WO2015062141A1

WO2015062141A1 - 3d cmos图像传感器的像素单元

Info

Publication number: WO2015062141A1
Application number: PCT/CN2013/088921
Authority: WO
Inventors: 陈嘉胤
Original assignee: 上海集成电路研发中心有限公司
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-05-07
Also published as: CN103545334A; CN103545334B

Abstract

提供了一种3D CMOS图像传感器的像素阵列，属于集成电路领域。该像素阵列，其从下到上依次包括：基底，所述基底中设置有传感器层，用于对光通路中的入射光进行光电转换；金属层，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；微透镜层，用于对照射进所述光通道的光线进行聚焦形成所述入射光；遮光层，用于使奇数列像素中传感层感应的入射光方向、偶数列像素中传感层感应的入射光方向，分别分布在像素阵列法向两侧，从而通过外围电路的处理形成模拟左右眼通道的数字图像。本发明中，基于单块图像传感器实现3D立体视觉，降低了3D立体视觉的成本。

Description

3D CMOS图像传感器的像素单元

技术领域

本发明属于集成电路领域，具体地说，涉及一种 3D CMOS图像传感器的像素单元。技术背景

图像传感器在民用和商业范畴内得到了广泛的应用。目前，图像传感器由 CMOS图像传感器（CMOS IMAGE SENSOR, 以下简称 CIS) 和电荷耦合图像传感器（Charge-coupled Device, 以下简称 CCD)。 CCD与 CIS相比来说，功耗较高、集成难度较大，而后者功耗低、易集成且分辨率较高。虽然说，在图像质量方面 CCD可能会优于 CIS。但是，随着 CIS技术的不断提高，一部分 CIS的图像质量已经接近于同规格的 CCD。

对于 CCD来说，一方面，在专业的科研和工业领域，由于其具有高信噪比成为首选；另外一方面，在高端摄影摄像领域，能提供高图像质量的 CCD也颇受青睐。而对于 CIS来说，在科研技术领域如生物化学、医学、地质勘探、航天技术，以及娱乐工业领域如电子游戏、 3D 电影、网络虚拟现实得到了广泛应用。在科研技术领域和娱乐工业领域应用时，常常由一块 CIS,一个摄影镜头与一个暗室构成单眼透视视觉系统。然而，随着 3D技术的出现和不断发展，单眼透视视觉系统并不能满足人们对模拟人眼双眼立体视觉 Stereoscopy的 3D技术需求。

如图 1所示，为现有技术中采集彩色图像的 CIS像素阵列的剖面图。该像素阵列为 bayer模式，为了便于理解，图 1中只示意出了像素阵列第一行中三个子像素的剖视图。从剖面上来看，像素阵列从上到下分为三层，上层为滤镜层 101，中层为氧化硅材料层 102，该氧化硅材料层 102中设置有金属层 103，下层为硅材料层 104，该硅材料层 104中设置有感光二极管 105。滤镜层 101之上设置有微透镜层 106 (Micro-lens layer) , 滤镜层 101中的各个滤镜 111位于同一平面，图中示意出了从左到右依次为红色滤镜、绿色滤镜、红色滤镜、绿色滤镜 .....；且每一滤镜 111与微透镜层 106中的微透镜 116是一一对应的，一个微透镜 116对应一个光通道及一个感光二极管 105。微透镜 116用于聚集光线，聚焦的光线经过滤镜 111经由光通道到达下层的感光二极管 105。金属层 103即 M1~M4之间电连接，用来传递电信号，相邻金属层之间留有光通道。

图 2为现有就技术中模拟人眼双眼立体视觉 Stereoscopy数字拍摄的基本原理图。图 3为现有技术中模拟人眼双眼立体视觉 Stereoscopy数字拍摄系统的简要组成图，如图 2所示，在一定范围内，人眼双眼视觉具有深度信息，因此人脑能感知到 3D效果。在此范围之外，深度信息精度不够，双眼视觉的 3D效果失效。每个人的瞳距 d (两眼 201之间距离）存在个体差异，但只在一定范围内变化。当双眼关注的物体距离 S变化时，双眼视线夹角 N 随之变化。假设 d的变化可以忽略， Smin<S<Smax时 Stereoscopy处于工作范围，此时 Nmin<N<Nmax。如图 3所示，摄像机 201拍摄物体 200， CIS 图像传感器中的像素阵列 202模拟两只人眼，由于人眼有两只，感光的视网膜有两张，直观地模拟 Stereoscopy需要两个完全分离的光通路，也需要至少两个 CIS。人眼双眼视觉类似，设两块 CIS之间距离为 D,物体距离 S', 而两个 Camera光轴的夹角为 N，，贝 lj S'min<S'<S'max, 即 N，min<N<N，max时 Stereoscopy的 3D效果有效。

现有技术中，为了实现人眼双眼立体视觉 Stereoscopy, 必须使用至少两块 CIS、两个摄影镜头和与之相对应的两个暗室。由此可见，构建这种系统的成本颇高。发明概要

本发明所要解决的技术问题是提供一种 3D CMOS图像传感器的像素单元，用以部分或全部克服、部分或全部解决现有技术存在的上述技术问题。

为了部分或全部克服、部分或全部解决上述技术问题，本发明提供了一种 3D CMOS图像传感器的像素阵列，其从下到上依次包括：

基底，所述基底中设置有传感器层，用于对光通路中的入射光进行光电转换；

金属层，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；微透镜层，用于对照射进所述光通道的光线进行聚焦形成所述入射光；遮光层，用于使奇数列像素中传感层感应的入射光方向、偶数列像素中传感层感应的入射光方向，分别分布在像素阵列法向两侧，从而通过所述外围电路的处理形成模拟左右眼通道的数字图像。

优选地，在本发明的一实施例中，所述金属层设置在氧化硅材质的中间层中。

优选地，在本发明的一实施例中，所述模拟左右眼通道的数字图像之间的中心距离在可实现人眼双眼立体视觉允许的范围之内。

优选地，在本发明的一实施例中，所述像素阵列与被感应物体之间的距离在可实现人眼双眼立体视觉允许的范围之内。

优选地，在本发明的一实施例中，位于像素阵列法线左右两侧的光线，经对应遮光层处理后，沿着垂直的方向射向对应的所述传感层。

优选地，在本发明的一实施例中，所述被所述传感器层感应的入射光经深度捕获。

优选地，在本发明的一实施例中，利用广角镜头深度捕获被所述传感器层感应的入射光。

优选地，在本发明的一实施例中，所述微透镜层之下、金属层之上还设置有滤镜层，用于实现不同颜色的还原。

优选地，在本发明的一实施例中，所述遮光层为单层或者多层结构。为了部分或全部克服、部分或全部解决上述技术问题，本发明还提供了一种实现人眼双眼立体视觉的系统，其包括：

主摄像镜头，用以捕获被感应物体产生的入射光；

图像传感器，包括上述任意所述的像素阵列。

与现有的方案相比，通过遮光层使奇数行像素中传感层感应的入射光方向、偶数行像素中传感层感应的入射光方向，分别分布在像素阵列法向两侧，从而通过所述外围电路的处理形成模拟左右眼通道的数字图像，以基于单块图像传感器实现 3D立体视觉，降低了 3D立体视觉的成本。 ,侧

图 1为现有技术中采集彩色图像的 CIS像素阵列的剖面图；

图 2为现有就技术中模拟人眼双眼立体视觉 Stereoscopy数字拍摄的基本原理图；

图 3为现有技术中模拟人眼双眼立体视觉 Stereoscopy数字拍摄系统的简要组成图；

图 4为本发明实施例一中采集灰度图像的 3D CMOS图像传感器的像素阵列示意图；

图 5为图 4中双层遮光层结构中上层遮光层的光通孔设置示意图；图 6为图 4中双层遮光层结构中下层遮光层的光通孔设置示意图；图 7为本发明实施例二中采集灰度图像的 3D CMOS图像传感器的像素阵列示意图；

图 8为本发明实施例三中采集彩色图像的 3D CMOS图像传感器的像素阵列示意图；

图 9为本发明实施例四中采集彩色图像的 3D CMOS图像传感器的像素阵列示意图；

图 10为现有技术中常规的像素阵列平面示意图；

图 11为本发明实施例三或四中的像素阵列平面示意图。发明内容

以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明的下述实施例中，通过遮光层使奇数行像素中传感层感应的入射光方向、偶数行像素中传感层感应的入射光方向，分别分布在像素阵列法向两侧，从而通过所述外围电路的处理形成模拟左右眼通道的数字图像，以基于单块图像传感器实现 3D立体视觉，降低了 3D立体视觉的成本。

图 4为本发明实施例一中采集灰度图像的 3D CMOS图像传感器的像素阵列示意图，本实施例中，像素阵列中没有设置滤镜层，因此，只能采集到灰度图像。如图 4所示，其从下到上依次包括：基底 401、金属层（图中未示出）、微透镜层 403、遮光层 404。其中：

所述基底 401 中设置有传感器层（图中未示出），用于对光通路中的入射光进行光电转换；

金属层用于将光电转换的电信号传输到外围电路（图中未示出）进行处理。本实施中，所述金属层设置在氧化硅材质的中间层（图中未示出）中。

微透镜层 403用于对照射进所述光通道的光线进行聚焦形成所述入射光微透镜层 403根据像素的个数包括有若干个微透镜 413。

遮光层 404，用于使奇数行像素中传感层感应的入射光方向、偶数行像素中传感层感应的入射光方向，分别分布在像素阵列法向两侧，从而通过所述外围电路的处理形成模拟左右眼通道的数字图像。

比如，如图 4所示，第一幅图表示偶数列（j = 0, 2， 4... )像素所接收的入射光方向，第二幅图表示奇数列（j = l， 3， 5... ) 的像素所接受的入射光入射方向不同，各自位于像素阵列法线的两侧。偶数列采集到的图像与奇数列采集到的数字图像分别模拟立体 3D中的左眼与右眼通道，经过外围电路处理后，从而实现双眼的立体视觉。

本实施例中，遮光层采用双层结构。图 5为图 4中双层遮光层结构中上层遮光层的光通孔设置示意图。图 6为图 4中双层遮光层结构中下层遮光层的光通孔设置示意图。圆形表示遮光层的通光孔，如图 5所示，对于上层遮光层的光通孔位置，偶数列（j = 0, 2， 4... )像素对应的上层遮光层的通光孔位置稍向右偏移，奇数列（j = l， 3， 5... ) 像素对应的上层遮光层的通光孔位置稍向左偏移。如图 6所示，对于下层遮光层的光通孔位置，偶数列 (j = 0, 2， 4... )像素对应的下层遮光层的通光孔位置、奇数列（j = l， 3， 5... ) 像素对应的下层遮光层的通光孔位置无须任何偏移，只要与传感层中的光电二极管的设置位置完全对应即可。

本实施例中，位于像素阵列法线左右两侧的光线，经对应遮光层 404处理后，沿着垂直的方向射向对应的所述传感层。

本实施例中，所述模拟左右眼通道的数字图像之间的中心距离在可实现人眼双眼立体视觉允许的范围之内。所述像素阵列与被感应物体之间的距离在可实现人眼双眼立体视觉允许的范围之内。

本实施例中，所述被所述传感器层感应的入射光经深度捕获。优选地，可以利用广角镜头深度捕获被所述传感器层感应的入射光。

图 7为本发明实施例二中采集灰度图像的 3D CMOS图像传感器的像素阵列示意图，本实施例中，如图 7所示，与上述实施例一相同的是其从下到上依次包括：基底 401、金属层（图中未示出）、微透镜层 403、遮光层 404。

与上述实施例一不同的是，本实施例中，遮光层 404是单层结结构，其光通孔位置，偶数列（j = 0, 2， 4... )像素对应的下层遮光层的通光孔位置、奇数列（j = l， 3， 5· · · ) 像素对应的下层遮光层的通光孔位置无须任何偏移，只要与传感层中的光电二极管的设置位置完全对应即可。

比如，如图 7所示，第一幅图表示偶数列（j = 0, 2， 4... )像素所接收的入射光方向，第二幅图表示奇数列（j = l， 3， 5... ) 的像素所接受的入射光入射方向不同，各自位于像素阵列法线的两侧。

图 8为本发明实施例三中采集彩色图像的 3D CMOS图像传感器的像素阵列示意图，与上述图 4中实施例一不同的是，为了采集彩色图像，在金属层（图中未示出）和微透镜层之间还设置有滤镜层 405，包括不同颜色的滤镜 415。本实施例中，遮光层采用图 4中的双层结构，具体的上层遮光层和下层遮光层中光通孔的设置可参见图 5、图 6所示，在此不再赘述。

图 9为本发明实施例四中采集彩色图像的 3D CMOS图像传感器的像素阵列示意图，与上述图 8所示实施例三不同的是，遮光层 404采用单层结构。

下面将以采集彩色图像为例，使用 BAYER模式的像素阵列，对本发明实施例中使用一块 CMOS 图像传感器如何采集到模拟左右眼通道的两幅数字图像，实现 3D立体视觉效果进行简要说明。

图 10为现有技术中常规的像素阵列平面示意图，如图 10所示，像素的按照列方向的平面示意为： RGRGRG...(i 列 =0,2,4...歹 |J)GBGBGB ( i 列 =1,3,5...列） …的方式展开、平铺。每次只能采集到一副图像。

图 11为本发明实施例三或四中的像素阵列平面示意图，如图 11所示，由于对两个图像通道分别采用 Bayer模式，因此总的 CFA呈现 RGRGRG (i 列 =0,4,8... j行 =0,2,4... )... RGRGRG(i列 =1,5,9... j行 =1,3,5... )... GBGBGB(i 列 =3,7,11... j行 =0,2,4... )...GBGBGB(i列 =4,8,12... j行 =1,3,5· · ·)· · · ; 总能采集到两幅图像。从而实现了单图像传感器的 3D 立体视觉。

本发明其他实施例还提供了一种人眼双眼立体视觉的系统，其包括主摄像头和包括上述任一图像素阵列的 CIS图像传感器，详细内容，本领域普通技术人员可以根据本发明上述实施例的启发，无须创造性劳动可得，在此不再赘述。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

权利要求

1、一种 3D CMOS 图像传感器的像素阵列，其特征在于，从下到上依次包括：

金属层，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；

微透镜层，用于对照射进所述光通道的光线进行聚焦形成所述入射光；遮光层，用于使奇数列像素中传感层感应的入射光方向、偶数列像素中传感层感应的入射光方向，分别分布在像素阵列法向两侧，从而通过所述外围电路的处理形成模拟左右眼通道的数字图像。

2、根据权利要求 1所述的像素阵列，其特征在于，所述金属层设置在氧化硅材质的中间层中。

3、根据权利要求 1所述的像素阵列，其特征在于，所述模拟左右眼通道的数字图像之间的中心距离在可实现人眼双眼立体视觉允许的范围之内。

4、根据权利要求 1所述的像素阵列，其特征在于，所述像素阵列与被感应物体之间的距离在可实现人眼双眼立体视觉允许的范围之内。

5、根据权利要求 1所述的像素阵列，其特征在于，位于像素阵列法线左右两侧的光线，经对应遮光层处理后，沿着垂直的方向射向对应的所述传感层。

6、根据权利要求 1-5 任意权利要求所述的像素阵列，其特征在于，所述被所述传感器层感应的入射光经深度捕获。

7、根据权利要求 6所述的像素阵列，其特征在于，利用广角镜头深度捕获被所述传感器层感应的入射光。

8、根据权利要求 1所述的像素阵列，其特征在于，所述微透镜层之下、金属层之上还设置有滤镜层，用于实现不同颜色的还原。

9、根据权利要求 1所述的像素阵列，其特征在于，所述遮光层为单层或者多层结构。

10、一种实现人眼双眼立体视觉的系统，其特征在于，包括：主摄像镜头，用以捕获被感应物体产生的入射光；

图像传感器，包括权利要求 1-9任意所述的像素阵列。