所揭示的實施例大體上涉及圖像傳感器，且特定來說(但非排他地)，涉及包含具有鉆石形濾光器的濾色器陣列(cfa)的圖像傳感器。

背景技術：

圖像傳感器廣泛用于數碼照相機、蜂窩電話及安全攝像機中，還廣泛用于醫學、汽車及其它應用中。用于制造圖像傳感器的技術，且尤其是用于制造互補金屬氧化物半導體(“cmos”)圖像傳感器的技術已快速地持續發展，且對更高分辨率及更低電力消耗的要求已促進圖像傳感器的進一步微型化及集成。

常規cmos圖像傳感器使用具有鄰接正方形濾光器的濾色器陣列(cfa)，所述正方形濾光器具有例如紅色、綠色及藍色(rgb)的一組原色，被布置成通稱的拜耳圖案。在一些實施例中，額外可見或非可見濾光器可被包含于濾色器陣列中，以增加圖像傳感器的靈敏度及/或在可見波長范圍外提供成像能力。

但額外像素可能會減小分辨率且致使色彩混疊。如果使用非可見濾光器，那么分辨率可能會減小，這是因為其減少可見像素的數目。色彩混疊導致錯誤的色彩出現于圖像的區域中。

技術實現要素：

本發明提供一種濾色器陣列，其包括：多個平鋪最小重復單元，每一最小重復單元至少包含：四個菱形濾色器的主集合，所述菱形濾色器經定位使得每一菱形濾色器的至少兩個頂點接觸鄰接菱形濾色器的頂點，且使得所述四個菱形濾光器形成中心間隙空間及四個外圍間隙空間，其中所述主集合包含具有第一光譜光響應的至少一個濾色器、具有第二光譜光響應的至少一個濾色器及具有第三光譜光響應的至少一個濾色器；及菱形濾光器的次集合，所述次集合包括定位于所述中心間隙空間中的菱形濾光器及定位于所述四個外圍間隙空間中的三者中的菱形濾光器，其中所述次集合中的所述菱形濾光器具有不同于所述第一、第二及第三光譜光響應中的任何者的第四光譜光響應。

本發明還提供一種圖像傳感器，其包括：像素陣列，其包含多個個別像素；濾色器陣列，其定位于所述像素陣列上方使得所述像素陣列中的每一個別像素光學耦合到所述濾色器陣列的對應濾光器，所述濾色器陣列包括多個平鋪最小重復單元，每一最小重復單元至少包含：四個菱形濾色器的主集合，所述菱形濾色器經定位使得每一菱形濾色器的至少兩個頂點接觸鄰接菱形濾色器的頂點，且使得所述四個菱形濾光器形成中心間隙空間及四個外圍間隙空間，其中所述主集合包含具有第一光譜光響應的至少一個濾色器、具有第二光譜光響應的至少一個濾色器及具有第三光譜光響應的至少一個濾色器；及菱形濾光器的次集合，所述次集合包括定位于所述中心間隙空間中的菱形濾光器及定位于所述四個外圍間隙空間中的至少三者中的濾光器，其中所述次集合中的所述菱形濾光器具有不同于所述第一、第二及第三光譜光響應中的任何者的第四光譜光響應；讀出電路，其耦合到所述像素陣列以從所述個別像素讀出信號；及功能邏輯，其耦合到所述讀出電路以處理從所述個別像素讀取的所述信號。

附圖說明

參考以下圖式描述本發明的非限制及非詳盡實施例，其中貫穿各種視圖相似的元件符號指代相似部件，除非另外指定。圖式并非按比例繪制，除非明確指示。

圖1是包含濾色器陣列的圖像傳感器的實施例的示意圖。

圖2a到2b分別是一對前側照式像素的實施例及一對背側照式像素的實施例的橫截面。

圖3是通過平鋪多個最小重復單元(mru)形成的濾色器陣列(cfa)的實施例的圖。

圖4a到4d是最小重復單元及其組件的實施例的圖。

圖5a到5b分別是濾色器陣列及其最小重復單元的實施例的圖。

圖6a到6b分別是濾色器陣列及其最小重復單元的另一實施例的圖。

圖7a到7b是菱形及使用非正方形的菱形濾光器形成的mru的實施例的圖。

圖8是說明用于讀取具有所描述的濾光器陣列的實施例的圖像傳感器中的像素的一對讀取電路的實施例的圖。

具體實施方式

描述一種用于使用菱形像素的濾色器陣列的設備、系統及方法的實施例。描述特定細節以提供對實施例的理解，但相關領域的技術人員將認識到，可無需所描述的細節中的一或多者或使用其它方法、組件、材料等等實踐本發明。在一些實例中，未詳細展示或描述眾所周知的結構、材料或操作，但盡管如此，其仍涵蓋于本發明的范圍內。

貫穿此說明書對“一個實施例”或“實施例”的參考意味著所描述的特征、結構或特性可包含于至少一個所描述的實施例中。因此，出現“在一個實施例中”或“在實施例中”并不一定都指代相同的實施例。此外，特定的特征、結構或特性可以任何合適的方式組合于一或多個實施例中。

圖1說明互補金屬氧化物半導體(cmos)圖像傳感器100的實施例，cmos圖像傳感器100包含彩色像素陣列105、耦合到所述像素陣列的讀出電路170、耦合到所述讀出電路的功能邏輯115及耦合到所述像素陣列的控制電路120。彩色像素陣列105是具有x個像素列及y個像素行的個別成像傳感器或像素(例如，像素p1、p2、…、pn)的二維(“2d”)陣列。彩色像素陣列105可被實施為如圖2a中所展示的前側照式圖像傳感器，或被實施為如圖2b中所展示的背側照式圖像傳感器。如所說明，將陣列中的每一像素布置到行(例如，行r1到ry)及列(例如，列c1到cx)中以采集個人、位置或物體的圖像數據，接著可使用所述圖像數據再現個人、位置或物體的2d圖像。彩色像素陣列105使用耦合到所述像素陣列的濾色器陣列(cfa)將色彩指派到每一像素，如下文關于濾色器陣列的所揭示的實施例所進一步論述。所說明的像素陣列105具有鄰接正方形像素，但在濾色器陣列具有菱形濾光器(例如下文所描述者)的實施例中，陣列中的每一像素的形狀及定向將通常大體上匹配其光學耦合到的濾光器的形狀及定向。

在像素陣列105中的每一像素已采集其圖像數據或圖像電荷之后，由讀出電路170讀出所述圖像數據且將其傳送到功能邏輯115以用于存儲、額外處理等等。讀出電路170可包含放大電路、模/數(“adc”)轉換電路，或其它電路。功能邏輯115可存儲所述圖像數據或通過應用圖像后效果(例如，剪裁、旋轉、消除紅眼、調整亮度、調整對比度或其它)操縱所述圖像數據。在一個實施例中，功能邏輯115還可用于處理所述圖像數據以校正(即，減小或消除)固定圖案噪聲。控制電路120耦合到像素陣列105以控制彩色像素陣列105的操作特性。舉例來說，控制電路120可產生用于控制圖像采集的快門信號。

圖2a說明cmos圖像傳感器中的一對前側照式(fsi)像素200的實施例的橫截面。fsi像素200的前側是襯底202的側，光敏區域204及相關聯的像素電路被安置于其上，且用于重新分配信號的金屬堆疊206形成于其上。金屬堆疊206包含金屬層m1及m2，其經圖案化以創建光通道，通過所述光通道，入射于fsi像素200上的光可到達光敏或光電二極管(“pd”)區域204。為了實施彩色圖像傳感器，前側可包含濾色器陣列201，其中其濾色器(在此特定橫截面中僅說明兩個個別濾光器203及205)中的每一者被安置于微透鏡210的下方，微透鏡210可將入射光聚焦到pd區域204上。濾色器陣列201可為用本文中所論述的最小重復單元中的任何者形成的濾色器陣列。

圖2b說明cmos圖像傳感器中的一對背側照式(bsi)像素250的實施例的橫截面。如在fsi像素200中，像素250的前側是襯底202的側，光敏區域204及相關聯的像素電路被安置于其上，且金屬堆疊206形成于其上以用于重新分配信號。所述背側是與所述前側相反的襯底202的側。為了實施彩色圖像傳感器，所述背側可包含濾色器陣列201，其中其個別濾光器(在此特定橫截面中說明個別濾光器203及205)中的每一者被安置于微透鏡210的下方。濾色器陣列201可為用本文中所論述的最小重復單元中的任何者形成的濾色器陣列。微透鏡206有助于將入射光聚焦到光敏區域204上。像素250的背側照明意味著金屬堆疊206中的金屬互連線不會遮蔽被成像的物體與光敏區域204之間的路徑，從而導致由光敏區域204的更大信號產生。

圖3說明濾色器陣列(cfa)300及經平鋪以形成cfa的最小重復單元(mru)集合。cfa300包含大體上對應于cfa300光學耦合到或將光學耦合到的像素陣列中的若干個別像素的若干個別濾光器。每一個別濾光器光學耦合到像素陣列中的對應個別像素，且具有從光響應集合中選出的特定色彩光響應。特定光響應對電磁光譜的某些部分具有高靈敏度，而同時對光譜的其它部分具有低靈敏度。像素本身未被著色，但因為cfa通過將濾光器放置于像素上方將單獨光響應指派到每一像素，通常將像素稱為其光學耦合到的特定光響應的像素。因此，如果像素不具有濾光器或光學耦合到透明(即，無色或全色)濾光器，那么像素可被稱為“透明像素”，如果像素光學耦合到藍色濾光器，那么像素可被稱為“藍色像素”，如果像素光學耦合到綠色濾光器，那么像素可被稱為“綠色像素”，或如果像素光學耦合到紅色濾光器，那么像素可被稱為“紅色像素”，等等。

cfa300中的個別濾光器被分組成最小重復單元(mru)，例如mru302，且mru302被垂直及水平平鋪，如由箭頭所指示，以形成cfa300。最小重復單元是重復單元，使得其它重復單元都不具有較少個別濾光器。濾色器陣列可包含若干不同重復單元，但如果在陣列中存在具有更少個別濾光器的另一重復單元，那么重復單元并非最小重復單元。其它實施例還可包含具有mru的濾光器陣列，其包含比對于mru302所說明的更大或更少數目個像素(例如，參見圖4d、5b、6b及7b)。

圖4a到4d一起說明最小重復單元(mru)400及其主及次濾光器集合的實施例。方向術語-北、南、東、西、頂部、底部、左、右、上、下等等用于指代相對于這些圖式中所展示的個別濾光器、濾光器的群組及濾光器圖案的頁面的定向。此方向術語用于幫助描述所展示的事物，但并非是指單獨的濾光器圖案或與另一裝置(例如，圖像傳感器)組合的濾光器圖案在實際使用中可能具有的任何定向。此外，關于包括mru400的實施例的濾光器及濾光器集合使用術語“主”及“次”，但這些術語并不意味著或暗示一個濾光器集合比另一者更重要，僅表示其不同于彼此。

圖4a到4b一起說明主濾光器集合425的構造。主濾光器集合425包含四個四邊菱形濾光器402a到402d。菱形意味著濾光器是鉆石形的，或換句話說，其具有菱形的形狀。菱形是簡單(即，非自相交)的四邊形，其中全部四個邊都具有相同的長度；對角線相互垂直且平分；且每一對角線平分兩個內對角。盡管所說明的濾光器402a到402d是正方形(其已被旋轉45度)，但其仍為菱形，這是因為正方形是菱形的特殊情況(例如，參見圖7a到7b中菱形并非是正方形的更一般情況)。在所說明的實施例中，濾光器402a到402d是菱形，且具有大體上相同大小，但在其它實施例中，濾光器402a到402d無需具有相同大小。

每一菱形濾光器402具有四個頂點-在圖式中，針對每一濾光器，這些頂點被標記為n、s、e及w，其對應于每一濾光器的頂點相對于頁面的定向的北、南、東及西。為了形成主濾光器集合425，濾光器402a到402d被放在一起使得每一菱形濾光器402的頂點中的兩者與另一菱形濾光器的頂點接觸。對分離觀測的主濾光器集合425及mru400來說，也是如此。但當多個mru400被平鋪成完整的濾光器陣列時，除陣列的邊緣處的濾光器外，每個濾光器的全部四個頂點實際上都與另一濾光器的頂點接觸(參見例如圖5a到5b，圖6a到6b)。

在所說明的實施例中，濾光器402a具有經定位與濾光器402b的頂點w重合的頂點e及與濾光器402c的頂點n重合的頂點s。濾光器402b具有經定位與濾光器402a的頂點e重合的頂點w及與濾光器402d的頂點n重合的頂點s。濾光器402c具有經定位與濾光器402d的頂點w重合的頂點e及與濾光器402a的頂點s重合的頂點n。濾光器402d具有經定位與濾光器402c的頂點e重合的頂點w及與濾光器402b的頂點s重合的頂點n。

為將光譜光響應指派到mru400中的個別濾光器，所述個別濾光器可被分成兩個群組：主集合中的濾光器，其具有三個不同的彩色光譜光響應s1、s2及s3；及次集合中的濾光器，其具有與s1、s2或s3不同的第四光響應s4。在主集合425中，且因此在mru400中，三個光譜光響應s1到s3被指派到四個濾光器402a到402d，這意味著光響應s1到s3中的任何者可在主濾光器集合425及mru400中出現兩次；換句話說，相同的彩色光響應濾光器可在mru中出現一次以上。在主濾光器集合425的所說明的實施例中，光譜光響應s2出現兩次，且其經定位使得相同的彩色光響應濾光器對角相對且非鄰接；此布置是眾所周知的拜耳圖案到菱形像素的應用。但在其它實施例中，相同的彩色光響應濾光器可與所展示不同地被定位。舉例來說，相同的光響應濾光器可沿著不同對角線而被定位，或可水平或垂直鄰接。

經選擇用于mru中的彩色光響應集合通常具有至少三種色彩，但在一些實施例中，其可包含四種以上色彩。在具有四個彩色光響應的mru400的實施例中，光響應s1到s4的集合可為紅色、綠色、藍色及透明或全色(即，中性或無色)。但在其它實施例中，cfa300可包含除所列出的那些外或取代所列出的那些的其它光響應。例如，其它實施例可包含可見光響應濾光器，例如青色(c)、品紅(m)、黃色(y)及透明(即，無色)濾光器。另外其它實施例可包含具有非可見光響應的濾光器，例如紅外濾光器、紫外濾光器、x射線濾光器等等。

如本文中所使用，白色、透明、無色或全色光響應是指具有比在彩色光響應集中所表示的那些光譜靈敏度更廣泛的光譜靈敏度的光響應。全色光靈敏度可跨越整個可見光譜具有較高靈敏度。術語全色像素將指代具有全色光響應的像素。盡管全色像素通常具有比彩色光響應集合更廣泛的光譜靈敏度，但每一全色像素可具有相關聯的濾光器。此濾光器是中性密度濾光器或濾色器。

圖4b說明起因于將菱形濾光器402a到402d放在一起(如圖4a中所展示)的主集合425的實施例。當如所展示那樣被放在一起時，濾光器402a到402d形成中心間隙空間405c及四個外圍間隙空間405n、405s、405e及405w。中心間隙空間405c是封閉的空間，這意味著其完全由四個邊緣約束：濾光器402a的邊緣se、濾光器402b的邊緣sw、濾光器402c的邊緣ne及濾光器402d的邊緣nw。在主集合425中，外圍間隙空間405n、405s、405e及405w是開放的空間，在此意義上，其僅在兩個邊上受約束。空間405n由濾光器402a的邊緣ne及濾光器402b的邊緣nw約束；空間405s由濾光器402c的邊緣se及濾光器402d的邊緣nw約束；空間405e由濾光器402b的邊緣se與濾光器402的邊緣ne約束；且空間405w由濾光器402a的邊緣sw與濾光器402c的邊緣nw約束。

結果是主集合425，其中每一菱形濾光器402a到402d具有與兩個其它菱形濾光器接觸的頂點，且其中四個菱形濾光器具有被定位于四邊形408的頂點處的中心。在其中濾光器402a到402d是正方形的實施例中，如圖式中所展示，四邊形408也將是正方形。但如果濾光器402a到402d是更一般的菱形(參見圖7a到7b)，那么四邊形408將是矩形。

圖4c說明次濾光器集合到主集合425的添加。次集合包含四個濾光器404，其具有與主集合中的光譜光響應s1、s2及s3中的任何者不同的第四光譜光響應s4。在一個實施例中，s4是非可見光響應，例如紅外、紫外或x射線，但在其它實施例中，s4可為可見光響應，例如全色。四個次集合濾光器404被定位于主集合425中：一者處于中心間隙空間405c中，且四個外圍間隙空間405n、405s、405e及405w中的任何三者中各有一者。在mru400的所說明的實施例中，濾光器404c被定位于中心間隙空間405c中，使得濾光器402a到402d的中心及濾光器404c的中心形成五點形。濾光器404n被定位于外圍間隙空間405n中，濾光器404e被定位于外圍間隙空間405e中，且濾光器404s被定位于外圍間隙空間405s中。但如上所述，mru400的不同實施例可使用四個外圍間隙空間中的任何三者。圖4d說明起因于圖4a到4c中所說明的組件的mru400的實施例。

圖5a到5b說明濾色器陣列500及其mru502的實施例。mru502類似于mru400，但其具有光譜光響應s1到s4的特定指派。圖5b說明mru502的實施例，其中光譜光響應s1到s3是從包含紅色(r)、綠色(g)及藍色(b)的主彩色集(其也被稱為rgb彩色集合)中選出。在所說明的實施例中，s1是紅色，s2是綠色，且s3是藍色，使得主集合形成拜耳圖案。光譜光響應s4是非可見光響應，在所說明的實施例中，其是紅外(ir)，但在另一實施例中，其可為另一不可見光響應，例如，紫外或x射線。在另外實施例中，光譜光響應s4可為與s1、s2及s3不同的可見光響應-(例如)全色光響應。

濾色器陣列(例如，cfa500)維持真正的rgb拜耳圖案且不產生色彩保真度或混疊問題。無需特殊的4×4或8×8圖案或復雜的內插算法，且cfa500可提供全分辨率或近全分辨率彩色成像以及全分辨率或近全分辨率紅外成像。全分辨率或近全分辨率紅外成像在生物計量應用(例如，虹膜辨別)中可能是重要的。

圖6a到6b說明濾色器陣列600及其mru602的其它實施例。mru602類似于mru400，但其具有光譜光響應的特定指派。圖6b說明mru600的實施例，其中光譜光響應s1到s3是從包含品紅(m)、黃色(y)及青色(c)的主彩色集(其也被稱為cmy彩色集合)中選出。在所說明的實施例中，s1是品紅，s2是黃色，且s3是青色，使得主濾光器集合是拜耳圖案的cmy等效物。光譜光響應s4是非可見光響應，在所說明的實施例中，其為紅外(ir)，但在另一實施例中，其可為另一不可見光響應，例如，紫外或x射線。在另外實施例中，光譜光響應s4可為與s1、s2及s3不同的可見光響應-(例如)全色光響應。

圖7a到7b說明具有更一般的菱形形狀的mru700的實施例。圖7a說明菱形的實施例。如上所述，菱形是簡單(即，非自相交)的四邊形，其中全部四個邊都具有相同長度；對角線相互垂直且平分；且每一對角線平分兩個內對角。所說明的菱形具有具有長度a的短對角線及具有長度b的長對角線。針對一般菱形，a≠b，但針對其中a＝b的特殊情況，菱形變成正方形，例如，上文圖4a到4d、5a到5b及6a到6b所展示的正方形。圖7b說明mru700的實施例，其中菱形濾光器是其中a≠b的菱形。mru700在多數方面類似于mru400；主要差異在于菱形濾光器的形狀。

圖8示意性地說明使用濾光器陣列(例如，圖5a中所展示的濾光器陣列)的圖像傳感器中的讀取電路的實施例。圖8展示個別濾光器，其與每一其它者分離以留出用于繪制電路線的空間，但在真實實施例中，濾光器將如圖5a中所展示那樣布置，電路線在濾光器下方或上方布線(例如，參見圖2a到2b)。

在一些實施例中，可能有用的是僅使用主濾光器集合或僅使用次濾光器集合，而并非是使用兩者來捕獲圖像。例如，可能有用的是捕獲彩色圖像而非ir圖像，且在此類情況中，讀取光學耦合到ir濾光器的像素將浪費時間及處理資源。類似地，可能有用的是捕獲ir圖像而非彩色圖像，且在此類情況中，可能希望僅讀取耦合到ir濾光器的像素而不浪費時間及處理資源于讀取光學耦合到濾色器的像素。

針對此類應用，圖8提供一種布置，其中光學耦合到主濾光器集合中的濾光器(在此實施例中，其為rgb濾色器)的每一像素耦合到行線及位線，且來自主濾光器集合的行線及位線耦合到主讀取電路。光學耦合到來自次濾光器集合的濾光器(在此實施例中，其為具有ir光響應的濾光器)的像素也各自耦合到行線及位線，但次集合的行線及位線與主集合的行線及位線完全分離且獨立。來自次濾光器集合像素的行線及位線耦合到次讀取電路。行線、位線及讀取電路的此布置允許與光學耦合到來自次濾光器集合的濾光器的像素分開且獨立地讀取光學耦合到來自主濾光器集合的濾光器的像素。在所說明的實施例中，主及次讀取電路被展示為單獨電路，但在其它實施例中，其可為相同電路，但由不同邏輯控制。

實施例的上文描述，包含說明書摘要中所描述的內容，不希望為詳盡的或將本發明限制為所描述的形式。雖然為了說明的目的，本文中描述本發明的特定實施例及實例，但如相關領域的技術人員應認識到，鑒于上文詳細的描述，多種等效修改為可能的。

所附權利要求書中所使用的術語不應被解釋為將本發明限制于說明書及權利要求書中揭示的特定實施例。實情是，本發明的范圍將完全由所附權利要求確定，所述權利要求應使用權利要求解釋的公認原則來解釋。