CN101083274A - 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(10)，其包括固态成像器件(40)和彩色滤光器(16)，该彩色滤光器(16)由第一彩色滤光器即第一滤光器(16a)和第二彩色滤光器即第二滤光器(16b)构成。固态成像器件(40)将入射到其表面即第一面(S1)的光光电转换，以由此捕获要成像的物体的图像。设置在固态成像器件(40)的表面(S1)上的是第一彩色滤光器(16a)和第二彩色滤光器(16b)。第一彩色滤光器(16a)是允许第一波长带的光选择性通过其传输的滤光器；第二彩色滤光器(16b)是允许相对于第一波长带在较长波长侧的第二波长带的光选择性通过其传输的滤光器。

Description

固态成像装置、成像方法以及成像系统
技术领域
本发明涉及一种固态成像装置，以及一种成像方法和使用该方法的成像系统。
背景技术
作为常规固态成像装置，例如在日本专利特开No.2000-217803中已经公开了一种装置。该文献中描述的固态成像装置提供有很多两维设置的光接收单元，并捕获与预定表面接触的手指的指纹图像。除了日本专利特开No.2000-217803之外，涉及到本发明现有技术的技术文献还包括日本专利特开No.2004-234040。
本发明人已经意识到如下问题。在日本专利特开No.2000-217803的固态成像装置中，尽管能成像将被成像物体表面上的要素(例如，手指的指纹)成像，但是不能将被成像物体内部的要素(例如，手指的血管)成像。
发明内容
根据本发明的固态成像装置包括：固态成像器件，其具有入射光的第一面，并将光转换成图像信息；和被设置在固态成像器件第一面上的滤光器，其中，滤光器仅由第一滤光器构成，以使第一波长带的光通过其传输；和第二滤光器，以使第二波长带的光通过其传输，所述第一波长带的光不同于所述第二波长带的光。
该固态成像装置包括第一和第二滤光器，其使得不同波长带的光选择性地通过其传输。结果，通过较短波长的光获得的图像(第一图像)，即通过第一滤光器传输的光，含有关于要成像的物体表面要素的基本信息量。同时，通过较长波长的光获得的图像(第二图像)，即通过第二滤光器传输的光，含有关于要成像的物体内部要素的信息以及关于表面要素的信息。因此，当计算第一图像和第二图像之间的差值时，就能获得要成像的物体的内部要素的图像。
根据本发明的成像方法包括：从物体接收第一波长带的光以由此产生第一信息；从该物体接收第二波长带的光，以由此产生第二信息；以及获得该第一信息和第二信息之间的差值。
该成像方法中，使用本发明的固态成像装置，获得该第一和第二图像。而且，获得了这些图像之间的差别图像。结果，能获得要成像的物体内部要素的清晰图像。
根据本发明的成像系统包括：固态成像装置；和差值计算单元，其计算第一图像和第二图像之间的差值，该第一图像是通过传输经过第一滤光器并之后进入第一面的第一波长带的光获得的要成像的物体的图像，第二图像是通过传输通过第二滤光器并之后进入第一面的第二波长带的光而获得的要成像的物体的图像。
该成像系统被提供有本发明的固态成像装置和差值计算装置。因此，第一和第二图像能通过该固态成像装置获得，而在这些图像之间的差值图像能通过该差值计算装置获得。结果，能获得要成像的物体内部要素的清晰图像。
根据本发明，能实现能够获得要成像的物体内部要素的清晰图像的固态成像装置、成像方法和成像系统。
附图说明
结合附图、根据以下某些优选实施例的描述，本发明的上述和其他目的、优点和特征将更加明显，附图中：
图1是示出根据本发明成像系统的一个实施例的框图；
图2是示出根据本发明的固态成像装置的一个实施例的截面图；
图3是示出图2的固态成像装置的平面图；
图4是用于说明根据本发明成像方法的一个实施例的平面图；
图5是用于说明第一和第二图像以及其间的差值图像的图；
图6是示出根据该实施例变化的固态成像装置的平面图；
图7是用于说明使用图6的固态成像装置的成像方法实例的平面图；以及
图8是示出根据本发明实施例的另一变化的固态成像装置的截面图。
具体实施方式
在此，现在将参考示意性实施例描述本发明。本领域技术人员将意识到使用本发明的教导能实现很多替换实施例，并且本发明不限于出于说明目示出的这些实施例。在说明附图的过程中，将相同的参考数字用于相同的部件，且省略其重复说明。
图1示出了根据本发明成像系统一个实施例的框图。成像系统1包括固态成像装置10和差值计算单元20。差值计算单元20是用于计算第一和第二图像之间的差值图像的差值计算装置。稍后将描述该第一和第二图像。差值计算单元20例如是计算机终端。
图2是示出作为根据本发明的固态成像装置的一个实例的固态成像装置10的截面图。而且，图3是示出固态成像装置10的平面图。沿着图3中的线II-II的截面图与图2对应。
固态成像装置10包括固态成像器件40和彩色滤光器16，该彩色滤光器16由第一彩色滤光器16a(第一滤光器)和第二彩色滤光器16b(第二滤光器)构成。固态成像器件40具有半导体衬底12和形成于其上的互联层30。根据本实施例，半导体衬底12是p型硅衬底。互联(未示出)形成于互联层30中。固态成像器件40光电转换入射到其表面S1(第一面)的光，以由此获得要成像的物体的图像。在此，固态成像器件40的面S1等于互联层30的表面。
在半导体衬底12中形成多个光接收单元14。更具体地，光接收单元14被设置在半导体衬底12的表面层中。根据本实施例，光接收单元14是n型杂质扩散层。光接收单元14连同相邻的半导体衬底12构成光电二极管。
在固态成像器件40的面S1上设置的是由第一彩色滤光器16a和第二彩色滤光器16b构成的彩色滤光器16。第一彩色滤光器16a是允许第一波长带的光选择性地通过其传输的彩色滤光器；第二彩色滤光器16b是允许相对于第一波长带在较长波长侧的第二波长带的光选择性地通过其传输的彩色滤光器。根据本实施例，第一波长带的光是蓝光；第二波长带的光是红光。
根据本实施例，如图3中所示，第一彩色滤光器16a和第二彩色滤光器16b以规则形状设置在平面图中，且更具体地，以对角线格子图形设置。在此，表述“以对角线格子图形的设置”意思是第一彩色滤光器16a和第二彩色滤光器16b被纵向和横向地交替设置，一片第一彩色滤光器16a与一片第二彩色滤光器16b相邻。因此，第一彩色滤光器16a和第二彩色滤光器16b每一个都被分布在面1上的多个部分中。
光接收单元14包括位于第一彩色滤光器16a下方的光接收单元14a(第一光接收单元)，和位于第二彩色滤光器16b下方的光接收单元14b(第二光接收单元)。在其中设置了第一彩色滤光器16a的每个部分中，设置了一个或多个光接收单元14a。相似地，在其中设置了第二彩色滤光器16b的每个部分中，设置了一个或多个光接收单元14b。
固态成像装置10进一步提供有光源42a(第一光源)和光源42b(第二光源)。这些光源42a和42b被设置成接近于固态成像器件40。光源42a是产生第一波长带的光的光源；光源42b是产生第二波长带的光的光源。即，根据本实施例，光源42a和42b分别是蓝光源和红光源。然而，光源42a和42b可以都是白光源。
作为根据本发明的成像方法的一个实例，将参考图4描述成像系统1的示范性操作。参考图4，作为要成像的物体的手指30与固态成像装置10的表面(与第一彩色滤光器16a和第二彩色滤光器16b的表面)接触。当来自光源42a和42b的光进入到手指90中时，通过其传输的光进入固态成像器件40的面S1中。
然后，在其中设置了第二彩色滤光器16b的部分中，具有较长波长的红光通过其传输，且由此获得了在指纹图像和血管图像之间具有小信号差值的图像。因此，如图5中左图中所示，获得了指纹92和血管94的图像(第二图像)96。该图像是通过通过第二彩色滤光器16b传输并之后进入面1中的红光获得的要成像的物体的图像。同时，在其中设置了第一彩色滤光器16a的部分中，具有较短波长的蓝光通过其传输，并由此获得了在指纹图像和血管图像之间具有较大的小信号差值的图像。因此，如图5的中心图中所示，获得了指纹92和血管94的图像(第一图像)98。该图像是通过通过第一彩色滤光器16a传输且之后进入面1的蓝光获得的要成像的物体的图像。
以这种方式，使用固态成像装置10，获得第一和第二图像。之后，由差值计算单元20计算作为这些图像之间差值的差值图像100。在本实施例中，如图5右图中所示，该差值图像100与血管94的图像对应。注意，当对于该实施例要成像的物体是手指时，则第一彩色滤光器16a之间的间隔和第二彩色滤光器16b之间的间隔(该间隔都是图2中的间隔d1)必须都小于手指指纹中凹进和凸起之间的间隔。
将描述本实施例的有利效果。根据本实施例，提供了第一彩色滤光器16a和第二彩色滤光器16b，其允许不同波长带的光能被选择性传输。因此，通过具有较短波长的光(即传输通过第一彩色滤光器16a的光)获得的图像(第一图像)98含有关于要成像的物体的表面要素的很多信息。同时，通过具有较长波长的光(即通过第二彩色滤光器16b传输的光)获得的图像(第二图像)96含有关于要成像的物体内部要素以及其表面要素的信息。因此，当计算第一图像98和第二图像96之间的差值时，能获得将要成像的物体内部要素的清晰图像。当对于上述示例要成像的物体是手指时，能获得作为内部要素的手指血管的图像，并由此能通过成像系统1进行血管验证。此外，通过本实施例，能同时获得指纹和血管图像。
光接收单元14包括位于其中设置了第一彩色滤光器16a的部分下方的光接收单元14a，和位于其中设置了第二彩色滤光器16b的部分下方的光接收单元14b。因此，来自要成像的物体的光，传输通过第一彩色滤光器16a，被光接收单元14a接收，且同时，来自要成像的物体的光，传输通过第二彩色滤光器16b，被光接收单元14b接收，由此能以高灵敏度获得第一和第二图像。
当多个光接收单元14a被设置在其中设置了第一彩色滤光器16a的相应部分中，且同时多个光接收单元14b被设置在其中设置了第二彩色滤光器16b的相应部分中时，于是能够以高灵敏度获得第一和第二图像。
第一彩色滤光器16a和第二彩色滤光器16b在平面图中以对角线格子(diagonal lattice)图形设置。因此，当要成像的物体处于静态条件下时，同样，能正确地获得第一和第二图像。
在日本专利特开No.2004-234040中，已经描述了一种单独验证装置，其中红外滤光器设置在作为要成像的物体的手指和图像传感器之间。然而，不提供传输不同波长带的光的多个滤光器。由此，在该文献的单独验证装置中，不可以适当地捕获指纹和血管的图像。而且，不能消除噪声(在捕获血管图像时的指纹图像)。相反，根据本实施例，如图5中所示的，通过计算指纹和血管的图像和指纹图像之间的差值获得血管图像。因此，当计算其间的差值时，能自然地消除噪音。
根据本发明的固态成像装置、成像方法和成像系统不限于上述实施例，也可以是各种变形。例如，在上述实施例中，示出了其中第一彩色滤光器16a和第二彩色滤光器16b以对角线格子图形设置的实例。然而，第一彩色滤光器16a和第二彩色滤光器16b如图6中所示可以以狭缝图形设置。在此，表述“以狭缝图形设置”意思是第一彩色滤光器16a的线和第二彩色滤光器16b的线交替设置。这种情况下，优选在使要成像的物体在面S1的表面内(intra-surface)的方向上移动的同时进行成像。图7示出了其中作为要成像的物体的手指90在垂直于狭缝纵向方向的方向(图7中的垂直方向)上移动的同时进行成像的方式。由于在要成像的物体移动的同时进行成像，因此即使当成像区域(其中设置了光接收单元14a和14b的区域)小时，也能获得大部分要成像的物体的图像。这有助于较小的成像区域，和甚至整个固态成像装置尺寸更小。在图2和3中示出的固态成像装置10中，同样，可以在要成像的物体移动的同时进行成像。
在上述实施例中，作为第一波长带的光和第二波长带的光的实例，分别示出了蓝光和红光。然而，光组合不限于此，另一种组合也是可能的，例如：具有波长接近蓝光的光和具有波长接近红光的光；绿光和红光；或者绿光和近红外光。
而且，在上述实施例中，作为实例示出了p型半导体衬底和n型光接收单元，但是n型半导体衬底和p型光接收单元也是可以的。而且，作为实例示出了前面入射型固态成像装置，但是背面入射型固态成像装置也是可以的，如图8中所示。参考图8，固态成像装置40的背面S2是该第一面。更具体地，在图8中的固态成像装置40中，入射到背面S2的光被光电转换以获得物体图像。在此，固态成像装置40的背面S2等同于半导体衬底12的背面。而且，本发明可用于CCD(电荷耦合器件)型固态成像装置。
明显的是，本发明不限于上述实施例，而是可对其进行修改和变化而不超出本发明的范围和精神。

Claims (18)

1.一种固态成像装置，包括：
固态成像器件，其具有入射光的第一面，并把光转换成图像信息；和
滤光器，其被设置在该固态成像器件的第一面上，
其中该滤光器仅包括：
第一滤光器，其允许第一波长带的光通过其传输；和
第二滤光器，其允许第二波长带的光通过其传输，所述第一波长带的光不同于所述第二波长带的光。
2.如权利要求1的固态成像装置，其中该第一波长带的光是蓝光，而该第二波长带的光是红光。
3.如权利要求1的固态成像装置，进一步包括：
第一光源，其产生该第一波长带的光；和
第二光源，其产生该第二波长带的光。
4.如权利要求3的固态成像装置，其中该第一和第二光源被设置成接近该固态成像器件。
5.如权利要求1的固态成像装置，
其中该固态成像器件具有半导体衬底和被设置在该半导体衬底中的光接收单元，和
其中该光接收单元包括：位于该第一滤光器下方的第一光接收单元；和位于该第二滤光器下方的第二光接收单元。
6.如权利要求5的固态成像装置，
其中提供多个该第一光接收单元和多个该第二光接收单元。
7.如权利要求5的固态成像装置，
其中该第一和第二滤光器每一个都分布在该第一面上的多个部分中，
其中该多个第一光接收单元被设置在其中分布了该第一滤光器的各部分中，和
其中该多个第二光接收单元被设置在其中分布了该第二滤光器的各部分中。
8.如权利要求1的固态成像装置，
其中该第一和第二滤光器在平面视图中以规则图形设置。
9.如权利要求8的固态成像装置，
其中该第一和第二滤光器在平面视图中以对角线格子图形设置。
10.如权利要求8的固态成像装置，
其中该第一和第二滤光器在平面视图中以狭缝图形设置。
11.如权利要求1的固态成像装置，
其中要成像的物体是手指，和
其中该第一滤光器之间的间隔和该第二滤光器之间的间隔都小于手指指纹中凹进和凸起之间的间隔。
12.一种固态成像装置，包括：
固态成像器件，其具有光入射的第一面并被构成为用于检测手指的指纹和血管中至少其一；和
滤光器，其被提供在该固态成像器件的第一面上，以允许第一和第二波长带的光通过其传输。
13.如权利要求12的固态成像装置，其中该第一波长带的光是蓝光，而该第二波长带的光是红光。
14.一种成像方法，包括：通过使用如权利要求1的固态成像装置获得第一图像，该第一图像是通过传输通过第一滤光器且之后进入到该第一面中的第一波长带的光而获得的要成像的物体的图像。
15.一种成像方法，其包括：通过使用如权利要求1的固态成像装置获得第二图像，该第二图像是通过传输通过第二滤光器并且之后进入第一面的第二波长带的光获得的要成像的物体的图像。
16.一种对物体成像的方法，包括：
接收来自该物体的第一波长带的光以由此产生第一信息；
接收来自该物体的第二波长带的光以由此产生第二信息；和
获得第一信息和第二信息之间的差值。
17.如权利要求16的成像方法，
其中在接收第一和第二信息的步骤中，在该物体在第一波长带的光入射的第一面的表面内方向上移动的同时，进行成像。
18.如权利要求16的成像方法，
其中该物体是手指，和
其中该差值图像与手指血管的图像对应。
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