多层高动态范围传感器的制作方法

本公开涉及传感器，更具体地，涉及多层高动态范围传感器。

背景技术：

成像系统依赖于图像传感器来形成视觉图像的电子表示。图像传感器的例子包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器和有源像素传感器(APS)器件。典型地，这些图像传感器包括以行和列的规则图案布置的多个光敏像素(或传感元件)。

在成像传感器上捕捉的图像的质量部分依赖于图像传感器的动态范围。因而，能够提供比传统图像传感器所提供的动态范围更宽的动态范围的图像传感器是所期望的。例如，在捕捉包括亮度从阳光直射到深度阴影的剧烈光照变化的场景时，较强的光使传感元件饱和，而不能获得那些饱和的元件所对应的实际的光辐射。因此，需要高动态范围传感器，用于捕捉包括这样的剧烈光照变化的场景。

技术实现要素：

本公开提供了一种具有多个层的图像传感器，其中各层被配置为以不同的灵敏度记录光子。

在一个实施方式中，公开了一种图像传感器。该图像传感器包括：多个传感元件，每个传感元件包括灵敏度不同的多个层，其中多个层被配置为记录入射光子(impinging photon)，并且其中各传感元件的各层被配置为减弱进入下一层的光子流。

在另一个实施方式中，公开了一种方法。该方法包括：用多个传感元件记录在图像传感器上入射的光子，每个传感元件包括多个层；将多个层中的各层配置为具有不同的灵敏度；以及储存多个层中的各层所记录的光子。

在另一个实施方式中，公开了一种设备。该设备包括：用于入射光子的、配置有灵敏度不同的多个层的装置；以及用于储存多个层中的各层所记录的光子的装置。

本说明书通过示例说明了本公开的各方面，本公开的其它特征和优点应从本说明书中明显得出。

附图说明

关于本公开的结构和操作的细节，可以通过研究进一步的附图而部分获知，其中相似的参考标号指示相似的部分，且其中：

图1是说明依照本公开的一个实施方式的图像捕捉器件的功能框图；

图2是图像传感器的功能图，该图像传感器是图1所示的图像传感器的一个实施方式；

图3示出层的配置，所述层是依照本公开的一个实施方式的具有非线性灵敏度的图像传感器的层；而

图4是流程图，例示了依照本公开的一个实施方式的配置多层高动态范围图像传感器的方法。

具体实施方式

为了从图像传感器获得更宽的动态范围，传统的解决方法使用光敏像素或传感元件(即，传感器个体(sensel))的组合，其中一些传感器个体由中性密度滤光器覆盖或使用其它方法来降低灵敏度。通过使用具有不同曝光设定的传感器个体来重现图像，可以形成更高动态范围的图像。这一方法的缺点是，单位面积传感器个体的数量由于等价于所使用的滤光器的数量的因素而减少，这降低了图像传感器的分辨率。另一个传统的解决方法使用图像传感器来拍摄多个曝光不同的图像，以使得这些图像之后能够被合成为单个高动态范围的图像。这一方法的缺点是，当曝光之间有动作时，最终的图像可能有重影的问题。

为了克服图像传感器的动态范围问题的传统解决方法的缺点，此处所公开的几个实施方式提供了具有多个层的各传感器个体，其中各层被配置为以不同的灵敏度记录光子。例如，在一个实施方式中，图像传感器中的各传感器个体被配置为三层。顶层可以被配置为最灵敏的层。第二层可以被配置为比顶层较不灵敏8倍。位于第二层下方的第三层可以被配置为比顶层较不灵敏64倍。

阅读本说明书之后，如何在不同的实施方式和应用中实施本公开，会变得显然。然而，虽然在此将描述本公开的各种实施方式，应理解，这些实施方式只是作为示例给出，而不是限定。如此，各种实施方式的详细描述不应被解释为对本公开的范围或宽度的限定。

图1是示出依照本公开的一个实施方式的图像捕捉器件100的功能框图。在一个实施方式中，图像捕捉器件100被配置为数码相机。在其它实施方式中，图像捕捉器件100被配置为其它类型的图像捕捉器件。在图1所示的实施方式中，图像捕捉器件100包括透镜110、成像级120、图像传感器130和处理器140。

透镜110接收并聚焦来自对象场景的光102，从而在图像传感器130上形成图像。图像传感器130将入射光转换为各像素的电信号。在一个实施方式中，图像传感器130是电荷耦合器件(CCD)类型。在另一个实施方式中，图像传感器130是有源像素传感器(APS)类型，该类型经常被称为互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器，因其能够用CMOS制造工艺来制造。

在一个示例中，图像传感器(例如APS)的操作以三个步骤进行：重置步骤，其中传感器从先前的积分周期重置；图像积分步骤，其中光能被收集并被转换为电信号；以及信号读取步骤，其中信号被读取。在图像积分步骤期间，光子形式的光能撞击传感器个体中的光电二极管，由此生成多个电子-空穴对。光电二极管被设计来限制新形成的电子-空穴对之间的再结合。这样，空穴被吸引到光电二极管的接地端子，而电子被吸引到光电二极管的正极端子，其中各附加电子降低光电二极管上的电压。在积分阶段结束时，可以通过积分阶段开始时的电压减去积分阶段结束时的电压来确定光电二极管在图像积分阶段期间吸收的光子的数量。

成像级120可以包括例如中性密度(ND)滤光器、虹膜(iris)、快门、曝光控制器、亮度传感器和/或其它配置为调整到达图像传感器130的光的量的单元等元件。例如，ND滤光器可以被用于同等地降低或改变所有波长或颜色的光的强度，这减少了进入透镜的光的量。这样，ND滤光器的存在，使得摄影者能够选择光圈、曝光时间和传感器灵敏度的组合，以创作过曝光更少的照片。虹膜和快门可以被配置为通过控制光圈和快门打开的持续时间来调整到达图像传感器130的光的量。曝光控制器可以对由亮度传感器所测量的、场景中可以获得的光的量做出响应，并控制包括中性密度(ND)滤光器、虹膜和/或快门等其它元件。

动态范围由在不使传感器饱和(即超过传感器容量)的情况下，传感器在积分阶段期间能够收集的光子的最大数量，与能够在本底噪声(noise floor)之上被检测到的、传感器在积分阶段期间能够收集的光子的最小数量确定。如上所述，处理有剧烈光照变化的图像对于动态范围有限的图像捕捉器件是一个挑战。这样，如果将传感器的积分阶段缩短为不丢失任何亮光信息的点，即在积分阶段期间所收集的光子的数量将不超过传感器的容量的情形，那么，大多数(如果不是全部的)低光信息将丢失(导致图像区域被破坏成黑色)，因为所收集的光子在噪声水平之上将是不可分辨的。相反地，如果增大传感器的积分阶段以捕捉低光信息，即所收集的光子的数量在本底噪声之上可检测的情形，那么就丢失了相当大部分的亮光信息(导致图像区域发白)，因为所收集的光子的数量将超过传感器的容量。

在一个实施方式中，图像传感器130被配置为具有多个传感元件，其中每个传感元件具有灵敏度不同的多个层。各传感元件的各层被配置为减弱进入下一层的光子流。进一步地，从各层捕捉的数据由处理器140进行组合，以形成具有比典型的一层传感器更高的动态范围的输出图像142。

图2是图像传感器200的功能图，图像传感器200是图1所示的图像传感器130的一个实施方式。图像传感器200包括具有灵敏度不同的多个层的各传感器个体。在图2中，图像传感器200的传感器个体210的细节在椭圆220中示出。传感器个体210包括灵敏度不同的多个层(即n层)，其中各层被配置为以不同的灵敏度记录光子。

在一个实施方式中，传感器个体210包括n层，其中顶层(或第一层)212被配置为最灵敏的，第二层214比第一层212较不灵敏，而底层(或第三层)216最不灵敏。例如，第一层212可以被设计为最灵敏的层，第二层214可以被设计为较不灵敏8倍，而第n层216可以被设计为较不灵敏8^(n-1)倍(或对于第三层，8^(3-1)＝64倍)。这样，如果场景的亮度超过了顶层的设计灵敏度，真实亮度应由层212以及下方的层记录。每层将记录一个值，但离顶部最近的还没有饱和的层将提供具有最好的信噪比的数据。

在一个实施方式中，在设计图像传感器200的多个层时，期望将上方的层配置为较灵敏，而将下方的层配置为较不灵敏，因为更少的光子到达下方的层。这是因为当尝试对强度低的光进行成像时，期望得到所有可以得到的光。然而，可能需要进一步减弱进入下方的层的光子流的附加的电路和/或不同材料的层，从而最高效地用进入的光来形成好的图像。一旦光子被具有多个层的图像传感器200捕捉，来自多个层212、214、216的数据就被组合。因此，来自多个层212、214、216的组合的数据形成具有比传统的单层图像传感器更宽的动态范围的图像。

在另一个实施方式中，图像传感器的层的配置不必然以顶到底或底到顶的设计来进行。图像传感器可以被配置为第一层(即最敏感的层)在左侧或右侧，此时光从左侧或右侧进入。在进一步的变化中，层可以以同心球的形式配置，其中最外层是最敏感的层，而最内层是最不敏感的层。

在一个实施方式中，图像传感器的输出是分段线性的(piece-wise linear)，因为传感器个体被配置为具有线性灵敏度。这样，图像传感器的各层的灵敏度被配置为线性的。在另一个实施方式中，图像传感器的输出是分段非线性的，因为传感器个体被配置为具有非线性灵敏度。例如，由相同受让人先前提交的申请(美国专利申请No.14/817,075，通过引用包含在此)中所描述的图像传感器包括具有可变灵敏度的传感器。在一个特别的实施方式中，先前提交的申请中的图像传感器描述了被配置为具有对数灵敏度从而最大化数据使用的传感器。因此，在这一实施方式中，图像传感器的各层的灵敏度可以被配置为非线性的，特别是对数的，以使得当曲线被拼合在一起时，曲线不仅是连续的，而且其曲率也是连续的。

图3是示出层的配置的图像300，所述层是依照本公开的一个实施方式具有非线性灵敏度的图像传感器的层。在图3所示的实施方式中，顶层(即层1)被设计为最敏感的，而底层(即层n)被设计为最不敏感的。这样，相比于具有线性灵敏度的层的配置，具有非线性灵敏度的层的配置能够更平滑地从一个灵敏度层过渡到另一个灵敏度层。考虑到较少的光子到达较低的层的事实，对灵敏度进行调整。

图4是流程图，例示了依照本公开的一个实施方式配置多层高动态范围图像传感器的方法400。在图4所示的实施方式中，在框410处，第一层被配置为最敏感的。在一个实施方式中，第一层是顶层。在另一个实施方式中，第一层是最左或最右层。在框420处，与第一层耦合的第二层被配置为比第一层较不敏感。在框430处，其它连续耦合的层被配置为比之前的层较不敏感。在框440处，从各层捕捉数据并将其结合以重现原始强度，从而形成由图像传感器捕捉的图像。

前述方法和设备易受许多变化的影响。此外，为了清楚而简要的描述，方法和设备的许多描述被简化了。许多描述使用了特定标准的结构和术语。然而，所公开的方法和设备可以更广泛地应用。

本领域的技术人员将理解，结合此处公开的实施方式所描述的各种示例性的逻辑框、模块、单元和算法步骤可以经常被实施为电子硬件、计算机软件或两者的结合。为了清楚地示出硬件与软件的这一互换性，以上对于各种示例性的组件、框、模块和步骤就其功能进行了整体的描述。这样的功能被实施为硬件还是软件，取决于施加在系统整体上的具体的约束。技术人员可以对于各个具体的系统以不同的方式实施所描述的功能，但这样的实施方式决策不应被解释为导致偏离本公开的范围。此外，单元、模块、框或步骤的功能分组是为了描述简单。具体的功能或步骤可以从一个单元、模块或框移出，而不偏离本公开。

提供对公开的实施方式的以上描述，以使得本领域的任何技术人员能够完成或使用本公开。对这些实施方式的各种修改对于本领域的技术人员将是显然的，并且此处所描述的一般原理可以被应用于其它实施方式，而不偏离本公开的精神或范围。因此，本技术不限于以上所描述的具体示例。因此，应理解此处给出的说明书和附图代表本公开目前优选的实施方式，并因此代表了由本公开广泛地构想的主题。进一步地，应理解本公开的范围充分地包含其它对本领域的技术人员可能是显然的实施方式，并且因此，本公开的范围只由所附的权利要求限制。