CN101393923B - 一种高宽容度液晶选通电荷耦合器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的光电成像系统高宽容度液晶选通电荷耦合器件及制备方法，电荷耦合器件包括从上往下依次设置的二向色滤光片、红外吸收滤镜、控制线和微型信号线及通过隔膜隔断的多个液晶单元构成的液晶层、相位板及其两侧的低通滤镜、硅衬底层和下面设置的SiO₂氧化层与多个金属铝栅电极，微型信号线与对应的液晶单元单向连接，液晶单元、P型硅单元和金属铝栅电极一一对应，液晶单元的上下表面分别近贴一片偏振方向相互垂直的线偏振薄膜。在硅衬底下表面生长SiO₂氧化层并形成金属铝栅电极，硅衬底的上表面依次近贴各功能层，制得高宽容度液晶选通电荷耦合器件，本发明用于民用成像系统，大幅度提高该成像系统的宽容度，实现高质量成像。

Description

一种高宽容度液晶选通电荷耦合器件及其制备方法

技术领域

本发明属于光电成像技术领域，涉及一种用于光电成像系统的器件，具体涉及一种光电成像系统高宽容度液晶选通电荷耦合器件，本发明还涉及该高宽容度液晶选通电荷耦合器件的制备方法。

背景技术

胶片相机与数字光电成像系统的感光材料(器件)都涉及到宽容度。成像系统的宽容度是指感光材料按比例正确记录景物亮度范围的能力，通常也称为曝光宽容度。

数字光电成像系统包括数字摄像机、数字照相机及其它数字光电成像设备。广泛应用于科研、工控和民用领域。随着CCD(Charge Coupled Device)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等记录图像的光电成像芯片加工工艺和模拟、数字信号处理技术的发展，目前，部分高端数字单镜头反光照相机(如佳能EOS-1Ds Mark III)的宽容度动态范围的曝光值已达到8EV，与传统胶片的宽容度基本相当，但该宽容度固定不变，不能实现无级调节，且无法满足特殊环境下对宽容度动态范围的要求。

目前，通过改变成像芯片上象素点的排列方式和增大单个象素点的尺寸等方法提高成像系统宽容度动态范围。富士、佳能、Foveon公司在这些方面都有较深入的研究并取得较好的效果。但以上方法，对象素点密度的提高有较大的制约性，不能轻易实现象素点的高度集成，且现有动态范围可调的数字照相机都是对CCD所采集的数据进行再处理，但在物理层上，CCD宽容度是一个固定值，无法人工干预。不能像胶片一样仅改变胶片的型号即可实现宽容度和色彩过渡的改变，以方便画面的创意。而且现在使用的民用照相机感光度的最低值一般为ISO50，不便于进行类似长曝光等方式的创意摄影。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电成像系统高宽容度液晶选通电荷耦合器件，用于民用成像系统，可通过人工干预改变数字成像系统物理层的宽容度动态范围，实现民用成像系统宽容度和色彩过渡的改变。

本发明的另一目的是提供一种上述高宽容度液晶选通电荷耦合器件的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种光电成像系统高宽容度液晶选通电荷耦合器件，包括由上而下依次固接的表层、中间层和底层，表层包括从上往下依次设置的二向色滤光片和红外吸收滤镜，中间层包括相互垂直设置的多根控制线和多根集成微型信号线构成的网状结构、低通滤镜A、相位板和低通滤镜B，底层包括并排设置的多个P型硅单元与绝缘沟道构成的衬底层以及该衬底层下面依次设置的SiO₂氧化层和多个金属铝栅电极，红外吸收滤镜与低通滤镜A之间耦合有多个HTPS液晶单元构成的液晶层，相邻的HTPS液晶单元通过隔膜隔断，每个HTPS液晶单元分别位于所述网状结构的相应网格内，所述的多根集成微型信号线与对应HTPS液晶单元单向连接，HTPS液晶单元、P型硅单元和金属铝栅电极形成一一对应，HTPS液晶单元的上下表面分别近贴有线偏振薄膜，该两线偏振薄膜的偏振方向相互垂直。

本发明所采用的另一技术方案是，一种上述高宽容度液晶选通电荷耦合器件的制备方法，按以下步骤进行：

步骤1：取P型硅片，在该P型硅片的一个表面上生成SiO₂氧化层，然后，在SiO₂氧化层的表面沉积多晶硅层，掺杂后，按照规定图案光刻第一组电极；

步骤2：将步骤1光刻第一组电极的沉积并掺杂多晶硅层的SiO₂氧化层进行热氧化，形成氧化层，再沉积多晶硅、掺杂，按照规定图案光刻第二组电极；

步骤3：将步骤2光刻第二组电极的沉积并掺杂多晶硅层的SiO₂氧化层进行热氧化，形成氧化层，再沉积多晶硅、掺杂，按照规定图案光刻第三组电极；

步骤4：将步骤3光刻第三组电极的氧化层表面蒸镀一层金属铝，形成金属铝栅电极，得到基体；

步骤5：将步骤4得到的基体中的P型硅片通过绝缘沟道分割为互不相连的多个面积相同的P型硅单元；

步骤6：在步骤5形成的多个P型硅单元的表面近贴低通滤镜B，然后，依次近贴环形相位板、低通滤镜A、线偏振薄膜B和多个HTPS液晶单元构成的HTPS液晶层，相邻HTPS液晶单元之间分别设置隔膜、集成微型信号线和控制线，集成微型信号线和控制线相互垂直设置，之后，由HTPS液晶层的表面依次近贴线偏振薄膜A、红外吸收滤镜和二向色滤光片，制得高宽容度液晶选通电荷耦合器件。

本发明高宽容度液晶选通电荷耦合器件LCCCD的有益效果是，

1.用于民用摄影领域，无须改变现有摄影设备的基本结构和操作习惯，即可一次性实现高宽容度图片的拍摄，并保证较高的图像输出效率。

2.可通过人机界面设置，按照用户需求自由改变摄影设备的宽容度。

3.具有结构简单及像素单元结构高度一致的特点，可采用现有生产工艺、设备进行制造，成本较低。

4.可直接在物理层上改变画面的明暗过渡，省略了图像的后期处理，有效提高图像的输出质量，同时，可自由调整感光曲线。

附图说明

图1是本发明电荷耦合器件的结构示意图；其中，a是主视图，b是主视图的P-P剖视图；

图2是本发明电荷耦合器件应用过程中P型硅衬底产生变化的示意图；

图3是现有数字单镜头反光相机CCD的感光特征曲线；

图4是现有彩色负片的感光特征曲线图；

图5是现有彩色反转片的感光特征曲线图；

图6是本发明电荷耦合器件的明度值与现有CCD光电转换率相对值的关系曲线图。

图中，1.二向色滤光片，2.红外吸收滤镜，3.HTPS液晶单元，4.低通滤镜A，5.相位板，6.低通滤镜B，7.P型硅单元，8.隔膜，9.SiO₂氧化层，10金属铝栅电极，11.绝缘沟道，12.线偏振薄膜A，13.线偏振薄膜B，14.控制线，15.集成微型信号线，16.MOS电容器势阱，17.光生电子。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明电荷耦合器件的结构，如图1a、1b所示。包括由上而下依次固接的表层、中间层和底层，表层包括从上往下依次设置的二向色滤光片1和红外吸收滤镜2，中间层包括相互垂直设置的多根控制线14和多根集成微型信号线15构成的网状结构，低通滤镜A4、相位板5和低通滤镜B6，底层包括并排设置的多个P型硅单元7与绝缘沟道11构成的衬底层以及该衬底层下面依次设置的SiO₂氧化层9和多个金属铝栅电极10，红外吸收滤镜2与低通滤镜A4之间耦合有多个HTPS液晶单元3构成的液晶层，相邻的HTPS液晶单元3通过隔膜8隔断，每个HTPS液晶单元3分别位于多根控制线14和多根集成微型信号线15构成的网状结构相应的网格内，多根集成微型信号线15与对应HTPS液晶单元3单向连接，HTPS液晶片3、P型硅单元7和金属铝栅电极10形成一一对应，HTPS液晶单元3的上下表面分别近贴有线偏振薄膜A12和线偏振薄膜B13，偏振薄膜A12和线偏振薄膜B13相互垂直。

相位板5采用环形相位板。

HTPS液晶单元3形成的液晶层近贴耦合于低通滤镜A4的上面，起选通作用。该液晶层的两面分别近贴有线偏振薄膜，偏振方向呈90度。各HTPS液晶单元3之间埋设的集成微型信号线15和控制线14，用以完成对各HTPS液晶单元3的显示灰度进行控制。集成微型信号线15和控制线14以及HTPS液晶单元3之间的隔膜8按照行、列排列，在竖直方向与P型硅单元7之间的绝缘沟道11重合。如此耦合，在竖直方向上，HTPS液晶单元3的开口部分与位于其下方的P型硅单元7重合，通过HTPS液晶单元3开口部分的光线能够顺利到达半导体材料有效光敏面上。通过集成微型信号线15和控制线14对各HTPS液晶单元3进行扫描，实现HTPS液晶单元3旋光角度的改变，配合线偏振薄膜的作用，来改变光线在各单元的透过率。随着各区域透过率的改变，对应的CCD区域的光电转换率就发生变化。

红外滤镜2，用于消除不必要的红外光线，防止其进入光电转换部分，产生成像的偏差。

二向色滤光片1，能将彩色图像的红、绿、蓝通道进行分离。

本发明电荷耦合器件的制备方法，按以下步骤进行：

步骤1：取P型硅片，在该P型硅片的一个表面上生成SiO₂氧化层9，然后，在SiO₂氧化层9的表面沉积多晶硅层，掺杂后，按照规定图案光刻第一组电极；

步骤2：将步骤1光刻第一组电极的沉积并掺杂多晶硅层的SiO₂氧化层9进行热氧化，形成氧化层，再沉积多晶硅、掺杂，按照规定图案光刻第二组电极；

步骤3：将步骤2光刻第二组电极的沉积并掺杂多晶硅层的SiO₂氧化层9进行热氧化，形成氧化层，再沉积多晶硅、掺杂，按照规定图案光刻第三组电极；

步骤4：将步骤3光刻第三组电极的氧化层表面蒸镀一层金属铝，形成金属铝栅电极10，得到基体；

步骤5：将步骤4得到的基体中的P型硅片通过绝缘沟道11分割为互不相连的多个面积相同的P型硅单元7；

步骤6：在步骤5形成的多个P型硅衬底7的表面近贴低通滤镜B6，然后，依次近贴环形的相位板5、低通滤镜A4、线偏振薄膜B13和多个HTPS液晶单元3构成的HTPS液晶层；相邻HTPS液晶单元3之间分别设置隔膜8、集成微型信号线15和控制线14，之后，由HTPS液晶层的表面依次近贴线偏振薄膜A12、红外吸收滤镜2和二向色滤光片1，制得高宽容度液晶选通电荷耦合器件。

为了使LCCCD更好的进行成像，对照射到光敏面的光线在物理层进行预处理。近贴于P型硅单元7正面的低通滤镜B6用于削减高频杂波对成像的干扰，能有效降低图像中高频杂波对最终成像的影响。然后，在低通滤镜B6上近贴环形相位板5，利用光的干涉现象，通过调整相位达到增强光波振幅的作用，提高成像清晰度。然后，在相位板5上方再近贴低通滤镜A4。

本发明LCCCD的每个金属铝栅电极10与其对应区域的氧化层、P型硅单元7构成一个MOS感光单元。在金属铝栅电极10和P型硅单元7上施加一定的电压后，从P型硅单元7的表面向内形成MOS电容器势阱16，通过光线照射，MOS电容器势阱16里积累起光生电子17，如图2所示。

本发明LCCCD的核心点在于位于红外吸收滤镜2和低通滤镜A4之间的HTPS液晶单元3构成的HTPS液晶层。HTPS液晶单元3与对应P型硅单元7区域中的MOS电容结构一一对应。以22.2mm×14.8mmAPS-C画幅CCD为例，CCD像素值为1936×1288，HTPS液晶单元3数量也对应为1936×1288，HTPS液晶单元3的开口率等于光电有效感应面占整个CCD面积的比率。各HTPS液晶单元3通过覆盖在其上下表面的透明电极电压差的改变来控制HTPS材料的旋光角度，电极电压值由埋于各像素点间的集成微型信号线15、控制线14的协调控制来完成对各点的扫描。HTPS材料旋光角度控制精度需大于CCD芯片后续放大电路的放大精度。通常CCD中MOS电容器势阱16内的电荷放大的精度可达16bit，所以使用的HTPS材料以及配套使用的驱动电路需达到16bit甚至24bit的精度，能保证LCCCD成像效果的平滑自然。最后在CCD顶层覆盖二向色滤光片1，用来完成对彩色光RGB三通道的分离。

通过光电转换，在MOS电容器势阱16内积累的光生电子17，可通过加载于金属铝栅电极10上的电压按照三相CCD电荷转移驱动电压系列进行逐行转移，通过浮置栅进行电荷信号的放大，继而输出到CCD以外。

高宽容度液晶选通电荷耦合器件LCCCD中的一个HTPS液晶单元3的像素单元与一个位于其正下方的MOS感光单元构成一个LCCCD工作单元，液晶像素单元与MOS单元一一耦合。通过外围驱动电路控制液晶像素单元的灰阶值，可使HTPS液晶单元3产生不同的阻光能力，逐点控制到达光电效应面的光强度，达到控制LCCCD各像素点光电转换率的目的。减弱高光部分的光电转换率可有效抑制摄影中常见的高光溢出，达到增大或定制光电成像器件宽容度的目的。液晶片各像素点显示用的灰阶驱动电压由集成在各HTPS材料前后的透明电极微型导线连接的液晶片专用驱动芯片提供。

本发明LCCCD的工作原理

被摄景物中最亮部分与最暗部分的差别，可用明暗间的亮度比来表示。假设景物最亮部分比最暗部分明亮50倍，那么景物的明暗亮度比为1∶50。黑白胶片可接受的亮度比在1∶128左右，彩色负片接受的亮度比在1∶32～64左右，彩色反转片接受的亮度比在1∶16～32左右，像纸的亮度比大约在1∶30左右。CCD接受的亮度比与彩色负片相当。

宽容度是指感光材料按比例正确记录景物亮度范围的能力，也称为曝光宽容度，用感光特性曲线的直线部分两端点所对应的曝光量对数值的差值来表示，即：

L＝logE_a-logE_b    (1)

式中，a、b分别是特性曲线直线部分的两端点，亦即景物的最亮和最暗的两点。

感光特性曲线直线部分越长或倾斜度越小，宽容度就越大，反之亦然。黑白胶片的宽容度在1.8～2.1左右；彩色负片的宽容度在1.5～1.8左右；彩色反转片的宽容度在1.2～1.5左右。CCD的宽容度约为1.6。在摄影中，从实用的角度来讲，感光胶片的宽容度越大，对曝光控制越有利。现有数字单镜头反光相机机CCD的感光特性曲线如图3所示。图4所示为彩色负片的感光特性曲线，图5所示为彩色反转片的感光特性曲线。

对于CCD相机而言，宽容度取决于光学宽容度和输出宽容度两个部分，其中：

光学宽容度(DR_Optical)＝饱和曝光量/噪声曝光量(暗电流)，

输出宽容度(DR_Electrical)＝饱和输出振幅/随机噪声。

光学宽容度主要由CCD/CMOS等感光芯片决定，输出宽容度主要由A/D转化、DSP芯片和算法决定。现有CCD相机的宽容度范围可以做到正常曝光的偏移正3.5个EV值或负5.3个EV值。本发明LCCCD是在物理层上对光学宽容度进行改善。

为了在感光材料上获得正确的曝光量，对使用反射式测光表的照相机，有关的各项摄影参数须满足下面曝光参数方程：

$\frac{F^2}{T}=2^{\mathrm{EV}}=\frac{B\·S}{K}---\left(2\right)$

式中，F为光圈数；T为曝光时间；EV为曝光值；B为被摄物体的平均亮度，单位为烛光/m²；S为胶片的感光度，用ISO表示；K为反射式曝光表的校正常数，通常取12.5。

如果令：F²＝2^AV，

SN＝2^SV，

这样(2)式就变成：

AV+TV＝EV＝BV+SV    (3)

当摄影感光材料SV和被摄景物BV一旦确定，(3)式的EV值就是一个确定数，人为合理选取快门速度TV和光圈AV即可完成拍摄。

成像质量的一个标准为输出图像的像素值，随着单位面积内像素值的提高，要保证每个象素点饱和曝光量的提升，可采用改进CCD材料或增加MOS电容器两极直接电压的方式，但改进CCD材料的成本不可控制，增加MOS电容器两极直接电压，噪声曝光量会随着电压增大而增加。

液晶材料的旋光效应配合位于其两侧的偏振薄膜，可按照需求改变该处光线的透过率。本发明LCCCD通过运用液晶选通性质，对到达各像素点上的光线强度进行逐个的控制，保持到达光电转换面上的曝光量处于饱和曝光量以下，即可保证MOS电容器势阱16内的电荷不会到达饱和甚至溢出导致的所成图像的高光损失，这样便极大增加了光学宽容，从而提高整个摄影系统的宽容度。

本发明LCCCD的具体应用

通过调整到达CCD光电感应单元上光通量的大小实现对光电转换率的调整，并保证所成图像具有较好的还原能力，因此，建立一个HTPS液晶单元3显示图像各象素点的灰度值与当前通过镜头光学系统到达LCCCD上图像各象素点的对应关系表，该对应关系表表现为图形，图6所示的是设现有CCD的转换效率为1的情况下，本发明LCCCD的灰度值所对应的明度值和本发明LCCCD与现有CCD光电转换率相对值对应的关系表。该关系表需根据CCD所采用的半导体材料本身的光电属性来确定，由于对成像的结果没有统一要求，该关系表一般需采用控制变量法，并通过实验，对表中的输入、输出值关系进行不断修正，最终得到符合使用习惯的结果。一个摄影系统的该关系表不是唯一的，使用不同的输入输出值系列可获得不同的色彩、明暗过渡风格的图像。

拍摄10⁵lx照度的强光景物时，根据摄影原理的参考数据，可得BV＝12，使用一般CCD相机，SV＝3，则根据(3)式，得到EV＝15。尽管EV大，但是从图3、图4和图5中可看出，亮度超过一定阈值范围时，拍摄的景物的细节无法区分。

使用安装有本发明LCCCD的相机，BV＝6，SV不变，则根据(3)式得EV＝9，EV值提高了6个。说明采用本发明LCCCD的相机，能对10⁵lx强光进行局部选通，而且景物的细致部分均能区分，成像系统的CCD的宽容度得到提高。

本发明LCCCD芯片可采用多种方式实现其功能，以下列举两个应用实例解释其工作原理及流程。

1.配合实时取景系统使用

当用户使用LCCCD芯片时，实时取景系统的光学镜头获取的当前景物在感光芯片上所成的图像，经过DSP芯片，参照输入输出关系表获得在HTPS液晶单元3上显示的灰度图像，在按下快门拍摄前的瞬间，经过驱动电路，予以显示，光学系统所成像经过液晶层局部选通之后获得宽容度优化图像，到LCCCD内光电转换层，进行光电转换、电子积累。

2.直接使用LCCCD

按下快门的瞬间，感光芯片在未开启液晶片的情况下，使用一个较高且固定的快门速度预拍摄一张图像，DSP芯片参照输入输出关系表对该图像进行分析，生成在液晶片上显示的灰度图形，并立即予以显示。经系统短暂预处理后，LCCCD进行一次正式成像，获得宽容度经过优化的图像。

快门重新闭合，完成曝光之后，感光芯片的电荷开始按照三相LCCCD的电荷转移方式将LCCCD各MOS电容器势阱16内的点荷包转移输出，再经信号放大和A/D转换，获得最终的数字图像。

LCCCD结构中HTPS液晶单元3也可以在CMOS感光芯片对应层次上进行集成来改善CMOS感光芯片的动态范围。

本发明LCCCD将现有常用数字单镜头反光相机的使用习惯、方式和HTPS液晶单元3的结构、原理有机结合，集成HTPS液晶单元3上各像素点对通过该点光线强度的削减情况可完成对感光芯片光电转换效率的控制，削减强光处的光电转换率，保证阴暗处的光电效率，大幅度提高民用感光成像系统的宽容度，实现高质量成像，且生产成本较低。

Claims (1)

1.一种用于光电成像系统的高宽容度液晶选通电荷耦合器件，包括由上而下依次固接的表层、中间层和底层，表层包括从上往下依次设置的二向色滤光片(1)和红外吸收滤镜(2)，中间层包括相互垂直设置的多根控制线(14)和多根集成微型信号线(15)构成的网状结构、低通滤镜A(4)、相位板(5)和低通滤镜B(6)，底层包括并排设置的多个P型硅单元(7)与绝缘沟道(11)构成的衬底层以及该衬底层下面依次设置的SiO₂氧化层(9)和多个金属铝栅电极(10)，其特征在于，所述的红外吸收滤镜(2)与低通滤镜A(4)之间耦合有多个HTPS液晶单元(3)构成的液晶层，相邻的HTPS液晶单元(3)通过隔膜(8)隔断，每个HTPS液晶单元(3)分别位于所述网状结构的相应网格内，所述的多根集成微型信号线(15)与对应HTPS液晶单元(3)单向连接，所述的HTPS液晶单元(3)、P型硅单元(7)和金属铝栅电极(10)形成一一对应，HTPS液晶单元(3)的上下表面分别近贴有线偏振薄膜，该两线偏振薄膜的偏振方向相互垂直。

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