專利名稱：子衍射極限傳感器的彩色濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
概括地說，本發(fā)明實施例涉及電磁輻射的傳感器，更具體地，涉及具有光接收器 (其表征為具有子衍射極限規(guī)格)的固態(tài)圖像傳感器陣列和關(guān)聯(lián)使用的彩色濾波器。
背景技術(shù)：
二維1比特接收器被描述為數(shù)字膠片傳感器(DR5)，即深SDL(子衍射極限)像素的陣列，定義為小于^Onm Airy盤直徑的那些，其中每個像素的大小為微米的一小部分。盡管多個光電子可有助于將輸出信號推進(jìn)到某些閾值以上，但最后期望單體光電子敏感性。相比于傳統(tǒng)圖像傳感器中的模擬像素，僅需要檢測單體光電子的像素對于全井 (full-well)容量和動態(tài)范圍具有更低性能需求。這些專用像素稱為“點(jot)”。點的實現(xiàn)可通過使得傳統(tǒng)活動像素具有高轉(zhuǎn)換增益(低電容)來實現(xiàn)。其他方法包括使用雪崩或碰撞電離子效應(yīng)實現(xiàn)像素內(nèi)增益，以及量子點和其他納米電子設(shè)備的可能應(yīng)用。這說明堆棧結(jié)構(gòu)也是可能的。操作中，在曝光周期的開始，可將點重置為邏輯“0”。如果他隨后在曝光期間由光子擊中，則將點立即或在讀出時設(shè)置為“1”。由于“模數(shù)”轉(zhuǎn)換分辨率的單比特特征，可實現(xiàn)高的行讀出速率。可通過類似于當(dāng)前彩色圖像傳感器的方式處理顏色。即，可通過彩色濾波器覆蓋點。這樣，可單獨對待紅(R)、綠(G)、和藍(lán)(B)，并隨后組合數(shù)字開發(fā)的圖像以形成傳統(tǒng)RGB 圖像。這樣，R、G、和B點不需要在相同空間頻率處出現(xiàn)。生成彩色圖像的典型技術(shù)依賴于拜爾(Bayer)傳感器及其變型。其他技術(shù)包括色輪和棱鏡的使用。圖1示出具有RGB濾波元件的組合的典型拜爾型模型。相比于R和B濾波元件使用更多G濾波元件在于模仿人眼對于綠光的更大解析力。其他濾波類型包括例如 CYGM濾波器(青、黃、綠、品紅)和RGBE濾波器(紅、綠、藍(lán)、翠綠)。還已知，使用透明或白色濾波元件提供紅外敏感性。

發(fā)明內(nèi)容
—方面中，本發(fā)明的示例性實施例提供一種裝置，包括在具有光接收表面的基底中形成的子衍射極限大小的光接收器的陣列。每個光接收器被配置為輸出二進(jìn)制值的比特元素，以及通過至少一個光子的吸收在關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)之間改變狀態(tài)。該裝置還包括在光接收表面設(shè)置的光濾波器結(jié)構(gòu)，該光濾波器結(jié)構(gòu)具有濾波器像素的陣列，其每個具有相關(guān)通帶光譜特征。從所述子衍射極限大小的光接收器的陣列獲得的數(shù)據(jù)元素包括從多個光接收器輸出的多個比特元素，所述多個光接收器成為具有至少兩個不同通帶光譜特征的濾波器像素的基礎(chǔ)。另一方面中，本發(fā)明的示例性實施例提供一種方法，包括照射子衍射極限大小的光接收器的陣列的光接收表面。每個光接收器被配置為輸出二進(jìn)制值的比特元素，以及通過至少一個光子的吸收在關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)之間改變狀態(tài)。照射的步驟通過在光接收表面上設(shè)置的光濾波器結(jié)構(gòu)來發(fā)生，其中光濾波器結(jié)構(gòu)包括濾波器像素的陣列，其每個具有相關(guān)通帶光譜特征。該方法還包括，在曝光周期的結(jié)尾，讀出二進(jìn)制值的比特元素，并形成包括從多個光接收器輸出的多個比特元素的數(shù)據(jù)元素，所述多個接收器成為具有至少兩個不同通帶光譜特征的濾波器像素的基礎(chǔ)。


在以下具體實施方式
中，當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，使得本發(fā)明的示例性實施例的以上和其他方面更加明顯，其中圖1示出具有RGB濾波器元件的組合的典型拜爾類型模型。圖2是示出接收器、比特元素和數(shù)據(jù)元素的概念的概念性附圖。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的示例性濾波器模型，相比于圖1所示的傳統(tǒng)(例如拜爾)模型具有明顯更多彩色濾波器。圖4A和4B(這里統(tǒng)稱為圖4)分別是適用于本發(fā)明的示例性實施例的光傳感器的簡化放大圖視圖和正面圖。圖5示出實現(xiàn)圖4的光傳感器的接收器的一個適當(dāng)和非限制性電路。圖6示出可構(gòu)成為包括根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的圖像傳感器和彩色濾波器的設(shè)備的框圖。圖7A和7B示出圖4的傳感器陣列，其具有根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例構(gòu)成的濾波器陣列，其設(shè)置在光接收表面和要檢測的光之間。圖8A-8F是繪制波長與強(qiáng)度的視圖，并示出可在圖7A和7B中所示的濾波器陣列的各個濾波器像素中使用的各個示例性和非限制性的彩色濾波器特定特征。圖9示出不同類型的3個濾波器的實例，其每個覆蓋多個光接收器。圖10是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的一種方法的操作的邏輯流程圖，以及至少部分地計算機(jī)程序指令的執(zhí)行。圖11是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的一種方法的操作的邏輯流程圖，以及至少部分地計算機(jī)程序指令的執(zhí)行。
具體實施例方式參照圖2，在以下描述中，認(rèn)為“接收器”是將光轉(zhuǎn)換成電荷載體(例如光子)的物理傳感器元件。認(rèn)為“比特元素”是指示一個接收器的曝光的概念性1比特數(shù)據(jù)元件。認(rèn)為“多比特元素”是指示一個接收器的曝光的概念性η比特數(shù)據(jù)元件，其中η > 1。認(rèn)為“數(shù)據(jù)元件”是多個比特和/或多比特元素的組合，并且可包括兩個到某些任意大數(shù)目個組成比特和/或多比特元素。作為非限制性實例，數(shù)據(jù)元件可包括比特和/或多比特元素的序列或比特和/或多個比特元素的某些其他組合(例如總和或平均)。本發(fā)明的示例性實施例至少部分地涉及成像傳感器技術(shù)，例如在彩色相機(jī)中使用的光傳感器技術(shù)。如上所述，通過使用二維像素陣列(通過存儲由輸入光生成的電荷來測量光電平)來實現(xiàn)某些當(dāng)前彩色相機(jī)傳感器。在像素陣列和輸入光之間設(shè)置的彩色濾波器陣列使得像素陣列能夠檢測到彩色?？赏ㄟ^使用浮動擴(kuò)散和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路來數(shù)字化所存儲的電荷。然后，處理所檢測的圖像，并且結(jié)果是所存儲的圖像或視頻。
存在多個與傳統(tǒng)圖像傳感器技術(shù)相關(guān)的問題。例如，因為典型地僅使用一些相對少量(例如3個)不同彩色濾波器，所以彩色精確度可能并非最佳。然而，增加彩色濾波器的數(shù)目降低了分辨率。此外，由于在濾波器中存在光損失，所以彩色濾波器可降低傳感器的敏感性，導(dǎo)致不可用于成像目的的光子損失。本發(fā)明的示例性實施例使用與彩色濾波器陣列組合的具有大量子衍射極限接收器的陣列。彩色濾波器陣列可被設(shè)計為相比于傳統(tǒng)彩色濾波器陣列更加自由，因為數(shù)據(jù)元件是從多比特元素建立的。結(jié)果，對于一個數(shù)據(jù)元件可使用具有已知光譜響應(yīng)的若干不同類型的彩色濾波器(例如帶通、帶阻、低通、和高通)。接收器可能是簡單的并極小，用于提供子衍射極限操作，并且數(shù)據(jù)元件的采樣頻率可能遠(yuǎn)大于奈奎斯特Nyquist頻率。這能夠使用多個濾波器(例如帶通、帶阻、低通、和高通)，因為即使當(dāng)如果接收器的輸出組合到單體數(shù)據(jù)元件中時，分辨率沒有降級。可通過從不同數(shù)目個接收器建立數(shù)據(jù)元件來實現(xiàn)分辨率和色彩保真性和敏感性之間的動態(tài)優(yōu)化。將圖3與圖1相比，可通過使用本發(fā)明的示例性實施例構(gòu)成的光濾波器使得多個不同濾波器類型能夠在與基本子衍射極限接收器的任意期望組合中使用。注意，圖3中，例如，G1、G2、G3用于表示各種不同陰影，或與彩色綠色相關(guān)的波長帶的變型。一般地，濾波器越暗，帶通區(qū)域越窄。參照圖4A和4B，可通過包含大量1比特光接收器2 (可排列為光接收器的二維陣列)的光傳感器1采用本發(fā)明的示例性實施例。沿著陣列的χ軸，將二維陣列組織為i光接收器2，以及沿著陣列的y軸組織為j光接收器2，其中i可等于或不等于j。示例性實施例中，i和j都可以是作為非限制性實例的大約106?？稍诠饨邮毡砻鍵A和要成像的情景之間設(shè)置光透鏡(圖4中未示出)。還參照圖7A和7B，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，示出傳感器陣列1，其具有在光接收表面IA和要檢測的光之間設(shè)置的濾波器陣列6。濾波器陣列6包括離散的濾波器像素 6A的陣列。由于從源自若干接收器2的若干比特元素生成一個輸出像素(數(shù)據(jù)元件)，所以在選擇彩色濾波器結(jié)構(gòu)的特征時，提高具有子衍射極限接收器2 (像素)的傳感器陣列1 的自由度。這樣例如能夠，在彩色濾波器材料和光譜屬性的選擇時使用高敏感性彩色濾波器、光譜成像、附加自由度，使用單體彩色濾波器覆蓋多個臨近接收器2，可通過彩色插值經(jīng)歷縮減或消除的彩色工具，當(dāng)使用具有不同敏感性的彩色濾波器時提高動態(tài)范圍，以及在某些濾波器陣列位置中使用中性密度濾波器或根本不使用濾波器的能力。圖7A示出每個濾波器像素6A向接收器2的單體基礎(chǔ)接收器的實施例，而圖7B示出每個濾波器像素6A覆蓋多個臨近設(shè)置的接收器2的實施例。因此，每個濾波器像素6A 的大小可設(shè)置為覆蓋相同數(shù)目個基礎(chǔ)接收器2，或如圖7B所示，其大小可設(shè)置為覆蓋不同數(shù)目個基礎(chǔ)接收器2。一般地，兩個或更多個臨近濾波器像素6A可具有相同濾波器光譜特征，或者他們可具有不同濾波器光譜特征。特定接收器2的二進(jìn)制值(1或0)指示接收器的狀態(tài)(開或關(guān))。通過處理所檢測的接收器值并基于那些接收器值計算圖像(分辨率和顏色)，將經(jīng)由濾波器陣列6由傳感器陣列1觀看的情景轉(zhuǎn)換成彩色圖像。光到達(dá)的方向假設(shè)在傳感器1的視場(FOV)內(nèi)。一些實施例中有利的，傳感器1的中心區(qū)域內(nèi)的接收器2可小于更接近于邊緣的接收器2 (在或接近圖像邊緣的那些傳感器)。在操作期間，將傳感器陣列1的個體接收器2重置為已知狀態(tài)(0或1)。當(dāng)光進(jìn)入傳感器陣列1時，通過某一個接收器2吸收并改變那些接收器的狀態(tài)(1或0)。在某個周期之后，傳感器陣列2捕獲了大量光子，并且一些可能的對應(yīng)的大量接收器2經(jīng)歷了狀態(tài)的改變。在存在具有值(1或0)的多個接收器2 (從初始重置狀態(tài)改變狀態(tài)的接收器)的點，光子將進(jìn)入仍舊在重設(shè)狀態(tài)的接收器的可能性降低。這導(dǎo)致傳感器1開始飽和。當(dāng)隨后處理接收器(像素)值時，可考慮這個類型的非線性行為。傳感器1的曝光時間可基于先前捕獲的圖像。還在示例性實施例的范圍內(nèi)，如果存在能夠確定改變了狀態(tài)的接收器2的數(shù)目的某些機(jī)制，在接收器2的閾值數(shù)目改變了狀態(tài)之后終止曝光(例如15% )。這個機(jī)制可基于執(zhí)行傳感器1的多連續(xù)非破壞性讀取周期， 并且繼續(xù)直到接收器2的某些閾值數(shù)目改變了狀態(tài)。應(yīng)注意，盡管傳感器1/濾波器陣列6組合是波長(彩色)響應(yīng)的，因此發(fā)現(xiàn)作為彩色成像器或光譜成像器的工具，其也可用于建立黑白和單色圖像。如果入射光的量很小， 可能有利的，僅處理來自傳感器1的縮減分辨率亮度信息。當(dāng)情景更亮?xí)r，可增加分辨率， 也可增加彩色精確度?？蓪⒍鄠€臨近接收器2分組在一起以形成單個圖像像素，并且特定組中的接收器的數(shù)目可在曝光之間不同，并且在單個曝光期間對于不同組，數(shù)目可能不同。例如，在朝向光接收表面2A的中心的組，可存在更少接收器2 ；在光接收表面2A的邊緣的組，可存在更多接收器2。例如，通過使用與隨機(jī)存取存儲器，例如動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)類似的技術(shù)可讀取接收器2的陣列。S卩，傳感器1可看作代表ixj可尋址1比特存儲位置的陣列(還參見圖4B)。傳感器1可被配置，使得在讀取周期期間始終重置接收器值，或其可被配置使得與讀取操作分離地執(zhí)行重置操作。應(yīng)注意，圖4B中，非限制地示出便于基底3的垂直側(cè)的電連接。例如，某些實施例中，優(yōu)選地，在頂表面(光接收表面1A)、或在底表面、或在頂和底表處提供電接觸。由于潛在地大量接收器2，可將每個個體接收器設(shè)計為具有最小復(fù)雜度，從而使得傳感器1能夠以相比于傳統(tǒng)傳感器陣列增加的產(chǎn)量來制造。在圖像處理期間，可識別任意有缺陷的接收器2 (例如具有0或1故障的那些)，并且可映射他們的位置和補(bǔ)償(例如通過使用從臨近操作的接收器2的差值)。圖4B示出傳感器陣列1，其具有示例性χ-y(行/列)地址生成電路4和接收器 (像素)讀出電路5。接收器讀出電路5從傳感器陣列1接收與開啟的那些接收器2 (即吸收至少一個光子)和未開啟的那些接收器2 (因為沒吸收至少一個光子，或某些閾值數(shù)目個光子仍舊在重置狀態(tài))對應(yīng)的主要二進(jìn)制數(shù)據(jù)(1和0)的一個或多個流。接收器讀出電路 5或圖像處理器5A可負(fù)責(zé)將光接收器的輸出分組在一起到x-y光接收器組或臨近組。接收器讀出電路5可包括壓縮功能(可使用任意適當(dāng)壓縮功能，例如運(yùn)行長度編碼)，或在讀出接收器值的存儲之前可存在單獨壓縮功能。地址生成電路4可在任意給定時間生成單獨或分組讀出接收器2的地址?？山?jīng)由控制總線5B從圖像處理器5A提供讀出控制。圖像處理器5A的輸出是彩色圖像數(shù)據(jù)。接收器2的電路不需要像許多傳統(tǒng)CM0S/C⑶傳感器中的那么復(fù)雜，因為二進(jìn)制輸出實施例中，不需要通過A/D轉(zhuǎn)換器測量浮動擴(kuò)散電流/電壓。相反，僅需要測量特定接收器(像素)開或關(guān)?？墒褂枚鄍-n和n-p結(jié)，但是也可使用其他備選。同樣，ρ井或η井 (或基底)的大小可遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)CMOS/CCD傳感器中，因為不需要存儲大量電荷。圖5示出實現(xiàn)接收器2的一個適當(dāng)?shù)暮头窍拗菩噪娐?。這個情況下，每個接收器2 包括與基于簡單逆變器的比較器電路2B連接的光電二極管2A，用于1比特放大量化。當(dāng)信號電流(加基礎(chǔ)電流)超過閾值電流It并且由于放電電流Is+Ib_It而跨越Cpix的電壓Uin 下降到比較器2B的閾值電壓( _Udd/2)以下時，觸發(fā)接收器(像素)。假設(shè)，It比信號脈沖的振幅小，則通過對于像素的輸入電容放大所需的光能^jix來確定像素的敏感性Epix^ (Cpix Δ U)/SKF,其中Cpix是像素的總輸入電容，包括光電二極管和電路輸入電容，AU是在觸發(fā)比較器2Β所需輸入處的電壓改變，S是光電二極管反映，Kf是像素填充因子。一般地，在χ和y軸中接收器的規(guī)格可在例如大約0. 1至大約0. 2毫米的范圍內(nèi)。 可假設(shè)接收器2的實際最小規(guī)格至少部分地取決于制造處理的細(xì)節(jié)，例如用于光刻的波長和類似依賴于處理的參數(shù)。一般地，接收器的規(guī)格和分布可構(gòu)成為傳感器/設(shè)備幾何的函數(shù)，并且可基于主要射線角度(CRA)的考慮。傳感器陣列1的制造可通過任意適當(dāng)技術(shù)(包括形成多植入/擴(kuò)散p-n/n-p結(jié)) 和通過使用晶圓結(jié)合處理(作為非限制實例)來實現(xiàn)。濾波器陣列6可直接在傳感器陣列1的光接收表面IA上形成，或其可形成在隨后連接在傳感器陣列1的光接收表面1A，或位于其上的單獨基底上。圖8A-8F是繪制波長與強(qiáng)度的視圖，并示出可在濾波器陣列6的各個濾波器像素 6A中使用的各個示例性和非限制性的彩色濾波器特定特征。圖8A示出窄帶通濾波器的實例。這些濾波器展示了使得高彩色精確度成為可能的高選擇性，假設(shè)存在覆蓋興趣光譜(例如可見光譜)的足夠不同濾波器?？赏ㄟ^這個方法實現(xiàn)光譜成像器。圖8B示出提供敏感性的帶阻濾波器的實例。圖8C示出提供相對高敏感性和典型地低計算復(fù)雜度的高通濾波器的實例。圖8D示出寬帶通濾波器的實例。這個情況下，從表示具有寬通帶的多個不同彩色濾波器的若干比特元素計算對于每個數(shù)據(jù)元件的彩色信息。這個方法明顯地增加了敏感性。傳統(tǒng)R、G和B濾波器作為比較丟棄了全部光的大約67%。由于關(guān)于數(shù)據(jù)元件的若干不同濾波器的使用，能夠?qū)崿F(xiàn)高彩色精確度和光譜成像?？赏ㄟ^簡單實例示出具有寬帶通濾波器的光譜成像。假設(shè)存在2個濾波器，其中濾波器A覆蓋波長450-700nm，濾波器B覆蓋460-700nm，并且兩個濾波器具有平坦的光譜響應(yīng)。假設(shè)，在收集一些光之后，濾波器A收集了 500單位的光，并且濾波器B收集了 450 單位的光。因此，明顯地，450-460nm的光譜帶接收了 50單位的光。由此，通過使用若干個這樣的濾波器，使得光譜成像成為可能。圖8E示出提供相對高敏感性和相對小計算復(fù)雜度的低通濾波器的實例。圖8F示出非傳統(tǒng)帶濾波器的非限制性實例。由于數(shù)據(jù)元件包括若干比特元素，可設(shè)計與更多傳統(tǒng)濾波器不同的濾波器，例如圖8A-8E所示的那些，只要圖像信號處理算法和設(shè)備已知濾波器的屬性/光譜特征。這個類型的濾波器可通過隨機(jī)或基本隨機(jī)的方式來旨在，只要在使用之前表征光譜響應(yīng)特征。同樣在這些示例性實施例中的是，使用總體透明(即根本非濾波器)和/或中性密度濾波器像素6A，以提高動態(tài)范圍。透明濾波器展示了高敏感性，而中性密度濾波器手工地降低了光量，而非光譜，因此能夠提供更高的動態(tài)范圍。同樣在這些示例性實施例中的是，與透明和/或中性密度濾波器組合地使用圖8A-8F中所示的濾波器的任意組合。某些情況下，有利地，在圖像區(qū)域內(nèi)改變?yōu)V波器陣列6的光譜特征。例如，濾波器陣列6的中心區(qū)域可具有更高分辨率和更低敏感性，而角部區(qū)域可在敏感性方面比分辨率方面更加優(yōu)化，因此降低了漸暈效應(yīng)。除了上述各種光濾波器之外，也可使用紫外(UV)和紅外(IR)濾波器以減少不期望波長的存在，特別在低通和高通濾波器情況下。應(yīng)注意，彩色濾波器不必針對每個接收器2分離，如當(dāng)前技術(shù)的情況。圖7B和圖 9中示出這個情形，其中示出覆蓋多個接收器2的三個不同濾波器類型的每個。還應(yīng)注意，盡管示出了具有正方形或矩形的各個濾波器，但是他們實際上可具有任意期望形狀，包括卵形和不規(guī)則形狀，因此便于濾波器陣列6的實現(xiàn)/制造。單體彩色濾波器的區(qū)域可被最大化(如受到分辨率和彩色精確度需求所限)。這降低了同樣通過當(dāng)前方案不可行的彩色串?dāng)_。如上所述，本發(fā)明的示例性實施例不限于僅使用圖像/光子衍射極限大小的接收器2的實施例，并且他們也可使用其他類型和結(jié)構(gòu)的圖像/光傳感器/接收器。S卩，描述了使用傳感器陣列1的本發(fā)明的示例性實施例，其使得子衍射極限接收器2的單面均輸出單比特二進(jìn)制值，其中顏色辨別僅基于覆蓋濾波器結(jié)構(gòu)6。然而，其他實施例中，每個接收器能夠存儲被讀出并數(shù)字化多比特表示的電荷。例如，可從源自若干接收器的若干多比特元素生成一個輸出像素(數(shù)據(jù)元件)。這樣的情況下，讀取并隨后組合來自個體接收器的值。作為非限制實例，考慮兩個2比特接收器(n = 2)，其中每個輸出具有0、1、2或 3( 二進(jìn)制形式的00、01、10或11)的值的多比特元素。兩個多比特元素可通過作為非限制實例的求和或平均來組合。例如，如果兩個多比特元素是3和1，他們可通過求和(3+1 = 4)或通過平均((3+1)/2 = 2)來組合。值的平均對于高比特計數(shù)接收器是優(yōu)選的，例如，因為四個6比特值的總和是8比特值，而仍舊示出具有6比特的平均值。這樣的方案可在某些情況下引起舍入誤差。其他示例性實施例中，該系統(tǒng)可被配置為采用多個組合類型，并且使用中組合類型可取決于特定方案或某些其他因素(例如一個或多個內(nèi)部或外部條件或參數(shù))。組合可通過作為非限制性實例的數(shù)據(jù)處理器、圖像處理器和/或一個或多個其他組件(例如加法器、乘法器、寄存器、平均組件)來執(zhí)行。相比于1比特示例性實施例，多比特實施例可提供增加的粒度和/或增加的敏感性，但是可能犧牲增加的復(fù)雜度。實際余數(shù) (例如要使用多少比特)可取決于各種因素，作為非限制性實例，例如在過程中的特定用途或成本考慮。盡管以上參照輸出二進(jìn)制值的元件的光接收器(例如基于至少一個光子的吸收) 描述，在其他示例性實施例中，從光接收的輸出可能并非二進(jìn)制值。作為非限制性實例，輸出多比特元素的光接收器可具有整數(shù)值或標(biāo)量值輸出。此外，本發(fā)明的示例性實施例可使用2009年6月4日遞交的題為“ImageSensor”0ssi Μ. Kalevo，Samu Τ. Koskinen 和 Tero Rissa 的共同擁有的美國專利申請 No. 12/384，549中所述類型的光傳感器(傳感器陣列)。這個共同擁有的美國專利申請描述了三維陣列，其沿著陣列的χ軸組織成i個光接收器，沿著陣列的y軸組織成j個光接收器，沿著陣列的ζ軸組織成k個光接收器，其中i可等于或不等于j，其中i和j可分別遠(yuǎn)大于k。k個1比特光接收器從光接收表面垂直堆疊在基底的深度中，所述基底可以是硅基底。由于取決于波長的硅吸收系數(shù)，特定光接收器在基底中越深(即，位于從光接收表面越遠(yuǎn))，到達(dá)他的以及可吸收和檢測的光的波長越長。因此，盡管某些實施例中，傳感器陣列1 可本身提供多彩色選擇性和敏感性，但是他也可有利于結(jié)合上述彩色濾波器實施例使用這個類型的傳感器陣列。圖6在平面圖(左)和截面圖(右)中示出設(shè)備(例如用戶設(shè)備(UE) 10)的示例性實施例。圖6中，UE 10具有圖形顯示接口 20和用戶接口 22，其示出為鍵板，但也可理解為涵蓋在圖形顯示接口 20處的觸摸屏技術(shù)以及在麥克風(fēng)M處接收的語音識別技術(shù)。電力致動器沈控制由用戶打開和關(guān)閉的設(shè)備。示例性UE 10包括相機(jī)觀，其示出為面向前(例如用于視頻調(diào)用)，但是可備選地或附加地面向后(例如用于捕獲圖像和視頻用于本地存儲)。相機(jī)觀通過快門致動器30 控制，并可選地通過縮放致動器30控制，其可備選地在相機(jī)觀未處于活動模式時用作揚(yáng)聲器34的音量調(diào)整。相機(jī)觀可假設(shè)包括圖像傳感器陣列1，其與根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例構(gòu)成和操作的濾波器陣列6組合。在圖6的截面圖中可見典型地用于蜂窩通信的多個發(fā)送/接收天線36。天線36 可以是通過UE中的其他無線電使用的多帶。通過底紋為跨UE外殼包含的整個空間來示出天線36的可操作地平面，但是一些實施例中，地平面可限制在更小區(qū)域，例如設(shè)置在形成電源芯片38的印刷布線板上。電源芯片38在要發(fā)送的信道上和/或同時跨使用空間多樣性的發(fā)送的天線來控制功率放大，并放大所接收的信號。電源芯片38將放大的接收信號輸出至射頻(RF)芯片40，其解調(diào)和下變頻信號用于基帶處理?；鶐?BB)芯片42檢測信號， 其隨后轉(zhuǎn)換成比特流并最終解碼。對于在裝置10中生成并從其發(fā)送的信號，反向進(jìn)行類似處理。到達(dá)和來自相機(jī)28的信號可通過圖像/視頻處理器44，其編碼和解碼各個圖像幀。圖4B示出的圖像處理器5A的至少部分功能可集成在圖像/視頻處理器44中。也可提供單獨音頻處理器46控制到達(dá)和來自揚(yáng)聲器34和麥克風(fēng)M的信號。圖形顯示接口 20 從用戶接口芯片50控制的幀存儲器48刷新，所述用戶接口芯片50可處理到達(dá)和來自顯示接口 20的信號和/或額外地處理從鍵板22和其他位置的用戶輸入。UE 10的某些實施例還可包括一個或多個二級無線電，例如無線局域網(wǎng)無線電 WLAN 37和藍(lán)牙無線電39，其可將天線集成在芯片上或耦合至片下天線。裝置中有各種存儲器，例如隨機(jī)存取存儲器RAM 43、只讀存儲器ROM 45，并且一些實施例中，可存在可移除存儲器，例如上面存儲各個程序IOC的所示存儲器卡47。UE 10中所有這些組件通常通過便攜式電源(例如電池49)來供電。處理器38、40、42、44、46、50(如果實現(xiàn)為UE 10中的單獨實體)可與主處理器 10A、12A以從關(guān)系操作，其可隨后對于他們?yōu)橹麝P(guān)系。本發(fā)明的實施例可跨所示的各個芯片和存儲器設(shè)置，或可在組合圖6所述的某些功能的另一處理器內(nèi)。圖6的這些各個處理器的任一個或全部訪問各個存儲器的一個或多個，其可以與處理器在片上或與其分離。應(yīng)注意，上述各個集成電路(例如芯片38、40、42等)可被組合在比所述更少數(shù)目中，并且更緊湊的情況下，其可物理地實現(xiàn)在單獨芯片內(nèi)。參照圖10，示出形成一種方法的邏輯流程圖，包括(框10A)照射子衍射極限大小的光接收器的陣列的光接收表面。該方法中，每個光接收器被配置為輸出二進(jìn)制值的比特元素，以及通過至少一個光子的吸收在關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)之間改變狀態(tài)。照射通過在光接收表面上設(shè)置的光濾波器結(jié)構(gòu)來發(fā)生，其中光濾波器結(jié)構(gòu)包括濾波器像素的陣列，其每個具有相關(guān)通帶光譜特征。該方法還包括，在框10B，在曝光周期的結(jié)尾，讀出二進(jìn)制值的比特元素，并形成包括從多個光接收器(其成為具有至少兩個不同通帶光譜特征的濾波器像素的基礎(chǔ))輸出的多個比特元素的數(shù)據(jù)元素。參照圖11，示出形成一種方法的邏輯流視圖，包括(框11A)照射子衍射極限大小的光接收器的陣列的光接收表面。該方法中，每個光接收器被配置為輸出標(biāo)量值的多比特元素，以及基于至少一個光子的吸收改變狀態(tài)。照射通過在光接收表面上設(shè)置的光濾波器結(jié)構(gòu)來發(fā)生，其中光濾波器結(jié)構(gòu)包括濾波器像素的陣列，其每個具有相關(guān)通帶光譜特征。該方法還包括，在框11B，在曝光周期的結(jié)尾，讀出標(biāo)量值的比特元素，并形成包括從多個光接收器(其成為具有至少兩個不同通帶光譜特征的濾波器像素的基礎(chǔ))輸出的多個多比特元素的數(shù)據(jù)元素。本發(fā)明的一個示例性實施例中，一種裝置包括在具有光接收表面的基底中形成的子衍射極限大小的光接收器的陣列。每個光接收器被配置為輸出二進(jìn)制值的比特元素，以及通過至少一個光子的吸收在關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)之間改變狀態(tài)。該裝置還包括在光接收表面上設(shè)置的光濾波器結(jié)構(gòu)，光濾波器結(jié)構(gòu)包括濾波器像素的陣列，其每個具有相關(guān)通帶光譜特征。從所述子衍射極限大小的光接收器的陣列獲得的數(shù)據(jù)元素包括從多個光接收器 (其成為具有至少兩個不同通帶光譜特征的濾波器像素的基礎(chǔ))輸出的多個比特元素。本發(fā)明的另一示例性實施例中，一種裝置包括具有光接收表面的用于接收光的子衍射極限大小的部件的陣列(例如形成在基底中)。用于接收光的每個部件被配置為輸出二進(jìn)制值的比特元素，以及通過至少一個光子的吸收在關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)之間改變。該裝置還包括在光接收表面上設(shè)置的光濾波器結(jié)構(gòu)，光濾波器結(jié)構(gòu)包括濾波器像素的陣列， 其每個具有相關(guān)通帶光譜特征。從所述子衍射極限大小的部件的陣列獲得的數(shù)據(jù)元素包括從多個用于接收光的部件(其成為具有至少兩個不同通帶光譜特征的用于濾波的部件的基礎(chǔ)(至少兩個))輸出的多個所述比特元素。本發(fā)明的一個示例性實施例中，一種裝置包括在具有光接收表面的基底中形成的子衍射極限大小的光接收器的陣列。每個光接收器被配置為輸出標(biāo)量值的比特元素，以及基于至少一個光子的吸收改變狀態(tài)。該裝置還包括在光接收表面上設(shè)置的光濾波器結(jié)構(gòu)， 光濾波器結(jié)構(gòu)包括濾波器像素的陣列，其每個具有相關(guān)通帶光譜特征。從所述子衍射極限大小的光接收器的陣列獲得的數(shù)據(jù)元素包括從多個光接收器(其成為具有至少兩個不同通帶光譜特征的濾波器像素的基礎(chǔ))輸出的多個所述多比特元素的數(shù)據(jù)元素。本發(fā)明的另一示例性實施例中，一種裝置包括具有光接收表面的用于接收光的子衍射極限大小的部件的陣列(例如形成在基底中)。用于接收光的每個部件被配置為輸出標(biāo)量值的比特元素，以及基于至少一個光子的吸收改變狀態(tài)。該裝置還包括在光接收表面上設(shè)置的光濾波器結(jié)構(gòu)，光濾波器結(jié)構(gòu)包括濾波器像素的陣列，其每個具有相關(guān)通帶光譜特征。從所述子衍射極限大小的部件的陣列獲得的數(shù)據(jù)元素包括從多個用于接收光的部件 (其成為具有至少兩個不同通帶光譜特征的用于濾波的部件的基礎(chǔ)(至少兩個))輸出的多個所述比特元素。存在可通過使用本發(fā)明的示例性實施例可實現(xiàn)的多個技術(shù)效果。例如，可提高光傳感器敏感性，因為可提高彩色精確度。此外，這些示例性實施例的使用能夠?qū)崿F(xiàn)光譜成像。此外，這些示例性實施例的使用在選擇彩色濾波器材料和光譜屬性時提供額外自由度。 此外，這些示例性實施例的使用使得單體彩色濾波器(濾波器像素6A)能夠覆蓋若干接收器2。此外，可避免經(jīng)由插值通常使用的彩色工具。此外，這些示例性實施例的使用提供增強(qiáng)的動態(tài)范圍。此外，這些示例性實施例的使用可減少彩色串?dāng)_。此外，同樣，這些示例性實施例的使用能夠在分辨率和彩色保真性和敏感性之間實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化，以通過從不同量的接收器2建立數(shù)據(jù)元素。此外，這些示例性實施例的使用提供了降低漸暈的可能性。一般地，各個示例性實施例可在硬件或?qū)Ｓ秒娐贰④浖?、邏輯或其任意組合中實現(xiàn)。例如，一些方面可在硬件中實現(xiàn)，而其他方面可在通過控制器、微處理器或其計算設(shè)備可執(zhí)行的固件或軟件中實現(xiàn)，但是本發(fā)明的示例性實施例不限于此。盡管作為框圖、示意圖或使用一些其他圖形化表示示出和描述本發(fā)明的示例性實施例的各個方面，可理解，這里所述的這些框、裝置、系統(tǒng)、技術(shù)或方法可在作為非限制性實例的至少部分硬件、軟件、固件、專用電路或邏輯、通用硬件或控制器或其他計算設(shè)備、或其一些組合中實現(xiàn)。因此，可理解，本發(fā)明的示例性實施例的至少一些方面可在各個組件(例如集成電路芯片和模塊)中實踐，并且本發(fā)明的示例性實施例可在實現(xiàn)為集成電路的裝置中實現(xiàn)。一個或多個集成電路可包括用于實現(xiàn)一個或多個數(shù)據(jù)處理器、一個或多個數(shù)字信號處理器、可被配置以根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例操作的基帶電路和射頻電路的至少一個的電路(以及可能地固件)。當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，本發(fā)明的以上示例性實施例的各個修改和改變可對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是清楚的。然而，任意和所有修改將仍舊落入本發(fā)明的非限制和示例性實施例的范圍內(nèi)。此外，通過實例，盡管上文在例如UE 10的無線通信設(shè)備的上下文中參照圖6描述了示例性實施例，可理解，本發(fā)明的示例性實施例不限僅用于這一個特定類型的無線通信設(shè)備，并且他們可在其他類型的設(shè)備中是有利的，其可具有或可不具有無線通信功能，作為非限制性實例，包括數(shù)碼相機(jī)、PDA、計算機(jī)和游戲設(shè)備。此外，通過實例，個體接收器2不需要基于晶體管/光電二極管，但是可使用其他類型設(shè)備(包括量子點和其他納米結(jié)構(gòu)設(shè)備)來構(gòu)成。此外，通過實例，應(yīng)認(rèn)識到，對于沿著各個軸的多個接收以上給出的各個值是示例性的，并且不理解為受到限制。此外，通過實例，應(yīng)認(rèn)識到，以上討論的各個類型的濾波器和濾波器的組合是示例性的，并且不理解為受到限制。此外，通過實例，本發(fā)明的示例性實施例不理解為限制在上述特定材料、材料組合、制造處理、波長和/或規(guī)格。
應(yīng)注意，術(shù)語“連接”、“耦合”或其任意變型意味著在兩個或更多個元件之間的直接或間接地任意連接或耦合，并且可涵蓋存在“連接”或“耦合”在一起的兩個元件之間的一個或多個中間元件。元件之間的耦合或連接可以是物理的、邏輯的、或其組合。這里，可考慮兩個元件通過使用一個或多個布線、電纜、和/或印刷電連接，以及通過使用電磁能，例如在射頻區(qū)域、微波區(qū)域和光(可見和不可見)區(qū)域中具有波長的電磁能而“連接”或“耦合”在一起。此外，本發(fā)明的各個非限制和示例性實施例的一些特征可能在沒有其他特征的相應(yīng)使用的情況下是有利的。由此，以上描述應(yīng)考慮為僅原理、教導(dǎo)和本發(fā)明的示例性實施例的示例性，并非限制。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括在具有光接收表面的基底中形成的子衍射極限大小的光接收器的陣列，每個光接收器被配置為輸出二進(jìn)制值的比特元素，以及通過至少一個光子的吸收在關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)之間改變狀態(tài)；以及設(shè)置在所述光接收表面上的光濾波器結(jié)構(gòu)，該光濾波器結(jié)構(gòu)包括濾波器像素的陣列，其每個具有相關(guān)通帶光譜特征；其中從所述子衍射極限大小的光接收器的陣列獲得的數(shù)據(jù)元素包括從多個光接收器輸出的多個比特元素，所述多個光接收器成為具有至少兩個不同通帶光譜特征的濾波器像素的基礎(chǔ)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中從包括窄帶通、寬帶通、帶阻、高通和低通的一組通帶光譜特征選擇通帶光譜特征。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述一組通帶光譜特征還包括非傳統(tǒng)帶。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的裝置，其中濾波器像素的至少一些是透明像素或中性密度像素之一。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的裝置，其中單體濾波器像素重疊單體光接收器。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的裝置，其中單體濾波器像素重疊多個光接收器。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項所述的裝置，其中所述濾波器陣列包括響應(yīng)于至少從紫外延伸到紅外的波長范圍內(nèi)的電磁輻射的濾波器像素。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項所述的裝置，其中相比于在光濾波器結(jié)構(gòu)的周圍設(shè)置的光濾波器像素，在所述光濾波器結(jié)構(gòu)的中心附近設(shè)置的光濾波器像素具有不同通帶光譜特征，以降低成像漸暈。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項所述的裝置，其中在第一讀出周期期間，從子衍射極限大小的光接收器的所述陣列獲得的第一數(shù)據(jù)元素包括從第一多個光接收器輸出的第一多個所述比特元素，以及其中在第二讀出周期期間，從子衍射極限大小的光接收器的所述陣列獲得的第二數(shù)據(jù)元素包括從第二多個光接收器輸出的第二多個所述比特元素，其中第二多個光接收器的至少一個不同于第一多個光接收器。
10.如先前權(quán)利要求中任一項所述的裝置，實現(xiàn)為設(shè)備中的圖像傳感器的一部分。
11.一種方法，包括照射子衍射極限大小的光接收器的陣列的光接收表面，每個光接收器被配置為輸出二進(jìn)制值的比特元素，以及通過至少一個光子的吸收在關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)之間改變狀態(tài)， 其中照射通過在光接收表面上設(shè)置的光濾波器結(jié)構(gòu)來發(fā)生，其中光濾波器結(jié)構(gòu)包括濾波器像素的陣列，其每個具有相關(guān)通帶光譜特征；以及在曝光周期的結(jié)尾，讀出二進(jìn)制值的比特元素，并形成包括從多個光接收器輸出的多個比特元素的數(shù)據(jù)元素，所述多個接收器成為具有至少兩個不同通帶光譜特征的濾波器像素的基礎(chǔ)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中從包括窄帶通、寬帶通、帶阻、高通和低通的一組通帶光譜特征選擇通帶光譜特征。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述一組通帶光譜特征還包括非傳統(tǒng)帶。
14.如權(quán)利要求11-13中任一項所述的方法，其中濾波器像素的至少一些是透明像素或中性密度像素之一。
15.如權(quán)利要求11-14中任一項所述的方法，其中單體濾波器像素重疊單體光接收器。
16.如權(quán)利要求11-15中任一項所述的方法，其中單體濾波器像素重疊多個光接收器。
17.如權(quán)利要求11-16中任一項所述的方法，其中所述子衍射極限大小的光接收器的陣列響應(yīng)于至少從紫外延伸到紅外的波長范圍內(nèi)的電磁輻射。
18.如權(quán)利要求11-17中任一項所述的方法，其中相比于在光濾波器結(jié)構(gòu)的周圍設(shè)置的光濾波器像素，在所述光濾波器結(jié)構(gòu)的中心附近設(shè)置的光濾波器像素具有不同通帶光譜特征，以降低成像漸暈。
19.如權(quán)利要求11-18中任一項所述的方法，其中在第一讀出周期期間，從子衍射極限大小的光接收器的所述陣列獲得的第一數(shù)據(jù)元素包括從第一多個光接收器輸出的第一多個所述比特元素，以及其中在第二讀出周期期間，從子衍射極限大小的光接收器的所述陣列獲得的第二數(shù)據(jù)元素包括從第二多個光接收器輸出的第二多個所述比特元素，其中第二多個光接收器的至少一個不同于第一多個光接收器。
20.如權(quán)利要求11-19中任一項所述的方法，在設(shè)備內(nèi)的圖像傳感器的操作期間執(zhí)行。
全文摘要
一種裝置，包括在具有光接收表面的基底中形成的子衍射極限大小的光接收器的陣列。每個光接收器被配置為輸出二進(jìn)制值的比特元素，以及通過至少一個光子的吸收在關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)之間改變狀態(tài)。該裝置還包括在光接收表面設(shè)置的光濾波器結(jié)構(gòu)，該光濾波器結(jié)構(gòu)具有濾波器像素的陣列，其每個具有相關(guān)通帶光譜特征。從所述子衍射極限大小的光接收器的陣列獲得的數(shù)據(jù)元素包括從多個光接收器輸出的多個比特元素，所述多個光接收器成為具有至少兩個不同通帶光譜特征的濾波器像素的基礎(chǔ)。
文檔編號H01L27/146GK102460701SQ201080028158
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者J·阿拉卡爾胡, O·卡萊沃, S·科斯基寧, T·里薩 申請人:諾基亞公司