CN102449765B - 用于亚衍射极限传感器的梯度滤色器 - Google Patents

用于亚衍射极限传感器的梯度滤色器 Download PDF

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Abstract

一种装置包括在衬底中形成的具有光接收表面的亚衍射极限尺寸光受体的阵列。每个光受体被配置为输出n比特元素并且基于至少一个光子的吸收而改变状态(n是大于0的整数)。该装置包括被布置在光接收表面上的光学过滤器结构，所述结构具有过滤器像素的阵列，每个所述过滤器像素具有相关联的通带频谱特性。从所述受体的阵列获得的数据元素由从在具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素之下的多个光受体输出的多个n比特元素的组合生成。具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素形成梯度过滤器，其中在从所述梯度过滤器的中央区向所述梯度过滤器的边缘区移动时，带通区增加。

Description

用于亚衍射极限传感器的梯度滤色器
技术领域
本发明的示例实施例一般地涉及电磁辐射的传感器，并且更具体地涉及具有被表征为具有亚衍射极限尺度的光受体的固态图像传感器阵列，以及涉及与其一同使用的滤色器。
背景技术
二维1比特受体阵列已经被描述为数字胶片传感器(DFS)，其是深SDL(亚衍射极限)像素的阵列，所述深SDL像素被定义为小于550nm Airy斑直径的那些像素，其中每个像素在尺寸上是几分之一微米。虽然若干光电子可以对将输出信号推至一定阈值之上作出贡献，但最终认为期望单个光电子灵敏度。认为仅需要检测单个光电子的像素相比传统图像传感器中的模拟像素对于完整阱容量和动态范围具有低得多的性能要求。这些特殊像素已经被称作“小像素(jot)”  。
小像素的实施可以通过利用非常高的转换增益(低容量)来制造传统有效像素。其他方法认为包括使用雪崩或碰撞电离效应来实现像素内增益，以及量子点和其他纳米电子器件的可能的应用。认为堆叠结构也是可能的。
在操作中，在曝光时段的开始，小像素将被重置为逻辑“0”。如果接下来其在曝光期间被光子击中，则小像素被立即或在读出时设置为逻辑“1”。由于“模拟-数字”转换分辨率的单比特性质，所以认为可以实现高的行读出速率。
认为可以以与当前彩色图像传感器类似的方式处理颜色。即，可以利用滤色器来覆盖小像素。在该情况下，可以单独地处理红“R”、绿“G”和蓝“B”小像素，并且之后数字显影的图像被组合以形成传统RGB图像。认为RGB小像素不需要以相同的空间频率出现。
用于生成彩色图像的典型技术依赖于Bayer传感器及其变形。其他技术包括色轮和棱镜的使用。图1示出了具有RGB过滤器元件的组合的典型Bayer类型图样。比R或B过滤器元件更多的G过滤器元件的使用是为了模仿人眼对绿光的更大的分辨能力。其他过滤器类型例如包括CYGM过滤器(青、黄、绿、品红)和RGBE过滤器(红、绿、蓝、翠绿)。还已知使用透明或白色过滤器元件来提供红外灵敏度。
发明内容
在其一方面中，本发明的示例实施例提供一种装置，其包括：在衬底中形成的具有光接收表面的亚衍射极限尺寸光受体的阵列，每个光受体被配置为输出n比特元素并且基于至少一个光子的吸收而改变状态，其中n是大于0的整数；以及被布置在光接收表面上的光学过滤器结构，所述光学过滤器结构由每个具有相关联的通带频谱特性的过滤器像素的阵列组成，其中从所述亚衍射极限尺寸光受体的阵列获得的数据元素由从在具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素之下的多个光受体输出的多个所述n比特元素的组合组成，其中具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素组成梯度过滤器，其中在从所述梯度过滤器的中央区向所述梯度过滤器的边缘区移动时，带通区增加。
在其另一方面中，本发明的示例实施例提供一种方法，其包括：对亚衍射极限尺寸光受体的阵列的光接收表面进行照明，每个光受体被配置为输出n比特元素并且基于至少一个光子的吸收而改变状态，其中n是大于0的整数，其中照明通过布置在所述光接收表面上的光学过滤器结构而发生，所述光学过滤器结构由每个具有相关联的通带频谱特性的过滤器像素的阵列组成；以及在曝光时段的结尾，读出n比特元素并且形成数据元素，所述数据元素由从在具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素之下的多个光受体输出的多个n比特元素的组合组成，其中具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素组成梯度过滤器，其中在从所述梯度过滤器的中央区向所述梯度过滤器的边缘区移动时，带通区增加。
附图说明
当与附图结合阅读以下具体实施方式时，在具体实施方式中将使得本发明的示例实施例的以上和其他方面更加明显，在所述附图中：
图1示出了具有RGB过滤器元件的组合的典型的Bayer类型图样。
图2为图示受体、比特元素和数据元素的概念的概念图。
图3示出了根据本发明的示例实施例的具有比图1中所示的传统(例如Bayer)图样显著更多的滤色器的示例过滤器图样。
图4A和图4B(在这里被共同地称作图4)分别为适合与本发明的示例实施例一起使用的光传感器的简化放大顶视图和立视图。
图5描绘了实施图4的光传感器的受体的一种合适和非限制类型的电路。
图6示出了可以被构造为包括根据本发明的示例实施例的图像传感器和滤色器的设备的框图。
图7A和图7B示出了具有根据本发明的示例实施例构造的布置在光接收表面和被检测的光之间的过滤器阵列的图4的传感器阵列。
图8A-图8F为绘制了波长相对亮度、并且图示可以在图7A和图7B中示出的过滤器阵列的多个过滤器像素中使用的多种示例并且非限制类型的滤色器频谱特性的图形。
图9示出了不同类型的三个过滤器的例子，其中每个过滤器覆盖多个光受体。
图10示出了与本发明的示例实施例结合使用的梯度过滤器的例子。
图11图示了与本发明的示例实施例结合使用的梯度过滤器的不同的布置。
图12示出了与本发明的示例实施例结合使用的非像素尺寸梯度过滤器的三个例子。
图13描绘了与本发明的示例实施例结合使用的梯度过滤器的不同的布置。
图14图示了用于从示例梯度过滤器生成输出像素的两个非限制例子。
图15为根据本发明的示例实施例的方法的描述操作以及至少部分描述计算机程序指令的执行的逻辑流程图。
具体实施方式
参考图2，在以下描述中，“受体”被视作将光转换为电荷载体(例如电子)的物理传感器元件。“比特元素”被视作指示一个受体的曝光的概念性的1比特数据元素。“多比特元素”被视作指示一个受体的曝光的概念性的n比特数据元素，其中n＞1。“数据元素”被视作多个比特和/或多比特元素的组合，并且可以由两个到任意大数目的组成比特和/或多比特元素组成。作为非限制例子，数据元素可以包括比特和/或多比特元素的序列或比特和/或多比特元素的一些其他组合(例如总和或平均值)。
本发明的示例实施例至少部分涉及成像传感器技术，诸如彩色照相机中使用的光传感器技术。如上面所讨论的，一些当前彩色照相机传感器通过使用通过存储由入射光生成的电荷来测量光水平的二维像素阵列来实施。布置在像素阵列和入射光之间的滤色器阵列使得像素阵列能够检测颜色。可以通过使用浮置扩散和模数转换器(ADC)电路来将所存储的电荷数字化。然后处理所检测的图像并且结果是所存储的图像或视频。
存在与传统图像传感器技术相关联的多个问题。例如，颜色准确度可能未达到最优，这是因为，典型地，只使用相对小数目(例如三种)的不同的滤色器。然而，增加滤色器的数目减少分辨率。进一步地，滤色器可以减少传感器的灵敏度，这是由于在过滤器中存在光学损耗，这导致对成像目的不可用的光子的损耗。
本发明的示例实施例结合滤色器阵列来使用具有大数目的亚衍射极限受体的阵列。可以比传统滤色器阵列自由得多地设计滤色器阵列，这是由于从多个比特元素创建数据元素。作为结果，对于每一个数据元素可以使用具有已知频谱响应(例如带通、带阻、低通和高通)的若干不同种类的滤色器。
受体可以是简单并且极其小的，其提供亚衍射极限操作，并且数据元素的采样频率可以比Nyquist频率大得多。这使得能够使用多个过滤器(例如带通、带阻、低通、高通)，这是由于即使在若干受体的输出被组合为单个数据元素时，分辨率仍不劣化。可以通过从不同数目的受体创建数据元素来实现分辨率与颜色保真度和灵敏度之间的动态优化。
将图3与图1对比，通过使用本发明的实施例而变为可能的光学过滤器使得以能够与下面的亚衍射极限受体的任何期望的组合来使用多个不同的过滤器类型。注意在图3中，例如G1、G2、G3意图表示与绿色相关联的波长带的多种不同的渐变色(shade)或变形。一般地，过滤器越暗，则带通区越窄。
参考图4A和图4B，可以利用光传感器1来采用本发明的示例实施例，所述光传感器1包含被布置为光受体的二维阵列的大数目的1比特光受体2。二维阵列被组织为沿阵列的x轴的i个光受体2以及沿阵列的y轴的j个光受体2，其中i可以等于或可以不等于j。在示例实施例中，i和j可以两者都具有(作为非限制例子的)约106的值。可选的透镜(图4中未示出)可以布置在光接收表面1A和被成像的景象之间。
也参考图7A和图7B，根据本发明的示例实施例，示出了具有布置在光接收表面1A和被检测的光之间的过滤器阵列6的传感器阵列1。过滤器阵列6由离散的过滤器像素6A的阵列组成。具有亚衍射极限受体2(像素)的传感器阵列1在选择滤色器结构的特性时具有增强的自由度，这是由于根据从若干受体2产生的若干比特元素生成一个输出像素(数据元素)。这例如使得能够使用高灵敏度滤色器、频谱成像、滤色器材料和频谱属性的选择中的额外的自由度、对单个滤色器的使用以覆盖多个相邻受体2、减少或消除的可以随着颜色插值而出现的颜色伪像(artifact)、在使用具有不同灵敏度的滤色器时的改进的动态范围、以及在一些过滤器阵列位置中使用中性密度过滤器或不使用任何过滤器的能力。
图7A示出了每个过滤器像素6A与下面的单个受体2注册的实施例，而图7B示出了每个过滤器像素6A覆盖多个相邻布置的受体2的实施例。因此，每个过滤器像素6A的尺寸可以被设置为覆盖相同数目的下面的受体2，或如图7B中所示其尺寸可以被设置为覆盖不同数目的下面的受体2。一般地，两个或更多的相邻的过滤器像素6A可以具有相同的过滤器频谱特性，或它们可以具有不同的过滤器频谱特性。
特定受体2的二进制值(1或0)指示受体的状态(开或关)。通过处理所检测的受体值和基于这些受体值计算图像(分辨率和颜色)，由传感器阵列经由过滤器阵列6观看到的景象被转换为彩色图像。
光抵达的方向被假定为在传感器1的视场(FOV)内。
在一些实施例中，传感器1的中心区中的受体2比接近边缘的受体2(在或接近图像边界的那些受体)更小可能是有益的。
在操作期间，传感器阵列1的单个受体2被重置为已知状态(0或1)。在光射到传感器阵列1上时，其被受体2中的特定的一些吸收并且改变这些受体的状态(1或0)。在某时间段之后，传感器阵列2已经捕捉到大量的光子，并且一些可能对应大量的受体2已经经历了状态的改变。在存在更多具有值(1或0)的受体2(即已经从初始重置状态发生状态改变的受体)时，光子将射到仍处于重置状态中的受体上的概率减少。这导致传感器1开始饱和。在随后处理受体(像素)值时可以考虑到这类非线性行为。
传感器1的曝光时间可以基于先前捕捉的图像。以下情况也在示例实施例的范围内：如果存在使得能够确定已经改变状态的受体2的数目的一些机制，在已经改变状态的受体2的数目的某阈值(例如15％)之后终止曝光。该机制可以基于执行传感器1的多个连续的非破坏性读取周期，并且继续直到已经改变状态的受体2的数目的某阈值。
注意到，虽然传感器1/过滤器阵列6组合是波长(颜色)响应的并且从而被用作颜色成像器或频谱成像器，但其也可以被用于创建黑白和单色图像。如果入射光的量小，则仅处理来自传感器1的减少分辨率的亮度信息是有益的。当景象较亮时，可以增加分辨率以及增加颜色准确度。
多个相邻受体2可以被编组在一起以形成单个图像像素，并且特定的组中的受体的数目可以随着曝光而发生改变，并且该数目可可以在单个曝光期间对于不同的组而不同。例如，靠近光接收表面2A的中心每组可以存在较少的受体2，而在光接收表面2A的边缘每组可以存在较多的受体2。
可以例如通过使用与随机存取存储器(诸如动态随机存取存储器(DRAM))中发现的类似的技术来读取受体2的阵列。即，传感器1可以被视作表示i×j个可寻址的一比特存储位置的阵列(也参见图4B)。传感器1可以被配置为使得在读出周期期间总是重置受体值，或其可以被配置为与读出操作独立而执行重置操作。
注意到，在图4B中，为便利起见(并且非限制地)，电连接被示出为在衬底3的纵向侧进行。例如，在特定实施例中，可以优选地在顶部表面(光接收表面1A)、或在底部表面、或在顶部和底部表面两者提供电接触。
由于潜在大数目的受体2，每个单独的受体被设计为具有最小复杂度，从而使得能够利用与传统传感器阵列相比增加的产率来制造传感器1。任何有缺陷的受体2(例如具有固定在零或固定在一的缺陷的受体)可以被识别，并且它们的位置可以被映射并且在图像处理期间被补偿(诸如通过使用从相邻的操作受体2的插值)。
图4B示出了具有示例x-y(行/列)地址生成电路4和受体(像素)读出电路5的传感器阵列1。受体读出电路5从传感器阵列1接收实质上是对应于被打开(即吸收了至少一个光子)的那些受体2和未被打开(即由于未吸收至少一个光子或光子数目的某阈值而仍然处于重置状态)的那些受体2的二进制数据(一和零)的一个或多个流。受体读出电路5或图像处理器5A可以负责将光受体的输出一起编组为x-y光受体组或邻域。受体读出电路5可以包括压缩功能(可以使用任何合适的压缩功能，诸如行程长度编码)，或在读出受体值之前可以存在单独的压缩功能。地址生成电路4可以在任何给定时间生成要单独或成组地读出受体2的地址。可以从图像处理器5A经由控制总线5B提供读出控制。图像处理器5A的输出是彩色图像数据。
受体2的电路不需要像许多传统CMOS/CCD传感器中所发现的那样复杂，这是因为在二进制输出的实施例中，不需要利用A/D转换器测量浮置扩散电流/电压。相反，仅需要测量特定的受体2(像素)是开还是关。可以使用多个p-n和n-p结，但也可以使用其他可替代方案。并且，p阱或n阱(或衬底)的尺寸可以比传统CMOS/CCD传感器中小得多，这是因为不需要存储大量电荷。
图5中示出了实施受体2的一种合适和非限制类型的电路。在该情况下，每个受体2包括与简单的基于反相器的比较器电路2B连接的光二极管2A，用于一比特幅度量化。可调节阈值电流可以用于避免由背景亮度造成的触发。在信号电流(加背景电流)超过阈值电流It并且由于放电电流Is+Ib-It造成的跨Cpix的电压Uin低于比较器2B的阈值电压(～-Udd/2)时，受体(像素)被触发。假定与信号脉冲的幅度相比，It较小，则通过对像素的输入电容放电所需的光学能量Epix来确定像素灵敏度：
Epix≈(CpixΔU)/SKF
其中Cpix是包括光二极管和电路输入电容的像素的总输入电容，ΔU是触发比较器2B所需的输入端处的电压改变，S是二极管响应度，而KF是像素填充因子。
一般地，受体沿x和y轴的尺寸例如在约0.1到约0.2微米的范围中。受体2的实际最小尺寸可以被假定为至少部分依赖于制备工艺的特性，诸如用于光刻的波长和类似的依赖于工艺的参数。一般地，受体2的尺寸和分布可以作为传感器/设备几何尺寸的函数，并且可以基于对主光线角(CRA)的考虑。
可以通过任何合适的技术来实现传感器阵列1的制备，所述合适的技术包括形成多个注入/扩散p-n/n-p结以及通过使用晶片粘接工艺(作为非限制例子)。
可以直接在传感器阵列1的光接收表面1A上形成过滤器阵列6，或可以将其在单独的衬底上形成，所述单独的衬底后继被与传感器阵列1的光接收表面1A结合或被放置在传感器阵列1的光接收表面1A。
图8A-图8F是绘制波长相对于亮度、并且图示可以在过滤器阵列6的多种过滤器像素6A中使用的多种示例和非限制类型的滤色器频谱特性的图形。
图8A描绘了窄带通过滤器的例子。假定存在充足的不同过滤器以覆盖感兴趣的频谱(例如可见频谱)，这些过滤器展现使得高颜色精确度成为可能的高选择性。可以利用该方法来实施频谱成像器。
图8B描绘了带阻过滤器的例子，其提供高选择性。
图8C描绘了带通过滤器的例子，其提供相对高的选择性以及典型地低的计算复杂度。
图8D描绘了宽带通过滤器的例子。在该情况下，根据表示具有宽通带的多个不同滤色器的若干比特元素来计算每个数据元素的颜色。该方法明显增强选择性。作为比较，传统R、G和B过滤器丢弃总光的约67％。由于每个数据元素使用若干不同的过滤器，高颜色精确度和频谱成像可能实现。
可以利用简单的例子来例示利用宽带通过滤器进行的频谱成像。假定存在两个过滤器，其中过滤器A覆盖波长450-700nm，过滤器B覆盖波长460-700nm，并且两个过滤器都具有平坦的频谱响应。假定在收集一些光之后，过滤器A已收集了500个单位的光，而过滤器B已收集了450个单位的光。从而，明显450-460nm的频谱带已经接受了50个单位的光。这样，通过使用若干这样的过滤器，使得频谱成像成为可能。
图8E描绘了低通过滤器的例子，其提供相对高的灵敏度以及相对小的计算复杂度。
图8F描绘了非传统带过滤器的非限制例子。由于数据元素包括若干比特元素的实施，有可能设计不同于更传统的过滤器(诸如图8A-图8E中所示的那些)的过滤器，只要图像信号处理算法和设备知晓过滤器的属性/频谱特性。可能以随机或基本随机的方式制造该类型的过滤器，只要在使用之前表征频谱响应特性。
使用全透明(即无任何过滤器)和/或中性密度过滤器像素6A以增强动态范围也在这些示例实施例的范围内。透明过滤器展现高灵敏度，而中性密度过滤器人工地减少光量而不是频谱，从而使得能够提供更高的动态范围。与透明和/或中性密度过滤器组合而使用图8A-8F中所示的过滤器的任何组合也在这些示例实施例的范围内。
在特定的情况下，在图像区内改变过滤器阵列6的频谱特性可能是有益的。例如，过滤器阵列6的中心区可以具有较高的分辨率和较低的灵敏度，而角落区可以更多地针对灵敏度而非分辨率进行优化，从而减少渐晕(vignetting)效应。
除了上面所讨论的多种滤光器组合之外，也可以使用紫外(UV)和红外(IR)过滤器以减少不需要的波长的存在，特别是在低通和高通过滤器的情况下。
应当注意，滤色器不一定如在当前技术的情况中那样对于每个受体2分立。这在图7B以及图9中图示，其中三种不同过滤器类型中的每种被示出为覆盖多个受体2。
还应当注意，虽然已经示出多种过滤器具有方形或矩形，但它们实际上可以具有任何期望的形状，包括卵形或不规则形状，从而使过滤器阵列6的实施/制造便利。
可以最大化单个滤色器的面积(由分辨率和颜色精确度要求约束)。这减少了颜色串扰，这也是利用当前实施方式而不可行的。
如上所述，本发明的示例实施例不限于仅通过图像/光亚衍射极限尺寸受体2的实施例来使用，并且它们也可以通过图像/光传感器/受体的其他类型和构造来使用。
即，已经描述了本发明的示例实施例使用具有亚衍射极限受体2的仅仅单个平面的传感器阵列1，每个亚衍射极限受体2输出单个比特二进制值，其中颜色区分仅仅基于覆盖的过滤器结构6。然而，在其他实施例中，每个受体可能能够存储电荷，所述电荷被读出并且被数字化为多比特表示。例如，可以根据从若干受体产生的若干多比特元素生成一个输出像素(数据元素)。在这样的情况下，来自单独受体的值被读出然后被组合。
作为非限制例子，考虑两个2比特受体(n＝2)，其中每个输出具有值0、1、2或3(二进制形式为00、01、10或11)的多比特元素。作为非限制例子，可以通过求和/或求平均来组合这两个多比特元素。例如，如果这两个多比特元素是3和1，则可以通过求和(3+1＝4)或通过求平均((3+1)/2＝2)来组合它们。对于高比特计数受体来说，对值求平均可以是优选的，例如这是因为四个6比特值的和是8比特值，而平均值仍然可以利用6比特来示出。这样的实施方式可能在一些情况下导致舍入误差。在其他示例实施例中，***可以被配置为采用多于一种类型的组合，并且使用的组合类型可以依赖于具体的实施方式或依赖于一些其他因素(例如一个或多个内部或外部条件或参数)。作为非限制例子，可以通过数据处理器、图像处理器和/或一个或多个其他组件(例如加法器、乘法器、寄存器、平均组件)来执行组合。与1比特示例实施例比较，多比特实施例可以提供增加的颗粒度和/或增加的灵敏度，但可能以增加的复杂度为代价。实际的平衡(例如使用多少比特)可以依赖于多种因素，诸如作为非限制例子的所讨论的具体用途或成本考虑。
尽管上面针对输出二进制值的元素的受光体进行了描述(例如基于对至少一个光子的吸收)，但在进一步的示例性实施例中，来自受光体的输出可以不是二进制值。作为非限制性例子，输出多比特元素的受光体可以具有整数值输出或者梯度(scalar)值输出。
进一步地，本发明示例实施例可以使用在共有的发明人为OssiM.Kalevo、Samu T.Koskinen和Tero Rissa、标题为“Image Sensor”、在2009年4月6日提交的美国专利申请序列号12/384，549中所描述的类型光传感器(传感器阵列)。该共有的美国专利申请描述了被组织为沿阵列的x轴的i个光受体、沿阵列的y轴的j个光受体、以及沿阵列的z轴的k个光受体的三维阵列，其中i可以等于或不等于j，并且其中i和j每个可以比k大得多。从光接收表面到衬底(可以是硅衬底)的深度中纵向堆叠k个1比特受体。由于硅的依赖于波长的吸收系数，特定的光受***于衬底中的越深处(即其位于距光接收表面越远)，到达它并且可以被吸收和检测到的光的波长越长。从而，虽然在特定实施例中，传感器1可以自身提供多颜色选择性和灵敏度，但与上述滤色器实施例结合使用该类型的传感器阵列也可能是有利的。
如上所述，可以进一步与一个或多个梯度过滤器结合利用本发明的示例实施例。梯度过滤器被视作以下光学过滤器结构，所述光学过滤器结构由具有通带频谱特性的过滤器像素的阵列组成从而过滤器像素的连续的多个、多组或多个区共同地组成梯度。作为非限制例子，梯度可以针对增加的带通区(例如较窄到较宽)或减少的带通区(例如较宽到较窄)。作为非限制例子，单独的梯度过滤器可以针对特定颜色(例如红、绿或蓝)，并且进一步可以被称作滤色器。
图10示出了与本发明的示例实施例结合使用的梯度过滤器的例子。图10中的每个块表示一个亚衍射极限尺寸光受体(受体像素)。在其他示例实施例中，图10中的每个块可以表示亚衍射极限尺寸光受体的阵列(受体像素的阵列)。如图10中所指示的那样，单独的过滤器像素对不同的颜色进行过滤。不具有特定颜色指示的那些过滤器是透明过滤器。一般地，针对颜色的较亮渐变色的过滤器像素可以被视作具有比针对颜色的较暗渐变色的过滤器像素更大的带通区。过滤器像素(例如针对给定颜色的过滤器像素)共同地组成梯度过滤器，其中在从梯度过滤器的中央区(例如G4、R4、B4)向梯度过滤器的边缘区(周边或周边区；例如G1、R1、B1)移动时，带通区增加(更宽)。如图10中所示，梯度与朝向梯度过滤器的中央区具有较暗的渐变色(收窄的带通)的“牛眼”相似。
如以上对于图10所说明的，在图11-图14中，不具有特定颜色指示的那些过滤器是透明过滤器。
图11图示了梯度过滤器的过滤器像素的不同布置。注意到在从梯度过滤器的中央区(例如G4、R4、B4)向梯度过滤器的边缘区(例如G1、R1、B1)移动时，带通区增加。
在进一步的示例实施例中，梯度过滤器的梯度不作为像素尺寸的函数而改变。即，梯度过滤器的梯度或过渡可以根据不同的形状或图样而变化。
图12示出了非像素尺寸梯度过滤器的三个例子：红梯度过滤器121、绿梯度过滤器122和蓝梯度过滤器123。对于绿梯度过滤器122，线一般地指示连续区G1、G2、G3和G4之间的过渡。在进一步的示例实施例中，梯度过滤器的梯度可以具有不同的形状或图样(例如不同于图10-图12中所示的那些)。
图13描绘了与本发明的示例实施例结合使用的梯度过滤器的不同布置。单独的红、绿和蓝过滤器由白(透明)过滤器分离。以这样的方式，存在例如从红到白的非常粗糙的梯度，并且仅需要几种不同的过滤器材料。该示例方法由于白过滤器、并且进一步由于过滤器覆盖若干受体而不同于传统的Bayer矩阵。与Bayer矩阵方法相比，由于白过滤器的存在，该示例方法明显具有较少的颜色串扰以及略微更优的灵敏度。
图14图示了用于从梯度过滤器生成输出像素的非限制例子。取决于光学分辨率和输出图像中所需的像素计数，本发明的示例实施例可以需要或不需要插值(例如与用于传统Bayer矩阵的插值类似的插值)。例如，如果图14中的第一区域141表示输出像素(例如针对绿)，则可能需要插值。相比之下，如果图14中的第二区域142表示输出像素，则可能不需要插值。在后一种情况下，覆盖不同颜色(例如全部不同颜色)的区域(第二区域142)被用于提供输出像素。在一些情况下，可能期望从许多类型或全部类型的滤色器生成输出像素。
在一些示例实施例中，从仅仅一些选择性滤色器形成图10-14中所示的梯度过滤器。
滤色器的平滑过渡减少了颜色串扰，这是因为，不像传统Bayer矩阵中那样，相邻像素之间的串扰将不影响实际颜色解译。这还使得能够使用增加灵敏度的非常宽的带通过滤器。分辨率不会被牺牲，这是因为光学分辨率不一定具有每像素的精确度。梯度过滤器结构使得能够进行具有频谱成像的可能性的增加的颜色重现。
示例梯度过滤器使得能够具有更高的灵敏度、改进的颜色精确度、以及甚至频谱成像。示例梯度过滤器进一步允许单个滤色器覆盖若干受体。示例梯度过滤器还可以减少或去除经常随着颜色插值而出现的颜色伪像。示例梯度过滤器进一步允许改进的动态范围的可能性并且减少颜色串扰。
图6以平面图(左)和截面图(右)两者图示了诸如用户设施(UE)10的设备的示例实施例。在图6中，UE 10具有图形显示接口20和用户接口22(被例示为键盘、但应被理解为也包括图形显示接口20处的触摸屏技术和在麦克风24处接收的语音识别技术)。功率致动器26控制设备被用户打开和关闭。
示例UE 10包括相机28，所述相机被示出为朝前(例如用于视频呼叫)但可以可替代地或额外地为朝后(例如用于捕捉图像和视频以进行本地存储)。相机28被快门致动器30控制并且可选地被变焦致动器30控制，在相机28不在活动模式中时所述变焦致动器30可以可替代地充当扬声器34的音量调节。
相机28可以被假定为包括与根据本发明的示例实施例构造和操作的过滤器阵列6组合的图像传感器阵列1。
在图6的截面图内，可见典型地用于蜂窝通信的多个发射/接收天线36。天线36可以是多频带的以与UE中的其他无线电共同使用。天线36的可操作接地平面被阴影示出为跨由UE外壳包围的整个空间，但在一些实施例中，接地平面可以被限制为较小的区域，诸如布置在其上形成功率芯片38的印刷电路板上。功率芯片38控制正在被发射的信道上、或跨同时发射的多个天线(在使用空间分集的情况下)的功率放大，并且放大所接收的信号。功率芯片38向射频(RF)芯片40输出放大的所接收的信号，所述射频芯片40解调和下变换信号以进行基带处理。基带(BB)芯片42检测信号，信号然后被变换为比特流并且最终被解码。对于在装置10中生成并且从其发射的信号，类似的处理反向出现。
去向或来自相机28的信号可以通过编码和解码多个图像帧的图像/视频处理器44。图4B中所示的图像处理器5A的至少部分功能可以被并入在图像/视频处理器44中。也可以存在分离的音频处理器46以控制去向和来自扬声器34和麦克风24的信号。从由用户接口芯片50控制的帧存储器48刷新图形显示接口20，所述用户接口芯片50可以处理来自和去向显示接口20的信号和/或额外地处理来自键盘22和别处的用户输入。
UE 10的特定实施例还可以包括诸如无线局域网络无线电WLAN 37和蓝牙无线电39之类的一个或多个第二无线电，其可以并入芯片上的天线或耦合到芯片外的天线。在整个装置中存在多个存储器，诸如随机存取存储器RAM 43、只读存储器ROM 45，并且在一些实施例中可以存在可拆卸存储器，诸如所图示的其上存储多种程序10C的存储器卡47。UE 10内的全部这些组件一般地由诸如电池49之类的便携式电源来供电。
处理器38、40、42、44、46、50在被实施为UE 10中的单独实体的情况下可以以对于主处理器10A、12A的从属关系来操作，所述主处理器10A、12A可以处于对于它们的主关系。本发明的实施例可以跨所示的多个芯片和存储器而布置、或布置在将以上对于图6所描述的功能中的一些组合起来的另一处理器内。图6的这些处理器中的任何一个或多个或全部访问多个存储器中的一个或多个，所述多个存储其可以在芯片上与处理器一起或从处理器分离。
注意到以上所描述的多个集成电路(例如芯片38、40、42等)可以被组合为比所描述的更少的数目，并且在最紧凑的情况下可以全部在单个芯片内物理地体现。
参考图15，以逻辑流程图形式示出了方法，该方法包括：(块15A)对亚衍射极限尺寸光受体的阵列的光接收表面进行照明。在该方法中，每个所述光受体被配置为输出n比特元素并且基于至少一个光子的吸收而改变状态，其中n是大于0的整数。照明步骤通过布置在所述光接收表面上的光学过滤器结构而发生，其中所述光学过滤器结构由每个具有相关联的通带频谱特性的过滤器像素的阵列组成。该方法在块15B中进一步包括：在曝光时段的结尾，读出n比特元素并且形成数据元素，所述数据元素由从在具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素之下的多个光受体输出的多个n比特元素的组合组成。具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素组成梯度过滤器，其中在从所述梯度过滤器的中央区向所述梯度过滤器的边缘区移动时，带通区增加。
在本发明的另一示例实施例中，一种装置包括在衬底中形成的具有光接收表面的亚衍射极限尺寸光受体的阵列。每个光受体被配置为输出n比特元素并且基于至少一个光子的吸收而改变状态，其中n是大于0的整数。该装置进一步包括被布置在光接收表面上的光学过滤器结构，所述光学过滤器结构由每个具有相关联的通带频谱特性的过滤器像素的阵列组成。从所述亚衍射极限尺寸光受体的阵列获得的数据元素由从在具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素之下的多个光受体输出的多个所述n比特元素的组合组成。具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素组成梯度过滤器，其中在从所述梯度过滤器的中央区向所述梯度过滤器的边缘区移动时，带通区增加。
在本发明的另一示例实施例中，一种设备包括具有光接收表面的(例如在衬底中形成的)、亚衍射极限尺寸的、用于接收光的装置的阵列。每个用于接收光的装置被配置为输出n比特元素并且基于至少一个光子的吸收而改变状态，其中n是大于0的整数。该设备进一步包括被布置在光接收表面上的光学过滤器结构，所述光学过滤器结构由每个具有相关联的通带频谱特性的用于过滤的装置的阵列组成。从所述亚衍射极限尺寸的用于接收光的装置的阵列获得的数据元素由从在具有至少两种不同的通带频谱特性的(例如至少两个)用于过滤的装置之下的多个用于接收光的装置输出的多个所述n比特元素的组合组成。具有至少两种不同的通带频谱特性的用于过滤装置组成梯度过滤器，其中在从所述梯度过滤器的中央区向所述梯度过滤器的边缘区移动时，带通区增加。
存在可以通过使用本发明的示例实施例实现的多个技术效果。例如，如同颜色精确度可以改进那样，光学传感器灵敏度可以增强。进一步地，这些示例实施例的使用使得能够实现频谱成像。进一步地，这些示例实施例的使用在滤色器材料和频谱属性的选择中提供额外的自由度。进一步地，这些示例实施例的使用使得单个滤色器(过滤器像素6A)能够覆盖若干受体2。另外，可以避免随着颜色插值而出现的颜色伪像。进一步地，这些示例实施例的使用提供增强的动态范围。进一步地，这些示例实施例的使用可以减少颜色串扰。更进一步地，这些示例实施例的使用使得能够通过从不同量的受体2创建数据元素来实现分辨率与颜色保真度和灵敏度之间的动态优化。另外，这些示例实施例的使用提供减少渐晕的可能性。
一般地，可以以硬件或专用电路、软件、逻辑或其任何组合来实施多种示例实施例。例如，可以以硬件实施一些方面，而可以以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件来实施其他方面，但本发明的示例实施例不限于此。虽然可以作为框图、示意图或使用一些其他图画表示来图示和描述本发明的示例实施例的多个方面，但将很好地理解这里所描述的这些块、装置、***、技术或方法可以(作为非限制例子)至少部分作为硬件、软件、固件、特殊用途电路或逻辑、一般用途硬件或控制器或其他计算设备或其组合来实施。
从而应当理解，本发明的示例实施例的至少一些方面可以在诸如集成电路芯片和模块之类的多种组件中实践，并且本发明的示例实施例可以在被体现为集成电路的装置中实现。集成电路或电路可以包括用于体现可配置以根据本发明的示例实施例操作的至少一个或多个数据处理器、数字信号处理器、基带电路和射频电路的电路(以及可能的固件)。
当与附图结合阅读以上描述时，鉴于以上描述，对本发明的以上示例实施例的修改和改造对于相关领域技术人员可以变得明显。然而，任何和全部修改将仍落入本发明的非限制和示例实施例的范围内。
进一步地，作为例子，虽然以上在图6中在诸如UE 10的无线通信设备的上下文中在图6描述了示例实施例，但应当理解，本发明的示例实施例不限于仅仅与这一个特定类型的无线通信设备一同使用，并且它们可以在可以具有或可以不具有无线通信能力的其他类型的设备(包括作为非限制例子的数字相机、PDA、计算机和游戏设备)中有利地使用。
进一步地，作为例子，单独受体2不一定是基于晶体管/二极管的，而是可以使用其他类型的设备(包括量子点和其他纳米结构设备)来构造。
进一步地，作为例子，应当意识到以上对于受体沿多个轴的数目给出的多个值是示例性的，并且不应被理解为是限制性的。
进一步地，作为例子，应当意识到以上讨论的多种类型的过滤器和过滤器的组合是示例性的，并且不应被理解为是限制性的。
进一步地，作为例子，本发明的示例实施例不应被理解为限于以上所提及的任何特定材料、材料的组合、制备工艺、波长和/或尺寸。
应当理解，术语“连接”、“耦合”或其任何变形意为两个或更多元件之间的直接或间接的任何连接或耦合，并且可以包括被“连接”或“耦合”在一起的两个元件之间的一个或多个中间元件的存在。元件之间的耦合或连接可以是物理的、逻辑的、或其组合。如这里所使用的，作为若干非限制和非穷尽例子，通过使用一个或多个线、线缆和/或印刷电路连接、以及通过使用电磁能量(诸如具有射频区、微波区以及光学(可见和不可见两者)区中的波长的电磁能量)，两个元件可以被视作“连接”或“耦合”在一起。
进一步地，可以无需其他特征的对应使用而有利地使用本发明的多种非限制和示例实施例的一些特征。这样，以上描述应当被视作仅仅例示本发明的原理、教导和示例实施例，并且不对其进行限制。

Claims (31)

1.一种用于滤色的装置，其包括：
在衬底中形成的具有光接收表面的亚衍射极限尺寸光受体的阵列，每个亚衍射极限尺寸光受体被配置为输出n比特元素并且基于至少一个光子的吸收而改变状态，其中n是大于0的整数，并且其中每个所述亚衍射极限尺寸光受体小于550纳米Airy斑直径；以及
被布置在所述光接收表面上的光学过滤器结构，所述光学过滤器结构由每个过滤器像素具有相关联的通带频谱特性的过滤器像素的阵列组成，其中从所述亚衍射极限尺寸光受体的阵列获得的数据元素由从在具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素之下的多个亚衍射极限尺寸光受体输出的多个所述n比特元素的组合组成，其中所述具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素组成梯度过滤器，其中在从所述梯度过滤器的中央区向所述梯度过滤器的边缘区移动时，带通区增加。
2.如权利要求1所述的装置，其中从包括带通、带阻、高通和低通的通带频谱特性的集合选择通带频谱特性。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述过滤器像素中的至少一些是不具有特定颜色指示的透明像素。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述过滤器像素中的至少一些是中性密度像素。
5.如权利要求1所述的装置，其中单个过滤器像素覆盖单个亚衍射极限尺寸光受体。
6.如权利要求1所述的装置，其中单个过滤器像素覆盖多个亚衍射极限尺寸光受体。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述梯度过滤器的梯度具有牛眼形状，使得中央区具有比所述梯度过滤器的所有边缘区更窄的带通区。
8.如权利要求1所述的装置，其中接近所述光学过滤器结构的中心布置的过滤器像素具有与布置在所述光学过滤器结构的周边的过滤器像素不同的通带频谱特性以减少图像渐晕。
9.如权利要求1所述的装置，其中在第一读出时段期间，从所述亚衍射极限尺寸光受体的阵列获得的第一数据元素由从第一多个亚衍射极限尺寸光受体输出的第一多个多比特元素的组合组成，并且其中在第二读出时段期间，从所述亚衍射极限尺寸光受体的阵列获得的第二数据元素由从第二多个亚衍射极限尺寸光受体输出的第二多个多比特元素的组合组成，其中所述第二多个亚衍射极限尺寸光受体中的至少一个与所述第一多个亚衍射极限尺寸光受体不同。
10.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其被体现为设备内的图像传感器的部分。
11.一种用于滤色的方法，其包括：
对亚衍射极限尺寸光受体的阵列的光接收表面进行照明，每个亚衍射极限尺寸光受体被配置为输出n比特元素并且基于至少一个光子的吸收而改变状态，其中n是大于0的整数，其中照明通过布置在所述光接收表面上的光学过滤器结构而发生，所述光学过滤器结构由每个过滤器像素具有相关联的通带频谱特性的过滤器像素的阵列组成，并且其中每个所述亚衍射极限尺寸光受体小于550纳米Airy斑直径；以及
在曝光时段的结尾，读出n比特元素并且形成数据元素，所述数据元素由从在具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素之下的多个亚衍射极限尺寸光受体输出的多个n比特元素的组合组成，其中所述具有至少两种不同的通带频谱特性的过滤器像素组成梯度过滤器，其中在从所述梯度过滤器的中央区向所述梯度过滤器的边缘区移动时，带通区增加。
12.如权利要求11所述的方法，其中从包括带通、带阻、高通和低通的通带频谱特性的集合选择通带频谱特性。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述过滤器像素中的至少一些是不具有特定颜色指示的透明像素。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述过滤器像素中的至少一些是中性密度像素。
15.如权利要求11所述的方法，其中单个过滤器像素覆盖单个亚衍射极限尺寸光受体。
16.如权利要求11所述的方法，其中单个过滤器像素覆盖多个亚衍射极限尺寸光受体。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述梯度过滤器的梯度具有牛眼形状，使得中央区具有比所述梯度过滤器的所有边缘区更窄的带通区。
18.如权利要求11所述的方法，其中接近所述光学过滤器结构的中心布置的过滤器像素具有与布置在所述光学过滤器结构的周边的过滤器像素不同的通带频谱特性以减少图像渐晕。
19.如权利要求11所述的方法，其中在第一读出时段期间，从所述亚衍射极限尺寸光受体的阵列获得的第一数据元素由从第一多个亚衍射极限尺寸光受体输出的第一多个多比特元素的组合组成，并且其中在第二读出时段期间，从所述亚衍射极限尺寸光受体的阵列获得的第二数据元素由从第二多个亚衍射极限尺寸光受体输出的第二多个多比特元素的组合组成，其中所述第二多个亚衍射极限尺寸光受体中的至少一个与所述第一多个亚衍射极限尺寸光受体不同。
20.如权利要求11-19中的任一项所述的方法，其在设备内的图像传感器的操作期间执行。
21.一种用于滤色的设备，其包括：
具有光接收表面的、亚衍射极限尺寸的、用于接收光的装置的阵列，每个用于接收光的装置被配置为输出n比特元素并且基于至少一个光子的吸收而改变状态，其中n是大于0的整数，并且其中每个所述亚衍射极限尺寸的用于接收光的装置小于550纳米Airy斑直径；以及
被布置在所述光接收表面上的光学过滤器结构，所述光学过滤器结构由每个具有相关联的通带频谱特性的用于过滤的装置的阵列组成，其中从所述亚衍射极限尺寸的用于接收光的装置的阵列获得的数据元素由从在具有至少两种不同的通带频谱特性的至少两个用于过滤的装置之下的多个用于接收光的装置输出的多个所述n比特元素的组合组成，其中所述具有至少两种不同的通带频谱特性的至少两个用于过滤的装置组成梯度过滤器，其中在从所述梯度过滤器的中央区向所述梯度过滤器的边缘区移动时，带通区增加。
22.如权利要求21所述的设备，其中从包括带通、带阻、高通和低通的通带频谱特性的集合选择通带频谱特性。
23.如权利要求21所述的设备，其中所述用于过滤的装置中的至少一些是不具有特定颜色指示的透明像素。
24.如权利要求21所述的设备，其中所述用于过滤的装置中的至少一些是中性密度像素。
25.如权利要求21所述的设备，其中单个用于过滤的装置覆盖单个用于接收光的装置。
26.如权利要求21所述的设备，其中单个用于过滤的装置覆盖多个用于接收光的装置。
27.如权利要求21所述的设备，其中所述梯度过滤器的梯度具有牛眼形状，使得中央区具有比所述梯度过滤器的所有边缘区更窄的带通区。
28.如权利要求21所述的设备，其中接近所述光学过滤器结构的中心布置的用于过滤的装置具有与布置在所述光学过滤器结构的周边的用于过滤的装置不同的通带频谱特性以减少图像渐晕。
29.如权利要求21所述的设备，其中在第一读出时段期间，从所述亚衍射极限尺寸的用于接收光的装置的阵列获得的第一数据元素由从第一多个用于接收光的装置输出的第一多个多比特元素的组合组成，并且其中在第二读出时段期间，从所述亚衍射极限尺寸的用于接收光的装置的阵列获得的第二数据元素由从第二多个用于接收光的装置输出的第二多个多比特元素的组合组成，其中所述第二多个用于接收光的装置中的至少一个与所述第一多个用于接收光的装置不同。
30.如权利要求21所述的设备，其被体现为设备内的图像传感器的部分。
31.如权利要求21-30中的任一项所述的设备，其中所述亚衍射极限尺寸的用于接收光的装置的阵列包括亚衍射极限尺寸光受体的阵列，并且其中所述用于过滤的装置的阵列包括过滤器像素的阵列。
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