專利名稱：改進的色彩光電檢測器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在色彩傳感器陣列以及類似裝置中的色彩光電檢測器陣列。
背景技術(shù)：
以使用光電二極管的色彩感光陣列來記錄圖像的照相機為背景，本發(fā)明將更易于理解。為了提供感色性，光電二極管通常被劃分為三類光電二極管，以分別對紅、綠和藍光進行檢測。各種色彩感光二極管被分散在整個陣列中。例如，檢測器陣列可以由這樣的像素陣列組成，其中每個像素都包括有三個光電二極管一個用于測量紅光，一個用于測量綠光，一個用于測量藍光。
一般，在對涵蓋紅、藍和綠的廣譜光敏感的光電二極管上應(yīng)用顏料濾光器(pigment filter)來構(gòu)建色彩感光檢測器。例如，彩色相機陣列可以這樣來制造，即使用常規(guī)的光刻技術(shù)對陣列中每個光電二極管通過選擇性地沉積剛才提及的顏料來圖案化形成紅、藍或綠光濾光器。但是，這一工藝受制于可以被用于顏料濾光器的材料。所以，只能得到有限的色彩過濾特性。例如，這些濾光器不能夠阻擋紅外(IR)光，因此這樣的相機型號必須裝配額外的IR阻擋濾光器，這顯著地增加了相機的成本。
此外，使用顏料濾光器獲得的濾光器特性曲線(profile)與標準濾光器特性曲線不匹配，標準濾光器被用來確定觀察者在每個像素將感知到的色彩?？紤]其中光源的色彩將在打印機上再現(xiàn)以供觀察者察看的應(yīng)用。雖然光源可能具有非常復(fù)雜的光譜，但是眼睛感知到該光源具有單一色彩，其可以通過組合來自三色光源的光而被復(fù)制。使用某些比如CIE 1931標準的標準化色系，對打印機進行校準。假如RGB值表示在標準色系中具有RGB光譜圖樣的光的強度，打印機將產(chǎn)生正確的色彩。即，盡管離開紙面的光的光譜已經(jīng)不同于該光的光譜，但是觀察者將感覺該紙面具有與光源同樣的色彩。
傳感器利用顏料濾光器測量到的RGB值衡量由顏料濾光器透射曲線確定的加權(quán)波長帶中的光強度。將所測量的來自顏料濾光器光檢測器的強度標識為R’G’B’。通常，這些R’G’B’值不同于那些由用于標準的理想濾光器獲得的RGB值，因為濾光器的加權(quán)函數(shù)是不同的。因此，如果這些基于顏料的值被發(fā)送到打印機，那么打印機將產(chǎn)生不同于被輸入到色彩傳感器的光的色彩。
通過使用干涉技術(shù)，可以制造具有更理想的色彩特性曲線的濾光器；但是，這些濾光器難以被構(gòu)建在小面積光電二極管之上。因此，這些濾光器對于需要像素尺寸非常細小的彩色相機或類似裝置并不適用。干涉濾光器是通過沉積多個折射率不同的透明介電物質(zhì)的薄膜層被構(gòu)建的。通過改變介電物質(zhì)的厚度和折射率來設(shè)置波長和濾光器特性曲線。這就為濾光器特性曲線設(shè)計提供了非常大的靈活性。但是，該技術(shù)并不適用于CCD相機芯片，因為對于高分辨相機來說，對單獨的像素進行圖案化很困難。因此，對于使用干涉濾光器的相機，需要位于三片獨立的芯片上的三個獨立的陣列。每個芯片對一種色彩的光檢測圖像。三個單色圖像然后被組合起來以提供最終的彩色圖像。由于每個芯片僅需要一種類型的濾光器，所以與制造小型、單獨的光電二極管尺寸的濾光器相關(guān)的問題被消除了。但是，需要三片獨立的相機芯片增加了相機光學(xué)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。此外，對于每片芯片可利用的光強減少三分之一，這增加了進行色彩測量所需的光的量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括用于測量來自光源的光的色彩傳感器和制造該色彩傳感器的方法。色彩傳感器包括多個光電檢測器、多個基本濾色器(primarycolor filter)和修飾濾光器。每個基本濾色器包括位于光源和一個對應(yīng)的光電檢測器之間的材料層。每個基本濾色器優(yōu)先透射在特征波長附近的對應(yīng)波長帶中的光。修飾濾光器位于光源和光電檢測器之間，并且包括這樣的材料層，即該材料層優(yōu)先衰減在兩個特征波長之間的第一修飾波長的光。在一個實施方案中，修飾濾光器還優(yōu)先衰減在第二修飾波長的光，第一波長小于特征波長中的一個，并且第二波長大于該特征波長。在本發(fā)明的一個實施方案中，修飾濾光器是干涉濾光器。在一個實施方案中，色彩傳感器還包括在其中放置有光電檢測器的襯底，所述修飾濾光器包括在襯底上的修飾濾光器層。在這個實施方案中，濾色器位于該修飾濾光器層上。在一個實施方案中，色彩傳感器還包括第二修飾濾光器，該第二修飾濾光器包括優(yōu)先衰減在第二波長的光的材料層，第二波長既不同于每個特征波長，又不同于第一修飾波長。在一個實施方案中，濾色器位于第一修飾濾光器和第二修飾濾光器之間。


圖1、圖2和圖3分別將利用典型的紅、綠或藍顏料濾光器獲得的作為波長的函數(shù)的色彩透射曲線與CIE 1931標準色彩的色彩特性曲線進行了比較。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的色彩傳感器的橫截面視圖。
圖5圖示了顏料濾光器和修飾濾光器的透射曲線。
圖6圖示了在檢測紅光、藍光和綠光的濾光器之下的光電二極管的響應(yīng)曲線。
圖7-9是根據(jù)本發(fā)明另外的實施方案的色彩傳感器陣列100的一部分在制造過程中各個階段的橫截面視圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的色彩傳感器另一個實施方案的橫截面視圖。
具體實施例方式
參考基于CIE 1931色彩標準的色系，本發(fā)明可更易于理解。但是，如下面將要詳細討論的那樣，本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于其它色系?，F(xiàn)在參考圖1，圖1示出了利用典型的紅色顏料濾光器所獲得的作為波長的函數(shù)的色彩透射曲線與CIE 1931紅色的色彩特性曲線的的不相同程度。10所示出的是顏料特性曲線，11所示出的是CIE 1931標準特性曲線。如從圖中所能看到的那樣，顏料濾光器的色彩特性曲線大大超出了CIE 1931標準的色彩特性曲線。類似地，如從圖2和圖3中所能看到的那樣，通常用于綠光和藍光的顏料濾光器的色彩透射曲線也要比CIE 1931標準中對應(yīng)的濾光器特性曲線要寬得多。圖2比較了利用典型的綠色顏料濾光器所獲得的作為波長的函數(shù)的色彩透射曲線和CIE 1931綠色的色彩特性曲線。20所示出的是顏料特性曲線，21所示出的是CIE 1931標準特性曲線。圖3比較了利用典型的藍色顏料濾光器所獲得的作為波長的函數(shù)的色彩透射曲線和CIE 1931藍色的色彩特性曲線。30所示出的是顏料特性曲線，31所示出的是CIE 1931標準特性曲線。
本發(fā)明基于這樣的發(fā)現(xiàn)，即一組改進的濾色器可以通過將如上所描述的顏料濾光器與第二濾光器進行組合來獲得，其中，在該顏料濾光器比擁有對應(yīng)的標準特性曲線的濾光器透射更多光的光譜區(qū)域中，該第二濾光器選擇性地阻擋光。再次參考圖1，可以看出，紅色顏料濾光器在由12示出的光譜區(qū)域中比提供了標準特性曲線11的濾光器透射更多的光。本發(fā)明利用帶阻濾光器來去除這些額外透射的光。將紅顏料濾光器的透射率標記為TPR(λ)，將提供標準濾光器特性曲線的濾光器的透射率標記為TSR(λ)。為了討論，假設(shè)這些濾光器將提供同樣的最大透射率。在這種情況下，理想的帶阻濾光器具有由下式給出的透射率TBR(λ‾)=TSR(λ‾)/TPR(λ‾)---(1)]]>對于其它顏料濾光器，也可以提供類似的帶阻濾光器來修整得到的復(fù)合濾光器以使其更加接近所希望的標準濾光器。與對應(yīng)色彩的更理想的標準透射曲線相比，基于顏料的濾光器趨向于擁有寬得多的透射曲線。例如，在圖3中，32和33示出了在藍色濾光器的透射曲線中將要被阻擋的波段的位置。通常，在顏料濾光器透射曲線中有一個或兩個波段必須被衰減以將顏料濾光器透射曲線轉(zhuǎn)換為更接近所希望的透射曲線的透射曲線。
為了簡化下面的討論，上面討論的顏料濾光器將被稱為基本濾色器，而帶阻濾光器將被稱為修飾濾光器(trim filter)。本發(fā)明利用了這樣的發(fā)現(xiàn)，即多個修飾濾光器可以被組合為單個的復(fù)合濾光器，該復(fù)合濾光器在每個將要被阻擋的波段都具有透射率最小值。在下文，將詳細地討論構(gòu)建這種濾光器的方法。為了當(dāng)前的討論，注意到在與濾光器所阻擋的波段相分離的光譜區(qū)域中每個修飾濾光器理想地具有基本100％的透射率就足夠了。于是，如果多個這樣的濾光器被疊起來，那么在被阻擋的波段之間的光譜區(qū)域中的透射率基本上沒有被改變。因此，包括這樣多個修飾濾光器的堆疊的單個復(fù)合濾光器可以被放置在紅、藍和綠顏料濾光器之上或之下。于是，物理尺寸比單個顏料濾光器要寬得多的修飾濾光器可以被使用，并因此，上面所討論的尺寸限制的重要性變小了。事實上，單個混合修飾濾光器可以被放置在色彩傳感器的整個陣列之上或之下作為單獨的層，該單獨的層如果要進行任何幾何布圖也只需要很少的空間。
現(xiàn)在參考圖4，這是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的色彩傳感器的橫截面視圖。色彩傳感器50包括三個光電檢測器51-53。每個光電檢測器由對應(yīng)的顏料濾光器覆蓋。對應(yīng)于光電檢測器51-53的濾光器分別由61-63示出?；旌闲揎棡V光器70被用來以類似于上面所述的方式對顏料濾光器的透射曲線進行“修飾”。修飾濾光器70優(yōu)選地被放置在光電檢測器和顏料濾光器之間；但是，修飾濾光器被放置在顏料濾光器之上的實施方案也可以被構(gòu)建。
在圖5中示出了一些典型的顏料濾光器和修飾濾光器的透射曲線。70示出了修飾濾光器的歸一化的透射曲線，71-73分別示出了紅、藍和綠顏料濾光器的歸一化的透射曲線。在圖6中，81-83分別示出了在濾光器之下檢測紅光、藍光和綠光的光電二極管的響應(yīng)曲線。為了進行討論，顏料濾光器將被定義為任何這樣的濾光器，即通過優(yōu)先吸收特定波長的光以引起濾光器材料中兩個原子或分子能態(tài)之間的躍遷來改變通過其中的光的色彩光譜?？梢允褂脗鹘y(tǒng)的光刻法被圖案化的顏料濾光器可以從富士膠片(Fuji Films)公司獲得。
現(xiàn)在來更加詳細地討論構(gòu)建修飾濾光器的方式。優(yōu)選的帶阻濾光器是一種干涉濾光器，由多個厚度均勻的透明層構(gòu)建而成，在這多個透明層中相鄰的層具有不同的折射率。這一類濾光器在本領(lǐng)域中是公知的，因此在本文就不詳細地論述了。為了進行討論，注意到這樣多層的堆疊將阻擋由這些層的厚度和折射率所確定的波長的光就足夠了。其它波長的光沒有被阻擋，因此通過了層的堆疊，衰減很少。因此，許多這樣的濾光器可以被堆疊起來提供混合的濾光器，該混合的濾光器阻擋在預(yù)定波長組內(nèi)每一個波長的光，而透射那些波長不在預(yù)定組內(nèi)的光。
現(xiàn)在參考圖7-9，它們是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的色彩傳感器陣列100的一部分在制造過程中各個階段的橫截面視圖。參考圖7，該過程起始于襯底101，在襯底101中構(gòu)建了多個光電二極管。102和110示出了示例性光電二極管組。每組光電二極管包括3個獨立的光電二極管，如111-113所示。
現(xiàn)在參考圖8，襯底101被放入沉積室中，并且混合干涉濾光器中的各層被沉積在襯底的表面上。由于干涉濾光器對于本領(lǐng)域來說是已知的，所以構(gòu)建該濾光器的細節(jié)在本文就不詳細地討論了。121和123示出的層對應(yīng)于兩個將被阻擋的波段。應(yīng)當(dāng)注意到，在沉積過程期間不需要從生長室中移出襯底，因為通過調(diào)節(jié)用于每層的前驅(qū)組成物和沉積時間，各個層組分和厚度可以得到控制。因此，該過程不但經(jīng)濟而且具有高的產(chǎn)率。
現(xiàn)在參考圖9，然后使用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)在帶阻濾光器層的頂面沉積顏料濾光器。在這個實施方案中，應(yīng)用了能透射在光譜的紅光、藍光和綠光區(qū)域內(nèi)的光的顏料濾光器。131-133示出了示例性顏料濾光器。
本發(fā)明上述實施方案利用顏料濾光器來提供基本的色彩過濾功能以及利用干涉濾光器來調(diào)節(jié)顏料濾光器透射曲線的邊緣，以更進一步匹配目標透射函數(shù)。但是，本發(fā)明并不限于該濾光器類型的具體組合。在更加一般的情形中，任何可以令人滿意地被圖案化的濾光器材料都可以被用來替代顏料濾光器。例如，可以使用利用著色的光刻膠的顏料濾光器。類似地，可以被構(gòu)建在一個或多個顏料濾光器之上的任何形式的帶阻濾光器都可以被利用來改變顏料濾光器的透射曲線以更進一步匹配目標濾光器函數(shù)。例如，可以使用基于其它顏料的帶通濾光器(band-pass filters)，如果所述顏料不具有干擾利用不同顏料區(qū)域的操作的吸收帶的話。
現(xiàn)在參考圖10，這是根據(jù)本發(fā)明的色彩傳感器的另一個實施方案的橫截面視圖。盡管上述實施方案利用了在顏料濾光器之前被沉積的修飾濾光器，但是也可以構(gòu)建其中修飾濾光器被放置在顏料濾光器之上的實施方案。當(dāng)修飾濾光器是由需要的沉積條件將會損壞顏料濾光器的材料來構(gòu)建的，且修飾濾光器將被沉積在光電探測器之上時，必須首先應(yīng)用修飾濾光器。但是，也可以構(gòu)建在其中修飾濾光器被單獨構(gòu)建然后被粘結(jié)或安裝到顏料濾光器之上的實施方案。色彩傳感器陣列200利用修飾濾光器層210，通過在顏料濾光器上應(yīng)用緩沖層204然后將修飾濾光器層210粘結(jié)到該緩沖層上，來將修飾濾光器層210放置在顏料濾光器201-203之上。
此外，其中一部分修飾濾光器應(yīng)用在顏料濾光器之下而第二部分被應(yīng)用在顏料濾光器之上的修飾濾光器布置，在某些環(huán)境下也可以被有利地使用。例如，在許多不同顏料濾光器的布置中，去除紅外線的修飾濾光器可能有用。于是，該濾光器可以被結(jié)合在光電二極管之上以提供一種新的起始襯底，該起始襯底可以被用來構(gòu)建許多基于不同顏料濾光器和/或修飾濾光器的不同的色彩傳感器陣列。這樣的下覆濾光器示出在圖10中的212。
盡管如上面等式(1)所述的理想修飾濾光器是優(yōu)選的，但是其它略不理想的修飾濾光器可以被使用并仍然具有顯著的優(yōu)勢。通常，如果修飾濾光器和顏料濾光器的組合比單獨的顏料濾光器的透射曲線更進一步匹配目標濾光器函數(shù)，那么本發(fā)明將是具有優(yōu)勢的。
本發(fā)明上述實施方案已經(jīng)根據(jù)CIE 1931標準濾光器進行了說明。但是，本發(fā)明的原理可以適用于制造使用其它濾光器標準的色彩傳感器陣列。而且，色彩傳感器中的顏料濾光器的數(shù)目不限于三個。
如上所提到的，理想的修飾濾光器利用不吸收波長在被阻擋的波段之間的光的帶阻濾光器。但是，應(yīng)該注意到，在這些區(qū)域中一些吸收是可以忍受的。如果在被阻擋的波段之間的修飾濾光器的透射曲線基本上是恒定的，那么通過調(diào)節(jié)與考慮中的色彩傳感器相關(guān)聯(lián)的光電檢測器的增益，就可以校正任何吸收。
本發(fā)明上述實施方案利用用于光電檢測器的光電二極管。但是，也可以使用任何形式的產(chǎn)生與照射在其上的光強相關(guān)聯(lián)的信號的光電檢測器。例如，上面所討論的光電二極管可以由光電晶體管和CCD替代。
根據(jù)前面的說明和附圖，對本發(fā)明的各種修改對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將變得清楚。因此，本發(fā)明僅僅由所附的權(quán)利要求書的范圍限定。
權(quán)利要求
1.一種用于測量來自光源的光的色彩傳感器，所述色彩傳感器包括多個光電檢測器；多個基本濾色器，每個基本濾色器包括位于所述光源和所述多個光電檢測器中的對應(yīng)的一個之間的材料層，每個基本濾色器優(yōu)先透射在特征波長附近的對應(yīng)波長帶中的光；以及位于所述光源和所述多個光電檢測器之間的第一修飾濾光器，所述第一修飾濾光器包括這樣的材料層，即該材料層優(yōu)先衰減在兩個所述特征波長之間的第一修飾波長的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的色彩傳感器，其中，所述第一修飾濾光器還優(yōu)先衰減在第二修飾波長的光，所述第一修飾波長小于所述特征波長中的一個，并且所述第二修飾波長大于這個特征波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的色彩傳感器，其中，所述第一修飾濾光器包括干涉濾光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的色彩傳感器，還包括在其中放置有所述光電檢測器的襯底，所述第一修飾濾光器包括在所述襯底上的第一修飾濾光器層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的色彩傳感器，其中，所述濾色器位于所述第一修飾濾光器層上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的色彩傳感器，其中，所述濾色器位于所述第一修飾濾光器和所述光電檢測器之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的色彩傳感器，還包括第二修飾濾光器，所述第二修飾濾光器包括優(yōu)先衰減第二波長的光的材料層，所述第二波長既不同于每個所述特征波長，又不同于所述第一修飾波長。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的色彩傳感器，其中，所述濾色器被放置在所述第一修飾濾光器和第二修飾濾光器之間。
9.一種用于制造色彩傳感器的方法，所述方法包括；提供具有多個光電檢測器的襯底；將第一修飾濾光器層結(jié)合到所述襯底；將濾色器層結(jié)合到所述第一修飾濾光器層，所述濾色器層包括多個基本濾色器，每個基本濾色器包括位于所述光源和所述多個光電檢測器中的對應(yīng)的一個之間的材料層，每個基本濾色器優(yōu)先透射在特征波長附近的對應(yīng)波長帶中的光，其中，所述第一修飾濾光器包括這樣的材料層，即該材料層優(yōu)先衰減在兩個所述特征波長之間的第一修飾波長的光。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，所述第一修飾濾光器還優(yōu)先衰減第二修飾波長的光，所述第一波長小于所述特征波長中的一個，并且所述第二波長大于這個特征波長。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，所述第一修飾濾光器包括多個透明層，在所述多個透明層中相鄰的層具有不同的折射率。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，還包括將第二修飾濾光器層結(jié)合到所述濾色器層，使得所述濾色器層位于所述第一修飾濾光器層和第二修飾濾光器層之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于測量來自光源的光的色彩傳感器和制造該色彩傳感器的方法。色彩傳感器包括多個光電檢測器、多個基本濾色器和修飾濾光器。每個基本濾色器包括位于光源和一個對應(yīng)的光電檢測器之間的材料層。每個基本濾色器優(yōu)先透射在特征波長附近的對應(yīng)波長帶中的光。修飾濾光器位于光源和光電檢測器之間，并且包括這樣的材料層，即該材料層優(yōu)先衰減在兩個特征波長之間的第一修飾波長的光。在一個實施方案中，修飾濾光器還優(yōu)先衰減在第二修飾波長的光，第一波長小于特征波長中的一個，并且第二波長大于該特征波長。
文檔編號G02B5/20GK1670493SQ20051005546
公開日2005年9月21日 申請日期2005年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月18日
發(fā)明者陳文杰, 溫振興, 郭建裕, 純雄下西 申請人:安捷倫科技有限公司