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TWI566391B - 影像感測器 - Google Patents

影像感測器 Download PDF

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TWI566391B
TWI566391B TW104122871A TW104122871A TWI566391B TW I566391 B TWI566391 B TW I566391B TW 104122871 A TW104122871 A TW 104122871A TW 104122871 A TW104122871 A TW 104122871A TW I566391 B TWI566391 B TW I566391B
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王唯科
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  • Color Television Image Signal Generators (AREA)
  • Optical Filters (AREA)
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Description

影像感測器
本發明係有關於影像感測器，特別是有關於一種影像裝置，其包括紅、綠、藍色濾光膜以及一紅外線穿透濾光膜(infrared pass filter)以得到較佳的色彩平衡。
傳統的彩色照像儀、影像感測器、及像素化影像陣列係使用多個像素或多個像素濾光膜之拜爾圖樣(Bayer pattern)，其具有紅-綠-綠-藍(R-G-G-B)之像素/濾波組態，如第1圖所示。在此種像素化陣列中，感測器包括個別的光學濾光膜以傳遞紅、綠、藍色，並且置於或鍍於個別的像素之上。因此，會有一紅色像素12a、一藍色像素12b、及兩個綠色像素12c以形成一2x2次陣列10，其可重覆置於像素化陣列之中。
三個色彩通道(紅色、綠色、藍色)不僅可讓與紅色、綠色、藍色相關之波長範圍及頻帶的光線穿透，其也會讓在紅外線、近紅外線、或響應頻帶中之大量波長的光線穿透。因此，在具有紅色、綠色、藍色像素下，色彩成像儀之靈敏度或是響應的量子效率通常具有較廣的紅外線或近紅外線響應。舉例來說，傳統的CMOS影像感測器之頻譜響應係如第2圖所示。紅色、綠色、及藍色像素之頻譜響應是可比較的，或是高於可視頻譜之像素響應。來自環境的紅外線也因此會影像 可視頻譜中的色彩響應，且可能會影響影像之色彩還原。這種情況通常稱為紅外線污染(IR contamination)。
在傳統的彩色照像機中，為了要還原一真實彩色 影像，通常會使用一紅外線截止(IR cut-off)濾光片以截斷或降低在紅外線頻帶或頻譜範圍之光線或能量，藉以僅讓可見光穿過濾光膜以被紅-綠-綠-藍像素進行成像，以能降低、限制、或實質上消除紅外線污染。這種紅外線截止濾光膜通常用在玻璃或塑膠元件上的多層鍍膜所實現，例如是一平整玻璃基板，其可加入至照像機之鏡頭組成的元件中，或是加在鏡頭元件之表面上。
本發明係提供一種影像感測器，包括：一濾光膜陣列，用以由一入射光線中取出複數個色彩成份；以及複數個光電元件，用以利用該濾光膜陣列接收該入射光，其中該濾光膜陣列包括：一綠色濾光膜，用以由該複數個色彩成份中取出一綠色成份；一紅色濾光膜，用以由該複數個色彩成份中取出一紅色成份；一藍色濾光膜，用以由該複數個色彩成份中取出一藍色成份；以及一第一紅外線濾光膜，用以取出一第一紅外線成份，其中該第一紅外線濾光膜包括該綠色濾光膜之材料以及具有一特定波長之一紅外線高通濾光膜之材料。
本發明更提供一種影像感測器，包括：一半導體基板，包括複數個光電元件；以及一濾光膜陣列，置於該半導體基板之上，其中該濾光膜陣列包括一綠色濾光膜、一紅色濾光膜、一藍色濾光膜、以及一第一紅外線濾光膜，其中該第一 紅外線濾光膜包括該綠色濾光膜之材料及具有一特定波長之一紅外線高通濾光膜之材料。
12a‧‧‧紅色像素
12b‧‧‧藍色像素
12c‧‧‧綠色像素
10‧‧‧次陣列
210-230、310-330‧‧‧曲線
400A、400B‧‧‧陣列單元
410、420、430、440、450、460、470‧‧‧色彩圖樣
471‧‧‧透明像素
500、600、700‧‧‧影像感測器
510、610、710‧‧‧半導體基板
520、620、720‧‧‧第一階層
530、630‧‧‧第二階層
511-516、611-616、711-716‧‧‧光電元件
521-526、532、533、621-626、632、633、721-726‧‧‧濾光膜
531、631‧‧‧透明材料
第1圖係顯示傳統的拜爾圖樣之示意圖。
第2圖係顯示一CMOS RGB彩色感測器之頻譜響應圖。
第3圖係顯示依據本發明一實施例中之IRP4Gd濾光膜的響應圖。
第4A圖係顯示依據本發明一實施例中之第一色彩馬賽克圖樣的示意圖。
第4B圖係顯示依據本發明一實施例中之第二色彩馬賽克圖樣的示意圖。
第5圖係顯示依據本發明一實施例中之影像感測器的截面圖。
第6圖係顯示依據本發明另一實施例中之影像感測器的截面圖。
第7圖係顯示依據本發明又一實施例中之影像感測器的截面圖。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第3圖係顯示依據本發明一實施例中之IRP4Gd濾光膜的響應圖。本發明中之IRP4Gd濾光膜之設計係混合綠色濾 光膜及紅外線穿透濾光膜(例如為一高通濾光膜)之響應，其可讓波長超過650nm之光線穿過(後述實施例係以IR-pass@650nm濾光膜表示)。舉例來說，綠色濾光膜及紅外線穿透濾光膜之響應係分別如第3圖中之曲線310及320所示。 IRP4Gd濾光膜之響應係如第3圖中之曲線330所示。IRP4Gd濾光膜可用兩種方式來實現，例如是將綠色濾光膜及IR-pass@650nm濾光膜相疊，或是將綠色濾光膜及IR-pass@650nm濾光膜之材料混合為單一材料。
對於本發明中之色彩相減演算法而言，綠色、紅色、及藍色通道之響應可由下列方程式所表示：SG-SIRP4Gd=SG’V
SR-SIRP4Rd=SR’V
SB-SIRP4Bd=SB’V
其中SG、SR、SB係分別表示綠色、紅色、藍色通道之原始信號；SIRP4Gd係表示用於綠色扣除(green deduction)之紅外線穿透濾光膜的信號；SIRP4Rd係表示用於紅色扣除(red deduction)之紅外線穿透濾光膜的信號；SIRP4Bd係表示用於藍色扣除(blue deduction)之紅外線穿透濾光膜的信號；SG’V、SR’V、SB’V係分別表示綠色、紅色、藍色通道之調整後(色彩平衡)的信號。更進一步而言，紅外線信號SIRP4Gd、SIRP4Rd、SIRP4Bd係分別從綠色、紅色、及藍色通道扣除。因此，本發明並不需要在影像感測器前方放置額外的紅外線截止(IR-cut)濾光片，使得本發明可降低整個影像感測器之成本，且相像模組之厚度也更薄。
如上所述，IRP4Gd濾光膜可由將綠色濾光膜及 IR-pass@650nm濾光膜相疊、或是將綠色濾光膜及IR-pass@650nm濾光膜之材料混合為單一材料來實現。此外，IRP4Rd濾光膜可由IR-pass@650nm濾光膜所實現，且IRP4Bd濾光膜可由讓波長超過800nm之光線通過的紅外線穿透濾光膜所實現(後述實施例係以IR-pass@800nm濾光膜表示)。然而，IR-pass@800nm濾光膜(例如為一高通濾光膜)可簡單地將紅色濾光膜及藍色濾光膜之材料混合所實現。
本發明之影像感測器包括一二維像素化成像陣列 (pixelated imaging array)，其包括複數個影像感測像素或是光電元件，安排、置放、或建立於一半導體基板(semiconductor substrate)之上。舉例來說，影像感測器可包括一互補式金屬氧化物半導體(CMOS)或感光耦合元件(CCD)感測器、裝置、或類似元件，其細節可參考後述實施例。
第4A圖係顯示依據本發明一實施例中之第一色彩 馬賽克圖樣(color mosaic pattern)的示意圖。如第4A圖所示，因為使用了紅外線扣除(IR subtraction)演算法，不同的紅外線像素(例如IRP4Rd、IRP4Gd、IRP4Bd)可安置於陣列單元400A中之不同位置。舉例來說，陣列單元400A包括三個水平相鄰的色彩圖樣410、420及430。色彩圖樣410包括紅色、藍色、綠色濾光膜及IRP4Bd濾光膜。色彩圖樣420包括紅色、藍色、綠色濾光膜及IRP4Rd濾光膜。色彩圖樣430包括紅色、藍色、綠色濾光膜及IRP4Gd濾光膜。更適宜地，色彩圖樣410、420及430之每一者在某些實現方式中可單獨使用。
第4B圖係顯示依據本發明一實施例中之第二色彩 馬賽克圖樣的示意圖。選擇性地，色彩圖樣可在陣列單元400B中以2x2視窗之方式排列。陣列單元400B包括色彩圖樣440、450、460及470。色彩圖樣440、450、及460係類似於第4A圖中之色彩圖樣410、420、及430。然而，色彩圖樣470中包括了一透明像素471(例如標示為Clear)。
第5圖係顯示依據本發明一實施例中之影像感測 器的截面圖。影像感測器500包括一半導體基板510、一第一階層520、及一第二階層530。用於不同色彩通道之光電元件511~516(例如分別用於綠色、紅色、藍色、IRP4Rd、IRP4Gd及IRP4Bd)係在半導體基板510上實現。這些色彩濾光膜521~526在第一階層520之順序從左至右分別為綠色濾光膜521、紅色濾光膜522、藍色濾光膜523、IRP4Rd濾光膜524、紅色濾光膜525、以及綠色濾光膜526。第二階層530包括一透明材料531、一藍色濾光膜532、以及一IRP4Rd濾光膜533。透明材料531覆蓋了濾光膜521~524以達到鍍膜表面之平整性。藍色濾光膜532係覆蓋於紅色濾光膜525之上，且藍色濾光膜532及紅色濾光膜525相疊係形成IRP4Bd濾光膜(註：藍色+紅色)，其可讓波長超過800nm之光線通過。IRP4Rd濾光膜533係覆蓋於綠色濾光膜526之上，且IRP4Rd濾光膜及綠色濾光膜526相疊係形成IRP4Gd濾光膜，其可讓波長超過650nm之光線通過。
更進一步而言，雖然上述實施例中具有6種類型之 濾光膜，例如是紅色濾光膜、綠色濾光膜、藍色濾光膜、IRP4Gd濾光膜、IRP4Rd濾光膜、及IRP4Bd濾光膜，上述6種濾光膜之 材料在製造影像感測器500時可簡化為4種材料。舉例來說，因為藍色濾光膜532需置於紅色濾光膜525之上，且IRP4Rd濾光膜533需置於綠色濾光膜526之上，因此這些色彩濾光膜之製造順序依序為綠色濾光膜、紅色濾光膜、藍色濾光膜、及IRP4Rd濾光膜。在植入上述色彩濾光膜後，會執行一「鍍膜平整」之處理，使得透明材料531可置於濾光膜521~524之上以形成一平整表面。
第6圖係顯示依據本發明另一實施例中之影像感 測器的截面圖。影像感測器600包括一半導體基板610、一第一階層620、及一第二階層630。用於不同色彩通道之光電元件611~616(例如分別用於綠色、紅色、藍色、IRP4Rd、IRP4Gd及IRP4Bd)係在半導體基板610上植入。這些色彩濾光膜621~626在第一階層620之順序從左至右分別為綠色濾光膜621、紅色濾光膜622、藍色濾光膜623、IRP4Rd濾光膜624、藍色濾光膜625、以及綠色濾光膜626。第二階層630包括一透明材料631、一紅色濾光膜632、以及一IRP4Rd濾光膜633。透明材料631覆蓋了濾光膜621~624以達到鍍膜表面之平整性。紅色濾光膜632係覆蓋於藍色濾光膜625之上，且紅色濾光膜632及藍色濾光膜625相疊係形成IRP4Bd濾光膜(註：藍色+紅色)，其可讓波長超過800nm之光線通過。IRP4Rd濾光膜633係覆蓋於綠色濾光膜626之上，且IRP4Rd濾光膜633及綠色濾光膜626相疊係形成IRP4Gd濾光膜，其可讓波長超過650nm之光線通過。
影像感測器600係類似於影像感測器500。影像感 測器500及600之不同在於IRP4Bd濾光膜之相疊方式不同。舉例 來說，在第5圖中之影像感測器500的藍色濾光膜532係置於紅色濾光膜525之上，但是第6圖中之影像感測器600的紅色濾光膜632係置於藍色濾光膜625之上。
第7圖係顯示依據本發明又一實施例中之影像感 測器的截面圖。雖然在影像感測器500及600之製程中所使用的材料可簡化到4種材料(例如紅色、藍色、綠色、及IRP4Rd)，影像感測器500及600之製程亦可使用6種材料。舉例來說，除了紅色、藍色、綠色、及IRP4Rd通道之4種材料之外，IRP4Gd及IRP4Bd色彩通道之材料亦可用於影像感測器700中。換言之，藍色濾光膜及紅色濾光膜之材料可混合以產生IRP4Bd通道之材料，且綠色濾光膜及IRP4Rd濾光膜之材料可混合以產生IRP4Gd通道之材料。影像感測器700包括一半導體基板710、以及一第一階層720。用於不同色彩通道之光電元件711~716(例如分別用於綠色、紅色、藍色、IRP4Rd、IRP4Gd及IRP4Bd)係在半導體基板710上實現。這些色彩濾光膜721~726在第一階層720之順序從左至右分別為綠色濾光膜721、紅色濾光膜722、藍色濾光膜723、IRP4Rd濾光膜724、IRP4Bd濾光膜725、以及IRP4Gd濾光膜726。IRP4Bd濾光膜(註：藍色+紅色)可讓波長超過800nm之光線通過，且IRP4Gd濾光膜可讓波長超過650nm之光線通過。
綜上所述，本發明係提供一種影像感測器。該影 像感測器包括用於綠色扣除之一紅外線穿透濾光膜IRP4Gd，其中該IRP4Gd濾光膜可由將綠色濾光膜及IR-pass@650nm濾光膜相疊、或是混合綠色濾光膜及IR-pass@650nm濾光膜之材料 所實現。具有了IRP4Gd濾光膜之材料，用於紅色扣除及藍色扣除之紅外線濾光膜可由已存在的紅色濾光膜、藍色濾光膜、及IRP4Rd濾光膜所實現，故各色彩通道(紅色、藍色、綠色)可具有自己的扣除通道。因此，本發明之影像感測器可為綠色、紅色、藍色通道提供較佳的色彩平衡。更進一步，本發明之影像感測器前面並不需要額外的紅外線截止濾光片，使得本發明可降低整個影像感測器之成本，且相像模組之厚度也更薄。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
500‧‧‧影像感測器
510‧‧‧半導體基板
520‧‧‧第一階層
530‧‧‧第二階層
511-516‧‧‧光電元件
521-526、532、533‧‧‧濾光膜
531‧‧‧透明材料

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括：一濾光膜陣列，用以由一入射光線中取出複數個色彩成份；以及複數個光電元件，用以利用該濾光膜陣列接收該入射光，其中該濾光膜陣列包括：一綠色濾光膜，用以由該複數個色彩成份中取出一綠色成份；一紅色濾光膜，用以由該複數個色彩成份中取出一紅色成份；一藍色濾光膜，用以由該複數個色彩成份中取出一藍色成份；以及一第一紅外線濾光膜，用以取出一第一紅外線成份，其中該第一紅外線濾光膜包括該綠色濾光膜之材料以及具有一特定波長之一紅外線高通濾光膜之材料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該特定波長為650nm，且該第一紅外線濾光膜係由混合該綠色濾光膜之材料及該紅外線高通濾光膜之材料所實現。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該特定波長為650nm，且該第一紅外線濾光膜係將該綠色濾光膜及該紅外線高通濾光膜相疊所實現。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該濾光膜陣列更包括：一第二紅外線濾光膜，用以取出一第二紅外線成份；以及 一第三紅外線濾光膜，用以取出一第三紅外線成份。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之影像感測器，其中該第二紅外線濾光膜係由混合該紅色濾光膜之材料及該藍色濾光膜之材料所實現，且該第二紅外線濾光膜為一紅外線穿透濾光膜，用以讓具有超過800nm之波長的該入射光線穿透。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之影像感測器，其中該第二紅外線濾光膜係將該紅色濾光膜及該藍色濾光膜相疊所實現，且該第二紅外線濾光膜為一紅外線穿透濾光膜，用以讓具有超過800nm之波長的該入射光線穿透。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之影像感測器，其中該第三紅外線濾光膜係由該紅外線高通濾光膜所實現，且該第一紅外線濾光膜係由將該綠色濾光膜及該第三紅外線濾光膜所實現、或是將該綠色濾光膜之材料及該第三紅外線濾光膜之材料混合所實現。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之影像感測器，其中該濾光膜陣列更包括三個水平相鄰陣列單元，其中該三個水平相鄰陣列單元中之一第一陣列單元包括該綠色濾光膜、該紅色濾光膜、該藍色濾光膜、及該第一紅外線濾光膜，且該三個水平相鄰陣列單元中之一第二陣列單元包括該綠色濾光膜、該紅色濾光膜、該藍色濾光膜、及該第二紅外線濾光膜，且該三個水平相鄰陣列單元中之一第三陣列單元包括該綠色濾光膜、該紅色濾光膜、該藍色濾光膜、及該第三紅外線濾光膜。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之影像感測器，其中該濾光膜陣 列更包括排列於一2x2窗的四個陣列單元，且該四個陣列單元包括一第一陣列單元、一第二陣列單元、一第三陣列單元、及一第四陣列單元，其中該第一陣列單元包括該綠色濾光膜、該紅色濾光膜、該藍色濾光膜、及該第一紅外線濾光膜，且該第二陣列單元包括該綠色濾光膜、該紅色濾光膜、該藍色濾光膜、及該第二紅外線濾光膜，且該第三陣列單元包括該綠色濾光膜、該紅色濾光膜、該藍色濾光膜、及該第三紅外線濾光膜，且該第四陣列單元包括該綠色濾光膜、該紅色濾光膜、該藍色濾光膜、及一透明像素。
  10. 如申請專利範圍第4項所述之影像感測器，其中該第一紅外線單元、該第二紅外線單元、及該第三紅外線單元係分別由該綠色成份、該藍色成份、及該紅色成份中扣除以得到色彩平衡之綠色成份、藍色成份、及紅色成份。
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