微軟AR/VR專利提出減少傳感器噪點(diǎn)的圖像感知像素配置方法

　　傳統(tǒng)圖像傳感器的信噪比可能受到讀取噪點(diǎn)的高度影響，尤其是在低能見度條件下成像時(shí)。例如，在低光成像條件，CMOS或CCD成像像素可以僅檢測(cè)少量光子，這可能導(dǎo)致讀取噪點(diǎn)接近或超過(guò)成像像素檢測(cè)到的信號(hào)，并降低信噪比。

　　當(dāng)在低光條件下以高幀速率成像時(shí)，CMOS或CCD圖像傳感器檢測(cè)到的信號(hào)中讀取噪點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)通常會(huì)加劇。盡管較低的幀速率可用于允許CMOS或CCD傳感器檢測(cè)足夠的光子，但利用低幀速率通常會(huì)導(dǎo)致捕獲圖像中的運(yùn)動(dòng)模糊，這在頭顯中尤其成問(wèn)題。

　　除了影響透視成像外，與常規(guī)圖像傳感器相關(guān)的讀取噪點(diǎn)和/或運(yùn)動(dòng)模糊可能影響頭顯執(zhí)行的其他操作，如后期重投影、滾動(dòng)快門校正、對(duì)象追蹤、表面重建、語(yǔ)義標(biāo)記、對(duì)象的3D重建等。

　　針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，微軟在名為“Image sensing pixel configurations for reduced sensor noise的專利申請(qǐng)中提出了一種旨在減少傳感器噪點(diǎn)的圖像感知像素配置方法。

　　在一個(gè)實(shí)施例中，專利描述了一種配置為捕獲具有減輕噪點(diǎn)圖像的圖像傳感器。所述圖像傳感器包括對(duì)像素設(shè)計(jì)的修改，以減輕成像傳感器中的dark shot噪點(diǎn)。修改后的圖像感測(cè)像素的多個(gè)排列形成傳感器陣列。

　　多個(gè)圖像感測(cè)像素中的每個(gè)圖像感測(cè)像素包括配置為接收光子以方便圖像捕獲的有源區(qū)域。每個(gè)有源區(qū)域包括長(zhǎng)度和寬度。對(duì)于多個(gè)圖像感測(cè)像素中的至少一個(gè)圖像感測(cè)像素，有源區(qū)域的長(zhǎng)度或?qū)挾刃∮谥辽僖粋�(gè)圖像感測(cè)像素與相鄰圖像感測(cè)像素之間像素間距測(cè)量的約80%。相對(duì)于像素間距測(cè)量的有源區(qū)域的大小有助于減輕圖像傳感器的傳感器噪點(diǎn)。

　　圖1示出，傳感器110可以包括圖像傳感器112。圖像傳感器112可以包括圖像感測(cè)像素120的排列，所述圖像感測(cè)像素120形成傳感器陣列并且每個(gè)配置為檢測(cè)光子以促進(jìn)圖像捕獲。

　　例如，其中圖像傳感器112包含一個(gè)或多個(gè)SPAD傳感器，圖像傳感像素120可以促進(jìn)雪崩事件以響應(yīng)于傳感光子。在檢測(cè)光子之后，可以對(duì)圖像傳感像素120進(jìn)行充電，以使圖像傳感像素120準(zhǔn)備用于檢測(cè)額外的雪崩事件。

　　圖2示出了用于弱光成像的傳統(tǒng)圖像傳感器200的圖像傳感像素202A和202B。如圖2所示，圖像傳感像素202A和202B通過(guò)所示的隔離區(qū)204進(jìn)行深溝槽隔離。包圍圖像傳感像素202A和202B的折線表明，常規(guī)圖像傳感器200可以包含任意數(shù)量的圖像傳感像素以形成傳感器陣列。

　　圖2分別示出圖像傳感像素202A和202B的有源區(qū)域206A和206B。如上所述，有源區(qū)域206A和206B可包括圖像傳感像素202A和202B的光輸入?yún)^(qū)域，光子可通過(guò)所述區(qū)域到達(dá)其他像素組件以促進(jìn)圖像生成。

　　圖2示出傳統(tǒng)圖像傳感器200的圖像傳感像素202A的有源區(qū)域206A的長(zhǎng)度208和寬度210。圖2同時(shí)示出像素間距測(cè)量212，其包括圖像傳感像素202A和202B之間的中心到中心距離。

　　圖像傳感像素202A的有源區(qū)域206A的長(zhǎng)度208和寬度210接近像素間距測(cè)量212，嘗試最大化有源區(qū)域206A，以允許圖像傳感像素202A在圖像捕獲期間捕獲所有可用光子，特別是在弱光條件下成像時(shí)。

　　然而，這種長(zhǎng)度和寬度容易造成傳感器噪點(diǎn)。與圖2中所示的傳統(tǒng)圖像傳感器200相反，微軟構(gòu)思的圖像傳感器包括減小的有源區(qū)域，從而有助于減輕捕獲圖像中存在的傳感器噪點(diǎn)。

　　圖3示出配置為捕獲具有減輕噪點(diǎn)圖像的圖像傳感器300的圖像傳感像素302A和302B。圖像傳感器300可包括SPAD傳感器或其他類型的圖像傳感器，并且圖3所示的圖像傳感像素302A和302B可沿圖像傳感器300的同一行或同一列排列。

　　包圍圖像傳感像素302A和302B的彎曲斷行表明，圖像傳感器300可以包含任意數(shù)量的圖像傳感像素以形成傳感器陣列。

　　在圖3的實(shí)施例中，圖像傳感器300的圖像傳感像素302A和302B分別由各自的隔離區(qū)所包圍。隔離區(qū)304A和304B可在相鄰圖像傳感像素之間提供光學(xué)和/或電氣隔離。

　　圖3示出圖像傳感像素302A的有源區(qū)域306A的長(zhǎng)度308和寬度310。圖3同時(shí)示出圖像傳感像素302A和302B之間的像素間距測(cè)量312。

　　相較于與圖2傳統(tǒng)圖像傳感器200的圖像感測(cè)像素202A的有源區(qū)域206A的長(zhǎng)度208和寬度210，并且反直覺(jué)地，圖3選擇為小于像素間距測(cè)量312，從而減小有源區(qū)域306A。例如，有源區(qū)306A的長(zhǎng)度308和/或?qū)挾?10可以小于像素間距測(cè)量312的大約80%，或者小于像素間距度量312的大約75%、70%、65%、60%、55%、50%、40%或30%。

　　實(shí)驗(yàn)表明，小于圖像傳感器像素間距測(cè)量大約80%的圖像感測(cè)像素有源區(qū)域允許圖像傳感器足夠大并適合于微光成像，同時(shí)依然提供足夠小的有源表面積，以實(shí)現(xiàn)噪點(diǎn)的可察覺(jué)減少。

　　作為舉例說(shuō)明的方式，圖像傳感器300的像素間距測(cè)量312可包括約6.4 μm的長(zhǎng)度，其可與常規(guī)圖像傳感器200的像素間距測(cè)量212相匹配。常規(guī)圖像傳感器200的圖像傳感像素202A的有源區(qū)域206A的長(zhǎng)度208和/或?qū)挾?10可大于像素間距測(cè)量值212的約90%，例如6.3 μm。

　　相反，圖像傳感器300的圖像傳感像素302A的有源區(qū)域306A的長(zhǎng)度308和/或?qū)挾?10可低于像素間距測(cè)量312的約80%，例如約4 μm(像素間距測(cè)量的約60%)。

　　繼續(xù)上面的例子，當(dāng)有源區(qū)306A的長(zhǎng)度308和寬度310都減小到像素間距測(cè)量312的大約60%時(shí)，有源區(qū)306A的周長(zhǎng)可以類似地減小到圖像感測(cè)像素302A的總周長(zhǎng)的大約60%。與總像素面積相比，有源區(qū)306A的減小的周長(zhǎng)可有助于有源區(qū)306B的面積的相應(yīng)減小。

　　如上所述，減少的有源區(qū)域306A可有利地有助于減少圖像傳感器300捕獲的圖像中的噪點(diǎn)。

　　圖4示出圖像傳感器400的圖像傳感像素402A和402B的示例組件的橫截面?zhèn)让嬉晥D，其包含減少的有源區(qū)域，類似于圖3的圖像傳感器300。

　　圖4示出分別設(shè)置在圖像傳感像素402A和402B的有源區(qū)域406A和406B上的微透鏡430A和430B。微透鏡430A和430B配置成引導(dǎo)環(huán)境光朝向有源區(qū)域406A和406B，以允許來(lái)自環(huán)境的光子到達(dá)圖像傳感像素402A和402B的內(nèi)部組件。

　　如圖4所示，微透鏡430A和430B在圖像感測(cè)像元402A和402B之間的接口處相鄰，使得微透鏡430A和430B分別將盡可能多的環(huán)境光引導(dǎo)到圖像感測(cè)像元402A和402B的有源區(qū)域406A和406B。圖像傳感像素402A的微透鏡430A的直徑432A與圖像傳感像素402A本身的長(zhǎng)度和/或?qū)挾然�本相似�?/p>

　　圖4示出圖像傳感像素402A的有源區(qū)域406A的長(zhǎng)度408和/或?qū)挾�，其選為小于微透鏡430A的直徑432A。例如，有源區(qū)域406A的長(zhǎng)度408和/或?qū)挾瓤尚∮谖⑼哥R430A直徑432A的約80%。

　　實(shí)驗(yàn)表明，小于相應(yīng)微透鏡直徑約80%的圖像傳感像素有源區(qū)域允許圖像傳感器的微透鏡足夠大并適合于低光成像，同時(shí)依然提供圖像傳感器的足夠小的有源表面積，從而實(shí)現(xiàn)噪點(diǎn)的可感知減少。

　　在一個(gè)實(shí)施例中，減少圖像傳感器的有源區(qū)域的深度可以實(shí)現(xiàn)dark shot噪點(diǎn)的減少。圖5示出圖像傳感器500的圖像傳感像素502A和502B的示例組件的橫截面?zhèn)让嬉晥D，圖像傳感器500包括減小的有源區(qū)域深度。

　　圖像傳感像素502A和502B包括類似于圖像傳感器400的圖像傳感像素402A和402B的組件，例如微透鏡530A和530B、有源區(qū)域506A和506B、有源區(qū)域520A和520B、以及隔離區(qū)域504A和504B等。

　　圖5還示出圖像傳感像素502B的有源區(qū)域520B的深度584。所述深度可從有源區(qū)域520B的頂部(例如，面向場(chǎng)景的部分，或毗鄰面向場(chǎng)景的元件如涂層和/或緩沖襯底的部分)延伸至有源區(qū)域520B的底部(例如，到吸收區(qū)、倍增區(qū)、電位阱、光電二極管和/或其他光活性組分的下邊緣)。

　　如圖5所示，所述有源區(qū)域520B的深度584小于所述像素間距測(cè)量512和所述隔離區(qū)域504B的溝槽深度。例如，有源區(qū)域520B的深度584小于像素間距測(cè)量512的約80%。減少有源區(qū)域的深度有助于減少圖像中的噪點(diǎn)。

　　微軟指出，與用于改善低光成像的常規(guī)方法相反，發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)圖像傳感器，針對(duì)包括具有減少的有源區(qū)域和/或減少的有源區(qū)域深度像素的圖像傳感器，而這種圖像傳感器可以捕獲減少噪點(diǎn)的圖像，特別是在弱光條件下成像時(shí)。

　　名為”Microsoft Patent | Image sensing pixel configurations for reduced sensor noise“的微軟專利申請(qǐng)最初在2022年2月提交，并在日前由美國(guó)專利商標(biāo)局公布。