TW201841005A - 高動態範圍彩色影像感測器及相關的方法 - Google Patents

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Abstract

高動態範圍彩色影像感測器包括(a)具有感光像素陣列的矽基板，感光像素陣列具有多個第一像素和多個第二像素，(b)濾色鏡層，被設置在矽基板上並至少包括(i)位於多個第一像素和多個第二像素的每一者的第一子集的上方並用於選擇性透射第一顏色的光的多個第一濾色鏡，和(ii)位於多個第一像素和多個第二像素的每一者的第二子集的上方並用於選擇性透射第二顏色的光的多個第二濾色鏡，以及(c)動態範圍擴展層，動態範圍擴展層被設置在濾色鏡層上並包括被設置在多個第二像素上方以衰減朝多個第二像素傳播的光的灰色濾光鏡。

Description

高動態範圍彩色影像感測器及相關的方法
本發明涉及影像感測器技術領域，特別地涉及高動態範圍彩色影像感測器及相關的方法。
標準影像感測器具有大約60至70dB或更低的有限動態範圍。例如，8位元感測器具有僅48dB的動態範圍。然而，真實世界的亮度動態範圍要大得多，且自然場景通常跨越90dB或更大的範圍。當影像感測器捕捉具有超過感測器動態範圍的亮度動態範圍的場景時，必定丟失資訊。取決於曝光設置，較亮的區域可能飽和且/或較暗的區域可能曝光不足，產生不能重現真實場景的品質的捕捉影像。
為同步捕捉場景的高亮區域和陰影區域，影像感測器已經使用高動態範圍(HDR，high dynamic range)技術以增加捕捉的動態範圍。增加動態範圍的最常用技術中的一個是將使用標準、低動態範圍影像感測器捕捉的多個曝光合併為具有比單個曝光影像大得多的動態範圍的單個高動態範圍(HDR)影像。例如，可以以兩個不同的曝光時間記錄相同場景的影像，其中設置較長的曝光以優化地捕捉場景的最暗部分，並設置較短的曝光以優化地捕捉場景的最亮部分。然而，這樣的影像合併方法頻繁地遭受例如由在曝光之間移動的場景中的物體引起的假影。
已經發展了在單個圖框中捕捉HDR彩色影像的HDR影像感測器。這樣的HDR影像感測器包括兩個交錯的像素陣列，一個像素陣列具有較大的像素且另一個像素陣列具有較小的像素。較大的像素是更加光敏感的，因此 對捕捉暗場景或場景的暗部分是優選的。較小的像素是較低光敏感的，因此對捕捉亮場景或場景的較亮部分是優選的。
在一實施例中，高動態範圍(HDR)彩色影像感測器包括具有感光像素陣列的矽基板，感光像素陣列具有多個第一像素和多個第二像素。HDR彩色影像感測器還包括設置在矽基板上並至少具有多個第一濾色鏡和多個第二濾色鏡的濾色鏡層。第一濾色鏡位於多個第一像素和多個第二像素的每一者的第一子集的上方。第一濾色鏡配置成用於選擇性透射第一顏色範圍的光。第二濾色鏡位於多個第一像素和多個第二像素的每一者的第二子集的上方。第二濾色鏡配置成用於選擇性透射第二顏色範圍的光。HDR彩色影像感測器還包括設置在濾色鏡層上的動態範圍擴展層。動態範圍擴展層包括被設置在多個第二像素上方的灰色濾光鏡，以衰減朝多個第二像素傳播的光。
在一實施例中，用於製造高動態範圍彩色影像感測器的方法包括在具有感光像素陣列的矽基板上沉積濾色鏡層，感光像素陣列具有多個第一像素和多個第二像素。沉積的步驟包括至少形成(a)多個第一像素和多個第二像素的每一者的第一子集上方的多個第一濾色鏡和(b)多個第一像素和多個第二像素的每一者的第二子集上方的多個第二濾色鏡。第二濾色鏡的厚度超過第一濾色鏡的厚度。上述方法還包括在濾色鏡層上沉積動態範圍擴展層，動態範圍擴展層包括第二像素上方的灰色濾光鏡以衰減朝第二像素傳播的光。濾色鏡層和動態範圍擴展層的組合厚度跨感光像素陣列是一致的，使得第二濾色鏡上方的灰色濾光鏡的厚度小於第一濾色鏡上方的灰色濾光鏡的厚度，以相比於第一濾色鏡的透射帶中更大地在第二濾色鏡的透射帶中補償灰色濾光鏡的材料的衰減。
在一實施例中，用於生成高動態範圍影像的方法可以包括部分地吸收從場景朝感光像素陣列的多個第一像素傳播的第一光，以與從場景朝感光像素陣列的多個第二像素傳播的第二光相比衰減第一光。多個第二像素與多個第一像素交錯。上述方法還包括部分地吸收的步驟之後，對第一光進行譜濾波 以在第一像素處的感光像素陣列上形成場景的經衰減彩色影像，並對第二光進行譜濾波以在第二像素處的感光像素陣列上形成場景的較亮彩色影像。
100‧‧‧高動態範圍(HDR)彩色影像感測器
110‧‧‧矽基板
112‧‧‧感光像素陣列
114、116‧‧‧像素
118‧‧‧光接收表面
120‧‧‧濾色鏡層
122‧‧‧濾色鏡陣列
124、124(1)、124(2)、124(3)‧‧‧濾色鏡
128‧‧‧表面
130‧‧‧動態範圍擴展層
132‧‧‧灰色濾光鏡
140‧‧‧微透鏡陣列
142‧‧‧微透鏡
150、150’‧‧‧光
170‧‧‧汽車
172‧‧‧公路
174‧‧‧跑步者
176‧‧‧房屋
178‧‧‧太陽
180‧‧‧汽車安全系統
190‧‧‧使用情景
192‧‧‧場景
200‧‧‧HDR彩色影像感測器
210‧‧‧矽基板
212‧‧‧感光像素陣列
214、216‧‧‧像素
215‧‧‧孔徑柵格
217‧‧‧光限制孔徑
220‧‧‧濾色鏡層
224(1)、224(2)、224(3)‧‧‧濾色鏡
230‧‧‧動態範圍擴展層
232‧‧‧灰色濾光鏡
250‧‧‧彩色像素組
300‧‧‧HDR彩色影像感測器
310‧‧‧矽基板
312‧‧‧感光像素陣列
314、316‧‧‧像素
315‧‧‧孔徑柵格
317‧‧‧光限制孔徑
320‧‧‧濾色鏡層
324(1)、324(2)、324(3)‧‧‧濾色鏡
330‧‧‧動態範圍擴展層
332‧‧‧灰色濾光鏡
350‧‧‧彩色像素組
400‧‧‧HDR彩色影像感測器
420‧‧‧濾色鏡層
424(1)‧‧‧紅色濾色鏡
424(2)‧‧‧綠色濾色鏡
424(3)‧‧‧藍色濾色鏡
426‧‧‧厚度
430‧‧‧動態範圍擴展層
432‧‧‧灰色濾光鏡
436‧‧‧厚度
500‧‧‧曲線圖
510、520、530‧‧‧曲線
514、524、534‧‧‧峰值位準
532‧‧‧降低
600‧‧‧曲線圖
610、620、630‧‧‧曲線
700‧‧‧曲線圖
710、720、730‧‧‧曲線
800‧‧‧HDR彩色影像感測器
815‧‧‧孔徑柵格
817‧‧‧光限制孔徑
820‧‧‧濾色鏡層
824(1)、824(2)、824(3)‧‧‧濾色鏡
826(1)、826(2)、826(3)‧‧‧厚度
828‧‧‧表面
830‧‧‧動態範圍擴展層
832‧‧‧灰色濾光鏡
836(1)、836(2)、836(3)‧‧‧厚度
838‧‧‧材料
839‧‧‧表面
840‧‧‧厚度/距離
900‧‧‧曲線圖
910、920、930‧‧‧曲線
914、924、934‧‧‧峰值位準
1000‧‧‧曲線圖
1010、1012、1020、1030、1032‧‧‧曲線
1100‧‧‧曲線圖
1110、1120、1130‧‧‧曲線
1114、1134‧‧‧峰值位準
1132‧‧‧降低
1200‧‧‧曲線圖
1210、1220、1230‧‧‧曲線
1214、1224、1234‧‧‧峰值位準
1300‧‧‧方法
1310、1312、1320、1322、1324、1330、1332、1334、1340、1350‧‧‧步驟
1400‧‧‧方法
1402、1410、1412、1414、1416、1418、1420、1422、1424、1426、1427、1428‧‧‧步驟
1602‧‧‧光阻樹脂
1604‧‧‧光
1606‧‧‧遮罩
1612‧‧‧柱
1614‧‧‧厚度
1622‧‧‧材料
1624‧‧‧表面
圖1顯示出根據一實施例的用於生成場景的高動態範圍(HDR)影像的高動態範圍彩色影像感測器。
圖2A和2B顯示出根據一實施例的基於相同尺寸的像素實施較高敏感度的像素陣列和較低敏感度的像素陣列的HDR彩色影像感測器。
圖3A和3B顯示出根據一實施例的實施具有較大像素的較高敏感度的像素陣列和具有較小像素的較低敏感度的像素陣列的HDR彩色影像感測器。
圖4顯示出具有設置在矽基板的光接收表面和濾色鏡層之間的灰色濾光鏡的HDR彩色影像感測器。
圖5是對於圖4的HDR彩色影像感測器的濾色鏡層和動態範圍擴展層的透射係數的曲線圖。
圖6是對於三種不同厚度的灰色濾光鏡的對於圖1的HDR彩色影像感測器的灰色濾光鏡的一實施例的透射係數的曲線圖。
圖7是對於圖1的HDR彩色影像感測器的濾色鏡的一些實施例的透射係數的曲線圖。
圖8顯示出根據一實施例的實施不同厚度的灰色濾光鏡的HDR彩色影像感測器。
圖9是根據一實施例的對於圖8的HDR彩色影像感測器的一實 施例的灰色濾光鏡和濾色鏡層的透射係數的曲線圖。
圖10是對於不被灰色濾光鏡佔據的動態範圍擴展層的區域，形成圖9的基礎的圖8的HDR彩色影像感測器的相同實施例的濾色鏡層和動態範圍擴展層的作為波長的函數的透射係數的曲線圖。
圖11是對於圖4的HDR彩色影像感測器的一實例的濾色鏡層和動態範圍擴展層的經測量的透射係數的曲線圖。
圖12是對於圖8的HDR彩色影像感測器的一實施例的灰色濾光鏡和濾色鏡層的經測量的透射係數的曲線圖。
圖13顯示出根據一實施例的用於生成高動態範圍影像的方法。
圖14顯示出根據一實施例的用於製造HDR彩色影像感測器的方法。
圖15A-C顯示出用於形成圖8的HDR彩色影像感測器的濾色鏡層的圖14的方法的部分的一實例。
圖16A-D顯示出用於形成圖8的HDR彩色影像感測器的動態範圍擴展層的圖14的方法的部分的一實例。
圖1顯示出用於生成場景的高動態範圍(HDR)影像的一示例性高動態範圍(HDR)彩色影像感測器100。圖1在示例性使用情景190中顯示出HDR彩色影像感測器100。顯示於圖1中的剖面側視圖中的HDR彩色影像感測器100包括具有感光像素陣列112的矽基板110。HDR彩色影像感測器100還包括沉積在矽基板的平面光接收表面118上的濾色鏡層120，和沉積在濾色鏡層120的表面128上的動態範圍擴展層130。表面128背對矽基板110。濾色鏡 層120為HDR彩色影像感測器100提供彩色靈敏度，且動態範圍擴展層130擴展HDR彩色影像感測器100的動態範圍超過感光像素陣列112及其相關的讀取電路(未示於圖1中)的動態範圍。
示例性使用情景190利用HDR彩色影像感測器100的高動態範圍來捕捉適當地顯示出場景192的暗部分和亮部分的彩色影像。場景192包括將要穿過汽車170前方的公路172的跑步者174。汽車170配備有使用HDR彩色影像感測器100以捕捉汽車170前方場景的影像的汽車安全系統180，以警告駕駛員或自主汽車控制系統潛在的碰撞。場景192由太陽178背光照亮，且傳統的影像感測器將不能生成顯示(a)由太陽178照亮的公路172和(b)在房屋176的陰影中的跑步者174的影像。因此，傳統的影像感測器將可能無法提供顯示跑步者174將要跑到汽車170前方的公路172上的資料。相反，HDR彩色影像感測器100透過動態範圍擴展層130能夠生成顯示公路172和跑步者174的場景192的影像。此外，HDR彩色影像感測器100提供彩色的此影像，其可以進一步協助汽車安全系統180識別出倚靠著房屋176的背景之跑步者174。汽車安全僅是HDR彩色影像感測器100的示例性應用。HDR彩色影像感測器100的其他應用包括照相手機、網路攝影機和監控照相機。
濾色鏡層120包括具有分別主要對不同顏色範圍敏感的多個不同類型的濾色鏡124的濾色鏡陣列122。每個濾色鏡124位於感光像素陣列112的對應像素的上方，使得由感光像素陣列的此像素檢測的光為特定顏色。因此，濾色鏡陣列122使得能透過HDR彩色影像感測器100捕捉彩色影像。為說明的清楚，圖1中未標注所有濾色鏡124。在示於圖1的實施例中，濾色鏡陣列122包括三種類型的濾色鏡124(1)、124(2)和124(3)。濾色鏡124(1)、124(2)和124(3)例如分別對紅光、綠光和藍光敏感。另則，濾色鏡陣列122可以包括分別對靛青光、黃光和洋紅光敏感的三種類型的濾色鏡124(1)、124(2)和124(3)。在不脫離本發明之範圍的情況下，濾色鏡陣列122可以僅包括兩種類型的濾色鏡(例如，選擇性透射可見光譜內的光的一種類型的濾色鏡124，和選擇性透射紅外光譜的至少一部分內的光的另一種類型的濾色鏡124)。此外，在不脫離本發明之範圍的情況下，濾色鏡陣列122可以包括四種或更多種不同 類型的濾色鏡。例如，濾色鏡陣列122可以包括分別對紅光、綠光、藍光和近紅外光敏感的四種類型的濾色鏡124，或對靛青光、黃光、綠光和洋紅光敏感的四種類型的濾色鏡。此外，在不脫離本發明之範圍的情況下，濾色鏡124可以與示於圖1的配置不同地被設置。例如，紅色、綠色和藍色濾色鏡可以以貝爾類型陣列配置。濾色鏡陣列122可以跨越表面118和128之間的間隙。
動態範圍擴展層130包括位於形成感光像素陣列112的第一子集的多個像素114上方的多個灰色濾光鏡132。為說明的清楚，圖1中未標注所有的像素114。無論光的顏色(至少在HDR彩色影像感測器100的敏感範圍內，例如在可見光譜內)，每個灰色濾光鏡132衰減朝對應的像素114傳播的光。此由朝像素114傳播的示例性光150'說明。隨著光150'朝像素114穿過動態範圍擴展層130，灰色濾光鏡132衰減光150'。另外多個像素116形成感光像素陣列112的第二子集，其是由像素114形成的第一子集的補集。為說明的清楚，圖1中沒有標注所有的像素116。像素116沒有被灰色濾光鏡132覆蓋。因此，朝像素116傳播的光不被灰色濾光鏡132衰減，如示例性光150所示。在一實施例中，動態範圍擴展層130可以包括像素116上方的區域中的材料，使得傳播穿過動態範圍擴展層130的光穿過此材料。像素116上方的動態範圍擴展層130的此材料的透射係數比灰色濾光鏡132的透射係數大。在一實例中，像素116上方的動態範圍擴展層130的材料大體上是透明的。在此，“透明的”指的是在感光像素陣列112的敏感範圍和濾色鏡層120的透射帶(例如可視光譜內)之間的重疊內接近100%的透射係數。無論動態範圍擴展層130是否包括像素116上方的材料以及此材料是否大體上是透明的，與朝像素116傳播的光相比，動態範圍擴展層130衰減朝像素114傳播的光。結果，由像素116形成的像素陣列比由像素114形成的像素陣列更加敏感。此敏感性的差異會擴展HDR彩色影像感測器100的動態範圍超越感光像素陣列112及其相關讀取電路的動態範圍。讀取電路未在圖1中示出，然而其可以至少部分地在矽基板110中實施。
在一實施例中，動態範圍擴展層130和濾色鏡層120都由聚合材料形成，且灰色濾光鏡132和濾光鏡124由光阻形成。
由像素114形成的像素陣列與像素116形成的像素陣列至少部分地交錯，使得由HDR彩色影像感測器100成像的場景的至少一部分是由像素114和116成像。儘管圖1顯示出像素114和像素116之間交替的感光像素陣列112，但是在不脫離本發明之範圍的情況下，感光像素陣列112可以根據其他配置被排列。在一個這樣的實例中，由像素114形成的像素陣列的解析度與由像素116形成的像素陣列的解析度不同，此外，在不脫離本發明之範圍的情況下，HDR彩色影像感測器100可以被配置有比示於圖1的更少或更多的像素114/116。例如，HDR彩色影像感測器100可以包括數百萬或數千萬的像素114和像素116。矽基板110可以將感光像素陣列112實施為互補式金屬氧化物半導體(CMOS)像素陣列。
在一些實施例中，HDR彩色影像感測器100還包括具有多個微透鏡142的微透鏡陣列140。每個微透鏡142將穿過動態範圍擴展層130和濾色鏡層120的光聚焦至對應的像素114或116。例如，微透鏡陣列140在背對矽基板110的動態範圍擴展層130的表面上形成。
儘管未在圖1中示出，在不脫離本發明之範圍的情況下，HDR彩色影像感測器100可以包括對傳播至像素114和像素116的光應用相同類型的濾色之附加濾色鏡。例如，像素114和116可以是對近紅外光譜中的光敏感的，且濾色鏡124中的一者或多者可以是對近紅外光至少部分地透射的。在此實例中，附加濾色鏡可以是紅外濾色鏡，用於大體上阻擋紅外光以將HDR彩色影像感測器100的敏感性限制到可見光譜。
圖2A和2B顯示出基於相同尺寸的像素實施較高敏感度的像素陣列和較低敏感度的像素陣列的一示例性HDR彩色影像感測器200。HDR彩色影像感測器200是HDR彩色影像感測器100的一實施例，實施相同尺寸、並被配置在各自的交錯的像素陣列中的像素114和116。圖2A在俯視圖中顯示出HDR彩色影像感測器200，且圖2B在剖視側視圖中顯示出HDR彩色影像感測器200，剖面是沿圖2A的折線2B-2B'取得的折剖面。最好一起查看圖2A和2B。
HDR彩色影像感測器200包括具有沿折線2B-2B'交替的、感光像素陣列212的像素214和216的矽基板210。矽基板210、像素214和216、和感光像素陣列212分別是矽基板110、像素114和116、和感光像素陣列112的實施例。HDR彩色影像感測器200還包括分別是濾色鏡層120和動態範圍擴展層130的實施例的濾色鏡層220和動態範圍擴展層230。濾色鏡層220被配置有以類貝爾配置設置的三種不同類型的濾色鏡224(1)、224(2)和224(3)以形成多個彩色像素組250。濾色鏡224(1)、224(2)和224(3)是濾色鏡124(1)、124(2)和124(3)的實施例。每個彩色像素組250包括四個像素214和四個像素216。濾色鏡224(1)沉積在一對相鄰的像素214和216上。濾色鏡224(3)沉積在另一對相鄰的像素214和216上。兩個濾色鏡224(2)沉積在相鄰像素214和216的兩個各自的對上。動態範圍擴展層230包括灰色濾光鏡232，在每個像素214上方配置有灰色濾光鏡232而在任一個像素216的上方沒有灰色濾光鏡232。因此，像素214的陣列與灰色濾光鏡232協作以形成較低敏感度的像素陣列，而像素216的陣列形成較高敏感度的像素陣列。選擇性地，HDR彩色影像感測器200還包括微透鏡陣列140。
在一實施例中，HDR彩色影像感測器200包括在每個像素214上方形成光限制孔徑217的孔徑柵格215。在與光接收表面118平行的維度中的光限制孔徑217的剖面係小於與光接收表面118平行的維度中的像素214的剖面。因此，與透射至像素216的光的量相比，孔徑柵格215進一步限制透射至像素214的光的量，並因此進一步擴展HDR彩色影像感測器200的動態範圍。雖然應理解者為在此實施例中孔徑柵格215存在於所有像素214上方，但為說明的清楚，圖2A顯示出孔徑柵格215位於像素214的僅一個的上方。
儘管未示於圖2A和2B中，在不脫離本發明之範圍的情況下，HDR彩色影像感測器200可以包括每對鄰近像素214/216之間的光無效區域，使得像素214/216不與另一像素214/216直接接觸。此外，儘管圖2A中顯示出具有正方形截面，在不脫離本發明之範圍的情況下，像素214和216可以具有非正方形截面。例如，像素214和216的每一者的截面可以是非正方形的矩形。此外，在不脫離本發明之範圍的情況下，每個像素214和216的方位可以相比 於示於圖2A中的旋轉45度，使得像素214和216的矩形或正方形實施例的邊與感光像素陣列212的邊對齊。
在不脫離本發明之範圍的情況下，HDR彩色影像感測器200可以配置有多於顯示於圖2A和2B的像素214/216。例如，HDR彩色影像感測器200可以包括數百萬或數千萬的像素214和數百萬或數千萬的像素216。類似地，可以應用其他濾色鏡方案，例如如上參考圖1所討論者。如上參考圖1所討論，HDR彩色影像感測器200可以包括對傳播至像素214和像素216的光應用相同類型的濾色之附加濾色鏡。
圖3A和3B顯示出實施具有較大像素的較高靈敏度的像素陣列和具有較小像素的較小靈敏度的像素陣列的一示例性HDR彩色影像感測器300。HDR彩色影像感測器300是HDR彩色影像感測器100的一實施例，實施在各自交錯的像素陣列中配置的較小像素114和較大像素116。圖3A在俯視圖中顯示出HDR彩色影像感測器300，且圖3B在剖面側視圖中顯示出HDR彩色影像感測器300，剖面是沿圖3A的折線3B-3B'取得的折剖面。最好一起查看圖3A和3B。
HDR彩色影像感測器300包括具有沿折線3B-3B'交替的、感光像素陣列312的像素314和316的矽基板310。矽基板310、像素314和316、和感光像素陣列312分別是矽基板110、像素114和116、和感光像素陣列112的實施例。HDR彩色影像感測器300還包括分別是濾色鏡層120和動態範圍擴展層130的實施例的濾色鏡層320和動態範圍擴展層330。濾色鏡層320被配置有以類貝爾配置設置的三種不同類型的濾色鏡324(1)、324(2)和324(3)，以形成多個彩色像素組350。濾色鏡324(1)、324(2)和324(3)是濾色鏡124(1)、124(2)和124(3)的實施例。每個彩色像素組350包括四個像素314和四個像素316。濾色鏡324(1)沉積在一對相鄰的像素314和316上。濾色鏡324(3)沉積在另一對相鄰的像素314和316上。兩個濾色鏡324(2)沉積在相鄰像素314和316的兩個各自的對上。動態範圍擴展層330包括灰色濾光鏡332，在每個像素314上方設置有灰色濾光鏡332而在任一個像素316的上 方沒有灰色濾光鏡332。因此，灰色濾光鏡332和較小尺寸的像素314協作以形成較低靈敏度的像素陣列，而較大像素316的陣列形成較高靈敏度的像素陣列。選擇性地，HDR彩色影像感測器300還包括微透鏡陣列140。
在一實施例中，HDR彩色影像感測器300包括在每個像素314上方形成光限制孔徑317的孔徑柵格315。與光接收表面118平行的維度中的光限制孔徑317的截面係小於與光接收表面118平行的維度中的像素314的截面。因此，與透射至像素316的光的量相比，孔徑柵格315進一步限制透射至像素314的光的量，並因此進一步擴展HDR彩色影像感測器300的動態範圍。雖然應理解者為在此實施例中孔徑柵格315存在於所有像素314上方，但為說明的清楚，圖3A顯示出孔徑柵格315位於像素314的僅一個的上方。
儘管未示於圖3A和3B中，在不脫離本發明之範圍的情況下，HDR彩色影像感測器300可以包括每對鄰近的像素314/316之間的光無效區域，使得像素314/316不與另一像素314/316直接接觸。此外，儘管圖3A中示出具有正方形截面，在不脫離本發明之範圍的情況下，像素314和316可以具有非正方形截面。例如，像素314和316的每一者的截面可以是八邊形。此外，在不脫離本發明之範圍的情況下，每個像素314和316的方位可以相比於示於圖3A中的旋轉45度，使得像素314和316的矩形或正方形實施例的邊與感光像素陣列312的邊對齊。
在不脫離本發明之範圍的情況下，HDR彩色影像感測器300可以配置有多於示於圖3A和3B的像素314/316。例如，HDR彩色影像感測器300可以包括數百萬或數千萬的像素314和數百萬或數千萬的像素316。類似地，可以應用其他濾色鏡方案，例如如上參考圖1所討論者。如上參考圖1所討論，HDR彩色影像感測器300可以包括對傳播至像素314和像素316的光應用相同類型的濾色之附加濾色鏡。
圖4顯示出具有設置在矽基板110的光接收表面118和濾色鏡層420之間的灰色濾光鏡432的一示例性HDR彩色影像感測器400。濾色鏡層420 包括透射紅光的紅色濾色鏡424(1)、透射綠光的綠色濾色鏡424(2)和透射藍光的藍色濾色鏡424(3)。HDR彩色影像感測器400包括於設置在光接收表面118和濾色鏡層420之間的動態範圍擴展層430中實施的多個灰色濾光鏡432。灰色濾光鏡432設置在每個像素114上方。動態範圍擴展層430和濾色鏡層420的每一者是平面的，且灰色濾光鏡432跨越光接收表面118和濾色鏡層420之間的距離。灰色濾光鏡432和動態範圍擴展層430具有跨感光像素陣列112一致的厚度436。濾色鏡層420具有由紅色濾色鏡424(1)、綠色濾色鏡424(2)和藍色濾色鏡424(3)的厚度所定義的厚度426。厚度426跨感光像素陣列112是一致的。
圖5是對於HDR彩色影像感測器400的濾色鏡層420和動態範圍擴展層430的透射係數的曲線圖500。曲線510是對於入射至灰色濾光鏡432上方的紅色濾色鏡424(1)的光而作為波長的函數的透射係數。曲線520是對於入射至灰色濾光鏡432上方的綠色濾色鏡424(2)的光而作為波長的函數的透射係數。曲線530是對於入射至灰色濾光鏡432上方的藍色濾色鏡424(3)的光而作為波長的函數的透射係數。透射係數之間的強烈失衡是明顯的，其中與入射至紅色濾色鏡424(1)上的紅光的透射係數的峰值位準514相比，入射至藍色濾色鏡424(3)上的藍光的透射係數的峰值位準534具有顯著降低532。峰值位準534僅大約是峰值位準514的35%。入射至綠色濾色鏡424(2)上的綠光的透射係數的峰值位準524大約是峰值位準514的75%。這些失衡主要由灰色濾光鏡432的透射係數是波長相依引起的。像大多數材料的例子一樣，灰色濾光鏡432相比於較長波長的光更加強烈地衰減較短波長的光。由於每個灰色濾光鏡432具有相同的厚度436，不管哪個濾色鏡在灰色濾光鏡432上方，動態範圍擴展層432以波長相依的方式影響入射到紅色濾色鏡424(1)、綠色濾色鏡424(2)和藍色濾色鏡424(3)上的光的透射，其導致曲線圖500中明顯的顏色失衡。
圖6是對於三種不同厚度的灰色濾光鏡132的HDR彩色影像感測器100的灰色濾光鏡132的一實施例的透射係數的曲線圖600。曲線610是對於入射至此實施例的具有0.4微米的厚度的灰色濾光鏡132上的光而作為波長的 函數的透射係數。曲線620是對於入射至此實施例的具有0.5微米的厚度的灰色濾光鏡132上的光而作為波長的函數的透射係數。曲線630是對於入射至此實施例的具有0.6微米的厚度的灰色濾光鏡132上的光而作為波長的函數的透射係數。曲線610、620和630的每一者顯示出波長相依的透射係數，透射係數隨波長的增加而增加。
圖7是對於HDR彩色影像感測器100的濾色鏡124(1)、124(2)和124(3)的一些實施例的透射係數的曲線圖700，其中濾色鏡124(1)透射紅光，濾色鏡124(2)透射綠光，濾色鏡124(3)透射藍光。曲線710是對於入射至此實施例的濾色鏡124(1)上的光而作為波長的函數的透射係數。曲線720是對於入射至此實施例的濾色鏡124(2)上的光而作為波長的函數的透射係數。曲線730是對於入射至此實施例的濾色鏡124(3)上的光而作為波長的函數的透射係數。曲線圖700證實了在沒有灰色濾光鏡132的情況下的良好的顏色平衡。然而，如果濾色鏡124(1)、124(2)和124(3)與每個具有相同的厚度的灰色濾光鏡132組合(如HDR彩色影像感測器400中的例子)，會產生曲線圖500的顏色失衡。
圖8顯示出實施不同厚度的灰色濾光鏡的一示例性HDR彩色影像感測器800。HDR彩色影像感測器800是HDR彩色影像感測器100的一實施例。HDR彩色影像感測器800實施不同厚度的灰色濾光鏡132以補償灰色濾光鏡132的材料的波長相依透射。HDR彩色影像感測器800代表HDR彩色影像感測器400的改進。HDR彩色影像感測器800包括分別是濾色鏡層120和動態範圍擴展層130的實施例的濾色鏡層820和動態範圍擴展層830。動態範圍擴展層830在濾色鏡層820上方形成。如下將參考圖14和16A-D進一步詳細討論的，具有沉積在濾色鏡層820上方的動態範圍擴展層830的HDR彩色影像感測器800的配置使得能使用單個光刻沉積步驟形成不同厚度的灰色濾光鏡。相反，如果HDR彩色影像感測器400的灰色濾光鏡432將要使用光刻沉積方法被製造成不同厚度，對於每個不同的厚度將會需要個別的光刻沉積步驟。
濾色鏡層820包括透射紅光的紅色濾色鏡824(1)、透射綠光的 綠色濾色鏡824(2)和透射藍光的藍色濾色鏡824(3)。濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)分別是濾色鏡124(1)、124(2)和124(3)的實施例。動態範圍擴展層830包括分別設置在多個像素114之上的多個灰色濾光鏡832。灰色濾光鏡832是灰色濾光鏡132的實施例。設置在紅色濾色鏡824(1)之上的灰色濾光鏡832具有厚度836(1)。設置在綠色濾色鏡824(2)之上的灰色濾光鏡832具有厚度836(2)。設置在藍色濾色鏡824(3)之上的灰色濾光鏡832具有厚度836(3)。厚度836(1)超過厚度836(2)且厚度836(2)超過厚度836(3)，以補償為波長的遞增函數(參見圖6)的灰色濾光鏡832的透射係數。透過厚度836(1)、836(2)和836(3)的差異，HDR彩色影像感測器800在受益於由灰色濾光鏡832提供的擴展動態範圍的同時可以實現滿意的顏色平衡。
濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)具有各自的厚度826(1)、826(2)和826(3)，其配置用於與厚度836(1)、836(2)和836(3)組合以維持對於所有灰色濾光鏡832從光接收表面118至背對矽基板110的灰色濾光鏡832的表面之間的一致距離840。因此，厚度826(1)比厚度826(2)小，厚度826(2)又小於厚度826(3)，使得(a)厚度826(1)和836(1)加總為厚度840，(b)厚度826(2)和836(2)加總為厚度840，(c)厚度826(3)和836(3)加總為厚度840。由於厚度826(1)、826(2)和826(3)的差異，濾色鏡層820的表面828不是平面的，而是包括在垂直於光接收表面118的方向中相對於彼此偏移的幾個不同的平面表面。表面828是表面128的一實施例。
厚度836(1)、836(2)和836(3)可以在0.3微米和0.8微米之間的範圍內。在一實施例中，厚度836(1)在從0.55微米至0.65微米的範圍內，厚度836(2)在從0.45微米至0.55微米的範圍內，厚度836(3)在從0.35微米至0.45微米的範圍內，厚度826(1)在從0.65微米至0.75微米的範圍內，厚度826(2)在從0.75微米至0.85微米的範圍內，且厚度826(3)在從0.85微米至0.95微米的範圍內。這些厚度協作以適當補償灰色濾光鏡832的波長相依透射，同時在灰色濾光鏡832內將入射至灰色濾光鏡832的光衰減95%或更多。在一些實施例中，對於不同類型的濾色鏡824(例如濾色鏡824(1)、824(2)和824(3))灰色濾光鏡832和濾色鏡層820的組合透射係數偏離不超過 40%，使得透射係數峰值位準的最低值至少為透射峰值位準的最高值的60%。
在一實施例中，每個濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)與相鄰濾色鏡824(1)、824(2)和/或824(3)直接接觸。在此實施例中，濾色鏡層820可以由824(1)、824(2)和824(3)構成。在一實施例中，動態範圍擴展層830包括灰色濾光鏡832之間的間隙中的材料838，使得動態範圍擴展層830形成背對矽基板110的連續平面之表面839。在此實施例中，濾色鏡層820和動態範圍擴展層830的組合厚度跨感光像素陣列112是一致的，並等於距離840。材料838至少在濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)的透射帶內是比灰色濾光鏡832更加光透射的。在一實例中，材料838是大體上透明的材料。在另一實例中，材料838的透射係數比灰色濾光鏡832的透射係數至少大20倍(對於相等厚度的材料838和灰色濾光鏡832)。HDR彩色影像感測器800可以包括設置在表面839上的微透鏡陣列140，選擇性地具有設置在其間的附加濾色鏡，例如如上參考圖1所討論的附加濾色鏡。
在一實施例中，像素114和116以及濾色鏡824在與光接收表面118平行的維度中根據HDR彩色影像感測器200的配置被設置。在另一實施例中，像素114和116以及濾色鏡824在與光接收表面118平行的維度中根據HDR彩色影像感測器300的配置被設置。
在一實施例中，HDR彩色影像感測器800包括在每個像素114上方形成各自光限制孔徑817的孔徑柵格815。孔徑柵格815的功能與孔徑柵格215和315相似，且HDR彩色影像感測器800可以實施被配置為孔徑柵格215或315的孔徑柵格815。
儘管未顯示於圖8中，在不脫離本發明之範圍的情況下，HDR彩色影像感測器800可以包括每對鄰近的像素114/116之間的光無效區域，使得像素114/116不與另一像素114/116直接接觸。像素114/116的截面可以是正方形的、非正方形的矩形的或者八邊形的，例如如上參考圖2A至3B所討論的。在不脫離本發明之範圍的情況下，HDR彩色影像感測器800可以被配置有比顯 示於圖8中更多的像素114/116。例如，HDR彩色影像感測器800可以包括數百萬或者數千萬的像素114和像素116。類似地，可以應用其他濾色鏡方案，例如如上參考圖1所討論者。
圖9是HDR彩色影像感測器800的一實施例的灰色濾光鏡832和濾色鏡層820的透射係數的曲線圖900。在此實施例中，(a)濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)分別透射紅光、綠光和藍光，厚度836(1)為0.6微米，厚度836(2)為0.5微米，厚度836(3)為0.4微米，厚度826(1)為0.7微米，厚度826(2)為0.8微米，且厚度826(3)為0.9微米。
曲線910是對於入射至紅色濾色鏡824(1)上方的灰色濾光鏡832上的光而作為波長的函數的透射係數。曲線920是對於入射至綠色濾色鏡824(2)上方的灰色濾光鏡832上的光而作為波長的函數的透射係數。曲線930是對於入射至藍色濾色鏡824(3)上方的灰色濾光鏡832上的光而作為波長的函數的透射係數。與顯示於曲線圖500中的HDR彩色影像感測器400的透射係數相比，曲線圖900顯示出顯著改進的顏色平衡。與綠色濾色鏡824(2)相關的曲線920展示透射係數的最高峰值位準924。與藍色濾色鏡824(3)相關的曲線930的峰值位準934大約是峰值位準924的85%。與紅色濾色鏡824(1)相關的曲線910的峰值位準914大約是峰值位準924的70%。
圖10是對於被材料838佔據的動態範圍擴展層830的區域，形成圖9的基礎的HDR彩色影像感測器800的相同實施例的濾色鏡層820和動態範圍擴展層830的作為波長的函數的透射係數的曲線圖100。在此實施例中，材料838是大體上透明的。
曲線1010是對於入射至紅色濾色鏡824(1)上方的材料838上的光而作為波長的函數的透射係數。曲線1020是對於入射至綠色濾色鏡824(2)上方的材料838上的光而作為波長的函數的透射係數。曲線1030是對於入射至藍色濾色鏡824(3)上方的材料838上的光而作為波長的函數的透射係數。曲線1010、1020、1030和曲線910、920、930的比較係顯示出對入射至灰色濾光 鏡832和材料838上的光的非常相似的顏色響應。曲線圖900和1000一起示例性顯示出HDR彩色影像感測器800的優秀的顏色響應，沒有由灰色濾光鏡832引起顯著的顏色失真。
為比較，曲線圖1000還顯示出曲線1012和1032。曲線1012是對於濾色鏡824(1)和824(3)的0.8微米厚度版本(即與濾色鏡824(2)是相同厚度)而作為波長的函數的透射係數。曲線圖1000顯示出，在存在具有各種厚度836的灰色濾光鏡832的情況下，保持濾色鏡層820和動態範圍擴展層830的一致組合厚度所需的厚度改變會最小化影響濾色鏡824(1)和824(3)的透射係數。
在不脫離本發明之範圍的情況下，可以調整濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)的一個或多個的構成以補償不同厚度826(1)、826(2)和826(3)對顯示於圖10的透射係數的影響，以降低或消除曲線1010和1030分別與曲線1012和1032的偏離。
圖11是對於HDR彩色影像感測器400的濾色鏡層420和動態範圍擴展層430的經測量透射係數的曲線圖1100，其中濾色鏡層420的厚度426是0.8微米且動態範圍擴展層430的厚度436是0.5微米。曲線1110是對於入射至灰色濾光鏡432上方的紅色濾色鏡424(1)上的光而作為波長的函數的經測量透射係數。曲線1120是對於入射至灰色濾光鏡432上方的綠色濾色鏡424(2)上的光而作為波長的函數的經測量透射係數。曲線1130是對於入射至灰色濾光鏡432上方的藍色濾色鏡424(3)上的光而作為波長的函數的經測量透射係數。透射係數之間的強烈失衡是明顯的，特別是與入射至紅色濾色鏡424(1)上的紅光的透射係數的峰值位準1114相比，入射至藍色濾色鏡424(3)上的藍光的透射係數的峰值位準1134具有顯著降低1132。
圖12是對於HDR彩色影像感測器800的一實施例的灰色濾光鏡832和濾色鏡層820的經測量透射係數的曲線圖1200。在此實施例中，(a)濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)分別透射紅光、綠光和藍光，厚度836 (1)為0.6微米，厚度836(2)為0.5微米，厚度836(3)為0.4微米，厚度826(1)為0.7微米，厚度826(2)為0.8微米，且厚度826(3)為0.9微米。
曲線1210是對於入射至紅色濾色鏡824(1)上方的灰色濾光鏡832上的光而作為波長的函數的經測量透射係數。曲線1220是對於入射至綠色濾色鏡824(2)上方的灰色濾光鏡832上的光而作為波長的函數的經測量透射係數。曲線1230是對於入射至藍色濾色鏡824(3)上方的灰色濾光鏡832上的光而作為波長的函數的經測量透射係數。與顯示於曲線圖1100中的對於HDR彩色影像感測器400的經測量透射係數相比，曲線圖1200顯示出顯著改善的顏色平衡。與綠色濾色鏡824(2)相關的曲線1220展示透射係數的最高峰值位準1224。與藍色濾色鏡824(3)相關的曲線1230的峰值位準1234大約是峰值位準1224的80%。與紅色濾色鏡824(1)相關的曲線1210的峰值位準1214大約是峰值位準1224的65%。
圖13顯示出用於生成高動態範圍影像的一示例性方法1300。方法1300可以由HDR彩色影像感測器100執行。方法1300的一些實施例可以由HDR彩色影像感測器800執行。
在步驟1310中，方法1300部分地吸收從場景朝感光像素陣列的多個第一像素傳播的第一光，以相比於從場景朝感光像素陣列的多個第二像素傳播的第二光衰減第一光。在步驟1310的一實例中，動態範圍擴展層130的灰色濾光鏡132衰減從場景192朝感光像素陣列112的像素114傳播的光150'。
後續步驟1320對第一光進行譜濾波以在第一像素處的感光像素陣列上形成場景的經衰減彩色影像。在步驟1320的一實例中，濾色鏡層120的濾色鏡124對光150'進行譜濾波以在像素114處在感光像素陣列112上形成場景192的經衰減彩色影像。步驟1330對第二光進行譜濾波以在第二像素處的感光像素陣列上形成場景的較亮彩色影像。在步驟1330的一實例中，濾色鏡層120的濾色鏡124對光150進行譜濾波以在像素116處的感光像素陣列112上形成場景192的較亮影像。由於灰色濾光鏡132相比於光150衰減光150'，步驟1330 中在像素116上形成的影像比步驟1320中在像素114上形成的影像更亮。
在一實施例中，步驟1320包括步驟1322，且步驟1330包括步驟1332。步驟1322將多個顏色分量的每一者選擇性透射至多個第一像素的各自的子集。步驟1332將顏色分量的每一者選擇性透射至多個第二像素的各自的子集。在步驟1322和1332的一實例中，濾色鏡124(1)選擇性透射光150和150'的紅色分量，濾色鏡124(2)選擇性透射光150和150'的綠色分量，且濾色鏡124(3)選擇性透射光150和150'的藍色分量，例如，使用與圖7中繪製的那些相似的透射係數。
步驟1310可以包括在相同類型的灰色材料中部分地吸收多個顏色分量的步驟1312。在步驟1312的一實例中，不管哪種類型的濾色鏡124位於其下方，動態範圍擴展層130的所有灰色濾光鏡132由相同的材料製成。在一些實施例中，灰色材料的厚度對於每個顏色分量是不同的，以補償材料的波長相依透射。在實施具有這樣不同厚度的灰色濾光鏡的步驟1312的步驟1310的一實例中，動態範圍擴展層830的灰色濾光鏡832衰減從場景192朝HDR彩色影像感測器800的感光像素陣列112的像素114傳播的光150'。在此實例中，位於紅色濾色鏡824(1)上方的灰色濾光鏡832具有厚度836(1)，位於綠色濾色鏡824(2)上方的灰色濾光鏡832具有厚度836(2)，位於藍色濾色鏡824(3)上方的灰色濾光鏡832具有厚度836(3)，其中厚度836(1)超過厚度836(2)，厚度836(2)又超過厚度836(3)。
在包括具有不同厚度的灰色材料的步驟1312的方法1300的實施例中，步驟1322可以包括步驟1324且步驟1332可以包括步驟1334。步驟1324使用具有與灰色材料的對應厚度協作的厚度之各自的濾色鏡以確保濾色鏡和灰色材料的跨感光像素陣列的一致的組合厚度。相似地，步驟1334使用具有與灰色材料的對應厚度協作的厚度之各自的濾色鏡以確保濾色鏡和灰色材料跨感光像素陣列的一致的組合厚度。在實施步驟1324和1334的方法1300的一實例中，濾色鏡層820的濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)具有不同的各自的厚度826(1)、826(2)和826(3)，以實現動態範圍擴展層830和濾色鏡層820的 跨HDR彩色影像感測器800中感光像素陣列112的一致的組合之厚度840。在此實例中，厚度826(1)小於厚度826(2)，厚度826(2)又小於厚度826(3)。
選擇性地，方法1300可以包括透過相比於第二像素，幾何限制第一像素的每一者的有效區域，而進一步衰減經衰減彩色影像的步驟1340。在步驟1340的一實例中，孔徑柵格215、315或815透過將這樣的光的透射限制至各自的光限制孔徑217、317或817來阻擋朝像素114傳播的光的一部分，光限制孔徑217、317或817的每一者具有小於像素114的對應實施例的截面。
方法1300還可以包括從感光像素陣列讀取HDR影像的步驟1350。HDR影像包括(a)由第一光在第一像素上形成的較低敏感度的影像和(b)由第二光在第二像素上形成的較高敏感度的影像。在步驟1350的一實例中，與感光像素陣列112相關的讀取電路會讀取包括(a)由光150'在像素114上形成的較低敏感度的影像和(b)由光150在像素116上形成的較高敏感度的影像的HDR影像。
圖14顯示出用於製造HDR彩色影像感測器的一示例性方法1400。例如，方法1400用於製造HDR彩色影像感測器100。方法1400的一些實施例可以用於製造HDR彩色影像感測器800，其中在單個光刻製程步驟中形成灰色濾光鏡832。圖15A-C和16A-D示例性顯示出方法1400的一實施例的一些步驟。最好一起查看圖14、15A-C和16A-D。
步驟1410在具有感光像素陣列的矽基板上沉積濾色鏡層，感光像素陣列具有多個第一像素和多個第二像素。在一實例中，步驟1410在矽基板110的光接收表面上沉積濾色鏡層120。在另一實例中，步驟1410在矽基板110上沉積濾色鏡層820。步驟1410包括步驟1412和1414。步驟1412在多個第一像素和多個第二像素的每一者的第一子集的上方形成多個第一濾色鏡。在一實例中，步驟1412在像素114的第一子集上方和像素116的第一子集上方的矽基板110的光接收表面118上形成濾色鏡124(1)。在另一實例中，步驟1412在像素114的第一子集上方和像素116的第一子集上方的矽基板110的光接收表面 118上形成紅色濾色鏡824(1)。步驟1414在多個第一像素和多個第二像素的每一者的第二子集的上方形成多個第二濾色鏡。在一實例中，步驟1414在像素114的第二子集上方和像素116的第二子集上方的矽基板110的光接收表面118上形成濾色鏡124(2)。在另一實例中，步驟1414在像素114的第二子集上方和像素116的第二子集上方的矽基板110的光接收表面118上形成綠色濾色鏡824(2)。選擇性地，步驟1410還包括在多個第一像素和多個第二像素的每一者的第三子集上方形成多個第三濾色鏡的步驟1416。在一實例中，步驟1416在像素114的第三子集上方和像素116的第三子集上方的矽基板110的光接收表面118上形成濾色鏡124(3)。在另一實例中，步驟1416在像素114的第三子集上方和像素116的第三子集上方的矽基板110的光接收表面118上形成藍色濾色鏡824(3)。
圖15A-C顯示出與濾色鏡層820的形成有關的步驟1410的一實例，其中濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)順序地在矽基板110的光接收表面118上形成。在示於圖15A中的第一子步驟中，在像素114和116的第一子集上方的矽基板110的光接收表面118上例如使用本領域中已知的方法光刻形成紅色濾色鏡824(1)。在示於圖15B的第二子步驟中，在像素114和116的第二子集上方的光接收表面上例如使用本領域中已知的方法光刻形成綠色濾色鏡824(2)。在示於圖15C的第三子步驟中，在像素114和116的第三子集上方的光接收表面上例如使用本領域中已知的方法光刻形成藍色濾色鏡824(3)。示於圖15A-C的子步驟循序執行而不是同時執行，原因是使用不同的材料形成三種不同類型的濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)。為避免混合這些不同材料，在濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)的一種類型的形成之後、在進行濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)的下一類型的形成之前，移除過量的濾色鏡材料。例如，示於圖15A的步驟包括(a)在光接收表面118上沉積對紅色濾色鏡824(1)的形成特定的光阻材料，(b)在特定像素114和116上方顯影(develop)光阻材料以在預期位置中形成紅色濾色鏡824(1)，(c)從其他像素114和116上方的區域中移除未顯影的光阻材料，以及選擇性地包括(d)烘烤經顯影的光阻材料以完成紅色濾色鏡824(1)的固化。這些製程步驟在進行至圖15B的製程步驟之前完成。
在一些實施例中，例如在圖15A-C中所示例性顯示出的，步驟1410實施形成濾色鏡使得動態範圍擴展層(在後續步驟1420中形成)和濾色鏡層的組合厚度跨感光像素陣列是一致的之步驟1418。在示於圖15A-C的實例中，紅色濾色鏡824(1)、綠色濾色鏡824(2)和藍色濾色鏡824(3)被形成為具有不同的各自的厚度826(1)、826(2)和826(3)。
在不脫離本發明之範圍的情況下，步驟1410可以包括沉積一種或多種附加類型的濾色鏡的一個或多個附加步驟。
選擇性地，在矽基板上形成孔徑柵格的步驟1402先於步驟1410。此孔徑柵格用於阻擋朝第二像素傳播的光的一部分以進一步擴展動態範圍。在步驟1402的一實例中，在矽基板110的光接收表面118上形成孔徑柵格215、315或815。
步驟1420在步驟1410中形成的濾色鏡層上沉積動態範圍擴展層，動態範圍擴展層包括第二像素上方的灰色濾光鏡以衰減朝第二像素傳播的光。在一實例中，步驟1420在濾色鏡層120上沉積動態範圍擴展層130。在另一實例中，步驟1420在濾色鏡層820上沉積動態範圍擴展層830。步驟1420包括由比第一濾色鏡的透射帶中的光更加強烈地衰減第二濾色鏡的透射帶中的光的材料形成灰色濾光鏡的步驟1422。在包括步驟1416和步驟1422的方法1400的實施例中，由比第二濾色鏡的透射帶中的光更加強烈地衰減第三濾色鏡的透射帶中的光的材料形成灰色濾光鏡。在實施步驟1422的步驟1420的一實例中，由具有與示於圖6者相似的透射特性的材料形成灰色濾光鏡132或832。
包括步驟1422的步驟1420的實施例還可以包括形成具有補償步驟1422的波長相依透射的厚度的灰色濾光鏡的步驟1424。在一實例中，步驟1420實施步驟1422和1424以形成具有不同的各自的厚度826(1)、826(2)和826(3)的濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)以補償為波長的遞增函數的透射係數。
在一實施例中，步驟1420包括步驟1426、1427和1428。步驟1420可以將步驟1426、1427、1428與步驟1422、1424組合。步驟1426由普通的光阻樹脂在第二像素的每一者的上方光刻形成灰色濾光鏡。在一實例中，步驟1426在濾色鏡層120上光刻形成灰色濾光鏡132。在另一實例中，步驟1426在濾色鏡層820上光刻形成灰色濾光鏡832。步驟1427使用大體上透明的材料填充步驟1426中形成的灰色濾光鏡之間的間隙，使得灰色濾光鏡和大體上透明的材料協作以形成跨感光像素陣列的中間層。在一實例中，步驟1427在灰色濾光鏡132之間的濾色鏡層120上並選擇性地在灰色濾光鏡132的至少一些的上方沉積大體上透明的材料，以形成跨感光像素陣列112的中間層。在另一實例中，步驟1427在灰色濾光鏡832之間的濾色鏡層820上並選擇性地在灰色濾光鏡832的至少一些的上方沉積大體上透明的材料，以形成跨感光像素陣列112的中間層。步驟1428使中間層平面化，以形成動態範圍擴展層。在一實例中，步驟1428使步驟1427中形成的中間層平面化，以形成濾色鏡層120上方的動態範圍擴展層130。在另一實例中，步驟1428使步驟1427中形成的中間層平面化，以形成濾色鏡層820上方的動態範圍擴展層830。
圖16A-D顯示出與動態範圍擴展層830的形成有關的步驟1420的一實例，其中不同厚度836(1)、836(2)和836(3)的灰色濾光鏡832透過單個光刻沉積步驟形成。由於下方的濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)的厚度具有用於補償灰色濾光鏡832的不同厚度836(1)、836(2)和836(3)的厚度826(1)、826(2)和826(3)，步驟1420的此實例可以使用單個光刻沉積步驟形成不同厚度836(1)、836(2)和836(3)的灰色濾光鏡832，同時實現產生的動態範圍擴展層830的背對矽基板110的平面連續之表面839。首先，在步驟1426中，所有灰色濾光鏡832被形成為具有大體上相同的厚度。然而，步驟1428中執行的平面化既(a)使動態範圍擴展層830平面化，又(b)將灰色濾光鏡832的厚度修改至最終厚度836(1)、836(2)和836(3)。因此，在步驟1410中沉積的各自的濾色鏡824(1)、824(2)和824(3)的厚度826(1)、826(2)和826(3)的適當設計與步驟1428中的平面化協作以使得能在步驟1426中透過單個光刻製程形成具有不同厚度836(1)、836(2)和836(3) 的灰色濾光鏡832。這是可能的，因為動態範圍擴展層830在濾色鏡層820之後且在濾色鏡層820的上方形成，而非在濾色鏡層820之前且在濾色鏡層820的下方形成。
圖16A和16B顯示出步驟1426的一實例。如圖16A中所示，光阻樹脂1602沉積在濾色鏡層820上，選擇性地延伸超越濾色鏡層820至矽基板110的暴露表面。光阻樹脂1602透過遮罩1606被暴露於光1604(參見圖16A)以在每個像素114上方的濾色鏡層820上顯影灰色材料的柱1612(參見圖16B)。在不脫離本發明之範圍的情況下，步驟1426可以使用正的或負的光阻材料。由於每個柱1612由曝光於大體上相同量的光1604而形成，每個柱1612具有大體上相同的厚度1614。
圖16C和16D顯示出步驟1427和1428的一實例。在此實例中，步驟1427將大體上透明材料1622沉積在柱1612之上以填充柱1612之間的間隙(參見圖16C)，且步驟1428在位於光接收表面118上方的距離840處的表面1624(參見圖16C)處使材料1622和柱1612平面化。根據示於圖16C的實例，示於圖16D中的步驟1428的結果是包括材料838的HDR彩色影像感測器800的一實施例。
儘管未顯示於圖14-16C中，方法1400可以包括在動態範圍擴展層130或830上形成微透鏡陣列140的步驟。在不脫離本發明之範圍的情況下，大體上透明的材料1622可以由不透明但仍比灰色濾光鏡132或832更加光透射性的材料代替。此外，在不脫離本發明之範圍的情況下，步驟1400可以以晶圓級執行，以平行地製造多個(例如數百個或數千個)HDR彩色影像感測器100或800。方法1400是容易地可擴展到其他濾色鏡方案的，例如如上參考圖1所討論者，並可以應用至各種像素配置，例如如上參考圖1、2A、2B、3A和3B所討論者。
特徵組合
在不脫離本發明之範圍的情況下，如上描述的以及如下請求的特徵可以以各種方式組合。例如，應瞭解者為，在此描述的一個HDR彩色影像感測器或相關的系統或方法的觀點可以包含或替換為在此討論的另一HDR彩色影像感測器或相關的系統或方法的特徵。以下實例說明上述實施例的可能的、非限制性的組合。應該清楚的是，在不脫離本發明的精神及範圍的情況下，在此可以對方法和裝置做出許多其他改變和修改：
(A1)高動態範圍彩色影像感測器可以包括(a)包括具有多個第一像素和多個第二像素的感光像素陣列的矽基板，(b)設置在矽基板上並至少包括(i)位於多個第一像素和多個第二像素的每一者的第一子集的上方並用於選擇性透射第一顏色範圍的光的多個第一濾色鏡和(ii)位於多個第一像素和多個第二像素的每一者的第二子集的上方並用於選擇性透射第二顏色範圍的光的多個第二濾色鏡的濾色鏡層，以及(c)設置在濾色鏡層上並包括設置在多個第二像素的上方以衰減朝多個第二像素傳播的光的灰色濾光鏡的動態範圍擴展層。
(A2)在如(A1)表示的高動態範圍彩色影像感測器中，第一子集可以與第二子集不具有重疊。
(A3)在如(A1)和(A2)表示的高動態範圍彩色影像感測器的一者或兩者中，第一像素可以形成高敏感度像素陣列，用於與上述濾色鏡層協作以捕捉場景的高敏感度影像，第二像素可以與灰色濾光鏡協作以形成與高敏感度像素陣列交錯的低敏感度像素陣列，用於與濾色鏡層協作以捕捉場景的低敏感度影像。
(A4)在如(A1)至(A3)表示的高動態範圍彩色影像感測器的任一者中，第一濾色鏡可以配置為多個第一部分，第二濾色鏡可以配置為多個第二部分，第一部分的每一者可以位於相應一個第一像素和鄰近的相應一個第二像素的上方，且第二部分的每一者可以位於另一相應一個第一像素和另一鄰近的相應一個第二像素的上方。
(A5)在如(A1)至(A4)表示的高動態範圍彩色影像感測器的任一者中，第二濾色鏡上方的灰色濾光鏡的厚度可以小於第一濾色鏡上方的灰色濾光鏡的厚度，以比在第一顏色範圍內更大地在第二顏色範圍內補償灰色濾光鏡的材料的衰減。
(A6)在如(A5)表示的高動態範圍彩色影像感測器中，濾色鏡層和動態範圍擴展層的組合厚度跨感光像素陣列可以是一致的。
(A7)在如(A5)和(A6)表示的高動態範圍彩色影像感測器的一者或全部中，動態範圍擴展層可以包括第一像素的每一者的上方的大體上透明的材料。
(A8)在如(A5)至(A7)表示的高動態範圍彩色影像感測器的任一者中，濾色鏡層還可以包括位於多個第一像素和多個第二像素的每一者的第三子集上方並用於選擇性透射第三顏色範圍的光的多個第三濾色鏡，其中第三濾色鏡上方的灰色濾光鏡的厚度小於第二濾色鏡上方的灰色濾光鏡的厚度，以比在第二顏色範圍內更大地在第三顏色範圍內補償灰色濾光鏡的材料的衰減。
(A9)在如(A8)表示的高動態範圍彩色影像感測器中，第一顏色範圍可以包括可見光譜的紅色部分，第二顏色範圍可以包括可見光譜的綠色部分，以及第三顏色範圍可以包括可見光譜的藍色部分。
(A10)在如(A8)和(A9)表示的高動態範圍彩色影像感測器的一者或全部中，穿過濾色鏡層和動態範圍擴展層透射至第二像素的光可以具有對於第一濾色鏡的第一峰值、對於第二濾色鏡的第二峰值和對於第三濾色鏡的第三峰值，其中第一峰值、第二峰值和第三峰值中的每一者至少是第一峰值、第二峰值和第三峰值中的最大值的60%。
(A11)在如(A8)至(A10)表示的高動態範圍彩色影像感測器的任一者中，第一濾色鏡的厚度可以在0.65微米和0.75微米之間的範圍內，第二濾色鏡的厚度可以在0.75微米和0.85微米之間的範圍內，第三濾色鏡的厚度可以在0.85微米和0.95微米之間的範圍內，灰色濾光鏡的厚度可以在0.3微米和0.8微米之間的範圍內，以及濾色鏡層和動態範圍擴展層的組合厚度跨感光像素陣列可以是一致的。
(A12)在如(A1)至(A11)表示的高動態範圍彩色影像感測器的任一者中，第一像素可以具有比第二像素更大的橫向尺寸以進一步擴展動態範圍。
(A13)如(A1)至(A12)表示的高動態範圍彩色影像感測器的任一者還可以包括設置在矽基板上的金屬柵格，用於阻擋朝第二像素傳播的光的一部分以進一步擴展動態範圍。
(B1)用於製造高動態範圍彩色影像感測器的方法，可以包括(a)在具有感光像素陣列的矽基板上沉積濾色鏡層，感光像素陣列具有多個第一像素和多個第二像素，其中上述沉積包括至少形成(i)多個第一像素和多個第二像素的每一者的第一子集的上方的多個第一濾色鏡，和(ii)多個第一像素和多個第二像素的每一者的第二子集的上方的多個第二濾色鏡，且其中第二濾色鏡的厚度超過第一濾色鏡的厚度，(b)在濾色鏡層上沉積動態範圍擴展層，動態範圍擴展層包括第二像素上方的灰色濾光鏡以衰減朝第二像素傳播的光，其中濾色鏡層和動態範圍擴展層的組合厚度跨感光像素陣列是一致的，使得第二濾色鏡上方的灰色濾光鏡的厚度小於第一濾色鏡上方的灰色濾光鏡的厚度，以比在第一濾色鏡的透射帶內更大地在第二濾色鏡的透射帶內補償灰色濾光鏡的材料的衰減。
(B2)在如(B1)表示的方法中，第一子集可以與第二子集不具有重疊。
(B3)在如(B1)和(B2)表示的方法的一者或全部中，沉積動態範圍擴展層的步驟可以包括(A)由普通樹脂在第二像素的每一者的上方光刻形成灰色濾光鏡，(B)使用大體上透明的材料填充灰色濾光鏡之間的間隙，使得灰色濾光鏡和大體上透明的材料協作以形成跨感光像素陣列的中間層，以及(C)使中間層平面化以形成動態範圍擴展層。
(B4)在如(B3)表示的方法中，光刻形成灰色濾光鏡的步驟可以包括在上述平面化的步驟之前，在所有小像素的上方將灰色濾光鏡形成為大體上相同的第一厚度。
(B5)在如(B1)至(B4)表示的方法的任一者中，沉積濾色鏡層的步驟可以包括形成具有比第一濾色鏡的厚度至少大0.1微米的厚度的第二濾色鏡。
(B6)如(B1)至(B5)表示的方法的任一者還可以包括(1)在沉積濾色鏡層的步驟中，在包括第一像素和第二像素的每一者的第三子集的感光像素陣列的第三子集的上方形成多個第三濾色鏡，其中第三濾色鏡的厚度超過第二濾色鏡的厚度，以及(2)在沉積動態範圍擴展層的步驟中，在位於第三濾色鏡下方的第二像素的上方形成灰色濾光鏡，使得第三濾色鏡上方的灰色濾光鏡的厚度小於第二濾色鏡上方的灰色濾光鏡的厚度，以比在第二濾色鏡的透射帶內更大地在第三濾色鏡的透射帶內補償灰色濾光鏡的材料的衰減。
(B7)如(B1)至(B6)表示的方法的任一者還可以包括在矽基板上形成柵格，其中柵格用於阻擋朝第二像素傳播的光的一部分，以進一步擴展動態範圍。
(B8)在如(B1)至(B7)表示的方法的任一者中，第二像素可比第一像素小，以進一步擴展動態範圍。
(C1)用於生成高動態範圍影像的方法，可以包括(a)部分地吸收從場景朝感光像素陣列的多個第一像素傳播的第一光，以相比於從場景朝感光像素陣列的多個第二像素傳播的第二光衰減第一光，其中多個第二像素與 多個第一像素交錯，以及(b)在部分地吸收的步驟之後，對第一光進行譜濾波以在第一像素處的感光像素陣列上形成場景的經衰減彩色影像，並對第二光進行譜濾波以在第二像素處的感光像素陣列上形成場景的較亮彩色影像。
(C2)在如(C1)表示的方法中，部分地吸收的步驟可以包括在相同類型的灰色材料中部分地吸收多個顏色分量，其中灰色材料的厚度對於顏色分量的每一者是不同的，以補償材料的波長相依透射。
(C3)在如(C2)表示的方法中，譜濾波的步驟可以包括透過具有與灰色材料的對應厚度協作的厚度的各自的濾色鏡，將顏色分量的每一者選擇性透射至多個第一像素和多個第二像素的每一者的各自的子集，以確保跨感光像素陣列的濾色鏡和灰色材料的一致的組合厚度。
(C4)如(C1)至(C3)表示的方法的任一者還可以包括相比於第二像素，透過幾何限制第一像素的每一者的有效區域而進一步衰減經衰減彩色影像。
在不脫離本發明之範圍的情況下，可以對上述系統和方法做出改變。因此，應該注意者為，在上述描述中包含的或在圖式中示出的事項，應該被理解為說明性的而非限制性的。所附申請專利範圍旨在涵蓋在此描述的所有通用和特定的特徵，以及本方法和本系統的範圍的在文義上的所有聲明應被認為落入其間。

Claims (25)

  1. 一種高動態範圍彩色影像感測器，包括：一矽基板，包括具有多個第一像素和多個第二像素的感光像素陣列；一濾色鏡層，設置在該矽基板上，並至少包括(a)位於該多個第一像素和該多個第二像素的每一者的第一子集的上方並用於選擇性透射第一顏色範圍的光的多個第一濾色鏡，以及(b)位於該多個第一像素和該多個第二像素的每一者的第二子集的上方並用於選擇性透射第二顏色範圍的光的多個第二濾色鏡；以及一動態範圍擴展層，設置在該濾色鏡層上並包括設置在該多個第二像素的上方以衰減朝該多個第二像素傳播的光的灰色濾光鏡。
  2. 如請求項1所述之高動態範圍彩色影像感測器，其中該第一子集與該第二子集不具有重疊。
  3. 如請求項1所述之高動態範圍彩色影像感測器，其中該第一像素形成高敏感度像素陣列，用於與該濾色鏡層協作以捕捉場景的高敏感度影像，該第二像素與該灰色濾光鏡協作以形成與該高敏感度像素陣列交錯的低敏感度像素陣列，用於與該濾色鏡層協作以捕捉場景的低敏感度影像。
  4. 如請求項3所述之高動態範圍彩色影像感測器，其中該第一濾色鏡設置為多個第一部分，該第二濾色鏡設置為多個第二部分，該第一部分的每一者位於相應一個第一像素和鄰近的相應一個第二像素的上方，且該第二部分的每一者位於另一相應一個第一像素和另一鄰近的相應一個第二像素的上方。
  5. 如請求項1所述之高動態範圍彩色影像感測器，其中該第二濾色鏡上方的該灰色濾光鏡的厚度小於該第一濾色鏡上方的該灰色濾光鏡的厚度，以比在該第一顏色範圍內更大地在該第二顏色範圍內補償該灰色濾光鏡的材料的衰減。
  6. 如請求項5所述之高動態範圍彩色影像感測器，其中該濾色鏡層和該動態範圍擴展層的組合厚度跨該感光像素陣列是一致的。
  7. 如請求項6所述之高動態範圍彩色影像感測器，其中該動態範圍擴展層包括該第一像素的每一者的上方的大體上透明的材料。
  8. 如請求項5所述之高動態範圍彩色影像感測器，其中該濾色鏡層還包括位於該多個第一像素和該多個第二像素的每一者的第三子集的上方並用於選擇性透射第三顏色範圍的光的多個第三濾色鏡，該第三濾色鏡上方的該灰色濾光鏡的厚度小於該第二濾色鏡上方的該灰色濾光鏡的厚度，以比在該第二顏色範圍內更大地在該第三顏色範圍內補償該灰色濾光鏡的材料的衰減。
  9. 如請求項8所述之高動態範圍彩色影像感測器，其中該第一顏色範圍包括可見光譜的紅色部分，該第二顏色範圍包括該可見光譜的綠色部分，以及該第三顏色範圍包括該可見光譜的藍色部分。
  10. 如請求項9所述之高動態範圍彩色影像感測器，其中穿過該濾色鏡層和該動態範圍擴展層透射至該第二像素的光具有對於該第一濾色鏡的第一峰值、對於該第二濾色鏡的第二峰值和對於該第三濾色鏡的第三峰值，該第一峰值、該第二峰值和該第三峰值中的每一者至少是該第一峰值、該第二峰值和該第三峰值中的最大值的60%。
  11. 如請求項9所述之高動態範圍彩色影像感測器，其中該第一濾色鏡的厚度在0.65微米和0.75微米之間的範圍內，該第二濾色鏡的厚度在0.75微米和0.85微米之間的範圍內，該第三濾色鏡的厚度在0.85微米和0.95微米之間的範圍內，該灰色濾光鏡的厚度在0.3微米和0.8微米之間的範圍內，以及該濾色鏡層和該動態範圍擴展層的組合厚度跨該感光像素陣列是一致的。
  12. 如請求項1所述之高動態範圍彩色影像感測器，其中該第一像素具有比該第二像素更大的橫向尺寸以進一步擴展動態範圍。
  13. 如請求項1所述之高動態範圍彩色影像感測器，更包括設置在該矽基板上的金屬柵格，用於阻擋朝該第二像素傳播的光的一部分以進一步擴展動態範圍。
  14. 一種用於製造高動態範圍彩色影像感測器的方法，包括：在具有感光像素陣列的矽基板上沉積濾色鏡層，該感光像素陣列包括多個第一像素和多個第二像素，該沉積包括至少形成(a)該多個第一像素和該多個第二像素的每一者的第一子集的上方的多個第一濾色鏡，和(b)該多個第一像素和該多個第二像素的每一者的第二子集的上方的多個第二濾色鏡，該第二濾色鏡的厚度超過該第一濾色鏡的厚度；以及在該濾色鏡層上沉積動態範圍擴展層，該動態範圍擴展層包括該第二像素上方的灰色濾光鏡以衰減朝該第二像素傳播的光，該濾色鏡層和該動態範圍擴展層的組合厚度跨該感光像素陣列是一致的，使得該第二濾色鏡上方的該灰色濾光鏡的厚度小於該第一濾色鏡上方的該灰色濾光鏡的厚度，以比在該第一濾色鏡的透射帶中更大地在該第二濾色鏡的透射帶中補償該灰色濾光鏡的材料的衰減。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該第一子集與該第二子集不具有重疊。
  16. 如請求項14所述之方法，其中沉積該動態範圍擴展層的步驟包括：由普通樹脂在該第二像素的每一者的上方光刻形成該灰色濾光鏡；使用大體上透明的材料填充該灰色濾光鏡之間的間隙，使得該灰色濾光鏡和該大體上透明的材料協作以形成跨該感光像素陣列的中間層；以及使該中間層平面化以形成該動態範圍擴展層。
  17. 如請求項16所述之方法，其中光刻形成該灰色濾光鏡的步驟包括：在平面化的步驟之前，在所有小像素的上方將該灰色濾光鏡形成為大體上相同的第一厚度。
  18. 如請求項17所述之方法，其中沉積該濾色鏡層的步驟包括：形成具有比該第 一濾色鏡的厚度至少大0.1微米的厚度的該第二濾色鏡。
  19. 如請求項14所述之方法，更包括：在沉積該濾色鏡層的步驟中，在包括該第一像素和該第二像素的每一者的第三子集的該感光像素陣列的第三子集的上方形成多個第三濾色鏡，該第三濾色鏡的厚度超過該第二濾色鏡的厚度；以及在沉積該動態範圍擴展層的步驟中，在位於該第三濾色鏡下方的第二像素的上方形成灰色濾光鏡，使得該第三濾色鏡上方的該灰色濾光鏡的厚度小於該第二濾光鏡上方的該灰色濾光鏡的厚度，以比在該第二濾色鏡的透射帶中更大地在該第三濾色鏡的透射帶中補償該灰色濾光鏡的材料的衰減。
  20. 如請求項14所述之方法，更包括：在該矽基板上形成柵格，該柵格配置成用於阻擋朝該第二像素傳播的光的一部分，以進一步擴展動態範圍。
  21. 如請求項14所述之方法，其中該第二像素比該第一像素小，以進一步擴展動態範圍。
  22. 一種用於生成高動態範圍影像的方法，包括：部分地吸收從場景朝感光像素陣列的多個第一像素傳播的第一光，以相比於從該場景朝該感光像素陣列的多個第二像素傳播的第二光衰減該第一光，該多個第二像素與該多個第一像素交錯；以及在部分地吸收的步驟之後，對該第一光進行譜濾波以在該第一像素處的該感光像素陣列上形成該場景的經衰減彩色影像，並對該第二光進行譜濾波以在該第二像素處的該感光像素陣列上形成該場景的較亮彩色影像。
  23. 如請求項22所述之方法，其中部分地吸收的步驟包括在相同類型的灰色材料中部分地吸收多個顏色分量，該灰色材料的厚度對於該顏色分量的每一者是不同的，以補償材料的波長相依透射。
  24. 如請求項23所述之方法，其中該譜濾波包括透過具有與該灰色材料的對應厚 度協作的厚度的各自的濾色鏡，將該顏色分量的每一者選擇性透射至該多個第一像素和該多個第二像素的每一者的各自的子集，以確保跨該感光像素陣列的該濾色鏡和該灰色材料的一致的組合厚度。
  25. 如請求項22所述之方法，更包括：相比於該第二像素，透過幾何限制該第一像素的每一者的有效區域而進一步衰減該經衰減彩色影像。
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