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CN1617350A - 固态成像设备 - Google Patents

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CN1617350A CNA2004101005973A CN200410100597A CN1617350A CN 1617350 A CN1617350 A CN 1617350A CN A2004101005973 A CNA2004101005973 A CN A2004101005973A CN 200410100597 A CN200410100597 A CN 200410100597A CN 1617350 A CN1617350 A CN 1617350A
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Abstract

在一种固态成像设备中，将基色拜尔滤色镜提供在由具有不同结构的像素所限定的成像像素区上。滤色镜中用于相同色彩的色彩分量滤光器对应于具有相同结构的像素而布置。更具体地，像素基于滤色镜的色彩分量滤光器的排列而布置，或者色彩分量滤光器基于像素的排列而布置。

Description

固态成像设备
技术领域
本发明涉及一种固态成像设备，例如一种CCD图像传感器或者CMOS图像传感器，包括由二维排列的像素定义的成像像素区和滤色镜。
背景技术
一般地，固态成像设备，例如CCD图像传感器和CMOS图像传感器，通常作为微型摄像机安装于数字相机和便携式电话中。固态成像设备包括成像像素区，其中以行和列的形式二维地排列有多个像素，每个像素具有光电转换区，例如光电二极管。像素将成像光转换成信号电荷，将信号电荷转换成电信号，以得到与二维图像相对应的图像信号。
在CCD图像传感器中，由像素中的光电二极管得到的信号电荷通过CCD传输寄存器传送给输出单元，并在一次全部地转换成电信号之后输出。在CMOS图像传感器中，每个像素包括光电二极管和晶体管电路。由光电二极管得到的信号电荷通过晶体管电路转换成电信号，并通过信号线输出。
在这些固态成像设备中，为了捕获色彩图像，例如RGB基色滤光器以马赛克的形式被设置在成像像素区中，一组邻接的像素接收具有R、G、B波长的光分量，并且从色彩分量图像信号获取色彩图像信号。
例如公开号为2000-201355的日本未审查专利申请披露了一种色彩CCD成像设备，该色彩CCD成像设备将具有所谓的基色拜耳(Bayer)模式(pattern)的滤色镜用作具有上述色彩模式的滤色镜。在基色拜耳模式中，一个红色像素、一个蓝色像素和两个绿色像素以2×2阶像素矩阵的形式排列，来确定一个组。
在以下描述中，将限定一个组的四个像素(一个红色像素、一个蓝色像素和两个绿色像素)称为一个基本单元。
在基色拜耳模式中，两个绿色滤光器以平衡方式对角地布置在由四个像素限定的每一个基本单元中。因此，这种模式能有效地确保亮度级别。
在上述固态成像设备中，当每个像素的大小和每个像素中晶体管的数量(在CMOS图像传感器中)减小时，像素有时具有不同的形状(结构)。
附图6是一种具有基色拜耳滤色镜的公知固态成像设备中的成像像素区的像素模式的俯视图。
如附图6所示，多个像素10A和10B基本排列在行列矩阵中。基色拜耳RGB滤色镜20与每个由2×2个像素限定的基本单元12对应地排列。在图中，基本单元和滤色镜由虚线表示的框体包围。
标有A的像素10A和标有B的像素10B结构不同。具有A结构的两个像素10A排列在每个基本单元12的一侧(图中为上侧)，具有B结构的两个像素10B排列在每个基本单元12的另一侧(图中为下侧)。
然而，当基色拜耳滤色镜位于包括不同结构像素的上述固态成像设备中时，图像质量有时会降低，例如，可以在行间(像素行)发现亮度的变化(条纹)。
这是由具有不同结构的像素对位于基色拜耳模式的每个基本单元中的相同绿色滤光器中的分配引起的。
图7和8示出了具有不同结构的像素的例子。图7示出像素中读出晶体管的位置是不相同的。图8示出了像素中光电转换区域的光接收区不相同的情况。
在图7中，用于从像素30A中的光电转换区域31读取电荷的读出晶体管(读出门电路)32的位置与在像素30B中不同。基于这个原因，像素30A和像素30B关于斜侧光具有不同的光接收特征。
在图8中，像素40A中光电转换区域41的大小不同于像素40B(读出晶体管(读出门电路)42的位置是相同的)中的大小。在这种情况下，像素40A和像素40B也具有不同的光接收特征。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种固态成像设备，该固态成像设备具有由不同结构像素所限定的成像像素区，和尽管像素小型化，该固态成像设备仍然可以通过相同色彩的滤色镜和具有不同结构的像素的结合来防止图像质量的降低，从而保证高图像质量。
为了实现上述目的，根据一个方面，本发明提供一种固态成像设备，包括由多个二维排列的像素限定的成像像素区，这些像素包括各自的光电转换区并具有不同结构；还包括滤色镜，该滤色镜包括多个色彩分量滤光器，与各自像素相对应地布置在成像像素区中，从而向像素的光电转换区提供特定的色彩光分量。滤色镜中用于相同色彩的色彩分量滤光器与具有相同结构的像素相对应地布置。
根据另一方面，本发明提供一种固态成像设备，包括由多个二维排列的像素限定的成像像素区，每个像素具有光电转换区；还包括布置在像素上的滤色镜。成像像素区包括多个第一像素和不同于第一像素的结构的多个第二像素。滤色镜中包括的、用于相同色彩的色彩分量滤光器布置在第一像素或第二像素中。
附图说明
图1A至1C的平面图示出了根据本发明第一实施例的具有基色拜尔滤色镜的固态成像设备中成像像素区的像素模式；
图2A至2C的平面图示出了根据本发明第二实施例的具有基色拜尔滤色镜的固态成像设备中成像像素区的像素模式；
图3A至3D的平面图示出了根据本发明第三实施例的具有基色拜尔滤色镜的固态成像设备中成像像素区的像素模式；
图4A至4D的平面图示出了根据本发明第四实施例的具有基色拜尔滤色镜的固态成像设备中成像像素区的像素模式；
图5是固态成像设备(模块型)或应用本发明的摄像机的结构图；
图6A至6C的平面图示出了具有基色拜尔滤色镜的公知固态成像设备中成像像素区的像素模式；
图7的平面图示出了各个像素的读出晶体管的位置互不相同的情况；
图8的平面图示出了各个像素的光电转换区的光接收区域互不相同的情况。
具体实施方式
在本发明的固态成像设备中，当把基色拜尔滤色镜提供给被不同结构的像素限定的成像像素区时，滤色镜中用于相同色彩的色彩分量滤光器对应于具有相同结构的像素而布置。
具体地，像素基于滤色镜中的色彩分量滤光器的排列而布置，或者色彩分量滤光器基于像素的排列而布置。
在前一种情况中，滤色镜中的两个绿色分量滤光器布置在由成像像素区中以两行和两列矩阵排列的四个像素限定的基本单元的第一对角线方向，一个红色分量滤光器和一个蓝色分量滤光器布置在第二对角线方向。分配给绿色分量滤光器的第一像素排列在成像像素区中隔行和隔列的位置，以便总是对应于绿色分量滤光器。这样的排列可以利用公知的滤色镜仅通过改变像素的排列来实现。
在后一种情况中，提供了具有不同结构的第一像素和第二像素，具有相同结构的像素连续排列在像素行方向和像素列方向。在滤色镜中，首先，一个红色分量滤光器和一个蓝色分量滤光器置于基本单元中央的两个第二像素上，两个绿色分量滤光器置于两个对角排列的第一像素上，其间具有两个第二像素。因此，基本单元由排列在实质呈曲柄形的区域中的四个像素限定，两个第一像素和绿色分量滤光器布置在基本单元的对角线上。这样的排列可以仅通过改变滤色镜而不改变像素的排列来实现。
通过上述结构，滤色镜的色彩分量滤光器可以依照像素的结构布置。因此，通过具有不同结构的像素和色彩分量滤光器的结合，可以避免图像质量的下降。
本发明可类似地应用于包括具有其他模式而非基色拜尔模式的滤色镜的固态成像设备。
<第一实施例>
图1A至1C的平面图示出了根据本发明第一实施例的具有基色拜尔滤色镜的固态成像设备中成像像素区的像素模式。
参照图1A至1C，多个像素110A和110B以类似附图6所示的公知固态成像设备的方式，排列在第一实施例的固态图像传感器的行列矩阵中。基色拜尔滤色镜120与在2×2个像素形成的矩形区域中提供的每个基本单元112对应地布置。图中，基本单元112和滤色镜120由虚线表示的框体包围。
与图6所示的像素模式不同，第一实施例中，像素列在垂直方向(列方向)交替变换一个像素。因此，如图1C所示，具有A形结构的像素(第二像素)110A和具有B形结构的像素(第一像素)110B交替排列在垂直和水平两个方向上。
当滤色镜120具有与图6中相似的色彩分量滤光器的模式时，每个基本单元112中的两个绿色分量滤光器与具有B结构的两个像素(第一像素)110B相对应地布置。红色分量滤光器和蓝色分量滤光器与具有A结构的两个像素(第二像素)110A相对应地布置。
因此，也有可能根据像素的结构放置色彩分量滤光器，并因此提高图像的质量。
<第二实施例>
图2A至2C的平面图示出了根据本发明第二实施例的具有基色拜尔滤色镜的固态成像设备中成像像素区的像素模式。
参照图2A至2C，多个像素210A和210B以类似于图1A至1C所示的第一实施例的方式，排列在第二实施例的固态图像传感器的行列矩阵中。基色拜尔滤色镜220与在由2×2个像素形成的矩形区域中提供的每个基本单元212对应地布置。图中，基本单元212和滤色镜220由虚线表示的框体包围。
与图6所示的像素模式不同，第二实施例中，像素行在水平方向(行方向)交替变换一个像素。因此，如图2C所示，具有A结构的像素(第二像素)210A和具有B结构的像素(第一像素)210B交替排列在垂直和水平两个方向上。
当滤色镜220具有与图6中相似的色彩分量滤光器的模式时，每个基本单元212中的两个绿色分量滤光器与具有B结构的两个像素(第一像素)210B相对应地布置。红色分量滤光器和蓝色分量滤光器与具有A结构的两个像素(第二像素)110A相对应地布置，如图6所示。
因此，有可能根据像素的结构放置色彩分量滤光器，并因此提高图像的质量。
<第三实施例>
图3A至3D的平面图示出了根据本发明第三实施例的具有基色拜尔滤色镜的固态成像设备中成像像素区的像素模式。
参照图3A至3D，在第三实施例的固态成像设备中，具有A结构的像素(第二像素)310A的行和具有B结构的像素(第一像素)310B的行以类似于图6所示的公知固态成像设备中的方式交替地排列。然而，基本单元和滤色镜的结构与图6所示的不同。
在第三实施例中，红色分量滤光器和蓝色分量滤光器在每个基本单元312的中心处相邻接，与具有A结构并在水平方向(行方向)上相邻接的两个像素(第二像素)310A相对应。两个绿色分量滤光器布置在具有B结构的两个像素(第一像素)310B上，并且使之在对角线方向上彼此相对，且其间具有两个第二像素310A。也就是说，在基本单元312中，第一像素310B中的一个与第二像素310A中的一个(左边的一个)的列方向上的一侧(较低的一侧)相邻接。另一个第一像素310B与另一个第二像素310A(右边的一个)的列方向上的另一侧(较高的一侧)相邻接。
因此，基本单元312由排列在实质上呈曲柄形区域中的四个像素310A和310B限定。两个第一像素310B和两个绿色分量滤光器布置在基本单元312的对角线上。
在第三实施例中，也有可能根据像素的结构放置色彩分量滤光器，并因此提高图像的质量。
图3A和3B示出了将具有不同结构的像素310A和310B结合成基本单元的方法。具有不同结构的像素310A和310B可以对角排列，如图3A所示，也可垂直地邻接，如图3B所示。尽管在图3C和3D中像素310A和310B垂直邻接、并且绿色分量滤光器布置在相应的位置上，它们仍然可以对角地排列。
<第四实施例>
图4A至4D的平面图示出了根据本发明第四实施例的具有基色拜尔滤色镜的固态成像设备中成像像素区的像素模式。
在第四实施例的固态成像设备中，具有A结构的像素(第二像素)410A的列和具有B结构的像素(第一像素)410B的列，如图所示交替地排列。基本单元412和滤色镜420的结构与上述第三实施例不同。
红色分量滤光器和蓝色分量滤光器在每个基本单元412的中心处相邻接，与具有A结构并在垂直方向(列方向)上相邻接的两个像素(第二像素)410A相对应。两个绿色分量滤光器布置在具有B结构的两个像素(第一像素)410B上，并使之在对角线方向上彼此相对，且其间具有两个第二像素410A。也就是说，在基本单元412中，第一像素410B中的一个与第二像素410A中的一个(上边的一个)的行方向上的一侧(左边)相邻接。另一个第一像素410B与另一个第二像素410A(下边的一个)的行方向上的另一侧(右侧)相邻接。
因此，基本单元412由排列在实质上呈曲柄形区域中的四个像素410A和410B限定。两个第一像素310B和两个绿色分量滤光器布置在基本单元412的对角线上。
在第四实施例中，也有可能根据像素的结构放置色彩分量滤光器，并因此提高图像的质量。
图4A和4B示出了将具有不同结构的像素410A和410B结合成基本单元的方法。具有不同结构的像素310A和310B可以对角排列，如图4A所示，也可水平地邻接，如图4B所示。尽管在图4C和4D中，像素410A和410B水平邻接、并且绿色分量滤光器布置在相应的位置上，它们仍然可以对角排列。
本发明的固态成像设备可以在一个芯片或相当于若干芯片集合体的模块上实现。当固态成像设备作为若干芯片集合体的形式时，它包括例如用于图像捕捉的传感器芯片和用于进行数字信号处理的信号处理芯片，有时还包括如图5所示的光学系统。
在本发明的上述实施例中，表示像素的排列和行的方向的术语“行”和“列”分别指矩阵的水平方向和垂直方向。然而，本发明不限于元件的这种布置方式。例如，信号可以通过水平方向布置的信号线从像素读入成像像素区的部。术语“行”和“列”表示的方向依赖于其定义。因此，例如当“行”表示垂直方向时，本发明的“行”和“列”可作相反的解释。
即使当像素不以严格的矩阵形式排列时，例如即使像素线(lines)在水平或垂直方向上交替移位半个像素，“行”和“列”的方向可作适当的解释。
如上所述，在本发明的固态成像设备中，用于滤色镜中相同色彩的色彩分量滤光器与具有相同结构的像素相对应地布置。因此，当成像像素区由具有不同结构的像素限定时，尽管像素小型化，仍然可以通过将相同色彩的滤色镜和具有不同结构的像素结合在一起来抑制图像质量的降低，从而实现高的图像质量。

Claims (10)

1.一种固态成像设备，包括：
成像像素区，包括多个具有不同结构的二维排列的像素，每个像素具有光电转换区；和
滤色镜，包括多个布置在成像像素区上的色彩分量滤光器，与各个像素相对应，每个色彩分量滤光器向光电转换区提供特定的色彩光分量，
其中，滤色镜中用于相同色彩的色彩分量滤光器与具有相同结构的像素相对应地布置。
2.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，成像像素区是每个由四个像素限定的基本单元的集合体，并且色彩分量滤光器包括分配给各自的四个像素的一个红色分量滤光器、一个蓝色分量滤光器和两个绿色分量滤光器。
3.根据权利要求2所述的固态成像设备，其中，基本单元的四个像素以2×2个像素的方式排列在矩形区域中，绿色分量滤光器布置在基本单元的第一对角线方向，红色分量滤光器和蓝色分量滤光器布置在基本单元的第二对角线方向。
4.根据权利要求3所述的固态成像设备，其中，成像像素区包括分配给绿色分量滤光器的第一像素和具有不同于第一像素的结构的第二像素，第一像素在成像像素区中隔行隔列排列，以便与绿色分量滤光器相对应。
5.根据权利要求2所述的固态成像设备，其中，基本单元的四个像素包括两个第一像素和两个具有不同于第一像素的结构的第二像素，其中第二像素在成像像素区的像素行方向相邻接，第一像素中的一个在像素列方向上与一个第二像素的一侧相邻接，另一个第一像素在像素列方向上与另一个第二像素的另一侧相邻接，并且其中红色分量滤光器和蓝色分量滤光器与第二像素相对应，并且绿色分量滤光器与第一像素相对应。
6.根据权利要求2所述的固态成像设备，其中，基本单元的四个像素包括两个第一像素和两个具有不同于第一像素的结构的第二像素，其中第二像素在成像像素区的像素列方向相邻接，第一像素中的一个在像素行方向上与一个第二像素的一侧相邻接，另一个第一像素在像素行方向上与另一个第二像素的另一侧相邻接，其中红色分量滤光器和蓝色分量滤光器与第二像素相对应，并且绿色分量滤光器与第一像素相对应。
7.一种固态成像设备，包括：
成像像素区，包括多个二维排列的像素，每个像素具有光电转换区；和
布置在像素上的滤色镜，
其中，像素包括多个第一像素和具有不同于第一像素的结构的第二像素，
其中滤色镜中用于相同色彩的色彩分量滤光器置于第一像素或第二像素上。
8.根据权利要求7所述的固态成像设备，其中，在用于读取光电转换区中累积的电荷的读出晶体管所在的位置，第一像素不同于第二像素。
9.根据权利要求7所述的固态成像设备，其中，在光电转换区的光接收区域中，第一像素不同于第二像素。
10.根据权利要求7所述的固态成像设备，进一步包括：
一种芯片形式的信号处理电路，用于处理来自像素的信号。
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