CN102244083B - 一种混合多光谱感光象素组、感光器件、及感光系统 - Google Patents
一种混合多光谱感光象素组、感光器件、及感光系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种混合多光谱感光象素组、感光器件、及感光系统。所述的混合多光谱感光象素组，包括至少一个化学镀膜感光象素和至少一个半导体感光象素。本发明通过将化学镀膜感光象素与半导体感光象素相结合产生一种混合多光谱感光象素，可同时获得众多的彩色信号和其它光谱信号，能够最大化的利用入射光子的能量，达到或接近到达光电转换效率的理论上限，并可在完整地重建彩色的同时，获得其它光谱的图像，包括紫外线图像，近红外图像，和远红外图像。
Description
技术领域
本发明涉及感光领域，具体的说，涉及一种混合多光谱感光象素组、感光器件、及感光系统。
背景技术
本发明是本发明人稍早一点的《多光谱感光器件及其制作方法》(PCT/CN2007/071262)，《多光谱感光器件及其制作方法》(中国申请号：200810217270.2)，《多光谱感光器件》(中国申请号：200910105372.X)，《一种多光谱感光器件及其采样方法》(中国申请号：200910105948.2)，《一种感光器件及其读取方法、读取电路》(中国申请号：200910106477.7)的延续，旨在提供更为具体而且优选的芯片及系统级别的实现。
上面所列的发明，主要涉及以半导体为主体的多光谱感光芯片的制作、读取方法和系统。这些新的技术和发明，虽然巨大地提升了半导体感光器件的性能和应用方式，但是仍然受到半导体感光器件本身的两个基本限制：(1)带隙(bandgap)比较小，从而红外的感应受到极大的限制；(2)半导体的量子效率只有50％左右。
最近，美国专利申请《Materials，Systems and Methods forOptoelectronic Devices》(PCT/US2008/060947，WO2008/131313)提出了以量子点形成的量子(感光)膜制作感光象素的方法(如图1-4所示)。在该申请中，发明了一种对于光信号更为灵敏，带隙(bandgap)更宽的量子镀膜，利用量子点(Quantun Dot)的尺寸(即量子点直径)大小具有选频特性的特点来实现感应不同的色彩，这种量子镀膜能够提供更高的光电转换效率，并且能够提供更宽的频谱响应特性(如图5所示)。该申请提及的量子点感光象素，实际上是更广义的化学镀膜感光象素的一个特例，化学镀膜感光象素采用的思路，基本上都是在化学镀膜加上偏压，然后由光的照射引发自由电子(或空洞)的出走，自由电子(或空洞)被偏压引到镀膜的表层而产生电荷积累，由此实现了感光。采用该发明，需要滤光膜和额外的半导体读取层，而滤光膜的使用使化学镀膜感光器件的感光效率受限。
因此，存在更先进的优选实现方法，以获得更好的感光效果。例如，在进行多光谱感光时，如何更好地兼顾彩色和灵敏度的需求，如何逼近或者达到彩色感光器件所需要的理想正交特性(如图6所示的红、绿、兰的响应曲线)等并同时具有最高的光电转换效率，仍有改进的空间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种混合多光谱感光象素组、感光器件、及感光系统，其结合半导体(CCD或CMOS)感光器件和化学镀膜(如量子膜)感光器件的优点，以求获得达到或接近达到光使用效率的理论极限的多光谱感光器件。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种混合多光谱感光象素组，包括至少一个化学镀膜感光象素和至少一个半导体感光象素。
在本发明的一种实施例中，所述的感光象素组，至少一个所述化学镀膜感光象素和至少一个所述半导体感光象素布置在同一个平面上。
在本发明的一种实施例中，所述的感光象素组，至少一个所述化学镀膜感光象素和至少一个所述半导体感光象素布置为上下结构。
在本发明的一种实施例中，所述的感光象素组，至少一个所述化学镀膜感光象素布置在至少一个所述半导体感光象素上方。
在本发明的一种实施例中，所述的感光象素组，至少一个所述化学镀膜感光象素布置在至少一个所述半导体感光象素下方。
在本发明的一种实施例中，所述的感光象素组，所述化学镀膜感光象素和半导体感光象素各为一个，所述化学镀膜感光象素布置在所述半导体感光象素的上方或下方；或者，
所述化学镀膜感光象素为两个，所述半导体感光象素为一个，所述半导体感光象素叠置在所述两个化学镀膜感光象素的上方、之间、或下方；或者，
所述半导体感光象素为两个，所述化学镀膜感光象素为一个，所述化学镀膜感光象素布置在所述两个半导体感光象素的上方、之间、或下方；或者，
所述化学镀膜感光象素和所述半导体感光象素各为两个，所述两个化学镀膜感光象素中一者布置在所述两个半导体感光象素的上方，另一者布置在所述两个半导体感光象素的下方；或所述两个化学镀膜感光象素中一者布置在所述两个半导体感光象素的上方，另一者布置在所述两个半导体感光象素之间；或所述两个化学镀膜感光象素中一者布置在所述两个半导体感光象素的下方，另一者布置在所述两个半导体感光象素之间；或者，
所述化学镀膜感光象素为一个，所述半导体感光象素为三个，所述化学镀膜感光象素布置在所述三个半导体感光象素的上方或下方。
在本发明的一种实施例中，所述的感光象素组，至少一个所述化学镀膜感光象素或至少一个所述半导体感光象素为正面感光象素、背面感光象素、或双向感光象素。
在本发明的一种实施例中，所述的感光象素组，当所述化学镀膜感光象素或半导体感光象素为双向感光象素时，其感光选向方式为隔离选向、分时选向、分区选向、或象素选向。
在本发明的一种实施例中，所述的感光象素组，所述化学镀膜感光象素和半导体感光象素分别感应包含紫外线、可见光、近红外、和远红外中的一个互补谱段或子谱段；或者所述化学镀膜感光象素和半导体感光象素分别感应包含紫外线、可见光、近红外、和远红外中的一个正交谱段或子谱段。
本发明所提出的一种混合多光谱感光器件，包括至少一个化学镀膜感光象素和至少一个半导体感光象素。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，至少一个所述化学镀膜感光象素和至少一个所述半导体感光象素布置在同一个平面上。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，包括至少两个感光象素层，至少一个所述化学镀膜感光象素布置在所述至少两个感光象素层中的一者，至少一个所述半导体感光象素布置在所述至少两个感光象素中的其他一者。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述感光象素层中，至少包含一个化学镀膜感光象素层和一个半导体感光象素层。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，至少一个所述化学镀膜感光象素层布置在至少一个所述半导体感光象素层的上方。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，至少一个所述化学镀膜感光象素层布置在至少一个所述半导体感光象素层的下方。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，至少一个所述化学镀膜感光象素层的象素布置位置和至少一个所述半导体感光象素层的象素布置位置相对应。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，同一位置但不同层的感光象素，分别感应包含紫外线、可见光、近红外、和远红外中的一个互补谱段或子谱段；或者分别感应包含紫外线、可见光、近红外、和远红外中的一个正交谱段或子谱段。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述互补谱段或子谱段包含紫外光谱，兰色光谱，绿色光谱，红色光谱，近红外光谱，远红外光谱，青色光谱，黄色光谱，白色光谱，近红外光谱+远红外光谱，红色光谱+近红外光谱，红光谱+近红外光谱+远红外光谱，黄色光谱+近红外光谱，黄色光谱+近红外光谱+远红外光谱，可见光谱+近红外光谱+远红外光谱，紫外光谱+可见光谱，紫外光谱+可见光谱+近红外光谱，紫外光谱+可见光谱+近红外光谱+远红外光谱；
所述正交谱段或子谱段包含紫外光谱，兰色光谱，绿色光谱，红色光谱，近红外光谱，远红外光谱，青色光谱，黄色光谱，白色光谱，近红外光谱+远红外光谱，红色光谱+近红外光谱，红光谱+近红外光谱+远红外光谱，黄色光谱+近红外光谱，黄色光谱+近红外光谱+远红外光谱，可见光谱+近红外光谱+远红外光谱，紫外光谱+可见光谱，紫外光谱+可见光谱+近红外光谱，紫外光谱+可见光谱+近红外光谱+远红外光谱。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，每一感光象素层中的色彩排列包括同一排列、水平排列、垂直排列、对角排列、广义贝叶排列、YUV422排列、横向YUV422排列、蜂窝排列、均布排列。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，至少一个所述化学镀膜感光象素或至少一个所述半导体感光象素为正面感光象素、背面感光象素、或双向感光象素。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，当所述化学镀膜感光象素或半导体感光象素为双向感光象素时，其感光选向方式为隔离选向、分时选向、分区选向、或象素选向。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，至少一个所述化学镀膜感光象素层和至少一个所述半导体感光象素层设置在一个基板上；包括：
所述感光器件为单面双层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和一个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层和所述半导体感光象素层布置在所述基板的顶面或底面；或者，
所述感光器件为双面双层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和一个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层布置在所述基板的顶面或底面，所述半导体感光象素层布置在所述基板的底面或顶面；或者，
所述感光器件为单面三层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和两个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层和所述两个半导体感光象素层布置在所述基板的顶面或底面；或者，
所述感光器件为双面三层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和两个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层布置在所述基板的顶面或底面，所述两个半导体感光象素层布置在所述基板的底面或顶面，或所述两个半导体感光象素层中一者布置在所述基板的顶面，另一者布置在所述基板的底面；或者，
所述感光器件为双面三层感光器件，包含两个化学镀膜感光象素层和一个半导体感光象素层，所述两个化学镀膜感光象素层中一者布置在所述基板的顶面，另一者布置在所述基板的底面，所述半导体感光象素层布置在所述基板的顶面或底面；或者，
所述感光器件为双面四层感光器件，包含两个化学镀膜感光象素层和两个半导体感光象素层，所述两个半导体感光象素层在所述基板的底面或顶面，所述两个化学镀膜感光象素层中的一者在顶面上方，另一者在底面下方，或者所述两个化学镀膜感光象素层在所述基板的顶面或底面，所述两个半导体感光象素层中的一者在顶面上方，另一者在底面下方；或者，
所述感光器件为双面四层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和三个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层在所述基板的顶面或底面，所述三个半导体感光象素层中的一者在所述基板的顶面或底面，另两者在所述基板的底面或顶面；或者，
所述感光器件为双面五层感光器件，包含两个化学镀膜感光象素层和三个半导体感光象素层，所述两个化学镀膜感光象素层中一者在所述基板的顶面，另一者在所述基板的底面，所述三个半导体感光象素层中一者在所述基板的顶面或底面，另两者在所述基板的底面或顶面；或者，
所述感光器件为双面六层感光器件，包含两个化学镀膜感光象素层和四个半导体感光象素层，所述两个化学镀膜感光象素层中一者在所述基板的顶面，另一者在所述基板的底面，所述四个半导体感光象素层中两者在所述基板的顶面，另两者在所述基板的底面。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，至少一个所述化学镀膜感光象素层设置在一个基板上，至少一个所述半导体感光象素层设置在另一个基板上。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，感应波长更短的光的感光象素层为离光源更近的感光象素层。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，还包括滤光膜，所述滤光膜设置在离光源最近的感光象素层上，或设置在离光源最远的感光象素层上，或设置在两个感光象素层之间，或设置在离光源最近的感光象素层和离光源最远的感光象素层上；所述滤光膜的选频特性包括红外截止滤波、兰色带通、绿色带通、红色带通、青色带通、黄色带通、品红色带通、青色加红外色带通、黄色加红外色带通、品红色加红外色带通、或可见光带通。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述感光象素层中的相邻两层各自设有读取电路；或者所述感光象素层的相邻两层共用读取电路。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述读取电路为主动象素读取电路、被动象素读取电路、或主动象素与被动象素混合的读取电路。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述主动象素包括3T、4T、5T或6T主动象素。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述读取电路的共用方式包括单层或上下层4点共享方式、单层或上下层6点共享方式、单层或上下层8点共享方式、或单层或上下层任意点共享方式。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述读取电路包括用于对每一感光象素层的象素阵列中的紧邻的同行异列、异行同列、或异行异列的象素间进行两两合并采样，获得第一合并象素的采样数据的第一合并单元；以及用于对第一合并单元得到的第一合并象素的采样数据进行合并采样以获得第二合并象素的采样数据的第二合并单元。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述读取电路还包括第三合并单元，用于对第二合并单元得到的第二合并象素的采样数据进行合并采样以获得第三合并象素的采样数据。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述第一合并单元或第二合并单元的象素合并方式为相同或不同色彩象素间的电荷相加方式或不同色彩象素间的信号平均方式，其中不同色彩象素间的象素合并方式遵照色彩空间变换的方式，以满足色彩重建的要求。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述色彩空间变换包括RGB到CyYeMgX空间的变换、RGB到YUV空间的变换、或CyYeMgX到YUV空间的变换，其中X为R(红)、G(绿)、B(兰)中的任一种。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述电荷相加方式通过象素直接并联或将电荷同时转移到读取电容(FD)中完成。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述第一合并单元或第二合并单元的基于色彩的合并采样方式包括同色合并方式、异色合并方式、混杂合并方式、或选择性抛弃多余色彩合并方式，且第一合并单元和第二合并单元采用的合并采样方式不同时为同色合并方式。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述第一合并单元或第二合并单元的基于位置的合并采样方式包括以下几种方式中的至少一种：直接输出到总线的信号自动平均方式、跳行或跳列方式、和逐个采样方式。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述第三合并单元的合并采样方式包括：色彩空间变换方式和后端数字图像缩放方式中的至少一种。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述化学镀膜感光象素包括量子点感光象素。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述半导体感光象素包括CMOS光敏二极管、CMOS感光门、CCD光敏二极管、CCD感光门、和具有双向电荷转移功能的CMOS和CCD感光二极管和感光门。
本发明所提出的一种混合多光谱感光系统，采用上述的感光器件实现。
本发明的混合多光谱感光象素组、感光器件及系统的有益效果在于：化学镀膜感光象素和半导体感光象素各自有它们的优缺点。化学镀膜感光象素的好处是感光灵敏度高(尤其红外光部分)，表面加工方便，但是需要额外的半导体读取层和滤光膜(以获得彩色)。而半导体感光象素虽然不需额外的半导体读取层，但却存在感光灵敏度和制作难度的平衡问题。本发明通过将两者有机地结合，可以相互取长补短，既不需要设置额外的半导体读取层和滤光膜，又不增加半导体感光象素的制作难度，而且具有较高的感光灵敏度，从而充分发挥了两者各自的优势，可同时获得众多的彩色信号和其它光谱信号，能够最大化的利用入射光子的能量，达到或接近到达光电转换效率的理论上限，并可在完整地重建彩色的同时，获得其它光谱的图像，包括紫外线图像，近红外图像，和远红外图像。
本发明将通过实施例描述这种新型的、威力巨大的混合多光谱感光象素组、感光器件和系统。这些优选实现方式，仅仅是作为举例来说明本发明的优点和实现方法而已，而不是为了限制这些发明的保护范围。
对于相关业界的有识之士而言，本发明的上述及其它目的和优点，在阅读过下面的优选的带有多个插图解释的实现案例的细节描述之后，将是十分明显的。
附图说明
图1是由InVisage公司发明，在美国专利申请PCT/US2008/060947中描述的一种采用量子感光膜的新型感光器件。注意到此图中，量子感光膜是此发明的核心。量子感光膜实际上是化学材料感光膜的一种，这种材料不是唯一的。随着科学技术的进步，今后必定还会有更先进的化学材料感光膜诞生。
图2是量子感光膜感光器件的象素结构示意图。注意到与量子感光膜接触的电极用到稀有和昂贵的金。
图3是采用量子点材料制作的简单封闭式感光象素的结构和电连接示意图。
图4是采用(单层)量子感光膜的感光器件在半导体基层上的布置及器件结构简单示意图。注意到半导体基层主要是提供转移电路，而没有提供感光象素。
图5是目前几种优秀的量子点感光材料的频谱响应曲线。注意到，小尺寸量子点对于波长700纳米以上的光的响应不够好，而大尺寸量子点对于波长700纳米以下的光的响应不够好。
图6是一个光谱分布的示意图。可见光一般是指390nm到760nm波长的光。一般由棱镜分出来看到的兰光波长在440-490nm，绿光波长在520-570nm，红光波长在630-740nm，而在感光器件的设计中，一般把390-500nm划为兰色区，500-610nm划为绿色区，610-760nm划为红色区，但这种红、绿、兰的谱段的划分并不是绝对的。图中的红、绿、兰、青、和黄的波形，是原色感光象素或补色(复合色)感光象素所需求的理想波长响应曲线，否则很难重建人类所能看到绝大部分色彩。
需要指出的是，目前还没有找到具有这种理想红、绿、兰、青、和黄波长响应曲线的量子点材料。因此，在当前的量子感光膜感光器件实现中，仍然需要采用彩色滤光膜的手段。彩色滤光膜的引进，导致了入射光能的浪费，因而当前的量子感光膜感光器件的灵敏度，在理论上还比不上本发明人提出的不使用彩色滤光膜的两层感光器件(如《多光谱感光器件及其制作方法》(PCT/CN2007/071262)，《多光谱感光器件及其制作方法》(中国申请号：200810217270.2)，及《多光谱感光器件》(中国申请号：200910105372.X)。
图7是量子点感光象素的3T读取电路。此电路与传统的半导体3T电路非常相似。
图8是量子点感光象素的4T读取电路。此电路与传统的半导体4T电路非常相似。
图9是美国专利申请PCT/US2008/060947提出的多层量子感光膜感光器件的实现方法。需要注意的是，两层以上的感光器件的实现是非常困难的，而且实践证明在成本和性能上都是没有竞争力的。
图10是传统的半导体(CMOS和CCD)4T读取电路。这与图8是非常相似的。这种读取电路的相似性使混合多光谱感光器件成为可能。
图11是本人在《一种多光谱感光器件及其采样方法》(中国申请号：200910105948.2)和《一种感光器件及其读取方法、读取电路》(中国申请号：200910106477.7)提出的四点共享读取电路。
图12是本人在《一种多光谱感光器件及其采样方法》(中国申请号：200910105948.2)和《一种感光器件及其读取方法、读取电路》(中国申请号：200910106477。7)提出的两层六点共享读取电路。
图13是本人在《一种多光谱感光器件及其采样方法》(中国申请号：200910105948.2)和《一种感光器件及其读取方法、读取电路》(中国申请号：200910106477.7)提出的两层八点共享读取电路。
图14是本人在《一种感光器件及其读取方法、读取电路》(中国申请号：200910105948.2)提出的任意N点共享读取电路。
图15是本人在《多光谱感光器件及其制作方法》(中国申请号：200810217270.2)及《多光谱感光器件》(中国申请号：200910105372.X)中提出的双面双层多光谱感光器件的示意图。
图16是本人在《多光谱感光器件及其制作方法》(中国申请号：200810217270.2)及《多光谱感光器件》(中国申请号：200910105372.X)中提出的另一种双面双层多光谱感光器件的示意图。这种双面双层多光谱感光器件采用的是蜂窝象素排列方式。
图17(a)-(d)是本发明提出的两层混合多光谱感光器件的示意图，其中一层采用化学感光材料(如量子感光膜)为感光象素层，另一层采用半导体感光二极管(或感光门)为感光象素层，如CCD或CMOS感光象素层。图17(a)、(c)与图17(b)、(d)的差异在于半导体感光象素是采用BSI(backside illumination，背面感光)方式，还是FSI(frontsideillumination，正面感光)方式。
图18是本人在《多光谱感光器件及其制作方法》(中国申请号：200810217270.2)和《多光谱感光器件》(中国申请号：200910105372.X)中提出的，上下层感光象素在感兴趣的光谱上互补或正交的双层感光器件的示意图。这种感光器件通过采用精心选择的彩色图案和排列，可以得到非常多优秀的双层感光器件。这些感光器件可以用于正面感光，背面感光，和双向感光。这些方法和原理，同样也可适用于混合多光谱感光器件。
图19是本人在《一种多光谱感光器件及其采样方法》(中国申请号：200910105948.2)中提出的一种在不同色彩象素间实现电荷合并的子采样方法。这种方法同样适用于混合多光谱感光器件。
图20是本人在《一种多光谱感光器件及其采样方法》(中国申请号：200910105948.2)中提出的采用色彩空间变换来实现的一种象素合并和子采样方法。
图21是本人在《一种感光器件及其读取方法、读取电路》(中国申请号：200910106477.7)提出的一种同时采用主动象素和被动象素来读取感光象素信号的读取电路。采用这种方法的好处是，能够极大地扩大感光器件的动态范围，并且成倍地节省图像预览时的功耗。这种混合读取电路在高灵敏度的混合多光谱感光器件尤其有用。
图22是本人在《多光谱感光器件》(中国申请号：200910105372.X)中提出的双向感光器件的分时选向的一种实现方式。这种方式同样适用于混合多光谱感光器件。
图23(a)和(b)是本人在《多光谱感光器件》(中国申请号：200910105372.X)中提出的双向感光器件的象素选向的实现方式的两个示意图。这种方式同样适用于混合多光谱感光器件。
图24是一种三层混合多光谱感光器件的多层感光象素的实现示意图。这个实现采用了一个化学镀膜感光象素层，两个半导体象素层。采用两个化学镀膜感光象素层，将一个半导体象素层夹在中间也是可能的。
图25是《一种多光谱感光器件及其采样方法》(中国申请号：200910105948.2)中用来描述该发明中提出的象素合并和子采样方法的采样控制电路示意图。本发明也将用到这种新型的象素合并和子采样方法。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明涉及感光器件，尤其是大阵列高性能的多光谱感光器件的设计、制作、和系统使用。本发明融合新颖的量子点感光膜或其它可能的化镀膜感光象素技术和成熟的半导体感光芯片技术，发明了一种新的混合感光器件和其系统，其结合半导体(CCD或CMOS)感光器件和化学镀膜(如量子膜)感光器件的优点，以求获得达到或接近达到光使用效率的理论极限多光谱感光器件。
本发明实施方式中，首先提供了一种混合多光谱感光象素组，包括至少一个化学镀膜感光象素和至少一个半导体感光象素。
上述的感光象素组，可以将至少一个化学镀膜感光象素和至少一个半导体感光象素布置在同一个平面上，这将形成一种平面混合的感光象素。
在本发明的实施方式，同样也提供了一种感光象素组，将至少一个化学镀膜感光象素和至少一个半导体感光象素布置为上下结构，这将形成一种分层混合的感光象素。需要指出的是，将化学镀膜感光象素描述在前的方式并非限制化学镀膜感光象素在所述的上下结构中处于上方，而仅为行文所需，从下文可以看到，化学镀膜感光象素和半导体感光象素的上下关系并没有限制，何者处于上方，何者处于下方是可以根据需要任意设置的。
需要注意的是，本文所述的上下结构，是以感光象素的感光面水平放置，光源从上方或者下方垂直照射感光面的情况而言的。显而易见，本文中的上下结构实际上具有更加广泛的含义，即，例如感光面垂直放置，光源从左侧或右侧，或者从前侧或后侧垂直照射向感光面，则所谓的上下结构，则等同于前后结构或者左右结构。总之，在此通过上下结构的描述，定义了一种化学镀膜感光象素和半导体感光象素沿某个方向在不同层次上平行设置的结构形式。在下文中，不失一般性，均以上下结构对化学镀膜感光象素与半导体感光象素的层次关系进行说明，本领域技术人员可以理解，其中的上方、下方等描述，可以用左侧、右侧、前侧、后侧等描述进行等同的替代。
在上下结构的混合感光象素组中，可以是，至少一个所述化学镀膜感光象素布置在至少一个所述半导体感光象素上方。也可以是，至少一个所述化学镀膜感光象素布置在至少一个所述半导体感光象素下方。根据数量的不同，其上下位置的设置存在多种可能，例如：
化学镀膜感光象素和半导体感光象素各为一个，化学镀膜感光象素布置在半导体感光象素的上方或下方；又如：
化学镀膜感光象素和半导体感光象素各为两个，两个化学镀膜感光象素中一者布置在两个半导体感光象素的上方，另一者布置在两个半导体感光象素的下方；或两个化学镀膜感光象素中一者布置在两个半导体感光象素的上方，另一者布置在两个半导体感光象素之间；或两个化学镀膜感光象素中一者布置在两个半导体感光象素的下方，另一者布置在两个半导体感光象素之间等等。
参考图17，实现了一种两层混合多光谱感光象素，包括一个化学镀膜感光象素和一个半导体感光象素；化学镀膜感光象素和半导体感光象素上下布置。如上所述，化学镀膜感光象素可以放在半导体感光象素上方或下方。但由于硅的带隙(bandgap)较小，因而半导体感光象素只能感应很少的近红外光，因此，在需要红外的时候，化学镀膜感光象素应该在半导体感光象素的下方(即远离光源)。
对于更复杂一点的多层混合多光谱感光象素，还包括在上述化学镀膜感光象素和半导体感光象素之上、之下、或之间，设置至多两个化学镀膜感光象素或半导体感光象素。可以用量子镀膜感光象素来实现化学镀膜感光象素。可以用CMOS光敏二极管，CMOS感光门，CCD光敏二极管，CCD感光门，和《一种感光器件及其读取方法、读取电路》(中国申请号：200910106477.7)中提出的具有双向电荷转移功能的CMOS和CCD感光二极管和感光门来实现半导体感光象素。
化学镀膜感光象素，或者半导体感光象素，可以为正面感光象素、背面感光象素、或双向感光象素。例如将半导体感光象素做成BSI(backsideillumination，背面感光)结构方式，或者FSI(frontside illumination，正面感光)结构方式。图17(b)和(d)显示了BSI的方式，图17(a)和(c)显示了FSI的方式。
而当化学镀膜感光象素或半导体感光象素为双向感光象素时，则涉及到感光选向问题，即尽管能够双向感光，但不能接受同一时刻两个方向的光照，需要在一个时刻选择一个方向的光源照射，感光选向方式可以为隔离选向、分时选向、分区选向、或象素选向等等，也就是说，可以通过例如遮光膜遮挡等方式来实现分时刻、分区域、分象素的感光选向。图18显示了双向照射的情形，图22显示了分时选向的情形，图23显示了象素选向的情形。
在混合多光谱感光象素组中，化学镀膜感光象素和半导体感光象素，适宜分别感应包含紫外线、可见光、近红外、和远红外中的一个互补谱段或子谱段；或者分别感应包含紫外线、可见光、近红外、和远红外中的一个正交谱段或子谱段。谱段或子谱段所包括的色彩信息，将在下文详述。
在用以上方法，获得了各种混合多光谱感光象素以后，可以按照图15，图16，图19，以及《多光谱感光器件及其制作方法》(PCT/CN2007/071262)，《多光谱感光器件及其制作方法》(中国申请号：200810217270.2)，《多光谱感光器件》(中国申请号：200910105372.X)，《一种多光谱感光器件及其采样方法》(中国申请号：200910105948.2)，《一种感光器件及其读取方法、读取电路》(中国申请号：200910106477.7)等发明申请中所提供的各种方法，制作一种混合多光谱感光器件，该感光器件，包括至少一个化学镀膜感光象素和至少一个半导体感光象素。
根据两种象素的光谱特性和制作方便性，两种象素的优选位置可能是不同的，可以是将至少一个所述化学镀膜感光象素和至少一个所述半导体感光象素布置在同一个平面上而形成的平面混合型多光谱感光器件，但适用更广的，还是下文的分层混合型多光谱感光器件。例如，在一种实施方式中，该感光器件，包括至少两个感光象素层，至少一个所述化学镀膜感光象素布置在所述至少两个感光象素层中的一者，至少一个所述半导体感光象素布置在所述至少两个感光象素中的其他一者。
感光象素层，大致相当于垂直于光源照射方向的感光平面，在这样的感光平面中，布置有多个感光象素(通常形成为多行多列的象素阵列)，对于多个感光象素层中的每一感光象素层，也均可能是平面混合型，也就是既布置有化学镀膜感光象素，也布置有半导体感光象素。另外的情形是，同一感光象素层中仅布置一种感光象素，如此，将形成化学镀膜感光象素层，或者半导体感光象素层。
类似的，一个化学镀膜感光象素层可以布置在一个半导体感光象素层的上方或者下方。一个感光器件中，可以包含一个或者多个化学镀膜感光象素层或者半导体感光象素层。并且，化学镀膜感光象素层的象素布置位置与半导体感光象素层的象素布置位置并非必须一一对应，这是由于化学镀膜感光象素层与半导体感光象素层对于不同的色彩的光的感应并不一致，因而在不同种类的感光象素层(化学镀膜感光象素层或半导体感光象素层)，可能布置不同数量的象素，因此，化学镀膜感光象素层的某一象素位置，在半导体感光象素层上的对应位置(即由化学镀膜感光象素层的该象素位置上穿透而来的光照射到半导体感光象素层上的位置)可能并没有布置象素，即两者不对应，而如果也布置了象素，则称为该化学镀膜感光象素层的象素布置位置和该半导体感光象素层的象素布置位置相对应。
在实施方式中，感光器件的同一位置但不同层的感光象素，分别感应包含紫外线、可见光、近红外、和远红外中的一个互补谱段或子谱段；或者分别感应包含紫外线、可见光、近红外、和远红外中的一个正交谱段或子谱段。其中，互补谱段或子谱段包含紫外光谱，兰色光谱，绿色光谱，红色光谱，近红外光谱，远红外光谱，青色光谱，黄色光谱，白色光谱，近红外光谱+远红外光谱，红色光谱+近红外光谱，红光谱+近红外光谱+远红外光谱，黄色光谱+近红外光谱，黄色光谱+近红外光谱+远红外光谱，可见光谱+近红外光谱+远红外光谱，紫外光谱+可见光谱，紫外光谱+可见光谱+近红外光谱，紫外光谱+可见光谱+近红外光谱+远红外光谱；
正交谱段或子谱段包含紫外光谱，兰色光谱，绿色光谱，红色光谱，近红外光谱，远红外光谱，青色光谱，黄色光谱，白色光谱，近红外光谱+远红外光谱，红色光谱+近红外光谱，红光谱+近红外光谱+远红外光谱，黄色光谱+近红外光谱，黄色光谱+近红外光谱+远红外光谱，可见光谱+近红外光谱+远红外光谱，紫外光谱+可见光谱，紫外光谱+可见光谱+近红外光谱，紫外光谱+可见光谱+近红外光谱+远红外光谱。
实施方式包括让所述混合多光谱感光器件中至少一层感应两个不同的光谱(即射频)谱段。对于每一感光象素层而言，其象素阵列的色彩排列包括同一排列(象素阵列中的象素色彩相同)、水平排列(象素阵列中的同一行象素色彩相同)、垂直排列(象素阵列中的同一列象素色彩相同)、对角排列(象素阵列中的同一对角线的象素色彩相同)、广义贝叶排列(象素阵列中的一条对角线上的象素色彩相同，另外一条对角线上的象素色彩不同)、YUV422排列、横向YUV422排列、蜂窝排列、均布排列(四个象素均匀交错等距排列)等。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，至少一个所述化学镀膜感光象素或至少一个所述半导体感光象素为正面感光象素、背面感光象素、或双向感光象素。即该混合多光谱感光器件可以用于正面照射，背面照射，或双向照射。双向照射的情况，如图18、22、23(b)所示。
当所述化学镀膜感光象素或半导体感光象素为双向感光象素时，即混合多光谱感光器件用于双向照射时，其感光选向方式为隔离选向、分时选向、分区选向、或象素选向。例如，分时选向的方式如图22所示，通过快门开关进行分时感光；象素选向的方式，如图23(a)所示，通过遮膜方式进行象素选向。
感光器件中的化学镀膜感光象素层和半导体感光象素层，可以布置在一个基板上，当然，也可以布置在不同基板上，例如化学镀膜感光象素层布置在一个基板上，半导体感光象素层布置在另一基板上。
需要注意的是，本文中的术语“布置”或“设置”，除了在基板之上放置的意思之外，还包含了各种在基板上形成化学镀膜感光象素层或半导体感光象素层的制作工艺。例如，基板为一个N型硅晶体基板，在该基板一面上的一个象素位置，根据色彩的深度需求，由该象素位置表面向基板内部做一定深度的P杂质置入，形成一个P掺杂层，该P掺杂层即形成为一个半导体象素，如果在该P掺杂层做另一定深度的N杂质置入，形成在P掺杂层中的N掺杂层，该N掺杂层即形成为另一半导体感光象素(与前一P掺杂层的半导体感光象素在不同感光象素层，但象素位置相对应)，可以按照《多光谱感光器件及其制作方法》(PCT/CN2007/071262)提供的方法，在390nm附近，500nm附近，610nm附近，和760nm附近设置分层线，使得任一分层线上下的对应点象素感应互补或正交的光谱。图6给出了一个分层线的设置的例子，即通过不同深度的杂质掺入，形成不同的色彩。在基板的该面进行化学镀膜溶液的涂抹加工，可以形成化学镀膜感光象素层，由于制作或者加工工艺的多样性，在本文中均以“布置”或“设置”进行表述。
上述的两层半导体感光象素在不同深度上的布置，实现了在基板一个表面上的同一象素位置可以感应到至少两个谱段，从而提供了在该表面上的象素图案排列上的更好的灵活性以及更多的象素布置，能够大幅提高感光器件的灵敏度，解析度，和动态范围。
对于上述在半导体基板某一面的不同深度的掺杂加工，其同一位置最多布置两层感光象素，这是由于在同一位置布置3层，加工上难度极大，同时在布线上，由于各层间的引线需要相互隔离，3层引线显然造成了布线上的困难。而在本发明中，采用同一面上最多布置两层上述的半导体感光象素层，并可结合平面上的象素图案排列完成彩色重建，因而可以实现更好的彩色感光性能。由于同一面上最多以深度掺杂方式布置两个半导体感光象素层，因而明显降低了立体加工工艺的难度，且在布线上，也相对简单。
在一种实施方式中，对于基板，可以采用单面或者双面加工工艺，从而形成单面感光器件或者双面感光器件。双面感光器件，对于上述的深度掺杂加工，如果采用两个半导体感光象素层一者布置在基板的顶面，另一者布置在基板底面的双面布置方式，则对于每一面而言，其都简化为平面加工工艺，可以在一面上完成一个感光象素层的平面加工后，将基板进行翻转而在另一面同样以平面加工工艺完成另一感光象素层的加工，使得加工工艺近似于现有的单面单层感光器件的加工工艺，相对于上述的同一面的两层掺杂的立体加工而言，更为简单。另一方面，沿光照方向，在基板的某一位置，可以布置多层感光象素，在下文中，将基板的两面称为顶面和底面，如前所述，该描述同样以基板水平放置、光源垂直从上方或者下方入射为基准，本领域技术人员可以理解，当基板采用其他方式放置，可能的等同替代描述包括左侧面和右侧面、或者前侧面和后侧面。
化学镀膜感光象素层和半导体感光象素层的混合，在进一步提高双层或多层感光器件的性能的同时，大大降低了双层或多层感光器件的加工上的难度。其加工的方便性，是纯粹的双层或多层化学镀膜感光器件或纯粹的双层或多层半导体感光器件所不能比的。
结合单面或双面，以及同一象素位置的多层布置，可以形成多种形式的感光器件，例如包括：
单面双层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和一个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层和所述半导体感光象素层布置在所述基板的顶面或底面；或者，
双面双层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和一个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层布置在所述基板的顶面或底面，所述半导体感光象素层布置在所述基板的底面或顶面。
双面三层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和两个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层布置在所述基板的顶面或底面，所述两个半导体感光象素层布置在所述基板的底面或顶面，或所述两个半导体感光象素层中一者布置在所述基板的顶面，另一者布置在所述基板的底面；或者。
双面四层感光器件，包含两个化学镀膜感光象素层和两个半导体感光象素层，所述两个半导体感光象素层在所述基板的底面或顶面，所述两个化学镀膜感光象素层中的一者在顶面上方，另一者在底面下方，或者所述两个化学镀膜感光象素层在所述基板的顶面或底面，所述两个半导体感光象素层中的一者在顶面上方，另一者在底面下方等等。
图24显示了一种三层混合多光谱感光器件的三层感光象素的实现方式，其中，24(a)、24(b)为双面三层感光器件，24(c)、24(d)为单面三层器件，在该实现中，使用了一个化学镀膜感光象素层，两个半导体感光象素层。类似地，也可以使用两个化学镀膜感光象素层和一个半导体感光象素层，将半导体感光象素层夹在中间。其它如四层的混合多光谱感光器件，也可以参照此图的方式实现。
此外，可以设置为让离光源更近的感光象素感应波长更短的光，即感应波长更短的光的感光象素层为离光源更近的感光象素层，如图9所示。
例如，假设光源从上方照射，则基板从顶到底依次设置兰色感光象素层、绿色感光象素层、红色感光象素层、红外象素感光象素层。一种实现的情形是，设置三层半导体感光象素层，并以基板的某一面制作一层，另一面制作两层的方式将三层半导体感光象素层布置在基板上，以分别感应属于可见光部分的兰、绿、红三色。而在基板的底面下方布置一层化学镀膜感光象素层用以感应红外。此即双面四层感光器件，由此，通过设计不同层之间的象素的感应光谱，使之两两之间正交，所有层的象素的感应光谱的总和，涵盖整个感兴趣的光谱时，就能够最大化地使用入射光的能量，并且并不增加多少加工的难度。
在很多的应用里，在化学镀膜感光象素层或半导体感光象素层的正面，背面，或双面并不涂任何滤光膜。但在另外一些应用里，如对于色彩还原要求特别高的专业相机或摄像机，实施方式包括使用滤光膜的方式。滤光膜设置在离光源最近的感光象素层上，或设置在离光源最远的感光象素层上，或设置在两个感光象素层之间，或设置在离光源最近的感光象素层和离光源最远的感光象素层上；即在化学镀膜感光象素层或半导体感光象素层的正面，背面，或双面涂有特定的滤光膜。滤光膜的选频特性包括红外截止滤波、兰色带通、绿色带通、红色带通、青色带通、黄色带通、品红色带通、青色加红外色带通、黄色加红外色带通、品红色加红外色带通、或可见光带通。滤光膜的使用是通过牺牲少数象素的灵敏度，来去除不想要的光谱的影响，减少上下左右象素之间的干涉(crosstalk)，或者获得正交性更好的三原色或是更纯正的补色信号。
实施方式包括让所述混合多光谱感光器件的多层感光象素层的相邻两层各自使用自己的读取电路。
实施方式包括让所述混合多光谱感光器件的多层感光象素层的相邻两层共用置于其中一层的读取电路。
实施方式包括让所述混合多光谱感光器件的读取电路位于半导体感光象素层，或独立的读取电路层。
所述混合多光谱感光器件的读取电路的实施方式包括采用《一种多光谱感光器件及其采样方法》(中国申请号：200910105948.2)和《一种感光器件及其读取方法、读取电路》(中国申请号：200910106477.7)中的象素读取和子采样方法。
实施方式包括在所述混合多光谱感光器件的信号读取电路里采用主动象素读取电路、被动象素读取电路、或主动象素与被动象素混合读取电路。主动象素与被动象素混合读取电路如图21所示。
所述主动象素包括3T、4T、5T、或6T主动象素。3T和4T的主动象素结构分别如图7和图8所示。
所述读取电路的共享方式包括无共享方式、单层或上下层4点共享方式、单层或上下层6点共享方式、单层或上下层8点共享方式、或单层或上下层任意点共享方式。4点共享方式，6点共享方式，8点共享方式，和任意点共享方式，分别如图11，图12，图13，和图14所示。
实施方式中，混合多光谱感光器件的所述读取电路包括用于对每一感光象素层的象素阵列中的紧邻的同行异列、异行同列、或异行异列的象素间进行两两合并采样，获得第一合并象素的采样数据的第一合并单元；以及用于对第一合并单元得到的第一合并象素的采样数据进行合并采样以获得第二合并象素的采样数据的第二合并单元。
实施方式还包括：读取电路还包括第三合并单元，用于对第二合并单元得到的第二合并象素的采样数据进行合并采样以获得第三合并象素的采样数据。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述第一合并单元或第二合并单元的象素合并方式为相同或不同色彩象素间的电荷相加方式或不同色彩象素间的信号平均方式，其中不同色彩象素间的象素合并方式遵照色彩空间变换的方式，以满足色彩重建的要求。
上述的第一合并象素和第二合并象素来自于将子采样至少分为两个过程的处理，即第一合并采样过程和第二合并采样过程。第一合并采样过程和第二合并采样过程，通常发生在象素的行(合并)采样和列(合并)采样之间，主要对模拟信号进行，除电荷相加部分通常只在第一合并采样过程中做以外，其次序和内容通常是可以交换的。此外，也可以包括第三合并采样过程，第三合并采样过程发生在模数转换之后，主要对数字信号进行。
对于第一合并采样过程，是取象素阵列中两个紧邻的象素来进行合并。一方面，完成了紧邻象素的合并，将合并后的象素称为第一合并象素，需要理解的是，第一合并象素只是为本发明描述之便，利用该概念来指代进行第一合并过程后的象素，而不代表物理上，在象素阵列中存在一个“第一合并象素”；将两个紧邻象素合并采样后的数据称为第一合并象素的采样数据。紧邻，系指两个象素之间从水平，垂直，或对角方向上来看紧挨着，中间没有其它象素。紧邻的情况包含同行异列，异行同列，或异行异列。一般而言，在这种合并中，信号将至少是两个象素的信号平均，而噪声则会降低因此，合并后，至少可以将信噪比提高倍，且这种合并可以在相同或不同色彩的象素之间进行。另一方面，由于两个合并的色彩可以不同，即色彩相加或平均，从色彩的三原色原理可知，两种原色的相加是另一种原色的补色，就是说，两个不同原色的象素合并，产生另一种原色的补色，从原色空间，变换到了补色空间，仅仅是发生了色彩空间变换，仍然可以通过不同的补色而完成彩色重建。也即通过这种方式，既能实现不同色彩的象素合并以提高信噪比，同时又能够进行彩色重建。整个子采样过程也因此得到优化，更加适应大数据量的象素阵列的高速需求。色彩空间变换的一个基本要求是，变换后的色彩的组合，能够(通过插值等手段)重建所需要的RGB(或YUV，或CYMK)色彩。
需要了解，由于通常象素阵列包含多个象素，第一合并采样只是将两个象素进行合并，显然，合并形成的第一合并象素也具有多个。对于不同的第一合并象素，其采用的色彩合并方式可以相同，也可以不同。当第一合并全部在相同的色彩间进行时，我们将之称为同色合并方式；当第一合并全部在不同的色彩间进行时，我们将之称为异色合并方式；当第一合并部分在相同色彩间进行、部分在不同色彩间进行，我们将之称为混杂合并方式；当对象素阵列中的一些多余的色彩进行抛弃(当然，抛弃是选择性的，例如，不能因此而影响到彩色重建)，这样的色彩合并方式称为选择性抛弃多余彩色方式。
显然的，第二合并过程是对多个第一合并象素的操作，同样的，可以将色彩相同的第一合并象素进行合并；也可以将色彩不同的第一合并象素进行合并(当然，这种情况下可能导致三原色的全部相加而无法重建出彩色)。
上述的同色合并、异色合并、混杂合并等方式，是将合并采样做基于色彩的分类，另外，从合并采样的位置选取的角度，第一合并过程和第二合并过程的合并采样方式包括：直接输出到总线的信号自动平均方式、跳行或跳列方式，逐个采样方式，以及这些方式的两种或三种的同时使用。除电荷相加部分通常只能在第一合并采样过程中做以外，第一合并过程和第二合并过程，除了次序的不同外，其方式都是相同和可以交换的。
所谓直接输出到总线的信号自动平均方式，就是，将需要合并的信号(色彩相同或是不同)，同时输出到数据采集总线上去，通过(电压)信号的自动平衡，来获得需要合并信号的平均值。所谓跳行或跳列方式就是跳过一些行或列，从而通过减少数据量的方式来实现(合并)采样。所谓逐个采样方式，实际上就是不做任何合并，依此读取原来的象素或第一合并象素。这三个方式有一些是可以同时使用的，例如，跳行或跳列方式可与直接输出到总线的信号自动平均方式或逐个采样方式同时使用。
第三合并采样过程的子采样方式包括色彩空间变换方式、后端数字图像缩放方式、以及这两个方式的串行使用。第一和第二合并过程主要是在模拟信号上进行，而第三子采样过程主要是在数字信号上进行，即模数转换之后进行。通过将处于不同空间位置的三个或四个色彩象素，当作同一个点上的值而转换到另一个色彩空间，就又可实现水平和(或)垂直方向上的数据减少，从而达到子采样的效果。而数字图像缩放方式，是最为直观常用的子采样方式。
在合并采样时可以实现电荷相加。目前的合并采样几乎都是只做到了电压或电流信号的平均，这种方式在合并N点时，最多只能将信噪比提高倍。这是因为现有的合并采样都是N个相同色彩的象素共用一根输出线的方式进行合并采样，在这根输出线上，各个象素的电压或电流信号必然要进行(自动的)平均，因此，其信噪比的提高只是在于噪声合并后降低了从而使信噪比提高最多倍。而采用本发明的电荷相加方式，例如通过读取电容存储电荷，实现电荷的累加，从而信号可以进行叠加而使得信噪比可以提高至少N倍，比信号平均的方法高至少倍。也就是说，将N个信号以电荷相加的方法合并，理论上最高可以达到N2个信号相平均的效果或更好(如下面所述)，这是效果非常显著的提高信噪比的手段。
紧邻象素相加，还带来另外一个显著的效果，就是，象素之间的相互干扰(cross-talking)效果被减弱。这是由于本来相互干扰的色彩，现在是合法的一体，也就是说，原来属于噪声的一部分信号，现在成了有效的信号部分，因此，N个信号电荷相加带来信噪比的改进，可以接近理论上的上限，即倍，从而，相当于N3个信号相平均的效果。
在全图采样(即对一个图像的按最高分辨率进行采样)时，可以采用逐行扫描、隔行或跨行读取的方式，不需要提高时钟速度和采用帧缓存器，将大阵列图像的全图读取帧率在拍单张照时翻倍。如果增加AD转换器和行缓存，那么，全图读取帧率还可以提高更多。这个方法对于省去机械快门有非常重要的价值。
请注意本发明的逐行扫描、隔行或跨行读取的方式，与传统电视系统里的场扫描方式(interleaved scanning)是不同的。传统的场扫描方式，是隔行扫描，隔行读取，因此，奇数场和偶数场(无论是感光还是读取)在时间上差了一场，即半帧。而本发明的逐行扫描、隔行或跨行读取的方式，象素在感光时间顺序上却是与逐行扫描、逐行读取方式是完全一样的，只是行的读取次序做了变化。细节描述请见《一种多光谱感光器件及其采样方法》(中国申请号：200910105948.2)和《一种感光器件及其读取方法、读取电路》(中国申请号：200910106477.7)。
在本发明的一种实施例中，所述的感光器件，所述色彩空间变换包括RGB到CyYeMgX空间的变换、RGB到YUV空间的变换、或CyYeMgX到YUV空间的变换，其中X为R(红)、G(绿)、B(兰)中的任一种。
实施方式中包括，上述电荷相加方式通过象素直接并联或将电荷同时转移到读取电容(FD)中完成。
如上所述，混合多光谱感光器件中，第一合并单元或第二合并单元的基于色彩的合并采样方式包括同色合并方式、异色合并方式、混杂合并方式、或选择性抛弃多余色彩合并方式，且第一合并单元和第二合并单元采用的合并采样方式不同时为同色合并方式，也即两个合并单元中至少有一个合并单元不采用同色合并方式。
如上所述，第一合并单元或第二合并单元的基于位置的合并采样方式包括以下几种方式中的至少一种：直接输出到总线的信号自动平均方式、跳行或跳列方式、和逐个采样方式。亦即这几种基于位置的合并采样方式可以单独使用，也可以组合使用。
如上所述，在所述的混合多光谱感光器件中，可以用色彩空间变换方式和后端数字图像缩放方式中的至少一种来实现所述第三合并采样单元的合并采样方式。
图19显示了一种异色象素电荷合并的方式。
实现上述子采样功能的是如图25所示的行地址解码控制器和列地址解码控制器。行地址解码控制器将输出两类信号，行选信号Row[i](每行一条线)和行控制矢量信号RS[i](每行一条或多条线)，其中i为行的标号。类似地，列地址解码控制器将输出两类信号，列选信号Co1[j](每列一条线)和列控制矢量信号T[j](每列一条或多条线)，其中j为列的标号。
行选信号Row[i]是用来做行的选择，而列选信号Co1[j]是用来做列的选择。这是两组相对标准的信号。行控制矢量信号RS[i]是对现有CMOS行控制信号的扩展(每行一条线扩展到每行多条线)，而列控制矢量信号T[j]，有的CMOS感光器件根本没有，即使有，也是一列只有一个。
RS[i]和T[j]用来控制感光象素的复位，清零，感光时间控制，电荷转移，象素合并，和象素读取。由于行列的对称性，RS[i]和T[j]有很多种具体的实现方式。这些信号的具体实现方式并不受限。
如上所述，所述多光谱感光器件的全图采样方式包括逐行扫描、逐行读取方式或逐行扫描、隔行或跨行读取方式。
实施方式还包括制作一种感光系统，包含至少一个混合多光谱感光器件。
所述感光系统用于获取正面，背面，或双向的图像。
所述感光系统包括数码相机，照相手机，摄像机，视频或照相监控系统，图像识别系统，医学图像系统，军用、消防、和井下图像系统，自动跟踪系统，立体影像系统，机器视觉系统，汽车视觉或辅助驾驶系统，电子游戏系统，网络摄像头，红外和夜视系统，多光谱成像系统，和电脑摄像头。
本发明的这种混合多光谱感光器件可同时获得众多的彩色信号和其它光谱信号，例如在一种双面四层感光器件中，基板的顶面和底面各布置一个半导体感光象素层，其中顶面用来感兰光，绿光，或青光，底面用来感红光，黄光，或绿光；然后再在顶面的半导体感光象素层之上布置一个感应紫外光的化学镀膜感光象素层，在底面的半导体感光象素层之下布置一个感应红外光的化学镀膜感光象素层，则可几乎最大程度的利用入射光能量，在得到彩色的同时，也得到全光谱的信息，从而充分发挥不同感光材料的特点。这样一种双面四层多光谱感光器件，制作难度跟一个双面双层的多光谱半导体感光器件差不太多。如果结合采用前文中本人之前发明的先进采样和以电荷合并和色彩变换为显著特征的子采样电路和方法，更能够大幅地降低感光器件和系统的复杂度，从而为各种应用提供巨大的方便和崇高的性能。
这种混合多光谱感光器件，可用于正面感光，背面感光，或双向感光。通过精细布置各层感光器件的象素感应光谱段和各层色彩图案的合理布局，可以产生各种优选的多光谱感光器件，如高灵敏度彩色感光器件，高灵敏度彩色和红外感光器件，无杂色(杂色通过由插值引起)的高灵敏度彩色或多光谱感光器件等等。
采用主动象素和被动象素读取相结合的手段，可以获得超低功耗感光器件，超高动态范围感光器件。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (25)
1.一种混合多光谱感光器件，其特征在于，包括至少两个感光象素层，所述感光象素层中，至少包含一个化学镀膜感光象素层和一个半导体感光象素层，
所述化学镀膜感光象素层的象素布置位置和所述半导体感光象素层的象素布置位置相对应，
同一位置但不同层的感光象素，感应波长更短的光的感光象素为离光源更近的感光象素，并且，
其中一个感光象素层感应两种以上的色彩。
2.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，至少一个所述化学镀膜感光象素层布置在至少一个所述半导体感光象素层的上方。
3.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，至少一个所述化学镀膜感光象素层布置在至少一个所述半导体感光象素层的下方。
4.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，同一位置但不同层的感光象素，分别感应包含紫外线、可见光、近红外、和远红外中的一个互补谱段或子谱段；或者分别感应包含紫外线、可见光、近红外、和远红外中的一个正交谱段或子谱段。
5.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，每一感光象素层中的色彩排列选自同一排列、水平排列、垂直排列、对角排列、广义贝叶排列、YUV422排列、蜂窝排列、均布排列。
6.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，至少一个所述化学镀膜感光象素或至少一个所述半导体感光象素为正面感光象素、背面感光象素、或双向感光象素。
7.如权利要求6所述的感光器件，其特征在于，当所述化学镀膜感光象素或半导体感光象素为双向感光象素时，其感光选向方式为隔离选向、分时选向、分区选向、或象素选向。
8.如权利要求1-7任一所述的感光器件，其特征在于，至少一个所述化学镀膜感光象素层和至少一个所述半导体感光象素层设置在一个基板上；包括： 所述感光器件为单面双层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和一个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层和所述半导体感光象素层布置在所述基板的顶面或底面；或者， 所述感光器件为双面双层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和一个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层布置在所述基板的顶面或底面，所述半导体感光象素层布置在所述基板的底面或顶面；或者， 所述感光器件为单面三层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和两个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层和所述两个半导体感光象素层布置在所述基板的顶面或底面；或者， 所述感光器件为双面三层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和两个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层布置在所述基板的顶面或底面，所述两个半导体感光象素层布置在所述基板的底面或顶面，或所述两个半导体感光象素层中一者布置在所述基板的顶面，另一者布置在所述基板的底面；或者， 所述感光器件为双面三层感光器件，包含两个化学镀膜感光象素层和一个半导体感光象素层，所述两个化学镀膜感光象素层中一者布置在所述基板的顶面，另一者布置在所述基板的底面，所述半导体感光象素层布置在所述基板的顶面或底面；或者， 所述感光器件为双面四层感光器件，包含两个化学镀膜感光象素层和两个半导体感光象素层，所述两个半导体感光象素层布置在所述基板的底面或顶面，所述两个化学镀膜感光象素层中的一者布置在顶面上方，另一者布置在底面下方，或者所述两个化学镀膜感光象素层布置在所述基板的顶面或底面，所述两个半导体感光象素层中的一者布置在顶面上方，另一者布置在底面下方；或者， 所述感光器件为双面四层感光器件，包含一个化学镀膜感光象素层和三个半导体感光象素层，所述化学镀膜感光象素层布置在所述基板的顶面或底面，所述三个半导体感光象素层中的一者布置在所述基板的顶面或底面，另两者布置在所述基板的底面或顶面；或者， 所述感光器件为双面五层感光器件，包含两个化学镀膜感光象素层和三个半导体感光象素层，所述两个化学镀膜感光象素层中一者布置在所述基板的顶面，另一者布置在所述基板的底面，所述三个半导体感光象素层中一者布置在所述基板的顶面或底面，另两者布置在所述基板的底面或顶面；或者， 所述感光器件为双面六层感光器件，包含两个化学镀膜感光象素层和四个半导体感光象素层，所述两个化学镀膜感光象素层中一者布置在所述基板的顶面，另一者布置在所述基板的底面，所述四个半导体感光象素层中两者布置在所述基板的顶面，另两者布置在所述基板的底面。
9.如权利要求1-7任一所述的感光器件，其特征在于，至少一个所述化学镀膜感光象素层设置在一个基板上，至少一个所述半导体感光象素层设置在另一个基板上。
10.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，还包括滤光膜，所述滤光膜设置在离光源最近的感光象素层上，或设置在离光源最远的感光象素层上，或设置在两个感光象素层之间， 或设置在离光源最近的感光象素层和离光源最远的感光象素层上；所述滤光膜的选频特性包括红外截止滤波、兰色带通、绿色带通、红色带通、青色带通、黄色带通、品红色带通、青色加红外色带通、黄色加红外色带通、品红色加红外色带通、或可见光带通。
11.如权利要求1-7任一所述的感光器件，其特征在于，所述感光象素层中的相邻两层各自设有读取电路；或者所述感光象素层的相邻两层共用读取电路。
12.如权利要求11所述的感光器件，其特征在于，所述读取电路为主动象素读取电路、被动象素读取电路、或主动象素与被动象素混合读取电路。
13.如权利要求12所述的感光器件，其特征在于，所述主动象素包括3T、4T、5T或6T主动象素。
14.如权利要求13所述的感光器件，其特征在于，所述读取电路的共用方式包括单层或上下层4点共享方式、单层或上下层6点共享方式、单层或上下层8点共享方式、或单层或上下层任意点共享方式。
15.如权利要求11所述的感光器件，其特征在于，所述读取电路包括用于对每一感光象素层的象素阵列中的紧邻的同行异列、异行同列、或异行异列的象素间进行两两合并采样，获得第一合并象素的采样数据的第一合并单元；以及用于对第一合并单元得到的第一合并象素的采样数据进行合并采样以获得第二合并象素的采样数据的第二合并单元。
16.如权利要求15所述的感光器件，其特征在于，所述读取电路还包括第三合并单元，用于对第二合并单元得到的第二合并象素的采样数据进行合并采样以获得第三合并象素的采样数据。
17.如权利要求15所述的感光器件，其特征在于，所述第一合并单元或第二合并单元的象素合并方式为相同或不同色彩象素间的电荷相加方式或不同色彩象素间的信号平均方式，其中不同色彩象素间的象素合并方式遵照色彩空间变换的方式，以满足色彩重建的要求。
18.如权利要求17所述的感光器件，其特征在于，所述色彩空间变换包括RGB到CyYeMgX空间的变换、RGB到YUV空间的变换、或CyYeMgX到YUV空间的变换，其中X为红、绿、兰中的任一种。
19.如权利要求17所述的感光器件，其特征在于，所述电荷相加方式通过象素直接并联或将电荷同时转移到读取电容FD中完成。
20.如权利要求15所述的感光器件，其特征在于，所述第一合并单元或第二合并单元的基于色彩的合并采样方式包括同色合并方式、异色合并方式、混杂合并方式、或选择性抛弃多余色彩合并方式，且第一合并单元和第二合并单元采用的合并采样方式不同时为同色合并方式。
21.如权利要求15所述的感光器件，其特征在于，所述第一合并单元或第二合并单元的基于位置的合并采样方式包括以下几种方式中的至少一种：直接输出到总线的信号自动平均方式、跳行或跳列方式、和逐个采样方式。
22.如权利要求16所述的感光器件，其特征在于，所述第三合并单元的合并采样方式包括：色彩空间变换方式和后端数字图像缩放方式中的至少一种。
23.如权利要求1-7任一所述的感光器件，其特征在于，所述化学镀膜感光象素包括量子点感光象素。
24.如权利要求1-7任一所述的感光器件，其特征在于，所述半导体感光象素包括CMOS光敏二极管、CMOS感光门、CCD光敏二极管、CCD感光门、和具有双向电荷转移功能的CMOS和CCD感光二极管和感光门。
25.一种混合多光谱感光系统，其特征在于，包括如权利要求1-24任一所述的感光器件。
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