CN110475082A - 具有用于高动态范围成像像素的微透镜的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“具有用于高动态范围成像像素的微透镜的图像传感器”。本发明公开了一种图像传感器，该图像传感器可以包括高动态范围成像像素，该高动态范围成像像素具有由外部子像素围绕的内部子像素。为了将光远离内部子像素并朝向外部子像素引导，高动态范围成像像素可由环形微透镜覆盖。为了减轻高角度入射光所引起的串扰，可使用各种微透镜布置。环形微透镜可在该环形微透镜的外周边上具有平面部分。环形微透镜可由四个附加微透镜覆盖，每个附加微透镜定位在像素的相应拐角中。每个像素可由2×2布置的四个微透镜覆盖，其中由四个微透镜之间的空间形成的开口与内部子像素重叠。

Description

具有用于高动态范围成像像素的微透镜的图像传感器
背景技术
本发明整体涉及成像系统，并且更具体地讲，涉及具有高动态范围功能的成像系统。
现代电子设备(诸如蜂窝电话、相机和计算机)常常使用数字图像传感器。成像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素阵列形成。每个像素接收入射光子(光)并将这些光子转换成电信号。每个像素由对应微透镜覆盖。有时，图像传感器被设计为使用联合图像专家组(JPEG)格式将图像提供给电子设备。
常规成像系统还可以具有带有与低动态范围相关联的伪影的图像。具有亮部分和暗部分的场景可在常规图像传感器中产生伪影，因为低动态范围图像的各部分可能曝光过度或曝光不足。多个低动态范围图像可以组合成单个高动态范围图像，但是这通常会引入伪影，特别是在动态场景中。
因此，期望能够提供具有高动态范围功能的改进的成像系统。
附图说明
图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图，该图像传感器可包括高动态范围像素。
图2A是根据一个实施方案的具有感光区的示例性相位检测像素的剖面侧视图，该感光区具有不同和非对称的角度响应。
图2B和图2C是根据一个实施方案的图2A的相位检测像素的剖视图。
图3是根据一个实施方案的将入射光以不同的入射角照射深度感测像素时，深度感测像素的感光区的示例性信号输出的示意图。
图4是根据一个实施方案的示例性像素的顶视图，该像素具有内部子像素和外部子像素，并且由环形微透镜覆盖。
图5是根据一个实施方案的示例性像素的顶视图，该像素具有内部子像素和分割外部子像素组，并且由环形微透镜覆盖。
图6是根据一个实施方案的示例性环形微透镜的顶视图，这些环形微透镜可用于覆盖图4和图5所示类型的像素。
图7是根据一个实施方案的示例性环形微透镜的顶视图，这些环形微透镜具有合并部分，并且可用于覆盖图4和图5所示类型的像素。
图8和图9是根据一个实施方案的示例性环形微透镜的顶视图，这些环形微透镜包括具有平面部分的外周边并且可用于覆盖图4和图5所示类型的像素。
图10是根据一个实施方案的示例性微透镜组的顶视图，这些微透镜组包括由四个附加微透镜覆盖的环形微透镜，并且可用于覆盖图4和图5所示类型的像素。
图11是根据一个实施方案的示例性微透镜组的顶视图，这些微透镜组包括四个微透镜，并且可用于覆盖图4和图5所示类型的像素。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及包括具有高动态范围功能的像素的图像传感器。这些类型的像素可包括用于收集光的两个或更多个感光区域。环形微透镜或其他微透镜组可用于将光引导到两个或更多个感光区域。环形微透镜可被成形为将光引导到像素的拐角以减轻高入射光角度下的串扰。在高入射角度下，本文所讨论的微透镜形状和布置使光远离相邻像素之间的边界聚焦，从而减轻高角度光横越到相邻像素中。由环形微透镜覆盖的像素还可具有相位检测功能。
图1中示出了具有数字相机模块的电子设备。电子设备10可以是数字相机、计算机、蜂窝电话、医疗设备或其他电子设备。相机模块12(有时称为成像设备)可包括图像传感器14和一个或多个透镜28。在操作期间，透镜28(有时称为光学器件28)将光聚焦到图像传感器14上。图像传感器14包括将光转换成数字数据的感光元件(例如，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)、采样保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字(ADC)转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、地址电路等。
可将来自图像传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径26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，诸如自动聚焦功能、深度感测、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。例如，在自动聚焦操作期间，图像处理和数据格式化电路16可处理由图像传感器14中的相位检测像素收集的数据，以确定将感兴趣的物体集中在焦点上所需的透镜移动(例如，透镜28的移动)的幅度和方向。
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，压缩成联合图像专家组或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在共用集成电路上实现。使用单个集成电路来实现相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16可有助于降低成本。不过，这仅仅是示例性的。如果需要，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16可使用单独集成电路来实现。如果需要，相机传感器14以及图像处理电路16可形成在单独半导体衬底上。例如，相机传感器14以及图像处理电路16可形成在已堆叠的单独衬底上。
相机模块12可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20(例如，图像处理和数据格式化电路16可将图像数据传送到子系统20)。电子设备10通常向用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级蜂窝电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为实现这些功能，电子设备10的主机子系统20可包括存储和处理电路24以及输入-输出设备22，诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器。存储和处理电路24可包括易失性存储器和非易失性存储器(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)。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、专用集成电路或其他处理电路。
可能期望提供具有高动态范围功能的图像传感器(例如，以用于低光环境和高光环境中，从而在低光环境中补偿感兴趣的高光点，并且反之亦然)。为了提供高动态范围功能，图像传感器14可包括高动态范围像素。
可能期望提供具有深度感测能力的图像传感器(例如，以用于自动聚焦应用、3D成像应用诸如机器视觉应用等中)。为了提供深度感测能力，图像传感器14可包括相位检测像素组，诸如示于图2A中的相位检测像素组100。如果需要，提供深度感测能力的像素组还可以提供高动态范围功能。
图2A是像素组100的示例性剖视图。在图2A中，相位检测像素组100是像素对。像素对100可包括第一像素和第二像素，诸如像素1和像素2。像素1和像素2可包括感光区，诸如形成于衬底(诸如硅衬底108)中的感光区110。例如，像素1可包括相关联的感光区，诸如光电二极管PD1，并且像素2可包括相关联的感光区，诸如光电二极管PD2。微透镜可形成在光电二极管PD1和光电二极管PD2上方，并且可用于将入射光导向光电二极管PD1和光电二极管PD2。在图2A的布置中，微透镜102覆盖两个像素区，该布置有时可称为2×1或1×2布置，因为有两个相位检测像素被连续地布置在一条直线上。在另选实施方案中，可将三个相位检测像素连续地布置在一条直线上，所以该布置有时可称为1×3或3×1布置。在其他实施方案中，相位检测像素可被分组为2×2或2×4布置。一般来讲，相位检测像素可以任何所需的方式布置。
滤色器诸如滤色器元件104可被插置在微透镜102和衬底108之间。滤色器元件104可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，通过红光和绿光的黄色滤色器材料)和透明滤色器(例如，通过红光、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。光电二极管PD1和光电二极管PD2可用于吸收由微透镜102聚焦的入射光并且产生对应于所吸收的入射光的量的像素信号。
光电二极管PD1和光电二极管PD2可各自覆盖微透镜102下面的衬底面积的大约一半(作为示例)。通过仅覆盖衬底面积的一半，每个感光区可被提供有非对称的角度响应(例如，光电二极管PD1可基于入射光到达像素对100的角度产生不同的图像信号)。入射光相对于法线轴116到达像素对100的角度(即，入射光相对于透镜102的光轴116照射微透镜102的角度)在本文中可被称为入射角度或入射角。
图像传感器可使用前照式成像器布置(例如，当电路诸如金属互连电路被插置在微透镜和感光区之间时)或背照式成像器布置(例如，当感光区被插置在微透镜和金属互连电路之间时)来形成。图2A、图2B和图2C中的像素1和像素2为背照式图像传感器像素的示例仅仅是示例性的。如果需要，像素1和像素2可为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。
在图2B的示例中，入射光113可源自法线轴116的左侧，并且可以相对于法线轴116的角度114到达像素对100。角度114可为入射光的负角。以负角诸如角度114到达微透镜102的入射光113可被聚焦朝向光电二极管PD2。在这种情况下，光电二极管PD2可产生相对高的图像信号，而光电二极管PD1可产生相对低的图像信号(例如，因为入射光113不被聚焦朝向光电二极管PD1)。
在图2C的示例中，入射光113可源自法线轴116的右侧，并且以相对于法线轴116的角度118到达像素对100。角度118可为入射光的正角。以正角诸如角度118到达微透镜102的入射光可被聚焦朝向光电二极管PD1(例如，光不被聚焦朝向光电二极管PD2)。在这种情况下，光电二极管PD2可产生相对低的图像信号输出，而光电二极管PD1可产生相对高的图像信号输出。
光电二极管PD1和光电二极管PD2的位置有时可被称为非对称的或移位位置，因为每个感光区域110的中心偏离微透镜102的光轴116(即，不与该微透镜的该光轴对准)。由于衬底108中的各个光电二极管PD1和光电二极管PD2的非对称形成，每个感光区域110可具有非对称的角度响应(例如，由每个光电二极管110响应于具有给定强度的入射光产生的信号输出可基于入射角来改变)。应当注意，图2A至图2C中的光电二极管相邻的示例仅仅是示例性的。如果需要，光电二极管可以不相邻(即，光电二极管可被一个或多个中间光电二极管分开)。在图3的图中，示出了像素对100的光电二极管PD1和光电二极管PD2响应于不同角度入射光的图像信号输出的示例。
线160可表示光电二极管PD2的输出图像信号，而线162可表示光电二极管PD1的输出图像信号。对于负入射角，光电二极管PD2的输出图像信号可增大(例如，因为入射光被聚焦到光电二极管PD2上)，并且光电二极管PD1的输出图像信号可减小(例如，因为入射光被聚焦远离光电二极管PD1)。对于正入射角，光电二极管PD2的输出图像信号可相对小，并且光电二极管PD1的输出图像信号可相对大。
图2A、图2B和图2C的像素对100的光电二极管PD1和光电二极管PD2的尺寸和位置仅仅是示例性的。如果需要，光电二极管PD1和光电二极管PD2的边缘可位于像素对100的中心，或者可在任何方向上稍微偏离像素对100的中心。如果需要，可以减小光电二极管110的尺寸以覆盖少于像素面积的一半。
来自像素对(诸如像素对100)的输出信号可用于在自动聚焦操作期间调节图像传感器14中的光学器件(例如，一个或多个透镜，诸如图1的透镜28)。可基于来自像素对100的输出信号来确定将感兴趣的物体集中在焦点上所需的透镜移动的方向和幅度。
例如，通过创建对来自透镜的一侧或另一侧的光敏感的像素对，可确定相位差。这个相位差可用于确定为将感兴趣的物体集中在焦点上，图像传感器光学器件应在哪个方向调节以及调节多远。
当物体被聚焦时，将来自图像传感器光学器件的两侧的光会聚以产生聚焦图像。当物体失焦时，光学器件的两侧投影的图像不会重叠，因为该图像彼此不同相。通过创建其中每个像素对来自透镜的一侧或另一侧的光敏感的像素对，可确定相位差。该相位差可用于确定为使图像同相从而聚焦感兴趣的物体所需的光学器件移动的方向和幅度。用于确定相位差信息的像素块(诸如像素对100)在本文中有时称为相位检测像素或深度感测像素。
可通过将PD1的输出像素信号与PD2的输出像素信号进行比较来计算相位差信号。例如，可通过从PD2的像素信号输出减去PD1的像素信号输出(例如，通过从线160中减去线162)来确定像素对100的相位差信号。对于在小于聚焦物体距离的距离处的物体，相位差信号可为负。对于在大于聚焦物体距离的距离处的物体，相位差信号可为正。这个信息可用于自动调节图像传感器光学器件以将感兴趣的物体集中在焦点上(例如，通过使像素信号彼此同相)。
如前所述，图2A至图2C中的相位检测像素块100包括两个相邻像素的示例仅仅是示例性的。在另一个示例性实施方案中，相位检测像素块100可包括被不同类型的微透镜覆盖的多个相邻像素。
图4是可包括在图像传感器(诸如图像传感器14)中的示例性像素的顶视图。如图所示，像素200具有至少两个不同的光收集区域(LCA)。像素200可包括具有用于捕获相同光谱的光的相关联的像素电路的光电二极管。例如，像素200可用于捕获红色、绿色、蓝色、青色、品红色、黄色、近红外光、红外光或任何其他光谱的光。单个红色、绿色、蓝色、青色、品红色、黄色、近红外光、红外光或透明滤色器可在像素200上方形成。在某些实施方案中，在像素200上方形成的滤色器可具有通过有色光的区域以及透明区域(即，在可见光谱之外通过可见光谱光或全光谱光)。
图4的像素200可包括第一子像素202，该第一子像素可被称为内部子像素202。内部子像素202可被第二子像素204完全包围，该第二子像素可被称为外部子像素204。内部子像素202和外部子像素204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，诸如像素200的转移门、浮动扩散区和复位门，该衬底耦接到子像素202和子像素204中的光电二极管区。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体p型衬底。
内部子像素202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202的光收集区域为圆形区。在表面处，内部子像素202可以具有直径S1。例如，内部子像素202中的光电二极管的直径S1可以是1微米，但是可另选地是任何其他尺寸而不脱离本实施方案的范围。外部子像素204在表面处可具有正方形外边界和圆形内边界。由图4中所示外部子像素204的正方形外边界和圆形内边界包围的区域可对应于外部子像素204的光收集区域。如图4中所示，外部子像素204的侧面中的一个侧面的长度为S2。例如，S2可为3微米，但可另选地为任何其他尺寸而不脱离本发明实施方案的范围。长度S2优选地大于长度S1。外部子像素204在图4中示出为具有正方形外边界，但可另选地具有矩形外边界或任何其他所需的形状的外边界(例如，弯曲外边界诸如圆形外边界)。
如果需要，可以在内部子像素202和外部子像素204之间形成可选的隔离区。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202被外部子像素204包围，所以内部子像素202有时可被描述为嵌套在外部子像素204内。像素200有时可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，因为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202可具有对入射光的较低敏感度，并且与外部子像素204相比可被称为具有较低敏感度的光收集区域。内部子像素202和外部子像素204的相应掺杂浓度可不同，或该相应掺杂浓度可相同。例如，内部子像素202中的光电二极管区的掺杂浓度可被修改成降低内部子像素202对光的敏感度。然而，为了简洁地阐释并强调像素200的特性，将假设子像素202和204具有掺杂浓度相同的光电二极管。与外部子像素204相比，内部子像素202对入射光的较低敏感度可能是与外部子像素204的光收集区域相比内部子像素202的光收集区域较小的结果。
内部子像素202有时可称为内部光电二极管202或内部感光区域202。类似地，外部子像素204有时可称为外部光电二极管204或外部感光区域204。
外部子像素组的感光度与内部子像素组的感光度的比率可为至少4比1，但可以为5比1、10比1、任何中间比率或任何更大的比率。换句话讲，外部子像素组的感光度可比内部子像素组的感光度高至少四倍。
一个或多个微透镜可在图4的像素200上方形成以将光导向外部子像素204。一个或多个微透镜可在滤色器上方形成，该滤色器在像素200上方形成。为了将光导向外部子像素204，一个或多个微透镜可仅在外部子像素204上方形成。如图4所示，微透镜206是覆盖外部子像素204的环形微透镜。环形微透镜具有与内部子像素202重叠的开口，使得微透镜不与内部子像素202重叠。这使得能够将光导向外部子像素。然而，在一些实施方案中，将光导向外部子像素204的一个或多个微透镜可以部分地或完全地与子像素202的光收集区域重叠。将光导向外部子像素204可进一步增大外部子像素204的光收集区域相对于内部子像素202的光收集区域的敏感度而言的敏感度。在一些实施方案中，内部子像素202可任选地由与微透镜206分开形成的微透镜覆盖。
因为入射到像素200上的光被导向到外部子像素204的量大于被导向到内部子像素202的量，所以内部子像素202被认为具有与外部子像素204相比较低敏感度的光收集区域。内部子像素202和外部子像素204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200，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，以进一步增大像素的动态范围。
可能期望在图4所示类型的像素中提供相位检测能力。图5示出了具有高动态范围功能和相位检测能力的示例性成像像素。如图5所示，像素200可包括内部子像素202。另外，像素200可包括两个外部子像素204-1和204-2。子像素204-1和204-2有时可统称为外部子像素组204。通过将外部子像素组204分割为两个单独外部子像素，外部子像素组可具有相位检测能力(例如，子像素204-1和204-2可各自具有对入射光的非对称的响应)。在图4和图5中，环形微透镜206被示出为与内部子像素202不重叠。这个示例仅仅是示例性的。如果需要，环形微透镜206可与内部子像素202部分地重叠。微透镜可将光转向以远离内部子像素202而朝向外部子像素组204。
环形微透镜206可被设计为将大多数入射光朝向外部子像素组204引导(例如，以确保外部子像素组的感光度与内部子像素组的感光度的足够比率)。图6中详细示出了示例性环形微透镜206。如图6所示，每个环形微透镜206具有外周边212和内周边214。内周边214限定环形微透镜中的开口216。如此前所讨论，环形微透镜206中的开口216可覆盖下层内部子像素202中的一些或全部下层内部子像素。
在图6的实施方案中，环形微透镜206具有圆形外周边212和圆形内周边214。另外，每个外周边212配合在相关联的像素200的边界(由虚线指示)内。换句话讲，微透镜在图6中未合并在一起。这个示例仅仅是示例性的。在实施过程中，微透镜可如图7所示的那样合并在一起。
在图7中，每个环形微透镜同样具有圆形外周边212和圆形内周边214。然而，相邻环形微透镜合并在一起(例如，在界面218处)。这允许每个微透镜覆盖该微透镜的像素200的更大区域。为简单起见，在本文后续描述中，每个微透镜的外周边212的形状将在不考虑与相邻微透镜合并的程度的情况下描述。例如，在图7中，外周边212被认为呈圆形(即使该圆与相邻微透镜合并)。
如图7所示的微透镜的合并可在微透镜的制造期间的各个阶段发生。一般来讲，可通过沉积光致抗蚀剂材料并对其进行图案化(例如，光刻工艺)来形成微透镜。在形成光致抗蚀剂图案之后，将光致抗蚀剂材料加热到光致抗蚀剂材料软化并采取半球形形状(或其他具有弯曲外表面的形状)的温度。光致抗蚀剂材料在该阶段可仅部分地固化。然后，当光致抗蚀剂材料具有所需的弯曲外表面时，最终固化工艺(例如，添加的UV辐照或加热)可保持光致抗蚀剂材料的形状。加热光致抗蚀剂材料以赋予曲率有时可称为回流工艺。在一个实施方案中，首先可完全形成(例如，图案化、加热和固化)微透镜的一半(例如呈棋盘图案)。这些微透镜中的每个微透镜可具有例如圆形外周边。然后，一旦微透镜的第一半完成，就可在微透镜的第一半之间形成微透镜的第二半。微透镜的第二半可接触并覆盖微透镜的第一半的部分，从而形成合并界面218(例如，在微透镜的第一半回流并最终固化之后形成合并界面218)。在另选实施方案中，微透镜中的所有微透镜可在一个工艺中形成，并且干法蚀刻转移工艺(例如，使用气体CF4和C4F8)可用于减小间隙并形成附图所示的形状。在这种类型的实施方案中，合并界面218由在蚀刻期间合并的微透镜的光致抗蚀剂材料形成。为简单起见，在本文后续描述中，任一类型的合并界面可被认为是相邻微透镜之间的合并界面218。
图6和图7中具有圆形外周边和圆形内周边的环形微透镜206的示例也仅仅是示例性的。一般来讲，环形微透镜可具有任何所需的外周边形状和内周边形状。例如，为了减少高入射光角度下的串扰，可使用图8至图11所示类型的微透镜布置。为了减少高入射光角度下的串扰，微透镜可将光朝向像素的拐角引导。
图8是具有平面外周边部分的示例性环形微透镜的顶视图。如图8所示，微透镜206在四个侧面上呈方形。换句话讲，并非外周边212呈圆形，而是外周边212具有平面部分220。每个微透镜206具有四个平面部分220。外周边212的弯曲部分(例如，弯曲部分221)被插置在外周边212的平面部分220的每个相应对之间。另外，如图8所示，内周边214具有正方形形状，而非圆形形状。如果需要，内周边214可具有其他所需的形状(例如，非正方形矩形)。与图7的微透镜相比，使微透镜的侧面成正方形可提供高入射光角度下更好的光分离。
在图8中，每个平面部分220具有相应宽度222。外周边212处的平面部分220的宽度可与内周边214的平面部分的宽度相同或与之不同。每个微透镜可具有总体宽度224。宽度222可为任何所需的距离(例如，小于1微米、小于2微米、小于0.5微米、小于0.3微米、小于0.1微米、大于1微米、大于2微米、大于0.5微米、大于0.3微米、大于0.1微米、介于0.1微米与1.0微米之间、介于0.2与0.5微米之间等)。宽度222可为宽度224的任何所需的百分比(例如，小于40％、小于20％、小于10％、小于80％、小于60％、小于50％、大于40％、大于20％、大于10％、大于80％、大于60％、大于50％、介于10％与30％之间、介于10％与50％之间、介于10％与90％之间、介于30％与60％之间、介于25％与75％之间、介于5％与20％之间等)。图8所示的宽度仅仅是示例性的。如果需要，可使用平面部分220的更大宽度，如图9所示。
图8和图9中的微透镜206仍可被描述为环形微透镜(即使外周边212不是正圆)。微透镜206可称为环形微透镜206、环状微透镜206、甜甜圈形微透镜206或圆环微透镜206。
图10示出了像素(诸如图5中的像素200)上方的微透镜的另一种可能布置(其中内部子像素组由外部子像素组围绕)。在图10中，每个像素200由多于一个微透镜覆盖。覆盖给定像素的微透镜可称为微透镜组。每个微透镜组包括具有外周边212和内周边214的环形微透镜206。内周边214限定环形微透镜中的开口216。如此前所讨论，环形微透镜206中的开口216可覆盖下层内部子像素202中的一些或全部下层内部子像素。在图10的实施方案中，环形微透镜206具有圆形外周边212和圆形内周边214(如在图6和图7中)。然而，该示例仅仅是示例性的，并且如果需要，微透镜206可包括具有平面部分的外周边和/或内周边(如在图8和图9中)。
除了环形微透镜206之外，图10中覆盖给定像素的每个微透镜组还包括四个附加微透镜(226-1、226-2、226-3和226-4)。第一微透镜226-1被形成在环形微透镜206上方的像素的左上角中，第二微透镜226-2被形成在环形微透镜206上方的像素的左下角中，第三微透镜226-3被形成在环形微透镜206上方的像素的右上角中，并且第四微透镜226-4被形成在环形微透镜206上方的像素的右下角中。微透镜226-1、226-2、226-3和226-4可呈球形(例如，可具有不带开口的弯曲上表面)。附加微透镜226-1、226-2、226-3和226-4可使光聚焦于像素的拐角并且减少串扰。图10中形成在环形微透镜206的相应拐角上方的附加微透镜226-1、226-2、226-3和226-4中的每个附加微透镜的布置仅仅是示例性的。一般来讲，每个微透镜像素组可包括任何所需的布置中的任何所需的数量的附加微透镜(例如，一个、两个、三个、四个、多于四个等)。每个附加微透镜可具有任何所需的形状。
附加微透镜可以任何所需的方式形成。如此前所讨论，可在两个单独光刻工艺中形成环形微透镜206(例如，形成环形微透镜的第一半，然后形成微透镜的第二半)。然后可在单个光刻工艺或多个光刻工艺中在环形微透镜上方形成附加微透镜226-1、226-2、226-3和226-4。附加微透镜226-1、226-2、226-3和226-4可直接在环形微透镜206上图案化，使得附加微透镜与环形微透镜直接接触。
图11示出了像素(诸如图5中的像素200)上方的微透镜的又一种可能布置(其中内部子像素组由外部子像素组围绕)。如图11所示，环形微透镜组可由没有开口的单独微透镜形成。每个像素可由四个相应微透镜228-1、228-2、228-3和228-4覆盖。四个相应微透镜可近似于环形微透镜206的形状，该环形微透镜具有由这四个微透镜之间的空间限定的中心开口216。
第一微透镜228-1被形成在像素的左上角中，第二微透镜228-2被形成在像素的左下角中，第三微透镜228-3被形成在像素的右上角中，并且第四微透镜228-4被形成在像素的右下角中。微透镜228-1、228-2、228-3和228-4可呈球形(例如，可具有不带开口的弯曲上表面)。微透镜228-1、228-2、228-3和228-4可使光聚焦于像素的拐角并且减少串扰。图11中形成在像素的相应拐角上方的微透镜228-1、228-2、228-3和228-4中的每个微透镜的布置仅仅是示例性的。一般来讲，每个微透镜组可包括任何所需的布置中的任何所需的数量的微透镜(例如，一个、两个、三个、四个、多于四个等)。每个微透镜可具有任何所需的形状。
微透镜228-1、228-2、228-3和228-4可偏离微透镜的对应像素200的中心。如图所示，每个像素200具有微透镜之间的开口216内的中心(例如，几何中心)230。每个微透镜具有与中心230隔开距离234的相应中心(例如，几何中心)232。每个微透镜中心232还可与相邻微透镜组之间的点238隔开(例如，中心230是单个微透镜组内的四个相邻微透镜的中心，并且点238是不同微透镜组中的四个相邻微透镜的中心)。因为每个微透镜偏离像素的中心，因此距离234大于距离236。
一般来讲，可通过沉积光致抗蚀剂材料并对其进行图案化(例如，光刻工艺)来形成微透镜228-1、228-2、228-3和228-4。然后，回流和最终固化保持微透镜的弯曲外表面的所需的形状。在一个实施方案中，首先可完全形成(例如，图案化、加热和固化)微透镜228-1、228-2、228-3和228-4的一半(例如呈棋盘图案)。这些微透镜中的每个微透镜可具有例如圆形周边。然后，一旦微透镜的第一半完成，就可在微透镜的第一半之间形成微透镜的第二半。微透镜的第二半可接触并覆盖微透镜的第一半的部分，从而形成合并界面(例如，在微透镜的第一半回流并最终固化之后形成的合并界面)。在另选实施方案中，微透镜中的所有微透镜228-1、228-2、228-3和228-4可在一个工艺中形成，并且干法蚀刻转移工艺(例如，使用气体CF4和C4F8)可用于减小间隙并形成附图所示的形状。在这种类型的实施方案中，微透镜之间的合并界面由在蚀刻期间合并的微透镜的光致抗蚀剂材料形成。
在图6至图11的前述实施方案中，如果需要，可基于像素的颜色来调谐每个微透镜。每个像素具有给定颜色的对应滤色器元件(例如，图2A至图2C中的滤色器元件104)。可基于给定颜色(例如，基于滤色器元件所透射的光的波长)来调谐给定颜色的滤色器元件上方的微透镜组。例如，可基于像素的颜色以不同形状、材料、折射率、位置等形成微透镜。具体地讲，可基于像素的颜色来选择开口216的位置(例如，相对于微透镜的移位)和尺寸(例如，直径或宽度)。可基于像素的颜色来选择每个微透镜的曲率半径。如果需要，给定像素内的非对称的微透镜形状或非对称的微透镜定位可用于微透镜。
另外，在图6至图11的前述实施方案中，像素的中心中(例如，在图5中的内部子像素组202上方)的开口216可保持敞开或可由附加微透镜覆盖。开口216可具有任何所需的形状和尺寸。
在各种实施方案中，图像传感器可包括成像像素阵列，并且每个成像像素可包括至少一个感光区域、形成在至少一个感光区域上方的滤色器元件和形成在滤色器元件上方的环形微透镜。环形微透镜可包括具有平面部分的外周边。
平面部分可为第一平面部分，并且外周边可具有第二平面部分、第三平面部分和第四平面部分。该外周边可具有第一弯曲部分、第二弯曲部分、第三弯曲部分和第四弯曲部分。第一弯曲部分可被插置在第一平面部分和第二平面部分之间，第二弯曲部分可被插置在第二平面部分和第三平面部分之间，第三弯曲部分可被插置在第三平面部分和第四平面部分之间，并且第四弯曲部分可被插置在第四平面部分和第一平面部分之间。
环形微透镜可具有内周边，该内周边限定环形微透镜中的开口。该开口可为正方形开口。图像传感器还可包括形成在开口上方的附加微透镜。至少一个感光区域可包括内部感光区域和围绕内部感光区域的外部感光区域。开口可与内部感光区域重叠。环形微透镜可具有第一宽度，平面部分可具有第二宽度，并且第二宽度可介于第一宽度的10％与50％之间。
在各种实施方案中，图像传感器可包括成像像素阵列，并且每个成像像素可包括至少一个感光区域、形成在至少一个感光区域上方的滤色器元件、形成在滤色器元件上方的环形微透镜和形成在环形微透镜上的至少一个附加微透镜。
至少一个附加微透镜可包括第一附加微透镜、第二附加微透镜、第三附加微透镜和第四附加微透镜。第一附加微透镜可被形成在至少一个感光区域的第一拐角上方的环形微透镜上，第二附加微透镜可被形成在至少一个感光区域的第二拐角上方的环形微透镜上，第三附加微透镜可被形成在至少一个感光区域的第三拐角上方的环形微透镜上，并且第四附加微透镜可被形成在至少一个感光区域的第四拐角上方的环形微透镜上。第一附加微透镜、第二附加微透镜、第三附加微透镜和第四附加微透镜可与环形微透镜的上表面直接接触。至少一个感光区域可包括内部感光区域和围绕内部感光区域的外部感光区域。
在各种实施方案中，图像传感器可包括成像像素阵列，并且成像像素阵列中的成像像素可包括具有第一感光区域的内部子像素、具有第二感光区域的外部子像素、形成在内部子像素和外部子像素上方的滤色器元件、和形成在滤色器元件上方的第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜。由第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜之间的空间形成的开口可与内部子像素重叠。
第一微透镜可被形成在成像像素的第一拐角上方，第二微透镜可被形成在成像像素的第二拐角上方，第三微透镜可被形成在成像像素的第三拐角上方，并且第四微透镜可被形成在成像像素的第四拐角上方。第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜可呈2×2布置。第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜各自可偏离内部子像素的中心。外部子像素可包括第二感光区域和第三感光区域，第二感光区域可被第一微透镜和第二微透镜重叠，并且第三感光区域可被第三微透镜和第四微透镜重叠。
根据一个实施方案，图像传感器可包括成像像素阵列，并且每个成像像素可包括至少一个感光区域、形成在至少一个感光区域上方的滤色器元件和形成在滤色器元件上方的环形微透镜。环形微透镜可包括具有平面部分的外周边。
根据另一个实施方案，平面部分是第一平面部分，并且外周边具有第二平面部分、第三平面部分和第四平面部分。
根据另一个实施方案，外周边具有第一弯曲部分、第二弯曲部分、第三弯曲部分和第四弯曲部分。
根据另一个实施方案，第一弯曲部分被插置在第一平面部分和第二平面部分之间，第二弯曲部分被插置在第二平面部分和第三平面部分之间，第三弯曲部分被插置在第三平面部分和第四平面部分之间，并且第四弯曲部分被插置在第四平面部分和第一平面部分之间。
根据另一个实施方案，环形微透镜具有内周边，该内周边限定环形微透镜中的开口。
根据另一个实施方案，开口是正方形开口。
根据另一个实施方案，图像传感器还包括形成在开口上方的附加微透镜。
根据另一个实施方案，至少一个感光区域包括内部感光区域和围绕内部感光区域的外部感光区域。
根据另一个实施方案，开口与内部感光区域重叠。
根据另一个实施方案，环形微透镜具有第一宽度，平面部分具有第二宽度，并且第二宽度介于第一宽度的10％与50％之间。
根据一个实施方案，图像传感器可包括成像像素阵列，并且每个成像像素可包括至少一个感光区域、形成在至少一个感光区域上方的滤色器元件、形成在滤色器元件上方的环形微透镜和形成在环形微透镜上的至少一个附加微透镜。
根据另一个实施方案，至少一个附加微透镜可包括第一附加微透镜、第二附加微透镜、第三附加微透镜和第四附加微透镜。
根据另一个实施方案，第一附加微透镜被形成在至少一个感光区域的第一拐角上方的环形微透镜上，第二附加微透镜被形成在至少一个感光区域的第二拐角上方的环形微透镜上，第三附加微透镜被形成在至少一个感光区域的第三拐角上方的环形微透镜上，并且第四附加微透镜被形成在至少一个感光区域的第四拐角上方的环形微透镜上。
根据另一个实施方案，第一附加微透镜、第二附加微透镜、第三附加微透镜和第四附加微透镜与环形微透镜的上表面直接接触。
根据另一个实施方案，至少一个感光区域包括内部感光区域和围绕内部感光区域的外部感光区域。
根据一个实施方案，图像传感器可包括成像像素阵列，并且成像像素阵列中的成像像素可包括具有第一感光区域的内部子像素、具有第二感光区域的外部子像素、形成在内部子像素和外部子像素上方的滤色器元件和形成在滤色器元件上方的第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜，其中由第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜之间的空间形成的开口与内部子像素重叠。
根据另一个实施方案，第一微透镜被形成在成像像素的第一拐角上方，第二微透镜被形成在成像像素的第二拐角上方，第三微透镜被形成在成像像素的第三拐角上方，并且第四微透镜被形成在成像像素的第四拐角上方。
根据另一个实施方案，第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜呈2×2布置。
根据另一个实施方案，第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜各自偏离内部子像素的中心。
根据另一个实施方案，外部子像素包括第二感光区域和第三感光区域，第二感光区域被第一微透镜和第二微透镜重叠，并且第三感光区域被第三微透镜和第四微透镜重叠。
前述内容仅仅是对本发明原理的示例性说明，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。

Claims (10)

1.一种图像传感器，所述图像传感器包括成像像素阵列，其中每个成像像素包括：
至少一个感光区域；
滤色器元件，所述滤色器元件形成在所述至少一个感光区域上方；和
环形微透镜，所述环形微透镜形成在所述滤色器元件上方，其中所述环形微透镜包括具有平面部分的外周边。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述平面部分是第一平面部分，其中所述外周边具有第二平面部分、第三平面部分和第四平面部分，其中所述外周边具有第一弯曲部分、第二弯曲部分、第三弯曲部分和第四弯曲部分，其中所述第一弯曲部分被插置在所述第一平面部分和所述第二平面部分之间，其中所述第二弯曲部分被插置在所述第二平面部分和所述第三平面部分之间，其中所述第三弯曲部分被插置在所述第三平面部分和所述第四平面部分之间，并且其中所述第四弯曲部分被插置在所述第四平面部分和所述第一平面部分之间。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述环形微透镜具有内周边，所述内周边限定所述环形微透镜中的开口，并且其中所述开口是正方形开口。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述环形微透镜具有内周边，所述内周边限定所述环形微透镜中的开口，所述图像传感器还包括：
附加微透镜，所述附加微透镜形成在所述开口上方。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述环形微透镜具有内周边，所述内周边限定所述环形微透镜中的开口，其中所述至少一个感光区域包括内部感光区域以及围绕所述内部感光区域的外部感光区域，并且其中所述开口与所述内部感光区域重叠。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述环形微透镜具有第一宽度，其中所述平面部分具有第二宽度，并且其中所述第二宽度介于所述第一宽度的10％与50％之间。
7.一种图像传感器，所述图像传感器包括成像像素阵列，其中每个成像像素包括：
至少一个感光区域；
滤色器元件，所述滤色器元件形成在所述至少一个感光区域上方；
环形微透镜，所述环形微透镜形成在所述滤色器元件上方；和
至少一个附加微透镜，所述至少一个附加微透镜形成在所述环形微透镜上。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述至少一个附加微透镜包括第一附加微透镜、第二附加微透镜、第三附加微透镜和第四附加微透镜，其中所述第一附加微透镜被形成在所述至少一个感光区域的第一拐角上方的所述环形微透镜上，其中所述第二附加微透镜被形成在所述至少一个感光区域的第二拐角上方的所述环形微透镜上，其中所述第三附加微透镜被形成在所述至少一个感光区域的第三拐角上方的所述环形微透镜上，其中所述第四附加微透镜被形成在所述至少一个感光区域的第四拐角上方的所述环形微透镜上，并且其中所述第一附加微透镜、所述第二附加微透镜、所述第三附加微透镜和所述第四附加微透镜与所述环形微透镜的上表面直接接触。
9.一种图像传感器，所述图像传感器包括成像像素阵列，其中所述成像像素阵列中的成像像素包括：
内部子像素，所述内部子像素包括第一感光区域；
外部子像素，所述外部子像素包括第二感光区域；
滤色器元件，所述滤色器元件形成在所述内部子像素和所述外部子像素上方；和
第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜，所述第一微透镜、所述第二微透镜、所述第三微透镜和所述第四微透镜形成在所述滤色器元件上方，其中由所述第一微透镜、所述第二微透镜、所述第三微透镜和所述第四微透镜之间的空间形成的开口与所述内部子像素重叠。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述第一微透镜被形成在所述成像像素的第一拐角上方，其中所述第二微透镜被形成在所述成像像素的第二拐角上方，其中所述第三微透镜被形成在所述成像像素的第三拐角上方，并且其中所述第四微透镜被形成在所述成像像素的第四拐角上方。
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