專利名稱：彩色圖像采樣和重建的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明大體涉及用于在固態(tài)圖像傳感器上對彩色圖像進行采樣并且重建彩色圖像的結(jié)構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
例如數(shù)碼照相機和數(shù)碼攝像機等照相器材可以包含用于捕獲光以處理成靜態(tài)圖像或視頻圖像的電子圖像傳感器。電子圖像傳感器通常包含數(shù)百萬的光捕獲元件，例如光電二極管。這些元件各自接收穿過二維彩色濾光片陣列中的濾光片的光。圖1A和圖1B所示為根據(jù)原色拜爾模板(Bayer pattern)的現(xiàn)有技術(shù)彩色濾光片陣列。圖2A和圖2B所示為只應用綠色和品紅色的現(xiàn)有技術(shù)彩色濾光片陣列。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種由第一導電型的基底支撐的圖像傳感器，所述圖像傳感器包括鄰近像素的二乘二陣列形式的一個二維陣列，其中所述二乘二陣列包括沿著對角線的一對綠色像素以及沿著另一對角線的由紅色像素和品紅像素組成的一對像素，其中每個所述綠色像素具有綠色濾光片以及從所述綠色濾光片接收光的光電檢測器，其中所述紅色像素具有紅色濾光片以及從所述紅色濾光片接收光的光電檢測器，并且其中所述品紅色像素包括(a)品紅色濾光片，(b) 一組第二導電型的垂直堆疊的第二區(qū)，所述組包括
(i)淺二區(qū)，(ii)深二區(qū)，以及(iii)位于所述淺二區(qū)與所述深二區(qū)之間的中二區(qū)；(c)第一轉(zhuǎn)換開關，所述第一轉(zhuǎn)換開關經(jīng)耦合以從所述淺二區(qū)轉(zhuǎn)移電荷；以及(d)第二轉(zhuǎn)換開關，所述第二轉(zhuǎn)換開關經(jīng)耦合以從所述深二區(qū)轉(zhuǎn)移電荷。在第一方面，所述第一導電型可以是p型，而所述第二導電型可以是n型。在第一方面,進一步希望的是當空氣中的光波長處于520nm與570nm之間時所述品紅色濾光片具有最小透光率。在第一方面,進一步希望的是當空氣中的光波長處于420nm與480nm之間時所述品紅色濾光片具有最大透光率。又進一步希望的是當空氣中的光波長為650nm時所述品紅色濾光片的透光率超過50%。或者，又進一步希望的是當空氣中的光波長為650nm時所述品紅色濾光片的透光率至少是當光波長為550nm時其透光率的四倍。在第一方面，進一步希望的是所述紅色像素具有一個光電檢測器。又進一步希望的是所述一個光電檢測器包括擴展到至少1.5 深度的一個或多個電氣連接的第二區(qū)?；蛘?，又進一步希望的是所述一個光電檢測器包括具有某種特征的第二區(qū)，即所述第二區(qū)不與非電氣連接的另一第二區(qū)堆疊并且在復位過程中完全耗盡某種類型的載流子。在第一方面，進一步希望的是所述品紅色像素進一步包括在所述淺二區(qū)與所述中二區(qū)之間的淺一區(qū)。還進一步希望的是所述像素陣列進一步包括在所述深二區(qū)與所述中二區(qū)之間的深一區(qū)。又進一步希望的是深或淺二區(qū)中的一者或兩者在電荷積累過程中，淺(或深)一區(qū)的水平跨度上保持連續(xù)的中性區(qū)。更進一步希望的是所述中性區(qū)在第一耗盡區(qū)與第二耗盡區(qū)之間成楔形，所述第一耗盡區(qū)從所述中二區(qū)延伸出去，所述第二耗盡區(qū)從所述中性區(qū)另一側(cè)上的深或淺二區(qū)延伸出去。在第一方面，進一步希望的是所述中二區(qū)保持中性區(qū)，所述中性區(qū)在第一耗盡區(qū)與第二耗盡區(qū)之間成楔形，所述第一耗盡區(qū)從淺二區(qū)發(fā)展而來，所述第二耗盡區(qū)從深二區(qū)發(fā)展而來，由此在淺二區(qū)與深二區(qū)之間的電容耦合被減弱。又進一步希望的是當在淺二區(qū)或深二區(qū)中開始電荷積累過程時所述中性區(qū)保持一個預定的電壓電平，當所述電荷積累過程結(jié)束時所述中性區(qū)保持一個預定的電壓電平?；蛘?，又進一步希望的是當在淺二區(qū)或深二區(qū)中開始電荷積累過程時所述中性區(qū)保持第一電壓電平，當所述電荷積累過程結(jié)束時所述中性區(qū)還保持所述第一電壓電平。根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種用馬賽克圖像形成彩色圖像的方法，所述馬賽克圖像包括圖像像素的多個二乘二陣列形式的二維陣列，其中每個二乘二陣列包括沿著對角線的一對綠色圖像像素以及沿著另一對角線的由紅色圖像像素和品紅色圖像像素組成的一對像素，所述紅色圖像像素包括具有基本上紅色光譜響應的第一信號，所述品紅色圖像像素包括具有基本上紅色光譜響應的第二信號，所述方法包括:形成第三信號來表示品紅色圖像像素中的紅色，所述第三信號是至少所述第一信號和所述第二信號的函數(shù)。希望的是第三信號關于第二信號的導數(shù)量值具有最小值。進一步希望的是在第二信號的范圍內(nèi)所述最小值的位置隨第一信號而變。更進一步希望的是所述量值在所述最小值與該量值的最大值之間以至少兩倍變化。或者，進一步希望的是第三信號關于第一信號的導數(shù)，在第二信號達到最小值的情況下大于在第二信號處于另一不同狀態(tài)的情況下?；蛘撸M一步希望的是，在鄰近于品紅色圖像像素的另一紅色圖像像素中的另一紅色像素信號與所述第一信號相同的情況下，所述量值達到的最小值，小于在所述另一紅色像素信號與所述第一信號相差馬賽克圖像中的紅色像素信號值范圍的四分之一的情況下的最小值。在第二方面，品紅色圖像像素可以進一步包括具有品紅色光譜響應的第四信號。所述方法可以進一步包括:通過從第二多個第四信號中減去第一多個第二信號，形成第五信號來表示品紅色圖像像素中的藍色?；蛘撸龇椒梢赃M一步包括:通過從第二多個第四信號中減去第一多個第三信號，形成第五信號來表示品紅色圖像像素中的藍色。根據(jù)第三方面，本發(fā)明涉及一種去馬賽克單元(或構(gòu)件)，所述去馬賽克單元接收以上結(jié)合第二方面所述的馬賽克圖像并且輸出用于品紅色圖像像素的第三信號，使得第三信號具有基本上紅色光譜響應并且比第二信號具有更好的SNR并且至少是第一和第二信號的函數(shù)。希望的是第三信號關于第二信號的導數(shù)量值具有最小值。進一步希望的是在第二信號的范圍內(nèi)所述最小值的位置隨第一信號而變。更進一步希望的是所述量值在所述最小值與該量值的最大值之間以至少兩倍變化?；蛘?，更進一步希望的是第三信號關于第一信號的導數(shù)，在第二信號達到最小值的情況下大于在第二信號處于另一不同狀態(tài)的情況下。根據(jù)第四方面，本發(fā)明涉及一種攜帶計算機可執(zhí)行指令的非易失性計算機數(shù)據(jù)存儲媒體，當所述指令由去馬賽克單元執(zhí)行時會使去馬賽克單元實施所述方法的一個或多個以上方面。根據(jù)本發(fā)明的第五方面，品紅色濾光片將光傳輸?shù)綔\光電二極管和深光電二極管。淺光電二極管連接到第一轉(zhuǎn)換開關。深光電二極管連接到第二轉(zhuǎn)換開關。當由深光電二極管產(chǎn)生的光響應輸出信號被采樣到位于像素陣列(包含淺和深光電二極管以及第一和第二轉(zhuǎn)換開關)外的采樣電容器上時，第二轉(zhuǎn)換開關位于三極管區(qū)中；而在淺光電二極管上所積累的電荷已經(jīng)轉(zhuǎn)移到傳感節(jié)點之后并且當相應的輸出信號被采樣到位于所述像素陣列外的采樣電容器上時，所述第一轉(zhuǎn)換開關處于非導電狀態(tài)。


圖1A和圖1B所示為根據(jù)原色拜爾模板的現(xiàn)有技術(shù)彩色濾光片陣列；圖2A和圖2B所示為只應用綠色和品紅色的現(xiàn)有技術(shù)彩色濾光片陣列；圖3所示為圖像傳感器的一項實施例；圖4所示為圖像捕獲系統(tǒng)的一項實施例；圖5A和圖5B所示為彩色濾光片陣列；圖6所示為在像素陣列的一項實施例中，二乘二的鄰近像素組中的四個像素中每一像素的濾光片以及相應的光電檢測器(組)的示意圖；圖7A、圖7B和圖7C為像素陣列內(nèi)的光電檢測器和相關電路的示意圖；圖8所示為包括堆疊式光電二極管的品紅色像素的一項實施例的縱斷面；圖9所示為沿著通過圖8中所示品紅色像素中堆疊式光電二極管的YY’垂直單點虛線的凈摻雜濃度的縱剖面圖；圖10A、圖10B、圖1OC所示為用于對連接到堆疊的光電二極管中的中間光電二極管的終端Vsink進行驅(qū)動的三種替代性配置；圖11所示為作為穿透深度的函數(shù)的、光子在硅中的穿透概率；圖12所示為作為空氣中光波長的函數(shù)的、分別由深光電二極管和淺光電二極管帶來的光子吸收效率；圖13所示為作為空氣中光波長的函數(shù)的、第一品紅色濾光片的透光率；圖14所示為連同第一品紅色濾光片的深與淺光電二極管中的光譜響應，以及兩者之間的加權(quán)差分的復合響應；圖15所示為作為空氣中光波長的函數(shù)的、第二品紅色濾光片的透光率；圖16所示為連同第二品紅色濾光片的深與淺光電二極管中的光譜響應，以及為兩者之間的加權(quán)差分的復合響應；圖17所示為品紅色像素的第二實施例的縱斷面；圖18所示為沿著品紅色像素的第二實施例的圖17中YY’垂直單點虛線的凈摻雜濃度的縱剖面；圖19所示為把中性區(qū)夾在中間的源于淺二區(qū)的耗盡區(qū)與源于深二區(qū)的耗盡區(qū)，所述中性區(qū)在中二區(qū)的跨度上水平地延伸；
圖20所示為品紅色像素的第三實施例的縱斷面；圖21所示為沿著品紅色像素的第三實施例的圖20中YY’垂直單點虛線的凈摻雜濃度的縱剖面；圖22所示為作為空氣中光波長的函數(shù)的、分別由第三實施例中的深光電二極管和第三實施例中的淺光電二極管帶來的光子吸收效率；圖23所示為連同第一品紅色濾光片的、第三實施例中的深和淺光電二極管中的光譜響應，以及為兩者之間的加權(quán)差分的復合響應；圖24所示為紅色像素的一項實施例的縱斷面；圖25所示為紅色像素的替代性實施例的縱斷面；圖26所示為作為空氣中光波長的函數(shù)的、第一紅色濾光片的透光率；圖27所示為作為空氣中光波長的函數(shù)的、第二紅色濾光片的透光率；圖28所示為作為beta的函數(shù)的、由深光電二極管產(chǎn)生的信號D的權(quán)數(shù)wD的變化，其中beta測量以下二者的比率:信號D與無關D的內(nèi)插信號Y之間的差值；D中噪音的多個標準差；圖29所示為深光電二極管信號D與品紅色像素中的所產(chǎn)生紅色像素信號R之間的關系，圖中具有一個較平直區(qū)段；圖30所示為圖29中的紅色像素信號R關于深光電二極管信號D的導數(shù)；圖31所示為深光電二極管信號D、第一紅色像素信號RY以及第二紅色像素信號RZ之間的關系；圖32所示為深光電二極管信號D與所生成的紅色像素信號R之間的關系，其具有兩個不同的較平直區(qū)段；圖33所示為圖28中的紅色像素信號關于深光電二極管信號D的導數(shù)；圖34為相機處理器的方框圖。
具體實施例方式本文揭示了一種圖像傳感器，其包括由基底支撐的像素陣列上方的紅色-綠色-品紅色濾光片陣列。圖3和圖4分別描述了根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器10和根據(jù)本發(fā)明的圖像捕獲系統(tǒng) 202。參照各圖，確切地說借助參考編號，圖3所示為圖像傳感器10的一項實施例，所述圖像傳感器包括像素陣列12、行解碼器20、光讀取機16以及ADC24。像素陣列包括二乘二像素組15的二維陣列，其中每個像素具有一個或多個光電檢測器以及用于在光到達光電檢測器(組)之前對其進行過濾的濾光片?？偩€18包括列輸出信號，這些列輸出信號按列將連接像素排成線。光讀取機16如美國專利7，233，350中所述或如美國專利申請12/639941中所述。它具有用于對總線18中的每個列輸出信號進行采樣的一個或多個電容器。來自光讀取機16的模擬輸出信號(組)26被提供給ADC24以變換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，再輸出到總線66上。行解碼器20在總線22中提供行信號，以按行來選擇像素，按行使像素復位，以及按行來轉(zhuǎn)移像素中的電荷。彩色濾光片陣列13是覆蓋像素陣列12中的光電檢測器的濾光片二維陣列。
圖4所示為圖像捕獲系統(tǒng)202的一項實施例，所述圖像捕獲系統(tǒng)包括圖像傳感器
10、聚焦透鏡204、驅(qū)動馬達和電路218、處理器212、輸入裝置206、顯示器214，以及存儲裝置 216。像素陣列圖5A至圖7C描述了像素陣列12。圖5A和圖5B所示為根據(jù)本發(fā)明的彩色濾光片陣列；圖5A所示為根據(jù)本發(fā)明的彩色濾光片陣列13。從像素陣列12輸出的圖像在“垂直掃描”箭頭所指示的方向上，從底部開始行進至頂部。彩色濾光片陣列13被組織成綠色(G)、紅色(R)以及品紅色(M)濾光片的二維陣列。更確切地說，彩色濾光片陣列13被組織成二乘二單元13a的二維陣列，其組成元素為沿著一條對角線設置的一對綠色(G)濾光片以及沿著另一條對角線設置的由紅色(R)濾光片和品紅色(M)濾光片組成的一對濾光片。圖5B所示為作為根據(jù)本發(fā)明的彩色濾光片陣列的替代性實施例的彩色濾光片陣列13’。該彩色濾光片陣列13’關于垂直掃描方向旋轉(zhuǎn)了 45度。更確切地說，彩色濾光片陣列13’被組織成二乘二單元13a’的二維陣列，其關于垂直掃描方向旋轉(zhuǎn)了 45度。圖6是二乘二像素組15中的四個像素的示意圖，其示出了四個像素中每一個的濾光片和相應的光電檢測器(組)。一對綠色濾光片114G、紅色濾光片114R和品紅色濾光片114M是根據(jù)圖5A中所示的二乘二單元13a的順序來布置。在右上角，綠色像素14a具有為光電二極管IOOa過濾光的綠色濾光片114G。在右下角，品紅色像素14b具有為光電二極管114e和光電二極管IOOb過濾光的品紅色濾光片114M。在左下角，綠色像素14c具有為光電二極管IOOc過濾光的綠色濾光片114G。在左上角，紅色像素14d具有為光電二極管IOOd過濾光的紅色濾光片114R。圖7A、圖7B和圖7C為像素組15內(nèi)的光電檢測器IOOa-1OOe和示例性電路的示意圖。圖7A所示分別為兩個綠色像素14a、14c中的光電檢測器100a、100c，它們分別通過轉(zhuǎn)換開關117a、117c連接到傳感節(jié)點111。來自總線22的行信號TF (n+l)121a (或TF(n)121b)上的高電平脈沖會接通轉(zhuǎn)換開關117a (或117c)，從而將電荷從光電二極管IOOa(或100c)轉(zhuǎn)移到傳感節(jié)點111。輸出晶體管116經(jīng)由選擇開關114而將傳感節(jié)點111上的傳感節(jié)點電壓信號緩存在列輸出信號線OUT Cm) 124上，所述選擇開關由通過行解碼器20在總線22上輸出的行信號SEL (n) 122接通。在一種模式中，轉(zhuǎn)換開關117a、117c可以分別接通，而不與各自的TF (n)和TF(n+1)信號上的電荷轉(zhuǎn)移脈沖重疊。在另一種模式中，轉(zhuǎn)換開關117a、117c可以同時處于導電狀態(tài)，從而導致來自光電二極管IlOaUOOc的電荷相加。列輸出信號線OUT Cm) 124上的輸出信號是總線18的一部分并且可以用光讀取機16采樣。美國專利申請案12/639941示出了對該電路中的開關進行操作以及對列輸出信號進行采樣的序列的各種方法，所述各種方法以引用的方式并入本文中?；蛘?，可以根據(jù)用于針扎光電二極管中的常規(guī)的相關雙采樣方法，來對這些開關進行操作以及對列輸出信號進行采樣。可以根據(jù)美國專利申請案12/639941中所示的任何方法來操作光電二極管IOOa(或100c)、轉(zhuǎn)換開關117a(或117c)、復位開關112以及選擇開關114。確切地說，為了開始在光電檢測器IOOa (或100c)上積累電荷，當復位開關112和轉(zhuǎn)換開關117a (或117c)均位于三極管區(qū)中時，由輸出晶體管116傳輸?shù)搅行盘柧€OUT (m)124上的輸出信號被光讀取機采樣；隨后，當復位開關112被斷開而轉(zhuǎn)換開關117a (或117c)保持在三極管區(qū)中時，輸出信號再次被采樣；最后在轉(zhuǎn)換開關117a (或117c)被斷開之后，輸出信號再次被采樣；并且形成了這三個采樣信號有正負之分的加權(quán)和，以提供噪音信號。為了結(jié)束電荷積累，當復位開關112位于三極管區(qū)中而轉(zhuǎn)換開關處于非導電狀態(tài)時，來自輸出晶體管116的輸出信號在列信號線OUT (m)124上被米樣；隨后，復位開關112被斷開并且列信號線OUT (m)124上的輸出信號被采樣；當轉(zhuǎn)換開關117a (或117c)被切換到三極管區(qū)中時，線OUT Cm) 124上的輸出信號再次被采樣；并且形成這三個采樣信號有正負之分的加權(quán)和，以提供光響應信號。將所述噪音信號從所述光響應信號中減去，以提供去噪音的光響應輸出信號。該減法可以在圖像傳感器10或處理器212上執(zhí)行?；蛘?，可以根據(jù)用于針扎光電二極管像素中的相關雙采樣方法，來操作光電二極管IOOa (或100c)、轉(zhuǎn)換開關117a (或117c)、復位開關112以及選擇開關114。開始電荷積累:(i)接通轉(zhuǎn)換開關117a (或117c)和復位開關112并且完全耗盡光電二極管IOOa(或100c)，(ii)斷開轉(zhuǎn)換開關117a (或117c)和復位開關112。結(jié)束電荷積累:(A)行信號RST (n) 118具有接通和斷開復位開關112的正脈沖，從而使傳感節(jié)點111復位，(B)行信號SEL (n) 122對選擇開關114進行選擇以將已緩存和電平移動的復位輸出信號從輸出晶體管116傳輸?shù)焦庾x取機16, (C)光讀取機對輸出信號進行米樣，(D)接通轉(zhuǎn)換開關117a(或117c )，并且將來自光電二極管IOOa (或IOOc )的電荷轉(zhuǎn)移到傳感節(jié)點111，(E)光讀取機從輸出晶體管116采樣輸出信號，并且(F)取這兩個采樣出的輸出信號之間的差值。圖7B所示為分別支持品紅色像素14b中的光電檢測器IOOb和紅色像素14d中的光電檢測器IOOd的電路的示意圖。圖7c所示為支持品紅色像素14b中的光電檢測器IOOe的電路的示意圖。如圖7A所示，光電檢測器IOObUOOd和IOOe中每一者的最初復位操作和最終傳感操作可以根據(jù)美國專利申請案12/639941中的方法或者相關雙采樣方法來進行。光電二極管與行控制信號RST (n)、TF (n)和TF (n_l)之間以及光電二極管與列輸出信號OUT (m)、OUT (m+1)和0UT2 (m)之間的布置方案和相互連接可以用所屬領域的技術(shù)人員能夠使用的不同方法來重新布置，例如，以適于圖5B中所述的旋轉(zhuǎn)45度的彩色濾光片陣列。此外，任何一個光電檢測器的相關電路可以根據(jù)上述美國專利申請案12/639941中的方法進行操作，而另一光電檢測器的相關電路則可以根據(jù)相關的雙采樣方法進行操作。例如，光電檢測器IlOe中的相關復位開關112"和轉(zhuǎn)換開關117e可以根據(jù)常規(guī)的針扎光電二極管相關采樣方法進行操作，而同一品紅色像素114b中的光電檢測器IOOb中的轉(zhuǎn)換開關117d可以根據(jù)美國專利申請案12/639941中的方法進行操作。應注意，在這種情況下，當來自光電二極管IOOb的光響應輸出信號被光讀取機16米樣時,光電二極管IOOb中的轉(zhuǎn)換開關117d位于三極管區(qū)中，而當積累在光電二極管IOOe上的電荷已經(jīng)轉(zhuǎn)移到傳感節(jié)點111〃之后并且當0UT2 (m)線上的相應輸出信號被采樣到采樣電容器上時，光電二極管115e中的轉(zhuǎn)換開關117e處于非導電狀態(tài)。這樣做有如下優(yōu)點。首先，使用常規(guī)的針扎光電二極管相關雙采樣方法很難使深光電二極管完全復位，這是因為難以從其中完全耗盡電子，而美國專利申請案12/639941中的方法則無需從該光電二極管中耗盡電子即可消除復位噪音。第二，在常規(guī)的針扎光電二極管相關雙采樣方法下，淺光電二極管可以很好地運作，相比于美國專利申請12/639941中的方法，所述相關雙采樣方法中的電路更簡單。此夕卜，根據(jù)相關雙采樣方法進行操作的任何此類光電檢測器可以在總線22中具備一組分開的行控制信號RST2 (n)和/或TF2 (n)，所述這組行控制信號根據(jù)上述相關雙采樣控制序列(i)_ (ii)和(A) - (E)來施以脈沖。品紅色像素圖8至圖23描述了品紅色像素14b。品紅色像素的第一實施例圖8所示為根據(jù)本發(fā)明的品紅色像素14b的第一實施例的縱斷面，其包括堆疊的光電二極管100e、IOOf、100b。深光電二極管IOOb和淺光電二極管IOOe形成于第一導電型(優(yōu)選是P型)的輕微摻雜的半導體基底56中，進一步優(yōu)選的是介于5el4/cm3與5el5/cm3之間的摻雜濃度?；?6可以是輕微摻雜的p-epi層,該層位于摻雜濃度超過lel9/cm3的重度摻雜的p基底頂部。光電二極管IOOb位于基底56的最深處并且包括第二導電型(優(yōu)選是n型)的深二區(qū)54c。淺光電二極管IOOe位于基底56的淺處并且包括第二導電型的淺二區(qū)54a，所述淺二區(qū)堆疊在深二區(qū)54c上方并且位于表面第一區(qū)63下方，所述表面第一區(qū)可以防止從淺二區(qū)54a發(fā)展而來的耗盡區(qū)到達基底56的頂界面。將光電二極管IOObUOOe分開的是淺一區(qū)65a以及位于淺一區(qū)65a下方的深一區(qū)65b，這兩個區(qū)都屬于第一導電型。此外，淺一區(qū)65a和深一區(qū)65b之間夾著中間光電二極管100f，所述中間光電二極管包括第二導電型的中二區(qū)54b。淺光電二極管100e、中間光電二極管IOOf以及深光電二極管IOOb —起組成品紅色像素14b中的堆疊式光電二極管。淺二區(qū)54a的深度優(yōu)選達到0.4um到1.2um之間。深二區(qū)54c優(yōu)選從1.7um與
2.5um之間的深度開始。中二區(qū)54b占據(jù)的深度范圍優(yōu)選地深于Ium并淺于2um，更優(yōu)選地介于1.2um與1.8um之間。在該實施例中，從品紅色像素14b上方入射的光首先由品紅色濾光片114M過濾，隨后經(jīng)由一對級聯(lián)的光導130、116而傳輸?shù)蕉询B式光電二極管。第一導電型的勢壘區(qū)64設置在基底56中且靠近深二區(qū)54c，從而將深二區(qū)54c與從鄰近的綠色像素114a、114c或紅色像素114d中任一像素發(fā)展而來的耗盡區(qū)分離開。勢壘區(qū)64的凈摻雜濃度大于基底56的本底摻雜濃度，且其濃度峰值優(yōu)選在lel6/cm3與7el7/cm3之間。勢壘區(qū)64在其自身內(nèi)保持中性區(qū)，該中性區(qū)將從深二區(qū)54發(fā)展而來的耗盡區(qū)與從鄰近的綠色和紅色像素中的任一像素發(fā)展而來的耗盡區(qū)分離開，從而減少經(jīng)由基底56上的電容耦合而發(fā)生的像素間串擾。深二區(qū)54c通過屬于第二導電型的第二區(qū)57b、55b而電連接到轉(zhuǎn)換開關117b。轉(zhuǎn)換開關117b包括柵極58b和漏極擴散(第二導電型且位于基底56的頂界面處)，所述漏極擴散也是傳感節(jié)點111。傳感節(jié)點111進一步連接到輸出晶體管116和復位開關112 (只以符號示出)。淺二區(qū)54a通過第二導電型的第二區(qū)55e而電連接到轉(zhuǎn)換開關117e。轉(zhuǎn)換開關117e包括柵極58e和漏極擴散(第二導電型)，所述漏極擴散也是傳感節(jié)點111"。傳感節(jié)點111〃進一步連接到輸出晶體管116〃和復位開關112〃(只以符號示出)。中二區(qū)54b通過一系列第二區(qū)57f而電連接到圖8中的擴散節(jié)點Vsink,但是該擴散可以用類似于第二區(qū)55e和表面第一區(qū)66a的布置以及類似于轉(zhuǎn)換開關117e的開關來替換，如圖1Oc中示意性地示出，下文將對此進行描述。額外的第一區(qū)66a、66b防止從不同的光電二極管100b、100e、IOOf發(fā)展而來的耗
盡區(qū)互相合并。圖9所示為通過圖8中所示品紅色像素中的堆疊式光電二極管的凈摻雜濃度的縱剖面。“A”表示淺二區(qū)54A的凈摻雜濃度。“B”是淺一區(qū)65a的凈摻雜濃度?！癈”是中二區(qū)54b的凈摻雜濃度?！癉”是深一區(qū)65b的凈摻雜濃度。“E”是深二區(qū)54c的凈摻雜濃度?！癊”之后是基底56的凈摻雜濃度。圖10A、圖10B、圖1OC所示為用于對連接到該堆光電二極管內(nèi)的中間光電二極管IOOf的終端Vsink進行驅(qū)動的三種替代性配置。圖1OA所示為連接到地線的Vsink終端。圖1OB所示為由緩存器驅(qū)動的Vsink終端，所述緩存器在地線與電壓源之間切換，其中所述電壓源可以提供可調(diào)式電壓電平。圖1OC所示為由緩存器通過開關驅(qū)動的Vsink終端，并且所述緩存器對可調(diào)式電壓源進行緩存。當在淺光電二極管IOOe或深光電二極管IOOb中開始電荷積累過程時，Vsink終端可以保持一個預定的電壓電平，并且當電荷積累過程結(jié)束時，保持一個預定的電壓電平。更優(yōu)選地，當在淺光電二極管IOOe或深光電二極管IOOb中開始電荷積累過程時，Vsink終端可以保持第一電壓電平，并且當電荷積累過程結(jié)束時保持在所述第一電壓電平。更優(yōu)選地，在電荷積累的整個過程中，Vsink終端可以保持恒定電壓。中性區(qū)從中二區(qū)54b延續(xù)到Vsink終端。該中性區(qū)具有入-終端的電壓，并且用于掃除中二區(qū)54b內(nèi)的電子。波長約500+/-20nm的光子不會被淺二區(qū)54a吸收但是會被中二區(qū)54b吸收，從而在中二區(qū)54b中產(chǎn)生自由電子。這些自由電子從基底中被清除，以便防止它們被深光電二極管IOOb捕獲，否則這會使深光電二極管具有波長在500+/-20nm范圍內(nèi)的光譜響應。同樣地，當轉(zhuǎn)換開關117e (或117b)處于導電狀態(tài)以將電荷從淺二區(qū)54a和深二區(qū)54c中的一者或另一者轉(zhuǎn)移到處于漂浮狀態(tài)的傳感節(jié)點111"(或111)時，中二區(qū)可以電氣地保持在某個電勢。圖11所示為作為穿透深度的函數(shù)的、光子在硅中的穿透概率。確切地說，它示出了:(A)450nm波長(藍色)光子中約90%被吸收在硅中的前Iiim內(nèi)；(B)650nm波長(紅色)光子中40%在2 ii m內(nèi)被吸收，50%在3 ii m內(nèi)被吸收；以及(C)在I y m與2 y m之間，硅吸收650nm波長光子中的20%，550nm波長(綠色)光子中的30%以及450nm波長(藍色)光子中的10%。圖12所示為作為空氣中光波長的函數(shù)的、深光電二極管IOOb和淺光電二極管IOOe分別具有的光子吸收效率。該吸收效率是由特定波長(在空氣中)的光子產(chǎn)生的載流子被光電二極管捕獲的概率。被中間光電二極管IOOf捕獲的載流子經(jīng)由Vsink終端而移除。如圖12所示，淺光電二極管IOOe的吸收效率在紫色區(qū)(波長<450nm)中最大并且當波長增加到超過450nm時穩(wěn)定地減小，直到在紅色范圍(波長>600nm)中趨近于0.2。另一方面，對于深光電二極管100b，吸收效率在紅色范圍內(nèi)最大，約為0.25，而隨著波長減小到500nm而穩(wěn)定地下降到0.05以下。品紅色濾光片114M對于波長在500nm與600nm之間的綠光應具有低透光率，最小值達到10%或更小。它對于波長在400nm與500nm之間的藍光應具有高透光率，其峰值為450nm+/-20nm,從而實現(xiàn)該峰值透光率至少是綠色時最小值的四倍。它對于波長大于600nm的紅光也應具有高透光率，在650nm+/-30nm處達到最大透光率的10%以內(nèi)。圖13所示為作為空氣中光波長的函數(shù)的、第一品紅色濾光片的透光率。該透光率具有兩個峰區(qū)，一個以波長450nm (“藍色峰”)為中心，另一個以波長650nm (“紅色肩”)為中心，并且在波長500nm與600nm之間具有谷，此外，在波長小于410nm時下降到小于藍色峰最大透光率的10%。應注意，如果在像素陣列12上應用的品紅色濾光片和/或紅色濾光片的透光率如圖13所示在紅色范圍(600nm到700nm)內(nèi)具有肩，而不是在650+/_20nm以后呈現(xiàn)下降趨勢，那么紅外線濾光片可以部署在像素陣列12前方的光路徑中，使得品紅色/紅色濾光片與紅外線濾光片的復合透光率在650+/-20nm以后下降到遠遠小于紅色范圍的峰值透光率，優(yōu)選是在波長700nm時小于10%。圖14所示為連同第一品紅色濾光片的深光電二極管IOOb和淺光電二極管IOOe中的光譜響應，以及兩者之間的加權(quán)差分。淺光電二極管IOOe中的光譜響應，標記為淺1，在藍色范圍(400nm到500nm)內(nèi)呈鐘形，其峰值中心在430nm與470nm之間，并且在550nm附近具有最小值。淺I在紅色范圍內(nèi)具有肩，其高度約為藍色范圍內(nèi)峰值的四分之一。另一方面，深光電二極管IOOb中的光譜響應，標記為深I，類似于淺I在紅色范圍內(nèi)具有肩，但是在藍色范圍內(nèi)的響應可忽略。淺I和深I中的光譜響應在約550nm+/_20nm處具有最小值，這是因為在該波長范
圍內(nèi)第一品紅色濾光片的透光率具有最小值。圖14還示出了復合光譜響應，它是淺I與深I之間的加權(quán)差分，即淺1-K倍深1，其中權(quán)數(shù)K在該實例中為1，但是實際上可以大于I或小于I。該復合光譜響應在藍色范圍內(nèi)遵照淺I響應，但是在紅色范圍內(nèi)大大減弱，從而產(chǎn)生基本上只響應于藍光的復合光譜響應，即，藍色光譜響應。應注意，如先前所述，當紅外線濾光片設置在像素陣列12前方的光路徑中時，第一品紅色濾光片與紅外線濾光片的組合透光率在650nm+/-20nm與700nm之間呈現(xiàn)下降趨勢。因此，考慮到紅外線濾光片，淺I光譜響應將展示出中心在650nm+/-20nm的峰，它基本上是紅色光譜響應，盡管是大大減弱的響應，其峰值響應只有0.2。圖15所示為作為空氣中光波長的函數(shù)的、第二品紅色濾光片的透光率。類似于圖13中的第一品紅色濾光片，第二品紅色濾光片的透光率具有兩個峰值范圍，一個以波長450nm (“藍色峰”)為中心，另一個以波長650nm (“紅色峰”)為中心，并且在波長500nm與600nm之間具有谷，以及在波長小于410nm時下降到小于藍色峰最大透光率的10%。圖16所示為連同第二品紅色濾光片的深光電二極管IOOb和淺光電二極管IOOe中的光譜響應，以及兩者之間的加權(quán)差分。淺光電二極管IOOe中的光譜響應，標記為淺2，在藍色范圍內(nèi)呈鐘形，其峰值中心在430nm與470nm之間，并且在550nm附近具有最小值。不同于淺I的是，淺2在紅色范圍內(nèi)具有峰而不是肩，這是因為第二紅色濾光片的透光率中本身具有紅外線分界。淺2在藍色范圍內(nèi)的峰值水平約為其在紅色范圍內(nèi)峰值的兩倍。深光電二極管IOOb中的光譜響應，標記為深2，類似于淺2在紅色范圍內(nèi)具有峰，但是在藍色范圍內(nèi)的響應可忽略。淺2和深2中的光譜響應在約550nm+/-20nm處具有最小值，這是因為在該波長范圍內(nèi)第二品紅色濾光片的透光率具有最小值。圖16還示出了復合光譜響應，它是淺2與深2之間的加權(quán)差分，即淺2-K倍深2，其中權(quán)數(shù)K在該實例中為1，但是實際上可以大于I或小于I。該復合光譜響應在藍色范圍內(nèi)遵照淺2光譜響應，但是在紅色范圍內(nèi)大大減弱，從而產(chǎn)生基本上只響應于藍光的光譜響應，即，藍色光譜響應。注意，K的選擇所依據(jù)的是紅色范圍內(nèi)的淺2和深2 (或同樣地，上面的淺I和深1，或下面的淺3和深3)光譜響應的高度，這樣，復合響應對紅光的響應與對藍光的響應相比可以忽略，這兩者比率為1:7或更小。盡管在上述實例中，K為1，但是實際上K可以是不同的數(shù)，大于I或小于I均可。此外，盡管上述實例沒有示出來自淺光電二極管的信號上的增益因數(shù)，但是實際上各信號(來自淺光電二極管和深光電二極管)都會有相應的增益。只出于說明的簡潔性，在上述實例中去除了常見的增益因數(shù)，這樣淺光電二極管信號的增益為I。換句話說，上述實例中的K因數(shù)可以被認為是以下兩者的比:深光電二極管信號上的增益因數(shù)與淺光電二極管信號上的增益因數(shù)。品紅色像素的第二實施例圖17所示為根據(jù)本發(fā)明的品紅色像素的第二實施例14b’的縱斷面。其中不存在第一實施例中的淺一區(qū)65a和深一區(qū)65b。圖18所示為品紅色像素的第二實施例14b’的摻雜濃度的縱剖面；圖19所示為從淺二區(qū)54a延伸的耗盡區(qū)(在中二區(qū)54b中上部虛線上方)以及從深二區(qū)54c延伸的耗盡區(qū)(在中二區(qū)54b中下部虛線與深二區(qū)54c中上部虛線之間)，這兩個區(qū)將在中二區(qū)54b的跨度上水平延伸的中性區(qū)(標為“yyyyy”并且以中二區(qū)54b內(nèi)上部虛線和下部虛線為邊界)夾在中間。在淺光電二極管100e’和深光電二極管100b’中一者或兩者的電荷積累過程中，中性區(qū)可以得以保持。中性區(qū)將從附近耗盡區(qū)或受該中性區(qū)內(nèi)光子吸收而進入其中的任何電子掃除到Vsink終端。中性區(qū)還減弱了淺光電二極管100e’與深光電二極管100b’之間的電容稱合,方法是通過將從它們各自的第二區(qū)54a、54c延伸出去的耗盡區(qū)之間的連接限制在中二區(qū)54b與圖17中右方的勢壘區(qū)64之間的窄通道(標為“xxxxx”)中，如果存在該窄通道的話。品紅色像素的第三實施例圖20所示為根據(jù)本發(fā)明的品紅色像素的第三實施例14b〃的縱斷面。品紅色像素14b〃與品紅色像素14b的不同之處在于，所述品紅色像素14b〃中不存在中二區(qū)IOOf和深一區(qū)65b。因此，深光電二極管IOOb〃中的深二區(qū)54d可以在較淺的深度處開始，例如1.7um，并且向下延伸到基底56中。盡管圖20示出了深二區(qū)54d開始于第一區(qū)65a結(jié)束的地方，但是在這兩個區(qū)之間可以存在間隙并且該間隙可以具有基底56的摻雜濃度和導電型，因為耗盡區(qū)將從淺一區(qū)65a向下延伸，穿過該間隙，然后進入深二區(qū)54d。該耗盡區(qū)足夠建立電場以將電子掃除到深二區(qū)54d中。第一區(qū)65a比基底56具有更大的凈摻雜濃度并且被夾在淺二區(qū)54a與深二區(qū)54d之間。當轉(zhuǎn)換開關117e (或117b)處于導電狀態(tài)以將電荷從淺二區(qū)54d和深二區(qū)54d中的一者或另一者轉(zhuǎn)移到處于漂浮狀態(tài)中的傳感節(jié)點111’’(或111)時，第一區(qū)65a使分別從淺二區(qū)54a與深二區(qū)54d延伸出去的耗盡區(qū)保持分離。當淺二區(qū)54a和深二區(qū)54d中的一者或兩者上積累電荷時，第一區(qū)65a也會使分別從淺二區(qū)54a與深二區(qū)54d延伸出去的耗盡區(qū)保持分離。圖21所示為品紅色像素的第三實施例14b〃的縱摻雜剖面?！癆”表示淺二區(qū)54a的摻雜濃度?！癇”是淺一區(qū)65a的摻雜濃度?！癊”是深二區(qū)54d的摻雜濃度?！癊”之后是基底56的摻雜濃度。圖22所示為作為未過濾的光波長的函數(shù)的、第三實施例中深光電二極管IOOb〃和第三實施例中淺光電二極管IOOe分別具有的光子吸收效率。該吸收效率是由特定波長(在空氣中)的光子產(chǎn)生的載流子被光電二極管捕獲的概率。如圖22所示，淺光電二極管IOOe的吸收效率在紫色范圍(波長<450nm)內(nèi)最大并且在450nm之后隨著波長的增加而穩(wěn)定地減小，而在紅色范圍(波長>600nm)中則趨近于0.2。另一方面，對于550nm與650nm之間的波長，深光電二極管100b〃的吸收效率在紅色范圍內(nèi)最大，值約為0.5，隨著波長減小到450nm則穩(wěn)定地下降到0.05以下。圖23所示為連同第一品紅色濾光片的、第三實施例中的深光電二極管IOOb 〃和淺光電二極管IOOe中的光譜響應，以及為兩者之間的加權(quán)差分的復合光譜響應。淺光電二極管IOOe中的光譜響應，標記為淺3，在藍色范圍內(nèi)呈鐘形，其峰值中心在430nm與470nm之間，并且在550nm波長附近具有最小值。如同淺1，淺3在紅色范圍內(nèi)具有肩，這是因為第一紅色濾光片的透光率本身不具有紅外線分界。淺3在紅色范圍內(nèi)的峰值水平約為其在藍色范圍內(nèi)峰值的四分之一。深光電二極管100b〃中的光譜響應，標記為深3，在紅色范圍內(nèi)具有形狀類似于淺3的肩但高度是其兩倍的肩。在藍色范圍內(nèi)，光譜響應具有小峰，其中心在480nm波長附近，該峰值是肩的一半。淺3和深3中的光譜響應在550nm+/-20nm附近具有最小值，這是因為在該波長范圍內(nèi)第一品紅色濾光片的透光率具有最小值。圖23還示出了:為淺3與深3之間的加權(quán)差分的復合光譜響應，即，淺3-K倍深3，其中權(quán)數(shù)K經(jīng)選擇為0.5。該復合光譜響應在藍色范圍內(nèi)幾乎遵照淺3光譜響應，但是出于所選K值的緣故，所述符合光譜響應在紅色范圍內(nèi)大大減弱，從而產(chǎn)生基本上只響應于藍光的光譜響應，即，藍色光譜響應。紅色像素圖24到圖27描述了紅色像素14d的各實施例。圖24所示為根據(jù)本發(fā)明的紅色像素14d的一項實施例的縱斷面。光電二極管IOOd包括在基底56中垂直堆疊并且互相連接的多個第二區(qū)54d、54e、54f。第二區(qū)54d、54e、54f為第二導電型。在電荷積累過程中，存在連續(xù)的中性區(qū)，該中性區(qū)在所有這三個第二區(qū)上連續(xù)并且連接這三個第二區(qū)。最高的第二區(qū)54d位于表面第一區(qū)63下方，所述表面第一區(qū)防止從最高的第二區(qū)54d發(fā)展而來的耗盡區(qū)到達基底56的頂界面，否則將會產(chǎn)生高泄漏電流。從紅色像素14d上方入射的光由紅色濾光片114R過濾，繼續(xù)穿過光導130、116，然后進入第二區(qū) 54d、54e、54f。第二區(qū)54d、54e、54f通過第二導電型的連接式第二區(qū)55d而電連接到轉(zhuǎn)換開關117d。轉(zhuǎn)換開關117d包括柵極58d和漏極擴散(第二導電型并且在界面處)，所述漏極擴散也是傳感節(jié)點111’。傳感節(jié)點111’進一步連接到輸出晶體管116’和復位開關112’(只以符號示出)。
盡管所示為三個區(qū)的堆疊，但是連接式第二區(qū)的堆疊可以包括四個，或五個或更多個連接式第二區(qū)，這些第二區(qū)在電荷積累過程中通過連續(xù)的中性區(qū)仍保持自身的電連接，所述連續(xù)的中性區(qū)從最低的第二區(qū)內(nèi)延伸到最高的第二區(qū)54d。最低的第二區(qū)的深度優(yōu)選在1.5 ii m至Ij 3 ii m之間。勢壘區(qū)64，在第二區(qū)54e、54f的一側(cè)各有一個，每個勢壘區(qū)在其內(nèi)具有中性區(qū)，所述中性區(qū)防止從第二像素14d中的第二區(qū)橫向發(fā)展而來的耗盡區(qū)與來自鄰近的綠色像素14a、14c或品紅色像素14b中任一者的耗盡區(qū)發(fā)生合并。圖25所示為根據(jù)本發(fā)明的紅色像素的替代性實施例14d’的縱斷面。第二區(qū)54d、54e、54f的堆疊用正好位于表面第一區(qū)63下方的第二區(qū)54d’替換。第二區(qū)54d’通過連接式第二區(qū)55d’連接到轉(zhuǎn)換開關117d。該實施例14d’可以作為針扎光電二極管來進行構(gòu)建和操作，這樣在復位過程中，當轉(zhuǎn)換開關117d和復位開關112’均接通時，第二區(qū)54d’和連接式第二區(qū)55d’完全耗盡電子。第二區(qū)55d’進入基底56中的深度優(yōu)選不超過I ym，以便在光電二極管上的反偏壓為3伏特或更小時確保完全耗盡。勢壘區(qū)64產(chǎn)生橫向電場，所述橫向電場將電子橫向地推向中心位于第二區(qū)54d下方的區(qū)域，從而減少像素間串擾。圖26所示為作為光波長的函數(shù)的、第一紅色濾光片的透光率。圖27所示為作為光波長的函數(shù)的、第二紅色濾光片的透光率。產(chǎn)生品紅色像素中的紅色像素值圖34為相機處理器212的方框圖。處理器212經(jīng)由總線接口 240來接收從圖像傳感器的像素陣列12中生成的馬賽克圖像?？偩€接口 240可以是從圖像傳感器10所生成的圖像數(shù)據(jù)一次接收一個數(shù)據(jù)位的串行接口，或同時接收像素的所有數(shù)據(jù)位的并行接口?；蛘?，其可以是混合接口，它在一個時刻從總線66及時地接收像素的兩個或兩個以上數(shù)據(jù)位，在另一不同時刻及時地接收像素的另外一個或多個數(shù)據(jù)位。馬賽克圖像數(shù)據(jù)存儲在緩存器220中。處理器可以具有DMA控制器，該控制器控制著馬賽克圖像數(shù)據(jù)往位于處理器212外的存儲器(未圖示)的轉(zhuǎn)移以及從該存儲器的轉(zhuǎn)移，以存儲大量圖像數(shù)據(jù)。緩存器將馬賽克圖像數(shù)據(jù)輸出到去馬賽克單元222。去馬賽克單元222產(chǎn)生馬賽克圖像中丟失的色彩。色彩修正單元224對去馬賽克單元222所輸出的色彩內(nèi)插圖像執(zhí)行色彩修正。相機處理器212可以包括白平衡修正單元(未圖示)，以將圖像修正而達到更好的白平衡。圖像壓縮單元226接收彩色圖像并且執(zhí)行圖像壓縮，以產(chǎn)生壓縮圖像，所述壓縮圖像的圖像數(shù)據(jù)量減小。所述壓縮圖像最終經(jīng)由在輸出接口 242處連接到相機處理器212的數(shù)據(jù)總線而存儲在存儲裝置216中。馬賽克圖像產(chǎn)生自像素陣列12，其包括多個紅色圖像像素、多個綠色圖像像素和多個品紅色圖像像素，其布置方式如圖5A或圖5B中所示。該馬賽克圖像可以用圖34中所示的處理器212經(jīng)由總線66和總線接口 240從圖像傳感器10接收到緩存器220中，隨后用去馬賽克單元222處理以重建完整的彩色圖像。去馬賽克單元222在總線246上輸出完整的彩色圖像。在馬賽克圖像中，每個紅色圖像像素具有紅色像素值，但是不具有藍色或綠色像素值。每個綠色圖像像素具有綠色像素值，但是不具有藍色或紅色像素值。每個品紅色圖像像素具有從相應淺光電二極管IOOe產(chǎn)生的淺光電二極管值以及從相應深光電二極管IOOb產(chǎn)生的深光電二極管值。淺光電二極管值具有強的藍色光譜響應。深光電二極管值主要具有紅色光譜響應，該光譜響應的強度不到紅色圖像像素值的光譜響應強度的一半。為了從馬賽克圖像重建出完整的彩色圖像，可以在去馬賽克單元222中應用色彩內(nèi)插方法，以便為綠色圖像像素產(chǎn)生紅色和藍色圖像像素值，并且為紅色圖像像素產(chǎn)生藍色和綠色像素圖像值。對于品紅色圖像像素，其藍色圖像像素值可以通過淺光電二極管信號與深光電二極管信號之間的加權(quán)差分而由去馬賽克單元222來產(chǎn)生，如上文中淺1-K倍深1、淺2-K倍深2以及淺3-K倍深3的復合信號產(chǎn)生方法中所論述，其中K經(jīng)選擇使得復合信號中的紅色響應可忽略?；蛘撸绱诵纬傻闹饕獮樗{色響應而紅色響應可忽略的復合信號，可以在圖像傳感器10中形成并且代替淺光電二極管信號而提供給處理器212。另一方面，僅僅從深光電二極管IOOb所產(chǎn)生的深光電二極管信號D中產(chǎn)生品紅色圖像像素中的紅色圖像像素值，存在重大缺點。這樣做使所得的完整彩色圖像在紅色通道中的像素之間不均勻，這是因為紅色像素中的光電二極管IOOd與品紅色像素中的深光電二極管IOOb之間的光譜響應中存在差異。另外，在紅色范圍內(nèi)，深光電二極管IOOb的峰值光譜響應遠遠弱于紅色像素光電二極管100d，從而在深光電二極管信號D中產(chǎn)生較差的SNR。但是通過從鄰近的紅色圖像像素(以及可能鄰近的濾色像素)中插入而不考慮深光電二極管信號來產(chǎn)生品紅色圖像像素中的紅色像素值，也是不合適的。本發(fā)明的一方面是要提供一種方法，所述方法使用深光電二極管信號D來產(chǎn)生品紅色像素中的紅色像素值R，而不具有上述缺點。圖28到圖33描述了品紅色像素14b、14b’、14b〃中的紅色像素值是怎樣產(chǎn)生的。可以觀察到，如果從馬賽克圖像中的鄰近圖像像素中插入色彩(即，去馬賽克)而產(chǎn)生的品紅色圖像像素(對應于像素陣列12中的品紅色像素14b)中的內(nèi)插紅色像素值Y足夠接近僅僅從深光電二極管信號D產(chǎn)生的紅色像素值，那么選擇或優(yōu)選所述內(nèi)插紅色像素值Y是合適的，因為所得的SNR和色彩均勻性更好并且因為這兩個紅色像素值之間的差值可能存在，該差值存在原因是存在噪音，主要是因為需要將微弱的深光電二極管信號隨著其從深光電二極管IOOb的傳播行為來進行放大。還觀察到，在品紅色圖像像素中存在兩個(或兩個以上)可能的內(nèi)插紅色像素值Y和Z的情況下，如果僅僅從深光電二極管信號D產(chǎn)生的紅色像素值足夠接近所述內(nèi)插紅色像素值中的一個值，那么應選擇(或優(yōu)選)最接近的內(nèi)插紅色像素值，同樣是因為，噪聲存在會產(chǎn)生所述差值?？蛇M一步觀察到，另一方面，如果沒有一個內(nèi)插紅色像素值足夠接近，那么應選擇(或優(yōu)選)僅僅從深光電二極管信號D中產(chǎn)生的紅色像素值。在所有上述觀察信息中，內(nèi)插紅色像素值Y (或Z)被認為足夠接近僅僅從深光電二極管信號D中產(chǎn)生的紅色像素值，前提是這兩者之間的差值在后者的噪音標準差Od的預定倍數(shù)之內(nèi)。例如，該倍數(shù)可以是2.5，這樣當內(nèi)插紅色像素值在深光電二極管信號D的O D的2.5倍之內(nèi)時，那么該內(nèi)插紅色像素值被選擇或優(yōu)選(例如在加權(quán)平均數(shù)中給予較高的權(quán)數(shù)，以產(chǎn)生品紅色像素中的紅色像素值)，然而，如果情況相反，那么內(nèi)插紅色像素值不被選擇或被給予較低優(yōu)選權(quán)(例如，在加權(quán)平均數(shù)中給予較小權(quán)數(shù))。注意，噪音標準差oD可以是深光電二極管信號D的函數(shù)并且是沿著深光電二極管信號D的信號路徑的放大增益的函數(shù)。換句話說，當深光電二極管信號D單獨指示的紅色像素值足夠接近內(nèi)插紅色像素值Y時，品紅色像素中的所產(chǎn)生紅色像素值R應較少地遵照深光電二極管信號D ;而當情況相反時，應更多地遵照深光電二極管信號D。就去馬賽克單元222的可測輸入/輸出參數(shù)而言，在本發(fā)明的該方面的方法中，品紅色像素中的所產(chǎn)生紅色像素值R是至少深光電二極管信號D以及鄰近的紅色圖像像素的紅色像素值的函數(shù)，這樣品紅色像素中的所產(chǎn)生紅色像素值R關于深光電二極管信號D的導數(shù)具有至少一個最小值。與最小值的遠距離值相比，在該最小值附近，品紅色像素中的所產(chǎn)生紅色像素值R的變化隨深光電二極管信號D的變化較小(即，并不是很遵照深光電二極管信號D)。借助于該最小值，深光電二極管對該最小值處和附近產(chǎn)生的紅色像素值R的噪音貢獻較小。此外，由于該最小值，在該最小值處和附近產(chǎn)生的紅色像素值R更多地受到內(nèi)插紅色像素值Y的“控制”，從而不易受到深光電二極管IOOb中的光譜響應與鄰近的紅色像素光電二極管IOOd中的光譜響應之間差值的影響。該最小值在深光電二極管信號D的范圍內(nèi)的位置應為馬賽克圖像中鄰近的紅色圖像像素的至少一個紅色像素值的函數(shù)(即，應隨之變化)。從另個角度來看，在本發(fā)明的該方面的方法中，繪出的品紅色圖像像素中的所產(chǎn)生紅色像素值R相對深光電二極管信號D呈現(xiàn)出一條曲線，該曲線具有較平直區(qū)段(例如，圖29中在120與130的R值之間的信號R)，該較平直區(qū)段表示所產(chǎn)生的紅色像素值R中某些范圍內(nèi)的值，其中較平直區(qū)段比整體曲線更加平直。換句話說，在較平直區(qū)段中，所產(chǎn)生的紅色像素值R在較平直區(qū)段內(nèi)的導數(shù)值應小于整個曲線上的平均斜率。在該區(qū)段中，所產(chǎn)生的紅色像素值R “不愿意”隨深光電二極管信號D而變。此外，該較平直區(qū)段在可能的紅色像素值的整個范圍內(nèi)的位置應為至少一個鄰近的(與品紅色圖像像素相鄰近)紅色圖像像素的紅色像素值的函數(shù)。該位置還可能是鄰近的綠色圖像像素的綠色像素值的函數(shù)。該方法用以下兩個實例來說明。為了說明的簡單，將僅僅從深光電二極管信號D中產(chǎn)生的紅色像素值取值為深光電二極管信號D本身，其中D被假定為經(jīng)放大使得其在紅色范圍內(nèi)的峰值響應等于或約等于紅色像素值的峰值響應(從而其噪音比后者高數(shù)倍)。同樣為了說明的簡單，還假定預失真(例如，伽馬預失真)已在深光電二極管信號D上執(zhí)行，使得深光電二極管信號D與僅僅 從深光電二極管信號D中產(chǎn)生的紅色像素值之間的關系是線性的。圖28所示為作為beta的函數(shù)的、深光電二極管信號D的權(quán)數(shù)wD的一項實例的變化，其中beta用于測量以下兩者的比率:深光電二極管信號D與無關深光電二極管信號D的內(nèi)插信號Y之間的差值，同深光電二極管信號D中噪音的多個標準差。(beta=l/a |Y_D|/od，其中 a 彡 I)。作為第一說明，圖28中所示的權(quán)數(shù)wD運用于深光電二極管信號D，而(1-wD)運用于內(nèi)插紅色像素值Y。S卩，R=wd D+(1-wD) Y，其中R是所產(chǎn)生的用于品紅色圖像像素的紅色像素值。假定，對于鄰近的圖像像素的給定像素值，品紅色圖像像素中只存在單個內(nèi)插紅色像素值。圖29所示為深光電二極管信號D與品紅色像素中的所產(chǎn)生紅色像素信號R之間的關系。內(nèi)插紅色像素值Y固定為125。Od為20。深光電二極管信號D發(fā)生變化。該圖示出了在|Y_D|小于15 (從而導致beta=l/a IY - D | / o D〈0.75)的情況下，品紅色圖像像素中的所產(chǎn)生紅色像素值R被拉向內(nèi)插值Y，即125，否則它隨著深光電二極管信號D變化更快。就圖28中所示的權(quán)數(shù)wD而言，可以理解如下。隨著beta下降到0.75以下，深光電二極管信號D對于品紅色圖像像素中的所產(chǎn)生紅色像素值的貢獻向著0.3下降，而對內(nèi)插像素值Y的貢獻向著0.7增加。圖30所示為圖29中的紅色像素信號R關于深光電二極管信號D的導數(shù)。該導數(shù)在D=125時具有最小值0.4。遠離最小值，例如，D>160或D〈100，該導數(shù)呈現(xiàn)出基本上恒定的較大值I。注意，如果由去馬賽克單元222接收到的深光電二極管信號D未預失真，而所產(chǎn)生的紅色像素值需要預失真，那么在紅色像素值Y的范圍的上端，該導數(shù)將再次逐漸減小。進一步注意，如果由去馬賽克單元222接收到的深光電二極管信號D未經(jīng)預放大，從而無法將其在紅色范圍內(nèi)的光譜響應與紅色像素的紅色像素值相匹配，或者如果馬賽克圖像的像素值信號與去馬賽克單元222輸出的重建的完整彩色圖像占據(jù)不同的范圍，那么該導數(shù)可能為不同于I的值。作為第二說明，圖31到圖33描述了兩個不同的內(nèi)插值Y和Z如何與深光電二極管信號D—起用于產(chǎn)生品紅色像素中的紅色像素值R。在該說明中，Y為165, Z為135, o D為20。圖31所示為深光電二極管信號D、第一紅色像素信號RY以及第二紅色像素信號RZ之間的關系。第一紅色像素信號RY示出了如果像第一說明中那樣只考慮一個內(nèi)插像素值，對于品紅色圖像像素中鄰近的像素的給定像素值組，品紅色圖像像素中的所產(chǎn)生紅色像素值將如何表現(xiàn)，其中內(nèi)插像素值為Y。另一方面，第二紅色像素信號RZ用于Z。該圖示出了，RY和RZ各自“不愿意”分別在Y和Z附近變化。然而，根據(jù)本發(fā)明的該方面，所產(chǎn)生的紅色像素應在兩個位置處呈現(xiàn)這種“不愿意，，(即，較平直區(qū)段)。這可以通過根據(jù)以下表達式來形成紅色像素值R而實現(xiàn):R=Wdy wDZ D+(l-wDY wDZ)* [(1-Wdy) Y+(1-Wdz) Z]/ (2-wDY-wDZ),其中wDY是圖28中的wD函數(shù)，其中內(nèi)插信號為Y ;而wDZ是圖28中的wD函數(shù)，其中內(nèi)插信號為Z。
`
圖32所示為深光電二極管信號D與產(chǎn)生的紅色像素信號R之間的關系，其具有兩個不同的較平直區(qū)段。可以看到，較低的較平直區(qū)段在紅色值130與140之間?？梢钥吹剑^高的較平直區(qū)段在紅色值160與170之間。清楚的是，與這些較平直區(qū)段外部相比，在這兩個較平直區(qū)段內(nèi)部，來自深光電二極管IOOb的噪音被減弱，因為在這些較平直區(qū)段內(nèi)部，產(chǎn)生的紅色像素值R隨深光電二極管信號D的變化比外部小。圖33所示為圖28中的紅色像素信號R關于深光電二極管信號D的導數(shù)。該導數(shù)分別在深光電二極管信號D的值約為135和170處獲得最小值水平0.4。產(chǎn)生品紅色像素中的藍色像素值用于產(chǎn)生品紅色像素中的藍色像素值的一種簡單方法已經(jīng)如上文參照圖14進行描述，包括形成淺光電二極管信號與深光電二極管信號之間的加權(quán)差分。在替代性實施例中，藍色像素值可以通過用紅色像素信號R來替換深光電二極管信號而形成。結(jié)束語盡管圖34所示的去馬賽克單元222在處理器212中，但是在替代性實施例中它可以是圖像傳感器10的一部分并且經(jīng)由ADC24的輸出總線66而接收從像素陣列12產(chǎn)生的數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)并且在另一不同的總線上輸出重建的完整彩色圖像。
去馬賽克單元222可以只產(chǎn)生品紅色像素中的紅色像素值R，而不是產(chǎn)生所有的綠色、紅色和品紅色像素中所有丟失的色彩。作為代替，它可以在一條總線上提供品紅色像素中的所產(chǎn)生紅色像素值，而另一不同的去馬賽克電路可以產(chǎn)生其他丟失色彩中的一者或多者。最后，所有產(chǎn)生的丟失色彩與馬賽克圖像中的色彩組合在一起，從而形成完整的彩色圖像。盡管所示的重建的完整彩色圖像在圖34中被發(fā)送到色彩修正單元224，但是可以安排所屬領域中已知的其他修正方案。例如，品紅色像素中的所產(chǎn)生紅色像素值可以存儲在存儲裝置216中，隨后可以用計算裝置使其與其他色彩(包括馬賽克圖像中的其他丟失色彩)組合在一起，以形成重建的完整彩色圖像。非易失性存儲器，可以位于相機處理器212的外部或可以是相機處理器212的一部分，例如圖34中所示的只讀存儲器(R0M)228，它可以存儲指令以使去馬賽克單元222根據(jù)本發(fā)明中描述的任何或所有方法來執(zhí)行。盡管在附圖中描述并且示出了某些示例性實施例，但是應理解這些實施例僅僅說明而不限制本發(fā)明，并且本發(fā)明不限于所示和所述的構(gòu)造和布置，因為所屬領域的技術(shù)人員可能想到各種其他修改。
權(quán)利要求
1.一種由第一導電型的半導體基底支撐的圖像傳感器像素陣列，其包括: 排列在第一方向上的一對綠色濾光片； 鄰近所述這對綠色濾光片的紅色濾光片；以及 鄰近所述這對綠色濾光片并且與所述紅色濾光片關于所述這對綠色濾光片位于相對側(cè)的品紅色濾光片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素陣列，進一步包括: 在所述基底中的第二導電型的淺二區(qū)；以及 在所述淺二區(qū)下方的所述第二導電型的深二區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器像素陣列，其中所述第一導電型并且凈摻雜濃度大于所述基底的基底摻雜濃度的第一區(qū)，夾在所述淺二區(qū)與所述深二區(qū)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像傳感器像素陣列，其中在所述淺二區(qū)和所述深二區(qū)中的一者或兩者上積累電荷過程的某一時刻，所述第一區(qū)使分別從所述淺二區(qū)和所述深二區(qū)延伸出去的耗盡區(qū)保持分離。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像傳感器像素陣列，其中當轉(zhuǎn)換開關處于導電狀態(tài)以將電荷從所述淺二區(qū)和所述深二區(qū)中的一者或另一者轉(zhuǎn)移到處于漂浮狀態(tài)中的傳感節(jié)點時，所述第一區(qū)使分別從所述淺二區(qū)和所述深二區(qū)延伸出去的耗盡區(qū)保持分離。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的圖像傳感器像素陣列，其中在所述淺二區(qū)的垂直上方或在所述深二區(qū)的垂直下方不存在所述第二導電型的其他區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項所述的圖像傳感器像素陣列，進一步包括: 設置在所述淺二區(qū)與所述深二區(qū)之間的中二區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的圖像傳感器像素陣列，其中在所述淺二區(qū)和所述深二區(qū)中的一者或兩者上積累電荷過程的某一時刻，所述中二區(qū)受電驅(qū)動而達到某個電勢。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器像素陣列，其中所述中二區(qū)受到電驅(qū)動，其方式是用驅(qū)動電路來驅(qū)動。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器像素陣列，其中所述中二區(qū)因連接到電壓源而受到電驅(qū)動。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的圖像傳感器像素陣列，其中當轉(zhuǎn)換開關處于導電狀態(tài)以將電荷從所述淺二區(qū)和所述深二區(qū)中的一者或另一者轉(zhuǎn)移到處于漂浮狀態(tài)中的傳感節(jié)點時，所述中二區(qū)被電氣地保持在某個電勢。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像傳感器像素陣列，其中所述中二區(qū)受到電驅(qū)動，其方式是用驅(qū)動電路來驅(qū)動。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像傳感器像素陣列，其中所述中二區(qū)因連接到電壓源而受到電驅(qū)動。
14.一種用于從馬賽克圖像形成彩色圖像的方法，所述馬賽克圖像包括紅色圖像像素和品紅色圖像像素，其中所述紅色圖像像素具有第一信號，所述第一信號具有第一基本上紅色光譜響應；并且所述品紅色圖像像素具有第二信號，所述第二信號具有第二基本上紅色光譜響應，所述方法包括: 產(chǎn)生第三信號來表示所述品紅色圖像像素中的紅色，所述第三信號是至少所述第一信號和所述第二信號的函數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第三信號關于所述第二信號的導數(shù)量值具有最小值。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中在所述第二信號的范圍內(nèi)所述最小值的位置隨所述第一信號而變。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中所述量值在所述最小值與所述量值的最大值之間變化了至少兩倍。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第三信號關于所述第一信號的導數(shù)，在所述第二信號達到所述最小值的情況下的值大于在所述第二信號處于另一不同狀態(tài)的情況下的值。
19.根據(jù)權(quán)利要求14到18中任一項所述的方法，其中所述品紅色圖像像素進一步具有第四信號，所述第四信號具有基本上品紅色光譜響應，所述方法進一步包括: 從第二多個所述第四信號中減去第一多個所述第二信號以形成第五信號來表示所述品紅色圖像像素中的藍色。
20.根據(jù)權(quán)利要求14到18中任一項所述的方法，其中所述品紅色圖像像素進一步具有第四信號，所述第四信號具有基本上品紅色光譜響應，所述方法進一步包括: 從第二多個所述第四信號中減去第一多個所述第三信號以形成第五信號來表示所述品紅色圖像像素中的藍色。
21.—種相機處理器,其包括: 去馬賽克單元，所述去馬賽克單元對所述馬賽克圖像執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求14到20中任一項所述的方法以產(chǎn)生所述彩色圖像； 輸入接口，所述輸入接口經(jīng)配置以從圖像傳感器接收所述馬賽克圖像的圖像數(shù)據(jù)。
22.—種攜帶計算機可讀指令的非易失性計算機數(shù)據(jù)存儲媒體，所述指令在由計算裝置執(zhí)行時會使所述計算裝置執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求14到20中任一項所述的方法。
23.一種圖像捕獲設備，其包括: 透鏡； 根據(jù)權(quán)利要求1所述并且通過所述透鏡接收光的圖像傳感器像素陣列；以及 去馬賽克構(gòu)件，所述去馬賽克構(gòu)件用于對所述馬賽克圖像執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求14到20中任一項所述的方法，以產(chǎn)生所述彩色圖像，所述馬賽克圖像產(chǎn)生自所述圖像傳感器像素陣列。
全文摘要
一種圖像捕獲設備，其包括用于綠色、紅色和品紅色的彩色濾光片陣列，所述陣列采用原色貝爾模板(Bayer pattern)的方式布置在半導體基底的上方，不同之處在于用品紅色替換了藍色。穿過所述品紅色濾光片的光單獨積累在品紅色像素中，以分別用于所述基底中的第一光電二極管和較深的第二光電二極管中的淺光電二極管信號和深光電二極管信號。中間光電二極管可以設置在所述第一光電二極管與所述第二光電二極管之間并且在電荷積累過程中保持為固定的電壓電平或復位多次。所述品紅色像素中的紅色像素值是所述深光電二極管信號以及鄰近的紅色像素的紅色像素信號的函數(shù)。在隨后者(鄰近的紅色像素的紅色像素信號)而變的前者(所述深光電二極管信號)的某個值處，它(所述品紅色像素中的紅色像素值)關于前者的導數(shù)中存在最小值。
文檔編號H04N9/04GK103119721SQ201180045690
公開日2013年5月22日 申請日期2011年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者鄭蒼隆 申請人:鄭蒼隆