CN113965703A - 图像感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种图像感测装置，该图像感测装置可以包括：可变滤色器，其被配置成接收图像感测装置上的入射光，并且能够进行操作以改变由其透射的光的波长范围；以及像素阵列，其被定位成接收入射光的从可变滤色器透射的部分，并且包括多个单位像素，每个单位像素被配置成产生与已经透射通过可变滤色器的光的强度相对应的像素信号。

Description

图像感测装置
技术领域
本专利文件公开的技术和实现方式总体涉及一种感测各种波长范围内的光的图像感测装置。
背景技术
图像感测装置是利用半导体对入射到其上的光作出反应以产生图像的特性来捕获图像的装置。最近，随着计算机行业的发展，在例如智能电话、数码相机、视频游戏设备、与物联网(IOT)一起使用的装置、机器人、监控摄像头和医用微型摄像头等的各种电子装置中，对先进图像感测装置的需求不断增加。
图像感测装置可以大致分为电荷耦合器件(CCD)图像感测装置和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像感测装置。与CMOS图像感测装置相比，CCD图像感测装置产生的噪声更少并且图像质量更好。然而，CMOS图像感测装置具有更简单和更方便的驱动方案，因此在一些应用中可能是优选的。CMOS图像感测装置可以集成能够集成在单个芯片中的信号处理电路，使得传感器容易被小型化以用于实现在产品中，并且CMOS图像感测装置还具有消耗更低功耗的额外好处。CMOS图像传感器能够使用CMOS制造技术来制造，使得制造成本低廉。由于CMOS图像感测装置适合于在移动装置中实现，因此其已经得到广泛使用。
发明内容
所公开技术的各种实施方式涉及一种即使没有滤色器阵列(CFA)也能够获取彩色图像的图像感测装置。
在一个实施方式中，一种图像感测装置可以包括：可变滤色器，其被配置成接收图像感测装置上的入射光，并且能够进行操作以改变由其透射的光的波长范围；以及像素阵列，其被定位成接收入射光的从可变滤色器透射的部分，并且包括多个单位像素，每个单位像素被配置成产生与已经透射通过可变滤色器透射的光的强度相对应的像素信号。
在一个实施方式中，一种图像感测装置可以包括：基板，其包括像素阵列，所述像素阵列包括多个单位像素；可变滤色器，其设置在基板上，并且被配置成接收滤色器控制信号，并且所述可变滤色器响应于滤色器控制信号而改变由可变滤色器透射的光的波长范围；以及滤色器驱动器，其联接到可变滤色器，并且被配置成产生用于控制可变滤色器的滤色器控制信号，并且所述滤色器驱动器将滤色器控制信号施加到可变滤色器。
根据这些实施方式，根据本实施方式的图像感测装置可以排除被配置成使每个像素接收不同颜色的光的滤色器阵列(CFA)，从而可以解决CFA的各种问题，例如接收灵敏度的降低、串扰的发生以及CFA设计/工艺中难度等级的增加。
附图说明
图1是示出根据所公开技术的实施方式的图像感测装置的示例的框图。
图2是示出图1所示的图像感测装置的一些组件的图。
图3是示出图2所示的可变滤色器的一个示例的图。
图4是示出可变滤色器的厚度和每种颜色的光的透射率之间的关系的曲线图。
图5是示出图2所示的可变滤色器的另一个示例的图。
图6是描述具有第一厚度的可变滤色器的操作的图。
图7是描述具有第二厚度的可变滤色器的操作的图。
图8是描述具有第三厚度的可变滤色器的操作的图。
图9是描述根据所公开技术的实施方式的图像感测装置的操作方法的示例的图。
具体实施方式
下面将参照附图描述各种实施方式。然而，应当理解，本公开不限于特定的实施方式，而是包括实施方式的各种变型、等同物和/或替代物。
图1是示出根据所公开技术的实施方式的图像感测装置的框图。
参照图1，图像感测装置100可以包括像素阵列110、行驱动器120、相关双采样器(CDS)130、模数转换器(ADC)140、输出缓冲器150、列驱动器160、定时控制器170、滤色器驱动器(filter driver)190和可变滤色器(variable color filter)200。图1所示的图像感测装置100的组件仅通过示例的方式进行讨论，并且本专利文件包含许多其它改变、替换、变化、变更和变型。
像素阵列110可以包括布置成行和列的多个单位成像像素。每个单位像素可以产生与已经穿透可变滤色器200的光的强度相对应的像素信号。在一个示例中，多个单位成像像素能够布置成包括行和列的二维像素阵列。在另一个示例中，多个单位成像像素能够布置成三维像素阵列。多个单位像素可以基于单位像素或像素组将光信号转换成电信号，其中像素组中的单位像素共享至少某些内部电路。像素阵列110可以从行驱动器120接收驱动信号，包括行选择信号、像素复位信号和传输信号。当接收到驱动信号时，像素阵列110中的对应的成像像素可以被激活以执行与行选择信号、像素复位信号和传输信号相对应的操作。
行驱动器120可以基于由诸如定时控制器170的控制器电路提供的命令和控制信号来激活像素阵列110，以对对应行中的成像像素执行特定操作。在一些实现方式中，行驱动器120可以选择布置在像素阵列110的一行或更多行中的一个或更多个成像像素。行驱动器120可以产生行选择信号，以在多个行中选择一行或更多行。行解码器120可以顺序地使能用于复位与至少一个所选行相对应的成像像素的像素复位信号，以及用于与所述至少一个所选行相对应的像素的传输信号。因此，可以将作为由所选行的每个成像像素产生的模拟信号的参考信号和图像信号顺序传输到CDS 130。参考信号可以是当成像像素的感测节点(例如，浮置扩散节点)被复位时提供给CDS 130的电信号，并且图像信号可以是当由成像像素产生的光电荷累积在感测节点中时提供给CDS 130的电信号。
CMOS图像传感器可以使用相关双采样(CDS)，以通过对像素信号采样两次来消除这两次采样之间的差异，从而消除被称为固定模式噪声的不想要的像素偏移值。在一个示例中，相关双采样(CDS)可以通过比较在由入射光产生的光电荷累积在感测节点中之前和之后获得的像素输出电压来消除不想要的像素偏移值，从而可以仅测量基于入射光的像素输出电压。在所公开的技术的一些实施方式中，CDS 130可以顺序地采样并且保持从像素阵列110提供给多条列线中的每一条的参考信号和图像信号的电压电平。也就是说，CDS 130可以采样并且保持与像素阵列110的每一列相对应的参考信号和图像信号的电压电平。
在一些实现方式中，CDS 130可以基于来自定时控制器170的控制信号，将每一列的参考信号和图像信号作为相关双采样信号传输到ADC 140。
ADC 140用于将模拟CDS信号转换成数字信号。在一些实现方式中，ADC 140可以被实现为斜坡比较型ADC。斜坡比较型ADC可以包括用于将模拟像素信号与斜坡上升或斜坡下降的斜坡信号进行比较的比较器电路，以及用于进行计数直到斜坡信号的电压与模拟像素信号匹配为止的计数器。在所公开的技术的一些实施方式中，ADC 140可以将针对每一列由CDS 130产生的相关双采样信号转换成数字信号，并且输出该数字信号。ADC 140可以基于每一列的相关双采样信号和从定时控制器170提供的斜坡信号来执行计数操作和计算操作。
ADC 140可以包括多个列计数器。像素阵列110的每一列联接到列计数器，并且能够通过使用列计数器将从每一列接收的相关双采样信号转换成数字信号来产生图像数据。在所公开技术的另一个实施方式中，ADC 140可以包括全局计数器，以使用从全局计数器提供的全局码将对应于各个列的相关双采样信号转换成数字信号。
输出缓冲器150可以临时保存从ADC 140提供的基于列的图像数据，以输出图像数据。在一个示例中，输出缓冲器150基于定时控制器170的控制信号输出从ADC 140提供给输出缓冲器150并且存储在输出缓冲器150中的图像数据。输出缓冲器150可以提供接口，以补偿图像感测装置100和其它装置之间的数据速率差异或传输速率差异。
列驱动器160可以在从定时控制器170接收到控制信号时选择输出缓冲器的列，并且顺序输出临时存储在输出缓冲器150的所选列中的图像数据。在一些实现方式中，在从定时控制器170接收到地址信号时，列驱动器160可以基于地址信号产生列选择信号，并且选择输出缓冲器150的列，从而从输出缓冲器150的所选列输出图像数据作为输出信号。
定时控制器170可以控制行驱动器120、CDS 130、ADC 140、输出缓冲器150、列驱动器160和滤色器驱动器190的操作。
定时控制器170可以向行驱动器120、CDS 130、ADC 140、输出缓冲器150、列驱动器160和滤色器驱动器190提供图像感测装置100的各个组件的操作所需的时钟信号、用于定时控制的控制信号以及用于选择行或列的地址信号。在所公开技术的一个实施方式中，定时控制器170可以包括逻辑控制电路、锁相环(PLL)电路、定时控制电路和通信接口电路等。
在定时控制器170的控制下，滤色器驱动器190可以产生用于操作可变滤色器200的滤色器控制信号。滤色器控制信号可以包括具有预定电压电平的两个或更多个信号，但是本公开的范围不限于此。
可变滤色器200可以允许从图像感测装置100外部入射的光中的特定波长范围的光(例如，红光、绿光、蓝光、品红光、黄光或青光等)透射或穿透可变滤色器200，并且将光传输到像素阵列110。可以基于从滤色器驱动器190接收的滤色器控制信号来决定由可变滤色器200透射的光的波长范围。因此，滤色器驱动器190能够使用滤色器控制信号来调整要穿透通过可变滤色器200的光的波长范围。可变滤色器200可以根据从滤色器驱动器接收的滤色器控制信号来改变要透射的光的波长范围。
当滤色器控制信号被施加到可变滤色器200时，可变滤色器200可以基于滤色器控制信号将特定波长范围的光透射到像素阵列110。因此，布置成矩阵的多个单位像素可以接收相同颜色的光，而不是通过以特定颜色图案(例如，拜耳图案)配置的滤色器来接收不同颜色的光。
图2是示出图1所示的图像感测装置的一些组件的图。
图2示出了参照图1描述的图像感测装置100的组件中的像素阵列110、滤色器驱动器190和可变滤色器200。
像素阵列110可以形成在基板300中。
基板300可以是包括彼此面对的顶面和底面的半导体基板，而本公开的范围不限于此。可以将基板300的底面和顶面分别定义为正面和背面。例如，基板300可以是P型或N型块体基板(bulk substrate)、通过在P型块体基板中生长P型或N型外延层而获得的基板、或者通过在N型块体基板中生长P型或N型外延层而获得的基板。
形成在基板300中的像素阵列110可以包括布置成包括行和列的矩阵的多个单位像素。多个单位像素可以具有各种结构和对应于结构的操作。在下文中将描述一个单位像素作为示例。单位像素可以包括设置在基板300的内部位置并且被配置成将入射光转换成光电荷的光电转换元件。单位像素可以包括被配置成将光电转换元件中累积的光电荷转换成与光电荷相对应的电信号的一个或更多个晶体管。晶体管的示例可以包括传输晶体管、复位晶体管、源极跟随器和选择晶体管等。单位像素可以是3T(晶体管)像素、4T像素或5T像素，但是本公开的范围不限于此。
图2所示的像素阵列110可以包括将入射光转换成电信号的有效像素(activepixel)。基板300还可以包括用于测量暗噪声的光学黑像素(optical black pixel)或虚设像素(dummy pixel)。
可变滤色器200可以设置在基板300上，以与像素阵列110交叠。可变滤色器200的尺寸可以对应于像素阵列110的尺寸。可变滤色器200可以与基板300隔开预定距离。可变滤色器200的一个表面可以接收入射光，并且可变滤色器200的另一个表面可以将已经穿透可变滤色器200的光传输到像素阵列110。
滤色器驱动器190可以设置在基板300的一个表面上，而不与像素阵列110交叠。滤色器驱动器190可以设置在可变滤色器200的两侧。在一些实现方式中，滤色器驱动器190可以支撑可变滤色器200的两侧，使得可变滤色器200与基板300隔开预定距离。在一些其它实现方式中，当从顶部观察时，滤色器驱动器190可以被设置为围绕可变滤色器200，并且支撑可变滤色器200的四个侧部。因此，可变滤色器200与基板300隔开预定距离。
滤色器驱动器190可以向可变滤色器200提供滤色器控制信号。对于该操作，滤色器驱动器190可以包括用于发送/接收滤色器控制信号的布线结构。
图3是示出图2所示的可变滤色器的示例的图。
图3示出根据本实施方式的可变滤色器200的截面。可变滤色器200可以包括第一板210、第二板220和压电层230。
第一板210可以是设置在像素阵列110上以与像素阵列110交叠的透明电极层。第一板210可以具有对应于像素阵列110的面积。第一板210可以由具有高透射率的导电材料(例如，氧化镓锌(GZO)、氧化硼锌(BZO)、氧化铟锌(IZO)或氧化铟锡(ITO))形成或包括具有高透射率的导电材料。可以考虑到形状稳定性、导电性和透射率而将第一板210的厚度设定为适当的厚度。第一板210可以接收第一电压信号V1，并且第一板210的整个区域可以具有对应于第一电压信号V1的电势。
第一板210可以具有设置在相对两侧的第一表面212和第二表面214。
第一板210可以具有形成在第一表面212上的反射薄膜。例如，反射薄膜可以包括具有高反射率和导电性的银(Ag)。
第一板210可以具有形成在第二表面214上的抗反射薄膜。例如，抗反射薄膜可以包括氧化物或氮化物，并且具有其中一个或更多个具有低折射率的薄膜和一个或更多个具有高折射率的薄膜交替设置的结构。
第二板220可以是设置在压电层230上的透明电极层。第二板220可以与第一板210隔开对应于压电层230厚度的预定距离。第二板220可以与像素阵列110交叠，并且具有对应于像素阵列110的面积。第二板220可以由具有高透射率的导电材料(例如，氧化镓锌(GZO)、氧化硼锌(BZO)、氧化铟锌(IZO)或氧化铟锡(ITO))形成或包括具有高透射率的导电材料。可以考虑到形状稳定性、导电性和透射率而将第二板220的厚度设定为适当的厚度。第二板220可以接收第二电压信号V2，并且第二板220的整个区域可以具有对应于第二电压信号V2的电势。
上述第一电压信号V1和第二电压信号V2可以被包括在从滤色器驱动器190提供的滤色器控制信号中。
第二板220可以具有设置在相对两侧的第一表面222和第二表面224。
第二板220的第一表面222可以具有形成在其上的反射薄膜。例如，反射薄膜可以包括具有高反射率和导电性的银(Ag)。
第二板220的第二表面224可以具有形成在其上的抗反射薄膜。例如，抗反射薄膜可以包括氧化物或氮化物，并且具有其中一个或更多个具有低折射率的薄膜和一个或更多个具有高折射率的薄膜交替设置的结构。
第一板210的第一表面212和第二板220的第一表面222可以被设置成彼此面对，并且第一板210的第二表面214和第二板220的第二表面224可以被设置成面对可变滤色器200的外部。
第一板210和第二板220可以形成法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Pérotinterferometer)。法布里-珀罗干涉仪可以表示这样的结构：其中将各自具有高透射率的两个薄膜设置成彼此交叠，并且两个薄膜的相面对的表面涂覆有具有高反射率的材料。法布里-珀罗干涉仪可以对入射到其一个表面上并且具有特定波长范围的光产生多重干涉(multiple interference)，并且因此对所述具有特定波长范围的光具有相对高的透射率。所述特定波长范围可以根据两个薄膜之间的距离而变化。
因此，第一板210和第二板220可以作为选择性地透射具有根据第一板210和第二板220之间的距离而决定的特定波长范围的某种颜色的光的滤色器操作。在该示例中，假设第一板210和第二板220的厚度不变，但是压电层230的厚度改变。当第一板210和第二板220之间的距离改变或者压电层230的厚度改变时，可以表示可变滤色器200的厚度TH改变。
压电层230可以设置在彼此面对的第一板210和第二板220之间，并且附接到第一板210和第二板220中的每一个。
压电层230可以包括具有能够表现出逆压电效应(converse piezoelectriceffect)的压电特性的压电材料。逆压电效应可以表示当具有预定电势差的电压施加到位于材料两端的两个电极时，发生机械变形。
在压电层230中可以发生与施加到位于压电层230的一侧的第一板210的第一电压信号V1和施加到位于压电层230的另一侧的第二板220的第二电压信号V2之间的电势差相对应的机械变形。压电层230的机械变形可以表示压电层230厚度的增大或减小。
压电层230中包括的压电材料可以是具有压电特性的透明材料。例如，压电材料可以是硼碳氧硝酸盐(boron carbon oxynitrate，BCNO)。可以通过将碳嵌入作为具有六边形板状结构的各向同性材料的氮化硼(BN)中而将BCNO合成为各向异性材料。当电场施加到作为这种各向异性材料的BCNO时，可以通过极化而实现压电特性。
压电层230可以具有根据第一电压信号V1和第二电压信号V2之间的电势差而改变的厚度，并且附接到压电层230的第一板210和第二板220之间的距离可以根据压电层230的厚度决定。根据第一板210和第二板220之间的距离，可以决定由形成法布里-珀罗干涉仪的可变滤色器200透射的光的波长范围(或颜色)。因此，滤色器驱动器190可以控制第一电压信号V1和第二电压信号V2，以决定由可变滤色器200透射的光的波长范围(或颜色)。
图4是示出可变滤色器的厚度和每种颜色的光的透射率之间的关系的曲线图。
图4示出可变滤色器200的厚度与红色、绿色、蓝色中的每种颜色的光的透射率之间的关系。以下，将对应于红色、绿色和蓝色的光称为“红光”、“绿光”和“蓝光”。
红光可以具有大约655nm的中心波长(central wavelength)。绿光可以具有大约540nm的中心波长。蓝光可以具有大约460nm的中心波长。
当可变滤色器200具有第一厚度TH1时，可变滤色器200可以对红光具有最高透射率。在这种情况下，可变滤色器200可以作为红色滤色器操作。
当可变滤色器200具有第二厚度TH2时，可变滤色器200可以对绿光具有最高透射率。在这种情况下，可变滤色器200可以作为绿色滤色器操作。
最后，当可变滤色器200具有第三厚度TH3时，可变滤色器200可以对蓝光具有最高透射率。在这种情况下，可变滤色器200可以作为蓝色滤色器操作。
第一厚度TH1至第三厚度TH3可以根据可变滤色器200的材料和结构而改变，并且可以针对可变滤色器200的材料和结构通过实验决定。第一厚度TH1可以大于第二厚度TH2，并且第二厚度TH2可以大于第三厚度TH3。
图5是示出图2所示的可变滤色器的另一个示例的图。
图5示出根据一个实施方式的可变滤色器200’的截面。可变滤色器200’可以包括第一板210、第二板220、压电层230和光学隔离膜(optical isolation film)240。包括在可变滤色器200’中的第一板210、第二板220和压电层230分别与参照图3描述的第一板210、第二板220和压电层230具有基本相同的结构和功能。因此，本文将省略其详细描述。
为了便于描述，图5仅示出对应于三个像素PX1至PX3的区域。然而，本领域普通技术人员将理解，可变滤色器200’可以形成在与包括在像素阵列110中的更多像素相对应的区域中。
光学隔离膜240可以在第一板210和第二板220之间沿着彼此相邻的像素之间的边界设置。如图5所示，光学隔离膜240可以沿着彼此相邻的第一像素PX1和第二像素PX2之间的边界以及彼此相邻的第一像素PX1和第三像素PX3之间的边界设置。因此，压电层230和光学隔离膜240可以在像素阵列110的行方向或列方向上交替设置。
光学隔离膜240可以具有网格(mesh)结构，从而当从顶部观察时，光学隔离膜240沿着布置成矩阵的多个像素之间的边界设置。
光学隔离膜240可以与压电层230具有相同的厚度(或高度)。在一些实现方式中，光学隔离膜240可以具有通过实验决定的宽度，以最小化相邻像素之间的串扰，并且提高每个像素的光接收效率。
与压电层230相同，光学隔离膜240可以包括具有能够表现出逆压电效应的压电特性的压电材料。因此，响应于第一电压信号V1和第二电压信号V2之间的电势差，光学隔离膜240可以与压电层230具有基本相同的厚度变化。由于压电层230和光学隔离膜240可以具有与第一电压信号V1和第二电压信号V2之间的电势差相对应的机械变形，因此可以防止压电层230和光学隔离膜240之间的机械扭曲(distortion)或分离。
在一些实现方式中，光学隔离膜240可以阻挡入射到压电层230的对应于某个像素的区域中的光移动到另一个像素，从而防止相邻像素(例如，PX1和PX2)之间的光学串扰。例如，假设没有光学隔离膜240。在这种情况下，由于形成法布里-珀罗干涉仪的可变滤色器200’的结构引起的多重干涉，入射到对应于第一像素PX1的压电层230上的光可能移动到对应于另一像素PX2或PX3的压电层230。然而，通过在压电层230中形成光学隔离膜240，光学隔离膜240可以阻挡引起多重干涉的光移动到对应于另一个像素PX2或PX3的压电层230。
为此操作，光学隔离膜240可以包括折射率低于压电材料的材料，具有与压电层230相邻并且涂覆有具有高反射率的材料的区域，或者包括具有高光吸收率的材料。
图6是描述具有第一厚度的可变滤色器的操作的图。
图6示出设置在基板300上的可变滤色器200具有第一厚度TH1的情况。图6至图8示出可变滤色器200设置在基板300上的实施方式。然而，参照图6至图8描述的技术构思可以应用于可变滤色器200’设置在基板300上的实施方式。为了便于描述，图6至图8示出仅对应于彼此相邻的两个像素的可变滤色器200。然而，可变滤色器200可以设置在对应于像素阵列110的更多像素的区域上。
基板300可以包括阱区310、光电转换元件320和元件隔离膜330。
阱区310可以用来隔离形成在基板300中的元件或者提供PN结。阱区310可以是P型或N型外延层，但是本公开的范围不限于此。
光电转换元件320可以独立地形成在每个像素中，并且产生和累积对应于入射光强度的光电荷。光电转换元件320可以通过注入N型离子的离子注入工艺而形成为N型掺杂区。在一个实施方式中，光电转换元件320可以包括层叠在其中的多个掺杂区。在这种情况下，可以通过注入N+离子来形成下掺杂区，并且可以通过注入N-离子来形成上掺杂区。光电转换元件320可以在单位像素中形成在尽可能大的区域上，以提高指示光接收效率的填充因子。
元件隔离膜330可以在相邻像素之间具有垂直深沟槽形状(vertical and deeptrench shape)，以电学隔离和光学隔离相邻像素的光电转换元件320。在一个实施方式中，可以通过将比阱区310具有更低折射率的材料注入到通过深沟槽隔离(DPI)工艺形成的垂直深沟槽结构中来形成元件隔离膜330。
当可变滤色器200’设置在基板300上时，可变滤色器200’的光学隔离膜240可以沿着元件隔离膜330的虚拟延长线设置，以提高光学串扰防止效果。因此，光学隔离膜240和元件隔离膜330可以沿着相同的垂直线设置。
滤色器驱动器190可以产生第一滤色器控制信号，并且将第一滤色器控制信号施加到可变滤色器200’，以透射入射光IL中包括的红光R、绿光G和蓝光B当中的红光R。
第一板210可以接收对应于第一滤色器控制信号的第一电压信号V1，并且第二板220可以接收对应于第一滤色器控制信号的第二电压信号V2。
可变滤色器200可以具有由对应于第一滤色器控制信号的第一电压信号V1和第二电压信号V2之间的电势差决定的第一厚度TH1，并且可变滤色器200的第一厚度TH1可以决定附接到压电层230的第一板210和第二板220之间的距离。
根据对应于第一厚度TH1的第一板210和第二板220之间的距离，由形成法布里-珀罗干涉仪的可变滤色器200透射的光的波长范围可以对应于红光的波长范围。如图4所示，具有第一厚度TH1的可变滤色器200可以对红光R、绿光G和蓝光B当中的红光R具有最高透射率，并且因此作为红色滤色器操作。因此，接收第一滤色器控制信号的可变滤色器200可以过滤掉入射光IL中包括的光当中的除红光R之外的光，并且将红光R传输到光电转换元件320。
图7是描述具有第二厚度的可变滤色器的操作的图。
图7示出设置在基板300上的可变滤色器200具有第二厚度TH2的情况。除了可变滤色器200的厚度之外，图7示出与图6的结构基本相同的结构。因此，本文将省略重复的描述。
滤色器驱动器190可以产生第二滤色器控制信号，并且将第二滤色器控制信号施加到可变滤色器200，以透射入射光IL中包括的红光R、绿光G和蓝光B当中的绿光G。
第一板210可以接收对应于第二滤色器控制信号的第一电压信号V1，并且第二板220可以接收对应于第二滤色器控制信号的第二电压信号V2。
可变滤色器200可以具有由对应于第二滤色器控制信号的第一电压信号V1和第二电压信号V2之间的电势差决定的第二厚度TH2，并且可变滤色器200的第二厚度TH2可以决定附接到压电层230的第一板210和第二板220之间的距离。对应于第二滤色器控制信号的第一电压信号V1和第二电压信号V2之间的电势差可以小于对应于第一滤色器控制信号的第一电压信号V1和第二电压信号V2之间的电势差。
根据对应于第二厚度TH2的第一板210和第二板220之间的距离，由形成法布里-珀罗干涉仪的可变滤色器200透射的光的波长范围可以对应于绿光的波长范围。如图4所示，具有第二厚度TH2的可变滤色器200可以对红光R、绿光G和蓝光B当中的绿光G具有最高透射率，并且因此作为绿色滤色器操作。因此，接收第二滤色器控制信号的可变滤色器200可以过滤掉入射光IL中包括的光当中的除绿光G之外的光，并且将绿光G传输到光电转换元件320。
图8是描述具有第三厚度的可变滤色器的操作的图。
图8示出设置在基板300上的可变滤色器200具有第三厚度TH3的情况。除了可变滤色器200的厚度之外，图8示出与图6的结构基本相同的结构。因此，本文将省略重复的描述。
滤色器驱动器190可以产生第三滤色器控制信号，并且将第三滤色器控制信号施加到可变滤色器200，以透射入射光IL中包括的红光R、绿光G和蓝光B当中的蓝光B。
第一板210可以接收对应于第三滤色器控制信号的第一电压信号V1，并且第二板220可以接收对应于第三滤色器控制信号的第二电压信号V2。
可变滤色器200可以具有由对应于第三滤色器控制信号的第一电压信号V1和第二电压信号V2之间的电势差决定的第三厚度TH3，并且可变滤色器200的第三厚度TH3可以决定附接到压电层230的第一板210和第二板220之间的距离。对应于第三滤色器控制信号的第一电压信号V1和第二电压信号V2之间的电势差可以小于对应于第二滤色器控制信号的第一电压信号V1和第二电压信号V2之间的电势差。
根据对应于第三厚度TH3的第一板210和第二板220之间的距离，由形成法布里-珀罗干涉仪的可变滤色器200透射的光的波长范围可以对应于蓝光的波长范围。如图4所示，具有第三厚度TH3的可变滤色器200可以对红光R、绿光G和蓝光B当中的蓝光B具有最高透射率，并且因此作为蓝色滤色器操作。因此，接收第三滤色器控制信号的可变滤色器200可以过滤掉入射光IL中包括的光当中的除蓝光B之外的光，并且将蓝光B传输到光电转换元件320。
图9是描述根据一个实施方式的图像感测装置的操作方法的图。
参照图9，像素阵列110可以包括多个像素PX1至PXn，其中n是等于或大于2的整数。图9示出各个像素PX1至PXn的顺序操作。
在第一累积时间中，滤色器驱动器190可以将第一滤色器控制信号施加到可变滤色器200，并且可变滤色器200可以将入射光IL中的红光R传输到像素PX1至PXn。像素PX1至PXn中的每一个可以产生并且累积对应于红光R的强度的光电荷。
在第一读出时间中，像素PX1至PXn中的每一个可以产生对应于其中累积的光电荷的像素信号，并且图像感测装置100可以将对应于由多个像素PX1至PXn产生的像素信号的图像数据传输到图像处理器(未示出)。可以将在第一读出时间中产生的图像数据定义为对应于通过感测红光R获得的结果的第一帧。在第一读出时间期间，滤色器驱动器190可以不向可变滤色器200施加第一滤色器控制信号，从而降低功耗。
在第二累积时间中，滤色器驱动器190可以将第二滤色器控制信号施加到可变滤色器200，并且可变滤色器200可以将入射光IL中的绿光G传输到像素PX1至PXn。像素PX1至PXn中的每一个可以产生并且累积对应于绿光G的强度的光电荷。
在第二读出时间中，像素PX1至PXn中的每一个可以产生对应于其中累积的光电荷的像素信号，并且图像感测装置100可以将对应于由多个像素PX1至PXn产生的像素信号的图像数据传输到图像处理器(未示出)。可以将在第二读出时间中产生的图像数据定义为对应于通过感测绿光G获得的结果的第二帧。在第二读出时间期间，滤色器驱动器190可以不向可变滤色器200施加第二滤色器控制信号，从而降低功耗。
在第三累积时间中，滤色器驱动器190可以将第三滤色器控制信号施加到可变滤色器200，并且可变滤色器200可以将入射光IL中的蓝光B传输到像素PX1至PXn。像素PX1至PXn中的每一个可以产生并且累积对应于蓝光B的强度的光电荷。
在第三读出时间中，像素PX1至PXn中的每一个可以产生对应于其中累积的光电荷的像素信号，并且图像感测装置100可以将对应于由多个像素PX1至PXn产生的像素信号的图像数据传输到图像处理器(未示出)。可以将在第三读出时间中产生的图像数据定义为对应于通过感测蓝光B获得的结果的第三帧。在第三读出时间期间，滤色器驱动器190可以不向可变滤色器200施加第三滤色器控制信号，从而降低功耗。
在一个累积时间(例如，第一累积时间)中，多个像素PX1至PXn可以接收对应于相同波长范围(或颜色)的光。此外，在多个累积时间(例如，第一累积时间至第三累积时间)中，多个像素PX1至PXn可以接收对应于不同波长范围(或颜色)的光。
图像处理器(未示出)可以通过合成第一帧至第三帧来产生RGB图像数据。在传统技术中，图像处理器使用例如布置成拜耳图案的滤色器阵列来产生RGB图像数据。当图像处理器使用通过感测经由布置成拜耳图案的滤色器阵列入射的光而获得的图像数据来产生RGB图像数据时，需要使用相邻像素的图像数据来执行颜色插值(color interpolation)，以获取对应于一个像素的RGB图像数据。然而，当图像处理器使用由根据本实施方式的图像感测装置100产生的图像数据来产生RGB图像数据时，不需要执行颜色插值，从而可以简化图像处理器(未示出)的计算处理。此外，由于像素PX1至PXn中的每一个可以针对所有RGB光产生像素信号，所以能够防止由颜色插值引起的图像数据的劣化。
图9示出了按照红光R、绿光G和蓝光B的顺序来感测光的情况，但是可以改变感测顺序。。
在本公开中，可以将第一滤色器控制信号至第三滤色器控制信号确定为使得可变滤色器200能够分别透射红光R、绿光G和蓝光B。然而，可以将滤色器控制信号施加到可变滤色器200以感测一个或更多个不同波长范围的光(例如，品红光、黄光和/或青光)。
根据一个实施方式，可以将四种或更多种类型的滤色器控制信号施加到可变滤色器200。例如，除了被决定为透射红光R、绿光G和蓝光B的第一滤色器控制信号至第三滤色器控制信号之外，施加到可变滤色器200的滤色器控制信号还可以包括透射红外光的第四滤色器控制信号。此时，当图像感测装置100包括能够向场景发射调制红外光的光源时，除了RGB图像数据之外，图像感测装置100还可以产生深度图像，通过该深度图像，能够通过飞行时间(ToF)法来计算到场景的距离。因此，图像感测装置100可以产生3D图像。
根据本实施方式的图像感测装置100可以排除被配置成使每个像素接收不同颜色的光的滤色器阵列(CFA)，从而可以解决CFA的各种问题，例如接收灵敏度的降低、串扰的发生以及CFA设计/工艺中难度等级的增加。
在本实施方式中，已经描述了可变滤色器200使用形成法布里-珀罗干涉仪的结构来透射仅特定波长范围的光。然而，本公开的范围不限于此，并且可以使用能够针对入射光选择性地仅透射特定波长范围的光的任意结构。例如，该结构可以包括在垂直于入射光行进方向的方向上发射能够选择性地仅针对除特定波长范围的光之外的光造成相消干涉或衍射的阻光光束(light blocking beam)的结构。
虽然以上仅作为示例描述了各种实施方式，但是可以基于本专利文件中描述和/或示出的内容对所描述的实施方式和其它实施方式进行变化和增强。
优先权声明和相关申请的交叉引用
本专利文件要求于2020年7月20日提交的韩国专利申请No.10-2020-0089571的优先权和权益，其全部公开内容通过引用结合于此。

Claims (20)

1.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
可变滤色器，所述可变滤色器被配置成接收所述图像感测装置上的入射光，并且能够进行操作以改变由所述可变滤色器透射的光的波长范围；以及
像素阵列，所述像素阵列被定位成接收所述入射光的从所述可变滤色器透射的部分，并且包括多个单位像素，每个所述单位像素被配置成产生与已经透射通过所述可变滤色器的光的强度相对应的像素信号。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述可变滤色器包括：
第一板和第二板，所述第一板和所述第二板被设置成彼此面对并且被定位成与所述像素阵列交叠；以及
压电层，所述压电层设置在所述第一板和所述第二板之间，并且与所述第一板和所述第二板接触。
3.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述第一板和所述第二板中的每一个包括设置有反射材料的第一表面和与所述第一表面相对设置的第二表面。
4.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，在所述第一板和所述第二板中的每一个的所述第二表面上形成有抗反射材料。
5.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述第一板和所述第二板形成法布里-珀罗干涉仪。
6.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述可变滤色器进行联接以接收滤色器控制信号，从而改变透射通过所述可变滤色器的光的波长范围，并且其中，所述波长范围基于所述滤色器控制信号的改变而改变。
7.根据权利要求6所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：滤色器驱动器，所述滤色器驱动器被配置成提供所述滤色器控制信号，所述滤色器控制信号包括施加到所述第一板的第一电压信号和施加到所述第二板的第二电压信号。
8.根据权利要求7所述的图像感测装置，其中，所述第一电压信号和所述第二电压信号具有与要从所述可变滤色器透射的波长范围相对应的值。
9.根据权利要求7所述的图像感测装置，其中，所述压电层具有与所述第一电压信号和所述第二电压信号之间的电势差相对应的厚度。
10.根据权利要求6所述的图像感测装置，其中，所述滤色器控制信号是分别与彼此不同的波长范围相对应的第一滤色器控制信号、第二滤色器控制信号和第三滤色器控制信号中的一个。
11.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中，施加有所述第一滤色器控制信号的所述可变滤色器具有第一厚度，
施加有所述第二滤色器控制信号的所述可变滤色器具有第二厚度，并且
施加有所述第三滤色器控制信号的所述可变滤色器具有第三厚度，
其中，所述第一厚度大于所述第二厚度，并且所述第二厚度大于所述第三厚度。
12.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述可变滤色器被配置成进行操作以根据所述可变滤色器的厚度透射不同颜色的光。
13.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中，所述第一滤色器控制信号、所述第二滤色器控制信号和所述第三滤色器控制信号分别提供被施加到所述可变滤色器中所包括的两个板的信号的第一电势差、第二电势差和第三电势差，并且其中，所述第一电势差大于所述第二电势差，并且所述第二电势差大于所述第三电势差。
14.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述可变滤色器还包括在所述第一板和所述第二板之间沿着所述像素阵列的两个相邻单位像素之间的边界设置的光学隔离膜。
15.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中，所述光学隔离膜被设置成与设置在所述两个相邻单位像素之间的元件隔离膜对齐。
16.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述多个单位像素被配置成在一个累积时段期间接收所述入射光的与相同波长范围相对应的部分。
17.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述多个单位像素被配置成在多个累积时段期间分别接收所述入射光的与不同波长范围相对应的多个部分。
18.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述可变滤色器具有与所述像素阵列的尺寸相对应的面积。
19.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
基板，所述基板包括像素阵列，所述像素阵列包括多个单位像素；
可变滤色器，所述可变滤色器设置在所述基板上，并且被配置成接收滤色器控制信号，并且所述可变滤色器响应于所述滤色器控制信号而改变由所述可变滤色器透射的光的波长范围；以及
滤色器驱动器，所述滤色器驱动器联接到所述可变滤色器，并且被配置成产生用于控制所述可变滤色器的所述滤色器控制信号，并且所述滤色器驱动器将所述滤色器控制信号施加到所述可变滤色器。
20.根据权利要求19所述的图像感测装置，其中，所述可变滤色器包括：
第一板和第二板，所述第一板和所述第二板被设置成彼此面对；以及
压电层，所述压电层设置在所述第一板和所述第二板之间，并且包括压电材料。
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