CN102143332B - 基于标准cmos工艺的彩色图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种基于标准CMOS工艺的彩色图像传感器，包括：一彩色像素单元阵列；一噪声去除模块的模拟输入端与该彩色像素单元阵列的输出端连接；一缓存器的输入端与噪声去除模块的输出端连接，用于噪声去除模块的输出信号缓存及并串转换；一数字控制器和一数字处理器的第一输出端与彩色像素单元阵列的输入端连接，该数字控制器的第二输出端与噪声去除模块数字输入端连接，该数字处理器的数字控制端与数字控制器的第四输出端连接，用于处理模数转换器输出的数字图像信号，并将该信号转换为图像信息输出；一模数转换器的模拟输入端与缓存器的输出端连接，其数字输入端与数字控制器的第三输出端连接，模数转换器的输出端与数字处理器的模拟输入端连接，用于缓存器输出的模拟信号转换为数字信号。

Description

基于标准CMOS工艺的彩色图像传感器
技术领域
本发明涉及半导体CMOS图像传感器技术领域，特别是一种基于标准CMOS工艺的金属光栅彩色图像传感器技术领域。
背景技术
半导体彩色图像传感器一直朝着高集成度和低成本的方向发展，具有巨大的市场需求。目前应用最广泛的半导体彩色图像传感器包括彩色滤片阵列(CFA-Color Filter Array)图像传感器、薄膜技术(TFA-Thin filmon ASIC)图像传感器和Foveon X3技术下的无滤片彩色CMOS图像传感器(FCS-Filterless Color Sensor)。
彩色滤片图像传感器和薄膜技术图像传感器是将Bayer滤片加装在感光单元上。用来选取所需辐射波段的彩色滤片光学器件分为两类：颜色滤光片和薄膜滤光片。颜色滤光片是各种颜色的平板玻璃或明胶片。薄膜滤光片分为薄膜吸收滤光片和薄膜干涉滤光片两种。前者是在特定材料片基上，用化学浸蚀使吸收线正好位于需要的波长处。后者是在一定片基上，用真空镀膜法交替形成具有一定厚度的高折射率或低折射率的金属-介质-金属膜，或全介质膜。Foveon X3技术是用单像素提供三原色的CMOS图像感光器技术，X3技术的感光单元与银盐彩色胶片相似，由三层感光元素垂直叠在一起，不同层吸收不同波长的颜色入射光线。然而这些彩色图像传感器需要在标准CMOS工艺的基础上增加其它工艺或者是需要调整工艺参数的非标准CMOS工艺。这些复杂工艺流程的主要缺点限制了半导体彩色图像传感器高集成度和低成本的发展。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于标准CMOS工艺的彩色图像传感器，使其具有更强的工艺兼容性，更高的集成度，优异的***兼容性，和较低的成本。使其特别适合集成于图像处理视觉芯片，应用于高速运动目标的实时追踪、机器人视觉***、图象识别、智能交通、生产线自动产品质量检测及各类智能化玩具等领域。
本发明提供一种基于标准CMOS工艺的彩色图像传感器，包括：
一彩色像素单元阵列，用于采集入射光线的原始信息，并且把采集的彩色图像光信号转换为电信号；
一噪声去除模块，该噪声去除模块的模拟输入端与该彩色像素单元阵列的输出端连接，用于消除彩色像素单元阵列采集彩色图像时产生的固定模式噪声；
一缓存器，该缓存器的输入端与噪声去除模块的输出端连接，用于噪声去除模块的输出信号缓存及并串转换；
一数字控制器和一数字处理器，该数字控制器的第一输出端与彩色像素单元阵列的输入端连接，该数字控制器的第二输出端与噪声去除模块数字输入端连接，该数字处理器的数字控制端与数字控制器的第四输出端连接，该数字处理器的输出端输出处理后的图像信息，用于处理模数转换器输出的数字图像信号，并将该信号转换为图像信息输出；
一模数转换器，该模数转换器的模拟输入端与缓存器的输出端连接，该模数转换器的数字输入端与数字控制器的第三输出端连接，该模数转换器的输出端与数字处理器的模拟输入端连接，用于缓存器输出的模拟信号转换为数字信号。
其中所述的彩色像素单元阵列采用Bayer mosaic模式排列构成，每个彩色像素单元包括4个金属光栅光电二极管单元，分别是一个红色，两个绿色，一个蓝色金属光栅滤波单元。
其中所述的金属光栅光电二极管单元由CMOS工艺光电二极管层和二维金属光栅层构成。
其中所述的金属光栅光电二极管单元由二维金属光栅层直接生成在光电二极管层上面，二维金属光栅层由所用标准工艺的第一层金属层构成，金属光栅周期值由光栅间隔值和金属层宽度值构成，不同周期值的二维金属光栅周期实现不同颜色波长的滤波，三种不同颜色的红色、绿色和蓝色周期值的二维金属光栅层分别作为彩色图像传感器的红色、绿色和蓝色金属光栅结构。
其中所述的模数转换器由采样保持器、采样放大器、纠错编码、门控时钟和电源关断部分组成，采用了冗余和纠错编码技术，提高了对模数转换器的精度要求，数字控制器输出的数字信号分别控制门控时钟和电源关断，实现模数转换器正常工作时的各个模块时钟分配和非工作时的电源切断，从而降低模数转换器的功耗。
其中所述的数字处理器由算术逻辑单元、行处理器和存储器构成，数字处理器完成彩色图像算法处理，并且适合扩展视觉芯片彩色图像处理的要求。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的彩色图像传感器，可采用广泛的标准CMOS工艺制作，电路均可芯片内实现，***结构简单易扩展，集成度高，成本低。
2、本发明提供的彩色图像传感器，由于金属光栅光电二极管单元由光电二极管层和二维金属光栅层构成。器件结构简单，减少复杂工艺层的使用，提高入射光线的投射率和吸收率。
3、本发明提供的彩色图像传感器，由于噪声去除模块由噪声去除电路和增益放大器构成。可以实现彩色图像采样信号的固定模式噪声消除和信号动态范围调节，提高彩色图像质量。
4、本发明提供的彩色图像传感器，由于模数转换器采用了冗余和纠错编码技术，提高了模数转换器的精度，从而提高了彩色图像的质量要求。模数转换器的门控时钟和电源关断，实现模数转换器正常工作时的各个模块时钟分配和非工作时的电源切断，从而降低模数转换器的功耗。
5、本发明提供的彩色图像传感器，由于数字处理器由算术逻辑单元、行处理器和存储器构成。有利于完成彩色图像基本算法处理，并且适合扩展视觉芯片彩色图像处理的复杂算法要求。
6、本发明提供的基于标准CMOS工艺的彩色图像传感器特别适合集成于图像处理视觉芯片，应用于高速运动目标的实时追踪、机器人视觉***、图象识别、智能交通、生产线自动产品质量检测及各类智能化玩具等领域。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明提供的一种基于标准工艺的彩色图像传感器的***框图；
图2为本发明提供的一种基于标准工艺的彩色图像传感器的***结构图(基于图1)；
图3为本发明提供的金属光栅光电二极管单元221示意图(基于图2)；
图4为本发明提供的金属光栅光电二极管单元221特性曲线：图4(a)为光电二极管相关量子效率、图4(b)为线性转换后的透射率(基于图2)。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种基于标准CMOS工艺的彩色图像传感器，包括：
一彩色像素单元阵列10，用于采集入射光线的原始信息，并且把采集的彩色图像光信号转换为电信号；所述的彩色像素单元阵列10采用Bayermosaic模式排列构成，每个彩色像素单元21包括4个金属光栅光电二极管单元221，分别是一个红色，两个绿色，一个蓝色金属光栅滤波单元，所述的金属光栅光电二极管单元221由CMOS工艺光电二极管层223和二维金属光栅层224构成，所述的金属光栅光电二极管单元221由二维金属光栅层224直接生成在光电二极管层223上面，二维金属光栅层224由所用标准工艺的第一层金属层构成，金属光栅周期值由光栅间隔值和金属层宽度值构成，不同周期值的二维金属光栅周期实现不同颜色波长的滤波，三种不同颜色的红色、绿色和蓝色周期值的二维金属光栅层224分别作为彩色图像传感器的红色、绿色和蓝色金属光栅结构；基于图1所述的基于标准工艺的彩色图像传感器的***框图，图2给出了本发明提供的基于标准工艺的彩色图像传感器的***结构图。其中N代表彩色像素单元阵列10大小，2×2个像素组成一个彩色像素单元21，包括为一个红色，两个绿色和一个蓝色金属光栅光电二极管单元221，则彩色像素单元阵列大小为(N/2)×(N/2)。基于图2所述的基于标准工艺的彩色图像传感器***结构图，图3给出了本发明提供的金属光栅光电二极管单元221示意图。其由下至上主要包括两部分：光电二极管层223和二维金属光栅层224。最上面是标准CMOS工艺的钝化保护层。二维金属光栅层224由所用标准工艺的第一层金属层构成。金属光栅周期值(Wp)由光栅间隔值(Wg)和金属层宽度值构成。三种不同颜色的红色、绿色和蓝色周期值的的二维金属光栅层223(Wp、Wg)分别作为彩色图像传感器的红色，绿色和蓝色金属光栅滤波单元。基于图2所述的基于标准工艺的彩色图像传感器***结构图，图4给出了本发明提供的二维金属光栅光电二极管221特性曲线。图4(a)给出了光电二极管相关量子效率。图4(b)给出了经过3×3矩阵线性转换后的透射率曲线。可以看出，本发明提供的二维金属光栅彩色像素单元21可以实现红色、绿色和蓝色金属光栅滤波作用；
一噪声去除模块11，该噪声去除模块11的模拟输入端与该彩色像素单元阵列10的输出端连接，用于消除彩色像素单元阵列10采集彩色图像时产生的固定模式噪声和信号动态范围调节；
一缓存器12，该缓存器12的输入端与噪声去除模块11的输出端连接，用于噪声去除模块11的输出信号缓存及并串转换；
一数字控制器13和一数字处理器15，该数字控制器13的第一输出端与彩色像素单元阵列10的输入端连接，该数字控制器13的第二输出端与噪声去除模块11数字输入端连接，该数字处理器15的数字控制端与数字控制器13的第四输出端连接。该数字控制器13用于向彩色像素单元阵列10、噪声去除模块11、模数转换器14和数字处理器15提供数字控制指令。该数字处理器15的输出端输出处理后的图像信息，用于处理模数转换器14输出的数字图像信号，并将该信号转换为图像信息输出；所述的数字处理器15由算术逻辑单元、行处理器和存储器构成，数字处理器15完成彩色图像算法处理，并且适合扩展视觉芯片彩色图像处理的要求；
一模数转换器14，该模数转换器14的模拟输入端与缓存器12的输出端连接，该模数转换器14的数字输入端与数字控制器13的第三输出端连接，该模数转换器14的输出端与数字处理器15的模拟输入端连接，用于缓存器12输出的模拟信号转换为数字信号；所述的模数转换器14由采样保持器、采样放大器、纠错编码、门控时钟和电源关断部分组成，采用了冗余和纠错编码技术，提高了对模数转换器14的精度要求，数字控制器13输出的数字信号分别控制门控时钟和电源关断，实现模数转换器14正常工作时的各个模块时钟分配和非工作时的电源切断，从而降低模数转换器14的功耗；
基于标准工艺的彩色图像传感器工作原理如下：入射光线透射到彩色像素单元阵列10上，并被采集了模拟的电压信号。这N×N个图像信号，通过列解码器，按照数字控制器13的指令，依次以行并行的模式读入噪声去除模块11和缓存器12中进行去噪声处理、信号动态范围调节和并串转换。最后读入数模转换器14进行数模转换后的数字信号被串行输出给数字处理器15完成彩色图像算法处理。入射光线彩色图像信号的采样，转换和处理由数字控制器13指令协调完成。
以上所述的***框图和实施电路图，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于标准CMOS工艺的彩色图像传感器，包括：
一彩色像素单元阵列，用于采集入射光线的原始信息，并且把采集的彩色图像光信号转换为电信号，该彩色像素单元阵列采用Bayer mosaic模式排列构成，每个彩色像素单元包括4个金属光栅光电二极管单元，分别是一个红色，两个绿色，一个蓝色金属光栅滤波单元，该金属光栅光电二极管单元由CMOS工艺光电二极管层和二维金属光栅层构成，该金属光栅光电二极管单元由二维金属光栅层直接生成在光电二极管层上面，二维金属光栅层由所用标准工艺的第一层金属层构成，金属光栅周期值由光栅间隔值和金属层宽度值构成，不同周期值的二维金属光栅周期实现不同颜色波长的滤波，三种不同颜色的红色、绿色和蓝色周期值的二维金属光栅层分别作为彩色图像传感器的红色、绿色和蓝色金属光栅结构；
一噪声去除模块，该噪声去除模块的模拟输入端与该彩色像素单元阵列的输出端连接，用于消除彩色像素单元阵列采集彩色图像时产生的固定模式噪声；
一缓存器，该缓存器的输入端与噪声去除模块的输出端连接，用于噪声去除模块的输出信号缓存及并串转换；
一数字控制器和一数字处理器，该数字控制器的第一输出端与彩色像素单元阵列的输入端连接，该数字控制器的第二输出端与噪声去除模块数字输入端连接，该数字处理器的数字控制端与数字控制器的第四输出端连接，该数字处理器的输出端输出处理后的图像信息，用于处理模数转换器输出的数字图像信号，并将该信号转换为图像信息输出，该数字处理器由算术逻辑单元、行处理器和存储器构成，数字处理器完成彩色图像算法处理，并且适合扩展视觉芯片彩色图像处理的要求；
一模数转换器，该模数转换器的模拟输入端与缓存器的输出端连接，该模数转换器的数字输入端与数字控制器的第三输出端连接，该模数转换器的输出端与数字处理器的模拟输入端连接，用于缓存器输出的模拟信号转换为数字信号，该模数转换器由采样保持器、采样放大器、纠错编码、门控时钟和电源关断部分组成，采用了冗余和纠错编码技术，提高了对模数转换器的精度要求，数字控制器输出的数字信号分别控制门控时钟和电源关断，实现模数转换器正常工作时的各个模块时钟分配和非工作时的电源切断，从而降低模数转换器的功耗。
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