DE10018444B4

DE10018444B4 - Halbleitersystem zur Registrierung von Spektren, Farbsignalen, Farbbildern und dergleichen

Info

Publication number: DE10018444B4
Application number: DE10018444A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Phys Dr. Golden Bode; Andrew Dipl.-Phys. Boulder Cahill; Manfred Dipl.-Phys. Dr. Schierjott
Original assignee: Soft Imaging System GmbH
Current assignee: Evident Technology Center Europe GmbH
Priority date: 1999-05-04
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2020-04-14
Also published as: DE10018444A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Halbleitersystems zur Registrierung von Spektren, Farbsignalen, Farbbildern und dergleichen, bestehend aus nur einem CCD- oder CMOS-Chip (1) mit mehreren lichtempfindlichen Pixeln (2) mit jeweils vorgeschaltetem Farbfilter und nur einer Ansteuerelektronik, wobei
– jeder Farbfilter (3) aus einem individuell einstellbaren Fabry-Perot-Interferometer mit zwei parallel angeordneten halbdurchlässigen Spiegeln besteht, wobei ferner
– die Farbfilter (3) mit Hilfe einer elektrischen Spannung einstellbar sind, und wobei
– alle Farbfilter (3) synchron auf denselben Wellenlängenbereich eingestellt werden, so dass das eingestrahlte Licht spektral registriert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleitersystem zur Registrierung von Spektren, Farbsignalen, Farbbildern und dergleichen, bestehend aus einem CCD- oder CMOS-Chip mit mehreren lichtempfindlichen Pixeln mit jeweils vorgeschaltetem Farbfilter.
Bei aus der Praxis bekannten Halbleitersystemen der genannten Art liegt die größte Spektralempfindlichkeit im Bereich zwischen 400 und 800 Nanometer, d. h. im Bereich des sichtbaren Lichtes. Die Unterscheidung bestimmter Wellenlängen ist nur mit zusätzlichen Komponenten möglich, z. B. durch auf jedes einzelne Pixel aufgebrachte, gleichsam konstante Farbfilter, die das betreffende Pixel für bestimmte Wellenlängenbereiche empfindlich bzw. unempfindlich machen. Diese Farbfilter können individuell für jedes Pixel auf einen anderen Wellenlängenbereich abgestimmt sein. Die Pixel registrieren dann nur noch die Lichtintensität im ausgewählten Bereich. Durch geeignete Kombination der Filter und Verteilung über die gesamte Chipfläche erhält man eine laterale Verteilung der Farbinformation in Form eines sogenannten Mosaikfilters. Durch eine Verknüpfung der so erhaltenen Informationen mit entsprechenden mathematischen Algorithmen ist es möglich, ein Echtfarbbild zu berechnen. Bei einer 1-Chip-Farbkamera wird demnach durch die Ausführung des beschriebenen Filtermosaiks jeweils eine Grundfarbe von einem Pixel registriert.

Die DE 196 09 073 A1 befasst sich mit einem farbselektiven Silizium Detektorarray. Dieses kann in MOS-Technologie auf einem Substrat ausgeführt werden. Dabei kommen jeweils pnp-Transistoren zum Einsatz, deren oberste Schicht (Kollektorschicht) durch anodisches Ätzen wenigstens teilweise in poröses Silizium umgewandelt wird. Dadurch lässt sich die nicht anodisch geätzte pn-Schicht als pn-Fotodetektor ausbilden und wirkt im Übrigen die darüber befindliche poröse Schicht als optischer Filter. Hierbei kann es sich grundsätzlich auch um einen Fabry-Pérot-Filter handeln, dessen Spezifikationen jedoch vom Ätzprozess abhängen.

Darüber hinaus kennt man grundsätzlich einstellbare Farby-Perot-Filtereinheiten in mikroskopischer Ausführungsform, wie sie beispielhaft in den Aufsätzen "Electro-Mechanically tunable micco Fabry-Perot filter array von Tran, Haronian unter anderem, 53rd Annual Device Research... oder auch "Integrated micro-optical interferoemeter arrays von Lo, Tran, unter anderem, IEEE/LEOS 1996 Summer Tropical... beschrieben werden.

Schließlich ist eine Farbbildeinheit mit CCD-Sensor durch die WO 96/10317 A1 bekannt geworden. Hier fällt von einem zu betrachtenden Objekt reflektiertes weißes Licht durch einen Farbfilterverschluss, der auch als Fabry-Perot-Interferometer ausgeführt sein kann.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Halbleitersystem der eingangs beschriebenen Ausführungsform so weiterzuentwickeln, dass mit einfachen Mitteln beispielsweise ein schnell durchstimmbares Spektrometer oder ein Echtfarbbild wahlweise realisiert werden können.

Zur Lösung dieses technischen Problems ist Gegenstand der Erfindung ein Halbleitersystem zur Registrierung von Spektren, Farbsignalen, Farbbildern und dergleichen, bestehend aus einem CCD- oder CMOS-Chip mit mehreren lichtempfindlichen Pixeln mit jeweils vorgeschaltetem Farbfilter, wobei jeder Farbfilter aus einem individuell einstellbaren Fabry-Perot-Interferometer mit zwei parallel angeordneten halbdurchlässigen Spiegeln besteht, die Farbfilter mit Hilfe einer elektrischen Spannung einstellbar sind, und wobei alle Farbfilter synchron auf denselben Wellenlängenbereich einstellbar und dieser Wellenlängenbereich kontinuierlich veränderbar ist.

Im Rahmen einer Alternative sind die bzw. alle Farbfilter durch Einstellung einer Filtermosaikanordnung jeweils auf eine der Grundfarben rot, blau, grün einstellbar. Dabei können nach bevorzugter Ausführungsform alle Farbfilter aufeinanderfolgend synchron auf die Grundfarben rot, blau und grün eingestellt werden.

Die Fabry-Pérot-Interferometer des erfindungsgemäßen Halbleitersystems bestehen jeweils wie an sich bekannt aus zwei parallel angeordneten halbdurchlässigen Spiegeln. Auf der einen Seite einfallendes Licht wird auf diesen beiden Spiegeln hin und her reflektiert. Durch den Abstand der beiden Spiegel kann die Wellenlänge des auf der anderen Seite austretenden Lichtes definiert werden. Alle anderen Wellenlängen werden durch destruktive Interferenz zwischen den Spiegeln ausgelöscht. Ein solches Interferometer kann mikromechanisch individuell für jedes Pixel aufgebracht werden. Durch Anlagen einer elektrischen Spannung wird der Abstand der Spiegel und damit die vom Filter durchgelassene Wellenlänge eingestellt. Mit Hilfe einer solchen Konstruktion eröffnen sich folgende Möglichkeiten:

A. Filter von allen Pixeln werden synchron auf den gleichen Wellenlängenbereich eingestellt. Durch ein kontinuierliches Verändern dieses Bereiches und gleichzeitige Registrierung der Intensität erhält man eine spektrale Registrierung des eingestrahlten Lichts. Das Ergebnis ist ein elektrisch schnell durchstimmbares Spektrometer.
B. Durch synchrones Einstellen aller Filter auf die drei Grundfarben rot, blau, grün lassen sich nacheinander Bilder in diesen drei Farben erzeugen. Durch entsprechendes Mischen dieser Signale kann ein Echtfarbbild generiert werden. Im Gegensatz zu 3-Chip-Farbkameras benötigt man nur noch einen Chip, um drei Farbauszüge zu erhalten. Der Nachteil ist aber, dass die drei Bilder sequenziell aufgenommen werden müssen.
C. Durch Kombination von A und B ist es möglich, sowohl mit sehr schneller Bildfolge und etwas geringerer Auflösung ein Echtfarbbild als auch mit etwas langsamerer Bildfolge hochaufgelöst drei einzelne Farbauszüge – realisiert wiederum mit nur einem Chip und einer Ansteuerelektronik – zu erzielen.
D. Da der Filter für jedes Pixel individuell eingestellt werden kann, kann auch ein Mosaikfilter realisiert werden, so dass mit einer einzigen Aufnahme ein Echtfarbbild erzielt wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung
1 ein Halbleitersystem im Schnitt und
2 eine Aufsicht auf den Gegenstand der 1.
Das Halbleitersystem besteht aus einem CCD- oder CMOS-Chip 1 mit mehreren lichtempfindlichen Pixeln 2. Ein Farbfilter 3 in Form eines Fabry-Pérot-Interferometers vor jedem Pixel 2 lässt nur bestimmte Wellenlängen hindurch, alle anderen werden durch Interferenz eliminiert. Der Abstand D_gap bestimmt die durchgelassene Wellenlänge.
2 entnimmt man, wie die Farbfilter 3 der Pixel 2 für ein Mosaikfilter mit den Farben R = rot, G = grün und B = blau eingestellt sind.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Halbleitersystems zur Registrierung von Spektren, Farbsignalen, Farbbildern und dergleichen, bestehend aus nur einem CCD- oder CMOS-Chip (1) mit mehreren lichtempfindlichen Pixeln (2) mit jeweils vorgeschaltetem Farbfilter und nur einer Ansteuerelektronik, wobei – jeder Farbfilter (3) aus einem individuell einstellbaren Fabry-Perot-Interferometer mit zwei parallel angeordneten halbdurchlässigen Spiegeln besteht, wobei ferner – die Farbfilter (3) mit Hilfe einer elektrischen Spannung einstellbar sind, und wobei – alle Farbfilter (3) synchron auf denselben Wellenlängenbereich eingestellt werden, so dass das eingestrahlte Licht spektral registriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Farbfilter aufeinanderfolgend synchron auf die drei Grundfarben rot, blau, grün eingestellt und dadurch Bilder in diesen drei Farben erzeugt werden und dass die Signale gemischt und ein Echtfarbbild generiert wird.
Verfahren zum Betrieb eines Halbleitersystems zur Registrierung von Spektren, Farbsignalen, Farbbildern und dergleichen, bestehend aus nur einem CCD- oder CMOS-Chip (1) mit mehreren lichtempfindlichen Pixeln (2) mit jeweils vorgeschaltetem Farbfilter und nur einer Ansteuerelektronik, wobei – jeder Farbfilter (3) aus einem individuell einstellbaren Fabry-Pérot-Interferometer mit zwei parallel angeordneten halbdurchlässigen Spiegeln besteht, wobei ferner – die Farbfilter (3) mit Hilfe einer elektrischen Spannung einstellbar sind, und wobei – die Farbfilter (3) im Sinne einer Filtermosaikanordnung auf jeweils eine der Grundfarben rot, blau, grün eingestellt werden, so dass mit einer einzigen Aufnahme ein Echtfarbbild erzielt wird.