高动态范围彩色图像传感器及相关的方法技术

高动态范围彩色图像传感器包括(a)具有感光像素阵列的硅基板，感光像素阵列具有多个第一像素和多个第二像素，(b)滤色镜层，滤色镜层被布置在硅基板上并至少包括(i)位于多个第一像素的第一子集和多个第二像素的第一子集的上方并用于选择性透射第一颜色的光的多个第一滤色镜，和(ii)位于多个第一像素的第二子集和多个第二像素的第二子集的上方并用于选择性透射第二颜色的光的多个第二滤色镜，以及(c)动态范围扩展层，动态范围扩展层被布置在滤色镜层上并包括被布置在多个第二像素上方以衰减朝多个第二像素传播的光的灰色滤光镜。

【技术实现步骤摘要】
高动态范围彩色图像传感器及相关的方法
本申请涉及图像传感器
，特别地涉及高动态范围彩色图像传感器及相关的方法。
技术介绍
标准图像传感器具有大约60至70dB或更低的有限动态范围。例如，8位传感器具有仅48dB的动态范围。然而，真实世界的亮度动态范围要大得多，且自然场景通常跨越90dB或更大的范围。当图像传感器捕获具有超过传感器动态范围的亮度动态范围的场景时，必定丢失信息。取决于曝光设置，较亮的区域可能饱和和/或较暗的区域可能曝光不足，产生不能重现真实场景的质量的捕获图像。为同步捕获场景的高亮区域和阴影区域，图像传感器已经使用高动态范围(HDR)技术以增加捕获的动态范围。增加动态范围的最常用技术中的一个是将使用标准、低动态范围图像传感器捕获的多个曝光合并为具有比单个曝光图像大得多的动态范围的单个HDR图像。例如，可以以两个不同的曝光时间记录相同场景的图像，其中设置较长的曝光以优化地捕获场景的最暗部分，并设置较短的曝光以优化地捕获场景的最亮部分。然而，这样的图像合并方法频繁地遭受例如由在曝光之间移动的场景中的物体引起的伪影。已经发展了在单个帧中捕获HDR彩色图像的HDR图像传感器。这样的HDR图像传感器包括两个交错的像素阵列，一个像素阵列具有较大的像素且另一个像素阵列具有较小的像素。较大的像素是更加光敏感的，因此对捕获暗场景或场景的暗部分是优选的。较小的像素是较低光敏感的，因此对捕获亮场景或场景的较亮部分是优选的。
技术实现思路
在实施例中，高动态范围(HDR)彩色图像传感器包括具有感光像素阵列的硅基板，感光像素阵列具有多个第一像素和多个第二像素。HDR彩色图像传感器还包括布置在硅基板上并至少具有多个第一滤色镜和多个第二滤色镜的滤色镜层。第一滤色镜位于多个第一像素的第一子集和多个第二像素的第一子集的上方。第一滤色镜用于选择性透射第一颜色范围的光。第二滤色镜位于多个第一像素的第二子集和多个第二像素的第二子集的上方。第二滤色镜用于选择性透射第二颜色范围的光。HDR彩色图像传感器还包括布置在滤色镜层上的动态范围扩展层。动态范围扩展层包括被布置在多个第二像素上方的灰色滤光镜，以衰减朝多个第二像素传播的光。在实施例中，用于制造高动态范围彩色图像传感器的方法包括在具有感光像素阵列的硅基板上沉积滤色镜层，感光像素阵列具有多个第一像素和多个第二像素。沉积的步骤包括至少形成(a)多个第一像素的第一子集和多个第二像素的第一子集上方的多个第一滤色镜和(b)多个第一像素的第二子集和多个第二像素的第二子集上方的多个第二滤色镜。第二滤色镜的厚度超过第一滤色镜的厚度。方法还包括在滤色镜层上沉积动态范围扩展层，动态范围扩展层包括第二像素上方的灰色滤光镜以衰减朝第二像素传播的光。滤色镜层和动态范围扩展层的组合厚度跨感光像素阵列是一致的，以便第二滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度小于第一滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度以在第二滤色镜的透射带中比在第一滤色镜的透射带中更大地补偿灰色滤光镜的材料的衰减。在实施例中，用于生成高动态范围图像的方法可以包括部分地吸收从场景朝感光像素阵列的多个第一像素传播的第一光，以与从场景朝感光像素阵列的多个第二像素传播的第二光相比衰减第一光。多个第二像素与多个第一像素交错。方法还包括部分地吸收的步骤之后，对第一光进行谱滤波以在第一像素处的感光像素阵列上形成场景的衰减的彩色图像，并对第二光进行谱滤波以在第二像素处的感光像素阵列上形成场景的较亮的彩色图像。附图说明图1示出根据实施例的用于生成场景的高动态范围(HDR)图像的高动态范围彩色图像传感器。图2A和2B示出根据实施例的基于相同尺寸的像素实施较高敏感度的像素阵列和较低敏感度的像素阵列的HDR彩色图像传感器。图3A和3B示出根据实施例的实施具有较大像素的较高敏感度的像素阵列和具有较小像素的较低敏感度的像素阵列的HDR彩色图像传感器。图4示出具有布置在硅基板的光接收表面和滤色镜层之间的灰色滤光镜的HDR彩色图像传感器。图5是对于图4的HDR彩色图像传感器的滤色镜层和动态范围扩展层的透射系数的曲线图。图6是对于三种不同厚度的灰色滤光镜的对于图1的HDR彩色图像传感器的灰色滤光镜的一个实施例的透射系数的曲线图。图7是对于图1的HDR彩色图像传感器的滤色镜的一些实施例的透射系数的曲线图。图8示出根据实施例的实施不同厚度的灰色滤光镜的HDR彩色图像传感器。图9是根据实施例的对于图8的HDR彩色图像传感器的一个实施例的灰色滤光镜和滤色镜层的透射系数的曲线图。图10是对于不被灰色滤光镜占据的动态范围扩展层的区域，形成图9的基础的图8的HDR彩色图像传感器的相同实施例的滤色镜层和动态范围扩展层的作为波长的函数的透射系数的曲线图。图11是对于图4的HDR彩色图像传感器的一个示例的滤色镜层和动态范围扩展层的测量的透射系数的曲线图。图12是对于图8的HDR彩色图像传感器的一个实施例的灰色滤光镜和滤色镜层的测量的透射系数的曲线图。图13示出根据实施例的用于生成高动态范围图像的方法。图14示出根据实施例的用于制造HDR彩色图像传感器的方法。图15A-C示出用于形成图8的HDR彩色图像传感器的滤色镜层的图14的方法的部分的一个示例。图16A-D示出用于形成图8的HDR彩色图像传感器的动态范围扩展层的图14的方法的部分的一个示例。具体实施方式图1示出用于生成场景的高动态范围(HDR)图像的一个示例性高动态范围(HDR)彩色图像传感器100。图1在示例性使用情景190中示出HDR彩色图像传感器100。示于图1中的剖面侧视图中的HDR彩色图像传感器100包括具有感光像素阵列112的硅基板110。HDR彩色图像传感器100还包括沉积在硅基板的平面光接收表面118上的滤色镜层120，和沉积在滤色镜层120的表面128上的动态范围扩展层130。表面128背对硅基板110。滤色镜层120为HDR彩色图像传感器100提供彩色灵敏度，且动态范围扩展层130扩展HDR彩色图像传感器100的动态范围超过感光像素阵列112及其相关的读取电路(未示于图1中)的动态范围。示例性使用情景190利用HDR彩色图像传感器100的高动态范围捕获正确示出场景198的暗部分和亮部分的彩色图像。场景192包括将要穿过汽车170前方的公路的跑步者174。汽车170配备有使用HDR彩色图像传感器100以捕获汽车170前方场景的图像的汽车安全系统180，以警告驾驶员或自动汽车控制系统潜在的碰撞。场景192由太阳178背光照亮，且传统的图像传感器将不能生成显示(a)由太阳178照亮的公路172和(b)在房屋176的阴影中的跑步者174的图像。因此，传统的图像传感器将可能无法提供显示跑步者174将要跑到汽车170前方的公路172上的数据。相反，HDR彩色图像传感器100通过动态范围扩展层130能够生成显示公路172和跑步者174的场景192的图像。此外，HDR彩色图像传感器100提供彩色的此图像，其可以进一步帮助汽车安全系统180针对房屋176的背景识别出跑步者174。汽车安全仅是HDR彩色图像传感器100的示例性应用。HDR彩色图像传感器100的其他应用包括照相手机、摄像头和监控照相机。滤色镜层120包括具有分别主要对不同颜色范围敏感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高动态范围彩色图像传感器，包括：硅基板，包括具有多个第一像素和多个第二像素的感光像素阵列；滤色镜层，布置在所述硅基板上，并至少包括(a)位于所述多个第一像素的第一子集和所述多个第二像素的第一子集的上方并用于选择性透射第一颜色范围的光的多个第一滤色镜，以及(b)位于所述多个第一像素的第二子集和所述多个第二像素的第二子集的上方并用于选择性透射第二颜色范围的光的多个第二滤色镜；以及动态范围扩展层，布置在所述滤色镜层上并包括布置在所述多个第二像素的上方以衰减朝所述多个第二像素传播的光的灰色滤光镜。

【技术特征摘要】
2016.12.30 US 15/395,9631.一种高动态范围彩色图像传感器，包括：硅基板，包括具有多个第一像素和多个第二像素的感光像素阵列；滤色镜层，布置在所述硅基板上，并至少包括(a)位于所述多个第一像素的第一子集和所述多个第二像素的第一子集的上方并用于选择性透射第一颜色范围的光的多个第一滤色镜，以及(b)位于所述多个第一像素的第二子集和所述多个第二像素的第二子集的上方并用于选择性透射第二颜色范围的光的多个第二滤色镜；以及动态范围扩展层，布置在所述滤色镜层上并包括布置在所述多个第二像素的上方以衰减朝所述多个第二像素传播的光的灰色滤光镜。2.根据权利要求1所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一子集与所述第二子集不具有重叠。3.根据权利要求1所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一像素形成高敏感度像素阵列，用于与所述滤色镜层协作以捕获场景的高敏感度图像，所述第二像素与所述灰色滤光镜协作以形成与所述高敏感度像素阵列交错的低敏感度像素阵列，用于与所述滤色镜层协作以捕获场景的低敏感度图像。4.根据权利要求3所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一滤色镜布置为多个第一部分，所述第二滤色镜布置为多个第二部分，所述第一部分的每个位于相应一个第一像素和邻近的相应一个第二像素的上方，且所述第二部分的每个位于另一相应一个第一像素和另一邻近的相应一个第二像素的上方。5.根据权利要求1所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第二滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度小于所述第一滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度，以比在所述第一颜色范围内更大地在所述第二颜色范围内补偿灰色滤光镜的材料的衰减。6.根据权利要求5所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述滤色镜层和所述动态范围扩展层的组合的厚度跨所述感光像素阵列是一致的。7.根据权利要求6所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述动态范围扩展层包括所述第一像素的每个的上方的基本透明的材料。8.根据权利要求5所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述滤色镜层还包括位于所述多个第一像素的第三子集和所述多个第二像素的第三子集的上方并用于选择性透射第三颜色范围的光的多个第三滤色镜，所述第三滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度小于所述第二滤色镜上方的灰色滤光镜的厚度，以比在所述第二颜色范围内更大地在所述第三颜色范围内补偿灰色滤光镜的材料的衰减。9.根据权利要求8所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一颜色范围包括可见光谱的红色部分，所述第二颜色范围包括所述可见光谱的绿色部分，以及所述第三颜色范围包括所述可见光谱的蓝色部分。10.根据权利要求9所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，穿过所述滤色镜层和所述动态范围扩展层透射至所述第二像素的光具有对于所述第一滤色镜的第一峰值、对于所述第二滤色镜的第二峰值和对于所述第三滤色镜的第三峰值，所述第一峰值、所述第二峰值和所述第三峰值中的每个至少是所述第一峰值、所述第二峰值和所述第三峰值中的最大值的60％。11.根据权利要求9所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一滤色镜的厚度在0.65微米和0.75微米之间的范围内，所述第二滤色镜的厚度在0.75微米和0.85微米之间的范围内，所述第三滤色镜的厚度在0.85微米和0.95微米之间的范围内，所述灰色滤光镜的厚度在0.3微米和0.8微米之间的范围内，以及所述滤色镜层和所述动态范围扩展层的组合的厚度跨所述感光像素阵列是一致的。12.根据权利要求1所述的高动态范围彩色图像传感器，其中，所述第一像素具有比所述第二像素更大的横向尺寸以进一步扩展动态范围。13.根据权利要求1所述的高动态范围彩色图像传感器，还包括布置在所述硅基板上的金属栅格，用于阻挡朝所述第二像素传播的光...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆震伟，杨大江，奥瑞·奥坤·塞尔克，毛杜立，
申请(专利权)人：豪威科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US