图像传感器、成像系统和操作图像传感器的方法与流程

1.本技术涉及成像系统的技术领域，特别是，成像传感器和相关方法。更具体地，本技术涉及一种图像传感器、成像系统和操作图像传感器的方法。


背景技术：

2.图像传感器用于诸如蜂窝电话、照相机和计算机的电子设备中以捕获图像。特别地，电子设备具有以网格图案排列的图像像素阵列。每个图像像素接收入射光子，例如光线，并将光子转换成电信号。许多图像传感器存在弱光感光性的问题。也就是说，在光线较弱的情况下，例如黎明或黄昏，可能捕获不到足够的光子来重新创建合适的图像。


技术实现要素：

3.一个示例是包括多个图像像素的图像传感器。每个图像像素可以包括：色彩路由器，在上表面上限定路由器收集区域(router collection area)；位于所述色彩路由器下方的第一感光区(photosensitive region)；位于所述色彩路由器下方的第二感光区；位于所述色彩路由器下方的第三感光区。所述色彩路由器被配置为可以被配置为：将在所述路由器收集区域接收到的第一波长的光子路由到所述第一感光区，将在所述路由器收集区域接收到的第二波长的光子路由到所述第二感光区，以及将在所述路由器收集区域接收到的第三波长的光子路由到所述第三感光区。
4.在示例性图像传感器中，当所述色彩路由器路由第一波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于红光的波长的光子路由到所述第一感光区，以及当所述色彩路由器路由第二波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于黄光的波长的光子路由到所述第二感光区，以及当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于青光的波长的光子路由到所述第三感光区。
5.在示例性图像传感器中，当所述色彩路由器路由第一波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于红光的波长的光子路由到所述第一感光区，当所述色彩路由器路由第二波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于黄光的波长的光子路由到所述第二感光区；以及当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于蓝光的波长的光子路由到所述第三感光区。
6.在示例性图像传感器中，每个图像像素还可以包括位于所述色彩路由器下方的第四感光区。当所述色彩路由器路由第一波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于红光的波长的光子路由到所述第一感光区，当所述色彩路由器路由第二波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于黄光的波长的光子路由到所述第二感光区，并且当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于绿光的波长的光子路由到所述第三感光区，并且所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于蓝光的波长的光子路由到所述第四感光区。
7.在示例性图像传感器中，每个图像像素还可以包括位于所述色彩路由器下方的第
四感光区。当所述色彩路由器路由第一波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于红光的波长的光子路由到所述第一感光区，当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于绿光的波长的光子路由到所述第二感光区，当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于蓝光的波长的光子路由到所述第三感光区，并且所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于红外线的波长的光子路由到所述第四感光区。
8.示例性图像传感器还包括：所述第一感光区限定第一收集区域；所述第二感光区限定小于所述第一收集区域的第二收集区域；以及所述第三感光区限定小于所述第二收集区域的第三收集区域。所述第一波长长于所述第二波长，并且所述第二波长长于所述第三波长。第一波长可以对应于红光，第二波长可以对应于蓝光，第三波长可以对应于绿光。第一波长可以对应于第一红外波长，第二波长可以对应于不同于第一波长的第二红外波长，并且第三波长可以对应于第三红外波长。示例性图像传感器还可以包括位于所述色彩路由器下方的第四感光区，第四感光区限定大于第一收集区域的第四收集区域，并且色彩路由器可以被配置成将第四波长的光子路由到第四感光区，第四波长长于第一波长。第一波长可以对应于红光，第二波长可以对应于蓝光，第三波长可以对应于绿光，第四波长可以对应于红外光。
9.在示例图像传感器中，每个图像像素可以限定平行于所述路由器收集区域所测量到的长尺寸，并且每个图像像素还包括：所述第一感光区限定了限定第一形状的收集区域；所述第二感光区限定了限定第二形状的收集区域；并且所述第三感光区限定了限定第三形状的收集区域。所述第一形状、所述第二形状和所述第三形状可以被配置为使得光子通过所述色彩路由器被路由的最长水平距离是所述长尺寸的一半。
10.在示例性图像传感器中，色彩路由器可以限定第一象限和第二象限。第一感光区可以限定由多个离散感光区组成的复合收集区域，并且其中，所述多个离散感光区在第一象限和第二象限下被等分。并且色彩路由器还可以被配置为将到达第一象限内的第一波长的光子路由到第一象限正下方的离散感光区，并且将到达第二象限内的第一波长的光子路由到第二象限正下方的离散感光区。示例图像传感器还可以包括可操作地耦接到第一感光区的成像控制器。成像控制器可以被配置为基于与第二象限相比到达第一象限的不同数量的光子来检测相位失衡，并且基于所述相位失衡来修改聚焦参数。
11.示例性图像传感器还可以包括设置在色彩路由器上方的准直器。
12.另一示例是成像系统，包括：成像控制器和相机模块。相机模块可以包括：耦接到成像控制器的透镜系统；以及多个图像像素，所述多个图像像素与所述透镜系统具有操作关系并且通信地耦接到所述成像控制器。每个图像像素可以包括：色彩路由器，在其上表面上限定路由器收集区域；位于所述色彩路由器下方的第一感光区；位于所述色彩路由器下方的第二感光区；以及位于所述色彩路由器下方的第三感光区。所述色彩路由器被配置为：将在所述路由器收集区域接收到的第一波长的光子路由到所述第一感光区，将在所述路由器收集区域接收到的第二波长的光子路由到所述第二感光区，以及将在所述路由器收集区域接到收的第三波长的光子路由到所述第三感光区。
13.在示例性成像系统中，成像控制器和相机模块可以与汽车相关联。
14.在示例性图像传感器中，当所述色彩路由器路由第一波长的光子时，所述色彩路
由器被进一步配置为将具有对应于红光的波长的光子路由到所述第一感光区，当所述色彩路由器路由第二波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于黄光的波长的光子路由到所述第二感光区，并且当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于青光的波长的光子路由到所述第三感光区。
15.在示例图像系统中，当所述色彩路由器路由第一波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于红光的波长的光子路由到所述第一感光区，当所述色彩路由器路由第二波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于黄光的波长的光子路由到所述第二感光区，并且当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于蓝光的波长的光子路由到所述第三感光区。
16.在示例图像系统中，每个图像像素还可以包括位于色彩路由器下方的第四感光区。并且当所述色彩路由器路由第一波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于红光的波长的光子路由到所述第一感光区，当所述色彩路由器路由第二波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于黄光的波长的光子路由到所述第二感光区，当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于绿光的波长的光子路由到所述第三感光区，并且所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于蓝光的波长的光子路由到所述第四感光区。
17.在示例图像系统中，每个图像像素还可以包括位于色彩路由器下方的第四感光区。并且当所述色彩路由器路由第一波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于红光的波长的光子路由到所述第一感光区，当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于绿光的波长的光子路由到所述第二感光区，当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于蓝光的波长的光子路由到所述第三感光区，并且色彩路由器还可以被配置为所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于红外线的波长的光子路由到所述第四感光区。
18.示例性图像系统中的第一感光区可以限定第一收集区域，第二感光区可以限定小于所述第一收集区域的第二收集区域，并且第三感光区可以限定小于所述第二收集区域的第三收集区域。所述第一波长长于所述第二波长，并且所述第二波长长于所述第三波长。第一波长可以对应于红光，第二波长可以对应于蓝光，第三波长可以对应于绿光。第一波长可以对应于第一红外波长，第二波长可以对应于不同于第一波长的第二红外波长，并且第三波长可以对应于第三红外波长。
19.所述示例性成像系统还可以包括位于色彩路由器下方的第四感光区，该第四感光区限定大于第一收集区域的第四收集区域。色彩路由器可配置成将第四波长的光子路由到第四感光区，所述第四波长长于所述第一波长。第一波长可以对应于红光，第二波长可以对应于蓝光，第三波长可以对应于绿光，第四波长可以对应于红外光。
20.示例性成像系统每个图像像素可以限定平行于所述路由器收集区域所测量到的长尺寸，并且每个图像像素可以还包括：所述第一感光区限定了限定第一形状的收集区域；所述第二感光区限定了限定第二形状的收集区域；并且所述第三感光区限定了限定第三形状的收集区域。所述第一形状、所述第二形状和所述第三形状可以被配置为使得光子通过所述色彩路由器被路由的最长水平距离是所述长尺寸的一半。
21.在示例性成像系统中，色彩路由器可以限定第一象限和第二象限，第一感光区可
以限定由多个离散感光区组成的复合收集区域，并且所述多个离散感光区可以在第一象限和第二象限下方被等分。色彩路由器还可以被配置为将到达第一象限内的第一波长的光子路由到第一象限正下方的离散感光区，并且将到达第二象限内的第一波长的光子路由到第二象限正下方的离散感光区。示例成像系统还可以包括可操作地耦接到第一感光区的成像控制器。成像控制器可以被配置为基于与第二象限相比到达第一象限的不同数量的光子来检测相位失衡，并且基于失衡来修改聚焦参数。
22.示例成像系统还可以包括设置在色彩路由器上方的准直器。
23.又一其他示例为操作图像传感器的方法，该方法包括：将来自场景的光子引导到位于多个感光区上方的色彩路由器中；所述色彩路由器将第一波长的光子路由到位于所述色彩路由器下方的第一感光区；将第二波长的光子路由到位于所述色彩路由器下方的第二感光区；以及将第三波长的光子路由到位于所述色彩路由器下方的第三感光区。
24.在示例性方法中，第一波长可以对应于红光，第二波长可以对应于黄光，第三波长可以对应于青光。
25.在示例性方法中，第一波长可以对应于红光，第二波长可以对应于黄光，并且第三波长可以对应于蓝光。
26.在示例性方法中，第一波长可以对应于红光，第二波长可以对应于黄光，第三波长可以对应于绿光。该方法还可以包括色彩路由器将对应于蓝光的第四波长的光子路由到色彩路由器下方的第四感光区。
27.在示例方法中，第一波长可以对应于红光，第二波长可以对应于绿光，第三波长可以对应于蓝光。所述方法还可以包括所述色彩路由器将对应于红外光的第四波长的光子路由到所述色彩路由器下方的第四感光区。
28.在示例性方法中，第一感光区可以限定第一收集区域，第二感光区可以限定小于所述第一收集区域的第二收集区域，并且第三感光区可以限定小于所述第二收集区域的第三收集区域。所述第一波长可以长于所述第二波长，并且所述第二波长可以长于所述第三波长。第一波长可以对应于红光，第二波长可以对应于蓝光，第三波长可以对应于绿光。第一波长可对应于第一红外波长，第二波长可对应于第二红外波长，第三波长可对应于第三红外波长。该示例方法还可以包括色彩路由器将第四波长的光子路由到第四感光区，第四感光区限定大于第一收集区域的第四收集区域。第一波长可以对应于红光，第二波长可以对应于蓝光，第三波长可以对应于绿光，第四波长可以对应于红外光。
29.在示例方法中，每个图像像素可以限定平行于所述路由器收集区域所测量到的长尺寸。路由第一波长的光子还包括将第一波长的光子水平路由不超过所述长尺寸的四分之三以到达第一感光区。路由第二波长的光子还包括将第二波长的光子水平路由不超过所述长尺寸的四分之三以到达第二感光区。路由第三波长的光子还包括将第三波长的光子水平路由不超过所述长尺寸的四分之三以到达第三感光区。
30.在示例性方法中：色彩路由器可以限定第一象限和第二象限：第一感光区可以限定由多个离散感光区组成的复合收集区域；并且所述多个离散的感光区可以在第一象限和第二象限下方被等分。色彩路由器还可以被配置为将到达第一象限内的第一波长的光子路由到第一象限正下方的离散感光区，并且将到达第二象限内的第一波长的光子路由到第二象限正下方的离散感光区。该示例性方法还可以包括：基于与第二象限相比到达第一象限
的不同数量的光子来检测相位失衡；以及基于相位差修改聚焦参数。
31.该示例方法还可以包括在场景和色彩路由器之间对光子进行准直。
附图说明
32.为了对示例性实施例进行详细描述，现在将参考附图，其中：
33.图1a示出了根据至少一些实施例的成像系统；
34.图1b示出了根据至少一些实施例的成像系统的实现方式；
35.图2示出了根据至少一些实施例的图像传感器；
36.图3a示出了相关技术的图像像素的俯视图；
37.图3b示出了相关技术的图像像素的横截面图；
38.图4示出了根据至少一些实施例的图像像素的透视分解图；
39.图5示出了根据至少一些实施例的具有rygb感光性(rygb sensitivity)的图4的示例性图像像素的俯视图和简化标记法；
40.图6示出了根据至少一些实施例的具有rygb感光性的示例性图像像素的俯视图；
41.图7示出了根据至少一些实施例的图像像素的俯视图；
42.图8示出了根据至少一些实施例的图像像素的俯视图；
43.图9示出了根据至少一些实施例的图像像素的俯视图；
44.图10示出了根据至少一些实施例的图像像素的俯视图；
45.图11示出了根据至少一些实施例的图像像素的俯视图；
46.图12示出了根据至少一些实施例的图像像素的俯视图；
47.图13示出了根据至少一些实施例的图像像素的俯视图；
48.图14示出了根据至少一些实施例的图像像素的俯视图；
49.图15示出了根据至少一些实施例的图像像素的俯视图；
50.图16示出了根据至少一些实施例的图像像素的俯视图；
51.图17示出了根据至少一些实施例的包括准直器的图像像素的横截面图；
52.图18示出了根据至少一些实施例的包括准直器的图像像素的横截面图；
53.图19示出了根据至少一些实施例的色彩路由器的分解侧视图；以及
54.图20示出了根据至少一些实施例的色彩路由器的分解侧视图。定义
55.各种术语用于指代特定的系统组件。不同的公司可能用不同的名称来称呼一个组件——本技术并不打算区分名称不同但功能相同的组件。在下面的讨论和权利要求中，术语“包含”和“包括”以开放式方式使用，因此应该解释为意味着“包括但不限于
……”
并且，术语“耦接”意在表示间接或直接的连接。因此，如果第一设备耦接到第二设备，则该连接可以通过直接连接或通过经由其它设备和连接的间接连接。
56.限定高度的术语，例如“上面”、“下面”、“上方”和“下方”应当是参照入射到像素阵列和/或图像像素上的光的方向的位置术语。在与“下面”或“下面”的物体和/或结构相互作用或通过下面”或“下面”的物体和/或结构之前，进入的光应被视为与“上面”和“上面”的物体和/或结构相互作用或通过“上面”和“上面”的物体和/或结构。因此，位置术语可能与重力的方向没有任何关系。
[0057]“ir”指红外。
[0058]
就电气设备而言，无论其是独立的还是作为集成电路的一部分，术语“输入”和“输出”是指与电气设备的电气连接，不应理解为需要动作的动词。例如，诸如运算放大器的差分放大器可以具有第一差分输入和第二差分输入，并且这些“输入”限定与运算放大器的电连接，并且不应被理解为要求向运算放大器输入信号。
[0059]
单独或组合地，“控制器”应指单个电路组件、专用集成电路(asic)、带有控制软件的微控制器、带有控制软件的精简指令集计算机(risc)、数字信号处理器(dsp)、带有控制软件的处理器、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)或可编程片上系统(psoc)，控制器被配置为读取输入并响应于输入驱动输出。
具体实施方式
[0060]
本技术要求于2022年1月14日递交的申请号为63/266,804，标题为“纳米光子滤光器以及透镜(nanophotonic color filter and lens)”的美国临时申请的权益，该临时申请通过引用被并入本文，如同在下文被完全转载。
[0061]
以下讨论针对本发明的各种实施例。尽管这些实施例中的一个或多个可能是优选的，但是所公开的实施例不应被解释或以其他方式被使用为限制包括权利要求的本公开的范围。此外，本领域技术人员理解以下描述具有广泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅意味着该实施例的示例性，而不旨在暗示包括权利要求书在内的本公开的范围局限于该实施例。
[0062]
各种示例针对的是成像系统、图像像素和相关方法。更具体地，至少一些示例针对的是图像像素，通过不使用滤光器(color filter)，该图像像素被设计和构造成在弱光情况下更敏感，滤光器倾向于吸收某些频率的光，从而减少感光区可获得的光子的总数。更具体地，各种示例针对的是使用色彩路由器将入射在色彩路由器的收集区域上的光的光子引导到下方感光区的图像像素。路由基于每个光子的波长。其他示例涉及图像像素，在该图像像素中，每个感光区具有与覆盖的色彩路由器相关联的收集区域，并且其中，每个感光区的收集区域与被引导到每个感光区的光子的波长成比例。也就是说，具有较短波长的光子(例如蓝光)被引导到具有较小收集区域的感光区，并且具有较长波长的光子(例如红光或红外)被引导到具有较大收集区域的感光区。在又一个示例中，下方感光区被布置成使得光子穿过色彩路由器的最长水平距离是图像像素的长尺寸的一半。说明书现在转到示例系统来引导读者。
[0063]
图1a示出了一个示例性成像系统。具体地，示例性成像系统100可以是便携式电子设备，例如，照相机、蜂窝电话、平板计算机、网络摄像机、摄像机、视频监视系统或具有成像能力的视频游戏系统。在其他情况下，成像系统100可以是汽车成像系统。相机模块102可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块102可包括一个或多个透镜系统，以下仅称为透镜104，以及一个或多个对应的图像传感器106。透镜104可以包括固定的透镜和/或可调节的透镜。在图像捕获操作期间，来自场景的光可以通过透镜104聚焦到图像传感器106上。在可调节透镜的情况下，各种聚焦参数可以通过相机模块102和/或成像控制器108来调节。图像传感器106可以包括电路，所述电路用于将模拟像素数据转换成相应的数字图像数据，以提供给成像控制器108。如果需要，相机模块102可以设置有透镜104阵列和对应的图像传感
器106阵列。
[0064]
成像控制器108可以包括一个或多个集成电路，例如，图像处理电路、微处理器和存储设备，例如，随机存取存储器和非易失性存储器。成像控制器108可以使用与相机模块102分离的组件来实现或使用形成相机模块102的一部分的组件来实现，例如，形成图像传感器106的一部分的电路。可以使用成像控制器108来处理和存储相机模块102捕获的数字图像数据。如果需要，可以使用耦接到成像控制器108的有线通信路径和/或无线通信路径将处理后的图像数据提供给外部设备，例如，计算机、外部显示器或其他设备。
[0065]
图1b示出了一个示例性成像系统。具体地，示例成像系统100包括汽车或车辆110。车辆110被示例性地示出为乘用车，但是示例性成像系统100可以是任何类型的车辆，包括商用车辆、公共汽车、牵引式挂车车辆、公路车辆、越野车、牵引车和作物收割设备。在图1b的示例中，车辆110包括前视相机模块102，该前视相机模块102被设置为捕捉车辆110前方场景的图像。这种前视相机模块102可以用于任何合适的目的，例如，车道保持辅助、碰撞警告系统、距离-速度巡航控制(distance-pacing cruise-control)系统、自动驾驶系统和接近度检测。示例性车辆100还包括后视相机模块102，该后视相机模块102被设置为捕捉车辆110后方的场景的图像。这种后视相机模块102可以用于任何合适的目的，例如，碰撞警告系统、反向视频、自动驾驶系统、监测超车车辆的位置、倒车和接近度检测。示例性车辆110还包括侧视相机模块102，该侧视相机模块102被设置为捕捉车辆110侧方的场景的图像。这种侧视相机模块可以用于任何合适的目的，例如，盲点监测、碰撞警告系统、自动驾驶系统、监测超车车辆的位置、变道检测和接近度检测。在成像系统100是车辆的情况下，成像控制器108可以是车辆110的控制器。现在更详细地讨论相机模块102的示例性图像传感器106。
[0066]
图2示出了示例性图像传感器106。具体地，图2示出了图像传感器106可以包括密封在封装内的半导体材料(例如硅)的衬底200，以创建封装的半导体器件或封装的半导体产品。衬底200的接合焊盘或其他连接点耦接到图像传感器106的端子，例如，耦接到端子204的串行通信通道202，以及耦接到端子208的捕获输入206。存在附加端子，例如接地端子或公共端子以及电源端子，但是省略所述附加端子以避免附图不适当地复杂化。虽然示出了单个衬底200，但在其他情况下，可以组合多个衬底以形成图像传感器106，从而形成多芯片模块。
[0067]
图像传感器106包括像素阵列210，该像素阵列210包含排列成行和列的多个图像像素212。像素阵列210可以包括例如成百上千行和列的图像像素212。像素阵列210的控制和读出可以通过耦接到行控制器216和列控制器218的图像传感器控制器214来实现。示例性行控制器216可以接收来自图像传感器控制器214的行地址，并提供相应的行控制信号至图像像素212，例如复位信号、行选择信号、电荷转移信号、双转换增益信号和读出控制信号。行控制信号可以通过一个或多个导体，例如行控制路径220，来传送。
[0068]
列控制器218可以通过诸如列线222的一个或多个导体耦接到像素阵列210。列控制器有时可以被称为列控制电路、读出电路和/或列解码器。列线222可用于从图像像素212读出图像信号，并用于提供偏置电流和/或偏置电压至图像像素212。如果需要，在像素读出操作期间，可以使用行控制器216选择像素阵列210中的像素行，并且可以沿着列线222读出该行中由图像像素212生成的图像信号。每个图像像素212可以包括多个感光区，例如，四个、九个或十六个，因此尽管每个列线222被示出为单个导体，但是多个这样的列线可以与
列中的每个图像像素212相关联。
[0069]
示例性列控制器218可以包括用于对从像素阵列210读出的图像信号进行采样和临时存储的采样和保持电路、放大器电路、模数转换(adc)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性地启用或禁用列电路的锁存电路、或者耦接到像素阵列210中的一个或多个像素列以操作图像像素212并从图像像素212读出图像信号的其他电路。列控制器218中的adc电路可以将从像素阵列210接收的模拟像素值转换成相应的数字图像数据。列控制器218可以通过例如串行通信通道202向图像传感器控制器214和/或成像控制器108(图1)提供数字图像数据。
[0070]
图3a示出了相关技术的图像像素312的俯视图。具体地，相关技术的图像像素312总共包括四个感光区：红光区300；第一绿光区302；第二绿光区304和蓝光区306。图3b示出了从图3a的3b-3b线截取的相关技术的图像像素312的部分横截面图。具体地，图3b示出了红光传感器由微透镜320、红光滤光器322和感光区324组成。出于讨论的目的，考虑进入红光传感器300的入射光326(由箭头示出)。光326最初遇到微透镜320，微透镜320可以是被设计和构造成将入射光326引导到传感器的下部区域的凸透镜。透镜可以是球形的。然后，光326遇到作为红光滤光器322的光学滤光器。红光滤光器322的材料被选择为通过具有对应于红光的波长的光，例如，该波长在大约595和655纳米(nm)之间，并且过滤掉或吸收其他颜色的光。剩余的光326然后穿过一个以上的氧化物层(未编号)，然后剩余的光进入感光区324，该剩余的光在感光区中被吸收。光的吸收产生相应的电信号，该电信号具有指示所接收的红光的强度的参数，例如，在检测周期内接收的光子的数量。指示强度的参数可以是任何合适的参数，例如，电流的幅值或电压的幅值。因此，红光传感器300产生与进入感光区324的光量成比例的电信号。
[0071]
类似地，图3b示出绿光传感器302，其由微透镜328、绿光滤光器330和感光区332组成。出于讨论的目的，考虑进入绿光传感器302的如箭头所示的入射光334。入射光334最初遇到微透镜328。然后，光334遇到作为绿光滤光器330的光学滤光器。绿光滤光器330的材料被选择为通过具有对应于绿光的波长的光，例如，该波长在大约515和575nm之间，并且过滤掉或吸收其他颜色的光。剩余的光334然后穿过一个以上的氧化物层(未编号)，然后剩余的光进入光感光区332，该剩余的光在感光区中被吸收。光的吸收产生相应的电信号，该电信号具有指示所接收的绿光的强度的参数，例如，在检测周期内接收的光子数。同样，指示强度的参数可以是任何合适的参数，例如，电流的幅值或电压的幅值。因此，绿光传感器302产生与进入感光区332的光量成比例的电信号。关于第二绿光传感器304和蓝光传感器306(其中每一个可以以相同或类似的方式被配置)的类似讨论被省略，以避免过度延长说明书。
[0072]
同时参考图3a和3b。相关技术的图像像素312的性能可能在弱光情况下受到影响。整体图像像素312以四个传感器的形式限定光线收集区域。如果每个传感器限定正方形单位面积，则示例性图像像素312限定用于收集光线的四个正方形单位面积。然而，由于使用了滤光器(其吸收波长在设计通带之外的光)，因此，入射到整个图像像素312上的特定颜色的光只有一小部分进入与该颜色相关联的感光区。例如，具有与红光相对应的波长但入射到绿光传感器302或304上或入射到蓝光传感器306上的光线被相应的滤光器吸收，并且这种被吸收的光线不能有助于在感光区中产生电信号。对于示例性图像像素312，入射到整个图像像素312上的红光中只有25％到达与红光传感器相关联的感光区，入射到整个图像像
素312上的蓝光中只有25％到达与蓝光传感器306相关联的感光区，以及入射到整个图像像素312上的绿光中只有50％到达与绿光传感器302和304相关联的感光区。
[0073]
在弱光情况下性能差的另一个原因是滤光器本身在通带内通过颜色时效率不高。例如，绿光滤光器330可以由仅通过入射到滤光器上的绿光的90％的材料制成，并且接下来绿光滤光器330吸收大约10％的绿光。因此，在落在整个图像像素312上的绿光中，只有50％落在两个示例性绿光传感器302和304上，并且50％的绿光中只有90％，或者只有大约45％的绿光，到达绿光传感器302和304的感光区。红光传感器300和蓝光传感器的滤光器可能具有类似的问题。
[0074]
图像传感器的性能可以通过使用纳米光子结构或色彩路由器来提高。特别地，色彩路由器是半导体结构，该半导体结构接受入射到上表面或由上表面限定的路由器收集区域的光子。然后，色彩路由器将光子从路由器收集区域路由到下方感光区，所述路由基于每个特定光子的波长。路由器收集区域可以对应于整个图像像素，从而在面积上大于单个感光区上方的区域。本说明书在此限定并采用以下标记法来引用由光子的波长表示的颜色：红光光子是具有对应于红光的波长的光子；黄光光子是具有对应于黄光的波长的光子；蓝光光子是具有对应于蓝光的波长的光子；青光光子是具有对应于青光的波长的光子；红外光子是具有对应于红外线的波长的光子；等等。例如，考虑红-黄-黄-青(ryycy)图像像素。考虑到该术语，在入射到示例ryycy图像像素的色彩路由器的路由器收集区域上的所有光子中：红光光子被引导到指定用于接收红光的感光区；黄光光子被引导到指定用于接收黄光的感光区；以及青光光子被引导到指定指定用于接收青光的感光区。因此，例如，意外地物理上到达指定的用于青光的感光区或指定的用于黄光的感光区上方的红光光子不会因吸收而损失，而是被路由到指定的用于红光的感光区。
[0075]
图4示出了示例性图像像素212的分解透视图。具体地，图4示出了限定色彩路由器400和四个光电二极管或感光区402、404、406和408的示例性图像像素212。在图4的分解图中，出于解释的目的，色彩路由器400与感光区402、404、406和408分离。然而，在实际中，色彩路由器400可以在感光区402、404、406和408的上表面之上并直接邻接感光区402、404、406和408的上表面，或者在色彩路由器400的下表面和感光区402、404、406和408的上表面之间可以存在一个或多个附加层。例如，在色彩路由器400的下表面和感光区402、404、406和408的上表面之间可以存在氧化物层。氧化物层还可以包括金属栅极，用于排出不需要的电流，例如静电电荷。色彩路由器400的下表面和感光区402、404、406和408的上表面之间的中间层未示出，以避免使得附图被不适当地复杂化。
[0076]
感光区402、404、406和408是半导体区，例如硅，光线的光子可以在该半导体区中被捕获或吸收以产生电信号，例如，电压或电流。感光区402、404、406和408本身不可知被吸收的光子的波长——对于图像像素来说，被吸收的光子为从可见光区域跨越到红外区域的任何合适波长的光子——这些光子一旦到达半导体材料就可以被吸收。在许多情况下，每个感光区被设计和构造为光电二极管，该光电二极管响应于光线的光子的捕获或吸收而产生电压和电流。
[0077]
示例性色彩路由器400在其上表面上限定路由器收集区域410。即，色彩路由器400的上表面限定长度l
cr
和宽度w
cr
，并且长度l
cr
和宽度w
cr
共同被考虑为限定收集区域。每个感光区402、404、406和408本身限定了收集孔或收集区域。例如，感光区408限定长度l
pd
和宽度wpd
，并且长度l
pd
和宽度w
pd
同被考虑为限定收集区域。因此，感光区402限定收集区域412，感光区404限定收集区域414，感光区406限定收集区域416，以及感光区408限定收集区域418。考虑到感光区402、404、406和408位于色彩路由器400下方的区域中或者与色彩路由器400范围相同，每个感光区的收集区域小于路由器收集区域410。在其他示例中，路由器收集区域410可以与比图4中所示的更多或更少的感光收集区域范围相同。可以使用位于色彩路由器400下方的感光区的不同布置、尺寸、形状、感光性和/或其他特性来代替图4中所示的布置和特性，其中一些将在本文中进一步讨论。
[0078]
在各种示例中，入射到色彩路由器400的路由器收集区域410上的光线的光子进入色彩路由器400的结构，并被路由到下方感光区的特定收集区域。在具有四个下方感光区的图像像素212中，色彩路由器400可以被设计和构造成：将在路由器收集区域410接收的第一波长的光子路由到感光区402；将在路由器收集区域410接收的第二波长的光子路由到第二感光区404；将在路由器收集区域410接收的第三波长的光子路由到第三感光区406；以及将在路由器收集区域410接收的第四波长的光子路由到第四感光区408。图4的代表性示例是具有红、黄、绿、蓝(rygb)感光性的图像像素212。因此，对于示例性rygb感光性，色彩路由器400可以被设计和构造成：将红光光子路由到感光区402；将黄光光子路由到感光区404；将绿光光子路由到感光区406；并将蓝光光子路由到感光区408。
[0079]
具有rygb感光性的示例性图像像素212可以特别适用于汽车应用。也就是说，由自动驾驶系统执行的更困难的任务之一是区分红光和黄光，例如，停车灯的红光和黄光。对应于红光的波长和对应于黄光的波长相近。使用滤光器的相关技术的图像像素不仅具有上述收集区域的缺点，而且设计用于通过黄光光子的黄光滤光器在黄光波长接近红光的情况下倾向于吸收高百分比的期望光子。然而，使用色彩路由器400减少了收集区域的缺点——入射到路由器收集区域410上任何地方的黄光光子可以被路由到下方感光区404。并且在不需要黄光滤光器的情况下，到达感光区404的黄光光子的百分比明显高于使用滤光器的相关技术的图像像素。当然，关于黄光的陈述对于图像像素212的所有颜色感光性都是正确的。
[0080]
色彩路由器400可以采用任何合适的形式。在许多情况下，色彩路由器400包括由几个层级或层构成，其中每一层被设计和构造为执行至少部分路由。每一层可以由多个三维结构设计和构造，例如具有不同折射率和/或不同尺寸的材料的长方体。例如，特定层的三维结构可以选择性地由二氧化硅和氮化硅制成，以至少部分地向指定的下方感光区偏转和反射光子。对于具有rygb感光性的图4的示例性图像像素212，可能存在用于色彩路由器400的几种不同设计，其工作方式是相同的。
[0081]
在将在路由器收集区域410接收的光子路由到相应的颜色收集区域412、414、416和418时，色彩路由器400的设计可能不是100％有效的。例如，一些光子可以通过路由器收集区域410被反射回来。其他光子(例如，具有高入射角的光子)可能被错误路由。此外，色彩路由器400内的折射和反射可以发送在路由器收集区域410和各种收集区域412、414、416和418之间流出的光子。然而，即使考虑到这种色彩路由器的潜在低效率，与使用滤光器的其他图像像素相比，整体图像像素212仍然可以具有更好的收集效率，从而具有更好的低光感光性。例如，考虑色彩路由器400在路由红光光子时仅有50％的效率。也就是说，在该示例中，入射到路由器收集区域410上的红光光子中只有一半到达感光区406。50％的假设效率仍然可能高于在同一区域的仅为25％的经色彩过滤的图像像素的红光光子的收集效率。此
外，假设红光滤光器可能仅通过大约90％的红光光子，具有在路由红光光子方面仅具有50％效率的色彩路由器400的示例性图像像素可能潜在地收集的光子数量，比具有红光滤光器322的相关技术的图像像素312所收集的光子数量的两倍还要多。
[0082]
图5示出了具有rygb感光性的图4的示例性图像像素212的俯视图和简化标记法。特别地，色彩路由器400在图5中不可见，但是图5确实示出了指定用于接收红光光子的感光区402、指定用于接收黄光光子的感光区404、指定用于接收绿光光子的感光区406以及指定用于接收蓝光光子的感光区408。在一些情况下，每个图像像素212可以仅包含四个感光区。然而，在其他情况下，图5的布局可以被认为是整个图像像素内的单位单元，并且图像像素可以在图像像素内多次复制单位单元及其色彩路由器。图6示出了具有rygb感光性的示例性图像像素212，其中，示例性单位单元复制四次以创建具有16个感光区的整体图像像素212。
[0083]
同样地，示例性图像像素212可以特别适用于汽车应用。然而，同时具有红光感光性和黄光感光性的图像像素以及色彩路由器的使用不仅限于rygb感光性。图7示出了以简化标记法表示的另一示例性图像像素212的俯视图，该图像像素被设计为用于ryyb感光性。具体地，示例性图像像素212限定指定用于接收红光光子的感光区402、指定用于接收黄光光子的感光区404、同样指定用于接收黄光光子的感光区406以及指定用于接收蓝光光子的感光区408。如前所述，图像像素212可以仅包含四个感光区，或者四个感光区可以被认为是整个图像像素内的单位单元并被复制，例如，总共四个单位单元或总共十六个感光区。
[0084]
图8以简化形式示出了又一示例性图像像素212的俯视图，该图像像素被设计为用于红-黄-黄-青(ryycy)感光性。具体地，示例性图像像素212限定指定用于接收红光光子的感光区402、指定用于接收黄光光子的感光区404、同样指定用于接收黄光光子的感光区406以及指定用于接收青光光子的感光区408。如前所述，图像像素212可以仅包含四个感光区，或者四个感光区可以被认为是整个图像像素内的单位单元并被复制，例如，总共四个单位单元或总共十六个感光区。
[0085]
到此为止讨论的各种特定实施例已经针对与可见光谱相关的汽车应用；然而，当图像像素被设计和构造成接收红外波长时，使用色彩路由器也可能是有益的。图9示出了简化标记法中的示例性图像像素212的俯视图，该图像像素被设计为用于rgb-红外(rgb-ir)感光性。具体地，示例性图像像素212限定指定用于接收红光光子的感光区402、指定用于接收绿光光子的感光区404、指定用于接收蓝光光子的感光区406以及指定用于接收红外光子的感光区408，例如，波长长于700nm、或长于约850nm、或长于约905nm、或长于约940nm。如前所述，图像像素212可以仅包含四个感光区，或者四个感光区可以被认为是整个图像像素内的单位单元并被复制，例如，总单位单元或总共十六个感光区。
[0086]
在又进一步的情况下，图像像素可以被设计和构造为用于高光谱使用。高光谱成像可用于伪造检测、粉末分析和/或检查包装完整性的工业应用中。在农业中，高光谱成像可用于精确浇水、施肥、杂草和害虫控制。高光谱成像在医疗和监视中也有应用。图10示出了简化标记法中的示例性图像像素212的俯视图，该图像像素被设计为用于高光谱应用。具体地，图10的示例性图像像素212限定了指定用于接收绿光光子的感光区1000、指定用于接收黄光光子的感光区1002、指定用于接收蓝光光子的感光区1004、指定用于接收橙光光子的感光区1006、指定用于接收具有对应于紫光的波长的紫光光子的感光区1008以及指定用
于接收红光光子的感光区1010。除了可见区之外，图10的示例性图像像素212包括指定用于接收第一范围红外光子的感光区1012、指定用于接收第二范围红外光子的感光区1014、以及指定用于接收第三范围红外光子的感光区1016。
[0087]
仍然参考图10，在一些情况下，每个图像像素212可以仅包含九个感光区。然而，在其他情况下，图10的布局可以被认为是整个图像像素内的单位单元，并且图像像素可以在图像像素内多次复制单位单元(包括其色彩路由器)。如果图10中的单位单元被复制四次，则整个图像像素212可以具有总共36个感光区。
[0088]
图11-图13示出了图像像素布局的示例。这些布局至少部分地基于色彩路由器的路由考虑和感光区的捕获考虑来设计。例如，色彩路由器将入射在路由器收集区域上的光子路由到下方感光区的能力可以取决于光子的波长和光子在色彩路由器内传播的距离，主要是水平距离。此外，感光区捕获光子的能力或吸收光子的能力可能与光子的波长和感光区的体积有关。对于特定体积的感光区，具有较短波长的光子，例如紫光和蓝光，比具有较长波长的光子，例如红光和红外线，更容易和更快地被吸收。
[0089]
图11以简化标记法示出了示例性图像像素212的俯视图，该图像像素被设计为至少部分地赋予(address)感光区基于波长捕获或吸收光子的能力以及色彩路由器基于波长路由光子的能力。具体地，图10的示例性图像像素212限定了指定用于接收红光光子的感光区1100、指定用于接收绿光光子的感光区1102、同样指定用于接收绿光光子的感光区1104、以及指定用于接收蓝光光子的感光区1106。尽管在图11中不可见，但每个感光区1100、1102、1104和1106具有均匀的厚度或深度，其中，深度是垂直于页面平面测量的。
[0090]
指定用于红光的示例性感光区1100限定长度lr和宽度wr，并且长度lr和宽度wr共同限定感光区1100的收集区域。考虑到未在简化标记法中示出的重叠色彩路由器跨越整个图像像素212，感光区1100的收集区域小于路由器收集区域410(图4)。
[0091]
指定用于绿光的示例性感光区1102限定长度lg和宽度wg，并且长度lg和宽度wg共同限定感光区1102的收集区域。感光区1102的收集区域小于路由器收集区域410(图4)。此外，感光区1102的收集区域小于感光区1100的收集区域。同样指定用于绿光的感光区1104具有与感光区1102的收集区域大约相同尺寸的收集区域。指定用于蓝光的示例性感光区1106限定长度lb和宽度wb，并且长度lb和宽度wb共同限定感光区1106的收集区域。感光区1102的收集区域小于路由器收集区域410(图4)。此外，感光区1106的收集区域小于感光区1100和感光区1102的收集区域。
[0092]
仍然参考图11，考虑入射到路由器收集区域410上的示例性红光光子。平均而言，这种红光光子可以行进水平距离以到达红光感光区1100，该水平距离在图11的页面平面中被测量。然而，考虑到红光感光区1100的收集区域的尺寸比其他像素(例如图7-图9中的像素)占色彩路由器收集区域的比例更大时，相较于红光感光区占色彩路由器收集区域的比例更小的图像像素，到达红光感光区的水平距离可能更短。
[0093]
现在考虑入射到路由器收集区域410上的蓝光光子。平均而言，由于蓝光感光区1106小于红光感光区，因此，这样的蓝光光子行进以到达蓝光感光区1106的水平距离可以比红光光子行进以到达红光感光区水平距离更长。但是因为蓝光的波长比红光的波长短，所以蓝光光子可能比红光光子更有效地被光电二极管的硅吸收。
[0094]
在一些情况下，图11的每个图像像素212可以仅包含四个感光区。然而，在其他情
况下，图11的布局可以被认为是整个图像像素内的单位单元，并且图像像素可以在图像像素内多次复制单位单元及其色彩路由器。如果图11中的单位单元被复制四次，则整个图像像素212可以具有总共16个感光区。
[0095]
感光区的收集区域的尺寸考虑不仅限于可见光谱中的波长。相同的收集区域和波长考虑可以应用于具有混合感光性的图像像素，例如，包括可见光波长和红外波长。图12以简化标记法示出了示例性图像像素212的俯视图，在这种情况下，具有用于可见光和红外光的感光区。具体地，图12的示例性图像像素212限定了指定为接收红光光子的感光区1200、指定为接收绿光光子的感光区1202、同样指定为接收蓝光光子的感光区1204以及指定为接收红外光子的感光区1206。如前所述，尽管不可见，但是每个感光区1200、1202、1204和1206具有均匀的厚度或深度(深度是垂直于页面平面测量的)。
[0096]
在图12的示例中，与指定用于红外光的感光区1206相关联的收集区域大于指定用于红光的感光区1200的收集区域。与指定用于红光的感光区1200相关联的收集区域大于指定用于绿光的感光区1202的收集区域。与指定用于绿光的感光区1202相关联的收集区域大于指定用于蓝光的感光区1202的收集区域。收集区域的尺寸可以基于被指定路由到相应收集区域的光的波长。在一些实施方式中，尺寸可以与指定波长的波长成正比。在一些情况下，图12的每个图像像素212可以仅包含四个感光区。然而，在其他情况下，图12的布局可以被认为是整个图像像素内的单位单元，并且图像像素可以在图像像素内多次复制单位单元及其色彩路由器。如果图12中的单位单元被复制四次，则整个图像像素212可以具有总共16个感光区。
[0097]
感光区的收集区域的尺寸考虑不仅限于可见光谱中的波长以及混合的可见光和红外光。相同的收集区域和波长考虑可以适用于仅专用于红外光的图像像素。图13以简化标记法示出了示例性图像像素212的俯视图，在这种情况下，仅具有用于红外光的感光区。具体地，图12的示例性图像像素212限定了指定用于接收第一范围红外光子的感光区1300、指定用于接收第二范围红外光子的感光区1302、指定用于接收第三范围红外光子的感光区1304以及指定用于接收第四范围红外光子的感光区1306。如前所述，尽管不可见，但是每个感光区1300、1302、1304和1306具有均匀的厚度或深度，该深度是垂直于页面平面测量的。
[0098]
在图13的示例中，与指定用于第一范围红外光的感光区1300相关联的收集区域大于为第二范围红外光设计的感光区1302的收集区域。与指定用于第二范围红外光的感光区1302相关联的收集区域大于指定用于第四范围红外光的感光区1306的收集区域。与指定用于第三范围红外光的感光区1304相关联的收集区域大于指定用于第四范围红外光的感光区1306的收集区域。在该示例中，第一范围红外光可以具有比第二范围红外光更长的波长；第二范围红外光可以具有比第三范围红外光更长的波长；并且第三范围红外光可以具有比第四范围红外光更长的波长。在一些情况下，图12中的每个图像像素212可以仅包含四个感光区。然而，在其他情况下，图12的布局可以被认为是整个图像像素内的单位单元，并且图像像素可以在图像像素内多次复制单位单元(包括其色彩路由器)。如果图12中的单位单元被复制四次，则整个图像像素212可以具有总共16个感光区。
[0099]
在上述实施例中，每个感光区限定具有正方形收集孔或正方形收集区域的长方体(例如图4-图10和图13)，或者具有基本正方形的收集区域的长方体，例如图12。收集区域的尺寸可以部分地基于相应的感光区的体积，并且该尺寸还可以有助于色彩路由器的路由，
对于更长的波长具有更大的目标区域。在其他实施方式中，特定波长范围的感光区的布局可以是不同的形状。此外，可以选择单个收集区域的形状以帮助色彩路由器对光子进行路由。可以选择每个单元的形状，而不考虑给定感光区的指定光子的波长。
[0100]
在一些示例中，多个离散的感光区可以被设置在一起，以产生用于给定波长范围的期望形状。因此，共同考虑的多个离散感光区的收集区域限定了用于给定波长范围的整体收集区域。给定波长范围的检测信号可以通过对模拟域或数字域中的离散感光区产生的信号求和来实现。例如，在图13中，感光区1306可以是单个离散感光区，其作为标准尺寸或单位尺寸感光区的示例。整体感光区1302可以通过使用单位尺寸的两个离散感光区来创建。整体感光区1304同样可以通过使用单位尺寸的两个离散感光区来创建。整体感光区1300可以通过使用单位尺寸的四个离散感光区来创建。通过实现单位尺寸的感光区，工艺集成可能更简单。
[0101]
图14示出了以简化标记法表示的示例性图像像素212的俯视图，该图像像素被设计成至少部分地赋予色彩路由器基于波长路由光子的能力。具体地，图14的示例性图像像素212限定了指定用于接收红光光子的感光区1400、指定用于接收绿光光子的感光区1402、同样指定用于接收绿光光子的感光区1404以及指定用于接收蓝光光子的感光区1406。示例性图像像素212限定长度l、宽度w和最长尺寸h，最长尺寸h是由长度l和宽度w限定的三角形的斜边。
[0102]
指定用于红光的示例性感光区1400限定具有第一形状的收集区域。在图14的例子中，该形状是l形，其长部分限定图像像素212的第一边界的一部分，短部分朝图像像素212的中心延伸。该l形具有由短尺寸限定的宽度。指定用于绿光的示例性感光区1402限定l形收集区域，其中长部分限定图像像素的第二边界的一部分，并且短部分朝图像像素的中心延伸。感光区1402的长部分和感光区1400的长部分的短尺寸限定图像像素212的第二边界。指定用于蓝光的示例性感光区1406限定l形，其中长部分限定图像像素212的第三边界的一部分，并且短部分朝图像像素212的中心延伸。感光区1406的长部分和感光区1402的长部分的短尺寸限定图像像素212的第三边界。指定用于绿光的示例性感光区1404限定l形，其中长部分限定图像像素212的第四边界的一部分，并且短部分朝图像像素212的中心延伸。感光区1404的长部分和感光区1406的长部分的短尺寸限定图像像素212的第四边界。最后，感光区1400的长部分和感光区1404的长部分的短尺寸限定图像像素212的第一边界。
[0103]
仍然参考图14，考虑入射到路由器收集区域410上的示例性红光光子。平均而言，这种红光光子行进水平距离以到达红光感光区1400，该水平距离在图14的页面平面中被测量。然而，考虑到红光感光区1400的收集区域的形状，色彩路由器400(图4)可以更容易地路由这样的光子，因为这样的红光光子可以在色彩路由器400内行进的最长水平距离是图像像素212的长尺寸的一半。对于示例性红光光子，考虑红光光子在图14的视图中的图像像素212的右上角的位置1410处(即在l形感光区1402的长部分的最外点处)进入色彩路由器400，因此，示例性红光光子只需要被路由图像像素的最长尺寸(这里是斜边h的一半)的一半的距离。相同的描述适用于蓝光光子的最长水平行进距离。对于绿光光子，(对于正方形图像像素)最短的行进距离是长度或宽度的四分之一。因此，这样的布局可以使色彩路由器400更容易地路由光子，并且因此可以使色彩路由器的设计更简单。其他形状的布局是可能的，其他颜色感光性也是可能的，例如ryycy。并且如前所述，图14的示例性布局可以是单位
单元，该单位单元在整个图像像素212内被复制多次，例如，四次。
[0104]
在图14的示例性图像像素212中，假设感光区1400、1402、1404和1406是各自l形内的连续区域。然而，在进一步的情况下，指定用于接收特定波长光子的下方感光区可以是由多个离散区域组成的复合收集区域。图15以简化标记法示出了示例性图像像素212的俯视图，其中图像像素具有多个离散区域，这些区域共同限定图14中的l形感光区。具体地，示例性l形感光区1400由离散感光区1500、1502、1504和1506限定。在图15的示例中，离散感光区1500、1502、1504和1506中的每一个限定正方形的收集区域，其具有短尺寸长度的边。然而，收集区域不必是正方形的，只要在集合中收集区域限定了期望的形状(这里是l形结构)即可。此外，虽然图15示出了四个离散的感光区，但是两个或更多个离散的感光区可以一起形成示例性感光区1400。示例性图像像素212类似地示出了由离散感光区构成的感光区1402、1404和1406，但是感光区1402、1404和1406的离散构成的描述与感光区1400相同，并且将不会重复，以避免过度延长说明书。
[0105]
色彩路由器400的设计的其他考虑可以包括相位检测自动对焦(pdaf)考虑。也就是说，色彩路由器400被设计和构造为将光子路由到各自的感光区域(photosensitive area)，这不仅可以基于波长，而且可以基于光子进入色彩路由器400的路由器收集区域的物理位置。图16以简化标记法示出了示例性图像像素212的俯视图，其中，图像像素212具有图14所示的相同感光区和与图15所示的相同离散单元。尽管色彩路由器400在图16的简化标记法中不可见，但是色彩路由器400仍然可以被设计和构造成基于光子到达的路由器收集区域的位置来路由指定用于pdaf的特定颜色的光子。
[0106]
为了描述这种操作，图16包括垂直虚线1600和水平虚线1602。示例性垂直线1600和水平线1602在概念上(尽管不一定是物理上的)将色彩路由器400的收集区域和下方感光区划分为四个子部分；即象限1604、1606、1608和1610。在这个示例中，考虑绿光光子被指定用于pdaf，该绿光光子作为收集区域的函数被路由——尽管在其他实现中可以选择任何颜色。在图16的例子中，对于指定的pdaf颜色，即绿光，四个子部分分别由相等数量的离散感光区组成。即，象限1604、1606、1608和1620各自包括指定用于绿光光子的两个离散感光区。在每个子部分中具有两个离散的感光区仅仅是一个例子。每个子部分只需要具有与跨过分界线(如垂直虚线或水平虚线)的相应子部分相同的用于指定颜色的收集区域。此外，每个子部分中的收集区域可以由单个感光区或多个离散的感光区限定。
[0107]
使用图16中的图像像素212，到达象限1604和1608内的路由器收集区域410(图1)或与象限1604和1608内的路由器收集区域410(图1)相交的绿光光子分别被路由到象限1604和1608下方的指定用于绿光的感光区。到达象限1606和1610内的路由器收集区域410(图4)或与象限1606和1610内的路由器收集区域410(图4)相交的示例性绿光光子被路由到象限1606和1610正下方的指定用于绿光的感光区。在图16中的图像像素212是整个像素阵列210(图2)的单元的情况下，可基于到达图像像素212的示例性绿光光子的不均匀相位或空间分布来检测聚焦问题。例如，基于关于图16描述的路由，到达下方感光区的绿光光子产生的相位或空间分布，在垂直虚线1600的一侧可能比垂直虚线1600的另一侧权重更大。可以进一步基于图像像素212在整个像素阵列210内的位置、图像像素212相对于场景的方向和/或场景失焦的程度来确定精确的相位失衡。因此，通过检测与图16的图像像素212相关联的示例性垂直虚线1600上的相位或空间失衡，相位失衡的幅度和位置可以用于自动调整
相机模块102(图1)的透镜104(图1)的焦点。
[0108]
对于图16中被水平虚线1602分割的象限，可以应用相同的推理。例如，到达象限1604和1606内的路由器收集区域410(图1)或与象限1604和1606内的路由器收集区域410(图1)相交的绿光光子分别被路由到象限1604和1606下方的指定用于绿光的感光区。到达象限1608和1610内的路由器收集区域410或与象限1608和1610内的路由器收集区域410相交的示例性绿光光子被分别路由到象限1606和1610下方的指定用于绿光的感光区。可基于到达图像像素212的示例性绿光光子的相位或空间分布来检测聚焦问题。例如，基于关于图16所描述的路由，到达下方感光区的绿光光子产生的相位或空间分布，在水平虚线1602的一侧可能比水平虚线1602的另一侧权重更大。可以进一步基于图像像素212在整个像素阵列210内的位置、图像像素212相对于场景的方向和/或场景失焦的程度来确定精确的相位失衡。因此，通过检测与图16的图像像素212相关联的示例性水平虚线1602上的相位或空间失衡，相位失衡的幅度和位置可以用于自动调整相机模块102(图1)的透镜104(图1)的焦点。
[0109]
在关于图16讨论的示例性pdaf考虑中，绿光是示例性pdaf颜色。因为示例性图像像素212具有rggb感光性，所以相同数量的离散绿光感光区位于色彩路由器400的每个象限下方。可选地，对于示例rggb感光性，红光或蓝光可被选择作为pdaf颜色。考虑到红光作为指定pdaf颜色，示例性图像像素212在象限1604和1608中具有相等数量的离散红光感光区。也就是说，当以水平线1602划分时，包括象限1604和1606的示例性图像像素212的上方子部分具有与包括象限1608和1610的下方子部分相等数量的离散红光感光区。因此，pdaf颜色不需要在所有四个象限中具有相等数量的离散感光区。
[0110]
在一些示例中，图像像素可以与准直器或其他减小入射光子的入射角的装置相关联。如上所述，当光子以高入射角接触路由器收集区域时，色彩路由器400进行基于波长和/或位置的路由的能力可能会受损。因此，减小入射光子到色彩路由器的入射角可以提高路由效率。
[0111]
图17示出了示例性图像像素212的横截面图。具体地，图像像素212的横截面图描绘了四个感光区1700、1702、1704和1706。感光区1700、1702、1704和1706可以是颜色感光性的任何组合，例如上述所讨论的那些。位于感光区1700、1702、1704和1706上方的是色彩路由器400。示例性图像像素212还限定了设置在色彩路由器400上方的准直器1710。在所示的示例中，准直器1710邻接色彩路由器400，但是在其他情况下，一个或多个附加层，例如氧化物层，可以位于准直器1710和色彩路由器400之间。
[0112]
顾名思义，准直器1710被设计和构造成在由准直器1710收集的光子入射到路由器收集区域410上之前至少部分地准直这些光子。换句话说，准直器1710被设计和构造成在至少一些光子入射到路由器收集区域410上之前修改这些光子的入射角。准直器1710可以采取任何合适的形式，例如形成网格图案的一组平行壁。准直器可以由多个三维结构(例如长方体)或具有不同折射率和/或不同尺寸的材料来设计和构造。例如，准直器层的三维结构可以选择性地由二氧化硅和氮化硅制成，以修改入射角。
[0113]
图18示出了微透镜形式的示例性准直器1710。图18限定了与图17相同的底层组件。然而，在图18中，准直器1710被示意性地示出为微透镜1800和1802。即，示例性微透镜1800设置在色彩路由器400的上方并且位于感光区1700和1702的正上方。示例性微透镜
1802设置在色彩路由器400的上方并且位于感光区1704和1706的正上方。尽管图18的示例示出了与至少两个感光区相关联的每个微透镜，但是给定的微透镜可以与任何非零数量的感光区相关联。例如，单个微透镜可以跨越一个感光区、一个图像像素212或多个图像像素。此外，微透镜在像素阵列210(图2)上的分布可以是不均匀的，像素阵列210可以包括成百上千个图像像素212。例如，相比于入射到像素阵列外围的光子，透镜104(图1)可能倾向于更好地准直入射到像素阵列210的中心上的光子。在这种情况下，像素阵列210的中心区域可以具有较少甚至不具有微透镜形式的准直器1710，但是像素阵列210的每单位面积的微透镜的密度可以随着距离像素阵列210的中心的距离的增加而增加。密度的增加可以是线性的、指数的或其他的。
[0114]
针对色彩路由器400的设计考虑，如上所述，色彩路由器400可以采用任何合适的形式。在许多情况下，色彩路由器400由几个层级或层构成，其中每一层被设计和构造为执行至少部分路由。每一层可以使用具有不同折射率和/或不同尺寸的材料的多个三维结构来设计和构造。例如，三维结构可以是长方体或其他形式。所述材料可包括电介质材料和/或金属材料。为了降低构造的复杂性，可以对构成色彩路由器的每一层的元件的尺寸施加约束。
[0115]
图19示出了示例性色彩路由器400的分解侧视图。具体地，示例性色彩路由器400包括三个层级或三层1900、1902和1904。虽然示出了三个代表性层，但色彩路由器400可以包含两层或更多层，因此在图19中示出的三层不应被解释为限制。层1900是第一层，用于接收入射光子，因此路由器收集区域410可以由层1900的上表面限定。示例层1902位于层1900和1904之间。最后，示例层1904限定最低层，并且层1904的底面将路由的光子输出到图像像素的感光区的收集区域(图19中未示出)。
[0116]
在示例性情况下，每一层由特定大小或体积的长方体组成。例如，层1900的每个长方体限定第一尺寸或第一体积。层1902的每个长方体限定第二尺寸或第二体积，第二尺寸大于第一尺寸且第二体积大于第一体积。层1904的每个长方体限定第三尺寸或第三体积，第三尺寸大于第二尺寸且第三体积大于第二体积。即使图19-图20的示例示出了长方体尺寸的线性变化，每层的长方体的尺寸变化也可以是任意顺序的。尽管在图19的示例中仅示出了三个示意性层，但是色彩路由器400中较低的每个附加层可以由比上方的层的尺寸更大或体积更大的长方体构成。每一层的尺寸或体积可以基于所设置的约束来设置，所设置的约束可以降低半导体制造或加工期间色彩路由器的构造的复杂性。在其他示例中，可以使用给定层中长方体尺寸或体积的不同组合。
[0117]
在一些情况下，每个示例层的长方体由相同材料(例如，氧化硅、氮化硅或氧化钛)制成，该材料被嵌入到较低折射率材料(例如，氧化硅和/或空气)中。然而，在其他情况下，每层的长方体可以由与上方和/或下方的层的材料不同的材料制成。例如，特定层可以由氧化物制成，邻接层可以由氮化物制成，而另一层可以由金属(例如，金或银)制成。在每一层上保持长方体的材料相同可以使得色彩路由器400被设计和/或构造。在其他示例中，可以使用给定层中材料的不同组合。
[0118]
图20示出了另一示例性色彩路由器400的分解侧视图。特别地，图20的示例性色彩路由器400包括三个层级或三层2000、2002和2004。虽然示出了三个代表性层，但色彩路由器400可以包含两层或更多层，因此在图20中示出的三层不应被解释为限制。层2000是第一
层，用于接收入射光子，因此路由器收集区域410可以由层2000的上表面限定。示例层2002位于示例层2000和2004之间。最后，示例层2004限定最低层，并且层2004的底面将路由的光子输出到图像像素的感光区的收集区域(图20中未示出)。
[0119]
如前所述，图20中的每一层都由特定大小或体积的长方体组成，但是大小模式与图19相反。例如，层2000的每个长方体限定第一尺寸或第一体积。层2002的每个长方体第二体积第二尺寸或第二体积，第二尺寸小于第一尺寸且第二体积第一体积。层2004的每个长方体限定第三尺寸或第三体积，第三尺寸小于第二尺寸且第三体积小于第二体积。即使附图的示例示出长方体尺寸的线性变化，每层中长方体的尺寸变化也可以是任意顺序的。尽管在图20的示例中仅示出了三个说明性层，但是色彩路由器400中较低的每个附加层可以由比上方的层的尺寸更小或体积更小的长方体构成。每一层的尺寸或体积可以基于所设置的约束来设置，所设置的约束可以降低半导体制造或加工期间色彩路由器的构造的复杂性。在其他示例中，可以使用给定层中长方体尺寸或体积的不同组合。
[0120]
以上讨论意在说明本发明的原理和各种实施例。一旦充分理解上述公开内容，许多变化和修改对本领域技术人员来说将变得显而易见。以下权利要求旨在解释为包含所有此类变化和修改。

技术特征：
1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：多个图像像素，每个图像像素包括：色彩路由器，在上表面上限定路由器收集区域；位于所述色彩路由器下方的第一感光区；位于所述色彩路由器下方的第二感光区；位于所述色彩路由器下方的第三感光区；以及所述色彩路由器被配置为：将在所述路由器收集区域接收到的第一波长的光子路由到所述第一感光区，将在所述路由器收集区域接收到的第二波长的光子路由到所述第二感光区，以及将在所述路由器收集区域接收到的第三波长的光子路由到所述第三感光区。2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：当所述色彩路由器路由第一波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于红光的波长的光子路由到所述第一感光区；当所述色彩路由器路由第二波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于黄光的波长的光子路由到所述第二感光区；以及当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于青光的波长的光子路由到所述第三感光区。3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述第一感光区限定第一收集区域；所述第二感光区限定小于所述第一收集区域的第二收集区域；所述第三感光区限定小于所述第二收集区域的第三收集区域；以及其中，所述第一波长长于所述第二波长，并且所述第二波长长于所述第三波长。4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每个图像像素限定平行于所述路由器收集区域所测量到的长尺寸，并且每个图像像素还包括：所述第一感光区限定了限定第一形状的收集区域；所述第二感光区限定了限定第二形状的收集区域；所述第三感光区限定了限定第三形状的收集区域；其中，所述第一形状、所述第二形状和所述第三形状被配置为使得光子通过所述色彩路由器被路由的最长水平距离是所述长尺寸的一半。5.一种成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：成像控制器；相机模块，包括：耦接到所述成像控制器的透镜系统；以及多个图像像素，所述多个图像像素与所述透镜系统具有操作关系并且通信地耦接到所述成像控制器，每个图像像素包括：色彩路由器，在上表面上限定路由器收集区域；位于所述色彩路由器下方的第一感光区；位于所述色彩路由器下方的第二感光区；位于所述色彩路由器下方的第三感光区；以及所述色彩路由器被配置为：将在所述路由器收集区域接收到的第一波长的光子路由到
所述第一感光区，将在所述路由器收集区域接收到的第二波长的光子路由到所述第二感光区，以及将在所述路由器收集区域接到收的第三波长的光子路由到所述第三感光区。6.根据权利要求5所述的成像系统，其特征在于：当所述色彩路由器路由第一波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于红光的波长的光子路由到所述第一感光区；当所述色彩路由器路由第二波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于黄光的波长的光子路由到所述第二感光区；以及其中，当所述色彩路由器路由第三波长的光子时，所述色彩路由器被进一步配置为将具有对应于青光的波长的光子路由到所述第三感光区。7.根据权利要求5所述的成像系统，其特征在于：所述第一感光区限定第一收集区域；所述第二感光区限定小于所述第一收集区域的第二收集区域；所述第三感光区限定小于所述第二收集区域的第三收集区域；以及其中，所述第一波长长于所述第二波长，并且所述第二波长长于所述第三波长。8.根据权利要求5所述的成像系统，其特征在于，每个图像像素限定平行于所述路由器收集区域所测量到的长尺寸，并且每个图像像素还包括：所述第一感光区限定了限定第一形状的收集区域；所述第二感光区限定了限定第二形状的收集区域；所述第三感光区限定了限定第三形状的收集区域；其中，所述第一形状、所述第二形状和所述第三形状被配置为使得光子通过所述色彩路由器被路由的最长水平距离是所述长尺寸的一半。9.一种操作图像传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：将来自场景的光子引导到位于多个感光区上方的色彩路由器中；所述色彩路由器将第一波长的光子路由到位于所述色彩路由器下方的第一感光区；将第二波长的光子路由到位于所述色彩路由器下方的第二感光区；以及将第三波长的光子路由到位于所述色彩路由器下方的第三感光区。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一波长对应于红光，所述第二波长对应于黄光，以及所述第三波长对应于青光。11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述第一感光区限定第一收集区域；所述第二感光区限定小于所述第一收集区域的第二收集区域；所述第三感光区限定小于所述第二收集区域的第三收集区域；以及其中，所述第一波长长于所述第二波长，并且所述第二波长长于所述第三波长。12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，每个图像像素限定平行于所述色彩路由器的路由器收集区域所测量到的长尺寸，并且其中：路由第一波长的光子还包括将第一波长的光子水平路由不超过所述长尺寸的四分之三以到达第一感光区；路由第二波长的光子还包括将第二波长的光子水平路由不超过所述长尺寸的四分之三以到达第二感光区；以及
路由第三波长的光子还包括将第三波长的光子水平路由不超过所述长尺寸的四分之三以到达第三感光区。

技术总结
公开了一种图像传感器、成像系统和操作图像传感器的方法。至少一个示例是包括多个图像像素的图像传感器。每个图像像素可以包括：色彩路由器，在其上表面上限定路由器收集区域；位于所述色彩路由器下方的第一感光区；位于所述色彩路由器下方的第二感光区；位于所述色彩路由器下方的第三感光区。所述色彩路由器被配置为：将在所述路由器收集区域接收到的第一波长的光子路由到所述第一感光区，将在所述路由器收集区域接收到的第二波长的光子路由到所述第二感光区，以及将在所述路由器收集区域接收到的第三波长的光子路由到所述第三感光区。收到的第三波长的光子路由到所述第三感光区。收到的第三波长的光子路由到所述第三感光区。


技术研发人员：李秉熙 S
受保护的技术使用者：半导体元件工业有限责任公司
技术研发日：2023.01.13
技术公布日：2023/7/22