CN110392192A - 具有带有微透镜的成像像素的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种图像传感器，所述图像传感器可以包括像素阵列。每个像素可以具有一个或多个光敏区域。入射光可以穿过微透镜和滤色器元件以到达所述一个或多个光敏区域。在一些像素中，所述微透镜可以相对于所述光敏区域偏移以考虑所述入射光的主光线角度。在一些情况下，所述微透镜可以是具有开口的环形微透镜。所述开口可以基于针对所述像素由所述滤色器元件透射的光的波长而相对于所述微透镜的中心偏移。针对给定像素由所述滤色器元件透射的光的所述波长越大，所述微透镜的所述开口可朝向所述像素阵列的中心偏移得越多。

Description

具有带有微透镜的成像像素的图像传感器
技术领域
本发明整体涉及成像设备，并且更具体地，涉及一种具有带有微透镜的成像像素的图像传感器。
背景技术
图像传感器常在电子设备，诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置中，电子设备设置有被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。阵列中的每个图像像素包括经由转移栅极耦接到浮动扩散区的光电二极管。将列电路耦接到每个像素列以用于读出来自图像像素的像素信号。
在常规的图像传感器中，每个像素可以包括相应的微透镜，以将光聚焦在该像素的光电二极管上。图像传感器中的微透镜有时可以偏移以考虑入射入射光的角度。然而，常规的图像传感器的微透镜位置不考虑下面的像素的颜色。
因此，希望提供用于图像传感器的改进的微透镜布置。
发明内容
根据本发明的一实施例，提供了一种图像传感器，包括：第一成像像素，其中所述第一成像像素包括形成在至少第一光敏区域上方的第一微透镜，其中所述第一微透镜具有第一几何中心，其中所述第一微透镜具有带有第二几何中心的第一开口，并且其中所述第一几何中心和所述第二几何中心以第一距离分开；以及第二成像像素，所述第二成像像素与所述第一成像像素相邻，其中所述第二成像像素包括形成在至少第二光敏区域上方的第二微透镜，其中所述第二微透镜具有第三几何中心，其中，所述第二微透镜具有带有第四几何中心的第二开口，并且其中所述第三几何中心和所述第四几何中心以不同于所述第一距离的第二距离分开。
根据本发明的另一实施例，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括像素阵列，其中所述像素阵列中的每个像素包括：至少一个光敏区域；滤色器，所述滤色器形成在所述至少一个光敏区域上方，其中所述滤色器被配置为透射给定类型的光；以及微透镜，所述微透镜具有开口，其中所述微透镜具有第一几何中心，并且所述开口具有第二几何中心，并且其中所述第二几何中心基于由所述滤色器透射的所述给定类型的光而相对于所述第一几何中心偏移。
根据本发明的又一实施例，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括带有中心的像素阵列，其中所述像素阵列包括：第一成像像素和第二成像像素。所述第一成像像素具有第一几何中心并包括：至少第一光敏区域；第一滤色器元件，所述第一滤色器元件形成在所述至少第一光敏区域上方，以使第一波长的光通过；以及第一环形微透镜，所述第一环形微透镜形成在所述第一滤色器元件上方，其中所述第一环形微透镜具有带有第二几何中心的第一开口，所述第二几何中心远离所述第一几何中心而朝向所述像素阵列的所述中心偏移了第一距离。第二成像像素，所述第二成像像素具有第三几何中心并包括：至少第二光敏区域；第二滤色器元件，所述第二滤色器元件形成在所述至少第二光敏区域上方，以使第二波长的光通过，其中所述第二波长长于所述第一波长；以及第二环形微透镜，所述第二环形微透镜形成在所述第二滤色器元件上方，其中所述第二环形微透镜具有带有第四几何中心的第二开口，所述第四几何中心远离所述第三几何中心而朝向所述像素阵列的所述中心偏移了第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
附图说明
图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的例示性电子设备的示意图。
图2是根据一个实施方案的用于读出图像传感器中的图像信号的例示性像素阵列以及相关联的读出电路的示意图。
图3A和图3B是根据一个实施方案的具有微透镜的例示性图像像素的横截面侧视图，其示出了微透镜可以如何相对于图像像素的光敏区域偏移。
图4A和图4B是根据一个实施方案的示出例示性像素阵列的顶视图，其中每个像素具有两个或更多个子像素，每个子像素具有相应的光敏区域。
图5是根据一个实施方案的具有环形微透镜的例示性像素阵列的顶视图，该环形微透镜相对于下面的光敏区域偏移。
图6是根据一个实施方案的具有环形微透镜的例示性像素阵列的顶视图，该环形微透镜相对于下面的光敏区域偏移并具有基于像素类型而偏移的开口。
图7是根据一个实施方案的具有环形微透镜的例示性像素阵列的顶视图，该环形微透镜相对于下面的光敏区域偏移并具有基于像素类型在两个方向上偏移的开口。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及图像传感器。本领域的技术人员应当理解，本发明的示例性实施方案可在缺少一些或所有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本发明的实施方案，未详细描述众所周知的操作。
电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如，将入射光转换为图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所生成的电荷相对应。
图1是例示性成像和响应系统的示意图，该系统包括使用图像传感器捕获图像的成像系统。图1的系统100可以是电子设备，诸如相机、蜂窝电话、视频摄像机、或捕获数字图像数据的其他电子设备，可以是车辆安全系统(例如，主动制动系统或其他车辆安全系统)，或者可以是监视系统。
如图1所示，系统100可包括成像系统(诸如成像系统10)和主机子系统(诸如主机子系统20)。成像系统10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器14以及一个或多个镜头。
相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者，在给定图像传感器阵列集成电路中可以有不同类型的图像传感器。在图像捕捉操作期间，每个镜头可将光聚集到相关联的图像传感器14上。图像传感器14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，像素)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、寻址电路等。
可以将来自相机传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径28提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图象专家组格式或JPEG格式)。在典型的布置(有时称为片上系统(SOC)布置)中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用半导体衬底(例如，共用硅图像传感器集成电路管芯)上实现。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可形成在单独的半导体衬底上。例如，相机传感器14和图像处理电路16可形成在已堆叠的单独衬底上。
成像系统10(例如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20。主机子系统20可包括处理软件，该处理软件用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中物体的距离、过滤或以其他方式处理成像系统10提供的图像。
如果需要，系统100可向用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用程序的能力。为实现这些功能，系统100的主机子系统20可具有输入-输出设备22(诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器)以及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性和非易失性的存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器，等等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。
图2中示出了图1的相机模块12的布置的示例。如图2所示，相机模块12包括图像传感器14以及控制和处理电路44。控制和处理电路44可对应于图1中的图像处理和数据格式化电路16。图像传感器14可包括像素阵列，诸如像素34(在本文中有时称为图像传感器像素、成像像素或图像像素34)的阵列32。控制和处理电路44可耦接到行控制电路40，并且可经由数据路径26耦接到列控制和读出电路42。行控制电路40可从控制和处理电路44接收行地址，并可通过控制路径36向图像像素34供应对应的行控制信号(例如，双重转换增益控制信号、像素重置控制信号、电荷转移控制信号、光晕控制信号、行选择控制信号或任何其他所需像素控制信号)。列控制和读出电路42可经由一条或多条导线(诸如列线38)耦接到像素阵列32的列。列线38可耦接到图像像素阵列32中的每列图像像素34(例如，每列像素可耦接到对应列线38)。列线38可用于从图像像素34读出图像信号，并向图像像素34供应偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。在图像像素读出操作期间，可使用行控制电路40来选择图像像素阵列32中的像素行，并且与该像素行的图像像素34相关联的图像数据可由列控制和读出电路42在列线38上读出。
列控制和读出电路42可包括列电路，诸如用于放大从阵列32读出的信号的列放大器、用于对从阵列32读出的信号进行采样和存储的采样和保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模拟-数字转换器电路、以及用于存储读出信号和任何其他所需数据的列存储器。列控制和读出电路42可通过线26将数字像素值输出到控制和处理电路44。
阵列32可以具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列32的大小以及阵列32中的行和列的数量将取决于图像传感器14的具体实施。虽然行和列在本文中一般相应被描述为水平和竖直的，但是行和列可以指任何网格状的结构(如，本文中描述为行的特征可竖直地布置，并且本文中描述为列的特征可水平地布置)。
如果需要，阵列32可以是堆叠管芯布置的一部分，其中阵列32的像素34被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在此类布置中，阵列32中的每个像素34可在像素内的任何所需节点处被划分在两个管芯之间。举例来说，节点诸如浮动扩散节点可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与所需节点(在本示例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。所需节点可形成在连接两个管芯的耦接结构(诸如导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通孔)上(即，作为其一部分)。在两个管芯结合前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦接。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是例示性的。如果需要，可以使用任何已知的金属对金属接合技术诸如软焊或焊接，来将形成在第一管芯和第二管芯上的耦接结构的相应第一部分和第二部分接合在一起。
如上所述，像素电路中被划分到两个管芯中的所需节点可为浮动扩散节点。另选地，像素电路中被划分到两个管芯中的所需节点可为在浮动扩散区与源极跟随器晶体管栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在形成有光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接至第二管芯上的源极跟随器晶体管)、在浮动扩散区与转移晶体管源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在未设有光电二极管的第二管芯上)、在源极跟随器晶体管源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点、或像素电路的任何其他所需节点。
图3A是可包括在像素阵列诸如图2中所示的像素阵列中的像素的例示性横截面图。像素34可以包括一个或多个光敏区，诸如形成在衬底诸如硅衬底108中的光敏区110。例如，一个或多个光敏区可以包括一个光电二极管、两个光电二极管、三个光电二极管、多于三个光电二极管等。微透镜102可以形成在光敏区110上方并可以用于将入射光106引向光敏区110。
滤色器诸如滤色器元件104可以插置在微透镜102与衬底108之间。滤色器元件104可以通过仅允许预定波长穿过滤色器元件104来过滤入射光(例如，滤色器104可以仅透过对应于绿色、红色、蓝色、黄色、青色、品红色、可见光、红外光等的波长)。滤色器104可为宽带滤色器。宽带滤色器的示例包括黄色滤色器(例如，透过红光和绿光的黄色滤色器材料)和透明滤色器(例如，透过红光、蓝光和绿光的透明材料)。一般来讲，宽带滤波器元件可透过两种或更多种颜色的光。光敏区域110可以用于吸收由微透镜102聚焦的入射光并产生对应于所吸收的入射光量的像素信号。
图像传感器可以使用前照式图像传感器布置(例如，当电路诸如金属互连电路插置在微透镜与光敏区之间时)或背照式图像传感器布置(例如，当光敏区域插置在微透镜与金属互连电路之间时)来形成。图3A的其中像素34是背照式图像传感器像素的示例仅是例示性的。如果需要，像素34可以是前照式图像传感器像素。像素是背照式图像传感器像素的布置在本文中有时被描述为示例。
在像素阵列中，可以偏移像素的微透镜以考虑由像素接收的入射光的角度。例如，图3A中的像素可以是像素阵列的中心(例如，图2中的阵列32的中心行和中心列)中的像素。因为像素位于像素阵列的中心，所以接收的入射光106可以具有与Z轴对准的角度(有时称为主光线角度)。因此，微透镜102可以具有几何中心112，该几何中心与像素的衬底108的几何中心114对准。几何中心112可以是微透镜的顶点(如果微透镜112具有对称的弯曲上表面的话)。当从上方观察时，微透镜102可以具有圆形轮廓，并且当从上方观察时，几何中心112可以是微透镜的圆形轮廓的几何中心。衬底的几何中心114可以是用于形成像素的光敏区域的衬底的部分的几何中心(例如，几何中心114是对应像素的一个或多个光敏区域的几何中心)。几何中心112和114可以如图3A所示的那样对准，这意味着几何中心竖直地重叠(例如，平行于Z轴的线可以与几何中心112和114两者相交)。
图3A的其中微透镜102具有与几何中心114对准的几何中心112的示例仅是例示性的。图3B中的像素34可以是像素阵列的边缘处的像素(例如，在图2中的阵列32的中心行和最右列中)。因为像素位于像素阵列的边缘，所以接收的入射光106可以相对于Z轴成角度(有时称为主光线角度)116。因此，微透镜102可以具有几何中心112，该几何中心相对于像素的几何中心114偏移了距离118。该微透镜偏移可以用于确保高角度入射光穿过对应于所期望的光敏区域的微透镜和滤色器元件。
每个像素的微透镜可以偏移任何期望的量。一般来讲，微透镜偏移的距离118可以与像素距像素阵列的中心的距离成比例。像素阵列的中心(诸如图3A中的像素)中的像素将不具有微透镜偏移，而像素阵列的边缘处的像素(诸如图3B中的像素)将具有大的微透镜偏移。在图3B的示例中，微透镜被描绘为沿着X轴(例如，在负X方向上)偏移。然而，该示例仅是例示性的，并且如果需要，微透镜可以在多于一个方向上偏移(例如，像素阵列的拐角中的微透镜将沿着X轴和沿着Y轴偏移)。
在图3A和图3B的横截面侧视图中，微透镜102被描绘为具有弯曲上表面。当从上方观察时，图3A和图3B的微透镜也可以具有圆形轮廓。这些示例仅仅是例示性的。一般来讲，微透镜102可以具有任何期望的形状。在一些示例中，微透镜102可以是具有中心开口的环形(例如，环状)微透镜。环形微透镜可以用于覆盖包括两个或更多个子像素的像素。该类型的示例在图4A和图4B中示出。
图4A是具有3×3布置的九个子像素的例示性像素的顶视图，每个子像素可以各自被环形微透镜覆盖。每个子像素可以具有相应光敏区域(例如，光电二极管)。如图4A所示，像素可以被布置为在像素阵列上重复的2×2单位平方。例如，像素34-1和34-4可以被绿色滤色器元件覆盖，像素34-2可以被红色滤色器元件覆盖，并且像素34-3可以被蓝色滤色器元件覆盖。该图案(例如，拜耳图案)可以在像素阵列上重复。图4A还示出了每个像素34如何包括3×3子像素布置。例如，像素34-1包括3×3栅格的顶行中的子像素52-1、52-2和52-3、3×3栅格的中间行中的子像素52-4、52-5和52-6、以及3×3栅格的底行中的子像素52-7、52-8和52-9。像素34-1中的所有九个子像素可以被相同颜色(例如，绿色)的滤色器元件覆盖。每个相应像素的所有子像素可以被相应单色的相应滤色器元件覆盖。在一些应用中，可以对来自所有九个子像素的图像数据进行合并(求和)。在其他应用中，可以分开地从所有九个子像素的每个相应光敏区域读取图像数据。
图4A中所示的像素中的每一个可以被单个环形微透镜覆盖。环形微透镜可以具有开口。穿过开口的光可以到达像素的中心子像素(例如，子像素52-5)，而进入和穿过微透镜的光可以到达像素的外围子像素(例如，子像素52-1、52-2、52-3、52-4、52-6、52-7、52-8和52-9)。
图4B是例示性像素的顶视图，其中内部子像素由外部子像素环绕，外部子像素可以各自被环形微透镜覆盖。如图4B所示，像素可以被布置为在像素阵列上重复的2×2单位平方。例如，像素34-1和34-4可以被绿色滤色器元件覆盖，像素34-2可以被红色滤色器元件覆盖，并且像素34-3可以被蓝色滤色器元件覆盖。该图案(例如，拜耳图案)可以在像素阵列上重复。图4B的每个像素34(例如参见像素34-1)可以包括第一子像素54，其可以被称为内部子像素54。内部子像素54可以完全地被第二子像素56-1和第三子像素56-2环绕，该第二子像素和第三子像素可以被称为外部子像素56-1和56-2，或可以统称为外部子像素组56。内部子像素54和外部子像素组56可对应于半导体衬底中的n型掺杂光电二极管区。衬底中可存在相应的子像素电路，诸如耦接到子像素54和56中的光电二极管区的每个像素34的转移栅极、浮动扩散区和重置栅极。半导体衬底(未示出)可以是由硅或任何其他合适半导体材料制成的本体p型衬底。
内部子像素54中的光电二极管在表面处可以具有圆形形状。换句话讲，内部子像素54的光收集区域是圆形区域。如果需要，可以在内部子像素54与外部子像素56-1和56-2之间形成任选的隔离区。隔离区可将给定像素中的各个子像素彼此分隔开，并且还可将不同相应像素中的各个子像素彼此分隔开。可选的隔离区可由不同类型的隔离装置形成，诸如沟槽隔离结构、掺杂半导体区、金属屏障结构或任何其他合适的隔离装置。
因为内部子像素54被外部子像素56-1和56-2环绕，所以内部子像素54有时可以被描述为嵌套在外部子像素组56内。像素34有时可以被称为嵌套图像像素。嵌套图像像素中的内部子像素组和外部子像素组可具有相同的几何光学中心。换句话讲，由于外部子像素组对称地围绕内部子像素组，所以内部子像素组的表面的中心与围绕内部子像素组的外部子像素组的中心相同。
内部子像素54可以具有对入射光较低的敏感度，并且与外部子像素56-1和56-2相比可以被称为具有较低的敏感度的光收集区域。内部子像素54和外部子像素56-1和56-2的相应的掺杂浓度可以是不同的，或它们可以是相同的。例如，内部子像素54中的光电二极管区的掺杂浓度可以被修改成降低内部子像素54对光的敏感度。与外部子像素组56相比，内部子像素54对入射光较低的敏感度可能是与外部子像素组56的光收集区域相比内部子像素54的光收集区域较小的结果。外部子像素组的光敏度与内部子像素的光敏度之比可以是至少4比1，但是也可以是5比1、10比1、任何中间比或任何更大的比。换句话讲，外部子像素组的光敏度可比内部子像素组的光敏度高至少四倍。
因为入射到图4B中的每个像素34上的光被引向外部子像素组56的量大于被引向内部子像素54的量，所以内部子像素54被认为具有与外部子像素组56相比敏感度较低的光收集区域。内部子像素54和外部子像素组56对光的敏感度的差异使得能够在高动态范围应用中使用像素34，同时对于每个子像素使用相同的整合时间。如果需要，每个子像素的整合时间可以不同，以进一步增加像素的动态范围。
图4B中所示的像素中的每一个像素可以被单个环形微透镜覆盖。环形微透镜可以具有开口。穿过开口的光可以到达像素的内部子像素(例如，子像素54)，而进入和穿过微透镜的光可以到达像素的外部子像素(例如，子像素56-1和56-2)。
图5是被环形微透镜覆盖的例示性像素的顶视图。像素34-1可以包括绿色滤色器元件，像素34-2可以包括红色滤色器元件，像素34-3可以包括蓝色滤色器元件，并且像素34-4可以包括绿色滤色器元件。每个像素可以包括一个或多个光敏区域的任何所期望布置(例如，图4A的布置、图4B的布置或另一所期望的布置)。如图5所示，像素34-1被相应的微透镜102-1覆盖，像素34-2被相应的微透镜102-2覆盖，像素34-3被相应的微透镜102-3覆盖，并且像素34-4被相应的微透镜102-4覆盖。每个微透镜具有相应的开口(有时被称为孔或凹陷部)。如图所示，微透镜102-1具有相应的开口120-1，微透镜102-2具有相应的开口120-2，微透镜102-3具有相应的开口120-3，并且微透镜102-4具有相应的开口120-4。
如结合图3A和图3B所讨论的那样，每个微透镜可以具有相对于像素的几何中心偏移的相应几何中心。如图5所示，微透镜102-1具有几何中心112-1，其相对于像素的中心114-1偏移了距离118-1。微透镜102-2具有几何中心112-2，其相对于像素的中心114-2偏移了距离118-2。微透镜102-3具有几何中心112-3，其相对于像素的中心114-3偏移了距离118-3。微透镜102-4具有几何中心112-4，其相对于像素的中心114-4偏移了距离118-4。每个像素的距离118(从微透镜的中心到像素的中心)可以与微透镜距像素阵列的中心的距离成比例(并且可以与像素的颜色无关)。
在图5的实施方案中，每个开口具有相应的几何中心，该几何中心整体与微透镜的几何中心相同(例如，微透镜的外周边和微透镜的限定开口的内周边是同心圆)。换句话说，微透镜102-1的开口120-1具有与几何中心112-1相同的几何中心122-1。微透镜102-2的开口120-2具有与几何中心112-2相同的几何中心122-2。微透镜102-3的开口120-3具有与几何中心112-3相同的几何中心122-3。微透镜102-4的开口120-4具有与几何中心112-4相同的几何中心122-4。
图5的其中每个微透镜的几何中心与每个微透镜开口的几何中心相同的实施方案仅是例示性的。如果需要，微透镜开口的几何中心可以相对于微透镜的几何中心偏移。使微透镜的几何中心偏移可以帮助调节下面的像素对入射光的反应。具体地，不同颜色的像素(例如，带有透射不同颜色的滤色器元件)可以具有不同最佳微透镜布置。一般来讲，入射光的波长越长，光进入硅衬底越深。例如，绿光(具有540纳米的例示性波长)可以比蓝光(具有470纳米的例示性波长)更深地穿透到硅衬底中，并且红光(具有670纳米的例示性波长)可以比绿光更深地穿透到硅衬底中。由于这些差异，基于颜色使微透镜和/或微透镜开口偏移不同的量可能是最佳的。例如，可能希望使用于红色像素的微透镜比用于绿色像素的微透镜偏移得更多(例如，使微透镜的几何中心相对于像素的几何中心偏移)。可能希望用于蓝色像素的微透镜比用于绿色像素的微透镜偏移得更少。由于制造限制，使微透镜中心偏移不同的量可能是困难的。然而，使微透镜开口的几何中心相对于微透镜的几何中心偏移可能仅需要改变用于微透镜材料的沉积的布局掩模并可以提高像素性能。
图6是被环形微透镜覆盖的例示性像素的顶视图。在图6中，微透镜开口基于像素的颜色相对于微透镜的中心偏移。像素34-1可以包括绿色滤色器元件，像素34-2可以包括红色滤色器元件，像素34-3可以包括蓝色滤色器元件，并且像素34-4可以包括绿色滤色器元件。每个像素可以包括一个或多个光敏区域的任何所期望布置(例如，图4A的布置、图4B的布置或另一所期望的布置)。如图6所示，类似于图5，像素34-1被相应的微透镜102-1覆盖，像素34-2被相应的微透镜102-2覆盖，像素34-3被相应的微透镜102-3覆盖，并且像素34-4被相应的微透镜102-4覆盖。每个微透镜具有相应的开口(有时被称为孔或凹陷部)。
每个微透镜可以具有相对于像素的几何中心偏移的相应几何中心。类似于图5，对于图6中的每个像素，从微透镜的中心到像素的中心的距离可以与微透镜距像素阵列的中心的距离成比例(并且可以与颜色无关)。
在图6的实施方案中，每个开口具有相应的几何中心。微透镜102-1的开口120-1具有几何中心122-1。微透镜102-2的开口120-2具有几何中心122-2。微透镜102-3的开口120-3具有几何中心122-3。微透镜102-4的开口120-4具有几何中心122-4。每个开口的几何中心基于像素的颜色相对于微透镜的几何中心偏移。如图6所示，红色像素34-2的开口120-2的中心122-2相对于微透镜102-2的中心112-2偏移了距离124-2。中心122-2比微透镜的中心更偏离像素的中心(例如，距离124-2在远离中心114-2而不是朝向中心114-2的方向上延伸)。蓝色像素34-3的开口120-3的中心122-3相对于微透镜102-3的中心112-3偏移了距离124-3。中心122-3比微透镜的中心更靠近像素的中心(例如，距离124-3在朝向中心114-3而不远离中心114-3的方向上延伸)偏移。
绿色像素34-1的开口120-1的中心122-1没有相对于微透镜102-1的中心112-1偏移(例如，中心122-1和112-1是相同的)。开口120-1的中心122-1也可以被描述为相对于微透镜102-1的中心112-1偏移了0距离。这同样适用于绿色像素34-4。
总之，像素的中心与每个微透镜的中心之间的距离仅由像素相对于图6中的像素阵列的中心的位置确定。然而，像素的中心与每个微透镜的开口的中心之间的距离与该像素的光的波长成比例(除了像素相对于像素阵列的中心的位置之外)。蓝光具有最短波长(与绿光和红光相比)，因此蓝光像素34-3在中心114-3与中心122-3之间具有最小距离。绿光具有比蓝光更长的波长，因此绿色像素34-1和34-4在中心114-1与中心122-1(或中心114-4与中心122-4)之间具有较大距离。红光具有比绿光更长的波长，因此红色像素34-2在中心114-2与中心122-2之间具有甚至更大的距离。
图6的红色、绿色和蓝色像素的示例仅是例示性的。(像素的中心与每个微透镜的开口的中心之间的距离与阵列中的给定位置的该像素的光的波长成比例)的这个原理也可以适用于其他类型的像素。例如，红外或近红外像素可以具有比红色像素偏移得更多的开口，而紫外像素可以具有比蓝色像素偏移得更少的开口。
另外，图6的微透镜开口基于下面的像素的颜色而偏移的示例仅是例示性的。一般来讲，任何所期望的微透镜特征可以基于下面的像素的颜色而偏移或改变(例如，调整大小或重新整形)。在图6中，微透镜具有孔(例如，完全地延伸穿过微透镜的开口)。然而，微透镜可以替代地具有仅部分地延伸穿过微透镜的凹陷部。在又一个实施方案中，微透镜可以具有突起部。这些类型的微透镜特征可以基于下面的像素的颜色而偏移或改变。
像素的中心与每个微透镜的开口的中心之间的距离与阵列中的给定位置的该像素的光的波长成比例的示例仅是例示性的。一般来讲，可以基于像素的类型(例如，针对该像素通过滤色器的入射光的波长)以任何所期望的方式使任何所期望的微透镜特征偏移。
例如，可以基于针对该像素通过滤色器的入射光的波长而改变环形微透镜的中心中的孔的大小。孔的直径可以基于下面的滤色器元件的颜色而变化。还可以选择孔的大小以控制与将光引向下面的像素的内部子像素相比将光引向下面的像素的外部子像素的量(例如，多少光是朝向像素的中心或远离像素的中心)。
在图5和图6中，微透镜仅被描绘为沿着X轴(例如，在正X方向上)偏移。例如，该示例可对应于定位在像素阵列的最左列和像素阵列的中心行中的像素(图2)。然而，该示例仅是例示性的，并且如果需要，微透镜可以在多于一个方向上偏移。图7示出了具有沿着X轴和沿着Y轴偏移的微透镜的像素。例如，图7的像素可以位于图2的像素阵列的左上角。如图7所示，图7保持与图6相同的偏移模式。然而，沿着X轴和Y轴都有发生偏移。
在图7中，像素的中心与每个微透镜的中心之间的距离仅由像素相对于像素阵列的中心的位置确定。然而，像素的中心与每个微透镜的开口的中心之间的距离与该像素的光的波长成比例(除了像素相对于像素阵列的中心的位置之外)。蓝光具有最短波长(与绿光和红光相比)，因此蓝光像素34-3在中心114-3与中心122-3之间具有最小距离。绿光具有比蓝光更长的波长，因此绿色像素34-1和34-4在中心114-1与中心122-1(或中心114-4与中心122-4)之间具有较大距离。红光具有比绿光更长的波长，因此红色像素34-2在中心114-2与中心122-2之间具有甚至更大的距离。
总之，给定像素阵列中的每个像素可以被相应的微透镜覆盖。每个像素的微透镜可以基于阵列内的微透镜的位置而相对于其像素的中心偏移。一般来讲，每个像素的微透镜可以朝向阵列的中心偏移(以与微透镜距阵列中心的距离成比例的量)。另外，每个微透镜可以具有诸如凹陷部或开口的特征。在一种可能的布置中，每个微透镜的开口可以位于其微透镜的中心(如图5所示)。在另一种可能的布置中，每个微透镜的开口可以基于像素的类型而相对于其微透镜的中心偏移(如图6和图7所示)。微透镜开口与像素中心之间的偏移可以与给定像素的光的波长成比例。
在各种实施方案中，图像传感器可以包括：第一成像像素，其中第一成像像素包括形成在至少第一光敏区域上方的第一微透镜，第一微透镜具有第一几何中心，第一微透镜具有带有第二几何中心的第一开口，并且第一几何中心和第二几何中心以第一距离分开；以及第二成像像素，该第二成像像素与第一成像像素相邻，其中第二成像像素包括形成在至少第二光敏区域上方的第二微透镜，第二微透镜具有第三几何中心，第二微透镜具有带有第四几何中心的第二开口，并且第三几何中心和第四几何中心以不同于第一距离的第二距离分开。
第一成像像素包括在第一微透镜与至少第一光敏区域之间的第一颜色的第一滤色器元件，第二成像像素包括在第二微透镜与至少第二光敏区域之间的第二颜色的第二滤色器元件，并且第一颜色和第二颜色是不同的。第一颜色可以是红色，而第二颜色可以是蓝色。第二几何中心可以在第一方向上相对于第一几何中心偏移了第一距离，并且第四几何中心可以在不同于第一方向的第二方向上相对于第三几何中心偏移了第二距离。至少第一光敏区域可以包括由至少一个外部光敏区域环绕的内部光敏区域。内部光敏区域可以被配置为接收穿过第一微透镜的第一开口的入射光，并且至少一个外部光敏区域可以被配置为接收穿过第一微透镜的入射光。至少第一光敏区域可以包括3×3栅格的光敏区域。第一微透镜和第二微透镜可以是第一环形微透镜和第二环形微透镜。
在各种实施方案中，图像传感器可以包括像素阵列，并且像素阵列中的每个像素可以包括：至少一个光敏区域；滤色器，该滤色器形成在至少一个光敏区域上方，该滤色器被配置为透射给定类型的光；以及微透镜，该微透镜具有开口，其中微透镜具有第一几何中心，并且开口具有第二几何中心，并且第二几何中心基于由滤色器透射的给定类型的光而相对于第一几何中心偏移。
像素阵列中的像素中的一些像素的滤色器是红色滤色器，并且带有红色滤色器的每个像素的第二几何中心相对于第一几何中心朝向像素阵列的中心偏移。像素阵列中的像素中的一些像素的滤色器是蓝色滤色器，并且带有蓝色滤色器的每个像素的第二几何中心相对于第一几何中心远离像素阵列的中心偏移。
在各种实施方案中，图像传感器可以包括带有中心的像素阵列，并且像素阵列可以包括：第一成像像素，该第一成像像素具有第一几何中心并包括：至少第一光敏区域；第一滤色器元件，该第一滤色器元件形成在至少第一光敏区域上方，以使第一波长的光通过；以及第一环形微透镜，该第一环形微透镜形成在第一滤色器元件上方，其中第一环形微透镜具有带有第二几何中心的第一开口，第二几何中心远离第一几何中心而朝向像素阵列的中心偏移了第一距离；以及第二成像像素，该第二成像像素具有第三几何中心并包括：至少第二光敏区域；第二滤色器元件，该第二滤色器元件形成在至少第二光敏区域上方，以使长于第一波长的第二波长的光通过；以及第二环形微透镜，该第二环形微透镜形成在第二滤色器元件上方，其中第二环形微透镜具有带有第四几何中心的第二开口，第四几何中心远离第三几何中心而朝向像素阵列的中心偏移了大于第一距离的第二距离。
第一滤色器元件可以是蓝色滤色器元件，而第二滤色器元件可以是绿色滤色器元件。第二滤色器元件可以是红外滤色器元件。第一环形微透镜可以具有第五几何中心，该第五几何中心相对于第一几何中心朝向像素阵列的中心偏移，并且第二环形微透镜可以具有第六几何中心，该第六几何中心相对于第三几何中心朝向像素阵列的中心偏移。
根据一个实施方案，图像传感器可以包括：第一成像像素，第一成像像素可以包括形成在至少第一光敏区域上方的第一微透镜，第一微透镜可以具有第一几何中心，第一微透镜可以具有带有第二几何中心的第一开口，并且第一几何中心和第二几何中心可以以第一距离分开，该图像传感器可以包括第二成像像素，该第二成像像素与第一成像像素相邻，第二成像像素可以包括形成在至少第二光敏区域上方的第二微透镜，第二微透镜可以具有第三几何中心，第二微透镜可以具有带有第四几何中心的第二开口，并且第三几何中心和第四几何中心可以以不同于第一距离的第二距离分开。
根据另一个实施方案，第一成像像素可以包括在第一微透镜与至少第一光敏区域之间的第一颜色的第一滤色器元件，第二成像像素可以包括在第二微透镜与至少第二光敏区域之间的第二颜色的第二滤色器元件，并且第一颜色和第二颜色可以是不同的。
根据另一个实施方案，第一颜色是红色，而第二颜色是蓝色。
根据另一个实施方案，第二几何中心在第一方向上相对于第一几何中心偏移了第一距离，并且第四几何中心在不同于第一方向的第二方向上相对于第三几何中心偏移了第二距离。
根据另一个实施方案，至少第一光敏区域可以包括由至少一个外部光敏区域环绕的内部光敏区域。
根据另一个实施方案，内部光敏区域可以被配置为接收穿过第一微透镜的第一开口的入射光，并且至少一个外部光敏区域被配置为接收穿过第一微透镜的入射光。
根据另一个实施方案，至少第一光敏区域包括3×3栅格的光敏区域。
根据另一个实施方案，第一微透镜和第二微透镜是第一环形微透镜和第二环形微透镜。
根据另一个实施方案，像素阵列中的每个像素包括：至少一个光敏区域；滤色器，该滤色器形成在至少一个光敏区域上方，该滤色器被配置为透射给定类型的光；以及微透镜，该微透镜具有开口。微透镜可以具有第一几何中心，开口可以具有第二几何中心，并且第二几何中心可以基于由滤色器透射的给定类型的光而相对于第一几何中心偏移。
根据另一个实施方案，像素阵列中的像素中的一些像素的滤色器是红色滤色器，并且带有红色滤色器的每个像素的第二几何中心相对于第一几何中心朝向像素阵列的中心偏移。
根据另一个实施方案，像素阵列中的像素中的一些像素的滤色器是蓝色滤色器，并且带有蓝色滤色器的每个像素的第二几何中心相对于第一几何中心远离像素阵列的中心偏移。
根据另一个实施方案，至少一个光敏区域包括由至少一个外部光敏区域环绕的内部光敏区域。
根据另一个实施方案，内部光敏区域被配置为接收穿过微透镜的开口的入射光，并且至少一个外部光敏区域被配置为接收穿过微透镜的入射光。
根据另一个实施方案，至少一个光敏区域包括3×3栅格的光敏区域。
根据另一个实施方案，微透镜是环形微透镜。
根据一个实施方案，图像传感器可以包括具有中心的像素阵列。像素阵列可以包括：第一成像像素，该第一成像像素具有第一几何中心并包括：至少第一光敏区域；第一滤色器元件，该第一滤色器元件形成在至少第一光敏区域上方，以使第一波长的光通过；以及第一环形微透镜，该第一环形微透镜形成在第一滤色器元件上方，第一环形微透镜可以具有带有第二几何中心的第一开口，第二几何中心远离第一几何中心而朝向像素阵列的中心偏移了第一距离；像素阵列可以包括第二成像像素，该第二成像像素具有第三几何中心并包括：至少第二光敏区域；第二滤色器元件，该第二滤色器元件形成在至少第二光敏区域上方，以使长于第一波长的第二波长的光通过；以及第二环形微透镜，该第二环形微透镜形成在第二滤色器元件上方，并且第二环形微透镜可以具有带有第四几何中心的第二开口，第四几何中心远离第三几何中心而朝向像素阵列的中心偏移了大于第一距离的第二距离。
根据另一个实施方案，第一滤色器元件是蓝色滤色器元件，而第二滤色器元件是绿色滤色器元件。
根据另一个实施方案，第二滤色器元件是红外滤色器元件。
根据另一个实施方案，第一环形微透镜具有第五几何中心，该第五几何中心相对于第一几何中心朝向像素阵列的中心偏移。
根据另一个实施方案，第二环形微透镜具有第六几何中心，该第六几何中心相对于第三几何中心朝向像素阵列的中心偏移。
前述内容仅是对本发明原理的例示性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本发明的实质和范围的前提下进行多种修改。上述实施方案可单独实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
第一成像像素，其中所述第一成像像素包括形成在至少第一光敏区域上方的第一微透镜，其中所述第一微透镜具有第一几何中心，其中所述第一微透镜具有带有第二几何中心的第一开口，并且其中所述第一几何中心和所述第二几何中心以第一距离分开；以及
第二成像像素，所述第二成像像素与所述第一成像像素相邻，其中所述第二成像像素包括形成在至少第二光敏区域上方的第二微透镜，其中所述第二微透镜具有第三几何中心，其中所述第二微透镜具有带有第四几何中心的第二开口，并且其中所述第三几何中心和所述第四几何中心以不同于所述第一距离的第二距离分开。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一成像像素包括在所述第一微透镜与所述至少第一光敏区域之间的第一颜色的第一滤色器元件，其中所述第二成像像素包括在所述第二微透镜与所述至少第二光敏区域之间的第二颜色的第二滤色器元件，并且其中所述第一颜色和所述第二颜色是不同的。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述第一颜色是红色，并且所述第二颜色是蓝色。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述第二几何中心在第一方向上相对于所述第一几何中心偏移了所述第一距离，并且其中所述第四几何中心在不同于所述第一方向的第二方向上相对于所述第三几何中心偏移了所述第二距离。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述至少第一光敏区域包括由至少一个外部光敏区域环绕的内部光敏区域，其中所述内部光敏区域被配置为接收穿过所述第一微透镜的所述第一开口的入射光，并且其中至少一个外部光敏区域被配置为接收穿过所述第一微透镜的入射光。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述至少第一光敏区域包括3×3栅格的光敏区域。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一微透镜和所述第二微透镜是第一环形微透镜和第二环形微透镜。
8.一种图像传感器，所述图像传感器包括像素阵列，其特征在于，所述像素阵列中的每个像素包括：
至少一个光敏区域；
滤色器，所述滤色器形成在所述至少一个光敏区域上方，其中所述滤色器被配置为透射给定类型的光；以及
微透镜，所述微透镜具有开口，其中，所述微透镜具有第一几何中心，并且所述开口具有第二几何中心，并且其中所述第二几何中心基于由所述滤色器透射的所述给定类型的光而相对于所述第一几何中心偏移。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述像素阵列中的所述像素中的一些像素的所述滤色器是红色滤色器，其中带有所述红色滤色器的每个像素的所述第二几何中心相对于所述第一几何中心朝向所述像素阵列的中心偏移，其中所述像素阵列中的所述像素中的一些像素的所述滤色器是蓝色滤色器，并且其中带有所述蓝色滤色器的每个像素的所述第二几何中心相对于所述第一几何中心远离所述像素阵列的所述中心偏移。
10.一种图像传感器，所述图像传感器包括带有中心的像素阵列，其特征在于，所述像素阵列包括：
第一成像像素，所述第一成像像素具有第一几何中心并包括：
至少第一光敏区域；
第一滤色器元件，所述第一滤色器元件形成在所述至少第一光敏区域上方，以使第一波长的光通过；以及
第一环形微透镜，所述第一环形微透镜形成在所述第一滤色器元件上方，其中所述第一环形微透镜具有带有第二几何中心的第一开口，所述第二几何中心远离所述第一几何中心而朝向所述像素阵列的所述中心偏移了第一距离；以及
第二成像像素，所述第二成像像素具有第三几何中心并包括：
至少第二光敏区域；
第二滤色器元件，所述第二滤色器元件形成在所述至少第二光敏区域上方，以使第二波长的光通过，其中所述第二波长长于所述第一波长；以及
第二环形微透镜，所述第二环形微透镜形成在所述第二滤色器元件上方，其中所述第二环形微透镜具有带有第四几何中心的第二开口，所述第四几何中心远离所述第三几何中心而朝向所述像素阵列的所述中心偏移了第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
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