CN103163710A - 用于数码相机的具有红色吸收层的红外截止滤波器 - Google Patents
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Abstract
一种红外截止滤波器可与图像传感器一起使用以在从所述红外截止滤波器的第一侧接收的图像光到达待安置于所述红外截止滤波器的第二侧上的所述图像传感器之前从所述图像光移除红外光分量。所述红外截止滤波器包含至少一个红色吸收层及一红外反射器。所述至少一个红色吸收层部分地吸收所述图像光内的红色光分量。所述红外反射器反射所述红外光分量。所述红外反射器安置于所述红色吸收层与所述红外截止滤波器的所述第一侧之间，而所述至少一个红色吸收层安置于所述红外反射器与所述红外截止滤波器的所述第二侧之间。
Description
技术领域
本发明大体来说涉及数码相机，且特定来说(但非排他性地)涉及供在数码相机中使用的红外(“IR”)截止滤波器。
背景技术
数码相机为普遍存在的。其用于各种各样的装置中，从昂贵且复杂的设备到蜂窝电话及网络相机。数码静物相机或摄像机包含至少一成像透镜及一图像传感器。通常，所述图像传感器为互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器，但电荷耦合装置(“CCD”)图像传感器也为可能的。成像透镜在图像传感器处形成图像。所述图像传感器通常包含对三原色(例如，红色、绿色及蓝色)中的一者敏感的数以百万计的像素或光感测元件。每一像素检测并将所述像素处的光强度变换成电信号。因此，检测由成像透镜形成的彩色图像并将其变换成电信号。换句话说，通过图像传感器将光学彩色图像变换成电子彩色图像。
与人眼相比，CMOS及CCD图像传感器通常还对近红外光敏感。还将检测近红外光或为简单起见在本发明中提及的IR光。然而，CMOS及CCD图像传感器通常不对超过近红外光谱的IR光敏感。检测到的IR图像在以三原色(例如，红色、绿色及蓝色)产生的所显示图像中产生误差。
为了消除或减少在所产生的原色图像中由检测到的IR图像导致的误差，将也称为IR截断滤波器的IR截止滤波器(“IRCF”)安置于成像透镜与图像传感器之间，使得IR光由IR截止滤波器阻挡而可见光透射穿过IR截止滤波器。因此，IR截止滤波器的使用以白色光实现更逼真的色彩。然而，IR截止滤波器可导致如以下章节中所描述的其它问题。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种相机设备。所述相机设备包括：图像传感器，其用以捕获图像光并响应于所述图像光而产生图像；成像透镜，其与所述图像传感器光学对准以将所述图像光聚焦到所述图像传感器上；及红外截止滤波器，其安置于所述成像透镜与所述图像传感器之间以在所述图像光到达所述图像传感器之前从所述图像光移除红外光分量。所述红外截止滤波器包含：至少一个红色吸收层，其部分地吸收所述图像光内的红色光分量；及红外反射器，其反射所述红外光分量，所述红外反射器安置于所述红色吸收层与所述成像透镜之间。
本发明的另一方面涉及一种供与图像传感器一起使用的红外截止滤波器，其用以在从所述红外截止滤波器的第一侧接收的图像光到达待安置于所述红外截止滤波器的第二侧上的所述图像传感器之前从所述图像光移除红外光分量。所述红外截止滤波器包括：至少一个红色吸收层，其部分地吸收所述图像光内的红色光分量；及红外反射器，其反射所述红外光分量。所述红外反射器安置于所述红色吸收层与所述红外截止滤波器的所述第一侧之间。所述至少一个红色吸收层安置于所述红外反射器与所述红外截止滤波器的所述第二侧之间，所述第二侧与所述第一侧相对。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有指定，否则在所有各个视图中相似参考编号指代相似部件。所述图式未必符合比例，而重点放在图解说明正描述的原理。在图式中，为清晰起见，可放大层及区域的厚度。
图1展示包含成像透镜、图像传感器及用于移除IR图像的IR截止滤波器的数码相机。
图2展示包含反射IR光的IR反射膜的IR截止滤波器。
图3展示也反射一些红色光并产生重像的IR反射膜。
图4展示根据本发明的实施例包含IR反射膜、透明衬底及红色吸收膜的IR截止滤波器。
图5展示根据本发明的实施例包含IR反射膜及红色吸收衬底的IR截止滤波器。
图6展示根据本发明的实施例的包含IR反射膜、红色吸收衬底及红色吸收膜的IR截止滤波器。
图7展示根据本发明的实施例进一步包含抗反射(“AR”)膜的图5实施例。
图8展示根据本发明的实施例进一步包含AR膜的图4实施例。
图9展示根据本发明的实施例进一步包含AR膜的图6实施例。
图10a及10b图解说明根据本发明的实施例由(a)具有红色吸收层及(b)不具有红色吸收层的IR截止滤波器反射的红色光的示范性量值。
图11是图解说明根据本发明的实施例的成像系统的功能性框图。
具体实施方式
描述在数码相机中使用的IR截止滤波器的实施例。描述众多特定细节以提供对本发明的实施例的透彻理解，但相关领域的技术人员将认识到，本发明可在不具有所述特定细节中的一者或一者以上的情况下或借助其它方法、组件、材料等来实践。在一些情况下，众所周知的结构、材料或操作未详细展示或描述以避免使某些方面模糊，但仍涵盖在本发明的范围内。
本说明书通篇所提及的“一个实施例”或“一实施例”意味着结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于至少一个所描述实施例中。因此，在本说明书中短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必全部指代同一实施例。此外，所述特定特征、结构或特性可以任何适合方式组合于一个或一个以上实施例中。
图1展示数码相机100，其包含成像透镜102、图像传感器104(例如CMOS或CCD图像传感器)及安置于成像透镜102与图像传感器104之间的IR截止滤波器106。成像透镜102在图像传感器104处形成对象108的图像。来自对象108的光110穿过成像透镜102及IR截止滤波器106且抵达图像传感器104。光110的IR分量由IR截止滤波器106阻挡，因此形成于图像传感器104处的图像含有甚少或不含有IR光分量。
图2展示在例如图1中所图解说明的数码相机100的数码相机中使用的IR截止滤波器106。IR截止滤波器106包含透明衬底202。透明衬底202通常由玻璃制成，但可使用其它材料。IR反射膜204安置于衬底202上面向成像透镜102。IR反射膜204可为由单层或多层涂层形成的干涉滤波器。来自对象108的光110穿过透镜102且入射于IR截止滤波器106上。由于光干涉，为入射光110的一部分的IR光分量212由IR反射膜204反射。入射光110的剩余分量(包含可见光分量(例如，三原色，例如红色、绿色及蓝色))透射穿过IR反射膜204而变为透射光214。抗反射(“AR”)膜206安置于衬底202的相对侧上面向图像传感器104。AR膜206可制作为单层或多层涂层。
透射光214形成入射于图像传感器104上的原像230。原像230不含有或含有显著减少的IR光分量。透射光214的大部分由图像传感器104吸收并产生电子图像。透射光214的一小部分在图像传感器104的表面处被反射而变为反射光216。反射光216可由所述表面处的反射、由图像传感器104内的像素结构导致的衍射或其两者产生。反射光216传播穿过AR膜206、透明衬底202及IR反射膜204(在IR反射膜204仅反射IR光并透射包含红色光的可见光的情况下)。
总的来说，IR截止滤波器106安置于成像透镜102与图像传感器104之间。IR截止滤波器106包含透明衬底202、IR反射膜204及AR膜206。IR反射膜204安置于透明衬底202上面向成像透镜102，且AR膜206安置于衬底202的另一侧上面向图像传感器104。
图3图解说明IR截止滤波器300的IR反射膜304如何不完全透射入射光110的所有可见光分量。而是，一些可见光尤其是接近于IR光谱(例如λ＞630nm)的红色光可由IR反射膜304连同IR光一起部分地反射，从而变为反射光312。换句话说，IR反射膜304的反射光谱包含红色光。入射光110的其余部分(其可含有较少红色光分量且含有甚少或不含有IR光分量)透射穿过IR反射膜304而变为透射光314。透射光314透射穿过透明衬底202及AR膜206而在图像传感器104上形成原像230。透射光314的大部分由图像传感器104吸收以产生电子图像。然而，透射光314的一小部分在图像传感器104的表面处被反射而变为反射光316。反射光316可由所述表面处的反射、由图像传感器104内的像素结构导致的衍射或其两者产生。反射光316透射穿过AR膜206及衬底202。由于IR反射膜304的反射光谱包含红色光，因此反射光316中所含有的红色光由IR反射膜304部分地反射而变为红色反射光320。反射光316的其余部分穿过IR反射膜304而变为透射光318。
红色反射光往回行进穿过衬底202及AR膜206且再一次抵达图像传感器104而形成称为重像的红色次像332。因此，红色反射光320由图像传感器104检测且产生重像332。
因此，虽然IR截止滤波器可阻挡IR光的大部分，但其可有害地产生称为重像的红色次像。当拍摄明亮对象的图片时，此问题变得严重。举例来说，当拍摄包含太阳的图片时，会产生太阳的在红色光谱中的多个重像。重像可出现在静物相机图像及录像机图像两者中。
用于减少重像的一些方法揭示于颁予北岸(Kitagishi)的第7,038,722号美国专利中。所述方法涉及将图像传感器的色彩滤波器阵列(CFA)内的色彩滤波器制作为具有经设计以匹配特定IR截止滤波器的特定透射比。因此，所述图像传感器是针对给定CFA定制的。相比之下，本发明的实施例描述用于减少重像的技术，所述技术可应用于其中CFA不具有特别设计的透射比的几乎任何一般图像传感器。
图4图解说明根据本发明的实施例包含透明衬底402及IR反射膜404的IR截止滤波器400。透明衬底402通常由玻璃制成，但例如聚酯等的其它材料也为可能的。IR反射膜404安置于衬底402上面向成像透镜102。IR反射膜404可为由单层或多层涂层形成的干涉滤波器。来自对象108的光110穿过透镜102且入射于滤波器400上。由于光干涉，入射光110中所含有的IR分量由膜404反射。然而，IR反射膜404不完全透射来自入射光110的可见光。一些可见光尤其是接近于IR光谱的红色光可由IR反射膜404连同IR光分量一起部分地反射而变为反射光312。换句话说，IR反射膜404的反射光谱包含红色光。入射光110的其余部分(其可含有较少红色光分量且不含有IR光)透射穿过膜404而变为透射光414。
IR截止滤波器400进一步包含红色吸收膜406，其安置于衬底402的相对侧上面向图像传感器104。透射光414第一次在(A)处穿过红色吸收膜406且抵达图像传感器104。透射光414接着在图像传感器104的表面处被部分地反射而变为反射光416，反射光416第二次在(B)处再次穿过红色吸收膜406。反射光416中所含有的红色光接着由IR反射膜404部分地反射而变为红色反射光420。反射光416的其余部分穿过IR反射膜404而变为透射光418。红色反射光420第三次在(C)处再次穿过红色吸收膜406。对红色吸收膜406的三次横越将红色反射光420的强度减小到大致不可感知的水平，使得几乎检测不到次像。当然，红色吸收膜406确实透射一些红色光。如果红色吸收膜406完全吸收红色光，那么将检测不到红色原像。因此，红色吸收膜406仅仅操作以部分地吸收红色光分量，使得在对所述膜的三次横越之后，大致移除红色光分量。
在一个实施例中，红色吸收膜406本质上为部分地吸收/阻挡红色光且透射绿色及蓝色光的青色滤波器。因此，可使用任何适合青色色彩滤波器，尤其是类似于彩色图像传感器的色彩滤波器阵列(CFA)中的青色滤波器的青色滤波器。此外，还可使用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)衬底上的50微米厚的染色聚酯膜的商业青色滤波器，其中所述PET衬底充当透明衬底402且染色聚酯膜充当红色吸收膜406。
图5图解说明根据本发明的实施例的IR截止滤波器500。IR截止滤波器500的所图解说明实施例包含IR反射膜504。IR反射膜504可为由单层或多层涂层形成的干涉滤波器。来自对象108的光110穿过透镜102且入射于滤波器500上。由于光干涉，入射光110内所含有的IR光分量由膜504反射。然而，IR反射膜504不完全透射入射光110的所有可见光分量。而是，接近于IR光谱的一些红色光分量可由IR反射膜504连同IR光一起部分地反射而变为反射光312。换句话说，IR反射膜504的反射光谱包含红色光。剩余入射光110(其可含有较少红色光分量且含有甚少或不含有IR光分量)透射穿过IR反射膜504而变为透射光514。
IR截止滤波器500进一步包含红色吸收衬底502。在所图解说明的实施例中，IR反射膜504安置于红色吸收衬底502上面向成像透镜102。透射光514第一次在(AA)处穿过红色吸收衬底502且抵达图像传感器104。光514接着在图像传感器104的表面处被部分地反射而变为反射光516，反射光516第二次在(BB)处穿过红色吸收衬底502。反射光516中所含有的红色光由IR反射膜504部分地反射而变为红色反射光520。反射光516的其余部分穿过IR反射膜504而变为透射光518。红色反射光520第三次在(CC)处穿过红色吸收衬底502。三次穿过红色吸收衬底502充分地减小红色反射光520的强度，因此检测到甚少或检测不到重像。因此，红色吸收衬底502仅部分地吸收红色光以便使红色原像通过同时充分地吸收任何红色次像(重像)。
在一个实施例中，红色吸收衬底502为阻挡红色光且透射绿色及蓝色光的青色滤波器。因此，可使用多种青色滤波器，举例来说，彩色玻璃滤波器。彩色玻璃为形成有色料的玻璃，所述色料混合到所述玻璃中，此与涂覆于其表面上的彩色膜相对。此通过将各种金属氧化物混合于玻璃组合物中来实现。这些彩色玻璃可从主要玻璃生产商购得，例如肖特(Schott)、豪雅(Hoya)等。例如聚酯等的其它彩色衬底也为可能的。
图6图解说明根据本发明的实施例的IR截止滤波器600。IR截止滤波器600的所图解说明实施例包含IR反射膜604、类似于红色吸收衬底502的红色吸收衬底602及类似于红色吸收膜406的红色吸收膜606。因此，在形成次像之前，入射光由红色吸收衬底602在(AA)、(BB)及(CC)处吸收三次且由红色吸收膜606在(A)、(B)及(C)处吸收三次。三次穿过红色吸收衬底602及三次穿过红色吸收膜606充分减小红色反射光620的强度，以大致消除重像。
因此，根据所图解说明实施例的IR截止滤波器包含IR反射膜及红色吸收层，所述红色吸收层可实施为红色吸收衬底或安置于透明衬底上的红色吸收膜。IR截止滤波器还可包含红色吸收衬底及红色吸收膜两者。
IR反射膜的实施例可为干涉滤波器。干涉滤波器的反射光谱从IR光谱延伸到红色光谱中。在形成任何重像之前，入射光在红色吸收层中吸收三次，第一次吸收在透射穿过IR反射膜之后发生，第二次吸收在于图像传感器处反射之后发生，且第三次吸收在于IR反射膜处反射之后发生。
红色吸收层的实施例可减小原像中的检测到的红色强度，从而产生带蓝色的原像。然而，此问题可通过调整与红色、绿色及蓝色信号中的每一者相关联的增益来解决，所述调整可在制作图像传感器之前(例如，硬件逻辑)或之后(例如，后图像处理或硬件逻辑调整)进行。
图7图解说明根据本发明的另一实施例的IR截止滤波器700。IR截止滤波器700类似于IR截止滤波器500(图5)，但进一步包含安置于红色吸收衬底502上面向图像传感器104的AR膜706。
图8图解说明根据本发明的另一实施例的IR截止滤波器800。IR截止滤波器800类似于IR截止滤波器400(图4)，但进一步包含安置于红色吸收膜406上面向图像传感器104的AR膜806。
图9图解说明根据本发明的另一实施例的IR截止滤波器900。IR截止滤波器900类似于IR截止滤波器600(图6)，但进一步包含安置于红色吸收膜606上面向图像传感器104的AR膜906。
图10(a)图解说明具有红色吸收层406的IR截止滤波器400的实例。举例来说，IR反射膜404可反射5％的红色光，因此95％的红色光透射穿过IR反射膜404。如果红色吸收层406吸收10％的红色光，那么85％的红色光将入射到图像传感器104。图像传感器104的像素结构及表面沿不同方向产生四个反射光束。假设总反射光为4％，那么反射光束大约为1％。在第二次穿过红色吸收层406之后，红色光为0.9％。接着，0.9％的红色光中的5％由IR反射膜404反射。因此，0.045％的原始红色光由IR反射膜404反射。最后，在第三次穿过红色吸收层406之后，仅剩余0.0405％的原始红色光。
相比之下，图10(b)图解说明不具有任何红色吸收层的IR截止滤波器300的实例。在透射过IR反射膜304之后，红色光为95％。在图像传感器104处的反射之后，红色光为1.1％。在IR反射膜304处的反射之后，剩余0.055％的红色光。因此，通过使用10％吸收的单个红色吸收层，红色反射光的量值减小25％以上。两个红色吸收层的使用将使反射红色光减小50％以上。为了进一步减小红色反射光的量值，可使用具有更高吸收系数(例如20％或30％)的红色吸收层。
图11是图解说明根据本发明的实施例的成像系统1100的功能框图。成像系统1100的所图解说明实施例包含像素阵列1105、读出电路1110、功能逻辑1115及控制电路1120。成像系统1100为上文所描述的图像传感器104的一个可能实施方案。
像素阵列1105是二维(“2D”)成像传感器或像素(例如，像素P1、P2、…、Pn)阵列。在一个实施例中，每一像素为互补金属氧化物半导体(“CMOS”)成像像素。在其它实施例中，每一像素可实施为CCD。如所图解说明，每一像素布置到一行(例如，行R1到Ry)中及一列(例如，列C1到Cx)中以获取人、地方或对象的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地方或对象的2D图像。
在每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路1110读出且传送到功能逻辑1115。读出电路1110可包含放大电路、模/数(“ADC”)转换电路或其它。功能逻辑1115可仅存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。在一个实施例中，读出电路1110可沿着读出列线(图解说明)一次读出一行图像数据或可使用例如串行读出、同时对所有像素的全并行读出或其它的多种其它技术(未图解说明)读出图像数据。
控制电路1120耦合到像素阵列1105以控制像素阵列1105的操作特性。举例来说，控制电路1120可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实施例中，所述快门信号为用于同时启用像素阵列205内的所有像素以在单个获取窗期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。在替代实施例中，所述快门信号为滚动快门信号，借此在连续获取窗期间依序启用每一像素行、列或群组。
包含发明摘要中所描述内容的本发明所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限制为所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但如所属领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种等效修改形式。可鉴于以上详细描述对本发明做出这些修改形式。
以上权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。而是，本发明的范围将完全由以上权利要求书来确定，所述权利要求书将根据权利要求解释的所建立原则来加以理解。
Claims (22)
1.一种相机设备，其包括：
图像传感器，其用以捕获图像光并响应于所述图像光而产生图像；
成像透镜，其与所述图像传感器光学对准以将所述图像光聚焦到所述图像传感器上；及
红外截止滤波器，其安置于所述成像透镜与所述图像传感器之间以在所述图像光到达所述图像传感器之前从所述图像光移除红外光分量，所述红外截止滤波器包含：
至少一个红色吸收层，其部分地吸收所述图像光内的红色光分量；及
红外反射器，其反射所述红外光分量，所述红外反射器安置于所述红色吸收层
与所述成像透镜之间。
2.根据权利要求1所述的相机设备，其中所述至少一个红色吸收层包括红色吸收衬底，且其中所述红外反射器包括安置于所述红色吸收衬底上面向所述成像透镜的红外反射膜。
3.根据权利要求2所述的相机设备，其中所述红色吸收衬底包括有色玻璃。
4.根据权利要求2所述的相机设备，其中所述至少一个红色吸收层进一步包括安置于所述红色吸收衬底上且面向所述图像传感器的红色吸收膜。
5.根据权利要求4所述的相机设备，其中所述红外截止滤波器进一步包括安置于所述红色吸收膜上且面向所述图像传感器的抗反射膜。
6.根据权利要求2所述的相机设备，其中所述红外截止滤波器进一步包括安置于所述至少一个红色吸收层与所述图像传感器之间的抗反射膜。
7.根据权利要求1所述的相机设备，其中所述红外截止滤波器进一步包括安置于所述至少一个红色吸收层与所述红外反射器之间的为大致无色的大致透明衬底。
8.根据权利要求7所述的相机设备，其中所述至少一个红色吸收层包括安置于所述大致透明衬底上且面向所述图像传感器的红色吸收膜。
9.根据权利要求8所述的相机设备，其中所述红外截止滤波器进一步包括安置于所述红色吸收膜上且面向所述图像传感器的抗反射膜。
10.根据权利要求1所述的相机设备，其中所述红外反射器至少部分地反射所述图像光内的所述红色光分量的至少一部分，使得对反射红色光的多次吸收减少红色重像。
11.根据权利要求1所述的相机设备，其中所述红外反射器包括具有从红外光谱延伸到可见红色光谱的一部分中的反射光谱的多层干涉滤波器。
12.一种供与图像传感器一起使用的红外截止滤波器，其用以在从所述红外截止滤波器的第一侧接收的图像光到达待安置于所述红外截止滤波器的第二侧上的所述图像传感器之前从所述图像光移除红外光分量，所述红外截止滤波器包括：
至少一个红色吸收层，其部分地吸收所述图像光内的红色光分量；及
红外反射器，其反射所述红外光分量，
其中所述红外反射器安置于所述红色吸收层与所述红外截止滤波器的所述第一侧之间，
其中所述至少一个红色吸收层安置于所述红外反射器与所述红外截止滤波器的所述第二侧之间，所述第二侧与所述第一侧相对。
13.根据权利要求12所述的红外截止滤波器，其中所述至少一个红色吸收层包括红色吸收衬底，且其中所述红外反射器包括安置于所述红色吸收衬底上所述红色吸收衬底与所述红外截止滤波器的所述第一侧之间的红外反射膜。
14.根据权利要求13所述的红外截止滤波器，其中所述红色吸收衬底包括有色玻璃。
15.根据权利要求13所述的红外截止滤波器，其中所述至少一个红色吸收层进一步包括安置于所述红色吸收衬底上所述红色吸收衬底与所述红外截止滤波器的所述第二侧之间的红色吸收膜。
16.根据权利要求15所述的红外截止滤波器，其中所述红外截止滤波器进一步包括安置于所述红色吸收膜上所述红色吸收膜与所述红外截止滤波器的所述第二侧之间的抗反射膜。
17.根据权利要求12所述的红外截止滤波器，其中所述红外截止滤波器进一步包括安置于所述至少一个红色吸收层与所述红外反射器之间的为大致无色的大致透明衬底。
18.根据权利要求17所述的红外截止滤波器，其中所述至少一个红色吸收层包括安置于所述大致透明衬底上所述大致透明衬底与所述红外截止滤波器的所述第二侧之间的红色吸收膜。
19.根据权利要求18所述的红外截止滤波器，其中所述红外截止滤波器进一步包括安置于所述红色吸收膜上所述红色吸收膜与所述红外截止滤波器的第二侧之间的抗反射膜。
20.根据权利要求12所述的红外截止滤波器，其中所述红外反射器至少部分地反射所述图像光内的所述红色光分量的至少一部分，使得对反射红色光的多次吸收减少红色重像。
21.根据权利要求12所述的红外截止滤波器，其中所述红外反射器包括具有从红外光谱延伸到可见红色光谱的一部分中的反射光谱的多层干涉滤波器。
22.根据权利要求12所述的红外截止滤波器，其中所述至少一个红色吸收层包括青色滤波器。
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