有源像素图像传感器的制作方法

本公开涉及有源像素图像传感器的领域，更具体地但非排他地，涉及具有增加的分辨率的有源像素图像传感器。

背景技术：

图像传感器是通过将光转换为电信号来检测和传送图像信息的传感器。有源像素图像传感器是一种传感器，其中每个像素都有自己的光电探测器和有源放大器。

一种流行的图像传感器是互补金属氧化物半导体(cmos)传感器，由于其高抗噪性、低静态功耗和低成本，已经在许多消费者应用中取代了其他图像传感器技术。

在典型的cmos图像传感器中，存在2d像素阵列，并且每个像素包括光电检测器和有源放大器。影响每个像素的光导致电荷累积在像素上，并且读取累积的电荷并将其传送到信号处理电路。然后，在作为电压信号输出之前，可以通过每个像素处的各个放大器放大累积的电荷。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其特征和优点，结合附图参考以下描述，其中相同的附图标记表示相同的部分，其中：

图1是示出根据本公开的第一示例的方法的流程图；

图2a和2b是根据本发明第二示例的有源图像像素传感器的示意图；

图3a和3b是根据本发明第三示例的有源图像像素传感器的示意图；

图4示出了根据本发明第四示例的均匀组合衍射图案；

图5示出了根据本发明第五实施例的不均匀组合衍射图案；

图6示出了根据本发明第六示例的不均匀组合衍射图案；和

图7示出了根据本公开第七示例的包括有源像素图像传感器的装置。

具体实施方式

综述

提供一种有源像素图像传感器，其使用抵消和交错的方法来提高其分辨率。在有源像素图像传感器的基本配置中，来自一个光学发射器的光被衍射以产生一个衍射图案，然后来自另一个光学发射器的光被衍射以产生另一个衍射图案。来自另外光学发射器的光也可以被衍射以在此之后依次产生另外的衍射图案。这些衍射图案彼此抵消，然后使用时分复用进行交错，以便创建单个像素输出，其具有比有源像素图像传感器更高的分辨率，每个像素仅使用一个光学发射器或不使用衍射图案来创建更大的视野。

根据本公开的第一方面，提供一种提高有源像素图像传感器的分辨率的方法，包括：衍射来自第一光学发射器的光以产生第一衍射图案；顺序地衍射来自第二光学发射器的光以产生第二衍射图案；从所述第一衍射图案在空间上抵消所述第二衍射图案；和使用时分复用来交错所述第一和第二衍射图案以创建单个像素输出。

优选地，第一和第二光学发射器是准直激光器，而有源像素图像传感器是固态有源像素图像传感器，例如cmos传感器。

来自至少两个不同光源的抵消衍射图案的组合以及使用时分多路复用来组合衍射图案提供了有源像素图像传感器的增加的分辨率，因为来自每个光学发射器的光被散射成点矩阵(从而通过创建的点数增加分辨率),然后多个点矩阵在时域中交织(因此通过光学发射器的数量进一步增加分辨率)。

结果是可靠且易于维护的有源像素图像传感器，其可以以比相同分辨率的先前有源像素图像传感器更便宜的方式制造。有利地，如当前要求保护的增加有源像素图像传感器的分辨率的方法可以与诸如机械扫描、光波导或光学相位阵列技术的先前方法组合以进一步优化结果。

在一些例子中，衍射来自第一和第二光学发射器的光可包括通过相同的衍射光栅衍射来自第一和第二光学发射器中的每一个的光。在这种情况下，由每个光学发射器形成的衍射图案将是相同的，并且抵消将确定组合衍射图案在像素的视场上的精确配置，例如，以避免衍射图案中的点的重叠，并且还避免点之间的间隙，以便最大化有源像素图像传感器的分辨率，或者在一些区域中引起点的重叠，以便增加这些区域中的输出强度。

“组合衍射图案”可以定义为交错衍射图案，其包括在没有时分多路复用的情况下每个光学发射器的重叠的各个衍射图案。

在其他例子中，衍射来自第一和第二光学发射器的光可包括通过不同的衍射光栅衍射来自第一和第二光学发射器的光。在这种情况下，通过不同衍射光栅形成的衍射图案可以相同或者可以不同。如果由每个光学发射器形成的衍射图案相同，则得到的组合衍射图案可以与使用单个衍射光栅的示例中的相同(假设多个衍射光栅对齐以便允许这样做)。

除了以特定方式抵消之外，对准多个衍射光栅以便以特定方式抵消衍射图案可能是有利的。例如，可以对准多个衍射光栅以避免衍射图案中的点的重叠，并且还避免点之间的间隙，从而最大化有源像素图像传感器的分辨率。另一方面，多个衍射光栅可以对准以在一些区域中与点重叠，以便增加这些区域中的输出强度，这在一些应用中可能是有利的。

在一些例子中，从所述第一衍射图案抵消所述第二衍射图案可包括抵消以在单个像素输出处创建均匀的组合衍射图案。“均匀”是指组合衍射图案中每个点之间的间隙或间隔相等或一致。均匀组合衍射图案提供高分辨率输出，其在覆盖像素的整个视场方面是高效的。

在其他例子中，从所述第一衍射图案抵消所述第二衍射图案可包括抵消以在单个像素输出处创建不均匀的组合衍射图案。“非均匀”是指组合衍射图案中每个点之间的间隙或间隔不相等或不一致。应当理解，可以从每个光学发射器产生均匀的图案，但是由于各个衍射图案的抵消而产生不均匀的组合衍射图案。

根据本公开的第二方面，提供有源像素图像传感器，包括：第一光学发射器；第二光学发射器；衍射光栅；和光学发射器控制电路，布置为使来自所述第一和第二光学发射器的光依次通过所述衍射光栅，以分别产生第一和第二衍射图案，从而从所述第一衍射图案在空间上抵消所述第二衍射图案，并且使用时分复用来交错所述第一和第二衍射图案以创建单个像素输出。

优选地，第一和第二光学发射器是准直激光器，而有源像素图像传感器是固态有源像素图像传感器，例如cmos传感器。

在一些例子中，单个像素输出包括均匀的组合衍射图案。在其他例子中，单个像素输出包括不均匀的组合衍射图案。以上关于本公开的第一方面描述了术语“均匀”和“不均匀”的含义。

在优选的例子中，所述第一和第二衍射图案是四边形的。组合衍射图案也可能是四边形。

在另外优选的例子中，所述第一和第二衍射图案是六边形的。组合衍射图案也可以是六边形的。组合衍射图案的这种形状可以提供提高效率以覆盖单个像素输出的视野。

根据本公开的第三方面，提供有源像素图像传感器，包括：第一光学发射器；第二光学发射器；多个衍射光栅；和光学发射器控制电路，布置成使来自所述第一和第二光学发射器的光依次通过多个衍射光栅，以分别产生第一和第二衍射图案，从而从所述第一衍射图案在空间上抵消所述第二衍射图案，并且使用时分复用来交错所述第一和第二衍射图案以创建单个像素输出。

优选地，第一和第二光学发射器是准直激光器，而有源像素图像传感器是固态有源像素图像传感器，例如cmos传感器。

在根据本发明第三方面的有源像素图像传感器中，存在至少两个衍射光栅。来自第一和第二光学发射器的光可以各自通过不同的衍射光栅。如果有源像素图像传感器中有更多的光学发射器，则来自每个光学发射器的光可以通过不同的衍射光栅。

在这种情况下，由每个衍射光栅形成的衍射图案可以相同或者可以不同。如果由每个光学发射器形成的衍射图案是相同的，则得到的组合衍射图案可以与使用单个衍射光栅的示例中相同(假设多个衍射光栅对准以允许这种情况)。对准多个衍射光栅以便以特定方式抵消衍射图案可能是有利的。例如，可以对准多个衍射光栅以避免衍射图案中的点的重叠，并且还避免点之间的间隙，从而最大化有源像素图像传感器的分辨率。另一方面，多个衍射光栅可以对准以在一些区域中与点重叠，以便增加这些区域中的输出强度，这在一些应用中可能是有利的。

在一些例子中，单个像素输出包括均匀的组合衍射图案。在其他例子中，单个像素输出包括不均匀的组合衍射图案。以上关于本公开的第一方面描述了术语“均匀”和“不均匀”的含义。

在优选的例子中，所述第一和第二衍射图案是四边形的。组合衍射图案也可以是四边形的。

在另外优选的例子中，所述第一和第二衍射图案是六边形的。组合衍射图案也可以是六边形的。组合衍射图案的这种形状可以提供提高效率以覆盖单个像素输出的视野。

根据本公开的第四方面，提供了一种装置，包括如上所述的有源像素图像传感器。该装置还可以包括透射透镜，以进一步在多个衍射光栅透镜的前面重新成形图案及其入射场；接收器光学透镜，用于调整图像传感器矩阵的视场；模拟前端芯片，用于同步光学发射器之间的定时和数字化来自图像传感器的模拟信号；系统控制器，用于控制模拟前端芯片和接口以与其他上层系统协作，使得数字信号处理器可以合并时分复用图像。

提高分辨率的挑战

提高cmos传感器以及其他有源像素图像传感器的分辨率是一项持续的挑战。增加固态有源像素图像传感器的分辨率的一些努力主要集中在机械扫描技术，例如使用微机电系统(mems)致动器或马达的检测和测距(lidar)。然而，机械扫描技术的问题在于，由于系统中的机械运动，需要每六个月左右重新校准光路。此外，诸如扫描镜的mems装置易受冲击和对悬架的冲击。

在提高分辨率的其他尝试中，已经使用了光波导或光学相位阵列技术。由于这些技术不是基于小型机械运动部件，因此它们能够更好地承受冲击。然而，它们的能量消耗和功耗相对较高，光波导技术具有高达60％的散热，光学相位阵列技术具有高达90％以上的散热，这导致更昂贵的传感器。此外，如果传感器材料对热敏感，则存在由于高散热而烧毁的风险。

因此，需要改进有源像素图像传感器。

改进的有源图像像素传感器

已经认识到，需要一种有源像素图像传感器，其具有增加的分辨率、减少的散热并减少在其寿命期间重新校准的需要。

在本公开中，使用衍射和时分复用技术的组合对有源像素图像传感器的分辨率进行了大量改进。

这通过具有第一光学发射器、第二光学发射器、一个或多个衍射光栅和光学发射器控制电路来实现。光学控制电路被设置成使来自第一和第二光学发射器的光顺序地通过衍射光栅，以分别产生第一和第二衍射图案，从而从所述第一衍射图案在空间上抵消所述第二衍射图案，并且使用时分复用来交错所述第一和第二衍射图案以创建单个像素输出。

重要的是，衍射光栅(最好是衍射光栅透镜的形式)将每个发射器的照射场从连续区域重新整形为散射光斑，这样每个散射点照亮接收器视场中一个像素区域的一部分。然后，通过使用时分复用，确保每个发射器的散射点覆盖像素的整个区域。

使用本公开的上述技术，取决于光学发射器的数量和由衍射光栅透镜引起的散射图案，可以将固态有源像素图像传感器的分辨率提高许多倍。本公开的有源像素图像传感器在3dlidar应用以及混合深度感测系统中的结构化光应用以及诸如有源照明的1d和2d应用中特别有用。

图1是示出基本方法的流程图，通过该基本方法可以实现本公开的第一示例以便增加有源像素图像传感器的分辨率。

在s101，光从第一光学发射器衍射以产生第一衍射图案。

在s102，光从第二光学发射器顺序地衍射以产生第二衍射图案。

当第一和第二光学发射器是准直激光器时，则可以使用一个或多个衍射光栅将来自每个准直激光器的光散射成点矩阵。

在s103，第二衍射图案在空间上抵消第一衍射图案。

当来自第一和第二光学发射器的光被衍射通过相同的衍射光栅时，可以通过例如使用折射透镜折射第一和/或第二衍射图案来执行抵消。当来自第一和第二光学发射器的光通过不同的衍射光栅衍射时，第一和第二衍射图案可能已经抵消。

最后，在s104，使用时分复用来交错第一和第二衍射图案以产生单个像素输出。由于第一和第二衍射图案是顺序而不是同时产生的，因此使用时分复用实现像素输出的读出。

图2a和2b示出了根据本公开的第二示例的有源像素图像传感器。如图2a所示，光从第一光学发射器10通过第一衍射光栅11衍射，以产生第一衍射图案。然后，顺序地，如图2b所示，光从第二光学发射器20通过第二衍射光栅21衍射，以产生第二衍射图案。取决于第一和第二衍射光栅的配置，第一和第二衍射图案可以相同或者它们可以不同。借助于第一和第二衍射光栅的所选择的对准，第一和第二衍射图案可能已经彼此充分地抵消。或者，第二衍射图案可以进一步抵消，例如，使用折射透镜。最后，使用时分多路复用读出像素的输出，使得像素的有效分辨率是第一和第二衍射图案的分辨率的组合。

图3a和3b示出了根据本公开第三示例的有源像素图像传感器。如图3a所示，光从第一光学发射器30通过衍射光栅31衍射，以产生第一衍射图案。然后，顺序地，如图3b所示，光从第二光学发射器40通过相同的衍射光栅31衍射，以产生第二衍射图案。由于使用相同的衍射光栅来产生第一和第二衍射图案，所以第一和第二衍射图案是相同的。与图2a和2b的示例一样，第一和第二衍射图案可能已经彼此充分地抵消。这可以通过分别选择衍射光栅和第一和第二光学发射器的对准来实现。或者，第二衍射图案可以进一步抵消，例如，使用折射透镜。最后，使用时分多路复用读出像素的输出，使得像素的有效分辨率是第一和第二衍射图案的分辨率的组合。

图4、5和6分别示出了根据本公开的第四、第五和第六示例的不同衍射图案的一些示例。这些衍射图案是通过将来自多个准直激光的光散射通过衍射光栅而形成的点阵，如图4、5和6所示，为了说明的目的，作为字母图案。

在图4中，使用第一光学发射器和衍射光栅透镜产生由as的衍射图案描绘的点阵，然后在分别使用第二、第三和第四光学发射器之后依次产生由bs、cs和ds的衍射图案描绘的点阵。在这个例子中，bs、cs和ds的衍射图案是通过衍射来自第二、第三和第四光学发射器的光通过与用于从第一光学发射器产生as的图案相同的衍射光栅透镜来产生的。然而，在其他示例中，每个衍射图案可以通过衍射来自光学发射器的光通过不同的衍射光栅透镜来形成。

as、bs、cs和ds的图案各自以正方形点阵排列，每个点矩阵彼此抵消，使得点阵的子部分(即一个a、一个b、一个c和一个d)创建正方形子矩阵，并且所有as、bs、cs和ds一起形成组合的方点阵，如图4所示。应当理解，图4中所示的图案仅被视为读出阶段中的组合图案，其中，有源像素图像传感器使用时分复用来组合as、bs、cs和ds的图案，以便产生高分辨率输出。

在图4的例子中，as、bs、cs和ds的每个衍射图案是均匀的，即as、bs、cs和ds的各个点矩阵各自等间隔。组合衍射图案也是均匀的，即as、bs、cs和ds的组合点阵彼此等间隔。

在图5的示例中，产生与图4类似的衍射图案，不同之处在于省略了ds的图案。然而，尽管图5中as、bs和cs的每个衍射图案在图5中是均匀的，与图4中的as、bs和cs的衍射图案是相同的，但是组合衍射图案是不均匀的。换句话说，as、bs和cs的组合点阵不是彼此相等的间隔。通过将bs和cs分别抵消到as的右侧和下方来产生这种效果。

现在转到图6，示出了不均匀组合衍射图案的另一个例子。在图6中，使用第一光学发射器和衍射光栅透镜产生由as的衍射图案描绘的点阵，然后分别使用第二、第三、第四、第五和第六光学发射器依次产生由bs、cs、ds、es和fs的衍射图案描绘的点阵。在这个例子中，bs、cs、ds、es和fs的衍射图案是通过衍射来自第二、第三、第四、第五和第六光学发射器的光通过与用于从第一光学发射器产生as的图案相同的衍射光栅透镜来产生的。然而，在其他示例中，每个衍射图案可以通过衍射来自光学发射器的光通过不同的衍射光栅透镜来形成。

as、bs、cs、ds、es和fs的模式彼此抵消，使得点矩阵的子部分(即一个a、一个b、一个c、一个d、一个e和一个f)创建一个六边形子矩阵，并且所有as、bs、cs、ds、es和fs一起形成一个组合的六边形点阵，如图6所示。应当理解，如图6所示的模式仅被视为读出阶段的组合模式，其中有源像素图像传感器使用时分复用来组合as、bs、cs、ds、es和fs的模式，以便产生高分辨率输出。

六边形组合衍射图案，例如图6中所示的衍射图案，在覆盖像素输出的整个视场方面提供了高效率。

在图6的例子中，组合衍射图案是不均匀的，即bs、cs、ds、es和fs的as的组合点阵不是彼此相等的间隔。

图7示出了根据本公开第七示例的包括有源像素图像传感器的装置100，其中as、bs、cs和ds的各个图案130一起形成图4的组合点阵120。

该装置包括根据本公开示例的有源像素图像传感器，其具有多个光学发射器110和衍射光栅透镜111。该装置还包括透射透镜112，以进一步在衍射光栅透镜111前面重新形成图案及其入射场；用于调整图像传感器矩阵视场的接收器光学透镜113；模拟前端芯片114，用于同步光学发射器110之间的定时和数字化来自图像传感器的模拟信号；系统控制器115，用于控制模拟前端芯片114和接口以与其他上层系统配合，使得数字信号处理器可以合并时分复用图像；以及激光驱动器116。

例子和变化

本公开包括可以包括用于实现本文公开的各种技术的任何一个或多个部分的构件的装置。

例子1是一种提高有源像素图像传感器的分辨率的方法，包括：衍射来自第一光学发射器的光以产生第一衍射图案；顺序地衍射来自第二光学发射器的光以产生第二衍射图案；从所述第一衍射图案在空间上抵消所述第二衍射图案；和使用时分复用来交错所述第一和第二衍射图案以创建单个像素输出。

在例子2中，例子1的方法可任选地包括：衍射来自第一和第二光学发射器的光包括通过相同的衍射光栅衍射来自第一和第二光学发射器中的每一个的光。

在例子3中，例子1的方法可任选地包括：衍射来自第一和第二光学发射器的光包括通过不同的衍射光栅衍射来自第一和第二光学发射器的光。

在例子4中，例子1-3中任一项的方法可任选地包括：从所述第一衍射图案抵消所述第二衍射图案包括抵消以在单个像素输出处创建均匀的组合衍射图案。

在例子5中，例子1-3中任一项的方法可任选地包括：从所述第一衍射图案抵消所述第二衍射图案包括抵消以在单个像素输出处创建不均匀的组合衍射图案。

例子6是有源像素图像传感器，包括：第一光学发射器；第二光学发射器；衍射光栅；和光学发射器控制电路，布置为使来自所述第一和第二光学发射器的光依次通过所述衍射光栅，以分别产生第一和第二衍射图案，从而从所述第一衍射图案在空间上抵消所述第二衍射图案，并且使用时分复用来交错所述第一和第二衍射图案以创建单个像素输出。

在例子7中，例子6的传感器可任选地包括：单个像素输出包括均匀的组合衍射图案。

在例子8中，例子6的传感器可任选地包括：单个像素输出包括不均匀的组合衍射图案。

在例子9中，例子6-8中任一项的传感器可任选地包括：所述第一和第二衍射图案是四边形的。

在例子10中，例子6-8中任一项的传感器可任选地包括：所述第一和第二衍射图案是六边形的。

在例子11中，例子6-10中任一项的传感器可任选地包括：所述第一光学发射器和所述第二光学发射器是准直激光器。

在例子12中，例子6-11中任一项的传感器可任选地包括：有源像素图像传感器是固态图像传感器。

例子13是有源像素图像传感器，包括：第一光学发射器；第二光学发射器；多个衍射光栅；和光学发射器控制电路，布置成使来自所述第一和第二光学发射器的光依次通过多个衍射光栅，以分别产生第一和第二衍射图案，从而从所述第一衍射图案在空间上抵消所述第二衍射图案，并且使用时分复用来交错所述第一和第二衍射图案以创建单个像素输出。

在例子14中，例子13的传感器可任选地包括：来自所述第一和第二光学发射器的光通过不同的衍射光栅。

在例子15中，例子13或14的传感器可任选地包括：单个像素输出包括均匀的组合衍射图案。

在例子16中，例子13或14的传感器可任选地包括：单个像素输出包括不均匀的组合衍射图案。

在例子17中，例子13-16中任一项的传感器可任选地包括：所述第一和第二衍射图案是四边形的。

在例子18中，例子13-16中任一项的传感器可任选地包括：所述第一和第二衍射图案是六边形的。

在例子19中，例子13-18中任一项的传感器可任选地包括：所述第一光学发射器和所述第二光学发射器是准直激光器。

在例子20中，例子13-19中任一项的传感器可任选地包括：有源像素图像传感器是固态图像传感器。

这里的描述涉及本公开的特别优选的方面，但是应当理解，其他实现也是可能的。变型和修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，例如等同的和已知的其他特征，并且可以代替这里描述的特征或者除了这里描述的特征之外使用这些特征。可以在单个方面或示例中组合地提供在单独方面或示例的上下文中描述的特征。相反，在单个方面或示例的上下文中描述的特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。

还必须注意，此处概述的所有规范、尺寸和关系仅出于示例和教学的目的而提供。在不脱离本公开的精神或所附权利要求(如果有的话)和/或示例的范围的情况下，可以显着地改变这样的信息。该说明书仅适用于一个非限制性示例，因此，它们应被解释为如此。在前面的描述中，已经参考特定组件布置描述了示例实施例。在不脱离所附权利要求(如果有的话)和/或示例的范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。

注意，利用本文提供的众多示例，可以根据两个、三个、四个或更多个电子组件来描述交互。然而，这仅出于清楚和示例的目的而进行。应该理解，系统可以以任何合适的方式合并。沿着类似的设计替代方案，附图中的任何所示组件可以以各种可能的配置组合，所有这些配置显然都在本说明书的宽范围内。在某些情况下，仅通过参考有限数量的电气元件来描述给定流程集的一个或多个功能可能更容易。应当理解，附图及其教导的电路易于扩展，并且可以容纳大量部件，以及更复杂/复杂的布置和配置。因此，所提供的示例不应限制范围或抑制可能应用于无数其他架构的电路的广泛教导。

注意，在本说明书中，对“一个实施例”、“示例实施例”、“实施例”、“另一个实施例”、“一些实施例”、“各种实施例”、“其他实施例”、“替代实施例”等中包括的各种特征(例如，元件、结构、模块、组件、步骤、操作、特性等)的引用旨在表示任何这样的特征包括在本公开的一个或多个实施例中，但是可以或可以不必在相同的实施例中组合。

在适当的情况下，可以删除或移除一些所公开的功能，或者可以在不脱离本公开的范围的情况下显着地修改或改变这些操作。此外，这些操作的时间可能会大大改变。出于示例和讨论的目的提供了业务流程。本文描述的实施例提供了实质的灵活性，因为可以提供任何合适的布置、时间顺序、配置和定时机制而不脱离本公开的教导。

本领域技术人员可以确定许多其他改变、替换、变化、替代和修改，并且本公开旨在涵盖落入本公开范围内的所有这样的改变、替换、变化、替代和修改。注意，本文描述的装置的所有可选特征也可以关于本文描述的方法或过程来实现，并且示例中的细节可以在一个或多个实施例中的任何地方使用。