高动态范围的图像传感器件制造技术

一种高动态范围的图像传感器件，包括：贝尔模式单元阵列，其中每个贝尔模式单元包含多个像素，每个像素包含至少一个用于探测近红外光的光电二极管和至少一个用于探测可见光的光电二极管，其中至少两个光电二极管具有不同的积分时间，每一个光电二极管上设有用于引导入射光以到达相应的光电二极管的微透镜；滤光片组合阵列，其中每个滤光片组合与一个像素及其多个光电二极管相对应且该滤光片组合包含至少两个不同的滤光片，所对应的光电二极管中至少两个所对应的积分时间不同；本发明专利技术通过最小化的运动伪影和多个积分时间整合时域HDR功能，可应用于可见光感测、非可见光感测和两者的组合，以获取改进质量的HDR图像。

High dynamic range image sensor

A high dynamic range image sensor, including a Baer mode unit array, each of which contains a plurality of pixels, each of which contains at least one photodiode for detecting near infrared light and at least one photodiode for detecting visible light, at least two photodiodes. There are different integration times, each photodiode has a microlens to guide the incident light to reach the corresponding photodiode; the filter combination array, in which each filter combination is corresponding to one pixel and a plurality of photodiodes, and the filter combination package contains at least two different filters. The corresponding integration time of at least two of the corresponding photodiodes is different; the invention can be applied to visible light sensing, non visible light sensing and combination of both in order to obtain improved quality HDR images by minimizing the motion artifact and integrating time domain HDR functions by minimizing the motion artifact and multiple integration time.

【技术实现步骤摘要】
高动态范围的图像传感器件
本专利技术涉及的是一种可见光-红外光图像传感器领域的技术，具体是一种高动态范围的图像传感器件。
技术介绍
电荷耦合器件(CCD)传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器都广泛用于可见光及红外(IR)成像，动态范围是这两种固态传感器件的重要的性能指标。动态范围可以定义为图像传感器能够测出的最高亮度和最低亮度之比。HDR(HighDynamicRange，高动态范围)图像通常比一般图像更加清晰和丰富，这是由于它更好地同时保留了高光和阴影细节部分。一些现有技术(如包围曝光)通过拍摄不同曝光时间的多张图像以及结合每张图像的特征来产生一张HDR图像。这样的方法要花费几十毫秒的时间且容易受到物体运动的影响，生成不需要的运动伪影。因此，需要通过革新图像传感器架构来提高动态范围和图像质量。而由于缺乏高性能的系统、器件和方法，获取HDR图像面临着巨大挑战。固态传感器，即贝尔模式滤光片传感器，是最常用的传感器类型。如图1所示，该类型传感器包含设置在正方形栅格光电二极管顶部上的光学滤光片(OpticalFilter)阵列，以筛选红光、绿光或蓝光。从顶部视角来看，一个贝尔单元的四个像素所示为四个正方形，包括对角的两个绿色滤光片、红色滤光片和蓝色滤光片。每个像素或滤光片都可具有相同的宽度尺寸X。宽度X的一个典型值是3.0μm。每个正方形包含表示微透镜(ulens)的圆圈。每个光学滤光片都具有布置在其上方的微透镜(ulens)和布置在其下方的光电二极管(PD)。图1(c)可视为从图1(a)的行与列相乘的基础上得到的扩展形式。每个贝尔单元分配的积分时间或长(L)或短(S)，且相邻两个贝尔单元的积分时间不同。由于一个贝尔单元的2*2个像素的积分时间相同，所以需要两个贝尔单元来获取带有两个积分时间的相同图像，这与类似的所有像素都具有统一积分时间的一般传感器相比，降低了图像分辨率。对于可见光-红外光图像传感器，如图11(a)、(c)所示，与图1比较，一个绿色滤光片替换为NIR滤光片。由于具有与其他光学滤光片类似的工作原理，NIR滤光片可使预定波段的光线穿过并阻断其他波长的光线。虽然采用NIR滤光片可进行NIR探测，但牺牲了分辨率、亮度响应和信噪比的性能。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种高动态范围的图像传感器件，将一个像素分成多个子像素，通过晶体管设置光电二极管的与子像素一一对应的积分时间，实现在同一像素内的不同曝光水平；通过滤光片的选择实现可见光、可见光-非可见光的感测，获得高质量的HDR图像。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种图像传感器件，包括：贝尔模式单元阵列，其中的每个贝尔模式单元包含多个像素，每个像素进一步包含：至少一个用于探测近红外光(NIR)的光电二极管和至少一个用于探测可见光的光电二极管，其中至少两个光电二极管具有不同的积分时间。所述的每个贝尔模式单元包含四个像素，每个像素包含四个光电二极管。所述的每个像素中进一步包含至少一个可见光滤光片和至少一个近红外光滤光片。所述多个像素中：第一像素包含至少一个绿滤光片和一个NIR滤光片，该绿滤光片覆盖至少一个对应第一像素的用于探测可见光的光电二极管，该NIR滤光片覆盖一个对应第一像素的用于探测近红外光的光电二极管；第二像素包含至少一个蓝滤光片和一个NIR滤光片，该蓝滤光片覆盖至少一个对应第二像素的用于探测可见光的光电二极管，该NIR滤光片覆盖一个对应第二像素的用于探测近红外光的光电二极管；第三像素包含至少一个红滤光片和一个NIR滤光片，该红滤光片覆盖至少一个对应第三像素的用于探测可见光的光电二极管，该NIR滤光片覆盖一个对应第三像素的用于探测近红外光的光电二极管；第四像素包含至少一个绿滤光片和一个NIR滤光片，该绿滤光片覆盖至少一个对应第四像素的用于探测可见光的光电二极管，该NIR滤光片覆盖一个对应第四像素的用于探测近红外光的光电二极管。其次，本专利技术涉及一种图像传感器件，包括：滤光片组合阵列，其中的每个滤光片组合与一个像素及其多个光电二极管相对应且该滤光片组合包含至少两个不同的滤光片。所述的滤光片组合包括：至少一个NIR滤光片和至少一个彩色滤光片。所述的一个像素包含四个光电二极管，每个滤光片覆盖一个光电二极管，即子像素。所述的每一个光电二极管上进一步设有用于引导入射光以到达相应的光电二极管的微透镜。上述的每一个光电二极管均具有其积分时间，每一个滤光片组合所对应的光电二极管中至少两个所对应的积分时间不同。所述的每一个像素对应的四个光电二极管中至少三个所对应的积分时间均不相同。再次，本专利技术涉及一种图像传感器件，包括：像素阵列，其中的每个像素包含四个光电二极管且至少一个用于探测近红外光。所述的每个光电二极管与用于控制其积分时间的开关相连。所述的开关优选为电荷转移(TX)晶体管。当多个光电二极管所对应的积分时间相同，则这些光电二极管的信号通过合并方式读取。上述滤光片优选为单材料均匀滤光片。所述的积分时间是指：光电二极管收集由入射光子产生的电荷的时间。所述的光电二极管优选与电路总成相连以控制积分时间。所述的电路总成包括：像素电路、行控制电路、列读取电路、时序生成器和处理电路，其中：时序生成器和处理电路控制列读取电路的时钟时序，通过行控制电路控制像素电路，并对接收到的信号进行处理。所述的每一行像素与行控制电路相连，每一列像素与列读取电路相连。所述的像素电路包括：开关、开关控制线、电荷探测节点(FD)、缓存放大器、寻址晶体管(行选择晶体管，RS)和复位晶体管(RST)，其中：开关与对应的开关控制线相连，并通过电荷探测节点分别与缓存放大器和复位晶体管相连；缓存放大器通过寻址晶体管连接感测线(Vout)电荷探测节点通过复位晶体管导电性地接入参考电压(VDDA)线。所述的参考电压线和感测线接入列读取电路，行选择晶体管、复位晶体管通过相应的信号控制线与开关控制线接入行控制电路。技术效果现有技术中的采用的HDR曝光方式，1：如果想保证和非HDR方式相同的曝光时间，只能通过降低分辨率的方式来实现；2：如果想保证相同的分辨率，就只能增加曝光时间。而本专利技术，在保证较少的曝光时间的情况下，不会降低图像分辨率。与现有技术相比，本专利技术通过晶体管控制在同一像素中的光电二极管的不同积分时间，实现在一次曝光探测中获取多曝光水平的图像，与多次探测相比花费的时间大幅减少，可最小化移动产生的运动伪影，与所有像素具有统一积分时间的图像传感器相比，分辨率不会在获取HDR图像时降低；通过将每个像素内的部分可见光滤光片替换为红外光或其他非可见光的滤光片，可见光与非可见光在一个像素内组合，分别探测对应波长的光，可获取改进质量的HDR图像。附图说明图1为现有RGB象限像素传感器示意图；图中：(a)为一个贝尔单元的俯视图，(b)为一个贝尔单元的侧视图，(c)为像素图案；图2为实施例1示意图；图中：(a)为一个贝尔单元的俯视图，(b)为一个贝尔单元的侧视图，(c)为像素图案；图3为实施例1电路总成图；图4为实施例1像素电路图；图5为实施例1读取时序脉冲示意图；图中：(a)为行选择控制信号，(b)为行控制电路控制的信号，(c)为具有四个不同积分时间的读取时序，(d)为具有三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图像传感器件，其特征在于，包括：贝尔模式单元阵列，其中的每个贝尔模式单元包含多个像素，其中每个像素进一步包含：至少一个用于探测近红外光的光电二极管和至少一个用于探测可见光的光电二极管，其中至少两个光电二极管具有不同的积分时间。

【技术特征摘要】
2017.01.25 US 15/415,3761.一种图像传感器件，其特征在于，包括：贝尔模式单元阵列，其中的每个贝尔模式单元包含多个像素，其中每个像素进一步包含：至少一个用于探测近红外光的光电二极管和至少一个用于探测可见光的光电二极管，其中至少两个光电二极管具有不同的积分时间。2.根据权利要求1所述的图像传感器件，其特征是，每个贝尔模式单元包含四个像素，每个像素包含四个光电二极管。3.根据权利要求1所述的图像传感器件，其特征是，每个像素中进一步包含至少一个可见光滤光片和至少一个近红外光滤光片。4.根据权利要求2或3所述的图像传感器件，其特征是，所述多个像素中：第一像素包含至少一个绿滤光片和一个NIR滤光片，该绿滤光片覆盖至少一个对应第一像素的用于探测可见光的光电二极管，该NIR滤光片覆盖一个对应第一像素的用于探测近红外光的光电二极管；第二像素包含至少一个蓝滤光片和一个NIR滤光片，该蓝滤光片覆盖至少一个对应第二像素的用于探测可见光的光电二极管，该NIR滤光片覆盖一个对应第二像素的用于探测近红外光的光电二极管；第三像素包含至少一个红滤光片和一个NIR滤光片，该红滤光片覆盖至少一个对应第三像素的用于探测可见光的光电二极管，该NIR滤光片覆盖一个对应第三像素的用于探测近红外光的光电二极管；第四像素包含至少一个绿滤光片和一个NIR滤光片，该绿滤光片覆盖至少一个对应第四像素的用于探测可见光的光电二极管，该NIR滤光片覆盖一个对应第四像素的用于探测近红外光的光电二极管。5.一种图像传感器件，其特征在于，包括：滤光片组合阵列，其中的每个滤光片组合与一个像素及其多个光电二极管相对应且该滤光片组合包含至少两个不同的滤光片。6.根据权利要求5所述的图像传感器件，其特征是，所述的滤光片组合包括：至少一个NIR滤光片和至少一个彩色滤光片。7.根据权利要求6所述的图像传感器件，其特征是，所述的一个像素包含四个光电二极管，每个滤光片覆盖一个光电二极管，即子像素。8.根据权利要求6所述的图像传感器件，其特征是，每一个光电二极管上进一步设有用于引导入射光以到达相应的光电二极管的微透镜。9.根据权利要求5～8中任一所述的图像传感器件，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：芯视达系统公司，
类型：发明
国别省市：开曼群岛,KY