專利名稱：成像傳感器和包含該成像傳感器的數字攝像機的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及一種成像傳感器，尤其涉及一種高分辨度的成像傳感器。
背景技術：
至少對于業余攝影而言，數字攝影機已經基本上取代了基于模擬攝影機的膠卷。典型的數字攝影機的成像傳感器是圖像單元(像素)的陣列，每個像素傳感整個圖像的光的一小部分。通常，像素的數目越大，合成的圖像(圖畫)越好，并且在變得失真之前可以看到越大的圖像。因此，像素的數目是圖像分辨率的主要尺度，并且直接影響合成圖像的清晰度和鮮明度。較早的數字攝影機包括具有電荷耦合裝置(CCD)的半鏈式傳感器用于像素傳感器。集成、電源和幀頻因素使得工業從CCD轉向基于較標準的CMOS邏輯半導體工藝的成像傳感器。
通常的CMOS成像傳感器只是光電二極管陣列，其具有連接的CMOS支持體和傳感器電路。光射到每個光電二極管改變了它的電流-電壓(I/V)特性，并且每個二極管中的CMOS支持體的傳感特性改變了。感光紅色、綠色或者藍色的彩色像素僅僅是合適的濾光二極管，其具有紅色、綠色或者藍色濾光器以阻止除特殊帶寬即紅色、綠色或者藍色以外的所有光。CMOS成像傳感器可以使得像素密度增加到4兆像素(4MP)，即使當典型的數字攝影機變得越來越小，例如一些甚至可以嵌入到移動電話中。
然而，當像素面積收縮以改善密度時，直接與光電二極管的表面積有關的到達每個傳感器的光量也減少了。因此，特別對于CMOS傳感器而言，當像素密度增加時，所減少的傳感器的光(傳感器信號)會在芯片噪聲中丟失，特別在低光情況下。例如，具有6-8MP分辨率的小型攝影機已經由于噪聲的原因而受到批評，即使是將感光度設置為100(ISO100)時所拍攝的圖像。因此，對于CMOS成像傳感器，該噪聲是增加像素密度、同時保持用于小型應用中的較小的芯片底面的阻礙因素。
因此，需要提高CMOS成像傳感器的感光度，特別是在低光的情況下并且降低CMOS傳感器的低光噪聲。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提高CMOS成像傳感器的感光度。
本發明的另一個目的是提高CMOS成像傳感器的低光感光度。
本發明的另一個目的是降低低光下的CMOS傳感器圖像的噪聲。
本發明的另一個目的是降低CMOS傳感器的圖像噪聲，同時提高CMOS成像傳感器的低光感光度。
本發明涉及一種在圖像傳感器中的像素陣列、圖像傳感器和包含該圖像傳感器的數字攝影機。該圖像傳感器包含具有彩色像素和未濾光(未濾色)像素的像素陣列。每個未濾光像素占用一個或多個陣列位置。彩色像素可以排列成連續行和列，未濾光的像素位于連續行和列之間。該成像傳感器可以位于具有未濾光像素的CMOS中，其降低了低光噪聲且提高了低光感光度。
參考附圖從以下對優選實施例的詳細描述中將會更加明了上述和其它目的、方法和優點，其中圖1示出了根據本發明一個優選實施例的彩色像素陣列的第一實例，該陣列具有未濾光的光傳感器或者被紅色、綠色或藍色濾光光傳感器單元包圍的光效率單元，以改善感光度；圖2示出了彩色像素陣列的另一實例，該陣列在低光下收集更清晰的圖像信息并且改善了圖像深度分辨率；
圖3A-C示出了使用光效率單元變形的其它彩色像素陣列的實例；圖4示出了具有優選實施例的成像傳感器陣列的數字攝影機的實例。
具體實施例方式
現在參考附圖，特別是，圖1示出了彩色像素陣列100的第一實例，其中未濾光的光傳感器或者光效率單元(LEC)102分別被紅色、綠色或者藍色的光傳感器單元或像素104、106和108包圍，用以根據本發明的優選實施例提高感光度。在本實例中，像素102、104、106和108基本上都是相同尺寸，每個占用單個陣列位置。而且，陣列100所包括的每個像素類型102、104、106和108的數量相同，以至于陣列的25％是光效率單元102。而且在本實例中，將光電二極管102、104、106和108排列成紅-綠像素行110和藍-綠像素列112，其與每個LEC102相鄰，并且形成藍-LEC像素行114和紅-LEC像素列116。
由于濾光器阻止過濾光譜以外的光到達用于濾色像素104、106和108的光傳感器，因此省略濾色器可以允許全部可視光譜的光到達光效率單元102中的光傳感器。這樣，光效率單元102接收射到像素102的全光子分布，并且感光可以被濾光器所阻止的光。因此，對于在例如技術拜爾(artBayer)紅色、綠色、藍色陣列上的每個4像素組102、104、106和108而言，通常的收集量確實增加了。例如，對于白光，4像素的組所收集的能量增大50％。所以，特別是在低光下，光效率單元102便于收集更加清晰的信息，用于改善圖像深度分辨率。盡管本發明已經應用于幾乎所有合適的包含CCD的光傳感器技術中，但是優選，彩色像素陣列100是在絕緣柵場效應管(FET)半導體技術中所實現的光電二極管傳感器陣列，其稱為CMOS。
圖2示出了根據本發明另一個優選實施例的彩色像素陣列120的另一個實例，該彩色陣列在低光度中收集更清晰的圖像信息并且額外提高了圖像深度分辨率。在該優選實施例中，光效率單元122的像素面積是相應的紅色、綠色或者藍色濾色像素104、106和108的像素面積的兩倍，并且紅色-藍色對124、綠色-紅色對126和藍色-綠色對128沿陣列120對角線設置。而且在該實例中，對于每一對濾光光傳感器單元104、106和108，存在一個這樣的光效率單元122。因此，光效率單元122的尺寸是標準彩色單元104、106和108的兩倍，占該陣列120的50％，并且能夠以兩種不同的方式形成。以最簡單的方式，通過設計僅可以改變陣列的濾色器，從而選擇性地省略對應于透明濾光器面積下的兩個標準尺寸的光電二極管的彩色。可選的是，濾色器設計的變化可以結合光電二極管設計的變化來進行。因此，除了濾色器的變化，光電二極管可以被擴展為在更大的透明濾光器面積下的單個(取代兩個)更大的光電二極管。該較大的光電二極管比標準光電二極管大，并且因此具有較大的充電容量。
因此，盡管由于包含雙倍大小的光效率單元122使得像素密度下降，但是每個光效率單元122接收到的量是每個濾光像素104、106和108的量的六倍(兩倍尺寸和三倍未濾光量)。因此，每單位面積的所接收的能量是例如技術拜爾紅色、綠色、藍色陣列狀態的三倍，從而尤其在低光下獲得顯著的改善。另外，盡管在正常或高光下的空間分辨率稍小于在技術拜爾圖形傳感器的狀態下所通常接收的分辨率，但是用于本實施例的在低光下的圖像改善以及低光深度分辨率的改善大大彌補了這些損失。
圖3A-C是彩色像素陣列的實例變形130、140、150，其中存在相應的更大的光效率單元132、142、152。在這些優選變形中，光效率單元132、142、152的面積是濾色像素104、106和108的面積的三到四倍。而且在該實例中，濾色像素104、106和108在陣列130、140、150中不均勻地間隔，有效地形成了雙色像素群以改善甚至用于較粗糙(沒有像素)的水平分辨率圖像的深度分辨率。與圖2中的陣列變形一樣，在這些變形130、140、150的每個中的更大的透明像素132、142、152可以被制造為在多個標準尺寸的光電二極管上方設置大的透明濾光器形狀、或者在大的透明濾光器下設置單個大的光電二極管。
因此，陣列130，其具有藍色-綠色像素和紅色-綠色像素的交替行和列的圖形，還包含由藍色-綠色像素134和紅色-綠色像素136的連續行和列所包圍的4點光效率單元132。類似，陣列140具有藍色-綠色像素144的交替行和列以及紅色-綠色像素146的交替行和列，其被交錯的光效率單元142打斷。在本實例中，陣列150也包括藍色-綠色像素154和紅色-綠色像素156的行和列，其被交錯的3點L形光效率單元152打斷。盡管使用單個二極管光效率單元122、132、142和152描述了每個圖2和圖3A-C的實例，但是這僅僅是舉例而不是想要作出限制。每個光效率單元122、132、142和152都可以通過一組例如2個、3個、4個或者更多個相鄰未濾光二極管來形成。而且，盡管這里參考用于彩色像素中的濾色器來進行描述，但是這僅僅是舉例而不是想要作出限制。取而代之，任何光子選擇傳感器可以用于彩色像素，例如，感光可見頻率光譜的光電二極管可以被包圍在對窄可見能帶感光的光電二極管中。
圖4示出了優選實施例陣列例如圖2的120的應用實例。因此，將陣列120作為數字攝影機160設置在成像傳感器中。成像傳感器以及數字攝影機的這些應用在本領域中是公知的。
有利的是，優選實施例的成像陣列即使在低光下提高了傳感器的靈敏性，而降低了噪聲。優選實施例LEC補償了到達單個彩色像素的低水平過濾光。因此，本發明特別適于CMOS傳感器應用，例如用于高分辨率的小型攝影機，而基本不擴展芯片覆蓋區域。
盡管根據優選實施例描述了本發明，本領域技術人員可以理解，在所附權利要求書的精神和范圍內可以對本發明進行修改。本發明旨在，所有這些改變和修改都落入所附權利要求書的范圍內。相應地，實例和附圖是說明性的而非限制性的。
權利要求
1.一種成像傳感器結構，包括多個像素，其被排列成至少一行；以及第一類型像素，其與在所述至少一行中的第二類型像素相鄰，其中所述第一類型像素包括濾色器，而所述第二類型像素不包括濾色器。
2.如權利要求1所述的成像傳感器結構，其中所述成像傳感器結構包括所述多個像素的像素陣列，并且所述多個像素的尺寸相同且包括多個濾色像素和多個未濾色像素，每個所述多個濾色像素包括紅色、綠色或者藍色濾色器。
3.如權利要求2所述的成像傳感器結構，其中所述成像傳感器結構是CMOS成像傳感器，所述像素陣列包括紅色-綠色像素的交替行和藍色-綠色像素的交替列，所述多個未濾色像素位于多對所述交替行和所述交替列之間。
4.如權利要求1所述的成像傳感器結構，其中所述第二類型像素的表面積大于所述第一類型像素的表面積。
5.如權利要求4所述的成像傳感器結構，其中所述成像傳感器結構是像素陣列，所述多個像素包括多個濾色像素和多個未濾色像素，并且每個所述多個濾色像素包括紅色、綠色或者藍色濾色器中的一個。
6.如權利要求5所述的成像傳感器結構，其中所述多個濾色像素具有統一的尺寸，并且每個所述未濾色像素是所述統一尺寸的兩倍。
7.如權利要求6所述的成像傳感器結構，其包括相同數量的紅色、綠色和藍色濾色像素和未濾色像素。
8.如權利要求5所述的成像傳感器結構，其中所述多個濾色像素具有統一的尺寸，并且每個所述未濾色像素是所述統一尺寸的四倍。
9.如權利要求8所述的成像傳感器結構，其包括多個紅色-綠色像素的連續行和多個藍色-綠色像素的連續列，所述多個未濾色像素位于多對所述連續行和所述連續列之間。
10.如權利要求4所述的成像傳感器結構，其中所述第二類型像素和所述第一類型像素包括尺寸相同的光傳感器。
11.一種數字攝影機，其包括成像傳感器，所述成像傳感器包括多個彩色像素的像素陣列，所述彩色像素被排列成多行和多列；以及多個光效率單元(LEC)，其分布于整個所述像素陣列中，每個所述多個LEC占用至少一個陣列位置。
12.如權利要求11所述的數字攝影機，其中每個彩色像素占用一個陣列位置。
13.如權利要求12所述的數字攝影機，其中所述多個濾色像素包括多個紅色、綠色和藍色濾色像素。
14.如權利要求13所述的數字攝影機，其中所述成像傳感器是CMOS成像傳感器，其包括紅色-綠色像素的交替行和藍色-綠色像素的交替列，所述多個未濾色像素位于多對所述交替行和所述交替列之間。
15.如權利要求11所述的數字攝影機，其中每個LEC占用多個陣列位置。
16.如權利要求15所述的數字攝影機，其中所述多個濾色像素包括多個紅色、綠色或者藍色濾色像素。
17.如權利要求16所述的數字攝影機，其中每個所述LEC占用兩個陣列位置。
18.如權利要求17所述的數字攝影機，其中所述成像傳感器是CMOS成像傳感器，其包括相同數量的紅色、綠色和藍色濾色像素和LEC。
19.如權利要求18所述的數字攝影機，其中所述多個濾色像素具有統一的尺寸，并且每個所述LEC是所述統一尺寸的四倍。
20.如權利要求16所述的數字攝影機，其中所述成像傳感器是CMOS成像傳感器，其包括多個紅色-綠色像素的連續行和多個藍色-綠色像素的連續列，所述多個LEC位于多對所述連續行和所述連續列之間。
21.一種CMOS成像傳感器，包括光電二極管的二維像素陣列；在所述像素陣列中的多個像素是彩色像素，每個所述彩色像素對在選定的彩色頻帶內的光感光；以及在所述像素陣列中的剩余像素是光效率單元(LEC)，所述LEC對在包含每個所述選定彩色頻帶的頻率范圍內的光感光。
22.如權利要求20所述的CMOS成像傳感器，其中所述彩色像素包含紅色、綠色和藍色像素，每個彩色像素占用單個陣列位置。
23.如權利要求21所述的CMOS成像傳感器，其中所述像素陣列包括紅色-綠色像素的連續行和藍色-綠色像素的連續列，所述LEC位于多對所述連續行和所述連續列之間。
24.如權利要求22所述的CMOS成像傳感器，其中每個所述LEC占用四個陣列位置。
25.如權利要求21所述的CMOS成像傳感器，其包括相同數量的紅色、綠色和藍色濾色像素和LEC。
26.如權利要求24所述的CMOS成像傳感器，其中每個所述LEC占用兩個陣列位置。
27.如權利要求21所述的CMOS成像傳感器，其中所述二維像素陣列包括尺寸相同的光電二極管的陣列。
28.一種數字攝影機，其包括CMOS成像傳感器，所述CMOS成像傳感器包括光電二極管的二維像素陣列；在所述像素陣列中的多個像素占用單個陣列位置并且是彩色像素；第一多個所述彩色像素是紅色像素；第二多個所述彩色像素是綠色像素；剩余的多個所述彩色像素是藍色像素；以及在所述像素陣列中的剩余像素是光效率單元(LEC)，所述LEC對在包含紅色、綠色和藍色可見頻帶的頻率范圍內的光感光。
29.如權利要求28所述的數字攝影機，其中所述像素陣列包括紅色-綠色像素的連續行和藍色-綠色像素的連續列，所述LEC位于多對所述連續行和所述連續列之間。
30.如權利要求29所述的數字攝影機，其中每個所述LEC占用四個陣列位置。
31.如權利要求28所述的數字攝影機，其包括相同數量的所述紅色、綠色和藍色像素和LEC。
32.如權利要求31所述的數字攝影機，其中每個所述LEC占用兩個陣列位置。
全文摘要
一種成像傳感器中的像素陣列，該成像傳感器和數字攝影機包括成像傳感器。該成像傳感器包括具有彩色像素和未濾光(未濾色)像素的像素陣列。每個未濾光像素占用一個或多個陣列位置。彩色像素可以排列成連續行和列并具有在連續行和列之間的未濾光像素。成像傳感器可以是具有未濾光像素的CMOS，這降低了低光噪聲并且改善了低光感光度。
文檔編號H04N9/04GK1992821SQ20061014658
公開日2007年7月4日 申請日期2006年11月15日 優先權日2005年12月30日
發明者A·盧瓦索, R·J·拉斯爾, M·D·賈菲, J·J·埃利斯-莫納甘 申請人:國際商業機器公司