光150'朝像素114穿过动态范围扩展层130，灰色滤光镜132衰减光150’。另外多个像素116形成感光像素阵列112的第二子集，其是由像素114形成的第一子集的补集。为说明的清楚，图1中没有标注所有的像素116。像素116没有被灰色滤光镜132覆盖。因此，朝像素116传播的光不被灰色滤光镜132衰减，如示例性光150所示。在实施例中，动态范围扩展层130可以包括像素116上方的区域中的材料，以便传播穿过动态范围扩展层130的光穿过此材料。像素116上方的动态范围扩展层130的此材料的透射系数比灰色滤光镜132的透射系数大。在一个示例中，像素116上方的动态范围扩展层130的材料是基本透明的。在此，“透明的”指的是在感光像素阵列112的敏感范围和滤色镜层120的透射带之间的重叠内(例如可视光谱内)接近100％的透射系数。无论动态范围扩展层130是否包括像素116上方的材料以及此材料是否是基本透明的，与朝像素116传播的光相比，动态范围扩展层130衰减朝像素114传播的光。结果，由像素116形成的像素阵列比由像素114形成的像素阵列更加敏感。此敏感性的差异扩展HDR彩色图像传感器100的动态范围超越感光像素阵列112及其相关读取电路的动态范围。读取电路未在图1中示出，然而其可以至少部分地在硅基板110中实施。
在一个实施例中，动态范围扩展层130和滤色镜层120都由聚合材料形成，且灰色滤光镜132和滤光镜124由光阻材料形成。
由像素114形成的像素阵列与像素116形成的像素阵列至少部分地交错，以便由HDR彩色图像传感器100成像的场景的至少部分由像素114和116成像。尽管图1示出像素114和像素116之间交替的感光像素阵列112，但是在不脱离其范围的情况下，感光像素阵列112可以根据其他配置被排列。在一个这样的示例中，由像素114形成的像素阵列的分辨率与由像素116形成的像素阵列的分辨率不同，此外，在不脱离其范围的情况下，HDR彩色图像传感器100可以被配置有比示于图1的更少或更多的像素114/116。例如，HDR彩色图像传感器100可以包括数百万或数千万的像素114和像素116。硅基板110可以将感光像素阵列112实施为互补金属氧化物半导体(CMOS)像素阵列。
在一些实施例中，HDR彩色图像传感器100还包括具有多个显微透镜142的显微透镜阵列140。每个显微透镜142将穿过动态范围扩展层130和滤色镜层120的光聚焦至对应的像素114或116。例如，显微透镜阵列140在背对硅基板110的动态范围扩展层130的表面上形成。
尽管未在图1中示出，在不脱离其范围的情况下，HDR彩色图像传感器100可以包括对传播至像素114和像素116的光应用相同类型的滤色的附加滤色镜。例如，像素114和116可以是对近红外光谱中的光敏感的，且滤色镜124中的一个或多个可以是对近红外光至少部分地透射的。在此示例中，附加滤色镜可以是用于基本阻挡红外光以将HDR彩色图像传感器100的敏感性限制到可见光谱的红外滤色镜。
图2A和2B示出基于相同尺寸的像素实施较高敏感度的像素阵列和较低敏感度的像素阵列的一个示例性HDR彩色图像传感器200。HDR彩色图像传感器200是HDR彩色图像传感器100的实施例，实施相同尺寸、并被布置在各自的交错的像素阵列中的像素114和116。图2A在俯视图中示出HDR彩色图像传感器200，且图2B在剖视侧视图中示出HDR彩色图像传感器200，剖面是沿图2A的折线2B-2B'的折剖面。最好一起查看图2A和2B。
HDR彩色图像传感器200包括具有沿折线2B-2B'交替的、感光像素阵列212的像素214和216的硅基板210。硅基板210、像素214和216、和感光像素阵列212分别是硅基板110、像素114和116、和感光像素阵列112的实施例。HDR彩色图像传感器200还包括分别是滤色镜层120和动态范围扩展层130的实施例的滤色镜层220和动态范围扩展层230。滤色镜层220被配置有以类拜耳配置布置的三种不同类型的滤色镜224(1)、224(2)和224(3)以形成多个彩色像素组250。滤色镜224(1)、224(2)和224(3)是滤色镜124(1)、124(2)和124(3)的实施例。每个彩色像素组250包括四个像素214和四个像素216。滤色镜224(1)沉积在一对相邻的像素214和216上。滤色镜224(3)沉积在另一对相邻的像素214和216上。两个滤色镜224(2)沉积在相邻像素214和216的两个各自的对上。动态范围扩展层230包括灰色滤光镜232，在每个像素214上方布置有灰色滤光镜232而在像素216的任一个上方没有灰色滤光镜232。因此，像素214的阵列与灰色滤光镜232协作以形成较低敏感度的像素阵列，而像素216的阵列形成较高敏感度的像素阵列。可选地，HDR彩色图像传感器200还包括显微透镜阵列140。
在实施例中，HDR彩色图像传感器200包括在每个像素214上方形成光限制孔径217的孔径栅格215。在与光接收表面118平行的维度中的光限制孔径217的剖面小于与光接收表面118平行的维度中的像素214的剖面。因此，与透射至像素216的光的量相比，孔径栅格215进一步限制透射至像素214的光的量，并因此进一步扩展HDR彩色图像传感器200的动态范围。为说明的清楚，图2A示出孔径栅格215位于像素214的仅一个的上方，但是意识到在此实施例中孔径栅格215存在于所有像素214上方。
尽管未示于图2A和2B中，在不脱离其范围的情况下，HDR彩色图像传感器200可以包括每对邻近像素214/216之间的光无效区域，以便像素214/216不与另一像素214/216直接接触。此外，尽管图2A中示出具有方形截面，在不脱离其范围的情况下，像素214和216可以具有非方形截面。例如，像素214和216的每个的截面可以是非方矩形。此外，在不脱离其范围的情况下，每个像素214和216的方位可以相比于示于图2A中的旋转45度，以便像素214和216的矩形或方形实施例的边与感光像素阵列212的边对齐。
在不脱离其范围的情况下，HDR彩色图像传感器200可以配置有多于示于图2A和2B的像素214/216。例如，HDR彩色图像传感器200可以包括数百万或数千万的像素214和数百万或数千万的像素216。类似地，可以应用其他滤色镜方案，例如如上参考图1所讨论的那些。如上参考图1所讨论的，HDR彩色图像传感器200可以包括对传播至像素214和像素216的光应用相同类型滤色的附加滤色镜。
图3A和3B示出实施具有较大像素的较高灵敏度的像素阵列和具有较小像素的较小灵敏度的像素阵列的一个示例性HDR彩色图像传感器300。HDR彩色图像传感器300是HDR彩色图像传感器100的实施例，实施在各自交错的像素阵列中布置的较小像素114和较大像素116。图3A在俯视图中示出HDR彩色图像传感器300，且图3B在剖面侧视图中示出HDR彩色图像传感器300，剖面是沿图3A的折线3B-3B'的折剖面。最好一起查看图3A和3B。
HDR彩色图像传感器300包括具有沿折线3B-3B'交替的、感光像素阵列312的像素314和316的硅基板310。硅基板310、像素314和316、和感光像素阵列312分别是硅基板110、像素114和116、和感光像素阵列112的实施例。HDR彩色图像传感器300还包括分别是滤色镜层120和动态范围扩展层130的实施例的滤色镜层320和动态范围扩展层330。滤色镜层320被配置有以类拜耳配置布置的三种不同类型的滤色镜324(1)、324(2)和324(3)，以形成多个彩色像素组350。滤色镜324(1)、324(2)和324(3)是滤色镜124(1)、124(2)和124(3)的实施例。每个彩色像素组350包括四个像素314和四个像素316。滤色镜324(1)沉积在一对相邻的像素314和316上。滤色镜324(3)沉积在另一对相邻的像素314和316上。两个滤色镜324(2)沉积在像素314和316的两个各自的对上。动态范围扩展层330包括灰色滤光镜332，在每个像素314上方设置有灰色滤光镜332而在像素316的任一个上方没有灰色滤光镜332。因此，灰色滤光镜332和较小尺寸的像素314协作以形成较低灵敏度的像素阵列，而较大像素316的阵列形成较高灵敏度的像素阵列。可选地，HDR彩色图像传感器300还包括显微透镜阵列140。
在实施例中，HDR彩色图像传感器300包括在每个像素314上方形成光限制孔径317的孔径栅格315。与光接收表面118平行的维度中的光限制孔径317的截面小于与光接收表面118平行的维度中的像素314的截面。因此，与透射至像素316的光的量相比，孔径栅格315进一步限制透射至像素314的光的量，并因此进一步扩展HDR彩色图像传感器300的动态范围。为说明的清楚，图3A示出孔径栅格315位于像素314的仅一个的上方，但是意识到在此实施例中孔径栅格315存在于所有像素314上方。
尽管未示于图3A和3B中，在不脱离其范围的情况下，HDR彩色图像传感器300可以包括每对邻近的像素314/316之间的光无效区域，以便像素314/316不与另一像素314/316直接接触。此外，尽管图3A中示出具有方形截面，在不脱离其范围的情况下，像素314和316可以具有非方形截面。例如，像素314和316的每个的截面可以是八边形。此外，在不脱离其范围的情况下，每个像素314和316的方位可以相比于示于图3A中的旋转45度，以便像素314和316的矩形或方形实施例的边与感光像素阵列312的边对齐。
在不脱离其范围的情况下，HDR彩色图像传感器300可以配置有多于示于图3A和3B的像素314/316。例如，HDR彩色图像传感器300可以包括数百万或数千万的像素314和数百万或数千万的像素316。类似地，可以应用其他滤色镜方案，例如如上参考图1所讨论的那些。如上参考图1所讨论的，HDR彩色图像传感器300可以包括对传播至像素314和像素316的光应用相同类型的滤色的附加滤色镜。
图4示出具有布置在硅基板110的光接收表面118和滤色镜层420之间的灰色滤光镜432的一个示例性HDR彩色图像传感器400。滤色镜层420包括透射红光的红色滤色镜424(1)、透射绿光的绿色滤色镜424(2)和透射蓝光的蓝色滤色镜424(3)。HDR彩色图像传感器400包括在布置在光接收表面118和滤色镜层420之间的动态范围扩展层430中实施的多个灰色滤光镜432。灰色滤光镜432布置在每个像素114上方。动态范围扩展层430和滤色镜层420的每个是平面的，且灰色滤光镜432跨越光接收表面118和滤色镜层420之间的距离。灰色滤光镜432和动态范围扩展层430具有跨感光像素阵列112一致的厚度436。滤色镜层420具有由滤色镜424(1)、424(2)和424(3)的厚度限定的厚度426。厚度426跨感光像素阵列112是一致的。
图5是对于HDR彩色图像传感器400的滤色镜层420和动态范围扩展层430的透射系数的曲线图500。曲线510是对于入射至灰色滤光镜432上方的红色滤色镜424(1)的光的作为波长的函数的透射系数。曲线520是对于入射至灰色滤光镜432上方的绿色滤色镜424(2)的光的作为波长的函数的透射系数。曲线530是对于入射至灰色滤光镜432上方的蓝色滤色镜424(3)的光的作为波长的函数的透射系数。透射系数之间的强烈失衡是明显的，其中与入射至红色滤色镜424(1)上的红光的透射系数的峰值水平514相比，入射至蓝色滤色镜424(3)上的蓝光的透射系数的峰值水平534具有显著降低532。峰值水平534仅大约是峰值水平514的35％。入射至绿色滤色镜424(2)上的绿光的透射系数的峰值水平524大约是峰值水平514的75％。这些失衡主要由灰色滤光镜432的透射系数是波长依赖引起的。像大多数材料的例子一样，灰色滤光镜相比于较长波长的光更加强烈地衰减较短波长的光。由于每个灰色滤光镜432具有相同的厚度436，不管哪个滤色镜在灰色滤光镜432上方，动态范围扩展层432以波长依赖的方式影响入射到红色滤色镜424(1)、绿色滤色镜424(2)和蓝色滤色镜424(3)上的光的透射，其导致曲线图500中明显的颜色失衡。
图6是对于三种不同厚度的灰色滤光镜132的HDR彩色图像传感器100的灰色滤光镜132的一个实施例的透射系数的曲线图600。曲线610是对于入射至此实施例的具有0.4微米的厚度的灰色滤光镜132上的光的作为波长的函数的透射系数。曲线620是对于入射至此实施例的具有0.5微米的厚度的灰色滤光镜132上的光的作为波长的函数的透射系数。曲线630是对于入射至此实施例的具有0.6微米的厚度的灰色滤光镜132上的光的作为波长的函数的透射系数。曲线610、620和630的每个示出波长依赖的透射系数，透射系数随波长的增加而增加。
图7是对于HDR彩色图像传感器100的滤色镜124(1)、124(2)和124(3)的一些实施例的透射系数的曲线图700，其中滤色镜124(1)透射红光，滤色镜124(2)透射绿光，滤色镜124(3)透射蓝光。曲线710是对于此实施例的滤色镜424(1)的作为波长的函数的透射系数。曲线720是对于入射至此实施例的滤色镜124(2)上的光的作为波长的函数的透射系数。曲线730是对于入射至此实施例的滤色镜124(3)上的光的作为波长的函数的透射系数。曲线图700证实了在没有灰色滤光镜132的情况下的良好的颜色平衡。然而，如果滤色镜124(1)、124(2)和124(3)与每个具有相同的厚度的灰色滤光镜132组合(如HDR彩色图像传感器400中的例子)，产生曲线图500的颜色失衡。
图8示出实施不同厚度的灰色滤光镜的一个示例性HDR彩色图像传感器800。HDR彩色图像传感器800是HDR彩色图像传感器100的实施例。HDR彩色图像传感器800实施不同厚度的灰色滤光镜132以补偿灰色滤光镜132的材料的波长依赖的透射。HDR彩色图像传感器800呈现HDR彩色图像传感器400的改进。HDR彩色图像传感器800包括分别是滤色镜层120和动态范围扩展层130的实施例的滤色镜层820和动态范围扩展层830。动态范围扩展层830在滤色镜层820上方形成。如下将参考图14和16A-D进一步详细讨论的，具有沉积在滤色镜层820上方的动态范围扩展层830的HDR彩色图像传感器800的配置使能使用单个光刻沉积步骤形成不同厚度的灰色滤光镜。相反，如果HDR彩色图像传感器400的灰色滤光镜432将要使用光刻沉积方法被制造成不同厚度，对于每个不同的厚度可能需要分离的光刻沉积步骤。
滤色镜层820包括透射红光的红色滤色镜824(1)、透射绿光的绿色滤色镜824(2)和透射蓝光的蓝色滤色镜824(3)。滤色镜824(1)、824(2)和824(3)分别是滤色镜124(1)、124(2)和124(3)的实施例。动态范围扩展层830包括分别布置在多个像素114之上的多个灰色滤光镜832。灰色滤光镜832是灰色滤光镜132的实施例。布置在红色滤色镜824(1)之上的灰色滤光镜832具有厚度836(1)。布置在绿色滤色镜824(2)之上的灰色滤光镜832具有厚度836(2)。布置在蓝色滤色镜824(3)之上的灰色滤光镜具有厚度836(3)。厚度836(1)超过厚度836(2)且厚度836(2)超过厚度836(3)，以补偿为波长的递增函数(参见图6)的灰色滤光镜832的透射系数。通过厚度836(1)、836(2)和836(3)的差异，HDR彩色图像传感器800在受益于由灰色滤光镜832提供的扩展的动态范围的同时可以实现满意的颜色平衡。
滤色镜824(1)、824(2)和824(3)具有各自的厚度826(1)、826(2)和826(3)，其用于与厚度836(1)、836(2)和836(3)组合以保证对于所有灰色滤光镜832从光接收表面118至背对硅基板110的灰色滤光镜832的表面之间的一致距离840。因此，厚度826(1)比厚度826(2)小，厚度826(2)转而小于厚度826(3)，以便(a)厚度826(1)和836(1)加合为厚度840，(b)厚度826(2)和836(2)加合为厚度840，(c)厚度826(3)和836(3)加合为厚度840。由于厚度826(1)、826(2)和826(3)的差异，滤色镜层820的表面828不是平面的，而是包括在垂直于光接收表面118的方向中相对于彼此偏移的几个不同的平面表面。表面828是表面128的实施例。
厚度836(1)、836(2)和836(3)可以在0.3微米和0.8微米之间的范围内。在一个实施例中，厚度836(1)在从0.55微米至0.65微米的范围内，厚度836(2)在从0.45微米至0.55微米的范围内，厚度836(3)在从0.35微米至0.45微米的范围内，厚度826(1)在从0.65微米至0.75微米的范围内，厚度826(2)在从0.75微米至0.85微米的范围内，且厚度826(3)在从0.85微米至0.95微米的范围内。这些厚度协作以适当补偿灰色滤光镜832的波长依赖的透射，同时在灰色滤光镜832内将入射至灰色滤光镜832的光衰减95％或更多。在一些实施例中，对于不同类型的滤色镜824(例如滤色镜824(1)、824(2)和824(3))灰色滤光镜832和滤色镜层820的组合透射系数偏离不超过40％，以便透射系数峰值水平的最低值至少为透射峰值水平的最高值的60％。
在实施例中，每个滤色镜824(1)、824(2)和824(3)与相邻滤色镜824(1)、824(2)和/或824(3)直接接触。在此实施例中，滤色镜层820可以由824(1)、824(2)和824(3)构成。在实施例中，动态范围扩展层830包括灰色滤光镜832之间的间隙中的材料838，以便动态范围扩展层830形成背对硅基板110的连续平面表面839。在此实施例中，滤色镜层820和动态范围扩展层830的组合厚度跨感光像素阵列112是一致的，并等于距离840。材料838至少在滤色镜824(1)、824(2)和824(3)的透射带内是比灰色滤光镜832更加光透射的。在一个示例中，材料838是基本透明的材料。在另一示例中，材料838的透射系数比灰色滤光镜832的透射系数至少大20的因子(对于相等厚度的材料838和灰色滤光镜832)。HDR彩色图像传感器800可以包括布置在表面839上的显微透镜阵列839，可选地具有布置在其之间的附加滤色镜，例如如上参考图1所讨论的附加滤色镜。
在一个实施例中，像素114和116以及滤色镜824在与光接收表面118平行的维度中根据HDR彩色图像传感器200的配置被布置。在另一实施例中，像素114和116以及滤色镜824在与光接收表面118平行的维度中根据HDR彩色图像传感器300的配置被布置。
在实施例中，HDR彩色图像传感器800包括在每个像素114上方形成各自光限制孔径817的孔径栅格815。孔径栅格815的功能与孔径栅格215和315相似，且HDR彩色图像传感器800可以实施被配置为孔径栅格215或315的孔径栅格815。
尽管未示于图8中，在不脱离其范围的情况下，HDR彩色图像传感器800可以包括每对邻近的像素114/116之间的光无效区域，以便像素114/116不与另一像素114/116直接接触。像素114/116的截面可以是方形的、非方矩形的或者八边形的，例如如上参考图2A至3B所讨论的。在不脱离其范围的情况下，HDR彩色图像传感器800可以被配置有比示于图8中更多的像素114/116。例如，HDR彩色图像传感器800可以包括数百万或者数千万的像素114和像素116。类似地，可以应用其他滤色镜方案，例如如上参考图1所讨论的那些。
图9是HDR彩色图像传感器800的一个实施例的灰色滤光镜832和滤色镜层820的透射系数的曲线图900。在此实施例中，(a)滤色镜824(1)、824(2)和824(3)分别透射红光、绿光和蓝光，厚度836(1)为0.6微米，厚度836(2)为0.5微米，厚度836(3)为0.4微米，厚度826(1)为0.7微米，厚度826(2)为0.8微米，且厚度826(3)为0.9微米。
曲线910是对于入射至红色滤色镜824(1)上方的灰色滤光镜832上的光的作为波长的函数的透射系数。曲线920是对于入射至绿色滤色镜824(2)上方的灰色滤光镜832上的光的作为波长的函数的透射系数。曲线930是对于入射至蓝色滤色镜824(3)上方的灰色滤光镜832上的光的作为波长的函数的透射系数。与示于曲线图500中的HDR彩色图像传感器400的透射系数相比，曲线图900示出显著改进的颜色平衡。与绿色滤色镜824(2)相关的曲线920展示透射系数的最高峰值水平924。与蓝色滤色镜824(3)相关的曲线930的峰值水平934大约是峰值水平924的85％。与红色滤色镜824(1)相关的曲线910的峰值水平914大约是峰值水平924的70％。
图10是对于被材料838占领的动态范围扩展层830的区域，形成图9的基础的HDR彩色图像传感器800的相同实施例的滤色镜层820和动态范围扩展层830的作为波长的函数的透射系数的曲线图100。在此实施例中，材料838是基本透明的。
曲线1010是对于入射至红色滤色镜824(1)上方的材料838上的光的作为波长的函数的透射系数。曲线1020是对于入射至绿色滤色镜824(2)上方的材料838上的光的作为波长的函数的透射系数。曲线1030是对于入射至蓝色滤色镜824(3)上方的材料838上的光的作为波长的函数的透射系数。曲线1010、1020、1030和曲线910、920、930的比较示出对入射至灰色滤光镜832和材料838上的光的非常相似的颜色响应。曲线图900和1000一起示例性示出HDR彩色图像传感器800的优秀的颜色响应，没有由灰色滤光镜832引起的显著的颜色失真。
为比较，曲线图1000还示出曲线1012和1032。曲线1012是对于滤色镜824(1)和824(3)的0.8微米厚度版本(即与滤色镜824(2)是相同厚度)的作为波长的函数的透射系数。曲线图1000示出，在存在具有各种厚度836的灰色滤光镜832的情况下，保持滤色镜层820和动态范围扩展层830的一致组合厚度所需的厚度改变最小化影响滤色镜824(1)和824(3)的透射系数。
在不脱离其范围的情况下，可以调整滤色镜824(1)、824(2)和824(3)的一个或多个的构成以补偿不同厚度826(1)、826(2)和826(3)对示于图10的透射系数的影响，以降低或消除曲线1010和1030分别与曲线1012和1032的偏离。
图11是对于HDR彩色图像传感器400的滤色镜层420和动态范围扩展层430的测量的透射系数的曲线图1100，其中滤色镜层420的厚度426是0.8微米且动态范围扩展层430的厚度436是0.5微米。曲线1110是对于入射至灰色滤光镜432上方的红色滤色镜424(1)上的光的作为波长的函数的测量的透射系数。曲线1120是对于入射至灰色滤光镜432上方的绿色滤色镜424(2)上的光的作为波长的函数的测量的透射系数。曲线1130是对于入射至灰色滤光镜432上方的蓝色滤色镜424(3)上的光的作为波长的函数的测量的透射系数。透射系数之间的强烈失衡是明显的，特别是与入射至红色滤色镜424(1)上的红光的透射系数的峰值水平1114相比，入射至蓝色滤色镜424(3)上的蓝光的透射系数的峰值水平1134具有显著降低1132。
图12是对于HDR彩色图像传感器800的一个实施例的灰色滤光镜832和滤色镜层820的测量的透射系数的曲线图1200。在此实施例中，(a)滤色镜824(1)、824(2)和824(3)分别透射红光、绿光和蓝光，厚度836(1)为0.6微米，厚度836(2)为0.5微米，厚度836(3)为0.4微米，厚度826(1)为0.7微米，厚度826(2)为0.8微米，且厚度826(3)为0.9微米。
曲线1210是对于入射至红色滤色镜824(1)上方的灰色滤光镜832上的光的作为波长的函数的测量的透射系数。曲线1220是对于入射至绿色滤色镜824(2)上方的灰色滤光镜832上的光的作为波长的函数的测量的透射系数。曲线1230是对于入射至蓝色滤色镜824(3)上方的灰色滤光镜832上的光的作为波长的函数的测量的透射系数。与示于曲线图1100中的对于HDR彩色图像传感器400的测量的透射系数相比，曲线图1200示出显著改善的颜色平衡。与绿色滤色镜824(2)相关的曲线1220展示透射系数的最高峰值水平1224。与蓝色滤色镜824(3)相关的曲线1230的峰值水平1234大约是峰值水平1224的80％。与红色滤色镜824(1)相关的曲线1210的峰值水平1214大约是峰值水平1224的65％。
图13示出用于生成高动态范围图像的一个示例性方法1300。方法1300可以由HDR彩色图像传感器100执行。方法1300的一些实施例可以由HDR彩色图像传感器800执行。
在步骤1310中，方法1300部分地吸收从场景朝感光像素阵列的多个第一像素传播的第一光，以相比于从场景朝感光像素阵列的多个第二像素传播的第二光衰减第一光。在步骤1310的一个示例中，动态范围扩展层130的灰色滤光镜132衰减从场景192朝感光像素阵列112的像素114传播的光150'。
后续步骤1320对第一光进行谱滤波以在第一像素处的感光像素阵列上形成场景的衰减的彩色图像。在步骤1320的一个示例中，滤色镜层120的滤色镜124对光150'进行谱滤波以在像素114处在感光像素阵列112上形成场景192的衰减的彩色图像。步骤1330对第二光进行谱滤波以在第二像素处的感光像素阵列上形成场景的较亮的彩色图像。在步骤1330的一个示例中，滤色镜层120的滤色镜124对光150进行谱滤波以在像素116处的感光像素阵列112上形成场景192的较亮的图像。由于灰色滤光镜132相比于光150衰减光150'，步骤1330中在像素116上形成的图像比步骤1320中在像素114上形成的图像更亮。
在实施例中，步骤1320包括步骤1322，且步骤1330包括步骤1332。步骤1322将多个颜色分量的每个选择性透射至多个第一像素的各自的子集。步骤1332将颜色分量的每个选择性透射至多个第二像素的各自的子集。在步骤1322和1332的一个示例中，滤色镜124(1)选择性透射光150和150'的红色分量，滤色镜124(2)选择性透射光150和150'的绿色分量，且滤色镜124(3)选择性透射光150和150'的蓝色分量，例如，使用与图7中绘制的那些相似的透射系数。
步骤1310可以包括在相同类型的灰色材料中部分地吸收多个颜色分量的步骤1312。在步骤1312的一个示例中，不管哪种类型的滤色镜124位于其下方，动态范围扩展层130的所有灰色滤光镜132由相同的材料制成。在一些实施例中，灰色材料的厚度对于不同颜色分量是不同的，以补偿材料的波长依赖的透射。在实施具有这样不同厚度的灰色滤光镜的步骤1312的步骤1310的一个示例中，动态范围扩展层830的灰色滤光镜832衰减从场景192朝HDR彩色图像传感器800的感光像素阵列112的像素114传播的光150'。在此示例中，位于红色滤色镜824(1)上方的灰色滤光镜832具有厚度836(1)，位于绿色滤色镜824(2)上方的灰色滤光镜832具有厚度836(2)，位于蓝色滤色镜824(3)上方的灰色滤光镜832具有厚度836(3)，其中，厚度836(1)超过厚度836(2)，厚度836(2)转而超过厚度836(3)。
在包括具有不同厚度的灰色材料的步骤1312的方法1300的实施例中，步骤1322可以包括步骤1324且步骤1332可以包括步骤1334。步骤1324使用具有与灰色材料的对应厚度协作的厚度的各自的滤色镜以保证滤色镜和灰色材料的跨感光像素阵列的一致的组合厚度。相似地，步骤1334使用具有与灰色材料的对应厚度协作的厚度的各自的滤色镜以保证滤色镜和灰色材料跨感光像素阵列的一致的组合厚度。在实施步骤1324和1334的方法1300的一个示例中，滤色镜层820的滤色镜824(1)、824(2)和824(3)具有不同的各自的厚度826(1)、826(2)和826(3)以实现动态范围扩展层830和滤色镜层820的跨HDR彩色图像传感器800中感光像素阵列112的一致的组合厚度840。在此示例中，厚度826(1)小于厚度826(2)，厚度826(2)转而小于厚度826(3)。
可选地，方法1300可以包括通过相比于第二像素，几何限制第一像素的每个的有效区域，进一步衰减衰减的彩色图像的步骤1340。在步骤1340的一个示例中，孔径栅格215、315或815通过将这样的光的透射限制至各自的光限制孔径217、317或817来阻挡朝像素114传播的光的部分，光限制孔径217、317或817的每个具有小于像素114的对应实施例的截面。
方法1300还可以包括从感光像素阵列读取HDR图像的步骤1350。HDR图像包括(a)由第一光在第一像素上形成的较低敏感度的图像和(b)由第二光在第二像素上形成的较高敏感度的图像。在步骤1350的一个示例中，与感光像素阵列112相关的读取电路读取包括(a)由光150'在像素114上形成的较低敏感度的图像和(b)由光150在像素116上形成的较高敏感度的图像的HDR图像。
图14示出用于制造HDR彩色图像传感器的一个示例性方法1400。例如，方法1400用于制造HDR彩色图像传感器100。方法1400的一些实施例可以用于制造HDR彩色图像传感器800，其中在单个光刻工艺步骤中形成灰色滤光镜832。图15A-C和16A-D示例性示出方法1400的一个实施例的一些步骤。最好一起查看图14、15A-C和16A-D。
步骤1410在具有感光像素阵列的硅基板上沉积滤色镜层，感光像素阵列具有多个第一像素和多个第二像素。在一个示例中，步骤1410在硅基板110的光接收表面上沉积滤色镜层120。在另一示例中，步骤1410在硅基板110上沉积滤色镜层820。步骤1410包括步骤1412和1414。步骤1412在多个第一像素的第一子集和多个第二像素的第一子集的上方形成多个第一滤色镜。在一个示例中，步骤1412在像素114的第一子集上方和像素116的第一子集上方的硅基板110的光接收表面118上形成滤色镜124(1)。在另一示例中，步骤1412在像素114的第一子集上方和像素116的第一子集上方的硅基板110的光接收表面118上形成红色滤色镜824(1)。步骤1414在多个第一像素的第二子集和多个第二像素的第二子集的上方形成多个第二滤色镜。在一个示例中，步骤1414在像素114的第二子集上方和像素116的第二子集上方的硅基板110的光接收表面118上形成滤色镜124(2)。在另一示例中，方法1414在像素114的第二子集上方和像素116的第二子集上方的硅基板110的光接收表面118上形成绿色滤色镜824(2)。可选地，步骤1410还包括在多个第一像素的第三子集和多个第二像素的第三子集上方形成多个第三滤色镜的步骤1416。在一个示例中，步骤1416在像素114的第三子集上方和像素116的第三子集上方的硅基板110的光接收表面118上形成滤色镜124(3)。在另一示例中，步骤1416在像素114的第三子集上方和像素116的第三子集上方的硅基板110的光接收表面118上形成蓝色滤色镜824(3)。
图15A-C示出与滤色镜层820的形成有关的步骤1410的一个示例，其中滤色镜824(1)、824(2)和824(3)顺序地在硅基板110的光接收表面118上形成。在示于图15A中的第一子步骤中，在像素114和116的第一子集上方的硅基板110的光接收表面118上例如使用本领域中已知的方法光刻形成红色滤色镜824(1)。在示于图15B的第二子步骤中，在像素114和116的第二子集上方的光接收表面上例如使用本领域中已知的方法光刻形成绿色滤色镜824(2)。在示于图15C的第三子步骤中，在像素114和116的第三子集上方的光接收表面上例如使用本领域中已知的方法光刻形成蓝色滤色镜824(3)。示于图15A-C的子步骤顺序执行而不是同时执行，原因是使用不同的材料形成三种不同类型的滤色镜824(1)、824(2)和824(3)。为避免混合这些不同材料，在滤色镜824(1)、824(2)和824(3)的一种类型的形成之后、在进行滤色镜824(1)、824(2)和824(3)的下一类型的形成之前，移除过量的滤色镜材料。例如，示于图15A的步骤包括(a)在光接收表面118上沉积对红色滤色镜824(1)的形成特定的光阻材料，(b)在特定像素114和116上方显影(develop)光阻材料以在预期位置中形成红色滤色镜824(1)，(c)从其他像素114和116上方的区域中移除未显影的光阻材料，以及可选地包括(d)烘烤显影的光阻材料以完成红色滤色镜824(1)的固化。这些工艺步骤在进行至图15B的工艺步骤之前完成。
在一些实施例中，例如在图15A-C中所示例性示出的，步骤1410实施形成滤色镜以便动态范围扩展层(在后续步骤1420中形成)和滤色镜层的组合厚度跨感光像素阵列是一致的的步骤1418。在示于图15A-C的示例中，红色滤色镜824(1)、绿色滤色镜824(2)和蓝色滤色镜824(3)被形成为具有不同的各自的厚度826(1)、826(2)和826(3)。
在不脱离其范围的情况下，步骤1410可以包括沉积一种或多种附加类型的滤色镜的一个或多个附加步骤。
可选地，在硅基板上形成孔径栅格的步骤1402先于步骤1410。此孔径栅格用于阻挡朝第二像素传播的光的部分以进一步扩展动态范围。在步骤1402的一个示例中，在硅基板110的光接收表面118上形成孔径栅格215、315或815。
步骤1420在步骤1410中形成的滤色镜层上沉积动态范围扩展层，动态范围扩展层包括第二像素上方的灰色滤光镜以衰减朝第二像素传播的光。在一个示例中，步骤1420在滤色镜层120上沉积动态范围扩展层130。在另一示例中，步骤1420在滤色镜层820上沉积动态范围扩展层830。步骤1420包括由比第一滤色镜的透射带中的光更加强烈地衰减第二滤色镜的透射带中的光的材料形成灰色滤光镜的步骤1422。在包括步骤1416和步骤1422的方法1400的实施例中，由比第二滤色镜的透射带中的光更加强烈地衰减第三滤色镜的透射带中的光的材料形成灰色滤光镜。在实施步骤1422的步骤1420的一个示例中，由具有与示于图6的那些相似的透射特性的材料形成灰色滤光镜132或832。
包括步骤1422的步骤1420的实施例还可以包括形成具有补偿步骤1422的波长依赖的透射的厚度的灰色滤光镜的步骤1424。在一个示例中，步骤1420实施步骤1422和1424以形成具有不同的各自的厚度826(1)、826(2)和826(3)的滤色镜824(1)、824(2)和824(3)以补偿为波长的递增函数的透射系数。
在实施例中，步骤1420包括步骤1426、1427和1428。步骤1420可以将步骤1426、1427、1248与步骤1422、1424组合。步骤1426由普通的光阻树脂在第二像素的每个的上方光刻形成灰色滤光镜。在一个示例中，步骤1426在滤色镜层120上光刻形成灰色滤光镜132。在另一示例中，步骤1426在滤色镜层820上光刻形成灰色滤光镜832。步骤1427使用基本透明的材料填充步骤1426中形成的灰色滤光镜之间的间隙，以便灰色滤光镜和基本透明的材料协作以形成跨感光像素阵列的中间层。在一个示例中，步骤1427在灰色滤光镜132之间的滤色镜层120上并可选地在灰色滤光镜132的至少一些的上方沉积基本透明的材料，以形成跨感光像素阵列112的中间层。在另一示例中，步骤1427在灰色滤光镜832之间的滤色镜层820上并可选地在灰色滤光镜832的至少一些的上方沉积基本透明的材料，以形成跨感光像素阵列112的中间层。步骤1428使中间层平面化，以形成动态范围扩展层。在一个示例中，步骤1428使步骤1427中形成的中间层平面化，以形成滤色镜层120上方的动态范围扩展层130。在另一示例中，步骤1428使步骤1427中形成的中间层平面化，以形成滤色镜层820上方的动态范围扩展层830。
图16A-D示出与动态范围扩展层830的形成有关的步骤1420的一个示例，其中不同厚度836(1)、836(2)和836(3)的灰色滤光镜832通过单个光刻沉积步骤形成。由于下方的滤色镜824(1)、824(2)和824(3)的厚度具有用于补偿灰色滤光镜832的不同厚度836(1)、836(2)和836(3)的厚度826(1)、826(2)和826(3)，步骤1420的此示例可以使用单个光刻沉积步骤形成不同厚度836(1)、836(2)和836(3)的灰色滤光镜832，同时实现产生的动态范围扩展层830的背对硅基板110的平面连续的表面839。首先，在步骤1426中，所有灰色滤光镜832被形成为具有基本相同的厚度。然而，步骤1428中执行的平面化既(a)使动态范围扩展层830平面化，又(b)将灰色滤光镜832的厚度修改至最终厚度836(1)、836(2)和836(3)。因此，在步骤1410中沉积的各自的滤色镜824(1)、824(2)和824(3)的厚度826(1)、826(2)和826(3)的适当设计与步骤1428中的平面化协作以使能在步骤1426中通过单个光刻工艺形成具有不同厚度836(1)、836(2)和836(3)的灰色滤光镜832。这是可能的，因为动态范围扩展层830在滤色镜层820之后且在滤色镜层820的上方形成，而非在滤色镜层820之前且在滤色镜层的下方形成。
图16A和16B示出步骤1426的一个示例。如图16A中所示，光阻树脂1602沉积在滤色镜层820上，可选地延伸超越滤色镜层820至硅基板110的暴露表面。光阻树脂1602通过掩模1606被暴露于光1604(参见图16A)以在每个像素114上方的滤色镜层820上显影灰色材料的柱1612(参见图16B)。在不脱离其范围的情况下，步骤1426可以使用正的或负的光阻材料。由于每个柱1612由曝光于基本相同量的光1604形成，每个柱1612具有基本相同的厚度1614。
图16C和16D示出步骤1427和1428的一个示例。在此示例中，步骤1427将基本透明材料1622沉积在柱1612之上以填充柱1612之间的间隙(参见图16C)，且步骤1428在位于光接收表面118上方的距离840处的表面1624(参见图16C)处使材料1622和柱1612平面化。根据示于图16C的示例，示于图16D中的步骤1428的结果是包括材料838的HDR彩色图像传感器800的实施例。
尽管未示于图14-16C中，方法1400可以包括在动态范围扩展层130或830上形成显微透镜阵列140的步骤。在不脱离其范围的情况下，基本透明的材料1622可以由不透明但仍比灰色滤光镜132或832更加光透射性的材料代替。此外，在不脱离其范围的情况下，步骤1400可以以晶元级执行，以平行地制造多个(例如数百个或数千个)HDR彩色图像传感器100或800。方法1400是容易地可扩展到其他滤色镜方案的，例如如上参考图1所讨论的那些，并可以应用至各种像素配置，例如如上参考图1、2A、2B、3A和3B所讨论的那些。
特征组合
在不脱离其范围的情况下，如上描述的以及如下请求的特征可以以各种方式组合。例如，应该意识到，在此描述的一个HDR彩色图像传感器或相关的系统或方法的方面可以包含或替换为在此讨论的另一HDR彩色图像传感器或相关的系统或方法的特征。以下示例示出上述实施例的可能的、非限制性的组合。应该清楚的是，在不脱离本发明的精神的范围的情况下，在此可以对方法和装置做出许多其他改变和修改：
(A1)高动态范围彩色图像传感器可以包括(a)包括具有多个第一像素和多个第二像素的感光像素阵列的硅基板，(b)布置在硅基板上并至少包括(i)位于多个第一像素的第一子集和多个第二像素的第一子集的上方并用于选择性透射第一颜色范围的光的多个第一滤色镜和(ii)位于多个第一像素的第二子集和多个第二像素的第二子集的上方并用于选择性透射第二颜色范围的光的多个第二滤色镜的滤色镜层，以及(c)布置在滤色镜层上并包括布置在多个第二像素的上方以衰减朝多个第二像素传播的光的灰色滤光镜的动态范围扩展层。
(A2)在如(A1)表示的高动态范围彩色图像传感器中，第一子集可以与第二子集不具有重叠。
(A3)在如(A1)和(A2)表示的高动态范围彩色图像传感器的一个或两个中，第一像素可以形成高敏感度像素阵列，用于与所述滤色镜层协作以捕获场景的高敏感度图像，第二像素可以与灰色滤光镜协作以形成与高敏感度像素阵列交错的低敏感度像素阵列，用于与滤色镜层协作以捕获场景的低敏感度图像。
(A4)在如(A1)至(A3)表示的高动态范围彩色图像传感器的任一个中，第一滤色镜可以布置为多个第一部分，第二滤色镜可以布置为多个第二部分，第一部分的每个可以位于相应一个第一像素和邻近的相应一个第二像素的上方，且第二部分的每个可以位于另一相应一个第一像素和另一邻近的相应一个第二像素的上方。
(A5)在如(A1)至(A4)表示的高动态范围彩色图像传感器的任一个中，第二滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度可以小于第一滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度，以比在第一颜色范围内更大地在第二颜色范围内补偿灰色滤光镜的材料的衰减。
(A6)在如(A5)表示的高动态范围彩色图像传感器中，滤色镜层和动态范围扩展层的组合的厚度跨感光像素阵列可以是一致的。
(A7)在如(A5)和(A6)表示的高动态范围彩色图像传感器的一个或全部中，动态范围扩展层可以包括第一像素的每个的上方的基本透明的材料。
(A8)在如(A5)至(A7)表示的高动态范围彩色图像传感器的任一个中，滤色镜层还可以包括位于多个第一像素的第三子集和多个第二像素的第三子集上方并用于选择性透射第三颜色范围的光的多个第三滤色镜，其中第三滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度小于第二滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度，以比在第二颜色范围内更大地在第三颜色范围内补偿灰色滤光镜的材料的衰减。
(A9)在如(A8)表示的高动态范围彩色图像传感器中，第一颜色范围可以包括可见光谱的红色部分，第二颜色范围可以包括可见光谱的绿色部分，以及第三颜色范围可以包括可见光谱的蓝色部分。
(A10)在如(A8)和(A9)表示的高动态范围彩色图像传感器的一个或全部中，穿过滤色镜层和动态范围扩展层透射至第二像素的光可以具有对于第一滤色镜的第一峰值、对于第二滤色镜的第二峰值和对于第三滤色镜的第三峰值，其中，第一峰值、第二峰值和第三峰值中的每个至少是第一峰值、第二峰值和第三峰值中的最大值的60％。
(A11)在如(A8)至(A10)表示的高动态范围彩色图像传感器的任一个中，第一滤色镜的厚度可以在0.65微米和0.75微米之间的范围内，第二滤色镜的厚度可以在0.75微米和0.85微米之间的范围内，第三滤色镜的厚度可以在0.85微米和0.95微米之间的范围内，灰色滤光镜的厚度可以在0.3微米和0.8微米之间的范围内，以及滤色镜层和动态范围扩展层的组合的厚度跨感光像素阵列可以是一致的。
(A12)在如(A1)至(A11)表示的高动态范围彩色图像传感器的任一个中，第一像素可以具有比第二像素更大的横向尺寸以进一步扩展动态范围。
(A13)如(A1)至(A12)表示的高动态范围彩色图像传感器的任一个还可以包括布置在硅基板上的金属栅格，用于阻挡朝第二像素传播的光的部分以进一步扩展动态范围。
(B1)用于制造高动态范围彩色图像传感器的方法，可以包括(a)在具有感光像素阵列的硅基板上沉积滤色镜层，感光像素阵列具有多个第一像素和多个第二像素，其中所述沉积包括至少形成(i)多个第一像素的第一子集和多个第二像素的第一子集的上方的多个第一滤色镜，和(b)多个第一像素的第二子集和多个第二像素的第二子集的上方的多个第二滤色镜，且其中第二滤色镜的厚度超过第一滤色镜的厚度，(b)在滤色镜层上沉积动态范围扩展层，动态范围扩展层包括第二像素上方的灰色滤光镜以衰减朝第二像素传播的光，其中，滤色镜层和动态范围扩展层的组合的厚度跨感光像素阵列是一致的，以便第二滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度小于第一滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度，以比在第一滤色镜的透射带内更大地在第二滤色镜的透射带内补偿灰色滤光镜的材料的衰减。
(B2)在如(B1)表示的方法中，第一子集可以与第二子集不具有重叠。
(B3)在如(B1)和(B2)表示的方法的一个或全部中，沉积动态范围扩展层的步骤可以包括(A)由普通树脂在第二像素的每个的上方光刻形成灰色滤光镜，(B)使用基本透明的材料填充灰色滤光镜之间的间隙，以便灰色滤光镜和基本透明的材料协作以形成跨感光像素阵列的中间层，以及(C)使中间层平面化以形成动态范围扩展层。
(B4)在如(B3)表示的方法中，光刻形成灰色滤光镜的步骤可以包括在所述平面化的步骤之前，在所有小像素的上方将灰色滤光镜形成为基本相同的第一厚度。
(B5)在如(B1)至(B4)表示的方法的任一个中，沉积滤色镜层的步骤可以包括形成具有比第一滤色镜的厚度至少大0.1微米的厚度的第二滤色镜。
(B6)如(B1)至(B5)表示的方法的任一个还可以包括(1)在沉积滤色镜层的步骤中，在包括第一像素的第三子集和第二像素的第三子集的感光像素阵列的第三子集的上方形成多个第三滤色镜，其中第三滤色镜的厚度超过第二滤色镜的厚度，以及(2)在沉积动态范围扩展层的步骤中，在位于第三滤色镜下方的第二像素的上方形成灰色滤光镜，以便第三滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度小于第二滤光镜上方的灰色滤光镜的厚度，以比在第二滤色镜的透射带内更大地在第三滤色镜的透射带内补偿灰色滤光镜的材料的衰减。
(B7)如(B1)至(B6)表示的方法的任一个还可以包括在硅基板上形成栅格，其中栅格用于阻挡朝第二像素传播的光的部分，以进一步扩展动态范围。
(B8)在如(B1)至(B7)表示的方法的任一个中，第二像素比第一像素小，以进一步扩展动态范围。
(C1)用于生成高动态范围图像的方法，可以包括(a)部分地吸收从场景朝感光像素阵列的多个第一像素传播的第一光，以相比于从场景朝感光像素阵列的多个第二像素传播的第二光衰减第一光，其中多个第二像素与多个第一像素交错，以及(b)在部分地吸收的步骤之后，对第一光进行谱滤波以在第一像素处的感光像素阵列上形成场景的衰减的彩色图像，并对第二光进行谱滤波以在第二像素处的感光像素阵列上形成场景的较亮的彩色图像。
(C2)在如(C1)表示的方法中，部分地吸收的步骤可以包括在相同类型的灰色材料中部分地吸收多个颜色分量，其中，灰色材料的厚度对于颜色分量的每个是不同的，以补偿材料的波长依赖的透射。
(C3)在如(C2)表示的方法中，谱滤波的步骤可以包括通过具有与灰色材料的对应厚度协作的厚度的各自的滤色镜，将颜色分量的每个选择性透射至多个第一像素的各自的子集和多个第二像素的各自的子集，以保证跨感光像素阵列的滤色镜和灰色材料的一致的组合厚度。
(C4)如(C1)至(C3)表示的方法的任一个还可以包括相比于第二像素，通过几何限制第一像素的每个的有效区域进一步衰减衰减的彩色图像。
在不脱离其范围的情况下，可以对上述系统和方法做出改变。因此，应该注意的是，在上述描述中包含的或在附图中示出的方式，应该被理解为说明性的且不具有限制意义。所附权利要求旨在覆盖在此描述的所有共用和特定特征，以及本方法和本系统的范围的在语言上的所有声明应被认为落入其间。

Claims (25)

1.一种高动态范围彩色图像传感器，包括：
硅基板，包括具有多个第一像素和多个第二像素的感光像素阵列；
滤色镜层，布置在所述硅基板上，并至少包括(a)位于所述多个第一像素的第一子集和所述多个第二像素的第一子集的上方并用于选择性透射第一颜色范围的光的多个第一滤色镜，以及(b)位于所述多个第一像素的第二子集和所述多个第二像素的第二子集的上方并用于选择性透射第二颜色范围的光的多个第二滤色镜；以及
动态范围扩展层，布置在所述滤色镜层上并包括布置在所述多个第二像素的上方以衰减朝所述多个第二像素传播的光的灰色滤光镜。
2.根据权利要求1所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一子集与所述第二子集不具有重叠。
3.根据权利要求1所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一像素形成高敏感度像素阵列，用于与所述滤色镜层协作以捕获场景的高敏感度图像，所述第二像素与所述灰色滤光镜协作以形成与所述高敏感度像素阵列交错的低敏感度像素阵列，用于与所述滤色镜层协作以捕获场景的低敏感度图像。
4.根据权利要求3所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一滤色镜布置为多个第一部分，所述第二滤色镜布置为多个第二部分，所述第一部分的每个位于相应一个第一像素和邻近的相应一个第二像素的上方，且所述第二部分的每个位于另一相应一个第一像素和另一邻近的相应一个第二像素的上方。
5.根据权利要求1所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第二滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度小于所述第一滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度，以比在所述第一颜色范围内更大地在所述第二颜色范围内补偿灰色滤光镜的材料的衰减。
6.根据权利要求5所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述滤色镜层和所述动态范围扩展层的组合的厚度跨所述感光像素阵列是一致的。
7.根据权利要求6所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述动态范围扩展层包括所述第一像素的每个的上方的基本透明的材料。
8.根据权利要求5所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述滤色镜层还包括位于所述多个第一像素的第三子集和所述多个第二像素的第三子集的上方并用于选择性透射第三颜色范围的光的多个第三滤色镜，所述第三滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度小于所述第二滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度，以比在所述第二颜色范围内更大地在所述第三颜色范围内补偿灰色滤光镜的材料的衰减。
9.根据权利要求8所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一颜色范围包括可见光谱的红色部分，所述第二颜色范围包括所述可见光谱的绿色部分，以及所述第三颜色范围包括所述可见光谱的蓝色部分。
10.根据权利要求9所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，穿过所述滤色镜层和所述动态范围扩展层透射至所述第二像素的光具有对于所述第一滤色镜的第一峰值、对于所述第二滤色镜的第二峰值和对于所述第三滤色镜的第三峰值，所述第一峰值、所述第二峰值和所述第三峰值中的每个至少是所述第一峰值、所述第二峰值和所述第三峰值中的最大值的60％。
11.根据权利要求9所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一滤色镜的厚度在0.65微米和0.75微米之间的范围内，所述第二滤色镜的厚度在0.75微米和0.85微米之间的范围内，所述第三滤色镜的厚度在0.85微米和0.95微米之间的范围内，所述灰色滤光镜的厚度在0.3微米和0.8微米之间的范围内，以及所述滤色镜层和所述动态范围扩展层的组合的厚度跨所述感光像素阵列是一致的。
12.根据权利要求1所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一像素具有比所述第二像素更大的横向尺寸以进一步扩展动态范围。
13.根据权利要求1所述的高动态范围彩色图像传感器，还包括布置在所述硅基板上的金属栅格，用于阻挡朝所述第二像素传播的光的部分以进一步扩展动态范围。
14.一种用于制造高动态范围彩色图像传感器的方法，包括：
在具有感光像素阵列的硅基板上沉积滤色镜层，所述感光像素阵列包括多个第一像素和多个第二像素，所述沉积包括至少形成(a)所述多个第一像素的第一子集和所述多个第二像素的第一子集的上方的多个第一滤色镜，和(b)所述多个第一像素的第二子集和所述多个第二像素的第二子集的上方的多个第二滤色镜，所述第二滤色镜的厚度超过所述第一滤色镜的厚度；以及
在所述滤色镜层上沉积动态范围扩展层，所述动态范围扩展层包括所述第二像素上方的灰色滤光镜以衰减朝所述第二像素传播的光，所述滤色镜层和所述动态范围扩展层的组合的厚度跨所述感光像素阵列是一致的，以便所述第二滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度小于所述第一滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度，以比在所述第一滤色镜的透射带中更大地在所述第二滤色镜的透射带中补偿灰色滤光镜的材料的衰减。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一子集与所述第二子集不具有重叠。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，沉积所述动态范围扩展层的步骤包括：
由普通树脂在所述第二像素的每个的上方光刻形成灰色滤光镜；
使用基本透明的材料填充所述灰色滤光镜之间的间隙，以便所述灰色滤光镜和所述基本透明的材料协作以形成跨所述感光像素阵列的中间层；以及
使所述中间层平面化以形成所述动态范围扩展层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，光刻形成所述灰色滤光镜的步骤包括：在平面化的步骤之前，在所有小像素的上方将所述灰色滤光镜形成为基本相同的第一厚度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，沉积所述滤色镜层的步骤包括：形成具有比所述第一滤色镜的厚度至少大0.1微米的厚度的第二滤色镜。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括：
在沉积所述滤色镜层的步骤中，在包括所述第一像素的第三子集和所述第二像素的第三子集的所述感光像素阵列的第三子集的上方形成多个第三滤色镜，所述第三滤色镜的厚度超过所述第二滤色镜的厚度；以及
在沉积所述动态范围扩展层的步骤中，在位于所述第三滤色镜下方的第二像素的上方形成灰色滤光镜，以便所述第三滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度小于所述第二滤光镜上方的灰色滤光镜的厚度，以比在所述第二滤色镜的透射带中更大地在所述第三滤色镜的透射带中补偿灰色滤光镜的材料的衰减。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括：在所述硅基板上形成栅格，所述栅格用于阻挡朝所述第二像素传播的光的部分，以进一步扩展动态范围。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二像素比所述第一像素小，以进一步扩展动态范围。
22.一种用于生成高动态范围图像的方法，包括：
部分地吸收从场景朝感光像素阵列的多个第一像素传播的第一光，以相比于从所述场景朝所述感光像素阵列的多个第二像素传播的第二光衰减所述第一光，所述多个第二像素与所述多个第一像素交错；以及
在所述部分地吸收之后，对所述第一光进行谱滤波以在所述第一像素处的所述感光像素阵列上形成所述场景的衰减的彩色图像，并对所述第二光进行谱滤波以在所述第二像素处的所述感光像素阵列上形成所述场景的较亮的彩色图像。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述部分地吸收包括在相同类型的灰色材料中部分地吸收多个颜色分量，所述灰色材料的厚度对于所述颜色分量的每个是不同的，以补偿材料的波长依赖的透射。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述谱滤波包括通过具有与所述灰色材料的对应厚度协作的厚度的各自的滤色镜，将所述颜色分量的每个选择性透射至所述多个第一像素的各自的子集和所述多个第二像素的各自的子集，以保证跨所述感光像素阵列的所述滤色镜和所述灰色材料的一致的组合厚度。
25.根据权利要求22所述的方法，还包括：
相比于所述第二像素，通过几何限制所述第一像素的每个的有效区域进一步衰减所述衰减的彩色图像。
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