一種具有雙微透鏡層的cmos圖像像素陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列，通過在像素陣列的上方設(shè)置由2層微透鏡上下排列構(gòu)成的雙微透鏡層，使平行的入射光線經(jīng)過雙微透鏡層每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)微透鏡的二次折射后，可仍以平行狀態(tài)同時(shí)垂直射向其下方對(duì)應(yīng)耦合的一組多個(gè)感光二極管使其感光，并通過獲取的多幅相互之間具有相位差的子圖像，進(jìn)行多軸向相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦，實(shí)現(xiàn)在像素陣列的單元像素級(jí)別集成自動(dòng)對(duì)焦功能，從而消除了現(xiàn)有技術(shù)中存在的圖像系統(tǒng)需要較復(fù)雜的對(duì)焦單元進(jìn)行輔助或自動(dòng)對(duì)焦速度較慢、精度不高的問題，可以在快速自動(dòng)對(duì)焦的同時(shí)合理保證圖像質(zhì)量。
【專利說明】—種具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可用于進(jìn)行相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，在數(shù)字電視、可視通信等民用和商業(yè)范疇內(nèi)已得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)光電轉(zhuǎn)換方式的不同，圖像傳感器通?？梢苑譃殡姾神詈掀骷D像傳感器(Charge-coupled Device, CCD)和CMOS圖像傳感器(CMOS IMAGESENSOR, CIS)兩類。
[0003]對(duì)于CXD來說，一方面，在專業(yè)的科研和工業(yè)領(lǐng)域，具有高信噪比的C⑶成為首選；另一方面，在高端攝影攝像領(lǐng)域，能提供高圖像質(zhì)量的CCD也頗受青睞。而對(duì)于CIS來說，在網(wǎng)絡(luò)攝像頭和手機(jī)拍照模塊也得到了廣泛應(yīng)用。
[0004]CCD與CIS相比，前者功耗較高、集成難度較大，而后者功耗低、易集成且分辨率較高。雖然說，在圖像質(zhì)量方面C⑶可能會(huì)優(yōu)于CIS，但是，隨著CIS技術(shù)的不斷提高和CMOS制造工藝水平的大幅提升，一部分CIS的圖像質(zhì)量已經(jīng)接近于同規(guī)格的(XD。CIS在性能上正在取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并憑借其低成本、高效率、傳輸速度快等優(yōu)勢(shì)被廣泛用于平板電腦、智能手機(jī)等各類新興領(lǐng)域。伴隨著照相手機(jī)等消費(fèi)類電子領(lǐng)域?qū)IS的促進(jìn)，未來的CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)前景將更為廣闊。小尺寸、高性能及多功能CIS的設(shè)計(jì)成為本領(lǐng)域研究的重要課題之一。
[0005]圖像傳感器一個(gè)直觀的性能指標(biāo)就是對(duì)圖像的復(fù)現(xiàn)能力，而圖像傳感器的像素陣列就是直接關(guān)系到這一指標(biāo)的關(guān)鍵性功能模塊。像素陣列通?？煞譃檎嬲丈涫?FrontSide Illuminated,FSI)像素陣列和背照式(Back Side Illuminated,BSI)像素陣列。在FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)中，沿入射光方向依次包括濾鏡層、金屬層和感光層。濾鏡層一般包括微透鏡(Micro-1ens)和顏色濾鏡陣列(Color Filter Array, CFA)的二者或其一,用于對(duì)入射光進(jìn)行聚焦和得到彩色圖像；金屬層包括由多層金屬布線形成的電路結(jié)構(gòu)，用于將光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)傳輸?shù)酵鈬娐愤M(jìn)行處理；感光層中包括有感光二極管(Photo D1de,PD)，也被稱為ro層，用于對(duì)接收的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。如果是BSI像素陣列，則沿入射光方向依次包括濾鏡層、感光層和金屬層，其結(jié)構(gòu)中的金屬層位置與感光層互換，即位于背離入射光的最遠(yuǎn)端層。在濾鏡層和感光層之間設(shè)有光通道，入射光經(jīng)過濾鏡層，沿光通道到達(dá)感光層中的ro，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字圖像。在采用有源像素傳感器(ActivePixel Sensor, APS)作為其感光單元的CIS的像素陣列中，一個(gè)APS (即一個(gè)像素單元)包括一個(gè)F1D和一個(gè)有源放大器(Active Amplifier)。
[0006]請(qǐng)參閱圖1，圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其顏色濾鏡陣列采用Bayer模式排列，圖中例舉了 Bayer模式的其中一種排列方式，若以字母R代表紅色濾鏡，G代表綠色濾鏡，B代表藍(lán)色濾鏡，在Bayer模式的此種排列形式的顏色濾鏡陣列中，顏色濾鏡按照第一行RGRG……、第二行GBGB……以此類推并按4個(gè)顏色濾鏡為單位重復(fù)的形式排列。每種顏色的一個(gè)顏色濾鏡4-1?4-4下方對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)感光二極管1-1?1-4，并中心對(duì)齊。在圖示的FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)中，由于在顏色濾鏡與感光二極管之間的金屬層要放置金屬布線(電路結(jié)構(gòu))，故而相鄰的感光二極管間需留有一定間距。如果換做BSI像素陣列，因金屬層位于感光二極管下方，則相鄰的感光二極管間間距可以相對(duì)縮小(本處圖略、請(qǐng)參看圖1)。
[0007]請(qǐng)參閱圖2，圖2是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。如圖2所示，從剖面上看，像素陣列基本分為上中下三層，上層為濾鏡層6，用來放置微透鏡5和顏色濾鏡4，每個(gè)微透鏡5為一個(gè)凸透鏡，其下方對(duì)應(yīng)一個(gè)金屬層7的光通道
3、感光層9的光通道2及感光二極管I。中層為金屬層7，基質(zhì)為氧化硅材料，放置有多層金屬布線8(圖示為4層)，并以電連接方式形成電路結(jié)構(gòu)，用來傳遞電信號(hào)，相鄰金屬布線之間的空隙形成光通道3，入射光可從此光通道3穿過到達(dá)感光二極管I。下層為感光層9，基質(zhì)材料為硅，用來放置感光二極管1，感光層9的光通道2與金屬層7的光通道3連通并對(duì)準(zhǔn)。微透鏡5用來聚集光線，入射光(如圖中空心箭頭所指)通過濾鏡層6依次進(jìn)入金屬層光通道3、感光層光通道2到達(dá)下層的感光二極管1，感光二極管I遇光子發(fā)生光電效應(yīng)，再傳出電信號(hào)。
[0008]請(qǐng)參閱圖3，圖3是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的BSI像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。如圖3所示，與FSI像素陣列不同的是，在BSI像素陣列的結(jié)構(gòu)中，自上而下依次為濾鏡層6、感光層9、金屬層7,金屬層7位于感光層9的下方。濾鏡層6用來放置微透鏡5和顏色濾鏡4，每個(gè)微透鏡5為一個(gè)凸透鏡，其下方對(duì)應(yīng)一個(gè)感光層9的光通道2及感光二極管I。入射光(如圖中空心箭頭所指)將只需通過感光層9的光通道2直接到達(dá)感光二極管1，而不必通過金屬層7，縮短了光通道。由于光通道不需要因?yàn)榻饘賹?的金屬布線8而騰挪空間，使相鄰像素間的距離可以適當(dāng)縮短。
[0009]目前，攝像領(lǐng)域的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)主要有主動(dòng)式對(duì)焦和被動(dòng)式對(duì)焦兩種方式。主動(dòng)式對(duì)焦方式需要利用信號(hào)發(fā)射源如紅外線或是聲納，因而很少與CIS結(jié)合用到通用的數(shù)字圖像系統(tǒng)之中。被動(dòng)式對(duì)焦方式又分為相位檢測(cè)對(duì)焦和對(duì)比度檢測(cè)對(duì)焦兩大類。
[0010]請(qǐng)參閱圖4,圖4(a)?(d)是相位檢測(cè)對(duì)焦的原理示意圖。如圖4(a)所示,其表示經(jīng)過攝像主鏡頭匯聚的圖像通過兩個(gè)圓孔(即分離鏡)的分離后，投射到相位檢測(cè)平面上，獲得eyeL和eyeR兩幅子圖像構(gòu)成的圖像對(duì)(即從2個(gè)位于同一檢測(cè)平面的圖像感測(cè)單元，例如人的左、右眼或2個(gè)CIS傳感器得到的兩幅子圖像)。eyeL與eyeR關(guān)于圓孔中心線al與ar連線的中垂線am對(duì)稱。如圖4(b)所示，其表示相位檢測(cè)的合焦?fàn)顟B(tài)，即子圖像eyeL與eyeR各自位于其對(duì)應(yīng)圓孔中心線al和ar上時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)即為焦距對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài)。如圖4(c)所示，其表示相位檢測(cè)的離焦?fàn)顟B(tài)之一，即子圖像eyeL與eyeR位于圓孔中心線al與ar之間時(shí)的狀態(tài)。如圖4(d)所示，其表示相位檢測(cè)的離焦?fàn)顟B(tài)之二，即子圖像eyeL與eyeR位于圓孔中心線al與ar之外時(shí)的狀態(tài)。圖4(c)和圖4(d)代表焦距未對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài)。當(dāng)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)檢測(cè)到2幅子圖像處于離焦?fàn)顟B(tài)時(shí)，就會(huì)通過調(diào)整主鏡頭的焦距重新采集圖像進(jìn)行對(duì)比，直至達(dá)到合焦?fàn)顟B(tài)，以形成清晰的圖像。
[0011]在被動(dòng)式對(duì)焦方式中，相位檢測(cè)相對(duì)速度快、精度高，但需要較復(fù)雜的對(duì)焦單元進(jìn)行輔助，且現(xiàn)有的相位檢測(cè)只能針對(duì)I對(duì)圖像對(duì)進(jìn)行I個(gè)軸向(即相位檢測(cè)平面上的經(jīng)過兩個(gè)圓孔中心線的一個(gè)連線方向)的相位檢測(cè)，影響了其精度的提高；對(duì)比度檢測(cè)雖然只需數(shù)字模塊協(xié)助計(jì)算即可，然而其對(duì)焦過程會(huì)在焦點(diǎn)附近經(jīng)常往返，以致對(duì)焦速度相對(duì)較緩慢。
[0012]從現(xiàn)有的例如上述圖1?圖3所例舉的CIS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)可知，其僅僅是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，根據(jù)上述相位檢測(cè)對(duì)焦的原理可以看出，現(xiàn)有的CIS圖像傳感器是無法自己實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦(Auto Focus, AF)功能的。使用CIS的圖像系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦，必須借助相位檢測(cè)的對(duì)焦部件或是借助對(duì)比度檢測(cè)的數(shù)字處理模塊。
[0013]為了實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)對(duì)焦的高效和高精度，同時(shí)簡(jiǎn)化其系統(tǒng)復(fù)雜程度，有必要開發(fā)一種具有相位檢測(cè)對(duì)焦功能的新型CMOS圖像像素陣列。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種可用于進(jìn)行相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列，通過在像素陣列的上方設(shè)置由微透鏡排列構(gòu)成的雙微透鏡層，使平行的入射光線經(jīng)過雙微透鏡層每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)微透鏡的二次折射后，可仍以平行狀態(tài)同時(shí)垂直射向其下方對(duì)應(yīng)耦合的一組感光二極管使其感光，并通過獲取的多幅相互之間具有相位差的子圖像進(jìn)行多軸向相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦，實(shí)現(xiàn)在像素陣列的單元像素級(jí)別集成自動(dòng)對(duì)焦功能，從而消除了現(xiàn)有技術(shù)中存在的圖像系統(tǒng)需要較復(fù)雜的對(duì)焦單元進(jìn)行輔助或自動(dòng)對(duì)焦速度較慢、精度不高的問題，可以在快速自動(dòng)對(duì)焦的同時(shí)合理保證圖像質(zhì)量。
[0015]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下二個(gè)技術(shù)方案:
[0016]本發(fā)明的第一個(gè)技術(shù)方案是:
[0017]一種具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列，包括濾鏡層、金屬層、感光層，其特征在于，所述濾鏡層包括由上下設(shè)置的第一微透鏡層和第二微透鏡層形成的雙微透鏡層，以及位于所述第一微透鏡層或所述第二微透鏡層之下并與其下方鄰接的顏色濾鏡層；所述雙微透鏡層的每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)微透鏡與所述顏色濾鏡層的I個(gè)顏色濾鏡對(duì)應(yīng)且中心對(duì)準(zhǔn)設(shè)置，其下方同時(shí)耦合至所述感光層的一組2X2個(gè)感光二極管，并與該2X2個(gè)所述感光二極管構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)；其中，平行的入射光線經(jīng)過每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)所述微透鏡的二次折射后，可仍以平行狀態(tài)同時(shí)垂直射向其下方對(duì)應(yīng)耦合的一組2X2個(gè)所述感光二極管使其感光，并通過獲取的4幅相互之間具有相位差的子圖像進(jìn)行多軸向相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦。
[0018]優(yōu)選的，所述第一微透鏡層通過支撐層與所述第二微透鏡層位置固定，所述支撐層豎直設(shè)于所述第二微透鏡層的各所述微透鏡之間，所述第一微透鏡層下方設(shè)有透明襯底層，所述支撐層上接所述透明襯底層的下表面、下接所述像素陣列的所述金屬層或所述感光層。
[0019]優(yōu)選的，所述顏色濾鏡層的各所述顏色濾鏡按照Bayer模式排列構(gòu)成重復(fù)的顏色濾鏡陣列，每組2 X 2個(gè)所述感光二極管共用其上方對(duì)應(yīng)的I種顏色的I個(gè)所述顏色濾鏡及上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)所述微透鏡。
[0020]優(yōu)選的，每組的2X2個(gè)所述感光二極管以其上方對(duì)應(yīng)的所述微透鏡的中心軸為中心對(duì)稱設(shè)置；位于對(duì)稱位置的2對(duì)所述感光二極管所分別采集的2幅子圖像構(gòu)成相位差檢測(cè)圖像對(duì)，以進(jìn)行2軸向相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦。
[0021]本發(fā)明的第二個(gè)技術(shù)方案是:
[0022]一種具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列，包括濾鏡層、金屬層、感光層，其特征在于，所述濾鏡層包括由上下設(shè)置的第一微透鏡層和第二微透鏡層形成的雙微透鏡層，以及位于所述第一微透鏡層或所述第二微透鏡層之下并與其下方鄰接的顏色濾鏡層；所述雙微透鏡層的每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)微透鏡與所述顏色濾鏡層的I個(gè)顏色濾鏡對(duì)應(yīng)且中心對(duì)準(zhǔn)設(shè)置，其下方同時(shí)耦合至所述感光層的一組3X3個(gè)感光二極管，并與該3X3個(gè)所述感光二極管構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)；其中，平行的入射光線經(jīng)過每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)所述微透鏡的二次折射后，可仍以平行狀態(tài)同時(shí)垂直射向其下方對(duì)應(yīng)耦合的一組3X3個(gè)所述感光二極管使其感光，并通過獲取的9幅相互之間具有相位差的子圖像進(jìn)行多軸向相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦。
[0023]優(yōu)選的，所述第一微透鏡層通過支撐層與所述第二微透鏡層位置固定，所述支撐層豎直設(shè)于所述第二微透鏡層的各所述微透鏡之間，所述第一微透鏡層下方設(shè)有透明襯底層，所述支撐層上接所述透明襯底層的下表面、下接所述像素陣列的所述金屬層或所述感光層。
[0024]優(yōu)選的，所述顏色濾鏡層的各所述顏色濾鏡按照Bayer模式排列構(gòu)成重復(fù)的顏色濾鏡陣列，每組3 X 3個(gè)所述感光二極管共用其上方對(duì)應(yīng)的I種顏色的I個(gè)所述顏色濾鏡及上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)所述微透鏡。
[0025]優(yōu)選的，每組的3X3個(gè)所述感光二極管以其上方對(duì)應(yīng)的所述微透鏡的中心軸為中心對(duì)稱設(shè)置；位于對(duì)稱位置的4對(duì)所述感光二極管所分別采集的2幅子圖像構(gòu)成相位差檢測(cè)圖像對(duì)，以進(jìn)行4軸向相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦。
[0026]優(yōu)選的，位于每組3X3個(gè)所述感光二極管中心的I個(gè)感光二極管的感光面積大于組中其他的感光二極管。
[0027]優(yōu)選的，位于每組3X3個(gè)所述感光二極管中心的I個(gè)感光二極管的感光面積是組中其他感光二極管的4倍。
[0028]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明以傳統(tǒng)的FSI像素陣列或BSI像素陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將自動(dòng)對(duì)焦原理應(yīng)用到像素級(jí)別的模塊內(nèi)，通過在像素陣列的上方設(shè)置由微透鏡排列構(gòu)成的雙微透鏡層，使平行的入射光線經(jīng)過雙微透鏡層每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)微透鏡的二次折射后，可仍以平行狀態(tài)同時(shí)垂直射向其下方對(duì)應(yīng)耦合的一組感光二極管使其感光，能在相位檢測(cè)平面的不同軸向上各自捕捉一對(duì)用于相位檢測(cè)的圖像對(duì)(子像素值)，圖像系統(tǒng)的數(shù)字處理模塊可對(duì)這些圖像對(duì)進(jìn)行相位計(jì)算并檢測(cè)合焦?fàn)顟B(tài)，從而驅(qū)動(dòng)對(duì)焦機(jī)構(gòu)對(duì)主鏡頭進(jìn)行對(duì)焦；同時(shí)，輸出的若干幅子圖像也可用于合成傳感器的最終成像。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，將AF相關(guān)的相位檢測(cè)集成在像素模塊級(jí)另IJ，省去了圖像系統(tǒng)中專門的相位檢測(cè)模塊；與對(duì)比度檢測(cè)相比，本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列所進(jìn)行的相位檢測(cè)在焦點(diǎn)附近往返次數(shù)有限，效率較高；與現(xiàn)有的單軸向的相位檢測(cè)相比，本發(fā)明的多軸向的相位檢測(cè)在精度上的優(yōu)勢(shì)要高出很多。此外，對(duì)于對(duì)焦而言，若干個(gè)子像素組成的若干個(gè)子圖像是有冗余的，可以利用其中的非冗余信息，應(yīng)用超分辨率重構(gòu)算法進(jìn)行高分辨率重構(gòu)，從而補(bǔ)償此像素陣列因?yàn)樵谕晃恢酶浇啻尾蓸佣鄬?duì)減少的分辨率。因此，本發(fā)明CMOS圖像像素陣列的設(shè)計(jì)，是一種充分利用現(xiàn)有技術(shù)并加以突破的創(chuàng)新，其成本可控，AF效率優(yōu)于對(duì)比度檢測(cè)，AF精度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單軸向的相位檢測(cè)，同時(shí)，其適當(dāng)補(bǔ)償?shù)姆直媛室脖ＷC了輸出圖像的圖像質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0032]圖3是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的BSI像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0033]圖4(a)?(d)是相位檢測(cè)對(duì)焦的原理示意圖；
[0034]圖5是本發(fā)明實(shí)施例一中的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0035]圖6是本發(fā)明實(shí)施例一中的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖7是本發(fā)明實(shí)施例二中的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0037]圖8是本發(fā)明實(shí)施例二中的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖9是本發(fā)明實(shí)施例三中的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0039]圖10是本發(fā)明實(shí)施例三中的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0041]需要說明的是，在下述的【具體實(shí)施方式】中，在詳述本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對(duì)附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進(jìn)行了局部放大、變形及簡(jiǎn)化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對(duì)本發(fā)明的限定來加以理解。
[0042]實(shí)施例一
[0043]在本實(shí)施例中，請(qǐng)參閱圖5，圖5是本發(fā)明實(shí)施例一中的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。如圖5所示，本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列，以傳統(tǒng)的FSI像素陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，自上而下包括濾鏡層17、金屬層20、感光層21。本發(fā)明的金屬層20和感光層21的結(jié)構(gòu)與圖2中傳統(tǒng)FSI像素陣列的金屬層7和感光層9的結(jié)構(gòu)相同，本發(fā)明的金屬層20的基質(zhì)同樣可為氧化硅材料，放置有多層金屬布線12 (圖示為4層)，并以電連接方式形成電路結(jié)構(gòu)，用來傳遞電信號(hào)；相鄰金屬布線之間的空隙形成金屬層20的光通道13。金屬層20下方感光層21的基質(zhì)材料為娃,設(shè)有感光二極管10,感光二極管10上方的感光層光通道11與金屬層的光通道13豎直設(shè)置，并相連通及對(duì)準(zhǔn)。
[0044]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖5。本發(fā)明的濾鏡層17設(shè)在金屬層20上方，與傳統(tǒng)FSI像素陣列的單層濾鏡層的不同之處在于，本發(fā)明的濾鏡層17為雙層結(jié)構(gòu)，包括上下設(shè)置的由微透鏡16、15分別排列構(gòu)成的第一微透鏡層和第二微透鏡層,形成雙微透鏡層結(jié)構(gòu)；濾鏡層17還設(shè)有一層由顏色濾鏡14排列構(gòu)成的顏色濾鏡層，顏色濾鏡層可緊鄰設(shè)于第一微透鏡層之下，也可緊鄰設(shè)于第二微透鏡層之下。本實(shí)施例采用將顏色濾鏡層緊鄰設(shè)于第二微透鏡層之下的形式。濾鏡層17下方鄰接金屬層20，即顏色濾鏡層緊鄰設(shè)于金屬層20上方。
[0045]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖5。第一微透鏡層和第二微透鏡層的每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)微透鏡16、15(例如圖中標(biāo)記16和15所指位置的2個(gè)微透鏡)與顏色濾鏡層的I個(gè)顏色濾鏡14(例如圖中標(biāo)記14所指位置的I個(gè)顏色濾鏡)對(duì)應(yīng)且中心對(duì)準(zhǔn)設(shè)置，構(gòu)成濾鏡層的I個(gè)濾鏡組。每個(gè)濾鏡組的下方同時(shí)耦合至感光層21的一組2X2個(gè)感光二極管10，并與該2X2個(gè)感光二極管10構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)。也就是說，I個(gè)濾鏡組下方通過金屬層20、感光層21對(duì)應(yīng)的2X2個(gè)光通道13和11，與光通道底部對(duì)應(yīng)的2X2個(gè)感光二極管10相連通。從圖5中可看出，在水平寬度方向上，I個(gè)濾鏡組占據(jù)了大致2個(gè)感光二極管10所構(gòu)成的像素區(qū)域的寬度位置?？梢岳斫鉃?，在保持微透鏡16、15和顏色濾鏡14尺寸不變的情況下，縮小了光通道13、11和感光二極管10的尺寸；或者是在保持光通道13、11和感光二極管10尺寸不變的情況下，增大了微透鏡16、15和顏色濾鏡14的尺寸。
[0046]作為本實(shí)施例的另一種實(shí)現(xiàn)方式，本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列，也可以傳統(tǒng)的BSI像素陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成，其變化之處僅在于金屬層和感光層上下位置互換，自上而下包括濾鏡層、感光層、金屬層，其他結(jié)構(gòu)無不同之處。因此，可結(jié)合圖3進(jìn)行理解，本實(shí)施例不再贅述。
[0047]請(qǐng)參閱圖6，圖6是本發(fā)明實(shí)施例一中的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖，其顯示4個(gè)相鄰濾鏡組及其下方分別對(duì)應(yīng)耦合的2 X 2個(gè)感光二極管的相對(duì)位置及結(jié)構(gòu)。如圖6所示，微透鏡16、15采用圓形，顏色濾鏡14采用方形，感光二極管10-1?10-4的感光面為方形。每2個(gè)微透鏡16和15上下設(shè)置且中心對(duì)準(zhǔn)(圖示為重疊狀態(tài))，并與下層微透鏡15下方的顏色濾鏡14的中心對(duì)準(zhǔn)，構(gòu)成I個(gè)濾鏡組；每個(gè)濾鏡組與其下方耦合的感光層的4個(gè)感光二極管10-1?10-4所構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)。本發(fā)明的顏色濾鏡層的各顏色濾鏡按照Bayer模式排列構(gòu)成重復(fù)的顏色濾鏡陣列，即每個(gè)濾鏡組中的顏色濾鏡按照Bayer模式排列，例如按照?qǐng)D示的Bayer模式的一種RGRG…、GBGB…的模式重復(fù)排列。如果將I個(gè)感光二極管所代表的I個(gè)像素單元看作是I個(gè)子像素，則可將I個(gè)濾鏡組耦合的4個(gè)感光二極管10-1?10-4所代表的4個(gè)子像素p1、pu、pr、pd的整體看作是I個(gè)大像素。每個(gè)濾鏡組的4個(gè)子像素p1、pu、pr、pd(即感光二極管10_1?10-4)共用其上方對(duì)應(yīng)的I種顏色的I個(gè)顏色濾鏡14及對(duì)應(yīng)的上下2個(gè)微透鏡16、15，每個(gè)濾鏡組的投影范圍覆蓋4個(gè)子像素pl、pu、pr、pd。4個(gè)感光二極管10_1?10_4(即4個(gè)子像素pl、Pu、pr、pd)以其上方對(duì)應(yīng)的微透鏡16、15的中心軸為中心對(duì)稱設(shè)置，即感光二極管10-1與感光二極管10-3對(duì)稱設(shè)置，感光二極管10-2與感光二極管10-4對(duì)稱設(shè)置，形成相互垂直的2個(gè)子像素對(duì)pl和pr、pu和pd。
[0048]假設(shè)每個(gè)子像素對(duì)應(yīng)的方形感光二極管的邊長(zhǎng)為a，則大像素(由4個(gè)感光二極管及其周圍空隙所構(gòu)成的像素區(qū)域)的邊長(zhǎng)約為6a，即假設(shè)子像素的邊長(zhǎng)為I微米，則大像素的邊長(zhǎng)就約為6微米。而邊長(zhǎng)為6微米的像素，在圖像質(zhì)量極高的數(shù)字圖像采集設(shè)備中應(yīng)用廣泛，例如數(shù)碼單反相機(jī)、高清攝像機(jī)、數(shù)碼醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)等等。
[0049]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖5和圖6。第一微透鏡層和第二微透鏡層之間留有一定距離，因此，采用了支撐層19將第一微透鏡層與第二微透鏡層之間進(jìn)行位置固定。為了使支撐層19起到支撐第一微透鏡層的作用，同時(shí)又不影響入射光線在上下微透鏡層之間的傳導(dǎo)，支撐層19不直接與第一微透鏡層和第二微透鏡層的表面接觸，而是將支撐層19豎直設(shè)于第二微透鏡層的各微透鏡15之間的空隙位置。并且，在第一微透鏡層的下方設(shè)有連續(xù)的透明襯底層18，將第一微透鏡層托起。作為本實(shí)施例的一種優(yōu)選方式，支撐層19采用相互分離的豎直立柱形式，分設(shè)于第二微透鏡層的各微透鏡15之間的空隙位置，具體是設(shè)在任意4個(gè)濾鏡組之間空隙區(qū)域的中心位置(請(qǐng)參考圖6)。支撐層19的每個(gè)豎直立柱上接透明襯底層18的下表面、下接金屬層20的上表面。采用相互分離的豎直立柱作為支撐層的一種實(shí)現(xiàn)形式，可在起到支撐作用的同時(shí)，減輕器件結(jié)構(gòu)的重量，并且為器件設(shè)計(jì)留出更寬裕的騰挪空間。支撐層可采用金屬材質(zhì)加工，也可采用與金屬層相同的材質(zhì)；透明襯底層可采用呈透明的硅氧化物例如二氧化硅加工，避免影響光線的傳導(dǎo)。這樣，每個(gè)濾鏡組中對(duì)應(yīng)的上下2個(gè)微透鏡16和15、I個(gè)顏色濾鏡14可保持中心對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，且位于上部的第一微透鏡層的每個(gè)微透鏡16都可以與下部的第二微透鏡層的對(duì)應(yīng)微透鏡15保持位置的固定，使整個(gè)濾鏡層17平穩(wěn)地設(shè)置在金屬層20之上。
[0050]如果將顏色濾鏡層設(shè)在第一微透鏡層的緊鄰下方，則透明襯底層應(yīng)位于顏色濾鏡層的下方設(shè)置。
[0051]按照本實(shí)施例的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)，平行的入射光線經(jīng)過濾鏡層17每個(gè)濾鏡組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)微透鏡16和15的二次折射后，可仍以平行狀態(tài)同時(shí)垂直射向其下方對(duì)應(yīng)耦合的4個(gè)感光二極管10-1?10-4(請(qǐng)參考圖6)使其感光，并可通過獲取的4幅相互之間具有相位差的由子像素pl、pu、pr、pd所構(gòu)成的子圖像，進(jìn)行垂直、水平方向的2軸向的相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦。
[0052]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖5和圖6。像素陣列的每個(gè)大像素在平面同一采樣位置含有4個(gè)子像素pl、pu、pr、Pd，位于對(duì)稱位置的子像素pu與pd采集構(gòu)成的子圖像實(shí)現(xiàn)平面上垂直軸向的相位差檢測(cè)圖像對(duì)，子像素Pl與Pr采集構(gòu)成的子圖像實(shí)現(xiàn)平面上水平軸向的相位差檢測(cè)圖像對(duì)。對(duì)于同一采樣位置，入射的平行光經(jīng)過濾鏡組中2層微透鏡16、15的兩次折射，交換平面位置后射向下方4個(gè)子像素pl、pu、pr、pd對(duì)應(yīng)的光通道。例如在圖5中，左邊的入射光Il交換位置后射向右邊感光區(qū)的感光二極管10-3(即子像素pr)，右邊的入射光Ir交換位置后射向左邊感光區(qū)的感光二極管10-1 (即子像素pl)，以此類推(如圖5中空心箭頭所指)。子像素Pl與Pr形成的子圖像對(duì)，能夠?qū)崿F(xiàn)圖6中水平軸向的相位差檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦，子像素Pu與Pd形成的子圖像對(duì)，能夠?qū)崿F(xiàn)圖6中垂直軸向的相位差檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦。這樣，從同一采樣位置的4個(gè)子像素pl、pU、pr、pd獲取的4幅相互之間具有相位差的子圖像，通過圖像系統(tǒng)的數(shù)字處理模塊可對(duì)這些圖像對(duì)進(jìn)行相位計(jì)算并檢測(cè)合焦?fàn)顟B(tài)，從而驅(qū)動(dòng)對(duì)焦機(jī)構(gòu)對(duì)主鏡頭進(jìn)行對(duì)焦。同時(shí)，輸出的4幅子圖像也可用于合成傳感器的最終成像；對(duì)于對(duì)焦而言，從4個(gè)子像素pl、pu、pr、pd獲取的4個(gè)子圖像是有冗余的，可以利用其中的非冗余信息，應(yīng)用超分辨率重構(gòu)算法的計(jì)算進(jìn)行高分辨率重構(gòu)，從而補(bǔ)償此像素陣列因?yàn)樵谕晃恢酶浇啻尾蓸佣鄬?duì)減少的分辨率，輸出一幅分辨率接近物理分辨率的數(shù)字圖像。舉例來講，假設(shè)像素陣列的面積為S，而大像素的個(gè)數(shù)為NXN(即有NXN個(gè)理論采樣位置)，則實(shí)際物理分辨率為NXNX 4。如果直接將4個(gè)子像素合成一個(gè)像素輸出的話，像素陣列的分辨率只有其物理分辨率的四分之一；而利用4個(gè)子像素間的相差，可以以較低分辨率的圖像為基礎(chǔ)，重構(gòu)一幅超過其分辨率的大圖像，這樣就彌補(bǔ)了將單個(gè)像素規(guī)模擴(kuò)大后圖像分辨率的不足。
[0053]在本實(shí)施例中，為了在像素模塊的級(jí)別上實(shí)現(xiàn)精度較高的相位檢測(cè)，需要在同一位置附近放置若干子像素進(jìn)行采樣，從而在多個(gè)軸向上獲取具有相位差的圖像對(duì)。為了很好地隔離一對(duì)具有相差的圖像(請(qǐng)回顧圖4的相位檢測(cè)對(duì)焦的原理進(jìn)行理解)，本發(fā)明中的像素陣列設(shè)置了上下兩層微透鏡，能夠?qū)⑵叫泄膺M(jìn)行兩次折射還原為平行光入射子像素(感光二極管)。在感光二極管尺寸不變的條件下，本發(fā)明中的像素陣列其理論分辨率必然小于現(xiàn)有技術(shù)下的像素陣列。然而，由于其物理分辨率幾乎不變，利用子圖像中的非冗余信息，可以超分辨率重構(gòu)其輸出的數(shù)字圖像，使其理論分辨率接近于物理分辨率。
[0054]綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，將AF相關(guān)的相位檢測(cè)集成在像素模塊級(jí)別，省去了圖像系統(tǒng)中專門的相位檢測(cè)模塊；與對(duì)比度檢測(cè)相比，本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列所進(jìn)行的相位檢測(cè)在焦點(diǎn)附近往返次數(shù)有限，效率較高；與現(xiàn)有的單軸向的相位檢測(cè)相比，本發(fā)明的多軸向的相位檢測(cè)在精度上的優(yōu)勢(shì)要高出很多。此外，對(duì)于對(duì)焦而言，若干個(gè)子像素組成的若干個(gè)子圖像是有冗余的，可以利用其中的非冗余信息，應(yīng)用超分辨率重構(gòu)算法進(jìn)行高分辨率重構(gòu)，從而補(bǔ)償此像素陣列因?yàn)樵谕晃恢酶浇啻尾蓸佣鄬?duì)減少的分辨率。因此，本發(fā)明CMOS圖像像素陣列的設(shè)計(jì)，是一種充分利用現(xiàn)有技術(shù)并加以突破的創(chuàng)新，其成本可控，AF效率優(yōu)于對(duì)比度檢測(cè)，AF精度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單軸向的相位檢測(cè)，同時(shí)，其適當(dāng)補(bǔ)償?shù)姆直媛室脖ＷC了輸出圖像的圖像質(zhì)量。
[0055]實(shí)施例二
[0056]在本實(shí)施例中，請(qǐng)參閱圖7，圖7是本發(fā)明實(shí)施例二中的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。如圖7所示，本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列，以傳統(tǒng)的FSI像素陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，自上而下包括濾鏡層17、金屬層20、感光層21。本發(fā)明的金屬層20和感光層21的結(jié)構(gòu)與圖2中傳統(tǒng)FSI像素陣列的金屬層7和感光層9的結(jié)構(gòu)相同，本發(fā)明的金屬層20的基質(zhì)同樣可為氧化硅材料，放置有多層金屬布線12 (圖示為4層)，并以電連接方式形成電路結(jié)構(gòu)，用來傳遞電信號(hào)；相鄰金屬布線之間的空隙形成金屬層的光通道13。金屬層20下方感光層21的基質(zhì)材料為娃,設(shè)有感光二極管10,感光二極管10上方的感光層光通道11與金屬層的光通道13豎直設(shè)置，并相連通及對(duì)準(zhǔn)。
[0057]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖7。本發(fā)明的濾鏡層17設(shè)在金屬層20上方，與傳統(tǒng)FSI像素陣列的單層濾鏡層的不同之處在于，本發(fā)明的濾鏡層17為雙層結(jié)構(gòu)，包括上下設(shè)置的由微透鏡16、15分別排列構(gòu)成的第一微透鏡層和第二微透鏡層,形成雙微透鏡層結(jié)構(gòu)；濾鏡層17還設(shè)有一層由顏色濾鏡14排列構(gòu)成的顏色濾鏡層，顏色濾鏡層可緊鄰設(shè)于第一微透鏡層之下，也可緊鄰設(shè)于第二微透鏡層之下。本實(shí)施例采用將顏色濾鏡層緊鄰設(shè)于第一微透鏡層之下的形式。濾鏡層17下方鄰接金屬層20，即第二微透鏡層緊鄰設(shè)于金屬層20上方。
[0058]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖7。第一微透鏡層和第二微透鏡層的每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)微透鏡16、15(例如圖中標(biāo)記16和15所指位置的2個(gè)微透鏡)與顏色濾鏡層的I個(gè)顏色濾鏡14 (例如圖中標(biāo)記14所指位置的I個(gè)顏色濾鏡)對(duì)應(yīng)且中心對(duì)準(zhǔn)設(shè)置，構(gòu)成濾鏡層17的I個(gè)濾鏡組。每個(gè)濾鏡組的下方同時(shí)耦合至感光層21的一組3X3個(gè)感光二極管10，并與該3X3個(gè)感光二極管10構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)。也就是說，I個(gè)濾鏡組下方通過金屬層20、感光層21對(duì)應(yīng)的3X3個(gè)光通道13、11，與光通道底部對(duì)應(yīng)的3X3個(gè)感光二極管10相連通。從圖7中可看出，在水平寬度方向上，I個(gè)濾鏡組占據(jù)了大致3個(gè)感光二極管10所構(gòu)成的像素區(qū)域的寬度位置。可以理解為，在保持微透鏡16、15和顏色濾鏡14尺寸不變的情況下，縮小了光通道13、11和感光二極管10的尺寸；或者是在保持光通道13、11和感光二極管10尺寸不變的情況下，增大了微透鏡16、15和顏色濾鏡14的尺寸。
[0059]作為本實(shí)施例的另一種實(shí)現(xiàn)方式，本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列，也可以傳統(tǒng)的BSI像素陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成，其變化之處僅在于金屬層和感光層上下位置互換，自上而下包括濾鏡層、感光層、金屬層，其他結(jié)構(gòu)無不同之處。因此，可結(jié)合圖3進(jìn)行理解，本實(shí)施例不再贅述。
[0060]請(qǐng)參閱圖8，圖8是本發(fā)明實(shí)施例二中的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖，其顯示4個(gè)相鄰濾鏡組及其下方分別對(duì)應(yīng)耦合的3 X 3個(gè)感光二極管的相對(duì)位置及結(jié)構(gòu)。如圖8所示，微透鏡16、15采用圓形，顏色濾鏡14采用方形，感光二極管10-5?10-13的感光面為方形。每2個(gè)微透鏡16、15上下設(shè)置且中心對(duì)準(zhǔn)(圖不為重疊狀態(tài))，并與上層微透鏡16下方的顏色濾鏡14的中心對(duì)準(zhǔn)，構(gòu)成I個(gè)濾鏡組；每個(gè)濾鏡組與其下方耦合的感光層的9個(gè)感光二極管10-5?10-13所構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)。本發(fā)明的顏色濾鏡層的各顏色濾鏡按照Bayer模式排列構(gòu)成重復(fù)的顏色濾鏡陣列，即每個(gè)濾鏡組中的顏色濾鏡按照Bayer模式排列，例如按照?qǐng)D示的Bayer模式的一種RGRG…、GBGB…的模式重復(fù)排列。如果將I個(gè)感光二極管所代表的I個(gè)像素單元看作是I個(gè)子像素，則可將I個(gè)濾鏡組耦合的9個(gè)感光二極管10-5?10-13所代表的9個(gè)子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd的整體看作是I個(gè)大像素。每個(gè)濾鏡組的9個(gè)子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd(即感光二極管10-5?10-13)共用其上方對(duì)應(yīng)的I種顏色的I個(gè)顏色濾鏡14及對(duì)應(yīng)的上下2個(gè)微透鏡16、15，每個(gè)濾鏡組的投影范圍覆蓋9個(gè)子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd。9 個(gè)感光二極管 10-5 ?10-13 (即 9 個(gè)子像素 pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd)以其上方對(duì)應(yīng)的微透鏡16、15的中心軸為中心對(duì)稱設(shè)置，即感光二極管10-6與感光二極管10-11對(duì)稱設(shè)置，感光二極管10-8與感光二極管10-13對(duì)稱設(shè)置，感光二極管10-7與感光二極管10-12對(duì)稱設(shè)置，感光二極管10-9與感光二極管10-5對(duì)稱設(shè)置，形成在垂直、水平及交叉軸向的4個(gè)子像素對(duì)。位于中心位置的感光二極管10-10與微透鏡16、15的中心軸對(duì)準(zhǔn)設(shè)置。
[0061]假設(shè)每個(gè)子像素對(duì)應(yīng)的方形感光二極管的邊長(zhǎng)為a，則大像素(由9個(gè)感光二極管及其周圍空隙所構(gòu)成的像素區(qū)域)的邊長(zhǎng)約為6a，即假設(shè)子像素的邊長(zhǎng)為I微米，則大像素的邊長(zhǎng)就約為6微米。而邊長(zhǎng)為6微米的像素，在圖像質(zhì)量極高的數(shù)字圖像采集設(shè)備中應(yīng)用廣泛，例如數(shù)碼單反相機(jī)、高清攝像機(jī)、數(shù)碼醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)等等。
[0062]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖7和圖8。第一微透鏡層和第二微透鏡層之間留有一定距離，因此，采用了支撐層19將第一微透鏡層(包括顏色濾鏡層)與第二微透鏡層之間進(jìn)行位置固定。為了使支撐層19起到支撐第一微透鏡層(包括顏色濾鏡層)的作用，同時(shí)又不影響入射光線在上下微透鏡層之間的傳導(dǎo)，支撐層19不直接與第一微透鏡層和第二微透鏡層的表面接觸，而是將支撐層19豎直設(shè)于第二微透鏡層的各微透鏡15之間的空隙位置。并且，在顏色濾鏡層的下方設(shè)有連續(xù)的透明襯底層18，將第一微透鏡層(包括顏色濾鏡層)托起。作為本實(shí)施例的一種優(yōu)選方式，支撐層19采用相互分離的豎直立柱形式，分設(shè)于第二微透鏡層的各微透鏡15之間的空隙位置，具體是設(shè)在任意4個(gè)濾鏡組之間空隙區(qū)域的中心位置(請(qǐng)參考圖8)。支撐層19的每個(gè)豎直立柱上接透明襯底層18的下表面、下接金屬層20的上表面。采用相互分離的豎直立柱作為支撐層的一種實(shí)現(xiàn)形式，可在起到支撐作用的同時(shí)，減輕器件結(jié)構(gòu)的重量，并且為器件設(shè)計(jì)留出更寬裕的騰挪空間。支撐層可采用金屬材質(zhì)加工，也可采用與金屬層相同的材質(zhì)；透明襯底層可采用呈透明的硅氧化物例如二氧化硅加工，避免影響光線的傳導(dǎo)。這樣，每個(gè)濾鏡組中對(duì)應(yīng)的上下2個(gè)微透鏡16、15、I個(gè)顏色濾鏡14可保持中心對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，且位于上部的第一微透鏡層的每個(gè)微透鏡16及顏色濾鏡層的每個(gè)顏色濾鏡14都可以與下部的第二微透鏡層的對(duì)應(yīng)微透鏡15保持位置的固定，使整個(gè)濾鏡層17平穩(wěn)地設(shè)置在金屬層20之上。
[0063]如果將顏色濾鏡層設(shè)在第二微透鏡層的緊鄰下方，則透明襯底層就直接位于第一微透鏡層的下方設(shè)置。
[0064]按照本實(shí)施例的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)，平行的入射光線經(jīng)過濾鏡層每個(gè)濾鏡組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)微透鏡16、15的二次折射后，可仍以平行狀態(tài)同時(shí)垂直射向其下方對(duì)應(yīng)耦合的9個(gè)感光二極管10-5?10-13 (請(qǐng)參考圖8)使其感光，并可通過獲取的9幅相互之間具有相位差的由子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd所構(gòu)成的子圖像,進(jìn)行垂直、水平及交叉方向的4軸向的相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦。
[0065]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖7和圖8。像素陣列的每個(gè)大像素在平面同一采樣位置含有9個(gè)子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd,位于對(duì)稱位置的子像素pu與pd采集構(gòu)成的子圖像實(shí)現(xiàn)平面上垂直軸向的相位差檢測(cè)圖像對(duì)，子像素Pl與Pr采集構(gòu)成的子圖像實(shí)現(xiàn)平面上水平軸向的相位差檢測(cè)圖像對(duì)，子像素pul與pdr采集構(gòu)成的子圖像實(shí)現(xiàn)平面上交叉(傾斜)軸向的相位差檢測(cè)圖像對(duì)，子像素pur與pdl采集構(gòu)成的子圖像實(shí)現(xiàn)平面上另一交叉(傾斜)軸向的相位差檢測(cè)圖像對(duì)。對(duì)于同一采樣位置，入射的平行光經(jīng)過濾鏡組中2層微透鏡16、15的兩次折射，交換平面位置后射向下方9個(gè)子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd對(duì)應(yīng)的光通道。例如，左邊的入射光Il交換位置后射向右邊感光區(qū)的感光二極管10-11(即子像素pr)，右邊的入射光Ir交換位置后射向左邊感光區(qū)的感光二極管10-6(即子像素pl)，以此類推，而中間的入射光Im仍舊垂直入射，射向中間感光區(qū)的感光二極管10-10 (即子像素pm)(如圖7中空心箭頭所指)。子像素pl與pr形成的子圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)圖8中水平軸向的相位差檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦，子像素pu與pd形成的子圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)圖8中垂直軸向的相位差檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦，子像素pul與pdr形成的子圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)圖8中一交叉軸向的相位差檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦，子像素pur與pdl形成的子圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)圖8中另一交叉軸向的相位差檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦。這樣，從同一采樣位置的9個(gè)子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd可獲取9幅相互之間具有相位差的子圖像，通過圖像系統(tǒng)的數(shù)字處理模塊，可對(duì)除去中間子像素pm構(gòu)成的子圖像后的周圍4個(gè)子圖像對(duì)進(jìn)行相位計(jì)算并檢測(cè)合焦?fàn)顟B(tài)，從而驅(qū)動(dòng)對(duì)焦機(jī)構(gòu)對(duì)主鏡頭進(jìn)行對(duì)焦。同時(shí)，輸出的9幅子圖像也可用于合成傳感器的最終成像；對(duì)于對(duì)焦而言，從9個(gè)子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd獲取的9個(gè)子圖像是有冗余的，可以利用其中的非冗余信息，應(yīng)用超分辨率重構(gòu)算法的計(jì)算進(jìn)行高分辨率重構(gòu)；在進(jìn)行高分辨率重構(gòu)算法時(shí)，以中間子像素Pm獲取的子圖像為基礎(chǔ)，利用其余8幅子圖像中的非冗余部分，為輸出圖像增加分辨率，可輸出一幅分辨率接近物理分辨率的數(shù)字圖像。
[0066]實(shí)施例三
[0067]本實(shí)施例屬于實(shí)施例二的一種變形形式。在本實(shí)施例中，請(qǐng)參閱圖9和圖10，圖9和圖10分別是本發(fā)明實(shí)施例三中的具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖和平面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖10所示，與實(shí)施例二不同的是，在每個(gè)大像素的9個(gè)子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pm、pr、pdr、pd中，位于中間的子像素pm對(duì)應(yīng)的感光二極管10-10具有相對(duì)較大的感光面積，即位于I個(gè)大像素中的一組3X3個(gè)感光二極管10-5?10-13中心的I個(gè)感光二極管10-10的感光面積大于組中其他的感光二極管10-5?10-9、10-11?10-13。進(jìn)一步優(yōu)選的，此感光二極管10-10的感光面積是組中周圍其他感光二極管10-5?10-9、10-11?10-13的4倍，也就是此感光二極管10-10的邊長(zhǎng)是組中周圍其他感光二極管10-5?10-9、10-11?10-13的2倍。如圖9所示，此感光二極管10-10上方所對(duì)應(yīng)的光通道11、13的尺寸也得到相應(yīng)的擴(kuò)大，此感光二極管10-10對(duì)應(yīng)的子像素pm與周圍子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pr、pdr、pd的間距相應(yīng)縮小了(請(qǐng)參考圖10),但大像素的整體區(qū)域尺寸保持不變。這樣，中間子像素Pm對(duì)應(yīng)的感光二極管10-10就能接受更多的中間的入射光Im(請(qǐng)參見圖9中的空心箭頭)，能夠?qū)θ肷涔膺M(jìn)行更為微妙的匯聚，使得此像素陣列獲得更高的動(dòng)態(tài)范圍。相比周圍的子像素pdl、pl、pul、pu、pur、pr、pdr、pd位置可獲得的入射光光強(qiáng)，位于中間位置處的入射光較強(qiáng)，因此配以感光面積較大的感光二極管10-10，使得輸出值不會(huì)輕易飽和。周圍的光強(qiáng)雖然較弱，但4個(gè)軸向的4對(duì)子圖像已足以實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦。在進(jìn)行高分辨率重構(gòu)算法時(shí)，以中間子像素Pm獲取的子圖像為基礎(chǔ)，利用周圍其余8幅子圖像中的非冗余部分，為輸出圖像增加分辨率。與實(shí)施例一中的像素陣列比較，本實(shí)施例中的像素陣列在大像素的中心位置使用了更大的感光二極管進(jìn)行感光，因此具有更高的動(dòng)態(tài)范圍。本實(shí)施例中的像素陣列的其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例二相同，可參考實(shí)施例二進(jìn)行理解，故不再重復(fù)說明。
[0068]以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列，包括濾鏡層、金屬層、感光層，其特征在于，所述濾鏡層包括由上下設(shè)置的第一微透鏡層和第二微透鏡層形成的雙微透鏡層，以及位于所述第一微透鏡層或所述第二微透鏡層之下并與其下方鄰接的顏色濾鏡層；所述雙微透鏡層的每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)微透鏡與所述顏色濾鏡層的I個(gè)顏色濾鏡對(duì)應(yīng)且中心對(duì)準(zhǔn)設(shè)置，其下方同時(shí)耦合至所述感光層的一組2 X 2個(gè)感光二極管，并與該2 X 2個(gè)所述感光二極管構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)；其中，平行的入射光線經(jīng)過每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)所述微透鏡的二次折射后，可仍以平行狀態(tài)同時(shí)垂直射向其下方對(duì)應(yīng)耦合的一組2X2個(gè)所述感光二極管使其感光，并通過獲取的4幅相互之間具有相位差的子圖像進(jìn)行多軸向相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，所述第一微透鏡層通過支撐層與所述第二微透鏡層位置固定，所述支撐層豎直設(shè)于所述第二微透鏡層的各所述微透鏡之間，所述第一微透鏡層下方設(shè)有透明襯底層，所述支撐層上接所述透明襯底層的下表面、下接所述像素陣列的所述金屬層或所述感光層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，所述顏色濾鏡層的各所述顏色濾鏡按照Bayer模式排列構(gòu)成重復(fù)的顏色濾鏡陣列，每組2 X 2個(gè)所述感光二極管共用其上方對(duì)應(yīng)的I種顏色的I個(gè)所述顏色濾鏡及上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)所述微透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，每組的2X 2個(gè)所述感光二極管以其上方對(duì)應(yīng)的所述微透鏡的中心軸為中心對(duì)稱設(shè)置；位于對(duì)稱位置的2對(duì)所述感光二極管所分別采集的2幅子圖像構(gòu)成相位差檢測(cè)圖像對(duì)，以進(jìn)行2軸向相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦。
5.一種具有雙微透鏡層的CMOS圖像像素陣列，包括濾鏡層、金屬層、感光層，其特征在于，所述濾鏡層包括由上下設(shè)置的第一微透鏡層和第二微透鏡層形成的雙微透鏡層，以及位于所述第一微透鏡層或所述第二微透鏡層之下并與其下方鄰接的顏色濾鏡層；所述雙微透鏡層的每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)微透鏡與所述顏色濾鏡層的I個(gè)顏色濾鏡對(duì)應(yīng)且中心對(duì)準(zhǔn)設(shè)置，其下方同時(shí)耦合至所述感光層的一組3 X 3個(gè)感光二極管，并與該3 X 3個(gè)所述感光二極管構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)；其中，平行的入射光線經(jīng)過每一組上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)所述微透鏡的二次折射后，可仍以平行狀態(tài)同時(shí)垂直射向其下方對(duì)應(yīng)耦合的一組3X3個(gè)所述感光二極管使其感光，并通過獲取的9幅相互之間具有相位差的子圖像進(jìn)行多軸向相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，所述第一微透鏡層通過支撐層與所述第二微透鏡層位置固定，所述支撐層豎直設(shè)于所述第二微透鏡層的各所述微透鏡之間，所述第一微透鏡層下方設(shè)有透明襯底層，所述支撐層上接所述透明襯底層的下表面、下接所述像素陣列的所述金屬層或所述感光層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，所述顏色濾鏡層的各所述顏色濾鏡按照Bayer模式排列構(gòu)成重復(fù)的顏色濾鏡陣列，每組3 X 3個(gè)所述感光二極管共用其上方對(duì)應(yīng)的I種顏色的I個(gè)所述顏色濾鏡及上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)所述微透鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，每組的3X 3個(gè)所述感光二極管以其上方對(duì)應(yīng)的所述微透鏡的中心軸為中心對(duì)稱設(shè)置；位于對(duì)稱位置的4對(duì)所述感光二極管所分別采集的2幅子圖像構(gòu)成相位差檢測(cè)圖像對(duì)，以進(jìn)行4軸向相位檢測(cè)和自動(dòng)對(duì)焦。
9.根據(jù)權(quán)利要求5、7或8所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，位于每組3X 3個(gè)所述感光二極管中心的I個(gè)感光二極管的感光面積大于組中其他的感光二極管。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，位于每組3X3個(gè)所述感光二極管中心的I個(gè)感光二極管的感光面積是組中其他感光二極管的4倍。
【文檔編號(hào)】H01L27/146GK104241310SQ201410487562
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23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, 成都微光集電科技有限公司