CN110677605B - 一种叠层cis、图像处理方法及存储介质和终端设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种叠层互补金属氧化物半导体图像传感器CIS、图像处理方法及存储介质和终端设备，该叠层CIS包括第一层像素结构和第二层像素结构，所述第一层像素结构位于所述第二层像素结构之上；其中，所述第一层像素结构包括第一像素单元和第二像素单元，所述第一像素单元中设置有第一光电二极管PD柱阵列，所述第二像素单元中设置有第二PD柱阵列；所述第二层像素结构包括第三像素单元，所述第三像素单元中设置有第三PD柱阵列，且所述第三像素单元的数量等于所述第一像素单元和所述第二像素单元的数量之和的四分之一。

Description

一种叠层CIS、图像处理方法及存储介质和终端设备

技术领域

本申请涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种叠层CIS、图像处理方法及存储介质和终端设备。

背景技术

图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的设备。图像传感器主要分为电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)图像传感器和金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器。随着CMOS工艺和技术的不断提升，CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)越来越多地应用于各种消费类电子产品中，比如数码相机、智能手机等。

其中，Foveon X3是一款可以在一个像素单元上捕捉全部色彩的CIS，且Foveon X3采用三层感光元件，每层记录一个颜色通道，这样在一个像素单元实现了红色(Red，R)、绿色(Green，G)和蓝色(Blue，B)三种颜色的检测。然而，现有的Foveon X3不仅存在功耗高、发热大、像素尺寸大、算法复杂等缺陷，而且光谱串扰(crosstalk)还会比较严重，使得色彩不准确，比如高感光下色彩表现差，低光下色彩噪声高。

发明内容

本申请实施例提出一种叠层CIS、图像处理方法及存储介质和终端设备，不仅可以提高CIS的色彩还原准确度，还可以提高CIS的信噪比，同时也可以降低CIS的功耗。

本申请实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种叠层CIS，该叠层CIS包括第一层像素结构和第二层像素结构，第一层像素结构位于第二层像素结构之上；其中，

第一层像素结构包括第一像素单元和第二像素单元，第一像素单元中设置有第一光电二极管(Photo Diode，PD)柱阵列，第二像素单元中设置有第二PD柱阵列；

第二层像素结构包括第三像素单元，第三像素单元中设置有第三PD柱阵列，且第三像素单元的数量等于第一像素单元和第二像素单元的数量之和的四分之一。

第二方面，本申请实施例提供了一种图像处理方法，应用于如第一方面所述的叠层CIS，该方法包括：

通过第一像素单元中的第一PD柱阵列对入射光中的蓝光进行吸收和光电转换，获取所述第一像素单元对应的第一电信号；

通过第二像素单元中的第二PD柱阵列对入射光中的绿光进行吸收和光电转换，获取所述第二像素单元对应的第二电信号；

通过第三像素单元中的第三PD柱阵列对入射光中的红光进行吸收和光电转换，获取所述第三像素单元对应的第三电信号；

读出所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号。

第三方面，本申请实施例提供了一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有图像处理程序，图像处理程序被至少一个处理器执行时实现如第二方面所述的方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种终端设备，该终端设备至少包括如第一方面所述的叠层CIS。

本申请实施例所提供的一种叠层CIS、图像处理方法及存储介质和终端设备，该叠层CIS包括第一层像素结构和第二层像素结构，第一层像素结构位于第二层像素结构之上；其中，第一层像素结构包括第一像素单元和第二像素单元，第一像素单元中设置有第一PD柱阵列，第二像素单元中设置有第二PD柱阵列；而且第二层像素结构包括第三像素单元，第三像素单元中设置有第三PD柱阵列，同时第三像素单元的数量等于第一像素单元和第二像素单元的数量之和的四分之一；这样，由于本申请的叠层CIS采用双层叠层结构，不仅提高了CIS的信噪比，还提高了CIS的解析力，并且降低了去马赛克过程的伪色，提高了CIS的色彩还原准确度；同时由于本申请的叠层CIS只有两层像素结构且第二层像素结构所包括的像素单元为原来数量的四分之一，从而不仅降低了工艺难度，还降低了CIS的功耗。

附图说明

图1为相关技术方案提供的一种Foveon X3的结构示意图；

图2为相关技术方案提供的一种Foveon X3的工作原理示意图；

图3为本申请实施例提供的一种叠层CIS的组成结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种叠层CIS的组成结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种滤光片阵列的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种叠层CIS的截面结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种层级像素的剖面结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种读出电路的具体硬件电路示意图；

图9为本申请实施例提供的一种终端设备的组成结构示意图；

图10为本申请实施例提供的一种图像处理方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关申请相关的部分。

Foveon X3是全球第一款可以在一个像素单元上捕捉全部色彩的图像传感器。通常采用CCD或者CMOS的数码相机是在同一像素单元上只可记录RGB三种颜色中的一种，而Foveon X3采用三层感光元件，每层记录RGB的其中一个颜色通道。

其中，传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感应色彩信息，需要通过滤光片Laura感应色彩信息，可以称之为Bayer滤镜。而Foveon X3在一个像素单元上通过不同的深度来感应色彩，如图1所示，顺着入射光的方向，第一层(用111表示)可以感应蓝光，用于进行蓝光子的收集，第二层(用222表示)可以感应绿光，用于进行绿光子的收集，第三层(用333表示)可以感应红光，用于进行红光电子的收集。这样，Foveon X3的工作原理如图2所示，在图2中，其给出了吸收系数、穿透深度和波长三者之间的关系，如此可以利用不同波长的光(比如蓝光、绿光或者红光)在硅中吸收效应的差异来测量不同深度所获得的信号，最终在一个像素单元实现了蓝光、绿光和红光这三种颜色的检测。

然而，现有的Foveon X3功耗高，发热大，像素尺寸大，数据量大，帧率低，光谱crosstalk可能会比较严重，而且还原RGB的算法比较复杂，色彩不准确，比如高感光下色彩表现差，低光下色彩噪声高。

本申请的实施例提供了一种叠层CIS，该叠层CIS包括第一层像素结构和第二层像素结构，第一层像素结构位于第二层像素结构之上；其中，第一层像素结构包括第一像素单元和第二像素单元，第一像素单元中设置有第一PD柱阵列，第二像素单元中设置有第二PD柱阵列；而且第二层像素结构包括第三像素单元，第三像素单元中设置有第三PD柱阵列，同时第三像素单元的数量等于第一像素单元和第二像素单元的数量之和的四分之一；这样，由于本申请的叠层CIS采用双层叠层结构，不仅提高了CIS的信噪比，还提高了CIS的解析力，并且降低了去马赛克过程的伪色，提高了CIS的色彩还原准确度；同时由于本申请的叠层CIS只有两层像素结构且第二层像素结构所包括的像素单元为原来数量的四分之一，从而不仅降低了工艺难度，还降低了CIS的功耗。

下面将结合附图对本申请各实施例进行详细说明。

本申请的一实施例中，参见图3，其示出了本申请实施例提供的一种叠层CIS的组成结构示意图。如图3所示，该叠层CIS0可以包括：第一层像素结构1和第二层像素结构2，第一层像素结构1位于第二层像素结构2之上；其中，

第一层像素结构1包括第一像素单元101和第二像素单元102，第一像素单元101中设置有第一光电二极管(Photo Diode，PD)柱阵列1011，第二像素单元102中设置有第二PD柱阵列1021；

第二层像素结构2包括第三像素单元201，第三像素单元201中设置有第三PD柱阵列2011，且第三像素单元201的数量等于第一像素单元101和第二像素单元102的数量之和的四分之一。

需要说明的是，在第一层像素结构1中，第一像素单元101的数量为一个或多个，第二像素单元101的数量为一个或多个；在第二层像素结构2中，第三像素单元201的数量为一个或多个；但是第三像素单元201的数量为第一像素单元101和第二像素单元102的数量之和的四分之一。

也就是说，第二层像素结构2中的像素单元位于第一层像素结构1中的四个像素单元之间，即第一层像素结构中每四个像素单元(包括第一像素单元101和第二像素单元102)拥有第二层像素结构2中的一个第三像素单元201。

还需要说明的是，沿着入射光方向，第一像素结构1位于第二像素结构2之上；即按照入射光的垂直深度方向，第一像素结构层叠在第二像素结构2之上，从而实现了CIS的双层叠层结构。

在一些实施例中，如图3所示，第一层像素结构1还可以包括第一滤光片103和第二滤光片104，其中，

第一滤光片103覆盖在第一像素单元101上，第二滤光片104覆盖在第二像素单元102上。

进一步地，在一些实施例中，第一滤光片103，用于对入射光中的绿光进行选择；第二滤光片104，用于对入射光中的蓝光进行选择。

需要说明的是，当入射光照射到第一滤光片103上时，可以对所选择的入射光中的绿光进行吸收，然后只有蓝光和红光透过第一滤光片103，入射到第一像素单元101；当入射光照射到第二滤光片104上时，可以对所选择的入射光中的蓝光进行吸收，然后只有绿光和红光透过第二滤光片104，入射到第二像素单元102。

进一步地，在一些实施例中，第一PD柱阵列1011可以包括有至少一个第一PD柱，且第一PD柱对应的第一直径参数由蓝光波长范围确定；

第二PD柱阵列1021包括有至少一个第二PD柱，且第二PD柱对应的第二直径参数由绿光波长范围确定；

第三PD柱阵列2011包括有至少一个第三PD柱，且所述第三PD柱对应的第三直径参数由红光波长范围确定。

需要说明的是，第一像素单元101可以用于通过第一PD柱阵列1011对入射光中的蓝光进行吸收，即第一PD柱阵列1011中的第一PD柱对应于B通道，可以用于吸收蓝光；第二像素单元102可以用于通过第二PD柱阵列1021对入射光中的绿光进行吸收，即第二PD柱阵列1021中的第二PD柱对应于G通道，可以用于吸收绿光；而第三像素单元201可以用于通过第三PD柱阵列2011对入射光中的红光进行吸收，即第三PD柱阵列2011中的第三PD柱对应于R通道，可以用于吸收红光。

也就是说，在入射光经第一滤光片103之后，入射光中剩余的蓝光和红光将向通过第一层像素结构1中的第一像素单元101和第二层像素结构2中的第三像素单元201进行吸收，这时候第一像素单元101内第一PD柱阵列1011中的第一PD柱可以吸收蓝光，第三像素单元201内第三PD柱阵列2011中的第三PD柱可以吸收红光；相应地，在入射光经第二滤光片104之后，入射光中剩余的绿光和红光将向通过第一层像素结构1中的第二像素单元102和第二层像素结构2中的第三像素单元201进行吸收，这时候第二像素单元102内第二PD柱阵列1021中的第二PD柱可以吸收绿光，第三像素单元201内第三PD柱阵列2011中的第三PD柱可以吸收红光，从而完成了对蓝光、绿光和红光这三种颜色的选择吸收。

还需要说明的是，无论是第一PD柱、还是第二PD柱、或者是第三PD柱，都可以为亚波长的光电二极管。具体地，亚波长是指结构的特征尺寸与工作波长相当或更小的周期(或非周期)结构。这里，亚波长结构的特征尺寸小于波长，它的反射率、透射率、偏振特性和光谱特性等都可以显示出与常规衍射光学元件截然不同的特征，因而亚波长结构具有更大的应用潜力。

另外，由于第一PD柱、第二PD柱以及第三PD柱分别用于吸收入射光中的蓝光、绿光以及红光，因此，第一PD柱对应的第一直径参数，可以由绿光波长范围确定；第二PD柱对应的第二直径参数，可以由蓝光波长范围确定；第三PD柱对应的第三直径参数，可以由红光波长范围确定。

本申请的实施例中，蓝光波长范围可以为440nm至475nm；绿光波长范围可以为492nm至577nm；红光波长范围可以为625nm至740nm。这里，针对不同的波长范围，所得到的直径参数是不同的。也就是说，第一直径参数、第二直径参数和第三直径参数是各不相同的，且这三个直径参数的度量级别为百纳米级。因此，在一些实施例中，第一PD柱用于吸收蓝光，那么可以通过蓝光波长范围确定出其第一直径参数为60nm，第二PD柱用于吸收绿光，那么可以通过绿光波长范围确定出其第二直径参数为90nm，第三PD柱用于吸收红光，那么可以通过红光波长范围确定出其第三直径参数为120nm。

可以理解地，为了提高光吸收效率，可以通过调整PD柱的尺寸，也即调整PD柱对应的直径参数，以实现对每一个PD柱的共振波长的调整。比如，对于蓝光，可以通过调整第一PD阵列1011中第一PD柱对应的第一直径参数，使其满足60nm，此时蓝光波长将会处于第一PD柱的共振波长的范围之内，从而实现对蓝光信号的共振吸收；对于绿光，可以通过调整第二PD阵列1021中第二PD柱对应的第二直径参数，使其满足90nm，此时绿光波长将会处于第二PD柱的共振波长的范围之内，从而实现对绿光信号的共振吸收；对于红光，可以通过调整第三PD阵2011中第三PD柱对应的第三直径参数，使其满足120nm，此时红光波长将会处于第三PD柱的共振波长的范围之内，从而实现对红光信号的共振吸收。

进一步地，在一些实施例中，第一PD柱对应的第一厚度参数为大于或等于80nm，第二PD柱对应的第二厚度参数为大于或等于80nm，第三PD柱对应的第三厚度参数为大于或等于80nm。

这里，厚度参数的值越大，光吸收率越高。通常来说，无论是第一厚度参数还是第二厚度参数或者第三厚度参数，其值的取值范围为80nm～500m。而且为了增加光吸收率，可以适当的增加厚度。例如，蓝光对应的第一PD柱，通过增加第一厚度参数可以增加蓝光的吸收率；绿光对应的第二PD柱，通过增加第二厚度参数可以增加绿光的吸收率；红光对应的第三PD柱，通过增加第三厚度参数可以增加红光的吸收率。

另外，第一PD柱、第二PD柱以及第三PD柱对应的形状包括长方体、正方体、圆柱体或者平行四边体中的一种；也就是说，每一个PD柱的上表面形状为所述圆柱体的其中一个圆形面，或者所述长方体的其中一个长方形面、或者所述正方体的其中一个正方形形面、或者所述平行四边体的其中一个平行四边形面。通常来说，每一个PD柱对应的形状为圆柱体，其上表面形状为圆形面，但是本申请实施例不作具体限定。

进一步地，在一些实施例中，第一PD柱阵列1011中所包括的第一PD柱数量、第二PD柱阵列1021中所包括的第二PD柱数量与第三PD柱阵列2011中所包括的第三PD柱数量相等；即三种直径参数的PD柱数量是相同的。

需要说明的是，假定第一PD柱阵列中相邻两个第一PD柱之间的间隙为第一预设距离，那么第一PD柱阵列1011中所包括的第一PD柱数量可以由第一像素单元101的大小和第一预设距离确定；假定第二PD柱阵列中相邻两个第二PD柱之间的间隙为第二预设距离，那么第二PD柱数量可以由第二像素单元102的大小和第二预设距离确定；假定第三PD柱阵列中相邻两个第三PD柱之间的间隙为第三预设距离，那么第三PD柱数量可以由第三像素单元201的大小和第三预设距离确定。其中，第一预设距离大于或等于50nm，第二预设距离大于或等于50nm，第三预设距离大于或等于50nm，如此可以避免相邻两个PD柱之间的相互干扰。

进一步地，在图3所示的叠层CIS0的基础上，叠层CIS0还可以包括读出电路，用于读出相关电信号。这里，

第一PD柱阵列1011，可以用于对入射光中的蓝光进行吸收和光电转换，获取第一像素单元101对应的第一电信号；

第二PD柱阵列1021，可以用于对入射光中的绿光进行吸收和光电转换，获取第二像素单元102对应的第二电信号；

第三PD柱阵列2011，可以用于对入射光中的红光进行吸收和光电转换，获取第三像素单元201对应的第三电信号；

读出电路，可以用于读出第一像素单元101对应的第一电信号、第二像素单元102对应的第二电信号和第三像素单元201对应的第三电信号。

进一步地，由于每一层像素结构中均会配置一个与每一层PD柱连接的读出电路，因此，读出电路可以分为第一层对应的第一读出电路和第二层对应的第二读出电路。如图4所示，叠层CIS0可以包括有第一层读出电路105和第二层读出电路202，第一层读出电路105位于第一层像素结构1上，第一层读出电路105可以与第一像素单元101中的第一PD柱阵列1011和第二像素单元102中的第二PD柱阵列1021连接，第二层读出电路202位于第二层像素结构2上，第二层读出电路202可以与第三像素单元201中的第三PD柱阵列2011连接。

具体来说，可以由第一层读出电路105读出第一像素单元101对应的第一电信号和第二像素单元102对应的第二电信号，然后由第二层读出电路202读出第三像素单元201对应的第三电信号。在读出第一电信号、第二电信号和第三电信号等这些电信号之后，可以将这些电信号进行转换，然后将转换后得到的数字信号进行传输。

还需要说明的是，叠层CIS中还可以包括图像处理器(图中未示出)，图像处理器可以称为图像信号处理器(Image Signal Processor，ISP)，这样，在ISP接收到三种数字信号(包括第一数字信号、第二数字信号和第三数字信号)后，经过ISP处理可以输出入射光对应的彩色图像。

进一步地，由于第一滤光片103可以用于对所选择的入射光中的绿光进行吸收，并且透过蓝光和红光；第二滤光片104可以用于对所选择的入射光中的蓝光进行吸收，并且透过绿光和红光。因此，在一些实施例中，第一滤光片103可以为紫色滤光片，所述第二滤光片104为黄色滤光片。

参见图5，其示出了本申请实施例提供的一种滤光片阵列的结构示意图。在图5中，该滤光片阵列可以由第一滤光片103和第二滤光片104构成；其中，第一滤光片103为可以吸收绿光且透过蓝光和红光的紫色滤光片P，第二滤光片104为可以吸收蓝光且透过绿光和红光的黄色滤光片Y。

这样，由于叠层CIS0中包含有两层像素结构，而第一层像素结构1由两种像素单元构成，一种是处于紫色滤光片下方的第一像素单元101，该第一像素单元101中包括有若干个第一PD柱(形成了第一PD柱阵列1011)，可以用来吸收蓝光；另一种是处于黄色滤光片下方的第二像素单元102，该第二像素单元102中包括有若干个第二PD柱(形成了第二PD柱阵列1021)，可以用来吸收绿光；然后第二层像素结构2是由第三像素单元201构成，该第三像素单元201中包括有若干个第三PD柱(形成了第三PD柱阵列2011)，可以用来吸收红光，从而完成了对蓝光、绿光和红光这三种颜色的选择吸收。

参见图6，其示出了本申请实施例提供的一种叠层CIS的截面结构示意图。在图6中，入射光经过第一滤光片(比如紫色滤光片P)之后，剩余的蓝光和红光将入射到第一层像素结构上，蓝光在经过第一像素单元中的第一PD柱阵列1011(第一PD柱的直径为60nm)之后，由于第一PD柱阵列中至少一个第一PD柱的共振吸收，95％以上的蓝光会被吸收，并转化成第一电信号存储在第一个PD柱内，通过读出电路可以读出得到B通道的信号；同步地，入射光经过第二滤光片(比如黄色滤光片Y)之后，剩余的绿光和红光也将入射到第一层像素结构上，绿光在经过第二像素单元中的第二PD柱阵列1021(第二PD柱的直径为90nm)之后，由于第二PD柱阵列中至少一个第二PD柱的共振吸收，90％以上的绿光会被吸收，并转化成第二电信号存储在第一个PD柱内，仍然通过读出电路可以读出得到G通道的信号，这时候红光几乎不吸收；当入射光中剩余的红光到达第二层像素结构时，红光将会被第三像素单元中的第三PD柱阵列2011(第三PD柱的直径为120nm)进行吸收，然后通过读出电路可以读出得到R通道的信号。

本申请实施例中，第一PD柱阵列中所包括的第一PD柱数量、第二PD柱阵列中所包括的第二PD柱数量与第三PD柱阵列中所包括的第三PD柱数量相等；即三种直径参数的PD柱数量是相同的。但是为了进一步降低功耗，第二层像素结构中的像素单元数量减少为第一层像素结构中的像素单元数量的四分之一。也就是说，第二层像素结构中的像素单元位于第一层像素结构中的四个像素单元之间，即第一层像素结构中每四个像素单元(包括第一像素单元101和第二像素单元102)拥有第二层像素结构中的一个第三像素单元201，如图7所示，其示出了本申请实施例提供的一种层级像素的剖面结构示意图。在图7中，可以看到第一层剖面有四个像素单元，假定第一像素单元101有两个(分别用101a和101b表示)，第二像素单元102有两个(分别用102a和102b表示)，这四个像素单元为第一层像素结构中；而第二层像素结构中只有一个像素单元，该像素单元位于这四个像素单元的中间，用201a表示。另外，在图7中，圆柱形剖面表示PD柱，灰色长方形剖面表示读出电路。这样，通过CIS的双层叠层结构，不仅能够提高CIS的信噪比，还能够提高CIS的解析力，从而降低了去马赛克过程中的伪色，而且这种双层叠层结构还可以极大降低CIS的功耗。

进一步地，在一些实施例中，读出电路的具体硬件电路中，读出电路可以包括与至少一个PD柱连接的转移管(用TG表示)、与该转移管连接的读出区(用FD表示)和与该读出区连接的选通管(用SEL表示)，其中，选通管可以用于按照预设读出顺序，选通转移管；转移管可以用于在选通管选通时，将对应的电信号转移至读出区。

进一步地，读出电路还可以包括与读出区和选通管连接的放大管(用BSF表示)；其中，放大管可以用于将读出区读出的电信号进行放大，而选通管还可以用于将所放大的电信号传输至图像处理器。

除此之外，该读出电路还可以包括与读出区和放大管连接的复位管(用RST表示)；其中，读出区还可以用于读出复位管中的复位电平，而放大管还可以用于对复位电平进行放大。

需要说明的是，复位管的源极和电源(用V_APPIX表示)连接；复位管的漏极和FD连接，其中，复位管中存储有复位电平，通过FD读出复位电平。这样，分别从复位管读出复位电平、从转移管读出电信号，之后，对复位电平和电信号进行放大之后，对放大的电信号和放大的复位电平进行相关双采样，从而还可以降低读出电信号的噪声。

示例性的，参见图8，其示出了本申请实施例提供的一种读出电路的具体硬件电路示意图。如图8所示，将PD柱中的n区通过转移管(TG)和读出区(FD)连接，FD还与复位管(RST)的漏极连接，复位管的源极和电源(V_APPIX)连接；FD还与放大晶体管(BSF)的栅极连接，BSF的源极和电源连接，BSF的漏极与选通管(SEL)的源极连接，选通管的漏极和输出端(OUT)连接。具体来说，图8所示的读出电路的工作流程为：曝光：光照射产生的电子-空穴对会因PPD区产生的电场的存在而分开，电子移向n区，空穴移向p区；复位：在曝光结束时，激活RST，将读出区复位到高电平；复位电平读出：复位完成后，读出复位电平，将读出的信号存储在第一个电容中；电荷转移：激活TX，将电荷从感光区完全转移到n+区用于读出；信号电平读出：在电荷转移之后，读出信号电平。

还需要注意的是，在每一层的像素结构中，针对每一层的PD柱都会配置一个如图8所示的读出电路。

本申请实施例中，第一像素单元、第二像素单元和第三像素单元中的PD柱的直径参数可以调换，所对应吸收的光颜色(比如R、G、B三种颜色)也会相应调换；同时也可以通过改变滤光片，从而能够改变第一滤光片或第二滤光片所吸收的光颜色，使得R、G、B三种颜色可以任意更换。

进一步地，本申请实施例是基于亚波长光电二极管，然后利用叠层像素，这样相对于bayer阵列的CIS来说，不仅降低了去马赛克过程的伪色，提高了CIS解析力，而且相对于三层叠层CIS，由于双层叠层CIS中只有两层像素且第二层的像素单元减少为原来的四分之一，从而进一步降低了功耗。

本实施例提供了一种叠层CIS，该叠层CIS包括第一层像素结构和第二层像素结构，第一层像素结构位于第二层像素结构之上；其中，第一层像素结构包括第一像素单元和第二像素单元，第一像素单元中设置有第一PD柱阵列，第二像素单元中设置有第二PD柱阵列；而且第二层像素结构包括第三像素单元，第三像素单元中设置有第三PD柱阵列，同时第三像素单元的数量等于第一像素单元和第二像素单元的数量之和的四分之一；这样，由于本申请的叠层CIS采用双层叠层结构，不仅提高了CIS的信噪比，还提高了CIS的解析力，并且降低了去马赛克过程的伪色，提高了CIS的色彩还原准确度；同时由于本申请的叠层CIS只有两层像素结构且第二层像素结构所包括的像素单元为原来数量的四分之一，从而不仅降低了工艺难度，还降低了CIS的功耗。

本申请的另一实施例中，前述实施例中任一项所述的叠层CIS0可以位于终端设备中。参见图9，其示出了本申请实施例提供的一种终端设备的组成结构示意图。如图9所示，终端设备90至少包括有前述实施例中任一项所述的叠层CIS0。

在本申请实施例中，终端设备90可以包括诸如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、便捷式媒体播放器(Portable Media Player，PMP)、导航装置、可穿戴设备、数码相机、数码摄像机等移动式终端设备，以及诸如数字TV、台式计算机等固定式终端设备，本申请实施例不作具体限定。

本申请的又一实施例中，参见图10，其示出了本申请实施例提供的一种图像处理方法的流程示意图。如图10所示，该方法可以包括：

S1001：通过第一像素单元中的第一PD柱阵列对入射光中的蓝光进行吸收和光电转换，获取所述第一像素单元对应的第一电信号；以及通过第二像素单元中的第二PD柱阵列对入射光中的绿光进行吸收和光电转换，获取所述第二像素单元对应的第二电信号；

S1002：通过第三像素单元中的第三PD柱阵列对入射光中的红光进行吸收和光电转换，获取所述第三像素单元对应的第三电信号；

需要说明的是，该图像处理方法应用于前述实施例中任一项所述的叠层CIS或者包含有该叠层CIS的终端设备。该叠层CIS可以包括第一层像素结构和第二层像素结构，第一层像素结构位于第二层像素结构之上；其中，第一层像素结构包括第一像素单元和第二像素单元，第一像素单元中设置有第一PD柱阵列，第二像素单元中设置有第二PD柱阵列；而且第二层像素结构包括第三像素单元，第三像素单元中设置有第三PD柱阵列。这里，S1001是当入射光到达第一层像素结构的处理步骤，S1002是当入射光到达第二层像素结构的处理步骤。

还需要说明的是，在第一层像素结构中，第一像素单元的数量为一个或多个，第二像素单元的数量为一个或多个；在第二层像素结构中，第三像素单元的数量为一个或多个；但是第三像素单元的数量为第一像素单元和第二像素单元的数量之和的四分之一。

也就是说，第二层像素结构中的像素单元位于第一层像素结构中的四个像素单元之间，即第一层像素结构中每四个像素单元(包括第一像素单元和第二像素单元)拥有第二层像素结构中的一个第三像素单元。

还需要说明的是，沿着入射光方向，第一像素结构位于第二像素结构之上；即按照入射光的垂直深度方向，第一像素结构层叠在第二像素结构之上，从而实现了CIS的双层叠层结构。

进一步地，在一些实施例中，第一层像素结构还可以包括第一滤光片和第二滤光片，其中，第一滤光片覆盖在第一像素单元上，第二滤光片覆盖在第二像素单元上。

这里，第一滤光片可以用于对入射光中的绿光进行选择；第二滤光片可以用于对入射光中的蓝光进行选择。

需要说明的是，当入射光照射到第一滤光片上时，可以对所选择的入射光中的绿光进行吸收，然后只有蓝光和红光透过第一滤光片，入射到第一像素单元；当入射光照射到第二滤光片上时，可以对所选择的入射光中的蓝光进行吸收，然后只有绿光和红光透过第二滤光片，入射到第二像素单元。

进一步地，在一些实施例中，第一PD柱阵列可以包括有至少一个第一PD柱，且第一PD柱对应的第一直径参数由蓝光波长范围确定；

第二PD柱阵列包括有至少一个第二PD柱，且第二PD柱对应的第二直径参数由绿光波长范围确定；

第三PD柱阵列包括有至少一个第三PD柱，且所述第三PD柱对应的第三直径参数由红光波长范围确定。

需要说明的是，第一像素单元可以用于通过第一PD柱阵列对入射光中的蓝光进行吸收，即第一PD柱阵列中的第一PD柱对应于B通道，可以用于吸收蓝光；第二像素单元可以用于通过第二PD柱阵列对入射光中的绿光进行吸收，即第二PD柱阵列中的第二PD柱对应于G通道，可以用于吸收绿光；而第三像素单元可以用于通过第三PD柱阵列对入射光中的红光进行吸收，即第三PD柱阵列中的第三PD柱对应于R通道，可以用于吸收红光。

也就是说，在入射光经第一滤光片之后，入射光中剩余的蓝光和红光将向通过第一层像素结构中的第一像素单元和第二层像素结构中的第三像素单元进行吸收，这时候第一像素单元内第一PD柱阵列中的第一PD柱可以吸收蓝光，第三像素单元内第三PD柱阵列中的第三PD柱可以吸收红光；相应地，在入射光经第二滤光片之后，入射光中剩余的绿光和红光将向通过第一层像素结构中的第二像素单元和第二层像素结构中的第三像素单元进行吸收，这时候第二像素单元内第二PD柱阵列中的第二PD柱可以吸收绿光，第三像素单元内第三PD柱阵列中的第三PD柱可以吸收红光，从而完成了对蓝光、绿光和红光这三种颜色的选择吸收。

还需要说明的是，无论是第一PD柱、还是第二PD柱、或者是第三PD柱，都可以为亚波长的光电二极管。具体地，亚波长是指结构的特征尺寸与工作波长相当或更小的周期(或非周期)结构。这里，亚波长结构的特征尺寸小于波长，它的反射率、透射率、偏振特性和光谱特性等都可以显示出与常规衍射光学元件截然不同的特征，因而亚波长结构具有更大的应用潜力。

进一步地，第一PD柱用于吸收蓝光，那么可以通过蓝光波长范围确定出其第一直径参数为60nm，第二PD柱用于吸收绿光，那么可以通过绿光波长范围确定出其第二直径参数为90nm，第三PD柱用于吸收红光，那么可以通过红光波长范围确定出其第三直径参数为120nm。

进一步地，第一PD柱对应的第一厚度参数为大于或等于80nm，第二PD柱对应的第二厚度参数为大于或等于80nm，第三PD柱对应的第三厚度参数为大于或等于80nm。

这里，厚度参数的值越大，光吸收率越高。通常来说，无论是第一厚度参数还是第二厚度参数或者第三厚度参数，其值的取值范围为80nm～500m。而且为了增加光吸收率，可以适当的增加厚度。例如，蓝光对应的第一PD柱，通过增加第一厚度参数可以增加蓝光的吸收率；绿光对应的第二PD柱，通过增加第二厚度参数可以增加绿光的吸收率；红光对应的第三PD柱，通过增加第三厚度参数可以增加红光的吸收率。

还需要说明的是，本申请实施例中，第一PD柱阵列1011中所包括的第一PD柱数量、第二PD柱阵列1021中所包括的第二PD柱数量与第三PD柱阵列2011中所包括的第三PD柱数量相等；即三种直径参数的PD柱数量是相同的。

其中，无论是第一PD柱数量，还是第二PD柱数量或者是第三PD柱数量，均由PD柱对应像素单元的大小确定，而且还需要保证相邻两个PD柱之间的间隙需要大于或等于50nm，以避免相邻两个PD柱之间的相互干扰。

S1003：读出所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号。

需要说明的是，叠层CIS还可以包括读出电路，用于读出相关电信号；其中，每一层像素结构中均会配置一个与每一层PD柱连接的读出电路。如此，叠层CIS中可以包括有第一层读出电路和第二层读出电路，第一层读出电路位于第一层像素结构上，第一层读出电路可以分别与第一像素单元中的第一PD柱阵列和第二像素单元中的第二PD柱阵列连接，第二层读出电路位于第二层像素结构上，第二层读出电路还可以与第三像素单元中的第三PD柱阵列连接。

具体来说，假定第一滤光片用于吸收绿光透过蓝光和红光的紫色滤光片，第二滤光片用于吸收蓝光透过绿光和红光的黄色滤光片，如果入射光经过第一滤光片之后到达第一层像素结构，这时候叠层CIS可以通过第一像素单元中的第一PD柱阵列对入射光中的蓝光进行吸收和光电转换，获取第一像素单元对应的第一电信号，然后由第一层读出电路读出第一电信号，这时候红光不会被吸收；相应地，如果入射光经过第二滤光片之后到达第一层像素结构，这时候叠层CIS可以通过第二像素单元中的第二PD柱阵列对入射光中的绿光进行吸收和光电转换，获取第二像素单元对应的第二电信号，然后由第一层读出电路读出第二电信号，这时候红光仍不会被吸收；进一步地，入射光在经过第一滤光片(或第二滤光片)和第一层像素结构之后到达第二层像素结构，这时候叠层CIS可以通过第三像素单元中的第三PD柱阵列对入射光中的红光进行吸收和光电转换，获取第三像素单元对应的第三电信号，然后由第二层读出电路读出第三电信号；后续可以将第一电信号、第二电信号和第三电信号转换为数字信号进行传输。

进一步地，在一些实施例中，在S1003之后，该方法还可以包括：

将所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号进行转换，得到换后的数字信号；

对所述数字信号进行图像处理，得到所述入射光对应的彩色图像。

需要说明的是，叠层CIS中还可以包括图像处理器，该图像处理器可以称为图像信号处理器(Image Signal Processor，ISP)，这样，在ISP接收到三种数字信号(包括第一数字信号、第二数字信号和第三数字信号)之后，经过ISP处理可以输出入射光对应的彩色图像。

本实施例提供了一种图像处理方法，该图像处理方法应用于前述实施例中任一项所述的叠层CIS。其中，通过第一像素单元中的第一PD柱阵列对入射光中的蓝光进行吸收和光电转换，获取第一像素单元对应的第一电信号；通过第二像素单元中的第二PD柱阵列对入射光中的绿光进行吸收和光电转换，获取第二像素单元对应的第二电信号；通过第三像素单元中的第三PD柱阵列对入射光中的红光进行吸收和光电转换，获取第三像素单元对应的第三电信号；然后读出第一电信号、第二电信号和第三电信号；由于叠层CIS采用双层叠层结构，不仅提高了CIS的信噪比，还提高了CIS的解析力，并且降低了去马赛克过程的伪色，提高了CIS的色彩还原准确度；同时由于本申请的叠层CIS只有两层像素结构且第二层像素结构所包括的像素单元为原来数量的四分之一，从而不仅降低了工艺难度，还降低了CIS的功耗；如此，应用于该叠层CIS的图像处理方法，通过第一层像素结构和第二层像素结构的叠层方式，还能够提高图像处理效率。

可以理解地，在前述实施例中所述的叠层CIS的各组成部件可以集成在一个处理单元中，也可以是各个部件单独物理存在，也可以两个或两个以上部件集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并非作为独立的产品进行销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中，基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请的再一实施例中，本实施例提供了一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有图像处理程序，该图像处理程序被至少一个处理器执行时实现前述实施例中任一项所述的方法。

具体来讲，本实施例中的一种图像处理程序可以被存储在光盘，硬盘，U盘等存储介质上，当存储介质中的与所述方法对应的程序或指令被终端设备读取或被执行时，包括：

通过第一像素单元中的第一PD柱阵列对入射光中的蓝光进行吸收和光电转换，获取所述第一像素单元对应的第一电信号；

通过第二像素单元中的第二PD柱阵列对入射光中的绿光进行吸收和光电转换，获取所述第二像素单元对应的第二电信号；

通过第三像素单元中的第三PD柱阵列对入射光中的红光进行吸收和光电转换，获取所述第三像素单元对应的第三电信号；

读出所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。

本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。

本申请所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种叠层互补金属氧化物半导体图像传感器CIS，其特征在于，所述叠层CIS包括第一层像素结构和第二层像素结构，所述第一层像素结构位于所述第二层像素结构之上；其中，

所述第一层像素结构包括第一像素单元和第二像素单元，所述第一像素单元中设置有第一PD柱阵列，所述第二像素单元中设置有第二PD柱阵列；

所述第二层像素结构包括第三像素单元，所述第三像素单元中设置有第三PD柱阵列，且所述第三像素单元的数量等于所述第一像素单元和所述第二像素单元的数量之和的四分之一；

所述第一PD柱阵列包括有至少一个第一PD柱，且所述第一PD柱对应的第一直径参数由蓝光波长范围确定；

所述第二PD柱阵列包括有至少一个第二PD柱，且所述第二PD柱对应的第二直径参数由绿光波长范围确定；

所述第三PD柱阵列包括有至少一个第三PD柱，且所述第三PD柱对应的第三直径参数由红光波长范围确定。

2.根据权利要求1所述的叠层CIS，其特征在于，第一层像素结构还包括第一滤光片和第二滤光片，其中，

所述第一滤光片覆盖在所述第一像素单元上，所述第二滤光片覆盖在所述第二像素单元上。

3.根据权利要求2所述的叠层CIS，其特征在于，

所述第一滤光片，用于对入射光中的绿光进行选择；

所述第二滤光片，用于对入射光中的蓝光进行选择。

4.根据权利要求1所述的叠层CIS，其特征在于，

所述第一像素单元，用于通过所述第一PD柱阵列吸收入射光中的蓝光；

所述第二像素单元，用于通过所述第二PD柱阵列吸收入射光中的绿光；

所述第三像素单元，用于通过所述第三PD柱阵列吸收入射光中的红光。

5.根据权利要求1所述的叠层CIS，其特征在于，

所述第一PD柱对应的第一直径参数为60nm，

所述第二PD柱对应的第二直径参数为90nm，

所述第三PD柱对应的第三直径参数为120nm。

6.根据权利要求1所述的叠层CIS，其特征在于，

所述第一PD柱阵列中所包括的第一PD柱数量、所述第二PD柱阵列中所包括的第二PD柱数量与所述第三PD柱阵列中所包括的第三PD柱数量相等。

7.根据权利要求6所述的叠层CIS，其特征在于，

所述第一PD柱阵列中相邻两个第一PD柱之间的间隙为第一预设距离，所述第一PD柱数量由所述第一像素单元的大小和所述第一预设距离确定；

所述第二PD柱阵列中相邻两个第二PD柱之间的间隙为第二预设距离，所述第二PD柱数量由所述第二像素单元的大小和所述第二预设距离确定；

所述第三PD柱阵列中相邻两个第三PD柱之间的间隙为第三预设距离，所述第三PD柱数量由所述第三像素单元的大小和所述第三预设距离确定。

8.根据权利要求7所述的叠层CIS，其特征在于，

所述第一预设距离大于或等于50nm；

所述第二预设距离大于或等于50nm；

所述第三预设距离大于或等于50nm。

9.根据权利要求1所述的叠层CIS，其特征在于，

所述第一PD柱、所述第二PD柱以及所述第三PD柱对应的形状包括长方体、正方体、圆柱体或者平行四边体中的一种。

10.根据权利要求1所述的叠层CIS，其特征在于，所述叠层CIS还包括读出电路，其中，

所述第一PD柱阵列，用于对入射光中的蓝光进行吸收和光电转换，获取所述第一像素单元对应的第一电信号；

所述第二PD柱阵列，用于对入射光中的绿光进行吸收和光电转换，获取所述第二像素单元对应的第二电信号；

所述第三PD柱阵列，用于对入射光中的红光进行吸收和光电转换，获取所述第三像素单元对应的第三电信号；

所述读出电路，用于读出所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号。

11.一种图像处理方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的叠层CIS，所述方法包括：

通过第一像素单元中的第一PD柱阵列对入射光中的蓝光进行吸收和光电转换，获取所述第一像素单元对应的第一电信号；

通过第二像素单元中的第二PD柱阵列对入射光中的绿光进行吸收和光电转换，获取所述第二像素单元对应的第二电信号；

通过第三像素单元中的第三PD柱阵列对入射光中的红光进行吸收和光电转换，获取所述第三像素单元对应的第三电信号；

读出所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述读出所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号之后，所述方法还包括：

将所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号进行转换，得到换后的数字信号；

对所述数字信号进行图像处理，得到所述入射光对应的彩色图像。

13.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有图像处理程序，所述图像处理程序被至少一个处理器执行时实现如权利要求11至12任一项所述的方法。

14.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备至少包括如权利要求1至10任一项所述的叠层CIS。

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