Meta专利提出多光谱图像传感器，增加吸收效率，改善传感器性能

小编刘卫华 | 分类：专利 | 2022年8月30日

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增加光吸收效率以改善图像传感器的性能

（映维网Nweon 2022年08月30日）图像传感器中的典型像素包括光电二极管，用于通过将光子转换为电荷来感测入射光。入射光可以包括用于不同应用的不同波长范围的分量，例如2D和3D传感。

另外，为了减少图像失真，可以执行全局快门操作，其中光电二极管阵列的每个光电二极管在全局曝光周期中同时感测入射光以产生电荷。电荷可以由电荷感测单元转换成电压。像素单元阵列可以基于由电荷感测单元转换的电压测量入射光的不同分量，并提供用于生成场景的2D和3D图像的测量结果。

图像传感器可以基于不同波长范围的光来执行2D和3D传感。例如，可见光可用于2D传感，而不可见光（例如红外光）可用于3D传感。图像传感器可以包括滤光器阵列，以允许不同光学波长范围和颜色的可见光到达被分配用于2D传感的第一组像素单元，并且允许不可见光到达分配用于3D传感的第二组像素单元。

为了执行2D感测，像素单元处的光电二极管可以以与入射到像素单元上的可见光分量的强度成比例的速率产生电荷，并且在曝光时段中累积的电荷量可以用于表示可见光的强度。电荷可以暂时存储在光电二极管处，然后转移到电容器以产生电压。

电压可以由模数转换器（ADC）采样和量化，以生成与可见光强度相对应的输出。可以基于来自被配置为感测可见光的不同颜色分量的多个像素单元的输出来生成图像像素值。

同时，为了执行基于主动照明的3D传感，可以将不同波长范围的光投射到对象之上，并且可以通过像素单元检测反射光。光可以包括结构光、光脉冲等。像素单元输出可以用于基于例如检测反射的结构光的图案、测量光脉冲的飞行时间来执行深度感测操作。

为了检测反射的结构光的图案，可以确定在曝光时间期间由像素单元生成的电荷量的分布，并且可以基于与电荷量相对应的电压生成像素值。对于飞行时间测量，可以确定在像素单元的光电二极管处产生电荷的定时，以表示在像素单元处接收反射光脉冲的时间。当光脉冲被投射到物体时和当反射光脉冲在像素单元处被接收时之间的时间差可以用于提供飞行时间测量。

实现图像传感器的一个挑战是如何令光电二极管有效地吸收光以产生电荷。低吸收效率意味着光电二极管将需要暴露于较高强度的光以产生一定量的电荷，这会降低信噪比（SNR）。具体而言，图像传感器的输出通常包括归因于来自光电二极管的检测光的信号分量，以及归因于由图像传感器的其他部件引入的噪点分量。

如果吸收效率低，并且如果检测到的光具有低强度，则图像传感器的输出可能包括相对于归因于检测到的信号的信号分量的大噪点分量，并且信号分量可能变得与噪点分量不可区分。因此，图像传感器在测量低强度光时的性能可能变差。

在名为“Multi-spectral image sensor”的专利申请中，Meta提出了一种多光谱图像传感器，它可以增加吸收效率以改善图像传感器的性能。

在一个实施例中，图像传感器可以包括像素单元阵列。每个像素单元可以包括形成在半导体衬底的光敏区域中的多个光电二极管，并且可以包括第一光电二极管和第二光电二极管，第一光电二极管沿着第一轴定位为与第二光电二极体相邻。每个光电二极管可以对应于像素单元的子像素。

每个像素单元同时包括沿着垂直于第一轴的第二轴的第一光学结构和第二光学结构。图像传感器同时包括沿着第二轴定位在第一光学结构和第二光学结构上方的一个或多个微透镜，从而使得微透镜、光学结构和光电二极管沿着第二轴线形成堆叠。一个或多个微透镜可以收集光并将光引导到每个像素单元的第一光学结构和第二光学结构。然后，每个像素单元的第一光学结构和第二光学结构可以将光分别引导到像素单元的第二光电二极管和第一光电二极管。

像素单元可以包括含有第一滤光器和第二滤光器的滤光器层，其中第一滤光器沿着第一轴与第二滤光器相邻定位。滤光器层可以定位在微透镜与第一和第二光学结构之间。第一滤光器可以选择性地将光的第一分量传递到第一光学结构，然后第一光学结构可以将光的第二分量引导到第一光电二极管。第二滤光器可以选择性地将光的第二分量传递到第二光学结构，然后第二光学机构可以将光的第一分量引导到第二光电二极管。

第一光分量可以与第一波长（例如可见光）相关联并且是第一光电二极管的第一带内光分量，而第二光分量可以和第二波长（例如红外或近红外）相关联并且可以是第二光电二极管的第二带内光成分。

第一光电二极管可以将光的第一分量转换为第一电荷，而第二光电二极管可以把光的第二分量转换为第二电荷。在穿过滤波器层之后，第一分量和第二分量可以分别沿着垂直轴朝向第一光电二极管和第二光电二极管传播。

第一光学结构和第二光学结构具有不同的光学特性，其中第一光学结构的光学特性基于第一波长配置，第二光学构造的光学特性根据第二波长配置。光学特性使得光学结构能够基于其波长选择性地引导带内光分量远离垂直轴，并朝向相应光电二极管的侧壁。带内光分量可以从侧壁反射，并且可以在光电二极管内经历额外的内部反射。

由于反射，可以延长光电二极管内带内光的传播路径，这可以提高光电二极管对带内光分量的吸收效率。同时，已经被滤光器层基本上衰减的带外光分量可以经历从光学结构的较小程度的转向，并且在光电二极管内经历较少的反射，这可以进一步缩短传播路径并降低光电二极管对带外光成分的吸收效率。

第一光学结构和第二光学结构可以基于各种机制操纵其各自的带内光分量。一个示例机制是折射。当节距尺寸小于要操纵的带内光分量的波长时，光学结构可以基于折射操纵带内光成分。具体地，每个光学结构可以包括与第二轴形成倾斜角度的倾斜光透射表面。

光可以在光学结构的光透射表面处折射，并且折射光可以以超过全内反射的临界角的入射角到达侧壁，这使得光能够在侧壁上反射而不是穿过侧壁。

然而，临界角是入射光波长的函数，并且第一和第二光分量可以具有不同的临界角。每个光学结构可以配置为折射光电二极管的相应带内光分量，使得带内光成分以高于带内光组件从侧壁反射的临界角的入射角到达光电二极管的侧壁。另外，带外光分量可以被光学结构折射，使得带外光成分以低于带外光组件的临界角的入射角到达光电二极管的侧壁，以最小化反射。

第一光学结构和第二光学结构可以具有基于每个光电二极管的相应带内光分量的波长定制的不同折射特性，以最大化带内光成分在侧壁处的反射，这又可以增加光电二极管内带内光组分的内反射和吸收。

具体地，在一个示例中，第一光学结构和第二光学结构可以具有不同的几何形状，例如倾斜光透射表面的不同倾斜角度，以在不同折射角度折射不同入射波长的相应带内光分量。这可以确保侧壁上的每个带内光分量的入射角超过带内光成分的波长相关临界角。

例如，第一光学结构的倾斜角度可以基于第一光分量的第一波长范围确定，而第二光学结构的倾斜角可以基于第二带内光分量的第二波长范围确定。如果要被第一光电二极管吸收的第一带内光分量具有比要被第二光电二极管吸收第二带内光成分更长的入射波长，则第一光学结构可以具有比第二光学结构更大的倾斜角。

在另一示例中，第一和第二光学结构可以具有不同的材料，其可以为相同的入射波长提供不同的折射率。可以选择每个光学结构的材料以实现每个带内光分量的目标临界角。可以设置每个光分量的目标临界角，以确保光分量在侧壁上的入射角超过相应的临界角。光学结构可以具有各种形状的突出结构，例如三角锥体、梯形锥体、锥体和/或梯形锥体。

第一光学结构和第二光学结构可以控制其带内光分量的另一示例机制可以基于衍射。当光穿过宽度等于或大于光波长的开口后弯曲时，会发生衍射。当光通过开口传播并变得衍射时，衍射光之间可能发生相长干涉以形成光束。

衍射光可以基于相长干涉形成光束，并且光束可以从第二/垂直轴以特定角度传播，特定角度由光的波长和光学结构的间距之间的比率给出。光束可以从侧壁反射并在光电二极管内经历额外的内部反射，以增强光的吸收。侧壁可以包括反射材料层以反射光。

第一和第二光学结构可以具有基于每个光电二极管的相应带内光分量的波长定制的不同衍射特性，以最大化侧壁处的带内光成分的反射，这反过来可以增加光电二极管内带内光组分的内反射和吸收。

具体地，第一和第二光学结构可以具有不同的节距尺寸，其中节距尺寸基于要衍射的带内光分量的波长来配置。例如，可以使每个光学结构的节距尺寸等于或大于相应带内光分量的波长，以最大化相应带内光分量的衍射和内反射。另外，由于例如带外光分量的波长短于光学结构的间距，可以减少相应带外光成分的衍射和内反射。为了最大化不同波长的不同带内光分量的衍射，第一光学结构和第二光学结构可以具有不同的间距大小，其匹配不同带内光学分量的不同波长。