CN101887900B - 二维固态摄像装置及其偏光数据处理方法 - Google Patents

二维固态摄像装置及其偏光数据处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种二维固态摄像装置，其包括以二维矩阵排列的像素区域，各像素区域由多个子像素区组成，各子像素区具有光电转换元件。在组成各像素区域的子像素区的至少一个的光入射侧设置有偏光部件。该偏光部件具有带状导电遮光材料层和设置在带状导电遮光材料层之间的狭缝区域。各子像素区进一步具有用于控制光电转换元件的操作的布线层，该偏光部件和该布线层由相同的材料构成并且设置在同一虚拟平面上。由于整个像素区域中偏光部件的排列，本发明可以使敏感性的下降最小化。

Description

二维固态摄像装置及其偏光数据处理方法
相关申请的交叉引用
本申请包含与2009年5月11日向日本专利局申请的日本专利JP2009-114809相关的主题并要求其优先权，将该申请的全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明涉及一种二维固态摄像装置及其偏光数据处理方法。
背景技术
二维固态摄像装置越来越多地被人们所使用，所述二维固态摄像装置是利用包括了二维固态摄像元件的光电转换元件通过拍摄物体来获得图像的。例如包括数字静物照相机，视频摄像机以及摄录像机(camcorder，其集成了拍摄单元(比如视频摄像机)和记录单元，camcorder为camera和recorder的缩写)。作为现今主要使用的固态摄像元件，CCD(电荷耦合器件)摄像元件和CMOS(互补金属氧化物半导体)摄像元件在从可见光波长到近红外光波长的这一广范围内具有敏感性，并能呈现出逼真的彩色图像。然而，光电转换元件对偏光却没有固有的敏感性。即是说，现有的二维固态摄像装置的状况是由光所提供的偏光信息未被利用，并且被消除了。
虽然太阳光无偏光，由太阳光的反射和散射造成的光包含取决于反射表面的表面状态的偏光成分。例如，白天的天空、雪景等等包含大量在特定方向上偏振的偏光成分。此外，在跨“界面”摄影期间，例如，在隔着橱窗玻璃等的摄影期间，或者在水表面、湖表面等处摄影期间，偏光成分和非偏光成分的分离使得提高图像对比度成为可能，也同样使得消除不需要的信息成为可能。例如，例如当希望在风景照中制造蓝天以显露更多深蓝色时或者当希望从橱窗中消除反射成分时，可以优选地使用偏光元件。
一般来说，为了分离偏光成分和非偏光成分，在透镜前侧设置有偏振滤光器(PL)，并且通过旋转所述偏振滤光器而使偏光成分被加强或者削弱来进行摄影。然而，在可用性方面，这种方案具有例如以下这些问题：
[1]偏振滤光器仅能同时获取在一个方向上的偏光成分；
[2]整个屏幕仅能获取一个类型(一个方向)的偏光信息。
[3]偏光成分的加强和削弱通常必须通过偏振滤光器的旋转来调节。
在上述二维固态摄像装置中使用的固态摄像元件像素的数量一般超过千万。归功于基于光刻术的微加工技术以及半导体制造工艺的进步和改进，亚100纳米级的微观结构已经成为可行。基于这种技术背景，正在研究和开发不但能进行普通摄影、也能同时获得偏光信息的固态摄像元件。
例如，日本未经审查的专利申请公开公报No.2007-086720披露了一种装置，该装置能同时获取在四个方向上的偏光方向以及关于偏光成分的强度(以下可以将该强度称为“偏光成分强度”)，从而获取偏光方向和偏光成分强度。日本未经审查的专利申请公开公报(PCT申请的翻译)No.2007-501391披露了一种在线栅(导体栅格)中引起表面等离子体激元的方法和光学元件。
线栅偏光部件已经被用于比可见光波长具有更长的波长的很多电磁波带(比如，主要有微波、毫米波以及次毫米波)中，并且一直用作分离频率和获取偏光成分的元件。为了利用线栅偏光部件执行偏光成分的分离，通常必须为线栅设置一个基本上等于或者小于电磁波的波长的间隔(间距)。因而，直到近几年，一直很难实现应用于波长为400～700nm的可见光波长带的偏光部件。然而，随着半导体制造工艺的发展和改进，目前已存在即使是在可见光波长带中也能达到充分实用等级的偏光部件。这种线栅(导体栅格)偏光部件的应用前景值得期待。
日本未经审查的专利申请公开公报No.2007-086720披露的技术的主要目的在于将多层膜(光子晶体)用作偏光部件，以获取偏光方向和偏光成分强度，在该多层膜中，具有不同折射率的两种光学部件堆叠在入射光传播方向。该多层膜具有光学膜厚度相当于1/4入射波长的基本结构。即是说，多层膜的一个周期相当于半个波长的光学膜厚度。这种周期性结构相互堆叠成大约10层以实现偏光检测功能，偏光部件的厚度变为至少几微米。随着偏光元件的厚度的增加，斜入射光感应的颜色与相邻像素的混色以及由在介质中传播的光的削弱/扩散而导致的敏感性的减低变得越来越难解决。日本未经审查的专利申请公开公报No.2007-086720提出将线栅(导体栅格)用作偏光部件，但却未包含对线栅的材料、线幅、布置位置等的具体描述。因此，该技术缺乏可行性。另一方面，日本未经审查的专利申请公开公报(PCT申请的翻译)No.2007-501391采用线栅(导体栅格)作为用于近场光检测传感器的光学元件，但其目的却不是获取偏光信息，也没有说明设置用于获取偏光信息的三种以上偏光元件以及用于提取偏光信息的算法的方法。
在日本未经审查的专利申请公开公报No.2007-086720所披露的装置中，一个像素区域由四个子像素区组成，各子像素区具有线栅偏光部件。由光电转换元件对来自设置在各子像素区中的偏光部件的光进行检测。这种排列存在一些问题。例如，相比未设置偏光部件的情况，由包括于各子像素区中的光电转换元件所接收的光量和光强度减少(即，敏感性下降)。再者，减少的比率因不同子像素区而有所不同。此外，对由各子像素区中的光电转换元件所接收的光量和光强度的计算处理变得复杂。在上述公开公报所披露的装置中，并未描述线栅偏光部件和用于控制光电转换元件的操作的布线层之间的位置关系、线栅偏光部件和用于控制(限制)光电转换元件上的光入射的遮光层之间的位置关系以及线栅偏光部件和滤色器之间的位置关系。
发明内容
因此，期望提供一种二维固态摄像装置，其在线栅偏光部件和用于控制光电转换元件的操作的布线层之间具有优化的位置关系、在线栅偏光部件和用于控制(限制)光电转换元件上的光入射的遮光层之间具有优化的位置关系以及在线栅偏光部件和滤色器之间具有优化的位置关系。也希望提供一种二维固态摄像装置，其配置和结构使得敏感性的下降不大可能出现。进一步希望提供一种应用于二维固态摄像装置的偏光数据处理方法，该二维固态摄像装置的配置和结构使得敏感性的下降不大可能出现，并且不会使对由光电转换元件所接收的光量和光强度的计算处理变得复杂。
根据本发明的第一～第四模式的二维固态摄像装置包括：以二维矩阵排列的像素区域，各像素区域由多个子像素区组成，各子像素区具有光电转换元件。其中，在组成各像素区域的所述子像素区中的至少一个的光入射侧设置有偏光部件。偏光部件具有带状导电遮光材料层和设置在该带状导电遮光材料层之间的狭缝区域，以透过具有垂直于该带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光，并且抑制具有平行于该带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光的透过。
在根据本发明的第一模式的二维固态摄像装置中，在组成各像素区域的子像素区的至少一个的光入射侧设置有偏光部件，各子像素区进一步具有用于控制光电转换元件的操作的布线层，该偏光部件和该布线层由相同的材料制成并且设置在同一虚拟平面上。
在根据本发明的第二模式的二维固态摄像装置中，在组成各像素区域的子像素区的至少一个的光入射侧设置有偏光部件，各子像素区进一步具有用于控制(限制)该光电转换元件上的光入射的遮光层，该偏光部件和该遮光层设置在同一虚拟平面上。
在根据本发明的第三模式的二维固态摄像装置中，在组成各像素区域的子像素区之一的光入射侧设置有偏光部件，在其余的子像素区的光入射侧设置有滤色器，该滤色器和该偏光部件设置在同一虚拟平面上。
在根据本发明的第四模式的二维固态摄像装置中，在组成各像素区域的子像素区之一的光入射侧设置有偏光部件，由Q0个像素区域(其中Q0≥3)组成像素区域组，并满足
θa＝θ1+(180/Q)×(q-1)(度)，
其中Q为正整数(其中3≤Q≤Q0)，θ1是由预定的方向以及该带状导电遮光材料层在第q个像素区域(其中q＝1)包括的子像素区的偏光部件中延伸的方向来限定的角度，θq是由预定的方向以及该带状导电遮光材料层在从Q-1个像素区域中选择的第q个像素区域(其中2≤q≤Q)包括的子像素区的偏光部件中延伸的方向来限定的角度，该Q-1个像素区域是从除第一像素区域之外的像素区域中选出的。
用于根据本发明的第一或第二模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法旨在用于二维固态摄像装置，该二维固态摄像装置包括以二维矩阵排列的像素区域，各像素区域由多个子像素区组成，各子像素区具有光电转换元件。在组成各像素区域的子像素区之一的光入射侧设置有偏光部件。该偏光部件具有带状导电遮光材料层和设置在该带状导电遮光材料层之间的狭缝区域，以透过具有垂直于该带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光，并且抑制具有平行于该带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光的透过。由Q0个像素区域(其中Q0≥3)组成像素区域组，并满足θq＝θ1+(180/Q)×(q-1)(度)，其中Q为正整数(其中3≤Q≤Q0)，θ1是由预定的方向以及该带状导电遮光材料层在第q个像素区域(其中q＝1)包括的子像素区的偏光部件中延伸的方向来限定的角度，θq是由预定的方向以及该带状导电遮光材料层在从Q-1个像素区域中选择的第q个像素区域(其中2≤q≤Q)包括的子像素区的偏光部件中延伸的方向来限定的角度，该Q-1个像素区域是从除第一像素区域之外的像素区域中选出的。
用于根据本发明的第一模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法包括以下步骤：将获得入射在该像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max的偏光方向θPL-max确定为获得基于光强度Iq而获得的正弦函数的最大值的角度θmax，其中光强度Iq表示入射在具有偏光部件并包括在第q个像素区域(其中q＝1、2、...、Q)中的子像素区上的光的光强度；以及将所确定的正弦函数的最大值和最小值用作入射在该像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max和最小偏光强度IPL-min。
用于根据本发明的第二模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法包括以下步骤：将入射在具有偏光部件并包括在第q个像素区域(其中q＝1、2、...、Q)中的子像素区上的光的光强度Iq的最大值Imax用作入射在该像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max；将获得最大值Imax的该像素区域的角度θq用作获得入射在该像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max的偏光方向θPL-max；以及将光强度Iq的最小值Imin用作入射在该像素区域上的光的最小偏光强度IPL-min。
在根据本发明的第一模式的二维固态摄像装置中，偏光部件和用于控制光电转换元件的操作的布线部件由相同的材料制成并且设置在同一虚拟平面上。因而，可以同时在同一步骤中形成布线层和偏光部件。即是说，在制造步骤中通过对线栅偏光部件和布线层之间的位置关系进行优化，从而可以在不增加制造步骤的数量的情况下设置偏光部件并且可以减少二维固态摄像装置的制造成本。在根据本发明的第二模式的二维固态摄像装置中，偏光部件和用于控制(限制)光电转换元件上的光入射的遮光层设置在同一虚拟平面上。因而，遮光层和偏光部件可以同时在相同步骤中形成。即是说，在制造步骤中通过对线栅偏光部件和遮光层之间的位置关系进行优化，从而可以减少二维固态摄像装置的制造成本。因而，可以利用普通的半导体装置制造工艺来制造根据本发明的第一或第二模式的二维固态摄像装置。再者，由于不必为偏光部件增加其他层，可以实现二维固态摄像装置的低剖面结构。偏光部件的设置也不会引起二维固态摄像装置厚度的增加。此外，在本发明的第一模式中的二维固态摄像装置中，滤色器和偏光部件设置在同一虚拟平面上。因而，不可能出现具有偏光部件的子像素区的高度与具有滤色器的另一子像素区的高度彼此不同的情况。由于本发明的第一～第三模式中任一模式中的二维固态摄像装置的偏光部件的厚度可以减小至大约0.1微米，可以实现二维固态摄像装置的低剖面结构。
偏光部件仅传输特定方向上的偏光成分，反射并吸收其他偏光成分。因而，与不具有偏光部件的子像素区相比，具有偏光部件的子像素区存在敏感性下降的问题。在根据本发明的第四模式的二维固态摄像装置和根据本发明的第一或第二模式的偏光数据处理方法中的二维固态摄像装置中，偏光部件设置在组成各像素区域的多个(M0)子像素区之一的光入射侧，Q个偏光部件(其中Q≤Q0)设置在由Q个像素区域(其中Q0≥3)组成的像素区域组中。即是说，仅Q个偏光部件设置在组成一个像素区域组的共Q0×M0个子像素区中。所以，由于整个像素区域中偏光部件的排列，可以使敏感性的下降最小化。通过执行像素区域间计算处理来确定在各像素区域位置的偏光方向和偏光成分的强度(偏光成分强度)，可以获得空间分辨率稍微折衷的偏光信息，同时使敏感性的下降最小化。由于仅Q个偏光部件设置在组成一个像素区域组的总共Q0×M0个子像素区中，因此不会使对由光电转换元件所接收的光的量和强度的计算处理变得复杂。
其中具有一个偏振滤光器设置在透镜的整个表面上的系统已被主要用作偏振滤光器。因此，单个图像可以获得仅在一个方向上的偏光成分，并且通常需要旋转偏振滤光器以获得多个图像，目的是获得偏光成分强度和偏光方向的信息。即是说，事实上很难实时获得偏光成分强度、偏光方向等等。同样地，在本发明的二维固态摄像装置中，在像素区域中设置有具有不同方位角的偏光部件。因而，可以从单个图像中获得偏光方向和偏光成分强度的信息，也可以从单个图像的不同区域和部分中分别获得偏光方向和偏光成分强度的信息。
附图说明
图1A和图1B是示意性地表示第一实施例中二维固态摄像装置的局部截面图；
图2A和图2B是示意性地表示第三实施例中二维固态摄像装置的局部截面图；
图3A和图3B是示意性地表示第四实施例中二维固态摄像装置的局部截面图；
图4A和图4B是偏光部件的局部示意平面图；
图5是示意性地表示第一实施例中的子像素区的平面布局图；
图6是示意性地表示第一实施例中的子像素区的平面布局图；
图7是示意性地表示第一实施例中的子像素区的平面布局图；
图8是示意性地表示第一实施例中的子像素区的平面布局图；
图9是示意性地表示第一实施例中的子像素区的平面布局图；
图10是示意性地表示第一实施例中的子像素区的另一平面布局图；
图11是示意性地表示应用了根据本发明的第一～第三模式的二维固态摄像装置的二维固态摄像装置中的子像素区的平面布局图；
图12是示意性地表示应用了根据本发明的第一～第三模式的二维固态摄像装置的二维固态摄像装置中的子像素区的另一平面布局图；以及
图13是表示穿过线栅(导体栅格)偏光部件等的光的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图结合实施列描述本发明。然而，本发明并不限于这些实施例，这些实施例中的各种数值和材料是用于解释的。按照以下顺序进行描述：
1.根据本发明的第一～第四模式的二维固态摄像装置、用于根据本发明的第一和第二模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法以及总体技术；
2.第一实施例(根据本发明的第一和第四模式的二维固态摄像装置以及用于根据本发明的第一模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法)；
3.第二实施例(用于根据本发明的第二模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法)；
4.第三实施例(根据本发明的第二模式的二维固态摄像装置)；
5.第四实施例(根据本发明的第三模式的二维固态摄像装置等等)根据本发明的第一～第四模式的二维固态摄像装置、用于根据本发明的 第一和第二模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法以及总体技术
在根据本发明的第一～第四模式的二维固态摄像装置和根据本发明的第一和第二模式的偏光数据处理方法中的二维固态摄像装置中，在X方向和Y方向通常以二维矩阵排列有多个像素区域。
在根据本发明的第二模式的二维固态摄像装置中，各子像素区可以具有至少一个用于控制光电转换元件的操作的布线层，偏光部件和布线层可以由相同的材料制成并且可以设置在同一虚拟平面上。这种情况下，最好使用具有导体栅格结构的滤色器。
在根据本发明的第四模式的二维固态摄像装置和用于根据本发明的第一和第二模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法中，Q可以是4但不限于4。这种情况下，Q＝4时，以下式子成立：θ2＝θ1+45(度)、θ3＝θ1+90(度)以及θ4＝θ1+135(度)。Q＝3时，以下式子成立：θ2＝θ1+60(度)以及θ3＝θ1+120(度)。Q＝6时，以下式子成立：θ2＝θ1+30(度)、θ3＝θ1+60(度)、θ4＝θ1+90(度)、θ5＝θ1+120(度)以及θ6＝θ1+150(度)。例如，对于Q0＝4的配置，各像素区域组可以由四个(2×2)像素区域组成；对于Q0＝6的配置，各像素区域组可以由六个(2×3)像素区域组成；对于Q0＝9的配置，各像素区域组可以由九个(3×3)像素区域组成。
根据本发明的第四模式的包括上述优选配置的二维固态摄像装置或者根据本发明的第一和第二模式的偏光数据处理方法中的二维固态摄像装置也可以与根据本发明的第一模式的二维固态摄像装置相结合。即是说，子像素区也可以采用这样一种形式，即，各子像素区具有至少一个用于控制光电转换元件的操作的布线层，偏光部件和布线层由相同的材料制成并且设置在同一虚拟平面上。或者，根据本发明的第四模式的包括上述优选配置的二维固态摄像装置或者根据本发明的第一和第二模式的偏光数据处理方法中的二维固态摄像装置可以与根据本发明的第二模式的二维固态摄像装置相结合。即是说，子像素区也可以采用这样一种形式，即，各子像素区具有用于控制(限制)光电转换元件上的光入射的遮光层，偏光部件和遮光层设置在同一虚拟平面上。或者，根据本发明的第四模式的包括上述优选配置的二维固态摄像装置或者根据本发明的第一和第二模式的偏光数据处理方法中的二维固态摄像装置可以与根据本发明的第三模式的二维固态摄像装置相结合。即是说，子像素区也可以采用这样一种形式，即，在不具有偏光部件的子像素区的光入射侧设置滤色器，滤色器和偏光部件设置在同一虚拟平面上。
在用于根据本发明的第一模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法中，二维固态摄像装置可以采用这样一种形式，即，在组成各像素区域的子像素区中，基于光强度IPL-max和/或光强度IPL-min来校正入射在不具有偏光部件的子像素区上的光的偏光成分的方向和强度(该强度可以称为“偏光成分强度”)。这种情况下，优选的是，在组成各像素区域的子像素区中，基于从具有偏光部件并且位于不具有偏光部件的子像素区附近的子像素区得到的光强度IPL-max和/或光强度IPL-min，来校正入射在不具有偏光部件的子像素区上的光的偏光成分的方向和强度(偏光成分强度)。或者，在用于根据本发明的第一模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法中，二维固态摄像装置可以采用这样一种形式，即，基于入射在不具有偏光部件并且与具有偏光部件的子像素区具有相同检测波长带的相邻子像素区上的光的光强度，来校正入射在具有偏光部件的子像素区上的光的光强度Iq，该子像素区包括在第q个像素区域(其中，q＝1、2、...、Q)中。
在根据本发明的第一～第四模式的包括上述优选形式和配置的二维固态摄像装置和根据本发明的第一和第二模式的偏光数据处理方法中的二维固态摄像装置(在下文中，这些装置可以共同称为“本发明的二维固态摄像装置”)中，一个子像素区具有一个光电转换元件，该光电转换元件可实现为例如CCD、CMOS或者CMD(电荷调制器件)型的信号放大图像传感器。
本发明的二维固态摄像装置中的偏光部件(偏光元件)具有带状导电遮光材料层和设置在导电遮光材料层之间的狭缝区域。导电遮光材料层的材料可以是在光电转换元件所敏感的波长范围内具有低复折射率的导电材料。所述材料的例子包括铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、钨(W)以及含有这些金属的合金。或者，可以通过在栅格中排列例如碳纳米管的线元件或者通过在栅格中布置或印刷金、银、CdSe(硒化镉)等纳米颗粒来设置带状导电遮光材料层。带状导电遮光材料层的形成间距P0例如是入射光波长的1/2或者1/20。狭缝区域的宽度Ws(即，在垂直于导电遮光材料层延伸方向的方向上的尺寸)和带状导电遮光材料层的宽度Wc满足例如下列关系：0.5Wc≤Ws≤5Wc。期望的是Ws大于或等于5×10-8m。制造偏光部件的方法的例子包括用于沉积导电遮光材料层的技术、光刻技术和利用蚀刻技术的导电遮光材料层图形化技术(例如，物理蚀刻技术或者各向异性蚀刻技术或者利用四氟化碳气体、六氟化硫气体、三氟甲烷、二氟化氙等等)的结合、光刻技术和利用蚀刻技术形成基座的凸出/凹陷部分并且在基座的凸出部分的顶面上沉积导电遮光材料层的技术的结合、以及所谓的剥离技术。沉积导电遮光材料层的方法的例子不仅包括比如真空沉积和溅射等物理气相沉积(PVD)，也包括化学气相沉积(CVD)、电镀、金属有机化学气相沉积(MOCVD)以及分子束外延(MBE)。光刻技术的例子包括电子束光刻技术、X射线光刻以及微影技术(即，利用高压水银灯、氟化氪(KrF)准分子激光器、氟化氩(ArF)准分子激光器等的g射线或者i射线作为光源的光刻技术)。或者，可以通过纳米转印方法或者利用了比如飞秒激光器等超短持续脉冲激光器的微细加工技术来形成带状导电遮光材料层。在平面图中各狭缝区域可以具有细长的矩形形状，但不限于此。例如，各狭缝区域可以具有一组矩形开口。然而，这种情况下，各矩形的纵轴尺寸(即，带状导体遮光材料层延伸的方向)通常必须显著大于具有波长λ0且入射在狭缝区域上的光的有效波长(λ0/n0，其中n0表示狭缝区域中包含的介质的折射率)。例如，狭缝区域最好是充填有比如二氧化硅膜或氮化硅膜等入射光透射介质(介电材料)。然而，该介质不限于该示例，狭缝区域可以充填有空气或者不导电流体。当以可见光波长为例时，红色、绿色和蓝色的波长λR、λG和λB分别处于大约600～800nm、500～600nm以及380～500nm的范围内。因而，当假设介质的折射率为1.5时，介质中的波长λ′R、λ′G和λ′B分别处于400～530nm、330～400nm以及250～330nm的范围内，并且期望带状导电遮光材料层的形成间距P0为波长λ′R、λ′G和λ′B的一半或者更小。同样，导电遮光材料层的厚度最好为1微米或者更小。由于如果导电遮光材料层的厚度过小就不能屏蔽入射光，因此导电遮光材料层的厚度的下限最好设为足够大以充分屏蔽入射光。
在根据本发明的第一和第二模式的二维固态摄像装置中，在组成各像素区域的多个(M0)子像素区的至少一个的光入射侧设置有偏光部件。更具体地说，当设置有偏光部件的子像素区的数量表示为m0时，m0的值最好为1。然而，m0的值不限于1，可以是2或大于2或者可以是M0或小于M0。
在根据本发明的第一模式的二维固态摄像装置和根据本发明的第四模式的二维固态摄像装置的优选形式中，偏光部件和布线层由相同的材料制成。该材料的具体示例包括铝(Al)和铜(Cu)。上面设置有偏光部件和布线层的“虚拟平面”指包含有能在制造期间产生的凸起和凹陷的虚拟平面。
在根据本发明的第二模式的二维固态摄像装置和根据本发明的第四模式的二维固态摄像装置的优选形式中，设置有遮光层。遮光层的材料的具体示例包括铝(Al)、铜(Cu)以及钨(Wu)。任何有效反射并吸收入射光并且具有充分的遮光特性的部件都可以用作遮光部件。遮光层和偏光部件也可以由相同的材料制成。上面设置有偏光部件和遮光层的“虚拟平面”指包含有能在制造期间产生的凸起和凹陷的虚拟平面。
在根据本发明的第三模式的二维固态摄像装置和本发明第四模式的优选形式中的二维固态摄像装置中，设置有滤色器。该滤色器可以是透过比如红色、绿色、蓝色、青色、红紫色和黄色等的特定波长的滤色器。该滤色器不仅可以由利用涂料、着色剂等有机化合物的基于有机材料的滤色器组成，也可以由光子晶体、导体网格(具有导体栅格的滤色器，其中在导体薄膜中设置有栅格孔结构[比如，参见日本未经审查的专利申请公开公报No.2008-177191])或者由比如非晶硅等无机材料制成的薄膜组成。上面设置有滤色器和偏光部件的“虚拟平面”指包含有能在制造期间产生的凸起和凹陷的虚拟平面。
本发明的二维固态摄像装置是单CCD型装置。滤色器的排列示例包括拜耳(Bayer)排列、行间排列、G带状RB栅格型排列、G带状和RB完全栅格型排列、交错补色排列、条纹排列、斜条纹排列、原色色差排列、场色差顺序排列、帧色差顺序排列、MOS型排列、变化MOS型排列、帧交错排列以及场交错排列。例如，在拜耳排列的情况下，该排列可以如此，即，在2×2个子像素区的相应三个子像素区中设置有红色、绿色和蓝色滤色器，在其余一个通常应该设置有绿色滤色器的子像素区中设置偏光部件而非滤色器。在拜耳排列的情况下，或者，该排列可以是这样的，即，在2×2个子像素区的相应三个子像素区中设置有红色、绿色和蓝色滤色器，在其余一个子像素区中设置绿色滤色器和偏光部件。当无意进行色彩分离或分光、或者当光电转换元件本质上对特定波长敏感时，可以除去滤光器。对于未设置滤色器的子像素区，为了保证与设置有滤色器的子像素区之间的平坦性，可以设置透明树脂层以代替滤色器。
在用于根据本发明的第一模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法中，将获得入射在像素区域上的光的最大偏光强度(偏光成分强度的最大值)IPL-max的偏光方向θPL-max确定为获得基于光强度Iq而获得的正弦函数的最大值的角度θmax。可以基于例如傅里叶分析方法或者最小二乘法来确定这种情况下的正弦函数。正弦函数和余弦函数彼此等同。
根据本发明的第一模式的二维固态摄像装置可以实现为前侧照明式二维固态摄像装置。根据本发明的第二～第四模式的二维固态摄像装置和根据本发明的第一和第二模式的偏光数据处理方法中的二维固态摄像装置可以实现为前侧照明式二维固态摄像装置或者后侧照明式二维固态摄像装置。这些二维固态摄像装置可以应用于例如数字静物照相机、视频摄像机和摄录相机。
一般来说，线栅(导体栅格)偏光部件具有由导电材料制成的一维或者二维栅格结构。如图13的示意图所示，当线栅的形成间距P0显著小于入射电磁波的波长时，在与线栅延伸方向平行的平面中振荡的电磁波选择性地被线栅反射或者吸收。所以，虽然到达偏光部件的电磁波含有垂直偏光成分和水平偏光成分，但是已经通过线栅的电磁波具有垂直偏光成分占主导的线性偏光。在可见光波长带的情况下，当线栅的形成间距P0基本上等于或者小于入射在线栅上的电磁波的波长时，沿着与线栅延伸方向平行的平面偏振的偏光成分被线栅表面反射或者吸收。另一方面，可以认为，当具有沿着与线栅延伸方向垂直的平面偏振的偏光成分的电磁波入射在线栅上时，已经在线栅表面上传播的电场产生与将从线栅后侧再放射出去的入射波长具有相同波长的电磁波。在“T.W.Ebbesenet al.，Nature，vol.391，p667，1998”中也已经提出了这样一种有趣的现象，即，在入射电磁波的波长和线栅周期结构满足用于激励表面等离子体激元的分散关系的条件下，比由线栅的形成间距P0所确定的截止频率具有更长波长的光被透过。此外，在与可见光波长具有等效的周期结构的偏光部件的附近(即，在一个离线栅比电磁波的波长具有更短距离的区域)，由于电磁波与线栅所含材料中的极化电荷或者电子的耦合，产生了表面等离子体激元。因而，电场急剧变化从而产生作为非传播光的近场光。虽然相比于电磁波，近场光仅仅具有一个范围，形成非常强的电场的近场光的数值模拟结果也有所报告(L.Salomon et al.，Physical ReviewLetters，Vol.86，No.6，p1110，2001)。本发明的二维固态摄像装置中的偏光部件通过这种线栅(导体栅格)偏光部件来实现。
第一实施例
第一实施例涉及根据本发明的第一模式和第四模式的二维固态摄像装置，也涉及用于根据本发明的第一模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法。图1A和图1B示出了第一实施例中二维固态摄像装置的局部示意截面图，图5～图9示意性地示出了第一实施例中子像素区120的平面布局图，图4A和图4B为偏光部件130的局部平面图。
在第一实施例或者下述第二～第四实施例中每一实施例的二维固态摄像装置中，在X方向和Y方向通常以二维矩阵排列有多个像素区域，各像素区域由多个(M0)子像素区120组成，其中在本实施例中，M0＝4。各子像素区120具有光电转换元件(光接收元件)21。
如图4A和图4B所示，偏光部件130具有多个带状导电遮光材料层31和设置在带状导电遮光材料层31之间的狭缝区域32。如图13的示意图所示，偏光部件130透过具有垂直于所述带状导电遮光材料层31延伸方向的方向上的偏光成分的光，并且抑制具有平行于所述带状导电遮光材料层31延伸方向的方向上的偏光成分的光的透过。即是说，线栅偏光部件130对垂直于所述带状导电遮光材料层31延伸方向的方向上的偏光成分敏感，对平行于所述带状导电遮光材料层31延伸方向的方向上的偏光成分不敏感。偏光部件130获取垂直于所述带状导电遮光材料层31延伸方向的方向上的偏光成分，并且消除平行于所述带状导电遮光材料层31延伸方向的方向上的偏光成分。
现在结合根据本发明的第一模式的二维固态图摄像装置进行描述。在第一实施例的二维固态图摄像装置中，偏光部件130设置在组成各像素区域的子像素区120的至少一个(由于m0＝1，在本实施例中，为一个子像素区120)的光入射侧。此外，各子像素区120具有用于控制光电转换元件21的操作的至少一个布线层25。偏光部件130和布线层25由相同的材料制成并且设置在同一虚拟平面上。
现在结合根据本发明的第四模式的二维固态图摄像装置或者根据本发明的第一模式的偏光数据处理方法中的二维固态摄像装置进行描述。在第一实施例的第一二维固态图摄像装置中，偏光部件130设置在组成各像素区域的子像素区120之一的光入射侧。由Q0个像素区域(其中Q0≥3，并且在本实施例中Q0＝4)组成像素区域组，并满足：
θq＝θ1+(180/Q)×(q-1)(度)，
其中，Q为正整数(其中3≤Q≤Q0，并且在本实施例中Q＝1)，θ1为由预定方向以及所述带状导电遮光材料层在第q个像素区域(其中q＝1)所包括的子像素区的偏光部件中延伸的方向所限定的角度，θq为由预定方向以及所述带状导电遮光材料层在从Q-1个像素区域中选出的第q个像素区域(其中2≤q≤Q)所包括的子像素区的偏光部件中延伸的方向来限定的角度，所述Q-1个像素区域是从除第一像素区域之外的像素区域中选出的。更具体地说，提供了以下等式：
θ2＝θ1+45(度)，
θ3＝θ1+90(度)，以及
θ4＝θ1+135(度)。
在本实施例中，光电转换元件21实现为电场放大图像传感器(比如CMOS图像传感器)。图1A和图1B所示的二维固态摄像装置为前侧照明式二维固态摄像装置。偏光部件130和布线层25包含铝(Al)。在第一实施例或者下述第二～第四实施例中任一实施列的二维固态摄像装置中，由光电转换元件21检测(接收)到的电磁波为可见光。必要时，各子像素区120具有滤色器22。在如图1A和图1B所示的前侧照明式二维固态摄像装置中，由光聚焦元件26聚焦的光通过滤色器22、平滑化层24、偏光部件130以及遮光层23的开口区域引导至光电转换元件21。平滑化层24由比如二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(SiN)等透明材料制成，遮光层23由铜(Cu)或者铝(Al)制成。光通过光电转换被转换为电荷，将电荷保存然后作为电信号读出。基板11可以是硅基板。光电转换元件21设置在基板11中。光聚焦元件26不仅可以实现为片上凸微透镜，也可以通过具有周期结构的压波长透镜(SWLL)来实现，该周期结构具有小于入射在光电转换元件21上的电磁波(比如，可见光)的波长的物理标度。在图5所示的示例中，具有偏光部件130的子像素区不具有滤色器。
在偏光部件130中，带状导电遮光材料层31的形成间距P0、狭缝区域32的宽度Ws、带状导电遮光材料层31的宽度Wc以及带状导电遮光材料层31的厚度t0可以如此设置，即，Ps＝100nm、Ws＝50nm、Wc＝50nm并且t0＝50nm，但不限于此。如图4A所示，在平面图中，各狭缝区域32可以具有细长的矩形形状，或者如图4B所示，可以具有一组矩形开口。然而，在后者的情况下，各矩形的纵轴尺寸必须显著大于穿过狭缝区域32的光的有效波长(λ0/n0)。狭缝区域32填充有与平滑化层24包含的材料相同的材料。
下面描述的图5～图9和图10～图12示出了子像素区120的平面布局图。在图5～图12中，标示为R的区表示具有红色滤色器的子像素区(即，红色显示子像素区R)，标示为G的区表示具有绿色滤色器的子像素区(即，绿色显示子像素区G)，标示为B的区表示具有蓝色滤色器的子像素区(即，蓝色显示子像素区B)，以及标示为W的区表示不具有滤色器的子像素区(即，白色显示子像素区W)。在第一～第四实施例中，红色显示子像素区R、绿色显示子像素区G以及蓝色显示子像素区B不具有偏光部件130。具有水平阴影线的各白色显示子像素区W包括在第一(q＝1)像素区域中并且具有偏光部件，具有45°斜阴影线的各白色显示子像素区W包括在第二(q＝2)像素区域中并且具有偏光部件，具有垂直阴影线的各白色显示子像素区W包括在第三(q＝3)像素区域中并且具有偏光部件，具有135°斜阴影线的各白色显示子像素区W包括在第四(q＝4)像素区域中并且具有偏光部件。由点线围绕的各个区域表示像素区域，由点划线围绕的区域表示像素区域组。所示的滤色器的排列基本上为拜耳排列。然而，红色、绿色以及蓝色滤色器设置在2×2子像素区的相应三个子像素区中，其余的一个子像素区中未设置滤色器，偏光部件130设置在其余的一个子像素区中。
例如，偏光信息用于比如反射光被消除了等特定的摄影模式中。一般来说，在很多情况下都不需要与普通摄像所需的空间分辨率相同的空间分辨率。此外，具有偏光部件130的子像素区120具有这样一种结构，即，其消除了一些光从而比其他子像素区具有更低的敏感性。以如图5所示的特定周期排列的偏光部件130可以提高不具有偏光部件的子像素区的比例，也可以使二维固态摄像装置的整体敏感性的下降最小化。在图5中，虽然具有偏光部件130的子像素区120被布置为在X和Y方向上夹有一个子像素区，但是也可以布置为在中间夹有两个或者三个子像素区。具有偏光部件130的子像素区120也可以排列为犬齿图案。
在用于二维固态摄像装置的偏光数据处理方法中，Iq表示入射在具有偏光部件并包括在第q个像素区域(其中q＝1、2、...、Q)中的子像素区上的光的光强度。将获得入射在像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max(即，偏光成分强度的最大值)的偏光方向θPL-max确定为获得基于光强度Iq而获得的正弦函数中的最大值的角度θmax，所确定的正弦函数中的最大值和最小值用作入射在该像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max和最小偏光强度IPL-min(偏光成分强度的最小值)。
具体地说，一个像素区域组由四个(Q0＝4)像素区域组成，各像素区域具有一个具有偏光部件130的子像素区120。因此，在像素区域组中，可以获得四种入射光强度Iq(q＝1、2、3、4)。
由于电磁波为振荡波，可以通过以下等式得出在垂直于电磁波行进的Z轴的X-Y平面内的于时间t和位置z处的电场εx和εy：
εx＝EX·exp[i(k·z-ω·t+δ1)]，
εy＝EY·exp[i(k·z-ω·t+δ2)]，
其中，EX表示X方向上的成分的振幅，EY表示Y方向上的成分的振幅，k表示相位常量并且等于2π/λ，ω表示电磁波的角频率，δ1表示X方向上的成分的初始相位，以及δ2表示Y方向上的成分的初始相位。
所检测到的电磁波是可以由这些正弦函数所表示的振荡波的合成。因而，当特定线性偏光成分、圆形偏光成分或者椭圆形偏光成分突出时，利用第一实施例中的二维固态摄像装置中的偏光部件130所观测到的电磁波的强度可以通过一个周期对应于一个360°的方位角的正弦函数来表示。另一方面，当电磁波的偏光成分完全随机时，不会发生特定的偏光，因而电磁波强度与偏光部件的方向无关。
即是说，如上所述，从具有偏光部件的子像素区120中获得的光强度Iq由正弦函数来表示，当获得该正弦函数的最大值时的角度θmax可以用作获得最大偏光强度(偏光成分强度的最大值)IPL-max的偏光方向θPL-max。此外，所确定的正弦函数中的最大值和最小值可以分别用作入射在像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max和最小偏光强度(偏光成分强度的最小值)IPL-min。偏光成分强度IPL可以表示为：
IPL＝(IPL-max-IPL-min)/(IPL-max+IPL-min)。
如图5所示，一个红色显示子像素区R由八个子像素区从12点钟位置沿顺时针方向围绕，这八个子像素区是绿色显示子像素区G、蓝色显示子像素区B、白色显示子像素区W、蓝色显示子像素区B、绿色显示子像素区G、蓝色显示子像素区B、白色显示子像素区W以及蓝色显示子像素区B。一个绿色显示子像素区G由八个子像素区从12点钟位置沿顺时针方向围绕，这八个子像素区是红色显示子像素区R、白色显示子像素区W、蓝色显示子像素区B、白色显示子像素区W、红色显示子像素区R、白色显示子像素区W、蓝色显示子像素区B以及白色显示子像素区W。一个蓝色显示子像素区B由白色显示子像素区W、红色显示子像素区R、绿色显示子像素区G、红色显示子像素区R、白色显示子像素区Q、红色显示子像素区R、绿色显示子像素区G以及红色显示子像素区R围绕。一个白色显示子像素区W由蓝色显示子像素区B、绿色显示子像素区G、红色显示子像素区R、绿色显示子像素区G、蓝色显示子像素区B、绿色显示子像素区G、红色显示子像素区R以及绿色显示子像素区G围绕。
在第一实施例的偏光数据处理方法中，在组成各像素区域的子像素区中，基于光强度IPL-max和/或光强度IPL-min来校正入射在不具有偏光部件的子像素区上的光的偏光成分的方向和强度。此外，在组成各像素区域的子像素区中，基于从具有偏光部件并且位于不具有偏光部件的子像素区附近的子像素区得到的光强度IPL-max和/或光强度IPL-min，来校正入射在不具有偏光部件的子像素区的光的偏光成分的方向和强度。
即是说，基于从位于绿色显示子像素区G附近的白色显示子像素区W得到的光强度IPL-max和/或光强度IPL-min，来校正入射在绿色显示子像素区G上的光的偏光成分的方向和强度。更具体地说，如图6所示，从通过四个相邻白色显示子像素区W(即，位于绿色显示子像素区G的右上方，右下方，左下方以及左上方的四个白色显示子像素区W)的偏光信息确定的偏光方向和偏光成分强度中获得绿色显示子像素区G的偏光信息。基于从四个白色显示子像素区W中获得的光强度Iq，可以获得绿色显示子像素区G的θPL-max、IPL-max、IPL-min以及IPL。
同样地，基于从位于蓝色显示子像素区B附近的白色显示子像素区W得到的光强度IPL-max和/或光强度IPL-min，来校正入射在蓝色显示子像素区B上的光的偏光成分的方向和强度。更具体地说，如图7所示，从通过四个相邻白色显示子像素区W(即，位于蓝色显示子像素区B的正上方、正下方、左下方以及左上方的四个白色显示子像素区W)的偏光信息确定的偏光方向和偏光成分强度中获得蓝色显示子像素区B的偏光信息。可以从通过总共六个相邻白色显示子像素区W的偏光信息确定的偏光方向和偏光成分强度中获得蓝色显示子像素区B的偏光信息，该总共六个相邻白色显示子像素区W进一步包括两个位于蓝色显示子像素区B的右下方和右上方的相邻白色显示子像素区W。基于从四个(或者六个)白色显示子像素区W中获得的光强度Iq，可以获得蓝色显示子像素区B的θPL-max、IPL-max、IPL-min以及IPL。
同样地，基于从位于红色显示子像素区R附近的白色显示子像素区W得到的光强度IPL-max和/或光强度IPL-min，来校正入射在红色显示子像素区R上的光的偏光成分的方向和强度。更具体地说，如图8所示，从通过四个相邻白色显示子像素区W(即，位于红色显示子像素区R的右上方，正右方，正左方以及左上方的四个白色显示子像素区W)的偏光信息确定的偏光方向和偏光成分强度中获得红色显示子像素区R的偏光信息。可以从通过总共六个相邻白色显示子像素区W的偏光信息确定的偏光方向和偏光成分强度中获得红色显示子像素区R的偏光信息，该总共六个相邻白色显示子像素区W进一步包括两个位于红色显示子像素区R的右下方和左下方的白色显示子像素区W。基于从四个(或者六个)白色显示子像素区W中获得的光强度Iq，可以获得红色显示子像素区R的θPL-max、IPL-max、IPL-min以及IPL。
同样地，如图9所示，从通过三个相邻白色显示子像素区W(即，位于白色显示子像素区W的正上方、正左方以及左上方的三个白色显示子像素区W)的偏光信息以及位于中心的白色显示子像素区W的偏光信息而获得的偏光方向和偏光成分强度中获得位于中心的白色显示子像素区W的偏光信息。也可以从通过总共八个相邻白色显示子像素区W的偏光信息而确定的偏光方向和偏光成分强度中获得位于中心的白色显示子像素区W的偏光信息，该总共八个相邻白色显示子像素区W进一步包括五个位于白色显示子像素区W的右上方、正右方、右下方、正下方以及左下方的白色显示子像素区W。基于从三个(或者八个)白色显示子像素区W中获得的光强度Iq，可以获得位于中心的白色显示子像素区W的θPL-max、IPL-max、IPL-min以及IPL。图9表示仅位于两个中心的白色显示子像素区W的偏光信息。
即是说，由于上述处理，可以获得子像素区的偏光成分强度和偏光方向，也可以获得偏光成分强度(IPL)的二维图、偏光的方位角(θ)的二维图、最大偏光强度(偏光成分强度的最大值)IPL-max的二维图以及最小偏光强度(偏光成分强度的最小值)IPL-min的二维图。这种情况下，相对于不具有偏光部件130的子像素区，可以认为是将0°～180°方位角内的所有偏光成分进行积分以执行检测。因而，不具有偏光部件130的子像素区的亮度值(Itotal)可以认为等于将偏光成分的平均强度(Iave)除以偏光部件130的指向能力(η)而获得的值。这种情况下，满足下列关系：
IPL-max＝Iave·(1+IPL)，
IPL-min＝Iave·(1-IPL)。
由于偏光部件的指向能力(η)是与偏光部件的方位角无关的特征值，可以假定Itotal与Iave的强度比为常数。当比例常数假设为1时，将Itotal乘以(1+IPL)和(1-IPL)可以在各子像素区中再现具有IPL-max和IPL-min的图像。相对于具有偏光部件130的子像素区120，通过周围子像素区的强度的插值，也可以得到不涉及偏光信息的强度。因而，可以通过相同的方式获得用于普通摄像(即，用于不使用偏光信息的摄影)的Itotal的二维图。
从周围子像素区中对位于中心的子像素区的信息进行恢复的处理可以通过类似于彩色信息去马赛克处理(demosaicing)的方案和算法来实现。因而，可以基于上述算法之外的算法来对包含偏光信息的图像和普通图像进行去马赛克和重构处理。各子像素区和白色显示子像素区W之间的上述位置关系旨在说明的需要，如必要，可以进行更改。此外，如上所述，不具有偏光部件的子像素区的偏光信息是从四个相邻白色显示子像素区W的偏光信息中确定的，四个白色显示子像素区W的位置也旨在说明，因而如必要，可以进行更改。
也可以采用如图10所示的子像素区平面布局中的排列来替代如图5所示的子像素区平面布局。图10中的配置基本上具有拜耳滤色器排列，并且具有这样一种配置，即，红色、绿色、蓝色以及绿色滤色器设置在由四个(2×2)子像素区组成的像素区域中，且偏光部件设置在组成各像素区域的四个子像素区之一中。在图10中，位于行b和列3的绿色显示子像素区G表示为绿色显示子像素区G(b，3)。
基于入射在不具有偏光部件且与具有偏光部件的子像素区具有相同检测波长带的相邻子像素区上的光的光强度，来校正入射在具有偏光部件的子像素区上的光的光强度Iq，该子像素区包括在第q个像素区域(其中，q＝1、2、...、Q)中。
具体地说，例如，相对于具有偏光部件130的红色显示子像素区R，当可以将不具有偏光部件130的周围八个红色显示子像素区R的光强度的平均值作为假设红色显示子像素区R不具有偏光部件130时的光强度。例如，相对于红色显示子像素区R(g，7)，可以将红色显示子像素区R(g，5)、红色显示子像素区R(i，5)、红色显示子像素区R(i，7)、红色显示子像素区R(i，9)、红色显示子像素区R(g，9)、红色显示子像素区R(e，9)、红色显示子像素区R(e，7)以及红色显示子像素区R(e，5)的光强度的平均值用作假设红色显示子像素区R(g，7)不具有偏光部件130时的光强度。基于已确定的光强度的平均值以及具有偏光部件130的红色显示子像素区R(g，7)的光强度，也可以获得红色显示子像素区R(g，7)的偏光成分强度。相对于具有偏光部件130的绿色显示子像素区G以及具有偏光部件130的蓝色显示子像素区B，可以通过上述方式获得它们的光强度的平均值。因而，可以从例如红色显示子像素区R(a，1)、绿色显示子像素区G(d，1)、蓝色显示子像素区B(d，4)以及绿色显示子像素区G(a，4)获得一个像素区域组的θPL-max、IPL-max、IPL-min以及IPL。上述方式也应用于其他像素区域组。
可以将设置在像素区域组之间的像素区域[比如，由红色显示子像素区R(e，1)、绿色显示子像素区G(f，1)、蓝色显示子像素区B(f，2)以及绿色显示子像素区G(e，2)组成的像素区域]的θPL-max、IPL-max、IPL-min以及IPL确定为设置在该像素区域两相对端处的两个像素区域组或者围绕该像素区域的四个像素区域组的θPL-max、IPL-max、IPL-min以及IPL的平均值。
由于可以通过上述方式获得各子像素区的光强度、偏光成分强度以及偏光方向，例如，可以基于偏光信息在摄影之后对图像数据进行处理。例如，对拍摄天空或者窗玻璃而获得的图像的一部分、拍摄水表面而获得的图像的一部分等等执行期望的处理，可以加强或者削弱偏光成分或者可以分离偏光成分和非偏光成分。因而，可以提高图像对比度并且可以消除不想要的信息。更具体地说，例如，可以利用二维固态摄像装置通过在拍摄期间指定拍摄模式来执行这种处理。
第一实施例或者下述第二～第四实施例中任一实施例中的二维固态摄像装置可以消除窗玻璃的反射。此外，添加偏光信息至图像信息也可以使多个物体的边界(轮廓)鲜明。也可以检测路面的状态或者路面上的障碍物。此外，二维固态摄像装置可以应用于各种领域，这些领域包括结合物体的双折射的图案的摄影、延迟分布的测量、偏光显微镜下图像的获取、物体表面形状的获取、物体表面纹理的测量、移动物体(比如车辆)的检测以及比如云分布的测量等气象观测。
不包括偏光部件130的微细加工在内，可以利用与制造现有二维固态摄像装置的方法相同的方法来制造第一实施例中的二维固态摄像装置。利用制造半导体装置的技术可以轻易地实现偏光部件130的微细加工。因而，下面便不对第一实施例中的二维固态摄像装置的制造方法进行描述。上述方式也同样应用于下述第三和第四实施例中的二维固态摄像装置。
在第一实施例的二维固态摄像装置中，布线层和偏光部件由相同的材料制成并且设置在同一虚拟平面上。因此，利用普通半导体装置制造工艺，可以同时在同一步骤中形成布线层和偏光部件。由于可以在不增加制造步骤的数量的情况下设置偏光部件，因而可以减少二维固态摄像装置的制造成本。再者，由于不必为偏光部件增加其他层，可以实现二维固态摄像装置的低剖面结构。偏光部件的设置也不会引起二维固态摄像装置厚度的增加。由于第一实施例或者下述第三和第四实施例中任一实施例的二维固态摄像装置的偏光部件的厚度可以减小至大约0.1微米，可以实现二维固态摄像装置的低剖面结构。
此外，在第一实施例或者下述第二实施例的二维固态摄像装置中，偏光部件设置在组成各像素区域的多个(M0)子像素区之一的光入射侧，因而，Q个偏光部件(其中Q≤Q0)设置在组成一个像素区域组的Q0个像素区域(其中Q0≥3)中。即是说，仅Q个偏光部件设置在构成一个像素区域组的共Q0×M0个子像素区中。所以，由于整个像素区域中偏光部件的排列，可以使敏感性的下降最小化。通过执行像素区域间计算处理来确定在各像素区域位置的偏光成分强度和偏光方向，这可以获得空间分辨率被稍微折衷的偏光信息，同时使敏感性的下降最小化。再者，由于仅Q个偏光部件设置在组成一个像素区域组的总共Q0×M0个子像素区中，因此不会使对由光电转换元件所接收的光量和光强度的计算处理变得复杂。此外，可以实时获得偏光成分强度、偏光方向等的信息，也可以从单个图像中获得偏光方向和偏光成分强度的信息。
第二实施例
第二实施列涉及用于根据本发明的第二模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法。第二实施例中的二维固态摄像装置与第一实施例中的二维固态摄像装置具有相同的配置，因而在下文中不进行详细描述。
用于第二实施例的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法是用于第一实施例的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法的简化，从而实现了数据处理量的减少。在用于第二实施例的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法中，Iq表示入射在具有偏光部件并且组成第q个像素区域(其中，q＝1、2、...、Q)的子像素区上的光的光强度。光强度Iq的最大值Imax被用作入射在该像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max，获得Imax的像素区域的角度θq被用作获得入射在该像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max的偏光方向θPL-max，并且光强度Iq的最小值Imin被用作入射在该像素区域上的光的最小偏光强度IPL-min。
例如，Q＝6或者Q＝8时，可以以在实践中不会引起问题的精度获得偏光成分强度和偏光方向，和第一实施例相比，也可以显著地减少数据处理的量。
第三实施例
第三实施例涉及根据本发明的第二模式的二维固态摄像装置。如图2A和图2B中局部截面示意图所示，在第三实施例的二维固态摄像装置中，偏光部件230设置在组成各像素区域的子像素区220中至少之一的光入射侧。各子像素区具有用于控制(限制)光电转换元件上的光入射的遮光层23。偏光部件230和遮光层23设置在同一虚拟平面上。这种情况下，偏光部件230是线栅偏光部件并且由例如铝(Al)或者铜(Cu)制成，遮光层23由例如铝(Al)或者钨(W)制成。
图2A所示的二维固态摄像装置是前侧照明式二维固态摄像装置，然而图2B所示的二维固态摄像装置是后侧照明式二维固态摄像装置。在图2A所示的前侧照明式二维固态摄像装置中，由光聚焦元件26所聚焦的光通过滤色器22、平滑化层24以及偏光部件230引导至光电转换元件21。平滑化层24由比如SiO2或者SiN等透明材料制成。偏光部件230设置在遮光层23的开口区域中。光通过光电转换被转换为电荷，将电荷保存然后作为电信号读出。另一方面，在图2B所示的后侧照明式二维固态摄像装置中，由光聚焦元件26所聚焦的光通过滤色器22、基板11以及设置在遮光层23的开口区域中的偏光部件230引导至光电转换元件21。通过对光进行光电转换以转换为电荷，将电荷保存然后作为电信号读出。也存在这样一种情况，即，滤色器22不设置在具有偏光部件230的子像素区220中。
在第三实施例中，偏光部件230设置在光电转换元件21上方，两者之间夹有绝缘膜231。绝缘膜231的厚度优选地为1×10-7m或更小，并且需要尽可能小。当处于从可见光波长到近红外光波长这一范围内的电磁波入射在偏光部件230上，并且偏光部件230的带状导电遮光材料层的周期结构以及入射的电磁波的波长满足共振条件时，电磁波与带状导电遮光材料层所包含材料中的极化电荷或者电子耦合，以生成表面等离子体激元。这种状态下，在由封闭的偏振电荷的电力线所限定的区域(即，非传播光的区域)中产生近场光。近场光仅可存在于与电磁波长相当的范围中，并且近场光的强度会以指数方式变弱。因而，近场光仅仅可以由光电转换元件21来接收(测量)，在光电转换元件21和遮光层23之间夹有超薄(100nm或更薄)绝缘膜231。相应地，当采用这样一种结构时，即，偏光部件230和光电转换元件21以它们之间夹有绝缘膜231的方式进行设置，更优选的是绝缘膜231具有更小的厚度。
因而，在第三实施例的二维固态摄像装置中，在偏光部件230表面上由入射的电磁波激励的表面等离子体激元传播并且穿过带状导电遮光材料层31，传播光被再放射。光电转换元件21可以接收再放射的传播光，或者可以检测由导电遮光材料层31的材料的偏光等等因素导致的急剧电场变化。
在第三实施例的二维固态摄像装置中，遮光层和偏光部件设置在同一虚拟平面上。因此，利用通常的半导体装置制造工艺，可以同时在同一步骤中形成遮光层和偏光部件。由于可以在不增加制造步骤的数量的情况下设置偏光部件，因而可以减少二维固态摄像装置的制造成本。再者，由于不必为偏光部件增加其他层，可以实现二维固态摄像装置的低剖面结构。偏光部件的设置也不会引起二维固态摄像装置厚度的增加。
第一实施例中所述的根据本发明的第四模式的二维固态摄像装置也应用于第三实施例的二维固态摄像装置，并且第一或者第二实施例中所述的用于根据本发明的第一或者第二模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法可以应用于这种形式。
第四实施例
第四实施例涉及根据本发明的第三模式的二维固态摄像装置。如图3A或者图3B的局部截面示意图所示，在第四实施例的二维固态摄像装置中，线栅偏光部件330设置在组成各像素区域的子像素区320之一的光入射侧，滤色器(未标出)设置在其余的子像素区的光入射侧。滤色器和偏光部件330设置在同一虚拟平面上。
图3A所示的二维固态摄像装置是前侧照明式二维固态摄像装置，然而图3B所示的二维固态摄像装置是后侧照明式二维固态摄像装置。在图3A所示的前侧照明式二维固态摄像装置中，由光聚焦元件26所聚焦的光通过偏光部件330、平滑化层24以及遮光层23的开口区域引导至光电转换元件21。光聚焦元件26具有片上凸微透镜，平滑化层24由比如SiO2或者SiN等透明材料制成。光通过光电转换被转换为电荷，将电荷保存然后作为电信号读出。另一方面，在图3B所示的后侧照明式二维固态摄像装置中，由光聚焦元件26所聚焦的光通过偏光部件330、基板11以及遮光层23的开口区域引导至光电转换元件21。光通过电转换被转换为电荷，将电荷保存然后作为电信号读出。
由于第四实施例中二维固态摄像装置的滤色器和偏光部件设置在同一虚拟平面上，不可能出现具有偏光部件的子像素区的高度与具有滤色器的另一子像素区的高度彼此不同的情况。再者，由于不必为偏光部件增加其他层，可以实现二维固态摄像装置的低剖面结构。偏光部件的设置也不会引起二维固态摄像装置厚度的增加。
第一实施例中所述的根据本发明的第四模式的二维固态摄像装置也应用于第四实施例的二维固态摄像装置，并且第一或者第二实施例中所述的用于根据本发明的第一或者第二模式的二维固态摄像装置的偏光数据处理方法可以应用于这种形式。
虽然上面已对本发明的优选实施例做了描述，然而本发明不限于这些实施例。在上述这些实施例中，偏光部件只限于获取对可见光波长带敏感的固态摄像元件的偏光信息。然而，当光电转换元件(光接收元件)对红外或者紫外光敏感时，增加或者减小带状导电遮光材料层的形成间距P0以与敏感性相对应，这样可以允许偏光部件在任意波长带中起作用。
第一、第三以及第四实施例中所述的根据本发明的第一～第三模式的二维固态摄像装置的子像素区的平面布局不限于参见图5和图10所述的布置。例如，子像素区的平面布局可以是如图11或者图12所示的平面布置。对于具有如图11所示的平面布局的CMOS固态摄像装置，可以采用2×2像素共享方案，即，2×2个子像素区共享选择晶体管、复位晶体管以及放大晶体管。在不执行像素求和的摄像模式中，执行涉及偏光信息的图像摄取，在利用浮动扩散节点对存储在2×2个子像素区中的电荷进行求和的模式中，可以提供所有偏光成分都被积分的普通摄取图像。在图12所示的平面布局中，一个方向上的偏光部件排列在2×2个子像素区中。因而，不太可能出现导体栅格中的像素间不连续性，从而可以实现高质量偏光图像摄取。
在比如电视接收机等图像显示器中，在透明基板或者基座上利用实施例中所述的偏光部件形成两种透明基板，并且为透明基板分配相应的右眼和左眼像素，可以提供立体视觉的图像。此外，例如，在单个图像中嵌入多个图像可以使多人在同一时间观看到不同的图像(节目)。此外，在DVD或者蓝光(blue-ray)光盘系统的记录介质的两层中，制造垂直偏光用的凹凸结构和水平偏光用的凹凸结构，并且利用垂直和水平偏振的激光器允许在相同尺寸中记录两倍的信息。本发明也可以应用于光学通信设备等。
本领域的技术人员应当明白，在不脱离所附权利要求及其等同方案的范围内，根据设计需要和其它因素可出现各种变化、组合、子组合和替代。

Claims (14)

1.一种二维固态摄像装置，其包括以二维矩阵排列的像素区域，各像素区域由多个子像素区组成，各子像素区具有光电转换元件，
其中，在组成各像素区域的所述子像素区中的至少一个的光入射侧设置有偏光部件，
所述偏光部件具有带状导电遮光材料层和设置在所述带状导电遮光材料层之间的狭缝区域，以透过具有垂直于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光，并且抑制具有平行于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光的透过，
各子像素区进一步具有用于控制所述光电转换元件的操作的布线层，并且
所述偏光部件和所述布线层由相同的材料制成并且设置在同一虚拟平面上。
2.一种二维固态摄像装置，其包括以二维矩阵排列的像素区域，各像素区域由多个子像素区组成，各子像素区具有光电转换元件，
其中，在组成各像素区域的所述子像素区中的至少一个的光入射侧设置有偏光部件；
所述偏光部件具有带状导电遮光材料层和设置在所述带状导电遮光材料层之间的狭缝区域，以透过具有垂直于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光，并且抑制具有平行于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光的透过，
各子像素区进一步具有用于控制所述光电转换元件上的光入射的遮光层，并且
所述偏光部件和所述遮光层设置在同一虚拟平面上。
3.一种二维固态摄像装置，其包括以二维矩阵排列的像素区域，各像素区域由多个子像素区组成，各子像素区具有光电转换元件，
其中，在组成各像素区域的所述子像素区之一的光入射侧设置有偏光部件，在其余的子像素区的光入射侧设置有滤色器；
所述偏光部件具有带状导电遮光材料层和设置在所述带状导电遮光材料层之间的狭缝区域，以透过具有垂直于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光，并且抑制具有平行于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光的透过，并且
所述滤色器和所述偏光部件设置在同一虚拟平面上。
4.一种二维固态摄像装置，其包括以二维矩阵排列的像素区域，各像素区域由多个子像素区组成，各子像素区具有光电转换元件，
其中，在组成各像素区域的所述子像素区之一的光入射侧设置有偏光部件，
所述偏光部件具有带状导电遮光材料层和设置在所述带状导电遮光材料层之间的狭缝区域，以透过具有垂直于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光，并且抑制具有平行于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光的透过，并且，
由Q0个像素区域(其中Q0≥3)组成像素区域组，并满足：
θq＝θ1+(180/Q)×(q-1)(度)，
其中，Q为正整数(其中3≤Q≤Q0)，θ1是由预定的方向以及所述带状导电遮光材料层在第q个像素区域(其中q＝1)所包括的所述子像素区的偏光部件中延伸的方向来限定的角度，θq是由预定的方向以及所述带状导电遮光材料层在从Q-1个像素区域中选择的第q个像素区域(其中2≤q≤Q)包括的子像素区的偏光部件中延伸的方向来限定的角度，所述Q-1个像素区域是从除第一像素区域之外的像素区域中选出的。
5.根据权利要求4所述的二维固态摄像装置，其中Q为4。
6.根据权利要求4所述的二维固态摄像装置，其中，各子像素区进一步具有用于控制所述光电转换元件的操作的布线层，所述偏光部件和所述布线层由相同的材料制成并且设置在同一虚拟平面上。
7.根据权利要求4所述的二维固态摄像装置，其中，各子像素区进一步具有用于控制所述光电转换元件上的光入射的遮光层，所述偏光部件和所述遮光层设置在同一虚拟平面上。
8.根据权利要求4所述的二维固态摄像装置，其中，在未设置偏光部件的子像素区的光入射侧设置有滤色器，所述滤色器和所述偏光部件设置在同一虚拟平面上。
9.一种用于二维固态摄像装置的偏光数据处理方法，所述二维固态摄像装置包括以二维矩阵排列的像素区域，各像素区域由多个子像素区组成，各子像素区具有光电转换元件，
其中，在组成各像素区域的所述子像素区之一的光入射侧设置有偏光部件，
所述偏光部件具有带状导电遮光材料层和设置在所述带状导电遮光材料层之间的狭缝区域，以透过具有垂直于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光，并且抑制具有平行于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光的透过，
并且，由Q0个像素区域(其中Q0≥3)组成像素区域组，并满足：
θq＝θ1+(180/Q)×(q-1)(度)，
其中，Q为正整数(其中3≤Q≤Q0)，θ1是由预定的方向以及所述带状导电遮光材料层在第q个像素区域(其中q＝1)中包括的子像素区中的偏光部件中的延伸方向来限定的角度，θq是由预定的方向以及所述带状导电遮光材料层在从Q-1个像素区域中选择的第q个像素区域(其中2≤q≤Q)中包括的子像素区中的偏光部件中的延伸方向来限定的角度，所述Q-1个像素区域是从除第一像素区域之外的像素区域中选出的，所述偏光数据处理方法包括以下步骤：
将获得入射在所述像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max的偏光方向θPL-max确定为获得基于光强度Iq而获得的正弦函数的最大值的角度θmax，其中光强度Iq表示入射在具有偏光部件并包括在第q个像素区域(其中q＝1、2、…、Q)中的子像素区上的光的光强度；以及
将所确定的正弦函数的最大值和最小值用作入射在所述像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max和最小偏光强度IPL-min。
10.根据权利要求9所述的偏光数据处理方法，其中，在组成各像素区域的子像素区中，基于最大偏光强度IPL-max和/或最小偏光强度IPL-min来校正入射在未设置偏光部件的子像素区上的光的偏光成分的方向和强度。
11.根据权利要求10所述的偏光数据处理方法，其中，所述最大偏光强度IPL-max和/或最小偏光强度IPL-min从设置有所述偏光部件的子像素区获得，该子像素区位于未设置偏光部件的子像素区的附近。
12.根据权利要求9所述的偏光数据处理方法，其中，基于入射在不具有偏光部件并且与设置有偏光部件的子像素区具有相同的检测波长带的相邻子像素区上的光的光强度，来校正入射在具有偏光部件并包括在第q个像素区域(其中q＝1、2、…、Q)中的子像素区上的光的光强度Iq。
13.根据权利要求9所述的偏光数据处理方法，其中Q为4。
14.一种用于二维固态摄像装置的偏光数据处理方法，所述二维固态摄像装置包括以二维矩阵排列的像素区域，各像素区域由多个子像素区组成，各子像素区具有光电转换元件，
其中，在组成各像素区域的所述子像素区之一的光入射侧设置有偏光部件，
所述偏光部件具有带状导电遮光材料层和设置在所述带状导电遮光材料层之间的狭缝区域，以透过具有垂直于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光，并且抑制具有平行于所述带状导电遮光材料层延伸方向的方向上的偏光成分的光的透过，
并且由Q0个像素区域(其中Q0≥3)组成像素区域组，并满足
θq＝θ1+(180/Q)×(q-1)(度)，
其中，Q是正整数(其中3≤Q≤Q0)，θ1是由预定的方向以及所述带状导电遮光材料层在第q个像素区域(其中q＝1)中包括的子像素区中的偏光部件中的延伸方向来限定的角度，θq是由预定的方向以及所述带状导电遮光材料层在从Q-1个像素区域中选择的第q个像素区域(其中2≤q≤Q)中包括的子像素区中的偏光部件中的延伸方向来限定的角度，所述Q-1个像素区域是从除第一像素区域之外的像素区域中选出的，所述偏光数据处理方法包括以下步骤：
将入射在具有偏光部件并包括在第q个像素区域(其中q＝1、2、…、Q)中的子像素区上的光的光强度Iq的最大值Imax用作入射在所述像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max；
将获得所述最大值Imax的所述像素区域的角度θq用作获得入射在所述像素区域上的光的最大偏光强度IPL-max的偏光方向θPL-max；以及
将光强度Iq的最小值Imin用作入射在所述像素区域上的光的最小偏光强度IPL-min。
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