專利名稱：具有在傳感器元件的相應(yīng)區(qū)域上形成圖像的成像元件陣列的彩色圖像傳感器的制作方法
背景技術(shù)：
電子圖像傳感器不僅包含在數(shù)字照相機中，還包含在消費電子產(chǎn)品如移動電話和個人數(shù)字助理(PDA)中。這樣的產(chǎn)品由于受到市場壓力而降低尺寸，或者將較多特征組裝到給定尺寸的產(chǎn)品中。
圖1是在現(xiàn)代產(chǎn)品如數(shù)字照相機、移動電話和PDA中看到的典型的常規(guī)彩色圖像傳感器10的高度簡化的例子的示意性立體圖。圖像傳感器10由單個光傳感器12和在光傳感器的主表面16上形成物體的圖像的單個成像元件14組成。
光傳感器12一般由傳感器元件的二維(一般為矩形)陣列和相關(guān)的讀出電路(未示出)構(gòu)成。用虛線示出例示性的傳感器元件20的邊界。示出的光傳感器12的例子的高度簡化表現(xiàn)在其僅僅具有48個傳感器元件。典型的光傳感器具有幾十萬或者幾百萬個傳感器元件。每個傳感器元件一般是互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器元件或者電荷耦合器件(CCD)傳感器元件。讀出電路接收由傳感器元件響應(yīng)于來自物體的光線而產(chǎn)生的電學(xué)值，并且一般以光柵掃描順序?qū)⒃撾妼W(xué)值變換成模擬或者數(shù)字圖像信號。為了使光傳感器產(chǎn)生補充提供關(guān)于物體的顏色信息的彩色圖像信號，光傳感器在主表面16上另外還包含鑲嵌濾色鏡(colormosaic filter)30。
鑲嵌濾色鏡最常見的類型是以其發(fā)明人命名的Bayer鑲嵌濾色鏡。圖1中示出的Bayer鑲嵌濾色鏡30的例子具有N/4個紅色濾色鏡、N/2個綠色濾色鏡和N/4個藍(lán)色濾色鏡，其中N是光傳感器12中的傳感器元件20的數(shù)量。在此紅色濾色鏡、綠色濾色鏡和藍(lán)色濾色鏡總稱為濾色鏡。每一濾色鏡過濾入射到光傳感器的各個傳感器元件上的光線。濾色鏡以四個正方形塊的形式設(shè)置，用32表示它的一個例子。區(qū)塊32由一個紅色濾色鏡34、兩個對角相對的綠色濾色鏡36與37、和一個藍(lán)色濾色鏡38組成。濾色鏡的其余的塊在結(jié)構(gòu)上相似。濾色鏡的顏色在圖1中用不同的影線表示。嘗試過Bayer圖案的許多變化，包括濾色鏡的偽隨機排列和采用四種或者更多顏色的濾色鏡。
每一傳感器元件20產(chǎn)生代表入射到傳感器元件上的光線強度的電學(xué)值。入射到傳感器元件上的光線是被覆蓋在傳感器元件上的濾色鏡傳送的顏色。例如，紅色濾色鏡34下方的傳感器元件產(chǎn)生代表入射到傳感器元件上的紅光強度的電學(xué)值。因為表示彩色圖像的彩色圖像信號一般包括表示入射到光傳感器12的每一傳感器元件上方的濾色鏡上的紅光、綠光和藍(lán)光強度的電學(xué)值，所以光傳感器另外還包括處理電路(未示出)，該處理電路從與傳感器元件連接的讀出電路(未示出)接收電學(xué)值，并為每一傳感器單元合成缺少的電學(xué)值。處理電路利用由相鄰的傳感器元件之一產(chǎn)生的電學(xué)值，采用內(nèi)插法合成缺少的電學(xué)值。
通過為被綠色濾色鏡覆蓋的每一傳感器元件合成紅色值和藍(lán)色值，為被紅色濾色鏡覆蓋的每一傳感器元件合成綠色值和藍(lán)色值，以及為被藍(lán)色濾色鏡覆蓋的每一傳感器元件合成紅色值和綠色值，處理電路產(chǎn)生彩色圖像信號。例如，處理電路根據(jù)由被綠色濾色鏡36和37覆蓋的傳感器元件產(chǎn)生的電學(xué)值，此外還可能根據(jù)被綠色濾色鏡覆蓋的相鄰的傳感器元件，為被紅色濾色鏡34覆蓋的傳感器單元合成綠色值。合成綠色值所依據(jù)的電學(xué)值全部是綠色值。生成的彩色圖像信號的2/3是用被適當(dāng)顏色的濾色鏡覆蓋的相鄰傳感器元件產(chǎn)生的電學(xué)值內(nèi)插的。
當(dāng)響應(yīng)于彩色圖像信號而顯示圖像時，對于某些類型的物體，在常規(guī)光傳感器12中需要合成缺少的電學(xué)值導(dǎo)致許多問題。具有明顯色差的圖像的相鄰區(qū)域可能產(chǎn)生錯誤的顏色。以鋸齒邊緣顯示幾乎水平或者垂直的線，并且可能呈現(xiàn)色彩問題。常規(guī)的彩色圖像傳感器10一般還包含介于成像元件14和光傳感器12之間的空間濾光片(未示出)。空間濾光片降低形成在光傳感器12上的圖像的高空間頻率含量。這在以顯示的圖像為代價的情況下改善了一部分上述影響，該顯示的圖像的清晰度要低于由光傳感器12中傳感器元件20的數(shù)量和成像元件14的光學(xué)性能蘊涵的清晰度。
常規(guī)光傳感器12的另一問題是，從一個傳感器元件到相鄰傳感器元件的光泄漏不僅在顯示的圖像中產(chǎn)生模糊不清，還導(dǎo)致錯誤的顏色。
常規(guī)彩色圖像傳感器10的又一問題源于成像元件14以復(fù)色光在光傳感器12上形成圖像。因此，成像元件14必須校正顏色以確保形成在光傳感器12上的圖像對于所有顏色都是清晰的。這一般需要成像元件14是多組件透鏡，在通過透鏡的光傳送方向上，其一般要大于單組件透鏡。這增加了彩色圖像傳感器的總深度。在上述高度小型化應(yīng)用中，大圖像傳感器深度是特別不希望的。需要校正顏色還限制了透鏡材料的選擇。
常規(guī)彩色圖像傳感器10的又一問題是無論覆蓋的濾色鏡的顏色如何，所有傳感器元件采用同一曝光時間。這限制了圖像傳感器的動態(tài)范圍。例如，如果物體包括明亮的綠色區(qū)域，則光傳感器12的曝光時間必須降低以避免使具有綠色濾色鏡的傳感器元件飽和。也將同樣減少的曝光應(yīng)用于具有紅色和藍(lán)色濾色鏡的傳感器元件，從而物體的微紅部分被成像在上面的傳感器元件的濾色鏡產(chǎn)生的電學(xué)值將包含不期望的噪音成分。
常規(guī)彩色圖像傳感器10的最后一個問題是其低的光性能。濾色鏡使下面的傳感器元件一般僅僅接收入射到濾色鏡上的光線的一小部分。
因此，需要不遭受上述問題的彩色圖像傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面是提供用于產(chǎn)生表示物體的彩色圖像信號的方法，其中提供具有傳感器元件陣列的光傳感器，來自物體的不同顏色的光線獨立地在光傳感器的對應(yīng)區(qū)域上成像。該光傳感器可以響應(yīng)于入射到它上面的光線產(chǎn)生彩色圖像信號。
本發(fā)明的第二方面是，提供用于產(chǎn)生表示物體的圖像信號的彩色圖像傳感器。該彩色圖像傳感器具有光傳感器和成像元件，該成像元件用不同顏色的光線在光傳感器的對應(yīng)區(qū)域上形成物體的圖像。光傳感器包括傳感器元件，并且可以響應(yīng)于入射到它上面的光線產(chǎn)生彩色圖像信號。
本發(fā)明的實施例在不采用鑲嵌濾色鏡的情況下產(chǎn)生彩色圖像信號。和常規(guī)光傳感器的面積相比，除去鑲嵌濾色鏡以外允許光傳感器的每一區(qū)域的面積減小。這允許成像元件做得較小，并被定位于光傳感器。此外，在以窄帶光線形成圖像的實施例中，成像元件可以更簡單，因此比常規(guī)的成像元件小。在一些實施例中，成像元件包含衍射元件，其在深度上明顯小于具有類似特性的透鏡。光傳感器的區(qū)域的較小尺寸提供較快的讀出時間，和降低的卷簾假象，當(dāng)并行地讀出所有區(qū)域的時候尤其如此。
可以單獨地對光傳感器的區(qū)域?qū)嵤┢毓饪刂?，以使每一圖像信號分量的信噪比最佳。一些實施例形成用廣譜光線如白光形成的一幅或者多幅圖像，其在信噪比方面提供極大的改善。在低照度條件下尤其如此。


圖1是常規(guī)彩色圖像傳感器的高度簡化的例子的立體圖。
圖2是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第一實施例的立體圖。
圖3是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第二實施例的立體圖。
圖4是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第三實施例的立體圖。
圖5是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第四實施例的立體圖。
圖6是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第五實施例的立體圖。
圖7是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第六實施例的立體圖。
圖8是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第七實施例的立體圖。
圖9是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第八實施例的立體圖。
圖10A-10D示出了光傳感器的高度簡化示例上的傳感器元件的一些多區(qū)排列的例子。
圖11A-11D分別是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的第九實施例的平面圖、兩個正交的截面圖和立體圖。
圖12A-12C是圖11A-11D中示出的成像元件陣列的三個可供選擇的圖12D-12E是圖11A-11D中示出的彩色圖像傳感器的兩個可供選擇的實施例的截面圖。
圖13是解釋本發(fā)明的用于制造彩色圖像傳感器的方法的實施例的流程圖。
圖14是解釋能夠用于測量制造偏移或者視差偏移的偏移測量程序的圖15是解釋本發(fā)明的用于產(chǎn)生表示物體的彩色圖像信號的方法的第一實施例的流程圖。
圖16是解釋本發(fā)明的用于產(chǎn)生表示物體的彩色圖像信號的方法的第二實施例的流程圖。
具體實施例方式
圖2是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第一實施例100的立體圖。彩色圖像傳感器100產(chǎn)生表示物體的彩色圖像信號，它由光傳感器112和用101、102和103示意性示出的成像元件組成。光傳感器112具有設(shè)置在它的主表面116上的傳感器元件。在操作中，光傳感器響應(yīng)于入射到主表面116上的光線，產(chǎn)生彩色圖像信號114。設(shè)置成像元件101、102和103，用不同顏色的光線在光傳感器112的相應(yīng)區(qū)域131、132和133上形成物體的圖像。在上面形成圖像的光傳感器的各區(qū)域基本上被空間隔離，以阻止圖像之間的光泄漏。
在彩色圖像傳感器100中，以不規(guī)則的陣列設(shè)置傳感器元件，其中每一區(qū)域131、132和133由傳感器元件的矩形陣列構(gòu)成。虛線表示區(qū)域131中例示的傳感器元件121、區(qū)域132中例示的傳感器元件122和區(qū)域133中例示的傳感器元件123的邊界。另外的虛線如虛線126表示每一區(qū)域131、132和133中相鄰傳感器元件之間的邊界。在本實施例和下述實施例的說明中，在每一區(qū)域中例示的傳感器元件的參考數(shù)字還將用于涉及該區(qū)域中的所有傳感器元件。每一傳感器元件是互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器元件?？蛇x擇地，每一傳感器可以是電荷耦合器件(CCD)傳感器元件或者另一種合適類型的傳感器元件。
圖2中示出的光傳感器112的例子的高度簡化在于，它的每一區(qū)域僅僅具有24個傳感器元件。光傳感器的典型例子在區(qū)域131-133的每一個中具有幾十萬或者幾百萬個傳感器元件。在下述的彩色圖像的實施例中，光傳感器同樣也是高度簡化的。此外，公開的圖形是示意性的，它們不描述成像元件對通過該成像元件看到的物體的外觀的影響。
光傳感器112的每一區(qū)域131、132和133具有相關(guān)的讀出電路(未示出)。每一讀出電路接收由該區(qū)域中的傳感器元件響應(yīng)于來自物體的光線而產(chǎn)生的電學(xué)值，并且一般以光柵掃描順序?qū)⒃撾妼W(xué)值變換成模擬或者數(shù)字圖像信號分量?？蛇x擇地，光傳感器112可以具有對所有區(qū)域共用的單個讀出電路。由區(qū)域131-133產(chǎn)生的圖像信號分量或者從圖像信號分量得到的信號構(gòu)成表示物體的彩色圖像信號114。
如上所述，成像元件101、102和103分別在光傳感器112的區(qū)域131、132和133上，以不同顏色的光線形成物體的圖像。為此，彩色圖像傳感器100還由光學(xué)上被設(shè)置為與成像元件101和區(qū)域131相連的濾色鏡141、光學(xué)上被設(shè)置為與成像元件102和區(qū)域132相連的濾色鏡142、以及光學(xué)上被設(shè)置為與成像元件103和區(qū)域133相連的濾色鏡143組成。當(dāng)入射到區(qū)域上的光線以任一順序通過成像元件和濾色鏡時，成像元件、該區(qū)域和濾色鏡被設(shè)置為在光學(xué)上相連。
在圖2示出的例子中，濾色鏡141設(shè)置在位于成像元件101和光傳感器的區(qū)域131之間的光傳感器112的主表面116上，濾色鏡142設(shè)置在位成像元件102和于光傳感器的區(qū)域132之間的光傳感器的主表面上，濾色鏡143設(shè)置在位于成像元件103和光傳感器的區(qū)域133之間的光傳感器的主表面上。在一個可供選擇的配置中，濾色鏡141、142和143分別被獨立地保持在成像元件101、102和103與區(qū)域131、132和133之間。在另一可供選擇的配置中，分別用成像元件101、102和103支撐濾色鏡141、142和143。例如，每一濾色鏡可以設(shè)置在對應(yīng)的成像元件的表面上。上面設(shè)有濾色鏡的表面可以是面向物體的表面，或者面向光傳感器的表面。在另一配置中，濾色鏡141、142和143分別被設(shè)置在物體和成像元件101、102和103之間。也可能是其它配置。
在圖2所示的例子中，濾色鏡141是將紅色光傳送到光傳感器112的區(qū)域131的紅色濾色鏡，濾色鏡142是將綠色光傳送到區(qū)域132的綠色濾色鏡，濾色鏡143是將藍(lán)色光傳送到區(qū)域133的藍(lán)色濾色鏡。在其它實施例中，濾色鏡141-143的顏色不同于所述的顏色。
和參考圖1所述的常規(guī)彩色圖像傳感器10相比，彩色圖像傳感器100的總深度，即光傳感器112的與主表面116相對的主表面和成像元件101-103的遠(yuǎn)離光傳感器112的表面之間的距離至少要小大約30％。這一深度的減小得益于兩個主要的因素。
首先，彩色圖像傳感器100中的成像元件101-103和光傳感器112之間的距離要小于常規(guī)彩色圖像傳感器10中的成像元件14和光傳感器12之間的距離。彩色圖像傳感器100中缺少鑲嵌濾色鏡大大減少了所需將空間的假象減小到規(guī)定等級的空間濾光，而且可以消除對空間濾光的需要。在減少空間濾光的情況下，光傳感器112提供規(guī)定的空間分辨率，且每一區(qū)域131-133具有的傳感器元件的數(shù)量不多于圖1所示常規(guī)光傳感器12的傳感器元件的一半。因此區(qū)域131-133均具有約為常規(guī)光傳感器12的1/√2的線性尺寸。為了形成完全覆蓋區(qū)域131-133的圖像，可以和該區(qū)域的線性尺寸的減少成比例地減小成像元件101-103和光傳感器112之間的距離，即相對于常規(guī)彩色圖像傳感器10中的成像元件14和光傳感器12之間的距離約為1/√2，或者約30％。此外，和該區(qū)域線性尺寸的減小成比例地減小成像元件本身的尺寸。
第二，在彩色圖像傳感器100中，成像元件101-103的深度要小于彩色圖像傳感器10的成像元件14的深度。在彩色圖像傳感器100中，成像元件101-103在光傳感器112的區(qū)域131-133上用顏色互不相同的窄帶光線形成圖像。窄帶光線具有的波長范圍一般是作為單原色如紅、綠或者藍(lán)所感知到的波長。由至少跨越可見光譜的組分組成的光線稱為廣譜光線。作為白光感知到的廣譜光線將被稱為白光，并且對于本公開的內(nèi)容而言，白色將被當(dāng)做一種顏色。即使在圖2所示的例子中，成像元件101-103傳送光譜光線，但濾色鏡141-143僅僅將窄帶光線從成像元件101-103分別傳送到光傳感器112的區(qū)域131-133中的傳感器元件上。因此，關(guān)于在光傳感器112上形成圖像，僅僅需要考慮成像元件101-103關(guān)于分別由濾色鏡141-143傳送的窄帶光線的成像特性。這允許成像元件101-103在配置上比用廣譜光線形成圖像的成像元件14更簡單。因為認(rèn)為它們僅僅用窄帶光線形成圖像，所以成像元件101-103即使需要色差校正，也只是需要少量而已。因此，和成像元件14相比，每一成像元件101-103需要較少的組件來形成特定光學(xué)特性的圖像。此外，如上所述，每一組件的尺寸要小些。和成像元件14相比，減小成像元件101-103中的組件數(shù)量及其尺寸降低了成像元件的深度。
下面要進行詳細(xì)說明的是，用窄帶光線形成圖像的每個成像元件101-103可以和單個非球面凸面一樣簡單。此外，用窄帶光線在區(qū)域131-133上形成圖像的成像元件101-103允許成像元件101-103包含一個或者多個取代對應(yīng)的折射組件的衍射組件。衍射組件一般不如具有類似光學(xué)性能的折射組件深。和成像元件14相比，采用衍射組件進一步減小了成像元件101-103的深度，因此和彩色圖像傳感器10相比，進一步減小了彩色圖像傳感器100的深度。包含與下面參考圖11A-11D說明的成像元件陣列類似的成像元件陣列的實施例的彩色圖像傳感器100的實施例的總深度比其他可比較的常規(guī)彩色圖像傳感器要小大約60％。
如上所述，和彩色圖像傳感器10相比，盡管在每一區(qū)域131-133中傳感器元件的數(shù)量較小，彩色圖像傳感器100還是遭受較少的空間頻率假象。彩色圖像傳感器100提供了另外的性能優(yōu)點。首先，因為成像元件101-103用不同顏色的光線分別在光傳感器112的區(qū)域131-133上形成物體的圖像，所以用128示意性表示的輔助電路能夠包含對每一區(qū)域獨立地實施曝光控制的曝光控制電路。該獨立的曝光控制設(shè)置曝光，利用該曝光，由每一區(qū)域131-133中的傳感器元件捕獲圖像，以提供入射到該區(qū)域上的光線的動態(tài)范圍和該區(qū)域中的傳感器元件的動態(tài)范圍之間的最佳關(guān)系?？梢圆捎贸Ｒ?guī)的曝光控制技術(shù)，提供獨立地施加給每一區(qū)域的曝光控制。
在其中輔助電路128包含獨立的曝光控制電路的彩色圖像傳感器100的實施例中，輔助電路128還包含用于每一區(qū)域131-133的標(biāo)準(zhǔn)化電路。每一標(biāo)準(zhǔn)化電路響應(yīng)于由曝光控制提供的曝光數(shù)據(jù)而動作，以處理由其對應(yīng)的區(qū)域產(chǎn)生的圖像信號分量，如果存在差別，則補償在區(qū)域之間曝光時的差別。具有最短的曝光時間的區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化電路使由該區(qū)域產(chǎn)生的圖像信號分量保持不變。具有較長曝光時間的任何區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化電路以和該區(qū)域的曝光對最短曝光的比率成比例的方式，衰減由該區(qū)域產(chǎn)生的圖像信號分量。標(biāo)準(zhǔn)化電路將圖像信號分量之間的等級關(guān)系校正到如果光傳感器112的所有區(qū)域具有相同的曝光時將獲得的等級關(guān)系。該衰減不僅減小了圖像信號分量，而且使和圖像信號分量混合的噪音得到衰減。相對于具有等于最短曝光的相同曝光的所有區(qū)域所獲得的信噪比而言，這增加了圖像信號分量的信噪比，從而增加了彩色圖像信號的信噪比。
和上面參考圖1說明的常規(guī)光傳感器12相比，光傳感器112的每一區(qū)域131-133具有較少的傳感器元件，因此，在給定的讀出速度，從光傳感器112的區(qū)域131-133中的任一區(qū)域讀出圖像信號分量所需的時間要小于從光傳感器12讀出彩色圖像信號所需的時間。此外，在光傳感器112中，各個區(qū)域131-133的讀出時間的優(yōu)勢是通過并行地讀出所有區(qū)域131-133來保持的。因此，和從常規(guī)的光傳感器12讀出彩色圖像信號相比，能夠較快地從光傳感器112讀出由三個圖像信號分量構(gòu)成的完整的彩色圖像信號。其結(jié)果是，和常規(guī)的彩色圖像傳感器10相比，彩色圖像傳感器100具有減小的滾動光閥假象。
彩色圖像傳感器100的減小的讀出時間和沒有由彩色圖像傳感器100的一些實施例執(zhí)行的內(nèi)插操作使彩色圖像傳感器100以比常規(guī)的彩色圖像傳感器10快的速度攝取圖像。
在圖2示出的例子中，光傳感器112由硅基板130組成，在該硅基板上，采用常規(guī)的半導(dǎo)體處理，分別在區(qū)域131、132和133中制造與傳感器元件121、122和123類似的傳感器元件。傳感器元件的一部分可以設(shè)置在基板130中，但為了下面的說明，認(rèn)為其是在基板上。在其中設(shè)置傳感器元件的區(qū)域131-133之外的基板部分可以被輔助電路128占用，該輔助電路128包括如曝光控制電路和信號處理電路，該信號處理電路處理圖像信號分量和/或從該圖像信號分量得到的彩色圖像信號，這一點將在下面說明。
設(shè)置在基板130上的作為輔助電路128的一部分的上述信號處理電路可以執(zhí)行下述功能，如壓縮圖像信號分量和/或彩色圖像信號，將彩色圖像信號轉(zhuǎn)換成JPEG或MPEG格式的彩色圖像信號等。形成輔助電路128的一部分的信號處理電路的另一種可能的功能是使分別由區(qū)域131-133產(chǎn)生的紅、綠和藍(lán)色圖像信號分量相加，產(chǎn)生亮度信號，并從該亮度信號中減去紅色圖像信號分量和藍(lán)色圖像信號分量，產(chǎn)生相應(yīng)的色差信號，這在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。在一些實施例中，亮度信號和色差信號共同構(gòu)成彩色圖像信號。在其它實施例中，紅、綠和藍(lán)色圖像信號分量共同構(gòu)成彩色圖像信號?？梢院蜕鲜隼硬煌貥?gòu)成彩色圖像信號。
在基板130上制造傳感器元件和相關(guān)電路之后，將不同顏色的濾色鏡141-143置于基板的主表面116上。
在可供選擇的實施例中，將傳感器元件的每一區(qū)域131-133制造在各個基板(未示出)上。每一基板還可以在上面制造一個或多個與傳感器元件相關(guān)的電路，如上所述。然后將各個按區(qū)域大小排列的基板安裝到一個板如印刷電路板上，其限定基板之間的位置關(guān)系。裝配在各個基板上的傳感器元件共同形成傳感器元件的陣列，裝配在各基板的每一個上的傳感器元件構(gòu)成該陣列的各個區(qū)域。
在示出的例子中，區(qū)域131-133位于光傳感器112中，其中心在三角形的頂點。從而使區(qū)域?qū)H僅在它們的相鄰角處并置。這一設(shè)置使得從形成在光傳感器112的每一區(qū)域131-133上的圖像向相鄰區(qū)域的光泄漏最小化。這樣的光泄漏是不期望的，因為它能夠響應(yīng)于由彩色圖像傳感器100產(chǎn)生的彩色圖像信號114，在顯示的圖像中形成重影。與下面參考圖7-9說明的屏幕類似的光吸收屏幕可以設(shè)置在區(qū)域131-133的相鄰部分之間，以消除殘余的光泄漏。
圖2示出的彩色圖像傳感器100的例子在光傳感器112的每一區(qū)域131-133中具有相同數(shù)量的傳感器元件。然而，和亮度信息相比，許多彩色成像系統(tǒng)以較少的色度信息運行。為了減少色度信息的數(shù)量，輔助電路128可以包括下述電路，該電路對色差信號的采樣減少，從而減少它們的信號含量?？蛇x擇的是，區(qū)域131和133可以被構(gòu)成為以較少的信息量產(chǎn)生相應(yīng)的圖像信號分量。
圖3是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第二實施例150的立體圖，適合用在和亮度信息相比，以較少的色度信息運行的應(yīng)用中。和上面參考圖2說明的彩色圖像傳感器100的元件相對應(yīng)的彩色圖像傳感器150的元件用相同的參考數(shù)字表示，不再詳述。
在彩色圖像傳感器150中，和在上面用距離可見光譜的中心較近的光線即綠色光形成圖像的區(qū)域132相比，用距離可見光譜的中心較遠(yuǎn)的光線即紅色光或者藍(lán)色光在上面形成相應(yīng)圖像的光傳感器162的區(qū)域131和133都具有較少的傳感器元件。在示出的例子中，每一區(qū)域131和133中的傳感器元件的數(shù)量和區(qū)域132中的傳感器元件的數(shù)量的比率(傳感器元件比)為1/4。也可以是其它的傳感器元件比，如1/2。
在彩色圖像傳感器150中，所有區(qū)域131和133中的傳感器元件的大小相等例如，區(qū)域131中的傳感器元件121、區(qū)域132中的122和區(qū)域133中的123的面積和線性尺寸都相同。其結(jié)果是，依照與傳感器元件比成比例的方式，區(qū)域131和133的面積比區(qū)域132小，并且線性尺寸也要小，約為傳感器元件比的平方根。此外，成像元件101和103的直徑比成像元件102小，并且成像元件101和103與主表面166之間的距離要小于成像元件102與主表面166之間的距離，其值近似與傳感器元件比的平方根成比例。最后，濾色鏡141和143的線性尺寸大約按傳感器元件比的平方根的比例小于濾色鏡142。
在彩色圖像傳感器150的一些實施例中，輔助電路128包括下述電路，該電路對由區(qū)域131和133的讀出電路(未示出)產(chǎn)生的圖像信號分量進行上采樣，以提供與由區(qū)域132的讀出電路(未示出)產(chǎn)生的圖像信號分量中的每一綠色值對應(yīng)的紅色值和藍(lán)色值。上采樣技術(shù)在本領(lǐng)域中是已知的，在此不作說明。在和其它區(qū)域相比，一些區(qū)域具有較少的傳感器元件的下述實施例中，輔助電路128可以包括執(zhí)行上采樣的電路。
通過相對于在上面用距離可見光譜的中心較近的光線形成圖像的該區(qū)域中的傳感器元件，增大用距離可見光譜的中心較遠(yuǎn)的光線在上面形成圖像的該區(qū)域中的光傳感器的尺寸，從而使光傳感器的所有區(qū)域的面積和線性尺寸相同，能夠簡化成像元件的設(shè)計，使它們的尺寸都相同，并且被設(shè)置為距離光傳感器的主表面的距離相同。
圖4是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第三實施例200的立體圖，其中，光傳感器212的區(qū)域131-133的面積和線性尺寸相同。彩色圖像傳感器200適合用在和亮度信息相比，以較少的色度信息運行的應(yīng)用中。在彩色圖像傳感器200中，和在上面用距離可見光譜的中心較近的光線即綠色光形成圖像的光傳感器的區(qū)域132相比，用距離可見光譜的中心較遠(yuǎn)的光線即紅色光和藍(lán)色光在上面形成相應(yīng)圖像的光傳感器212的區(qū)域131和133都具有較少的傳感器元件。在示出的例子中，傳感器元件比為1/4。也可以是其它的傳感器元件比，如1/2。和上面參考圖2說明的彩色圖像傳感器100的元件對應(yīng)的彩色圖像傳感器200的元件用相同的參考數(shù)字表示，不再詳述。
在彩色圖像傳感器200中，光傳感器212的所有區(qū)域131、132和133的大小相等，但是用距離可見光譜的中心較遠(yuǎn)的光線即紅色光和藍(lán)色光在上面形成相應(yīng)圖像的光傳感器的區(qū)域131中的傳感器元件221和區(qū)域133中的傳感器元件223，在數(shù)量上要小于在上面用距離可見光譜的中心較近的光線即綠色光形成圖像的光傳感器的區(qū)域132中的傳感器元件222，但面積和線性尺寸要比它大。區(qū)域131中的傳感器元件221和區(qū)域133中的傳感器元件223在面積上大于區(qū)域132中的傳感器元件222，其比例為傳感器元件比的倒數(shù)，并且線性尺寸也比它大，其比例約為傳感器元件比的平方根的倒數(shù)。成像元件101、102和103直徑相等，并且離光傳感器212的主表面216的距離相同。和圖3中示出的彩色圖像傳感器相比，這簡化了成像元件的設(shè)計。最終，濾色鏡141、142和143的大小相等。
在彩色圖像傳感器200的一些實施例中，如上所述，對由區(qū)域131和133產(chǎn)生的圖像信號分量進行上采樣。
在上述彩色圖像傳感器的一些實施例中，傳感器元件被制造在同一基板中，其一般為單晶硅。硅的光-載流子轉(zhuǎn)換效率隨著跨越可見光譜的波長變化。此外，濾色鏡141-143對于它們傳送的光具有不同的剩余衰減。在上述參考圖4的實施例中，相對于區(qū)域132中的傳感器元件222，區(qū)域131和133中傳感器元件221和223的較大尺寸分別導(dǎo)致彩色圖像傳感器在可見光譜的遠(yuǎn)端比可見光譜的中間部分具有較高的靈敏度。相對于綠光而言，這補償了硅對藍(lán)光的較低靈敏度，從而增加了由區(qū)域133產(chǎn)生的藍(lán)色圖像信號分量的信噪比。但是，區(qū)域131中傳感器元件221的較大尺寸可能提供對紅光的過高靈敏度，從而導(dǎo)致飽和效應(yīng)。一般按照傳感器元件對入射到該區(qū)域上的光線的顏色的靈敏度的相反比例，確定由各個區(qū)域產(chǎn)生的圖像信號分量的比例，來平衡光傳感器的區(qū)域?qū)Σ煌伾饩€的不同靈敏度。
圖5是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第四實施例250的立體圖，其中光傳感器的各個區(qū)域中的傳感器元件的面積不同，從而為該區(qū)域提供對來自物體的相應(yīng)顏色的光線的大約相等的靈敏度。彩色圖像傳感器250適合于用在和亮度信息相比，以較少的色度信息運行的應(yīng)用中。在彩色圖像傳感器250中，和在上面用距離可見光譜的中心較近的光線即綠色光形成圖像的光傳感器的區(qū)域132相比，用距離可見光譜的中心較遠(yuǎn)的光線即紅色光和藍(lán)色光在上面形成相應(yīng)圖像的光傳感器262的區(qū)域131和133都具有較少的傳感器元件。在示出的例子中，傳感器元件比為1/4。也可以是其它的傳感器元件比，如1/2。和上面參考圖2說明的彩色圖像傳感器100的元件對應(yīng)的圖像傳感器250的元件用相同的參考數(shù)字表示，不再詳述。
在彩色圖像傳感器250中，和在上面用距離可見光譜的中心較近的光線即綠色光形成圖像的光傳感器的區(qū)域132中的傳感器元件272相比，用距離可見光譜的中心較遠(yuǎn)的光線即紅色光和藍(lán)色光在上面形成相應(yīng)圖像的光傳感器262的區(qū)域131中的傳感器元件271和區(qū)域133中的傳感器元件273都具有較少的傳感器元件。此外，每一區(qū)域131-133中的傳感器元件在面積和線性尺寸上不相同，以平衡它們的對入射于其上的光線的靈敏度。例如，一個基于硅的傳感器元件的實施例對于波長約450nm的藍(lán)光的靈敏度一般約為對波長約550nm的綠光的靈敏度的0.67倍，并且對波長650nm的紅光的靈敏度一般約為其對綠光的靈敏度的1.25倍。在彩色圖像傳感器250中，通過使在上面用紅光形成圖像的區(qū)域131的傳感器元件271的面積約為在上面用綠光形成圖像的區(qū)域132的傳感器元件272的面積的0.8倍，并且使在上面用藍(lán)光形成圖像的區(qū)域133的傳感器元件273的面積約為傳感器元件272的面積的1.5倍，來平衡該區(qū)域?qū)ο鄳?yīng)顏色光線的靈敏度。在另一方式下，傳感器元件271的線性尺寸約為傳感器元件272的0.9倍，傳感器元件273的線性尺寸約為傳感器元件272的1.25倍。
其結(jié)果是，區(qū)域131和132的面積比等于傳感器元件271和傳感器元件272的面積比與傳感器元件比的乘積，并且線性尺寸比等于傳感器元件271和傳感器元件272的線性尺寸比與傳感器元件比的乘積。同樣，區(qū)域133和132的面積比等于傳感器元件273和傳感器元件272的面積比與傳感器元件比的乘積，并且線性尺寸比等于傳感器元件273和傳感器元件272的線性尺寸比與傳感器元件比的乘積。
此外，在這一實施例中，成像元件101和102的線性尺寸直徑比與距離比等于傳感器元件271和272的線性尺寸比與傳感器元件比的乘積。同樣，成像元件103和102的直徑比與距離比等于傳感器元件273和272的線性尺寸比與傳感器元件比的乘積。距離比是相應(yīng)的成像元件離主表面266的距離之比。最終，濾色鏡141、142和143的面積與線性尺寸分別和區(qū)域131、132和133的面積與線性尺寸相似。
盡管由濾色鏡141、142和143傳送的光線的剩余衰減存在差別，還是可以采用剛才描述的面積和線性尺寸的不同比率，來平衡區(qū)域131、132和133的靈敏度。
在上述彩色圖像傳感器的實施例中，將窄帶濾色鏡設(shè)置在每一成像元件和光傳感器的對應(yīng)區(qū)域之間，從而使圖像以不同顏色的光線形成在每一區(qū)域上。每一濾色鏡僅僅讓從物體入射其上的光線的相對一小部分光線到達(dá)位于光傳感器底部區(qū)域的傳感器元件，因為濾色鏡幾乎擋住了由物體反射的窄波段波長的光線。這降低了由彩色圖像傳感器輸出的彩色圖像信號的信噪比，特別是在低照度條件下。
圖6是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第五實施例300的立體圖，其具有大大高于常規(guī)彩色圖像傳感器和本發(fā)明的彩色圖像傳感器的上述實施例的信噪比。在本實施例中，用白光在光傳感器312的區(qū)域132上形成物體的圖像，用窄帶光線，一般是距離可見光譜的中心較遠(yuǎn)的窄帶光線如紅色光和藍(lán)色光，在光傳感器的剩余區(qū)域131和133上形成物體的圖像。
在彩色圖像傳感器300中，白色濾色鏡342在光學(xué)上設(shè)置為與光傳感器312的成像元件302和區(qū)域132串聯(lián)。白色濾色鏡342之所以被這些命名，是因為它傳送白光或者其它的廣譜光線。在一個實施例中，白色濾色鏡342是紅外線阻擋濾色鏡，傳送整個可見光譜。在另一實施例中，白色濾色鏡傳送紅、綠和藍(lán)色光譜分量。在另一實施例中，白色濾色鏡還傳送近紅外線以提供在黑暗中生成攝影的能力。和傳送窄帶光線的任一濾色鏡141、142和143相比，白色濾色鏡342傳送來自物體的光線的較大部分，因此能夠使彩色圖像信號的信噪比增加約12dB。
示出的彩色圖像傳感器300的例子適合用在和亮度信息相比，以較少的色度信息運行的應(yīng)用中。和在上面用白光形成圖像的光傳感器的區(qū)域132相比，用窄帶光線在上面形成物體圖像的光傳感器312的區(qū)域131和133都具有較少且較大的傳感器元件。在示出的例子中，傳感器元件比為1/4。也可以是其它的傳感器元件比，如1/2。這些區(qū)域可以選擇為具有相等數(shù)量的傳感器元件。和上面參考圖2說明的彩色圖像傳感器100的元件對應(yīng)的圖像傳感器300的元件用相同的參考數(shù)字表示，不再詳述。
在彩色圖像傳感器300中，光傳感器312的區(qū)域131、132和133的大小相等，但是和在上面用波長范圍中比窄帶光線寬的白光形成圖像的區(qū)域132中的傳感器元件322相比，用距離可見光譜的中心較遠(yuǎn)的窄帶光線即紅色光和藍(lán)色光在上面形成相應(yīng)圖像的光傳感器的每一區(qū)域131和133中的傳感器元件321和區(qū)域323在數(shù)量上要少，但面積要比它大。濾色鏡141、142和143的大小相等。
成像元件101、302和103的直徑相等，并且都被設(shè)置為離光傳感器312的主表面316的距離相等。成像元件302與成像元件101和103的不同之處在于成像元件302用復(fù)色光在區(qū)域132上形成圖像。因此成像元件302是多組件、顏色被校正的成像元件，從而在深度上要大于成像元件101和103。成像元件302在結(jié)構(gòu)上和上面參考圖1說明的成像元件14類似，但直徑(從而深度)比成像元件14小，并且其離主表面316要比成像元件14離主表面16近，因為區(qū)域132的線性尺寸比光探測器12(圖1)小。從而，盡管彩色圖像傳感器300要比上面參考圖2-5說明的彩色圖像傳感器100、150、200和250深，但彩色圖像傳感器300仍然沒有上面參考圖1說明的常規(guī)彩色圖像傳感器10深。此外，因為給出的傳感器元件面積和結(jié)構(gòu)，和常規(guī)彩色圖像傳感器10相比，彩色圖像傳感器300在低光照條件下以較大的信噪比產(chǎn)生彩色圖像信號314。
如上所述，光傳感器312的區(qū)域131、132和133的線性尺寸和面積相等，但和區(qū)域132相比，區(qū)域131和133具有較少的傳感器元件。這和上面參考圖4說明的圖像傳感器200的光傳感器212類似。但是，對于本發(fā)明而言這并不是至關(guān)重要的區(qū)域131-133可以具有相等數(shù)量的等面積傳感器元件，如同上面參考圖2說明的彩色圖像傳感器100那樣。在另一可供選擇的實施方式中，區(qū)域131、132和133中的傳感器元件的面積都相等，但是和區(qū)域132相比，區(qū)域131和133具有較少的傳感器元件，和上面參考圖3說明的圖像傳感器150類似。在另一可供選擇的實施方式中，區(qū)域131、132和133中的傳感器元件的面積不同，以平衡光傳感器312的光譜靈敏度。在這種情況下，和區(qū)域132相比，區(qū)域131和133可以具有較少的傳感器元件，如同上面參考圖5說明的彩色圖像傳感器250，或者象上面提到的那樣，區(qū)域131、132和133可以都具有相等數(shù)量的傳感器元件。
如上所述，由成像元件302在區(qū)域132上成像的白光是全光譜白光或者由紅、綠和藍(lán)色光譜組分組成的白光。象上述所說明的那樣，常規(guī)的彩色圖像傳感器利用分別接收紅、綠、藍(lán)光的傳感器元件產(chǎn)生彩色圖像信號。在這樣的常規(guī)彩色圖像傳感器中，分別響應(yīng)于紅、綠、藍(lán)光而產(chǎn)生的紅、綠、藍(lán)色圖像信號分量相加，產(chǎn)生亮度信號。此外，從亮度信號中減去紅色圖像信號分量并從亮度信號中減去藍(lán)色圖像信號分量，以產(chǎn)生相應(yīng)的色差信號。亮度信號和色差信號共同構(gòu)成彩色圖像信號。
在彩色圖像傳感器300的實施例中，由在上面成像元件302用白光形成圖像的區(qū)域132產(chǎn)生的圖像信號分量提供亮度信號，由分別用紅光和藍(lán)光在上面形成圖像的區(qū)域131和133產(chǎn)生的圖像信號分量被上采樣并被從亮度信號中減去，以提供相應(yīng)的色差信號。亮度信號和色差信號構(gòu)成彩色圖像信號314。其中白光由紅、綠、藍(lán)光譜組分構(gòu)成的彩色圖像傳感器300的實施例產(chǎn)生彩色圖像信號314，在比色分析中其和圖1示出的常規(guī)彩色圖像傳感器10產(chǎn)生的彩色圖像信號相匹配。其中白光是全光譜白光的彩色圖像傳感器300的實施例產(chǎn)生彩色圖像信號314，在比色分析中其不同于常規(guī)彩色圖像傳感器產(chǎn)生的彩色圖像信號，因為區(qū)域132響應(yīng)于全可見光譜，而不是響應(yīng)于可見光譜的紅、綠、藍(lán)光譜分量，來產(chǎn)生亮度信號。比色分析中的差別對于許多應(yīng)用來說是可以接受的。
在根據(jù)本發(fā)明的上述彩色光傳感器的實施例中，光傳感器的各區(qū)域的中心設(shè)置在三角形的頂點。這使并置區(qū)域的部分的大小最小化，從而使從形成在每一區(qū)域上的圖像向相鄰區(qū)域的光泄漏的影響最小化。可選擇地，光傳感器的各區(qū)域可以設(shè)置成一條直線，以進一步減小彩色圖像傳感器的大小。
圖7是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第六實施例350的立體圖，其中，光傳感器的多個區(qū)域垂直地設(shè)置成一條直線。在本次公開中，術(shù)語“水平的”和“垂直的”采用的是其常規(guī)的視頻含義，以分別表示圖像的較長尺寸和較短尺寸的方向，而不是和重力相關(guān)的含義。彩色圖像傳感器350是基于上面參考圖4說明的彩色圖像傳感器200。和上面參考圖2和圖4說明的彩色圖像傳感器的元件對應(yīng)的彩色圖像傳感器350的元件用相同的參考數(shù)字表示，不再詳述。
圖像傳感器350由光傳感器362與用101、102和103示意性表示的成像元件組成。光傳感器362具有設(shè)置在它的主表面366上的傳感器元件。設(shè)置成像元件，從而用不同顏色的光線在主表面366上，在相應(yīng)的垂直排列的區(qū)域131、132和133中，形成物體的圖像。
在圖7示出的彩色圖像傳感器350的例子中，光傳感器362的所有區(qū)域131、132和133的大小相等，但是和在上面用離可見光譜的中心較近的光線即綠光形成圖像的區(qū)域132中的傳感器元件372相比，用離可見光譜的中心較遠(yuǎn)的光線即紅色光和藍(lán)色光在上面形成相應(yīng)圖像的光傳感器的區(qū)域131和133中的傳感器元件371和區(qū)域373在數(shù)量上少，但面積比它大。區(qū)域131中的傳感器元件371和區(qū)域133中的傳感器元件373在面積上大于區(qū)域132中的傳感器元件372，其比例為傳感器元件比的倒數(shù)，并且線性尺寸也比它大，其比例約為傳感器元件比的倒數(shù)的平方根。成像元件101、102和103直徑相等，并且離光傳感器362的主表面366的距離相同。
在圖像傳感器350中，區(qū)域131和133沿著它們的長邊和區(qū)域132并置。為了防止光線從形成在光傳感器362的每一區(qū)域上的圖像向相鄰區(qū)域泄漏，圖像傳感器350還由屏幕381和382組成。該屏幕基本上從光傳感器362的主表面366向著成像元件101-103垂直延伸。屏幕381在區(qū)域131和區(qū)域132之間從光傳感器362延伸，屏幕382在區(qū)域133和區(qū)域132之間從光傳感器362延伸。這些屏幕平行于各區(qū)域的長邊設(shè)置。盡管僅僅是不透明材料的相應(yīng)晶片的屏幕將防止光泄漏，其中晶片還另外或者可選擇地具有相對的光吸收主表面的屏幕還防止入射到上面的光線反射到光傳感器362的相鄰區(qū)域上，并防止在形成在該區(qū)域上的圖像中引起重影和/或光斑。
在示出的圖像傳感器350的例子中，光傳感器362的區(qū)域131、132和133的線性尺寸和面積相等，但和區(qū)域132相比，區(qū)域131和133具有較少的傳感器元件，這和上面參考圖4說明的圖像傳感器200的光傳感器212類似。但是，對于本發(fā)明而言這并不是至關(guān)重要的區(qū)域131、132和133可以具有相等數(shù)量的等面積傳感器元件，如同上面參考圖2說明的彩色圖像傳感器100那樣。在另一可供選擇的實施方式中，區(qū)域131、132和133中的傳感器元件的面積都相等，但是和區(qū)域132相比，區(qū)域131和133具有較少的傳感器元件，和上面參考圖3說明的圖像傳感器150類似。在另一可供選擇的實施方式中，區(qū)域131、132和133中的傳感器元件的面積不同，以平衡光傳感器362的光譜靈敏度。在這種情況下，和區(qū)域132相比，區(qū)域131和133可以具有較少的傳感器元件，如同上面參考圖5說明的彩色圖像傳感器250，或者象上面提到的那樣，各區(qū)域可以都具有相等數(shù)量的傳感器元件。最終，濾色鏡142可以是和上面參考圖6說明的白色濾色鏡342類似的白色濾色鏡。
圖8是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第七實施例400的立體圖，其中，光傳感器的多個區(qū)域水平地設(shè)置成一條直線。彩色圖像傳感器400是基于上面參考圖4說明的彩色圖像傳感器200。和上面參考圖2和圖4說明的彩色圖像傳感器的元件對應(yīng)的彩色圖像傳感器400的元件用相同的參考數(shù)字表示，不再詳述。
圖像傳感器400由光傳感器412與用101、102和103示意性表示的成像元件組成。光傳感器412具有設(shè)置在它的主表面416上的傳感器元件。設(shè)置成像元件101、102和103，從而在主表面416上，在相應(yīng)的水平排列的區(qū)域131、132和133中形成物體的圖像。
在圖像傳感器400中，區(qū)域131和133都沿著它們的短邊和區(qū)域132并置。為了防止光線從形成在每一區(qū)域上的圖像向相鄰區(qū)域泄漏，圖像傳感器400還由屏幕483和484組成。屏幕483在區(qū)域131和區(qū)域132之間從光傳感器412延伸，屏幕484在區(qū)域132和區(qū)域133之間從光傳感器412延伸。除了它們的大小和相對于光傳感器的各區(qū)域的位置之外，屏幕483和484和上面參考圖7說明的屏幕381和382相同，因此不再作進一步說明。
各區(qū)域中傳感器元件的大小和數(shù)量、濾色鏡的顏色和成像元件的結(jié)構(gòu)可以和例示出的、如參考圖7說明的不相同。
本發(fā)明的彩色圖像傳感器的上述實施例具有三個成像元件，每一個都在光傳感器的相應(yīng)區(qū)域中的傳感器元件上形成物體的圖像。但是，彩色圖像傳感器可以具有多于三個的成像元件，每一個都在光傳感器的相應(yīng)區(qū)域中的傳感器元件上形成圖像。
圖9是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的高度簡化的第八實施例450的立體圖，具有四個成像元件。每一成像元件用相應(yīng)顏色的光線，在光傳感器的相應(yīng)區(qū)域中的傳感器元件上形成物體的圖像。在本實施例中，各區(qū)域的中心設(shè)置在矩形的角處。彩色圖像傳感器450是基于上面參考圖4說明的彩色圖像傳感器200。和上面參考圖2和圖4說明的彩色圖像傳感器的元件對應(yīng)的彩色圖像傳感器450的元件用相同的參考數(shù)字表示，不再詳述。
圖像傳感器450由光傳感器462與用101、102、103和104示意性表示的成像元件組成。成像元件101、102、103和104以矩形陣列設(shè)置，用不同顏色的光線分別在光傳感器462的區(qū)域131、132、133和134上形成物體的相應(yīng)圖像。彩色圖像傳感器450還由光學(xué)上設(shè)置為和每一成像元件101、102、103和104串聯(lián)的濾色鏡組成。在示出的例子中，濾色鏡141、142、143和144分別設(shè)置在區(qū)域131、132、133和134上方光傳感器的主表面466上，濾色鏡也可以是其它的設(shè)置，如上所述。
在圖9示出的例子中，濾色鏡141是紅色濾色鏡，將紅光傳送到光傳感器462的區(qū)域131上，濾色鏡142是綠色濾色鏡，將綠光傳送到區(qū)域132上，濾色鏡143是藍(lán)色濾色鏡，將綠光傳送到區(qū)域133上，濾色鏡144是綠色濾色鏡，將綠光傳送到區(qū)域134上。綠色濾色鏡彼此對角設(shè)置，紅色和藍(lán)色濾色鏡也是對角設(shè)置。在另一實施例中，濾色鏡141、142、143和144的顏色和上述說明的顏色不同。在一個例子中，濾色鏡144是白色濾色鏡，和上面參考圖6說明的白色濾色鏡342類似。在這樣的實施例中，區(qū)域134響應(yīng)于用白光形成在上面的圖像，產(chǎn)生亮度信號，并且區(qū)域131、132和133分別響應(yīng)于用紅、綠和藍(lán)光形成于其上的圖像，產(chǎn)生紅、綠和藍(lán)色圖像信號分量。
在彩色圖像傳感器450中，光傳感器462的所有區(qū)域131、132、133和134的大小相等，但是和在上面用離可見光譜的中心較近的光線即綠光形成圖像的光傳感器的區(qū)域132中的傳感器元件472相比，以及和在上面用離可見光譜的中心較近的光線即綠光，或者波長范圍中較寬的光線即白光在上面形成圖像的區(qū)域134中的傳感器元件474相比，用離可見光譜的中心較遠(yuǎn)的光線即紅色光和藍(lán)色光在上面形成相應(yīng)圖像的光傳感器的每一區(qū)域131和133中的傳感器元件471和區(qū)域473在數(shù)量上要少，但面積要比它們大。區(qū)域131中的傳感器元件471和區(qū)域133中的傳感器元件473的面積大于區(qū)域132中的傳感器元件472和區(qū)域134中的傳感器元件474，其比例為傳感器元件比的倒數(shù)，線性尺寸也比它們大，其比例約為傳感器元件比的倒數(shù)的平方根。成像元件101、102、103和104的直徑相等，并且離光傳感器462的主表面466的距離相同。
在其中濾色鏡144為白色濾色鏡的彩色圖像傳感器450的可供選擇的實施例中，在數(shù)量和大小上，區(qū)域132中的傳感器元件可以和區(qū)域131與133中的傳感器元件類似。
在彩色圖像傳感器450中，區(qū)域131與132和區(qū)域133與134沿著它們的長邊并置，并且區(qū)域132與133和區(qū)域131與134沿著它們的短邊并置。為了防止光線從形成在光傳感器462的每一區(qū)域上的圖像向相鄰區(qū)域泄漏，彩色圖像傳感器450還由屏幕481、482、483和484組成。這些屏幕基本上正交地從光傳感器462的主表面466相成像元件101-104延伸。屏幕481在區(qū)域131和區(qū)域132之間從光傳感器462延伸，屏幕482在區(qū)域133和區(qū)域134之間從光傳感器462延伸，屏幕483在區(qū)域132和區(qū)域133之間從光傳感器462延伸，屏幕484在區(qū)域131和區(qū)域134之間從光傳感器462延伸。屏幕481和482設(shè)置為和各區(qū)域的長邊平行，屏幕483和484設(shè)置為和各區(qū)域的短邊平行。盡管僅僅是不透明材料的相應(yīng)晶片的屏幕將防止光泄漏，其中晶片還另外或者可選擇地具有相對的光吸收主表面的屏幕還防止入射到上面的光線反射到光傳感器462的相鄰區(qū)域上，并防止在形成在該區(qū)域上的圖像中引起重影和/或光斑。
在彩色圖像傳感器450中，光傳感器462的區(qū)域131、132、133和134的線性尺寸和面積相等，但和區(qū)域132和134相比，區(qū)域131和133具有較少的傳感器元件，這和上面參考圖4說明的圖像傳感器200的光傳感器212類似。但是，對于本發(fā)明而言這并不是至關(guān)重要的所有的四個區(qū)域可以具有相等數(shù)量的等面積傳感器元件，如同上面參考圖2說明的彩色圖像傳感器100那樣。在另一可供選擇的實施方式中，區(qū)域131、132、133和134中的傳感器元件的面積都相等，但是和區(qū)域132與134相比，區(qū)域131和133具有較少的傳感器元件，和上面參考圖3說明的圖像傳感器150類似。在另一可供選擇的實施方式中，區(qū)域131、132、133和134中的傳感器元件的面積不同，以平衡光傳感器462的區(qū)域的光譜靈敏度。在這種情況下，和區(qū)域132與134相比，區(qū)域131和133可以具有較少的傳感器元件，如同上面參考圖5說明的彩色圖像傳感器250，或者象上面提到的那樣，各區(qū)域可以具有相等數(shù)量的傳感器元件。最后，濾色鏡144可以是和上面參考圖6說明的白色濾色鏡342類似的白色濾色鏡。在這種情況下，和區(qū)域134相比，區(qū)域131、132和133可以具有較少的傳感器元件。
根據(jù)本發(fā)明的彩色圖像傳感器的上述實施例具有三個或者四個成像元件，每一個在光傳感器的對應(yīng)區(qū)域中的傳感器元件上形成圖像。但是，利用4個以上的成像元件，每一個在光傳感器的對應(yīng)區(qū)域中的傳感器元件上形成圖像提供了其它優(yōu)點。和用于產(chǎn)生彩色圖像信號的三個圖像信號分量所需要的最小數(shù)量相比，具有較多的成像元件和傳感器元件的對應(yīng)區(qū)域提供了更容易的對有缺陷的傳感器元件的校正并且有助于避免遮斷。
圖10A-10D示出了在光傳感器512的高度簡化示例上傳感器元件的一些多區(qū)排列的例子，適合于在上述彩色圖像傳感器中使用相應(yīng)數(shù)量的成像元件。
在圖10A、10B和10C示出的光傳感器512的例子中，傳感器元件設(shè)置在5個區(qū)域131、132、133、134和135中，每一區(qū)域具有它自己的濾色鏡(用陰影)和成像元件(未示出)。在示出的例子中，傳感器元件都具有相同的大小，盡管對于本發(fā)明來說這并不是至關(guān)重要的。在示出的例子中，區(qū)域132的傳感器元件的數(shù)量是其它區(qū)域的4倍，并且具有用靠近可見光譜中心的光線或者比在剩余區(qū)域上形成圖像的光線在波長范圍中更寬的光線形成在它上面的圖像。在示出的例子中，用綠光在區(qū)域132上形成圖像，用紅光在區(qū)域131和134上形成圖像，并且用藍(lán)光在區(qū)域133和135上形成圖像?？蛇x擇地用白光在區(qū)域132上形成圖像，如上所述。
在圖10A示出的例子中，由垂直排列的區(qū)域131和135組成的區(qū)域?qū)?、區(qū)域132以及由垂直排列的區(qū)域133和134組成的區(qū)域?qū)Π错樞蛩脚帕小Ｔ趫D10B示出的例子中，由水平排列的區(qū)域131和133組成的區(qū)域?qū)?、區(qū)域132以及由水平排列的區(qū)域135和134組成的區(qū)域?qū)Π错樞虼怪迸帕?。在圖10C示出的例子中，區(qū)域131、132和134按順序水平排列，區(qū)域133、132和135按順序垂直排列。
在圖10D示出的光傳感器512的例子中，傳感器元件設(shè)置在七個區(qū)域中。區(qū)域131-135如上所述，并且象參考圖10A說明的那樣設(shè)置。區(qū)域136、區(qū)域132和區(qū)域137垂直排列。每一區(qū)域136和137具有綠色濾色鏡(用陰影表示)。對應(yīng)的成像元件(未示出)用綠光在每一區(qū)域136和137上形成圖像。在示出的例子中，傳感器元件的大小都相同，盡管對于本發(fā)明而言這并不是至關(guān)重要的。在示出的例子中，在區(qū)域132上，和在剩余區(qū)域上形成圖像的光線相比，用帶寬中更寬的光線形成圖像。
在圖10A-10D中示出的每一例子中，光傳感器512的每一區(qū)域響應(yīng)于形成在它上面的圖像，產(chǎn)生圖像信號分量。誤差檢測和校正電路(未示出)對由有缺陷的傳感器元件產(chǎn)生的部分檢查圖像信號分量。檢查這樣的一部分信號的方法在本領(lǐng)域中是公知的，不作詳細(xì)說明。一般來說，這樣的方法檢測相對于其它圖像信號分量的相應(yīng)部分，或者相對于由相鄰傳感器元件產(chǎn)生的同一圖像信號分量的部分而言，超出范圍之外的每一圖像信號分量的各部分。在剛才說明的光傳感器512的例子中，因為有響應(yīng)于用紅光形成的圖像而產(chǎn)生的兩個圖像信號分量，和響應(yīng)于用藍(lán)光形成的圖像而產(chǎn)生的兩個圖像信號分量，誤差校正電路使用響應(yīng)于同一顏色的圖像而產(chǎn)生的圖像信號分量，檢測有缺陷的傳感器元件，并且用源于設(shè)置在其它區(qū)域中相應(yīng)位置的在上面用同一顏色形成圖像的傳感器元件的一部分信號，取代源于一個區(qū)域中的有缺陷的傳感器元件的一部分信號。
在圖10A-10C中示出的例子中，對于源于區(qū)域132中有缺陷的傳感器元件的一部分信號，誤差校正電路從源于區(qū)域132中的相鄰傳感器元件的圖像信號分量的一部分，合成替換信號部分，此外或者可選擇的是，誤差校正用源于設(shè)置在其它區(qū)域中相應(yīng)位置的傳感器元件的圖像信號分量的一部分，取代源于有缺陷的傳感器元件的一部分信號。對于源于圖10D示出的例子的區(qū)域132中的有缺陷的傳感器元件的部分信號，通過使源于設(shè)置在其它區(qū)域中相應(yīng)位置上的傳感器元件的圖像信號分量的一部分相加，誤差校正電路合成替換信號部分。
在根據(jù)本發(fā)明的彩色圖像傳感器的實施例中，成像元件彼此橫向偏移設(shè)置。其結(jié)果是，形成在區(qū)域132上的圖像中出現(xiàn)的物體的一個或者多個部分能夠被形成在一個或者多個其它區(qū)域上的圖像中的物體的其它部分遮掩。由上述三區(qū)域?qū)嵤├a(chǎn)生的彩色圖像信號將缺少用于物體的被遮掩部分的全色信息。圖10A-10D中示出的五區(qū)域和七區(qū)域?qū)嵤├ㄟ^將用同一顏色的光線在上面形成圖像的區(qū)域放置在區(qū)域132的相對的邊上，來避免這一問題。
例如，參考圖10A，因為區(qū)域134垂直地和水平地從區(qū)域131偏移，用綠光在區(qū)域132中形成其圖像但在用紅光在區(qū)域131上形成的圖像中被遮掩的物體的一部分一般出現(xiàn)在用紅光形成在區(qū)域134上的圖像中。形成光傳感器512的一部分或者在光傳感器512的外部的輔助電路(未示出)組合響應(yīng)于用紅光在區(qū)域131和134上形成的圖像而產(chǎn)生的圖像信號分量，以產(chǎn)生虛擬的紅色圖像信號分量，其模擬用紅光形成在區(qū)域132上的圖像。同樣，輔助電路組合響應(yīng)于用藍(lán)光在區(qū)域133和135上形成的圖像而產(chǎn)生的圖像信號分量，以產(chǎn)生虛擬的藍(lán)色圖像信號分量，其模擬用藍(lán)光形成在區(qū)域132上的圖像。紅色和藍(lán)色虛擬圖像信號分量中的遮蔽基本上和綠色圖像信號分量中的相同。因此，在一些實施例中，虛擬的紅色和藍(lán)色圖像信號分量能夠和由區(qū)域132產(chǎn)生的綠色圖像信號分量相加，產(chǎn)生亮度信號，并且能夠被上采樣和被從亮度信號中減掉，以產(chǎn)生色差信號。亮度信號和色差信號共同構(gòu)成由光傳感器512產(chǎn)生的彩色圖像信號114。
如上所述，傳感器元件的大小和它們在每一區(qū)域中的數(shù)量可以和上面圖10A-10D的說明中例示的不相同。
在根據(jù)本發(fā)明的彩色圖像傳感器的上述實施例中，示意性地描繪成像元件如成像元件101-103以簡化附圖。常規(guī)的成像元件能夠用作上述實施例中的成像元件。如上所述，光傳感器中傳感器元件的最大區(qū)域的較小尺寸允許本發(fā)明的彩色圖像傳感器相對于常規(guī)彩色圖像傳感器而言，使用較小的常規(guī)成像元件，其設(shè)置得更靠近光傳感器的主要表面。此外，那些用窄帶光線形成圖像的常規(guī)成像元件能夠被構(gòu)造為使用較少的組件，因此和常規(guī)彩色圖像傳感器相比能夠更小。
根據(jù)本發(fā)明的彩色圖像傳感器的另一實施例包括成像元件的單一結(jié)構(gòu)模制陣列，而不是剛剛說明的較小、較簡單的常規(guī)成像元件。圖11A-11D分別是本發(fā)明的彩色圖像傳感器的第九實施例600的平面圖、兩個正交的截面圖和立體圖。彩色圖像傳感器600包括結(jié)構(gòu)單一的、模制的成像元件陣列650，其還封裝設(shè)置在光傳感器612的主表面616上的傳感器元件。成像元件陣列650不僅小和便宜，它還能夠利用晶片級組件和光傳感器612一起裝配。換言之，在硅晶片成為各個彩色圖像傳感器之前，單一的對準(zhǔn)和連接步驟能夠用于同時將成像元件陣列650固定到在硅晶片上制造的每一光傳感器上。盡管圖11A-11D中示出的彩色圖像傳感器600的例子是基于上述參考圖7的彩色圖像傳感器350，但很顯然，為了安裝在上述任一實施例上，可以容易地構(gòu)成成像元件陣列650。和上面參考圖2和圖7說明的彩色圖像傳感器的元件對應(yīng)的彩色圖像傳感器600的元件用相同的參考數(shù)字表示，在此不再詳述。
彩色圖像傳感器600由光傳感器612和固定到光傳感器612的主表面上的成像元件陣列650構(gòu)成。光傳感器612和參考圖7的上述光傳感器362類似。光傳感器612具有設(shè)置在其主表面616上的傳感器元件(未示出以簡化附圖，但參見圖7)。該傳感器元件設(shè)置在光傳感器612的垂直排列的區(qū)域131、132和133中。分別覆蓋區(qū)域131、132和133的濾色鏡141、142和143也安裝在光傳感器612的主表面616上。成像元件陣列650固定于其上的環(huán)形焊盤652也位于光傳感器612的主表面616上。
成像元件陣列650的基本形狀是矩形的、被分割的、底部開口的盒，并且由光學(xué)基板654、長側(cè)板656和短側(cè)板657組成。側(cè)板基本上從光學(xué)基板垂直地延伸，以形成平面安裝表面658，該表面和焊盤652鄰接并被固定到焊盤652上。側(cè)板的高度設(shè)置成像元件101、102和103和主表面616之間的間隔，所述成像元件101、102和103是成像元件陣列650的一部分。該間隔一般設(shè)置該成像元件，使其將平行光線聚焦在主表面616上。在一個實施例中，側(cè)板將光學(xué)基板設(shè)置成距離主表面616為2mm。
光學(xué)基板654被成形為限定成像元件101、102和103。在光學(xué)基板654上，精確限定成像元件101-103彼此之間的位置，在一個實施例中，還精確限定成像元件101-103相對于長側(cè)板656和短側(cè)板656中至少兩個相鄰側(cè)板的外主表面660的位置。成像元件101、102和103在光學(xué)基板654上彼此隔開，以使它們的光軸相隔的距離等于光傳感器612的區(qū)域131-133的中心之間的距離。通過相對于光傳感器612精確地對準(zhǔn)外主表面660，成像元件相對于外主表面660精確限定的定位使成像元件101-103在裝配期間能夠相對于光傳感器612的區(qū)域131-133被精確定位。
光學(xué)基板654具有兩個對置的主表面，即外主表面662和內(nèi)主表面664。在示出的例子中，凸面、球形折射面666被限定在外主表面662中，衍射校正元件668被限定在內(nèi)主表面664中，每一個都和對應(yīng)的一個折射面666軸向?qū)?zhǔn)。成像元件101、102和103中每一個都由一個折射面666和一個與之軸向?qū)?zhǔn)的校正元件668組成。
在示出的例子中，每一折射面666都是球形的。球形表面容易精確地模制，但會遭受球面像差。和該折射面軸向?qū)?zhǔn)的校正元件668被構(gòu)造成校正與之對準(zhǔn)的折射面的球面像差。
折射面666的曲率半徑互不相同，因為每一個都用不同顏色光線形成圖像。同樣，衍射校正元件668在尺寸上的特征也互不相同，因為每一衍射校正元件用不同顏色的光線校正相鄰的球形折射元件的球面像差。因此，對于紅、綠和藍(lán)色光線而言，成像元件101、102和103的光學(xué)特征分別被最優(yōu)化。
屏幕681和682平行于短側(cè)板657在長側(cè)板656之間延伸，并將成像元件陣列650的基本的矩形盒形狀分割成三個部分。每個部分容納光傳感器612的傳感器元件的區(qū)域131、132和133之一。如上所述，屏幕具有光吸收表面，阻止各區(qū)域之間的光泄漏。
圖12A是成像元件陣列650尤其是成像元件102的可供選擇的實施例的截面圖。該成像元件陣列中其它的成像元件的結(jié)構(gòu)是類似的。在本實施例中，凸面、非球面折射面670被限定在光學(xué)基板654的外主表面662中，內(nèi)主表面664為平面。在成像元件陣列650的本實施例中，成像元件101、102和103中的每一個由和折射面670類似的一個折射面組成。光學(xué)設(shè)計程序一般用于限定每一成像元件101、102和103的折射面670的特征，其為成像元件提供特定的成像特征，還用成像元件用來形成圖像的那種顏色的光線使球面像差最小化。
圖12B是成像元件陣列650尤其是成像元件102的另一可供選擇的實施例的截面圖。該成像元件陣列中其它的成像元件的結(jié)構(gòu)是類似的。在本實施例中，凸面、球形折射面666被限定在光學(xué)基板654的外主表面662中，凹面、非球面折射面672被限定在內(nèi)主表面664中。非球面折射面672校正球形折射面666的球面像差。在成像元件陣列650的本實施例中，成像元件101、102和103中的每一個由和折射面666與672類似的兩個相對的折射面組成。
在成像元件101、102和103中，折射面666的曲率半徑互不相同，并且折射面672的曲率半徑互不相同，因為每一對折射面用不同顏色的光線形成圖像。因此，對于紅、綠和藍(lán)色光線而言，成像元件101、102和103的光學(xué)特征分別被最優(yōu)化。光學(xué)設(shè)計程序一般用于限定每一成像元件101、102和103的折射面666和672的特征，其為成像元件提供特定的成像特征，還用成像元件用來形成圖像的那種顏色的光線使球面像差最小化。
圖12C是成像元件陣列650尤其是成像元件102的另一可供選擇的實施例的截面圖。該成像元件陣列中其它的成像元件的結(jié)構(gòu)是類似的。在本實施例中，衍射面669被限定在光學(xué)基板654的外主表面662中，內(nèi)主表面664為平面。在成像元件陣列650的本實施例中，成像元件101、102和103中的每一個由和衍射元件669類似的一個衍射面組成。光學(xué)設(shè)計程序一般用于限定每一成像元件101、102和103的衍射元件669的特征，其為成像元件提供特定的成像特征，還用成像元件用來形成圖像的那種顏色的光線使像差最小化。
圖12D是圖11A-11D中示出的彩色圖像傳感器600的可供選擇的實施例，特別是其中成像元件陣列650提供了用于常規(guī)成像元件的固定件(mount)的可供選擇的實施例的截面圖，該常規(guī)成像元件用白光在光傳感器612的區(qū)域132上形成圖像。在本實施例中，圖像傳感器陣列650沒有和用白光在上面形成圖像的區(qū)域132對準(zhǔn)的成像元件。取而代之的是，成像元件陣列的該部分限定用于常規(guī)的多組件成像元件(未示出)的固定件676，還限定孔678，該孔用于通過光學(xué)基板654的從多組件成像元件到光傳感器的區(qū)域132的光線。
圖12E是圖11A-11D中示出的彩色圖像傳感器600的另一可供選擇的實施例，特別是其中成像元件101與103和成像元件102被設(shè)置為離光傳感器612的主表面616的距離不相同的實施例的截面圖。在本實施例中，光傳感器612的區(qū)域131和133的面積和區(qū)域132的面積不相同。在成像元件陣列650中，使光學(xué)基板654成梯級狀，從而將成像元件101與103和成像元件102設(shè)置為離主表面616的距離不相同。此外，被限定在光學(xué)基板654中的成像元件101-103的尺寸也不相同。
用合適的塑料將成像元件陣列650模制成單個部件。用于模制成像元件陣列650的塑料材料的期望特征包括硬度、低混濁、低色散、均勻的折射率分布、低熱膨脹系數(shù)、對濕度的低靈敏度、低吸水性、可見光中的高光透射率、高抗沖擊性和低雙折射率。合適的材料包括聚碳酸酯、丙烯酸樹脂(PMMA)、聚苯乙烯、聚烯烴、NAS和Optores。具體的材料包括由商標(biāo)ArtonF的日本東京104的JSR公司銷售的具有酯側(cè)鏈的降冰片烯共聚物。
在一個實施例中，成像元件陣列650模制在由Bayer A.G.ofLeverkusen，Germany銷售的商標(biāo)APEC的共聚碳酸酯材料中。某些類型的這種材料能夠經(jīng)受一般的焊接溫度，該溫度讓成像元件陣列650通過回流焊接處理固定到光傳感器612上。在本領(lǐng)域中，不認(rèn)為聚碳酸酯具有理想的光學(xué)性能，但聚碳酸酯的光學(xué)性能對于這一應(yīng)用而言已經(jīng)足夠，在該應(yīng)用中，成像元件101、102和103的組件都被分別設(shè)計成使它們的光學(xué)特征對于它們用來形成圖像的窄帶光線而言是最佳的。
在模制之后，衍射校正元件668被掩模，并將光吸收材料施加到成像元件陣列的內(nèi)表面上。光吸收材料確保僅僅被成像元件101-103成像的光線入射到光傳感器612上，并且還使屏幕681和682吸收光線。
成像元件陣列650可以選擇為由零件制造，雖然這樣做會大大損失能夠從單一模制部件獲得的低生產(chǎn)成本和高尺寸精度與可重復(fù)性。可選擇的是，可以在不具有屏幕681和682的情況下模制成像元件陣列，并且在以后安裝不同的光吸收材料的屏幕。屏幕對準(zhǔn)不是至關(guān)重要的。
圖13是解釋本發(fā)明的用于制造彩色圖像傳感器的方法700的實施例的流程圖。
在塊704中，模制具有光學(xué)基板和側(cè)板的成像元件陣列。光學(xué)基板包括空間上隔開的成像元件，每一個被構(gòu)造成對相應(yīng)顏色的光線成像。
在塊706中，提供具有多個區(qū)域的傳感器元件的光傳感器。每一區(qū)域可以響應(yīng)于入射到該區(qū)域上的對應(yīng)顏色的光線，產(chǎn)生對應(yīng)的圖像信號分量。
在塊708中，將成像元件陣列固定到光傳感器上，使成像元件和光傳感器的對應(yīng)區(qū)域相對。
在該方法的一個實施例中，通過焊接將成像元件陣列固定到光傳感器上。
在該方法的另一實施例中，在硅晶片上將幾百個光傳感器612制作成一個陣列，以矩陣的形式模制幾百個成像元件陣列650，該矩陣在尺寸上等于，在大小上約等于在硅晶片上制作的光傳感器陣列。這樣的硅晶片一般直徑在約150mm到約300mm的范圍內(nèi)。成像元件陣列的矩陣被模制為包括柔性塑料絲，其使每一成像元件陣列和相鄰的陣列互連。在矩陣中互連成像元件陣列極大地方便了對成像元件陣列的處理，因為它使成像元件陣列作為單個單元進行處理。該矩陣中相鄰的成像元件陣列之間的間隔接近晶片上光傳感器之間的間隔。
將成像元件陣列的矩陣放到夾具中，該夾具限定要隱蔽地裝入成像元件陣列的凹槽，并且和每一成像元件陣列的至少兩個相鄰側(cè)板精確地接合。側(cè)板是限定成像元件陣列的位置的部件。夾具中相鄰凹槽之間的間隔精確地匹配晶片上相鄰光傳感器之間的間隔。
執(zhí)行對準(zhǔn)操作，使夾具和晶片上的參考掩模精確地對準(zhǔn)。該單個對準(zhǔn)操作使所有成像元件陣列和它們對應(yīng)的光傳感器精確地對準(zhǔn)。然后加熱該晶片和夾具組件，使施加到每一光傳感器主表面上的焊盤652上的焊錫熔化。然后讓該組件冷卻。一旦該焊錫凝固，它就將成像元件陣列固定到它們對應(yīng)的光傳感器上。然后將該夾具從成像元件陣列上拆下，利用常規(guī)的單一化處理，使光傳感器與成像元件陣列的組件成為單個的彩色圖像傳感器。這一裝配方法是基于由Ertel et al.在美國專利申請序列號10/402721中公開的方法，該中請轉(zhuǎn)讓給本次公開的受讓人，并且在此通過參考的方式引入?？梢杂羞x擇地使用其它的晶片級或者單獨裝配方法。
本發(fā)明的彩色圖像傳感器的上述實施例響應(yīng)于由對應(yīng)的成像元件形成在光傳感器上的圖像，產(chǎn)生彩色圖像信號。為了使響應(yīng)于彩色圖像信號而顯示的圖像中的色彩誤差最小化，彩色圖像信號的的對應(yīng)部分應(yīng)該表示物體的同一部分。如果形成在光傳感器的該區(qū)域上的圖像相對于該區(qū)域的(0，0)傳感器元件被不同地定位，則在該圖像中產(chǎn)生色彩誤差。相對于兩個或者更多區(qū)域之間的(0，0)傳感器元件而言的圖像位置差將被稱為圖像偏移。一個區(qū)域的(0，0)傳感器元件是這樣的傳感器元件，其中開始進行由該區(qū)域中的傳感器元件產(chǎn)生的電學(xué)值的光柵掃描讀取。
圖像偏移源于兩個主要的因素制造偏移和視差偏移。制造偏移主要由制造中成像元件和光傳感器的對應(yīng)區(qū)域之間的對準(zhǔn)誤差引起。視差偏移主要由成像元件的空間隔離引起。
利用如上面參考圖11A-11D說明的一個部件成像元件陣列將使制造偏移最小化。一個部件成像元件陣列大大地降低了由各個成像元件之間的距離誤差引起的制造偏移。此外，成像元件陣列和光傳感器之間的位置對準(zhǔn)誤差被呈現(xiàn)的是形成在光傳感器的所有區(qū)域上的圖像中的相等的位置誤差，因此產(chǎn)生最小的圖像偏移。然而，成像元件陣列和光傳感器之間的旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)誤差一般呈現(xiàn)為光傳感器的對應(yīng)區(qū)域上的圖像位置的差，因此可以產(chǎn)生圖像偏移。
現(xiàn)在參考圖14說明能夠用來測量制造偏移或者視差偏移的偏移測量程序720。這一描述和下面對偏移減輕的描述將對測量和減輕光傳感器的兩個區(qū)域之間的偏移進行說明。指定該區(qū)域中的一個為參考區(qū)域，另一個是非參考區(qū)域。用靠近可將光譜中心或者波長范圍中較寬的光線在上面形成圖像的區(qū)域，如圖2中的區(qū)域132一般被指定為參考區(qū)域。顯然這里說明的方法能夠應(yīng)用于測量和減輕參考區(qū)域與一個或者更多其它的非參考區(qū)域之間和/或者在非參考區(qū)域之間的偏移。
在塊724中，在由光傳感器的多個區(qū)域產(chǎn)生的圖像信號分量表示的圖像中探測邊界。用于探測由視頻信號表示的圖像中的邊界的算法在本領(lǐng)域中是已知的。通過探測水平邊界和垂直邊界來獲取較多精確的結(jié)果。在其中圖像是已知測試模式的圖像的偏移測量方法的實施例中，因為已知邊界的大概位置，所以能夠采用較簡單的邊界探測算法，。
在塊726中，對每一參考區(qū)域和非參考區(qū)域，確定水平邊界和垂直邊界相對于參考點的位置。例如可以確定每一邊界相對于該區(qū)域的(0，0)傳感器元件的位置?？蛇x擇地，可以確定每一類型的多余一個邊界的位置。
在塊728中，計算非參考區(qū)域中每一邊界的位置和參考區(qū)域中同一邊界的位置之間的差值，從而垂直地和水平地量化非參考區(qū)域與參考區(qū)域之間的圖像偏移。
在本發(fā)明的讓偏移減輕的彩色圖像傳感器的實施例中，和對應(yīng)于參考區(qū)域的行和列的數(shù)量相比，非參考區(qū)域具有更多的傳感器元件的行和列，即多于在類似于圖2的實施例中行和列的相同數(shù)量，或者多于在類似于圖3的實施例中行和列的數(shù)量的一小部分。非參考區(qū)域的(0，0)傳感器元件最初位于從該區(qū)域中頂部左側(cè)的傳感器元件開始，向右的一列或者多列以及向下的一行或者多行。
通過在彩色圖像傳感器的制造期間執(zhí)行對準(zhǔn)操作來減輕制造偏移。在對準(zhǔn)操作中，從來自測試圖的平行光照射涉及對準(zhǔn)的彩色圖像傳感器，并執(zhí)行上述偏移測量程序720，來測量非參考區(qū)域和參考區(qū)域之間的圖像偏移的垂直和水平分量。在多色光下該測試圖具有清楚、明顯的垂直和水平邊界，以使對準(zhǔn)操作的精度最佳，并確保圖像形成在光傳感器的每一區(qū)域上。根據(jù)非參考區(qū)域的行和列來表示圖像偏移，并且具有整數(shù)部分和小數(shù)部分。執(zhí)行舍入操作以產(chǎn)生四舍五入的圖像偏移。然后通過該四舍五入的圖像偏移的逆運算，移動指定作為該區(qū)域的(0，0)傳感器元件的傳感器元件。
在一個例子中，在上述參考圖2的彩色圖像傳感器100中，相對于由成像元件102在參考區(qū)域132上用綠色光形成的圖像，由成像元件101用紅色光在區(qū)域131上形成的圖像的圖像偏移為+1.3行和-1.9列，其四舍五入到+1行和-2列。在這種情況下，當(dāng)執(zhí)行程序720時，相對于(0，0)傳感器元件的位置而言，區(qū)域131的被指定作為(0，0)傳感器元件的傳感器元件移動-1行和+2列?？梢岳?0，0)傳感器元件的新的位置重新執(zhí)行該程序720，以確認(rèn)目前區(qū)域131的圖像偏移少于一行和一列。
在已經(jīng)確定非參考區(qū)域中的(0，0)傳感器元件的新位置之后，彩色圖像傳感器100在非易失存儲器中存儲指示非參考區(qū)域中的(0，0)傳感器元件的位置的數(shù)據(jù)。在彩色圖像傳感器100的正常操作下，非參考區(qū)域的讀出電路(未示出)至少在加電時參考非易失存儲器，以確定該區(qū)域的(0，0)傳感器元件的位置。然后讀出電路讀取與始于(0，0)傳感器元件的全部圖像大小對應(yīng)的傳感器的行和列的數(shù)量。例如，產(chǎn)生表示1024×768象素的圖像的彩色圖像信號的彩色圖像傳感器100的一個實施例在每一行讀出1024個傳感器元件，在光傳感器的每一區(qū)域中讀出768行的傳感器元件，從而產(chǎn)生彩色圖像信號。從每一區(qū)域讀出傳感器元件的這一數(shù)量和傳感器元件的行數(shù)，而和該區(qū)域中(0，0)傳感器元件的位置無關(guān)。在一些實施例中，僅僅執(zhí)行上述粗偏移減輕處理。
在其它實施例中，輔助電路128包括執(zhí)行內(nèi)插處理的電路，和剛剛說明的在彩色圖像傳感器的正常操作期間執(zhí)行的操作相比，它能夠提供制造偏移的較精確的減輕。在那樣的實施例中，執(zhí)行剛才說明的粗偏移減輕處理，將制造偏移減輕到低于一個傳感器元件的大小。通過在彩色圖像傳感器的正常操作期間，在非參考區(qū)域為每一個傳感器產(chǎn)生一個內(nèi)插值，輔助電路執(zhí)行進一步減輕制造偏移的細(xì)偏移減輕。利用由程序720測量的一小部分偏移確定權(quán)重并采用該權(quán)重，從由傳感器元件及其三個最鄰近傳感器元件產(chǎn)生的原始電學(xué)值產(chǎn)生用于每一傳感器的內(nèi)插值，如上所述。
在這樣的實施例中，執(zhí)行上述對準(zhǔn)操作，并移動(0，0)傳感器元件的位置。此外，計算測量的圖像偏移和四舍五入的圖像偏移之間的差值，以提供第一行權(quán)重和第一列權(quán)重。從整體中減去第一權(quán)重，以提供第二行權(quán)重和第二列權(quán)重。將四個權(quán)重存儲在上述非易失存儲器中，用于在彩色圖像傳感器的正常操作期間使用。在上述例子中，行權(quán)重為0.3和0.7，列權(quán)重為0.1和0.9。
由傳感器元件在該區(qū)域中產(chǎn)生的原始電學(xué)值能夠作為原始圖像的相應(yīng)象素的值，且內(nèi)插值可以作為內(nèi)插圖像的相應(yīng)象素的值。內(nèi)插圖像可以視為覆蓋原始圖像但從原始圖像偏移，偏移量等于測定的圖像偏移和四舍五入的圖像偏移之間的差值。此外，可以將內(nèi)插圖像的每一象素視為覆蓋原始圖像的多達(dá)四個象素。
在彩色圖像傳感器的正常操作期間，輔助電路利用存儲在非易失存儲器中的權(quán)重，從被內(nèi)插圖像覆蓋的原始圖像的多達(dá)四個象素的象素值，為內(nèi)插圖像的每一象素計算內(nèi)插值。原始圖像象素值是由對應(yīng)的傳感器元件提供的原始電學(xué)值。這一內(nèi)插類型在本領(lǐng)域中是已知的，因此不再進一步詳細(xì)說明。將內(nèi)插值作為該區(qū)域的圖像信號分量輸出。其它的內(nèi)插技術(shù)是已知的，可以作為替代方法使用。
通過執(zhí)行映射偏移減輕，可以獲得制造偏移的進一步減輕。這里，采用具有多色的水平和垂直線的網(wǎng)格的測試圖，并運行偏移測量程序720，測量圖像中多個位置的每一處的偏移。從由程序720產(chǎn)生的偏移測量中計算平均圖像偏移，對平均偏移進行四舍五入，并通過四舍五入的平均偏移的逆運算，移動非參考區(qū)域的(0，0)傳感器元件的位置。將四舍五入后的平均偏移存儲在非易失存儲器中。
在每一測量的圖像偏移和四舍五入的平均偏移之間計算行差值和列差值，以提供相應(yīng)的第一行權(quán)重和第一列權(quán)重。從整體中減去第一權(quán)重，以提供相應(yīng)的第二行權(quán)重和第二列權(quán)重。因此，為該圖像中的每一測量位置，即測量圖像偏移的每一位置計算由兩個行權(quán)重和兩個列權(quán)重組成的一組權(quán)重。然后將這組權(quán)重從測量位置映射到非參考區(qū)域中的每一傳感器元件上，以為每一傳感器元件提供一組傳感器元件的權(quán)重。利用傳感器元件的權(quán)重來為該傳感器元件產(chǎn)生內(nèi)插值。將用于每一傳感器元件的傳感器元件權(quán)重存儲在上述非易矢存儲器中，用于在彩色圖像傳感器的正常操作期間為每一傳感器元件計算內(nèi)插值?？晒┻x擇的是，為了節(jié)約非易失存儲器的空間，可以將上述差值存儲在非易失存儲器中。在每一次上電時，如上所述，將該差值重新映射到傳感器元件上，并為單個的傳感器元件計算各個傳感器元件權(quán)重。
利用一個或者多個上述操作對準(zhǔn)本發(fā)明的彩色圖像傳感器，產(chǎn)生以最小的顏色假象表示在無窮遠(yuǎn)處的物體的彩色圖像信號。關(guān)于這里所述類型的彩色圖像傳感器，一般比約2米還遠(yuǎn)的物體可以視為在無窮遠(yuǎn)處。
對于比無窮遠(yuǎn)更近的物體，由于由成像元件的空間隔離引起的視差，響應(yīng)于由本發(fā)明的彩色圖像傳感器產(chǎn)生的彩色圖像信號而顯示的彩色圖像可能呈現(xiàn)顏色假象。視差導(dǎo)致光傳感器的相應(yīng)區(qū)域上形成的至少部分圖像之間的偏移。在彩色圖像傳感器的正常操作期間，能夠采用和上述粗、細(xì)和映射偏移減輕方法類似的方法來減輕視差影響。視差減輕與制造偏移減輕不同的是，(a)視差減輕包括在彩色圖像傳感器的正常操作期間實時地并利用物體的邊界來執(zhí)行偏移測量，(b)因為物體的不同部分離彩色圖像傳感器的距離不同，所以在圖像的不同部分之間，應(yīng)用的視差減輕的量可能大不相同。
在簡單地應(yīng)用上述粗偏移減輕的彩色圖像傳感器的一個實施例中，通過在彩色圖像傳感器的正常操作期間，執(zhí)行偏移測量程序720，利用作為物體的一部分的邊界測量圖像偏移，來獲得視差減輕。假定在圖像的中心附近最不希望具有可見的圖像偏移的情況下，在程序720的塊724中執(zhí)行的邊界檢測操作一般被設(shè)置為在圖像的中心附近開始查找邊界。然后，響應(yīng)于由偏移測量程序提供的偏移測量，暫時改變非參考區(qū)域中(0，0)傳感器元件的位置。當(dāng)攝取圖像時，從(0，0)傳感器元件的新位置開始，從非參考區(qū)域讀取圖像信號分量。在攝取圖像并從傳感器元件讀取電學(xué)值之后，(0，0)傳感器元件的位置一般回到它原來的位置。在其它實施例中，(0，0)傳感器的位置保持在由視差減輕程序設(shè)置的位置上。
剛才描述的視差減輕程序在與執(zhí)行了視差測量的邊界相鄰的該部分圖像上，將視差偏移減少到低于一個傳感器元件的尺寸。在與該邊界相鄰的部分圖像中，通過還應(yīng)用上述細(xì)偏移減輕處理，能夠進一步減少視差偏移。如上所述，細(xì)偏移減輕處理采用的是，利用物體的邊界進行偏移測量。
在將細(xì)制造偏移減輕處理作為工廠對準(zhǔn)操作的一部分執(zhí)行的實施例中，將由細(xì)視差減輕處理產(chǎn)生的權(quán)重暫時加到由細(xì)制造偏移減輕處理產(chǎn)生的權(quán)重上，從而產(chǎn)生下述權(quán)重，該權(quán)重用于根據(jù)由非參考區(qū)域的傳感器元件產(chǎn)生的原始數(shù)值計算內(nèi)插值。
剛才說明的視差減輕處理減小了與在上述偏移測量中使用的邊界相鄰的部分圖像中的視差，但可能增加圖像的其它部分的視差。通過將圖像分成多個區(qū)域，在每一區(qū)域上執(zhí)行偏移測量，并且利用測量到的該區(qū)域的偏移在該區(qū)域上執(zhí)行偏移減輕，在該整個圖像上獲得更均勻的視差減輕。一個實施例在圖像的整個區(qū)域上執(zhí)行許多偏移測量，并且從偏移測量值中檢測具有類似視差偏移的圖像中各區(qū)域的邊界?？梢詫⑦@些區(qū)域視為和物體中不同的目標(biāo)對應(yīng)。然后單獨地對這些區(qū)域應(yīng)用視差減輕處理。
現(xiàn)在參考圖15說明用于產(chǎn)生表示物體的彩色圖像信號的本發(fā)明的方法的第一實施例800。
在塊804中，提供光傳感器。該光傳感器具有傳感器元件陣列，并且可以響應(yīng)于入射到它上面的光線產(chǎn)生彩色圖像信號。
在塊806中，來自物體的不同顏色的光線在光傳感器的相應(yīng)區(qū)域上獨立地成像。
在一個實施例中，從來自物體的光線的一部分中過濾光線，以提供第一顏色的光線。在另一實施例中，從來自物體的光線的另一部分中過濾光線，以提供第二顏色的光線。
在另一實施例中，彩色圖像信號具有和光傳感器的每一區(qū)域?qū)?yīng)的圖像信號分量，成像操作在光傳感器的每一區(qū)域上形成圖像，并且對圖像信號分量進行處理，以從彩色圖像信號中除掉圖像之間的視差的影響。
在另一實施例中，提供成像元件，并將該成像元件固定到光傳感器上，彩色圖像傳感器具有與光傳感器的每一區(qū)域?qū)?yīng)的圖像信號分量，并且對該圖像信號分量進行處理，以從彩色圖像信號中除掉成像元件和光傳感器之間的偏移的影響。
在另一實施例中，彩色圖像傳感器具有與光傳感器的每一區(qū)域?qū)?yīng)的圖像信號分量，彼此獨立地控制用于產(chǎn)生圖像信號分量的曝光時間，并對圖像信號分量進行處理以產(chǎn)生彩色圖像信號。該處理包括校正曝光時間中的差值。
現(xiàn)在參考圖16說明用于產(chǎn)生表示物體的彩色圖像信號的本發(fā)明的方法的第二實施例820。
在塊824中，用不同顏色的光線獨立和并行地形成物體的圖像。
在塊826中，將該圖像變換成彩色圖像信號的相應(yīng)的圖像信號分量。
本公開文本利用解釋性的實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。但是，由附屬的權(quán)利要求限定的本發(fā)明并不局限于所述精確的實施例。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生表示物體的彩色圖像信號的方法，該方法包括提供包括傳感器元件陣列的光傳感器，該光傳感器響應(yīng)于入射到它上面的光線產(chǎn)生彩色圖像信號；和使來自物體的不同顏色的光線獨立地成像在光傳感器的對應(yīng)區(qū)域上。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括從來自物體的一部分光線過濾光線，以提供第一顏色的光線。
3.權(quán)利要求2的方法，還包括從來自物體的另一部分光線過濾光線，以提供第二顏色的光線。
4.權(quán)利要求3的方法，其中第二顏色的光線是(a)靠近可見光譜的中心和(b)在波長范圍中比第一顏色的光線更寬的至少一種；和成像操作包括在光傳感器的區(qū)域的第一個上對第一顏色的光線成像，并在光傳感器的區(qū)域的第二個上對第二顏色的光線成像。
5.權(quán)利要求4的方法，其中區(qū)域的第一個和區(qū)域的第二個的不同之處在于傳感器元件的(a)尺寸和(b)數(shù)量中的至少一種。
6.權(quán)利要求3或4的方法，其中第二顏色的光線相對于可見光未過濾。
7.權(quán)利要求3或4的方法，其中第二顏色的光線包括紅光、綠光和藍(lán)光。
8.權(quán)利要求1-7中任何一個的方法，其中彩色圖像信號包括與光傳感器的每一區(qū)域?qū)?yīng)的的圖像信號分量；成像操作在光傳感器的每一區(qū)域上形成圖像；和該方法還包括處理圖像信號分量，以從彩色圖像信號中除去圖像之間色差的影響。
9.權(quán)利要求8的方法，其中還執(zhí)行處理以除去圖像的對應(yīng)部分之間的視差影響。
10.權(quán)利要求1-9中任何一個的方法，其中該方法還包括提供成像元件，并將成像元件固定到光傳感器上；彩色圖像信號包括與光傳感器的每一區(qū)域?qū)?yīng)的圖像信號分量；以及該方法還包括處理圖像信號分量，以從彩色圖像信號中除去成像元件和光傳感器之間的偏移的影響。
11.權(quán)利要求1-9中任何一個的方法，其中彩色圖像信號包括與光傳感器的每一區(qū)域?qū)?yīng)的圖像信號分量；和該方法還包括彼此獨立地控制用于產(chǎn)生圖像信號分量的曝光時間；和對圖像信號分量進行處理，以產(chǎn)生彩色圖像信號，該處理包括校正曝光時間的差值。
12.一種彩色圖像傳感器，用于產(chǎn)生表示物體的圖像信號，該圖像傳感器包括光傳感器，其包含傳感器元件，該光傳感器響應(yīng)于入射到它上面的光線產(chǎn)生圖像信號；和成像元件，被設(shè)置為用不同顏色的光線在光傳感器的對應(yīng)區(qū)域上形成物體的圖像。
13.權(quán)利要求12的圖像傳感器，還包括第一濾色鏡，它光學(xué)上設(shè)置成和成像元件的第一個串聯(lián)，該第一濾色鏡被構(gòu)造成傳送第一顏色的光線。
14.權(quán)利要求13的圖像傳感器，還包括第二濾色鏡，它光學(xué)上設(shè)置成和成像元件的第二個串聯(lián)，該第二濾色鏡被構(gòu)造成傳送不同于第一顏色的第二顏色的光線。
15.權(quán)利要求14的圖像傳感器，其中第二顏色的光線是(a)靠近可見光譜的中心和(b)在波長范圍中比第一顏色的光線更寬的至少一種；和成像元件在光傳感器的區(qū)域的第一個上用第一顏色的光線形成圖像，并在光傳感器的區(qū)域的第二個上用第二顏色的光線形成圖像。
16.權(quán)利要求15的圖像傳感器，其中區(qū)域的第一個和區(qū)域的第二個的不同之處在于傳感器元件的(a)面積和(b)數(shù)量中的至少一種。
17.權(quán)利要求14或15的圖像傳感器，其中第二濾色鏡被構(gòu)造成傳送相對于可見光未過濾的第二顏色的光線。
18.權(quán)利要求14或15的圖像傳感器，其中第二濾色鏡被構(gòu)造成傳送紅光、綠光和藍(lán)光，作為第二顏色的光線。
19.權(quán)利要求14-18的任何一個的圖像傳感器，還包括第三濾色鏡，它光學(xué)上設(shè)置成和成像元件的第三個串聯(lián)，該第三濾色鏡被構(gòu)造成傳送不同于第一顏色和第二顏色的第三顏色的光線。
20.權(quán)利要求19的圖像傳感器，其中第二顏色的光線是(a)靠近可見光譜的中心和(b)在波長范圍中比第一顏色的光線和第三顏色的光線都寬的至少一種；和成像元件在光傳感器的區(qū)域的第一個上用第一顏色的光線形成圖像，在光傳感器的區(qū)域的第二個上用第二顏色的光線形成圖像，并且在光傳感器的區(qū)域的第三個上用第三顏色的光線形成圖像，區(qū)域的第二個與區(qū)域的第一個和區(qū)域的第二個的不同之處在于傳感器元件的(a)面積和(b)數(shù)量中的至少一種。
21.權(quán)利要求12-20的任何一個的的圖像傳感器，其中彩色圖像信號包括與光傳感器的每一區(qū)域?qū)?yīng)的圖像信號分量；和圖像傳感器還包括處理器，其處理圖像信號分量，從彩色圖像信號中除去圖像之間視差的影響。
22.權(quán)利要求12-20的任何一個的的圖像傳感器，其中將成像元件固定到光傳感器上；圖像信號包括與光傳感器的每一區(qū)域?qū)?yīng)的圖像信號分量；以及該圖像傳感器還包括處理器，它處理圖像信號分量，從彩色圖像信號中除去成像元件和光傳感器之間的偏移的影響。
23.權(quán)利要求12-20的任何一個的的圖像傳感器，還包括僅僅一個基板，該基板支撐所有的傳感器元件。
全文摘要
彩色圖像傳感器(100)產(chǎn)生表示物體的圖像信號(114)。該彩色圖像傳感器具有光傳感器(112)和成像元件(101，102，103)，該成像元件用不同顏色的光線在光傳感器的相應(yīng)區(qū)域(131，132，133)上形成物體的圖像。該光傳感器包括傳感器元件(如121)并且可以響應(yīng)于入射到它上面的光線，產(chǎn)生圖像信號。
文檔編號H04N5/359GK1922864SQ200480041792
公開日2007年2月28日 申請日期2004年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月18日
發(fā)明者D·W·施勒德, R·W·格魯爾克 申請人:阿瓦戈科技傳感器Ip股份有限公司