CN112951858A - 具有共享微透镜的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种具有共享微透镜的图像传感器包含多个光电二极管、多个滤色器和多个微透镜。所述多个光电二极管经布置为光电二极管阵列，所述多个光电二极管中的每一个安置于半导体材料的具有第一横向区域的相应部分内。所述多个滤色器经布置为与所述光电二极管阵列光学对准的滤色器阵列。所述多个滤色器中的每一个具有大于所述第一横向区域的第二横向区域。所述多个微透镜经布置为与所述滤色器阵列和所述光电二极管阵列光学对准的微透镜阵列。所述多个微透镜中的每一个具有大于所述第一横向区域且小于所述第二横向区域的第三横向区域。

Description

具有共享微透镜的图像传感器
技术领域
本公开大体上涉及图像传感器，且具体来说但非排他地涉及CMOS图像传感器及其应用。
背景技术
图像传感器已经变为普遍存在的，且现在广泛用于数码相机、蜂窝式电话、安全相机以及医疗、汽车和其它应用中。随着图像传感器集成到更广范围的电子装置中，期望通过两个装置架构设计以及图像采集处理以尽可能多的方式(例如，分辨率、功率消耗、动态范围等)增强其功能性、性能度量及类似物。
典型的图像传感器响应于从外部场景反射的图像光入射到图像传感器上而操作。图像传感器包含具有光敏元件(例如，光电二极管)的像素阵列，所述光敏元件吸收入射图像光的一部分且在所述图像光的吸收后即刻产生图像电荷。像素中的每一个的图像电荷可以被测得作为随入射图像光而变化的每一光敏元件的输出电压。换句话说，产生的图像电荷的量与图像光的强度成比例，所述图像光用以产生表示外部场景的数字图像(即，图像数据)。
发明内容
在一个方面中，本申请案提供一种图像传感器，其包括：多个光电二极管，其经布置为光电二极管阵列，所述多个光电二极管中的每一个安置于半导体材料的相应部分内，且其中所述相应部分中的每一个具有第一横向区域；多个滤色器，其经布置为与所述光电二极管阵列光学对准的滤色器阵列，所述多个滤色器中的每一个具有大于所述第一横向区域的第二横向区域；以及多个微透镜，其经布置为与所述滤色器阵列和所述光电二极管阵列光学对准的微透镜阵列，所述多个微透镜中的每一个具有大于所述第一横向区域且小于所述第二横向区域的第三横向区域。
在另一方面中，本申请案提供一种成像系统，其包括：图像传感器，其包含布置于图像像素阵列中的多个子像素，其中所述多个子像素中的每一个包含安置于半导体材料的相应部分中的光电二极管的2乘2阵列、与光电二极管的所述2乘2阵列光学对准的滤色器，以及在光电二极管的所述2乘2阵列和所述滤色器上方光学居中的微透镜，且其中所述多个像素中的每一个中的所述滤色器共同形成具有最小重复单元的滤色器阵列，所述最小重复单元横跨所述多个子像素中包含的子像素的2乘2阵列；以及控制器，其耦合到所述图像传感器和逻辑，所述逻辑当由所述控制器执行时致使所述成像系统执行包含以下的操作：响应于入射光而读出电信号，所述电信号中的每一个是由用于所述多个子像素中包含的一或多个子像素的光电二极管的所述2乘2阵列中包含的对应光电二极管产生。
附图说明
参见以下图式描述本发明的非限制性和非穷尽性的实施例，其中除非另有指定，否则各图中相同的参考标号指代相同的部件。在适当时，不一定标记元件的所有例项，以免使图式混乱。图式不必按比例绘制，而是重点在于说明所描述的原理。
图1A图解说明根据本公开的教示的具有共享微透镜的图像传感器的横截面图。
图1B图解说明根据本公开的教示的具有共享微透镜的图像传感器的俯视图。
图1C图解说明根据本公开的教示的相对于图像传感器的焦平面的图像传感器的横截面图。
图1D图解说明根据本公开的教示的半导体材料的相应部分、滤色器以及图像传感器的子像素中包含的微透镜的横向区域之间的相对大小比较。
图2A图解说明根据本公开的教示的具有共享微透镜的图像传感器的俯视图。
图2B图解说明根据本公开的教示的半导体材料、滤色器以及图像传感器的子像素中包含的微透镜的横向区域之间的相对大小比较。
图3是根据本公开的教示的包含具有共享微透镜的图像传感器的成像系统的功能框图。
图4示出根据本公开的教示的用包含具有共享微透镜的图像传感器的成像系统捕获图像的实例方法。
图5A图解说明根据本公开的教示的将从图像传感器获得的图像信号去马赛克的实例转换过程，所述图像传感器具有在2乘2光电二极管阵列上方延伸的共享微透镜。
图5B图解说明根据本公开的教示的将从图像传感器获得的图像信号去马赛克的实例转换过程，所述图像传感器具有在2乘1光电二极管阵列上方延伸的共享微透镜。
具体实施方式
本文中描述各自包含或另外涉及具有共享微透镜的图像传感器的设备、系统和方法的实施例。在以下描述中，阐述许多特定细节以提供对实施例的彻底理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在没有具体细节中的一或多个的情况下或利用其它方法、组件、材料等来实践本文中所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以免使某些方面混淆。
贯穿于本说明书中提到“一个实施例”或“一实施例”是意味着结合所述实施例描述的具体特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在不同位置中出现短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必都是指同一个实施例。此外，在一或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合。
贯穿本说明书，使用若干技术术语。除非本文中特别定义，或其使用情境将明显另外表明，否则这些术语将采用其在其所出现的领域中的普通含义。应注意，元件名称和符号在本文中可互换使用(例如Si对硅)；然而，两者具有相同含义。
本文描述的实施例利用具有共享微透镜架构的图像传感器来提供单传感器解决方案，以实现针对图像传感器中包含的每个像素的多方向性相位检测自动聚焦(PDAF)、全阵列深度映射以及高动态范围(HDR)图像捕获。在一些实施例中，图像传感器的每一全色像素可以包含多个子像素(例如，与共同滤色器和微透镜光学对准的光电二极管的群组)，所述多个子像素可以各自每一检相器以确定图像帧内的兴趣点(POI)是否聚焦，且可以提供关于当POI离焦时应当如何调整成像系统的物镜的多方向性指导。在相同或其它实施例中，相对深度信息可以由所述多个子像素和/或全色像素中的每一个提供以产生外部场景的深度图。在一些实施例中，所述多个子像素内的光电二极管在图像捕获期间可能不具有相同的积分时间，使得图像传感器的动态范围可以增加。
图1A-1D图解说明包含半导体材料101、多个光电二极管105、多个滤色器110和多个微透镜115的图像传感器100的代表性视图。应了解，图1A-1D中呈现的视图可以省略图像传感器100的某些元件以避免混淆本公开的细节。进一步应理解在一些实施例中，图像传感器100可能不一定包含图1A-1D中示出的全部元件。
图1A图解说明根据本公开的教示的具有共享微透镜的图像传感器100的横截面图100-A。更具体地，横截面图100-A是沿图像传感器100的行或列(例如，图1B中示出的列“C1”)截取的代表性视图。返回参看图1A，图像传感器100包含被布置成含有M个个别光电二极管(例如，105-1、105-2、...、105-M)的光电二极管阵列的多个光电二极管105，多个光电二极管105中的每一个安置于半导体材料101(例如，硅)的相应部分内。换句话说，半导体材料101的相应部分的数目与个别光电二极管105的数目之间存在1比1的比率。在一些实施例中，所述多个光电二极管105中包含的个别光电二极管可以对应于半导体材料101的共同响应于入射光的相应部分内的掺杂区(例如，掺杂区可以形成PN结，所述PN结产生与入射光的量值或强度成比例的电学或图像电荷)。在所说明的实施例中，半导体材料101的相应部分中的每一个(例如，101-1、101-2、...、101-M)包含所述多个光电二极管105中的相应一个，使得半导体材料101的相应部分各自具有大于多个光电二极管105中包含的个别光电二极管中的对应一个的横向区域的第一横向区域。举例来说，光电二极管105-1形成于半导体材料101的相应部分101-1内，但明显不侧向延伸跨越相应部分101-1的全部。因此，应了解所述多个光电二极管105中包含的个别光电二极管不一定横向延伸跨越半导体材料101的相应部分的整个横截面积。而是，半导体材料101的安置于邻近光电二极管之间的部分(例如，半导体材料101的在光电二极管105-1与105-2之间的区)可用以形成半导体材料内的额外结构(例如，隔离沟槽、浮动扩散部及类似物)。在其它实施例中，半导体材料101和相关联第一横向区域的相应部分对应于所述多个光电二极管105中包含的个别光电二极管的最大横向区域。换句话说，在一些实施例中，第一横向区域对应于所述多个光电二极管105中包含的个别光电二极管的区域。
在所说明的实施例中，图像传感器100还包含多个滤色器110，其被布置成与由多个光电二极管105形成的光电二极管阵列光学对准的滤色器阵列。所述多个滤色器110可以包含N个滤色器(例如，110-1、…110-N)，其各自具有特定光谱光响应性以过滤通过所述多个滤色器中的个别一个传播到所述多个光电二极管105的群组的入射光。举例来说，蓝色滤色器110-1与至少两个光电二极管105-1和105-2光学对准，使得由光电二极管105-1和105-2响应于入射光而产生的图像电荷与入射到光电二极管105-1和105-2上的光谱内的蓝色分量的强度或量值基本上成比例。应了解，多个滤色器110不限于单光谱光响应，且图像传感器100中可以包含其它类型的滤色器，其具有基本上等效于红色、绿色、蓝色、全色(即，透明或白色)、黄色、蓝绿色、洋红色或其它颜色中的任一个或组合的对应光谱光响应。在一些实施例中，滤色器阵列因此可以用以产生表示至少可见光谱内的入射光的图像信号以产生表示外部场景的图像。在所说明的实施例中，多个滤色器110中包含的个别滤色器与多个光电二极管105中包含的至少两个光电二极管的群组光学对准，使得个别滤色器(例如，110-1、...、110-N)各自具有大于对应光学对准光电二极管(例如，105-1、105-2、...105-M)的第一横向区域的第二横向区域。
如图1A中图解说明，图像传感器100包含多个微透镜115，其被布置成与滤色器阵列(例如，由多个滤色器110形成)和光电二极管阵列(例如，由多个光电二极管105形成)光学对准的微透镜阵列。微透镜中的每一个可以由聚合物(例如，聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷等)或其它材料形成，且被成形为具有通过所述多个滤色器110中的对应光学对准的一个(例如，110-1)向所述多个光电二极管105中包含的光电二极管的相应群组(例如，至少105-1和105-2)汇聚、发散或另外引导入射到所述多个微透镜115(例如，115-1)上的光的光学能力。在一些实施例中，所述多个滤色器110中包含的滤色器的数目与所述多个微透镜115中包含的微透镜的数目之间存在1比1的比率，所述微透镜的数目可以小于所述多个光电二极管105中包含的光电二极管的数目。在一个实施例中，光电二极管与微透镜和/或滤色器的比率可以是2比1、3比1、4比1或其它比率。因此，所述多个微透镜115中包含的个别微透镜(例如，115-1、...、115-N)具有大于所述多个光电二极管105中包含的个别光电二极管的第一横向区域的第三横向区域，但所述第三横向区域小于所述多个滤色器110中包含的滤色器的第二横向区域。
应了解，可以通过所属领域的技术人员已知的半导体装置处理和微型制造技术制造图像传感器100。在一个实施例中，图像传感器100的制造可以包含提供半导体材料(例如，具有前侧和后侧的硅晶片)，经由光刻在半导体材料101的前侧上形成掩模或模板(例如，由固化的光致抗蚀剂形成)以提供半导体材料101的前侧的多个暴露区，掺杂(例如，经由离子植入、化学气相沉积、物理气相沉积及类似方法)半导体材料101的暴露部分以形成从半导体材料101的前侧延伸进入半导体材料101的所述多个光电二极管105，移除所述掩模或模板(例如，通过以溶剂溶解固化的光致抗蚀剂)，且平坦化(例如，经由化学机械平坦化或抛光)半导体材料101的前侧。在同一或另一实施例中，光刻可以类似地用于形成所述多个滤色器110(例如，具有所需光谱光响应的固化着色聚合物)和所述多个微透镜115(例如，由主模具或模板形成的具有目标形状和大小的基于聚合物的微透镜)。应了解所描述的技术仅是说明性的而不是穷尽性的，且可以使用其它技术制造图像传感器100的一个或多个组件。
图1B图解说明根据本公开的教示的具有共享微透镜的图像传感器100的俯视图100-B。如所说明，图像传感器100可以被寻址或另外被描述为包含多个行(例如，R1、R2、R3、...、RY)和列(例如，C1、C2、C3、...、CX)的阵列。具有Y行和X列的阵列的每一元素可以包含所述多个光电二极管105中包含的相应光电二极管、所述多个滤色器110中包含的滤色器，和所述多个微透镜115中包含的微透镜。举例来说，与图1B中示出的图像传感器100的行1列1相关联的阵列元素可以表示图1A中示出的从微透镜115-1延伸且通过滤色器110-1、光电二极管105-1和半导体材料101-1的相应部分的俯视图。返回参看图1B，应了解可省略或未标记某些元件(例如，多个光电二极管105、多个滤色器110、半导体材料101的相应部分，及图1A中示出的类似物)以避免混淆本公开的某些方面。
在图1B的所说明的实施例中，所述多个滤色器110形成滤色器阵列，其包含以预定图案布置的蓝色滤色器110-B、绿色滤色器110-G和红色滤色器110-R。滤色器阵列的预定图案包含多个平铺的最小重复单元(例如，重复单元120)，其对应于所述多个滤色器110中包含的四个对接滤色器的群组。四个对接滤色器的群组包含具有第一光谱光响应的第一滤色器、具有第二光谱光响应的第二滤色器、具有第三光谱光响应的第三滤色器，以及具有第四光谱光响应的第四滤色器。在一些实施例中，第二光谱光响应基本上相同于第三光谱光响应。在同一或另一实施例中，第一光谱光响应和第四光谱光响应与彼此、第二光谱光响应和第三光谱光响应是不同的。在一些实施例中，第二滤色器和第三滤色器在光谱光响应方面是基本上相同的，且在所述多个平铺的最小重复单元中的个别一个内彼此沿对角线相对地安置。
如图1B中图解说明，所述多个平铺的最小重复单元中的每一个表示具有不同滤色器的预定布置的图像传感器100的全色像素(即，图像像素)，使得由下伏光电二极管产生的图像信号(例如，具有与入射光的强度成比例的量值的电信号)共同表示电磁辐射的可见光谱。如所说明，重复单元120包含四个象限(例如，具有蓝色滤色器的Q1，具有第一绿色滤色器的Q2，具有第二绿色滤色器的Q3，和具有红色滤色器的Q4)。每一象限对应于子像素且共同重复单元120形成图像传感器100的图像像素。另外，最小重复单元(例如，重复单元120)的每一象限包含以2乘2图案或阵列(例如，如图1B的左上方所图示)布置的四个光电二极管的群组，所述四个光电二极管共享(即，光学对准于)共同滤色器和共同微透镜。更具体地，在所说明的实施例中，所述多个滤色器110中的每一个延伸跨越最小重复单元中的相应一个的对应象限内的四个邻近光电二极管105的个别群组。在一些实施例中，所述多个微透镜110中的每一个是对称的且在图像传感器100的对应像素或子像素中包含的光电二极管和滤色器的对应2乘2阵列上方光学居中。举例来说，图1B中示出的对应微透镜的直径125基本上延伸跨越图像传感器100的两列。应了解，由于个别微透镜之间的间距(即，在个别微透镜并不彼此接触的实施例中)，微透镜的直径可能不一定横跨图像传感器100的精确两个列或行。而是，个别微透镜的直径可以大于图像传感器100的一行或一列，但小于或等于两列或两行。还应理解在一些实施例中，所述多个微透镜110中的一些或全部可能不一定是对称的(即，微透镜可以是不对称的)。
图1C图解说明根据本公开的教示的相对于图像传感器100的焦平面133的图像传感器100的横截面图100-C。更具体地，所说明的实施例表明半导体材料101的相应部分的第一横向区域103、所述多个滤色器110的第二横向区域111以及所述多个微透镜115的第三横向区域116与图像传感器100的焦平面133之间的示例性关系。在所说明的实施例中，第一横向区域、第二横向区域和第三横向区域是沿光电二极管阵列(例如，由半导体材料101的相应部分内的所述多个光电二极管105形成)、滤色器阵列(例如，由所述多个滤色器110形成)和微透镜阵列(例如，由所述多个微透镜115形成)的相应横截面平面截取的，以上这些阵列各自与图像传感器100的焦平面133(即，入射光170聚焦于其上)基本上平行。应了解在一些实施例中，第一横向区域103、第二横向区域111和第三横向区域116各自是沿着相应半导体部分101、所述多个滤色器110、所述多个微透镜115中的与图像传感器100的焦平面133基本上平行的光学对准的一者的最大横截面取得的。
图1D图解说明根据本公开的教示的图像传感器100的子像素中包含的半导体材料101的相应部分101-M、滤色器110-N和微透镜115-N的横向区域之间的示例性相对大小比较100-D。在所说明的实施例中，半导体材料101的相应部分中的每一个(例如，101-M)具有第一横向区域103。所述多个滤色器110中的每一个(例如，110-N)具有大于第一横向区域103的第二横向区域110。所述多个微透镜115中的每一个(例如，115-N)具有大于第一横向区域103但小于第二横向区域111的第三横向区域116。在一些实施例中，所述多个微透镜115中的每一个的第三横向区域116具有圆形形状，其直径延伸或另外横跨半导体材料101的相应部分中的近似两个。
图2A图解说明根据本公开的教示的具有共享微透镜的图像传感器200的俯视图。图像传感器200基本上类似于图1A-1D中示出的图像传感器100，且包含多个光电二极管205、多个滤色器210和多个微透镜215。图像传感器200和图像传感器100的架构之间的一个差异是所述多个微透镜215相对于所述多个微透镜115的布置和形状。
返回参看图2A，图像传感器200包含对应于所述多个滤色器210中包含的四个对接滤色器的群组的多个平铺的最小重复单元(例如，重复单元220)。重复单元220可以由四个象限(例如，Q1、Q2、Q3和Q4)描述，其中每一象限包含所述多个滤色器210中包含的相应滤色器(例如，蓝色、绿色、绿色或红色滤色器)。所述象限中的每一个包含四个邻近光电二极管的群组(例如，布置成如图像传感器200的左上角所图示的2乘2阵列)。所述多个微透镜215形成包含多个平铺的最小重复微透镜单元的微透镜阵列，所述最小重复微透镜单元各自包含分别跨越滤色器阵列的平铺最小重复单元的第二滤色器(例如，重复单元220的Q2内)和第三滤色器(例如，重复单元220的Q3内)安置的第一对微透镜215-A和第二对微透镜215-B。如所说明，第一对微透镜215-A纵向正交于第二对微透镜215-B而定向。个别地，所述多个平铺的最小重复微透镜单元中包含的微透镜在四个邻近光电二极管的个别群组中包含的两个邻近光电二极管上方光学对准，具有在至少两个邻近光电二极管上方延伸的长度207和在所述多个光电二极管205中包含的光电二极管中的近似一个上方延伸的宽度209。
应了解在所说明的实施例中，Q2和Q3(例如，含有绿色滤色器的象限)各自包含在两个列和一个行(或两个行和一个列)上方延伸的两个微透镜，但在其它实施例中类似形状的微透镜也可以安置于其它象限(例如，重复单元220的Q1和Q4)内。更进一步，应了解在一些实施例中，Q1和Q4可以各自不包含微透镜、包含多个微透镜(例如，在重复单元220的个别象限内居中的四个微透镜的2乘2阵列)、单个微透镜(例如，类似于图1A-1C中示出的所述多个微透镜110在两个列和两个行上方延伸的微透镜)，或其组合。
图2B图解说明根据本公开的教示的图像传感器200的子像素(例如，图2A中示出的重复单元220的Q3)中包含的半导体材料201、滤色器210和微透镜215的横向区域之间的相对大小比较。如所说明，半导体材料201的每一相应部分201(例如，201-1)具有第一横向区域，且滤色器210具有大于第一横向区域的第二横向区域211。微透镜215具有卵形形状的第三横向区域216，其具有近似在半导体材料201的相应部分中的两个上方延伸的长度和近似延伸半导体材料201的相应部分中的一个的宽度。因此，第三横向区域216大于第一横向区域203，但小于第二横向区域211。
图3是根据本公开的教示的包含具有共享微透镜的图像传感器300的成像系统302的功能框图。成像系统302能够响应于入射光370而聚焦于外部场景303内的兴趣点(POI)上。成像系统302包含用以响应于入射光370而产生电学或图像信号的图像传感器300，具有可调整光学功率以聚焦于外部场景303内的一个或多个兴趣点的物镜320，以及用以尤其控制图像传感器300和物镜320的操作的控制器350。图像传感器300是图1A-2B中示出的图像传感器100或200的一个可能实施方案，且包含具有安置于半导体材料301的相应部分内的多个光电二极管305的半导体材料301、多个滤色器310和多个微透镜315。控制器350包含一或多个处理器352、存储器354、控制电路356、读出电路358和功能逻辑360。
控制器350包含用以控制成像系统302的各种组件的操作(例如，在图像和/或视频采集的阶段前、阶段后和现场阶段期间)的逻辑和/或电路。控制器350可以被实施为硬件逻辑(例如，专用集成电路、现场可编程门阵列、芯片上系统等)、在通用微控制器或微处理器上执行的软件/固件逻辑，或硬件和软件/固件逻辑的组合。在一个实施例中，控制器350包含耦合到存储器354的处理器352，所述存储器存储用于由控制器350或另外由成像系统302的一个或多个组件执行的指令。所述指令当由控制器350执行时可以致使成像系统302执行可以与成像系统302的各种功能模块、逻辑块或电路相关联的操作，所述各种功能模块、逻辑块或电路包含控制电路356、读出电路358、功能逻辑360、图像传感器300、物镜320和成像系统302的任何其它元件(图示或其它)中的任一个或组合。存储器是非暂时性计算机可读介质，其可包含但不限于由控制器350可读的易失性(例如，RAM)或非易失性(例如，ROM)存储系统。进一步应理解，控制器350可以是单片集成电路、一或多个离散互连电组件或其组合。另外，在一些实施例中，所述一或多个电组件可以彼此耦合以共同充当用于编排成像系统302的操作的控制器350。
控制电路356可以控制图像像素阵列305的操作特性(例如，曝光持续时间、何时捕获数字图像或视频，及类似特性)。读出电路358读取或另外采样来自个别光电二极管的模拟信号(例如，响应于入射光而读出由所述多个光电二极管305中的每一个产生的电信号以产生相位检测自动聚焦信号，读出图像信号以捕获图像帧，及类似操作)，且可以包含放大电路、模/数(ADC)电路、图像缓冲器或其它电路。在所说明的实施例中，读出电路358包含于控制器350中，但在其它实施例中，读出电路358可与控制器350分开。功能逻辑360耦合到读出电路358来接收电信号以作为响应产生相位检测自动聚焦(PDAF)信号，响应于接收到图像信号或数据而产生图像，及类似操作。在一些实施例中，电学或图像信号可以分别被存储为PDAF信号或图像数据，且可由功能逻辑330操纵(例如，将图像数据去马赛克，应用后期图像效果，例如裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)。
图4示出根据本公开的教示的用包含具有共享微透镜的图像传感器的成像系统捕获图像的实例过程或方法400。在一些实施例中，方法400可以由图3中示出的成像系统302和/或图1A-1D中示出的图像传感器100、图2A-2B中示出的图像传感器200或图3中示出的图像传感器300中的任一个实施。应了解，方法400的包含框405-470的编号框可以按任何次序发生并且甚至并行发生。此外，根据本发明的教示，可向方法400添加框或从其移除框。
框405图解说明在接收到信号之后方法400的初始化(例如，成像系统的被按下的快门按钮)以捕获表示外部场景的图像帧。在初始化期间，可提供(例如，由成像系统的用户选择)、自动检测(例如，在具有相位检测自动聚焦信号的后续步骤期间)或另外获得将由图像传感器成像的外部场景的兴趣点(POI)。POI可表示外部场景的需要焦点对准的一或多个区。
框410-430示出如本公开的各种实施例中所图示的用于使用具有共享微透镜的图像传感器产生相位检测自动聚焦(PDAF)信号，以及在必要时调整物镜的光学功率来配置成像系统以聚焦于一或多个兴趣点的步骤。更具体地，利用的图像传感器(例如，分别在图1A-1D、图2A-2B和图3中示出的图像传感器100、200或300)包含布置成2乘2阵列的四个光电二极管的群组，其共享(即，光学对准于)共同微透镜和滤色器以使得图像传感器的图像像素阵列内的每一子像素可被配置为相位检测器。
框410图解说明将所述多个光电二极管暴露于与外部场景相关联的入射光。响应于所述入射光，所述多个光电二极管产生与入射光的强度成比例的电信号。
框415示出响应于入射光而读出电信号(例如，经由图3中示出的读出电路356)。可响应于入射光而个别地从相应子像素读出电信号(例如，通过每次一行将产生于光电二极管中的每一个中的图像电荷作为电信号传送到列存储电容器，并且接着使用耦合到多路复用器的列解码器个别地读出元件)，使得由共享共同滤色器和微透镜的四个光电二极管的群组中包含的对应光电二极管产生的电信号中的每一个可分组在一起。
框420图解说明比较电信号以提供成像系统的相位检测自动聚焦。可利用功能逻辑(例如，如图3中所图示)以至少部分地基于与至少所述多个光电二极管中包含的四个光电二极管的群组相关联的电信号之间的比较来产生PDAF信号。在一个实施例中，由于共享共同滤色器和共同微透镜而分组在一起的电信号可彼此进行比较以作为相位检测器操作。在一个实施例中，所述功能逻辑通过将四个光电二极管的群组中包含的邻近光电二极管之间的电信号进行比较并且进一步将四个光电二极管的群组中包含的对角线光电二极管之间的电信号进行比较来产生PDAF信号。
框425示出至少部分地基于电信号之间的比较确定兴趣点是否焦点对准。在一个实施例中，基于电信号产生一或多个相位图像。举例来说，如果共享微透镜与四个光电二极管光学对准，那么可使用来自每一相应象限的电信号产生相应相位图像(即，四个相位图像)。可比较相位图像中的每一个(即，与光电二极管的2乘2阵列中的相应一个的共同微透镜相关联的电信号的群组)进行比较以产生提供关于兴趣点是否焦点对准的多方向信息。
如果兴趣点未焦点对准，那么框425前进到框430，且基于电信号的比较调整光学功率(例如，由物镜提供)。换句话说，所述比较允许确定物镜的光学功率是否导致外部场景焦点对准、前聚焦或后聚焦，且提供相应地调整光学功率的指令。一旦调整物镜的光学功率，框430就前进到框410以再次开始确定兴趣点是否焦点对准的过程。
如果兴趣点是焦点对准的，那么框425前进到框435来配置成像系统以基于预定或另外选择的图像类型或其组合来捕获图像。取决于图像类型是标准图像(STD)、高动态范围图像(HDR)还是深度图图像，框435分别前进到框440、445或450。
框440图解说明以共同积分时间读出图像信号(例如，将图像传感器暴露于入射光以用于捕获图像)。换句话说，光电二极管中的每一个的读出持续时间可以是相似的且随后用以产生图像。
框445示出以不同积分时间读出图像信号以捕获高动态范围图像。确切地说，在光电二极管的2乘2阵列内针对像素阵列中包含的每一子像素以不同积分时间读出电信号以提供HDR成像。确切地说，可以第一积分时间读出四个光电二极管的群组内的两个光电二极管，同时可以长于第一积分时间的第二积分时间读出光电二极管的群组中包含的其它两个光电二极管。不同积分时间允许图像传感器的较大动态范围，且四个光电二极管的给定群组的电信号共同可用于产生图像信号或图像数据以用于产生HDR图像。
框450图解说明将与用于每一(子)像素的光电二极管的2乘2阵列内的不同光电二极管相关联的电信号进行比较以确定用于产生外部场景的深度图的相对深度信息。
一旦读出图像信号以用于捕获标准图像(即，框440)或HDR图像(即，框445)，方法400就前进到框455以执行图像信号的两步骤转换过程。电信号的两步骤转换过程产生经译码为与成像系统的滤色器阵列不同的滤色器图案的图像像素值，且是至少部分地基于成像系统中包含的图像传感器的架构。所述两步骤转换过程包含至少第一步骤和第二步骤。第一步骤将电信号转换为第一经转换图像值，所述值经颜色译码为四重拜耳滤色器图案而无需共享微透镜(例如，具有BGGR的重复单元的滤色器，其中每一滤色器与四个光电二极管对准)。第二步骤将第一经转换图像值转换为经颜色译码为拜耳滤色器图案的第二经转换图像值。
框460示出确定是否应当取得另一图像。如果信号、设定或其它配置参数指示应当取得另一图像(例如，成像系统的快门按钮被连续地按下)，那么框460前进到框465以确定是否选择或另外确定同一兴趣点。如果选择同一兴趣点，那么框465前进到框435以基于图像类型捕获图像。然而，如果未选择同一兴趣点或期望确保兴趣点的焦点，那么框465前进到框405。如果不需要另一图像，那么框460前进到框470以结束图像采集过程。
图5A图解说明根据本公开的教示的将从图像传感器获得的图像信号去马赛克的实例转换过程500，所述图像传感器具有在2乘2光电二极管阵列上方延伸的共享微透镜。过程500可以用成像系统(例如，图3中示出的成像系统302)、图像传感器(例如，图1A-1D中示出的图像传感器100)、处理装置(例如，与成像系统分开的计算机或控制器)、本公开的任何其它实施例或其组合来实施。
过程500是两步骤转换过程，其包含将电信号转换为与成像系统的滤色器阵列不同的滤色器图案的步骤1 510和步骤2 515。在步骤1 510期间，响应于入射光而产生的电信号用以产生经译码为四重拜耳滤色器图案而无需共享微透镜的图像像素值。四个光电二极管的群组内的每一光电二极管可以产生对应电信号(A、B、C和D)，其可经译码(即，去马赛克)为四重拜耳滤色器阵列作为第一经转换图像信号(a、b、c和d)，其具有条件“x+y+z+z＝1”和如下的预定转换规则：
Figure BDA0002829600630000121
等式(1)包含多个功能，基于与特定电信号(例如，对应滤色器的光谱光响应)相关联的光的波长的x、y及z以及由图像像素阵列内的特定微透镜的形状和位置确定的主光线角。步骤2 515随后将第一经转换图像值转换为经译码为拜耳滤色器图案的第二经转换图像值(例如，滤色器阵列的最小重复单元是“BGGR”且每一滤色器与单个光电二极管相关联)。
图5B图解说明根据本公开的教示的将从图像传感器获得的图像信号去马赛克的实例转换过程550，所述图像传感器具有在2乘1光电二极管阵列上方延伸的共享微透镜。过程550可以成像系统(例如，图3中示出的成像系统302)、图像传感器(例如，图2A-2B的图像传感器200)、处理装置(例如，与成像系统分开的计算机或控制器)、本公开的任何其它实施例或其组合来实施。
过程550是两步骤转换过程，其包含将电信号转换为与成像系统的滤色器阵列不同的滤色器图案的步骤1 560和步骤2 565。在步骤1 560期间，响应于入射光而产生的电信号用以产生经译码为四重拜耳滤色器图案而无需共享微透镜的图像像素值。两个光电二极管的群组内的每一光电二极管可产生对应电信号(A和B)，其可以经译码(即，去马赛克)为四重拜耳滤色器阵列作为第一经转换图像信号(a和b)，其具有条件“x+y＝1”和如下的预定转换规则：
Figure BDA0002829600630000122
等式(2)包含多个功能，基于与特定电信号(例如，对应滤色器的光谱光响应)相关联的光的波长的x和y以及由图像像素阵列内的特定微透镜的形状和位置确定的主光线角。步骤2 560随后将第一经转换图像值转换为经译码为拜耳滤色器图案的第二经转换图像值(例如，滤色器的最小重复单元是“BGGR”且每一滤色器与单个光电二极管相关联)以产生经译码为与成像系统的滤色器阵列不同的滤色器图案的图像像素值。
可使用软件和/或硬件实施上文阐释的过程。描述的技术可构成在有形的或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储介质内实施的机器可执行指令，所述机器可执行指令当由机器(例如，图1A的控制器120)执行时将致使机器执行描述的操作。另外，过程可体现在硬件内，所述硬件例如专用集成电路(“ASIC”)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它硬件。
有形的机器可读存储介质包含以机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一或多个处理器的集合的任何装置等)可存取的非暂时性形式提供(即，存储)信息的任何机构。举例来说，机器可读存储介质包含可记录/不可记录介质(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、快闪存储器装置等)。
对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)并不意图是穷尽性的或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文中出于说明性目的描述了本发明的具体实例，但是在本发明的范围内，各种修改是可能的，如相关领域的技术人员将认识到。
可鉴于以上详细描述对本发明作出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所公开的具体实例。实际上，本发明的范围应完全由所附权利要求书确定，应根据权利要求解释的已确立的原则来解释所附权利要求书。

Claims (20)

1.一种图像传感器，其包括：
多个光电二极管，其经布置为光电二极管阵列，所述多个光电二极管中的每一个安置于半导体材料的相应部分内，且其中所述相应部分中的每一个具有第一横向区域；
多个滤色器，其经布置为与所述光电二极管阵列光学对准的滤色器阵列，所述多个滤色器中的每一个具有大于所述第一横向区域的第二横向区域；以及
多个微透镜，其经布置为与所述滤色器阵列和所述光电二极管阵列光学对准的微透镜阵列，所述多个微透镜中的每一个具有大于所述第一横向区域且小于所述第二横向区域的第三横向区域。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一横向区域、所述第二横向区域和所述第三横向区域是沿所述光电二极管阵列、所述滤色器阵列和所述微透镜阵列的相应横截面平面截取的，所述相应横截面平面各自与所述图像传感器的焦平面大体上平行。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个滤色器中的每一个延伸跨越所述光电二极管阵列中包含的以2乘2图案布置的四个邻近光电二极管的个别群组。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述滤色器阵列包含对应于所述多个滤色器中包含的四个对接滤色器的群组的多个平铺的最小重复单元，其中四个对接滤色器的所述群组包含具有第一光谱光响应的第一滤色器、具有第二光谱光响应的第二滤色器以及具有第三光谱光响应的第三滤色器。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中四个对接滤色器的所述群组中的每一个进一步包含具有第四光谱光响应的第四滤色器，其中所述第二光谱光响应大体上相同于所述第三光谱光响应，其中所述第一光谱光响应和所述第四光谱光响应与彼此、所述第二光谱光响应和所述第三光谱光响应不同，且其中所述第二滤色器和所述第三滤色器在所述多个平铺的最小重复单元中的个别一个内彼此沿对角线相对。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述多个微透镜中的每一个在四个邻近光电二极管的个别群组中的相应一个和所述多个滤色器中的相应一个上方大体上居中，且其中所述多个微透镜中的每一个的所述第三横向区域具有圆形形状，所述圆形形状具有在所述半导体材料的所述相应部分中的近似两个上方延伸的直径。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中所述多个微透镜中的每一个是对称的。
8.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述多个微透镜中的每一个光学对准于四个邻近光电二极管的所述个别群组中包含的两个邻近光电二极管上方。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述第三横向区域具有卵形的形状，所述卵形的形状具有延伸所述半导体材料的所述相应部分中的近似两个的长度和延伸所述半导体材料的所述相应部分中的近似一个的宽度。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述微透镜阵列包含多个平铺的最小重复微透镜单元，所述多个平铺的最小重复微透镜单元各自包含分别跨越所述滤色器阵列的所述平铺的最小重复单元的所述第二滤色器和所述第三滤色器安置的第一对微透镜和第二对微透镜，且其中所述第一对微透镜纵向正交于所述第二对微透镜而定向。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括：
读出电路，其耦合到所述图像传感器以读出由所述多个光电二极管中的每一个响应于入射光而产生的电信号；以及
功能逻辑，其耦合到所述读出电路以接收所述电信号且响应于接收到所述电信号而产生相位检测自动聚焦PDAF信号，且其中所述PDAF信号是至少部分地基于由所述功能逻辑提供的在与至少所述多个光电二极管中包含的四个光电二极管的群组相关联的所述电信号之间的比较，且其中所述群组的四个光电二极管共享所述多个微透镜中包含的共同微透镜和所述多个滤色器中包含的共同滤色器。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中所述功能逻辑通过将四个光电二极管的所述群组中包含的邻近光电二极管之间的所述电信号进行比较并且进一步将四个光电二极管的所述群组中包含的对角线光电二极管之间的所述电信号进行比较来产生所述PDAF信号。
13.一种成像系统，其包括：
图像传感器，其包含布置于图像像素阵列中的多个子像素，其中所述多个子像素中的每一个包含安置于半导体材料的相应部分中的光电二极管的2乘2阵列、与光电二极管的所述2乘2阵列光学对准的滤色器，以及在光电二极管的所述2乘2阵列和所述滤色器上方光学居中的微透镜，且其中所述多个像素中的每一个中的所述滤色器共同形成具有最小重复单元的滤色器阵列，所述最小重复单元横跨所述多个子像素中包含的子像素的2乘2阵列；以及
控制器，其耦合到所述图像传感器和逻辑，所述逻辑当由所述控制器执行时致使所述成像系统执行包含以下的操作：
响应于入射光而读出电信号，所述电信号中的每一个是由用于所述多个子像素中包含的一或多个子像素的光电二极管的所述2乘2阵列中包含的对应光电二极管产生。
14.根据权利要求13所述的成像系统，其进一步包括额外逻辑，所述额外逻辑当由所述控制器执行时致使所述成像系统执行包含以下的进一步操作：
将所述电信号进行比较以提供所述成像系统的相位检测自动聚焦PDAF。
15.根据权利要求14所述的成像系统，其中将与光电二极管的所述2乘2阵列中的相应一个的所述微透镜相关联的所述电信号的群组进行比较以提供所述PDAF。
16.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述滤色器阵列的所述最小重复单元包含四个对接滤色器的群组，其中四个对接滤色器的所述群组中的每一个包含具有第一光谱光响应的第一滤色器、具有第二光谱光响应的第二滤色器、具有第三光谱光响应的第三滤色器，以及具有第四光谱光响应的第四滤色器，其中所述第二光谱光响应大体上相同于所述第三光谱光响应，且其中所述第二滤色器在所述滤色器阵列的所述最小重复单元内与所述第三滤色器跨对角线安置。
17.根据权利要求16所述的成像系统，其进一步包括额外逻辑，所述额外逻辑当由所述控制器执行时致使所述成像系统执行包含以下的进一步操作：
提供所述电信号的两步骤转换过程以产生经译码为与所述成像系统的所述滤色器阵列不同的滤色器图案的图像像素值。
18.根据权利要求17所述的成像系统，其中所述两步骤转换过程包含至少第一步骤和第二步骤，其中所述第一步骤将所述电信号转换为经颜色译码为四重拜耳滤色器图案的第一经转换图像值而无需共享微透镜，且其中所述第二步骤将所述第一经转换图像值转换为经颜色译码为拜耳滤色器图案的第二经转换图像值。
19.根据权利要求13所述的成像系统，其进一步包括额外逻辑，所述额外逻辑当由所述控制器执行时致使所述成像系统执行包含以下的进一步操作：
通过将与用于所述多个子像素中的每一个的光电二极管的所述2乘2阵列内的不同光电二极管相关联的所述电信号进行比较来产生深度信息。
20.根据权利要求13所述的成像系统，其进一步包括额外逻辑，所述额外逻辑当由所述控制器执行时致使所述成像系统执行包含以下的进一步操作：
针对用于所述像素阵列中包含的每一子像素的光电二极管的所述2乘2阵列内的不同光电二极管以不同积分时间读出所述电信号以提供高动态范围成像。
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