CN101055884A - 固态成像装置,成像方法以及成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种固态成像装置，包括半导体衬底，光接收部分，以及间隔物。该固态成像装置对来自被摄对象并入射到该半导体衬底中配置的光接收部分中的光入射表面上的光进行光电转换，从而根据通过该光电转换生成的电荷量来获取要被成像的对象的图像。在该光入射表面的一部分上配置有间隔物。该间隔物防止要被成像的对象与该光入射表面接触。
Description
本申请基于日本专利申请No.2006-108812，其内容通过引用在这里被并入本文。
技术领域
本发明涉及一种固态成像装置，以及采用该固态成像装置的成像方法和成像系统。
背景技术
迄今为止开发出来的固态成像装置包括日本特开专利公开No.2000-217803(专利文件1)中披露的固态成像装置。根据该文件的固态成像装置包括二维对准光接收部分，用于由此获取与预定接触表面相接触的指纹的图像。除了上面引用的文献，与本发明相关的现有技术文献包括日本特开专利公开No.2004-134514(专利文件2)。
发明内容
但是，虽然根据该专利文件1的固态成像装置能够获取要被成像的对象的表面要素(例如，手指的指纹)的图像，该成像装置几乎不能获取要被成像的对象的内部要素(例如，手指的静脉)的图像。
根据本发明，提供了一种固态成像装置，其具有光入射表面，用于接收从要被成像的对象入射的光，包括：半导体衬底；该半导体衬底中配置的光接收部分；以及在光入射表面的一部分上配置的间隔物，用于防止要被成像的对象与光入射表面接触；其中该间隔物从要被成像的对象透射光；以及在该半导体衬底中对从要被成像的对象入射到光入射表面上的光进行光电转换，使得该光接收部分接收通过该光电转换而产生的电荷，从而获取要被成像的对象的图像。
这样构成的固态成像装置包括间隔物。因此，由来自配置有该间隔物的区域的光(即穿过该间隔物的光)提供的图像(第一图像)主要地包括被配置为与该间隔物接触的要被成像的对象的表面要素的信息。另一方面，由来自没有配置该间隔物的区域的光(即没有穿过该间隔物的光)提供的图像(第二图像)除了包括表面要素的信息之外，还包括要被成像的对象的内部要素的信息。获取该第一图像与第二图像之间的差，从而获取要被成像的内部要素的清晰图像。
根据本发明，提供了一种成像方法，包括：通过该固态成像装置，获取由穿过该间隔物透射而入射到该光入射表面上的光提供的要被成像的对象的第一图像，以及由没有透射穿过该间隔物而入射到该光入射表面上的光提供的要被成像的对象的第二图像；以及获取该第一图像和第二图像之间的差别图像。
通过这样安排的成像方法，采用了根据本发明的固态成像装置来获取第一和第二图像。并获取这些图像之间的差别图像。该方法能够获取要被成像的对象的内部要素的清晰图像。
根据本发明，提供了一种成像系统，包括：固态成像装置；以及差别计算单元，用于获取要被成像的对象的第一图像与所述要被成像的对象的第二图像之间的差别图像，其中该第一图像是通过穿过所述间隔物透射由此入射到所述光入射表面上的所述光提供的，该第二图像是通过未穿过所述间隔物透射且入射到所述光入射表面上的所述光提供的。
这样构成的成像系统包括根据本发明的固态成像装置，以及差别计算单元。该结构能够通过该固态成像装置来获取第一和第二图像，以及通过该差别计算单元来获得这些图像之间的差别图像。因此，该成像系统提供了要被成像的对象的内部要素的清晰图像。
这样，本发明配置了一种固态成像装置，成像方法以及成像系统，它们提供了要被成像的对象的内部要素的清晰图像。
附图说明
本发明的上述和其他目标，优点和特征将会通过下面参照附图的说明而变得更加清晰，其中：
图1示出了显示根据本发明实施例的成像系统的结构的方框图；
图2示出了根据本发明实施例的固态成像装置的横截面图；
图3示出了显示图2的固态成像装置的平面图；
图4示出了用于说明根据本发明实施例的成像方法的平面图；
图5A和5B示出了在图像获取期间光入射表面上的状态的横截面图；
图6示出了用于说明第一和第二图像，以及它们之间的差别图像的图；
图7示出了显示根据该实施例的固态成像装置的变化的平面图；
图8示出了利用图7的固态成像装置的成像方法的平面图；以及
图9示出了根据该实施例的固态成像装置的另一个变化的横截面图。
具体实施方式
现在将参照说明性实施例来描述本发明。本领域内的技术人员可以认识到的是，通过使用本发明的教导可以实现许多变化实施例，并且本发明并不仅限于用于说明目的的这些实施例。
下文中，将参照附图来详细的描述根据本发明的固态成像装置，成像方法以及成像系统的典型实施例。在附图中，相同的构件用相同的数字表示，并且不会重复它的说明。
图1示出了根据本发明实施例的成像系统的结构的方框图。该成像系统1包括固态成像装置10，以及差别计算单元20。该差别计算单元20用于获取第一图像和第二图像之间的差别图像。该第一和第二图像将在后面说明。该差别计算单元20为例如计算机终端。
图2为固态成像装置10的横截面图，其中该固态成像装置10为根据本发明的固态成像装置的实施例。图3为显示固态成像装置10的平面图。沿着图3的线II-II获得的横截面对应于图2。
该固态成像装置10包括半导体衬底12、光接收部分14、以及间隔物16。在该实施例中，该半导体衬底12为P型硅衬底。该固态成像装置10对从要被成像的对象入射到光入射表面S1(在该实施例中，对应于将在后面描述的互连层30的表面)上的光进行光电转换，所述光入射表面S1位于配置在该半导体衬底12中的光接收部分14中，从而根据通过该光电转换而生成的电荷量值来获取要被成像的对象的图像。
该半导体衬底12包括多个光接收部分14。更具体地说，在半导体衬底12的前表面(与互连层30同侧)上的表面层中配置该光接收部分14。在该实施例中，该光接收部分14为N型杂质扩散层。该光接收部分14与位于附近的半导体衬底12配合地构成了一个光电二极管。
在光入射表面S1的一部分上配置有间隔物16。该间隔物16防止要被成像的对象与光入射表面S1接触。只要材料能够传递来自要被成像的对象的光，则该间隔物16可以由树脂薄膜或永久性抗蚀膜构成。优选地，该间隔物16的透光率为50％或更高。
还有，优选的是，该间隔物16的厚度h1为10μm-250μm，并且更优选的为大约100μm。当间隔物16之间的间隔d1被定义为1时，该间隔物16的厚度h1优选地在0.02-0.5的范围之内。
在该实施例中，从图3中可以清楚地看到，该间隔物16被有规则地排列，更具体地就是在平面图中排列为方格棋盘形状。因此，配置有间隔物16的区域以及未配置有间隔物16的区域分别在光入射表面S1上被划分为多个部分。
该光接收部分14包括光接收部分14a(第一光接收部分)，其位于配置有间隔物16的区域的下面；以及光接收部分14b(第二光接收部分)，其位于没有配置间隔物16的区域的下面。配置了多个光接收部分14a，14b。更具体地说，在配置了间隔物16的每个部分中都配置了多个光接收部分14a(图3中的空白方块)，以及在没有配置间隔物16的每个部分中都配置了多个光接收部分14b(图3中的阴影方块)。
在该半导体衬底12上形成了互连层(包括互连的绝缘层)30。该互连层30包括未示出的互连。
参照图4，下面将描述该成像系统1的操作，作为根据本发明的成像方法的实施例。在图4中，手指90就是要被成像的对象，将其与固态成像装置10的表面——更严格地说是间隔物16的表面——相接触。这里，虽然手指90与间隔物16接触，但保持该手指90不与没有配置间隔物16的光入射表面S1上的区域相接触。当来自光源例如荧光灯或LED的光照射该手指90时，通过手指90传递的光入射在光入射表面S1上。优选地，该光为近红外光或红外光，但是也可以采用可见光。
在这一阶段，如图5A中所示，在没有配置间隔物16的区域中，在手指90与光反射表面S1之间有空气层82。另一方面，如图5B所示，在配置了间隔物16的区域中，手指90与间隔物16直接接触。因此，如图6中的左侧所示，在前者区域中，获取了指纹92和静脉94的图像(第二图像)。也就是说，在没有配置间隔物16的区域中，由于在指纹90与固态成像装置10之间存在空气层82，因此获取了包括如下信号的图像，其中表示指纹图像的信号与表示静脉图像的信号之间在强度上没有显著不同。相反，如图6中的中央所示，在后者区域中，获取了指纹92的图像(第一图像)。也就是说，该第一图像就是由穿过间隔物16入射在光入射表面S1上的光提供的要被成像的对象的图像，而第二图像就是由没有穿过间隔物16的入射在光入射表面S1上的光提供的要被成像的对象的图像。
这样该固态成像装置10就得到了第一和第二图像。接着，该差别计算单元20获得了这些图象的差别图像。在该实施例中，该差别图像相应于由图6的右侧说明表示的静脉94的图像。
上面的实施例具有如下的有益效果。在该实施例中，该固态成像装置10包括间隔物16。因此，由来自配置了间隔物16的区域的光——即穿过间隔物16的光——提供的图像(第一图像)主要地包括与间隔物16接触的要被成像的对象的表面要素的信息。另一方面，由来自没有配置间隔物16的区域的光——即没有穿过间隔物16的光——提供的图像(第二图像)除了包括表面要素的信息以外，还包括要被成像的对象的内部要素的信息。因此，获取第一图像和第二图像之间的差就能够获取要被成像的对象的内部要素的清晰图像。在如上面实施例中所示，要被成像的对象为手指的情况下，能够获取手指的静脉的图像作为内部要素，这就使得能够利用该成像系统1来执行静脉识别。
该光接收部分14包括位于配置了间隔物16的区域之下的光接收部分14a，以及位于没有配置间隔物16的区域之下的光接收部分14b。这种结构允许通过光接收部分14a来接收来自要被成像的对象并穿过间隔物16的光，以及通过光接收部分14b来接收来自要被成像的对象且没有穿过间隔物16的光，从而以高灵敏度获取第一和第二图像。
在配置了间隔物16的每个部分中都配置有多个光接收部分14a，并且在没有配置间隔物16的每个部分中配置有多个光接收部分14b。这种排列允许以高分辨率获取第一和第二图像。
该间隔物16在平面图中排列为方格棋盘形状。这种排列允许恰当地获取该第一和第二图像，即使要被成像的对象保持静止。
形成厚度为10μm或更大的间隔物16，其进一步保证该手指，就是要被成像的对象，不与光入射表面S1接触。这也就是间隔物16的厚度相对于间隔d1的比为0.02或更大的情况。形成厚度为250μm或更小的间隔物16有利于生产该间隔物16，同时防止散焦。这在当间隔物16的厚度相对于间隔d1的比为0.5或更小时采用。
同时，该专利文档2披露了一种固态成像装置，其中包括位于半导体衬底背面上的光屏蔽层，从而用于接收背面侧的光。该固态成像装置对通过形成在光屏蔽层上的开口入射的光进行检测。该光屏蔽层的作用就是阻挡来自要被成像的对象的光，并且因此与用于传输光的间隔物16具有不同的特性。
根据本发明的固态成像装置，成像方法以及成像系统并不仅限于上面的实施例，并且可以按照各种方式进行修改。对于引用的少许几个例子，虽然该间隔物16在该实施例中被排列为方格棋盘形状，但是该间隔物16也可以排列为如图7中所示的窄缝图案。在这种情况下，优选的就是沿光入射表面的面内方向上移动要被成像的对象并同时获取图像。图8说明了在图像获取期间在与窄缝的纵向方向相垂直的方向(即，图8中的上下方向)上移动要被成像的对象，即手指90的成像方法。即使该成像区域(配置了光接收部分14a和14b的区域)很小时，在图像获取期间移动要被成像的对象也可以允许获取要被成像的对象的更宽面积的图像。这在降低成像区域大小方面是很有益处的，并且从而降低了该固态成像装置的整体尺寸。这里，也可以在通过图2和3中所示的固态成像装置10获取图像期间移动该要被成像的对象。
还有，虽然该固态成像装置10包括P型半导体衬底以及N型光接收部分，但是该半导体衬底可以为N型并且该光接收部分可以为P型。进一步，虽然该固态成像装置10在前表面侧接收光，但是如图9所示，可以在背面侧接收该光。在图9中，该半导体衬底12的背面被用作光入射表面S1。还是进一步，本发明也可以被用于电荷耦合装置(CCD)类型的固态成像装置。
很清楚的是，本发明并不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的范畴和精神的情况下可以进行修改和改变。
Claims (17)
1.一种固态成像装置，其具有光入射表面，用于接收从要被成像的对象入射的光，包括：
半导体衬底；
在所述半导体衬底中配置的光接收部分；以及
在所述光入射表面的一部分上配置的间隔物，以防止所述要被成像的对象与所述光入射表面接触；
其中所述间隔物透射来自所述要被成像的对象的所述光；以及
在所述半导体衬底中，对从所述要被成像的对象入射到所述光入射表面上的光进行光电转换，使得所述光接收部分接收由所述光电转换而产生的电荷，从而获取所述要被成像的对象的图像。
2.根据权利要求1的固态成像装置，
其中所述光接收部分包括第一光接收部分，其位于配置了所述间隔物的区域之下，以及第二光接收部分，其位于没有配置所述间隔物的区域之下。
3.根据权利要求2的固态成像装置，
其中配置了多个所述第一光接收部分和多个所述第二光接收部分。
4.根据权利要求2的固态成像装置，
其中配置了所述间隔物的所述区域以及没有配置所述间隔物的所述区域在所述光入射表面上被分别分割为多个部分；
在配置有所述间隔物的所述区域的每个部分中配置多个所述第一光接收部分；以及
在没有配置所述间隔物的所述区域的每个部分中配置多个所述第二光接收部分。
5.根据权利要求1的固态成像装置，
其中所述间隔物在平面图内规则地排列。
6.根据权利要求5的固态成像装置，
其中所述间隔物在平面图内被排列为方格棋盘图案。
7.根据权利要求5的固态成像装置，
其中所述间隔物在平面图内被排列为窄缝图案。
8.根据权利要求1的固态成像装置，
其中所述要成像的对象为手指；以及
所述各间隔物之间的间隔小于所述手指的宽度。
9.根据权利要求1的固态成像装置，
其中当所述各间隔物之间的间隔被定义为1时，所述间隔物的厚度为0.02至0.5。
10.根据权利要求1的固态成像装置，
其中所述间隔物的厚度为10μm至250μm。
11.一种成像方法，包括：
通过根据权利要求1的所述固态成像装置来获取所述要被成像的对象的第一图像，该第一图像是通过穿过所述间隔物透射由此入射到所述光入射表面上的所述光提供的。
12.一种成像方法，包括：
通过根据权利要求1的所述固态成像装置来获取所述要被成像的对象的第二图像，该第二图像是通过未穿过所述间隔物透射且入射到所述光入射表面上的所述光提供的。
13.一种成像方法，包括：
通过根据权利要求1的所述固态成像装置来获取：由穿过所述间隔物透射由此入射到所述光入射表面上的所述光提供的所述要被成像的对象的第一图像，以及由未穿过所述间隔物透射且入射到所述光入射表面上的所述光提供的所述要被成像的对象的第二图像；以及
获取该所述第一图像和所述第二图像之间的差别图像。
14.根据权利要求13的成像方法，
其中所述获取所述第一和所述第二图像的步骤包括：利用如下方式拍摄所述要被成像的对象，所述方式是配置要被成像的对象与所述间隔物接触，但不与没有配置所述间隔物的所述光入射表面上的区域接触。
15.根据权利要求13的成像方法，
其中所述获取所述第一和所述第二图像的步骤包括：利用如下方式拍摄所述要被成像的对象，所述方式是通过沿所述光入射表面的面内方向上移动所述要被成像的对象。
16.根据权利要求13的成像方法，
其中所述要成像的对象为手指；以及
所述差别图像对应于所述手指的静脉的图像。
17.一种成像系统，包括：
根据权利要求1的所述固态成像装置；以及
差别计算单元，用于获取要被成像的对象的第一图像与所述要被成像的对象的第二图像之间的差别图像，其中该第一图像是通过穿过所述间隔物透射由此入射到所述光入射表面上的所述光提供的，该第二图像是通过未穿过所述间隔物透射且入射到所述光入射表面上的所述光提供的。
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Owner name: RENESAS ELECTRONICS CORPORATION Free format text: FORMER NAME: NEC CORP. |
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Granted publication date: 20091111 Termination date: 20140409 |