一種光路傾斜的cmos圖像傳感器的像素陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光路傾斜的CMOS圖像傳感器的像素陣列，通過將像素單元以不小于3的奇數(shù)或偶數(shù)按n×n個的排列方式組成像素單元組重復排列構成像素陣列，并使組中位于中心的像素單元具有平行于入射光的垂直照射方向的光路，位于周圍的像素單元具有傾斜于入射光的垂直照射方向的光路，且周圍像素單元的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管也按相同的傾斜角度設置，實現(xiàn)在一個像素單元組位置既能采集垂直入射的光線，又能采集傾斜入射的光線，從而優(yōu)化了像素陣列對不同方向入射光線的綜合響應能力，大大提高了整體的光敏感度，可以充分優(yōu)化鏡頭邊緣的“暗角”現(xiàn)象，并明顯地提高像素陣列整體的圖像質量。
【專利說明】一種光路傾斜的CMOS圖像傳感器的像素陣列

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種CMOS圖像傳感器，更具體地，涉及一種含有傾斜光路的CMOS圖像傳感器的像素陣列。

【背景技術】
[0002]圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的裝置，在數(shù)字電視、可視通信市場中有著廣泛的應用。根據(jù)光電轉換方式的不同，圖像傳感器通常可以分為電荷耦合器件圖像傳感器(Charge-coupled Device, CCD)和 CMOS 圖像傳感器(CMOS IMAGE SENSOR, CIS)兩類。
[0003]對于CXD來說，一方面，在專業(yè)的科研和工業(yè)領域，具有高信噪比的C⑶成為首選；另一方面，在高端攝影攝像領域，能提供高圖像質量的CCD也頗受青睞。而對于CIS來說，在網絡攝像頭和手機拍照模塊也得到了廣泛應用。
[0004]CCD與CIS相比，前者功耗較高、集成難度較大，而后者功耗低、易集成且分辨率較高。雖然說，在圖像質量方面C⑶可能會優(yōu)于CIS，但是，隨著CIS技術的不斷提高和CMOS制造工藝水平的大幅提升，一部分CIS的圖像質量已經接近于同規(guī)格的(XD。CIS在性能上正在取得實質性的進展，并憑借其低成本、高效率、傳輸速度快等優(yōu)勢被廣泛用于平板電腦、智能手機等各類新興領域。伴隨著照相手機等消費類電子領域對CIS的促進，未來的CMOS圖像傳感器的市場前景將更為廣闊。小尺寸、高性能CIS的設計成為本領域研究的重要課題之一。
[0005]圖像傳感器一個直觀的性能指標就是對圖像的復現(xiàn)能力，而圖像傳感器的像素陣列就是直接關系到這一指標的關鍵性功能模塊。像素陣列可分為正面照射式(Front SideIlluminated, FSI)像素陣列和背照式(Back Side Illuminated, BSI)像素陣列。在 FSI像素陣列的結構中，沿入射光方向依次包括濾鏡層、金屬層和娃基層；娃基層中包括有感光二極管(Photo D1de, H))，濾鏡層一般包括微透鏡(Micro-1ens)和顏色濾鏡陣列(ColorFilter Array, CFA)的二者或其一。如果是BSI像素陣列，則沿入射光方向依次包括濾鏡層、硅基層和金屬層。上述兩種像素陣列在濾鏡層和感光層之間都設有光通道，入射光經過濾鏡層，沿光通道到達硅基層中的PD，使H)感光，實現(xiàn)光電轉換、模數(shù)轉換，并輸出數(shù)字圖像。在采用有源像素傳感器(Active Pixel Sensor,APS)作為其感光單元的CIS的像素陣列中，一個APS (即一個像素單元)包括一個感光二極管(Photo D1de, PD)和一個有源放大器(Active Amplifier)。
[0006]請參閱圖1，圖1是現(xiàn)有技術的一種CMOS圖像傳感器的像素陣列的結構示意圖。如圖1所示，此像素陣列為平面型BSI像素陣列，采用APS作為感光單元，其結構中的微透鏡層6、顏色濾鏡層7、硅基層I和金屬層8以平面形式分層布置(部分重復的相同結構已作省略處理)。微透鏡層6中的每個微透鏡5對應顏色濾鏡層7中的一種顏色的一個顏色濾鏡4 ;硅基層I又稱為H)層，主要成分為硅，其中設有感光二極管(PD) 2和光通道3，光通道3由PD2通向顏色濾鏡4 ;金屬層8主要成分為氧化硅，其中有電路結構9，用來傳遞光電反應后輸出的電信號。一個微透鏡5、顏色濾鏡4、光通道3、PD2和對應的電路結構9構成一個像素單元，像素單元依次排列構成像素陣列。每個像素單元的微透鏡5、顏色濾鏡4、光通道3和PD2形成入射光的傳導光路(如圖中空心箭頭所指)，入射光通過光路傳導至ro，使PD感光，實現(xiàn)光電轉換。在實際制作中，金屬層8和硅基層I是作為整體進行加工的。
[0007]在上述現(xiàn)有技術的像素陣列中，光路的設置方向全部與垂直于像素陣列入射的光線方向平行。當入射光向APS照射時，Sensor (傳感器)表面的金屬材質會反射掉一部分入射光；剩余的光線才會由微透鏡匯聚，通過顏色濾鏡和光通道到達H)。這使得H)感光需要的光強大為受損。在FSI像素陣列中，當光線通過光通道時，由于其中的金屬層有很多層金屬布線，使得光線進一步受到損失。當光線垂直入射時，反射的概率較小，因此其損失較少；而當光線傾斜入射時，反射的概率較大，其損失驟然增大。與FSI像素陣列相比，BSI像素陣列因金屬層處于硅基層的外側，通過縮短的光通道可提高其像素陣列的光敏感度。然而，BSI仍不能徹底解決光線傾斜入射時響應較差的問題。因此，對于整個圖像系統(tǒng)而言，在鏡頭模組的邊緣處，現(xiàn)有技術的像素陣列會采集到明顯的光線衰減，即“暗角”現(xiàn)象，影響圖像的質量。


【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的上述缺陷，提供一種含有傾斜光路的CMOS圖像傳感器的像素陣列，通過將像素單元的數(shù)量η以不小于3的奇數(shù)或偶數(shù)按ηΧη個的排列方式組成像素單元組重復排列構成所述像素陣列，并使組中位于中心的(η-2) X (η-2)個像素單元具有平行于入射光的垂直照射方向的光路，其余位于周圍的像素單元具有傾斜于入射光的垂直照射方向的光路，實現(xiàn)在一個像素單元組位置既能采集垂直入射的光線，又能采集傾斜入射的光線，從而克服了現(xiàn)有技術存在的光線傾斜入射時響應較差的問題，優(yōu)化了像素陣列對不同方向入射光線的綜合響應能力。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下二個技術方案:
[0010]一種光路傾斜的CMOS圖像傳感器的像素陣列，所述像素陣列為背照式像素陣列，所述光路由像素單元的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管形成，其特征在于，所述像素單元的數(shù)量以η表示,按ηΧη個的排列方式組成像素單元組,并以所述像素單元組為單位重復排列構成所述像素陣列，所述η為不小于3的奇數(shù)，每個所述像素單元組中以(η-2) X (η-2)個所述像素單元為中心像素單元，其余的所述像素單元圍繞所述中心像素單元排列形成周圍像素單元；每個所述像素單元組中的全部所述像素單元采用紅色、綠色、藍色三元主色中的其中同一種顏色的所述顏色濾鏡，所述像素陣列的顏色濾鏡陣列以所述像素單元組為單位按Bayer模式排列構成；所述中心像素單元具有平行于所述入射光的垂直照射方向的所述光路，即具有垂直光路，所述周圍像素單元具有傾斜于所述入射光的垂直照射方向的所述光路，即具有傾斜光路。光路傾斜的像素單元排列在光路垂直的像素單元周圍，共同輸出該像素單元組位置獲得的入射光強。
[0011]上述本發(fā)明的圖像像素陣列是以像素單元組為單位的形式，按照Bayer模式的顏色濾鏡陣列排列；如果以I個像素單元為單位來看，則像素單元之間是采用類似Bayer模式的顏色濾鏡陣列排列。例如，以字母R代表紅色濾鏡，G代表綠色濾鏡，B代表藍色濾鏡，在
Bayer模式的一種排列形式的顏色濾鏡陣列中，像素單元的顏色濾鏡按照第一行RGRG......、
第二行GBGB……以此類推的形式排列；而在本發(fā)明的像素陣列中，是以η為不小于3的奇數(shù)的ηΧη個像素單元為一組，一組中的全部像素單元采用同一種顏色的顏色濾鏡，以組為單位按照Bayer模式的顏色濾鏡陣列排列，即按照:第一行R1R2…RnG1G^Gn……、第二行R1R2…RnG1Gf Gn……、第 η 行 R1R2…RnG1G^ Gn……、第 η+1 行 G1G2…GnB1B^..Bn……、第 η+2行G1G2…GnB1B2…Bn……、第η+η行G1G2…GnB1B^ Bn……以此類推的形式排列。
[0012]由于部分像素單元的光路具有一定傾斜角，因此，本發(fā)明的像素陣列對于各個方向入射的光線其綜合敏感度大大提高，即在一個像素單元組位置既能采集垂直入射的光線，又能采集傾斜入射的光線。由于部分傾斜的入射光線也能在較少反射的情況下沿傾斜的光路抵達感光二極管，使這些像素單元對傾斜入射的光線的響應得到明顯改善，從而大大提高了像素陣列整體的光敏感度。對于整個圖像系統(tǒng)而言，在鏡頭模組邊緣處，現(xiàn)有技術的像素陣列會采集到明顯的光線衰減，即“暗角”現(xiàn)象，而本發(fā)明的像素陣列能夠極大程度的優(yōu)化這種情況，在邊角處輸出更為明亮、更為清晰的圖像。
[0013]進一步地，各所述周圍像素單元的所述光路相對于所述中心像素單元的所述光路按相同的外傾夾角傾斜設置，即周圍像素單元朝向中心像素單元的外側方向對稱傾斜設置，形成面向入射光方向的喇叭口形狀，各所述周圍像素單元的所述微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管按與所述外傾夾角相同的角度傾斜設置，也就是各周圍像素單元光路中的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管整體向中心像素單元的外側方向對稱地偏轉相同的角度。
[0014]進一步地，每個所述像素單元組中的各所述像素單元的所述微透鏡的外接面形成凸面曲面形狀。
[0015]進一步地，各所述周圍像素單元的所述光路相對于所述中心像素單元的所述光路按相同的內傾夾角傾斜設置，即周圍像素單元朝向中心像素單元的內側方向對稱傾斜設置，形成背向入射光方向的喇叭口形狀，各所述周圍像素單元的所述微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管按與所述內傾夾角相同的角度傾斜設置，也就是各周圍像素單元光路中的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管整體向中心像素單元的內側方向對稱地偏轉相同的角度。
[0016]進一步地，每個所述像素單元組中的各所述像素單元的微透鏡的外接面形成凹面曲面形狀。
[0017]各所述像素單元的微透鏡的外接面形成凸面或凹面曲面形狀，可使每個光路中的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管保持原有的形狀和大小，并以顏色濾鏡為連接點緊密排列，避免對原有的光電轉換性能產生影響。
[0018]進一步地，所述夾角小于攝像鏡頭視角的半角，否則，位于整個像素陣列邊緣的周圍像素單元將不能采集傾斜入射的光線。
[0019]本發(fā)明的另一個技術方案是:
[0020]一種光路傾斜的CMOS圖像傳感器的像素陣列，所述像素陣列為背照式像素陣列，所述光路由像素單元的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管形成，其特征在于，所述像素單元的數(shù)量以η表示,按ηΧη個的排列方式組成像素單元組,并以所述像素單元組為單位重復排列構成所述像素陣列，所述η為不小于4的偶數(shù)，每個所述像素單元組中以(η-2) X (η-2)個所述像素單元為中心像素單元，其余的所述像素單元圍繞所述中心像素單元排列形成周圍像素單元；將所述像素單元組的全部所述像素單元均分在平面坐標系的四個象限中，每個所述象限中的全部所述像素單元采用紅色、綠色、藍色三元主色中的其中同一種顏色的所述顏色濾鏡，所述像素陣列的顏色濾鏡陣列以每個所述象限中的全部所述像素單元為單位按Bayer模式排列構成；所述中心像素單元具有平行于所述入射光的垂直照射方向的所述光路，即具有垂直光路，所述周圍像素單元具有傾斜于所述入射光的垂直照射方向的所述光路，即具有傾斜光路。光路傾斜的像素單元排列在光路垂直的像素單元周圍，共同輸出該像素單元組位置獲得的入射光強。
[0021]上述本發(fā)明第二個技術方案的圖像像素陣列是將像素單元組的全部像素單元均分在平面坐標系的四個象限中，并以每個象限中的全部所述像素單元為單位，按照Bayer模式的顏色濾鏡陣列排列；如果以I個像素單元為單位來看，則像素單元之間是采用類似Bayer模式的顏色濾鏡陣列排列。例如，以字母R代表紅色濾鏡，G代表綠色濾鏡，B代表藍色濾鏡，在Bayer模式的一種排列形式的顏色濾鏡陣列中，像素單元的顏色濾鏡按照第一行RGRG……、第二行GBGB……以此類推的形式排列；而在本發(fā)明的上述像素陣列中，是將像素單元組的ηΧη個像素單元均分在四個象限，每個象限包括η/4個像素單元，并以每個象限的η/4個像素單元為一組，一組中的全部像素單元采用同一種顏色的顏色濾鏡，以此組為單位按照Bayer模式的顏色濾鏡陣列排列，即按照:第一行IV-Riv2Gn72^Gn……、第η/2行
RrHriV2GiV2V-Gn......、第 n/2+l 行 G1-Giv2Bn7iw…Bn......、第 η 行 G1-Gn72Biv^1 …Bn......以此類推的形式排列。
[0022]采用第二個技術方案可以實現(xiàn)與第一個技術方案相近的技術效果，對于由不同數(shù)量η的像素單元構成的像素單元組，區(qū)別在于，隨著η的增大，中心像素單元在像素單元組中的數(shù)量比例也在增加，使像素陣列中光路垂直的像素單元比例增多，所以，對垂直入射光線的采集效果提高了。
[0023]進一步地，各所述周圍像素單元的所述光路相對于所述中心像素單元的所述光路按相同的外傾夾角傾斜設置，即像素單元組中的周圍像素單元朝向中心像素單元的外側方向對稱傾斜設置，形成面向入射光方向的喇叭口形狀，各所述周圍像素單元的所述微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管按與所述外傾夾角相同的角度傾斜設置，也就是像素單元組中的各周圍像素單元光路中的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管整體向中心像素單元的外側方向對稱地偏轉相同的角度。
[0024]進一步地，每個所述像素單元組中的各所述像素單元的所述微透鏡的外接面形成凸面曲面形狀。
[0025]進一步地，各所述周圍像素單元的所述光路相對于所述中心像素單元的所述光路按相同的內傾夾角傾斜設置，即像素單元組中的周圍像素單元朝向中心像素單元的內側方向對稱傾斜設置，形成背向入射光方向的喇叭口形狀，各所述周圍像素單元的所述微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管按與所述內傾夾角相同的角度傾斜設置，也就是像素單元組中的各周圍像素單元光路中的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管整體向中心像素單元的內側方向對稱地偏轉相同的角度。
[0026]進一步地，每個所述像素單元組中的各所述像素單元的所述微透鏡的外接面形成凹面曲面形狀。
[0027]進一步地，所述夾角小于攝像鏡頭視角的半角，否則，位于整個像素陣列邊緣的周圍像素單元將不能采集傾斜入射的光線。
[0028]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明通過將像素單元的數(shù)量以η表示，η為不小于3的奇數(shù)或偶數(shù)，按ηΧη個的排列方式組成像素單元組，并以所述像素單元組為單位重復排列構成所述像素陣列，并使組中位于中心的(η-2) X (η-2)個像素單元具有平行于入射光的垂直照射方向的光路，其余位于周圍的像素單元具有傾斜于入射光的垂直照射方向的光路，且周圍的像素單元的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管也按相同的傾斜角度設置，實現(xiàn)在一個像素單元組位置既能采集垂直入射的光線，又能采集傾斜入射的光線，并可根據(jù)需要調整垂直光路與傾斜光路在像素單元組中所占的比例，從而優(yōu)化了像素陣列對不同方向入射光線的綜合響應能力，大大提高了整體的光敏感度。本發(fā)明充分利用現(xiàn)有技術為基礎進行創(chuàng)新，其成本可控，可以充分優(yōu)化鏡頭邊緣的“暗角”現(xiàn)象，并明顯地提高像素陣列整體的圖像質量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是現(xiàn)有技術的一種CMOS圖像傳感器的像素陣列的結構示意圖；
[0030]圖2是Bayer模式的CFA模式示意圖；
[0031]圖3是本發(fā)明實施例一中的CMOS圖像像素陣列的結構示意圖；
[0032]圖4是本發(fā)明實施例二中的CMOS圖像像素陣列的結構示意圖；
[0033]圖5是本發(fā)明實施例一和實施例二中的CMOS圖像像素陣列的CFA模式示意圖；
[0034]圖6是本發(fā)明實施例三中的CMOS圖像像素陣列的結構示意圖；
[0035]圖7是本發(fā)明實施例四中的CMOS圖像像素陣列的結構示意圖；
[0036]圖8是本發(fā)明實施例三和實施例四中的CMOS圖像像素陣列的CFA模式示意圖。

【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0038]需要說明的是，在下述的實施例中，在詳述本發(fā)明的實施方式時，為了清楚地表示本發(fā)明的結構以便于說明，特對附圖中的結構不依照一般比例繪圖，并進行了局部放大、變形及省略處理，因此，應避免以此作為對本發(fā)明的限定來加以理解。
[0039]實施例一
[0040]在本實施例中，請參閱圖3，圖3是本發(fā)明實施例一中的CMOS圖像像素陣列的結構示意圖。如圖3所示，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的像素陣列采用背照式像素陣列，按面向入射光方向依次包括金屬層21、娃基層12、顏色濾鏡層20和微透鏡層19。金屬層21主要成分為氧化娃，其中有電路結構22,用于將光電轉換的電信號傳輸?shù)酵鈬娐愤M行處理；硅基層12又稱為H)(感光二極管)層，主要成分為硅，設有感光二極管13和光通道14，感光二極管13用于對接收的入射光進行光電轉換，光通道14用于傳導入射光；顏色濾鏡層20和微透鏡層19用于對入射光進行聚焦和得到彩色圖像。
[0041]請繼續(xù)參閱圖3。像素陣列的每個像素單元包括一個微透鏡16、顏色濾鏡15、光通道14、PD13以及對應電路結構22的金屬層21部分，像素單元依次排列構成像素陣列。在實際制作中是將硅基層12、金屬層21采用現(xiàn)有工藝整體進行加工的，再在硅基層12上制作顏色濾鏡層20和微透鏡層19。像素單元的微透鏡16、顏色濾鏡15、光通道14和感光二極管13形成入射光傳導的光路(如圖中空心箭頭所指)。
[0042]請繼續(xù)參閱圖3。將像素陣列的像素單元按奇數(shù)個的3X3個的排列方式組成像素單元組，并以像素單元組為單位重復排列構成整個像素陣列。圖中所示的是2個像素單元組中其中的位于中間一行的各3個像素單元的結構(右側I個像素單元組中的金屬層和硅基層作省略處理)，像素單元組中以中間的I個像素單元為中心像素單元，圍繞中心像素單元的周圍排列有8個周圍像素單元。中心像素單元具有平行于入射光的垂直照射方向的垂直光路，8個周圍像素單元具有傾斜于入射光的垂直照射方向的傾斜光路。8個光路傾斜的周圍像素單元排列在光路垂直的中心像素單元周圍，共同輸出該像素單元組位置獲得的入射光強。
[0043]請繼續(xù)參閱圖3。8個周圍像素單元的光路相對于中心像素單元的光路按相同的外傾夾角17傾斜設置，即周圍像素單元朝向中心像素單元的外側方向對稱傾斜設置，形成面向入射光方向的喇叭口形狀。分別形成的各個夾角17的頂點23相交于一點，保證了 8個周圍像素單元的光路傾斜方向的對稱性。各周圍像素單元的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管也同樣按與外傾夾角17相同的角度傾斜設置，也就是各周圍像素單元光路中的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管整體向中心像素單元的外側方向對稱地偏轉相同的角度。每個像素單元組中的9個像素單元的微透鏡的外接面18形成凸面曲面形狀，使每個光路中的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管保持原有的形狀和大小，并以顏色濾鏡為連接點緊密排列，避免對原有的光電轉換性能產生影響。外傾夾角17應小于攝像鏡頭視角的半角，否則，位于整個像素陣列邊緣的周圍像素單元將不能采集傾斜入射的光線。例如，對于36毫米的主流鏡頭，其視角經計算為89度，則半視角為44.5度，即周圍像素單元的光路的傾斜角度應小于44.5度，才可以保證位于整個像素陣列邊緣的周圍像素單元能夠采集傾斜入射的光線。
[0044]在本實施例中，像素陣列的顏色濾鏡陣列以上述的像素單元組為單位按Bayer模式排列構成。下面通過圖2和圖5來具體說明在本實施例中像素陣列的顏色濾鏡陣列的構成方式。
[0045]請參閱圖2，圖2是Bayer模式的CFA模式示意圖。如圖2所示，構成像素陣列的像素單元的顏色濾鏡10按圖示形式排列形成顏色濾鏡陣列11。以字母R代表紅色濾鏡，G代表綠色濾鏡，B代表藍色濾鏡，在Bayer模式的一種排列形式的顏色濾鏡陣列中，像素單元的顏色濾鏡按照第一行RGRG……、第二行GBGB……以此類推的形式排列。Bayer模式還具有另外3種顏色濾鏡陣列形式，即按照第一行GRGR……、第二行BGBG……以此類推的形式排列；或按照第一行GBGB……、第二行RGRG……以此類推的形式排列；以及按照第一行BGBG……、第二行GRGR……以此類推的形式排列。下面，以Bayer模式的上述第一種排列形式為例，來詳細說明本實施例中像素陣列的顏色濾鏡陣列的構成方式。
[0046]請參閱圖5，圖5是本發(fā)明實施例一和實施例二中的CMOS圖像像素陣列的CFA模式示意圖。如圖5所示，4個像素單元組27、28、31和32如圖示形式排列，每個像素單元組中的全部9個像素單元采用紅色、綠色、藍色三元主色中的其中同一種顏色的顏色濾鏡，即像素單元組28中的全部9個像素單元29采用紅色顏色濾鏡，像素單元組31中的全部9個像素單元30采用綠色顏色濾鏡，像素單元組27中的全部9個像素單元34采用綠色顏色濾鏡，像素單元組32中的全部9個像素單元33采用藍色顏色濾鏡。
[0047]請繼續(xù)參閱圖5。本實施例的圖像像素陣列是以像素單元組為單位的形式，按照圖2的Bayer模式的顏色濾鏡陣列的排列模式構成。即按照:第一行RRRGGG……、第二行RRRGGG......、第三行RRRGGG......、第四行GGGBBB......、第五行GGGBBB......、第六行
GGGBBB……以此類推的形式排列。也就是說，本實施例的圖像像素陣列是以像素單元組的形式替代Bayer模式中的單個像素單元，來按照Bayer模式排列構成顏色濾鏡陣列的。
[0048]由于部分像素單元的光路具有一定傾斜角，因此，本發(fā)明的像素陣列對于各個方向入射的光線其綜合敏感度大大提高，即在一個像素單元組位置既能采集垂直入射的光線，又能采集傾斜入射的光線。由于部分傾斜的入射光線也能在較少反射的情況下沿傾斜的光路抵達感光二極管，使這些像素單元對傾斜入射的光線的響應得到明顯改善，從而大大提高了像素陣列整體的光敏感度。對于整個圖像系統(tǒng)而言，在鏡頭模組邊緣處，現(xiàn)有技術的像素陣列會采集到明顯的光線衰減，即“暗角”現(xiàn)象，而本發(fā)明的像素陣列能夠極大程度的優(yōu)化這種情況，在邊角處輸出更為明亮、更為清晰的圖像。
[0049]實施例二
[0050]在本實施例中，請參閱圖4，圖4是本發(fā)明實施例二中的CMOS圖像像素陣列的結構示意圖。如圖4所示,與實施例一的不同之處在于,8個周圍像素單元的光路相對于中心像素單元的光路(圖中空心箭頭所指代表光路方向)按相同的內傾夾角24傾斜設置，即周圍像素單元朝向中心像素單元的內側方向對稱傾斜設置，形成背向入射光方向的喇叭口形狀。分別形成的各個夾角的頂點25同樣相交于一點，保證了 8個周圍像素單元的光路傾斜方向的對稱性。各周圍像素單元的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管也同樣按與內傾夾角相同的角度傾斜設置，也就是各周圍像素單元光路中的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管整體向中心像素單元的內側方向對稱地偏轉相同的角度。每個像素單元組中的9個像素單元的微透鏡的外接面26形成凹面曲面形狀，使每個光路中的微透鏡16、顏色濾鏡15、光通道14和感光二極管13保持原有的形狀和大小，并以顏色濾鏡為連接點緊密排列，避免對原有的光電轉換性能產生影響。本實施例的圖像像素陣列同樣是按照圖5的模式構成顏色濾鏡陣列。本實施例與實施例一的區(qū)別僅在于各周圍像素單元的光路的傾斜方向的差異，其他方面基本相同，故不再重復詳述。
[0051]實施例三
[0052]在本實施例中，請參閱圖6，圖6是本發(fā)明實施例三中的CMOS圖像像素陣列的結構示意圖。如圖6所示，與實施例一的不同之處在于，像素單元是按偶數(shù)個的4X4個的排列方式組成像素單元組，并以像素單元組為單位重復排列構成像素陣列。圖中所示的是2個像素單元組中其中的位于第二行的各4個像素單元的排列結構(對像素單元組中的金屬層和硅基層作省略處理)，每個像素單元組中以2 X 2個像素單元作為中心像素單元，其他12個像素單元圍繞中心像素單元排列形成周圍像素單元。4個中心像素單元具有平行于入射光的垂直照射方向的垂直光路，12個周圍像素單元具有傾斜于入射光的垂直照射方向的傾斜光路(圖中空心箭頭所指代表光路方向)。12個光路傾斜的周圍像素單元排列在4個光路垂直的中心像素單元周圍，共同輸出該像素單元組位置獲得的入射光強。
[0053]請繼續(xù)參閱圖6。像素單元組中與每個中心像素單元對應的3個周圍像素單元的光路相對于該中心像素單元的光路按相同的外傾夾角35傾斜設置，即像素單元組中的全部12個周圍像素單元朝向4個中心像素單元的外側方向對稱傾斜設置，形成面向入射光方向的喇叭口形狀。3個周圍像素單元的光路與對應中心像素單元的光路分別形成的3個夾角的頂點37相交于一點，并且,全部12個夾角的頂點38也相交于一點,保證了周圍像素單元的光路傾斜方向的對稱性。各周圍像素單元的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管也同樣按與外傾夾角35相同的角度傾斜設置，也就是像素單元組中12個周圍像素單元光路中的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管整體向4個中心像素單元的外側方向對稱地偏轉相同的角度。每個像素單元組中的16個像素單元的微透鏡的外接面36形成凸面曲面形狀，使每個光路中的微透鏡16、顏色濾鏡15、光通道14和感光二極管13保持原有的形狀和大小，并以顏色濾鏡為連接點緊密排列，避免對原有的光電轉換性能產生影響。
[0054]下面通過圖8來具體說明在本實施例中像素陣列的顏色濾鏡陣列的構成方式。
[0055]請參閱圖8，圖8是本發(fā)明實施例三和實施例四中的CMOS圖像像素陣列的CFA模式示意圖。如圖8所示，16個像素單元以4X4方式組成I個像素單元組41。每個中心像素單元與其外圍3個對應的周圍像素單元共同采用紅色、綠色、藍色三元主色中的其中同一種顏色的顏色濾鏡，即中心像素單元43與其外圍3個對應的周圍像素單元42采用紅色顏色濾鏡，中心像素單元44與其外圍3個對應的周圍像素單元45采用綠色顏色濾鏡，中心像素單元48與其外圍3個對應的周圍像素單元49采用綠色顏色濾鏡，中心像素單元47與其外圍3個對應的周圍像素單元46采用藍色顏色濾鏡。
[0056]請繼續(xù)參閱圖8。本實施例的圖像像素陣列是以像素單元組中的I個中心像素單元與其外圍3個對應的周圍像素單元為單位的4個像素單元組合的形式，按圖2的Bayer模式排列構成像素陣列的顏色濾鏡陣列。即按照:第一行RRGG……、第二行RRGG……、第三行GGBB……、第四行GGBB……以此類推的形式排列。也就是說，本實施例的圖像像素陣列是將像素單元組的4X4個共16個像素單元均分在四個象限。第一象限包括4個像素單元，其中I個是中心像素單元44，其他是該中心像素單元外圍3個對應的周圍像素單元45，第二、三、四象限以此類推。并以每個象限的4個像素單元為一組，一組中的4個像素單元采用同一種顏色的顏色濾鏡，以此組為單位的形式替代Bayer模式中的單個像素單元，來按照Bayer模式排列構成顏色濾鏡陣列的。
[0057]采用本實施例可以實現(xiàn)與實施例一相近的技術效果，區(qū)別在于，本實施例的像素陣列中光路垂直的像素單元比例增多，所以，對垂直入射光線的采集效果提高了。本實施例的其他方面與實施例一基本相同，故不再重復詳述。
[0058]實施例四
[0059]在本實施例中，請參閱圖7，圖7是本發(fā)明實施例四中的CMOS圖像像素陣列的結構示意圖。如圖7所示，與實施例三的不同之處在于，與每個中心像素單元對應的3個周圍像素單元的光路相對于該中心像素單元的所述光路按相同的內傾夾角39傾斜設置，即像素單元組中的全部12個周圍像素單元朝向4個中心像素單元的內側方向對稱傾斜設置，形成背向入射光方向的喇叭口形狀。每個像素單元組中的16個像素單元的微透鏡的外接面40形成凹面曲面形狀，使每個光路中的微透鏡16、顏色濾鏡15、光通道14和感光二極管13保持原有的形狀和大小，并以顏色濾鏡為連接點緊密排列，避免對原有的光電轉換性能產生影響。本實施例的圖像像素陣列同樣是按照圖8的模式構成顏色濾鏡陣列。本實施例與實施例三的區(qū)別僅在于各周圍像素單元的光路的傾斜方向的差異，其他方面基本相同，故不再重復詳述。
[0060]以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發(fā)明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種光路傾斜的CMOS圖像傳感器的像素陣列，所述像素陣列為背照式像素陣列，所述光路由像素單元的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管形成，其特征在于，所述像素單元的數(shù)量以η表示,按ηΧη個的排列方式組成像素單元組,并以所述像素單元組為單位重復排列構成所述像素陣列，所述η為不小于3的奇數(shù)，每個所述像素單元組中以(η-2) X (η-2)個所述像素單元為中心像素單元，其余的所述像素單元圍繞所述中心像素單元排列形成周圍像素單元；每個所述像素單元組中的全部所述像素單元采用同一種顏色的所述顏色濾鏡，所述像素陣列的顏色濾鏡陣列以所述像素單元組為單位按Bayer模式排列構成；所述中心像素單元具有平行于所述入射光的垂直照射方向的所述光路，所述周圍像素單元具有傾斜于所述入射光的垂直照射方向的所述光路。
2.如權利要求1所述的像素陣列，其特征在于，各所述周圍像素單元的所述光路相對于所述中心像素單元的所述光路按相同的外傾夾角傾斜設置，各所述周圍像素單元的所述微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管按與所述外傾夾角相同的角度傾斜設置。
3.如權利要求2所述的像素陣列，其特征在于，每個所述像素單元組中的各所述像素單元的所述微透鏡的外接面形成凸面曲面形狀。
4.如權利要求1所述的像素陣列，其特征在于，各所述周圍像素單元的所述光路相對于所述中心像素單元的所述光路按相同的內傾夾角傾斜設置，各所述周圍像素單元的所述微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管按與所述內傾夾角相同的角度傾斜設置。
5.如權利要求4所述的像素陣列，其特征在于，每個所述像素單元組中的各所述像素單元的微透鏡的外接面形成凹面曲面形狀。
6.一種光路傾斜的CMOS圖像傳感器的像素陣列，所述像素陣列為背照式像素陣列，所述光路由像素單元的微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管形成，其特征在于，所述像素單元的數(shù)量以η表示,按ηΧη個的排列方式組成像素單元組,并以所述像素單元組為單位重復排列構成所述像素陣列，所述η為不小于4的偶數(shù)，每個所述像素單元組中以(η-2) X (η-2)個所述像素單元為中心像素單元，其余的所述像素單元圍繞所述中心像素單元排列形成周圍像素單元；將所述像素單元組的全部所述像素單元均分在平面坐標系的四個象限中，每個所述象限中的全部所述像素單元采用同一種顏色的所述顏色濾鏡，所述像素陣列的顏色濾鏡陣列以每個所述象限中的全部所述像素單元為單位按Bayer模式排列構成；所述中心像素單元具有平行于所述入射光的垂直照射方向的所述光路，所述周圍像素單元具有傾斜于所述入射光的垂直照射方向的所述光路。
7.如權利要求6所述的像素陣列，其特征在于，各所述周圍像素單元的所述光路相對于所述中心像素單元的所述光路按相同的外傾夾角傾斜設置，各所述周圍像素單元的所述微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管按與所述外傾夾角相同的角度傾斜設置。
8.如權利要求7所述的像素陣列，其特征在于，每個所述像素單元組中的各所述像素單元的所述微透鏡的外接面形成凸面曲面形狀。
9.如權利要求6所述的像素陣列，其特征在于，各所述周圍像素單元的所述光路相對于所述中心像素單元的所述光路按相同的內傾夾角傾斜設置，各所述周圍像素單元的所述微透鏡、顏色濾鏡、光通道和感光二極管按與所述內傾夾角相同的角度傾斜設置。
10.如權利要求9所述的像素陣列，其特征在于，每個所述像素單元組中的各所述像素單元的所述微透鏡的外接面形成凹面曲面形狀。
【文檔編號】H01L27/146GK104183612SQ201410377485
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權日:2014年8月1日
【發(fā)明者】陳嘉胤 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 成都微光集電科技有限公司