具有全局分离的色带的图像传感器的制作方法

专利名称：具有全局分离的色带的图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子彩色图像传感器，尤其涉及用于制造小型摄影装置或照相机(例如，可以将其结合到移动电话当中)的非常小的传感器。
背景技术：
我们希望能够尽可能以成本最为低廉的工艺制造整个照相机，同时又能满足不断提高的分辨率、比色质量和紧凑性要求。
可以通过下述方式制造彩色图像传感器对硅晶片的正面进行各种操作，例如，设置掩模、杂质注入、具有各种成分的临时层或定型层的淀积、对这些层的蚀刻、热处理等；采用这些操作界定感光点矩阵和用于处理与这些点相关的电信号的电路；之后，在所述硅晶片的正面上淀积滤色器层，对它们进行单独蚀刻，以界定矩阵图案；所述矩阵包括处于行和列中的、针对传感器的每一像素的、由三个或优选四个不同颜色的滤色器构成的组。每一基本滤光器位于相应的感光区之上，用于接收单一颜色的光。位于紧邻的感光区上的紧密相邻的滤光器具有不同的颜色。因此，每一像素理论上包括位于界定像素的四个相邻感光区上的四个滤色器(通常两个为绿色，一个为红色，一个为蓝色)。
由于分辨率高的缘故，相邻区域相互靠得非常近，因而存在相当的产生光串扰的风险，所述光串扰或者是由于以某一感光区为目标的某些光落在了相邻区域上导致的，或者是由于某一感光区内的一些光生电子实际上被相邻的区域俘获所导致的。当然，其给空间分辨率造成了一定的损失，其主要影响具有高空间频率的图像景物。但是，最重要的是，在涉及到比色法时，相邻区域之间的这一光串扰现象被证明是非常关键的即使只具有低空间频率的图像区域(例如，具有均匀的红色的图像区域)也有可能受到影响——由于对应于其他颜色的相邻像素系统地探测到并非以其为目标的电子，因而颜色品质受到了系统地降低。由均匀红色区域产生的电子图像不再是红色，而是包括绿色和蓝色成分。
这一导致了比色法的劣化的光串扰在CMOS技术中尤为敏感，因为在该技术中，串扰源自位于滤色器和感光区之间的层的大高度(几微米)。
在彩色图像传感器中还存在其他比色法问题，尤其是网纹干扰问题，该问题是由所执行的内插处理导致的，执行该处理的目的在于向某些像素提供第一颜色的亮度值，所述像素并不对应于这一颜色，但是其位于显示该颜色的两个像素之间。
在专利FRA2829289中公开了一种具有减薄的衬底的结构，由此降低比色质量缺陷问题。

发明内容
本发明提出了一种改进比色法的方式，其既适用于常规结构，也适用于减薄衬底的结构，而且适用于任何采用了该技术的应用(CMOS或非CMOS)。
本发明的主题是一种设有光学系统的彩色图像传感器，所述光学系统用于将所要观察的景物投射到在与所述光学系统集成的同一单块半导体芯片上制造的感光区阵列上，其特征在于，感光区阵列被划分为至少两个能够单独读取的矩阵且所述光学系统包括几个光学组件，将每一光学组件设计为将所要观察的整个景物投射到相应的矩阵上，两个不同颜色的均匀滤光器分别置于所述的各个矩阵之上，从而使单一颜色的光通向每一矩阵。
因此，并不是采用不同滤色器覆盖传感器的相邻像素，而是使得所有的矩阵当中的每一个矩阵被单色滤光器覆盖，所述单色滤光器不同于相邻矩阵的单色滤光器。
目前，已知能够生产出具有非常短的焦距的光学系统，所述光学系统能够将景物的聚焦图像投射到具有几十万像素的矩阵上，所述矩阵的每一边具有几毫米的尺寸。可以在传感器的组合制造过程中将这些系统制造并安装到所述传感器上，也就是说，在将硅晶片划分为单独的传感器之前，将其制造并安装到所述晶片上。因此，有可能集合制造包括很多相对于彼此得到了非常精确的定位的光学组件的板，以及集合制造承载了各个传感器的硅晶片，通过与所述光学组件相同的方式使所述传感器的矩阵得到非常精确的定位，可以将所述板和所述晶片并置，从而使每一光学组件面对相应的感光矩阵；之后，将所述晶片/板组合件划分为单个传感器，每一传感器包括几个光学组件和几个矩阵，其能够以针对每一矩阵的相应单色接收所要观察的景物的完整图像。
在实践中，采用四个矩阵，如果所述矩阵为正方形，那么将这些矩阵布置在正方形中，如果所述矩阵为矩形，那么将这些矩阵布置在矩形中，沿所述正方形或矩形的对角线放置两个与绿色滤光器相关的矩阵，沿另一对角线放置另两个矩阵，其中一个与红色滤光器相关，另一个与蓝色滤光器相关。
将来自同一个传感器芯片的不同矩阵的信号结合起来，从而以各种不同的颜色提供图像的总体表现。所述结合操作只是简单地将接收自位于不同矩阵内并且在各个矩阵内处于相同的相对位置的几个(四个)区域的光通量，分配给电子彩色图像的同一点(一个点包括几个彩色分量)，而不是将接收自同一矩阵的几个相邻感光区的光通量分配给该点。所述相对位置将考虑定位缺陷，其表示在光学组件的中心和对应矩阵的中心之间可能存在偏移，所述偏移对于各个不同的光学组件可能是不同的。
本发明使得解决，至少部分解决在某些情况下现有技术所面临的比色法问题成为了可能。这是因为，现在相邻感光区之间生成的串扰仅作用于同一颜色的像素之间。如现有技术中所述，这一串扰将通过分辨率的丧失而表现出来，这是不可避免的，并且必然导致对比色法的损害。
这一解决方案假设，在理论上，将所要观察的景物的图像以相同的方式准确地投射到各个矩阵上，那就是，将所要观察的景物的任何一个图像点以相同的相对位置投射到四个矩阵上。但是，如果所述光学组件的精确度不足以确保这一相对位置的一致性，那么稍后将看到，可以找到至少部分补偿这些位置误差的电子校正措施。
具体而言，所述矩阵优选大于所要观察的景物的图像。通过这种方式，假设由于所述光学组件和所述矩阵之间的相对定位缺陷的原因而没有将所要观察的景物的中心点准确地投射到四个矩阵的中心，那么有可能校准所述定位误差，之后在不损失图像片段的情况下使各个矩阵输出的信号发生与所观察到的误差成比例的电子偏移，所要观察的景物的整个图像仍然被投射到四个矩阵上，即使所述图像的中心不再准确地落在这些矩阵的中心上。
应当指出，只有当与两个光学组件的中心的间隔相比较，从对象到传感器的距离非常大时，由两个并排设置的光学传感器投射到两个等同的矩阵上的对象图像的中心才会以同样的方式定位在两个矩阵上。如果将所述对象置于非无穷远处，那么对象靠得越近，投射到两个矩阵上的图像就越倾向于相互远离。可以将所述偏移作为对象距离的函数(对于给定的光学组件间隔而言)计算，可以将这一偏移考虑在内，从而使各个矩阵提供的图像变为点对点对应。两个相邻矩阵上的图像之间的相对偏移与对应光学组件的间隔成正比，与对象的距离成反比。
根据本发明的一个重要特征，可以在如下情况下计算这一偏移，即，所述传感器包括两个针对绿色的矩阵，一个针对红色的矩阵和一个针对蓝色的矩阵。在这种情况下，如果希望拍摄非常近的对象(例如，所处的距离小于矩阵焦距的N倍，其中，N是投射到矩阵上的一行图像的像素的数量)，那么将利用这一事实，即分隔对应于绿色矩阵的两个光学组件的距离与分隔与红色和蓝色矩阵相关的组件的距离相同。其目标在于通过图像相关算法寻找使两个绿色矩阵的图像最佳重叠的偏移，并由其推断必须使不同的绿色、蓝色和红色矩阵发生的偏移，从而在四个矩阵的像素之间建立图像对应。
根据本发明的另一特征，为了改进比色法，将不再采用两个绿色矩阵、一个红色矩阵和一个蓝色矩阵，而是提供四个覆盖着四种不同的滤色器，尤其是红色、绿色、蓝色和青色滤色器的矩阵。


通过阅读结合附图给出的下述具体实施方式
本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中图1以顶视图的方式示出了具有按照行和列排列的感光区阵列的彩色图像传感器的已知构造的例子；图2以较小的比例尺、通过截面图示出了同一传感器，所述传感器具有将有待观察的图像整体投射到感光区阵列上的光学系统；图3以截面图的形式示出了根据本发明的传感器，其具有几个将同一图像投射到几个不同颜色的矩阵上的光学组件；图4示出了图3的传感器的顶视图；图5示出了用于说明由于所述光学组件与所述矩阵之间的相对定位误差导致的固有漂移的示意图；图6示出了一种变型，其中，四个矩阵是更大的矩阵的四个象限；图7示出了在每一矩阵之上具有几个透镜的示范性实施例；图8示出了用于说明图像偏移的示意图，所述图像偏移是由于设置在非无穷远处的观察同一图像的两个光学组件偏移中心(off-centering)而导致的；以及图9示出了实用的矩阵实施例，其允许将图像的定位界定在半个像素之内，从而提高采用两个绿色矩阵的分辨率。
具体实施例方式
图1以顶视图的方式示出了CMOS技术中彩色图像传感器的感光矩阵的像素的一般布局的例子。图中仅示出了几个像素，但是应当理解，所述矩阵可以包括几十万个像素，例如，120万个像素。在这一例子中，这些像素的感光区具有基本为八边形的形状。通过通常为水平和垂直的导线(未示出)控制所述像素，所述导线并非完全笔直，相反其遵循所述八边形的轮廓线。
图1还示出了所述颜色的组织与每一像素相关的字母R、G和B表示对应的像素分别被红色(R)、绿色(G)或蓝色(B)的单独滤光器覆盖。相邻像素颜色交替变化，绿色像素的数量是红色像素和蓝色像素的两倍。
图2采用比图1更小的比例尺，以截面图的形式示意性地示出了可以制造出带有下述部件的彩色图像传感器的方法，这里所述彩色图像传感器为薄硅传感器- 具有电连接12的基底10；- 在非常薄(具有大约10微米量级的厚度)的硅衬底20内形成的感光区的矩阵；- 滤色器矩阵层30，其中，相邻像素被如图1所示的、不同颜色R、G、B交替变化的滤光器所覆盖；以及- 光学图像形成系统40，其能够将有待观察的景物的整个图像(通过滤色器)投射到感光矩阵上。所述光学系统由一个或多个透明板构成，采用这些板形成一个或多个一个叠置在另一个之上的玻璃或透明塑料透镜，这里只示出了单个透镜L。必须将所述光学系统沿高度方向精确定位在所述感光矩阵之上，从而将所观察到的景物的图像聚焦到所述矩阵的平面上。图2示出了具有精确定义的厚度的透明分隔层35，其用于确保这一精确定位。
图3以截面图的方式示出了根据本发明的传感器，图4以顶视图的方式示出了这一传感器。
将感光点矩阵划分为形成于同一集成电路芯片上的几个矩阵，并且将所述光学系统划分为一样多的光学组件。每一光学组件将有待观察的整个景物的完整光学图像投射到相应的矩阵上。采用具有均一颜色的单个滤光器覆盖每一矩阵。
在优选实施例中，有四个由M1、M2、M3和M4表示的、正方形或矩形并置矩阵(两行，每行两个矩阵)，所述矩阵由相应的滤光器F1、F2、F3、F4以及相应的光学组件L1、L2、L3、L4覆盖，其中，将每一所述光学组件表示为透镜。矩阵M1和M4对角布置，矩阵M2和M3亦如此。对角布置的两个矩阵，这里为M1和M4的滤光器F1和F4优选为绿色。另两个矩阵的滤光器分别为红色(矩阵M2上的F2)和蓝色(矩阵M3上的F3)。图3中只能看到滤光器F1和F2、光学组件L1和L2以及矩阵M1和M2。
所述光学组件将基本相同的可见景物投射到每一所述矩阵上(仅存在小的漂移，如下文所述，这是由于所述矩阵相对于彼此横向偏移导致的)。
图中将所述矩阵示为正方形矩阵，但是它们也可以是摄取矩形格式的画面的矩形。
在由微机械和微组装技术实施的高精确度工业制造中，可以将所述光学组件视为是相同的，具有相同的焦距，并且就与所述四个感光矩阵所在的公共面的距离而言得到了准确、等同的定位。
在这种情况下，假设有待观察的图像只是非常简单的表示景物的理论轮廓的白色矩形测试图案，那么这一轮廓将被作为四个等同的矩形轮廓投射到每一矩阵上，如图4中的虚线矩形所示。这里，采取没有图像失真的简化假设，如果存在失真，其对于所有的光学组件也都是一样的。
所述虚线矩形未必相对于它们所要投射的感光矩阵以同样的方式定位。其原因首先在于，所述光学组件没有在确切的同一位置“看到”所述矩形，因为它们相对于彼此存在横向偏移，这和两个并排站立的沿同一方向拍摄照片的人所看到的图像将随着照相机的偏移而成比例偏移是一样的。这里，所述光学组件的偏移为几微米，其导致的矩形的某种程度的偏移等于传感器的偏移乘以放大率。这里，将放大率定义为投射到矩阵上的对象的图像的尺寸与对象自身的尺寸的比率，因此对于处于无穷远的景物而言，偏移为零。此外，由于在将光学组件转移到矩阵上时存在工业制造精确度的限制，因而所述光学组件未必能够按照必要的要求相对于矩阵得到精确的横向定位，因而其中心未必与矩阵的中心准确地垂直。因此，一方面存在由于对象的相对近的接近性导致的偏移，另一方面存在由于光学组件相对于矩阵的相对定位的不理想而导致的固有偏移。
但是，如果所述光学部件是等同的，并且与投射这些矩形的感光区的表面等距离设置，那么所投射的矩形的尺寸对于所有的矩形而言都是精确相等的。
因此，有可能在制造厂或随后通过校准至少确定不同矩阵的相对固有偏移。设置在足够大的距离(对于由N行像素构成的矩阵而言，该距离大于焦距的N倍)处的诸如上述矩形的白色测试图案或者由几个白点构成的简单图像将在每一矩阵上生成图像，通过移位向量由所述四幅图像确认对应关系，之后所述对应关系将在足够大距离处观察到的任何景物的四幅图像转化为点对点对应。
图5示出了用于说明矩阵之间的固有相对偏移的计算的矩阵M1的顶视图。
由O1表示位于矩阵M1的垂直上方的光学组件的光心。这一组件将中心相对于传感器的中心轴O处于无穷远的距离处的对象的矩形图像IM1投射到所述矩阵上。所投射的图像的中心与点O1垂直，因此在图5所示的顶视图中与该点重合。可以认为矩阵M1自身具有中心C1，如果光学组件和矩阵之间的位置调整是理想的，那么C1也将与点O1重合。为了简化起见，可以认为中心C1是矩阵M1的可用部分的中心行和中心列的交点。由于存在缺陷，中心C1可能相对于中心O1稍微偏移。在由矩阵的像素行和像素列构成的坐标系中标识矩阵IM1以及中心O1相对于中心C1的准确位置。在厂内校准过程中执行这一标识操作。还采用投射到其他矩阵上的、处于无穷远的同一矩形的图像IM2、IM3和IM4，针对其他矩阵执行这一操作。
就矩阵M1而言，点O1和C1沿x轴和y轴的位置差，以及相对于其他矩阵而言，类似点O2和C2、O3和C3以及O4和C4沿x轴和y轴的位置差将确定在读取每一矩阵输出的电子信号时必然产生的沿行和列的偏移，以便使所观察的景物的每一图像点与每一矩阵中的对应点相对应，其中，假设所述景物处于无穷远。
将这些偏移存储在校准寄存器中。因此，这些寄存器将含有对应于光学部件的中心与各个矩阵的中心之间的相对偏移的信息。之后，根据这些寄存器的内容将四个矩阵输出的电子信号结合起来，以补偿这些偏移，并在各个矩阵输出的图像之间重新建立精确、系统的对应。
分别(但是优选同时)收集由各个矩阵输出的电子信号。
矩阵M1和矩阵M4将提供表示所观察的景物的图像的绿色分量的信号。矩阵M2和矩阵M3将分别提供图像的红色分量和蓝色分量。
图4所示的矩阵是不邻接的。这样有可能根据需要在矩阵之间的缝隙内安放电子驱动器。但是，如图6所示，也可以优选具有这样的布局，其中，并置四个矩阵，并使之仅形成单个大连续矩阵M。因此，必须将这一矩阵划分为四个理论上可以单独读取的象限。因此，优选将与所述矩阵相关的读出电路划分为四个元件，如图6所示，其具有与矩阵M的四个相应象限相关的读出寄存器R1、R2、R3和R4的形式。
不管就图4所示的构造而言还是就图6所示的构造而言，在两种情况下，为了确保能够将各个光学组件的相对定位误差考虑在内，希望矩阵的有效表面在面积上能够比所观察的景物的图像的最大面积至少大几十行和几十列。这样，能够更好地考虑固有定位误差以及由所拍摄的对象的处于接近位置而导致的图像的偏移，同时排除由于图像溢出到矩阵之外而丧失一部分所观察的景物的风险。
假设希望获得分辨率为120万像素(例如，包括1000行和1200列像素)的图像(一个像素对应于特定颜色的像点)，那么将采用四个并置的不同颜色的矩阵实施本发明，每一矩阵包括大约500行、600列，这些矩阵的像素与现有技术中采用的三色矩阵的像素具有相同的尺寸和间距。
假设，不同颜色的矩阵的边的长度是现有技术的整个矩阵的长度的一半(对于相同分辨率、相同像素面积以及相同灵敏度而言)，那么投射图像的光学组件也具有二分之一的横向尺寸。结果，光学组件的焦距变为二分之一。因此，它们不仅厚度更小，而且所处位置更加接近感光矩阵的表面。相应地降低了传感器的总厚度。传感器的厚度在小型图像传感器的制造数据中占据着日益重要的地位。通过本发明获得的这一参数的改善是非常有意义的。
采用集合制造过程制造具有这样的构成的传感器，也就是说，不仅在同一个集成电路晶片上制造多个图像传感器，还使包括多个光学系统的板附着于这一晶片，之后，将所述晶片/板组合件切割成单个传感器，每一传感器包括与光学系统集成的硅芯片。
所述光学组件由其上形成了透镜的透明板构成。这些板可以由玻璃构成，并对其进行模制处理。所述组件可以包括一个或多个叠置的透镜。如果有几个透镜(会聚和/或发散透镜)，那么通过这样的方式叠置所述板，即，使透镜之间的缝隙对应于所要形成的光学功能部件。可以采用同样的方式，由覆盖有不透明层的透明板(不管是否以透镜的形式对其进行了模制)形成固定光阑，其中，所述不透明层在每一光学组件的光轴周围敞开。
图7示出了一种图像传感器，其中，每一光学组件包括两个形成于叠置的模制玻璃板41和42中的叠置透镜，所述玻璃板41和42通过分隔板43隔开，以调整透镜之间的预期垂直间隔。所述透镜之一覆盖有不透明层44(例如，铝层)，所述不透明层44在四个位置局部敞开，从而在每一矩阵之上界定(固定)光阑45，来自所观察的景物的光将穿过所述光阑。
也可以在位于板42之上并与之间隔一定距离的另一板上定义光阑。所述光阑可以具有视场光阑的作用，在这种情况下，其优选具有矩形形状(与矩阵的形状相同)，从而防止矩阵受到与相邻矩阵相关的光学部件的照明。
根据本发明的传感器尤其适用于所观察的景物与图像传感器保持足够的距离的情况，从而使图像偏移(而不是由于制造缺陷导致的固有偏移)变得可忽略。
对于近处景物而言，将导致与像素尺寸相比不可忽略的偏移(例如，对于N行矩阵而言，景物所处的位置小于N倍的焦距)，这时可以根据景物的接近程度调整所述偏移——所需补偿的偏移与光学组件的间隔d成正比，与所观察的目标的距离成反比。
就由四个矩阵构成的、包括两个绿色矩阵的传感器而言，有可能利用这样的实际情况，即如果存在固有偏移或由目标的接近性而导致的偏移，那么两个绿色矩阵应当看到相同的图像。我们可以看到，可以在厂内对固有偏移进行校准，并在以后以系统的方式对其予以考虑，因而在考虑其余的说明时，只需对由目标的接近性引起的偏移进行校准。因此，在下文中将认为光学组件的光心O1、O2、O3和O4分别与矩阵M1到M4的中心C1、C2、C3和C4重合。
当所拍摄的目标处于非无穷远处D时，由中心间隔距离d的两个等同的光学部件投射的该目标的图像相对于所述光学部件的中心横向偏移，偏移距离与d/D成比例，或者更精确而言，所述偏移距离等于dF/D，其中，F为焦距。
换言之，参考图8-在图8a中，设想具有中心O的单个光学组件L，其将处于距离D处的对象(矢量VS)的图像(矢量vs)投射到所述矩阵上。对象VS和图像vs的中心相对于矩阵的假想中心C设置，这一中心与光心O垂直。
-在图8b中，采用与图8a中的光学组件L相同，但相互之间横向偏移距离d的两个光学组件L1和L4替代所述的简单光学组件，也就是说它们的中心O1和O4实际上相对于单个光学组件的中心O横向偏移+d/2和d/2。它们观察与图8a中相同的目标(仍然以矢量VS表示)，该对象的中心仍然相对于两个光学组件构成的集合的中心设置，也就是说其中心仍然设置在中心O上，实际上其代表包括两个光学组件的图像传感器的中央总轴。因此，矢量VS在一侧相对于第一光学组件的中心O1偏心(off-center)，在另一侧相对于第二光学组件的中心O4偏心。由D非无穷这一实际情况引入了视差效应。
由两个光学组件给出的图像vs1和vs4不仅在光学部件之间间隔距离d的影响下而相互之间偏移距离d，并且由于每一光学组件对所述目标进行侧向观察，存在偏心，因而所述图像还将相互偏移额外的距离dF/D。
假设C1是矩阵M1的中心，其与位于左侧的光学组件L1的中心O1垂直，C4是矩阵M4的中心，其与位于右侧的光学部件的中心O4垂直，C1和C4偏移距离d，也就是说C1相对于C偏移+d/2，C4偏移-d/2。
由光学部件L1给出的图像vs1相对于中心C1向左侧偏移的距离等dF/2D。换言之，所述目标的图像的中心并非与中心C1重合，而是向左侧偏移dF/2D，同样地，由光学部件L4给出的图像vs4相对于中心C4向右侧偏移dF/2D的距离。
就根据本发明的包括四个投影光学组件的系统而言，利用了这样的实际情况，即假定沿对角线布置的两个绿色矩阵(M1和M4)看到相同的景物，但是，只要放大率非零，该景物就会在所述的两个矩阵上发生偏移。
采用对来自矩阵M1的图像与来自矩阵M4的相继偏移的图像之间的关联的计算寻求移位值，该偏移值能够提供最佳关联，并因此代表投射到两个矩阵上的图像之间存在的总偏移。假设不存在由光学组件的不良定位引起的固有偏移，或者从总偏移中减去对应于固有偏移的校准值，那么剩下的就是由于目标的接近性而导致的偏移dF/D。这一偏移为向量，该向量所在方向是连接绿色矩阵的重校准中心的对角线方向。
这一偏移检索算法简单，因为由于所拍摄的对象的接近性导致的偏移的方向是已知的——从矩阵M1和矩阵M4提取大概含有所观察的主要目标的图像带(image band)。在考虑校准之后，相对于每一矩阵的中心标识(referenced)这些图像带——因而，相对于光学组件的中心O1和O4标识这些图像带。这一标识对于两矩阵都是一样的，也就是说，如果所述图像带的中心位于矩阵M1的中心O1上，那么矩阵M4中的对应带的中心则位于O4上。所述图像带是整个图像的样本，因为无需采用整个图像建立关联。
使来自M1和M4的图像带彼此相减。确定并存储由所述减法得到的代表图像的照度(该值可以是由所述减法得到的非常简单的图像的平均照度)。
之后，使所述图像样本沿连接所述矩阵的中心的对角线偏移一距离增量(这意味着一行像素和一列像素的偏移)，从而对其加以修改。因此，现在获得了另外两个图像带，其中心相对于矩阵的中心偏移了一增量。重复所述减法操作，并确定由所述减法得到的图像的照度(illumination)。
相继重复这一操作，其每次相对于矩阵的中心递增所述带的相对位置。沿某一方向执行所述增量操作，其中，相继采取沿连接所述矩阵的中心的对角线的方向进一步分离(而非相互靠近)的两个图像带。可以通过检验图8b理解这一操作当所拍摄的目标靠近图像传感器时，所述图像将进一步朝向对角线的外侧偏移。一种更为简便的做法是从对应于目标处于无穷远处的、没有偏移的理想情况开始，逐渐探查不断增大的偏移的存在。
其目标在于找到某一偏移，该偏移对于由所述减法得到的图像给出了最小的照度值。这一偏移表示上述dF/2D值，因为最小的照度值是对应于可重叠图像带的照度值，由图中可以看出，对于所拍摄的对象的距离D而言，在每一图像均沿相反方向相互偏移dF/2D之后，所述图像变得可重叠。
一旦找到了这一最佳dF/2D值，那么尚需采用该值-首先，确定每一绿色矩阵将提供的正常绿色图像，就像所述绿色矩阵恰好位于传感器的中心O处，而没有由此中心偏移d/2一样。因此，通过使矩阵M1的图像向中心C1靠拢dF/2D而使矩阵M1的图像发生偏移，并且通过使矩阵M4的图像向中心C4靠拢dF/2D而使矩阵M4的图像发生偏移；以及-其次，尤其推导蓝色和红色矩阵所需的偏移。所述的由所拍摄的对象的接近性而导致的偏移在两个绿色矩阵之间是相同的，使矩阵M2的红色图像沿矩阵M2和M3的中心之间的对角线偏移dF/2D的量，使矩阵M3的蓝色图像沿这一对角线偏移相同的量就足够了。所述红色和蓝色矩阵的偏移dF/2D沿该对角线处于相反方向，并且处于使图像更加靠近每一矩阵的中心的方向，因为所述光学组件的布局倾向于使它们更加远离。
之后，采用针对每一矩阵(绿色、蓝色和红色)计算的偏移确定复合定序(recombination sequencing)，其使每一像点与每一矩阵内的相应点相对应，最终得到完整的彩色图像。
在寻找最佳偏移值的算法中，可以执行更为精细的增量运算，例如，仅对两个图像带之一增加一个像素，之后对另一图像带增加一个像素。也可能沿行增加一个像素，但沿列不增加，并等待沿列增加一个像素，但不沿行增加的下一增量运算。
因而，这里描述了具有改进的比色法的彩色图像传感器，即使针对靠近的目标其也能够提供准确图像。
还可能借助两个绿色矩阵的存在而提高传感器的视清晰度。为了实现这一目的，可以使所述绿色矩阵相对于彼此精确定位，使得投射到一个矩阵上的图像和投射到另一个矩阵上的图像之间具有半像素的相对偏移(为了简化说明，假设已经考虑并校正了由处于所述矩阵之上的光学组件的中心的非精确定位导致的固有偏移)。因此，在绿色信道中存在更大的采样。所述偏移是沿行的半个像素和沿列的半个像素。所投射的图像也必然沿所述对角线相互偏移半个像素。
一种对两个图像进行半个像素以内的定位的可能的方式采用这样的矩阵，构成该矩阵的像素的尺寸和间距是所述矩阵的预期像素尺寸的二分之一，并执行相邻像素上的电荷的加和，从而重构标准尺寸的像素。在读出之前在每一像素上执行这一加和操作，而不管是在CCD还是在CMOS技术中。根据对其执行加法操作的相邻较小像素，形成具有正常尺寸的，中心处于半个像素之内的像素，所述两个矩阵可以具有不同的驱动器，从而在它们之间实现有效的半像素偏移。
在CCD技术中，通过四相传输门控制在读出寄存器中执行所述加和操作(也称为“进仓(binning)”)。
在CMOS技术中，在与四个小的相邻光电二极管相关的电荷储存节点处执行加和操作，通过传输门将所述节点与这些光电二极管隔开，从而通过对这些门的适当控制来选择哪些相邻光电二极管将看到其电荷被转移到指定存储节点内。采用九个按行和列组织的相邻光电二极管，有可能将所述光电二极管划分成由四个相邻光电二极管构成的组，而电荷储存节点则位于每一组的中央。有四种可能的组，这些组构成了沿行或列或者沿对角线相互隔开半个像素的更大的像素。
因此，如果一个矩阵按照某种方式组织其像素，另一矩阵可以按照另外一种方式组织其像素，从而使两个矩阵之间的偏移为沿对角线的半个像素。
图9示出了一具体实施例，该实施例中给出了八边形光电二极管，所述八边形光电二极管的总面积等于对于预期像素间距所应具有的光电二极管尺寸的四分之一。箭头示出了从四个光电二极管向存储节点放电，所述存储节点被这四个光电二极管包围。针对光电二极管激活的传输门的选择决定该光电二极管将向所述存储节点放电。在图9a中，通过激励传输门而使四个二极管按照一定的方式组合，而在图9b中，则通过激活传输门使所述二极管以不同的方式围绕在存储节点周围。使图9a中采用的存储节点(第一绿色矩阵)均相对于图9b中采用的存储节点(第二绿色矩阵)偏移半个像素。
如果比色法是比分辨率和图像叠加中的精确度都重要的参数，或者用户希望看到在任何情况下都准确叠加的远平面景物的图像，那么可以提供具有四个矩阵的传感器，所述四个矩阵被四个不同颜色的滤光器，即红色、绿色、蓝色和青色滤光器覆盖，每一滤光器均与一个矩阵相关。当然，这样将不再可能通过处理来自两个矩阵的图像来确定和校准视差，因此用户只局限于观看远景。
权利要求
1.一种设有光学系统的彩色图像传感器，所述光学系统用于将所要观察的景物的图像投射到在与所述光学系统集成的同一单块半导体芯片上制造的感光区阵列上，其特征在于，所述光学系统包括几个光学组件(L1，L2，L3，L4)且所述感光区阵列被划分为至少两个能够单独读取的矩阵(M1，M2，M3，M4)，将每一光学组件设计为将所要观察的整个景物投射到相应的矩阵上，两个不同颜色的均匀滤光器(F1，F2，F3，F4)分别置于所述的各个矩阵之上，从而使单一颜色的光通向每一矩阵。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，将所述感光区阵列划分为设置于正方形中的四个矩阵，两个沿所述正方形的对角线布置的矩阵与绿色滤光器相关，另外两个布置在另一对角线上的矩阵中的一个与红色滤光器相关，另一个与蓝色滤光器相关。
3.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，其包括至少一个校准寄存器，所述校准寄存器含有所述光学组件的中心和所述矩阵的中心之间的相对偏移。
4.根据前述权利要求中的一项所述的图像传感器，其特征在于，所述矩阵大于所要观察的景物的图像，从而能够在不损失图像片段的情况下考虑所述光学组件和所述矩阵之间的相对定位误差，即使所要观察的景物的整个图像的中心不再精确地定位在这些矩阵的中心上，所述的整个图像仍然被投射到所述四个矩阵上。
5.根据权利要求1到4中的一项所述的图像传感器，其特征在于，其包括根据所要观察的景物中的对象的距离，通过使两个相邻矩阵的图像相对偏移与对应的光学组件的间隔成正比与所述对象的距离成反比的距离，而使所述各个矩阵的图像点对点对应的装置。
6.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，其包括用于通过图像相关算法寻找使两个绿色矩阵的图像最佳重叠的偏移，并由其推断必须使不同的绿色、蓝色和红色矩阵发生的偏移，从而在四个矩阵的像素之间建立图像对应的装置。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，其包括四个被四种不同颜色的滤光器，尤其是红色、绿色、蓝色和青色滤光器覆盖的矩阵。
全文摘要
本发明涉及电子彩色图像传感器，尤其涉及用于制造小型摄影装置或照相机(例如，可以将其结合到移动电话当中)的非常小的传感器。所述传感器设有光学系统，所述光学系统用于将所要观察的景物投射到在与所述光学系统集成的同一单块半导体芯片上制造的感光区阵列上；这一光学系统包括几个光学组件(L1，L2，L3，L4)和被划分为至少两个能够单独读取的矩阵(M1，M2，M3，M4)的感光区阵列，将每一光学组件设计为将所要观察的整个景物投射到相应的矩阵上，两个不同颜色的均匀滤波器(F1，F2，F3，F4)分别置于所述的各个矩阵之上，从而使单一颜色的光通向每一矩阵。
文档编号H01L27/146GK101088163SQ200580044324
公开日2007年12月12日 申请日期2005年12月1日 优先权日2004年12月24日
发明者L·布里索 申请人:E2V半导体公司