專利名稱：用于短期曝光的彩色圖象傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器，包括象素單元裝置，每個(gè)象素單元包括一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，用于把入射的輻射光轉(zhuǎn)換成取決于強(qiáng)度和波長的光電流，積分器裝置，用于得到相應(yīng)于檢測的光電電流的測量值，以及可控的存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)測量值，和讀出控制裝置，用于讀取基于一個(gè)象素單元的存儲(chǔ)的測量值，其中照射到傳感器上的圖象可以由基于象素單元而獲得的測量值組成。
光學(xué)傳感器的作用是拾取圖象景色并把其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而產(chǎn)生多個(gè)圖象部分，這些圖象部分的由景色發(fā)出的各個(gè)光譜分量的權(quán)重不同。對(duì)于可視的光譜范圍，被分為藍(lán)，綠，紅光譜范圍被證明是尤其有利的，因?yàn)檫@一光譜加權(quán)(spectral weighting)使得可以彩色地再現(xiàn)適合于人的眼睛的圖象景色。
具有彩色分解力的已知的圖象傳感器(A.j.P.Theuwissen,Solid-StateImaging with Charge-Coupled Devices,Kluwer Academic Publishers,Dordrecht,第6.2章，p.2,PP.165ff.,1995)的特征在于，對(duì)于每個(gè)象素，必須檢測一個(gè)以上的信號(hào)。作為一個(gè)規(guī)則，按照3個(gè)彩色分量紅，綠，藍(lán)進(jìn)行3路分割。只有把這些彩色信號(hào)湊到一起，才產(chǎn)生象素的完整的彩色信息，所述象素可以通過信號(hào)傳輸鏈路中的3個(gè)線性獨(dú)立的信號(hào)被再現(xiàn)。
從技術(shù)上說，存在實(shí)現(xiàn)上述彩色分解力的多種可能性。用于產(chǎn)生光譜加權(quán)的圖象部分的方法大致分為兩類。這種用于形成彩色圖象的的方法的第一類(A.J.P.Theuwissen,Solid-State Imaging with Charge-CoupledDevices,Kluwer Academic Publishers,Dordrecht,第6.2.4章，pp.171,ff.,1995)使用多個(gè)圖象傳感器，通過在各個(gè)傳感器的光束路徑中引入濾光器而使多個(gè)圖象傳感器的光譜靈敏度不同。這種方法的缺點(diǎn)在于，各個(gè)光束路徑必須如此調(diào)整，使得它們?cè)趫D象傳感器上導(dǎo)致完全相同的景色圖象，因?yàn)榉駝t便不能組合成一致的重構(gòu)彩色分量圖象，這導(dǎo)致彩色偏移。
第二種用于形成彩色圖象的方法(A.J.P.Theuwissen,Solid-StateImaging with Charge-Coupled Devices,Kluwer Academic Publishers,Dordrecht，第6.2.2章，pp.168,ff.,1995)使用特定的彩色圖象傳感器，其中通過應(yīng)用在一種鑲嵌結(jié)構(gòu)中的多個(gè)濾光器使對(duì)于不同光譜范圍的相鄰的象素容易感光。雖然用這種方法這些傳感器的分量彩色圖象因而自動(dòng)地彼此協(xié)調(diào)，但是用這種方法使得實(shí)際的分辨率降低三分之一到四分之一，因?yàn)樾枰?個(gè)或4個(gè)相鄰的傳感器象素用于提取圖象的完整的彩色信息。
此外，還可以使前述的兩種方法結(jié)合使用(A.J.P.Theuwissen,Solid-State Imaging with Charge-Coupled Devices,Kluwer AcademicPublishers,Dordrecht,chapter 6.2.4,PP.171ff.,1995)，其中一個(gè)光譜范圍例如綠色分量用一個(gè)傳感器記錄，而其它的光譜范圍即在此例中的紅色和藍(lán)色分量用一個(gè)鑲嵌的兩色傳感器記錄。這種折中在一定程度上具有兩類基本方法的前述缺點(diǎn)。
代替這種方法的另一種方法是按順序記錄分別代表被分配給象素的光的紅綠藍(lán)分量的3個(gè)圖象部分。完整的圖象必須在圖象部分曝光之后被立即讀出。同時(shí)，通過必須的讀出操作使3個(gè)分量彩色圖象相互及時(shí)分開。讀出操作的時(shí)間間隔取決于象素?cái)?shù)量，因而取決于圖象傳感器的橫向分辨率，從而隨著分辨率增加和象素?cái)?shù)增加，讀出時(shí)間也增加。被插入分量彩色圖象的曝光之間的讀出周期因而使得不能記錄其中具有運(yùn)動(dòng)的景色，因?yàn)?個(gè)圖象部分不再一致。此外，彩色傳感器的這種操作方式不能在閃光裝置用于曝光的閃光時(shí)間內(nèi)記錄彩色圖象。
本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)傳感器，其使得可以在短的曝光時(shí)間內(nèi)操作。
按照本發(fā)明通過以下的事實(shí)解決上述問題，即每個(gè)象素單元包括一個(gè)積分器裝置和至少兩個(gè)并行設(shè)置的存儲(chǔ)裝置，使得分配給入射的輻射光的不同光譜范圍的至少兩個(gè)測量值在測量周期期間可以被檢測和存儲(chǔ)，并然后被同時(shí)讀出，從而形成圖象元素的相關(guān)的彩色信息。
按照本發(fā)明，彩色傳感器的每個(gè)象素配備有可以用于暫時(shí)存儲(chǔ)彩色分量的多個(gè)存儲(chǔ)單元。用這種方式，相應(yīng)于各個(gè)彩色分量的多個(gè)圖象部分可被連續(xù)地記錄，而不必在圖象部分曝光之后讀出完整的圖象傳感器的信息。這樣，費(fèi)時(shí)的讀出操作可被移到整個(gè)曝光周期結(jié)束，從而構(gòu)成多個(gè)連續(xù)的單個(gè)曝光。
按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的解決方案因而形成了一種積分的圖象光學(xué)彩色敏感圖象傳感器，其中每個(gè)象素按照照射到其上的光可以記錄完整的彩色信息，并且使其在每個(gè)相繼的圖象周期中可以用于電子形式。所述傳感器的特征在于兩個(gè)基本的性能被組織成矩陣的傳感器結(jié)構(gòu)的每個(gè)象素具有多個(gè)信息存儲(chǔ)裝置，使得可以暫時(shí)存儲(chǔ)不同顏色的信息。此外，傳感器具有其光譜靈敏度可以改變的可控的檢測器元件。因而，按照本發(fā)明的圖象傳感器通過直接連續(xù)曝光各個(gè)彩色分量而不需在各個(gè)曝光之間的讀出操作，使得可以記錄圖象景色的所有的彩色信息。用這種方式，可以實(shí)現(xiàn)短的曝光時(shí)間而同時(shí)不減小分辨率。特別是，本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)適用于例如在短期的照明系統(tǒng)(閃光裝置)的一個(gè)曝光周期內(nèi)記錄彩色圖象。
例如使用按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的完整的圖象周期包括以下步驟:
1曝光第一個(gè)單個(gè)圖象(例如紅色)。
2存儲(chǔ)第一個(gè)單個(gè)圖象。
3曝光第二個(gè)單個(gè)圖象(例如綠色)。
4存儲(chǔ)第二個(gè)單個(gè)圖象。
5曝光第三個(gè)單個(gè)圖象。
6存儲(chǔ)第三個(gè)單個(gè)圖象。
7讀出第一個(gè)單個(gè)圖象。
8讀出第二個(gè)單個(gè)圖象。
9讀出第三個(gè)單個(gè)圖象。
實(shí)際上，進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)屬于單個(gè)圖象的測量值及其讀出數(shù)據(jù)的任何順序都是可能的。也可以同時(shí)對(duì)單個(gè)圖象進(jìn)行曝光和存儲(chǔ)。
按照這種操作方式操作的彩色傳感器和其中由讀出各個(gè)圖象中斷各個(gè)曝光的操作方式相比的主要優(yōu)點(diǎn)是具有短的總的曝光時(shí)間，其只包括以上表中的1到5項(xiàng)，而費(fèi)時(shí)的讀出處理7到9不計(jì)入實(shí)際的曝光時(shí)間。
該方法尤其適用于利用短期照明系統(tǒng)例如閃光裝置記錄彩色圖象，其中可以在一個(gè)照明周期內(nèi)完成全部曝光。通常，把所有的讀出處理移到一個(gè)完整的圖象周期的結(jié)束處不會(huì)有缺點(diǎn)。
不同彩色信息的讀出不必按照先后順序進(jìn)行，而可以利用具有多個(gè)并行讀出線的合適結(jié)構(gòu)的傳感器同時(shí)進(jìn)行，借以縮短讀出操作的時(shí)間。
按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的最佳實(shí)施例在基于ASIC(TFA)技術(shù)的薄膜形式的光學(xué)傳感器系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)上述的傳感器功能。TFA圖象傳感器包括呈薄膜結(jié)構(gòu)形式的在光學(xué)上靈敏的檢測器層，其被垂直地集成在例如ASIC(特殊用途的集成電路)的集成電路中。ASIC包含被組織成矩陣的象素結(jié)構(gòu)，包括所需的用于積分光電電流，用于存儲(chǔ)彩色信號(hào)和讀出彩色信號(hào)的象素電路。光檢測器包括基于非晶硅的多層系統(tǒng)，其具有可借助于施加的電壓控制的光譜靈敏度。
光傳感器最好具有以下的層結(jié)構(gòu):
(a)n導(dǎo)電的a-Si:H層，(b)第一本征導(dǎo)電的a-Si:H層，(c)p導(dǎo)電的a-Si:H層，(d)第二本征導(dǎo)電的a-Si:H層，包括具有較高的μ·Tau積的第一分量層和具有比第一分量層較低的μ·Tau積的第二分量層。
(e)n導(dǎo)電的a-Si:H層，按照上述的nipin結(jié)構(gòu)，通過交換n和p導(dǎo)電層也可以形成pinip結(jié)構(gòu)。
當(dāng)使用以下的層結(jié)構(gòu)時(shí)，可以獲得此處所述的彩色圖象傳感器的極好的適用性(a)p導(dǎo)電的a-Si:H層，(b)本征導(dǎo)電的a-Si:H層，包括具有不同介電常數(shù)的3個(gè)分量層(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)，其中具有低介電常數(shù)的分量層在光的入射方向上領(lǐng)先于具有較高介電常數(shù)的分量層，(c)n導(dǎo)電的a-Si:H層。
當(dāng)使用以下的層結(jié)構(gòu)時(shí)，也尤其適用于此處所述的彩色圖象傳感器:
(a)p導(dǎo)電的a-Si:H層，(b)本征導(dǎo)電的a-Si:H層，包括具有不同介電常數(shù)的3個(gè)分量層，其中具有較低介電常數(shù)的分量層在光的入射方向上領(lǐng)先于具有較高介電常數(shù)的分量層，
(c)p導(dǎo)電的a-Si:H層。
這便形成了所謂的pi3n或ni3p的結(jié)構(gòu)。
傳感器的操作涉及施加不同的檢測器電壓，這導(dǎo)致不同的彩色靈敏度，接著，把得到的光電電流送入ASIC中，該電流是照射到各個(gè)象素的光的不同彩色分量的量度，并把其存入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中。例如，利用3個(gè)線性獨(dú)立的彩色靈敏度(例如紅綠藍(lán))建立的光電電流可被積分并被存儲(chǔ)在3個(gè)模擬存儲(chǔ)單元中。每個(gè)存儲(chǔ)單元例如由電容器組成，其中光電電流對(duì)時(shí)間的積分產(chǎn)生成比例的電壓，然后把其存儲(chǔ)在所述電容器中，直到讀出該象素。在所述象素中的3個(gè)電容器可以橫向排列(并排地)，或垂直排列(一個(gè)在另一個(gè)的上方)。在這種連接下，MOS晶體管的控制極電容器或ASIC的不同的金屬化等級(jí)之間的電容器，例如可被用作存儲(chǔ)單元。因而ASIC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)垂直的一個(gè)在另一個(gè)上方的多存儲(chǔ)單元，使得可以實(shí)現(xiàn)大大節(jié)省空間的結(jié)構(gòu)。這種實(shí)施例的主要優(yōu)點(diǎn)在于，和多個(gè)橫向排列的光電檢測器相比，存儲(chǔ)電容器可被小型化而不損失傳感器的靈敏度，因而，用這種方式，從原理上說可以實(shí)現(xiàn)較大的分辨率而不犧牲動(dòng)態(tài)范圍(dynamic extent)。同時(shí)，整個(gè)傳感器表面在光學(xué)上可被利用，因?yàn)榇鎯?chǔ)單元被垂直地集成而沒有關(guān)于面積填充系數(shù)的任何損失。
電容器同時(shí)也可用于積分光電電流，即把其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并存儲(chǔ)該電壓信號(hào)。電壓值除去如上所述依賴于光電電流之外，還和積分時(shí)間成正比，和積分電容成反比。在各個(gè)顏色的通道中，通過使用具有不同容量的電容器用于積分3個(gè)光電電流信號(hào)與/或通過選擇不同的積分時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)不同的增益，以便補(bǔ)償在檢測器中可能固有的彩色靈敏度的任何偏差。.
從原理上說，通過合適地設(shè)計(jì)象素電路，可以使光電電流在傳感器象素中被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后以數(shù)字形式存儲(chǔ)在各個(gè)存儲(chǔ)單元中。
在TFA技術(shù)中的彩色圖象傳感器的實(shí)施例中，相應(yīng)于彩色分量的光電電流信號(hào)被積分并被存儲(chǔ)在被橫向地或垂直地集成在ASIC的每個(gè)象素中的多個(gè)存儲(chǔ)單元中，而光電電流本身借助于選擇顏色的并可被在電氣上控制的垂直地應(yīng)用于ASIC的薄膜技術(shù)中的光學(xué)檢測器產(chǎn)生。
按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例包括這樣的事實(shí)，即所有象素對(duì)于每種彩色分量被同時(shí)曝光。和在圖象傳感器上通過的曝光隙縫相比，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，沒有因?yàn)楦鱾€(gè)彩色圖象的非同步曝光而引起的圖象失真問題。
按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例包括這樣的事實(shí)，即可以選擇一種操作方式，其中對(duì)于所有單個(gè)圖象的總的曝光時(shí)間是如此之短，使得在短期照明系統(tǒng)的一個(gè)照明周期內(nèi)對(duì)全部彩色圖象曝光。此外，可以使用多個(gè)按順序連續(xù)的、和各個(gè)圖象曝光同步的彩色閃光燈，并且在這種情況下，光學(xué)檢測器的彩色靈敏度的選擇控制可以省略。此外，也可以使用可控的濾光器層，其同樣和各個(gè)圖象的曝光同步地改變照射到傳感器上的光譜分量。在這種情況下，能夠控制光學(xué)檢測器的彩色靈敏度也不是絕對(duì)必要的。
按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例包括這樣的事實(shí)，即通過閃光時(shí)間長達(dá)20ms的、在整個(gè)時(shí)間內(nèi)其強(qiáng)度幾乎恒定的所謂線性閃光燈提供照明。當(dāng)由于關(guān)于彩色檢測器的瞬變效應(yīng)而需要較長的曝光時(shí)間時(shí)，這種方法尤其合適。
按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例包括這樣的事實(shí)，即除光敏和色敏檢測器之外，傳感器中還具有其它的輻射敏感元件，它們具有例如對(duì)于紅外或紫外光譜范圍的敏感性。在這種情況下，也可以包括附加的存儲(chǔ)元件，其中存儲(chǔ)相應(yīng)于可見光范圍之外的光譜分量的檢測信號(hào)。關(guān)于檢測器的操作方式以及積分，存儲(chǔ)和讀出的先后順序，可應(yīng)用和只在可見光范圍內(nèi)檢測的傳感器相同的方案。
按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例包括這樣的事實(shí)，即各個(gè)彩色通道具有選擇的增益，用這種方式，檢測器的不同的彩色靈敏度可被補(bǔ)償。增益的選擇例如可以通過合適地選擇積分和存儲(chǔ)電容的大小或通過選擇積分光電流的不同的積分時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。
按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例包括這樣的事實(shí)，即可以進(jìn)行彩色校正，例如通過已知的呈彩色信號(hào)的加權(quán)相加形式的線性聯(lián)接(linear linkage)方法。用這種方式，可以改善各個(gè)彩色通道的光譜選擇性，減小彩色失真。用于彩色校正的合適的電子電路可以包含在象素電子電路內(nèi)，或包含在彩色圖象傳感器的外圍電子電路內(nèi)。
按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例包括這樣的事實(shí)，即讀出的線數(shù)和在每個(gè)象素中提供的彩色存儲(chǔ)器的數(shù)量匹配，使得可以同步讀出所有彩色信息，從而實(shí)現(xiàn)減少總的讀出時(shí)間的目的。
按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例包括這樣的事實(shí)，即積分裝置具有控制周期的裝置，用于確定積分周期的結(jié)束時(shí)刻，使得較高的輻射強(qiáng)度得到較短的積分周期，較低的輻射強(qiáng)度得到較長的積分周期。為了增加動(dòng)態(tài)范圍，利用所謂靈敏度的全部的或局部的適應(yīng)或局部的自適應(yīng)控制，用這種方法，每個(gè)象素的靈敏度被自動(dòng)地或以其它方式適應(yīng)局部占優(yōu)勢(shì)的圖象亮度。關(guān)于這種方法在彩色傳感器中的使用，應(yīng)該指出，對(duì)于每個(gè)不同的彩色分量，靈敏度必須被單獨(dú)地控制。這利用在檢測器象素中選擇地提供的附加的存儲(chǔ)元件實(shí)現(xiàn)。
按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例包括這樣的事實(shí)，即彩色圖象傳感器被設(shè)計(jì)為行傳感器或二維矩陣傳感器。在行傳感器形式的線性傳感器結(jié)構(gòu)的情況下，通過使用通?？衫玫募夹g(shù)可以實(shí)現(xiàn)非常小的象素尺寸(例如，10x10μm2)和象素間隔(例如2μm)，因?yàn)橄笏仉娮与娐芬部梢晕挥诠鈱W(xué)有效區(qū)附近。
按照本發(fā)明的彩色圖象傳感器的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例包括這樣的事實(shí)，即附加的光學(xué)元件可被包括在光敏層中。例如，可以使用在象素柵系統(tǒng)中構(gòu)成的微透鏡裝置，用于把光束輸入傳感器，而不需要任何附加的昂貴的圖象光學(xué)系統(tǒng)。用這種方式，可以實(shí)現(xiàn)具有集成的圖象光學(xué)系統(tǒng)的小型的圖象彩色傳感器(平面眼)，其適用于在人眼睛中的視網(wǎng)膜植入(人造視網(wǎng)膜)。
另一個(gè)最佳實(shí)施例為每個(gè)存儲(chǔ)裝置提供一種比較器裝置，其中可以設(shè)置對(duì)于預(yù)選顏色的參考信號(hào)。這種變型使得可以實(shí)現(xiàn)所謂的“彩色跟蹤器”，其中某個(gè)顏色例如某一紅的顏色值被預(yù)選為參考值。然后，如果這一顏色值在記錄的圖象中出現(xiàn)，這由比較器裝置判斷，然后發(fā)出合適的信號(hào)。
上述裝置的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例在附圖中示出了并給予詳細(xì)的解釋。該實(shí)施例是一個(gè)按照本發(fā)明的以TFA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的用于短期曝光的象素。

圖1表示用于短期曝光的象素電子電路的方塊圖，其中具有用于紅綠藍(lán)的3個(gè)積分電路。圖2表示這種象素的結(jié)構(gòu)。
圖1表示在TFA技術(shù)中用于短期曝光的象素的方塊圖。非晶硅的光敏和色敏薄膜檢測器01是上述的象素電路。其前接點(diǎn)02被設(shè)計(jì)用于所有的象素。另一個(gè)接點(diǎn)03和按照ASIC設(shè)計(jì)的檢測器電路04相連。這檢測器電路04在3個(gè)曝光狀態(tài)的每一個(gè)中保持檢測器01的接點(diǎn)03上的電壓為恒電位，并把檢測器01發(fā)出的光電流05送給在遠(yuǎn)右端說明的積分電路06…17。
彩色檢測器01被如此設(shè)計(jì)，使得通過選擇其接點(diǎn)02和03之間的電壓其光譜靈敏度在紅綠藍(lán)顏色當(dāng)中可以轉(zhuǎn)換。因?yàn)榻狱c(diǎn)03的電壓被檢測器電路04保持恒電位，所以為了選擇光譜靈敏度只要同時(shí)對(duì)所有的檢測器把前接點(diǎn)02上的電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的彩色電壓便足夠了。
短期曝光狀態(tài)借助于如此設(shè)置前接點(diǎn)02上的電壓而開始，即，使得檢測器01對(duì)紅光具有最大的光譜靈敏度。然后，積分紅信號(hào)06接通用于紅信號(hào)的積分開關(guān)07，正比于照射到該象素的光的紅分量的光電流流向積分電容器08。其幅值正比于相應(yīng)的光電電流05和選擇的積分時(shí)間Trot(Tred)并反比于電容器08的值的電壓信號(hào)09在電容器08上被積分。為了結(jié)束積分時(shí)間，積分紅信號(hào)06切斷對(duì)于紅電流的積分開關(guān)07,并且電容器08保持紅信號(hào)09。
然后，為了產(chǎn)生綠信號(hào)，在前接點(diǎn)02上的電壓被如此設(shè)置，使得檢測器01對(duì)綠光具有最大的光譜靈敏度。在彩色檢測器01的某個(gè)瞬變恢復(fù)時(shí)間之后，正比于綠光的所得光電流05通過在綠信號(hào)電容器12上的綠電流開關(guān)以類似于紅光信號(hào)被積分一個(gè)時(shí)間Tgrun(Tgreen)，在這段時(shí)間內(nèi)積分綠信號(hào)10有效。在綠信號(hào)電容器12上積分的綠信號(hào)13也和綠電流05以及積分時(shí)間Tgrun成正比，和綠電容12成反比。
最后，與此類似，通過如此設(shè)置在前接點(diǎn)02上的電壓，使得檢測器01對(duì)藍(lán)光具有最大的光譜靈敏度而產(chǎn)生藍(lán)信號(hào)。在某個(gè)瞬變恢復(fù)時(shí)間之后建立的藍(lán)電流05通過在藍(lán)信號(hào)電容器16上的藍(lán)電流開關(guān)15被積分一個(gè)時(shí)間Tblau(Tblue)，在這段時(shí)間內(nèi)積分藍(lán)信號(hào)14有效。在藍(lán)信號(hào)電容器16上積分的藍(lán)信號(hào)17和藍(lán)電流05以及積分時(shí)間Tblau成正比，和綠電容16成反比。
這樣，短期曝光過程便告結(jié)束，強(qiáng)度正比于三種基色紅綠藍(lán)的信號(hào)被存儲(chǔ)在彩色電容器08,12和16中。在隨后的讀出階段，讀信號(hào)讀紅18,讀綠19，和讀藍(lán)20把彩色信號(hào)08,12和16一個(gè)接一個(gè)地送到讀出緩沖器上的列讀出線列24。
利用彩色信號(hào)的清除而結(jié)束圖象周期。為此，通過選通復(fù)位信號(hào)26和積分信號(hào)06,10,14使復(fù)位開關(guān)25和彩色電流開關(guān)07,11和15閉合，從而使所有彩色電容器同時(shí)被清除。這樣，象素再次處于初始狀態(tài)，并可以開始下一個(gè)積分狀態(tài)。
圖2表示以CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖1所示的所有的象素功能并可以用TFA技術(shù)制造的其上具有顏色選擇的薄膜檢測器的象素結(jié)構(gòu)。垂直地設(shè)置在這電路上的檢測器01的接點(diǎn)在圖2中可被看作1.6μm×1.6μm的矩形30。相應(yīng)于圖1中的電容08,12，和16的三個(gè)彩色電容器31,32和33被特別清楚地示出了。列的所有象素的輸出24通過金屬通路34被送到列放大器。
這種結(jié)構(gòu)以0.6μm的CMOS工藝設(shè)計(jì)，并且它占據(jù)4個(gè)并列的象素的空間(大約16μm×18μm)，這在用于產(chǎn)生全色信息的鑲嵌傳感器中是需要的。用一種已經(jīng)可利用的先進(jìn)的工藝(＜0.5μm)，所需面積將更小。
權(quán)利要求
1一種包括象素單元裝置的光學(xué)傳感器，每個(gè)象素單元包括一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，用于把入射的輻射光轉(zhuǎn)換成取決于強(qiáng)度和波長的光電流，一個(gè)積分器裝置，用于得到相應(yīng)于檢測的光電電流的一個(gè)測量值，以及一個(gè)可控的存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)測量值，和一個(gè)讀出控制裝置，用于讀出基于一個(gè)象素單元的存儲(chǔ)的測量值，其中照射到傳感器上的圖象可以由基于象素單元的測量值組成，其特征在于，每個(gè)象素單元包括一個(gè)積分器裝置(7,8；11,12；15,16)和至少兩個(gè)并行設(shè)置的存儲(chǔ)裝置(21,22,23)，使得分配給入射的輻射光的不同光譜范圍的至少兩個(gè)測量值在測量周期期間可以被檢測和存儲(chǔ)，并然后被同時(shí)讀出，從而形成相關(guān)圖象元素的彩色信息。
2如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，光電轉(zhuǎn)換器關(guān)于其光譜靈敏度可以被選擇地控制，并且被分配給不同光譜范圍的至少兩個(gè)測量值在測量周期內(nèi)按照先后順序被連續(xù)地檢測。
3如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，所述傳感器是平面?zhèn)鞲衅鳌?br> 4如權(quán)利要求1-2所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，所述傳感器是行傳感器。
5如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，光電轉(zhuǎn)換器的至少一個(gè)光譜范圍處于可見光范圍內(nèi)。
6如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，光電轉(zhuǎn)換器的至少一個(gè)光譜范圍處于紫外或紅外范圍內(nèi)。
7如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，在光電轉(zhuǎn)換器(1)的下游提供有一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和至少兩個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)器。
8如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，對(duì)于至少兩個(gè)積分器裝置中的每個(gè)提供有具有可調(diào)放大系數(shù)的放大器裝置，使得實(shí)際上在光電轉(zhuǎn)換器中的積分增益關(guān)于各個(gè)彩色分量互不相同。
9如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，對(duì)于多個(gè)存儲(chǔ)裝置提供有一個(gè)聯(lián)接元件，使得在每個(gè)圖象元件中的各個(gè)彩色信號(hào)按照特定的線性加權(quán)被聯(lián)接。
10如如權(quán)利要求9所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，所述的聯(lián)接發(fā)生在傳感器的外面。
11如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，對(duì)于每個(gè)存儲(chǔ)裝置提供有一個(gè)比較器裝置，其中可以設(shè)置對(duì)于可預(yù)選顏色的參考信號(hào)。
12如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，和各個(gè)象素相關(guān)的彩色信息在各個(gè)讀出線上被同步地傳送。
13如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，積分器裝置具有周期控制裝置，用于確定積分周期的結(jié)束時(shí)刻，從而使得較高的輻射強(qiáng)度導(dǎo)致較短的積分時(shí)間，較低的輻射強(qiáng)度導(dǎo)致較長的積分時(shí)間。
14如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，其具有以下的層序列(a)n導(dǎo)電的a-Si:H層，(b)第一本征導(dǎo)電的a-Si:H層，(c)p導(dǎo)電的a-Si:H層，(d)第二本征導(dǎo)電的a-Si:H層，包括具有較高的μ·Tau積的第一分量層和具有比第一分量層較低的μ·Tau積的第二分量層。(e)n導(dǎo)電的a-Si:H層，
15如權(quán)利要求1-13所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，其具有以下的層序列(a)p導(dǎo)電的a-Si:H層，(b)第一本征導(dǎo)電的a-Si:H層，(c)n導(dǎo)電的a-Si:H層，(d)第二本征導(dǎo)電的a-Si:H層，包括具有較高的μ·Tau積的第一分量層和具有比第一分量層較低的μ·Tau積的第二分量層。(e)p導(dǎo)電的a-Si:H層。
16如前面1-13任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，其具有以下的層序列:(a)p導(dǎo)電的a-Si:H層，(b)本征導(dǎo)電的a-Si:H層，包括具有不同介電常數(shù)的3個(gè)分量層(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)，其中具有低介電常數(shù)的分量層在光的入射方向上總是領(lǐng)先于具有較高介電常數(shù)的分量層，(c)n導(dǎo)電的a-Si:H層。
17如前面1-13任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，其具有以下的層序列(a)p導(dǎo)電的a-Si:H層，(b)本征導(dǎo)電的a-Si:H層，包括具有不同介電常數(shù)的3個(gè)分量層，其中具有較低介電常數(shù)的分量層在光的入射方向上總是領(lǐng)先于具有較高介電常數(shù)的分量層，(c)p導(dǎo)電的a-Si:H層。
18如前面14一17任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，所述層序列被淀積在集成電路的表面上。
19如權(quán)利要求18所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，集成電路是ASIC。
20如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，存儲(chǔ)裝置被設(shè)計(jì)為電容器。
21如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，電容器在結(jié)構(gòu)中被橫向地設(shè)置。
22如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，電容器在結(jié)構(gòu)中被垂直地設(shè)置。
23如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，對(duì)光敏層提供有包括在象素柵系統(tǒng)中構(gòu)成的微透鏡的矩陣。
24如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，在光敏層之前提供附加的光學(xué)層。
25如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器的用途，其特征在于，其借助于短期照明系統(tǒng)接收輻射光。
26如權(quán)利要求25所述的光學(xué)傳感器的用途，其特征在于，短期照明系統(tǒng)是一種在發(fā)光期間具有恒定的光強(qiáng)度的閃光燈。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器,包括象素單元裝置,每個(gè)象素單元包括光電轉(zhuǎn)換器,用于把入射的輻射光轉(zhuǎn)換成取決于強(qiáng)度和波長的光電流,積分器裝置,用于得到相應(yīng)于檢測的光電電流的測量值,以及可控的存儲(chǔ)裝置,用于存儲(chǔ)測量值,和讀出控制裝置,用于讀基于一個(gè)象素單元存儲(chǔ)的測量值,其中照射到傳感器上的圖象可以由基于象素單元而獲得的測量值組成。本發(fā)明的允許在短的曝光時(shí)間內(nèi)操作的光學(xué)傳感器的目的通過以下的事實(shí)實(shí)現(xiàn):每個(gè)象素單元包括積分器裝置(7,8;11,12;15,16)和至少兩個(gè)并行設(shè)置的存儲(chǔ)裝置(21,22,23),使得分配給入射的輻射光的不同光譜范圍的至少兩個(gè)測量值在測量周期期間可以被檢測和存儲(chǔ),并然后可以被同時(shí)讀出,從而形成圖象元素的相關(guān)的彩色信息。
文檔編號(hào)H04N9/07GK1209930SQ97191827
公開日1999年3月3日 申請(qǐng)日期1997年10月30日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月31日
發(fā)明者馬庫斯·伯姆, 彼得·里夫, 塔雷克·盧萊 申請(qǐng)人:馬庫斯·伯姆