3dcmos圖像傳感器的像素單元的製作方法

2023-05-26 22:29:21 1

3d cmos圖像傳感器的像素單元的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種3D?CMOS圖像傳感器的像素陣列，屬於集成電路領域。該像素陣列，其從下到上依次包括：基底，所述基底中設置有傳感器層，用於對光通路中的入射光進行光電轉換；金屬層，用於將光電轉換的電信號傳輸到外圍電路進行處理；微透鏡層，用於對照射進所述光通道的光線進行聚焦形成所述入射光；遮光層，用於使奇數列像素中傳感層感應的入射光方向、偶數列像素中傳感層感應的入射光方向，分別分布在像素陣列法向兩側，從而通過所述外圍電路的處理形成模擬左右眼通道的數字圖像。本發明中，基於單塊圖像傳感器實現3D立體視覺，降低了3D立體視覺的成本。
【專利說明】3D CMOS圖像傳感器的像素單元
【技術領域】
[0001]本發明屬於集成電路領域，具體地說，涉及一種3D CMOS圖像傳感器的像素單元。【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，圖像傳感器由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)。CXD與CIS相比來說，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CIS。但是，隨著CIS技術的不斷提高，一部分CIS的圖像質量已經接近於同規格的(XD。
[0003]對於C⑶來說，一方面，在專業的科研和工業領域，由於其具有高信噪比成為首選；另外一方面，在高端攝影攝像領域，能提供高圖像質量的CCD也頗受青睞。而對於CIS來說，在科研【技術領域】如生物化學、醫學、地質勘探、航天技術，以及娛樂工業領域如電子遊戲、3D電影、網絡虛擬實境得到了廣泛應用。在科研【技術領域】和娛樂工業領域應用時，常常由一塊CIS、一個攝影鏡頭與一個暗室構成單眼透視視覺系統。然而，隨著3D技術的出現和不斷發展，單眼透視視覺系統並不能滿足人們對模擬人眼雙眼立體視覺Stereoscopy的3D技術需求。
[0004]如圖1所示，為現有技術中採集彩色圖像的CIS像素陣列的剖面圖。該像素陣列為bayer模式，為了便於理解，圖1中只示意出了像素陣列第一行中三個子像素的剖視圖。從剖面上來看，像素陣列從上到下分為三層，上層為濾鏡層101，中層為氧化矽材料層102，該氧化矽材料層102中設置有金屬層103，下層為矽材料層104，該矽材料層104中設置有感光二極體105。濾鏡層101之上設置有微透鏡層106 (Micro-lens layer),濾鏡層101中的各個濾鏡111位於同一平面，圖中示意出了從左到右依次為紅色濾鏡、綠色濾鏡、紅色
濾鏡、綠色濾鏡…..；且每一濾鏡111與微透鏡層106中的微透鏡116是--對應的，一個
微透鏡116對應一個光通道及一個感光二極體105。微透鏡116用於聚集光線，聚焦的光線經過濾鏡111經由光通道到達下層的感光二極體105。金屬層103即Ml~M4之間電連接，用來傳遞電信號，相鄰金屬層之間留有光通道。
[0005]圖2為現有就技術中模擬人眼雙眼立體視覺Stereoscopy數字拍攝的基本原理圖。圖3為現有技術中模擬人眼雙眼立體視覺Stereoscopy數字拍攝系統的簡要組成圖，如圖2所示，在一定範圍內，人眼雙眼視覺具有深度信息，因此人腦能感知到3D效果。在此範圍之外，深度信息精度不夠，雙眼視覺的3D效果失效。每個人的瞳距d (兩眼201之間距離)存在個體差異，但只在一定範圍內變化。當雙眼關注的物體距離S變化時，雙眼視線夾角N隨之變化。假設d的變化可以忽略,Smin〈S〈Smax時Stereoscopy處於工作範圍,此時Nmin〈N〈Nmax。如圖3所示，攝像機201拍攝物體200，CIS圖像傳感器中的像素陣列202模擬兩隻人眼，由於人眼有兩隻，感光的視網膜有兩張，直觀地模擬Stereoscopy需要兩個完全分離的光通路，也需要至少兩個CIS。人眼雙眼視覺類似，設兩塊CIS之間距離為D，物體距離S，,而兩個Camera光軸的夾角為N，，貝丨J S，min〈S，〈S』 max,即N，min〈N〈N，max時Stereoscopy的3D效果有效。
[0006]現有技術中，為了實現人眼雙眼立體視覺Stereoscopy,必須使用至少兩塊CIS、兩個攝影鏡頭和與之相對應的兩個暗室。由此可見，構建這種系統的成本頗高。

【發明內容】

[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種3D CMOS圖像傳感器的像素單元，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]為了部分或全部克服、部分或全部解決上述技術問題，本發明提供了一種3D CMOS圖像傳感器的像素陣列，其從下到上依次包括:
[0009]基底，所述基底中設置有傳感器層，用於對光通路中的入射光進行光電轉換；
[0010]金屬層，用於將光電轉換的電信號傳輸到外圍電路進行處理；
[0011]微透鏡層，用於對照射進所述光通道的光線進行聚焦形成所述入射光；
[0012]遮光層，用於使奇數列像素中傳感層感應的入射光方向、偶數列像素中傳感層感應的入射光方向，分別分布在像素陣列法向兩側，從而通過所述外圍電路的處理形成模擬左右眼通道的數字圖像。
[0013]優選地，在本發明的一實施例中，所述金屬層設置在氧化矽材質的中間層中。
[0014]優選地，在本發明的一實施例中，所述模擬左右眼通道的數字圖像之間的中心距離在可實現人眼雙眼立體視覺允許的範圍之內。
[0015]優選地，在本發明的一實施例中，所述像素陣列與被感應物體之間的距離在可實現人眼雙眼立體視覺允許的範圍之內。
[0016]優選地，在本發明的一實施例中，位於像素陣列法線左右兩側的光線，經對應遮光層處理後，沿著垂直的方向射向對應的所述傳感層。
[0017]優選地，在本發明的一實施例中，所述被所述傳感器層感應的入射光經深度捕獲。
[0018]優選地，在本發明的一實施例中，利用廣角鏡頭深度捕獲被所述傳感器層感應的入射光。
[0019]優選地，在本發明的一實施例中，所述微透鏡層之下、金屬層之上還設置有濾鏡層，用於實現不同顏色的還原。
[0020]優選地，在本發明的一實施例中，所述遮光層為單層或者多層結構。
[0021]為了部分或全部克服、部分或全部解決上述技術問題，本發明還提供了一種實現人眼雙眼立體視覺的系統，其包括:
[0022]主攝像鏡頭，用以捕獲被感應物體產生的入射光；
[0023]圖像傳感器，包括上述任意所述的像素陣列。
[0024]與現有的方案相比，通過遮光層使奇數行像素中傳感層感應的入射光方向、偶數行像素中傳感層感應的入射光方向，分別分布在像素陣列法向兩側，從而通過所述外圍電路的處理形成模擬左右眼通道的數字圖像，以基於單塊圖像傳感器實現3D立體視覺，降低了 3D立體視覺的成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為現有技術中採集彩色圖像的CIS像素陣列的剖面圖；[0026]圖2為現有就技術中模擬人眼雙眼立體視覺Stereoscopy數字拍攝的基本原理圖；
[0027]圖3為現有技術中模擬人眼雙眼立體視覺Stereoscopy數字拍攝系統的簡要組成圖；
[0028]圖4為本發明實施例一中採集灰度圖像的3D CMOS圖像傳感器的像素陣列示意圖；
[0029]圖5為圖4中雙層遮光層結構中上層遮光層的光通孔設置示意圖；[0030]圖6為圖4中雙層遮光層結構中下層遮光層的光通孔設置示意圖；
[0031]圖7為本發明實施例二中採集灰度圖像的3D CMOS圖像傳感器的像素陣列示意圖；
[0032]圖8為本發明實施例三中採集彩色圖像的3D CMOS圖像傳感器的像素陣列示意圖；
[0033]圖9為本發明實施例四中採集彩色圖像的3D CMOS圖像傳感器的像素陣列示意圖；
[0034]圖10為現有技術中常規的像素陣列平面示意圖；
[0035]圖11為本發明實施例三或四中的像素陣列平面示意圖。
【具體實施方式】
[0036]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。
[0037]本發明的下述實施例中，通過遮光層使奇數行像素中傳感層感應的入射光方向、偶數行像素中傳感層感應的入射光方向，分別分布在像素陣列法向兩側，從而通過所述外圍電路的處理形成模擬左右眼通道的數字圖像，以基於單塊圖像傳感器實現3D立體視覺，降低了 3D立體視覺的成本。
[0038]圖4為本發明實施例一中採集灰度圖像的3D CMOS圖像傳感器的像素陣列示意圖，本實施例中，像素陣列中沒有設置濾鏡層，因此，只能採集到灰度圖像。如圖4所示，其從下到上依次包括:基底401、金屬層(圖中未示出)、微透鏡層403、遮光層404。其中:
[0039]所述基底401中設置有傳感器層(圖中未示出)，用於對光通路中的入射光進行光電轉換；
[0040]金屬層用於將光電轉換的電信號傳輸到外圍電路(圖中未示出)進行處理。本實施中，所述金屬層設置在氧化矽材質的中間層(圖中未示出)中。
[0041]微透鏡層403用於對照射進所述光通道的光線進行聚焦形成所述入射光微透鏡層403根據像素的個數包括有若干個微透鏡413。
[0042]遮光層404，用於使奇數行像素中傳感層感應的入射光方向、偶數行像素中傳感層感應的入射光方向，分別分布在像素陣列法向兩側，從而通過所述外圍電路的處理形成模擬左右眼通道的數字圖像。
[0043]比如，如圖4所示，第一幅圖表示偶數列(j=0，2，4…)像素所接收的入射光方向，第二幅圖表示奇數列(j=l，3，5…)的像素所接受的入射光入射方向不同，各自位於像素陣列法線的兩側。偶數列採集到的圖像與奇數列採集到的數字圖像分別模擬立體3D中的左眼與右眼通道，經過外圍電路處理後，從而實現雙眼的立體視覺。
[0044]本實施例中，遮光層採用雙層結構。圖5為圖4中雙層遮光層結構中上層遮光層的光通孔設置示意圖。圖6為圖4中雙層遮光層結構中下層遮光層的光通孔設置示意圖。圓形表示遮光層的通光孔，如圖5所示，對於上層遮光層的光通孔位置，偶數列(j=0，2，4…)像素對應的上層遮光層的通光孔位置稍向右偏移，奇數列(j=l，3，5…)像素對應的上層遮光層的通光孔位置稍向左偏移。如圖6所示，對於下層遮光層的光通孔位置，偶數列(j=0，2，4...)像素對應的下層遮光層的通光孔位置、奇數列(j=l，3，5…)像素對應的下層遮光層的通光孔位置無須任何偏移，只要與傳感層中的光電二極體的設置位置完全對應即可。
[0045]本實施例中，位於像素陣列法線左右兩側的光線，經對應遮光層404處理後，沿著垂直的方向射向對應的所述傳感層。
[0046]本實施例中，所述模擬左右眼通道的數字圖像之間的中心距離在可實現人眼雙眼立體視覺允許的範圍之內。所述像素陣列與被感應物體之間的距離在可實現人眼雙眼立體視覺允許的範圍之內。
[0047]本實施例中，所述被所述傳感器層感應的入射光經深度捕獲。優選地，可以利用廣角鏡頭深度捕獲被所述傳感器層感應的入射光。
[0048]圖7為本發明實施例二中採集灰度圖像的3D CMOS圖像傳感器的像素陣列示意圖，本實施例中，如圖7所示，與上述實施例一相同的是其從下到上依次包括:基底401、金屬層(圖中未不出)、微透鏡層403、遮光層404。
[0049]與上述實施例一不同的是，本實施例中，遮光層404是單層結結構，其光通孔位置，偶數列(j=0，2，4…)像素對應的下層遮光層的通光孔位置、奇數列(j=l，3，5…)像素對應的下層遮光層的通光孔位置無須任何偏移，只要與傳感層中的光電二極體的設置位置完全對應即可。
[0050]比如，如圖7所示，第一幅圖表示偶數列(j=0，2，4…)像素所接收的入射光方向，第二幅圖表示奇數列(j=l，3，5…)的像素所接受的入射光入射方向不同，各自位於像素陣列法線的兩側。
[0051]圖8為本發明實施例三中採集彩色圖像的3D CMOS圖像傳感器的像素陣列示意圖，與上述圖4中實施例一不同的是，為了採集彩色圖像，在金屬層(圖中未示出)和微透鏡層之間還設置有濾鏡層405，包括不同顏色的濾鏡415。本實施例中，遮光層採用圖4中的雙層結構，具體的上層遮光層和下層遮光層中光通孔的設置可參見圖5、圖6所示，在此不再贅述。
[0052]圖9為本發明實施例四中採集彩色圖像的3D CMOS圖像傳感器的像素陣列示意圖，與上述圖8所示實施例三不同的是，遮光層404採用單層結構。
[0053]下面將以採集彩色圖像為例，使用BAYER模式的像素陣列，對本發明實施例中使用一塊CMOS圖像傳感器如何採集到模擬左右眼通道的兩幅數字圖像，實現3D立體視覺效果進行簡要說明。
[0054]圖10為現有技術中常規的像素陣列平面示意圖，如圖10所示，像素的按照列方向的平面示意為=RGRGRG- (i列=0, 2，4…列)GBGBGB (i列=1，3，5…列)…的方式展開、平
鋪。每次只能採集到一副圖像。
[0055]圖11為本發明實施例三或四中的像素陣列平面示意圖，如圖11所示，由於對兩個圖像通道分別採用Bayer模式，因此總的CFA呈現RGRGRGC i列=0, 4，8...j行=0, 2，4…)...RGRGRGC 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…)…；總能採集到兩幅圖像。從而實現了單圖像傳感器的3D立體視覺。
[0056]本發明其他實施例還提供了一種人眼雙眼立體視覺的系統，其包括主攝像頭和包括上述任一圖像素陣列的CIS圖像傳感器，詳細內容，本領域普通技術人員可以根據本發明上述實施例的啟發，無須創造性勞動可得，在此不再贅述 。
[0057]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3D CMOS圖像傳感器的像素陣列，其特徵在於，從下到上依次包括: 基底，所述基底中設置有傳感器層，用於對光通路中的入射光進行光電轉換； 金屬層，用於將光電轉換的電信號傳輸到外圍電路進行處理； 微透鏡層，用於對照射進所述光通道的光線進行聚焦形成所述入射光； 遮光層，用於使奇數列像素中傳感層感應的入射光方向、偶數列像素中傳感層感應的入射光方向，分別分布在像素陣列法向兩側，從而通過所述外圍電路的處理形成模擬左右眼通道的數字圖像。
2.根據權利要求1所述的像素陣列，其特徵在於，所述金屬層設置在氧化矽材質的中間層中。
3.根據權利要求1所述的像素陣列，其特徵在於，所述模擬左右眼通道的數字圖像之間的中心距離在可實現人眼雙眼立體視覺允許的範圍之內。
4.根據權利要求1所述的像素陣列，其特徵在於，所述像素陣列與被感應物體之間的距離在可實現人眼雙眼立體視覺允許的範圍之內。
5.根據權利要求1所述的像素陣列，其特徵在於，位於像素陣列法線左右兩側的光線，經對應遮光層處理後，沿著垂直的方向射向對應的所述傳感層。
6.根據權利要求1-5任意權利要求所述的像素陣列，其特徵在於，所述被所述傳感器層感應的入射光經深度捕獲。
7.根據權利要求6所述的像素陣列，其特徵在於，利用廣角鏡頭深度捕獲被所述傳感器層感應的入射光。
8.根據權利要求1所述的像素陣列，其特徵在於，所述微透鏡層之下、金屬層之上還設置有濾鏡層，用於實現不同顏色的還原。
9.根據權利要求1所述的像素陣列，其特徵在於，所述遮光層為單層或者多層結構。
10.一種實現人眼雙眼立體視覺的系統，其特徵在於，包括: 主攝像鏡頭，用以捕獲被感應物體產生的入射光； 圖像傳感器，包括權利要求1-9任意所述的像素陣列。
【文檔編號】H01L27/146GK103545334SQ201310530868
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】陳嘉胤 申請人:上海集成電路研發中心有限公司