具有寬動態範圍和良好顏色再現與解析度的像素陣列以及採用該像素陣列的圖像傳感器的製作方法

2023-10-04 07:36:19

專利名稱：具有寬動態範圍和良好顏色再現與解析度的像素陣列以及採用該像素陣列的圖像傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖像傳感器像素陣列，更具體地，涉及具有寬動態範圍和良好顏色再現與解析度的像素陣列以及採用該像素陣列的圖像傳感器。
背景技術：
理想的圖像傳感器對Olux強度的光作出反應。然而，實際的圖l象傳感器對大於0的預定lux強度值的光開始作出反應。該實際的圖Y象傳感器開始作出反應的起點稱為像素的最小光強度。光強度增加而圖像傳感器不再作出反應的點稱為像素的最大光強度。
動態範圍定義為系統能夠表示的相對光強度的反應範圍。通常，該動態範圍的下限由最小光強度限定，而上限由最大光強度限定。圖像傳感器不能感測和表示強度大於最大光強度的光。
圖1示出了當光探測器的曝光時間長和短時，對應於光強度的像素輸出電壓。
參照圖1，當包含在圖像傳感器中的光探測器用短曝光時間獲取圖像信號時，實線A表示產生與該圖像信號(光)對應的像素輸出電壓數據的像素的響應。另一方面，當該光探測器用長曝光時間獲取圖像信號時，點劃線B表示對應於該圖像信號的像素輸出電壓。
實線A,即光探測器用短曝光時間獲取圖像信號時的響應曲線，表示為具有平緩坡度的直線，它隨著圖像信號強度的增加而增加，直到對應於該圖像信號的像素輸出電壓數值數據飽和(稱為飽和點)。另一方面，點劃線B，即光探測器具有長曝光時間時的響應曲線，表示為具有陡峭坡度的直線，它隨著圖像信號強度的增加而增加，直到對應於該圖像信號的像素輸出電壓數值數據飽和。
7參見實線A,當曝光時間短時，對應於區i或①、②、③和④的圖像信號能夠被轉換為電信號。特別地，與圖像信號強度高的整個區域④對應的圖像信號能夠被轉換為電信號。參照點劃線B，當曝光時間長時，對應於區域①、②、③和④的圖像信號也能夠被轉換成電信號。然而，具有與作為圖像信號強度高的區域④的 一部分的區域⑤對應的強度的圖像信號具有相同的電信號。換言之，該像素的缺點是不能將具有與區域⑤對應的強度的圖像信號彼此區分開。然而，該像素的優點是更精確地表示與圖像信號強度低的區域①對應的圖像信號強度的變化。
因此，當將亮圖像信號轉換成電信號時，用短曝光時間(相當於
A)來獲取所述圖像信號更可取。另一方面，當將暗圖像信號轉換成
電信號時，用長曝光時間(相當於B)來獲取所述圖像信號更可取。通常，為了增加動態範圍，根據曝光時間將光強度分為幾個區域，
並且按如下步驟進行攝影(photographing )。首先，將用短曝光時間獲
取的圖像幀數據存儲在存儲器中。
第二，將用長曝光時間獲取的圖像幀數據存儲在存儲器中。第三，將通過圖1所示的幾個區域彼此分開並存儲在存儲器中的
這兩種類型的幀數據適當地組合以產生具有寬動態範圍的新的圖像幀
數據。這裡，第一攝影和第二攝影是用相同的圖像但不同的曝光時間
形成的。
當光強度屬於區域②和③時，像素輸出電壓數據能夠通過將用長曝光時間得到的數量B以及用短曝光時間得到的數量A相加來獲得，並可用公式1表示。
D(②"xA+yBD(③"yA+xB
這裡，D(②)表示光強度屬於區域②時的像素輸出電壓，而D(③)表示光強度屬於區域③時的像素輸出電壓。變量x( x>0 )和變量y(y>0)的和為1，並且假定變量x小於變量y(x〈y)。
參照公式l，當光強度屬於區域②時，即，它為暗(稱為D(②))時，所應用的、用長曝光時間得到的數量B大於所應用的、用短曝光時間得到的數量A。相反地，當光強度屬於比區域②亮的區域③(稱
為D(③))時，所應用的、用短曝光時間得到的數量A大於所應用的、用長曝光時間得到的數量B。
通常，通過採用具有不同曝光時間的兩種攝影信息將圖像信號轉換成電信號，以增加圖像傳感器的動態範圍。然而，這種方法的缺點
強度歸類到區域②和③，並且不容易確定應用於區域②和③的比率
(x,y)。由於這些缺點，移動圖像的應用受到了限制。
通用圖像傳感器的濾色器採用使用RGB (紅、綠和藍)顏色的拜耳模式。這種情況中，RGB濾色器用於表示顏色的範圍受限於人所感知的範圍。
圖2示出了由CIE(國際照明委員會)在1976年定義的採用均勻色空間的色坐標。
參照圖2，區域a表明人眼所感知的顏色範圍，區域b表明圖像傳感器所使用的RGB濾色器所表示的顏色範圍。因此，包含兩個部分且為區域a和b差值的區域c(陰影區)是能夠被人眼感知但不能被使用RGB濾色器的圖像傳感器表示的區域。因此，使用三色濾色器的傳統圖像傳感器的問題是存在不能被表示的顏色區域。

發明內容
技術問題
本發明提供了一種像素陣列，該像素陣列具有寬動態範圍、良好的顏色再現和與傳統像素陣列結構相比改善的解析度。
本發明提供了一種圖像傳感器，該圖像傳感器具有寬動態範圍、接近於人的顏色測量(scalability)能力的顏色再現和改善的解析度。
技術方案
根據本發明的 一 個方面，提供了 一種具有動態範圍的像素陣列，包括多個第一類光電二極體、多個第二類光電二極體和多個圖像信號轉換電路。多個第二類光電二極體置於二維排列的第一類光電二極體之間。多個圖像信號轉換電路置於第一類光電二極體與第二類光電二極體之間，以處理第一類光電二極體和第二類光電二極體探測到的圖像信號。第一類光電二極體的面積大於第二類光電二極體的面積。
根據本發明的另 一 方面，提供了 一種具有動態範圍的像素陣列，
包括二維排列的多個第一類光電二極體；多個第二類光電二極體，置於第一類光電二極體之間；以及多個圖像信號轉換電路，置於第一類光電二極體與第二類光電二極體之間，以將第一類光電二極體和第二類光電二極體探測到的圖像信號轉換為電信號，其中第一類光電二極體的面積大於第二類光電二極體的面積，第一類光電二極體和第二類光電二極體上設置有R(紅色)濾光器、G(綠色)濾光器和B (藍色)濾光器。
根據本發明的又一方面，提供了 一種具有動態範圍的像素陣列，包括二維排列的多個第一類光電二極體；多個第二類光電二極體，置於第一類光電二極體之間；以及多個圖像信號轉換電路，置於第一類光電二極體與第二類光電二極體之間，以將第一類光電二極體和第二類光電二極體探測到的圖像信號轉換為電信號，其中第一類光電二極體的面積大於第二類光電二極體的面積，第 一類光電二極體上設置有R濾光器、G濾光器、B濾光器，第二類光電二極體上設置有C(青色)濾光器、M(品紅)濾光器、和Y(黃色)濾光器中的一種或多種。
根據本發明的又 一 方面，提供了 一種具有動態範圍的像素陣列，包括二維排列的多個第一類光電二極體；多個第二類光電二極體，置於第一類光電二極體之間；以及多個圖像信號轉換電路，置於第一類光電二極體與第二類光電二極體之間，以將第一類光電二極體和第二類光電二極體探測到的圖像信號轉換為電信號，其中第一類光電二極體的面積大於第二類光電二極體的面積，其中R濾光器、G濾光器、和B濾光器的每個波長範圍被分成至少兩個範圍，其中對R濾光器所覆蓋的波長範圍的一部分進行覆蓋的Rl濾光器、對G濾光器所覆蓋的波長範圍的一部分進行覆蓋的Gl濾光器、以及對B濾光器所覆蓋的波長範圍的一部分進行覆蓋的Bl濾光器置於第一類光電二極體上，並且其中對R濾光器所覆蓋的波長範圍中除Rl濾光器所覆蓋的部分之外的剩餘波長範圍進行覆蓋的R2濾光器、對G濾光器所覆蓋的波長範圍中除Gl濾光器所覆蓋的部分之外的剩餘波長範圍進行覆蓋的G2濾光器、以及對B濾光器所覆蓋的波長範圍中除B1濾光器所覆蓋的部分之外的剩餘波長範圍進行覆蓋的B2濾光器置於第二類光電二極體上。
根據本發明的又一方面，提供了 一種具有動態範圍的像素陣列，包括二維排列的多個第一類光電二極體；多個第二類光電二極體，置於第一類光電二極體之間；以及多個圖像信號轉換電路，置於第一類光電二極體與第二類光電二極體之間，以將第一類光電二極體和第二類光電二極體探測到的圖像信號轉換為電信號，其中第一類光電二極體的面積大於第二類光電二極體的面積，其中第一類光電二極體上設置有R濾光器、G濾光器、B濾光器，第二類光電二極體上設置有紅外濾光器，或者沒有濾色器置於第二類光電二極體上。
根據本發明的又一方面，提供了 一種具有動態範圍的像素陣列，包括二維排列的多個第一類光電二極體；多個第二類光電二極體，置於第一類光電二極體之間；以及多個圖像信號轉換電路，置於第一類光電二極體與第二類光電二極體之間，以將第一類光電二極體和第二類光電二極體探測到的圖像信號轉換為電信號，其中第一類光電二極體的面積大於第二類光電二極體的面積，其中第一類光電二極體上設置有R濾光器、G濾光器和B濾光器中的兩種，第二類光電二極體上設置有紅外濾光器，或者沒有濾色器置於第二類光電二極體上。


圖1示出了當曝光時間長和短時，對應於光強度的像素輸出電壓；
圖2示出了由CIE(國際照明委員會)在1976年定義的採用均勻色空間的色坐標；
圖3示出了當像素的曝光時間相同時，大面積像素和小面積像素取決於光強度的像素輸出電壓；
圖4示出了具有寬動態範圍、良好的解析度和改善的顏色再現的像素陣列；圖5示出了通過像素陣列和濾色器構造的通用圖像傳感器的一部
分；
圖6示出了根據本發明的第一實施方式的圖像傳感器； 圖7示出了根據本發明的第二實施方式的圖像傳感器； 圖8示出了根據本發明的第三實施方式的圖像傳感器； 圖9示出了根據本發明的第四實施方式的圖像傳感器； 圖IO示出了根據圖像傳感器波長的傳輸濾光特性； 圖11示出了採用六色濾色器時的色坐標； 圖12示出了根據本發明的第五實施方式的圖像傳感器； 圖13示出了根據本發明的第六實施方式的圖像傳感器； 圖14示出了根據本發明的第七實施方式的圖像傳感器； 圖15示出了根據本發明的第八實施方式的圖像傳感器； 圖16示出了根據本發明的像素陣列的一部分； 圖17示出了與圖16所示的本發明像素陣列相關聯的單位像素的 圖像信號轉換電路。
具體實施例方式
在下文中，將參照附圖詳細描述本發明的示例性實施方式。 為了增加動態範圍、解析度和顏色再現，本發明提出如下方面
1、 像素陣列，該像素陣列包含兩種彼此具有不同尺寸和形狀的光 電二極體；
2、 包含多個濾色器的圖像傳感器，這些濾色器排列在像素陣列上 並一起用於按需控制動態範圍以及獲得具有與傳統技術相比更寬範圍 的顏色再現和為正方形傳統像素陣列解析度的1.3倍的解析度；以及
3、 自適應圖像傳感器，只採用排列在像素陣列上的有限類型濾色 器，但是根據該圖像傳感器的應用環境，在像素陣列的預定區域中不 使用濾色器。
由於光電二極體是首先探測到外部施加的圖像信號的探測器，所 以光電二極體的功能對圖像傳感器而言是重要的。眾所周知，隨著接 收圖像信號的光電二極體探測面積的增加，圖像信號的探測效率也增加。這裡，探測效率與背景技術中描述的動態範圍相關。圖像信號的 良好探測效率意味著彼此具有微小差別的圖像信號能夠容易地被轉換 成對應於這些圖像信號的電信號。例如，施加至多個二維排列的光電 二極體並彼此具有微小差別的暗圖像信號和彼此具有微小差別的亮信 號能夠被轉換成表示這些差別的電信號。因此，良好的探測效率意味 著寬的動態範圍。
圖3示出了當像素的曝光時間相同時，大面積像素和小面積像素 取決於光強度的像素輸出電壓。
參照圖3，虛線表示當像素具有大面積時取決於光強度的像素輸 出電壓，並且具有陡峭的坡度。當光電二極體的面積大且光強度為0
lux時，不產生對應於Olux光強度的輸出電壓。只有當光強度為Alux 以上時，才能產生輸出電壓。當光強度增加並且達到B lux時，像素 輸出電壓飽和。在這種情況中，雖然光強度進一步增加，但是像素輸 出電壓不變。這裡，Alux和Blux分別對應於大面積像素的最小光強 度和最大光強度。
另一方面，如實線所示、表示當像素麵積小時取決於光強度的像 素輸出電壓的響應曲線具有平緩的坡度。當光電二極體的面積小且光 強度為01ux時，不產生對應於Olux光強度的輸出電壓。只有當光強 度為Clux以上時，才能產生輸出電壓。當光強度增加並且達到Dlux 時，像素輸出電壓飽和。在這種情況中，雖然光強度進一步增加，但 是像素輸出電壓不變。這裡，Clux和Dlux分別對應於小面積像素的 最小光強度和最大光強度。
參照圖3，當像素具有大面積時，光強度A和光強度B之間的部 分⑥是有效使用部分，當所述像素具有小面積時，光強度C和光強度 D之間的部分⑦是有效使用部分。當同時使用大面積像素和小面積像 素時，部分⑧是有效使用部分。
數字圖像的動態範圍定義為在圖像中沒有數據損壞的情況下，最 暗入射光的光強度與最亮入射光的光強度比。特別地，在圖像傳感器 領域中，動態範圍以對數值表示的、處於完全飽和狀態中的白光與處 於完全黑暗狀態中的黑光的光強度比。這由下面的公式2表示, [公式2]
動態範圍^201og
傳感器所表示的最大光強度
、傳感器所表示的最小光強度，
參照公式2和圖3所示的特徵曲線，大面積像素的動態範圍Z)&、 小面積像素的動態範圍D尺j、、以及同時使用大面積像素和小面積像素 時的動態範圍Z^大—小由下面的公式3計算。這裡，A是0.01 lux， C是 1 lux， B是200 lux以及D是1000 lux。
[公式3〗
formula see original document page 14參照公式3，可以看出，同時使用大面積像素和小面積像素時的 動態範圍Di ^j.最高。
如公式3和圖3所示，根據本發明，提出了同時使用大面積光電 二極體和小面積光電二極體來增加動態範圍的像素陣列。
圖4示出了具有寬動態範圍、良好的解析度和改善的顏色再現的 像素陣列。
參照圖4，像素陣列400具有對不同尺寸和形狀的兩類光電二極 管PD1和PD2進行二維排列的結構。這裡，具有不同尺寸和形狀的兩 類光電二極體是具有八邊形和相對大面積的第一類光電二極體PD1以 及具有正方形和相對小面積的第二類光電二極體PD2。
在圖4中，第一類光電二極體PD1和第二類光電二極體PD2交替 排列。然而，能夠根據目的和系統環境控制這兩種光電二極體PD1和 PD2的排列比。雖然沒有在圖4中準確示出，但是在第一類光電二極 管和第二類光電二極體之間的空間中布置了用於將相應光電二極體探 測到的圖像信號轉換成相應電信號的圖像信號轉換電路。由於圖像信 號轉換電路的結構和操作是眾所周知的，所以省略了對它們的詳細描 述。稍後參照圖16對光電二極體和圖像信號轉換電路的布局進行詳細描述。
參照圖4,在根據本發明的像素陣列中，排列了八邊形的第一類 光電二極體PD1。八邊形的第一類光電二極體的面積通常與正方形的 傳統光電二極體的面積相同或大於正方形的傳統光電二極體的面積， 並可根據情形小於該傳統光電二極體的面積。顯然，當面積相對比正 方形的傳統光電二極體的面積大的第一類單元光電二極體探測圖像信 號時，第一類單元光電二極體的圖像信號探測效率高於具有相對較小 面積的傳統單元光電二極體的圖像信號探測效率。此外，在第一類光 電二極體之間的空間中，排列有具有正方形且面積相對比第一類光電
二極體面積小的第二類光電二極體PD2，從而增加了對於被分配用於 探測圖像信號的有限面積內的光電二極體的孔隙率(porosity )。根據 本發明，除了第一類光電二極體，還排列了第二類光電二極體，從而 只要適當使用所添加的光電二極體，本發明的像素陣列結構就能夠具 有改善的探測圖像信號的能力。
簡單地說，在本發明的像素陣列中，二維排列了八邊形的第一類 光電二極體和正方形的第二類光電二極體，從而能夠增加圖像傳感器 的動態範圍。參照公式2和圖3描述具有前述結構的圖像傳感器的動 態範圍增加的原理。
在下文中，將描述通過採用在其中根據本發明排列有第一類光電 二極體和第二類光電二極體的像素陣列而實現的本發明的圖像傳感 器。
圖5示出了採用像素陣列和濾色器構造的通用圖像傳感器的一部分。
參照圖5，通用圖像傳感器500包括光電二極體510和在光電二 極管510上形成的第一緩沖層520、濾色器530、第二緩衝層540和微 透鏡550。圖5所示的圖像傳感器的垂直結構在採用像素陣列和濾色 器的通用方法中是眾所周知的，所以省略了對每個部件功能和操作的 詳細描述。參照圖5，根據在相應光電二極體上形成的濾色器的類型， 確定包含在圖像信號中的各種頻率分量、即各種類型的顏色分量的探 測。就濾色器而言，有紅色濾光器(filter)(在下文中，稱為R濾光 器)、綠色濾光器(在下文中，稱為G濾光器)、藍色濾光器(在下文 中，稱為B濾光器)、青色濾光器(在下文中，稱為C濾光器)、品紅 濾光器(在下文中，稱為M濾光器)、和黃色濾光器(在下文中，稱 為Y濾光器)。此外，可以使用能夠改善顏色表示能力的新的濾色器 裝置。
圖6示出了根據本發明的第一實施方式的圖像傳感器。 參照圖6,在本發明的圖像傳感器600中，濾色器置於圖4所示 的本發明像素陣列400上。該像素陣列中光電二極體上所表示的首字 母R、 G和B意味著分別將R濾光器、G濾光器和B濾光器置於相應 的光電二極體上。
首先，描述置於八邊形的第一類光電二極體上的濾色器。 參照圖6，在八邊形的第一類光電二極體上，二維排列著具有水 平排列在一條線中的多個G濾光器(用G表示)的多個1G水平濾光 器線。此外，在其上二維排列著具有水平交替排列的R濾光器(用R 表示)和B濾光器(用B表示)的多個1RB水平濾光器線。圖6中， 用虛線表示的多個1G水平濾光器線表示為l(n-l )G、 lnG、和1(n+l ) G，而多個1RB水平濾光器線表示為1 (n-l) RB、 lnRB。這裡，n 表示整數。參照圖6， 一條1RB水平濾光器線位於1G水平濾光器線 之間。
這裡，在G和RB水平濾光器線的前面添加tt字1，如表示為所 述1G和1RB水平濾光器線。這意味著水平濾光器線僅位於第一類光 電二極體上，從而將該水平濾光器線與稍後描述的僅位於第二類光電 二極體上的水平濾光器線區分開。根據稍後描述的本發明的另 一 實施 方式，除非另有描述，否則R濾光器、G濾光器和B濾光器排列在包 含在圖6所示的圖像傳感器中的第一類光電二極體上。因此，在下文 中，省略了對R濾光器、G濾光器和B濾光器在光電二極體上排列的 描述。
接下來，描述排列在正方形的第二類光電二極體上的濾色器。 參照圖6,在第二類光電二極體上，具有水平排列在一條線中的多個G濾光器的多個2G水平濾光器線二維排列並垂直排列在一條線
上。類似地，具有水平交替排列在一條線中的R濾光器和B濾光器的 多個2RB水平濾光器線二維排列並垂直排列在一條線上。這裡，每個 2RB水平濾光器線位於2G水平濾光器線之間。多個2G水平濾光器線 表示為2(n-l)G、 2nG、和2(n+l)G，而多個2RB水平濾光器線 表示為2 (n-l ) RB、 2nRB。
參照圖6， 1G水平濾光器線和2G水平濾光器線存在於實際上相 同的線中。類似地，1RB水平濾光器線和2RB水平濾光器線存在於實 際上相同的線中。這是因為從前文所見，圖6所示的圖像傳感器的第 一類光電二極體和第二類光電二極體是交替排列的，並且濾色器被置 於這些光電二極體上。上面描述的水平濾光器線的概念被類似地應用 於後面的描述。
圖7示出了根據本發明的第二實施方式的圖像傳感器。 第一類光電二極體、以及位於包含在圖7所示的圖像傳感器700 中的第一類光電二極體上的多個1G水平濾光器線和多個1RB水平濾 光器線與圖6所示的相同。然而，圖7所示的圖像傳感器700與圖6 所示的圖像傳感器600不同之處在於，位於第二類光電二極體上的2G 水平濾光器線與實際上在相同線上的多個1RB水平濾光器線成一直 線，以及2RB水平濾光器線與實際上在相同線上的多個1G水平濾光 器線成一直線。
圖8示出了根據本發明的第三實施方式的圖像傳感器。 參照圖8,第一類光電二極體、位於包含在圖8所示的圖像傳感 器800中的第一類光電二極體上的多個1G水平濾光器線和多個1RB 水平濾光器線與圖6所示的相同。然而，圖8所示的圖像傳感器800 與圖6所示的圖像傳感器600不同之處在於，包含水平交替排列在一 條線上的M濾光器和C濾光器的多個2MC水平濾光器線垂直排列在 第二類光電二極體上，並且每個2MC水平濾光器線與實際上在相同線 上的1G水平濾光器線成一直線。此外，包含水平排列在一條線中的 多個Y濾光器的多個2Y水平濾光器線垂直排列在第二類光電二極體 上，並且每個2Y水平濾光器線與實際上在相同線上的1BR水平濾光200780053414.9
器線成一直線。
圖9示出了根據本發明的第四實施方式的圖像傳感器。
參照圖9，圖像傳感器900與圖8所示的圖像傳感器800不同之 處在於，多個2MC水平濾光器線的位置與多個2Y水平濾光器線的位 置互換，-f旦其他部分相同。
參照圖8和圖9,在根據本發明的圖像傳感器中，R濾光器、G 濾光器和B濾光器置於第一類光電二極體上，以及C濾光器、M濾光 器和Y濾光器置於第二類光電二極體上。
在下文中，描述了這樣一種事實，除了所述RGB濾色器外，使用 MCY濾色器即品紅濾光器、青色濾光器和黃色濾光器以增加顏色再 現。
圖IO示出了根據圖像傳感器波長的傳輸濾光特性。 參照圖10,示出了當使用三色濾色器(稱為RGB)和六色濾色器 (稱為 0) (B )時取決於光波長的傳輸濾光特性。這裡，B 濾光器所覆蓋的波長範圍被分成六色濾色器⑤ ①中的兩種 濾色器⑤ 所覆蓋的波長範圍，G濾光器所覆蓋的波長範圍被分成兩 種濾色器⑤⑧所覆蓋的波長範圍，R濾光器所覆蓋的波長範圍被分成 兩種濾色器 ①所覆蓋的波長範圍。
圖11示出了採用六色濾色器時的色坐標。
參照圖11,當六色濾色器 <3) ①取代三色濾色器RGB 被應用於本發明的圖像傳感器時，可以看出，能夠表示由雙點劃線所 表示的六邊區域中的顏色，因此與由RGB濾光器所表示的三角區域中 的顏色相比能夠獲得更寬的顏色表示範圍。
圖12示出了根據本發明的第五實施方式的圖像傳感器。 參照圖12，在根據本發明的圖像傳感器1200中，圖IO所示的三 種濾色器⑤ 以拜耳模式排列在第一類光電二極體上，而其餘的三 種濾色器 ①排列在第二類光電二極體上。如圖12所示，對應於 基於綠色(green-based color)的濾色器 的數目可以是其他濾色器 數目的兩倍。
圖13示出了根據本發明的第六實施方式的圖像傳感器。參照圖13，在根據本發明的圖像傳感器1300中，三種濾色器
①以拜耳模式排列在第 一類光電二極體上，而三種濾色器 排列
在第二類光電二極體上。此外，類似於圖12所示地，對應於基於綠色 的濾色器 O)的數目可以是其他濾色器數目的兩倍。
在圖12和13中，R濾光器、G濾光器、和B濾光器中的每個所 覆蓋的波長範圍被分成兩個範圍，從而獲得了六種濾光器。然而，該 範圍也可以被分成兩個或更多的範圍，從而濾光器的數目是3的倍數。
圖14示出了根據本發明的第七實施方式的圖像傳感器。
參照圖14，在根據本發明的圖像傳感器1400中，R濾光器、G 濾光器和B濾光器排列在第一類光電二極體上，沒有濾色器排列在第 二類光電二極體上。或者，在第二類光電二極體上設置紅外濾光器。
當沒有濾色器排列在第二類光電二極體上時，第二類光電二極體 探測包含在圖像信號中的黑色分量和白色分量。當第二類光電二極體 上設置有紅外濾光器時，第二類光電二極體探測包含在該圖像信號中 的紅外分量。因此，在圖14所示的圖像傳感器1400中，第一類光電 二極體探測包含在圖像傳感器中的顏色分量，而第二類光電二極體探 測包含在圖像傳感器中的黑色和白色分量或者紅外分量。
圖15示出了根據本發明的第八實施方式的圖像傳感器。
參照圖15,只將R濾光器和B濾光器排列在第 一 類光電二極體上， 沒有排列G濾光器。從上面可以看出，R濾光器和B濾光器交替排列。 此外，沒有濾色器置於第二類光電二極體上，或者，可將紅外濾光器、 R濾光器、G濾光器或B濾光器置於其上。圖15圖示了沒有G濾光 器置於第一類光電二極體上。然而，根據情況，R濾光器或者B濾光 器也可以不存在於其上。
參照圖15,圖像傳感器1500的優點在於，根據某種目的和目標， 第一類光電二極體探測被適當選擇的兩種顏色分量，以及第二類光電 二極體探測黑色和白色分量、紅外分量和被適當選擇的其他種顏色分 量。
圖16示出了根據本發明的像素陣列的一部分。
參照圖16,該像素陣列包括八邊形的光電二極體、正方形的光電二極體以及用虛線圓圈表示的圖像信號轉換電路。
圖17示出了與圖16所示的本發明像素陣列相關聯的單位像素的 圖像信號轉換電路。
參照圖17,用於將八邊形的大光電二^L管PD1和正方形的小光電 二極體PD2探測到的電荷轉換成電信號的圖像信號轉換電路被共享使 用。如上所述，大面積像素和小面積像素被置於陣列中並相互之間具 有聯繫，因此優點為能夠減少由用於將光電二極體所產生的電荷轉換 成電信號的圖像信號轉換電路所引起的變化。此外，由於小像素PD2 和大像素PD1共享一個浮置擴散節點(floating diffusion node ) ( A )， 因此優點為大像素和小像素的轉換效率相同。
雖然參照示例性實施方式對本發明進行了具體的說明和描述，但 是本領域技術人員將理解，在不背離由所附權利要求所限定的本發明 精神和範圍的情況下，可以在其中進行各種形式和細節的變化。
工業應用性
如上所述，根據本發明具有寬動態範圍的像素陣列和圖像傳感器 的優點為能夠增加動態範圍，選擇濾色器的類型以增加顏色再現範 圍，以及能夠根據環境應用圖像傳感器。此外，除了以垂直和水平模 式進行排列之外，像素陣列還可以以蜂窩模式進行排列，因此與僅以 蜂窩模式進行排列的像素相比，它們的解析度和性能能夠得到改善。
權利要求
1.一種具有寬動態範圍的像素陣列，包括二維排列的多個第一類光電二極體；多個第二類光電二極體，置於所述第一類光電二極體之間；以及多個圖像信號轉換電路，置於所述第一類光電二極體與所述第二類光電二極體之間，以將所述第一類光電二極體和所述第二類光電二極體探測到的圖像信號轉換成電信號，其中，所述第一類光電二極體的面積大於所述第二類光電二極體的面積。
2. 根據權利要求1所述的像素陣列，其中，所述第一類光電二極 管具有八邊形，所述第二類光電二極體具有正方形。
3. —種具有動態範圍的像素陣列，包括二維排列的多個第一類 光電二極體；多個第二類光電二極體，置於所述第一類光電二極體之 間；以及多個圖像信號轉換電路，置於所述第一類光電二極體與所述 第二類光電二極體之間，以將所述第一類光電二極體和所述第二類光 電二極體探測到的圖像信號轉換成電信號，其中，所述第一類光電二極體的面積大於所述第二類光電二極體 的面積，以及其中，所述第一類光電二極體和所述第二類光電二極體上設置有 R (紅色)濾光器、G (綠色)濾光器和B (藍色)濾光器。
4. 根據權利要求3所述的像素陣列，其中，具有水平排列的多個G濾光器的多個1G水平濾光器線、 以及具有交替排列的多個R濾光器和多個B濾光器的多個1RB水平 濾光器線位於所述第一類光電二極體上，其中，具有水平排列的多個G濾光器的多個2G水平濾光器線、 以及具有水平交替排列的多個R濾光器和多個B濾光器的多個2RB水平濾光器線位於所述第二類光電二極體上，其中，多個所述1G水平濾光器線和多個所述1RB水平濾光器線 垂直交替排列，以及其中，多個所述2G水平濾光器線和多個所述1G水平濾光器線排 列在實際上相同的線中，多個所述2RB水平濾光器線和多個所述2RB 水平濾光器線排列在實際上相同的線中。
5. 根據權利要求3所述的像素陣列，其中，具有水平排列的多個G濾光器的多個1G水平濾光器線、 以及具有水平交替排列的多個R濾光器和多個B濾光器的多個1RB 水平濾光器線位於所述第一類光電二極體上，其中，具有水平排列的多個G濾光器的多個2G水平濾光器線、 以及具有水平交替排列的多個R濾光器和多個B濾光器的多個2RB 水平濾光器線位於所述第二類光電二極體上，其中，多個所述1G水平濾光器線和多個所述1RB水平濾光器線 垂直交替排列，以及其中，多個所述2G水平濾光器線和多個所述1RB水平濾光器線 排列在實際上相同的線中，多個所述2RB水平濾光器線和多個所述2G 水平濾光器線排列在實際上相同的線中。
6. —種具有動態範圍的像素陣列，包括二維排列的多個第一類 光電二極體；多個第二類光電二極體，置於所述第一類光電二極體之 間；以及多個圖像信號轉換電路，置於所述第一類光電二極體與所述 第二類光電二極體之間，以將所述第一類光電二極體和所述第二類光 電二極體探測i 'J的圖像信號轉換成電信號，其中，所述第一類光電二極體的面積大於所述第二類光電二極體 的面積，其中，所述第一類光電二極體上設置有R濾光器、G濾光器、B 濾光器，以及其中，所述第二類光電二極體上設置有C(青色)濾光器、M(品紅)濾光器和Y(黃色)濾光器中的一種或多種。
7. 根據權利要求6所述的像素陣列，其中，具有水平排列的多個G濾光器的多個1G水平濾光器線、 以及具有交替排列的多個R濾光器和多個B濾光器的多個1RB水平 濾光器線位於所述第一類光電二極體上，其中，具有水平排列的多個Y濾光器的多個2Y水平濾光器線、 以及具有水平交替排列的多個C濾光器和多個M濾光器的多個2CM 水平濾光器線位於所述第二類光電二極體上，其中，多個所述1G水平濾光器線和多個所述1RB水平濾光器線 垂直交替排列，以及其中，多個所述2GM水平濾光器線和多個所述1G水平濾光器線 排列在實際上相同的線中，多個所述2Y水平濾光器線和多個所述1RB 水平濾光器線排列在實際上相同的線中。
8. 根據權利要求6所述的像素陣列，其中，具有水平排列的多個G濾光器的多個1G水平濾光器線、 以及具有水平交替排列的多個R濾光器和多個B濾光器的多個1RB 水平濾光器線位於所述第一類光電二極體上，其中，具有水平排列的多個Y濾光器的多個2Y水平濾光器線、 以及具有水平交替排列的多個C濾光器和多個M濾光器的多個2CM 水平濾光器線位於所述第二類光電二極體上，其中，多個所述1G水平濾光器線和多個所述1RB水平濾光器線 垂直交替排列，以及其中，多個所述2Y水平濾光器線和多個所述1G水平濾光器線排 列在實際上相同的線中，多個所述2CM水平濾光器線和多個所述1RB 水平濾光器線排列在實際上相同的線中。
9. 一種具有動態範圍的像素陣列，包括二維排列的多個第一類 光電二極體；多個第二類光電二極體，置於所述第一類光電二極體之間；以及多個圖像信號轉換電路，置於所述第一類光電二極體與所述第二類光電二極體之間，以將所述第一類光電二極體和所述第二類光 電二極體探測到的圖像信號轉換成電信號，其中，所述第一類光電二極體的面積大於所述第二類光電二極體的面積， 其中，所述R濾光器、所述G濾光器和所述B濾光器的每個波長 範圍被分成至少兩個範圍，其中，對所述R濾光器所覆蓋的波長範圍的一部分進行覆蓋的Rl 濾光器、對所述G濾光器所覆蓋的波長範圍的一部分進行覆蓋的Gl 濾光器、以及對所述B濾光器所覆蓋的波長範圍的一部分進行覆蓋的 Bl濾光器置於所述第一類光電二極體上，以及其中，對所述R濾光器所覆蓋的波長範圍中除所述R1濾光器所 覆蓋的部分之外的剩餘波長範圍進行覆蓋的R2濾光器、對所述G濾 光器所覆蓋的波長範圍中除所述Gl濾光器所覆蓋的部分之外的剩餘 波長範圍進行覆蓋的G2濾光器、以及對所述B濾光器所覆蓋的波長 範圍中除所述Bl濾光器所覆蓋的部分之外的剩餘波長範圍進行覆蓋 的B2濾光器置於所述第二類光電二極體上。
10. 根據權利要求9所述的像素陣列，其中，所述R1濾光器、所 述Gl濾光器和所述Bl濾光器以拜耳模式排列。
11. 根據權利要求9所述的像素陣列，其中，所述G1濾光器和所 述G2濾光器的數目是所述R2濾光器、所述Bl濾光器和所述B2濾 光器數目的兩倍。
12. —種具有動態範圍的像素陣列，包括二維排列的多個第一 類光電二極體；多個第二類光電二極體，置於所述第一類光電二極體 之間；以及多個圖像信號轉換電路，置於所述第一類光電二極體與所 述第二類光電二極體之間，以將所述第一類光電二極體和所述第二類 光電二極體探測到的圖像信號轉換成電信號，其中，所述第一類光電二極體的面積大於所述第二類光電二極體 的面積、，其中，所述第一類光電二極體上設置有R濾光器、G濾光器、B 濾光器，以及其中，所述第二類光電二極體上設置有紅外濾光器，或者，沒有 濾色器設置於所述第二類光電二極體上。
13. —種具有動態範圍的像素陣列，包括二維排列的多個第一 類光電二極體；多個第二類光電二極體，置於所述第一類光電二極體 之間；以及多個圖像信號轉換電路，置於所述第一類光電二極體與所 述第二類光電二極體之間，以將所述第一類光電二極體和所述第二類 光電二極體探測到的圖像信號轉換成電信號，其中，所述第一類光電二極體的面積大於所述第二類光電二極體 的面積、，其中，所述第一類光電二極體上設置有R濾光器、G濾光器和B 濾光器中的兩種，以及其中，所述第二類光電二極體上設置有紅外濾光器，或者沒有濾 色器置於所述第二類光電二極體上。
全文摘要
提供了具有寬動態範圍、良好顏色再現和良好解析度的像素陣列以及採用該像素陣列的圖像傳感器。該像素陣列包括多個第一類光電二極體、多個第二類光電二極體和多個圖像信號轉換電路。多個第二類光電二極體置於二維排列的第一類光電二極體之間。多個圖像信號轉換電路置於第一類光電二極體與第二類光電二極體之間，以處理第一類光電二極體和第二類光電二極體探測到的圖像信號。第一類光電二極體的面積大於第二類光電二極體的面積。
文檔編號H04N5/335GK101682700SQ200780053414
公開日2010年3月24日 申請日期2007年11月6日 優先權日2007年6月18日
發明者李道永 申請人:(株)賽麗康