CN102510447A

CN102510447A - 图像传感器

Info

Publication number: CN102510447A
Application number: CN2011103007668A
Authority: CN
Inventors: 顾靖
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: CN102510447B

Abstract

一种图像传感器，其特征在于，包括：衬底；位于所述衬底内的光电传感器区，所述光电传感器区具有依次位于同一直线的第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器；位于所述光电传感器区表面的分光装置，所述分光装置将入射光进行分光，并将分光后形成的红光、绿光、蓝光三种光入射到对应的光电传感器表面；位于所述分光装置上方的聚光装置，所述聚光装置将横截面与所述光电传感器区大小相同的外界光汇聚成横截面与一个光电传感器大小相同的入射光并照射到所述分光装置表面。本发明实施例的所述三个光电传感器采集到相应颜色的所有图像信息，使得后续重新合成的图像的失真率降低。

Description

图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器，特别涉及一种能提高三原色图像信息采集率的图像传感器。

背景技术

图像传感器是把图像信号转换成电信号的半导体装置，图像传感器分为电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)传感器和CMOS图像传感器(CMOS Imaging Seneor，CIS)。现有的图像处理技术，通常采用彩色滤光片使得所述图像传感器能分别采集到红、绿、蓝三种三原色的图像信息，然后利用所述三原色的图像信息通过插值运算还原出原始图像。

公告号为CN 100334886 C的中国专利申请文献公开了一种拜耳彩色滤光图样(Bayer color filter pattern)。请参考图1，为现有技术的一种采用拜耳彩色滤光图样的CMOS图像传感器的结构示意图。所述CMOS图像传感器的彩色滤光单元采用拜耳图样排布，其中，奇数行的彩色滤光单元由红色(Red)滤光单元和绿色(Green)滤光单元间隔排列形成，偶数行的彩色滤光单元由绿色(Green)滤光单元和蓝色(Blue)滤光单元间隔排列形成。相邻两行与相邻两列相交的四个彩色滤光单元构成一个CMOS图像传感器的像素单元10，即每个像素单元10包括两个绿色滤光单元、一个蓝色滤光单元和一个红色滤光单元，所述两个绿色滤光单元对角线分布。所述绿色滤光单元会滤掉除绿光之外其他颜色的光，使得位于所述绿色滤光单元下方的图像传感器只会记录绿色的图像信息；所述红色滤光单元会滤掉除红光之外其他颜色的光，使得位于所述红色滤光单元下方的图像传感器只会记录红色的图像信息，所述蓝色滤光单元会滤掉除蓝光之外其他颜色的光，使得位于所述蓝色滤光单元下方的图像传感器只会记录蓝色的图像信息。在图1中，所述绿色滤光单元为标有G的滤光单元，所述蓝色滤光单元为标有B的滤光单元，所述红色滤光单元为标有R的滤光单元。

但是，由于所述绿色滤光单元只占整个像素单元总面积的50％，所述红色滤光单元只占整个像素单元总面积的25％，所述蓝色滤光单元只占整个像素单元总面积的25％，所述绿色滤光单元只能处理整个像素单元的50％的绿光，所述红色滤光单元只能处理整个像素单元的25％的红光，所述蓝色滤光单元只能处理整个像素单元的25％的蓝光。因此，为了能重现原始图像，需要利用插值算法将采集到的三原色图像信息重新合成图像。但是由于蓝光和红光的图像信息只能采集到全部图像信息的25％，绿光的图像信息只能采集到全部图像信息的50％，所述三原色图像信息采集率较低，致使采集的图像信息比较少，利用插值算法还原的图像与原始图像相比会出现较大失真。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种能提高三原色光图像信息采集率的图像传感器，通过聚光装置和分光装置，使得更多的光线能进入图像传感器的像素单元中，增加了图像传感器采集的图像信息，降低了还原图像的失真率。

为解决上述问题，本发明一种图像传感器，包括：

衬底；

所述光电传感器区具有依次位于同一直线的第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器；

位于所述光电传感器区表面的分光装置，所述分光装置将入射光进行分光，并将分光后形成的红光、绿光、蓝光三种光入射到对应的光电传感器表面；

位于所述分光装置上方的聚光装置，所述聚光装置将横截面与所述光电传感器区大小相同的外界光汇聚成横截面与一个光电传感器大小相同的入射光并照射到所述分光装置表面。

可选的，所述光电传感器为光电二极管。

可选的，所述三个光电传感器分别采集红光、绿光、蓝光的图像信息。

可选的，所述分光装置为三棱镜。

可选的，所述三棱镜的宽度大于所述光电传感器的宽度，且小于等于所述光电传感器区的宽度。

可选的，所述分光装置包括位于所述第二光电传感器上方的第一分色镜和位于第一分色镜上方的第二分色镜，位于所述第一光电传感器上方的第一反光镜，位于所述第三光电传感器上方的第二反光镜，所述第一反光镜和第一分色镜平行，所述第二反光镜和第二分色镜平行。

可选的，所述第一分色镜、第二分色镜分别为红色分色镜、绿色分色镜、蓝色分色镜其中的两种。

可选的，所述第一反光镜与第一分光镜为同一颜色的分色镜，所述第二反光镜与第二分光镜也为同一颜色的分色镜。

可选的，所述聚光装置包括位于分光装置上方的第一微透镜和位于所述第一微透镜上方的第二微透镜。

可选的，所述第一微透镜为凹透镜，所述第二微透镜为凸透镜。

可选的，所述聚光装置和分光装置之间、分光装置和光电传感器区之间还形成有透光介质层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的图像传感器具有分光装置和位于所述分光装置表面的聚光装置，利用所述聚光装置，将与图像传感器区面积相同的外界光汇聚成与图像传感器面积相同的入射光，并利用分光装置将所述入射光分成红光、绿光、蓝光三种光并入射到对应的光电传感器表面，所述三个光电传感器都能采集相应颜色的所有图像信息，使得后续重新合成的图像的失真率降低。

附图说明

图1为现有技术的一种采用拜耳彩色滤光图样的CMOS图像传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例图像传感器阵列式排布的结构示意图；

图3为本发明图像传感器第一实施例的剖面结构示意图；

图4为本发明图像传感器第二实施例的剖面结构示意图。

具体实施方式

由于现有技术的图像传感器只能采集部分的三原色光图像信息，利用所述部分的三原色光图像信息还原的图像与原始图像相比存在失真，发明人经过研究提出了一种图像传感器，包括：衬底；位于所述衬底内的光电传感器区，所述光电传感器区包括依次位于同一直线的第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器；位于所述光电传感器区上方的分光装置，所述分光装置将入射光分成红光、绿光、蓝光三种光并入射到对应的光电传感器表面；位于所述分光装置上方的聚光装置，所述聚光装置将横截面与所述光电传感器区大小相同的外界光汇聚成横截面与所述光电传感器大小相同的入射光并照射到所述分光装置表面。由于所述图像传感器能将与所述像素单元大小相同的外界光通过聚光装置和分光装置分成红光、绿光、蓝光三种光并入射到对应的光电传感器表面，所述光电传感器能采集相应颜色的所有图像信息，使得后续重新合成的图像的失真率降低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例I

请参考图2，为本发明实施例图像传感器阵列式排布的结构示意图。本实施例中，所述图像传感器为CCD图像传感器，在其他实施例中，所述图像传感器还可以为CMOS图像传感器。所述图像传感器包括阵列式排布的多个像素单元100，每个像素单元100具有三个光电传感器，为第一光电传感器151、第二光电传感器152、第三光电传感器153。位于同一列的同一像素单元的第一光电传感器151、第二光电传感器152、第三光电传感器153位于同一直线上。在本实施例中，所述第一光电传感器151用来采集红光图像信息，所述第二光电传感器152用来采集绿光图像信息，所述第三光电传感器153用来采集蓝光图像信息。在其他实施例中，所述光电传感器可根据不同的分光装置对应采集不同颜色光的图像信息。

在本实施例中，所述相邻的像素单元上下左右对齐排布，在其他实施例中，相邻列的像素单元交错排列。

在图2中，所述采集红光图像信息的第一光电传感器151用r标识，所述采集绿光图像信息的第二光电传感器152用g标识，所述采集蓝光图像信息的第三光电传感器153用b标识。

请参考图3，为本发明图像传感器第一实施例的剖面结构示意图。所述图像传感器通常包括阵列式排布的多个像素单元，为了使附图简洁、清楚，图3中只以一个像素单元为例。图像传感器的其他像素单元与此相同。对于其他像素单元，可作相应替换。

图3为图2所示的AA′线的剖面结构示意图。如图3所示，所述像素单元包括：衬底110；位于所述衬底110内的光电传感器区150，所述光电传感器区150具有依次位于同一直线的第一光电传感器151、第二光电传感器152、第三光电传感器153；位于所述像素单元上方的棱镜210，所述棱镜210将入射光进行分光，并将分光后形成的红光、绿光、蓝光三种光入射到对应的光电传感器表面；位于所述棱镜210上方的聚光装置300，所述聚光装置300将横截面与所述光电传感器区150大小相同的外界光汇聚成横截面与一个光电传感器大小相同的入射光并照射到分光装置表面。

所述衬底110可以为单晶硅衬底、锗硅衬底或者绝缘体上硅(Silicon oninsulator，SOI)衬底。在本实施例中，所述衬底110为单晶硅衬底。

所述光电传感器为光电二极管，包括形成于所述衬底内的第一掺杂区(未示出)、位于第一掺杂区表面的第二掺杂区(未示出)，通过改变掺杂工艺，使得不同的光电传感器可以采集不同波长的光子并产生电流，而且所述电流的强度与光照的强度相对应，通过所述光电二极管可以感知照射到所述像素单元表面对应颜色光的光强。所述光电传感器还包括控制开关(未图示)，所述光电二极管在控制开关的控制下，可将采集到的电流转换成输出信号并输出到外部处理装置中，获得对应光线在所述光电传感器位置的图像信息。在其他实施例中，所述光电传感器可以为光电三极管。

不同的光电传感器之间形成有隔离结构120，用来电隔离不同的光电传感器。在本实施例中，所述隔离结构120为浅沟槽隔离结构。

所述第一光电传感器151、第二光电传感器152、第三光电传感器153位于所述衬底110内且依次排列，所述第一光电传感器151只能采集红光的光子，所述第二光电传感器152只能采集绿光的光子，所述第三光电传感器153只能采集蓝光的光子。当外界光经过所述棱镜210分光后形成多色光时，波长范围在625nm～740nm的红光照射到所述第一光电传感器151表面，使得所述第一光电传感器151产生与红光光强对应的电流，通过测量所述电流强度即可获得照射在所述像素单元表面的红光的图像信息；波长范围在500nm～565nm的绿光照射到所述第二光电传感器152表面，使得所述第二光电传感器152产生与绿光光强对应的电流，通过测量所述电流强度即可获得照射在所述像素单元表面的绿光的图像信息；波长范围为440nm～485nm的蓝光照射到所述第三光电传感器153表面，使得所述第三光电传感器153产生与蓝光光强对应的电流，通过测量所述电流强度即可获得照射在所述像素单元表面的蓝光的图像信息。在后续步骤中，利用红、绿、蓝三种三原色光的图像信息，通过运算可合成出照射到所述图像传感器表面的图像。

在所述光电传感器区150和棱镜210之间形成有第一透光介质层200，在所述棱镜210和聚光装置300之间形成有第二透光介质层220。通过调整所述第一透光介质层200的高度，使得经棱镜210分光后的三原色光能照射到对应的光电传感器表面。由于所述光电传感器需要感知光的强度，为了提高图像传感器的灵敏度，较佳地，需选用透光率较高的介质材料作为透光介质层，本实施例中，所述透光介质层的材料为二氧化硅，但是本发明并不限制于此。

如图3所示，所述光电传感器区150上方形成有棱镜210，所述棱镜210用来将所述入射光进行分光并将红光、绿光、蓝光三种光照射到对应的光电传感器表面。在本实施例中，所述棱镜为三棱镜，所述三棱镜的顶角位于所述第一光电传感器上方，所述棱镜的宽度大于所述光电传感器的宽度，且小于等于所述光电传感器区的宽度。本发明实施例中，所述宽度为器件在AA′方向上的宽度，即图3中器件从左到右的宽度。根据所述三棱镜及位于所述三棱镜上下两侧的透明介质层的材质，调节所述三棱镜顶角的角度，使得入射光通过所述三棱镜后能分成多色光，并使得所述多色光中的红光刚好照射到所述第一光电传感器151表面，所述多色光中的绿光刚好照射到所述第二光电传感器152表面，所述多色光中的蓝光刚好照射到所述第三光电传感器153表面。在其他实施例中，所述三棱镜的顶角位于所述第三光电传感器上方，经过三棱镜分光后的红光刚好照射到所述第三光电传感器153表面，所述多色光中的绿光刚好照射到所述第二光电传感器152表面，所述多色光中的蓝光刚好照射到所述第一光电传感器151表面。

在本实施例中，所述三棱镜210的材料为光学树脂材料，在其他实施例中，所述三棱镜的材料为掺杂的氧化硅。

如图3所示，所述棱镜210上方形成有聚光装置300，所述聚光装置300将横截面与所述光电传感器区150大小相同的外界光汇聚成横截面与一个光电传感器大小相同的入射光并照射到棱镜210上表面。在本实施例中，所述聚光装置300包括位于所述棱镜210上方的第一微透镜310和位于所述第一微透镜310上方的第二微透镜320。所述第一微透镜310为凹透镜，所述第二微透镜320为凸透镜。所述第一微透镜310和第二微透镜320的主光轴位于同一直线上，所述第一微透镜310和第二微透镜320之间还形成有透光介质层(未标示)。所述第二微透镜320的形状、位置与所述光电传感器区150的形状、位置对应，使得入射到所述图像传感器内的外界光的横截面与所述光电传感器区大小相同。当外界光平行与所述第二微透镜320的主光轴照射到所述第二微透镜320表面，由于凸透镜对光线具有汇聚作用，外界光通过所述第二微透镜320后会发生折射，使得最终照射到第一微透镜310表面的光的横截面变小；由于凹透镜对光线有扩散作用，所述发生折射后的光线通过所述第一微透镜310发生再次折射，使得从第一微透镜310发出的光线与所述第一微透镜310的主光轴平行，并照射到所述棱镜210的表面，所述从第一微透镜310发出的光线的横截面与一个光电传感器大小相同。

所述第二微透镜320的形状和位置与所述光电传感器区150的形状和位置对应，所述像素单元上方的外界光能全部通过所述第二微透镜320照射到光电传感器表面，而利用所述聚光装置将横截面与所述光电传感器区150大小相同的外界光汇聚成横截面与一个光电传感器大小相同的入射光，所述较小横截面积的入射光分光后可以使得对应颜色的光全部照射到所述光电传感器表面。由于所述光电传感器能采集到照射到所述像素单元上方的全部外界光的图像信息，而现有技术中所述光电传感器只能采集到部分照射到像素单元上方的外界光的图像信息，利用照射到所述像素单元上方的外界光的全部图像信息使得最后重新合成的图像与原始图像之间失真率大幅降低。

本发明实施例的图像传感器能将照射到所述像素单元表面的外界光通过聚光装置和棱镜进行分光并将红光、绿光、蓝光三种光入射到对应的光电传感器表面，所述三个光电传感器都能采集相应颜色的所有图像信息，而现有技术中图像传感器只能采集到部分相应颜色的图像信息，由于所述三个光电传感器采集到相应颜色的所有图像信息，使得后续重新合成的图像的失真率降低。

实施例II

本发明第二实施例的图像传感器的像素单元阵列式排布的结构示意图请参考第一实施例中的图2，在此不再详述。

请参考图4，为本发明图像传感器第二实施例的示意图。所述图像传感器通常包括阵列式排布的多个像素单元，为了使附图简洁、清楚，附图4中只以一个像素单元为例。图像传感器的其他像素单元与此相同。对于其他像素单元，可作相应替换。

如图4所示，像素单元包括：衬底500；位于所述衬底500内的光电传感器区550，所述像素单元550包括依次位于同一直线的第一光电传感器551、第二光电传感器552、第三光电传感器553；位于所述第二光电传感器552上方的第一分色镜610和位于第一分色镜610上方的第二分色镜620，位于所述第一光电传感器551上方的第一反光镜630，位于所述第三光电传感器553上方的第二反光镜640，所述第一反光镜630和第一分色镜610平行，所述第二反光镜640和第二分色镜620平行；位于所述分色镜和反光镜上方的聚光装置700，所述聚光装置700将横截面与所述光电传感器区550大小相同的外界光汇聚成横截面与一个光电传感器大小相同的入射光并照射到第二分色镜620上表面。

本实施例与图3所示实施例相同的结构不再赘述，本实施例与图3所示实施例的不同之处在于：

本发明实施例中的分光装置为透明介质层600，所述透明介质层600内形成有两个分色镜和两个反光镜。所述两个分色镜包括位于所述第二光电传感器552上方的第一分色镜610和位于所述第一分色镜610上方的第二分色镜620，位于所述第一光电传感器551上方的第一反光镜630，位于所述第三光电传感器553上方的第二反光镜640，所述第一反光镜630和第一分色镜610两平面平行，所述第二反光镜640和第二分色镜620两平面平行。在其他实施例中，所述第一反光镜630和第二分色镜620平面平行，所述第二反光镜640和第一分色镜610两平面平行。

在本实施例中，所述第一分色镜610与衬底500的平面的角度为45°，所述第二分色镜620与衬底500的平面的角度为45°，且所述第一分色镜610与第二分色镜620两平面垂直。在其他实施例中，所述第一分色镜610与衬底500之间的角度和所述第二分色镜620与衬底500之间的角度可以为大于0°、小于90°，优选的，所述第一分色镜610与衬底500之间的角度范围为30°～60°，所述第二分色镜620与衬底500之间的角度范围为30°～60°。

在本实施例中，所述第二分色镜620为红色分色镜，能使得红色光发生反射，除了红光以外的其他颜色的光线能透过所述第二分色镜620，所述与第二分色镜620同一高度的第二反光镜640也为红色分色镜，用于反射红光，所述第二分色镜620和第二反光镜640位于同一高度，可同时形成，以节省制作时的工艺步骤。所述第一分色镜610为蓝色分色镜，能使得蓝色光发生反射，除了蓝色光以外的其他颜色的光线能透过所述第一分色镜610，所述与第一分色镜610同一高度的第一反光镜630也为蓝色分色镜，用于反射蓝光，所述第一分色镜610和第一反光镜630位于同一高度，可同时形成，以节省制作时的工艺步骤。在其他实施例中，所述第一反光镜630和第二反光镜640为普通的反光镜。由于所述分色镜和反光镜为本领域技术人员的公知技术，在此不对所述分色镜和反光镜的构造进行详细描述。

在本实施例中，所述外界光通过聚光装置700后汇聚成的入射光照射到所述第二分色镜620表面，且所述入射光的横截面积与所述光电传感器大小相同。由于所述入射光与衬底平面垂直，所述第二分色镜620平面与衬底500平面的夹角为45°，使得所述入射光中的红光发生反射，所述反射的红光经过位于同一高度的第二反光镜640的再度反射，照射到第三光电传感器553的表面；通过第二分色镜620的透射光线照射到所述第一分色镜610表面，由于所述通过第二分色镜620的透射光线与衬底500平面垂直，所述第一分色镜610平面与衬底500平面的夹角为45°，使得所述入射光中的蓝光发生反射，所述反射的蓝光经过位于同一高度的第一反光镜630的再度反射，照射到第一光电传感器551的表面；通过所述第一分色镜610的透射光线照射到所述第二光电传感器552表面。所述第一光电传感器551采集蓝色光的光子并产生电流，获得照射在所述像素单元的蓝光的图像信息；所述第二光电传感器552采集绿色光的光子并产生电流，获得照射在所述像素单元的绿光的图像信息；所述第三光电传感器553采集红色光的光子并产生电流，获得照射在所述像素单元的红光的图像信息。在其他实施例中，改变第一分色镜和第二分色镜的类型，同时改变所述光电传感器的类型。例如当所述第一分色镜为红色分光镜，所述第二分色镜为绿色分光镜，则所述第一光电传感器采集红光的图像信息，所述第二光电传感器用于采集蓝光的图像信息，所述第三光电传感器用来采集蓝光的图像信息。

利用所述聚光装置将横截面与所述光电传感器区大小相同的外界光汇聚成横截面与一个光电传感器大小相同的入射光，所述较小横截面积的入射光经过分色镜分光后可以使得对应颜色的光全部照射到所述光电传感器表面。由于所述光电传感器能采集到照射到所述像素单元上方的全部外界光的图像信息，而现有技术中所述光电传感器只能采集到部分照射到像素单元上方的外界光的图像信息，利用照射到所述像素单元上方的外界光的全部图像信息使得最后重新合成的图像与原始图像之间失真率大幅降低。

本发明实施例的图像传感器能将照射到所述像素单元表面的外界光通过聚光装置、分色镜、反光镜分成红光、绿光、蓝光三种光并入射到对应的光电传感器表面，所述三个光电传感器都能采集相应颜色的所有图像信息，而现有技术中图像传感器只能采集到部分相应颜色的图像信息，由于所述三个光电传感器采集到相应颜色的所有图像信息，使得后续重新合成的图像的失真率降低。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：

衬底；

位于所述衬底内的光电传感器区，所述光电传感器区具有依次位于同一直线的第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器；

2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电传感器为光电二极管。

3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述三个光电传感器分别采集红光、绿光、蓝光的图像信息。

4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述分光装置为三棱镜。

5.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述三棱镜的宽度大于所述光电传感器的宽度，且小于等于所述光电传感器区的宽度。

6.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述分光装置包括位于所述第二光电传感器上方的第一分色镜和位于第一分色镜上方的第二分色镜，位于所述第一光电传感器上方的第一反光镜，位于所述第三光电传感器上方的第二反光镜，所述第一反光镜和第一分色镜平行，所述第二反光镜和第二分色镜平行。

7.如权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述第一分色镜、第二分色镜分别为红色分色镜、绿色分色镜、蓝色分色镜其中的两种。

8.如权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述第一反光镜与第一分光镜为同一颜色的分色镜，所述第二反光镜与第二分光镜也为同一颜色的分色镜。

9.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述聚光装置包括位于分光装置上方的第一微透镜和位于所述第一微透镜上方的第二微透镜。

10.如权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述第一微透镜为凹透镜，所述第二微透镜为凸透镜。

11.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述聚光装置和分光装置之间、分光装置和光电传感器区之间还形成有透光介质层。