传感器像素和传感器系统的制作方法
【专利摘要】本申请涉及传感器像素和传感器系统。传感器系统包括像素阵列，每个像素包括第一像素和第二像素。提供在第一像素上方的第一颜色滤光片被配置为通过在光谱中的可见光部分之内且小于可见部分的第一颜色部分。提供在第二像素上方的红外颜色滤光片被配置为通过光谱中的近红外部分和红外部分，但不通过光谱中的可见部分。干涉滤光片被提供在第一像素和第二像素上方，其中干涉滤光片被配置为通过光谱中的可见部分和光谱中的近红外部分。第一像素检测在第一颜色部分中所感测到的光并且第二像素检测在近红外部分中所感测到的光。处理电路将根据所感测到的近红外部分来校正所感测到的第一颜色部分。解决了与彩色成像传感器中的IR/NIR波长的接收相关联的问题。
【专利说明】
传感器像素和传感器系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种图像传感器，尤其涉及一种具有被配置为感测多种颜色的可见光以及红外/近红外光的像素的图像传感器。
【背景技术】
[0002]参考图1。一种常规的彩色图像传感器利用像素的拜耳(Bayer)模式和像素滤光片，其中传感器像素10包括像素的2X2子阵列，该子阵列包括红色(R)像素12、两个绿色(G)像素14和16以及蓝色(B)像素18。像素化的成像阵列20通过在如图2所示的行和列的矩阵中排列多个颜色传感器像素10而形成。如图3所示，传感器像素10内的每个颜色像素(12-18)包括衬底30，在该衬底30内形成有光电二极管32(或者其它CMOS半导体感测结构)，其中在光电二极管32上方布置有颜色滤光片层34和光学透镜36。颜色滤光片层34的特性取决于光电二极管32是被提供用于红色像素12、绿色像素14或16还是蓝色像素18，其中每个滤光片层34被设计为通过光谱中的具体可见光区域或带。光学透镜36可以包括为个体像素12-18自身所提供的一个或多个微透镜以及为整个阵列20所提供的宏透镜。
[0003]颜色滤光片层34不仅通过光谱的可见光部分中与像素的颜色(S卩，红色、绿色或蓝色)相关联的波长范围，而且还通过光谱的红外(IR)或近红外(NIR)区域或带中的光的波长。对于红色像素12而言尤其是这种情形。光电二极管32对于IR或NIR波长的响应可以与该光电二极管针对具体可见颜色范围中的可见光的响应相当。因此，每个光电二极管32所接收到的IR或NIR可能会对传感器感测所期望的可见光的能力具有不利影响。这种现象在现有技术中被称作IR/NIR污染，并且除其它问题之外，其是洗掉光电二极管32在可见光谱中的颜色响应的原因。
[0004]本领域需要解决与彩色成像传感器中的IR/NIR波长的接收相关联的该问题和其它问题。
【实用新型内容】
[0005]本申请的目的就在于解决上述与彩色成像传感器中的IR/NIR波长的接收相关联的该问题和其它问题。
[0006]根据本申请的一个方面，提供一种传感器像素，其特征在于，包括:包括第一像素和第二像素的颜色像素的子阵列；在所述第一像素上方的红色滤光片;在所述第二像素上方的红外滤光片;在所述第一像素和所述第二像素上方的干涉滤光片；其中所述红色滤光片包括第一透射通带，所述第一透射通带通过光谱中高于第一波长的区域;其中所述红外滤光片包括第二透射通带，所述第二透射通带通过光谱中高于第二波长的区域，所述第二波长大于所述第一波长;并且其中所述干涉滤光片包括第三透射通带，所述第三透射通带通过光谱中低于第三波长的区域，所述第三波长大于所述第二波长。
[0007]在一个实施例中，所述第一像素被配置为生成指示在光谱中处于所述第一波长和所述第三波长之间的第一感测区域中所感测到的光的红色值;并且其中所述第二像素被配置为生成指示在光谱中处于所述第二波长和所述第三波长之间的第二感测区域中所感测到的光的红外颜色值。
[0008]在一个实施例中，传感器像素进一步包括处理电路，所述处理电路被配置为接收所述红色值和所述红外颜色值并且根据所述红色值和所述红外颜色值之间的差值计算经校正的红色值。
[0009]在一个实施例中，所述处理电路被配置为依据以下公式计算所述经校正的红色值:
[0010]经校正的红色值=红色值_(α*红外颜色值)；
[0011]其中α是比例因数。
[0012]在一个实施例中，颜色像素的所述子阵列进一步包括第三像素和第四像素，所述传感器像素进一步包括:在所述第三像素上方的蓝色滤光片；以及在所述第四像素上方的绿色滤光片;其中所述干涉滤光片进一步处于所述第三像素和所述第四像素上方。
[0013]在一个实施例中，其中所述第一波长大约为580nm;其中所述第二波长大约为650nm;并且
[0014]其中所述第三波长大约为700nmo
[0015]根据本申请的另一方面，提供一种传感器系统，其特征在于，包括:感测元件的阵列，其中每个感测元件包括传感器像素的子阵列，所述子阵列包括被配置为主要感测第一可见颜色的第一像素以及被配置为主要在高于光谱中的第一波长的红外颜色中进行感测的第二像素;在感测元件的所述阵列上方的干涉滤光片，所述干涉滤光片具有通过光谱中低于第二波长的区域的透射通带，所述第二波长大于所述第一波长;并且其中所述第一像素进一步被配置为生成指示感测所述第一可见颜色的第一颜色值;其中所述第二像素被配置为生成指示在光谱中处于所述第一波长和所述第二波长之间的感测区域中的感测的红外颜色值；以及处理电路，被配置为接收所述第一颜色值和红外颜色值，并且根据所述第一颜色值和所述红外颜色值之间的差值来计算经校正的第一颜色值。
[0016]在一个实施例中，所述处理电路依据以下公式计算所述经校正的第一颜色值:
[0017]经校正的第一颜色值=第一颜色值-(α*红外颜色值)；
[0018]其中α是比例因数。
[0019]在一个实施例中，颜色像素的所述子阵列进一步包括被配置为主要感测第三可见颜色的第三像素以及被配置为主要感测第四可见颜色的第四像素，其中所述干涉滤光片进一步处于所述第三像素和所述第四像素上方。
[0020]在一个实施例中，其中所述第一波长大约为650nm;并且其中所述第二波长大约为700nmo
[0021]在一个实施例中，所述第一可见颜色为红色。
[0022]根据本申请的另一方面，提供一种传感器系统，其特征在于，包括:颜色像素的子阵列，包括第一像素和第二像素;在所述第一像素和所述第二像素上方的干涉滤光片，其中所述干涉滤光片被配置为通过光谱中的可见部分和光谱中的近红外部分;在所述第一像素上方的第一颜色滤光片，其中所述第一颜色滤光片被配置为通过在光谱中的可见部分之内且小于所述可见部分的第一颜色部分；以及在所述第二像素上方的红外滤光片，其中所述红外滤光片被配置为通过光谱中的近红外部分和红外部分，但是并不通过光谱中的可见部分。
[0023]在一个实施例中，所述第一像素被配置为生成指示在所述第一颜色部分中所感测到的光的第一颜色值;并且其中所述第二像素被配置为生成指示在所述近红外部分中所感测到的光的近红外颜色值。
[0024]在一个实施例中，该传感器系统进一步包括处理电路，所述处理电路被配置为接收第一颜色值和红外颜色值，并且根据所述第一颜色值和所述红外颜色值之间的差值来计算经校正的第一颜色值。
[0025]在一个实施例中，所述处理电路被配置为依据以下公式计算所述经校正的第一颜色值:
[0026]经校正的第一颜色值=第一颜色值_(α*红外颜色值)；
[0027]其中α是比例因数。
[0028]根据本申请的方案，可以提供一种改进的传感器像素和传感器系统，使得能够感测多种颜色的可见光以及红外/近红外光，避免现有技术中与彩色成像传感器中的IR/NIR波长的接收相关联的问题以及其它问题。
【附图说明】
[0029]为了更好地理解实施例，现在将仅通过示例对附图加以参考，其中:
[0030]图1是常规传感器像素子阵列的颜色像素布局的示意性图示；
[0031]图2是包括图1的传感器像素子阵列的传感器阵列的示意性图示；
[0032]图3是个体颜色像素的横截面示意图；
[0033]图4是一个实施例中的颜色像素布局的示意性图示；
[0034]图5是包括图4的传感器像素子阵列的传感器阵列的示意性图示；
[0035]图6是像素子阵列的个体像素的横截面示意图；和
[0036]图7A-7D图示了像素子阵列的个体像素的可见光滤光片、红外光滤光片和干涉滤光片的透射特性。
【具体实施方式】
[0037]现在参考图4，示出了一个实施例中的颜色像素布局的示意性图示。该布局表示像素和像素滤光片的常规Bayer模式(参见图1)的修改形式。传感器像素110包括像素的2 X 2子阵列，该子阵列包括红色像素112、绿色像素114、蓝色像素116和红外像素118。像素化成像阵列120通过将多个颜色传感器像素110排列在如图5所示的行和列的矩阵中而形成。
[0038]图4中示出了红外像素118，其与绿色像素114对角线相反地占据了该子阵列的左下角，但是将要理解的是，红外像素118可以以与红色像素112、绿色像素114或蓝色像素116对角线相反的方式而被置于子阵列的任意角落。
[0039]如图6所示，用于可见光感测的每个颜色像素112-116以及用于红外和/或近红外(IR/NIR)感测的颜色像素118包括其中形成光电二极管132(或者其它CMOS半导体感测结构)的衬底130，其中在光电二极管132上方布置有颜色滤光片层134、干涉滤光片层136和光学透镜138。颜色滤光片层134的特性取决于光电二极管132被提供用于红色像素112(被设计为主要检测红光)、绿色像素114(被设计为主要检测绿光)、蓝色像素(被设计为主要检测蓝光)还是IR/NIR像素118(被设计为主要检测IR/NIR光)，其中每个滤光片层134被设计为通过光谱中的具体区域或带。
[0040]图7A针对用于红色像素112的滤光片层134的示例图示了相对波长的红光透射特性150。将要注意到的是，用于红色像素的滤光片层134包括通带160，该通带160允许波长大于大约580nm(+/-5%)的光通过(S卩，该滤光片允许可见红光、近红外光和红外光通过)。
[0041]图7B针对用于绿色像素114的滤光片层134的示例图示了相对波长的绿光透射特性152。将要注意到的是，用于绿色像素的滤光片层134包括通带162，该通带162允许波长处于500nm-600nm(+/_5% )以及大于大约800nm的光通过(即，该滤光片允许可见绿光和红外光通过)。
[0042]图7C针对用于蓝色像素116的滤光片层134的示例图示了相对波长的蓝光透射特性154。将要注意到的是，用于蓝色像素的滤光片层134包括通带164，该通带164允许波长处于400nm-500nm(+/-5% )之间以及大于大约800nm的光通过(即，该滤光片允许可见蓝光和红外光通过)。
[0043]图7D针对用于IR/NIR像素118的滤光片层134的示例图示了相对波长的IR/NIR光透射特性156。将要注意到的是，用于IR/NIR像素的滤光片层134包括通带166，该通带166允许波长大于大约650nm(+/-5%)的光通过(S卩，该滤光片允许近红外光和红外光通过)。
[0044]干涉滤光片层138的透射特性基本上阻挡了光谱中的IR区域或带，但是对于光谱中的可见光区域或带以及光谱中的近红外区域或带则是透明的。图7A-7D针对用于红色像素112、绿色像素114、蓝色像素116和IR/NIR像素118的干涉滤光片层136的示例图示了相对波长的干涉光透射特性170a和170b。附图标记170a提供了处于O度的透射特性，而附图标记170b则提供了处于35度的透射特性。就此而言，将要理解的是，该透射特性根据光线的入射角度而发生变化，其中O度示出了同轴光的特性而35度则示出了离轴光的透射特性，并且参考了相机系统的最大离轴角度的示例。将要注意的是，干涉滤光片层136包括通带168，该通带168允许波长处于380nm-700nm之间的可见光和近红外光通过。因此，关于IR/NIR像素118而言，用于IR/NIR像素118的滤光片层134和干涉滤光片层136的组合光透射特性将仅允许波长处于650nm-700nm之间的近红外光到达光电二极管132(如图7B中以附图标记172所指示的)。
[0045]本领域技术人员认识到，用于可见相机的常规干涉滤光片具有处于大约650nm(同轴)的上限截止波长(upper cut-off)。这对于截止波长向左偏移(S卩，<650nm)的高角度光就存在问题并且因此开始删除所期望的可见光。在这里所公开的实施例中，用于干涉滤光片136的上限截止波长例如被另外选择为700nm，从而即使在高角度下，该滤光片也不会删除可见光(即，在离轴情况下截止波长仍然>650nm)。该较高的截止波长将使得近红外辐射得以通过，但是考虑到该问题并使用以下随IR传感器所获得的信息所讨论的处理来校正该问题。在所公开的实施例中，650nm表示被认为是“所期望”光的最大波长。将截止波长置于700nm仅是作为示例，所要理解的是，可替换地选择处于700nm附近的其它截止波长值，例如710nm-720nm。重要的是，针对上限截止波长所选择的值(例如，在700nm-741nm的范围内)足够高而使得滤光片136的角位移并不会移入650nm的所期望的波长区域并且对所期望的光进行截取。
[0046]光学透镜138可以包括针对个体像素112-118自身所提供的一个或多个微透镜以及针对整个阵列120所提供的宏透镜。
[0047]再次参考图5。像素化成像阵列120是成像系统122的组件，成像系统122进一步包括处理电路124。该处理电路从阵列120的每个传感器像素110读取颜色值。该颜色值包括来自红色像素112的红色值(RED uncorrecte d )、来自绿色像素114的绿色值(GREENunccirrected )、来自蓝色像素116的蓝色值(BLUEunccirrected)以及来自IR/NIR像素118的红外颜色值(IR)。随后由处理电路124如下计算经校正的颜色值:
[0048]REDcorrected — REDuncorrected-Qred^IR
[0049 ] GREENcorrected = GREENuncorrected ~ Ct green*IR
[0050] BLUEcorrected — BLUEuncorrected-Clb lue* IR
[0051 ] 在上述计算中，IR值表示IR/NIR像素118所感测到的近红外光(650nm-700nm之间的波长)污染，其中该光线对于红色像素112所感测到的红色值(RED—ected )也有所贡献，并且可以进一步对于绿色像素114所感测到的绿色值(GREENunccirrected)以及蓝色像素116所感测到的蓝色值(BLUEunccirrected)有所贡献。所执行的校正减去IR/NIR污染以生成经校正的像素值。由于红色像素112、绿色像素114和蓝色像素116对于该IR/NIR污染的敏感度差异，校正因数ared、agr_和ablud_很大可能有所不同。实际上，在一些实施方式中，可能根本不需要绿色和蓝色校正(即，GREENcxxrrected = GREENuncOTrected且BLUEcOTrected = BLUEu_rrected) ο
[0052]干涉滤光片层136例如可以包括涂覆以具有不同折射系数的多层材料的衬底(例如，由玻璃制成)。层的数量、层的厚度以及每一层的材料被选择以控制该滤光片的透射特性。本领域技术人员理解如何设计并构建具有如图7A-7D所示的透射特性(附图标记170a和170b)的干涉层136。
[0053]虽然这里详细讨论了各个实施例的制造和使用，但是应当意识到的是，如这里所描述的提供了许多可以在各种不同的上下文中进行体现的实用新型概念。这里所讨论的实施例仅是代表性的而并不对本实用新型的范围加以限制。
[0054]虽然已经在附图和以上描述中图示并详细描述了本实用新型，但是这样的图示和描述被认为是说明性或示例性的而并不是限制性的;本实用新型并不局限于所公开的实施例。通过研习附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所请求保护的实用新型时能够理解并实施对于所公开实施例的其它变化。
【主权项】
1.一种传感器像素元件，其特征在于，包括: 包括第一像素元件和第二像素元件的颜色像素元件的子阵列； 在所述第一像素元件上方的红色滤光片； 在所述第二像素元件上方的红外滤光片； 在所述第一像素元件和所述第二像素元件上方的干涉滤光片； 其中所述红色滤光片具有第一透射通带，所述第一透射通带通过光谱中高于第一波长的区域； 其中所述红外滤光片具有第二透射通带，所述第二透射通带通过光谱中高于第二波长的区域，所述第二波长大于所述第一波长;并且 其中所述干涉滤光片具有第三透射通带，所述第三透射通带通过光谱中低于第三波长的区域，所述第三波长大于所述第二波长。2.根据权利要求1所述的传感器像素元件，其特征在于，所述第一像素元件被配置为生成指示在光谱中处于所述第一波长和所述第三波长之间的第一感测区域中所感测到的光的红色值;并且其中所述第二像素元件被配置为生成指示在光谱中处于所述第二波长和所述第三波长之间的第二感测区域中所感测到的光的红外颜色值。3.根据权利要求2所述的传感器像素元件，其特征在于，进一步包括处理电路，所述处理电路被配置为接收所述红色值和所述红外颜色值并且根据所述红色值和所述红外颜色值之间的差值计算经校正的红色值。4.根据权利要求3所述的传感器像素元件，其特征在于，所述处理电路被配置为依据以下公式计算所述经校正的红色值: 经校正的红色值=红色值-(α*红外颜色值)； 其中α是比例因数。5.根据权利要求1所述的传感器像素元件，其特征在于，颜色像素元件的所述子阵列进一步包括第三像素元件和第四像素元件，所述传感器像素元件进一步包括: 在所述第三像素元件上方的蓝色滤光片；以及 在所述第四像素元件上方的绿色滤光片； 其中所述干涉滤光片进一步处于所述第三像素元件和所述第四像素元件上方。6.根据权利要求1所述的传感器像素元件，其特征在于， 其中所述第一波长大约为580nm; 其中所述第二波长大约为650nm;并且 其中所述第三波长大约为700nm。7.一种传感器系统，其特征在于，包括: 感测元件的阵列，其中每个感测元件包括传感器像素元件的子阵列，所述子阵列包括被配置为主要感测第一可见颜色的第一像素元件以及被配置为主要在高于光谱中的第一波长的红外颜色中进行感测的第二像素元件； 在感测元件的所述阵列上方的干涉滤光片，所述干涉滤光片具有通过光谱中低于第二波长的区域的透射通带，所述第二波长大于所述第一波长;并且 其中所述第一像素元件进一步被配置为生成指示感测所述第一可见颜色的第一颜色值； 其中所述第二像素元件被配置为生成指示在光谱中处于所述第一波长和所述第二波长之间的感测区域中的感测的红外颜色值；以及 处理电路，被配置为接收所述第一颜色值和红外颜色值，并且根据所述第一颜色值和所述红外颜色值之间的差值来计算经校正的第一颜色值。8.根据权利要求7所述的传感器系统，其特征在于，所述处理电路依据以下公式计算所述经校正的第一颜色值: 经校正的第一颜色值=第一颜色值_(α*红外颜色值)； 其中α是比例因数。9.根据权利要求7所述的传感器系统，其特征在于，颜色像素元件的所述子阵列进一步包括被配置为主要感测第三可见颜色的第三像素元件以及被配置为主要感测第四可见颜色的第四像素元件，其中所述干涉滤光片进一步处于所述第三像素元件和所述第四像素元件上方。10.根据权利要求7所述的传感器系统，其特征在于， 其中所述第一波长大约为650nm;并且 其中所述第二波长大约为700nm。11.根据权利要求7所述的传感器系统，其特征在于，所述第一可见颜色为红色。12.一种传感器系统，其特征在于，包括: 颜色像素元件的子阵列，包括第一像素元件和第二像素元件； 在所述第一像素元件和所述第二像素元件上方的干涉滤光片，其中所述干涉滤光片被配置为通过光谱中的可见部分和光谱中的近红外部分； 在所述第一像素元件上方的第一颜色滤光片，其中所述第一颜色滤光片被配置为通过在光谱中的可见部分之内且小于所述可见部分的第一颜色部分；以及 在所述第二像素元件上方的红外滤光片，其中所述红外滤光片被配置为通过光谱中的近红外部分和红外部分，但是并不通过光谱中的可见部分。13.根据权利要求12所述的传感器系统，其特征在于，所述第一像素元件被配置为生成指示在所述第一颜色部分中所感测到的光的第一颜色值;并且其中所述第二像素元件被配置为生成指示在所述近红外部分中所感测到的光的近红外颜色值。14.根据权利要求13所述的传感器系统，其特征在于，进一步包括处理电路，所述处理电路被配置为接收第一颜色值和红外颜色值，并且根据所述第一颜色值和所述红外颜色值之间的差值来计算经校正的第一颜色值。15.根据权利要求14所述的传感器系统，其特征在于，所述处理电路被配置为依据以下公式计算所述经校正的第一颜色值: 经校正的第一颜色值=第一颜色值_(α*红外颜色值)； 其中α是比例因数。
【文档编号】H04N9/04GK205430494SQ201520739574
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年9月22日
【发明人】C路姹ゆ．, C·汤森
【申请人】意法半导体(R&D)有限公司