CN1670493A - 改进的色彩光电检测器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于测量来自光源的光的色彩传感器和制造该色彩传感器的方法。色彩传感器包括多个光电检测器、多个基本滤色器和修饰滤光器。每个基本滤色器包括位于光源和一个对应的光电检测器之间的材料层。每个基本滤色器优先透射在特征波长附近的对应波长带中的光。修饰滤光器位于光源和光电检测器之间，并且包括这样的材料层，即该材料层优先衰减在两个特征波长之间的第一修饰波长的光。在一个实施方案中，修饰滤光器还优先衰减在第二修饰波长的光，第一波长小于特征波长中的一个，并且第二波长大于该特征波长。

Description

改进的色彩光电检测器阵列

技术领域

本发明涉及用在色彩传感器阵列以及类似装置中的色彩光电检测器阵列。

背景技术

以使用光电二极管的色彩感光阵列来记录图像的照相机为背景，本发明将更易于理解。为了提供感色性，光电二极管通常被划分为三类光电二极管，以分别对红、绿和蓝光进行检测。各种色彩感光二极管被分散在整个阵列中。例如，检测器阵列可以由这样的像素阵列组成，其中每个像素都包括有三个光电二极管：一个用于测量红光，一个用于测量绿光，一个用于测量蓝光。

一般，在对涵盖红、蓝和绿的广谱光敏感的光电二极管上应用颜料滤光器(pigment filter)来构建色彩感光检测器。例如，彩色相机阵列可以这样来制造，即使用常规的光刻技术对阵列中每个光电二极管通过选择性地沉积刚才提及的颜料来图案化形成红、蓝或绿光滤光器。但是，这一工艺受制于可以被用于颜料滤光器的材料。所以，只能得到有限的色彩过滤特性。例如，这些滤光器不能够阻挡红外(IR)光，因此这样的相机型号必须装配额外的IR阻挡滤光器，这显著地增加了相机的成本。

此外，使用颜料滤光器获得的滤光器特性曲线(profile)与标准滤光器特性曲线不匹配，标准滤光器被用来确定观察者在每个像素将感知到的色彩。考虑其中光源的色彩将在打印机上再现以供观察者察看的应用。虽然光源可能具有非常复杂的光谱，但是眼睛感知到该光源具有单一色彩，其可以通过组合来自三色光源的光而被复制。使用某些比如CIE 1931标准的标准化色系，对打印机进行校准。假如RGB值表示在标准色系中具有RGB光谱图样的光的强度，打印机将产生正确的色彩。即，尽管离开纸面的光的光谱已经不同于该光的光谱，但是观察者将感觉该纸面具有与光源同样的色彩。

传感器利用颜料滤光器测量到的RGB值衡量由颜料滤光器透射曲线确定的加权波长带中的光强度。将所测量的来自颜料滤光器光检测器的强度标识为R’G’B’。通常，这些R’G’B’值不同于那些由用于标准的理想滤光器获得的RGB值，因为滤光器的加权函数是不同的。因此，如果这些基于颜料的值被发送到打印机，那么打印机将产生不同于被输入到色彩传感器的光的色彩。

通过使用干涉技术，可以制造具有更理想的色彩特性曲线的滤光器；但是，这些滤光器难以被构建在小面积光电二极管之上。因此，这些滤光器对于需要像素尺寸非常细小的彩色相机或类似装置并不适用。干涉滤光器是通过沉积多个折射率不同的透明介电物质的薄膜层被构建的。通过改变介电物质的厚度和折射率来设置波长和滤光器特性曲线。这就为滤光器特性曲线设计提供了非常大的灵活性。但是，该技术并不适用于CCD相机芯片，因为对于高分辨相机来说，对单独的像素进行图案化很困难。因此，对于使用干涉滤光器的相机，需要位于三片独立的芯片上的三个独立的阵列。每个芯片对一种色彩的光检测图像。三个单色图像然后被组合起来以提供最终的彩色图像。由于每个芯片仅需要一种类型的滤光器，所以与制造小型、单独的光电二极管尺寸的滤光器相关的问题被消除了。但是，需要三片独立的相机芯片增加了相机光学系统的成本和复杂度。此外，对于每片芯片可利用的光强减少三分之一，这增加了进行色彩测量所需的光的量。

发明内容

本发明包括用于测量来自光源的光的色彩传感器和制造该色彩传感器的方法。色彩传感器包括多个光电检测器、多个基本滤色器(primarycolor filter)和修饰滤光器。每个基本滤色器包括位于光源和一个对应的光电检测器之间的材料层。每个基本滤色器优先透射在特征波长附近的对应波长带中的光。修饰滤光器位于光源和光电检测器之间，并且包括这样的材料层，即该材料层优先衰减在两个特征波长之间的第一修饰波长的光。在一个实施方案中，修饰滤光器还优先衰减在第二修饰波长的光，第一波长小于特征波长中的一个，并且第二波长大于该特征波长。在本发明的一个实施方案中，修饰滤光器是干涉滤光器。在一个实施方案中，色彩传感器还包括在其中放置有光电检测器的衬底，所述修饰滤光器包括在衬底上的修饰滤光器层。在这个实施方案中，滤色器位于该修饰滤光器层上。在一个实施方案中，色彩传感器还包括第二修饰滤光器，该第二修饰滤光器包括优先衰减在第二波长的光的材料层，第二波长既不同于每个特征波长，又不同于第一修饰波长。在一个实施方案中，滤色器位于第一修饰滤光器和第二修饰滤光器之间。

附图说明

图1、图2和图3分别将利用典型的红、绿或蓝颜料滤光器获得的作为波长的函数的色彩透射曲线与CIE 1931标准色彩的色彩特性曲线进行了比较。

图4是根据本发明一个实施方案的色彩传感器的横截面视图。

图5图示了颜料滤光器和修饰滤光器的透射曲线。

图6图示了在检测红光、蓝光和绿光的滤光器之下的光电二极管的响应曲线。

图7-9是根据本发明另外的实施方案的色彩传感器阵列100的一部分在制造过程中各个阶段的横截面视图。

图10是根据本发明的色彩传感器另一个实施方案的横截面视图。

具体实施方式

参考基于CIE 1931色彩标准的色系，本发明可更易于理解。但是，如下面将要详细讨论的那样，本发明的原理可以应用于其它色系。现在参考图1，图1示出了利用典型的红色颜料滤光器所获得的作为波长的函数的色彩透射曲线与CIE 1931红色的色彩特性曲线的的不相同程度。10所示出的是颜料特性曲线，11所示出的是CIE 1931标准特性曲线。如从图中所能看到的那样，颜料滤光器的色彩特性曲线大大超出了CIE 1931标准的色彩特性曲线。类似地，如从图2和图3中所能看到的那样，通常用于绿光和蓝光的颜料滤光器的色彩透射曲线也要比CIE 1931标准中对应的滤光器特性曲线要宽得多。图2比较了利用典型的绿色颜料滤光器所获得的作为波长的函数的色彩透射曲线和CIE 1931绿色的色彩特性曲线。20所示出的是颜料特性曲线，21所示出的是CIE 1931标准特性曲线。图3比较了利用典型的蓝色颜料滤光器所获得的作为波长的函数的色彩透射曲线和CIE 1931蓝色的色彩特性曲线。30所示出的是颜料特性曲线，31所示出的是CIE 1931标准特性曲线。

本发明基于这样的发现，即一组改进的滤色器可以通过将如上所描述的颜料滤光器与第二滤光器进行组合来获得，其中，在该颜料滤光器比拥有对应的标准特性曲线的滤光器透射更多光的光谱区域中，该第二滤光器选择性地阻挡光。再次参考图1，可以看出，红色颜料滤光器在由12示出的光谱区域中比提供了标准特性曲线11的滤光器透射更多的光。本发明利用带阻滤光器来去除这些额外透射的光。将红颜料滤光器的透射率标记为TPR( λ)，将提供标准滤光器特性曲线的滤光器的透射率标记为TSR( λ)。为了讨论，假设这些滤光器将提供同样的最大透射率。在这种情况下，理想的带阻滤光器具有由下式给出的透射率：

$\mathrm{TBR}\left(\underset{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)=\mathrm{TSR}\left(\underset{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)/\mathrm{TPR}\left(\underset{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(1\right)$

对于其它颜料滤光器，也可以提供类似的带阻滤光器来修整得到的复合滤光器以使其更加接近所希望的标准滤光器。与对应色彩的更理想的标准透射曲线相比，基于颜料的滤光器趋向于拥有宽得多的透射曲线。例如，在图3中，32和33示出了在蓝色滤光器的透射曲线中将要被阻挡的波段的位置。通常，在颜料滤光器透射曲线中有一个或两个波段必须被衰减以将颜料滤光器透射曲线转换为更接近所希望的透射曲线的透射曲线。

为了简化下面的讨论，上面讨论的颜料滤光器将被称为基本滤色器，而带阻滤光器将被称为修饰滤光器(trim filter)。本发明利用了这样的发现，即多个修饰滤光器可以被组合为单个的复合滤光器，该复合滤光器在每个将要被阻挡的波段都具有透射率最小值。在下文，将详细地讨论构建这种滤光器的方法。为了当前的讨论，注意到在与滤光器所阻挡的波段相分离的光谱区域中每个修饰滤光器理想地具有基本100％的透射率就足够了。于是，如果多个这样的滤光器被叠起来，那么在被阻挡的波段之间的光谱区域中的透射率基本上没有被改变。因此，包括这样多个修饰滤光器的堆叠的单个复合滤光器可以被放置在红、蓝和绿颜料滤光器之上或之下。于是，物理尺寸比单个颜料滤光器要宽得多的修饰滤光器可以被使用，并因此，上面所讨论的尺寸限制的重要性变小了。事实上，单个混合修饰滤光器可以被放置在色彩传感器的整个阵列之上或之下作为单独的层，该单独的层如果要进行任何几何布图也只需要很少的空间。

现在参考图4，这是根据本发明一个实施方案的色彩传感器的横截面视图。色彩传感器50包括三个光电检测器51-53。每个光电检测器由对应的颜料滤光器覆盖。对应于光电检测器51-53的滤光器分别由61-63示出。混合修饰滤光器70被用来以类似于上面所述的方式对颜料滤光器的透射曲线进行“修饰”。修饰滤光器70优选地被放置在光电检测器和颜料滤光器之间；但是，修饰滤光器被放置在颜料滤光器之上的实施方案也可以被构建。

在图5中示出了一些典型的颜料滤光器和修饰滤光器的透射曲线。70示出了修饰滤光器的归一化的透射曲线，71-73分别示出了红、蓝和绿颜料滤光器的归一化的透射曲线。在图6中，81-83分别示出了在滤光器之下检测红光、蓝光和绿光的光电二极管的响应曲线。为了进行讨论，颜料滤光器将被定义为任何这样的滤光器，即通过优先吸收特定波长的光以引起滤光器材料中两个原子或分子能态之间的跃迁来改变通过其中的光的色彩光谱。可以使用传统的光刻法被图案化的颜料滤光器可以从富士胶片(Fuji Films)公司获得。

现在来更加详细地讨论构建修饰滤光器的方式。优选的带阻滤光器是一种干涉滤光器，由多个厚度均匀的透明层构建而成，在这多个透明层中相邻的层具有不同的折射率。这一类滤光器在本领域中是公知的，因此在本文就不详细地论述了。为了进行讨论，注意到这样多层的堆叠将阻挡由这些层的厚度和折射率所确定的波长的光就足够了。其它波长的光没有被阻挡，因此通过了层的堆叠，衰减很少。因此，许多这样的滤光器可以被堆叠起来提供混合的滤光器，该混合的滤光器阻挡在预定波长组内每一个波长的光，而透射那些波长不在预定组内的光。

现在参考图7-9，它们是根据本发明另一个实施方案的色彩传感器阵列100的一部分在制造过程中各个阶段的横截面视图。参考图7，该过程起始于衬底101，在衬底101中构建了多个光电二极管。102和110示出了示例性光电二极管组。每组光电二极管包括3个独立的光电二极管，如111-113所示。

现在参考图8，衬底101被放入沉积室中，并且混合干涉滤光器中的各层被沉积在衬底的表面上。由于干涉滤光器对于本领域来说是已知的，所以构建该滤光器的细节在本文就不详细地讨论了。121和123示出的层对应于两个将被阻挡的波段。应当注意到，在沉积过程期间不需要从生长室中移出衬底，因为通过调节用于每层的前驱组成物和沉积时间，各个层组分和厚度可以得到控制。因此，该过程不但经济而且具有高的产率。

现在参考图9，然后使用传统的光刻技术在带阻滤光器层的顶面沉积颜料滤光器。在这个实施方案中，应用了能透射在光谱的红光、蓝光和绿光区域内的光的颜料滤光器。131-133示出了示例性颜料滤光器。

本发明上述实施方案利用颜料滤光器来提供基本的色彩过滤功能以及利用干涉滤光器来调节颜料滤光器透射曲线的边缘，以更进一步匹配目标透射函数。但是，本发明并不限于该滤光器类型的具体组合。在更加一般的情形中，任何可以令人满意地被图案化的滤光器材料都可以被用来替代颜料滤光器。例如，可以使用利用着色的光刻胶的颜料滤光器。类似地，可以被构建在一个或多个颜料滤光器之上的任何形式的带阻滤光器都可以被利用来改变颜料滤光器的透射曲线以更进一步匹配目标滤光器函数。例如，可以使用基于其它颜料的带通滤光器(band-pass filters)，如果所述颜料不具有干扰利用不同颜料区域的操作的吸收带的话。

现在参考图10，这是根据本发明的色彩传感器的另一个实施方案的横截面视图。尽管上述实施方案利用了在颜料滤光器之前被沉积的修饰滤光器，但是也可以构建其中修饰滤光器被放置在颜料滤光器之上的实施方案。当修饰滤光器是由需要的沉积条件将会损坏颜料滤光器的材料来构建的，且修饰滤光器将被沉积在光电探测器之上时，必须首先应用修饰滤光器。但是，也可以构建在其中修饰滤光器被单独构建然后被粘结或安装到颜料滤光器之上的实施方案。色彩传感器阵列200利用修饰滤光器层210，通过在颜料滤光器上应用缓冲层204然后将修饰滤光器层210粘结到该缓冲层上，来将修饰滤光器层210放置在颜料滤光器201-203之上。

此外，其中一部分修饰滤光器应用在颜料滤光器之下而第二部分被应用在颜料滤光器之上的修饰滤光器布置，在某些环境下也可以被有利地使用。例如，在许多不同颜料滤光器的布置中，去除红外线的修饰滤光器可能有用。于是，该滤光器可以被结合在光电二极管之上以提供一种新的起始衬底，该起始衬底可以被用来构建许多基于不同颜料滤光器和/或修饰滤光器的不同的色彩传感器阵列。这样的下覆滤光器示出在图10中的212。

尽管如上面等式(1)所述的理想修饰滤光器是优选的，但是其它略不理想的修饰滤光器可以被使用并仍然具有显著的优势。通常，如果修饰滤光器和颜料滤光器的组合比单独的颜料滤光器的透射曲线更进一步匹配目标滤光器函数，那么本发明将是具有优势的。

本发明上述实施方案已经根据CIE 1931标准滤光器进行了说明。但是，本发明的原理可以适用于制造使用其它滤光器标准的色彩传感器阵列。而且，色彩传感器中的颜料滤光器的数目不限于三个。

如上所提到的，理想的修饰滤光器利用不吸收波长在被阻挡的波段之间的光的带阻滤光器。但是，应该注意到，在这些区域中一些吸收是可以忍受的。如果在被阻挡的波段之间的修饰滤光器的透射曲线基本上是恒定的，那么通过调节与考虑中的色彩传感器相关联的光电检测器的增益，就可以校正任何吸收。

本发明上述实施方案利用用于光电检测器的光电二极管。但是，也可以使用任何形式的产生与照射在其上的光强相关联的信号的光电检测器。例如，上面所讨论的光电二极管可以由光电晶体管和CCD替代。

根据前面的说明和附图，对本发明的各种修改对于本领域的普通技术人员将变得清楚。因此，本发明仅仅由所附的权利要求书的范围限定。

Claims (12)

1.一种用于测量来自光源的光的色彩传感器，所述色彩传感器包括：

多个光电检测器；

多个基本滤色器，每个基本滤色器包括位于所述光源和所述多个光电检测器中的对应的一个之间的材料层，每个基本滤色器优先透射在特征波长附近的对应波长带中的光；以及

位于所述光源和所述多个光电检测器之间的第一修饰滤光器，所述第一修饰滤光器包括这样的材料层，即该材料层优先衰减在两个所述特征波长之间的第一修饰波长的光。

2.根据权利要求1的色彩传感器，其中，所述第一修饰滤光器还优先衰减在第二修饰波长的光，所述第一修饰波长小于所述特征波长中的一个，并且所述第二修饰波长大于这个特征波长。

3.根据权利要求1的色彩传感器，其中，所述第一修饰滤光器包括干涉滤光器。

4.根据权利要求1的色彩传感器，还包括在其中放置有所述光电检测器的衬底，所述第一修饰滤光器包括在所述衬底上的第一修饰滤光器层。

5.根据权利要求4的色彩传感器，其中，所述滤色器位于所述第一修饰滤光器层上。

6.根据权利要求1的色彩传感器，其中，所述滤色器位于所述第一修饰滤光器和所述光电检测器之间。

7.根据权利要求1的色彩传感器，还包括第二修饰滤光器，所述第二修饰滤光器包括优先衰减第二波长的光的材料层，所述第二波长既不同于每个所述特征波长，又不同于所述第一修饰波长。

8.根据权利要求7的色彩传感器，其中，所述滤色器被放置在所述第一修饰滤光器和第二修饰滤光器之间。

9.一种用于制造色彩传感器的方法，所述方法包括；

提供具有多个光电检测器的衬底；

将第一修饰滤光器层结合到所述衬底；

将滤色器层结合到所述第一修饰滤光器层，所述滤色器层包括多个基本滤色器，每个基本滤色器包括位于所述光源和所述多个光电检测器中的对应的一个之间的材料层，每个基本滤色器优先透射在特征波长附近的对应波长带中的光，

其中，所述第一修饰滤光器包括这样的材料层，即该材料层优先衰减在两个所述特征波长之间的第一修饰波长的光。

10.根据权利要求9的方法，其中，所述第一修饰滤光器还优先衰减第二修饰波长的光，所述第一波长小于所述特征波长中的一个，并且所述第二波长大于这个特征波长。

11.根据权利要求9的方法，其中，所述第一修饰滤光器包括多个透明层，在所述多个透明层中相邻的层具有不同的折射率。

12.根据权利要求9的方法，还包括将第二修饰滤光器层结合到所述滤色器层，使得所述滤色器层位于所述第一修饰滤光器层和第二修饰滤光器层之间。

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