一種對(duì)角度敏感的圖像像素單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種對(duì)角度敏感的圖像像素單元，包括感光單元，用于對(duì)經(jīng)微透鏡折射進(jìn)入光通路中的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其中所述微透鏡的材料為梯度折射率材料；讀出電路，用于輸出所述感光單元的電壓信號(hào)；以及比較單元，與所述讀出電路相連，將所述讀出電路輸出的電壓信號(hào)與一參考閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出1比特?cái)?shù)字信號(hào)“1”或“0”。本發(fā)明能夠方便、直觀、可靠地對(duì)光線入射角度進(jìn)行判斷。
【專利說(shuō)明】一種對(duì)角度敏感的圖像像素單元
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種對(duì)角度敏感的圖像像素單元。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器在民用和商業(yè)范疇內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，圖像傳感器由CMOS圖像傳感器(CMOS IMAGE SENSOR，以下簡(jiǎn)稱CIS)和電荷耦合圖像傳感器(Charge-coupledDevice,以下簡(jiǎn)稱(XD)。與CXD圖像傳感器相比較，CMOS圖像傳感器具有制造成本低、功耗低以及圖像延時(shí)較小的主要優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，隨著工藝的進(jìn)步，CIS固有的果凍現(xiàn)象(RollingShutter Effect)和信噪比較低的劣勢(shì)正在慢慢改變，不少CIS產(chǎn)品的圖像質(zhì)量已經(jīng)堪比CCD產(chǎn)品。
[0003]目前，很大一部分CIS使用有源像素傳感器(Active Pixel Sensor，簡(jiǎn)稱APS)來(lái)構(gòu)成其單元像素，使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流程進(jìn)行制造。使用APS的CIS產(chǎn)品應(yīng)用的領(lǐng)域主要有:手機(jī)相機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、監(jiān)控?cái)z像頭、光學(xué)鼠標(biāo)、數(shù)碼單反相機(jī)等等。雖然在大規(guī)模像素領(lǐng)域和科研醫(yī)療領(lǐng)域，CXD產(chǎn)品仍舊占主導(dǎo)地位，較大規(guī)模像素的CMOS產(chǎn)品正在蓬勃發(fā)展，其性能正在不斷趕超。
[0004]APS圖像像素，其捕捉圖像信號(hào)的原理在于APS光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。APS中的感光二極管(Photodiode，?)接收光子后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并通過(guò)主動(dòng)放大器進(jìn)行放大后輸出。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中APS圖像像素的剖面圖。如圖1所示，從剖面上看像素基本分為上中下三層，上層為濾鏡層，中層為氧化娃材料層，下層為娃材料層101。娃材料層101用來(lái)放置感光二極管。氧化硅材料層中設(shè)置有金屬層102，相鄰金屬層之間留有光通道。濾鏡層用來(lái)放置微透鏡(Micro-1ens) 103，每個(gè)微透鏡為一個(gè)凸透鏡，對(duì)應(yīng)一個(gè)光通道及感光二極管。其中金屬層102有電連接，用來(lái)傳遞電信號(hào)。微透鏡103聚集光線，入射光進(jìn)入光通道到達(dá)感光二極管。
[0005]然而，現(xiàn)有的使用APS圖像像素的CIS產(chǎn)品只對(duì)入射光的光強(qiáng)敏感，對(duì)于入射光的其它信息都有所忽略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的主要目的在于提供一種對(duì)入射光的角度敏感的圖像像素單元。
[0007]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種對(duì)角度敏感的圖像像素單元，包括感光單元，用于對(duì)經(jīng)微透鏡折射進(jìn)入光通路中的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其中所述微透鏡的材料為梯度折射率材料；讀出電路，用于輸出所述感光單元的電壓信號(hào)；以及比較單元，與所述讀出電路相連，將所述感光單元的電壓信號(hào)與一參考閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“I”或“O”。
[0008]可選的，所述入射光經(jīng)至少兩層微透鏡折射進(jìn)入所述光通道，所述至少兩層微透鏡的材料為梯度折射率材料。
[0009]可選的，所述感光單元輸出的電壓信號(hào)為以所述入射光的入射角度為變量的函數(shù)。
[0010]可選的，當(dāng)所述電壓信號(hào)大于所述參考閾值時(shí)，所述比較單元輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“I”;否則輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“O”。
[0011]本發(fā)明還提供了另一種對(duì)角度敏感的圖像像素單元，其包括感光單元，用于對(duì)經(jīng)微透鏡折射進(jìn)入光通路中的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其中所述微透鏡的材料為梯度折射率材料；讀出電路，用于輸出所述感光單元的電壓信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，與所述讀出電路相連，將所述感光單元的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；以及比較單元，與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元相連，將所述數(shù)字信號(hào)與一參考閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“I”或“O”。
[0012]可選的，所述入射光經(jīng)至少兩層微透鏡折射進(jìn)入所述光通道，所述至少兩層微透鏡的材料為梯度折射率材料。
[0013]可選的，所述感光單元輸出的電壓信號(hào)為以所述入射光的入射角度為變量的函數(shù)。
[0014]可選的，當(dāng)所述數(shù)字信號(hào)大于所述參考閾值時(shí)，所述比較單元輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“I”;否則輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“O”。
[0015]可選的，在重復(fù)進(jìn)行步驟SI至S3時(shí)，所述控制電壓從初始電壓逐漸增加。
[0016]可選的，所述初始電壓接近0V。
[0017]本發(fā)明的圖像像素單元通過(guò)采用梯度折射率材料作為微透鏡材料，使感光單元只對(duì)某一特定角度入射的光線進(jìn)行感應(yīng)，且通過(guò)對(duì)感光單元的信號(hào)進(jìn)行讀取、比較及對(duì)比較結(jié)果加以二值化的量化，可以簡(jiǎn)單可靠地對(duì)光線入射角度加以判斷。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中圖像像素陣列的剖面圖；
[0019]圖2為采用梯度折射率材料的微透鏡對(duì)光線折射的原理圖；
[0020]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例多個(gè)圖像像素單元的剖面圖；
[0021]圖4為本發(fā)明另一實(shí)施例多個(gè)圖像像素單元的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說(shuō)明書附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。此外，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)的表述，在詳述本發(fā)明實(shí)例時(shí)，為了便于說(shuō)明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應(yīng)以此作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0023]圖2為采用梯度折射率材料的微透鏡(GRIN Micro-lens)對(duì)光線折射的原理圖。如圖2所示，虛線為感光二極管表面法線。圖2左側(cè)圖為采用梯度折射率材料的微透鏡對(duì)入射角為a的光線的折射，經(jīng)過(guò)折射后的光線能夠平行于法線。圖2右側(cè)圖為該微透鏡對(duì)入射角為b的光線的折射，經(jīng)過(guò)折射后的光線不能夠平行于法線。根據(jù)上述原理圖可知，通過(guò)使用采用梯度折射率材料的微透鏡，使得進(jìn)入圖像像素的入射光，只在某一角度入射時(shí)才能經(jīng)過(guò)折射后垂直入射感光二極管的表面(與感光二極管表面的法線平行)，當(dāng)入射光以其它角度入射時(shí)，感光二極管只能感應(yīng)到極少量的光強(qiáng)。
[0024]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例多個(gè)圖像像素單元的剖面圖。如圖3所示，從剖面上看多個(gè)圖像像素單元，其從下到上依次包括:基底301、金屬層302、微透鏡層303。其中基底301中設(shè)置有多個(gè)感光單元，用于經(jīng)光通路進(jìn)入其表面的光子進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；金屬層302用于將光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)傳輸(圖中未不出)進(jìn)行處理，該處理將在下文詳細(xì)描述。本實(shí)施中，金屬層302設(shè)置在氧化硅材質(zhì)的中間層中。微透鏡層303根據(jù)像素單元的個(gè)數(shù)包括有若干個(gè)微透鏡。微透鏡為平的方形透鏡，其材料為梯度折射率材料，該微透鏡必須滿足的約束是，只有當(dāng)光線以a角度入射時(shí)，經(jīng)過(guò)折射之后的光線才能夠垂直地射向感光單元表面(平行于法線)，從而使得感光單元光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的電信號(hào)最大。
[0025]圖4為本發(fā)明另一實(shí)施例多個(gè)圖像像素單元的剖面圖。其與圖3所示的圖像像素單元的區(qū)別在于，本實(shí)施例中微透鏡層為兩層，如圖4所示，多個(gè)圖像像素單元，其從下到上依次包括:基底401、金屬層402、微透鏡層403和404。此處圖示垂直放置兩層梯度折射率材料的微透鏡層，用于針對(duì)入射光的入射角比較大的情況。當(dāng)入射角度a0較大，經(jīng)過(guò)微透鏡層404折射后光線仍不能夠垂直于感光單元的表面，而以al入射角射入微透鏡層403，經(jīng)其折射后的光線垂直于感光單元的表面(平行于表面法線)出射。通過(guò)兩層梯度折射率材料的微透鏡層的設(shè)置，只有當(dāng)光線以aO角度入射時(shí)，經(jīng)過(guò)折射之后的光線才能夠垂直地射向感光單兀表面(平行于法線)，從而使得感光單兀光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的電信號(hào)最大。
[0026]接下來(lái)將進(jìn)一步說(shuō)明對(duì)感光單元產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，圖像像素單元包括感光單元，讀出電路以及比較單元。如前所述，感光單元只對(duì)某一特定角度入射的光線進(jìn)行感應(yīng)。因此，感光單元在光電轉(zhuǎn)換后輸出的模擬電壓是一個(gè)以入射角度為變量的函數(shù)，其在該特定的入射角時(shí)處于最大值，而在其余入射角時(shí)函數(shù)值快速衰減。讀出電路與感光單元相連，用于放大并輸出感光單元的模擬電壓值。讀出電路可包括傳輸晶體管，復(fù)位晶體管，源跟隨器，行選通管等常規(guī)晶體管，本發(fā)明不再詳述。比較單元與讀出電路相連，用于根據(jù)讀出電路輸出的模擬電壓值和一個(gè)參考電壓值進(jìn)行比較，當(dāng)模擬電壓值大于等于該參考電壓值時(shí)，則輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“1”，否則輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“O”。根據(jù)比較單元的輸出結(jié)果，若為“1”，則說(shuō)明感光單元輸出的模擬電壓最大，光線入射角度符合特定角度，否則則說(shuō)明光線入射角度不為特定角度。由此，通過(guò)比較單元所輸出的I位數(shù)字信號(hào)，就可以對(duì)入射角是否為特定角度加以直觀判斷。
[0027]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，圖像像素單元還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，比較單元通過(guò)該模數(shù)轉(zhuǎn)換單元與讀出電路相連。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將讀出電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)并輸出。比較單元?jiǎng)t將該數(shù)字信號(hào)與預(yù)設(shè)的閾值比較，若大于閾值則輸出“1”，若小于閾值則輸出“O”。與上述實(shí)施例相同，本實(shí)施例也可通過(guò)比較單元所輸出的I位數(shù)字信號(hào)，對(duì)入射角度進(jìn)行簡(jiǎn)單可靠的判斷。
[0028]綜上所述，本發(fā)明通過(guò)采用梯度折射率材料作為微透鏡材料，使圖像像素單元的感光單元只對(duì)某一特定角度入射的光線進(jìn)行感應(yīng)，使其在光電轉(zhuǎn)換后輸出的電壓信號(hào)是一個(gè)以入射角度為變量的函數(shù)。再通過(guò)對(duì)感光單元輸出信號(hào)的處理、比較及將比較結(jié)果加以二值化的量化，可以簡(jiǎn)單可靠地對(duì)光線入射角度加以判斷。
[0029]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然所述諸多實(shí)施例僅為了便于說(shuō)明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動(dòng)與潤(rùn)飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種對(duì)角度敏感的圖像像素單元，包括: 感光單元，用于對(duì)經(jīng)微透鏡折射進(jìn)入光通路中的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其中所述微透鏡的材料為梯度折射率材料； 讀出電路，用于輸出所述感光單元的電壓信號(hào)；以及 比較單元，與所述讀出電路相連，將所述讀出電路輸出的電壓信號(hào)與一參考閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“I”或“O”。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)角度敏感的圖像像素單元，其特征在于，所述入射光經(jīng)至少兩層微透鏡折射進(jìn)入所述光通道，所述至少兩層微透鏡的材料為梯度折射率材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)角度敏感的圖像像素單元，其特征在于，所述感光單元輸出的電壓信號(hào)為以所述入射光的入射角度為變量的函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對(duì)角度敏感的圖像像素單元，其特征在于，當(dāng)所述電壓信號(hào)大于等于所述參考閾值時(shí)，所述比較單元輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“I”;否則輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào) “O，，。
5.一種對(duì)角度敏感的圖像像素單元，包括: 感光單元，用于對(duì)經(jīng)微透鏡折射進(jìn)入光通路中的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其中所述微透鏡的材料為梯度折射率材料； 讀出電路，用于輸出所述感光單元的電壓信號(hào)； 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，與所述讀出電路相連，將所述感光單元的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；以及 比較單元，與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元相連，將所述數(shù)字信號(hào)與一參考閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“I”或“O”。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對(duì)角度敏感的圖像像素單元，其特征在于，所述入射光經(jīng)至少兩層微透鏡折射進(jìn)入所述光通道，所述至少兩層微透鏡的材料為梯度折射率材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對(duì)角度敏感的圖像像素單元，其特征在于，所述感光單元輸出的電壓信號(hào)為以所述入射光的入射角度為變量的函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對(duì)角度敏感的圖像像素單元，其特征在于，當(dāng)所述數(shù)字信號(hào)大于等于所述參考閾值時(shí)，所述比較單元輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào)“I”;否則輸出I比特?cái)?shù)字信號(hào) “O，，。
【文檔編號(hào)】H01L27/146GK103715215SQ201310746883
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】陳嘉胤 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司