CN110854142A - 并入有选择性红外滤光器的组合式可见及红外图像传感器 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及并入有选择性红外滤光器的组合式可见及红外图像传感器。本发明揭示一种像素阵列，其包括：绿色像素，其包括第一绿色滤光器及第一清透滤光器；红色像素，其包括红色滤光器及第一特殊滤光器；蓝色像素，其包括蓝色滤光器及第二特殊滤光器；以及IR像素，其包括IR滤光器及第二绿色滤光器与第二清透滤光器中的一者，其中所述第一特殊滤光器以第一IR最小传输率在以850nm为中心的阻带处抑制IR的传输，且所述第二特殊滤光器以第二IR最小传输率在以850nm为中心的所述阻带处抑制IR的传输，且其中所述第一最小IR传输率不同于所述第二最小IR传输率。

Description

并入有选择性红外滤光器的组合式可见及红外图像传感器

相关申请案的交叉参考

此申请案为2017年12月6日提出申请的美国专利申请案第15/620,757号的部分继续申请。

技术领域

本发明大体来说涉及图像传感器系统，其包括可见(VIS)光谱像素及红外(IR)光谱像素的混合图像传感器像素阵列。更具体地，图像传感器系统使用其VIS图像感测能力来产生VIS彩色图像，并使用其IR感测能力来执行IR成像功能。

背景技术

图像感测领域的最新发展已产生具有安全性及机器视觉应用的图像传感器，包含手势感测、深度分析、虹膜检测、眼睛跟踪、夜晚或弱光视觉等。在一个方面中，这些图像传感器使用传统的VIS光谱图像感测像素来产生VIS图像。在另一方面中，这些传感器还使用额外IR光谱像素来产生IR图像。基本上，这些传感器具有产生VIS及IR图像两者的双重目的。

常规上，此双重用途的图像传感器采用直接组合设计，其中IR子传感器经物理并置靠近VIS子传感器。VIS子传感器仅包括VIS成像像素，且IR子传感器仅包括IR成像像素。此设计提供了简单性，但VIS及IR子传感器在成像目标方面不可避免地具有不同的有利位置。因此，所得VIS及IR图像不仅具有不同的光谱(VIS对IR)，而且也不能完全相互叠加。此为后续图像处理形成困难。

发明内容

一些实施例涉及一种图像传感器系统。所述图像传感器系统包括：像素阵列，其包含多个最小重复单元，每一重复单元包括：绿色像素，其包括第一微透镜、第一绿色滤光器、第一清透滤光器及第一图像感测部件；红色像素，其包括第二微透镜、红色滤光器、第一特殊滤光器及第二图像感测部件；蓝色像素，其包括第三微透镜、蓝色滤光器、第二特殊滤光器及第三图像感测部件；IR像素，其包括第四微透镜、IR滤光器及第四图像感测部件。

一些实施例涉及一种像素阵列。所述像素阵列包括：绿色像素，其包括第一绿色滤光器及第一清透滤光器；红色像素，其包括红色滤光器及第一特殊滤光器；蓝色像素，其包括蓝色滤光器及第二特殊滤光器；IR像素，其包括IR滤光器以及第二绿色滤光器及第二清透滤光器中的一者；其中所述第一特殊滤光器以第一IR最小传输率在以850nm为中心的阻带处抑制IR的传输，且所述第二特殊滤光器以第二IR最小传输率在以850nm为中心的阻带处抑制IR的传输，且其中所述第一最小IR传输率不同于所述第二最小IR传输率。

一些实施例涉及一种像素阵列。所述像素阵列包括：绿色像素，其包括第一绿色滤光器及第一清透滤光器；红色像素，其包括红色滤光器及第二清透滤光器；蓝色像素，其包括蓝色滤光器及特殊滤光器；IR像素，其包括IR滤光器及第二绿色滤光器及第三清透滤光器中的一者；其中所述特殊滤光器以IR最小传输率在以850nm为中心的所述阻带处抑制IR的传输。

附图说明

以下参考下图描述本发明非限制性及非穷尽实例，其中除非另有规定贯穿各种视图相同参考编号指代相同零件。

图1A为展示混合VIS-IR图像传感器系统的示范性实施例的示意图。

图1B为示范性VIS-IR图像传感器像素阵列的俯视图，展示含有各个像素的最小重复单元。

图2A为波长对传输率标绘图，展示VIS-IR带通滤光器的特性光传输率曲线。

图2B为波长对传输率标绘图，展示VIS-IR像素阵列内的像素的一组特性光传输率曲线。

图2C为另一波长对传输率标绘图，其展示另一VIS-IR像素阵列内的像素的另一组特性光传输率曲线。

图3A为经改进VIS-IR像素阵列的部分的侧视图。

图3B为另一经改进VIS-IR像素阵列的部分的另一侧视图。

图4A为波长对传输率标绘图，其展示选择性IR滤光器的特性光传输率曲线。

图4B是另一波长对传输率标绘图，其展示改进之前及之后的选择性IR滤光器的两个特性光传输率曲线。

图5为展示包括选择性IR滤光器的混合VIS-IR图像传感器系统的示范性实施例的示意图。

图6展示示范性方法，其包括执行VIS视觉成像模式及IR视觉成像模式的多个步骤。

图7A展示VIS-IR像素阵列的实施例。

图7B展示图7A的VIS-IR像素阵列的替代实施例。

图8A展示VIS-IR像素阵列的另一实施例。

图8B展示图8A的VIS-IR像素阵列的替代实施例。

图9为波长对传输标绘图，其展示选定IR滤光器或抑制IR(SIR)滤光器的两个特性光传输率曲线。

对应参考字符贯穿图式的数个视图指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为了简单及清楚而说明，且不一定按比例绘制。例如，图中的元件中的一些元件的尺寸可相对于其它元件经放大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。此外，为了便于更少地阻碍对本发明的这些各种实施例的观察，通常没有描绘在商业上可行的实施例中有用或必要的共同但充分理解的元件。

具体实施方式

在以下描述中，阐述众多具体细节以提供对实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在没有一或多个具体细节的情况下实践，或与其它方法、组件、材料等一起实践。在其它情况下，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。

贯穿本说明书对“实例”或“实施例”的引用意味着结合实例所描述的特定的特征、结构或特性是包含在本发明的至少一个实例中。因此，在贯穿本说明书的各种地方出现的“实例”或“实施例”不一定皆指相同实例。此外，在一或多个实例中，可将特定特征、结构或特性以任何合适方式组合。

在此说明书中，使用数个术语。除非在本文中具体定义或其使用的上下文将另外明确建议，否则这些术语将具有其来自所属领域的普通含义。

第一实施例：混合VIS-IR图像传感器系统

图1A为混合VIS-IR图像传感器系统100的实施例的示意图，其包括主透镜110、VIS-IR带通滤光器模块120、VIS-IR图像传感器像素阵列130、控制器模块140、功能逻辑模块150及IR光源模块160。本文中进一步揭示每一元件的特征及功能。

主透镜110将入射光聚焦以通过VIS-IR带通滤光器模块120到达下伏VIS-IR图像传感器像素阵列130，作为实例，主透镜110为光学透明的，且允许所有VIS-IR光谱光线从中通过。换句话说，主透镜110不具有IR衰减(IR截止)功能。

VIS-IR带通滤光器模块120包括VIS-IR带通滤光器(或多个滤光器)121，其附接到盖玻璃衬底122的前侧及/或后侧。盖玻璃衬底122提供对VIS-IR带通滤光器121的机械支撑，且优选为光学透明的以允许VI S及IR光两者全光谱通过。VIS-IR带通滤光器121优选地是由多个透明无机材料(例如，氧化硅及氧化钛)的替代层组成的多层结构，且依赖于相消干扰的原理来阻止入射光的某些光谱带，同时允许其它光谱带从中通过。在当前示范性实施例中，如图1A中所说明的VIS-IR滤光器121允许VIS波带及IR波带通过，同时阻止其它波长。此在图2A中展示，且在下面进一步详述。

参考图2A作为实例，其展示VIS-IR带通滤光器121的特性波长对传输率曲线250。传输率曲线250包含VIS范围中的大约400到650纳米(nm)波长的VIS通带260。注意，VIS通带260的形状具有矩形的一般形式(或接近具有两个陡峭边的梯形，即，梯形的两个底角略小于90度)，其中高度接近100％传输率的高度，且其在通带260之外几乎没有泄漏。换句话说，对于通过波长范围的情况，VIS通带260接近理想通带。通过使用由多层透明无机材料产生的相消干涉来实现此接近理想的通带特性。应了解，此近矩形、无泄漏通带特性不同于由有机化合物的绝对值产生的钟形曲线形及泄漏的通带特性，如图2B中所展示，将在本文发明中稍后进一步详述的点。

波长-传输率曲线250还包括在IR范围中大约800nm至900nm波长的IR通带270。再次注意，IR通带270的形状具有陡三角形(其两个底角略小于90度)的形式，其以850nm为中心，且在IR通带270外几乎无泄漏，即，对于通过单一波长(大约850nm)的情况，IR通带270接近于理想通带。通过使用由多层透明无机材料产生的相消干涉，再次实现此接近理想的通带特性。

应了解，图2A中的特性曲线250展示两个通带—VIS通带260及IR通带270。因此，VIS-IR滤光器121可被称作为双带通滤光器，其用于在广泛VIS(400nm到650nm)范围与窄IR范围(850±50nm，或800nm到900nm)内传递的入射光。在其它实施例中，IR范围可更窄，例如，850±30nm、850±10nm，等。其它波长由此VIS-IR滤光器121阻止。

应了解，由多层透明无机材料产生的相消干涉实现的上述通带值取决于入射光的主光线角度(CRA)。这是由于相消干扰的性质，其涉及从多层透明材料的界面反射的光。作为实例，在(入射光垂直于入射平面，且包含在正常平面中)的零度的CRA，窄IR通带为大约850±50nm，即，800-900nm，如先前所揭示。相反，在30度的CRA(光以一角度倾斜进来，且偏离法向平面30度)中，IR通带偏移到825±45nm，或780nm到870nm的新范围。对CRA的此通带依赖性将对图像传感器系统设计产生影响，且将在本发明中稍后再次提出。

现在参考图1A，VIS-IR图像传感器像素阵列130位于VIS-IR带通滤光器模块120下方。像素阵列130包括多个VIS及IR像素，其中一组VIS及IR像素形成多个重复单元135，其在图1B中展示为像素阵列130的俯视图的部分。最小重复单元被定义为构成整个像素阵列的最小像素组。根据图1B，像素阵列130的最小重复单元135由布置在正方形2X2模式中的绿色(G)像素131、红色(R)像素132、蓝色(B)像素133及IR像素134组成。

图1A展示像素阵列130的(代表性部分)的横截面侧视图，其包括四个单独像素131到134。为了说明的目的，在像素阵列130中仅展示四个像素131(G)、132(R)、133(B)及(B)和134(IR)。实际上，像素阵列130包括可具有不同布置的更多个别像素。所有四个像素131、132、133及134共享相似的特征，且通过将绿色(G)像素131描述为代表像素来在本文中揭示。

G像素131包括微透镜131a、G滤光器131b及图像感测部件131c。微透镜131a可由树脂材料制成，且主要用于将入射光集中到像素131自身中。G滤光器131b包含有机材料，且依赖于基于化学的光学吸收原理来通过特定波长的光带同时阻止其它波长。在此实例中，G滤光器131b通过约450nm到650nm的绿色波段。

图2B展示波长对传输率曲线组200，其包括G带通特性曲线220，其对应于G滤光器131b。G曲线220包括大约450nm到650nm的主色G带通范围，但是在450nm到650nm主通带之外还具有显著的泄漏范围，例如，在300nm到450nm范围内，且还在700nm到1100nm的近IR和IR范围。泄漏范围归因于基于化学的光学吸收的性质。在450nm到650nm主色G通带内，曲线的外观类似于部分倾斜孔非光滑的钟形曲线形状。此非理想的通带形状也归因于基于化学的光学吸收。这些特性不同于图2A及其相关描述中所揭示的VIS-IR带通滤光器121的近理想特性。应了解，尽管依赖于相消干扰的多层滤光器适用于例如滤光器121的大尺寸(毫米级及以上)滤光器，但此类型的滤光器设计通常不可能制造用于小图像传感器像素(微米级或更小)，例如像素131。相反，依赖于基于化学的光学吸收的有机化合物滤光器更适合于例如滤光器131b的小尺寸滤光器，因为必要的制造工艺(例如，光刻、旋涂及干燥)可容易地应用于制造小的、微米(或亚微米)尺寸的滤光器。

返回图1A，G像素131包含在G滤光器131b正下方的图像感测部件131c。图像感测部件131c可为CMOS(互补金属氧化物半导体)或CCD(电荷耦合装置，类似于CMOS，但具有微小变化)配置。例如，在CMOS配置中，感测部件131c由硅衬底(未标记)制成，光电二极管(未展示)形成在硅衬底中。还可存在例如光电二极管钉扎层(未展示)，光电二极管周围的井结构(未展示)及隔离沟槽(未展示)的其它部件。这些零件基于光电效应产生光电信号。各种晶体管栅极(传输栅极、复位栅极、源极跟随器及行选择)、浮动节点及电气布线可用于放大及中继稍后要处理的光电信号，但也未展示。

类似于上述G像素131的描述，例如R像素132、蓝色像素133及IR像素134的其它像素各自包括其必需微透镜(132a、133a及134a)，滤光器(132b、133b及134b)以及图像感测部件(132c、133c及134c)。特别地，滤光器131b、132b、133b及134b各自具有其自己的特定特性传输率曲线，即分别为G传输率曲线220、R传输率曲线230、B传输率曲线210及IR传输率240，如图2B中所展示。这些滤光器依赖于基于化学的光学吸收，且其特性曲线具有超出其主光谱通带的泄漏范围，以及在其主光谱通带内具有倾斜及非光滑的钟形曲线形状。

可了解，在上述实施例中，G传输率曲线220的主通带为约450nm到650nm(具有约80％峰值传输率)；R传输率曲线230的主要通带约为650nm到850nm(具有约50％峰值传输率)；B传输率曲线210的主要通带约为380nm到450nm(具有约70％峰值传输率)；且IR传输率曲线240的主要通带约为800nm到1000nm(具有约20％峰值传输率)，其中初级IR通带与R传输率曲线230的主要通带在约800nm到850nm处重叠。

另外，三条VIS传输率曲线(G曲线220、R曲线230及B曲线210)中的每一条在其相应主光谱通带之外含有一或多个泄漏通带，例如，位于大约700nm到1100nm的近IR及IR范围的漏带，具有约为20％的峰值传输率。此意味着每一VIS像素(R、G及B)能够在一定程度上检测IR光。

图2C展示另一替代波长对传输率曲线组250。此组曲线250类似于图2B中的曲线组200，除了IR曲线260具有比图2B中发现的先前IR曲线240高得多的传输率水平。IR曲线240及260两者皆具有位于大约800nm到1000nm的主光谱通带，但曲线260具有约50％的峰值传输率水平，其远高于曲线240的20％。

控制器模块140可与VIS-IR图像传感器像素阵列130物理及电耦合，如图1A中所展示，且操作混合VIS-IR图像传感器系统以在多种操作模式中进行选择。在实施例中，这些模式包含(1)VIS视觉模式，其通常适合于人类视觉；(2)红外视觉模式，其通常适用于安全视觉、机器视觉及夜视。在此实施例中，控制器模块140包括控制VIS视觉模式的VIS视觉模式控制子模块141，以及控制IR视觉模式的IR视觉模式控制子模块142。作为实例，VIS控制子模块141选择性地控制像素阵列130的VIS像素(例如，像素131、132及133)，如通过虚线连接像素131、132及133与VIS控制子模块141所展示。IR控制子模块142选择性地控制像素阵列130的IR像素(例如，像素134)，如通过虚线连接像素134与IR控制子模块142所展示。可了解，控制器模块140对像素阵列130的上述控制为任选的。

功能逻辑模块150接收从像素阵列130读出的图像信号(未展示)，并将这些信号处理成图像，例如VIS及IR图像。VIS像素信号用于产生VIS图像，且IR信号用于产生IR图像。图像处理通常由图像信号处理器(ISP，未展示)执行，作为功能逻辑模块150的部分。

IR光源模块160操作以用IR光谱光照射成像对象。在实例中，IR光源模块160为IR发光二极管(LED)，其发射大约850nm的IR光的相对窄光谱范围，具有大约正负50nm、30nm、10nm或甚至更少的容差。850±50nm的发射IR光可为连续的，或在快速，剧烈的脉冲(例如，MHz脉冲频率，与纳秒规模之每一脉冲周期)。在如图1A中所展示的实施例中，在IR视觉模式期间，IR控制子模块142控制IR光源模块160以发射约850nm的IR光脉冲。

本文中揭示VIS及IR视觉模式的工作方式。当选择IR模式用于机器视觉或夜视应用时，IR控制子模块142经接合以控制IR光源模块160以发射约850±50nm的强烈IR光的快速脉冲(公差可小于50nm，例如30nm，10nm等)以照射成像对象。此照明IR光具有足够的功率来超过自然产生的环境光。此操作方案在白天与夜晚都是有效的，但是在环境自然光较低的夜晚(或在有雾的环境中)尤其有效。反射离开成像对象的光含有约850±50nm(公差可小于50纳米)的IR光谱分量的高百分比，且其它不太重要的光谱分量(例如VIS光谱)被视为噪声。因此，此反射光基本上为约850±50nm(公差可小于50纳米)的IR光。上文所提及的所反射IR光通过主透镜110而没有任何明显的滤光。在此IR光继续通过VIS-IR双带通滤光器模块120时，窄850±50nm(公差可小于50nm)的IR通带270(如图2B中所展示)，其重叠或完全包含850±50nm(公差可小于50nm)的所反射IR光谱范围，允许大部分此所反射IR光通过而没有明显的损失，以继续到达下伏像素阵列130。

应了解，VIS-IR带通滤光器120具有窄IR通带，其中心与由光源160发射的IR光的光谱范围的中心(例如，850nm中心)重合。还应了解，如图2A中所展示的IR通带270足够宽(即，围绕其中心具有足够的公差)，以准许从成像对象反射的大部分IR光从中通过。应进一步了解，IR通带270并非极其宽以准许过多噪声通过。作为说明性实例中，光源160发射具有约850±40nm的光谱范围的IR光，且VIS-IR带通滤光器120具有约为850±50nm的对应IR通带。

在IR视觉模式中，像素阵列130基本上用作IR传感器阵列，其依赖于其IR像素134来产生IR信号。在实施例中，VIS像素131、132及133不接合以在此IR视觉模式下操作，且仅IR像素134由IR控制子模块142控制以参与操作。关于将控制模块140连接到像素阵列130的控制线请参见图1A。VIS控制子模块141脱离VIS像素131、132及133。在子模块141及142进行的选择为任选的替代方案中，VIS及IR像素两者经接合以操作，但由于落在像素阵列130上的光的IR分量的高百分比，信号输出主要是IR信号。因此，像素阵列130基本上用作IR传感器。红外机器视觉模式在例如距离测量、运动跟踪等应用中可能很有用。

当为人类视觉选择VIS视觉模式时，控制模块140可经接合以抑制IR光源模块160，以使得其不发射IR光。VIS-IR图像传感器系统100现在依赖于自然光照来照射成像对象。传入的自然光(图1A中未展示)通常含有所有VIS光谱光，以及一些自然发生的IR光谱光。传入的自然光通过主透镜110而没有任何明显的滤光。在入射光继续通过VIS-IR双带通滤光器模块120时，宽400nm到650nm VIS通带260(图2B中展示)允许主光谱范围400nm到650nm的VIS光从中通过，而窄850±50nmIR通带270(图2B中展示)仅允许在850±50nm窄光谱范围内的少量自然发生的IR光从中通过。将其它光谱的入射光，包含在850±50nm范围外的大部分IR，过滤掉。入射光的未滤过的VIS及IR部分继续到达下伏像素阵列130。

像素阵列130用作常规RGB传感器阵列以产生VIS图像信号(R、G及B信号)。在实施例中，VIS控制子模块141接合VIS像素131、132及133以操作以产生VIS成像信号，而IR控制子模块142使IR像素134脱离操作。在子模块141及142进行的选择为任选的替代方案中，允许所有VIS及IR像素131、132、133及134操作，但IR像素134的输出不直接用于形成最终彩色图像。VIS像素131、132及133产生RGB信号，其中功能逻辑模块150使用这些RGB信号在例如插值的常规图像处理步骤之后产生最终彩色图像。

经滤光的入射光内的红外分量确实会在一定程度上影响RGB信号。例如，如在图2B中所展示，将R滤色器132b的R传输率曲线230、G滤色器131b的G传输率曲线220，以及B滤色器133b的B传输率曲线210各自含有在约700nm到1100nm的IR范围内的泄露通带，所述泄露通带比下伏VIS-IR双通带滤光器模块的850±50nm通带宽。因此，由VIS像素131，132和133产生的RGB信号各自在其中含有一些IR分量(在850±50nm处)。这些被视为IR噪声。

可使用高级信号处理来移除这些IR分量，但此移除可能仅在一些情况下有效。作为实例，当滤光器131b、132b、133b及134b具有光传输特性，如图2B中所展示，IR像素134可经设置在与VIS像素131、132及133相同的时间操作。通过IR像素134产生的IR信号然后可被用作校正基线从由VIS像素131、132及133产生的VIS信号减去IR分量(在850±50nm处)，使得VIS信号可经准确地校正以移除IR噪声。

然而，在一些情况下，无法准确移除IR噪声。例如，当滤光器131b、132b、133b及134b具有如图2C中所展示的传输特性时，其中IR传输率曲线260比图2B中的IR曲线240更显著(或以其它方式不同)，上文所提及IR校正方案将变得不准确及不可靠。这是因为由IR像素134产生的IR信号与由VIS像素131、132及133产生的RGB信号内的IR分量大不相同(例如，高得多)。此复杂性不能通过简单的方法来解决。关闭IR像素134且仅接合VIS像素131、132及133，因为落在这些VIS像素上的入射光的IR影响将保持不变。因此，RGB信号将继续具有一些IR噪声分量，使得最终彩色图像可能遭受与IR相关伪像，例如微红色调。当最终彩色图像具有先天蓝色调(或其它冷色调)时，与红色调(或其它暖色调)相比，此微红色调尤其明显。此部分是因为，在VIS像素131、132及133中，IR噪声对B像素133及G像素131的不利影响比其对R像素132的影响更大。B及G光谱比R谱离IR光谱更远；而R光谱与IR光谱之间存在自然重叠。

应了解，在上述IR噪声问题中，罪魁祸首的IR噪声是指通过VIS-IR带通滤光器120的IR通带270的IR分量，如图1A及2A所展示。示范性IR噪声出现在850±50nm处(在零度CRA处)。另一示范性IR噪声出现在825±45nm处(在30度CRA处)。

第二实施例：经改进的VIS-IR图像传感器系统

为了解决与VIS视觉操作模式有关的上文所提及IR噪声问题，本文中揭示示范性第一改进。基本概念为使用一些手段来阻止通过IR通带270的入射IR噪声(例如，大约850±50nm)。图3A展示此改进的设计。改进的VIS-IR图像传感器像素阵列300为优于如图1A中所展示的原始VIS-IR像素阵列130上的改进版本。改进的像素阵列300具有与原始像素阵列130相同的组件，包含微透镜131a到134a，滤光器131b到134b，以及图像感测部件131c到134c。另外，改进的像素阵列300包括选择性IR截止滤光器310，其与VIS滤光器131b、132b及133b叠加，即上覆在其上面或下伏在其下面(例如，上覆在其上面)。选择性IR滤光器310可为上覆在多个VIS滤光器上面的单个滤光器单元(例如，131b、132b及133b的某一组合)，或在如图3B中所展示的替代方案中，其可为上覆在单个VIS滤光器上面的单个滤光器。对于此实施例，每一VIS滤光器具有其自己的对应选择性IR滤光器310，其上覆在其上面或下伏在其下面。此外，改进的像素阵列300包含任选IR通过滤光器320，其与IR滤光器134b叠加，即上覆在其上面或下伏在其下面(例如，上覆在其上面)。本文中揭示选择性IR截止滤光器310及任选IR通过滤光器320的特征。

选择性IR滤光器310为带凹口的滤光器，也被称为带阻滤光器，其阻止在某个阻带内(例如，850±50nm)内的光传输，同时允许其余的光谱从中通过。选择性IR滤光器310包含有机材料，其依赖于基于化学的光学吸收原理以在通过其它波长时阻止特定波长的光带。术语“选择性”指示选择性IR滤光器310选择性地阻止IR具有相对窄的阻带，例如，大约850±50nm。

图4A展示此选择性IR滤光器310的特性光传输率曲线400。由于选择性IR滤光器310依赖于基于化学的光学吸收来阻止某一光带通过，因此阻带405的形状不理想，且具有类似于部分倾斜及不光滑的倒钟形曲线形状的外观。应了解，虽然基于相消干涉的多层滤光器适用于大尺寸(毫米及以上)滤光器，例如滤光器121(如图1A所展示)，但此滤光器设计通常不可能制造滤光器用于小图像传感器像素(微米级或更低)，例如图3A中的像素阵列300的像素。相反，依赖于基于化学的光学吸收的有机化合物滤光器更适合于此情况，因为必要的制造工艺(例如，光刻、旋涂及干燥)可容易地应用于制造小的，微米(或次微米)大小滤光器。

根据图4A，特性传输率曲线400具有阻带405的区域，其位于约550nm到950nm处。在此阻带405区域之外，光传输相对较高(例如，90％到100％)。在此阻带405内，光传输明显减少。此外，在约850nm处，光传输被完全阻止。阻带405的整体有效性取决于其带宽。

存在许多方法来定量地表征阻带405的带宽。例如，如图4A中所展示，阻带405在大约550nm处开始，且在大约950nm处结束。然而，阻带的此表征(“表观阻带”)可能不反映阻带405的真实有效性，因为在阻带405内，光传输的减少不均匀。与此相反，半功率评估在量化阻带405的有效性方面似乎为更准确。一般来说，在半功率带宽W_hp(如图4A中展示)内，大约一半的入射光信号能量被滤光器阻止。此对应于传输率曲线400的大约30％的传输率水平。从图4A，半功率带宽W_hp，可被视为阻带405之有效带宽，其中W_hp在810nm到880nm(宽度约70nm)的范围内，其中850nm为阻止所有光的中心点。由于在阻带405经歪斜至高波长侧，欲使用描绘阻带405的有效带宽W_hp的更准确方式来使用三数字记号，810-850-880nm，其中三个数字各自表示此阻带的有效带宽区域的左端、中心及右端。

参考图3A及图3B，其展示直接上覆在VIS滤光器131b、132b及133b上面的选择性IR滤光器310，具有VIS光谱以及850±50nm处的IR噪声的示范性入射自然光首先到达选择性IR滤光器310。如图4A中所描绘的阻带405具有810-850-880nm的有效带宽，其基本上与800-850-900nm(850±50nm的替代记号，指示左端、中心及右端)的IR噪声范围重叠。特别地，两个中心在850nm处重合。换句话说，阻带中最有效的部分符合最高IR噪声点。另外，IR噪声范围的左端(800nm)及右端(900nm)仅略微落在阻带405的有效带宽(810nm到880nm)之外。因此，选择性IR滤光器310看起来基本上消除IR的效应，所述IR噪声在VIS人类视觉模式期间将造成最终在最终彩色图像中产生微红色调。

转到图3A及3B中的IR通过滤光器320，应了解，此为任选元件。由于选择性IR滤光器310已被添加到VIS滤光器131b、132b及133b，而非到IR滤光器134b，因此IR滤光器134b需要一些平面化以增加总厚度。IR通过滤光器320提供此平坦化功能。另外，IR通过滤光器320可位于IR滤光器134b的正上面或下面。IR通过滤光器含有适用于小型图像传感器像素(微米级或更低)的有机材料。

IR通过滤光器320允许宽范围的IR通过。其IR通过范围优选地覆盖其邻接的IR滤光器134b的整个IR通过范围，其经描绘为具有图2B中的特性传输率曲线240或图2C中的曲线260。滤光器320的IR传递函数可以多种方式实施。首先，IR通过滤光器320可足够透明以通过VIS及IR的所有光谱(从而使滤光器320成为“全通”滤光器，其基本上为非滤光器)。第二，滤光器320可为低通滤光器，以仅通过IR范围中的较长波长光谱，例如，大约700nm及以上。第三，在根本没有实施任选IR通过滤光器320的情况下，现有的IR滤光器134b可简单地做得更厚(例如，具有基本上等于选择性IR滤光器310的厚度的额外厚度)，以实现与相邻VIS滤光器131b、132b及133b的平坦化。可能存在其它有效选择。如所属领域的技术人员可认识到，可针对每一选项适当地选择不同有机材料。

图5为改进的混合VIS-IR图像传感器系统500的示意图。其与图1A中所示的VIS-IR系统100大致相似，但包含改进的像素阵列300内的选择性IR滤光器310及任选的IR通过滤光器320。其它组件保持与原始系统100相同。选择IR滤光器310的存在允许改进的混合VIS-IR系统500在以VIS视觉模式结合时减少其最终VIS图像中的IR噪声。其IR视觉模式保持与原始系统100中相同。

第三实施例：经进一步改进VIS-IR图像传感器系统

如先前所论述，VIS-IR滤光器模块120由多层透明材料制成，其使用相消干涉来产生其通带。因此，其通带可能会移位，此取决于入射光的主光线角度(CRA)。作为特定实例，在零度的CRA处，如图2A中所展示的IR通带270为约850±50nm，即，800-850-900nm。相比之下，在30度的CRA下，IR通带270现在变为825±45nm，或780-825-870nm。对CRA的此通带依赖性允许IR噪声随CRA移位，因此使得选择性IR滤光器在某些CRA值下比其它CRA值更不有效，如下面进一步阐释。

如先前所揭示，选择性IR滤光器310具有810-850-880nm的有效阻止带宽，其适用于800-850-900nm处的零度CRA入射IR噪声。然而，在30度CRA下，VIS-IR滤光器120的IR通带270移位到825±45nm，或780-825-870nm，因此，入射IR噪声现在移位到780-825-870nm的范围。本选择性IR滤光器将对于处理此移位的IR噪声不是非常有效。首先，850nm的选择性IR滤光器阻止带宽中心不再与825nm的移位IR噪声中心重合。更重要的是，移位的IR噪声的左端(780nm)现在很好地落在选择性IR滤光器阻止带宽的左端(810nm)之外。此意味着在30度CRA下，当前选择性IR滤光器310将失去一些降低IR噪声的效果。

为了解决IR噪声的上述CRA从属移位，选择性IR滤光器310为通过加宽其阻带的有效带宽W_hp而得以改进。图4B说明对混合VIS-IR系统的第二改进的实施例(其为对选择性IR滤光器310的第一改进)。图4B展示改进之前的选择性IR滤光器310的原始特性传输率曲线400，其与图4A中所展示的传输率曲线400相同。经改进的特性传输率曲线410为改进后的选择性IR滤光器310的特性传输率曲线。经改进的曲线410(实曲线)具有比原始曲线400(虚线曲线)更宽的有效带宽。在此实施例中，经改进的曲线410具有720-850-880nm的有效阻止带宽。通过修改选择性IR滤光器310内的有机材料来实现此有效带宽的扩展。

经改进的720-850-880nm的阻止带宽比810-850-880nm的预改进带宽更有效，以滤除入射IR噪声。下表在数量上比较两个带宽。

表1：比较选择性IR滤光器的改进前及改进后阻止带宽

在零度CRA下，入射的IR光噪声具有800-850-900nm的范围。经改进的选择性IR滤光器阻带720-850-880nm基本上捕获所有IR噪声范围。阻带中心与850nm下的噪声范围中心重合。噪声范围的左端(800nm)完全落在经改进的阻带的左端(720nm)内。更令人印象深刻的是，在30度CRA下，入射的IR光噪声具有780-825-870nm的偏移范围，且此偏移噪声范围的左端(780nm)也完全落在经改进的阻带的左端(720nm)内。720-850-880nm的此经改进的阻带比810-850-880nm的先前选择性IR滤光器阻带明显更有利。

总之，预先存在的选择性IR滤光器310为通过扩大其有效IR阻带W_hp(例如，从先前810-850-880nm到更宽的720-850-880nm范围)而经改进。此允许改进的选择性IR滤光器性能以更好地处理在不同方向(例如，从0到30度CRA)进入的入射IR噪声。

经改进的选择性IR滤光器310类似地在VIS-IR图像传感器系统500中实施，如图5中所展示。先前揭示仍然适用，除了经改进的选择性IR滤光器310现在具有更宽的有效带宽(例如，720-850-880nm)，且此第二经改进系统500可较佳处置各种CRA角度(例如，从零到30度)的输入IR噪声。

第四实施例：操作方法

上文所揭示的数个实施例可利用本文中所描述的操作方法。图6展示示范性方法600，其包含多个步骤。步骤中的某些的顺序不需要按时间顺序布置。在步骤610处，进行选择以接合VIS视觉模式或IR视觉模式。步骤610可由图1A中的控制器模块140执行以选择VIS模式141或IR模式142。如果选择接合VIS模式141，如步骤620中所展示，那么在随后的步骤621中，成像对象的IR光照被抑制。此可通过避免图1A中的IR光源160经接通来实现。自然光用于照明此VIS模式的成像对象。从成像对象反射的自然光可包括VIS及IR光谱分量。在步骤622中，所反射的自然光经筛选以允许特定的VIS及IR带通过。例如，VIS-IR滤光器120允许宽VIS带260及窄IR带270分别通过VIS及IR分量，如图1A及2A中所展示。步骤623为任选的，其中通过的IR带270经阻止到达下伏像素阵列130，特别其VIS像素131、132及133。例如，选择性IR滤光器310(参见图3A及图5)具有阻带405(参见图4A)，其阻止已经通过IR带270的IR噪声。最终，反射的自然光的剩余VIS分量用于形成相对无IR噪声影响的最终VIS图像。

如果选择接合IR模式142，如步骤630所展示，那么在步骤631中使用IR光照来照射成像对象。例如，可接通图1A中的IR光源160以向成像对象发射IR光的快速脉冲。由于IR脉冲的相对高的功率，反射光具有显著的IR分量，且VIS光谱可被视为低水平噪声。IR模式142适用于白天及夜晚两者，且在低光条件下(包括黑暗或有雾的环境)工作尤其良好。在步骤632中，允许IR分量通过以到达下伏像素阵列。例如，VIS-IR滤光器120(参见图1A)允许IR带270(参见图2A)通过所反射光的IR分量。步骤633为任选的，其中允许通过的IR光进一步传播以到达下伏像素阵列的感测区域。例如，IR通过滤光器320允许IR分量到达IR像素134的成像部件134c(参见图3A及图5)。最终，使用红外组件来执行红外视觉功能，例如距离测量、物体跟踪、低光成像等。

第五实施例：滤光器及特殊滤光器的组合

图7A展示类似于图3A及3B的本发明的实施例。VIS-IR像素阵列700包括绿色(G)像素731、红色(R)像素732、蓝色(B)像素733及IR像素734。尽管G像素731、R像素732、B像素733及IR像素734在图7A中以线性布置展示，但其可布置成方形的2X2图案，如图1B所展示。

像素阵列700具有与图1A的原始像素阵列130相同的组件，包含微透镜731a到734a(第一至第四微透镜)，滤光器731b到734b，以及图像感测部件731c到734c(第一到第四图像感测部件)。另外，像素阵列700包含特殊滤光器731d到734d。特殊滤光器731d到734d包含类似于IR滤光器134b的IR滤光器，清透滤光器(C)及类似于选择性IR滤光器310的SIR(抑制IR)滤光器。清透滤光器(C)通过可见光及IR光两者。尽管图7A展示覆盖在特殊滤光器731d到734d上面的滤光器731b到734b，但滤光器731b到734d可下伏在特殊滤光器731d到734d下面。

在图7A中所展示的实施例中，滤光器731b(第一G滤光器)及734b(第二G滤光器)类似于G滤光器131b，滤光器732b为类似于R滤光器132b的R滤光器，以及滤光器733b为类似于B滤光器133b的B滤光器。特殊滤光器731d为第一清透滤光器(C)。特殊滤光器732d(第一特殊滤光器)为第二清透滤光器(C)。第一及第二清透滤光器通过可见光及IR光。特殊滤光器733d(第二特殊滤光器)为类似于选择性IR滤光器310的SIR滤光器。特殊滤光器734d为类似于IR滤光器134b的IR滤光器。在实施例中，滤光器731b到734b的厚度可为0.7μm，且特殊滤光器731d到734d的厚度可为1.0μm。替代地，滤光器734b可为类似于IR滤光器134b的IR滤光器，且特殊滤光器734d可为第三清透滤光器，如图7B中所展示。

滤光器731b、732b及733b分别具有其自己的特定特性传输率曲线，即，图2B或2C的G传输率曲线220、R传输率曲线230及B传输率曲线210。在图7A的实施例中，滤光器734b与滤光器731b相同。在图7B的实施例中，滤光器734b为IR滤光器，其具有图2B的IR传输率曲线240或图2C的曲线260。SIR滤光器733d类似于具有图4A或4B的特性传输率曲线400的选择性IR滤光器310。清透滤光器(C)通过可见光及红外光两者。

虽然选择性IR滤光器310(SIR滤光器733d)为带凹口的滤光器，也被称为带阻滤光器，其阻止在某一阻带内(例如，850±50nm)内的光传输，且允许其余的光谱从中通过。根据图4A，特性传输率曲线400具有阻带405的区域，其位于约550nm到950nm处。在此阻带405区域之外，光传输相对较高(例如，90％到100％)。在此阻带405内，光传输明显减少。此外，在约850nm处，光传输完全或部分地阻止。阻带405的整体有效性取决于其带宽。

在图8A中所展示的另一实施例中，本发明的VIS-IR像素阵列800包括绿色(G)像素831、红色(R)像素832、蓝色(B)像素833及IR像素834。尽管在图8A中以线性布置展示G像素831、R像素832、B像素833及IR像素834，但其可经布置成方形的2X2图案，如图1B所展示。

滤光器831b(第一G滤光器)及834b(第二G滤光器)类似于G滤光器131b，滤光器832b为类似于R滤光器132b的R滤光器，且滤光器833b为类似于B滤光器113b的B滤光器。特殊滤光器831d为第一清透滤光器。特殊滤光器834d为类似于IR滤光器134b的IR滤光器。特殊滤光器832d(第一特殊滤光器)为类似于选择性IR滤光器310的特殊滤光器SIR1滤光器，然而具有示范性特性传输率曲线902，其中在阻带905处具有第一最小传输率904(例如，850±50nm)，如图9中所展示，特殊滤光器833d(第二特殊滤光器)为类似于选择性IR截止滤光器310的SIR2滤光器，然而具有示范性特性传输率曲线906，其中在阻带905处具有第二最小传输率908(例如，850±50nm)，如在图9中所展示。在实施例中，滤光器831b到834b的厚度可为0.7μm，且特殊滤光器831d到834d的厚度可为1.0μm。替代地，滤光器834b可为类似于IR滤光器134b的IR滤光器，且特殊滤光器834d可为清透滤光器(第三清透滤光器)，如图8B中所展示。请注意，图8B中不存在第二个清透滤光器。

最小传输率904与最小传输率908不同。SIR1滤光器及SIR2滤光器可由不同材料或不同材料组成制成。

以此方式，用于红色像素832的特殊滤光器832d(第一特殊滤光器)的阻带905(例如，850±50nm)处的传输率904不同于用于蓝色像素833的特殊滤光器833d(第二特殊滤光器)的阻带905(例如，850±50nm)处的传输率908。因此，特殊滤光器832d(第一特殊滤光器)的阻带905(例如，850±50nm)处的传输率904与滤光器832b的通带650到850nm中的传输率之比(R)不同于特殊滤光器833d(第二特殊滤光器)的阻带905(例如，850±50nm)处的传输率908与滤光器833b(B)的通带380到450nm中的传输率的比率。此将提供更好的色彩平衡结果，即R，G和B之间更好的平衡。

换句话说，SIR1/R≠SIR2/B，其中SIR1为红色像素处的特殊滤光器的阻带905(例如，850±50nm)处的IR的传输率，R为红色滤光器在在通带650nm到850nm中的红色像素处的传输率，SIR2为在蓝色像素处的特殊滤光器的阻带905(例如，850±50nm)处的IR的传输率，B为在通带380nm到450nm中的蓝色像素处的蓝色滤光器的传输。例如，红色滤光器在通带650nm到850nm中的红色像素处的传输率可为50％(曲线230)，且蓝色滤光器在通带380nm到450nm中的蓝色像素处的传输率可为70％(曲线210)。在另一实施例中，SIR1可与SIR2相同。

应了解，VIS-IR像素阵列700及800可代替图1A中的VIS-IR像素阵列130或图5中的VIS-IR像素阵列300，形成混合VIS-IR图像传感器系统100或500。混合VIS-IR图像传感器系统100或500包括VIS-IR带通滤光器121，其具有包括400nm到650nm的可见通带及800nm到900nm的IR通带的传输率曲线。VIS-IR像素阵列700或800可位于VIS-IR带通滤光器121下面。混合VIS-IR图像传感器系统以VIS模式或IR模式工作。VIS模式产生可见图像，且IR模式产生IR图像。混合VIS-IR图像传感器系统还包括用于发射在800nm到900nm的IR通带中的光的光源160。

本发明的所说明实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)并非旨在穷举或将本发明限制于所揭示的精确形式。虽然本文中出于说明的目的描述本发明的具体实例，但如所属领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。

根据以上详细描述，可对本发明进行这些修改。以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中所揭示的具体实例。相反，本发明的范围完全由所附权利要求确定，所述权利要求应根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (20)

1.一种图像传感器系统，其包括：

像素阵列，其包含多个最小重复单元，每一重复单元包括：

绿色像素，其包括第一微透镜、第一绿色滤光器、第一清透滤光器及第一图像感测部件；

红色像素，其包括第二微透镜、红色滤光器、第一特殊滤光器及第二图像感测部件；

蓝色像素，其包括第三微透镜、蓝色滤光器、第二特殊滤光器及第三图像感测部件；

IR像素，其包括第四微透镜、IR滤光器及第四图像感测部件。

2.根据权利要求1所述的图像传感器系统，其中所述第一特殊滤光器为以第一IR最小传输率在以850nm为中心的阻带处抑制IR的传输的滤光器，且所述第二特殊滤光器为以第二IR最小传输率在以850nm为中心的阻带处抑制IR的传输的滤光器，且其中所述第一最小IR传输率不同于所述第二最小IR传输率。

3.根据权利要求2所述的图像传感器系统，其中所述第一IR最小传输率与所述红色滤光器的在通带650nm到850nm中的红色传输率的比率不同于所述第二IR传输率对所述蓝色滤光器的通带380nm到450nm中的蓝色传输率的比率。

4.根据权利要求1所述的图像传感器系统，其中所述第一特殊滤光器为第二清透滤光器，且所述第二特殊滤光器为以IR最小传输率在以850nm为中心的所述阻带处抑制IR的传输的滤光器。

5.根据权利要求1所述的图像传感器系统，其中所述第一绿色滤光器、所述红色滤光器及所述蓝色滤光器分别上覆在所述第一清透滤光器、所述第一特殊滤光器及所述第二特殊滤光器上面。

6.根据权利要求1所述的图像传感器系统，其中所述第一绿色滤光器、所述红色滤光器及所述蓝色滤光器分别下伏在所述第一清透滤光器、所述第一特殊滤光器及所述第二特殊滤光器下面。

7.根据权利要求1所述的图像传感器系统，所述IR像素进一步包括第二绿色滤光器。

8.根据权利要求7所述的图像传感器系统，其中所述第二绿色滤光器上覆在所述IR滤光器上面。

9.根据权利要求7所述的图像传感器系统，其中所述第二绿色滤光器下伏所述IR滤光器。

10.根据权利要求1所述的图像传感器系统，所述IR像素进一步包括第三清透滤光器。

11.根据权利要求10所述的图像传感器系统，其中所述IR滤光器上覆在所述第三清透滤光器上面。

12.根据权利要求10所述的图像传感器系统，其中所述IR滤光下伏所述第三清透滤光器。

13.根据权利要求1所述的图像传感器系统，其进一步包括VIS-IR带通滤光器，其具有包含400nm到650nm的可见通带及800nm到900nm的IR通带的传输率曲线，其中所述像素阵列位于所述VIS-IR带通滤光器下面。

14.根据权利要求1所述的图像传感器系统，其中所述图像传感器系统以VIS模式及IR模式中的一者工作，其中所述VIS模式产生可见图像且所述IR模式产生IR图像。

15.根据权利要求14所述的图像传感器系统，其进一步包括用于发射800nm到900nm的所述IR通带中的光的光源。

16.根据权利要求1所述的图像传感器系统，其中所述第一绿色滤光器、所述红色滤光器及所述蓝色滤光器的厚度为0.7μm。

17.根据权利要求1所述的图像传感器系统，其中所述第一清透滤光器、所述第一特殊滤光器及所述第二特殊滤光器的厚度为1.0μm。

18.一种像素阵列，其包括：

绿色像素，其包括第一绿色滤光器及第一清透滤光器；

红色像素，其包括红色滤光器及第一特殊滤光器；

蓝色像素，其包括蓝色滤光器及第二特殊滤光器；

IR像素，其包括IR滤光器以及第二绿色滤光器及第二清透滤光器中的一者；

其中所述第一特殊滤光器以第一IR最小传输率下在以850nm为中心的阻带处抑制IR的传输，且所述第二特殊滤光器以第二IR最小传输率在以850nm为中心的阻带处抑制IR的传输，且其中所述第一最小IR传输率不同于所述第二最小IR传输率。

19.根据权利要求18所述的像素阵列，其中所述第一IR最小传输率与所述红色滤光器的红色传输率的比率不同于所述第二IR传输率对所述蓝色滤光器的蓝色传输率的比率。

20.一种像素阵列，其包括：

绿色像素，其包括第一绿色滤光器及第一清透滤光器；

红色像素，其包括红色滤光器及第二清透滤光器；

蓝色像素，其包括蓝色滤光器及特殊滤光器；

IR像素，其包括IR滤光器以及第二绿色滤光器及第三清透滤光器中的一者；

其中所述特殊滤光器以IR最小传输率在以850nm为中心的所述阻带处抑制IR的传输。

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