CN102263114B - 多景深感光器件、系统、景深扩展方法及光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多景深感光器件、系统、景深扩展方法及光学成像系统，所述多景深感光器件包括至少两个可感应到光源的感光象素层，至少两个所述感光象素层之间按预设距离间隔布置，使得来自距所述感光器件特定距离的镜头的不同光信号被聚焦到不同的所述感光象素层。本发明的多景深感光器件，可以避免使用电动机构和复杂、精密的机械部件实现自动对焦，具有良好的景深扩展性能。

Description

多景深感光器件、系统、景深扩展方法及光学成像系统

技术领域

本发明涉及感光领域，具体的说，涉及一种多景深感光器件、利用该多景深感光器件的感光系统、景深扩展方法以及一种光学成像系统与方法。

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多光谱感光器件在芯片及系统级别的实现。

感光系统，是一种通过光学镜头进行景物的捕捉、收集，并由感光器件，例如CMOS感光芯片进行景物的记录的系统。感光系统工作时，调节镜头，使距离镜头一定距离的景物清晰成像的过程，叫做对焦，该景物所在的点，称为对焦点，因为“清晰”具有相对性，所以对焦点前(靠近镜头)、后一定距离内的景物的成像都可以是清晰的，这个前后范围的总和称为景深。通常前景深小于后景深，即精确对焦后，对焦点前只有很短一段距离内的景物能清晰成像，而对焦点后很长一段距离内的景物都是清晰的。

获得宽景深清晰成像的系统是人们长期以来的研究目标之一。研究表明，景深的大小与镜头焦距有关，焦距长的镜头景深小，焦距短的镜头景深大。可见，镜头焦距调整是获得宽景深清晰成像的手段之一；另外，根据几何光学的基本成像公式(其中，f为镜头焦距，u为物距，即被摄物到镜头的距离，v为象距，即镜头到感光器件的距离)，可见，象距的动态调整也是获得宽景深清晰成像的手段之一。

因此，现有感光系统中的自动对焦方式，多采用上述两种手段之一，例如，镜头由一组镜片构成，通过调整镜片之间的距离，从而可以调整镜头焦距或(镜头与感光器件的)象距(而实现光学变焦或对焦)；或者通过驱动例如CMOS感光器件位移，从而改变象距(而实现光学对焦)。然而，显然的，这两种方式的对焦，都需要电动机构和复杂、精密的机械部件来进行镜片或感光器件的位移驱动。这样，不仅显著增加了尺寸，也显著增加了成本和功耗。在很多的应用里，如手机照相和医用照相里，这些都是明显的不利因素。

一些不采用运动机构的宽景深系统因此被提出，试图在某些应用里取代自动对焦的需求。这种系统在手机照相的应用里，被称之为EDoF(Extended Depth of Focus)，例如，DXO公司提出的一种EDoF系统，通过特别的镜头设计，让感光器件中的红色感光象素聚焦在无穷远处，兰色感光象素聚焦在尽可能的近距(例如50cm)。而绿色感光象素聚焦在某个中间的位置。这样，无论物体处于哪个位置，总有一个颜色的图像是清楚或相对比较清楚的。之后，通过数学的手段，以比较清楚的颜色为主体，不够清楚的颜色为辅助信息，就能在比较宽的范围，还原和计算出较清楚的图像。

然而，采用单层感光器件，当红色感光象素聚焦在无穷远时，兰色感光象素的聚焦距离一般很难做得比50cm更小。此外，对于采用贝叶图案的感光器件，红色象素和兰色象素都只占感光象素的1/4。因此，当需要以红色或兰色作为清晰度计算的主体时，图像的分辨率已经减少到以绿色为主体时的分辨率的一半以下。可见，这种方案有一定的局限性。

因此，仍然有必要对现有感光器件或系统进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种多景深感光器件、利用该多景深感光器件的感光系统、景深扩展方法以及一种光学成像系统与方法，其以物理的手段实现了自动对焦或多距离成像，避免使用电动机构和复杂、精密的机械部件，具有良好的景深扩展性能。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种多景深感光器件，包括至少两个可感应到光源的感光象素层，至少两个所述感光象素层之间按预设距离间隔布置，使得来自距所述感光器件特定距离的镜头的不同光信号被聚焦到不同的所述感光象素层。

在本发明的一种实施例中，所述感光象素层包括化学镀膜感光象素层和半导体感光象素层中的至少一者。

在本发明的一种实施例中，所述化学镀膜感光象素层包括量子点感光象素。

在本发明的一种实施例中，所述半导体感光象素层包括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。

在本发明的一种实施例中，所述不同光信号，包括不同距离的光信号，或者不同波长的光信号。

在本发明的一种实施例中，波长更短的光信号被聚焦到离镜头更近的感光象素层。

在本发明的一种实施例中，所述感光象素层为两层，紫色光、兰色光、绿色光、或青色光被聚焦到离镜头较近的感光象素层，绿色光、红色光、黄色光、可见光、或红外光被聚焦到离镜头较远的感光象素层。

在本发明的一种实施例中，所述感光象素层为三层，紫外光、兰色光、或青色光被聚焦到离镜头最近的感光象素层；兰色光、绿色光、红色光、或黄色光被聚焦到位于中间的感光象素层；红色光、黄色光、可见光、或红外光被聚焦到离镜头最远的感光象素层。

在本发明的一种实施例中，更远距离的光信号被聚焦到离镜头更近的感光象素层。

在本发明的一种实施例中，所述感光象素层为两层，无穷远处的光信号被聚焦到离镜头较近的感光象素层，感兴趣最短距离的光信号被聚焦到离镜头较远的感光象素层。

在本发明的一种实施例中，无穷远处的紫色光、兰色光、绿色光、或青色光被聚焦到离镜头较近的感光象素层，感兴趣最短距离的绿色光、红色光、黄色光、可见光、或红外光被聚焦到离镜头较远的感光象素层。

在本发明的一种实施例中，所述感光象素层为三层，无穷远处的光信号被聚焦到离镜头最近的感光象素层，感兴趣最短距离的光信号被聚焦到离镜头最远的感光象素层，无穷远处与感兴趣最短距离之间的一个中间距离的光信号被聚焦到位于中间的感光象素层。

在本发明的一种实施例中，所述感光象素层为三层，无穷远处的紫外光、兰色光、或青色光被聚焦到离镜头最近的感光象素层，感兴趣最短距离的红色光、黄色光、可见光、或红外光被聚焦到离镜头最远的感光象素层，无穷远处与感兴趣最短距离之间的一个中间距离的兰色光、绿色光、红色光、或黄色光被聚焦到位于中间的感光象素层。

在本发明的一种实施例中，所述感兴趣最短距离包括2mm，5mm，7mm，1cm，2cm，3cm，5cm，7cm，10cm，20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，70cm，80cm，100cm，或150cm。

在本发明的一种实施例中，至少两个所述感光象素层之间设置有透光层。

在本发明的一种实施例中，所述感光象素层中的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，当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，所述感光象素层中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。

在本发明的一种实施例中，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，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，至少一个所述感光象素层中的部分或全部感光象素的正面、背面或双面设置有滤光膜，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、或可见光带通。

在本发明的一种实施例中，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。

在本发明的一种实施例中，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，包括具有跨层读取功能的全局电子快门，所述全局电子快门包含多个可同时转移并读取一层或多层感光象素层的电荷或电压值的不感光的转移和读取象素。

在本发明的一种实施例中，所述多个不感光的转移和读取象素位于不感光象素转移和读取层；或者位于所述感光象素层。

在本发明的一种实施例中，每一感光象素层，设置有一个紧邻的不感光象素转移和读取层。

在本发明的一种实施例中，所述不感光的转移和读取象素由半导体电路制成。

本发明也提供了一种景深扩展方法，包括：

在感光器件中设置至少两个可感应到光源的感光象素层，并将至少两个所述感光象素层按预设距离间隔布置，使得来自距所述感光器件特定距离的镜头的不同光信号被聚焦到不同的所述感光象素层。

在本发明的一种实施例中，通过来自不同感光象素层的具有不同清晰度的图像而获取一幅清晰图像。

本发明还提供了一种光学成像方法，包括：

设置镜头和包括至少两个可感应到光源的感光象素层的感光器件；将所述感光器件放置在距所述镜头特定距离，且至少两个所述感光象素层之间按预设距离间隔布置，使得来自镜头的不同光信号被聚焦到不同的所述感光象素层。

本发明还提供了一种光学成像系统，包括镜头和多景深感光器件，所述多景深感光器件布置在距所述镜头特定距离，包括至少两个可感应到光源的感光象素层，至少两个所述感光象素层之间按预设距离间隔布置，使得来自所述镜头的不同光信号被聚焦到不同的所述感光象素层。

在本发明的一种实施例中，所述不同光信号，包括不同距离的光信号，或者不同波长的光信号。

在本发明的一种实施例中，波长更短的光信号被聚焦到离镜头更近的感光象素层。

在本发明的一种实施例中，更远距离的光信号被聚焦到离镜头更近的感光象素层。

本发明还提供了一种感光系统，包括上述的感光器件。

在本发明的一种实施例中，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、消防或井下图像系统，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，和电脑摄像头中的一种。

现有的感光系统，不仅自动对焦系统需要电动机构和复杂、精密的机械部件，而且对于6mm直径以上的镜头而言，为了实现在10cm至无穷远的宽距自动对焦，镜头的行程必须在0.2mm以上，也就是说，无穷远处清晰成像的象距与10cm处清晰成像的象距差，至少是0.2mm，即200um。众所周知，硅或其它半导体材料都是不透明的。光进入硅后，大约在12um处，就已经被吸收得所剩无几了。因此即使使用自动对焦系统，现有的感光系统也很难获得较宽的景深范围。

本发明的多景深感光器件、利用该多景深感光器件的感光系统、景深扩展方法，以及光学成像系统及方法，通过设置至少两个可感应到光源的感光象素层，至少两个所述感光象素层之间按预设距离间隔布置，使得来自距感光器件特定距离的镜头的不同光信号被聚焦到不同的感光象素层，从而不同感光象素层可以得到不同景深的图像。从产品角度，感光器件可以制作成感光芯片独立存在，但从应用角度，例如光学成像，感光器件通常需要与镜头配合使用。镜头，依其大小、材料、曲面设计等具有不同的聚焦特性，例如以普通的手机镜头为例，其景深范围通常是无穷远到2m，超出该景深范围，则需要采用自动对焦技术，例如通过调整感光器件到镜头的距离，也即调整象距到某一合适数据，才能获得例如50cm-30cm的清晰景象。而在本发明中，如果选定的应用镜头是手机镜头，则可以按下例在感光器件中设置两个感光象素层(称第一感光象素层和第二感光象素层)，当与该选定的手机镜头配合时，感光器件被放置在距该镜头特定距离，此时，第一感光象素层到镜头的距离为第一象距，第二感光象素层到镜头的距离为第二象距(第一象距小于第二象距)，此时，距镜头的特定距离以及两个感光象素层之间的预设距离，使得从无穷远到2m的景深范围的景物将可在第一感光象素层清晰成像，从50cm-30cm的景深范围的景物将可在第二感光象素层清晰成像。由此，实现了两个景深或景深扩展。需要注意的是，上述说明例中，感光象素层的数量和景深范围均仅为示例性数据，可以理解，通过对感光象素层的数量和相互间的预设距离调整，可以形成连续、交叠、互补、或正交的景深范围，多个感光象素层各自的景深范围叠加将使感光器件具有相当宽的景深范围，从而无需自动对焦即可获得宽景深范围内的清晰图像，避免使用电动机构和复杂、精密的机械部件，显著的节约了空间和成本。另一方面，在本发明中，通常至少可以从一个感光象素层获得较为完整的图像信息，从而图像具有相当高的清晰度，且无需繁琐的数学计算。

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。一般由棱镜的分光效应而从可见光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(兰绿复合)、和黄(绿红复合)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的波长响应曲线。如果作为基色的原色感光象素或补色(复合色)感光象素不具备类似的波长响应曲线，则很难重建人类所能看到绝大部分色彩。

图2是感光象素的3T读取电路。

图3是感光象素的4T读取电路。

图4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5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6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7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)提出的任意N点共享读取电路。

图8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，同样也可适用于本发明的多光谱感光器件。

图9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本发明的多光谱感光器件。

图10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。这种方法同样适用于本发明的多光谱感光器件。

图11是本发明提出的一种用于景深扩展的两层感光器件的结构示意图，其中透光层的厚度，由所希望的两个感光平面的象距差(V2-V1)来决定。

图12是本发明提出的一种用于景深扩展的三层感光器件的结构示意图，其中透光层的厚度，由所希望的两个感光平面的象距差(V2-V1或V3-V2)来决定。

图13是第一种利用多层感光器件实现景深扩展的原理示意图。在这个示意图里，位于不同距离的物体，将清晰地聚焦在多层感光器件的不同感光象素层。因此，位于这三个距离之间的任一物体，都将清楚或者比较清楚地聚焦在一个，或者两个感光象素层，从而达到景深扩展的效果。图中，U1，U2，U3是物距(即物体到镜头的距离)，V1，V2，V3是象距(即感光象素层到镜头的距离)。

图14是第二种同时利用特殊的镜头设计方法和多层感光器件来实现更好的景深扩展效果的原理示意图。对一般光学系统而言，波长更短的光，焦距更短。因此，对镜头进行特别的设计，可以让波长更短的光，聚焦在离镜头更近的感光象素层，或者说，离光源更近的感光象素层；而将波长更长的光，聚焦在离镜头更远的感光层，或者说，离光源更远的感光象素层；而将波长中等的光，聚焦在中间的感光层。这样，这种成像系统同时结合多光谱和多象距的特点，就能极大地扩展景深。这种系统，对于微距照相，有着无比的优势。

图15是实现图11所示的多景深感光器件的感光象素级别的原理示意图。通过调整透光层的厚度，可以调整两个感光象素层之间的距离，从而让两个感光象素层的感光象素，分别对应不同的景深。该例中，上下两个感光象素层均采用半导体感光象素层。

图16(a)、(b)、(c)、(d)是实现图11所示的多景深感光器件的另一种感光象素级别的原理示意图。同样，通过调整透光层的厚度，可以调整两个感光象素层之间的距离，从而让两个感光象素层的感光象素，分别对应不同的景深。该例中，上层的感光象素层采用化学镀膜感光象素层，而下层的感光象素层采用半导体感光象素层，显然二者可以互换而不影响其实现多景深的效果。

图15和图16都只描绘了感光象素的情况，其它读取电路和辅助电路，因为可以与现有的相同，都被省略。

图17(a)、(b)、(c)、(d)是实现图11所示的多景深感光器件的另一种感光象素级别的原理示意图。同样，通过调整透光层的厚度，可以调整上层的一个感光象素层与下层的另两个感光象素层之间的距离，从而让不同感光象素层的感光象素，分别对应不同的景深。在该例中，上层的一个感光象素层采用化学镀膜感光象素层，下层的另两个感光象素层采用半导体感光象素层，注意到，图17(a)、(b)中的两个半导体感光象素层布置在一个半导体基层的两面，图17(c)、(d)中的两个半导体感光象素层布置在一个半导体基层的一面。照射方向可以是该半导体基层的正面或是背面。另需注意的是，由于半导体的透光性限制，半导体基层厚度一般较薄，通常不满足景深扩展所需的感光象素层间隔距离的需求。因此，两个半导体感光象素层更多的用来实现多光谱的需求。

图18(a)、(b)是实现图11所示的多景深感光器件的另一种感光象素级别的原理示意图。同样，通过调整透光层的厚度，可以调整上层的一个感光象素层与下层的另两个感光象素层之间的距离，从而让不同感光象素层的感光象素，分别对应不同的景深。在该例中，上层的一个感光象素层采用化学镀膜感光象素层，下层的另两个感光象素层分别采用半导体感光象素层和化学镀膜感光象素层。中间的半导体感光象素层(的两面)可以含有读取三个感光象素层所必需的读取象素和采样电路。

图19(a)、(b)是实现图12所示的多景深感光器件的一种感光象素级别的原理示意图。注意到，在该例中，从上到下依次布置化学镀膜感光象素层、第一透光层、第一半导体感光象素层、第二透光层、第二半导体感光象素层。第一半导体感光象素层和第二半导体感光象素层分别实现在不同的两个半导体基层上，化学镀膜感光象素层与第一半导体感光象素层之间的距离通过调整第一透光层的厚度实现，第一半导体感光象素层与第二半导体感光象素层之间的距离通过调整第二透光层的厚度实现。读取和采样电路可以在位于中间的第一半导体感光象素层实现，也可以分布在两个半导体感光象素层。

对于具有两层半导体感光象素层的实施例，例如图8和图15等，如果将其中一个感光象素层中的感光象素去掉，做成专门用于读取电路和信号处理的层，则可以得到如图20-23所示的本发明提出的带有(具有跨层读取功能的)全局电子快门的感光器件。图20-23仅是展示了该带有(具有跨层读取功能的)全局电子快门的感光器件的感光象素层和不感光的转移和读取象素层，显然，结合前述，当保留定焦在不同景深的多个感光象素层时，则可以得到带有(具有跨层读取功能的)全局电子快门的多景深感光器件。

图20是本发明提出的两行共用一行转移象素(读取电容)的示意图。这实际上是《一种感光器件及其读取方法、读取电路》(中国申请号：200910106477.7)中隔行扫描方式的一种新的实现。在这里，转移象素和感光象素不在同一层，因而可以获得更好的感光面积的使用效率，但同时增加了一倍的快门速度。重要的是，这种方式可以用于以化学感光材料(如量子感光膜)为感光象素层的感光器件。

图21是利用半导体的不良透光性能，将半导体基层厚度增加到一定厚度，使得下层的象素感不到光。然后，利用金属穿孔或是表面走线，外部连接的方式，将上层的感光象素信号，通过二极管或读取放大开关电路引到不感光象素层的读取象素上，在那里进行采样读取，从而将一个两层的感光器件退化成一个(具有跨层读取功能的)全局电子快门的单层感光器件。这个器件在结构上是双层的，但在效果上却是单层的。当这种方式用于图17(a)所示的多层感光器件时，就能得到(具有跨层读取功能的)全局电子快门的多景深感光器件。

图22是本发明提出的以传统的(CMOS和CCD)半导体电路为基础的带有(具有跨层读取功能的)全局电子快门的多光谱两层感光器件的示意图。同样地，感光象素信号到不感光读取象素上的转移，由二极管或放大开关电路来控制的。

图23是本发明提出的另一种以化学感光材料(如量子感光膜)为基础的带有(具有跨层读取功能的)全局电子快门的多光谱两层感光器件的示意图，其中感光象素层采用化学感光材料(如量子感光膜)，而读取电路和信号处理层则是CMOS半导体层。注意到在该图示例中，每一个感光象素都对应有一个不感光的电荷转移象素，用于实现全局电子快门。这也是多层感光器件的为简单实现全局电子快门而特意进行的一种退化。

图24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多层多光谱感光器件和带有全局电子快门的多光谱感光器件里尤其有用。

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。

本发明将提出的多景深感光器件，其主要用途是景深扩展，即手机行业里目前所称的EDoF(即Extended Depth of Focus)。景深扩展尤其在照相手机中有着非常广泛的应用，然而，目前的景深扩展主要使用光学和数学手段，通常是利用光学变焦或自动对焦的方式实现景深调整，这要求电动机构和复杂、精密的机械部件的配合，因而将显著增加空间和成本。

本发明实施例所提出的多景深感光器件，结合多层感光器件的实现，包括至少两个可感应到光源的感光象素层，至少两个所述感光象素层之间按预设距离间隔布置，使得来自距感光器件特定距离的镜头的不同光信号被聚焦到不同的感光象素层，从而不同感光象素层构成了具有不同象距的感光平面，可以定焦不同的景深，由此扩展了感光器件的景深范围，相当于从多点光学对焦这一物理手段上实现了自动对焦，相应可以去除电动机构和复杂、精密的机械部件的配合，显著地节省了空间和成本。

所述感光象素层，包括化学镀膜感光象素层和半导体感光象素层中的至少一者。即上述至少两个感光象素层，可以全部是化学镀膜感光象素层，或者全部是半导体感光象素层，或者部分是化学镀膜感光象素层，部分是半导体感光象素层。其中，化学镀膜感光象素层包括量子点感光象素。半导体感光象素层包括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。

上述的感光象素层，分别用来感应不同的光信号。本发明中，关注的光信号特性主要包括光信号的频谱特性，即光的波长，以及光信号的距离特性，即光信号到镜头的距离。因此，光信号的不同，是指两个光信号之间，上述两个特性中至少有一者不同，即两个光信号之间，可能是波长不同，或者距离不同，或者波长和距离都不同。当然，由于自然界常见复色光，例如白光，因此如果需要得到不同波长的光，一般需要配合镜头设计，利用例如棱镜的分光效应，镜头材料或曲面设计对不同波长的光的不同折射率从而使不同波长的光分离并聚焦在不同的感光象素层上。

在聚焦不同波长的光信号的时候，一般地，波长更短的光信号被聚焦到离镜头更近的感光象素层。例如，感光象素层为两层，则聚焦在离镜头较近的感光象素层的光信号是紫色、兰色光、青色、或绿色光，聚焦在离镜头较远的感光象素层的光信号是绿色光、红色光、黄色光、可见光(白色光)、或红外光。又如，感光象素层为三层，则聚焦在离镜头最近的感光象素层的光信号是紫外光、兰色光、或青色光；聚焦在位于中间的感光象素层的光信号是绿色光、兰色光、黄色光、红色光、或可见光(白色光)；聚焦在离光源最远的感光象素层的光信号是红色光、黄色光、可见光、或红外光。

在聚焦不同距离的光信号的时候，一般地，更远距离的光信号被聚焦到离镜头更近的感光象素层。例如，感光象素层为两层，聚焦在离光源较近的感光象素层的是无穷远处的光信号，聚焦在离光源较远的感光象素层的是感兴趣最短距离的光信号。结合聚焦不同波长的光，还可以进一步设置为：无穷远处的紫外光、兰色光、青色光、或绿色光被聚焦到离光源较近的感光象素层；感兴趣最短距离的绿色光、红色光、黄色光、可见光(白色光)、或红外光被聚焦到离光源较远的感光象素层。

又如，感光象素层为三层，聚焦在离光源最近的感光象素层的是无穷远处的光信号，聚焦在离光源最远的感光象素层的是感兴趣最短距离的光信号，聚焦在位于中间的感光象素层的是无穷远处与感兴趣最短距离的一个中间距离的光信号。结合聚焦不同波长的光，还可以进一步设置为：无穷远处的紫外光、兰色光、青色光、或绿色光被聚焦到离光源最近的感光象素层；无穷远处与感兴趣最短距离的一个中间距离的绿色光、兰色光、黄色光、红色光、或可见光(白色光)被聚焦到位于中间的感光象素层；感兴趣最短距离的红色光、黄色光、可见光、或红外光被聚焦到离光源最远的感光象素层。

实施方式中，感兴趣最短距离包括2mm，5mm，7mm，1cm，2cm，3cm，5cm，7cm，10cm，20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，70cm，80cm，100cm，150cm。所谓感兴趣最短距离，是指用户关注的景物到镜头的最近距离。例如，感兴趣最短距离是2mm，是指用户关注的景物到镜头的最近距离是2mm，当景物到镜头的距离小于2mm，则不再关注。

图13显示了距离与聚焦平面的关系。在该图中，位于不同距离的物体，将清晰地聚焦在多层感光器件的不同感光象素层。因此，位于这三个距离之间的任一物体，都将清楚或者比较清楚地聚焦在一个，或者两个感光象素层，从而从同一个感光器件，能够同时得到它们的清晰图像。

图14显示了波长与聚焦平面的关系，对一般光学系统而言，波长更短的光，焦距更短。因此，通过对镜头进行设计，可以让波长更短的光，聚焦在离镜头更近的感光象素层；波长更长的光，聚焦在离镜头更远的感光象素层；波长中等的光，聚焦在中间的感光象素层。这样，处于不同距离的物体，总有一个颜色，在一个感光层中是清楚的。于是，这种成像系统同时结合了多光谱和多象距的特点，每个感光层有自己的景深范围，并且对于不同波长的光，景深距离和范围不同，可以将各个感光层的景深范围进行整合，能够极大地扩展景深，对于微距照相，有着无比的优势。

由于可以从不同感光象素层得到具有不同清晰度的多个图像，因而这些图像之间可以相互参照，通过图像的整合、选用和舍弃，以及插值、增强、或反卷积等数学处理，而获得清晰的图像。

实施方式还包括在上述多景深感光器件中，实现一种具有跨层读取功能的全局电子快门，包括多个不感光的转移和读取象素，所述不感光的转移和读取象素的每一个能够用来转移和读取处在其它层的至少一个感光象素的电荷或电压值。从而多个不感光的转移和读取象素可同时转移并读取一层或多层感光象素层的电荷或电压值。多个不感光的转移和读取象素可以与感光象素位于同一象素层，显然，这意味着该象素层的感光灵敏度的下降。多个不感光的转移和读取象素也可以与感光象素位于不同的象素层，即形成独立的感光象素层和独立的不感光的转移和读取象素层，显然，这意味该具有跨层读取功能的全局电子快门只能在两层或多层感光器件中实现。

可以为每一个感光象素层设置一个紧邻的对应的不感光象素转移和读取层，所述不感光象素转移和读取层可同时转移对应的感光象素层的所有象素的电荷或电压值；或者可同时转移对应的感光象素层的奇数行或偶数行象素的电荷或电压值。图20显示了两行共用一行读取电容的设计，以实现逐行扫描的功能。不感光的转移和读取象素层，可以半导体电路做成。

图21显示了一种两层感光器件的退化实现，以获得单层的带有全局电子快门的单层感光器件。这种方法利用了半导体材料的不良透光性，将两半导体基层加厚，使得底层感不到光，而只能用于做象素读取。将这个方法用于图17(a)所示的三层感光器件时，就能得到带全局电子快门的两层多景深感光器件。

图22和图23显示了一种具有跨层读取功能的全局电子快门的象素级别的实现。

文中出现的远近，上下等位置关系，均是指以光源为基准的相对位置。例如，上层感光象素层和下层感光象素层的描述，是指感光象素层水平放置，光源从上方垂直照射向感光象素层而言。显而易见，本文中的上下关系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，则所谓的上下关系，则等同于前后关系或者左右关系。不失一般性，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。不同种类的感光象素层，如化学镀膜感光象素层或半导体感光象素层，其上下关系并无限制，何者处于上方，何者处于下方是可以根据需要任意设置的。下文所述的基层顶面和底面，同样表达类似含义，即以水平放置，光源从上方垂直照射向基层而言，此时，位于上方的基层表面称为顶面，位于下方的基层表面称为底面。可以理解，当基层垂直放置，光源从左侧或右侧，或者从前侧或后侧垂直照射向基层时，可等同替代为前侧面和后侧面，左侧面和右侧面的表述。

此外，也需特别注意术语“可感应到光源”和“感光”之间的差异，感光象素层的“感光”，指的是该象素具有感光能力，“可感应到光源”，指的是感光象素是否能够感应到光源的结果，即感光象素的感光能力是否得到发挥，例如，由于半导体的透光性限制，当在一个半导体基层的顶面和底面各布置一个半导体感光象素层时，如果该半导体基层厚度超出半导体的透光性限制，则光源向该半导体基层照射时，只有顶面的半导体感光象素层能够感应到光源，而底面的半导体感光象素层受半导体基层厚度限制而无法感应到光源，则称顶面的半导体感光象素层为可感应到光源的感光象素层，即感光象素的感光能力得以发挥；称底面的半导体感光象素层为不可感应到光源的感光象素层，即感光象素的感光能力未能发挥。注意到在后文中，利用不可感应到光源的感光象素层，可以形成不感光的转移和读取象素层。

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。双向照射的情况，例如图8所示。

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，其可能是平面混合型，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。

在实施方式中，感光器件的同一位置(即由一层感光象素层的该象素位置上穿透而来的光照射到另一感光象素层上的位置)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。

需要注意的是，本文中的术语“布置”，包含了各种在例如半导体基层或透光层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，半导体基层为一个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1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”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。

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。

半导体感光象素层通常制作在半导体基层上，为了实现景深扩展，在实际制作中，通常采用增设透光层(例如透明玻璃层)来调整不同感光象素层之间的距离，例如，在一半导体基层上制作一层或多层半导体感光象素层，而后在该半导体基层上放置一透光层，而后，在该透光层上涂抹加工出一层化学镀膜感光象素层。通过透光层的不同厚度设置，相当于预设化学镀膜感光象素层和半导体感光象素层之间的间隔距离，进而实现景深扩展。

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。滤光膜设置在化学镀膜感光象素层或半导体感光象素层中的全部或部分感光象素的正面，背面，或双面。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、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多景深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多景深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多景深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。

所述多景深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多景深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。

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2和图3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4，图5，图6，和图7所示。

实施方式中，多景深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。图10显示了一种利用色彩空间变换来实现子采样的一种方式。

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，多景深感光器件中，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，在上述感光器件中，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9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Col[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Col[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，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，包括上述的多景深感光器件。

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。

实施方式还包括实现一种景深扩展方法，包括步骤：在感光器件中设置至少两个可感应到光源的感光象素层，并将至少两个所述感光象素层按预设距离间隔布置，使得来自距所述感光器件特定距离的镜头的不同光信号，被聚焦到不同的感光象素层。

景深扩展方法中，通过来自不同感光象素层的具有不同清晰度的图像而获取一幅清晰图像。

实施方式中还包括一种成像方法，或者说所述感光器件在成像中的应用，是设置镜头和包括至少两个可感应到光源的感光象素层的感光器件；将所述感光器件放置在距所述镜头特定距离，且至少两个所述感光象素层之间按预设距离间隔布置，使得来自镜头的不同光信号被聚焦到不同的所述感光象素层。

参见图11-14，实施方式中还包括了一种光学成像系统，包括镜头和多景深感光器件，所述多景深感光器件布置在距所述镜头特定距离，包括至少两个可感应到光源的感光象素层；至少所述感光象素层之间按预设距离间隔布置，来自距所述感光器件特定距离的镜头的不同光信号，被聚焦到不同的感光象素层。

如图13，可以是不同距离上的所有感兴趣波长的光，分别聚焦在每一感光象素层；或者如图14，可以是相同距离上的不同波长的光，分别聚焦在每一感光象素层；也可以是不同距离上的不同波长的光，分别聚焦在每一感光象素层。

实施方式包括各个感光象素层聚焦的光，其波长按各个感光象素层距所述光学镜头从近到远逐渐增长。或者在各个感光象素层中，更远距离的光信号，被聚焦在离镜头更近的感光象素层。

例如，当包括两个可感应到光源的感光象素层，两个感光象素层分别位于镜头的第一象距和第二象距，可以通过光学镜头设计，将紫外光、兰色光、绿色光、青色光、或白色光聚焦在离镜头最近的感光象素层；相应的，将兰色光、绿色光、红色光、黄色光、或红外光聚焦在离镜头最远的感光象素层。

又如，当包括三个可感应到光源的感光象素层，三个感光象素层分别位于镜头的第一象距、第二象距、第三象距，可以通过光学镜头设计，将紫外光、兰色光、绿色光、或青色光聚焦在离镜头最近的感光象素层；相应的，将红色光、黄色光、可见光、或红外光聚焦在离镜头最远的感光象素层；相应的，将绿色光、黄色光、可见光、或红色光聚焦在中间的感光象素层。

又如，当包括四个可感应到光源的感光象素层，四个感光象素层分别位于镜头的第一象距、第二象距、第三象距、第四象距，可以通过光学镜头设计，将紫外光、兰色光、绿色光、或青色光聚焦在离镜头最近的感光象素层；相应的，将红色光、黄色光、白色光、或红外光聚焦在离镜头最远的感光象素层；相应的，将兰色光、绿色光、或青色光聚焦在离镜头第二近的感光象素层；相应的，将绿色光、红色光、白色光、或黄色光聚焦在离镜头第三近的感光象素层。

又如，当包括两个可感应到光源的感光象素层，两个感光象素层分别位于镜头的第一象距、第二象距，可以通过光学镜头设计，将紫外光或可见光聚焦在离镜头最近的感光象素层；将可见光或红外光聚焦在离镜头最远的感光象素层。

又如，当包括三个可感应到光源的感光象素层，三个感光象素层分别位于镜头的第一象距、第二象距、第三象距，可以通过光学镜头设计，将紫外光或白色光聚焦在离镜头最近的感光象素层；将白色光或红外光聚焦在离镜头最远的感光象素层；将白色光聚焦在中间的感光象素层。

又如，当包括四个可感应到光源的感光象素层，四个感光象素层分别位于镜头的第一象距、第二象距、第三象距、第四象距，可以通过光学镜头设计，将紫外光或白色光聚焦在离镜头最近的感光象素层；将白色光或红外光聚焦在离镜头最远的感光象素层；将白色光聚焦在离镜头第二近的感光象素层；将白色光聚焦在离镜头第三近的感光象素层。

需要注意的是，在上述例子中，对于包括所有感兴趣波长的光，例如白色光，如果说明白色光被聚焦到不同感光象素层，则其一般来源于不同距离，即例如离镜头最近的感光象素层聚焦的是无穷远处的白色光，离镜头最远的感光象素层聚焦的是感兴趣最短距离的白色光。即当两个感光象素层聚焦的光信号的频谱特性相同，则其必须具有不同的距离特性。

本发明的多景深感光器件，兼具多光谱的优异特性，可同时获得众多的彩色信号和其它光谱信号，例如在一种四层感光器件中，可沿光路按距光源从近到远布置一个感应紫外光的第一化学镀膜感光象素层、一个感应兰光，绿光，或青光的第一半导体感光象素层，一个感应红光，黄光，或绿光的第二半导体感光象素层，一个感应红外光的第二化学镀膜感光象素层。其中，第一半导体感光象素层和第二半导体感光象素层分别实现在两个半导体基层上，两个半导体基层之间设置一个具有预设厚度的透光层，第一化学镀膜感光象素层布置在第一半导体感光象素层所在基层的顶面上方；第二化学镀膜感光象素层布置在第二半导体感光象素层所在基层的底面下方。由此，不仅实现了景深扩展，且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，充分发挥不同感光材料的特点。这样一种四层多光谱感光器件，制作难度并不太高。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。

本发明的多景深感光器件，首先实现的第一种特殊用途是景深扩展，现有的EDoF主要是使用了光学和数学的手段实现景深扩展，一般需要借助例如镜头等进行自动对焦，相比之下，本发明是直接的通过器件内的不同感光象素层按预设距离间隔设置这样的物理手段实现景深扩展。其次实现的第二种特殊用途是实现全局电子快门，现有的全局电子快门(GlobalShutter)主要是使用了读取电路的手段，相比之下，本发明利用不感光的转移和读取象素，可以在不用机械快门的情况下，实现高象素的高速拍照。当这两种实现(即景深扩展和全局电子快门)，在同一个感光器件上得以集成的时候，多层多光谱感光器件的巨大威力就得以充分的发挥。因此，本发明在很多指标和性能上，大幅超越现有的方法。

本发明的多景深感光器件，借助于调整不同感光象素层的距离，除了大幅提高灵敏度以外，还能大幅提高系统景深范围，从而让图像更清楚，系统反应速度更快，应用面更宽，乃至消除某些应用中的自动对焦需求。本发明的多景深感光器件在其涵盖的景深范围，能够快速地获取清晰的图像，而不需要经过一个调焦的过程。景深扩展除了能够降低自动对焦的难度和成本外，甚至在某些应用中如手机照相，微距照相，或远距照相，能够彻底消除自动对焦的需求。景深扩展还能让同一张照片里处于不同距离的物体同时清楚，这在一些特殊应用中也是极有用的，而这是自动对焦所不能做到的，因为现有的自动对焦系统，只能让某个距离内的物体清楚成像，而不能让非常宽的一个范围内的物体都清楚。因此，本发明的景深扩展实现，在具有自动对焦能力的系统里，也仍然具备有很大的价值

由于本发明的多景深感光器件的高灵敏度，其感光速度也可大幅提高，从而为在很多应用中取下机械快门提供了可能。由此，在本发明的多景深感光器件中，还提出一种具有跨层读取功能的全局电子快门的实现，以期取代某些应用中可能需要的机械快门。全局电子快门作用是在一瞬间，将感光象素里的电荷或电压值拷贝到不感光的读取象素里去，以便读取电路从容的读出。

结合景深扩展全局电子快门的实现，将二者集成在一个感光器件上时，一个不需要自动对焦和机械快门的高性能、高速度、高象素感光系统，就可以芯片的方式来实现，大大地降低系统的尺寸、复杂度、功耗和成本，为很多新的应用提供了可能。

这种带有全局电子快门的或多景深的感光器件，可为感光系统省去机械快门或者省去自动对焦系统(或者降低对自动对焦系统的要求)，并在不加快感光器件时钟的情况下，实现高速的电子快门或清晰成像。

在极大地简化了感光系统的机械复杂度的要求的同时，本发明采用两层或多层的布局，结合先进的两层或多层互补或正交色彩图案排列的方法，能够最大化的利用入射光子的能量，不用或只用少许的彩色滤光膜，从而达到或接近到达光电转换效率的理论上限，并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。

当感光象素层与读取电路分层后，读取电路层的读取电路和处理计算可以做得非常精细和复杂，为单芯片感光系统的制作，提供了巨大的便利。

这种多景深感光器件可同时获得众多的彩色信号和其它光谱信号，采用本人之前发明的先进的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，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。

这种多景深感光器件，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(杂色由插值引起的)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 (13)

1.一种多景深感光器件，其特征在于，包括至少两个可感应到光源的感光象素层,至少两个所述感光象素层之间按预设距离间隔布置，使得来自距所述感光器件特定距离的镜头的不同光信号被聚焦到不同的所述感光象素层，所述不同光信号为不同距离的光信号。

2.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，所述感光象素层包括化学镀膜感光象素层和半导体感光象素层中的至少一者。

3.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，更远距离的光信号被聚焦到离镜头更近的感光象素层。

4.如权利要求3所述的感光器件，其特征在于，所述感光象素层为两层，无穷远处的光信号被聚焦到离镜头较近的感光象素层，感兴趣最短距离的光信号被聚焦到离镜头较远的感光象素层。

5.如权利要求4所述的感光器件，其特征在于，无穷远处的紫色光、兰色光、绿色光、或青色光被聚焦到离镜头较近的感光象素层，感兴趣最短距离的绿色光、红色光、黄色光、可见光、或红外光被聚焦到离镜头较远的感光象素层。

6.如权利要求3所述的感光器件，其特征在于，所述感光象素层为三层，无穷远处的光信号被聚焦到离镜头最近的感光象素层，感兴趣最短距离的光信号被聚焦到离镜头最远的感光象素层，无穷远处与感兴趣最短距离之间的一个中间距离的光信号被聚焦到位于中间的感光象素层。

7.如权利要求6所述的感光器件，其特征在于，所述感光象素层为三层，无穷远处的紫外光、兰色光、或青色光被聚焦到离镜头最近的感光象素层，感兴趣最短距离的红色光、黄色光、可见光、或红外光被聚焦到离镜头最远的感光象素层，无穷远处与感兴趣最短距离之间的一个中间距离的兰色光、绿色光、红色光、或黄色光被聚焦到位于中间的感光象素层。

8.如权利要求4-7任一所述的感光器件，其特征在于，所述感兴趣最短距离包括2mm, 5mm, 7mm, 1cm, 2cm, 3cm, 5cm, 7cm, 10cm, 20cm, 30cm,40cm,50cm, 60cm, 70cm, 80cm, 100cm, 或150cm。

9.如权利要求1-7任一所述的感光器件，其特征在于，包括具有跨层读取功能的全局电子快门，所述全局电子快门包含多个可同时转移并读取一层或多层感光象素层的电荷或电压值的不感光的转移和读取象素。

10.一种景深扩展方法，其特征在于，包括： 在感光器件中设置至少两个可感应到光源的感光象素层,并将至少两个所述感光象素层按预设距离间隔布置，使得来自距所述感光器件特定距离的镜头的不同光信号被聚焦到不同的所述感光象素层，所述不同光信号为不同距离的光信号。

11.一种光学成像方法，其特征在于，包括： 设置镜头和包括至少两个可感应到光源的感光象素层的感光器件；将所述感光器件放置在距所述镜头特定距离，且至少两个所述感光象素层之间按预设距离间隔布置，使得来自镜头的不同光信号被聚焦到不同的所述感光象素层，所述不同光信号为不同距离的光信号。

12.一种光学成像系统，其特征在于，包括镜头和多景深感光器件，所述多景深感光器件布置在距所述镜头特定距离，包括至少两个可感应到光源的感光象素层，至少两个所述感光象素层之间按预设距离间隔布置，使得来自所述镜头的不同光信号被聚焦到不同的所述感光象素层，所述不同光信号为不同距离的光信号。

13.一种感光系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的感光器件。