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图像感测装置

文献发布时间：2023-06-19 13:46:35

技术领域

该专利文档中公开的技术和实现总体上涉及图像感测装置。

背景技术

在电子装置中使用图像传感器，以将光学图像转换为电信号。汽车、医疗、计算机和通信行业的最新发展导致在诸如数码相机、便携式摄像机、个人通信系统(PCS)、视频游戏机、监控摄像机、医疗微型摄像机和机器人之类的各种电子设备中对高集成度、高性能图像传感器的需求增加。

发明内容

所公开技术的各种实施方式涉及一种包括相位检测像素的图像感测装置，所述相位检测像素按照能够改善相位检测像素的操作特性的布局来布置。

在所公开技术的一个实施方式中，一种图像感测装置可以包括第一子像素阵列，其包括多个第一单位像素，第一单位像素包括第一感光元件和位于第一感光元件上方的第一滤色器，第一感光元件被定位为彼此相邻并被构造为通过转换入射光来产生光电荷；第二子像素阵列，其包括多个第二单位像素，第二单位像素包括第二感光元件和位于第二感光元件上方的第二滤色器，第二感光元件被定位为彼此相邻并被构造为通过转换入射光来产生光电荷；第三子像素阵列，其包括多个第三单位像素，第三单位像素包括第三感光元件和位于第三感光元件上方的第三滤色器，第三感光元件被定位为彼此相邻并被构造为通过转换入射光来产生光电荷；以及第四子像素阵列，其包括多个第四单位像素，第四单位像素包括第四感光元件和位于第四感光元件上方的第四滤色器，第四感光元件被定位为彼此相邻并被构造为通过转换入射光来产生光电荷。第二子像素阵列被布置为在第一方向上与第一子像素阵列相邻，第三子像素阵列被布置为在垂直于第一方向的第二方向上与第二子像素阵列相邻，第四子像素阵列被布置为在第二方向上与第一子像素阵列和第二子像素阵列相邻，并且第四子像素阵列还包括用于检测相位差的多个相位检测像素。

在所公开技术的另一实施方式中，一种图像感测装置可以包括：像素阵列，其包括多个单位像素，多个单位像素被配置为通过执行入射光的光电转换来产生电信号，并且在第一方向和垂直于第一方向的第二方向上毗邻布置。像素阵列可以包括：第一单位像素阵列，其包括具有以第一颜色图案布置的第一滤色器至第三滤色器的单位像素；以及第二单位像素阵列，其包括具有以第二颜色图案布置的第一滤色器至第三滤色器的单位像素。在这种情况下，第一单位像素阵列的单位像素可以是被构造为检测来自目标对象的入射光以通过将目标对象的光学图像转换为电信号来生成表示目标对象的图像信号的图像像素。第二单位像素阵列可以包括：图像像素，其被配置为生成图像信号；以及相位检测像素，其被配置为检测来自目标对象的光信号之间的相位差。

应当理解，所公开技术的前述概括描述和以下详细描述都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本公开的进一步解释。

附图说明

图1是例示了基于所公开技术的一些实现的图像感测装置的示例的框图。

图2是例示了基于所公开技术的一些实现的图1所示的像素阵列的示例的示意图。

图3是例示了基于所公开技术的一些实现的其中四元滤色器阵列中的蓝色像素中的一个被用作相位检测像素的示例像素阵列的示意图。

图4是例示了基于所公开技术的一些其它实现的图1所示的像素阵列的示例的示意图。

具体实施方式

该专利文档提供了包括布置为改进相位检测像素的操作特性的相位检测像素和成像像素的图像感测装置的实现及示例。

现在将详细参考特定实施方式进行说明，在附图中示出了特定实施方式的示例。尽可能地，在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。在以下描述中，将省略在此并入的相关已知配置或功能的详细描述，以避免使主题变得模糊。

图1是例示了基于所公开技术的一些实现的图像感测装置的示例的框图。

在一些实现中，图像感测装置可以包括像素阵列100、相关双采样器(CDS)200、模数转换器(ADC)300、缓冲器400、行驱动器500、定时发生器600、控制寄存器700和斜坡信号发生器800。

像素阵列100可以包括以二维(2D)阵列毗邻布置的多个单位像素。多个单位像素可以被构造为通过执行入射光的光电转换而将入射光转换为与入射光的强度和波长相对应的电信号。例如，多个单位像素可以包括多个感光元件。每个感光元件被构造为通过执行入射光的光电转换来产生光电荷，并且在实现中可以包括光电二极管。多个单位像素可以包括多个图像像素和多个相位检测像素。多个图像像素中的每一个可通过捕获目标对象的光学图像的一部分并将其转换为电信号，来生成与目标对象相对应的图像信号。多个相位检测像素中的每一个可以产生相位信号，该相位信号是用于计算目标对象的捕获图像之间的相位差的电信号。像素阵列100可以包括：多个第一单位像素阵列110，其包括以四元阵列(例如，四元滤色器阵列)布置的图像像素；以及多个第二单位像素阵列120，其包括与相位检测像素一起布置的图像像素。例如，第一单位像素阵列110可以包括彼此毗邻(或相邻)布置、同时在其上具有相同颜色的滤色器的四个子像素阵列112、114、116和118。子像素阵列112、114、116和118可以以拜耳图案布置。第二单位像素阵列120可以包括子像素阵列122和124、子像素阵列126和子像素阵列128。在一些实现中，子像素阵列122和124中的每一个可以包括彼此毗邻(或相邻)地布置、同时在其上具有相同颜色的滤色器的四个单位像素。子像素阵列126可以包括彼此毗邻(或相邻)地布置、同时在其上具有相同颜色的滤色器的两个单位像素。子像素阵列128可以包括彼此毗邻(或相邻)布置、同时在其上具有相同颜色的滤色器的六个单位像素。在这种情况下，子像素阵列128可以包括在行方向上彼此毗邻(或相邻)以检测行方向上的相位差的两个相位检测像素，或者可以包括在行方向和列方向上彼此毗邻(或相邻)布置以检测行方向上的相位差和列方向上的相位差二者的四个相位检测像素。在下文中将参照附图描述第一单位像素阵列110和第二单位像素阵列120的详细结构。举例来说，图1例示了像素阵列100中的第一单位像素阵列110和第二单位像素阵列120的位置，应当注意，第一单位像素阵列110和第二单位像素阵列120的位置可以与附图中所示出的不同。另外，第二单位像素阵列120的数量可以依据图像感测装置的期望功能而变化。

CMOS图像传感器可以使用相关双采样(CDS)，以通过对像素信号采样两次以去除这两个采样之间的差异，来去除不期望的像素偏移值。在一个示例中，相关双采样(CDS)可以通过比较在光信号入射到像素上之前和之后所获得的像素输出电压来去除不期望的像素偏移值，使得能够仅测量基于入射光的像素输出电压。在所公开技术的一些实施方式中，相关双采样器(CDS)200可以采样并保持从像素阵列100的图像像素接收的图像信号的电压电平和从像素阵列100的相位检测像素接收的相位信号的电压电平。例如，相关双采样器(CDS)200可以响应于从定时发生器600接收到的时钟信号而采样从像素阵列100接收的图像信号的电压电平、从像素阵列100接收的相位信号的电压电平以及参考电压电平，以向模数转换器(ADC)300提供与相位信号和图像信号中的每一个的电压电平和参考电压电平之间的差相对应的模拟信号。

模数转换器(ADC)300可以响应于从定时发生器600接收的时钟信号和从斜坡信号发生器800接收的斜坡信号而将从相关双采样器(CDS)200接收的模拟信号转换成数字信号。

缓冲器400可以锁存从模数转换器(ADC)300接收的数字信号以放大数字信号并输出经放大的数字信号。

行驱动器500可以响应于定时发生器600的输出信号而激活像素阵列100的被选行。

定时发生器600可以生成定时信号以控制行驱动器500、相关双采样器(CDS)200、模数转换器(ADC)300和斜坡信号发生器800。

控制寄存器700可以生成控制信号以控制斜坡信号发生器800、定时发生器600和缓冲器400。

斜坡信号发生器800可以响应于控制寄存器700的控制信号和从定时发生器600接收的定时信号而生成斜坡信号以控制输出到缓冲器400的信号。

图2是例示了包括基于所公开技术的一些实现布置的相位检测像素的图1所示的像素阵列100的示例的示意图。

在一些实现中，像素阵列100可以包括多个第一单位像素阵列110和多个第二单位像素阵列120。

多个第一单位像素阵列110中的每一个可以包括四个子像素阵列112、114、116和118。四个子像素阵列112、114、116和118中的每一个可以包括以(2×2)阵列布置的相同颜色的四个单位像素。子像素阵列112、114、116和118可以以拜耳图案布置。

例如，子像素阵列112可以包括以(2×2)阵列布置的具有红色滤色器的四个单位像素(即，四个红色像素)。子像素阵列114可以在第一方向(即，行方向)上与子像素阵列112毗邻(或相邻)地布置，并且可以包括以(2×2)阵列布置的具有绿色滤色器的四个单位像素(即，四个绿色像素)。子像素阵列116可以在垂直于第一方向的第二方向(即，列方向)上与子像素阵列114毗邻(或相邻)地布置，并且可以包括以(2×2)阵列布置的具有蓝色滤色器的四个单位像素(即，四个蓝色像素)。子像素阵列118可以在第二方向上与子像素阵列112毗邻(或相邻)地布置，并且可以包括以(2×2)结构布置的具有绿色滤色器的四个单位像素(即，四个绿色像素)。

布置在第一单位像素阵列110中的单位像素可以被实现为用于生成图像信号的图像像素。

多个第二单位像素阵列120中的每一个可以包括子像素阵列122和124、子像素阵列126和子像素阵列128。子像素阵列122和124中的每一个可以包括以(2×2)阵列布置的相同颜色的四个单位像素。子像素阵列126可以包括在第二方向上彼此毗邻(或相邻)地布置、同时具有相同颜色的两个单位像素。子像素阵列128可以包括在(3×2)结构中彼此毗邻(或相邻)、同时具有相同颜色的六个单位像素。

例如，子像素阵列122可以包括以(2×2)阵列布置的具有红色滤色器的四个单位像素(即，四个红色像素)。子像素阵列124可以在第一方向上与子像素阵列122毗邻(或相邻)地布置，并且可以包括以(2×2)阵列布置的具有绿色滤色器的四个单位像素(即，四个绿色像素)。子像素阵列126可以在第二方向上与子像素阵列124毗邻(或相邻)地布置，并且可以包括以(1×2)阵列布置的具有蓝色滤色器的两个单位像素(即，两个蓝色像素)。子像素阵列128可以在第二方向上与子像素阵列122和子像素阵列124毗邻(或相邻)地布置，并且可以包括以(3×2)阵列布置的具有绿色滤色器的六个单位像素(即，六个绿色像素)。

布置在子像素阵列122、124和126中的单位像素可以实现为用于生成图像信号的图像像素。子像素阵列128可以包括图像像素、一对相位检测像素LPD和RPD。在示例情况下，子像素阵列128可以包括缺陷像素DPX。

例如，第二单位像素阵列120的子像素阵列122可以包括以与第一单位像素阵列110的子像素阵列112中的图像像素相同的方式布置的图像像素，第二单位像素阵列120的子像素阵列124可以包括以与第一单位像素阵列110的子像素阵列114中的图像像素相同的方式布置的图像像素。在一些实现中，在第二单位像素阵列120中，具有红色滤色器的子像素阵列122和具有绿色滤色器并且在第一方向上与子像素阵列122毗邻(或相邻)的子像素阵列124可以包括以与第一单位像素阵列110的子像素阵列112和114中的图像像素相同的方式布置的图像像素。与第一单位像素阵列110的子像素阵列116不同，具有蓝色滤色器的子像素阵列126可以仅包括两个单位像素。相比之下，子像素阵列128可以包括具有绿色滤色器的六个单位像素。在子像素阵列128中，在第一方向(即，行方向)上毗邻地布置、同时与子像素阵列126毗邻(或相邻)的两个单位像素可以用作一对相位检测像素LPD和RPD，以用于检测行方向上的相位差。另外，在子像素阵列128内的在第二方向上与相位检测像素RPD毗邻(或相邻)的单位像素DPX可以被作为具有缺陷的像素处理。换句话说，在列方向上紧接着位于相位检测像素RPD下方的单位像素DPX可以形成为具有与相位检测像素RPD相同颜色的滤色器，并且可以被作为缺陷像素处理，而不用作相位检测像素或图像像素。

可以在每个图像像素上方形成一个微透镜ML1。也可以在缺陷像素DPX上方形成一个微透镜ML1。可以在相位检测像素LPD和RPD上方形成覆盖相位检测像素LPD和RPD二者的微透镜ML2。

虽然图2例示了一对相位检测像素LPD和RPD设置在子像素阵列128的上部，并且缺陷像素DPX设置在子像素阵列128的下部，但是应该注意，相位检测像素LPD和RPD的位置与缺陷像素DPX的位置可以交换。例如，一对相位检测像素LPD和RPD可以设置在子像素阵列128的下部，并且缺陷像素DPX可以设置在子像素阵列128的上部。

在一些实现中，位于相位检测像素RPD下方的单位像素DPX具有与该相位检测像素RPD相同颜色的滤色器，并且该单位像素DPX被作为缺陷像素处理，如下面将更详细地讨论的。

在具有以拜耳图案布置的四元阵列(例如，四元拜耳滤色器阵列)的像素阵列100中形成用于检测行方向上的相位差的相位检测像素LPD和RPD的情况下，可以使用在行方向上彼此毗邻(或相邻)布置的一个绿色单位像素和一个蓝色单位像素来形成相位检测像素LPD和RPD。在这种情况下，由于相位检测像素LPD和RPD应当具有相同的条件，所以相位检测像素LPD和RPD以相同的颜色形成。因此，如图3所示，四个蓝色单位像素当中的用作相位检测像素RPD的单位像素可以实现为绿色单位像素。

然而，当如图3所示地布置滤色器时，具有相同颜色的像素以弯曲图案布置。在这种情况下，滤色器可能在弯曲区域处异常地形成。在这种情况下，图像感测装置的操作特性可能会劣化。

因此，在如图2中所示的所公开技术的一些实现中，紧接着位于相位检测像素RPD下方的单位像素DPX可以形成为具有与相位检测像素RPD相同颜色的滤色器，并且以此方式能够正常地形成滤色器。相反，单位像素DPX的滤色器被形成为具有不同的滤色器以解决制造过程中的上述问题。因此，当单位像素DPX像正常像素一样被处理时，与绿色相对应的图像信号在第二单位像素阵列120的信号处理中可能失真。因此，在诸如死像素补偿(DPC)过程的信号处理中，单位像素DPX可以被作为缺陷像素处理。

图4是例示了包括基于所公开技术的一些实现布置的相位检测像素的图1所示的像素阵列100的示例的示意图。

在一些实现中，像素阵列100可以包括第一单位像素阵列110和第三单位像素阵列130。

第一单位像素阵列110中的每一个可以包括四个子像素阵列112、114、116和118。四个子像素阵列112、114、116和118中的每一个可以包括以(2×2)阵列布置的相同颜色的四个单位像素。子像素阵列112、114、116和118可以以拜耳图案布置。

图4所示的第一单位像素阵列110与图2所示的第一单位像素阵列110相同，并且为了便于描述，这里将省略其详细描述。

第三单位像素阵列130中的每一个可以包括子像素阵列132和134、子像素阵列136和子像素阵列138。子像素阵列132和134中的每一个可以包括以(2×2)阵列布置的相同颜色的四个单位像素。子像素阵列136可以包括彼此毗邻(或相邻)地布置的相同颜色的两个单位像素。子像素阵列138可以包括以(3×2)阵列彼此毗邻(或相邻)地布置的相同颜色的六个单位像素。

就包括相位检测像素的子像素阵列138而言，图4中所示的第三单位像素阵列130可以不同于图2所示的第二单位像素阵列120。例如，子像素阵列138可以包括以(2×2)阵列布置的四个相位检测像素LPD1、LPD2、RPD1和RPD2。

在以(2×2)结构布置相位检测像素LPD1、LPD2、RPD1和RPD2的情况下，两个左相位检测像素LPD1和LPD2可以被作为单个相位检测像素LPD处理，并且两个右相位检测像素RPD1和RPD2可以被作为单个相位检测像素RPD处理，使得能够检测行方向上的相位差。例如，相位检测像素LPD1和LPD2的相位信号被组合并且用作单个左相位信号，并且相位检测像素RPD1和RPD2的相位信号被组合并且用作单个右相位信号，从而能够检测行方向上的相位差。此外，能够检测行方向上的相位差和列方向上的相位差。例如，相位检测像素LPD1和RPD1的相位信号被组合并且用作单个上相位信号，并且相位检测像素LPD2和RPD2的相位信号被组合并且用作单个下相位信号，从而能够检测列方向上的相位差。

相位检测像素LPD1、LPD2、RPD1和RPD2可以与子像素阵列136毗邻或相邻地布置。可以在相位检测像素LPD1、LPD2、RPD1和RPD2上方形成覆盖相位检测像素LPD1、LPD2、RPD1和RPD2的全部的一个微透镜ML3。

通过示例，相位检测像素可以形成在如上所讨论的包括在(2×2)阵列中彼此毗邻或相邻的相同颜色的四个单位像素的像素阵列中。在另一实现中，在包括在(L×L)阵列(其中，L是大于2的自然数)中彼此毗邻或相邻的相同颜色的单位像素的像素阵列中，相位检测像素和滤色器可以形成为防止在相位检测像素的形成区域中产生弯曲的滤色器图案。

从以上描述中显而易见的是，基于所公开技术的一些实现的包括相位检测像素的图像感测装置能够改善相位检测像素的操作特性。