用於亞衍射極限傳感器的梯度濾色器的製作方法

2023-08-01 23:45:41 1

專利名稱：用於亞衍射極限傳感器的梯度濾色器的製作方法
技術領域：
本發明的示例實施例一般地涉及電磁輻射的傳感器，並且更具體地涉及具有被表徵為具有亞衍射極限尺度的光受體的固態圖像傳感器陣列，以及涉及與其一同使用的濾色
O
背景技術：
二維1比特受體陣列已經被描述為數字膠片傳感器(DFS)，其是深SDL (亞衍射極限)像素的陣列，所述深SDL像素被定義為小於550nm Airy斑直徑的那些像素，其中每個像素在尺寸上是幾分之一微米。雖然若干光電子可以對將輸出信號推至一定閾值之上作出貢獻，但最終認為期望單個光電子靈敏度。認為僅需要檢測單個光電子的像素相比傳統圖像傳感器中的模擬像素對於完整阱容量和動態範圍具有低得多的性能要求。這些特殊像素已經被稱作「小像素(jot)」 。小像素的實施可以通過利用非常高的轉換增益(低容量)來製造傳統有效像素。 其他方法認為包括使用雪崩或碰撞電離效應來實現像素內增益，以及量子點和其他納米電子器件的可能的應用。認為堆疊結構也是可能的。在操作中，在曝光時段的開始，小像素將被重置為邏輯「0」。如果接下來其在曝光期間被光子擊中，則小像素被立即或在讀出時設置為邏輯「 1 」。由於「模擬-數字」轉換解析度的單比特性質，所以認為可以實現高的行讀出速率。認為可以以與當前彩色圖像傳感器類似的方式處理顏色。即，可以利用濾色器來覆蓋小像素。在該情況下，可以單獨地處理紅「R」、綠「G」和藍「B」小像素，並且之後數字顯影的圖像被組合以形成傳統RGB圖像。認為RGB小像素不需要以相同的空間頻率出現。用於生成彩色圖像的典型技術依賴於Bayer傳感器及其變形。其他技術包括色輪和稜鏡的使用。圖1示出了具有RGB過濾器元件的組合的典型Bayer類型圖樣。比R或B 過濾器元件更多的G過濾器元件的使用是為了模仿人眼對綠光的更大的分辨能力。其他過濾器類型例如包括CYGM過濾器(青、黃、綠、品紅)和RGBE過濾器(紅、綠、藍、翠綠)。還已知使用透明或白色過濾器元件來提供紅外靈敏度。

發明內容
在其一方面中，本發明的示例實施例提供一種裝置，其包括在襯底中形成的具有光接收表面的亞衍射極限尺寸光受體的陣列，每個光受體被配置為輸出η比特元素並且基於至少一個光子的吸收而改變狀態，其中η是大於0的整數；以及被布置在光接收表面上的光學過濾器結構，所述光學過濾器結構由每個具有相關聯的通帶頻譜特性的過濾器像素的陣列組成，其中從所述亞衍射極限尺寸光受體的陣列獲得的數據元素由從在具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素之下的多個光受體輸出的多個所述η比特元素的組合組成，其中具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素組成梯度過濾器，其中在從所述梯度過濾器的中央區向所述梯度過濾器的邊緣區移動時，帶通區增加。
在其另一方面中，本發明的示例實施例提供一種方法，其包括對亞衍射極限尺寸光受體的陣列的光接收表面進行照明，每個光受體被配置為輸出η比特元素並且基於至少一個光子的吸收而改變狀態，其中η是大於0的整數，其中照明通過布置在所述光接收表面上的光學過濾器結構而發生，所述光學過濾器結構由每個具有相關聯的通帶頻譜特性的過濾器像素的陣列組成；以及在曝光時段的結尾，讀出η比特元素並且形成數據元素，所述數據元素由從在具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素之下的多個光受體輸出的多個η比特元素的組合組成，其中具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素組成梯度過濾器，其中在從所述梯度過濾器的中央區向所述梯度過濾器的邊緣區移動時，帶通區增加。


當與附圖結合閱讀以下具體實施方式
時，在具體實施方式
中將使得本發明的示例實施例的以上和其他方面更加明顯，在所述附圖中圖1示出了具有RGB過濾器元件的組合的典型的Bayer類型圖樣。圖2為圖示受體、比特元素和數據元素的概念的概念圖。圖3示出了根據本發明的示例實施例的具有比圖1中所示的傳統(例如Bayer) 圖樣顯著更多的濾色器的示例過濾器圖樣。圖4A和圖4B (在這裡被共同地稱作圖4)分別為適合與本發明的示例實施例一起使用的光傳感器的簡化放大頂視圖和立視圖。圖5描繪了實施圖4的光傳感器的受體的一種合適和非限制類型的電路。圖6示出了可以被構造為包括根據本發明的示例實施例的圖像傳感器和濾色器的設備的框圖。圖7A和圖7B示出了具有根據本發明的示例實施例構造的布置在光接收表面和被檢測的光之間的過濾器陣列的圖4的傳感器陣列。圖8A-圖8F為繪製了波長相對亮度、並且圖示可以在圖7A和圖7B中示出的過濾器陣列的多個過濾器像素中使用的多種示例並且非限制類型的濾色器頻譜特性的圖形。圖9示出了不同類型的三個過濾器的例子，其中每個過濾器覆蓋多個光受體。圖10示出了與本發明的示例實施例結合使用的梯度過濾器的例子。圖11圖示了與本發明的示例實施例結合使用的梯度過濾器的不同的布置。圖12示出了與本發明的示例實施例結合使用的非像素尺寸梯度過濾器的三個例子。圖13描繪了與本發明的示例實施例結合使用的梯度過濾器的不同的布置。圖14圖示了用於從示例梯度過濾器生成輸出像素的兩個非限制例子。圖15為根據本發明的示例實施例的方法的描述操作以及至少部分描述電腦程式指令的執行的邏輯流程圖。
具體實施例方式參考圖2，在以下描述中，「受體」被視作將光轉換為電荷載體(例如電子)的物理傳感器元件。「比特元素」被視作指示一個受體的曝光的概念性的1比特數據元素。「多比特元素」被視作指示一個受體的曝光的概念性的η比特數據元素，其中η > 1。「數據元素」 被視作多個比特和/或多比特元素的組合，並且可以由兩個到任意大數目的組成比特和/ 或多比特元素組成。作為非限制例子，數據元素可以包括比特和/或多比特元素的序列或比特和/或多比特元素的一些其他組合(例如總和或平均值)。本發明的示例實施例至少部分涉及成像傳感器技術，諸如彩色照相機中使用的光傳感器技術。如上面所討論的，一些當前彩色照相機傳感器通過使用通過存儲由入射光生成的電荷來測量光水平的二維像素陣列來實施。布置在像素陣列和入射光之間的濾色器陣列使得像素陣列能夠檢測顏色。可以通過使用浮置擴散和模數轉換器(ADC)電路來將所存儲的電荷數位化。然後處理所檢測的圖像並且結果是所存儲的圖像或視頻。存在與傳統圖像傳感器技術相關聯的多個問題。例如，顏色準確度可能未達到最優，這是因為，典型地，只使用相對小數目(例如三種)的不同的濾色器。然而，增加濾色器的數目減少解析度。進一步地，濾色器可以減少傳感器的靈敏度，這是由於在過濾器中存在光學損耗，這導致對成像目的不可用的光子的損耗。本發明的示例實施例結合濾色器陣列來使用具有大數目的亞衍射極限受體的陣列。可以比傳統濾色器陣列自由得多地設計濾色器陣列，這是由於從多個比特元素創建數據元素。作為結果，對於每一個數據元素可以使用具有已知頻譜響應(例如帶通、帶阻、低通和高通)的若干不同種類的濾色器。受體可以是簡單並且極其小的，其提供亞衍射極限操作，並且數據元素的採樣頻率可以比Nyquist頻率大得多。這使得能夠使用多個過濾器(例如帶通、帶阻、低通、高通)， 這是由於即使在若干受體的輸出被組合為單個數據元素時，解析度仍不劣化。可以通過從不同數目的受體創建數據元素來實現解析度與顏色保真度和靈敏度之間的動態優化。將圖3與圖1對比，通過使用本發明的實施例而變為可能的光學過濾器使得以能夠與下面的亞衍射極限受體的任何期望的組合來使用多個不同的過濾器類型。注意在圖3 中，例如G1、G2、G3意圖表示與綠色相關聯的波長帶的多種不同的漸變色(shade)或變形。 一般地，過濾器越暗，則帶通區越窄。參考圖4A和圖4B，可以利用光傳感器1來採用本發明的示例實施例，所述光傳感器1包含被布置為光受體的二維陣列的大數目的1比特光受體2。二維陣列被組織為沿陣列的χ軸的i個光受體2以及沿陣列的y軸的j個光受體2，其中i可以等於或可以不等於 j。在示例實施例中，i和j可以兩者都具有(作為非限制例子的)約IO6的值。可選的透鏡(圖4中未示出)可以布置在光接收表面IA和被成像的景象之間。也參考圖7A和圖7B，根據本發明的示例實施例，示出了具有布置在光接收表面IA 和被檢測的光之間的過濾器陣列6的傳感器陣列1。過濾器陣列6由離散的過濾器像素6A 的陣列組成。具有亞衍射極限受體2 (像素)的傳感器陣列1在選擇濾色器結構的特性時具有增強的自由度，這是由於根據從若干受體2產生的若干比特元素生成一個輸出像素(數據元素)。這例如使得能夠使用高靈敏度濾色器、頻譜成像、濾色器材料和頻譜屬性的選擇中的額外的自由度、對單個濾色器的使用以覆蓋多個相鄰受體2、減少或消除的可以隨著顏色插值而出現的顏色偽像(artifact)、在使用具有不同靈敏度的濾色器時的改進的動態範圍、以及在一些過濾器陣列位置中使用中性密度過濾器或不使用任何過濾器的能力。圖7A示出了每個過濾器像素6A與下面的單個受體2註冊的實施例，而圖7B示出了每個過濾器像素6A覆蓋多個相鄰布置的受體2的實施例。因此，每個過濾器像素6A的尺寸可以被設置為覆蓋相同數目的下面的受體2，或如圖7B中所示其尺寸可以被設置為覆蓋不同數目的下面的受體2。一般地，兩個或更多的相鄰的過濾器像素6A可以具有相同的過濾器頻譜特性，或它們可以具有不同的過濾器頻譜特性。特定受體2的二進位值(1或0)指示受體的狀態(開或關)。通過處理所檢測的受體值和基於這些受體值計算圖像(解析度和顏色)，由傳感器陣列經由過濾器陣列6觀看到的景象被轉換為彩色圖像。光抵達的方向被假定為在傳感器1的視場(FOV)內。在一些實施例中，傳感器1的中心區中的受體2比接近邊緣的受體2(在或接近圖像邊界的那些受體)更小可能是有益的。在操作期間，傳感器陣列1的單個受體2被重置為已知狀態(0或1)。在光射到傳感器陣列1上時，其被受體2中的特定的一些吸收並且改變這些受體的狀態(1或0)。在某時間段之後，傳感器陣列2已經捕捉到大量的光子，並且一些可能對應大量的受體2已經經歷了狀態的改變。在存在更多具有值(1或0)的受體2(即已經從初始重置狀態發生狀態改變的受體)時，光子將射到仍處於重置狀態中的受體上的概率減少。這導致傳感器1開始飽和。在隨後處理受體(像素)值時可以考慮到這類非線性行為。傳感器1的曝光時間可以基於先前捕捉的圖像。以下情況也在示例實施例的範圍內如果存在使得能夠確定已經改變狀態的受體2的數目的一些機制，在已經改變狀態的受體2的數目的某閾值(例如15% )之後終止曝光。該機制可以基於執行傳感器1的多個連續的非破壞性讀取周期，並且繼續直到已經改變狀態的受體2的數目的某閾值。注意到，雖然傳感器1/過濾器陣列6組合是波長(顏色)響應的並且從而被用作顏色成像器或頻譜成像器，但其也可以被用於創建黑白和單色圖像。如果入射光的量小，則僅處理來自傳感器1的減少解析度的亮度信息是有益的。當景象較亮時，可以增加解析度以及增加顏色準確度。多個相鄰受體2可以被編組在一起以形成單個圖像像素，並且特定的組中的受體的數目可以隨著曝光而發生改變，並且該數目可可以在單個曝光期間對於不同的組而不同。例如，靠近光接收表面2A的中心每組可以存在較少的受體2，而在光接收表面2A的邊緣每組可以存在較多的受體2。可以例如通過使用與隨機存取存儲器(諸如動態隨機存取存儲器(DRAM))中發現的類似的技術來讀取受體2的陣列。S卩，傳感器1可以被視作表示iX j個可尋址的一比特存儲位置的陣列(也參見圖4B)。傳感器1可以被配置為使得在讀出周期期間總是重置受體值，或其可以被配置為與讀出操作獨立而執行重置操作。注意到，在圖4B中，為便利起見(並且非限制地)，電連接被示出為在襯底3的縱向側進行。例如，在特定實施例中，可以優選地在頂部表面(光接收表面1A)、或在底部表面、或在頂部和底部表面兩者提供電接觸。由於潛在大數目的受體2，每個單獨的受體被設計為具有最小複雜度，從而使得能夠利用與傳統傳感器陣列相比增加的產率來製造傳感器1。任何有缺陷的受體2 (例如具有固定在零或固定在一的缺陷的受體)可以被識別，並且它們的位置可以被映射並且在圖像處理期間被補償(諸如通過使用從相鄰的操作受體2的插值)。
圖4B示出了具有示例x-y(行/列)地址生成電路4和受體(像素)讀出電路5 的傳感器陣列1。受體讀出電路5從傳感器陣列1接收實質上是對應於被打開(即吸收了至少一個光子)的那些受體2和未被打開(即由於未吸收至少一個光子或光子數目的某閾值而仍然處於重置狀態)的那些受體2的二進位數據(一和零)的一個或多個流。受體讀出電路5或圖像處理器5A可以負責將光受體的輸出一起編組為x-y光受體組或鄰域。受體讀出電路5可以包括壓縮功能(可以使用任何合適的壓縮功能，諸如行程長度編碼)，或在讀出受體值之前可以存在單獨的壓縮功能。地址生成電路4可以在任何給定時間生成要單獨或成組地讀出受體2的地址。可以從圖像處理器5A經由控制總線5B提供讀出控制。 圖像處理器5A的輸出是彩色圖像數據。受體2的電路不需要像許多傳統CM0S/C⑶傳感器中所發現的那樣複雜，這是因為在二進位輸出的實施例中，不需要利用A/D轉換器測量浮置擴散電流/電壓。相反，僅需要測量特定的受體2(像素)是開還是關。可以使用多個p-n和n-p結，但也可以使用其他可替代方案。並且，P阱或η阱(或襯底)的尺寸可以比傳統CMOS/CCD傳感器中小得多，這是因為不需要存儲大量電荷。圖5中示出了實施受體2的一種合適和非限制類型的電路。在該情況下，每個受體2包括與簡單的基於反相器的比較器電路2B連接的光二極體2A，用於一比特幅度量化。 可調節閾值電流可以用於避免由背景亮度造成的觸發。在信號電流(加背景電流)超過閾值電流It並且由於放電電流Is+Ib_It造成的跨Cpix的電壓Uin低於比較器2B的閾值電壓 ( -Udd/2)時，受體(像素)被觸發。假定與信號脈衝的幅度相比，It較小，則通過對像素的輸入電容放電所需的光學能量來確定像素靈敏度Epix^ (Cpix Δ U)/SKF其中Cpix是包括光二極體和電路輸入電容的像素的總輸入電容，AU是觸發比較器2Β所需的輸入端處的電壓改變，S是二極體響應度，而Kf是像素填充因子。一般地，受體沿χ和y軸的尺寸例如在約0. 1到約0. 2微米的範圍中。受體2的實際最小尺寸可以被假定為至少部分依賴於製備工藝的特性，諸如用於光刻的波長和類似的依賴於工藝的參數。一般地，受體2的尺寸和分布可以作為傳感器/設備幾何尺寸的函數，並且可以基於對主光線角(CRA)的考慮。可以通過任何合適的技術來實現傳感器陣列1的製備，所述合適的技術包括形成多個注入/擴散p-n/n-p結以及通過使用晶片粘接工藝(作為非限制例子)。可以直接在傳感器陣列1的光接收表面IA上形成過濾器陣列6，或可以將其在單獨的襯底上形成，所述單獨的襯底後繼被與傳感器陣列1的光接收表面IA結合或被放置在傳感器陣列1的光接收表面1A。圖8A-圖8F是繪製波長相對於亮度、並且圖示可以在過濾器陣列6的多種過濾器像素6A中使用的多種示例和非限制類型的濾色器頻譜特性的圖形。圖8A描繪了窄帶通過濾器的例子。假定存在充足的不同過濾器以覆蓋感興趣的頻譜(例如可見頻譜)，這些過濾器展現使得高顏色精確度成為可能的高選擇性。可以利用該方法來實施頻譜成像器。圖8B描繪了帶阻過濾器的例子，其提供高選擇性。圖8C描繪了帶通過濾器的例子，其提供相對高的選擇性以及典型地低的計算複雜度。圖8D描繪了寬帶通過濾器的例子。在該情況下，根據表示具有寬通帶的多個不同濾色器的若干比特元素來計算每個數據元素的顏色。該方法明顯增強選擇性。作為比較， 傳統R、G和B過濾器丟棄總光的約67%。由於每個數據元素使用若干不同的過濾器，高顏色精確度和頻譜成像可能實現。可以利用簡單的例子來例示利用寬帶通過濾器進行的頻譜成像。假定存在兩個過濾器，其中過濾器A覆蓋波長450-700nm，過濾器B覆蓋波長460-700nm，並且兩個過濾器都具有平坦的頻譜響應。假定在收集一些光之後，過濾器A已收集了 500個單位的光，而過濾器B已收集了 450個單位的光。從而，明顯450-460nm的頻譜帶已經接受了 50個單位的光。 這樣，通過使用若干這樣的過濾器，使得頻譜成像成為可能。圖8E描繪了低通過濾器的例子，其提供相對高的靈敏度以及相對小的計算複雜度。圖8F描繪了非傳統帶過濾器的非限制例子。由於數據元素包括若干比特元素的實施，有可能設計不同於更傳統的過濾器(諸如圖8A-圖8E中所示的那些)的過濾器，只要圖像信號處理算法和設備知曉過濾器的屬性/頻譜特性。可能以隨機或基本隨機的方式製造該類型的過濾器，只要在使用之前表徵頻譜響應特性。使用全透明(即無任何過濾器)和/或中性密度過濾器像素6A以增強動態範圍也在這些示例實施例的範圍內。透明過濾器展現高靈敏度，而中性密度過濾器人工地減少光量而不是頻譜，從而使得能夠提供更高的動態範圍。與透明和/或中性密度過濾器組合而使用圖8A-8F中所示的過濾器的任何組合也在這些示例實施例的範圍內。在特定的情況下，在圖像區內改變過濾器陣列6的頻譜特性可能是有益的。例如， 過濾器陣列6的中心區可以具有較高的解析度和較低的靈敏度，而角落區可以更多地針對靈敏度而非解析度進行優化，從而減少漸暈(vignetting)效應。除了上面所討論的多種濾光器組合之外，也可以使用紫外(UV)和紅外(IR)過濾器以減少不需要的波長的存在，特別是在低通和高通過濾器的情況下。應當注意，濾色器不一定如在當前技術的情況中那樣對於每個受體2分立。這在圖7B以及圖9中圖示，其中三種不同過濾器類型中的每種被示出為覆蓋多個受體2。還應當注意，雖然已經示出多種過濾器具有方形或矩形，但它們實際上可以具有任何期望的形狀，包括卵形或不規則形狀，從而使過濾器陣列6的實施/製造便利。可以最大化單個濾色器的面積(由解析度和顏色精確度要求約束)。這減少了顏色串擾，這也是利用當前實施方式而不可行的。如上所述，本發明的示例實施例不限於僅通過圖像/光亞衍射極限尺寸受體2的實施例來使用，並且它們也可以通過圖像/光傳感器/受體的其他類型和構造來使用。S卩，已經描述了本發明的示例實施例使用具有亞衍射極限受體2的僅僅單個平面的傳感器陣列1，每個亞衍射極限受體2輸出單個比特二進位值，其中顏色區分僅僅基於覆蓋的過濾器結構6。然而，在其他實施例中，每個受體可能能夠存儲電荷，所述電荷被讀出並且被數位化為多比特表示。例如，可以根據從若干受體產生的若干多比特元素生成一個輸出像素(數據元素)。在這樣的情況下，來自單獨受體的值被讀出然後被組合。作為非限制例子，考慮兩個2比特受體(n = 2)，其中每個輸出具有值0、1、2或3( 二進位形式為00、01、10或11)的多比特元素。作為非限制例子，可以通過求和/或求平均來組合這兩個多比特元素。例如，如果這兩個多比特元素是3和1，則可以通過求和(3+1 =4)或通過求平均((3+1)/2 = 2)來組合它們。對於高比特計數受體來說，對值求平均可以是優選的，例如這是因為四個6比特值的和是8比特值，而平均值仍然可以利用6比特來示出。這樣的實施方式可能在一些情況下導致捨入誤差。在其他示例實施例中，系統可以被配置為採用多於一種類型的組合，並且使用的組合類型可以依賴於具體的實施方式或依賴於一些其他因素(例如一個或多個內部或外部條件或參數)。作為非限制例子，可以通過數據處理器、圖像處理器和/或一個或多個其他組件(例如加法器、乘法器、寄存器、平均組件)來執行組合。與1比特示例實施例比較，多比特實施例可以提供增加的顆粒度和/或增加的靈敏度，但可能以增加的複雜度為代價。實際的平衡(例如使用多少比特)可以依賴於多種因素，諸如作為非限制例子的所討論的具體用途或成本考慮。儘管上面針對輸出二進位值的元素的受光體進行了描述(例如基於對至少一個光子的吸收)，但在進一步的示例性實施例中，來自受光體的輸出可以不是二進位值。作為非限制性例子，輸出多比特元素的受光體可以具有整數值輸出或者梯度(scalar)值輸出。進一步地，本發明示例實施例可以使用在共有的發明人為Ossi M. Kalevo, Samu T. Koskinen和Tero Rissa、標題為「Image Sensor」、在2009年4月6日提交的美國專利申請序列號12/384，549中所描述的類型光傳感器(傳感器陣列)。該共有的美國專利申請描述了被組織為沿陣列的χ軸的i個光受體、沿陣列的y軸的j個光受體、以及沿陣列的ζ 軸的k個光受體的三維陣列，其中i可以等於或不等於j，並且其中i和j每個可以比k大得多。從光接收表面到襯底(可以是矽襯底)的深度中縱向堆疊k個1比特受體。由於矽的依賴于波長的吸收係數，特定的光受體位於襯底中的越深處(即其位於距光接收表面越遠)，到達它並且可以被吸收和檢測到的光的波長越長。從而，雖然在特定實施例中，傳感器1可以自身提供多顏色選擇性和靈敏度，但與上述濾色器實施例結合使用該類型的傳感器陣列也可能是有利的。如上所述，可以進一步與一個或多個梯度過濾器結合利用本發明的示例實施例。 梯度過濾器被視作以下光學過濾器結構，所述光學過濾器結構由具有通帶頻譜特性的過濾器像素的陣列組成從而過濾器像素的連續的多個、多組或多個區共同地組成梯度。作為非限制例子，梯度可以針對增加的帶通區(例如較窄到較寬)或減少的帶通區(例如較寬到較窄)。作為非限制例子，單獨的梯度過濾器可以針對特定顏色(例如紅、綠或藍)，並且進一步可以被稱作濾色器。圖10示出了與本發明的示例實施例結合使用的梯度過濾器的例子。圖10中的每個塊表示一個亞衍射極限尺寸光受體(受體像素)。在其他示例實施例中，圖10中的每個塊可以表示亞衍射極限尺寸光受體的陣列(受體像素的陣列)。如圖10中所指示的那樣， 單獨的過濾器像素對不同的顏色進行過濾。不具有特定顏色指示的那些過濾器是透明過濾器。一般地，針對顏色的較亮漸變色的過濾器像素可以被視作具有比針對顏色的較暗漸變色的過濾器像素更大的帶通區。過濾器像素(例如針對給定顏色的過濾器像素)共同地組成梯度過濾器，其中在從梯度過濾器的中央區(例如&、R4、B4)向梯度過濾器的邊緣區(周邊或周邊區；例如『 R1, B1)移動時，帶通區增加(更寬)。如圖10中所示，梯度與朝向梯度過濾器的中央區具有較暗的漸變色(收窄的帶通)的「牛眼」相似。
如以上對於圖10所說明的，在圖11-圖14中，不具有特定顏色指示的那些過濾器是透明過濾器。圖11圖示了梯度過濾器的過濾器像素的不同布置。注意到在從梯度過濾器的中央區(例如G4、R4、B4)向梯度過濾器的邊緣區(例如Gp RpB1)移動時，帶通區增加。在進一步的示例實施例中，梯度過濾器的梯度不作為像素尺寸的函數而改變。艮口， 梯度過濾器的梯度或過渡可以根據不同的形狀或圖樣而變化。圖12示出了非像素尺寸梯度過濾器的三個例子紅梯度過濾器121、綠梯度過濾器122和藍梯度過濾器123。對於綠梯度過濾器122，線一般地指示連續區G1W2W3和(；4之間的過渡。在進一步的示例實施例中，梯度過濾器的梯度可以具有不同的形狀或圖樣(例如不同於圖10-圖12中所示的那些)。圖13描繪了與本發明的示例實施例結合使用的梯度過濾器的不同布置。單獨的紅、綠和藍過濾器由白(透明)過濾器分離。以這樣的方式，存在例如從紅到白的非常粗糙的梯度，並且僅需要幾種不同的過濾器材料。該示例方法由於白過濾器、並且進一步由於過濾器覆蓋若干受體而不同於傳統的Bayer矩陣。與Bayer矩陣方法相比，由於白過濾器的存在，該示例方法明顯具有較少的顏色串擾以及略微更優的靈敏度。圖14圖示了用於從梯度過濾器生成輸出像素的非限制例子。取決於光學解析度和輸出圖像中所需的像素計數，本發明的示例實施例可以需要或不需要插值(例如與用於傳統Bayer矩陣的插值類似的插值)。例如，如果圖14中的第一區域141表示輸出像素(例如針對綠)，則可能需要插值。相比之下，如果圖14中的第二區域142表示輸出像素，則可能不需要插值。在後一種情況下，覆蓋不同顏色(例如全部不同顏色)的區域(第二區域 142)被用於提供輸出像素。在一些情況下，可能期望從許多類型或全部類型的濾色器生成輸出像素。在一些示例實施例中，從僅僅一些選擇性濾色器形成圖10-14中所示的梯度過濾
ο濾色器的平滑過渡減少了顏色串擾，這是因為，不像傳統Bayer矩陣中那樣，相鄰像素之間的串擾將不影響實際顏色解譯。這還使得能夠使用增加靈敏度的非常寬的帶通過濾器。解析度不會被犧牲，這是因為光學解析度不一定具有每像素的精確度。梯度過濾器結構使得能夠進行具有頻譜成像的可能性的增加的顏色重現。示例梯度過濾器使得能夠具有更高的靈敏度、改進的顏色精確度、以及甚至頻譜成像。示例梯度過濾器進一步允許單個濾色器覆蓋若干受體。示例梯度過濾器還可以減少或去除經常隨著顏色插值而出現的顏色偽像。示例梯度過濾器進一步允許改進的動態範圍的可能性並且減少顏色串擾。圖6以平面圖(左)和截面圖(右)兩者圖示了諸如用戶設施(UE)IO的設備的示例實施例。在圖6中，UE 10具有圖形顯示接口 20和用戶接口 22(被例示為鍵盤、但應被理解為也包括圖形顯示接口 20處的觸控螢幕技術和在麥克風對處接收的語音識別技術)。 功率致動器26控制設備被用戶打開和關閉。示例UE 10包括相機觀，所述相機被示出為朝前(例如用於視頻呼叫)但可以可替代地或額外地為朝後(例如用於捕捉圖像和視頻以進行本地存儲)。相機觀被快門致動器30控制並且可選地被變焦致動器30控制，在相機28不在活動模式中時所述變焦致動器
1230可以可替代地充當揚聲器34的音量調節。相機觀可以被假定為包括與根據本發明的示例實施例構造和操作的過濾器陣列 6組合的圖像傳感器陣列1。在圖6的截面圖內，可見典型地用於蜂窩通信的多個發射/接收天線36。天線36 可以是多頻帶的以與UE中的其他無線電共同使用。天線36的可操作接地平面被陰影示出為跨由UE外殼包圍的整個空間，但在一些實施例中，接地平面可以被限制為較小的區域， 諸如布置在其上形成功率晶片38的印刷電路板上。功率晶片38控制正在被發射的信道上、 或跨同時發射的多個天線(在使用空間分集的情況下)的功率放大，並且放大所接收的信號。功率晶片38向射頻(RF)晶片40輸出放大的所接收的信號，所述射頻晶片40解調和下變換信號以進行基帶處理。基帶(BB)晶片42檢測信號，信號然後被變換為比特流並且最終被解碼。對於在裝置10中生成並且從其發射的信號，類似的處理反向出現。去向或來自相機觀的信號可以通過編碼和解碼多個圖像幀的圖像/視頻處理器 44。圖4B中所示的圖像處理器5A的至少部分功能可以被併入在圖像/視頻處理器44中。 也可以存在分離的音頻處理器46以控制去向和來自揚聲器34和麥克風M的信號。從由用戶接口晶片50控制的幀存儲器48刷新圖形顯示接口 20，所述用戶接口晶片50可以處理來自和去向顯示接口 20的信號和/或額外地處理來自鍵盤22和別處的用戶輸入。UE 10的特定實施例還可以包括諸如無線區域網路無線電WLAN 37和藍牙無線電 39之類的一個或多個第二無線電，其可以併入晶片上的天線或耦合到晶片外的天線。在整個裝置中存在多個存儲器，諸如隨機存取存儲器RAM 43、只讀存儲器ROM 45，並且在一些實施例中可以存在可拆卸存儲器，諸如所圖示的其上存儲多種程序IOC的存儲器卡47。UE 10內的全部這些組件一般地由諸如電池49之類的可攜式電源來供電。處理器38、40、42、44、46、50在被實施為UE 10中的單獨實體的情況下可以以對於主處理器10A、12A的從屬關係來操作，所述主處理器10A、12A可以處於對於它們的主關係。 本發明的實施例可以跨所示的多個晶片和存儲器而布置、或布置在將以上對於圖6所描述的功能中的一些組合起來的另一處理器內。圖6的這些處理器中的任何一個或多個或全部訪問多個存儲器中的一個或多個，所述多個存儲其可以在晶片上與處理器一起或從處理器分離。注意到以上所描述的多個集成電路(例如晶片38、40、42等)可以被組合為比所描述的更少的數目，並且在最緊湊的情況下可以全部在單個晶片內物理地體現。參考圖15，以邏輯流程圖形式示出了方法，該方法包括(塊15A)對亞衍射極限尺寸光受體的陣列的光接收表面進行照明。在該方法中，每個所述光受體被配置為輸出η比特元素並且基於至少一個光子的吸收而改變狀態，其中η是大於0的整數。照明步驟通過布置在所述光接收表面上的光學過濾器結構而發生，其中所述光學過濾器結構由每個具有相關聯的通帶頻譜特性的過濾器像素的陣列組成。該方法在塊15Β中進一步包括在曝光時段的結尾，讀出η比特元素並且形成數據元素，所述數據元素由從在具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素之下的多個光受體輸出的多個η比特元素的組合組成。具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素組成梯度過濾器，其中在從所述梯度過濾器的中央區向所述梯度過濾器的邊緣區移動時，帶通區增加。在本發明的另一示例實施例中，一種裝置包括在襯底中形成的具有光接收表面的亞衍射極限尺寸光受體的陣列。每個光受體被配置為輸出η比特元素並且基於至少一個光子的吸收而改變狀態，其中η是大於0的整數。該裝置進一步包括被布置在光接收表面上的光學過濾器結構，所述光學過濾器結構由每個具有相關聯的通帶頻譜特性的過濾器像素的陣列組成。從所述亞衍射極限尺寸光受體的陣列獲得的數據元素由從在具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素之下的多個光受體輸出的多個所述η比特元素的組合組成。 具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素組成梯度過濾器，其中在從所述梯度過濾器的中央區向所述梯度過濾器的邊緣區移動時，帶通區增加。在本發明的另一示例實施例中，一種設備包括具有光接收表面的(例如在襯底中形成的)、亞衍射極限尺寸的、用於接收光的裝置的陣列。每個用於接收光的裝置被配置為輸出η比特元素並且基於至少一個光子的吸收而改變狀態，其中η是大於0的整數。該設備進一步包括被布置在光接收表面上的光學過濾器結構，所述光學過濾器結構由每個具有相關聯的通帶頻譜特性的用於過濾的裝置的陣列組成。從所述亞衍射極限尺寸的用於接收光的裝置的陣列獲得的數據元素由從在具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的(例如至少兩個)用於過濾的裝置之下的多個用於接收光的裝置輸出的多個所述η比特元素的組合組成。具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的用於過濾裝置組成梯度過濾器，其中在從所述梯度過濾器的中央區向所述梯度過濾器的邊緣區移動時，帶通區增加。存在可以通過使用本發明的示例實施例實現的多個技術效果。例如，如同顏色精確度可以改進那樣，光學傳感器靈敏度可以增強。進一步地，這些示例實施例的使用使得能夠實現頻譜成像。進一步地，這些示例實施例的使用在濾色器材料和頻譜屬性的選擇中提供額外的自由度。進一步地，這些示例實施例的使用使得單個濾色器(過濾器像素6Α)能夠覆蓋若干受體2。另外，可以避免隨著顏色插值而出現的顏色偽像。進一步地，這些示例實施例的使用提供增強的動態範圍。進一步地，這些示例實施例的使用可以減少顏色串擾。 更進一步地，這些示例實施例的使用使得能夠通過從不同量的受體2創建數據元素來實現解析度與顏色保真度和靈敏度之間的動態優化。另外，這些示例實施例的使用提供減少漸暈的可能性。一般地，可以以硬體或專用電路、軟體、邏輯或其任何組合來實施多種示例實施例。例如，可以以硬體實施一些方面，而可以以由控制器、微處理器或其他計算設備執行的固件或軟體來實施其他方面，但本發明的示例實施例不限於此。雖然可以作為框圖、示意圖或使用一些其他圖畫表示來圖示和描述本發明的示例實施例的多個方面，但將很好地理解這裡所描述的這些塊、裝置、系統、技術或方法可以(作為非限制例子)至少部分作為硬體、軟體、固件、特殊用途電路或邏輯、一般用途硬體或控制器或其他計算設備或其組合來實施。從而應當理解，本發明的示例實施例的至少一些方面可以在諸如集成電路晶片和模塊之類的多種組件中實踐，並且本發明的示例實施例可以在被體現為集成電路的裝置中實現。集成電路或電路可以包括用於體現可配置以根據本發明的示例實施例操作的至少一個或多個數據處理器、數位訊號處理器、基帶電路和射頻電路的電路(以及可能的固件)。當與附圖結合閱讀以上描述時，鑑於以上描述，對本發明的以上示例實施例的修改和改造對於相關領域技術人員可以變得明顯。然而，任何和全部修改將仍落入本發明的非限制和示例實施例的範圍內。
進一步地，作為例子，雖然以上在圖6中在諸如UE 10的無線通信設備的上下文中在圖6描述了示例實施例，但應當理解，本發明的示例實施例不限於僅僅與這一個特定類型的無線通信設備一同使用，並且它們可以在可以具有或可以不具有無線通信能力的其他類型的設備(包括作為非限制例子的數字相機、PDA、計算機和遊戲設備)中有利地使用。進一步地，作為例子，單獨受體2不一定是基於電晶體/ 二極體的，而是可以使用其他類型的設備(包括量子點和其他納米結構設備)來構造。進一步地，作為例子，應當意識到以上對於受體沿多個軸的數目給出的多個值是示例性的，並且不應被理解為是限制性的。進一步地，作為例子，應當意識到以上討論的多種類型的過濾器和過濾器的組合是示例性的，並且不應被理解為是限制性的。進一步地，作為例子，本發明的示例實施例不應被理解為限於以上所提及的任何特定材料、材料的組合、製備工藝、波長和/或尺寸。應當理解，術語「連接」、「耦合」或其任何變形意為兩個或更多元件之間的直接或間接的任何連接或耦合，並且可以包括被「連接」或「耦合」在一起的兩個元件之間的一個或多個中間元件的存在。元件之間的耦合或連接可以是物理的、邏輯的、或其組合。如這裡所使用的，作為若干非限制和非窮盡例子，通過使用一個或多個線、線纜和/或印刷電路連接、以及通過使用電磁能量(諸如具有射頻區、微波區以及光學(可見和不可見兩者)區中的波長的電磁能量)，兩個元件可以被視作「連接」或「耦合」在一起。進一步地，可以無需其他特徵的對應使用而有利地使用本發明的多種非限制和示例實施例的一些特徵。這樣，以上描述應當被視作僅僅例示本發明的原理、教導和示例實施例，並且不對其進行限制。
權利要求
1.一種裝置，其包括在襯底中形成的具有光接收表面的亞衍射極限尺寸光受體的陣列，每個光受體被配置為輸出η比特元素並且基於至少一個光子的吸收而改變狀態，其中η是大於0的整數；以及被布置在所述光接收表面上的光學過濾器結構，所述光學過濾器結構由每個具有相關聯的通帶頻譜特性的過濾器像素的陣列組成，其中從所述亞衍射極限尺寸光受體的陣列獲得的數據元素由從在具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素之下的多個光受體輸出的多個所述η比特元素的組合組成，其中所述具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素組成梯度過濾器，其中在從所述梯度過濾器的中央區向所述梯度過濾器的邊緣區移動時，帶通區增加。
2.如權利要求1所述的裝置，其中從包括窄帶通、寬帶通、帶阻、高通和低通的通帶頻譜特性的集合選擇通帶頻譜特性。
3.如權利要求2所述的裝置，其中所述通帶頻譜特性的集合進一步包括非傳統帶。
4.如權利要求1-3中任一項所述的裝置，其中所述過濾器像素中的至少一些是透明像素或中性密度像素中的一種。
5.如權利要求1-4中的任一項所述的裝置，其中單個過濾器像素覆蓋單個光受體。
6.如權利要求1-5中的任一項所述的裝置，其中單個過濾器像素覆蓋多個光受體。
7.如權利要求1-6中的任一項所述的裝置，其中所述梯度過濾器的梯度具有牛眼形狀，使得中央區具有比所述梯度過濾器的所有邊緣區更窄的帶通區。
8.如權利要求1-7中的任一項所述的裝置，其中接近所述光學過濾器結構的中心布置的光學過濾器像素具有與布置在所述光學過濾器結構的周邊的光學過濾器像素不同的通帶頻譜特性以減少圖像漸暈。
9.如權利要求1-8中的任一項所述的裝置，其中在第一讀出時段期間，從所述亞衍射極限尺寸光受體的陣列獲得的第一數據元素由從第一多個光受體輸出的第一多個所述多比特元素的組合組成，並且其中在第二讀出時段期間，從所述亞衍射極限尺寸光受體的陣列獲得的第二數據元素由從第二多個光受體輸出的第二多個所述多比特元素的組合組成， 其中所述第二多個光受體中的至少一個與所述第一多個光受體不同。
10.如前述權利要求中的任一項所述的裝置，其被體現為設備內的圖像傳感器的部分。
11.一種方法，其包括對亞衍射極限尺寸光受體的陣列的光接收表面進行照明，每個光受體被配置為輸出η 比特元素並且基於至少一個光子的吸收而改變狀態，其中η是大於0的整數，其中照明通過布置在所述光接收表面上的光學過濾器結構而發生，所述光學過濾器結構由每個具有相關聯的通帶頻譜特性的過濾器像素的陣列組成；以及在曝光時段的結尾，讀出η比特元素並且形成數據元素，所述數據元素由從在具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素之下的多個光受體輸出的多個η比特元素的組合組成，其中所述具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素組成梯度過濾器，其中在從所述梯度過濾器的中央區向所述梯度過濾器的邊緣區移動時，帶通區增加。
12.如權利要求11所述的方法，其中從包括窄帶通、寬帶通、帶阻、高通和低通的通帶頻譜特性的集合選擇通帶頻譜特性。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述通帶頻譜特性的集合進一步包括非傳統帶。
14.如權利要求11-13中任一項所述的方法，其中所述過濾器像素中的至少一些是透明像素或中性密度像素中的一種。
15.如權利要求11-14中的任一項所述的方法，其中單個過濾器像素覆蓋單個光受體。
16.如權利要求11-15中的任一項所述的方法，其中單個過濾器像素覆蓋多個光受體。
17.如權利要求11-16中的任一項所述的方法，其中所述梯度過濾器的梯度具有牛眼形狀，使得中央區具有比所述梯度過濾器的所有邊緣區更窄的帶通區。
18.如權利要求11-17中的任一項所述的方法，其中接近所述光學過濾器結構的中心布置的光學過濾器像素具有與布置在所述光學過濾器結構的周邊的光學過濾器像素不同的通帶頻譜特性以減少圖像漸暈。
19.如權利要求11-18中的任一項所述的方法，其中在第一讀出時段期間，從所述亞衍射極限尺寸光受體的陣列獲得的第一數據元素由從第一多個光受體輸出的第一多個所述多比特元素的組合組成，並且其中在第二讀出時段期間，從所述亞衍射極限尺寸光受體的陣列獲得的第二數據元素由從第二多個光受體輸出的第二多個所述多比特元素的組合組成，其中所述第二組光受體中的至少一個與所述第一多個光受體不同。
20.如權利要求11-19中的任一項所述的方法，其在設備內的圖像傳感器的操作期間執行。
21.一種設備，其包括具有光接收表面的、亞衍射極限尺寸的、用於接收光的裝置的陣列，每個用於接收光的裝置被配置為輸出η比特元素並且基於至少一個光子的吸收而改變狀態，其中η是大於0 的整數；以及被布置在所述光接收表面上的光學過濾器結構，所述光學過濾器結構由每個具有相關聯的通帶頻譜特性的用於過濾的裝置的陣列組成，其中從所述亞衍射極限尺寸的用於接收光的裝置的陣列獲得的數據元素由從在具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的至少兩個用於過濾的裝置之下的多個用於接收光的裝置輸出的多個所述η比特元素的組合組成，其中所述具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的至少兩個用於過濾的裝置組成梯度過濾器，其中在從所述梯度過濾器的中央區向所述梯度過濾器的邊緣區移動時，帶通區增加。
22.如權利要求21所述的設備，其中從包括窄帶通、寬帶通、帶阻、高通和低通的通帶頻譜特性的集合選擇通帶頻譜特性。
23.如權利要求22所述的設備，其中所述通帶頻譜特性的集合進一步包括非傳統帶。
24.如權利要求21-23中任一項所述的設備，其中所述用於過濾的裝置中的至少一些是透明像素或中性密度像素中的一種。
25.如權利要求21-24中的任一項所述的設備，其中單個用於過濾的裝置覆蓋單個用於接收光的裝置。
26.如權利要求21-25中的任一項所述的設備，其中單個用於過濾的裝置覆蓋多個用於接收光的裝置。
27.如權利要求21-26中的任一項所述的設備，其中所述梯度過濾器的梯度具有牛眼形狀，使得中央區具有比所述梯度過濾器的所有邊緣區更窄的帶通區。
28.如權利要求21-27中的任一項所述的設備，其中接近所述光學過濾器結構的中心布置的用於過濾的裝置具有與布置在所述光學過濾器結構的周邊的用於過濾的裝置不同的通帶頻譜特性以減少圖像漸暈。
29.如權利要求21-28中的任一項所述的設備，其中在第一讀出時段期間，從所述亞衍射極限尺寸的用於接收光的裝置的陣列獲得的第一數據元素由從第一多個用於接收光的裝置輸出的第一多個所述多比特元素的組合組成，並且其中在第二讀出時段期間，從所述亞衍射極限尺寸的用於接收光的裝置的陣列獲得的第二數據元素由從第二多個用於接收光的裝置輸出的第二多個所述多比特元素的組合組成，其中所述第二組用於接收光的裝置中的至少一個與所述第一多個用於接收光的裝置不同。
30.如權利要求21-29中的任一項所述的設備，其被體現為設備內的圖像傳感器的部分。
31.如權利要求21-30中的任一項所述的設備，其中所述亞衍射極限尺寸的用於接收光的裝置的陣列包括亞衍射極限尺寸光受體的陣列，並且其中所述用於過濾的裝置的陣列包括過濾器像素的陣列。
全文摘要
一種裝置包括在襯底中形成的具有光接收表面的亞衍射極限尺寸光受體的陣列。每個光受體被配置為輸出n比特元素並且基於至少一個光子的吸收而改變狀態(n是大於0的整數)。該裝置包括被布置在光接收表面上的光學過濾器結構，所述結構具有過濾器像素的陣列，每個所述過濾器像素具有相關聯的通帶頻譜特性。從所述受體的陣列獲得的數據元素由從在具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素之下的多個光受體輸出的多個n比特元素的組合生成。具有至少兩種不同的通帶頻譜特性的過濾器像素形成梯度過濾器，其中在從所述梯度過濾器的中央區向所述梯度過濾器的邊緣區移動時，帶通區增加。
文檔編號H01L27/146GK102449765SQ201080023665
公開日2012年5月9日 申請日期2010年4月21日 優先權日2009年6月23日
發明者J·阿拉卡雨, O·卡勒沃, S·科斯基南, T·裡薩 申請人:諾基亞公司