CN100548033C - 图像传感器和数字照相机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器包括多个光接收元件和电荷输出部件。多个光接收元件设置在相应于各自像素的矩阵排列中的图像传感器内部。每个光接收元件包括在前面的光接收表面以及根据在光接收表面接收的光数量积累电荷。电荷输出部将积累在多个光接收元件上的电荷输出到图像传感器的外部。设置图像传感器使得光入射在多个光接收元件的后面上。多个光接收元件可根据在后面接收的光数量积累电荷。
Description
发明领域
本发明涉及一种图像传感器和一种数字照相机，且尤其涉及一种根据入射光的光数量积累电荷的电荷积累型图像传感器，和使用该图像传感器的数字照相机。
背景技术
近几年，随着例如CCD(电荷耦合器件)区域传感器，CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器等固态成像器件分辨率的增加，对具有摄像功能的信息技术器件例如数字电静态照相机，数字视频照相机，便携式电话，PDA(便携式的信息终端，个人数字助手)等的需求快速增长。因此，上述的基于固态成像器件的具有摄像功能的信息器件将用数字照相机代表。
其间，在近几年存在对除拍摄传统的可见光图像相片外还可拍摄非可见光图像相片的多种数字照相机的需求。例如，如果可能拍摄红外线图像的相片，则可在夜间等拍摄相片。
迄今，作为满足该需求的可应用的技术，未审公开的日本专利申请(JP-A)No.6-177416公开了一种形成发光传感器器件的技术，其由在硅衬底上的扩散区和N区组成，邻近那里形成分开的P区，并且在相同的表面成像可见光和红外光。
而且，JP-ANo.10-210486公开了一种使用多个分离部件和CCD的技术，包括例如冷光镜的分离部件将可见光从不可见光等中分离出来，以使得可见光和不可见光成像。
然而，在JP-ANo.6-177416中公开的技术中，两种类型的传感器件，和其电极设置在相同的光接收表面。因此，与在相同的光接收表面仅接收可见光或不可见光的情况相比，可同时接收可见光和红外光的光接收区域比较小并且成像灵敏度低，这是一个问题。而且，在相同的JP-ANo.6-177416中公开的技术中，因为光元件的折射指数根据入射在传感器的光、可见光的聚焦距离和红外光的波长差的不同而变动。从而，很难用极好特性将可见光和的红外光都聚焦，这是一个问题。
其间，在JP-ANo.10-210486中公开的技术中，需要多个CCD。除了导致功耗和成本增加外，还导致设备尺寸的增加，这些都是问题。
发明内容
为了解决上述问题设计本发明，且本发明的目的是在不导致成像灵敏度降低、聚焦特性退化、功耗和/或成本增加或设备尺寸增加的情况下提供一种能够成像不同波长的光的图像传感器和数字照相机。
本发明一方面的图像传感器包括：设置在相应于各自像素的矩阵排列中的图像传感器内的多个光接收元件，每个该光接收元件包括在前面的光接收表面并根据在该前面的光接收表面接收的光数量积累电荷；以及将在多个该光接收元件积累的电荷输出到该图像传感器的外部的电荷输出部件，其中：该图像传感器被构成为使得光入射在多个该光接收元件的后面的光接收表面上，以及多个该光接收元件能够根据在该后面的光接收表面接收的光数量积累电荷；设置在多个该光接收元件的前面一侧的第一过滤器，该第一过滤器传输预定波长的光并使得该预定波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上；以及设置在多个该光接收元件的后面一侧的第二滤波器，该第二滤波器传输不同于该预定波长的波长的光并使得不同于该预定波长的波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上。
本发明一方面的数字照相机包括：图像传感器；前面入射部件；后面入射部件；以及控制部件，其中：该图像传感器包括：设置在相应于各自像素的矩阵排列中的该图像传感器内部的多个光接收元件，每个该光接收元件包括前面的光接收表面并且根据在该前面的光接收表面接收的光数量积累电荷；将积累在多个该光接收元件的电荷输出到该图像传感器外部的电荷输出部件；设置在多个该光接收元件的前面一侧的第一过滤器，该第一过滤器传输预定波长的光并使得该预定波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上；以及设置在多个该光接收元件的后面一侧的第二过滤器，该第二过滤器传输不同于该预定波长的波长的光并使得不同于该预定波长的波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上，该图像传感器被构成为使得光能入射在多个该光接收元件的后面的光接收表面上，该图像传感器的多个该光接收元件可根据在该后面的光接收表面接收的光数量积累电荷，该前面入射部件允许该预定波长的光入射在该图像传感器的该光接收元件的前面的光接收表面上，该后面入射部件允许不同于该预定波长的波长的光入射在该图像传感器的该光接收元件的后面的光接收表面上，以及该控制部件控制使得以从该图像传感器输出的电荷为基础执行摄像。
本发明另一方面的数字照相机包括：图像传感器；第一滤波器；第二滤波器；前面入射部件；后面入射部件；以及控制部件，其中：该图像传感器包括：设置在相应于各自像素的矩阵排列中的该图像传感器内部的多个光接收元件，每个该光接收元件包括在前面的光接收表面并且根据在该前面的光接收表面接收到的光数量积累电荷；以及将积累在多个该光接收元件上的电荷输出到该图像传感器外部的电荷输出部件，该图像传感器被构成为使得光入射在多个该光接收元件的后面的光接收表面上，该图像传感器的多个该光接收元件可根据在该后面的光接收表面接收的光数量积累电荷，相应于该图像传感器的多个该光接收元件的前面一侧提供第一滤波器，传输预定波长的光并使得该预定波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上，相应于该图像传感器的多个该光接收元件后面一侧提供第二滤波器，传输不同于该预定波长的波长的光且使得不同于该预定波长的波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上，该前面入射部件允许该预定波长的光经由该第一滤波器入射在该图像传感器的该光接收元件的前面的光接收表面上，该后面入射部件允许不同于该预定波长的波长的光经由该第二滤波器入射在该图像传感器的该光接收元件的后面的光接收表面上，且该控制部件控制以便以从该图像传感器输出的电荷为基础执行摄像。
附图说明
图1是示出与本发明的实施例相关的成像器件的结构的截面侧图。
图2A是与本发明实施例相关的图像传感器的传感部分的成像区的局部平面图。
图2B是图2A沿CA线切开的截面图。
图2C是图2A沿CB线切开的截面图。
图3A是示出与本发明的第一实施例相关的颜色过滤层的结构的平面示意图。
图3B是示出与本发明的第一实施例相关的不可见光过滤层结构的平面示意图。
图4是示出与本发明的第一实施例相关的数字照相机的结构框图。
图5是示出与本发明的第一实施例相关的摄像模式处理程序的处理流程图。
图6A是示出与本发明第二实施例相关的颜色过滤层的结构的平面示意图。
图6B是示出与本发明的第二实施例相关的不可见光过滤层的结构的平面示意图。
图7是示出与本发明的第二实施例相关的数字照相机的结构框图。
图8是用于与本发明的第二实施例相关的数字照相机中的画面转换信号和控制信号的时间表。
图9是示出使用与本发明的实施例相关的成像器件的数字照相机的结构的另一例子框图。
具体实施方式
下面，将参照附图详细描述本发明的实施例。
第一实施例
首先，将参照图1的结构侧面图描述与本实施例相关的成像器件50的全部结构。
如图1所示，与本实施例相关的成像器件50与封装在箱52中的图像传感器70构造在一起。图像传感器70是由玻璃衬底72和传感器部分74整体地构成。在箱52的前面提供透明玻璃板54并在箱52的后面提供透明玻璃板56。
在成像器件50的中部支撑传感器部分74，并且在相应各自的像素的矩阵图案中提供有多个光接收元件。玻璃衬底72在成像器件50的传感器部分74和电极(终端)58之间形成电的连接，且执行强化传感器部分74的功能。
传感器部分74能从其前面(图1中的上面)和后面(图1中的下面)接收光。透明玻璃板54具有特殊的尺寸和位置使得光入射到传感器部分74的整个光接收表面的前面侧上，且透明玻璃板56具有特殊的尺寸和位置使得光入射到传感器部分74的整个光接收表面的后面侧上。
图2A是传感器部分74的成像区的局部平面图，在成像区内示出两个彼此邻近的像素P。每一像素P包括光接收元件80，由根据接收的光的光数量积累电荷的光电二极管组成。垂直电荷传输路径82设置在像素P的左边和右边。
如虚线所示，四相驱动的多晶硅传输电极85，86，89和90(EL)被设置在垂直电荷传输路径82的上方。例如，在用两层多晶硅形成的传输电极的情况下，例如传输电极85和89形成在第一多晶硅层，且传输电极86和90形成在第二多晶硅层中。传输电极85控制从光接收元件80到垂直电荷传输路径82的电荷的读取。
图2B和2C是图2A分别沿CA和CB线切开的截面图。如图2B所示，p型阱88形成在n型半导体衬底87的表面。n型区域形成在p型阱88的表面区域，且以此构建光接收元件80。p+型区域93是执行像素P与垂直电荷传输路径82等的电隔离的沟道停止区域。
如图2C所示，组成垂直电荷传输路径82的n型区提供在构成光接收元件80的n型区附近。在光接收元件80和垂直电荷传输路径82之间的p型阱88构成读取晶体管。
例如氧化硅膜等的绝缘层形成在n型半导体衬底87的表面上，且由多晶硅形成的传输电极EL形成在绝缘层上。为了覆盖垂直电荷传输路径82而设置传输电极EL。由氧化硅等形成的另一绝缘层形成在传输电极EL上。包括朝上方开口的开口部分的光阻挡膜83由在该绝缘层上的钨等形成以便覆盖垂直电荷传输路径82以及类似物。形成由磷硅酸盐玻璃等组成的夹层绝缘膜84以便覆盖光阻挡膜83，且平坦化夹层绝缘膜84的表面。
颜色过滤层91形成在夹层绝缘膜84上。颜色过滤层91包括三种或更多种颜色(在本实施例中是三种颜色)的颜色区，例如红色区91R，绿色区等。微透镜92在与像素P相应的颜色过滤层91上由电阻材料等形成。
如图2B所示，在像素P上方一个接一个的形成微透镜92。红色区91R等的颜色过滤器被设置在微透镜92的下方。穿过颜色过滤器的光入射在光接收元件80处。微透镜92会聚从上面入射到光阻挡膜83开口部分上的光。
其间，不可见光过滤层95形成在n型半导体衬底87的后面。不可见光过滤层95包括传输不可见光(本实施例中的红外光)的不可见光区。不可见光过滤层95的后面被施加到玻璃衬底72上。
n型半导体衬底87的层厚度设置为能使不可见光从此穿过传输的厚度(例如，20μm)。对于玻璃衬底72，使用对于不可见光具有高透射率的材料。在这种结构中，光接收元件80能接收来自传感器部分74的前面和后面的光，且根据接收光的光数量可积累电荷。考虑到不可见光的透射率，n型半导体衬底87的层厚度优选地尽可能薄，但是当层厚度比较薄时，图像传感器70的强度降低。由此，在与本实施例相关的图像传感器70中，为了补偿这种在强度上的降低而使用玻璃衬底72。
现在，图3A示出与本实施例相关的颜色过滤层91的结构(从前面观察的结构)，且图3B示出与本实施例相关的不可见光过滤层95的结构(从后面观察的结构)。
如图3A所示，与本实施例相关的颜色过滤层91由排列成矩阵图案的多个设置而构成，每个设置是传输红光的红色区91R，传输绿光的绿色区91G，传输蓝光的蓝色区91B，以及不传输光的光阻挡区91K。作为对比，如图3B所示，当在图像传感器70处提供与本实施例相关的不可见光过滤层95，传输不可见光的不可见光区95I(在本实施例中，红外光)仅设置在相应于颜色过滤层91的光阻挡区91K的位置。不可见光过滤层95的其它区均作为光阻挡区95K而形成。
也就是，构造与本实施例相关的颜色过滤层91和不可见光过滤层95以便可见光入射的目标的光接收元件80的排列位置和不可见光入射的目标的光接收元件80的排列位置相互变换。这样，在该结构中，形成的图像传感器70以能够同时成像可见光和不可见光。
这里，除了n型半导体衬底87的层厚度和提供玻璃衬底72情形之外，图像传感器70的结构，制作工艺等是常规熟知的且在这里不进一步描述。
接下来，将参照图4描述与本实施例相关的其中使用上述结构的成像器件50的数字照相机10A的主要结构。
构造数字照相机10A，包括透镜12，光学单元22和成像器件50。透镜12用于聚焦物体图像。光学单元22引导通过透镜12进入的光到达成像器件50的光接收表面。设置成像器件50以便接收红外光的光接收表面定向于图4中的上方且接收可见光的光接收表面定向于图4中的下方。
光学单元22提供有棱镜14，其在最远离穿过透镜12的光的光轴L的上游一侧，涂敷有冷过滤器14A。冷过滤器14A具有传输可见光和反射红外光的光特性。在穿过透镜12的光中，仅红外光由棱镜14的冷过滤器14A反射到图4的上方。
在红外光反射的方向的下游一侧，以此顺序放置反射镜20A和反射镜20B。由冷过滤器14A反射的红外光由反射镜20A和反射镜20B继续地反射，并入射到探测红外光的成像器件50的光接收表面上。
其间，在穿过棱镜14传输而不是由冷过滤器14A反射的可见光的前进方向的下游一侧，设置棱镜16。棱镜16包括反射可见光的反射表面。在来自棱镜16的反射表面的可见光的反射方向的下游一侧，按此顺序设置反射镜20C和反射镜20D。由棱镜16的反射表面反射的可见光继续由反射镜20C和反射镜20D反射，且入射在探测可见光的成像器件50的光接收表面上。
在与本实施例相关的数字照相机10A中，具有上述的光学单元22的结构，有可能使代表物体图像的光穿过普通(相同)棱镜12，可见光和红外光入射在单个成像器件50上，该构造能够成像可见光和红外光。
目前，根据可见光和红外光波长的不同，由于在光学元件中其折射指数的不同，所以可见光和红外光的聚焦长度不同。因此，在与本实施例相关的数字照相机10A中，设置光学单元22的多种组成以便随着可见光和红外光的光路径长度的不同尽可能多的吸收聚焦距离差。
通过以上光学单元22的排列设计，聚焦长度差可被吸收到一定程度，但是完全吸收差异是困难的。因此，在与本实施例相关的数字照相机10A中，在图4的垂直方向的预定范围内将成像器件50构造成可移动的(X轴方向)。这样，调节可成像器件50的两个面，前面和后面的聚焦距离。
进一步构造与本实施例相关的数字照相机10A，包括模拟信号处理部分30，模拟/数字转换器(下面用ADC代表)32，输出转换部分34，数字信号处理部分36和控制部分40。模拟信号处理部分30向输入到那里的模拟信号施加模拟信号处理。ADC32将输入到那里的模拟信号转换为数字数据。输出转换部分34将输入到那里的数字数据的输出目标转换成两个预先特定的输出目标之一。数字信号处理部分36给输入到这里的数字数据施加多种数字信号处理。控制部分40管理整个数字照相机10A的运行。
成像器件50的输出终端与模拟信号处理部分30的输入终端相连，模拟信号处理部分30的输出终端与ADC32的输入终端相连，ADC32的输出终端与输出转换部分34的输入终端相连。因此，从成像器件50输出的描绘物体图像的模拟信号通过模拟信号处理部分30经受预定模拟信号处理，包括相关的双取样处理，通过ADC32转变成数字数据，且然后输入到输出转换部分34。
与本实施例相关的输出转换部分34与控制部分40相连。输出转换部分34具有如下功能：在控制部分40的控制下，将经由模拟信号处理部分30和ADC32从成像器件50输入的数字数据分成由接收可见光(下面用彩色图像数据代表)的成像器件50的像素提供的数据和由接收红外光(下面用红外图像数据代表)的像素提供的数据，并且输出数据。这里，构造与本实施例相关的输出转换部分34以便能够根据从控制部分40的设置输出彩色图像数据或红外图像数据。
输出彩色图像数据的输出转换部分34的输出终端与数字信号处理部分36的输入终端相连。在数字信号处理部分36，在输入的彩色图像数据上施加多种类型的数字信号处理，例如颜色同步处理，白平衡调节处理，灰度处理，锐度处理等。经历由数字信号处理部分36的数字信号处理的彩色图像数据根据由用户(即，按快门释放开关的操作(快门按钮))的摄像指令被记录到便携存储卡。该记录的结构和处理是普遍熟知的，所以不在这里描述。
其间，输出红外图像数据的输出转换部分34的输出终端与红外图像处理部分相连，其执行使用红外图像数据的预定处理。对于在与本实施例相关的数字照相机10A中的预定处理，使用根据用户(即按快门释放开关的操作)的摄像指令记录输入的红外图像数据为便携式存储卡的处理。
数字照相机10A还提供有定时发生器38，其主要为驱动成像器件50产生时间信号以及给成像器件50提供这些时间信号。成像器件50的驱动经由定时发生器38通过控制部分40控制。
数字照相机10A进一步提供有红外光源42和聚焦透镜44。红外光源42向物体发射红外光。聚焦透镜44聚焦朝向物体的从红外光源42发射的红外光。由红外光源42发射光的条件由控制部分40控制。
与本实施例相关的数字照相机10A除了具有执行摄像的摄像模式外，还配有根据由摄像获得的图像数据重放物体图像的重放模式。其细节是普遍熟知的，因此在这里不在描述。
作为执行与本实施例相关的数字照相机10A的摄像的摄像模式，可选择地设置无论是用可见光执行摄像的可见光摄像模式，还是用红外光执行摄像的红外光摄像模式。
其次，当与本实施例相关的数字照相机10A的摄像模式操作被设定时，参照图5描述。图5示出摄像模式处理程序的处理流程的流程图，其由在此时的数字照相机10A的控制部分40执行。该程序被预先存储在控制部分40的存储器中。这里，为了避免复杂性，将描述由用户预先设定的无论是可见光摄像模式还是红外光摄像模式的情况。
首先，在步骤100中，判断红外光摄像模式是否被设定，如果判定是肯定的，处理前进到步骤102。
在步骤102中，控制输出转换部分34以便仅输出红外图像数据。其次，在步骤104中，控制红外光源42以便开始光发射。然后，在步骤106中，根据释放开关按动操作执行记录红外图像数据的红外摄像处理。其次，在步骤108中，执行控制以便停止由步骤104的处理开始的红外光源42的光发射。之后，处理前进到步骤114。
另一方面，如果步骤100的判断是否定的，则认为可见光摄像模式被设定。处理前进到步骤110且控制输出转换部分34以便仅输出彩色图像数据。然后，在步骤112中，根据释放开关按动操作执行记录彩色图像数据的普通摄像处理。之后，处理前进到步骤114。
在步骤114中，判断摄像模式是否由用户终止。如果判定是否定的，处理返回到步骤100且从前面的步骤100的处理再次执行。另一方面，如果判定是肯定的，本摄像模式处理程序结束。
如在上面的详细描述中，在与本实施例相关的图像传感器中，在其前面具有光接收表面的多个光接收元件(在本实施例中，光接收元件80)，其提供在相应各自像素的以矩阵的形式的图像传感器的内部并根据在光接收表面接收的光的光数量积累电荷，且提供电荷输出部件(在本实施例中，垂直电荷传输路径82)，其将在多个光接收元件积累的电荷输出到图像传感器外部，并形成使得光入射到多个光接收元件的后面上的结构，具有由多个光接收元件根据在后面接收的光的光数量在那边积累电荷。这样，在不导致成像灵敏度下降、聚焦特性的退化、功耗和/或成本的增加、或装置尺寸的增加的情况下，可成像不同波长的光。
而且，与本实施例相关的图像传感器还提供有第一过滤器(在本实施例中，颜色过滤层91)，其提供在多个光接收元件的前面一侧并传输预定波长的光(在本实施例中，可见光)以入射在至少多个光接收元件中的一些上，和第二滤波器(在本实施例中，不可见光滤波层95)，其提供在多个光接收元件的后面一侧且传输不同于预定波长(本实施例中，红外光)的波长的光以便入射在至少多个光接收元件中的一些上。这样，具有互不相同的预定波长的光可正确的入射在多个光接收元件前面的光接收表面上以及在后面的光接收表面上。
而且，在与本实施例相关的图像传感器中，通过在n型半导体衬底上层叠p型阱提供光接收元件，其层厚度设置为能使得不同于预定波长的波长的光传输的厚度，且在p型阱形成n型区域。这样，仅n型半导体衬底的层厚度不同于以往的固态成像器件，且图像传感器可通过基本上与以往的固态成像器件一样的制作工艺而制作。
而且，在与本实施例相关的图像传感器中，在后面提供用于加强的玻璃板(这里，玻璃衬底72)。这样，可以补偿由于n型半导体衬底的层厚度变薄导致的强度的降低。
而且，在与本实施例相关的图像传感器中，因为预定的波长是可见光的波长且不同于预定波长的波长是不可见光的波长，可见光和不可见光都能成像。
另外，在与本实施例相关的图像传感器中，构造第一滤波器和第二滤波器以便预定波长的光的入射的目标的光接收元件的排列的位置和不同于预定波长的波长的光的入射的目标的光接收元件的排列的位置可相互交替。这样，预定波长的光和不同于预定波长的波长的光可同时被成像。
而且，与本实施例相关的数字照相机包括与本实施例相关的图像传感器，使预定波长的光在图像传感器的前面入射并使得不同于预定波长的波长的光在图像传感器的后面入射，且执行控制以便以从图像传感器最终输出的电荷为基础执行摄像。这样，类似于与本实施例相关的图像传感器，在不导致图像灵敏度降低、聚焦特性退化、功耗和/或成本的增加、或装置尺寸增加的情况下，可成像不同波长的光。
总之，对于本实施例，描述了使用可见光的波长作为本发明的预定波长以及使用不可见光的波长作为不同于预定波长的波长的情况。然而，本发明不局限于此。可能是预定波长是不可见光的波长且不同于预定波长的波长是可见光波长的模式。在这种情况下，可提供与在本实施例中相同的效果。
另外，在本实施例中，描述了使用红外光作为本发明的不可见光的情况。然而，本发明不局限与此。例如，使用紫外光的模式是可能的。在这种情况下，可实现在单个图像传感器中用可见光摄像以及用紫外光摄像。
第二实施例
对于第二实施例，将描述提供在图像传感器上的颜色过滤层和不可见光过滤层的另一个实例。与第二实施例相关的图像传感器70的结构除了颜色过滤层和不可见光过滤层的结构外和与第一实施例相关的图像传感器70相同。首先，将会参照图6A和6B描述与第二实施例相关的颜色过滤层91’和不可见光过滤层95’的结构。
如图6A所示，通过在矩阵图案中排列多个设置构造与本实施例相关的颜色过滤层91’，每个设置是每一个红色区91R和一个蓝色区91B和两个绿色区91G。另一方面，如图6B所示，通过在相应于所有像素中排列不可见光区95I构造与本实施例相关的不可见光过滤层95’。
也就是，构造与第二实施例相关的颜色过滤层91’和不可见光滤波层95’以便各自传输目标的波长的光在图像传感器70的所有光接收元件80上入射。在该结构中，形成与第二实施例相关的图像传感器70以便能够通过连续地且交互地成像可见光和红外光，将使用所有光接收元件的各自的光成像，且最终改善成像灵敏度。
然后，将参照图7描述与第二实施例相关的数字照相机10B的结构，该数字照相机10B中的成像器件50包括使用上述结构的图像传感器70，。在图7中与图4所示的与第一实施例相关的数字照相机10A相同的结构化元件配有相同的参考数字且将不在描述。
如图7所示，与第二实施例相关的数字照相机10B不同于与第一实施例相关的数字照相机10A的地方仅在于额外提供的液晶快门18A，液晶快门18B和快门驱动部分46，以及在于用输出转换部分34’代替输出转换部分34。快门驱动部分46驱动液晶快门18A和18B。
液晶快门18A插在冷过滤器14A和反射镜20A之间，且完成在阻止和传输由冷过滤器14A反射的红外光之间的转换的功能。其间，液晶快门18B插在棱镜14和棱镜16之间，且完成在阻止和传输穿过冷过滤器的可见光之间的转换的功能。快门驱动部分46与控制部分40相连，且借助快门驱动部分46通过控制部分40控制经由液晶快门18A和18B阻止和传输的光。
在与第二实施例相关的数字照相机10B中，从控制部分40输入到快门驱动部分46的用于控制液晶快门18A和18B状态的控制信号，和从控制部分40输入到红外光源42的用于控制红外光源42的光发射状态的控制信号作为普通信号(下面用控制信号代表)。
在与第二实施例相关的数字照相机10B中，为了连续地交替，转换穿过液晶快门18A到成像器件50上的光入射和穿过液晶快门18B到成像器件50上的光入射，且执行控制以便与转换时间同步读出在图像传感器70上积累的电荷。因此，与第二实施例相关的输出转换部分34’具有如下功能：在控制部分40的控制下，以与转换时间同步的状态，将从ADC32输入的数字数据分成通过接收可见光的成像器件50获得的数据(下面用彩色图像数据代表)和通过接收红外光获得的数据(下面用红外图像数据代表)，且输出数据。
在与第二实施例相关的数字照相机10B中，捕获的图像画面在可见光图像和红外光图像之间转换。画面转换信号，其将图像数据转换成每个图像画面的输出，从控制部分40输出到输出转换部分34’。明显地，数字照相机10B不局限于此模式，连续地捕获可见光图像或红外光图像的模式也是可能的。在这种情况中，设置在是成像目标的光的光路上的液晶快门保持传输状态且其它液晶快门保持光阻止状态。
图8示出与本实施例相关的画面转换信号和控制信号的实例。图8中示出的画面转换信号输入到输出转换部分34’以及控制信号输入到红外光源42和快门驱动部分46。因此，如图8所示当画面转换信号为高电平时，红外光源42发射光，液晶快门18A设置为传输状态(开状态)，且液晶快门18B设置成光阻止状态(关状态)。结果，用红外光通过成像装置50执行成像且由此提供红外图像数据。
另一方面，当画面转换信号为低电平时，红外光源42设置为无光发射状态，液晶快门18A设置成光阻止状态(关状态)，且液晶快门18B设置成传输状态(开状态)。结果，用可见光通过成像器件50执行成像且由此提供彩色图像数据。
使用输出的彩色图像数据和红外图像数据处理的细节和与第一实施例相关的数字照相机10A相似，因此不在这里描述。
在上面已经详细描述过，与本实施例相关的图像传感器中，可实现与以前描述的第一实施例相关的图像传感器相同的效果。另外，因为构造第一滤波器和第二滤波器以允许各自传输目标的波长的光在多个所有光接收元件上入射，使用所有多个光接收元件的各自波长的光成像是可能的，通过连续地和交替地成像预定波长的光(这里，可见光)和不同于预定波长的波长的光(这里，红外光)。结果，改善了成像灵敏度。
此外，在与本实施例相关的数字照相机中，穿过入射部件(这里，棱镜14，棱镜16，反射镜20C和反射镜20D)前面的光入射和穿过入射部件(这里，冷过滤器14A，反射镜20A和反射镜20B)后面的光入射连续地交替转换。相对地，执行控制以便与转换时间同步读取在图像传感器上积累的电荷。因此，实际上改善了成像灵敏度。
总之，对于在上述实施例中通过红外图像处理部分执行的预定处理，描述了相应于来自用户的摄像指令(释放转换按动操作)将捕获的红外图像数据记录到便携式存储卡的应用处理的情况。然而，本发明不局限于此。显然地，可应用其它使用红外图像数据的处理，例如像在JP-ANo.7-83614中公开的技术，用于发现到物体的距离的处理，在JP-ANo.7-43600中公开的技术，用于探测用户观察线的处理等。
图9示出用于执行探测用户观察线的处理的情况的数字照相机10C的结构实例。在图9中与图4中相同的结构化元件，配有图4中相同的参考数字。
在图9示出的数字照相机10C中，设置成像器件50以便探测可见光的光接收表面定向于经由透镜12入射的光(可见光)的光轴L的方向，以及探测红外光的光接收表面定向于数字照相机10C的后侧。
另外，提供具有电探视镜47的数字照相机10C。红外光源42设置在可视窗的邻近区域内，可视窗口是当观察电探视镜47时可浏览的窗口。提供聚焦透镜44并聚焦从红外光源42发射的朝向用户眼球的红外光。提供透镜48和两个反射镜22A和22B。透镜48设置在可视窗口邻近区域内，在相应于来自用户眼球的红外光的反射方向的位置。透镜48用于会聚反射的红外光。这样，形成通过探测红外光的成像器件50的在光接收表面的成分会聚由眼球反射的红外光的结构。
在该结构中，输出红外图像数据的输出转换部分34的输出终端与控制部分40相连。以经由输出转换部分34提供的红外图像数据为基础，通过控制部分40探测用户的观察线。依照观察线的探测结果，执行用户希望的AE(自动曝光)控制，AF(自动聚焦)控制，区域操作等。
仍旧在这种结构中，可实现上述实施例中相同的效果。
总之，与上述实施例(参见图1，4，6A，6B和7)相关的光接收元件，图像传感器和数字照相机的结构是实例。显然地，在不偏离本发明的精神的范围内适当的修改是可能的。
例如，对于上述实施例，描述了使用CCD区域传感器作为本发明的图像传感器的情况。然而，本发明不局限于此。例如，其它固态图像传感器，例如可使用CMOS图像传感器等。在这种情况中，仍旧可实现在上述实施例中相同的效果。
此外，对于上述的实施例，描述了提供的颜色过滤层91(91’)和不可见光过滤层95(95’)与图像传感器70一体的情况。然而，本发明不局限于此。提供作为类似于颜色过滤层91(91’)(下面用可见光过滤器代表)的过滤器和作为类似于不可见光过滤层95(95’)(下面用不可见光过滤器代表)的过滤器与图像传感器70分开的模式是可能的。在这种情况下，例如可见光过滤器设置在图4或图7所示的光学单元22中的可见光的光路上的任何位置，且不可见光过滤器设置在光学单元22中的不可见光的光路上的任意位置。然而，考虑到放置到相对于成像器件50的光接收元件80的位置的简单性，如果将这些过滤器放置到成像器件50的邻近区域中是优选的。在这种情况下的可见光过滤器和不可见光过滤器的过滤器结构可通过具有图3A和3B或图6A和6B所示的相同结构的过滤器作为实例。
在这种情况下，仍可实现上述实施例中相同的效果。
另外，为第一实施例(参见图5)描述的摄像模式处理程序的处理流程也是一个实例。显然，在不偏离本发明精神的范围内的对处理步骤的修改，对处理细节的修改，去除不必要步骤，增加新步骤等是可能的。
另外，应用到第二实施例(参见图8)的画面转换信号和控制信号的时间表也是一个实例。显然地，在不偏离本发明的精神的范围内可以适当的修改。
本发明的第一方面，图像传感器包括：多个图像接收元件设置在与各自像素对应的矩阵排列中的图像传感器内部，每个光接收元件包括在前面的光接收表面以及根据接收光的光数量在图像接收表面积累的电荷；以及电荷输出部件将在多个光接收元件积累的电荷输出到图像传感器的外侧，构造图像传感器以使光入射到多个光接收元件的后面上，且多个光接收元件可根据在后面接收的光的光数量积累电荷。
根据第一方面的图像传感器，多个在其前面具有光接收表面的光接收元件，其相应于各自像素且提供在图像传感器内部的矩阵中，根据在光接收表面收到的光的光数量积累电荷，且在多个光接收元件积累的电荷通过电荷输出部件输出到图像传感器的外部。
另外，构造本发明的图像传感器使得光在多个光接收元件的后面入射，通过多个光接收元件根据在后面接收的光的光数量积累电荷。
也就是，在本发明中，根据上述结构，多个光接收元件提供在相应于各自像素的以矩阵形式的图像传感器内部并根据接收的光的光数量积累电荷，并且形成多个光接收元件以能够接收穿过其前面和后面的光。因此，通过使不同波长的光从单个图像传感器的前面和后面入射捕获不同波长的光成为可能。这里，因为使用多个光接收元件来接收从前面入射的光和从后面入射的光，所以不会导致图像灵敏度的降低、功耗和成本的增加、装置尺寸的增加。而且，在本发明中，因为可使两入射光沿各自不同的光路径在前面和后面上入射，所以也不会导致在两入射光的入射路径相同的情况下由入射光聚焦距离的不同引起的聚焦特性的退化。
这样，因为根据第一方面的图像传感器，提供在其前面具有光接收表面的多个光接收元件，其提供在相应于各自像素的矩阵图案中的图像传感器内部且根据在光接收表面接收光的光数量积累电荷，和电荷输出部件，其将积累在多个光接收元件的电荷输出到外部，形成使得光入射在多个光接收元件的后面，同时根据在后面接收的光的光数量由多个光接收元件积累电荷，在不导致成像灵敏度降低、聚焦特性退化、功耗和/或成本增加、或装置尺寸增加的情况下，可成像不同波长的光的结构。
第二方面，本发明可进一步包括：设置在多个光接收元件前面一侧的第一过滤器，第一过滤器传输预定波长的光并使预定波长的光入射在至少多个光接收元件中的一些上；设置在多个光接收元件后面一侧的第二过滤器，第二过滤器传输不同于预定波长的波长的光且使不同于预定波长的波长的光入射在至少多个光接收元件中的一些上。因此，使得具有相互不同预定波长的光可准确地入射到在多个光接收元件的前面的光接收表面以及在后面的光接收表面。
第三方面，通过在n型半导体衬底上层叠p型阱提供本发明的光接收元件，衬底的层厚度设置为能够使不同于预定波长的波长的光传输的厚度，并在p型阱形成n型区。因此，仅n型半导体衬底的层厚度不同于以往的固态成像器件，且可通过基本上与以往固态成像器件相同的制造工艺制造图像传感器。
然而，在这种情况下，n型半导体衬底的层厚度比以往的薄，结果使图像传感器的强度降低。
因此，第三方面可以像在第四方面一样，为增加强度提供有玻璃板。这样，可补偿由于n型半导体衬底层厚度的减薄导致的强度的降低。
如果可能，在第二到第四方面的任何一个中，如在第五方面中一样，预定波长可以是可见光波长且不同于预定波长的波长是不可见光的波长，预定波长也可以是不可见光的波长，且不同于预定波长的波长是可见光的波长。这样，可见光和不可见光都可成像。
第二到第五方面的任何的第一过滤器和第二过滤器，可像第六方面中的一样被构造以便预定波长的光入射的目标的光接收元件的排列位置可与不同于预定波长的波长的光的入射的目标的光接收元件的排列位置互相交替。结果，预定波长的光和不同于预定波长的波长的光可同时被成像。
第二到第五方面的第一滤波器和第二滤波器可像在第七方面中的一样，被构造以便使得传输目标的各自波长的光在所有多个光接收元件上入射。因此，通过连续交替成像预定波长的光和不同于预定波长的波长的光，可执行使用所有多个光接收元件的成像，结果可进一步改善成像灵敏度。
另外，为了实现上述目标，第八方面的数字照相机包括：第二到第七方面任意的图像传感器；允许预定波长的光入射在图像传感器前面上的前面入射部件；允许不同于预定波长的光入射到图像传感器的后面上的后面入射部件；以及控制以从图像传感器输出的电荷为基础执行摄像的控制部件。
第八方面的数字照相机配有本发明的图像传感器。使预定波长的光通过前面入射部件入射在图像传感器的前面，同时使不同于预定波长的波长的光通过后面入射部件入射在图像传感器的后面。控制部件控制以便以从图像传感器输出的电荷为基础执行摄像。
这样，根据第八方面的数字照相机，因为数字照相机包括本发明的图像传感器，同时使预定波长的光在图像传感器的前面入射，使得不同于预定波长的波长的光在图像传感器的后面入射且执行控制以便在相应于从图像传感器输出的电荷的基础上执行摄像，类似于本发明的图像传感器，在不导致成像灵敏度下降、聚焦特性退化、功耗和/或成本增加、或设备尺寸增加的情况下可成像不同波长的光。
如果传感器是第七方面的图像传感器，本发明的控制部件可以和在第九方面中的一样，执行转换以便由于前面入射部件的光的入射和由于后面入射部件的光的入射连续地交替，且执行控制以便与时间转换同步地读取相应积累在图像传感器上的电荷。这样，类似于第七方面，可进一步改善成像灵敏度。
另外，为了实现上述目标，第十方面的数字照相机包括：第一方面的图像传感器；提供在相应于图像传感器的多个光接收元件的前面一侧中的第一过滤器，传输预定波长的光且使得预定波长的光入射在至少多个光接收元件中的一些上，第二滤波器提供在相应于图像传感器的多个光接收元件的后面一侧中，传输不同于预定波长的波长的光且使得不同于预定波长的波长的光入射在至少多个光接收元件中的一些上；允许预定波长的光经由第一滤波器入射到图像传感器的前面上的前面入射部件；允许不同于预定波长的波长的经由有第二滤波器入射到图像传感器的后面上的后面入射部件；以及控制以从图像传感器输出的电荷为基础执行摄像的控制部件。
提供具有本发明图像传感器的第十方面的数字照相机。使预定波长的光经由第一滤波器通过前面入射部件入射在图像传感器的前面，其提供在相应于图像传感器的多个光接收元件的前面一侧并传输预定波长的光入射在至少多个光接收元件中的一些上。其间，使不同于预定波长的波长的光经由第二滤波器通过后面入射部件入射在图像传感器的后面，其提供在相应于图像传感器的多个光接收元件的后面一侧且传输不同于预定波长的波长的光入射在至少多个光接收元件中的一些上。控制部件控制以便以从图像传感器输出的电荷为基础执行摄像。
这样，根据第十方面的数字照相机，因为包括本发明的图像传感器，同时使预定波长的光经由第一滤波器入射在传感器的前面，使不同于预定波长的波长的光经由第二滤波器入射在图像传感器的后面且执行控制以便以从图像传感器输出的相应的电荷为基础执行摄像，类似于本发明的图像传感器，在不导致成像灵敏度下降、聚焦特性退化、功耗和/或成本增加、或装置尺寸增加的情况下可成像不同波长的光。
根据本发明，在不导致成像灵敏度下降、聚焦特性退化、功耗或成本增加、或装置尺寸增加的情况下可获得提供图像传感器和能够成像不同波长的光的数字照相机的效果。
Claims (14)
1、一种图像传感器，包括：
设置在相应于各自像素的矩阵排列中的图像传感器内的多个光接收元件，每个该光接收元件包括在前面的光接收表面并根据在该前面的光接收表面接收的光数量积累电荷；以及
将在多个该光接收元件积累的电荷输出到该图像传感器的外部的电荷输出部件，其中该图像传感器被构成为使得光入射在多个该光接收元件的后面的光接收表面上，以及
多个该光接收元件能够根据在该后面的光接收表面接收的光数量积累电荷；
设置在多个该光接收元件的前面一侧的第一过滤器，该第一过滤器传输预定波长的光并使得该预定波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上；以及
设置在多个该光接收元件的后面一侧的第二滤波器，该第二滤波器传输不同于该预定波长的波长的光并使得不同于该预定波长的波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上。
2、如权利要求1所述的图像传感器，其中通过在n型半导体衬底上层叠p型阱提供所述光接收元件，衬底的层厚度设置为能传输不同于所述预定波长的波长的光的厚度，且在该p型阱形成n型区域。
3、如权利要求2所述的图像传感器，其中为了增加强度，在所述图像传感器的后面提供玻璃板。
4、如权利要求1所述的图像传感器，其中所述预定波长可以是可见光的波长且不同于所述预定波长的波长是不可见光的波长，
所述预定波长也可以是不可见光的波长且不同于所述预定波长的波长是可见光的波长。
5、如权利要求1所述的图像传感器，其中设置所述第一滤波器和所述第二滤波器以便所述预定波长的光的入射目标的所述光接收元件的排列位置与不同于所述预定波长的波长的光的入射目标的所述光接收元件的排列位置相互交替。
6、如权利要求1所述的图像传感器，其中设置所述第一滤波器和所述第二滤波器以便使各自的传输目标的波长的光入射在所有多个所述光接收元件上。
7、一种数字照相机，包括：
图像传感器；
前面入射部件；
后面入射部件；以及
控制部件，其中
该图像传感器包括：
设置在相应于各自像素的矩阵排列中的该图像传感器内部的多个光接收元件，每个该光接收元件包括前面的光接收表面并且根据在该前面的光接收表面接收的光数量积累电荷；
将积累在多个该光接收元件的电荷输出到该图像传感器外部的电荷输出部件；
设置在多个该光接收元件的前面一侧的第一过滤器，该第一过滤器传输预定波长的光并使得该预定波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上；以及
设置在多个该光接收元件的后面一侧的第二过滤器，该第二过滤器传输不同于该预定波长的波长的光并使得不同于该预定波长的波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上，
该图像传感器被构成为使得光能入射在多个该光接收元件的后面的光接收表面上，
该图像传感器的多个该光接收元件可根据在该后面的光接收表面接收的光数量积累电荷，
该前面入射部件允许该预定波长的光入射在该图像传感器的该光接收元件的前面的光接收表面上，
该后面入射部件允许不同于该预定波长的波长的光入射在该图像传感器的该光接收元件的后面的光接收表面上，以及
该控制部件控制使得以从该图像传感器输出的电荷为基础执行摄像。
8、如权利要求7所述的数字照相机，其中通过在n型半导体衬底上层叠p型阱提供所述光接收元件，衬底的层厚度被设置为能传输不同于所述预定波长的波长的光的厚度，且在该p型阱形成n型区域。
9、如权利要求8所述的数字照相机，其中为增加强度，在所述图像传感器的后面提供玻璃板。
10、如权利要求7所述的数字照相机，其中
所述预定波长可以是可见光的波长且不同于所述预定波长的波长是不可见光的波长，
所述预定波长也可以是不可见光的波长且不同于所述预定波长的波长是可见光的波长。
11、如权利要求7所述的数字照相机，其中所述第一滤波器和所述第二滤波器被构成为以便所述预定波长的光的入射目标的所述光接收元件的排列位置与不同于所述预定波长的波长的光的入射目标的所述光接收元件的排列位置相互交替。
12、如权利要求7所述的数字照相机，其中所述第一滤波器和所述第二滤波器被构成为以便使各自的传输目标的波长的光在所有多个所述光接收元件入射。
13、如权利要求12所述的数字照相机，其中所述控制部件执行转换以便由所述前面入射部件入射的光和由所述后面入射部件入射的光连续地交替，且执行控制以便与时间转换同步读取相应地积累在所述图像传感器的电荷。
14、一种数字照相机，包括：
图像传感器；
第一滤波器；
第二滤波器；
前面入射部件；
后面入射部件；以及
控制部件，其中
该图像传感器包括：
设置在相应于各自像素的矩阵排列中的该图像传感器内部的多个光接收元件，每个该光接收元件包括在前面的光接收表面并且根据在该前面的光接收表面接收到的光数量积累电荷；以及
将积累在多个该光接收元件上的电荷输出到该图像传感器外部的电荷输出部件，
该图像传感器被构成为使得光入射在多个该光接收元件的后面的光接收表面上，
该图像传感器的多个该光接收元件可根据在该后面的光接收表面接收的光数量积累电荷，
相应于该图像传感器的多个该光接收元件的前面一侧提供第一滤波器，传输预定波长的光并使得该预定波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上，
相应于该图像传感器的多个该光接收元件后面一侧提供第二滤波器，传输不同于该预定波长的波长的光且使得不同于该预定波长的波长的光入射在至少多个该光接收元件中的一些上，
该前面入射部件允许该预定波长的光经由该第一滤波器入射在该图像传感器的该光接收元件的前面的光接收表面上，
该后面入射部件允许不同于该预定波长的波长的光经由该第二滤波器入射在该图像传感器的该光接收元件的后面的光接收表面上，且
该控制部件控制以便以从该图像传感器输出的电荷为基础执行摄像。
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