专利名称:成像传感器和包含该成像传感器的数字摄像机的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种成像传感器，尤其涉及一种高分辨度的成像传感器。
背景技术：
至少对于业余摄影而言，数字摄影机已经基本上取代了基于模拟摄影机的胶卷。典型的数字摄影机的成像传感器是图像单元(像素)的阵列，每个像素传感整个图像的光的一小部分。通常，像素的数目越大，合成的图像(图画)越好，并且在变得失真之前可以看到越大的图像。因此，像素的数目是图像分辨率的主要尺度，并且直接影响合成图像的清晰度和鲜明度。较早的数字摄影机包括具有电荷耦合装置(CCD)的半链式传感器用于像素传感器。集成、电源和帧频因素使得工业从CCD转向基于较标准的CMOS逻辑半导体工艺的成像传感器。
通常的CMOS成像传感器只是光电二极管阵列，其具有连接的CMOS支持体和传感器电路。光射到每个光电二极管改变了它的电流-电压(I/V)特性，并且每个二极管中的CMOS支持体的传感特性改变了。感光红色、绿色或者蓝色的彩色像素仅仅是合适的滤光二极管，其具有红色、绿色或者蓝色滤光器以阻止除特殊带宽即红色、绿色或者蓝色以外的所有光。CMOS成像传感器可以使得像素密度增加到4兆像素(4MP)，即使当典型的数字摄影机变得越来越小，例如一些甚至可以嵌入到移动电话中。
然而，当像素面积收缩以改善密度时，直接与光电二极管的表面积有关的到达每个传感器的光量也减少了。因此，特别对于CMOS传感器而言，当像素密度增加时，所减少的传感器的光(传感器信号)会在芯片噪声中丢失，特别在低光情况下。例如，具有6-8MP分辨率的小型摄影机已经由于噪声的原因而受到批评，即使是将感光度设置为100(ISO100)时所拍摄的图像。因此，对于CMOS成像传感器，该噪声是增加像素密度、同时保持用于小型应用中的较小的芯片底面的阻碍因素。
因此，需要提高CMOS成像传感器的感光度，特别是在低光的情况下并且降低CMOS传感器的低光噪声。
发明内容因此，本发明的一个目的是提高CMOS成像传感器的感光度。
本发明的另一个目的是提高CMOS成像传感器的低光感光度。
本发明的另一个目的是降低低光下的CMOS传感器图像的噪声。
本发明的另一个目的是降低CMOS传感器的图像噪声，同时提高CMOS成像传感器的低光感光度。
本发明涉及一种在图像传感器中的像素阵列、图像传感器和包含该图像传感器的数字摄影机。该图像传感器包含具有彩色像素和未滤光(未滤色)像素的像素阵列。每个未滤光像素占用一个或多个阵列位置。彩色像素可以排列成连续行和列，未滤光的像素位于连续行和列之间。该成像传感器可以位于具有未滤光像素的CMOS中，其降低了低光噪声且提高了低光感光度。
参考附图从以下对优选实施例的详细描述中将会更加明了上述和其它目的、方法和优点，其中图1示出了根据本发明一个优选实施例的彩色像素阵列的第一实例，该阵列具有未滤光的光传感器或者被红色、绿色或蓝色滤光光传感器单元包围的光效率单元，以改善感光度；图2示出了彩色像素阵列的另一实例，该阵列在低光下收集更清晰的图像信息并且改善了图像深度分辨率；
图3A-C示出了使用光效率单元变形的其它彩色像素阵列的实例；图4示出了具有优选实施例的成像传感器阵列的数字摄影机的实例。
具体实施方式现在参考附图，特别是，图1示出了彩色像素阵列100的第一实例，其中未滤光的光传感器或者光效率单元(LEC)102分别被红色、绿色或者蓝色的光传感器单元或像素104、106和108包围，用以根据本发明的优选实施例提高感光度。在本实例中，像素102、104、106和108基本上都是相同尺寸，每个占用单个阵列位置。而且，阵列100所包括的每个像素类型102、104、106和108的数量相同，以至于阵列的25％是光效率单元102。而且在本实例中，将光电二极管102、104、106和108排列成红-绿像素行110和蓝-绿像素列112，其与每个LEC102相邻，并且形成蓝-LEC像素行114和红-LEC像素列116。
由于滤光器阻止过滤光谱以外的光到达用于滤色像素104、106和108的光传感器，因此省略滤色器可以允许全部可视光谱的光到达光效率单元102中的光传感器。这样，光效率单元102接收射到像素102的全光子分布，并且感光可以被滤光器所阻止的光。因此，对于在例如技术拜尔(artBayer)红色、绿色、蓝色阵列上的每个4像素组102、104、106和108而言，通常的收集量确实增加了。例如，对于白光，4像素的组所收集的能量增大50％。所以，特别是在低光下，光效率单元102便于收集更加清晰的信息，用于改善图像深度分辨率。尽管本发明已经应用于几乎所有合适的包含CCD的光传感器技术中，但是优选，彩色像素阵列100是在绝缘栅场效应管(FET)半导体技术中所实现的光电二极管传感器阵列，其称为CMOS。
图2示出了根据本发明另一个优选实施例的彩色像素阵列120的另一个实例，该彩色阵列在低光度中收集更清晰的图像信息并且额外提高了图像深度分辨率。在该优选实施例中，光效率单元122的像素面积是相应的红色、绿色或者蓝色滤色像素104、106和108的像素面积的两倍，并且红色-蓝色对124、绿色-红色对126和蓝色-绿色对128沿阵列120对角线设置。而且在该实例中，对于每一对滤光光传感器单元104、106和108，存在一个这样的光效率单元122。因此，光效率单元122的尺寸是标准彩色单元104、106和108的两倍，占该阵列120的50％，并且能够以两种不同的方式形成。以最简单的方式，通过设计仅可以改变阵列的滤色器，从而选择性地省略对应于透明滤光器面积下的两个标准尺寸的光电二极管的彩色。可选的是，滤色器设计的变化可以结合光电二极管设计的变化来进行。因此，除了滤色器的变化，光电二极管可以被扩展为在更大的透明滤光器面积下的单个(取代两个)更大的光电二极管。该较大的光电二极管比标准光电二极管大，并且因此具有较大的充电容量。
因此，尽管由于包含双倍大小的光效率单元122使得像素密度下降，但是每个光效率单元122接收到的量是每个滤光像素104、106和108的量的六倍(两倍尺寸和三倍未滤光量)。因此，每单位面积的所接收的能量是例如技术拜尔红色、绿色、蓝色阵列状态的三倍，从而尤其在低光下获得显著的改善。另外，尽管在正常或高光下的空间分辨率稍小于在技术拜尔图形传感器的状态下所通常接收的分辨率，但是用于本实施例的在低光下的图像改善以及低光深度分辨率的改善大大弥补了这些损失。
图3A-C是彩色像素阵列的实例变形130、140、150，其中存在相应的更大的光效率单元132、142、152。在这些优选变形中，光效率单元132、142、152的面积是滤色像素104、106和108的面积的三到四倍。而且在该实例中，滤色像素104、106和108在阵列130、140、150中不均匀地间隔，有效地形成了双色像素群以改善甚至用于较粗糙(没有像素)的水平分辨率图像的深度分辨率。与图2中的阵列变形一样，在这些变形130、140、150的每个中的更大的透明像素132、142、152可以被制造为在多个标准尺寸的光电二极管上方设置大的透明滤光器形状、或者在大的透明滤光器下设置单个大的光电二极管。
因此，阵列130，其具有蓝色-绿色像素和红色-绿色像素的交替行和列的图形，还包含由蓝色-绿色像素134和红色-绿色像素136的连续行和列所包围的4点光效率单元132。类似，阵列140具有蓝色-绿色像素144的交替行和列以及红色-绿色像素146的交替行和列，其被交错的光效率单元142打断。在本实例中，阵列150也包括蓝色-绿色像素154和红色-绿色像素156的行和列，其被交错的3点L形光效率单元152打断。尽管使用单个二极管光效率单元122、132、142和152描述了每个图2和图3A-C的实例，但是这仅仅是举例而不是想要作出限制。每个光效率单元122、132、142和152都可以通过一组例如2个、3个、4个或者更多个相邻未滤光二极管来形成。而且，尽管这里参考用于彩色像素中的滤色器来进行描述，但是这仅仅是举例而不是想要作出限制。取而代之，任何光子选择传感器可以用于彩色像素，例如，感光可见频率光谱的光电二极管可以被包围在对窄可见能带感光的光电二极管中。
图4示出了优选实施例阵列例如图2的120的应用实例。因此，将阵列120作为数字摄影机160设置在成像传感器中。成像传感器以及数字摄影机的这些应用在本领域中是公知的。
有利的是，优选实施例的成像阵列即使在低光下提高了传感器的灵敏性，而降低了噪声。优选实施例LEC补偿了到达单个彩色像素的低水平过滤光。因此，本发明特别适于CMOS传感器应用，例如用于高分辨率的小型摄影机，而基本不扩展芯片覆盖区域。
尽管根据优选实施例描述了本发明，本领域技术人员可以理解，在所附权利要求
书的精神和范围内可以对本发明进行修改。本发明旨在，所有这些改变和修改都落入所附权利要求
书的范围内。相应地，实例和附图是说明性的而非限制性的。
权利要求
1.一种成像传感器结构，包括多个像素，其被排列成至少一行；以及第一类型像素，其与在所述至少一行中的第二类型像素相邻，其中所述第一类型像素包括滤色器，而所述第二类型像素不包括滤色器。
2.如权利要求
1所述的成像传感器结构，其中所述成像传感器结构包括所述多个像素的像素阵列，并且所述多个像素的尺寸相同且包括多个滤色像素和多个未滤色像素，每个所述多个滤色像素包括红色、绿色或者蓝色滤色器。
3.如权利要求
2所述的成像传感器结构，其中所述成像传感器结构是CMOS成像传感器，所述像素阵列包括红色-绿色像素的交替行和蓝色-绿色像素的交替列，所述多个未滤色像素位于多对所述交替行和所述交替列之间。
4.如权利要求
1所述的成像传感器结构，其中所述第二类型像素的表面积大于所述第一类型像素的表面积。
5.如权利要求
4所述的成像传感器结构，其中所述成像传感器结构是像素阵列，所述多个像素包括多个滤色像素和多个未滤色像素，并且每个所述多个滤色像素包括红色、绿色或者蓝色滤色器中的一个。
6.如权利要求
5所述的成像传感器结构，其中所述多个滤色像素具有统一的尺寸，并且每个所述未滤色像素是所述统一尺寸的两倍。
7.如权利要求
6所述的成像传感器结构，其包括相同数量的红色、绿色和蓝色滤色像素和未滤色像素。
8.如权利要求
5所述的成像传感器结构，其中所述多个滤色像素具有统一的尺寸，并且每个所述未滤色像素是所述统一尺寸的四倍。
9.如权利要求
8所述的成像传感器结构，其包括多个红色-绿色像素的连续行和多个蓝色-绿色像素的连续列，所述多个未滤色像素位于多对所述连续行和所述连续列之间。
10.如权利要求
4所述的成像传感器结构，其中所述第二类型像素和所述第一类型像素包括尺寸相同的光传感器。
11.一种数字摄影机，其包括成像传感器，所述成像传感器包括多个彩色像素的像素阵列，所述彩色像素被排列成多行和多列；以及多个光效率单元(LEC)，其分布于整个所述像素阵列中，每个所述多个LEC占用至少一个阵列位置。
12.如权利要求
11所述的数字摄影机，其中每个彩色像素占用一个阵列位置。
13.如权利要求
12所述的数字摄影机，其中所述多个滤色像素包括多个红色、绿色和蓝色滤色像素。
14.如权利要求
13所述的数字摄影机，其中所述成像传感器是CMOS成像传感器，其包括红色-绿色像素的交替行和蓝色-绿色像素的交替列，所述多个未滤色像素位于多对所述交替行和所述交替列之间。
15.如权利要求
11所述的数字摄影机，其中每个LEC占用多个阵列位置。
16.如权利要求
15所述的数字摄影机，其中所述多个滤色像素包括多个红色、绿色或者蓝色滤色像素。
17.如权利要求
16所述的数字摄影机，其中每个所述LEC占用两个阵列位置。
18.如权利要求
17所述的数字摄影机，其中所述成像传感器是CMOS成像传感器，其包括相同数量的红色、绿色和蓝色滤色像素和LEC。
19.如权利要求
18所述的数字摄影机，其中所述多个滤色像素具有统一的尺寸，并且每个所述LEC是所述统一尺寸的四倍。
20.如权利要求
16所述的数字摄影机，其中所述成像传感器是CMOS成像传感器，其包括多个红色-绿色像素的连续行和多个蓝色-绿色像素的连续列，所述多个LEC位于多对所述连续行和所述连续列之间。
21.一种CMOS成像传感器，包括光电二极管的二维像素阵列；在所述像素阵列中的多个像素是彩色像素，每个所述彩色像素对在选定的彩色频带内的光感光；以及在所述像素阵列中的剩余像素是光效率单元(LEC)，所述LEC对在包含每个所述选定彩色频带的频率范围内的光感光。
22.如权利要求
20所述的CMOS成像传感器，其中所述彩色像素包含红色、绿色和蓝色像素，每个彩色像素占用单个阵列位置。
23.如权利要求
21所述的CMOS成像传感器，其中所述像素阵列包括红色-绿色像素的连续行和蓝色-绿色像素的连续列，所述LEC位于多对所述连续行和所述连续列之间。
24.如权利要求
22所述的CMOS成像传感器，其中每个所述LEC占用四个阵列位置。
25.如权利要求
21所述的CMOS成像传感器，其包括相同数量的红色、绿色和蓝色滤色像素和LEC。
26.如权利要求
24所述的CMOS成像传感器，其中每个所述LEC占用两个阵列位置。
27.如权利要求
21所述的CMOS成像传感器，其中所述二维像素阵列包括尺寸相同的光电二极管的阵列。
28.一种数字摄影机，其包括CMOS成像传感器，所述CMOS成像传感器包括光电二极管的二维像素阵列；在所述像素阵列中的多个像素占用单个阵列位置并且是彩色像素；第一多个所述彩色像素是红色像素；第二多个所述彩色像素是绿色像素；剩余的多个所述彩色像素是蓝色像素；以及在所述像素阵列中的剩余像素是光效率单元(LEC)，所述LEC对在包含红色、绿色和蓝色可见频带的频率范围内的光感光。
29.如权利要求
28所述的数字摄影机，其中所述像素阵列包括红色-绿色像素的连续行和蓝色-绿色像素的连续列，所述LEC位于多对所述连续行和所述连续列之间。
30.如权利要求
29所述的数字摄影机，其中每个所述LEC占用四个阵列位置。
31.如权利要求
28所述的数字摄影机，其包括相同数量的所述红色、绿色和蓝色像素和LEC。
32.如权利要求
31所述的数字摄影机，其中每个所述LEC占用两个阵列位置。
专利摘要
一种成像传感器中的像素阵列，该成像传感器和数字摄影机包括成像传感器。该成像传感器包括具有彩色像素和未滤光(未滤色)像素的像素阵列。每个未滤光像素占用一个或多个阵列位置。彩色像素可以排列成连续行和列并具有在连续行和列之间的未滤光像素。成像传感器可以是具有未滤光像素的CMOS，这降低了低光噪声并且改善了低光感光度。
文档编号H04N9/04GK1992821SQ200610146586
公开日2007年7月4日 申请日期2006年11月15日
发明者A·卢瓦索, R·J·拉斯尔, M·D·贾菲, J·J·埃利斯-莫纳甘 申请人:国际商业机器公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan