高動態像素陣列、像素單元及圖像傳感器的製造方法
2023-09-16 00:12:35 1
高動態像素陣列、像素單元及圖像傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高動態像素陣列、像素單元及圖像傳感器。像素陣列包括多個像素單元，每個像素單元包括若干個子像素組，每個子像素組包括一個第一子像素和至少兩個第二子像素，所述第一子像素和所述第一子像素包括感光面積不同的第一感光單元和第二感光單元，所述第一感光單元和所述第二感光單元在基底中的設置位置相鄰。由於整個像素陣列具有兩種不同感光面積的感光單元，因此感光二極體PD的動態範圍較大，最終提高了圖像傳感器的動態範圍。
【專利說明】高動態像素陣列、像素單元及圖像傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬於圖像傳感器領域，具體地說，涉及一種配置了不同動態範圍的感光單元的高動態像素陣列、像素單元及圖像傳感器。
【背景技術】
[0002]圖像傳感器在民用和商業範疇內得到了廣泛的應用。目前，圖像傳感器有CMOS圖像傳感器(CMOS IMAGE SENSOR，以下簡稱CIS)和電荷耦合圖像傳感器(Charge-coupledDevice,以下簡稱(XD)。在專業的科研和工業領域，具有高信噪比的CXD圖像傳感器成為首選；在高端攝影攝像領域，能提供高圖像質量的CCD圖像傳感器也頗受青睞。而相比之下，在網絡攝像頭和手機拍照模塊領域，CMOS圖像傳感器得到了廣泛應用。
[0003]CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器相比，前者功耗較高、集成難度較大，而後者功耗低、易集成且解析度較高。雖然說，在圖像質量方面CCD可能會優於CMOS圖像傳感器。但是，隨著CMOS圖像傳感器製造工藝的不斷提高，CMOS圖像傳感器的圖像質量已經接近於同規格的C⑶圖像傳感器。
[0004]通常，CMOS圖像傳感器是基於有源像素傳感器(Active Pixel Sensor,簡稱APS)形成的像素單元，由該像素單元組成圖像傳感器的像素陣列。
[0005]基於APS形成的圖像傳感器，其捕捉的圖像的原理為:利用一感光二極體(photodiode，簡稱PD)接收入射光的光子並進行光電轉換輸出電壓信號；再通過後續電路如放大電路、濾波去噪電路等處理，最終輸出形成的圖像信號。
[0006]但是，基於APS形成的圖像傳感器，其像素陣列的動態範圍基本由感光二極體ro的動態範圍決定。但是，由於在整個陣列中使用的感光二極體ro為一種規格，每個感光二極體ro的感光面積均相同，導致每個感光二極體ro的動態範圍固定。因此，每個感光二極體ro的動態範圍固定，使得圖像傳感器的動態範圍較低，有待進一步提高。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種高動態像素陣列、像素單元及圖像傳感器，用以部分或全部克服、部分或全部解決現有技術存在的上述技術問題。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種高動態像素陣列，其包括:多個像素單元，每個像素單元包括若干個子像素組，每個子像素組包括一個第一子像素和至少兩個第二子像素，所述第一子像素和所述第二子像素包括感光面積不同的第一感光單元和第二感光單元，所述第一感光單元和所述第二感光單元在基底中的設置位置相鄰。
[0009]優選地，在本發明的一實施例中，所述第一子像素和第二子像素的形狀均為正多邊形，每個子像素組中，所述第二子像素圍繞所述第一子像素設置。
[0010]優選地，在本發明的一實施例中，所述第二子像素沿著所述第一子像素外圍對稱設置。
[0011]優選地，在本發明的一實施例中，所述第二子像素在所述第一子像素外圍的設置位置相鄰或者相對，且位於不同子像素組中的兩個第一子像素之間。
[0012]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種高動態像素單元，其包括若干個子像素組，每個子像素組包括一個第一子像素和至少兩個第二子像素，所述第一子像素和所述第一子像素包括感光面積不同的第一感光單元和第二感光單元，所述第一感光單元和所述第二感光單元在基底中的設置位置相鄰。
[0013]優選地，在本發明的一實施例中，所述第一子像素和第二子像素的形狀均為正多邊形，每個子像素組中，所述第二子像素圍繞所述第一子像素設置。
[0014]優選地，在本發明的一實施例中，所述第二子像素在所述第一子像素外圍的設置位置相鄰或者相對，且位於不同子像素組中的兩個第一子像素之間。
[0015]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種高動態圖像傳感器，其包括上述任意高動態像素陣列。
[0016]與現有的方案相比，本發明中，由於每個像素單元包括若干個子像素組，每個子像素組包括一個第一子像素和至少兩個第二子像素，所述第一子像素和所述第一子像素分別包括感光面積不同的第一感光單元和第二感光單元，所述第一感光單元和所述第二感光單元在基底中的設置位置相鄰。由於整個像素陣列具有兩種不同感光面積的感光單元，因此感光二極體ro的動態範圍較大，最終提高了圖像傳感器的動態範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明實施例一中子像素組的平面示意圖；
[0018]圖2為本發明實施例二中子像素組的平面示意圖；
[0019]圖3為本發明實施例三中子像素組的平面示意圖；
[0020]圖4為本發明實施例四中子像素組的平面示意圖；
[0021]圖5為本發明實施例五中子像素組的平面示意圖；
[0022]圖6為本發明實施例六中子像素組的平面示意圖；
[0023]圖7為本發明實施例七中子像素組的平面示意圖；
[0024]圖8為本發明實施例八中子像素組的平面示意圖；
[0025]圖9為本發明實施例九中子像素組的平面示意圖；
[0026]圖10為本發明實施例十中子像素組的平面示意圖；
[0027]圖11為本發明實施例1^一中子像素組的平面示意圖；
[0028]圖12為本發明實施例十二中像素陣列的平面示意圖；
[0029]圖13為本發明實施例十三中像素陣列的平面示意圖；
圖14為本發明實施例十四中像素陣列的平面示意圖；
圖15為本發明實施例十五中像素陣列的平面示意圖；
圖16為本發明實施例十六中像素陣列的平面示意圖；
圖17為本發明上述實施例十二中像素陣列的剖視圖。 【具體實施方式】
[0030]以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。[0031]本發明的下述實施例中，每個像素單元包括若干個子像素組，每個子像素組包括一個第一子像素和至少兩個第二子像素，所述第一子像素和所述第一子像素包括感光面積不同的第一感光單元和第二感光單元，所述第一感光單元和所述第二感光單元在基底中的設置位置相鄰。因此感光二極體ro的動態範圍較大，提高了圖像傳感器的動態範圍。
[0032]本發明的主要思想:
[0033]本發明下述實施例中的高動態像素陣列可以包括:多個像素單元，每個像素單元包括若干個子像素組，每個子像素組包括一個第一子像素和至少兩個第二子像素，所述第一子像素和所述第一子像素包括感光面積不同的第一感光單元和第二感光單元，所述第一感光單元和所述第二感光單元在基底中的設置位置相鄰。
[0034]由於每個像素單元具有兩種不同感光面積的第一感光單元和第二感光單元。因此，整個像素陣列也具備兩類不同感光面積的第一感光單元和第二感光單元。與現有技術中只由一類固定感光面積的感光單元組成的像素陣列相比，具有較高的動態範圍。
[0035]本發明下述實施例中，以所述第一子像素和第二子像素的形狀均為正多邊形，每個子像素組中，所述第二子像素圍繞所述第一子像素設置的方式為例，對本發明的主要思想進行說明。具體地，正多邊形可以為正三角形、正六邊形、菱形等等。
[0036]下述實施例中具體以正六邊形為例進行說明。當然，對於本領域普通技術人員來說，在本發明主要思想及下述實施例的啟發下，無須創造性勞動，也可以想到任何其他設置方式，在此不再贅述。
[0037]本發明下述實施例中，以所述第二子像素與所述第一子像素位置相鄰或者相對，且位於不同子像素組中的兩個第一子像素之間為例，對本發明的主要思想進行說明。當然，對於本領域普通技術人員來說，在本發明主要思想及下述實施例的啟發下，無須創造性勞動，也可以想到任何其他設置方式，在此不再贅述。
[0038]子像素實施例
[0039]圖1為本發明實施例一中子像素組的平面示意圖；如圖1所示，子像素組包括一個第一子像素111和兩個第二子像素121，所述第一子像素111和所述第二子像素121包括感光面積不同的第一感光單元(圖1中未示出)和第二感光單元(圖1中未示出)，所述第一感光單元和所述第二感光單元在基底中的設置位置相鄰(圖1中未示出)。
[0040]具體地，如前所述，第一子像素111和兩個第二子像素121均為正六邊形，兩個第二子像素121按照位置相對的方式設置在第一子像素111外圍，兩個第二子像素121以第一子像素111的幾何中心為準對稱。如圖1所示，在本實施例一中，兩個第二子像素121中，一個設置在-30度方向，一個設置在120度方向。
[0041]圖2為本發明實施例二中子像素組的平面示意圖，與上述圖1不同的是，本實施例二中，兩個第二子像素121中，一個設置在-90度方向，另外一個設置在90度方向。
[0042]圖3為本發明實施例三中子像素組的平面示意圖，與上述圖1不同的是，本實施例三中，兩個第二子像素121中一個設置在30度方向，另外一個設置在-150度方向。
[0043]圖4為本發明實施例四中子像素組的平面示意圖；如圖4所示，與上述實施例圖1-圖3實施例不同的是，本實施例中，兩個第二子像素121按照位置相鄰的方式設置在第一子像素111外圍，實質上兩個第二子像素121是以第一子像素111正六邊形對角線堆成的方式設置。如圖4所示，在本實施例四中，兩個子像素121中沿著水平方向對稱。[0044]圖5為本發明實施例五中子像素組的平面示意圖；如圖5所示,與上述圖4所示不同的是，兩個第二子像素121中，沿著60度方向對角線對稱。
[0045]圖6為本發明實施例六中子像素組的平面示意圖；如圖6所示，與上述圖4所示不同的是，兩個第二子像素121中，沿著垂直方向對角線對稱。
[0046]圖7為本發明實施例七中子像素組的平面示意圖；如圖7所示,與上述圖4所示不同的是，兩個第二子像素121沿著-60度方向對角線對稱。
[0047]圖8為本發明實施例八中子像素組的平面示意圖；如圖8所示,與上述圖4所示不同的是，兩個第二子像素121中，沿著水平方向的對角線對稱，但分布在第一子像素111的右側。
[0048]圖9為本發明實施例九中子像素組的平面示意圖；如圖9所示,與上述圖4所示不同的是，兩個第二子像素121中沿著60度方向對角線對稱。
[0049]圖10為本發明實施例十中子像素組的平面示意圖；如圖10所示,與上述圖4所示不同的是，兩個第二子像素121中沿著垂直方向的對角線對稱。
[0050]圖11為本發明實施例1^一中子像素組的平面示意圖；如圖11所示，與上述圖4所示不同的是，兩個子像素121沿著120度方向的對角線對稱。
[0051]本發明的下述實施例中，以基於RGB三原色的BAYER模式為例進行說明。當然，對於本領域普通技術人員來說，也可以在本發明下述實施例的啟發下，無須創造性勞動，也可以以CMYK四原色為例進行，詳細不再贅述。
[0052]像素陣列實施例
`[0053]圖12為本發明實施例十二中像素陣列的平面示意圖；如圖12所示，本實施例中，像素單元的包括一個紅色子像素組1201 (rlRrl)、兩個綠色子像素組1202 (glGlgl)(g2G2g2)、一個藍色子像素組1203 (blBlbl)，紅色子像素組1201包括一第一紅色子像素1211 (R)和兩個第二紅色子像素1221 (rl，r2)，每個子像素組如圖1所示，每個綠色子像素組1202第一綠色子像素1212 (Gl)和兩個第二綠色子像素1222 (gl，g2)，藍色子像素組1203包括一第一藍色子像素1213 (BI)和兩個第二藍色子像素1223 (bl, b2)。
[0054]本實施例中，紅色子像素組1201中第一紅色子像素1211和兩個第二紅色子像素1221的設置方式如圖1所示。綠色子像素組1202、藍色子像素組1203中個子像素的設置方式也如圖1所示。
[0055]圖13為本發明實施例十三中像素陣列的平面示意圖；如圖13所示，與上述圖12不同的是，本實施例中，各個子像素組中子像素的設置方式如圖2所示。
[0056]圖14為本發明實施例十四中像素陣列的平面示意圖；如圖14所示，與上述圖12不同的是，本實施例中，各個子像素組中子像素的設置方式如圖3所示。
[0057]圖15為本發明實施例十五中像素陣列的平面示意圖；如圖15所示，與上述圖12不同的是，本實施例中，各個子像素組中子像素的設置方式如圖4所示。
[0058]圖16為本發明實施例十六中像素陣列的平面示意圖；如圖16所示，本實施例中，各個子像素組中子像素的設置方式如圖7所示。
[0059]需要說明的是，也可以根據圖5、圖8-圖11中的子像素組形成類似圖15-圖16的像素陣列，詳細不再贅述。
[0060]圖17為本發明上述實施例十二中像素陣列的剖視圖，如圖17所示，其從下到上依次包括:基底1701、金屬層1702、濾鏡層1703、微透鏡層1704。其中:
[0061]所述基底1701中設置有傳感器層1711，用於對光通路中的入射光進行光電轉換，傳感器層包括若干組第一感光單元1721和第二感光單元1731，第一感光單元1721和第二感光單元1731可以具體為感光二極體PD，所述第一感光單元1721和所述第二感光單元1731在基底1701中的設置位置相鄰。
[0062]金屬層1702 (M1-M4)用於將光電轉換的電信號傳輸到外圍電路(圖17中未不出)進行處理。
[0063]濾鏡層1703用於對不同顏色進行還原，以採集到彩色圖像，其包括紅色、綠色、藍色濾鏡，，對應第一感光單元1721和第二感光單元1731，也具有大小不同的第一濾鏡1713和第二濾鏡1723。
[0064]微透鏡層1704用於對進入光通道的入射光進行聚焦處理，微透鏡層1704根據像素的個數包括若干個第一微透鏡1714和第二微透鏡1724，分別對應第一感光單元1721和第二感光單元1731。
[0065]上述說明示出並描述了本發明的若干優選實施例，但如前所述，應當理解本發明並非局限於本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用於各種其他組合、修改和環境，並能夠在本文所述發明構想範圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和範圍，則都應在本發明所附權利要求的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種高動態像素陣列，其特徵在於，包括:多個像素單元，每個像素單元包括若干個子像素組，每個子像素組包括一個第一子像素和至少兩個第二子像素，所述第一子像素和所述第二子像素包括感光面積不同的第一感光單元和第二感光單元，所述第一感光單元和所述第二感光單元在基底中的設置位置相鄰。
2.根據權利要求1所述的高動態像素陣列，其特徵在於，所述第一子像素和第二子像素的形狀均為正多邊形，每個子像素組中，所述第二子像素圍繞所述第一子像素設置。
3.根據權利要求2所述的高動態像素陣列，其特徵在於，所述第二子像素與所述第一子像素的設置位置相鄰或者相對，且位於不同子像素組中的兩個第一子像素之間。
4.根據權利要求3所述的高動態像素陣列，所述第二子像素沿著所述第一子像素外圍對稱設置。
5.一種高動態像素單元，其特徵在於，包括若干個子像素組，每個子像素組包括一個第一子像素和至少兩個第二子像素，所述第一子像素和所述第二子像素包括感光面積不同的第一感光單元和第二感光單元，所述第一感光單元和所述第二感光單元在基底中的設置位置相鄰。
6.根據權利要求5所述的高動態像素單元，其特徵在於，所述第一子像素和第二子像素的形狀均為正多邊形，每個子像素組中，所述第二子像素圍繞所述第一子像素設置。
7.根據權利要求5所述的高動態像素單元，其特徵在於，所述第二子像素與所述第一子像素的設置位置相鄰或者相對，且位於不同子像素組中的兩個第一子像素之間。
8.一種高動態圖像傳感器，其特徵在於，包括權利要求1-4任一所述的高動態像素陣列。
【文檔編號】H04N5/374GK103716558SQ201310753983
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】陳嘉胤 申請人:上海集成電路研發中心有限公司