CN107359174B - 多光谱摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多光谱摄像装置，包括像素阵列，所述像素阵列包括周期性重复排列的多个像素，每个所述像素至少包括一个第一子像素和一个第二子像素，各子像素至少包括：红外光电变换层，用于光电地转换近红外光；可见光电变换层，用于光电地转换可见光；彩色滤光片层，用于根据光谱范围选择性地通过光线；所述可见光电变换层位于所述红外光电变换层和所述彩色滤光片层之间；其中，所述第一子像素的红外光电变换层的变换效率大于所述第二子像素的红外光电变换层的变换效率，且所述第一子像素的彩色滤光片层的红外光透过率大于所述第二子像素的彩色滤光片层的红外光透过率。本发明提供的多光谱摄像装置实现了宽动态范围的多光谱摄像。

Description

多光谱摄像装置
技术领域
本发明涉及医疗辅助设备领域，尤其涉及一种多光谱摄像装置。
背景技术
人体内部的结构和组织是人眼无法直接看到的。仅仅依靠人体的外部轮廓和人体解剖知识是难以精确地找到和定位皮下的内部结构和组织的。
人体血管隐藏在表皮下面，往往被皮下脂肪，甚至骨骼所遮挡，在可见光的环境下图像信号及其微弱，甚至完全不为人眼可见。虽然在穿刺之前，医生往往会要求患者攥紧拳头或用拍打穿刺部位皮肤的方式让血管更加可见，但是根据患者的年龄，皮下脂肪的厚薄等因素，皮下血管的可视性依然不理想。根据隐约可见的血管图像和医学知识，对血管所做的穿刺往往错位，导致病患者的痛苦，延误治疗时机，甚至造成注射事故。除了直接对血管所做的抽血和注射以外，针灸和其他医疗手术等操作，都需要准确地知道血管的位置，以便在操作时能避开血管或者对血管做特别处理。
目前尝试解决此一难题的技术方法为使用近红外摄像技术。这种红外血管图像增强技术主要利用了血管中血红蛋白对波长从760nm到1000nm的近红外光的吸收率与周围其他人体组织不同的原理，首先将摄取血管的近红外图像，然后对图像的对比度做强化后，通过一台可见光投影仪将皮下血管投影显示在皮肤表面。这样医生或护士就能够识别患者皮下血管的位置并实时操作。
然而由于皮下血管被皮下脂肪和肌肉组织所包围，它们对于近红外光有明显的散射作用。人体的皮下组织的色素和脂肪，皮肤表面的褶皱，瘢痕和毛发都会对入射的红外线有吸收和散射作用。它们严重模糊了这种投影式血管显像仪获得的血管图像。这种技术上的先天缺陷在成像直径较小的微细血管时表现的尤其严重。这是因为血管越细小，单位长度的血管内的血液容量就越少，所含有的有氧血红蛋白和无氧血红蛋白的数量就越少，从而它们对近红外光线的吸收就越少。在同等的杂散光背景下，血管和周围组织的对比度就很微弱，通常在0.01～0.1。为了获得比背景噪声和探测***本身的电子噪声更高的信号强度，提高红外照明的强度是一个通用的方法，但是这样会带来更加强烈的背景散射红外光线，可能很快就使得图像探测器件饱和而无法正常探测信号或者脱离线性响应区域。提高探测单元对于红外光的灵敏度可以抑制***噪声从而提高信噪比，但是提高探测单元的灵敏度也会导致探测单元的存储容量更快达到饱和而无法继续探测信号或者脱离了线性响应区域。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供多光谱摄像装置，实现了宽动态范围的多光谱摄像。
根据本发明的一个方面，提供一种多光谱摄像装置，包括像素阵列，所述像素阵列包括周期性重复排列的多个像素，每个所述像素至少包括一个第一子像素和一个第二子像素，各子像素至少包括：红外光电变换层，用于光电地转换近红外光；可见光电变换层，用于光电地转换可见光；彩色滤光片层，用于根据光谱范围选择性地通过光线；所述可见光电变换层位于所述红外光电变换层和所述彩色滤光片层之间；其中，所述第一子像素的红外光电变换层的变换效率大于所述第二子像素的红外光电变换层的变换效率，且所述第一子像素的彩色滤光片层的红外光透过率大于所述第二子像素的彩色滤光片层的红外光透过率。
可选地，沿着入射光线的入射方向上，各所述子像素中的所述彩色滤光片层完全覆盖所述可见光电变换层，所述可见光电变换层完全覆盖所述红外光电变换层。
可选地，所述红外光电变换层包括由第一光电二极管组成红外图像探测阵列，所述可见光电变换层包括由第二光电二极管组成可见光图像探测阵列，其中，沿着入射光线的入射方向，所述第一光电二极管为PN型光电二极管，所述第二光电二极管为PIN型光电二极管。
可选地，所述红外光电变换层包括半导体衬底上的电子或者空穴耗尽层，其中所述电子或空穴耗尽层由半导体衬底的耗尽层所组成；或者所述电子或空穴耗尽层由所述半导体衬底上制作的另外一层或两层掺杂层被完全或部分耗尽后形成的耗尽层所组成。
可选地，所述第一子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度大于所述第二子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度。
可选地，所述第一子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度为5um至100um；所述第二子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度为1um至10um。
可选地，所述第一子像素的彩色滤光片层包括透过红色光线的滤光片。
可选地，所述多光谱摄像装置还包括：第一薄膜，位于相邻滤光片之间以遮挡入射光线，所述第一薄膜的宽度大于等于相邻子像素的可见光电变换层的可见光变换区域之间的间隙。
可选地，至少一个所述子像素包括导电或者非导电的层间减光膜，位于所述可见光电变换层和所述红外光电变换层之间，部分阻挡、部分吸收或者选择性地过滤掉部分波段的入射到所述红外光电变换层的近红外光线。可选地，所述层间减光膜为连接到固定或可控电位的导电薄膜，所述层间减光膜与所述红外光电变换层或者所述可见光电变换层形成附加电容；或者所述层间减光膜同时与所述红外光电变换层和所述可见光电变换层形成附加电容。
可选地，所述层间膜具有至少一个通孔。
可选地，所述层间减光膜位于所述第二子像素的可见光电变换层和红外光电变换层之间，所述第一子像素不包含所述层间减光膜。
可选地，至少一个所述子像素包括层间红外增透膜，位于所述可见光电变换层和所述红外光电变换层之间，通过干涉的方式提高近红外光线从可见光电变换层传输到红外光电变换层的透过率。
可选地，所述层间红外增透膜放置在第一子像素的可见光电变换层和红外光电变换层之间，所述第二子像素不包含所述层间红外增透膜。
可选地，所述层间红外增透膜的厚度是近红外线波长的四分之一，从180nm到280nm。
可选地，包括：多条输出信号线和多条栅极线，所述输出信号线和所述栅极线交叉形成的区域限定所述子像素，各所述子像素至少包括：第一开关晶体管，读出或清除可见光电变换层的可见光变换电荷，所述第一开关晶体管的源漏极分别连接到所述可见光变换层和所述输出信号线，所述第一开关晶体管的栅极连接到所述栅极线；第二开关晶体管，读出或清除红外光电变换层的红外光电变换电荷，所述第二开关晶体管的源漏极分别连接到红外光电变换层和所述输出信号线，所述第二开关晶体管的栅极连接到所述栅极线。
可选地，所述像素还包括第三子像素，所述第三子像素至少包括：红外光电变换层，用于光电地转换近红外光；可见光电变换层，用于光电地转换可见光；彩色滤光片层，用于根据光谱范围选择性地通过入射光线，所述可见光电变换层位于所述红外光电变换层和所述彩色滤光片层之间；其中，对于各所述第一子像素、第二子像素及第三子像素，彩色滤光片层的红外光透过率越大，该彩色滤光片层对应的红外光电变换层的变换效率越高。
可选地，所述多光谱摄像装置的各子像素内的红外光电变换层的变换效率的差异是通过改变红外光电二极管的吸收深度的方式，或者使用层间减光膜的方式，或者使用层间红外增透膜的方式，或者将所述三种方式的其中两种或三种的组合来达到的。
根据本发明的又一方面，还提供一种多光谱摄像装置，包括像素阵列，所述像素阵列包括周期性重复排列的多个像素，各像素至少包括两个子像素，各所述子像素至少包括：红外光电变换层，用于光电地转换近红外光；可见光电变换层，用于光电地转换可见光；彩色滤光片层，用于根据光谱范围选择性地通过入射光线，所述可见光电变换层位于所述红外光电变换层和所述彩色滤光片层之间；其中，各所述像素中，至少一个所述子像素还包括：层间透明导电薄膜，位于所述可见光电变换层和所述红外光电变换层之间对所述可见光电变换层和所述红外光电变换层做静电隔离并适当增加他们的电荷存储电容，所述层间透明导电薄膜连接到内部或外部的可控电位上，并有着超过50％的近红外光的透过率。
可选地，各所述像素中，至少两个所述子像素包括所述层间透明导电薄膜，且至少两个所述子像素的层间透明导电薄膜分别连接到不同的内部或外部可控电位上。
可选地，所述层间透明导电薄膜可以包括ITO、SnO2或者ZnO2等金属氧化物，或者具有一定导电性能和透过近红外线的多晶硅或微晶硅薄膜。
可选地，多条输出信号线和多条栅极线，所述输出信号线和所述栅极线交叉形成的区域限定所述子像素，各所述子像素至少包括：第一开关晶体管，读出或清除可见光电变换层的可见光变换电荷，所述第一开关晶体管的源漏极分别连接到所述可见光变换层和所述输出信号线，所述第一开关晶体管的栅极连接到所述栅极线；第二开关晶体管，读出或清除红外光电变换层的红外光电变换电荷，所述第二开关晶体管的源漏极分别连接到红外光电变换层和所述输出信号线，所述第二开关晶体管的栅极连接到所述栅极线。
可选地，所述各子像素还包括：将光生电荷变换成信号电压并输出的放大晶体管，所述放大晶体管的栅极连接到可见光变换层或者红外光变换层；选择输出所述放大晶体管的信号电压或者信号电流的选择开关晶体管，所述选择开关晶体管的源漏极分别连接到所述放大晶体管的源极及外部信号采集和处理电路。
可选地，每个所述像素至少包括一个第一子像素和一个第二子像素，所述第一子像素的红外光电变换层的变换效率大于所述第二子像素的红外光电变换层的变换效率，且所述第一子像素的彩色滤光片层的红外光透过率大于所述第二子像素的彩色滤光片层的红外光透过率。
可选地，所述红外光电变换层包括半导体衬底上的电子或者空穴耗尽层，其中，所述第一子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度大于所述第二子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度。
可选地，至少一个所述第一子像素包括所述层间透明导电薄膜；至少一个所述第二子像素包括：层间减光膜，位于所述可见光电变换层和所述红外光电变换层之间，以阻挡部分入射到所述红外光电变换层的近红外光线。
可选地，对于各所述子像素，其彩色滤光片层的红外光透过率越大，该彩色滤光片层对应的红外光电变换层的变换效率越高。
有鉴于此，本发明的多光谱摄像装置通过提供了彩色滤光片的排布方式和具有不同探测灵敏度的红外像素矩阵的数种组合，能够拓宽红外图像的探测动态范围和对微弱信号的探测灵敏度，并能提高多光谱摄像装置的线性响应度。结合多光谱摄像装置的摄像***可对于不同波段的红外图像分别采集和处理，可以去除红外杂散光的背景噪声，并得出被摄物体不同深度或断面的红外图像。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明第一实施例的一种多光谱摄像装置的截面图；
图2示出本发明RGB彩色滤光片的透过光谱；
图3示出不同光电二极管的可见光和近红外光的吸收系数以及穿透深度；
图4示出波长及对应光子能量的对应关系；
图5示出第一子像素和第二子像素宽动态范围摄像的基本原理；
图6为本发明第二实施例的一种多光谱摄像装置的截面图；
图7为本发明第三实施例的一种多光谱摄像装置的截面图；
图8为本发明第四实施例的一种多光谱摄像装置的截面图；
图9为本发明第五实施例的一种多光谱摄像装置的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。
为了解决现有技术的缺陷，本发明提供一种多光谱摄像装置，包括像素阵列，所述像素阵列包括周期性重复排列的多个像素，每个所述像素至少包括一个第一子像素和一个第二子像素，各子像素至少包括：红外光电变换层，用于光电地转换近红外光；可见光电变换层，用于光电地转换可见光；彩色滤光片层，用于根据光谱范围选择性地通过入射光线，所述可见光电变换层位于所述红外光电变换层和所述彩色滤光片层之间；其中，所述第一子像素的红外光电变换层的变换效率大于所述第二子像素的红外光电变换层的变换效率，且所述第一子像素的彩色滤光片层的红外光透过率大于所述第二子像素的彩色滤光片层的红外光透过率。
下面结合各个附图说明本发明提供的各个实施例。
首先参见图1，图1示出本发明第一实施例的一种多光谱摄像装置的截面图。多光谱摄像装置包括由周期性重复排列的多个像素组成的像素阵列。每个像素至少包括一个第一子像素110和一个第二子像素120。为了清楚起见，图1仅示出一个第一子像素110和一个第二子像素120。各子像素(第一子像素110和第二子像素120)包括红外光电变换层、可见光电变换层及彩色滤光片层。可见光电变换层位于红外光电变换层和彩色滤光片层之间。红外光电变换层包括由第一光电二极管组成红外图像探测阵列，并光电地转换近红外光(可选地，此处所述的近红外光的波长为760nm-1000nm)。可见光电变换层包括由第二光电二极管组成可见光图像探测阵列，并光电地转换可见光。
第一光电二极管(以第一子像素110的第一光电二极管为例)包括半导体衬底及形成于半导体衬底中的电子或空穴耗尽层111。电子或空穴耗尽层111可以由半导体衬底的耗尽层所组成或者电子或空穴耗尽层111可以由所述半导体衬底上制作的另外一层或两层掺杂层被完全或部分耗尽后形成的耗尽层所组成。第一光电二极管还包括用于电荷传输的重掺杂扩散层112。
第二光电二极管(以第一子像素110的第二光电二极管为例)包括依次位于一绝缘层上的第一透明导电薄膜119、第一掺杂层120、非掺杂非晶硅层121、第二掺杂层122及第二透明导电薄膜123。
第一透明导电薄膜119是第二光电二极管的下部透明导电膜电极，该透明电极的材料可以是ITO，SnO2等。第一掺杂层120和第二掺杂层122可以分别是第二光电二极管的下部和顶部的重掺杂层。若第一掺杂层119为N+型掺杂，则第二掺杂层122为P+型掺杂；若第一掺杂层119为P+型掺杂，则第二掺杂层122为N+型掺杂。对于N+型掺杂的第一掺杂层119或第二掺杂层122，其在一些具体实施例中，可采用等离子体增强化学的气相沉积法以甲硅烷(SiH4)为主的成膜气体中加入一定百分比的磷化氢(PH3)。对于P+型掺杂的第一掺杂层119或第二掺杂层122，其在一些具体实施例中，则类似地，在成膜气体中加入一定百分比的乙硼烷(B2H6)气体。非掺杂非晶硅层121，其在一些实施例中可以是氢化非晶硅。由于本征的氢化非晶硅略微呈现N型导电，可加入微量的乙硼烷(B2H6)降低第二光电二极管的暗电流。第二透明导电薄膜123为第二光电二极管的顶部透明电极，其材料可以是ITO，或者SnO2，或者其他可以高度透过可见光和红外光线的导电材料。在一个优选实施例中，沿着光线入射方向，第一光电二极管为PN型光电二极管，第二光电二极管为PIN型光电二极管。第一光电二极管和第二光电二极管的其他组合也在本发明的保护范围之内。
如图1所示，各子像素还包括开关晶体管。开关晶体管位于第一光电二极管和第二光电二极管之间。开关晶体管(以第二子像素120的开关晶体管为例)的源、漏极215分别与第二光电二极管的第一透明导电薄膜及输出信号线电连接。如图1所示，开关晶体管的半导体层位于第一光电二极管的衬底内，开关晶体管的源、漏极215位于一绝缘层218和第二光电二极管之间并穿过另一绝缘层213电连接至半导体层。开关晶体管的栅极214位于源、漏极215和半导体层之间。开关晶体管的源、漏极215由同一种金属制成，例如可以是铬Cr，钼Mo，铝Al，铜Cu或者是它们的合金。开关晶体管的栅极214，其材料可以是多晶硅或者金属，比如上述的数种金属中的一种或者是其合金。开关晶体管可以是第二光电二极管的开关晶体管。图1仅仅示出开关晶体管的一种结构，本领域技术人员还可以实现更多的变化结构，这些变化结构都在本发明的保护范围之内，在此不予赘述。
各子像素中的彩色滤光片层完全覆盖可见光电变换层，可见光电变换层完全覆盖红外光电变换层。由此，可见光128及228可分别穿过彩色滤光片层到达第二光电二极管，以在第二光电二极管的光电转换区域光电地转换可见光。近红外光129及229可分别穿过彩色滤光片层及第二光电二极管到达第一光电二极管，以在第一光电二极管的光电转换区域光电地转换近红外光。
进一步地，彩色滤光片层包括多个滤光片(例如滤光片126和滤光片226)，每个子像素可对应一个滤光片。相邻滤光片之间还设置第一薄膜125，第一薄膜125的宽度大于等于相邻子像素的可见光电变换层的可见光变换区域之间的间隙以遮挡相邻子像素的可见光电变换层之间的入射光线。
第一子像素110的红外光电变换层的变换效率大于第二子像素210的红外光电变换层的变换效率，且第一子像素110的彩色滤光片层的红外光透过率大于第二子像素120的彩色滤光片层的红外光透过率。具体而言，各子像素的彩色滤光片层可以包括一滤光片(例如滤光片126和滤光片226)。第一子像素110的滤光片为RGB三种滤光片中红外透过率较高的一种，而第二子像素120的滤光片为RGB三种滤光片中红外透过率较低的一种。这样就使得第一子像素110比第二子像素120接收更多的近红外线。在半导体衬底中，第一子像素110的第一光电二极管(例如c-Si光电二极管)的有效光生载流子区域，也就是电子或空穴耗尽层111的深度要远大于第二子像素120的电子或空穴耗尽层211的深度。这样就使得第一子像素110比第二子像素120吸收更多的入射红外光，换句话说第一子像素110比起第二子像素120光电转换的效率更高。
具体而言，可以参考图2示出的RGB彩色滤光片的透过光谱。从图2可以看出，一般来说红色滤光片透过更多的近红外光线。因此，在图1的实施例中可选择让红色滤光片作为第一子像素110的滤光片126；而让绿色或者蓝色滤光片作为第二子像素120的滤光片226。
继续参考图3和图4，图3和图4展示了c-Si和氢化非晶硅的可见光和近红外光的吸收系数和穿透深度，其中所谓的穿透深度就是光强在介质中衰减到初始的1/2.7的深度。如图所示，由于c-Si的半导体禁带宽度等于1.2eV，氢化非晶硅半导体的禁带宽度大致在1.6eV～2.0eV，从1.24eV到1.7eV的光子能量范围内，氢化非晶硅的吸收很小，红外光基本可以透过氢化非晶硅而到达c-Si光电二极管的耗尽层。要吸收绝大部分的近红外光线，根据红外线的波长，c-Si光电二极管的耗尽层应该从几个微米到100微米的厚度才可以。尤其是较长波长的红外光线，比如0.9um到1um的光线需要10um到100um才可以。因此，在图1的实施例中，第一子像素110的电子或者空穴耗尽层111的厚度可以为5um至100um；第二子像素120的电子或者空穴耗尽层211的厚度可以为1um至10um。
将红外光电变换层的变换效率及彩色滤光片层的红外光透过率都较高的第一子像素110和红外光电变换层的变换效率及彩色滤光片层的红外光透过率都较低的第二子像素210的输出相互结合，可以拓宽对输入光线做出线性响应的动态范围，其基本原理如图5所示。
在图5中，标识57代表探测器件和***本身的不依赖于入射光强的随机噪声水平(NOISE FLOOR)，标识56代表随入射光强的增加而增加的从被摄物体反射和散射回来的固定背景噪声和随机光量子噪声，噪声56和噪声57的叠加成为探测***的噪声。标识51代表第一子像素110的光电响应曲线，标识52代表第二子像素210的光电响应曲线，所述的两条光电响应曲线的斜率表征了该子像素的光电变换效率或者灵敏度。如前所述，第一子像素110相比第二子像素210，不仅其光电二极管的光电变换的效率更高(由于更加厚的耗尽层)，而且入射到第二子像素210的红外光线要更强(由于更高透过率的彩色滤光片)，如果两个子像素的基本物理结构和驱动电压一样，其饱和信号水平也大致相等，所以第一子像素110要早于第二子像素210达到饱和点，如图5所示，第一个饱和点S1和第二个饱和点S2对应了完全不同的入射光强。根据一般的常识，不妨假定信噪比大于1为有效光电探测范围的起点，那么根据图5，第一子像素110的最小探测光强在N1点，而第二子像素210的最小探测光强在N2点。第一子像素110和第二子像素210的电信号是分别独立输出的，经过***电路或者数模转换后的图像处理过程，可以容易地把二者的光电转换曲线衔接起来，从而得到从N1点到S2的更加宽广的红外光线的有效探测范围，也就是通常所述的图像探测器的动态范围。
下面参见图6，图6为本发明第二实施例的一种多光谱摄像装置的截面图。
第二实施例的结构和第一实施例类似，与第一实施例不同的是，第一子像素110和第二子像素210的电子或空穴耗尽层111及211的厚度大致相当，而第二子像素210的第一光电二极管和第二光电二极管之间设置有层间减光膜216，同时，第一子像素110并未设置层间减光膜216。在本实施例中，层间减光膜216具有通孔。可选地，层间减光膜216可使用与开关晶体管的源、漏极215相同的金属薄膜材料。层间减光膜216阻挡了部分本来可以入射到第二子像素210的第一光电二极管(c-Si光电二极管)的电子或空穴耗尽层211的近红外光，从而降低了第二子像素210的红外灵敏度和提高的多光谱摄像装置的动态范围。而且另外一个好处是，相比第一实施例的两种耗尽层深度的工艺，可以减少对较深耗尽层的一道光刻和一道离子注入的工艺。
在一些实施例中，层间减光膜216可以是一个或者数个相互连接的导电薄膜(金属，导电有机薄膜或导电的金属氧化物)，并可以让它们连接到外部一个固定电位或可控电位，从而构成了对第二子像素210上部的探测可见光的第二光电二极管和第二子像素210下部的探测红外光的第一光电二极管的附加存储电容。这个附加的存储电容会提高光电二极管的电荷与电压的饱和水平，从而进一步增加了多光谱摄像装置的动态范围。
在又一些实施例中，层间减光膜216也可以是一种红外带通滤波片，从而使得进入到第二子像素210的电子或空穴耗尽层211的近红外光的波段区别于入射到第一子像素110的电子或空穴耗尽层111的近红外光的波段。独立输出并得到的所有第一子像素110和所有第二子像素210各自所组成的红外图像，就成为了带有能够区别红外光波段或者“颜色”的图像。这些不同“颜色”的红外图像在医疗领域，实际就是皮下不同深度的断层图像，携带了皮下不同深度的人体组织或血管的重要图像细节。
在有一些变化例中，第一子像素110还包括层间红外增透膜。层间红外增透膜可位于第一子像素110的可见光电变换层的光电二极管和红外光电变换层的光电二极管之间，通过干涉的方式提高近红外光线从可见光电变换层传输到红外光电变换层的透过率。同时，第二子像素210并未设置层间红外增透膜。层间红外增透膜的厚度范围可以近红外波长范围的四分之一，也就是180nm至280nm。层间红外增透膜可采用氟化钙的镀膜材料进行镀膜。
上述第一实施例和第二实施例分别描述了通过改变红外光电二极管的吸收深度的方式、使用层间减光膜的方式或者使用层间红外增透膜来实现各子像素内的红外光电变换层的变换效率的差异。尽管单独描述了各个方式，但上述方式中两种或三种的组合也在本发明的保护范围之内。
下面参考图7，图7为本发明第三实施例的一种多光谱摄像装置的截面图。
第三实施例的结构和第二实施例类似，第一子像素110和第二子像素210的电子或空穴耗尽层111及211的厚度大致相当。与第二实施例不同的是，在第一子像素110和第二子像素210的第一光电二极管和第二光电二极管之间都设置了层间透明导电薄膜117和217。层间透明导电薄膜117和217位于绝缘层218和绝缘层213之间。层间透明导电薄膜117和217可对第一光电二极管和第二光电二极管之间做静电隔离，避免两者之间产生信号串扰或驱动脉冲的噪声干扰。同时，该层间透明导电薄膜117和217也形成了与子像素的第一光电二极管和第二光电二极管之间的附加电容。这个附加电容有效地增加了光电变换层或光电二极管的电荷存储容量，从而提高了多光谱摄像装置的动态范围。层间透明导电薄膜117和217的近红外光的透过率大于50％。层间透明导电薄膜可采用ITO、SnO2，或者具有一定导电性能和透过近红外线的多晶硅或微晶硅薄膜。来制作。另外，为了增加对第一子像素110和第二子像素210的不同控制和差异化，可以将它们的层间透明导电薄膜117和217分别连接到不同的外部控制电位，从而可以对第一光电二极管的电子或空穴耗尽层的深浅以及电荷的存储和读出起到一定的调控作用。将这种分别控制层间透明导电薄膜117和217的方式在一些变化例中可以和前述的不同厚度的电子或空穴耗尽层，不同红外透过率的滤光片，以及层间减光膜层相组合，可以形成满足不同应用目的和工艺要求的宽动态范围的多光谱摄像装置。从版图设计来看，将层间透明导电膜117和217连接到该子像素的信号输出线上，可以减少像素阵列复杂性并提高有效光线利用率。
下面参考图8，图8为本发明第四实施例的一种多光谱摄像装置的截面图。
第四实施例的结构和第三实施例类似。与第三实施例不同的是，第一子像素110电子或空穴耗尽层111的厚度大于第二子像素210的电子或空穴耗尽层211的厚度。
如图8所示，第四实施例于第二子像素210中设置了层间减光膜216，而在第一子像素110内使用了层间透明导电膜117；于第二子像素210中设置了绿色或蓝色滤光片226，而在第一子像素110内设置了红色滤光片126，从而在动态范围和器件的稳定性上有了综合的优化效果。这时，层间减光膜216和层间透明导电膜117可以分别连接到不同的外部电压的控制电极或***，或者层间透明导电膜117连接到外部控制电压，而层间减光膜216则处于电悬浮状态且仅仅起到遮挡部分红外光线的作用。
接下来参见图9，图9为本发明第五实施例的一种多光谱摄像装置的示意图。
每个子像素由一个探测红外光线的第一光电二极管811，一个探测可见光的第二光电二极管821，一个彩色滤光片826，一个控制输出可见光信号的第一开关晶体管833，一个控制输出红外光信号的第二开关晶体管834所组成。第一行的栅极线831控制了第一行的所有开关晶体管的栅极，以便在输出可见光信号的时候打开连接在该行的所有晶体管并输出可见光信号电荷。第二行的栅极线832控制了第二行的所有开关晶体管的栅极，以便在输出红外光信号的时候打开连接在该行的所有开关晶体管并输出红外信号电荷。同一列的可见光信号和红外光信号电荷按照行扫描顺序依次通过同一条垂直输出信号线835被输出到***电路或读出芯片。在所有彩色滤光片的间隙都填满了不透光的黑矩阵薄膜以便遮挡可能泄露到下部的第一光电二极管的半导体衬底811的光线。
在一些具体实施例中，各子像素还包括放大晶体管及选择开关晶体管。放大晶体管用于将可见光或红外光的光生电荷变换成信号电压并输出的放大晶体管，所述放大晶体管的栅极连接到可见光变换层或者红外光变换层。选择开关晶体管用于选择输出所述放大晶体管的信号电压或者信号电流的选择开关晶体管，所述选择开关晶体管的源漏极分别连接到所述放大晶体管的源极及外部信号采集和处理电路。
根据图2，RGB三种彩色滤光片的红外透过率都不相等，因此可以按照其红外透过率的大小，设计和安排层间减光膜和电子或空穴耗尽层的深度，透过率越小的，电子或空穴耗尽层做的越浅，或者层间减光膜面积越大，以便扩大高灵敏度子像素和低灵敏度子像素之间的差异。
此外，上述图1至图9示出的各种实施例仅仅是示意性的，并非意图限制本发明的保护范围。例如子像素的排列、组合，及子像素与数据线和栅极线的连接关系并未以此为限。对于各视图所揭示的具体的半导体器件上的实现途径至少涵盖了四个方面的技术内容：电路和半导体器件构造的设计；制造工艺流程和一定范围的工艺参数；半导体，金属和绝缘膜的材料；实际使用时的驱动方法。这四个方面所揭示的内容和其各种形态的组合与变形，应用到其他实施例中揭示的像素排列方案和基于这些实施例中的像素排列的基本概念所做的其他类似的像素排列方案，也应该被理解为秉承了本发明所揭示的基本概念和在本发明的适用范围之内。具体的例子，但不限于这些具体的例子，包括多晶硅薄膜，微晶硅薄膜，非晶硒光电薄膜，Ⅱ-Ⅳ族的半导体薄膜，Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜，氧化物半导体薄膜，都可以适用于替代本文的a-SiH薄膜作为响应可见光的子像素的光电变换层。对于各个子像素内连接光电二极管PD和输出信号线的开关MOS FET，也可以使用低温或者高温多晶硅TFT(THIN FILM TRANSISTOR，薄膜晶体管)，氧化物半导体IGZOTFT，CdTe薄膜TFT等。
有鉴于此，本发明的多光谱摄像装置通过提供了彩色滤光片的排布方式和具有不同探测灵敏度的红外像素矩阵的数种组合，能够拓宽红外图像的探测动态范围和对微弱信号的探测灵敏度，并能提高多光谱摄像装置的线性响应度。结合多光谱摄像装置的摄像***可对于不同波段的红外图像分别采集和处理，可以去除红外杂散光的背景噪声，并得出被摄物体不同深度或断面的红外图像。
以上对本发明的基本概念和具体的若干实施例进行了描述。这里需要声明的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。本发明也不局限于本发明中为了便于阐明基本概念所描述的医学影像应用，当然也包括其他领域的应用比如工业产品和环境检测，个人身份判定，虚拟空间和增强现实的游戏以及商业行为等。

Claims (21)

1.一种多光谱摄像装置，其特征在于，包括像素阵列，所述像素阵列包括周期性重复排列的多个像素，每个所述像素至少包括一个第一子像素和一个第二子像素，所述第一子像素和第二子像素分别至少包括：
红外光电变换层，用于光电地转换近红外光,所述红外光电变换层包括由第一光电二极管组成红外图像探测阵列；
可见光电变换层，用于光电地转换可见光，所述可见光电变换层包括由第二光电二极管组成可见光图像探测阵列，其中，沿着入射光线的入射方向，所述第一光电二极管为PN型光电二极管，所述第二光电二极管为PIN型光电二极管；
彩色滤光片层，用于根据光谱范围选择性地通过光线，所述可见光电变换层位于所述红外光电变换层和所述彩色滤光片层之间；
其中，所述第一子像素的红外光电变换层的变换效率大于所述第二子像素的红外光电变换层的变换效率，且所述第一子像素的彩色滤光片层的红外光透过率大于所述第二子像素的彩色滤光片层的红外光透过率,沿着入射光线的入射方向上，各所述第一子像素和第二子像素中的所述彩色滤光片层完全覆盖所述可见光电变换层，所述可见光电变换层完全覆盖所述红外光电变换层。
2.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述红外光电变换层包括半导体衬底上的电子或者空穴耗尽层，其中
所述电子或空穴耗尽层由半导体衬底的耗尽层所组成；或者
所述电子或空穴耗尽层由所述半导体衬底上制作的另外一层或两层掺杂层被完全或部分耗尽后形成的耗尽层所组成。
3.如权利要求2所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度大于所述第二子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度。
4.如权利要求3所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度为5um至100um；所述第二子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度为1um至10um。
5.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一子像素的彩色滤光片层包括透过红色光线的滤光片。
6.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述多光谱摄像装置还包括：
第一薄膜，位于相邻滤光片之间以遮挡入射光线，所述第一薄膜的宽度大于等于相邻子像素的可见光电变换层的可见光变换区域之间的间隙。
7.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，至少一个子像素包括：
导电或者非导电的层间减光膜，位于所述可见光电变换层和所述红外光电变换层之间，部分阻挡、部分吸收或者选择性地过滤掉部分波段的入射到所述红外光电变换层的近红外光线。
8.如权利要求7所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述层间减光膜为连接到固定电位或可控电位的导电薄膜，
所述层间减光膜与所述红外光电变换层或者所述红外光电变换层形成附加电容；或者
所述层间减光膜同时与所述红外光电变换层及所述可见光电变换层形成附加电容。
9.如权利要求7或8所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述层间减光膜具有至少一个通孔。
10.如权利要求7或8所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述层间减光膜位于所述第二子像素的可见光电变换层和红外光电变换层之间，且所述第一子像素不包含所述层间减光膜。
11.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，至少一个子像素包括：
层间红外增透膜，位于所述可见光电变换层和所述红外光电变换层之间，通过干涉的方式提高近红外光线从可见光电变换层传输到红外光电变换层的透过率。
12.如权利要求10所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述层间红外增透膜位于所述第一子像素的可见光电变换层和红外光电变换层之间，且所述第二子像素不包含所述层间红外增透膜。
13.如权利要求11所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述层间红外增透膜的厚度范围为180nm至280nm。
14.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，包括：
多条输出信号线和多条栅极线，所述输出信号线和所述栅极线交叉形成的区域限定所述第一子像素和第二子像素，各所述第一子像素和第二子像素至少包括：
第一开关晶体管，读出或清除可见光电变换层的可见光变换电荷，所述第一开关晶体管的源漏极分别连接到所述可见光变换层和所述输出信号线，所述第一开关晶体管的栅极连接到所述栅极线；
第二开关晶体管，读出或清除红外光电变换层的红外光电变换电荷，所述第二开关晶体管的源漏极分别连接到红外光电变换层和所述输出信号线，所述第二开关晶体管的栅极连接到所述栅极线。
15.如权利要求14所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述像素还包括第三子像素，所述第三子像素至少包括：
红外光电变换层，用于光电地转换近红外光；
可见光电变换层，用于光电地转换可见光；
彩色滤光片层，用于根据光谱范围选择性地通过入射光线，所述可见光电变换层位于所述红外光电变换层和所述彩色滤光片层之间；
其中，对于各所述第一子像素、第二子像素及第三子像素，彩色滤光片层的红外光透过率越大，该彩色滤光片层对应的红外光电变换层的变换效率越高。
16.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，通过如下一种或多种方式形成各子像素间的红外光电变换层的变换效率的差异：
改变红外光电变换层的红外光电二极管的吸收深度；
于部分子像素的可见光电变换层和红外光电变换层之间设置层间减光膜；以及
于部分子像素的可见光电变换层和红外光电变换层之间设置层间红外增透膜。
17.一种多光谱摄像装置，其特征在于，包括像素阵列，所述像素阵列包括周期性重复排列的多个像素，各像素至少包括两个子像素，各所述子像素包括：
红外光电变换层，用于光电地转换近红外光；
可见光电变换层，用于光电地转换可见光；
彩色滤光片层，用于根据光谱范围选择性地通过入射光线；
所述可见光电变换层位于所述红外光电变换层和所述彩色滤光片层之间；
其中，各所述像素中，至少一个所述子像素还包括：
层间透明导电薄膜，位于所述可见光电变换层和所述红外光电变换层之间以静电隔离所述可见光电变换层和所述红外光电变换层，并增加所述可见光电变换层和/或所述红外光电变换层的电荷存储的容量，所述层间透明导电薄膜连接到内部或外部可控电位上，所述层间透明导电薄膜的近红外光的透过率大于50％，所述层间透明导电薄膜包括ITO、SnO2、ZnO2或者其他金属氧化物，或者具有导电性能并能透过近红外线的多晶硅或微晶硅薄膜；各所述像素中，至少两个所述子像素包括所述层间透明导电薄膜，且至少两个所述子像素的层间透明导电薄膜分别连接到不同的内部或外部可控电位上。
18.如权利要求17所述的多光谱摄像装置，其特征在于，包括：
多条输出信号线和多条栅极线，所述输出信号线和所述栅极线交叉形成的区域限定所述子像素，各所述子像素至少包括：
第一开关晶体管，读出或清除可见光电变换层的可见光变换电荷，所述第一开关晶体管的源漏极分别连接到所述可见光变换层和所述输出信号线，所述第一开关晶体管的栅极连接到所述栅极线；
第二开关晶体管，读出或清除红外光电变换层的红外光电变换电荷，所述第二开关晶体管的源漏极分别连接到红外光电变换层和所述输出信号线，所述第二开关晶体管的栅极连接到所述栅极线。
19.如权利要求18所述的多光谱摄像装置，其特征在于，各子像素还包括：
将光生电荷变换成信号电压并输出的放大晶体管，所述放大晶体管的栅极连接到可见光变换层或者红外光变换层；
选择输出所述放大晶体管的信号电压或者信号电流的选择开关晶体管，所述选择开关晶体管的源漏极分别连接到所述放大晶体管的源极及外部信号采集和处理电路。
20.如权利要求17至19任一项所述的多光谱摄像装置，其特征在于，每个所述像素至少包括一个第一子像素和一个第二子像素，所述第一子像素的红外光电变换层的变换效率大于所述第二子像素的红外光电变换层的变换效率，且所述第一子像素的彩色滤光片层的红外光透过率大于所述第二子像素的彩色滤光片层的红外光透过率。
21.如权利要求20所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述红外光电变换层包括半导体衬底上的电子或者空穴耗尽层，其中所述第一子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度大于所述第二子像素的所述电子或者空穴耗尽层的厚度。
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