具有屏蔽、深穿透及颜色检测光二极管的颜色光传感器阵列的传感器和方法
【专利摘要】光传感器具有光罩层及第一相邻的光二极管，该光罩层具有在中央的光二极管上面的开口，该第一相邻的光二极管覆盖有光罩层，且位于足够靠近中央的光二极管，使得至少一些通过光二极管上面的开口的光，能够经由光二极管而到达第一相邻的光二极管。光传感器还具有第二相邻的光二极管；该第二相邻的光二极管覆盖有光罩层，且位于足够靠近第一相邻的光二极管，使得至少一些通过光二极管上面的开口的光，能够经由第一相邻的光二极管而到达第二相邻的光二极管。电路系统被设置用来读取光二极管并处理读自光二极管的信号以产生蓝色、绿色以及红色的通道信号。
【专利说明】具有屏蔽、深穿透及颜色检测光二极管的颜色光传感器阵列的传感器和方法
【技术领域】
[0001]颜色光传感器有广大的市场，特别是电子相机的应用。在2013年，该市场由具有单一光传感器阵列的集成电路的相机所主导。阵列的每个光传感器通常具有光二极管传感器，以及用来预充电和读取光二极管的辅助电路。照相机中所用的多数光传感器阵列是使用三个图案化的颜色滤光层，颜色滤光层重复或拼接在阵列的个别光传感器的图案上，使得所述阵列具有光传感器的图案，其对至少三种颜色的入射光敏感，如图1之所示，图1显示对红色102、蓝色104和绿色106敏感的光传感器，红色传感器上有红色滤光器108，蓝色传感器上有蓝色滤光器110，绿色传感器上有绿色滤光器112。典型地，光二极管具有衬底114的第二接触。许多这些光传感器阵列，被称为拜耳图案传感器(Bayer-patternsensors),具有排列在阵列上的矩形图案的光传感器。
【背景技术】
[0002]许多这样的光传感器阵列包括微透镜116的阵列，阵列的每个光传感器的过滤器上有个别的微透镜。为了防止杂散光与阵列的辅助电路之间的交互干扰，可将不透明光罩118置于光二极管间的硅表面120的部份上，及置于辅助电路上。为简单起见，每个像素和阵列的辅助电路未显示在图1中。
【发明内容】
[0003]在一实施例中，光传感器具有光罩层，该光罩层在中央的光二极管上有一开口 ；第一相邻的光二极管，该第一相邻的光二极管覆盖有光罩层，且位于足够靠近中央的光二极管，使得至少一些通过中央的光二极管之开口的光，能够通过中央的光二极管而到达第一相邻的光二极管。光传感器还具有第二相邻的光二极管；该第二相邻的光二极管覆盖有光罩层，且位于足够靠近第一相邻的光二极管，使得至少一些通过中央光二极管之开口的光，能够通过第一相邻的光二极管而到达第二相邻的光二极管；以及用来重设和读取光二极管上之电荷的辅助电路。
[0004]在另一个实施例中，产生蓝色、绿色和红色的通道信号的方法，其包括:将通过不透明光罩之开口的光收纳到中央的光二极管，该不透明光罩用来防止光直接进入第一相邻及第二相邻的光二极管；允许未被中央的光二极管吸收的部分光进入第一相邻的光二极管；允许未被第一相邻的光二极管吸收的部分光进入第二相邻的光二极管；读取相应于中央、第一相邻和第二相邻的光二极管所吸收的光的信号；以及处理信号以产生红色、绿色和蓝色的信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]图1是示意图，显示习知技术的拜耳式(Bayer-Style)颜色光传感器阵列的部分的横截面。
[0006]图2是示意图，显示根据实施例的光传感器的横截面。
[0007]图3是穿透深度与波长的关系图，显示接近硅的表面所吸收的是短波长光子而不是长波长的光子。
[0008]图4是曲线图，显示特定安排的中央，第一，和第二的相邻的光二极管的量子效率与波长的关系。
[0009]图5是电路图，用来由图2或6的光传感器所提供的信号导出常规的红色、绿色和蓝色的通道信号。
[0010]图6显示替代的实施例的光传感器的横截面。
[0011]图7是光传感器的俯视平面图，其具有图2或6的横截面。
[0012]图8是替代的实施例的光传感器的俯视平面图，其具有图2或6的横截面。
[0013]图9是替代的实施例的横截面图，其具有将光从中央的光二极管传播通过第一相邻的和第二相邻的光二极管的反射层。
[0014]图10是感应光线的方法的流程图。
[0015]图11是横截面示意图，显示偏移每个非中央的光传感器的中央的光二极管，以对非垂直的主光线角度的补偿。
[0016]图1lA是主光线角度(CRA)的示意图。
[0017]图12是俯视平面图，显示偏移每个非中央的光传感器的中央的光二极管，以对主光线角度的补偿。
【具体实施方式】
[0018]图2显示新的光传感器200的横截面示意图。此光传感器具有微透镜202，微透镜可聚焦入射光，使其穿过反射的或不透明的光罩208的开口 209，而照射到硅表面204，并进入光传感器的，或像素传感器的中央光二极管206。中央的光二极管206侧接至少第一相邻的光二极管210，和第二相邻的光二极管212。第一相邻的光二极管210和第二相邻的光二极管212被不透明的光罩208所覆盖。开口 209被如此定位，使得到达第一和第二相邻的光二极管210和212的聚焦光线必须通过开口 209和至少中央像素的光二极管206的部分。此外，光二极管和开口 209被如此布置，使得来自开口 209而到达第二相邻的光二极管212的光必须穿过至少一部分的第一相邻的光二极管210，和到达第一相邻的光二极管210的光必须穿过开口 209和至少一部分的中央光二极管206，因为光罩208覆盖第一相邻的光二极管210和第二相邻的光二极管212 二者。
[0019]众所周知，如图3之所示。在较接近硅的表面处被吸收的较短波长的光子而不是较长波长的光子。例如，400纳米波长的短波长的光子250大部分被吸收于硅表面的十分之三微米处，而650纳米波长的长波长的光子260进入表面后，于2.3微米处仍然有一半的强度，中间波长的光子，如450纳米波长的252，500纳米波长的254，550纳米波长的256，600纳米波长的258等，则大部分被吸收于中间的深度。
[0020]基于图3之所示，长波长的光比短波长的光更能穿透入硅，并假设中央的光二极管206和第一相邻的光二极管210有适当的尺寸，使得较多的长波长的光而很少的短波长的光能到达第二相邻的光二极管212，如图2所示的颜色传感器具有如图4所示的量子效率。中央的光二极管206具有峰值在蓝色的量子效率302，第一相邻的光二极管210具有峰值在绿色的量子效率304，而第二相邻的光二极管212具有峰值在红色的量子效率306。在一些实施例中，将可见光带通滤波器216置放于光传感器上，所有这三种光二极管的红外线和紫外线的灵敏度可被消除。
[0021]图2所示的光传感器，依次经由辅助电路读取以产生三个原始的信号，其对应于中央的光二极管206所接收到的光子的第一中央信号，对应于第一相邻的光二极管210所接收到的光子的第一相邻的信号，和对应于第二相邻的光二极管212所接收到的光子的第二相邻的信号。图2之光传感器不直接提供常规的红色、绿色和蓝色的通道信号，因为中央的光二极管对于较长波长的光并不怎么响应。但是，它们所产生的信号可以被清除掉，其是以如图5所示的模拟或数字电路并根据下列的等式来处理:
[0022]蓝色输出=Kl* (中央信号-K2*第一相邻信号-K3*第二相邻信号)
[0023]绿色输出=K4* (第一相邻信号-K5*中央信号-K6*第二相邻信号)
[0024]红色输出=K7* (第二相邻信号-K8*第一相邻信号-K9*中央信号)
[0025]在光传感器阵列的一实施例(图5)中，利用许多如图2或6所示的排列成拼接的图案的光传感器，光传感器301的光二极管被预充电且被辅助电路303读取以产生原始的中央、第一相邻和第二相邻的信号。包括中央、第一相邻和第二相邻的信号由中央反相放大器302，第一相邻反相放大器304，和第二相邻反相放大器306给予反相处理，以提供负的中央信号308，负的第一相邻信号310，及负的第二相邻的信号312。蓝色的输出314由放大器316所提供，放大器将缩放比例加法器318的输出放大了 Kl倍，缩放比例加法器318将中央信号加到K2倍的负的第一相邻的信号，和加到K3倍的负的第二相邻的信号。类似地，绿色的输出320由放大器322所提供,放大器将缩放比例加法器324的输出放大了 K4倍,缩放比例加法器324将第一相邻的信号加到K5倍的负的中央的信号，和加到K6倍的负的第二相邻的信号。类似地，红色输出326被放大器328所提供，放大器将缩放比例加法器330的输出放大了 K7倍，缩放比例加法器330将第二相邻的信号加到K9倍的负的中央的信号，和加到K8倍的负的第一相邻的信号。
[0026]常数K1-K9取决于所需的色彩饱和度的程度和光二极管的精确尺寸和间距，并且可以由实验来确定。在一些实施例中，因为蓝色光很少到达第二相邻的光二极管，输入K9可从缩放比例加法器330中被删去。图6显示另一种新的光传感器400的实施例的横截面。该光传感器具有微透镜402，其可聚焦入射光，并使其穿过不透明光罩408的开口 409，而照射到硅表面404，并进入中央像素的光二极管406。光二极管406侧接至少第一相邻的光二极管410和第二相邻的光二极管412。开口 409如此被定位，使得到达第一和第二相邻光二极管410，412的聚焦光必须通过开口 409和中心像素光二极管406的至少一部分。此外，光二极管和开口 409被如此布置，使得来自开口 409而到达第二相邻光二极管412的光必须穿过第一相邻光二极管410的至少一部分，并且到达第一相邻光二极管410的光必须穿过开口 409和中央的光二极管406的至少一部分，因为光罩408遮盖了第一相邻的光二极管410和第二相邻的光二极管412。图6的实施例不同于图2的，其中，中央的光二极管被扩散到基板422的第一深度420，第一相邻光二极管被扩散到基板422的第二深度424，和第二相邻的光二极管被扩散到基板422的第三深度426。其中，第一，第二，和第三深度是不相等的，第三深度大于第一深度。图2的实施例是假定光二极管有相等的深度。图6的实施例可改进到达第一相邻的光二极管410和第二相邻的光二极管412的中等和较长的波长的光的量子效率。
[0027]具有图2或6所不的横截面的光传感器的光传感器阵列,可以有中央的光二极管，该中央的光二极管有环形的第一相邻的光二极管围绕着它，而第一相邻的光二极管有环形的第二相邻的光二极管围绕着它。这种类型的光传感器阵列对于所有颜色信道可以具有相等的分辨率。
[0028]图7显示:具有图2或6所示的横截面的光传感器的光传感器阵列的拼接图案单元500的俯视平面图。图7的拼接图案单元有其优点，其是当今市场上最多的光传感器阵列，其提供强度的分辨率高于颜色，特别是红色的分辨率。在本实施例中，第一 502，第二504，第三506，第四508，第五510，第六512，第七514，第八516，和第九518的中央的光二极管被提供，其对应于图2或6所示的九个颜色的光传感器的九个中央的光二极管。围绕着各中央的光二极管的是第一相邻的光二极管，如第一 532，第二 534，第三536，第四538，第五540，第六542，第七544，第八546，和第九548的第一相邻的光二极管。穿插在第一相邻的光二极管之间的是被共享的第二相邻的光二极管550，552，554，556 ;第二相邻的光二极管550所接收的光是通过光二极管502上的不透明光罩层的开口 560，及通过光二极管502的一部分，且通过第一相邻的光二极管522。第二相邻的光二极管550还接收通过光二极管504上面不透明光罩层的开口 562，通过光二极管504的一部份，及通过第一相邻光二极管524等的光。交叉形状的第二相邻的光二极管550还接收通过光二极管508上面的不透明光罩层的开口 564，通过光二极管508的一部份，及通过第一相邻的光二极管538等的光，并接收通过光二极管510上面的不透明光罩层的开口 566，通过光二极管510的一部份，及通过第一相邻的光二极管540等的光。同样地，第二相邻的光二极管552所接收的光，是已经通过第二相邻的光二极管，并进入通过中央的光二极管504，506，510，和512。每块拼接图案还设置有足够重置各光二极管的部份的辅助电路570，其是经由施加预定的电荷或重置电压到每个光二极管上，而且，在每次曝光之后，可以感测每个光二极管的剩余的电荷，此技术在光传感器阵列的技艺中是属已知。在一个典型的实施例中，辅助电路570包括耦合晶体管，其在列线控制之下，能够将光二极管的电荷，或者依赖于二极管的电荷的信号，耦合到行感测线上。
[0029] 申请人:注意到，图7中图案的圆的中央的光二极管，环形的第一相邻的光二极管，和十字形的第二相邻的光二极管不必是圆的，或完整的环形，及十字形，并且彼此通常由扩散间距所分隔。在一些实施例中，环或十字之间的间隙被使用于辅助电路，其未被显示出。
[0030]另一种双传感器拼接单元600的实施例(图8)，较适合于矩形形状和矩形阵列的过程，在光罩层中具有矩形开口 602，其允许光直接进入到第一中央的光二极管604。第一中央的光二极管604被第一相邻的光二极管606所包围，并且第二相邻的光二极管608相邻于第一相邻的光二极管。隔离空间605可分隔中央和第一相邻的光二极管，而隔离空间607可分隔第一相邻的和第二相邻的光二极管。光也可以通过在光罩层中的第二开口 612，其允许光直接进入到第二中央的光二极管614。未被第二中央的光二极管614吸收的光可以穿透入第二的第一相邻的光二极管616而被吸收，未被第二的中央的光二极管614或第二的第一相邻的光二极管616吸收的光，可以到达被共享的第二相邻的光二极管608而被吸收。
[0031]在又另一实施例700中，微透镜702将通过吸收性屏蔽705的开口 704的光聚焦而进入到中央的光二极管706。部分的光，特别是较短波长的光，被中央的光二极管706所吸收。一些通过光二极管706而剩下的光直接到达第一相邻的光二极管708，通过光二极管706的其余的光到达反射层710且被反射到第一相邻的光二极管708。有些光，特别是中等波长的光，被第一相邻的光二极管708所吸收，同时通过光二极管708的一些剩下的光直接进入第二相邻的光二极管712，而一些剩下的光到达反射层714 (具有与开口 704对准的开口)并反射到第二相邻的光二极管712。反射层714，710的开口让未被吸收的光子逃逸到屏蔽705或逃出光传感器的背面。
[0032]如上所述，光传感器和辅助电路之阵列的操作过程，在802之步骤时(图10，并参照图2)，让光通过不透明光罩208的开口 209而到达中央的光二极管206，该不透明光罩可防止光直接进入第一相邻的光二极管210和第二相邻的光二极管212。在804之步骤时，未被中央的光二极管所吸收的光的部分被允许通过到达第一相邻的光二极管210。在806之步骤时，未被第一相邻的光二极管210所吸收的光的部分被允许通过到达第二相邻的光二极管212。在808之步骤时，检测对应于中央的光二极管，第一相邻的光二极管，及第二相邻的光二极管所吸收的光的信号；信号被类似于图5的电路所处理，以产生红、绿和蓝色的信号。
[0033]光传感器阵列的电路和相关联的微透镜202(图2)，通常是平面的，整个电路中的所有的光传感器与硅表面204几乎在相同的平面上，且所有的微透镜相交于同一平面上。当这些传感器备使用于照相机中时，如图1lA所示，来自场景而通过主相机透镜902之中心的光，将垂直于微透镜而到达光传感器阵列904的中心，而到达光传感器阵列边缘附近的光将以非垂直的主光线角度(CRA)到达906。
[0034]在一实施例中，为了补偿该CRA，如图11和12所示，在具有垂直的CRA之阵列的中心的光传感器950，952具有其中央的光二极管954，956，以及其不透明光罩的开口，其位于第一相邻的光二极管958，960的中心，而位于靠近阵列边缘的光传感器962，964具有其中央的光二极管966,968,及其不透明光罩的开口，其偏移或偏离第一相邻的光二极管970和972的中心，尤其，更靠近，或朝向第一相邻的光二极管970，972的中心侧974。如同其他的实施例，第一相邻的光二极管970，972被一个或多个第二相邻的光二极管976，978所围绕。
[0035]应当注意的是，包含在上面之说明或显示于附图中的内容应当被解释为说明性的而不是限制性的意义。下面的申请专利范围旨在含盖本文中所描述的一般和具体的特征，以及本发明的方法和系统的范围的所有陈述。
[0036]前述讨论在此技艺中的那些技术可理解为当作范例而非当作限制。那些不能分离本发明范围和精神的表示和说明皆可视为非实质的改变。如前所述，
【发明者】特此宣告他们的发明是依靠均等论，如有必要在本专利权申请范围中保护本专利的完整权利。
【权利要求】
1.一种光传感器，其包括: 具有开口的光罩层，其位在中央的光二极管的上面； 第一相邻的光二极管，该第一相邻的光二极管覆盖有该光罩层，且位于足够靠近该中央的光二极管，使得至少一些被允许通过该中央的光二极管上的开口的光能够到达该第一相邻的光二极管； 第二相邻的光二极管，该第二相邻的光二极管覆盖有该光罩层，且位于足够靠近该第一相邻的光二极管，使得至少一些被允许通过该中央的光二极管上的开口的光能够经由该第一相邻的光二极管而到达该第二相邻的光二极管；以及 辅助电路，其用来重设及读取该光二极管上的电荷。
2.一种光传感器阵列，其包括如权利要求1所述的光传感器的阵列，该光传感器被排列于至少两个光传感器的拼接图案中。
3.一种光传感器阵列电路，其包括如权利要求2所述的阵列，且还包括辅助电路，其用来读取该阵列的多个光二极管。
4.如权利要求3所述的光传感器阵列电路，另包括电路系统，其是被适配通过减去导自第二相邻的光二极管信号的信号，以及通过减去导自第一相邻的光二极管信号的信号而由中央的光二极管信号产生蓝色的信号。
5.如权利要求4所述的光传感器阵列电路另包括电路系统，其是被适配通过减去导自第二相邻的光二极管信号的信号而由相邻的光二极管的信号产生绿色的信号。
6.如权利要求3所述的光传感器阵列电路，其中该拼接图案具有被共享的第二相邻的光二极管，其是邻近于至少两个第一相邻的光二极管。
7.如权利要求6所述的光传感器阵列电路更包括电路系统，其是被适配通过减去导自第二相邻的光二极管信号的信号，以及通过减去导自第一相邻的光二极管信号的信号而由中央的光二极管信号产生蓝色的信号。
8.如权利要求7所述的光传感器阵列电路，另包括电路系统，其是被适配通过减去导自第二相邻的光二极管信号的信号而由相邻的光二极管信号产生绿色的信号。
9.如权利要求4所述的光二极管阵列电路，其中至少一个位于靠近该阵列中心的光传感器，其使其中央的光二极管位于其第一相邻的光二极管的中心，且至少一个位于靠近阵列的边缘的第二光传感器，其使其中央的光二极管偏置于其第一相邻的光二极管中。
10.如权利要求9所述的光二极管阵列电路，其中该第二光传感器的该中央的光二极管是被偏置朝向阵列的中心。
11.如权利要求3所述的光二极管阵列电路，其中至少一个位于靠近阵列的中心的光传感器，其使其中央的光二极管位于其第一相邻的光二极管的中心，且至少一个位于靠近阵列的边缘的第二光传感器，其使其中央的光二极管是偏置于其第一相邻的光二极管中。
12.—种产生蓝色，绿色，和红色的通道信号的方法，其包括: 允许通过不透明光罩的开口的光进入中央的光二极管，该不透明光罩可防止光线直接进入第一相邻的光二极管和第二相邻的光二极管； 让未被该中央的光二极管所吸收的部分的光进入该第一相邻的光二极管； 让未被第一相邻的光二极管所吸收的部分的光进入该第二相邻的光二极管； 读取相应于该中央的光二极管、该第一相邻的光二极管和该第二相邻的光二极管所吸收的光信号；以及 将该信号进行处理以产生红色、绿色和蓝色的信号。
13.一种光传感器的拼接图案，其包括: 具有开口的光罩层，其设在复数个中央的光二极管上； 复数个第一相邻的光二极管，每一第一相邻的光二极管覆盖有该光罩层，且位于足够靠近至少一个中央的光二极管，使得至少一些被允许通过该中央的光二极管上的开口的光能够到达该第一相邻的光二极管； 复数个第二相邻的光二极管，每一第二相邻的光二极管覆盖有该光罩层，且位于足够靠近至少一个第一相邻的光二极管，使得至少一些被允许通过至少一个中央的光二极管上的开口的光能够经由至少一个第一相邻的光二极管而到达该第二相邻的光二极管；以及 辅助电路系统，其供重设和读取该光二极管上的电荷。
14.一种光传感器阵列电路，其包括复数个如权利要求13所述的拼接图案，且更包括电路系统，其是被适配通过减去导自第二相邻的光二极管信号的信号，以及通过减去导自第一相邻的光二极管信号的信号而由中央的光二极管的信号产生蓝色的信号。
15.如权利要求14所述的光二极管阵列电路，其中至少一个位于靠近阵列的中心的拼接图案，其具有位于第一相邻的光二极管的中心的中央的光二极管，且至少一个位于靠近阵列的边缘的第二光传感器，其具有相应的中央的光二极管，该中央的光二极管是偏置于其相应朝向阵列的中心的第一相邻的光二极管中。
【文档编号】H04N9/04GK104465685SQ201410471114
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】彭进宝 申请人:全视技术有限公司