本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，更具體來(lái)說(shuō)，涉及一種例如將紅外泄露減小至可見(jiàn)像素的具有選擇性紅外(SIR，Selective Infrared)濾光片的圖像傳感器。

背景技術(shù)：

圖像傳感器已被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、安全系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和很多其他應(yīng)用中。部分圖像傳感器設(shè)計(jì)用來(lái)捕獲所有的可見(jiàn)光(例如，顏色)和紅外光。例如，圖像傳感器的一部分像素可用于將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為顯示顏色圖像信息的電子信號(hào)并且另一部分像素可用于將紅外光轉(zhuǎn)換為顯示紅外圖像信息的電子信號(hào)。針對(duì)多種用途，不同的像素可進(jìn)行結(jié)合。然而，由于可見(jiàn)像素和紅外像素在圖像傳感器上空間多路復(fù)用，因此，尤其是，在可見(jiàn)像素上會(huì)存有紅外光的強(qiáng)光譜串?dāng)_(spectral crosstalk)。

在一種方法中，影像后處理技術(shù)被用于減少光譜串?dāng)_。例如，可見(jiàn)信號(hào)中的紅外串?dāng)_可被推定然后被提取。理想地，由于來(lái)自紅外光的影響可被除去，因此余下的將僅可顯示來(lái)自可見(jiàn)光的影響。然而，由于這種技術(shù)難以準(zhǔn)確推定紅外串?dāng)_的量，因此存在限制。除此之外，由于可見(jiàn)像素初期捕獲紅外光和可見(jiàn)光的和，因此相比可見(jiàn)像素的全動(dòng)態(tài)范圍較小的范圍可被單獨(dú)用于可見(jiàn)光。其可在其他效果中減少動(dòng)態(tài)范圍和后處理信號(hào)的信噪比(SNR，Signal to Noise Ratio)。

因此，需要一種更好的用于減少光譜串?dāng)_的方法。

本發(fā)明通過(guò)在圖像傳感器中集成選擇性紅外濾光片，可克服現(xiàn)有技術(shù)的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)一個(gè)方面，圖像傳感器包括可見(jiàn)像素和紅外像素?？梢?jiàn)像素在經(jīng)由可見(jiàn)像素接收的可見(jiàn)帶寬內(nèi)生成指示光的信號(hào)，且紅外像素在經(jīng)由紅外像素接收的紅外帶寬內(nèi)生成指示光的信號(hào)。選擇性紅外濾光片集成在圖像傳感器上。選擇性紅外濾光片陣列包括在可見(jiàn)像素中按過(guò)濾傳播的紅外帶寬內(nèi)的光而配置的選擇性紅外像素濾光片。通過(guò)這種方式，可減少可見(jiàn)像素中的紅外串?dāng)_。在一部分實(shí)施例中，選擇性紅外濾光片陣列過(guò)濾650-800mm帶寬的光和/或850+/-50mm帶寬周圍的光。例如，這種材料可從富士膠片電子材料(Fuji Film Electronic Materials)中獲取。

其他方面包括構(gòu)成、設(shè)備、系統(tǒng)、改善、方法、工藝、應(yīng)用、計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)以及與上述中任一個(gè)相關(guān)的其他技術(shù)。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的實(shí)施例當(dāng)參考附圖時(shí)具有從下述詳細(xì)說(shuō)明和附屬權(quán)利要求項(xiàng)中更加明顯的其他優(yōu)點(diǎn)和特征。

圖1A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的利用傳感器組件的共享傳感器成像系統(tǒng)即多光圈的框圖。

圖1B示出用于捕獲圖1A的共享傳感器成像系統(tǒng)中的可見(jiàn)光和紅外光的傳感器組件的濾光片設(shè)計(jì)的一個(gè)示例。

圖2A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的使用選擇性紅外濾光片陣列的共享傳感器成像系統(tǒng)的剖面圖。

圖2B是適用于圖2A的共享傳感器成像系統(tǒng)的傳感器組件的剖面圖。

圖2C示出經(jīng)由圖2A的共享傳感器成像系統(tǒng)的可見(jiàn)像素捕獲的光的光譜響應(yīng)。

圖2D示出經(jīng)由圖2A的共享傳感器成像系統(tǒng)的紅外像素捕獲的光的光譜響應(yīng)。

圖2E是適用于圖2A的共享傳感器成像系統(tǒng)的傳感器組件的框結(jié)構(gòu)的平面圖。

圖3A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的利用較長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外截止(cutoff)濾光片的共享傳感器成像系統(tǒng)的剖面圖。

圖3B示出經(jīng)由圖3A的共享傳感器成像系統(tǒng)的可見(jiàn)像素捕獲的光的光譜響應(yīng)。

圖3C示出經(jīng)由圖3A的共享傳感器成像系統(tǒng)的紅外像素捕獲的光的光譜響應(yīng)。

圖4A至圖4C示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多光圈影像系統(tǒng)的操作。

圖5A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的使用多帶濾光片的共享傳感器成像系統(tǒng)的剖面圖。

圖5B是圖5A的多帶濾光片的一個(gè)實(shí)施例的示圖。

圖5C示出經(jīng)由圖5A的共享傳感器成像系統(tǒng)的可見(jiàn)像素捕獲的光的光譜響應(yīng)。

圖5D示出經(jīng)由圖5A的共享傳感器成像系統(tǒng)的紅外像素捕獲的光的光譜響應(yīng)。

圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的使用多帶濾光片的另一個(gè)共享傳感器成像系統(tǒng)的剖面圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于捕獲可見(jiàn)光和紅外光的影像系統(tǒng)的剖面圖。

附圖示出了僅用于說(shuō)明意圖的多種實(shí)施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地從下述說(shuō)明中認(rèn)識(shí)到在不脫離本發(fā)明思想的前提下在此說(shuō)明的結(jié)構(gòu)和方法的替代實(shí)施例可被利用。

具體實(shí)施方式

附圖和下述說(shuō)明僅是涉及優(yōu)選實(shí)施例的示例。應(yīng)該注意從下述的說(shuō)明中，本說(shuō)明書中說(shuō)明的結(jié)構(gòu)和方法的替代實(shí)施例可被容易地認(rèn)作為在不脫離所要求思想的前提下可被使用的多種替換。

圖1A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的利用傳感器組件的共享傳感器成像系統(tǒng)即多光圈的框圖。圖像系統(tǒng)可是數(shù)碼相機(jī)的部分或集成于移動(dòng)手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、生物傳感器、影像掃描器或其他任何要求圖像捕獲功能的多媒體設(shè)備。圖1A所示的系統(tǒng)包括成像光學(xué)系110(例如，透鏡和/或反射鏡系統(tǒng))、多光圈系統(tǒng)120和圖像傳感器130。成像光學(xué)系110從場(chǎng)景(scene)將對(duì)象物在圖像傳感器130上成像。在圖1A中，對(duì)象物150在焦點(diǎn)上，因此對(duì)應(yīng)圖像160位于圖像傳感器130的平面。如圖4所示，并不是一直如此。位于其他深度的對(duì)象物在圖像傳感器130上將不對(duì)準(zhǔn)焦點(diǎn)。

多光圈系統(tǒng)120包括至少兩個(gè)光圈，如圖1所示光圈122和124。在該示例中，光圈122是限制可見(jiàn)光傳播的光圈，且光圈124限制紅外光傳播。在該示例中，兩個(gè)光圈122和124位于一起但其也可分離。這種多光圈系統(tǒng)120通過(guò)波長(zhǎng)選擇性光學(xué)元件例如波長(zhǎng)濾光片可被實(shí)現(xiàn)。為了方便，用于實(shí)現(xiàn)光圈的波長(zhǎng)濾光片將被稱為光圈濾光片。不同類型的光圈濾光片的示例在下表進(jìn)行說(shuō)明。正如在本發(fā)明中使用的，術(shù)語(yǔ)例如“光”、“光學(xué)系”和“光學(xué)”等并不意味著局限于電磁光譜的可見(jiàn)部分，也可包括成像發(fā)生之包含紅外的電磁光譜的其他部分。

圖像傳感器130全部檢測(cè)與光圈122相對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)圖像和與光圈124相對(duì)應(yīng)的紅外圖像。實(shí)際上，存有共享單一傳感器陣列130的兩個(gè)成像系統(tǒng)：使用光學(xué)系110、光圈120和圖像傳感器130的可見(jiàn)成像系統(tǒng)；以及使用光學(xué)系110、光圈124和圖像傳感器130的紅外成像系統(tǒng)。雖然在該示例中成像光學(xué)系110被兩個(gè)成像系統(tǒng)充分共享，但此并不需要。此外，兩個(gè)成像系統(tǒng)不必是可見(jiàn)且是紅外的。其可是其他光譜組合，例如，紅和綠，或紅外和白(例如，可見(jiàn)但不具有顏色)。

圖像顯示器130受電磁輻射的曝光典型地被快門170和多光圈系統(tǒng)120的光圈控制。當(dāng)快門170打開(kāi)時(shí)，光圈系統(tǒng)控制光量以及曝光圖像傳感器130光的準(zhǔn)直度。快門170可以是機(jī)械快門或者該快門可是集成在圖像傳感器中的電子快門。圖像傳感器130包括形成兩維像素陣列的感光部位(像素)的行與列。圖像傳感器可是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS，Compliment Metal Oxide Semiconductor)有源像素傳感器或電荷耦合元件(CCD，Charge Coupled Device)圖像傳感器?；蛘撸瑘D像傳感器可涉及其他Si(例如，a-Si)、III-V(例如，GaAs)或基于導(dǎo)電高分子的圖像傳感器結(jié)構(gòu)。

當(dāng)光經(jīng)由成像光學(xué)系110投射到圖像傳感器130時(shí)，每個(gè)像素生成一個(gè)電子信號(hào)，該電子信號(hào)指示入射到該像素的電磁輻射(能量)。為了分離投射到圖像傳感器130的成像平面的圖像的不同光譜分量，將光譜濾光片陣列132置于成像光學(xué)系110和圖像傳感器130之間。光譜濾光片陣列132可與圖像傳感器130集成以形成傳感器組件，從而圖像傳感器的每個(gè)像素具有相應(yīng)的像素濾光片。每個(gè)光譜濾光片用于將預(yù)定波長(zhǎng)帶寬的光傳至像素。通常，使用紅、綠和藍(lán)(RGB)濾光片與紅外(I)濾光片的組合。然而，也可以使用其他濾光片方案，例如，CYGMI(青色、黃色、綠色、品紅色、紅外)、RGBEI(紅色、綠色、藍(lán)色、翠綠色、紅外)等?；蛘?，圖像傳感器可具有紅色、綠色和藍(lán)色傳感器元件互相層疊而非依賴于單獨(dú)像素濾光片的層疊設(shè)計(jì)。紅外傳感器元件可是該層疊的一部分用于形成RGBI層疊，或可與RGB層疊分開(kāi)實(shí)現(xiàn)。

曝光的圖像傳感器130的每個(gè)像素生成與透過(guò)和該像素結(jié)合的光譜濾光片陣列132的電磁輻射成比例的電子信號(hào)。像素陣列因此生成表示透過(guò)該光譜濾光片陣列132的電磁能量(輻射)的光譜分布。從像素接收的信號(hào)通過(guò)使用一個(gè)或多個(gè)片上放大器(on-chip amplifier)可被放大。在一個(gè)實(shí)施例中，圖像傳感器的每一個(gè)光譜頻道可使用一個(gè)單獨(dú)的放大器被放大，因此允許針對(duì)不同的波長(zhǎng)帶寬單獨(dú)地控制ISO速度。

進(jìn)一步，像素信號(hào)通過(guò)使用可被集成在圖像傳感器130的芯片上的一個(gè)或多個(gè)模數(shù)(A/D，Analog to Digital)轉(zhuǎn)換器，可被樣本化、量子化且轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)由處理器180例如與圖像傳感器耦合的數(shù)字信號(hào)處理器被處理，其被配置來(lái)執(zhí)行公知的信號(hào)處理功能例如插值、過(guò)濾、白平衡、亮度校正、和/或數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)(例如，MPEG或JPEG格式技術(shù))。

處理器180可包括用于獲取與經(jīng)由多光圈成像系統(tǒng)100捕獲的圖像相結(jié)合的深度信息的信號(hào)處理功能184。信號(hào)處理功能可提供具有包括各種深度的焦點(diǎn)、焦點(diǎn)控制和立體3D圖像瀏覽功能的拓展成像功能的多光圈成像系統(tǒng)100。

處理器180可與額外的計(jì)算資源相耦合，例如額外的處理器、用于存儲(chǔ)捕獲的圖像的存儲(chǔ)內(nèi)存以及用于存儲(chǔ)軟件程序的程序內(nèi)存?？刂破?90也可被用于控制和協(xié)助成像系統(tǒng)100中的構(gòu)成的操作。在此記載的經(jīng)由處理器180執(zhí)行的功能可在處理器180、控制器190和額外的計(jì)算資源中進(jìn)行分配。

圖1B示出用于捕獲圖1A的共享傳感器成像系統(tǒng)中的可見(jiàn)光和紅外光的傳感器組件的濾光片設(shè)計(jì)的一個(gè)示例。在圖1B的設(shè)計(jì)中，傳感器組件內(nèi)的顏色像素接收可見(jiàn)帶寬I內(nèi)的光，其波長(zhǎng)最長(zhǎng)為約650nm。傳感器組件具有額外的顏色像素濾光片(例如，R，G，B顏色像素濾光片)，其未顯示在圖1B中，且將可見(jiàn)帶寬I細(xì)分為單個(gè)顏色要素。傳感器組件內(nèi)紅外像素接收紅外帶寬II么的光，在本示例中，其波長(zhǎng)范圍大約是800-900nm。在本示例中，可見(jiàn)帶寬I和紅外帶寬II通過(guò)大約650-800nm的緩沖帶寬而被分開(kāi)。

圖1B示出多帶寬濾光片138、可見(jiàn)濾光片陣列132C和紅外濾光片陣列1321的理想光譜響應(yīng)。多帶寬濾光片138顯示根據(jù)傳感器組件的外部構(gòu)成要素的波長(zhǎng)過(guò)濾的凈效應(yīng)(net effect)。例如，其可作為如圖所示具有連個(gè)通頻帶的單一波長(zhǎng)濾光片而實(shí)現(xiàn)?；蛘?，其可作為多個(gè)構(gòu)成元素而實(shí)現(xiàn)，例如，切斷長(zhǎng)于900納米波長(zhǎng)的一個(gè)波長(zhǎng)濾光片加上切斷650-800納米之間帶寬的第二波長(zhǎng)濾光片?？梢?jiàn)帶寬I和紅外帶寬II全部通過(guò)多帶寬濾光片138。

然而，傳感器組件的可見(jiàn)像素應(yīng)僅檢測(cè)可見(jiàn)光而不是紅外光。顏色濾光片陣列132C過(guò)濾向可見(jiàn)像素傳播的紅外光。在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，可不是單一形態(tài)的可見(jiàn)像素濾光片。相反，可使多種形態(tài)的顏色像素濾光片(例如，R、G、B像素濾光片)從而圖1B所示的光譜響應(yīng)132C意味著代表這些不同形態(tài)的聚合響應(yīng)。類似地，傳感器組件的紅外像素應(yīng)僅檢測(cè)紅外光而不是可見(jiàn)光。紅外濾光片陣列132I過(guò)濾向紅外像素傳播的可見(jiàn)光。

需要注意可見(jiàn)帶寬I根據(jù)多帶寬濾光片138和顏色濾光片陣列132C的聚合效應(yīng)而被決定。在圖1B中，針對(duì)多帶寬濾光片138的650納米的截止波長(zhǎng)由于短于顏色濾光片陣列132C，因此多帶寬濾光片138針對(duì)可見(jiàn)帶寬I決定長(zhǎng)波長(zhǎng)界限。實(shí)際上，關(guān)于顏色濾光片陣列132C的截止波長(zhǎng)可在650-800納米之間的任意處發(fā)生，只要顏色濾光片陣列132C仍過(guò)濾IR帶寬II?；蛘?，顏色濾光片陣列132C可具有較短的截止波長(zhǎng)，或兩個(gè)濾光片協(xié)力運(yùn)作以來(lái)決定有效的截止波長(zhǎng)。除此之外，顏色濾光片陣列132C也能透過(guò)紅外波長(zhǎng)只要其長(zhǎng)于900納米，其原因在于多帶寬濾光片138過(guò)濾這些較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。類似的備注(remarks)針對(duì)IR帶寬II也適用于多帶寬濾光片138和IR濾光片陣列132I。

從下述的實(shí)施例可得知，不需要圖1B中示出的特定波長(zhǎng)?？梢?jiàn)帶寬I和紅外帶寬II相比所示的可占據(jù)不同的波長(zhǎng)帶寬。在部分設(shè)計(jì)中，可見(jiàn)帶寬I和紅外帶寬II可連續(xù)或重復(fù)。由于大部分的波長(zhǎng)構(gòu)成要素不具有圖1B所示的理想性能，因此可期待帶寬之間的混合。

在圖1A中，顏色濾光片陣列132C和紅外濾光片陣列132I是光譜濾光片陣列132的一部分。圖1A也提供了多光圈系統(tǒng)120以定義用于兩個(gè)帶寬I和II的不同大小的光圈。在該示例中，顏色帶寬I從較大的光圈122中提供圖像且紅外帶寬II從較小光圈124中提供圖像。因此，多光圈系統(tǒng)120可被實(shí)現(xiàn)為針對(duì)較小光圈124外部的區(qū)域切斷紅外帶寬II的波長(zhǎng)元件。兩個(gè)圖像進(jìn)行比較以推定深度信息。

圖2A至圖2E根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出使用選擇性紅外濾光片陣列260的共享傳感器成像系統(tǒng)200。圖2A是共享傳感器成像系統(tǒng)200的剖面圖。該系統(tǒng)包括成像光學(xué)系110、光圈濾光片210、機(jī)械光圈217、具有810納米截止的紅外截止濾光片220(截止可被定義為傳播降低至最大值50％的波長(zhǎng))、以及傳感器組件270。傳感器組件270包括黑濾光片陣列240、紅顏色濾光片陣列230R、綠顏色濾光片陣列230G、藍(lán)牙色濾光片陣列230B、選擇性紅外濾光片陣列260、以及具有感光像素陣列的圖像傳感器130。

系統(tǒng)200按具有用于可見(jiàn)帶寬內(nèi)的光的第一光圈的成像系統(tǒng)而動(dòng)作，且按具有用于紅外帶寬內(nèi)的光的另一第二光圈的成像系統(tǒng)而動(dòng)作?？梢?jiàn)光圈典型地大于紅外光圈。這種雙光圈結(jié)構(gòu)根據(jù)光圈濾光片210實(shí)現(xiàn)。光圈濾光片210是多區(qū)域波長(zhǎng)濾光片。即，其具有不同波長(zhǎng)響應(yīng)的多區(qū)域。在圖2A中，多區(qū)域波長(zhǎng)濾光片具有圖2中透明所示的中心區(qū)域，且在圖2中具有畫有交叉陰影線(cross-hatched)外側(cè)環(huán)紋(annular)區(qū)域。中心區(qū)域透過(guò)全部波長(zhǎng)。外側(cè)區(qū)域具有光譜響應(yīng)215。其是傳送最大約650納米的可見(jiàn)光且過(guò)濾長(zhǎng)于650納米的波長(zhǎng)的短通濾光片。

在該實(shí)施例中，光圈濾光片210是在外側(cè)區(qū)域涂覆紅外隔離材料的玻璃片(glass disk)。中心區(qū)域不涂覆或可是物理性的孔。光圈濾光片210可根據(jù)具有與透明涂覆相關(guān)的小直徑涂層的中心的多層涂覆技術(shù)來(lái)制作。在一個(gè)實(shí)施例中，光圈濾光片210可經(jīng)由沉積各種指數(shù)的材料，例如，交替沉積具有高折射指數(shù)(例如，二氧化鈦TiO₂)和低折射指數(shù)(例如，二氧化硅SiO₂)，通過(guò)利用光波的干擾性而進(jìn)行制造。

穿過(guò)光圈濾光片210的光被成像光學(xué)系110傳導(dǎo)至傳感器組件270。光被設(shè)定可見(jiàn)光圈大小的機(jī)械光圈270物質(zhì)性限制。其也被具有光譜響應(yīng)225的810納米紅外截止濾光片220過(guò)濾。其是能傳送最大約810納米的可見(jiàn)和紅外光且過(guò)濾長(zhǎng)于810納米波長(zhǎng)的短通濾光片。

傳感器組件270還可包括部分集成的濾光片：紅色濾光片陣列230R、綠色濾光片陣列230G、藍(lán)色濾光片陣列230B、選擇性紅外濾光片陣列260和黑濾光片陣列240。相應(yīng)的光譜響應(yīng)分別由曲線235R、235G、235B、265和245 顯示。針對(duì)顏色像素，紅色像素濾光片230R、綠色像素濾光片230G和藍(lán)色像素濾光片230B為圖像傳感器130中的可見(jiàn)像素提供相應(yīng)的顏色響應(yīng)。選擇性紅外濾光片陣列260如圖2C所說(shuō)明的，若未過(guò)濾紅外光，則由圖像傳感器130傳送至可見(jiàn)像素。黑濾光片陣列240是具有約800納米截止波長(zhǎng)的長(zhǎng)通濾光片，其中該傳送增至最大值的50％。

圖2B是適用于圖2A的共享傳感器成像系統(tǒng)的傳感器組件的剖面圖。傳感器組件270利用CMOS制造技術(shù)而被制造。從下到上，傳感器組件270包括光電二極管130(例如，圖像傳感器像素)的陣列、鈍化層276、紅外/顏色濾光片陣列(ICFA)274和微透鏡陣列271。傳感器組件也包括其他電路和互連線，其并未詳細(xì)顯示。結(jié)合在硅基板的光電二極管130將光轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。鈍化層276位于有效電路上部用于絕緣。ICFA包括RGB濾光片陣列230、選擇性紅外濾光片陣列260和黑濾光片陣列240。ICFA位于鈍化層276上部且位于微透鏡陣列271下部。微透鏡陣列271將經(jīng)由ICFA過(guò)濾的光聚焦于光電二極管130。每個(gè)微透鏡可與一個(gè)光電二極管相結(jié)合。

選擇性紅外濾光片陣列260包括用于過(guò)濾傳播到可見(jiàn)像素的紅外串?dāng)_的選擇性紅外像素濾光片。選擇性紅外像素濾光片260如圖2B所示可位于顏色像素濾光片230和顏色像素130之間。在一個(gè)實(shí)施例中，選擇性紅外像素濾光片由可從富士膠片電子材料中獲取的材料而制成。

黑濾光片陣列240包括用于過(guò)濾傳播到紅外像素的可見(jiàn)串?dāng)_的黑像素濾光片。黑像素濾光片由具有針對(duì)光譜的紅外帶寬中的波長(zhǎng)高透射率的濾光片材料而制成。在一個(gè)實(shí)施例中，黑濾光片由可由富士膠片電子材料提供的材料而制成。在另一實(shí)施例中，黑濾光片由布魯爾科技(Brewer Science)銷售的黑聚酰亞胺材料(商標(biāo)為“DARC 400”)制成。這些黑濾光片具有不同的截止波長(zhǎng)。圖2A所示的黑濾光片具有約800納米的截止波長(zhǎng)。

濾光片陣列在US2009/0159799“Color infrared light sensor,camera and method for capturing images”中進(jìn)行了更詳細(xì)的記載，其被作為參考結(jié)合在此。

如圖2B所示，濾光片陣列可全部接收可見(jiàn)和紅外光。紅色濾光片陣列230R具有光譜響應(yīng)235R(如圖2A和C所示)且傳送紅色和紅外光。選擇性紅外濾光片陣列260過(guò)濾紅外光且僅允許紅光到達(dá)下層的光電二極管。針對(duì)綠色濾光片陣列230G和藍(lán)色濾光片陣列230B也發(fā)生類似的過(guò)程。

圖2C針對(duì)經(jīng)由圖像傳感器的可見(jiàn)像素130R、G、B捕獲的光示出用于多光圈成像系統(tǒng)的全部光譜響應(yīng)。參考圖2A，經(jīng)由可見(jiàn)像素130捕獲的光透過(guò)光圈濾光片210、紅外截止濾光片220、顏色濾光片陣列230R、G、B中的一個(gè)以及選擇性紅外濾光片陣列260?，F(xiàn)先忽略光圈濾光片210。圖2C示出所有其他濾光片的光譜響應(yīng)?？煽闯觯糜谌齻€(gè)顏色像素濾光片230R、G、B的光譜響應(yīng)延伸至紅外范圍。尤其是，光譜響應(yīng)235R示出紅色像素濾光片230R將因紅外泄露導(dǎo)致強(qiáng)光譜串?dāng)_的強(qiáng)紅外光發(fā)送至紅色像素130R。由于圖像傳感器130對(duì)紅外輻射的感光度約高于其對(duì)可見(jiàn)光感光度的四倍，因此其具有很大的影響。光譜串?dāng)_會(huì)影響圖像質(zhì)量(例如，顏色校正、顏色再生、噪音)、動(dòng)態(tài)范圍、以及深度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

選擇性紅外像素濾光片260顯著地降低光譜串?dāng)_。265示出選擇性紅外像素濾光片260的光譜響應(yīng)，其大致具有由抑止頻帶劃分的兩個(gè)通帶。第一通帶包括可見(jiàn)光且然后從650納米90％透光率將至大約850-900納米零透光率。第二通帶傳送大致從850-900納米的光。290C針對(duì)紅外截止濾光片225、顏色濾光片陣列235(由代表三色像素濾光片的一般光譜行為的聚合曲線而表示)、以及選擇性紅外濾光片陣列265。由陰影區(qū)域顯示的聚合顏色響應(yīng)290C不是計(jì)算的實(shí)際響應(yīng)，該響應(yīng)要求將構(gòu)成光譜響應(yīng)相乘。進(jìn)一步，陰影區(qū)域僅意在表示系統(tǒng)的一般光譜行為。尤其是，與光譜響應(yīng)235相比，聚合顏色響應(yīng)290C的紅外光被選擇性紅外像素濾光片顯著降低，其為可見(jiàn)像素130R、G、B降低光譜串?dāng)_。

參考圖2B，針對(duì)紅外像素130I，黑濾光片陣列240過(guò)濾可見(jiàn)光且將紅外光傳送到鈍化層276。圖2D針對(duì)經(jīng)由圖像傳感器的紅外像素130I捕獲的光，示出用于多光圈成像系統(tǒng)200的全部光譜響應(yīng)290I。圖2D與圖2C方法相同。光譜響應(yīng)225和235是用于傳送到紅外像素130I的光所遇到的濾光片元素。聚合紅外響應(yīng)290I在底部圖中示出。如圖2C，陰影區(qū)域示出主要光譜貢獻(xiàn)中的重疊且僅意在表示系統(tǒng)的一般光譜行為。紅外像素130I從大約750-810納米的波長(zhǎng)帶寬中接收紅外光。

圖2C和圖2D忽略光圈濾光片210的影響，其是在中心區(qū)域的全通濾光片和在外側(cè)區(qū)域具有大約650納米截止波長(zhǎng)的短通濾光片。針對(duì)來(lái)自中心區(qū)域的光，光圈濾光片210針對(duì)圖2C和圖2D所示的光譜響應(yīng)就沒(méi)有任何影響。即，傳播到顏色像素130R、G、B的光將仍經(jīng)受圖2C所示的光譜濾光且傳播到紅外像素130I的光將仍經(jīng)受圖2D所示的光譜濾光。針對(duì)來(lái)自外側(cè)區(qū)域的光，光圈濾光片210將有效過(guò)濾大于650納米的波長(zhǎng)。根據(jù)需要將有效阻止至紅外像素130I的傳送，且將進(jìn)一步降低向顏色像素130R、G、B的紅外串?dāng)_。

在圖2A和圖2B中，像素130按直線陣列示出。其并不是必須的。例如，圖2E是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例傳感器組件270的框結(jié)構(gòu)282的平面圖。傳感器組件270具有框像素，例如2X2像素的框282，其中每個(gè)框包括紅色、綠色、藍(lán)色和紅外(RGBI)像素。這種傳感器組件的配置在US2009/0159799“Color infrared light sensor,camera and method for capturing images”中進(jìn)行了更詳細(xì)的記載，其被作為參考結(jié)合在此。典型的像素大小范圍為0.8至2微米，且典型地不大于4微米。

傳感器組件270的像素?cái)?shù)量取決于第二光圈的大小和框中像素的數(shù)量。傳感器組件270典型地包括排列于具有像素至像素間隔不大于4微米的矩形陣列的2-16百萬(wàn)RGBI像素。典型地，傳感器組件270的大小為1/4英寸或更大。傳感器組件270生成用于形成原始馬賽克圖像的可見(jiàn)信號(hào)和紅外信號(hào)?？墒褂萌ヱR賽克工藝從該馬賽克顏色圖像中重建全解析度顏色圖像。

在圖2A至2D的示例中，紅外截止濾光片220具有大約810納米的截止波長(zhǎng)。然而，因?yàn)檫x擇性濾光片陣列260過(guò)濾向可見(jiàn)像素的紅外光，因此紅外截止濾光片的截止波長(zhǎng)可被延伸至更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。

圖3A至圖3C示出如此示例。圖3A是利用較長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外截止(cutoff)濾光片320的共享傳感器成像系統(tǒng)的剖面圖，其具有大約900納米而不是810納米的截止波長(zhǎng)。紅外截止濾光片320是傳送具有波長(zhǎng)長(zhǎng)至大約900納米的可見(jiàn)光和紅外光的短通濾光片。圖3A也示出這種濾光片320的光譜響應(yīng)325。否則，系統(tǒng)300與系統(tǒng)200相同。較長(zhǎng)截止波長(zhǎng)可由選擇性紅外像素濾光片的光譜響應(yīng)265決定。例如，其可被選擇為光譜響應(yīng)265增至一定閾值的波長(zhǎng)。

圖3B和圖3C示出該系統(tǒng)的光譜響應(yīng)。除了光譜響應(yīng)225被光譜響應(yīng)325替代以外，其與圖2C和圖2D相同。將圖3B與圖2C相比，具有波長(zhǎng)為850納米至900納米的稍微多數(shù)量的紅外光被聚合顏色響應(yīng)390C傳送。然而，這種額外的紅外串?dāng)_仍少于當(dāng)僅顏色像素濾光片(曲線235)被使用時(shí)的情況。將圖3C與圖2D相比較，聚合響應(yīng)390I示出更多的紅外光被紅外像素130I所接收。

通過(guò)利用選擇性紅外濾光片260，在本示例中，紅外截止濾光片320的截止波長(zhǎng)可被從810納米延長(zhǎng)至900納米。其結(jié)果是，經(jīng)由紅外像素接收的紅外光數(shù)量增加，導(dǎo)致更高的SNR。當(dāng)紅外圖像數(shù)據(jù)被用來(lái)計(jì)算深度信息，該增加的信息能產(chǎn)生更準(zhǔn)確的深度預(yù)測(cè)。

例如，在一應(yīng)用中，多光圈系統(tǒng)可被用來(lái)提高景深(DOF，Depth of Field)或相機(jī)的其他深度方面。DOF決定當(dāng)圖像被捕獲時(shí)距離位于焦點(diǎn)處的相機(jī)的距離范圍。在該范圍內(nèi)對(duì)象物則是可接受性地清晰。針對(duì)中遠(yuǎn)距離和給定圖像格式，DOF由成像光學(xué)系N的焦距、與透鏡開(kāi)口(光圈)結(jié)合的f數(shù)、和/或?qū)ο笪镏料鄼C(jī)距離而決定。光圈越寬(接收的光越多)，DOF越被限制。多光圈成像系統(tǒng)的DOF方面在圖4中進(jìn)行說(shuō)明。

圖4A至圖4C示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多光圈影像系統(tǒng)的操作。參考圖4B，其示出在圖像傳感器430中對(duì)象物150的成像?？梢?jiàn)光和紅外光經(jīng)由多光圈系統(tǒng)420可進(jìn)入成像系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，多光圈系統(tǒng)420可是濾光片涂覆的透明基板。一個(gè)濾光片涂層424具有直徑為D1的中央圓孔。該濾光片涂層傳送可見(jiàn)光且反射和/或吸收紅外光。不透明罩422具有直徑為D2的較大圓形開(kāi)口。罩422不傳送可見(jiàn)光或紅外光。其可是發(fā)射紅外光和可見(jiàn)光的薄膜涂層，或該罩可是光學(xué)系統(tǒng)中用于把持和定位基板的不透明支持物的一部分。通過(guò)這種方式，多光圈系統(tǒng)420起到用于可見(jiàn)光的直徑為D2的圓形光圈和用于紅外光的較小直徑為D1的圓形光圈?？梢?jiàn)光系統(tǒng)相比紅外光系統(tǒng)具有較大的光圈和較快的f-數(shù)。透過(guò)光圈系統(tǒng)的可見(jiàn)光和紅外光經(jīng)由成像光學(xué)系410投射到圖像傳感器430。

圖像傳感器的像素因此接收針對(duì)可見(jiàn)光的更寬光圈光學(xué)圖像信號(hào)452B，針對(duì)紅外光，覆蓋第二較窄光圈光學(xué)圖像信號(hào)454B。較寬光圈可見(jiàn)圖像信號(hào)452B具有較短的DOF，而較窄光圈紅外圖像信號(hào)454具有更長(zhǎng)的DOF。在圖4B中，對(duì)象物150B位于焦點(diǎn)N的平面，以使相應(yīng)圖像160B位于圖像傳感器430的焦點(diǎn)。

靠近透鏡的焦點(diǎn)N的平面的對(duì)象物150被投射至具有相對(duì)較小散焦模糊的圖像傳感器平面430。遠(yuǎn)離焦點(diǎn)N的平面的對(duì)象物被投射至位于圖像傳感器430前方或后方的圖像平面。因此，經(jīng)由圖像傳感器430捕獲的圖像模糊。因?yàn)榭梢?jiàn)光452B相比紅外光454B具有較快的f-數(shù)，因此隨著對(duì)象物150移動(dòng)遠(yuǎn)離焦點(diǎn)N的平面，可見(jiàn)圖像相比紅外圖像將更快變模糊。其由圖4A和圖4C以及每個(gè)圖右側(cè)的模糊表而顯示。

圖4B的大部分示出從對(duì)象物150B到圖像傳感器430的光束傳播。圖4B的右手側(cè)也包括模糊表435，其示出自對(duì)象物的軸上點(diǎn)152起由可見(jiàn)光和紅外光導(dǎo)致的模糊。在圖4B中，軸上點(diǎn)152生成相對(duì)小的可見(jiàn)模糊432B且生成也相對(duì)小的紅外模糊434B。其是因?yàn)樵趫D4B中，對(duì)象物處于焦點(diǎn)。

圖4A至圖4C示出散焦的影響。在圖4A中，對(duì)象物150A位于焦點(diǎn)N的標(biāo)準(zhǔn)平面的一側(cè)。其結(jié)果是，相應(yīng)圖像160A形成在圖像傳感器430前方的位置。光傳播額外的距離至圖像傳感器430，因此生成相比圖4B更大的模糊點(diǎn)。因?yàn)榭梢?jiàn)光452A是更快的f-數(shù)，因此其更快偏離且生成更大的模糊點(diǎn)432A。紅外光454是較慢的f-數(shù)，因此其生成不大于圖4B的模糊點(diǎn)434A。如有f-數(shù)足夠慢，紅外模糊點(diǎn)將被視為在穿過(guò)關(guān)注深度的范圍具有恒定的大小。

圖4C示出相同效果，但其在相反方向。在此，對(duì)象物150C生成將處于圖像傳感器430后方的圖像160C。圖像傳感器430在其到達(dá)實(shí)際圖像平面之前捕獲光，從而導(dǎo)致模糊。由于更快的f-數(shù)，可見(jiàn)模糊點(diǎn)432C較大。由于較慢的f-數(shù)，紅外模糊點(diǎn)434C與散焦變得更慢。

可見(jiàn)像素捕獲可見(jiàn)光數(shù)據(jù)且被用于生成現(xiàn)有全解析度顏色圖像。紅外像素捕獲紅外光數(shù)據(jù)且被用于增強(qiáng)圖像的清晰度。兩數(shù)據(jù)組間清晰度的不同被用于預(yù)測(cè)圖像中對(duì)象物的深度。

后處理功能的示例，包括用于計(jì)算清晰度和/或深度的變數(shù)，在美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/144,499“Improving the depth of field in an imaging system”；美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/392,101“Reducing noise in a color image”；美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/579,568“Processing multi-aperture image data”；美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/579,569“Processing multi-aperture image data”以及美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/810,227“Flash system for multi-aperture imaging”進(jìn)行了記載，其整體被結(jié)合在此。

參考圖1B，多帶寬濾光片138設(shè)計(jì)用來(lái)在單獨(dú)的波長(zhǎng)帶寬中傳送可見(jiàn)光和紅外光。多帶寬濾光片138的紅外光通帶設(shè)計(jì)用來(lái)定位在紅外濾光片陣列132I的通帶內(nèi)且定位在可見(jiàn)濾光片陣列132C的抑止頻帶內(nèi)。通過(guò)這種方法，來(lái)自多帶寬濾光片138的傳送紅外光被壓縮在可見(jiàn)像素，且被紅外像素而接收。圖5至圖7針對(duì)使用多帶寬濾光片的成像系統(tǒng)給出與紅外濾光片陣列相集成的傳感器組件的使用的示例。

圖5A至圖5D示出一個(gè)示例。圖5A是使用多帶濾光片520而不是圖2和圖3中的紅外截止濾光片220和320的共享傳感器成像系統(tǒng)500的剖面圖。多帶寬濾光片520具有兩個(gè)通帶：一個(gè)用于長(zhǎng)至約650納米的波長(zhǎng)，且另一個(gè)用于約800納米至900納米的波長(zhǎng)。圖5A也示出這種濾光片520的光譜響應(yīng)525。否則，系統(tǒng)500與系統(tǒng)200和300相同。

圖5B是多帶寬濾光片520的一個(gè)實(shí)施例的示圖，其在玻璃基板512的相反一側(cè)與光圈濾光片210相集成。光圈濾光片210涂覆在玻璃基板512的頂部側(cè)(入射光表面)且多帶寬濾光片520涂覆在玻璃基板的底部側(cè)。光圈濾光片210與前述記載相同。其具有中心區(qū)域傳送所有波長(zhǎng)以及外側(cè)區(qū)域過(guò)濾紅外波長(zhǎng)(例如，具有650納米的截止波長(zhǎng))。玻璃基板512基于光學(xué)屬性例如吸收系數(shù)、折射指數(shù)、色散、相對(duì)介電常數(shù)等而被選擇。玻璃基板512的總厚度優(yōu)選為0.3毫米或更小。多帶寬過(guò)濾片520包括兩個(gè)或多個(gè)透明過(guò)濾片圖層，通過(guò)沉積各種指數(shù)的材料而制成。光譜響應(yīng)525(如圖5A、D)示出多帶寬濾光片520在可見(jiàn)帶寬和紅外帶寬內(nèi)傳送光但過(guò)濾在可見(jiàn)和紅外通帶之間抑止帶寬的光。在本示例中，可見(jiàn)帶寬長(zhǎng)至波長(zhǎng)650納米且紅外帶寬是從800納米到900納米。

圖5C和圖5D示出系統(tǒng)的光譜響應(yīng)。除了光譜響應(yīng)225和325被光譜響應(yīng)525替代以外，其與圖2和圖3相同。從圖5C的頂部表可看出，用于多帶寬濾光片520的第二通帶允許紅外光的部分泄露至可見(jiàn)像素130R、G、B，但由于選擇性紅外濾光片260的良好濾光片特性并不是太多。此外，多帶寬濾光片520也降低具有波長(zhǎng)為650納米至800納米的大量紅外串?dāng)_。

在圖5D的底部圖中可看出，多帶寬濾光片520允許紅外像素130I在波長(zhǎng)頻帶為800納米至900納米內(nèi)接收更多的紅外光，其因此增加用于紅外信號(hào)的SNR。

圖6示出多帶寬濾光片使用的另一個(gè)示例。在該示例中，紅光，而不是紅外光，被用于獲取深度信息。圖6是使用光圈濾光片620的共享傳感器成像系統(tǒng)600的剖面圖。除了圖5中的光圈濾光片210被光圈濾光片620替代以外，系統(tǒng)600與系統(tǒng)500相同。光圈濾光片620的外側(cè)區(qū)域具有傳送長(zhǎng)至約580納米的可見(jiàn)光且過(guò)濾大于580納米可見(jiàn)波長(zhǎng)的光譜響應(yīng)625。外側(cè)區(qū)域有效過(guò)濾紅光(波長(zhǎng)在約580-650納米的范圍)，意味著紅光將僅經(jīng)受被中心區(qū)域定義的較小光圈而非較大的全部光圈。濾光片620也在800-900納米帶寬內(nèi)通過(guò)紅外波長(zhǎng)。

因此，圖6的紅光可起到與圖5A的紅外光相似的作用。由于紅色圖像經(jīng)由較小的光圈曝光，因此紅色(R)圖像將具有較大景深。綠色(G)、藍(lán)色(B)和紅外(I)圖像由于其經(jīng)由較大的光圈曝光，因此具有較小的景深。系統(tǒng)600可被用于生物識(shí)別(例如，IRIS和臉部識(shí)別)或與深度地圖一起使用高質(zhì)量紅外和顏色圖像的其他應(yīng)用。

與選擇性紅外濾光片集成的傳感器組件的應(yīng)用并不局限于多光圈成像系統(tǒng)。其可用于捕獲可見(jiàn)光和紅外光的其他成像系統(tǒng)或設(shè)備，例如使用IrED用于照亮對(duì)象物的相機(jī)。圖7示出這種應(yīng)用。圖7是用于捕獲可見(jiàn)光和紅外光的成像系統(tǒng)700的剖面圖。除了光圈濾光片210、620被移除且多頻帶濾光片520被移動(dòng)到其他位置(雖然在圖6和圖7中其也可留在相同位置)以外，系統(tǒng)700與系統(tǒng)500和600相同。由于沒(méi)有光圈濾光片，因此每個(gè)R、G、B、I圖像經(jīng)由相同光圈被曝光。即，系統(tǒng)700捕獲RGBI圖像。R、G、B像素被顏色濾光片陣列230和選擇性紅外濾光片陣列260過(guò)濾，其過(guò)濾紅外波長(zhǎng)。I像素被黑濾光片陣列240過(guò)濾，其過(guò)濾可見(jiàn)波長(zhǎng)。在一個(gè)替代設(shè)計(jì)中，多帶寬濾光片525的可見(jiàn)通帶可貫穿約400-650納米。

具有選擇性紅外濾光片的圖像傳感器(也指?jìng)鞲衅鹘M件或具有紅外/顏色濾光片陣列的圖像傳感器)并不局限于上述實(shí)施例。具有選擇性紅外濾光片的圖像傳感器也可用于使用具有深度地圖的高質(zhì)量顏色圖像的散焦或自對(duì)對(duì)焦應(yīng)用。在使用模糊圖像預(yù)測(cè)深度的實(shí)施例中，清晰紅外圖像可幫助提高深度分辨率。在結(jié)構(gòu)光被投射來(lái)測(cè)量用于姿勢(shì)追蹤的深度的實(shí)施例中，紅外光束不降低顏色圖像可被使用。

并且，具有選擇性紅外濾光片的圖像傳感器可用于各種應(yīng)用，例如，平板、數(shù)碼相機(jī)(數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)、數(shù)碼視頻相機(jī)、任何其他可捕獲可見(jiàn)和紅外光的合適數(shù)碼相機(jī))、安全系統(tǒng)、游戲、手勢(shì)檢測(cè)、PC多媒體、動(dòng)作追蹤、或其他任何適合應(yīng)用，包括那些使用深度信息、高頻信息、3D信息、動(dòng)態(tài)信息。此外，具有選擇性紅外濾光片的圖像傳感器在不同的照明下工作，例如，直接的太陽(yáng)光、或其他任何提供可見(jiàn)和紅外光的適合照明。

雖然詳細(xì)的說(shuō)明包括很多示例，但這些并不應(yīng)該構(gòu)建為限制本發(fā)明的范圍，且其僅是用于說(shuō)明本發(fā)明的不同示例和方面。其應(yīng)該被理解為本發(fā)明的范圍包括上述未被具體討論的其他示例。例如，波長(zhǎng)過(guò)濾可通過(guò)多種不同方法而實(shí)現(xiàn)，包括吸收或反射不需要的光，例如，吸收型濾光片或二色性型濾光片。過(guò)濾也不需要將光等級(jí)降至零或具有像從傳送到隔離之轉(zhuǎn)換的步進(jìn)功能，其能從附圖中的各種光譜響應(yīng)中看出。進(jìn)一步，本發(fā)明的范圍也并不局限于上述示例中描述的具體波長(zhǎng)方案和光圈濾光片。

此外，本發(fā)明的范圍也不局限于上述所給示例中的具體數(shù)字。紅外帶寬可由幾個(gè)要素例如SNR、檢測(cè)感光度、圖像質(zhì)量、照明資源的光學(xué)特征(例如，光譜、強(qiáng)度、吸收或散射)、長(zhǎng)/短距離應(yīng)用、和室內(nèi)/室外環(huán)境而決定。例如，810納米的紅外截止可被用于在直接、明亮的太陽(yáng)光下追蹤手勢(shì)用于捕獲具有深度消息的顏色圖案。另一個(gè)示例，由于檢測(cè)的紅外光的增加數(shù)量，900納米紅外截止可被用于提高感光度和SNR。紅外截止濾光片可是短通濾光片、帶通濾光片、過(guò)濾預(yù)定紅外帶寬之外的紅外光的其他適合濾光片、或上述的結(jié)合。可見(jiàn)或顏色帶寬由用于顏色再生經(jīng)由圖像傳感器130需要的顏色而被決定。例如，可見(jiàn)帶寬的波長(zhǎng)可以為650納米或多個(gè)600買水。

如上所述，雖然根據(jù)實(shí)施例所限定的實(shí)施例和附圖進(jìn)行了說(shuō)明，但對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域具有一般知識(shí)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)能從上述的記載中進(jìn)行各種修改和變形。例如，根據(jù)與說(shuō)明的技術(shù)中所說(shuō)明的方法相不同的順序來(lái)進(jìn)行，和/或根據(jù)與說(shuō)明的系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、裝置、電路等構(gòu)成要素所說(shuō)明的方法相不同的形態(tài)進(jìn)行結(jié)合或組合，或根據(jù)其他構(gòu)成要素或均等物進(jìn)行替換或置換也可達(dá)成適當(dāng)?shù)男Ч?/p>

因此，其他具體體現(xiàn)、其他實(shí)施例以及與權(quán)利要求范圍相均等的都屬于所述的權(quán)利要求所保護(hù)的范圍。