KR20140041679A - 다중 피사계 심도 감광소자, 시스템, 피사계 심도 확장방법 및 광학 화상 시스템 - Google Patents

다중 피사계 심도 감광소자, 시스템, 피사계 심도 확장방법 및 광학 화상 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 피사계 심도 감광소자, 시스템, 피사계 심도 확장방법 및 광학 화상 시스템에 대해 제공하였다. 다중 피사계 심도 감광소자는 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층을 포함하고, 적어도 2개의 상기 감광화소층 사이에서 미리 설정된 간격에 따라 이격설치됨으로써 상기 감광소자로부터 특정된 거리만큼 떨어진 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 감광화소층에 집광되게 한다. 본 발명에 따른 다중 피사계 심도 감광소자는 전동기구와 기계부품을 사용하여 자동 집광을 실현하는 것을 피면할 수 있다.

Description

다중 피사계 심도 감광소자, 시스템, 피사계 심도 확장방법 및 광학 화상 시스템{MULTI SCENE DEPTH PHOTO SENSITIVE DEVICE, SYSTEM THEREOF, SCENE DEPTH EXPANDING METHOD, AND OPTICAL IMAGING SYSTEM}
본 발명은 감광분야에 관한 것이며, 상세하게는 다중 피사계 심도 감광소자, 상기 다중 피사계 심도 감광소자를 이용한 감광시스템, 피사계 심도 확장방법 및 광학 화상 시스템과 방법에 관한 것이다.
본 발명은 본 발명자가 앞서 공개한 “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 제조방법”(PCT/CN2007/071262), “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 제조방법”(중국출원번호:200810217270.2), “다중 스펙트럼 감광소자”(중국출원번호:200910105372.X), “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 샘플링방법”(중국출원번호:200910105948.2), “감광소자 및 그 판독방법, 판독회로”(중국출원번호:200910106477.7)의 연속이며 보다 구체적이고 보다 바람직한 다중 스펙트럼 감광소자가 칩 및 시스템 레벨의 실현방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
감광시스템은 광학 렌즈를 통하여 경물의 포착과 수집을 진행하는 동시에 예하면 CMOS 감광칩 등 감광소자를 통하여 경물의 기록을 진행하는 시스템이다. 감광시스템이 작동할 시, 렌즈를 조절하여 렌즈와 일정한 거리를 사이둔 경물이 뚜렷하게 화상되는 과정을 집광이라 부르고 상기 경물이 위치한 점을 초점이라고 한다. “뚜렷하다”는 용어는 상대성을 가지기 때문에 초점 앞(렌즈에 가까운), 뒤의 일정한 거리내의 경물의 화상은 모두 뚜렷할 수 있으며 이 앞뒤범위의 총합을 피사계 심도라고 한다. 일반적으로 앞 피사계 심도가 뒤 피사계 심도보다 작다. 즉, 정확하게 집광한 후, 초점 앞의 매우 짧은 한구간의 거리 내에 있는 경물만이 뚜렷하게 화상될 수 있고 초점 뒤의 매우 긴 한구간의 거리내에 있는 경물은 모두 뚜렷한 것이다.
넓은 피사계 심도를 가진 고해상도 이미지를 얻는 시스템은 사람들이 장기간 연구해온 목표 중의 하나이다. 연구결과에 의하면, 피사계 심도의 크기는 렌즈의 초점거리와 관련되며 초점거리가 긴 렌즈는 피사계 심도가 작고 초점거리가 짧은 렌즈는 피사계 심도가 크다. 여기서 볼 수 있다시피, 렌즈 초점거리의 조정은 넓은 피사계 심도를 가진 고해상도 이미지를 얻는 하나의 수단이다. 이밖에도, 기하학적 광학의 기본 화상 공식(여기서, f는 렌즈 초점거리, u는 물체거리 즉 피사체로부터 렌즈에 이르는 거리, v는 영상거리 즉 렌즈로부터 감광소자에 이르는 거리)에서 알 수 있다시피, 영상거리의 동적 조정 역시 넓은 피사계 심도를 가진 고해상도 이미지를 얻는 하나의 수단이다.
따라서, 기존의 감광시스템 중의 자동 집광 방식은 모두 상기 두가지 수단 중의 하나를 사용한다. 예하면, 렌즈는 한군의 렌즈유리로 구성되며 렌즈유리 사이의 거리를 조정하는 것을 통하여 렌즈의 초점거리 또는 (렌즈와 감광소자 사이의)영상거리를 조절할 수 있고(광학 스케일링 또는 집광을 실현), 또는 예하면 CMOS감광소자의 변위를 구동하는 것을 통하여 영상거리를 개변시킬 수 있다(광학 집광을 실현). 하지만 이 두가지 방식의 집광은 모두 전동기구와 복잡하고 정밀한 기계부품을 이용하여 렌즈유리 또는 감광소자의 변위 구동을 진행해야 함이 분명한 것이다. 이렇게 되면 사이즈를 현저하게 증가할 뿐만 아니라 원가와 전력 손실도 현저하게 증가시킨다. 수많은 응용 중에서, 예하면 핸드폰 촬영과 의학 촬영의 경우, 이는 모두 뚜렷한 핸디캡으로 되고 있다.
이로 인해 운동기구를 사용하지 않는 일부 넓은 피사계 심도 시스템이 개시되어 모종의 응용에서 자동 집광에 대한 수요를 대체하려 하고 있다. 이러한 시스템은 핸드폰 촬영의 응용에서 EDoF(Extended Depth of Focus)라 불리운다. 예하면, DXO회사에서 제출한 일종의 EDoF시스템은 특별한 렌즈 설계를 통하여 감광소자 중의 적색 감광화소가 무한대로 먼 곳에 집광되게 하고 남색 감광화소가 최대한 가까운 거리(예하면 50cm)에 집광되게 한다. 또한 녹색 감광화소는 어느 한 중간 위치에 집광된다. 이렇게 되어, 물체의 위치에 관계없이 언제나 하나의 색상의 이미지는 선명하거나 또는 상대적으로 비교적 선명한 것이다. 다음, 수학적 수단을 통하여 비교적 선명한 색상을 주체로 하고 선명하지 않은 색상을 보조정보로 하여 비교적 넓은 범위 내에서 비교적 선명한 이미지를 환원해 내고 계산해 낼 수 있다.
반면에 단층 감광소자를 사용하고 적색 감광화소가 무한대로 먼 곳에 집광될 경우, 남색 감광화소의 초점거리는 일반적으로 50cm 이하로 하기가 힘들다. 이밖에도, 바이유 패턴을 사용한 감광소자에 있어서, 적색 화소와 남색 화소는 모두 감광화소의 1/4 밖에 점하지 못한다. 따라서 적색 또는 남색을 해상도 계산의 주체로 해야 할 경우, 이미지의 해상도는 녹색을 주체로 하는 경우의 해상도에 비해 절반 이상 감소된다. 여기서 보다시피, 이러한 방안은 일정한 국한성을 가진다.
따라서 여전히 기존의 감광소자 또는 시스템에 대하여 개선을 진행할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 다중 피사계 심도 감광소자, 상기 다중 피사계 심도 감광소자를 이용한 감광시스템, 피사계 심도 확장방법 및 광학 화상 시스템과 방법을 제공하는 것이며, 이는 물리적 수단으로 자동 집광 또는 다중 거리 화상을 실현하였고 전동기구와 복잡하고 정밀한 기계부품을 사용하는 것을 피면하였으며 양호한 피사계 심도 확장성능을 가진다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 하기와 같은 기술방안을 사용하였다.
다중 피사계 심도 감광소자에 있어서, 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층을 포함하고, 적어도 2개의 상기 감광화소층 사이에서 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치됨으로써 상기 감광소자로부터 특정된 거리만큼 떨어진 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 상기 감광화소층에 집광되게 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 감광화소층은 화학 도막 감광화소층과 반도체 감광화소층 중의 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 화학 도막 감광화소층은 양자점 감광화소를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반도체 감광화소층은 CMOS감광성 다이오드, CMOS감광성 게이트, CCD감광성 다이오드, CCD감광성 게이트 및 양방향 전하전이기능을 구비한 CMOS와 CCD 감광다이오드와 감광성 게이트를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상이한 광신호는 상이한 거리의 광신호 또는 상이한 파장의 광신호를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 파장이 보다 짧은 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 감광화소층은 2층이며, 자색광, 남색광, 녹색광 또는 청색광이 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되고，녹색광, 적색광, 황색광, 가시광선 또는 적외광이 렌즈에서 보다 먼 감광화소층에 집광된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 감광화소층은 3층이며, 자외광, 남색광 또는 청색광이 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되고, 남색광, 녹색광, 적색광 또는 황색광이 중간에 위치한 감광화소층에 집광되며, 적색광, 황색광, 가시광선 또는 적외광이 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 보다 먼 거리의 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 감광화소층은 2층이며, 무한대로 먼 곳의 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되고，흥미를 느끼는 최단거리의 광신호가 렌즈에서 보다 먼 감광화소층에 집광된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 무한대로 먼 곳의 자색광, 남색광, 녹색광 또는 청색광이 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되고，흥미를 느끼는 최단거리의 녹색광, 적색광, 황색광, 가시광선 또는 적외광이 렌즈에서 보다 먼 감광화소층에 집광된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 감광화소층은 3층이며, 무한대로 먼 곳의 광신호가 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광되고，흥미를 느끼는 최단거리의 광신호가 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광되며，무한대로 먼 곳과 흥미를 느끼는 최단거리 사이의 하나의 중간거리의 광신호가 중간에 위치한 감광화소층에 집광된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 감광화소층은 3층이며, 무한대로 먼 곳의 자외광, 남색광 또는 청색광이 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광되고, 흥미를 느끼는 최단거리의 적색광, 황색광, 가시광선 또는 적외광이 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광되며，무한대로 먼 곳과 흥미를 느끼는 최단거리 사이의 하나의 중간거리의 남색광, 녹색광, 적색광 또는 황색광이 중간에 위치한 감광화소층에 집광된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 흥미를 느끼는 최단거리는 2mm, 5mm, 7mm, 1cm, 2cm, 3cm, 5cm, 7cm, 10cm, 20cm, 30cm, 40cm, 50cm, 60cm, 70cm, 80cm, 100cm 또는 150cm를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 적어도 2개의 상기 감광화소층 사이에 투광층이 설치된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 감광화소층 중의 감광화소는 정면 감광화소, 배면 감광화소 또는 양방향 감광화소이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 감광소자가 양방향 감광화소일 경우, 그 감광방향 선택방식은 격리 방향선택, 시분할 방향선택, 영역분할 방향선택 또는 화소 방향선택이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 감광화소층 중의 감광화소는 자외선, 가시광선, 근적외선과 원적외선 중의 하나를 포함하는 보완 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드를 각각 감지하거나 또는 상기 화학 도막 감광화소와 반도체 감광화소는 자외선, 가시광선, 근적외선과 원적외선 중의 하나를 포함하는 직교 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드를 각각 감지한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보완 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드는 자외선 스펙트럼, 남색 스펙트럼, 녹색 스펙트럼, 적색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼, 원적외선 스펙트럼, 청색 스펙트럼, 황색 스펙트럼,백색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼을 포함하고,
상기 직교 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드는 자외선 스펙트럼, 남색 스펙트럼, 녹색 스펙트럼, 적색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼, 원적외선 스펙트럼, 청색 스펙트럼, 황색 스펙트럼,백색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 매개 감광화소층 중의 컬러 배열은 동일 배열, 수평 배열, 수직 배열, 대각 배열, 광의적 바이유 배열, YUV422 배열, 횡방향 YUV422 배열, 셀룰러 배열, 균일분포 배열을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 적어도 하나의 상기 감광화소층 중의 일부 또는 전부 감광화소의 정면, 배면 또는 양면에 여광막이 설치되고 상기 여광막의 주파수 선택 특성은 적외선차단필터, 남색 통과대역, 녹색 통과대역, 적색 통과대역, 청색 통과대역, 황색 통과대역, 자홍색 통과대역 또는 가시광선 통과대역을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 감광화소층 중의 인접한 2개 층에 각각 판독회로가 설치되거나 또는 상기 감광화소층의 인접한 2개 층이 판독회로를 공용한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 판독회로는 능동 화소 판독회로, 수동 화소 판독회로 또는 능동 화소와 수동 화소의 혼합 판독회로이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 능동 화소는 3T, 4T, 5T 또는 6T 능동 화소를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 판독회로의 공용방식은 단층 또는 상하층 4포인트 공유방식, 단층 또는 상하층 6포인트 공유방식, 단층 또는 상하층 8포인트 공유방식이거나 단층 또는 상하층 임의의 포인트 공유방식을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 판독회로는 매개 감광화소층의 화소 어레이 중의 인접한 동행이열, 이행동열 또는 이행이열의 화소사이에 대하여 쌍쌍합병샘플링을 진행하여 제1합병화소의 샘플링 데이터를 얻는 제1합병유닛; 및 제1합병유닛에서 얻은 제1합병화소의 샘플링 데이터에 대하여 합병샘플링을 진행함으로써 제2합병화소의 샘플링 데이터를 얻는 제2합병유닛을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 판독회로는 제2합병유닛에서 얻은 제2합병화소의 샘플링 데이터에 대하여 합병샘플링을 진행함으로써 제3합병화소의 샘플링 데이터를 얻는 제3합병유닛을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1합병유닛 또는 제2합병유닛의 화소합병방식은 동일하거나 상이한 컬러화소 간의 전하섞임방식 또는 상이한 컬러화소 간의 신호평균방식이며, 여기서 상이한 컬러화소 간의 화소합병방식은 컬러공간 변환의 방식에 따라 컬러 재구성의 요구를 충족시킨다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 컬러공간 변환은 RGB로부터 CyYeMgX공간에 이르는 변환, RGB로부터 YUV공간에 이르는 변환 또는 CyYeMgX공간으로부터 YUV공간에 이르는 변환을 포함하며, 여기서 X는 R(적색), G(녹색), B(남색) 중의 어느 하나이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전하섞임방식은 화소직접병렬 또는 전하를 동시에 판독 커패시터(FD) 중에 전이하여 완수된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1합병유닛 또는 제2합병유닛의 컬러 기반 합병샘플링방식은 동색합병방식, 이색합병방식, 혼합합병방식 또는 여분의 컬러를 선택적으로 버릴 수 있는 합병방식을 포함하며 또한 제1합병유닛과 제2합병유닛이 사용한 합병샘플링방식이 다를 경우에는 동색합병방식이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1합병유닛 또는 제2합병유닛의 위치 기반 합병샘플링방식은 직접 버스에 출력하는 신호자동평균방식, 행을 건너뛰는 방식 또는 열을 건너뛰는 방식과 순차별 샘플링방식 중의 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제3합병유닛의 합병샘플링방식은 컬러공간 변환방식과 후단 디지털 이미지 스케일링방식 중의 적어도 하나이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 층을 건너뛰어 판독하는 기능을 구비한 글로벌 전자셔터를 포함하며, 상기 글로벌 전자셔터는 동시에 전이 가능하고 1층 또는 다층 감광화소층의 전하 또는 전압값을 판독할 수 있는 복수개의 비감광 전이 및 판독 화소를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 비감광 전이 및 판독 화소는 비감광화소의 전이 및 판독층에 위치하거나 또는 상기 감광화소층에 위치한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 매개 감광화소층에는 하나의 인접한 비감광화소 전이 및 판독층이 설치된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비감광 전이 및 판독 화소는 반도체 회로로 제조된다.
본 발명은 피사계 심도 확장방법에 대해서도 제공하였는 바, 상기 피사계 심도 확장방법에 있어서, 감광소자에 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층이 설치되는 동시에 적어도 2개의 상기 감광화소층은 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치됨으로써 상기 감광소자로부터 특정된 거리만큼 떨어진 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 상기 감광화소층에 집광되게 하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상이한 감광화소층에서 오는 상이한 해상도를 구비한 이미지를 통하여 한폭의 뚜렷한 이미지를 얻는다.
본 발명은 광학 화상 방법에 대해서도 제공하였는 바, 상기 광학 화상 방법에 있어서, 렌즈 및 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층을 포함하는 감광소자를 설치하는 단계; 상기 감광소자를 상기 렌즈로부터 특정된 거리만큼 떨어진 곳에 방치하며, 또한 적어도 2개의 상기 감광화소층 사이는 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치됨으로써 상기 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 상기 감광화소층에 집광되게 하는 단계를 포함한다.
본 발명은 광학 화상 시스템에 대해서도 제공하였는 바, 상기 광학 화상 시스템에 있어서, 렌즈와 다중 피사계 심도 감광소자를 포함하고, 상기 다중 피사계 심도 감광소자는 상기 렌즈로부터 특정된 거리만큼 떨어진 곳에 배치되고, 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층을 포함하며, 적어도 2개의 상기 감광화소층 사이는 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치됨으로써 상기 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 상기 감광화소층에 집광되게 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상이한 광신호는 상이한 거리의 광신호 또는 상이한 파장의 광신호를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 파장이 보다 짧은 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 보다 먼 거리의 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광된다.
본 발명은 감광시스템에 대해서도 제공하였는 바, 상기 감광시스템은 상기 감광소자를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 감광시스템은 디지털 카메라, 카메라 핸드폰, 비디오 카메라, 동영상 또는 촬영 모니터링 시스템, 이미지 식별 시스템, 의학 이미지 시스템, 군용/소방/갱내 이미지 시스템, 자동추적 시스템, 입체 영상 시스템, 기계 시각 시스템, 자동차 시각 또는 보조 운전 시스템, 전자게임 시스템, 웹캠, 적외선/야시 시스템, 다중 스펙트럼 화상 시스템과 컴퓨터 캠 중의 하나를 포함한다.
기존의 감광시스템에 있어서, 자동 집광 시스템이 전동기구와 복잡하고 정밀한 기계부품을 포함할 뿐만 아니라 직경이 6mm 이상인 렌즈를 놓고 볼 때, 10cm 내지 무한대로 먼 넓은 거리에서 자동 집광을 실현하기 위하여서는 렌즈의 행정이 반드시 0.2mm 이상이어야 한다. 즉, 무한대로 먼 곳의 뚜렷한 화상의 영상거리와 10cm 떨어진 곳의 뚜렷한 화상의 영상거리 차는 적어도 0.2mm 즉 200 um이다. 널리 알려졌듯이, 실리콘 또는 기타 반도체 재료는 모두 불투명한 것이다. 광이 실리콘에 진입한 후, 대략 12um의 거리에서 거의 모두 흡수되어 미량만 남는다. 따라서 자동 집광 시스템을 사용한다 할지라도 기존의 감광시스템은 비교적 넓은 피사계 심도 범위를 얻기가 매우 힘들다.
본 발명에 따른 다중 피사계 심도 감광소자, 상기 다중 피사계 심도 감광소자를 이용한 감광시스템, 피사계 심도 확장방법 및 광학 화상 시스템 및 방법에 있어서, 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층을 설치하는 것을 통하여, 적어도 2개의 상기 감광화소층 사이에서 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치되게 하여 상기 감광소자로부터 특정된 거리만큼 떨어진 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 상기 감광화소층에 집광되게 함으로써 상이한 감광화소층이 상이한 피사계 심도를 구비한 이미지를 얻게 한다. 제품차원에서, 감광소자는 감광칩으로 제조하여 독립적으로 존재할 수 있다. 그러나, 응용차원에서, 예하면 광학 화상의 경우, 감광소자는 통상적으로 렌즈와 배합하여 사용해야 한다. 렌즈의 경우, 크기, 재료, 곡면 디자인 등에 따라 상이한 집광 특성을 가진다. 예하면, 일반 핸드폰 렌즈의 경우, 그 피사계 심도 범위는 통상적으로 무한대로 멀리 2m에 이르며 상기 피사계 심도 범위를 초과할 경우, 자동 집광 기술을 사용해야 한다. 예하면, 감광소자에서 렌즈에 이르는 거리를 조정해야만이, 즉 영상거리를 적합한 데이터로 조정해야만이 예하면 50cm~30cm의 뚜렷한 광경을 얻을 수 있다. 하지만 본 발명에 있어서, 선정된 응용렌즈가 핸드폰 렌즈일 경우, 하기 예에 따라 감광소자 중에 2개의 감광화소층(제1감광화소층과 제2감광화소층이라 칭함)을 설치할 수 있으며, 상기 선정한 핸드폰 렌즈와 배합할 경우, 감광소자가 상기 렌즈와 특정된 거리만큼 떨어진 곳에 배치된다. 이 경우, 제1감광화소층에서 렌즈까지의 거리가 제1영상거리이고, 제2감광화소층에서 렌즈까지의 거리가 제2영상거리(제1영상거리는 제2영상거리보다 작다)이며, 이때 렌즈와의 특정된 거리 및 2개 감광화소층 사이의 미리 설정 거리는 무한대로 멀리 2m에 이르는 피사계 심도 범위의 경물이 제1감광화소층에서 뚜렷하게 화상하고, 50cm~30cm의 피사계 심도 범위의 경물이 제2감광화소층에서 뚜렷하게 화상한다. 따라서 2개의 피사계 심도 또는 피사계 심도의 확장을 실현했다. 상기 설명예에서, 감광화소층의 수량과 피사계 심도 범위는 모두 예시적인 데이터임에 주의해야 한다. 감광화소층의 수량과 상호간의 미리 설정 거리에 대한 조정을 통하여 연속적이고 중첩되며 보완적이거나 또는 직교하는 피사계 심도 범위를 형성할 수 있고, 복수개의 감광화소층 각각의 피사계 심도 범위의 중첩은 감광소자로 하여금 비교적 넓은 피사계 심도 범위를 갖게 함으로써 자동 집광이 필요없이 넓은 피사계 심도 범위내의 뚜렷한 이미지를 얻을 수 있게 하며, 전동기구와 복잡하고 정밀한 기계부품을 사용하는 것을 피면하였으며 공간과 원가를 현저하게 절약하였다고 이해 할수 있다. 다른 한면으로 본 발명에 있어서, 통상적으로 적어도 하나의 감광화소층에서 비교적 완정한 이미지 정보를 획득함으로써 이미지가 상당히 높은 해상도를 갖게 하는 동시에 또한 번잡한 수학계산이 필요없게 할 수 있다.
본 발명은 실시예를 통하여 이러한 신형의 거대한 위력을 가진 하이브리드 다중 스펙트럼 감광화소군, 감광소자와 시스템에 대하여 설명하게 된다. 이러한 바람직한 실현방식은 예를 들어 본 발명의 우점과 실현방법을 설명하는 것 뿐이지 이러한 발명의 보호범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 본 발명의 상기 및 기타 목적과 우점은 하기와 같이 복수개의 도면 해석을 첨부한 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명을 통하여 자명해질 것이다.
도1은 하나의 스펙트럼 분포의 설명도이다. 가시광선은 일반적으로 390nm~760nm 파장의 광을 말한다. 일반적으로 프리즘의 분광효과를 통하여 가시광선에서 구분해 볼 수 있는 남색광은 파장이 440~490nm, 녹색광은 파장이 520~570nm, 적색광은 파장이 630~740nm이며 감광소자의 설계에서 일반적으로 390~500nm를 남색영역으로 하고 500~610nm를 녹색영역으로 하며 610~760nm를 적색영역으로 한다. 하지만 이러한 적색, 녹색, 남색 스펙트럼 밴드의 구획은 결코 절대적인 것이 아니다. 도면 중의 적색, 녹색, 남색, 청색(남색과 녹색의 복합색)과 황색(녹색과 적색의 복합색)의 파형은 원색 감광화소 또는 보색(복합색) 감광화소가 수요하는 이상적인 파장 응답 곡선이다. 바탕색으로서의 원색 감광화소 또는 보색 감광화소(복합색)가 유사한 파장 응답 곡선을 구비하지 않을 경우, 인류가 볼 수 있는 대부분의 컬러를 재구성하기가 매우 힘들게 된다.
도2는 감광화소의 3T 판독회로이다.
도3은 감광화소의 4T 판독회로이다.
도4는 본 발명자가 “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 샘플링방법”(중국출원번호:200910105948.2)과 “감광소자 및 그 판독방법, 판독회로”(중국출원번호:200910106477.7)에서 제출한 4포인트 공유 판독회로이다.
도5는 본 발명자가 “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 샘플링방법”(중국출원번호:200910105948.2)과 “감광소자 및 그 판독방법, 판독회로”(중국출원번호:200910106477.7)에서 제출한 2층 6포인트 공유 판독회로이다.
도6은 본 발명자가 “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 샘플링방법”(중국출원번호:200910105948.2)과 “감광소자 및 그 판독방법, 판독회로”(중국출원번호:200910106477.7)에서 제출한 2층 8포인트 공유 판독회로이다.
도7은 본 발명자가 “감광소자 및 그 판독방법, 판독회로”(중국출원번호:200910106477.7)에서 제출한 임의의 N포인트 공유 판독회로이다.
도8은 본 발명자가 “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 제조방법”(중국출원번호:200810217270.2)과 “다중 스펙트럼 감광소자”(중국출원번호:200910105372.X)에서 제출한, 상하층 감광화소가 흥미를 느끼는 스펙트럼 상에서 보완 또는 직교하는 2층 감광소자의 설명도이다. 이러한 감광소자는 심혈을 기울여 선택한 컬러패턴과 배열을 통하여 매우 많고 우수한 2층 감광소자를 얻을 수 있다. 이러한 감광소자는 정면 감광， 배면 감광과 양방향 감광에 사용할 수 있다. 이러한 방법과 원리 역시 하이브리드 다중 스펙트럼 감광소자에 적용할 수 있다.
도9는 본 발명자가 “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 샘플링방법”(중국출원번호:200910105948.2)에서 제출한, 상이한 컬러 화소 사이에서 전하합병을 실현하는 서브 샘플링 방법이다. 이 방법 역시 본 발명의 다중 스펙트럼 감광소자에 적용된다.
도10은 본 발명자가 “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 샘플링방법”(중국출원번호:200910105948.2)에서 제출한, 컬러공간 변환을 통하여 실현하는 화소 합병과 서브 샘플링 방법이다. 이 방법 역시 본 발명의 다중 스펙트럼 감광소자에 적용된다.
도11은 본 발명에서 제출한, 피사계 심도 확장에 사용되는 2층 감광소자의 구조 설명도이다. 여기서, 투광층의 두께는 원하는 2개의 감광평면의 영상거리차(V2-V1)에 의해 결정된다.
도12는 본 발명에서 제출한, 피사계 심도 확장에 사용되는 3층 감광소자의 구조 설명도이다. 여기서, 투광층의 두께는 원하는 2개의 감광평면의 영상거리차(V2-V1 또는 V3-V2)에 의해 결정된다.
도13은 다중 감광소자를 이용하여 피사계 심도 확장을 실현하는 첫번째 원리 설명도이다. 이 설명도에서, 상이한 거리에 위치한 물체는 뚜렷하게 다중 감광소자의 상이한 감광화소층에 집광된다. 따라서, 이 3개 거리 사이에 위치한 임의의 물체는 모두 선명하게 또는 비교적 선명하게 하나 또는 2개의 감광화소층에 집광됨으로써 피사계 심도 확장의 효과를 달성한다. 도면에서, U1, U2, U3은 물체거리(즉 물체에서 렌즈까지의 거리)이며, V1, V2, V3은 영상거리(즉 감광화소층에서 렌즈까지의 거리)이다.
도14는 특수한 렌즈설계방법과 다중 감광소자를 동시에 이용하여 보다 양호한 피사계 심도 확장 효과를 실현하는 두번째 원리 설명도이다. 일반적인 광학 시스템에 있어서, 파장이 보다 짧은 광의 초점거리가 보다 짧다. 따라서 렌즈에 대하여 특별한 디자인을 진행할 경우, 파장이 보다 짧은 광이 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층 또는 광원에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되게 할 수 있고, 파장이 보다 긴 광을 렌즈에서 보다 먼 감광층 또는 광원에서 보다 먼 감광화소층에 집광할 수 있으며 파장이 중등수준인 광을 중간의 감광층에 집광할 수 있다. 하여, 이러한 화상 시스템이 동시에 복수개의 스펙트럼과 복수개의 영상거리의 특점을 결부시킬 경우, 피사계 심도를 최대한도로 확장할 수 있다. 이러한 시스템은 미세거리의 촬영에 있어 탁월한 우세를 가진다.
도15는 도11에 도시된 다중 피사계 심도 감광소자를 실현하는 감광화소 레벨의 원리 설명도이다. 투광층의 두께를 조정하여 2개 감광화소층 사이의 거리를 조정할 수 있으며 따라서 2개의 감광화소층의 감광화소로 하여금 각각 상이한 피사계 심도에 대응되게 한다. 상기 예에서 상하 2개의 감광화소층은 모두 반도체 감광화소층을 사용했다.
도16(a), 도16 (b), 도16 (c), 도16 (d)는 도11에 도시된 다중 피사계 심도 감광소자를 실현하는 또 다른 감광화소 레벨의 원리 설명도이다. 마찬가지로, 투광층의 두께를 조정하여 2개 감광화소층 사이의 거리를 조정할 수 있음으로써 2개의 감광화소층의 감광화소로 하여금 각각 상이한 피사계 심도에 대응되게 한다. 상기 예에서 상층의 감광화소층은 화학 도막 감광화소층을 사용하고 하층의 감광화소층은 반도체 감광화소층을 사용하며, 양자는 호환이 가능하며 또한 이가 다중 피사계 심도의 효과를 달성하는데 영향주지 않음이 분명하다.
도15와 도16은 모두 감광화소의 상황만을 설명했으며, 기타 판독회로와 보조회로는 기존의 것과 동일할 수 있기 때문에 모두 생략한다.
도17(a), 도17 (b), 도17 (c), 도17 (d)는 도11에 도시된 다중 피사계 심도 감광소자를 실현하는 또 다른 감광화소 레벨의 원리 설명도이다. 마찬가지로, 투광층의 두께를 조정하여 상층의 하나의 감광화소층과 하층의 다른 2개의 감광화소층 사이의 거리를 조정할 수 있으며 따라서 상이한 감광화소층의 감광화소가 각각 상이한 피사계 심도에 대응되게 한다. 상기 예에서 상층의 하나의 감광화소층은 화학 도막 감광화소층을 사용하고 하층의 다른 2개의 감광화소층은 반도체 감광화소층을 사용한다. 여기서 주의해야 할 바는, 도17(a), 도17 (b) 중의 2개의 반도체 감광화소층은 하나의 반도체 베이스층의 양면에 배치되고, 도17(c), 도17 (d) 중의 2개의 반도체 감광화소층은 하나의 반도체 베이스층의 일면에 배치된다. 조사방향은 상기 반도체 베이스층의 정면 또는 배면일 수 있다. 또한, 주의해야 할 바는, 반도체의 투광성 제한으로 인해 반도체 베이스층의 두께는 일반적으로 비교적 얇고 통상적으로 피사계 심도 확장에 필요한 감광화소층의 간격 거리의 수요를 충족시키지 못한다. 따라서 2개의 반도체 감광화소층은 다중 스펙트럼의 수요를 더욱 많이 실현한다.
도18(a), 도18 (b)는 도11에 도시된 다중 피사계 심도 감광소자를 실현하는 또 다른 감광화소 레벨의 원리 설명도이다. 마찬가지로, 투광층의 두께를 조정하여 상층의 하나의 감광화소층과 하층의 다른 2개의 감광화소층 사이의 거리를 조정할 수 있으며 따라서 상이한 감광화소층의 감광화소가 각각 상이한 피사계 심도에 대응되게 한다. 상기 예에서 상층의 하나의 감광화소층은 화학 도막 감광화소층을 사용하고 하층의 다른 2개의 감광화소층은 각각 반도체 감광화소층과 화학 도막 감광화소층을 사용한다. 중간의 반도체 감광화소층(의 양면)은 3개의 감광화소층을 판독하는데 필요한 판독 화소와 샘플링 회로를 함유할 수 있다.
도19(a), 도19 (b)는 도12에 도시된 다중 피사계 심도 감광소자를 실현하는 감광화소 레벨의 원리 설명도이다. 주의해야 할 바는, 상기 예에서, 위에서 아래로 가면서 순차적으로 화학 도막 감광화소층, 제1투광층, 제1 반도체 감광화소층, 제2투광층, 제2반도체 감광화소층이 배치된다. 제1반도체 감광화소층과 제2반도체 감광화소층은 각각 상이한 2개의 반도체 베이스층에서 실현되고, 화학 도막 감광화소층과 제1반도체 감광화소층 사이의 거리는 제1투광층의 두께를 조정하여 이루어지며, 제1반도체 감광화소층과 제2반도체 감광화소층 사이의 거리는 제2투광층의 두께를 조정하여 이루어진다. 판독 및 샘플링 회로는 중간에 위치한 제1반도체 감광화소층에서 실현할 수 있고 또한 2개의 반도체 감광화소층에 분포될 수 있다.
2층 반도체 감광화소층를 구비한 실시예에 있어서, 도8과 도15 등의 경우, 그중 하나의 감광화소층 중의 감광화소를 제거하여 전문적으로 판독회로와 신호처리에 사용되는 층을 제조할 경우, 도20 내지 도23에 도시된 본 발명에서 제출한 글로벌 전자셔터를 구비한(층을 건너뛰어 판독하는 기능을 구비한) 감광소자를 얻을 수 있다. 도20 내지 도23은 상기와 같이 글로벌 전자셔터를 구비한(층을 건너뛰어 판독하는 기능을 구비한) 감광소자의 감광화소층과 비감광 전이 및 판독 화소층 만을 보여주었다. 상기 내용을 종합해 보면, 상이한 피사계 심도의 복수개의 감광화소층에 집광된 것을 보류할 경우, 글로벌 전자셔터를 구비한(층을 건너뛰어 판독하는 기능을 구비한) 다중 피사계 심도 감광소자를 얻을 수 있다.
도20은 본 발명에서 제출한, 2행이 1행을 공유하는 전이화소(판독 커패시터)의 설명도이다. 이는 사실 “감광소자 및 그 판독방법, 판독회로”(중국출원번호:200910106477.7)에서 제출한 행을 건너뛰는 스캐닝 방식의 새로운 실현방식이다. 이 경우, 전이화소와 감광화소가 동일한 층에 있지 않기 때문에 보다 양호한 감광면적의 사용효율을 얻을 수 있지만 동시에 셔터 속도를 1배 증가시킨다. 중요한 것은, 이러한 방식을 화학 감광재료(예하면 양자 감광막)를 감광화소층의 감광소자로 사용할 수 있다는 점이다.
도21은 반도체의 투광 불량 성능을 이용하여 반도체 베이스층의 두께를 일정한 두께로 증가시킴으로써 하층의 화소가 광을 감지하지 못하게 하는 것을 표시한다. 다음, 금속 천공 또는 표면 배선, 외부 연결의 방식을 이용하여 상층의 감광화소신호를 다이오드 또는 판독 증폭 스위치 회로를 통하여 비감광화소층의 판독 화소에 인도하여 거기에서 샘플링 판독을 진행함으로써 1개의 2층 감광소자를 1개의 (층을 건너뛰어 판독하는 기능을 구비한) 글로벌 전자셔터를 구비한 단층 감광소자로 퇴화시킨다. 이 소자가 구조상에서는 쌍층이지만 효과상에서는 단층이다. 이러한 방식이 도17(a)에 도시된 다중 감광소자에 사용될 경우, (층을 건너뛰어 판독하는 기능을 구비한) 글로벌 전자셔터의 다중 피사계 심도 감광소자를 얻을 수 있다.
도22는 본 발명에서 제출한, 기존의 (CMOS와 CCD)반도체회로에 기반한 (층을 건너뛰어 판독하는 기능을 구비한)글로벌 전자셔터를 구비한 다중 스펙트럼 2층 감광소자의 설명도이다. 마찬가지로 감광화소 신호가 비감광 판독 화소상에서의 전이는 다이오드 또는 증폭 스위치 회로를 통하여 제어된다.
도23은 본 발명에서 제출한 또 다른 화확 감광재료(예하면 양자감광막)에 기반한 (층을 건너뛰어 판독하는 기능을 구비한)글로벌 전자셔터를 구비한 다중 스펙트럼 2층 감광소자의 설명도이다. 여기서, 감광화소층은 화학 감광재료(예하면 양자감광막)를 사용하고 판독회로와 신호처리층은 CMOS반도체층이다. 상기 도시예에서 매개 감광화소는 모두 하나의 비감광 전하전이화소에 대응하여 글로벌 전자셔터를 실현하는데 사용된다. 이 역시 다중 감광소자의 글로벌 전자셔터의 간단한 실현을 위해 특별히 진행한 일종의 퇴화이다.
도24는 본 발명자가 “감광소자 및 그 판독방법, 판독회로”(중국출원번호:200910106477.7)에서 제출한, 동시에 능동화소와 수동화소를 사용하여 감광화소신호를 판독하는 판독회로이다. 이러한 방법을 사용한 장점은 최대한도로 감광소자의 동적범위를 확대할 수 있는 동시에 이미지 미리보기의 전력소모를 배로 절약할 수 있다. 이러한 하이브리드 판독회로는 고민감도의 다층 다중 스펙트럼 감광소자와 글로벌 전자셔터를 구비한 다중 스펙트럼 감광소자에서 특히 유용하다.
도25는 “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 샘플링방법”(중국출원번호:200910105948.2)중, 본 발명에서 제출한 화소 합병과 서브 샘플링 방법을 설명하기 위한 샘플링 제어회로 설명도이다. 본 발명 역시 이러한 신형의 화소합병과 서브 샘플링 방법에 사용될 수 있다.
아래에 구체적인 실시방식과 도면을 결부하여 본 발명에 대하여 진일보로 상세한 설명을 진행하기로 한다.
본 발명에서 제출하는 다중 피사계 심도 감광소자의 주요한 용도는 피사계 심도확장 즉 기존의 핸드폰 업계에서 말하는 EDoF(즉 Extended Depth of Focus)이다. 피사계 심도 확장은 특히 카메라 핸드폰에서 매우 광범위하게 응용되고 있다. 하지만 기존의 피사계 심도 확장은 주로 광학과 수학적 수단을 사용하며 통상적으로 광학 스케일링 또는 자동 집광의 방식을 이용하여 피사계 심도 조정을 실현하며, 이는 전동기구와 복잡하고 정밀한 기계부품 사이의 배합을 요구하므로 공간과 원가를 현저하게 증가시킨다.
본 발명의 실시예에서 제출한 다중 피사계 심도 감광소자에 있어서, 다중 감광소자를 결합하고, 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층을 포함하고, 적어도 2개의 상기 감광화소층 사이에서 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치됨으로써 감광소자로부터 특정된 거리만큼 떨어진 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 감광화소층에 집광되게 하며 이로써 상이한 감광화소층이 상이한 영상거리를 구비한 감광평면을 구성하였고 상이한 피사계 심도의 초점을 고정할 수 있으며 이를 통하여 감광소자의 피사계 심도 범위를 확장시켰다. 이는 멀티 포인트 광학 집광이라는 물리적 수단을 이용하여 자동 집광을 실현한 것에 해당하며 상응하게 전동기구와 복잡하고 정밀한 기계부품의 배합을 제거함으로써 공간과 원가를 현저하게 절약했다.
상기 감광화소층에 있어서, 화학 도막 감광화소층과 반도체 감광화소층 중의 적어도 하나를 포함한다. 즉, 상기 적어도 2개의 감광화소층은 전부 화학 도막 감광화소층이거나 또는 전부 반도체 감광화소층이거나 또는 일부가 화학 도막 감광화소층이고 일부가 반도체 감광화소층일 수 있다. 여기서, 화학 도막 감광화소층은 양자점 감광화소를 포함한다. 반도체 감광화소층은 CMOS감광성 다이오드, CMOS감광성 게이트, CCD감광성 다이오드, CCD감광성 게이트과 양방향 전하전이기능을 가진 CMOS와 CCD감광다이오드와 감광성 게이트를 포함한다.
상기 감광화소층은 각각 상이한 광신호를 감지한다. 본 발명에서 주목한 광신호 특성은 주로 광신호의 주파수 스펙트럼 특성을 포함한다. 즉, 광의 파장 및 광신호의 거리 특성, 즉 광신호가 렌즈에 이르는 거리이다. 따라서, 광신호의 상이함이란, 2개의 광신호 사이, 상기 2개의 특성 중의 적어도 하나가 상이한 것을 말한다. 즉, 2개의 광신호 사이는 파장이 상이하거나 또는 거리가 상이하거나 또는 파장과 거리가 모두 상이할 수 있다. 물론, 자연계에서 예하면 백광 등 복색광을 흔히 볼 수 있기 때문에 상이한 파장의 광을 얻으려면 일반적으로 렌즈 설계를 배합해야 하며 예하면 프리즘의 분광효과, 렌즈재료 또는 곡면설계를 이용하여 상이한 파장의 광의 상이한 굴절률을 설계함으로써 상이한 파장의 광이 분리되는 동시에 상이한 감광화소층에 집광되게 한다.
상이한 파장의 광신호를 집광할 경우, 일반적으로 파장이 보다 짧은 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광된다. 예하면, 감광화소층이 2층일 경우, 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되는 광신호는 자색, 남색광, 청색 또는 녹색광이며, 렌즈에서 비교적 멀리 집광되는 광신호는 녹색광, 적색광, 황색광, 가시광선(백색광) 또는 적외광이다. 또한 예하면, 감광화소층이 3층일 경우, 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광되는 광신호는 자외광, 남색광 또는 청색광이고, 중간에 위치한 감광화소층에 집광되는 광신호는 녹색광, 남색광, 황색광, 적색광 또는 가시광선(백색광)이다. 광원에서 가장 먼 감광화소층에 집광되는 광신호는 적색광, 황색광, 가시광선 또는 적외광이다.
상이한 거리의 광신호를 집광할 경우, 일반적으로 보다 먼 거리의 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광된다. 예하면 감광화소층이 2층일 경우, 광원에서 비교적 가까운 감광화소층에 집광되는 것은 무한대로 먼 곳의 광신호이고, 광원에서 비교적 먼 감광화소층에 집광되는 것은 흥미를 느끼는 최단거리의 광신호이다. 상이한 파장의 광의 집광을 결부하여 또한 진일보로 다음과 같이 설정할 수 있다. 무한대로 먼 곳의 자외광, 남색광, 청색광 또는 녹색광은 광원에서 비교적 가까운 감광화소층에 집광되고, 흥미를 느끼는 최단거리의 녹색광, 적색광, 황색광, 가시광선(백색광) 또는 적외광은 광원에서 비교적 먼 감광화소층에 집광된다.
또한 예하면, 감광화소층이 3층일 경우, 광원에서 가장 가까운 감광화소층에 집광되는 것은 무한대로 먼 곳의 광신호이고, 광원에서 가장 먼 감광화소층에 집광되는 것은 흥미를 느끼는 최단거리의 광신호이며, 중간에 위치한 감광화소층에 집광되는 것은 무한대로 먼 곳과 흥미를 느끼는 최단거리사이의 하나의 중간거리의 광신호이다. 상이한 파장의 광의 집광을 결부하여 또한 진일보로 다음과 같이 설정할 수 있다. 무한대로 먼 곳의 자외광, 남색광, 청색광 또는 녹색광이 광원에서 가장 가까운 감광화소층에 집광되고, 무한대로 먼 곳과 흥미를 느끼는 최단거리사이의 하나의 중간거리의 녹색광, 남색광, 황색광, 적색광 또는 가시광선(백색광)이 중간에 위치한 감광화소층에 집광되며, 흥미를 느끼는 최단거리의 적색광, 황색광, 가시광선 또는 적외광이 광원에서 가장 먼 감광화소층에 집광된다.
실시방식에 있어서, 흥미를 느끼는 최단거리는 2mm, 5mm, 7mm, 1cm, 2cm, 3cm, 5cm, 7cm, 10cm, 20cm, 30cm, 40cm, 50cm, 60cm, 70cm, 80cm, 100cm, 150cm를 포함한다. 흥미를 느끼는 최단거리란, 사용자가 주목하는 경물로부터 렌즈까지의 가장 가까운 거리를 말한다. 예하면, 흥미를 느끼는 최단거리가 2mm라는 것은 사용자가 주목하는 경물로부터 렌즈까지의 가장 가까운 거리가 2mm임을 말하며, 경물로부터 렌즈까지의 거리가 2mm보다 작을 경우, 더이상 주목하지 않는다.
도13은 거리와 집광 평면간의 관계를 표시했다. 상기 도면에서 상이한 거리에 있는 물체는 뚜렷하게 다중 감광소자의 상이한 감광화소층에 집광된다. 따라서 이 3개의 거리사이에 위치한 임의의 물체는 모두 선명하게 또는 비교적 선명하게 1개 또는 2개의 감광화소층에 집광됨으로써 동일한 감광소자로부터 동시에 이들의 뚜렷한 이미지를 얻을 수 있다.
도14는 파장과 집광 평면간의 관계를 표시했다. 일반 광학 시스템에 있어서, 파장이 보다 짧은 광의 초점거리가 더욱 짧다. 따라서 렌즈에 대한 설계를 통하여 파장이 보다 짧은 광이 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되고 파장이 보다 긴 광이 렌즈에서 보다 먼 감광화소층에 집광되며 파장이 중등인 광이 중간의 감광화소층에 집광되게 할 수 있다. 이렇게, 상이한 거리에 있는 물체는 언제나 하나의 색상이 하나의 감광층에서 선명하다. 때문에 이러한 화상 시스템은 다중 스펙트럼과 다중 영상거리의 특점을 동시에 결합하였고 매개 감광층은 자체의 피사계 심도 범위를 가지며 또한 상이한 파장의 광에 있어서, 피사계 심도 거리와 범위가 상이하고 각 감광층의 피사계 심도 범위를 통합할 수 있으며 최대한도로 피사계 심도를 확장할 수 있어 미세거리의 촬영에 있어서 탁월한 우세를 가진다.
상이한 감광화소층에서 상이한 선명도를 구비한 복수개의 이미지를 얻을 수 있기 때문에 이러한 이미지 사이에서 서로 참조할 수 있으며 이미지의 통합, 선택사용과 포기 및 보간, 보강 또는 디컨벌루션 등 수학처리를 통하여 뚜렷한 이미지를 얻을 수 있다.
실시방식은 또한 상기 다중 피사계 심도 감광소자 중에 포함되며, 층을 건너뛰어 판독하는 기능을 실현하는 글로벌 전자셔터는 복수개의 비감광 전이 및 판독 화소를 포함하고, 상기 비감광 전이 및 판독 화소의 매 하나는 기타 층에 있는 적어도 하나의 감광화소의 전하 또는 전압값을 전이하고 판독하는데 사용된다. 따라서 복수개의 비감광 전이 및 판독 화소는 동시에 1층 또는 다층 감광화소층의 전하 또는 전압값을 전이하고 판독할 수 있다. 복수개의 비감광 전이 및 판독 화소는 감광화소와 동일한 화소층에 위치할 수 있으며 이는 상기 화소층의 감광 민감도의 하강을 의미하는 것이 분명하다. 복수개의 비감광 전이 및 판독 화소 역시 감광화소와 상이한 화소층에 위치할 수 있다. 즉, 독립된 감광화소층과 독립된 비감광 전이 및 판독 화소층을 형성하며 이는 상기 층을 건너뛰는 기능을 구비한 글로벌 전자셔터가 2층 또는 다층 감광소자에서만 실현될 수 있음을 의미하는 것이 분명하다.
매개 감광화소층에 하나의 인접하고 대응되는 비감광화소 전이 및 판독층을 설치할 수 있고, 상기 비감광화소 전이 및 판독층은 동시에 대응되는 감광화소층의 모든 화소의 전하 또는 전압값을 전이할 수 있다. 또는 대응되는 감광화소층의 기수행 또는 우수행 화소의 전하 또는 전압값을 전이할 수 있다. 도20은 2행이 1행을 공유하는 판독 커패시터의 설계를 통하여 순차별 스캐닝의 기능을 실현하는 것을 표시하였다. 비감광 전이 및 판독 화소층은 반도체 회로로 제조될 수 있다.
도21은 2층 감광소자의 퇴화를 통하여 글로벌 전자셔터를 구비한 단층 감광소자를 얻는 것을 표시하였다. 이러한 방법은 반도체 재료의 불량한 투광성을 이용하였으며, 2개의 반도체 베이스층의 두께를 증가시킴으로써 바닥층이 광을 감지할 수 없고 화소 판독에만 사용되게 한다. 이 방법을 도17(a)에 도시된 3층 감광소자에 사용할 경우, 글로벌 전자셔터를 구비한 2층 다중 피사계 심도 감광소자를 얻을 수 있다.
도22와 도23은 층을 건너뛰어 판독하는 기능을 구비한 글로벌 전자셔터의 화소 레벨을 표시하였다.
문장 중에서 출현한 원근, 상하 등 위치관계는 모두 광원을 기준으로 한 상대적인 위치를 말한다. 예하면, 상층 감광화소층과 하층 감광화소층에 대한 설명은 감광화소층이 수평으로 배치되고 광원이 상방에서 수직으로 감광화소층에 조사하는 경우를 놓고 하는 말이다. 본문 중의 상하관계는 실제상 보다 광범위한 함의를 가지는 것이 분명하다. 즉, 예하면 감광면이 수직으로 배치되고 광원이 좌측 또는 우측이거나 전측 또는 후측에서 수직으로 감광면에 조사할 경우, 소위 말하는 상하관계는 전후관계 또는 좌우관계와 동등하다. 일반성을 잃지 않고 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 그중의 상방, 하방 등 설명이 좌측, 우측, 전측, 후측 등 설명에 의해 대체될 수 있음을 이해할 수 있다. 상이한 종류의 감광화소층, 예하면 화학 도막 감광화소층 또는 반도체 감광화소층에 있어서, 그 상하관계는 제한이 없으며 어느 것이 상방에 위치하고 어느 것이 하방에 위치하는 것은 수요에 따라 임의로 설치할 수 있다. 하기 내용에 따른 베이스층의 상단면과 바닥면은 마찬가지로 유사한 함의를 표달한다. 즉, 수평으로 배치되고 광원이 상방에서 수직으로 베이스층에 조사할 경우를 말하며 이때, 상방에 위치한 베이스층 표면을 상단면이라 하고 하방에 위치한 베이스층 표면을 바닥면이라 한다. 베이스층이 수직으로 배치되고 광원이 좌측 또는 우측이거나 또는 전측 또는 후측에서 수직으로 베이스층에 조사할 경우, 전측면과 후측면, 좌측면과 우측면으로 동등하게 대체할 수 있다.
이밖에도, “광원을 감지할 수 있다”라는 용어와 “감광”이라는 용어 사이의 차이점에 각별한 주의를 돌려야 한다. 감광화소층의 “감광”이란, 상기 화소가 감광능력을 구비한다는 것을 말하고, “광원을 감지할 수 있다”는, 감광화소가 광원 감지여부의 결과를 말한다. 즉, 감광화소의 감광능력이 발휘되고 있는지의 여부이다. 예하면, 반도체의 투광성 제한으로 인해 하나의 반도체 베이스층의 상단면과 바닥면에 각각 하나의 반도체 감광화소층을 배치하고 상기 반도체 베이스층의 두께가 반도체의 투광성 제한을 초과할 경우, 광원이 상기 반도체 베이스층을 조사할 시, 상단면의 반도체 감광화소층 만이 광원을 감지할 수 있고 바닥면의 반도체 감광화소층은 반도체 베이스층 두께의 제한을 받아 광원을 감지할 수 없으면, 이를 상단면의 반도체 감광화소층을 광원을 감지할 수 있는 감광화소층이라 부른다. 즉, 감광화소의 감광능력이 발휘될 수 있다. 또한 바닥면의 반도체 감광화소층을 광원을 감지할 수 없는 감광화소층이라 부른다. 즉, 감광화소의 감광능력이 발휘될 수 없다. 하기 내용에서 광원을 감지할 수 없는 감광화소층을 이용하여 비감광 전이 및 판독 화소층을 형성할 수 있음을 주의해야 한다.
화학 도막 감광화소 또는 반도체 감광화소가 양방향 감광화소일 경우, 감광방향 선택문제에 관련된다. 즉, 비록 양방향 감광을 진행할 수 있지만 동일시각, 2개 방향의 광조사를 받을 수 없고 1개 시각에 한 방향의 광원 조사를 선택해야 하며, 감광방향 선택방식은 격리 방향선택, 시분할 방향선택, 영역분할 방향선택 또는 화소 방향선택 등일 수 있다. 다시 말하면, 예하면 차광막 차폐 등 방식을 통하여 시분할, 영역분할, 화소분할의 감광방향선택을 실현할 수 있다. 양방향 조사의 경우, 도8을 참조로 한다.
감광화소층은 대체적으로 광원 조사방향에 수직되는 감광평면에 상당하며 이러한 감광평면 중에서 복수개의 감광화소(통상적으로 복수개의 행, 복수개의 열을 가진 화소 어레이로 형성됨)가 배치되고, 복수개의 감광화소층 중의 매개 감광화소층에 있어서, 이는 평면 하이브리드형일 수 있다. 다시 말하면, 화학 도막 감광화소가 배치될 수도 있고 반도체 감광화소가 배치될 수도 있다. 다른 하나의 상황은, 동일한 감광화소층 중에 일종의 감광화소만 배치되는 것이다. 이 경우, 화학 도막 감광화소층 또는 반도체 감광화소층을 형성하게 된다.
실시방식에 있어서, 감광소자의 위치가 동일하지만(1층 감광화소층의 상기 화소 위치를 통과해 온 광이 다른 하나의 감광화소층의 위치에 조사함) 층이 다른 감광화소는 자외선, 가시광선, 근적외선과 원적외선 중의 하나를 포함하는 보완 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드를 각각 감지한다. 또는 자외선, 가시광선, 근적외선과 원적외선 중의 하나를 포함하는 직교 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드를 각각 감지한다. 여기서, 보완 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드는 자외선 스펙트럼, 남색 스펙트럼, 녹색 스펙트럼, 적색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼, 원적외선 스펙트럼, 청색 스펙트럼, 황색 스펙트럼,백색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼을 포함하고,
직교 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드는 자외선 스펙트럼, 남색 스펙트럼, 녹색 스펙트럼, 적색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼, 원적외선 스펙트럼, 청색 스펙트럼, 황색 스펙트럼,백색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼을 포함한다.
실시방식은 감광소자 중의 적어도 한층이 2개의 상이한 스펙트럼(즉 주파수 스펙트럼)의 스펙트럼 밴드를 감지하게 하는 것을 포함한다. 매개 감광화소층에 있어서, 그 화소 어레이의 컬러 배열은 동일 배열(화소 어레이 중의 화소 컬러가 동일함), 수평 배열(화소 어레이 중의 동일 행의 화소 컬러가 동일함), 수직 배열(화소 어레이 중의 동일 열의 화소 컬러가 동일함), 대각 배열(화소 어레이 중의 동일 대각선의 화소 컬러가 동일함), 광의적 바이유 배열(화소 어레이 중의 한갈래의 대각선 상의 화소 컬러가 동일하고 다른 한갈래의 대각선 상의 화소 컬러가 상이함), YUV422 배열, 횡방향 YUV422 배열, 셀룰러 배열, 균일분포 배열(4개의 화소가 모두 균일 교차 등거리 배열임) 등을 포함한다.
주의해야 할 점은, 본문 중의 용어 “배치”는 예하면 반도체 베이스층 또는 투광층에서 화학 도막 감광화소층 또는 반도체 감광화소층을 형성하는 각종 제조공법을 포함하였다. 예하면, 반도체 베이스층이 하나의 N형 실리콘 결정체 기판일 경우, 상기 기판 상의 하나의 화소위치에서 컬러의 깊이 수요에 따라 상기 화소위치 표면에서 기판 내부에 일정한 깊이의 P잡질을 도핑하여 하나의 P도핑층을 형성하며, 상기 P도핑층은 하나의 반도체 화소로 형성된다. 상기 P도핑층에서 다른 일정한 깊이의 N잡질을 도핑하여, P도핑층 중의 N도핑층을 형성할 경우, 상기 N도핑층은 또 다른 반도체 감광화소(전술한 P도핑층의 반도체 감광화소와 상이한 감광화소층에 있지만 화소위치가 서로 대응된다)로 형성되며, “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 제조방법”(PCT/CN2007/071262)에서 제공한 방법에 따라 390nm 부근, 500nm 부근, 610nm 부근과 760nm 부근에 분층선을 설치함으로써 임의의 분층선 상하의 대응점의 화소가 보완 또는 직교 스펙트럼을 감지하게 할 수 있다. 도1은 하나의 분층선 설치에 대한 예를 보여주었다. 즉, 상이한 깊이의 잡질 도핑을 통하여 상이한 컬러를 형성한다. 기판의 상기 면에서 화학 도막 용액의 코팅 가공을 진행하여 화학 도막 감광화소층을 형성할 수 있다. 제조 또는 가공 공법의 다양성으로 인해 본문에서는 모두 “배치”로 설명한다.
상기와 같은 2층 반도체 감광화소가 상이한 깊이에서의 배치는 기판의 하나의 표면에서의 동일한 화소위치가 적어도 2개의 스펙트럼 밴드에 대한 감지를 실현함으로써 상기 표면 상의 화소 패턴배열에서의 보다 훌륭한 순응성 및 보다 많은 화소 배치를 제공하였고 감광소자의 민감도, 해석도와 동적 범위를 대폭 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 반도체 기판의 어느 한 일면의 상이한 깊이의 도핑가공에 있어서, 그 동일한 위치에 많아서 2개 층의 감광화소를 배치한다. 왜냐하면, 동일한 위치에 3층을 배치하려면 가공상에서 난이도가 극히 크고 또한 배선에서 각 층간의 도선이 서로 격리되어야 하기 때문에 3층 도선은 배선 상의 곤난을 초래하는 것이 분명하다. 본 발명의 경우, 동일한 면에서 많아서 2개 층의 상기 반도체 감광화소층을 배치하는 동시에 평면 상의 화소 패턴 어레이와 결합하여 컬러 재구성을 완성할 수 있기 때문에 보다 훌륭한 컬러 감광 성능을 실현할 수 있다. 동일한 면에서 깊이 도핑 방식으로 많아서 2개의 반도체 감광화소층을 배치할 수 있기 때문에 입체 가공 공법의 난이도를 현저하게 감소시켰으며 또한 배선 방면에서도 상대적으로 간단하다.
기판에 있어서, 단면 또는 양면 가공 공법을 사용함으로써 단면 감광소자 또는 양면 감광소자를 형성할 수 있다. 양면 감광소자의 경우, 상기 깊이 도핑 가공에 있어서, 2개의 반도체 감광화소층 중의 하나를 기판의 상단면에 배치하고 다른 하나를 기판의 바닥면에 배치하는 양면 배치방식을 사용할 경우에 매개 면은 모두 평면 가공 공법으로 간소화할 수 있으며 일면에서 하나의 감광화소층의 평면 가공을 완성한 후, 기판을 뒤집어 또 다른 면에서 마찬가지로 평면 가공 공법으로 다른 하나의 감광화소층의 가공을 완성함으로써 가공 공법이 기존의 단면 단층 감광소자의 가공 공법과 근사하게 하며 상기와 같은 동일한 면의 2층 도핑의 입체 가공에 비해 상대적으로 더욱 간단하다. 한편, 광조사 방향을 따라 기판의 임의의 위치에 다중 감광화소를 배치할 수 있다.
반도체 감광화소층을 통상적으로 베이스층에 제조하고 피사계 심도 확장을 실현하기 위하여 실제 제조과정에 통상적으로 투광층(예하면 투명 유리층)을 추가설치하는 방식을 사용하여 상이한 감광화소층 사이의 거리를 조정한다. 예하면, 하나의 반도체 베이스층 상에 단층 또는 다층 반도체 감광화소층을 제조하고, 다음 상기 반도체 베이스층 상에 하나의 투광층을 배치하며, 이어 상기 투광층 상에 단층 화학 도막 감광화소층을 코팅 가공해낸다. 투광층의 상이한 두께 설치를 통하여 미리 설정된 화학 도막 감광화소층과 반도체 감광화소층 사이의 간격 거리에 해당하며, 나아가 피사계 심도 확장을 실현한다.
수많은 응용에서, 화학 도막 감광화소층 또는 반도체 감광화소층의 정면, 배면 또는 양면에 일체 여광막을 도포하지 않는다. 하지만 다른 일부 응용 중에서, 예하면 컬러 환원 요구가 특별히 높은 전문 카메라 또는 비디오 카메라에 있어서, 실시방식은 여광막을 사용하는 방식을 포함한다. 여광막을 화학 도막 감광화소층 또는 반도체 감광화소층 중의 전부 또는 일부 감광화소의 정면, 배면 또는 양면에 설치한다. 여광막의 주파수 선택 특성은 적외선차단필터, 남색 통과대역, 녹색 통과대역, 적색 통과대역, 청색 통과대역, 황색 통과대역, 자홍색 통과대역 또는 가시광선 통과대역을 포함한다. 여광막의 사용은 소수 화소의 민감도를 희생시키는 것을 통하여 원하지 않는 스펙트럼의 영향을 제거하고 상하좌우 화소간의 간섭(crosstalk)을 감소시키거나 또는 직교성이 보다 훌륭한 삼원색 또는 보다 순수한 보색신호를 얻는다.
실시방식은 상기 다중 피사계 심도 감광소자의 다중 감광화소층의 인접한 2층이 각자 자체의 판독회로를 사용하게 하는 것을 포함한다.
실시방식은 상기 다중 피사계 심도 감광소자의 다중 감광화소층의 인접한 2층이 여기서의 한층에 배치된 판독회로를 공용하게 하는 것을 포함한다.
실시방식은 상기 다중 피사계 심도 감광소자의 판독회로가 반도체 감광화소층 또는 독립된 판독회로층에 위치하게 하는 것을 포함한다.
상기 다중 피사계 심도 감광소자의 판독회로의 실시방식은 “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 샘플링방법”(중국출원번호:200910105948.2)과 “감광소자 및 그 판독방법, 판독회로”(중국출원번호:200910106477.7) 중의 화소 리드와 서브 샘플링방법을 사용하는 것을 포함한다.
실시방식은 상기 다중 피사계 심도 감광소자의 신호 판독회로에서 능동 화소 판독회로, 수동 화소 판독회로 또는 능동 화소와 수동 화소 하이브리드 판독회로를 사용하는 것을 포함한다.
상기 능동 화소는 3T, 4T, 5T 또는 6T능동 화소를 포함한다. 3T와 4T의 능동 화소구조는 각각 도2와 도3에 도시된 바와 같다.
상기 판독회로의 공유방식은 무 공유방식, 단층 또는 상하층 4포인트 공유방식, 단층 또는 상하층 6포인트 공유방식, 단층 또는 상하층 8포인트 공유방식 또는 단층 또는 상하층 임의의 포인트 공유방식을 포함한다. 4포인트 공유방식, 6포인트 공유방식, 8포인트 공유방식과 임의의 포인트 공유방식은 각각 도4, 도5, 도6과 도7에 도시된 바와 같다.
실시방식에 있어서, 다중 피사계 심도 감광소자의 상기 판독회로는 매개 감광화소층의 화소 어레이 중의 인접한 동행이열, 이행동열 또는 이행이열의 화소사이에 대하여 쌍쌍합병샘플링을 진행하여 제1합병화소의 샘플링 데이터를 얻는 제1합병유닛; 및 제1합병유닛에서 얻은 제1합병화소의 샘플링 데이터에 대하여 합병샘플링을 진행함으로써 제2합병화소의 샘플링 데이터를 얻는 제2합병유닛을 포함한다.
실시방식에 있어서, 판독회로는 제2합병유닛에서 얻은 제2합병화소의 샘플링 데이터에 대하여 합병샘플링을 진행함으로써 제3합병화소의 샘플링 데이터를 얻는 제3합병유닛을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 다중 피사계 심도 감광소자에 있어서, 상기 제1합병유닛 또는 제2합병유닛의 화소합병방식은 동일하거나 또는 상이한 컬러화소 간의 전하섞임방식 또는 상이한 컬러화소 간의 신호평균방식이며 여기서 상이한 컬러화소 간의 화소합병방식은 컬러공간 변환의 방식을 집행함으로써 컬러 재구성의 요구를 충족시킨다.
상기 제1합병화소와 제2합병화소는 서브 샘플링을 적어도 2개의 과정으로 구분하는 처리 즉 제1합병샘플링 과정과 제2합병샘플링 과정에서 유래된다. 제1합병샘플링 과정과 제2합병샘플링 과정은 통상적으로 화소의 행(합병)샘플링과 열(합병)샘플링 사이에서 발생하고 주로 아날로그 신호에 대하여 진행하며 전하섞임부분을 통상적으로 제1합병샘플링 과정에서만 진행하는 이외에 그 순서와 내용은 통상적으로 교환할 수 있다. 이밖에도, 제3합병샘플링 과정을 포함할 수 있으며, 제3합병샘플링 과정은 모듈전환 이후에 발생하며 주로 디지털 신호에 대하여 진행한다.
제1합병샘플링 과정은 화소 어레이 중의 2개의 인접한 화소를 취하여 합병을 진행하는 것이다. 한편으로, 인접한 화소의 합병을 완성하였고 합병후의 화소를 제1합병화소라 칭한다. 이해해야 할 것은, 제1합병화소는 본 발명의 설명의 편의를 위하여 상기 개념을 이용하여 제1합병 과정을 진행한 후의 화소를 의미할 뿐이지 물리상에서 화소 어레이 중에 하나의 “제1합병화소”가 존재한다는 것을 대표하지 않는다. 2개의 인접한 화소 합병샘플링 후의 데이터를 제1합병화소의 샘플링 데이터라 칭한다. 인접이란, 2개의 화소가 수평, 수직 또는 대각선 방향에서 볼 때 모여있고 중간에 기타 화소가 없는 것을 말한다. 인접한 상황은 동행이열, 이행동열 또는 이행이열을 포함한다. 일반적으로 이러한 합병 중에서, 신호는 적어도 2개 화소의 신호 평균이며 잡음은 감소된다. 따라서 합병후, 신호 대 잡음비를 적어도 배 향상시킬 수 있으며 또한 이러한 합병은 동일하거나 또는 상이한 컬러의 화소 사이에서 진행될 수 있다. 다른 한편으로, 2개의 합병된 컬러는 다를 수 있다. 즉, 컬러 섞임 또는 평균은 컬러의 삼원색 원리에서 알 수 있다. 두가지 원색의 섞임은 다른 일종의 원색의 보색이다. 다시 말하면, 2개의 상이한 원색의 화소합병은 다른 일종의 원색의 보색을 산생시키며 원색공간에서 보색공간에로 변환되는 것은 컬러공간 변환이 발생했을 뿐이며 여전히 상이한 보색을 통하여 컬러의 재구성을 완성할 수 있다. 즉, 이러한 방식을 통하여 상이한 컬러의 화소합병을 실현함으로써 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있는 동시에 또한 컬러 재구성을 진행할 수 있다. 전반 서브 샘플링 과정 역시 이로 인해 최적화되어 대량 데이터의 화소 어레이의 고속 수요에 보다 훌륭하게 적응한다. 컬러공간 변환의 하나의 기본요구는 변환 후의 컬러의 조합이, (보간 등 수단을 통하여) 필요한 RGB(또는 YUV, 또는 CYMK) 컬러를 재구성할 수 있어야 한다는 것이다.
이해해야 할 것은, 통상적으로 화소 어레이가 복수개의 화소를 포함하기 때문에 제1합병샘플링은 2개의 화소에 대하여 합병을 진행하는 것이라는 점이다. 보다시피, 합병으로 형성된 제1합병화소 역시 복수개를 가진다. 상이한 제1합병화소에 있어서, 이가 사용한 컬러합병방식은 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다. 제1합병이 전부 동일한 컬러공간에서 진행될 경우, 우리는 이를 동색 합병방식이라 칭한다. 제1합병이 전부 상이한 컬러공간에서 진행될 경우, 우리는 이를 이색 합병방식이라 칭한다. 제1합병의 일부가 동일한 컬러공간에서 진행되고 일부가 상이한 컬러공간에서 진행될 경우, 우리는 이를 혼합 합병방식이라 칭한다. 화소 어레이 중의 일부 여분의 컬러를 버릴 경우(물론 버리는 것은 선택적이며 예하면 이로 인해 컬러의 재구성에 영향주어서는 안된다), 이러한 컬러 합병방식을 여분의 컬러를 선택적으로 버리는 방식이라 칭한다.
보다시피, 제2합병과정은 복수개의 제1합병화소에 대한 조작이며, 마찬가지로 컬러가 동일한 제1합병화소에 대하여 합병을 진행할 수 있고, 또한 컬러가 상이한 제1합병화소에 대하여 합병을 진행할 수도 있다(물론 이러한 상황하에서 삼원색의 전부 섞임을 초래하여 컬러를 재구성할 수 없을 가능성이 있다).
상기와 같은 동색 합병, 이색 합병, 혼합 합병 등 방식은 합병샘플링을 컬러에 기반한 분류로 하며 이밖에도 합병샘플링의 위치 선정의 각도에서 제1합병 과정과 제2합병 과정의 합병샘플링방식은 직접 버스에 출력하는 신호자동평균방식, 행을 건너뛰는 방식 또는 열을 건너뛰는 방식과 순차별 샘플링방식 및 이러한 방식 중의 2종 또는 3종의 동시 사용을 포함한다. 전하섞임부분이 통상적으로 제1합병샘플링 과정에서만이 진행될 수 있는 외에 그 방식은 모두 동일하며 교환이 가능한 것이다.
직접 버스에 출력하는 신호자동평균방식이란, 합병하려는 신호(컬러가 동일하거나 상이함)를 동시에 데이터 수집 버스에 출력하고 (전압)신호의 자동균형을 통하여 합병하려는 신호의 평균값을 얻는 것을 말한다. 행을 건너뛰는 방식 또는 열을 건너뛰는 방식이란 일부 행 또는 열을 뛰어넘음으로써 데이터 량을 감소하는 방식을 통하여 (합병)샘플링을 실현하는 것을 말한다. 순차별 샘플링방식이란 실제상에서 일체 합병을 진행하지 않고 순차적으로 기존의 화소 또는 제1합병화소를 판독하는 것을 말한다. 이 세가지 방식 중에서 일부는 동시에 사용할 수 있다. 예하면 행을 건너뛰는 방식 또는 열을 건너뛰는 방식은 직접 버스에 출력하는 신호자동균형방식 또는 순차별 샘플링방식과 동시에 사용할 수 있다.
제3합병샘플링 과정의 서브 샘플링방식은 컬러공간 변환방식, 후단 디지털 이미지스케일링방식 및 이 두가지 방식의 병행 사용을 포함한다. 제1, 제2합병과정은 주로 아날로그 신호에서 진행되지만 제3 서브 샘플링 과정은 주로 디지털 신호에서 진행된다. 즉, 모듈 전환이후 진행된다. 상이한 공간위치에 처한 3개 또는 4개 컬러화소를 동일한 포인트 상의 값으로 하는 것을 통하여 다른 컬러공간에 전환하면 수평과(또는) 수직방향 상의 데이터 감소를 실현할 수 있어 서브 샘플링의 효과를 달성할 수 있다. 반면에 이미지스케일링방식은 가장 직관적이고 자주 사용되는 서브 샘플링방식이다.
합병샘플링을 진행시 전하 섞임을 실현할 수 있다. 기존의 합병샘플링은 거의 모두 전압 또는 전류 신호의 평균까지만 한다. 이러한 방식은 N포인트를 합병할 시, 많아서 신호 대 잡음비를 배 향상시킬 수 있다. 이는 기존의 합병샘플링이 모두 N개의 동일한 컬러의 화소에서 하나의 출력선을 공용하는 방식으로 진행되기 때문이다. 이 출력선에서, 각 화소의 전압 또는 전류신호는 필연적으로 (자동적인) 평균을 진행해야 하기 때문에 그 신호 대 잡음비의 향상은 잡음 합병후에만 저하되었으며 이로써 신호 대 잡음비로 하여금 최대로 배 향상되게 한다. 본 발명의 전하섞임방식을 사용할 경우, 예하면 판독 커패시터를 통하여 전하를 저장하고 전하의 누가를 실현함으로써 신호가 겹쳐 신호 대 잡음비가 적어도 N배 향상되게 할 수 있으며 신호평균방법에 비해 적어도 배 높다. 다시 말하면, N개 신호를 전하섞임의 방법으로 합병할 경우, 이론상에서 최고로 N2개 신호가 평균되는 효과 또는 보다 훌륭한 효과（하기에서 설명함）를 달성할 수 있으며 이는 신호 대 잡음비를 향상시키는데 효과가 매우 현저한 수단이다.
인접 화소의 섞임은 또다른 하나의 현저한 효과를 가져온다. 즉, 화소 사이의 상호 간섭(cross-talking)효과가 감소된다. 이는 원래 상호 간섭하는 컬러가 현재는 합법적인 일체이기 때문이다. 다시 말하면, 원래 잡음에 속하던 일부 신호가 현재에는 유효한 신호부분으로 된다. 따라서 N개의 신호전하의 섞임은 신호 대 잡음비의 개선을 가져오며 이론상의 상한 즉 N 배에 접근할 수 있다. 따라서 N3개의 신호가 평균되는 효과에 상당하다.
전체도 샘플링(즉 하나의 이미지에 대하여 최고 해상도에 따라 샘플링을 진행함)을 진행할 시, 행에 따른 스캐닝, 행을 띄우거나 또는 행을 건너뛰어 판독하는 방식을 취할 수 있으며 클록속도(clock speed)를 향상시키고 프레임 버퍼(frame buffer)를 사용할 필요없이 사진을 한장씩 촬영시, 매크로 어레이(macroarray) 이미지의 전체도 판독 프레임률을 배가시킨다. AD 컨버터와 행 버퍼를 추가할 경우, 전체도 리드 프레임률을 더욱 많이 향상시킬 수 있다. 이 방법은 기계 셔터를 절약하는데 매우 중요한 가치를 가진다.
주의할 점은, 본 발명의 행에 따른 스캐닝, 행을 띄우거나 또는 행을 건너뛰어 판독하는 방식이 종래의 TV시스템 중의 인터리브 스캐닝 방식(interleaved scanning)과 다른 것이다. 종래의 인터리브 스캐닝 방식은 행을 띄우는 스캐닝, 행을 띄우는 판독이다. 따라서 기수 필드와 우수 필드(감광이던지 판독이던지에 관계없이)는 시간상에서 1필드 즉 0.5프레임 차이난다. 하지만 본 발명의 행에 따른 스캐닝, 행을 띄우거나 또는 행을 건너뛰어 판독하는 방식에 있어서, 화소는 감광시간순서에서 행에 따른 스캐닝, 행에 따른 판독방식과 완전히 동일하며 단지 행의 판독 순서를 변화시켰을 따름이다. 상세한 설명은 “다중 스펙트럼 감광소자 및 그 샘플링방법”(중국출원번호:200910105948.2)과 “감광소자 및 그 판독방법, 판독회로”(중국출원번호:200910106477.7)를 참조하기 바란다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 감광소자에 있어서, 상기 컬러공간 변환은 RGB로부터 CyYeMgX공간에 이르는 변환, RGB로부터 YUV공간에 이르는 변환 또는 CyYeMgX공간으로부터 YUV공간에 이르는 변환을 포함하며, 여기서 X는 R(적색), G(녹색), B(남색) 중의 어느 하나이다. 도10은 컬러공간 변환을 통하여 서브 샘플링을 실현하는 일종의 방식을 표시하였다.
실시방식에 있어서, 상기 전하섞임방식은 화소를 통하여 직접 병렬연결되거나 또는 전하를 동시에 판독 커패시터(FD)에 전이하여 완성되는 것을 포함한다.
상기와 같이, 다중 피사계 심도 감광소자에 있어서, 제1합병유닛 또는 제2합병유닛의 컬러 기반 합병샘플링방식은 동색 합병방식, 이색 합병방식, 혼합 합병방식 또는 여분의 컬러를 선택적으로 버리는 합병방식을 포함하며, 또한 제1합병유닛과 제2합병유닛이 사용한 합병샘플링방식이 다를 경우에는 동색 합병방식이다. 즉, 2개의 합병유닛 중에서 적어도 하나의 합병유닛은 동색 합병방식을 사용하지 않는다.
상기와 같이, 제1합병유닛 또는 제2합병유닛의 위치 기반 합병샘플링방식은 직접 버스에 출력하는 신호자동평균방식, 행을 건너뛰는 방식 또는 열을 건너뛰는 방식 및 순차별 샘플링방식 등 몇가지 방식 중의 적어도 하나를 포함한다. 즉 이러한 몇가지 위치 기반 합병샘플링방식은 단독으로 사용할 수도 있고 조합하여 사용할 수도 있다.
상기와 같이, 상기 감광소자에 있어서, 컬러공간변환방식과 후단 디지털 이미지스케일링방식 중의 적어도 하나를 이용하여 상기 제3합병샘플링유닛의 합병샘플링방식을 실현할 수 있다.
도9는 이색 화소 전하합병의 방식을 표시했다.
상기 서브 샘플링 기능을 실현하는 것은 도25에 도시된 행주소 디코딩 제어기와 열주소 디코딩 제어기이다. 행주소 디코딩 제어기는 행선택신호Row[i] (매행마다 한갈래의 선)와 행제어벡터신호RS[i] (매행마다 한갈래 또는 여러갈래의 선) 등 두가지 종류의 신호를 출력하며, 여기서 i는 행의 부호이다. 유사하게, 열주소 디코딩 제어기는 열선택신호Col[j](매열마다 한갈래의 선)와 열제어벡터신호T[j] (매열마다 한갈래 또는 여러갈래의 선)를 출력하며, 여기서 j는 열의 부호이다.
행선택신호 Row[i]는 행을 만드는데 관한 선택이고, 열선택신호 Col[j]는 열을 만드는데 관한 선택이다. 이는 2조의 상대적 표준의 신호이다. 행제어벡터신호 RS[i]는 기존의 CMOS 행제어신호에 대한 확장(매행의 한갈래 선이 매행의 여러갈래 선으로 확장됨)이며, 열제어벡터신호 T[j]는 일부 CMOS 감광소자에 근본상에서 존재하지 않으며 존재한다 할지라도 1열에 1개 뿐이다.
RS[i]와 T[j]는 감광화소의 재설정, 리셋, 감광시간 제어, 전하 전이, 화소 합병과 화소 판독을 제어하는데 사용된다. 행열의 대칭성으로 인해 RS[i]와 T[j]는 수많은 구체적인 실현방식을 가진다. 이러한 신호의 구체적인 실현방식은 한정되지 않는다.
상기와 같이, 상기 다중 스펙트럼 감광소자의 전체도 샘플링방식은 행에 따른 스캐닝, 행에 따른 판독 방식 또는 행에 따른 스캐닝, 행을 띄우거나 또는 행을 건너뛰는 판독방식을 포함한다.
실시방식은 상기 다중 피사계 심도 감광소자를 포함하는 감광시스템을 제조하는 것을 더 포함한다.
상기 감광시스템은 정면, 배면 또는 양방향의 이미지를 획득하는데 사용된다.
상기 감광시스템은 디지털 카메라, 촬영 핸드폰, 비디오 카메라, 동영상 또는 촬영 모니터링 시스템, 이미지 식별 시스템, 의학 이미지 시스템, 군용, 소방 및 갱내 이미지 시스템, 자동추적 시스템, 입체영상 시스템, 기기시각 시스템, 자동차 시각 또는 보조 운전 시스템, 전자게임 시스템, 웹캠, 적외선과 야시 시스템, 다중 스펙트럼 화상 시스템과 컴퓨터 캠을 포함한다.
실시방식은 피사계 심도 확장방법을 실현하는 것을 더 포함한다. 상기 피사계 심도 확장방법에 있어서, 감광소자에 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층을 설치하는 동시에 적어도 2개의 상기 감광화소층을 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치함으로써 상기 감광소자로부터 특정된 거리만큼 떨어진 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 상기 감광화소층에 집광되게 하는 단계를 포함한다.
피사계 심도 확장방법에 있어서, 상이한 감광화소층에서 오는, 상이한 해상도를 가진 이미지를 통하여 한폭의 뚜렷한 이미지를 획득한다.
실시방식은 화상방법을 더 포함한다. 상기 화상방법에 있어서, 상기 감광소자가 화상에서의 응용은 렌즈 및 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층의 감광소자를 설치하는 것이다. 상기 감광소자를 상기 렌즈로부터 특정된 거리만큼 떨어진 곳에 방치하고 또한 적어도 2개의 상기 감광화소층 사이에서 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치함으로써 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 상기 감광화소층에 집광되게 한다.
도11 내지 도14를 참조하면, 실시방식은 광학 화상 시스템을 더 포함한다. 상기 광학 화상시스템에 있어서, 렌즈와 다중 피사계 심도 감광소자를 포함하고, 상기 다중 피사계 심도 감광소자는 상기 렌즈로부터 특정된 거리만큼 떨어진 곳에 배치되며, 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층을 포함하며, 적어도 상기 감광화소층사이에서 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치되어, 상기 감광소자로부터 특정된 거리만큼 떨어진 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 감광화소층에 집광되게 한다.
도13과 같이, 상이한 거리의 모든 흥미를 느끼는 파장의 광이 각각 매개 감광화소층에 집광될 수 있다. 또는 도14와 같이, 동일한 거리의 상이한 파장의 광이 각각 매개 감광화소층에 집광될 수 있다. 또한 상이한 거리의 상이한 파장의 광이 각각 매개 감광화소층에 집광될 수도 있다.
실시방식은 매개 감광화소층이 상기 광학렌즈와 멀리 떨어질수록 매개 감광화소층에 집광된 광의 파장이 점차적으로 증가되는 것을 포함한다. 또는, 매개 감광화소층에서 보다 먼 거리의 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광된다.
예하면, 광원을 감지할 수 있는 2개의 감광화소층을 포함하고, 2개의 감광화소층이 각각 렌즈의 제1영상거리와 제2영상거리에 위치할 경우, 광학렌즈설계를 통하여 자외광, 남색광, 녹색광, 청색광 또는 백색광을 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광시키고, 상응하게 남색광, 녹색광, 적색광, 황색광 또는 적외광을 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광시킬 수 있다.
또한 예하면, 광원을 감지할 수 있는 3개의 감광화소층을 포함하고, 3개의 감광화소층이 각각 렌즈의 제1영상거리, 제2영상거리, 제3영상거리에 위치할 경우, 광학렌즈설계를 통하여 자외광, 남색광, 녹색광 또는 청색광을 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광시키고, 상응하게 적색광, 황색광, 가시광선 또는 적외광을 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광시키며, 상응하게 녹색광, 황색광, 가시광선 또는 적색광을 중간의 감광화소층에 집광시킬 수 있다.
또한 예하면, 광원을 감지할 수 있는 4개의 감광화소층을 포함하고, 4개의 감광화소층이 각각 렌즈의 제1영상거리, 제2영상거리, 제3영상거리, 제4영상거리에 위치할 경우, 광학렌즈설계를 통하여 자외광, 남색광, 녹색광 또는 청색광을 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광시키고, 상응하게 적색광, 황색광, 백색광 또는 적외광을 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광시키며, 상응하게 남색광, 녹색광 또는 청색광을 렌즈에서 두번째로 가까운 감광화소층에 집광시키고, 상응하게 녹색광, 적색광, 백색광 또는 황색광을 렌즈에서 세번째로 가까운 감광화소층에 집광시킬 수 있다.
또한 예하면, 광원을 감지할 수 있는 2개의 감광화소층을 포함하고 2개의 감광화소층이 각각 렌즈의 제1영상거리, 제2영상거리에 위치할 경우, 광학렌즈설계를 통하여 자외광 또는 가시광선을 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광시키고, 가시광선 또는 적외광을 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광시킬 수 있다.
또한 예하면, 광원을 감지할 수 있는 3개의 감광화소층을 포함하고 3개의 감광화소층이 각각 렌즈의 제1영상거리, 제2영상거리, 제3영상거리에 위치할 경우, 광학렌즈설계를 통하여 자외광 또는 백색광을 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광시키고, 백색광 또는 적외광을 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광시키며, 백색광을 중간의 감광화소층에 집광시킬 수 있다.
또한 예하면, 광원을 감지할 수 있는 4개의 감광화소층을 포함하고 4개의 감광화소층이 각각 렌즈의 제1영상거리, 제2영상거리, 제3영상거리, 제4영상거리에 위치할 경우, 광학렌즈설계를 통하여 자외광 또는 백색광을 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광시키고, 백색광 또는 적외광을 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광시키며, 백색광을 렌즈에서 두번째로 가까운 감광화소층에 집광시키고, 백색광을 렌즈에서 세번째로 가까운 감광화소층에 집광시킬 수 있다.
여기서 주의해야 할 바는, 상기 예에서 모든 흥미를 느끼는 파장을 가진 광에 있어서, 예하면 백색광의 경우, 백색광이 상이한 감광화소층에 집광된 것으로 설명한다면 이는 일반적으로 상이한 거리에서 유래된다. 즉, 예하면 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광된 것은 무한대로 먼 곳의 백색광이고, 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광된 것은 흥미를 느끼는 최단거리의 백색광이다. 즉, 2개의 감광화소층에 집광된 광신호의 주파수 스펙트럼의 특성이 동일할 경우, 이는 반드시 상이한 거리 특성을 구비한다.
본 발명의 다중 피사계 심도 감광소자는 다중 스펙트럼의 우수한 특성을 구비하며, 동시에 수많은 컬러신호와 기타 스펙트럼신호를 획득할 수 있다. 예하면, 일종의 4층 감광소자의 경우, 광행로를 따라 광원과의 거리가 가까운데서 먼데로 가는 순서에 따라 자외광을 감지하는 하나의 제1화학 도막 감광화소층, 남색광, 녹색광 또는 청색광을 감지하는 하나의 제1반도체 감광화소층, 적색광, 황색광 또는 녹색광을 감지하는 하나의 제2반도체 감광화소층, 적외광을 감지하는 하나의 제2화학 도막 감광화소층을 배치할 수 있다. 여기서, 제1반도체 감광화소층과 제2반도체 감광화소층은 각각 2개의 반도체 베이스층 상에 형성되고, 2개의 반도체 베이스층 사이에 미리 설정된 두께를 구비한 하나의 투광층을 설치하며, 제1화학 도막 감광화소층은 제1반도체 감광화소층에 소재한 베이스층의 상단면의 상방에 배치되고 제2화학 도막 감광화소층은 제2반도체 감광화소층이 소재한 베이스층의 바닥면의 하방에 배치된다. 이로써 피사계 심도 확장을 실현했을 뿐만 아니라 또한 거의 최대한도로 입사광의 에너지를 이용하고 컬러를 얻는 동시에 풀 스펙트럼의 정보도 얻으며 상이한 감광재료의 특점을 충분히 발휘시킬 수 있다. 이러한 4층 다중 스펙트럼 감광소자의 제조난이도는 그닥 높지 않다. 위에서 설명한 본 발명자가 기존 발명의 선진적인 샘플링 및 전하합병과 컬러변환을 현저한 특징으로 하는 서브 샘플링 회로와 방법을 결합하여 사용할 경우, 진일보로 감광소자와 시스템의 복잡도를 대폭 감소시킴으로써 각종 응용에 거대한 편의와 탁월한 성능을 제공할 수 있다.
본 발명의 다중 피사계 심도 감광소자에 있어서, 우선 실현한 첫번째 특수용도는 피사계 심도 확장이며, 기존의 EDoF는 주로 광학적, 수학적 수단을 사용하여 피사계 심도 확장을 실현했다. 일반적으로 예하면 렌즈 등을 이용하여 자동 집광을 진행해야 하는데 비해, 본 발명은 직접적으로 소자 내의 상이한 감광화소층을 통하여 미리 설정된 간격에 따라 이격설치하는 이러한 물리적 수단을 통하여 피사계 심도 확장을 실현한다. 다음, 실현한 두번째 특수 용도는 글로벌 전자셔터를 실현하는 것이다. 기존의 글로벌 전자셔터(Global Shutter)는 주로 판독회로의 수단을 사용한데 비해, 본 발명은 비감광 전이 및 판독 화소를 이용하여 기계셔터를 사용하지 않는 상황하에서 높은 화소의 고속 촬영을 실현할 수 있다. 이 두가지 실현(즉 피사계 심도 확장과 글로벌 전자셔터)이 하나의 감광소자 상에서 통합될 경우, 다층 다중 스펙트럼 감광소자의 거대한 위력이 충분하게 발휘되게 된다. 따라서 본 발명은 수많은 지표와 성능 면에서 기존의 방법을 대폭 초월한다.
본 발명의 다중 피사계 심도 감광소자에 있어서, 상이한 감광화소층의 거리를 조정하는 것을 통하여 민감도를 대폭 향상시키는 것을 제외한 외에도 시스템의 피사계 심도 범위를 대폭 증가할 수 있으며 이로써 이미지가 보다 선명하며 시스템의 반응속도가 보다 빠르고 반응면이 보다 넓게 할 수 있으며 나아가서는 모종의 응용 중의 자동 집광 수요를 제거할 수 있다. 본 발명의 다중 피사계 심도 감광소자는 이가 포함한 피사계 심도 범위내에서 고속도로 뚜렷한 이미지를 얻을 수 있으며 초점 조정 과정을 거칠 필요가 없다. 피사계 심도 확장은 자동 집광의 난이도와 원가를 인하할 수 있는 외에도 심지어는 예하면 핸드폰 촬영, 미세거리 촬영 또는 원거리 촬영 등 모종의 응용에서 자동 집광 수요를 철저히 제거할 수 있다. 피사계 심도 확장은 또한 한장의 사진에서 상이한 거리에 있는 물체가 동시에 선명해지게 할 수 있다. 이는 일부 특수 응용 중에서 극히 유용하며, 자동 집광으로 실현할 수 없는 것이다. 왜냐하면, 기존의 자동 집광 시스템은 어느 한 거리 내의 물체만 선명하게 화상되게 할 수 있고 비교적 넓은 범위 내의 물체가 모두 선명하게 할 수는 없기 때문이다. 따라서, 본 발명의 피사계 심도 확장의 실현은 자동 집광 능력을 구비한 시스템 중에서도 여전히 매우 큰 가치를 구비한다.
본 발명의 다중 피사계 심도 감광소자의 고민감도로 인해 그 감광속도 역시 대폭 향상될 수 있으며, 이로써 많은 응용 중에서 기계셔터를 제거하는데 가능성을 제공했다. 이로써, 본 발명의 다중 피사계 심도 감광소자의 경우, 층을 건너뛰어 판독하는 기능을 구비한 글로벌 전자셔터의 실현을 더 제출함으로써 어느 한 응용 중에서 필요로 할 수 있는 기계셔터를 대체하려 했다. 글로벌 전자셔터의 작용은 한순간에 감광화소 중의 전하 또는 전압값을 비감광 판독 화소 중에 카피함으로써 판독회로가 용이하게 판독되게 한다.
피사계 심도 확장 글로벌 전자셔터의 실현과 결부해, 양자를 하나의 감광소자에 통합할 경우, 자동 집광과 기계셔터를 필요로 하지 않는 고성능, 고속도, 고화소 감광시스템은 칩의 방식을 통하여 실현할 수 있고 시스템의 사이즈, 복잡도, 전력소모와 원가를 대폭 절감하며 수많은 새로운 응용에 가능성을 제공해 줄 수 있다.
글로벌 전자셔터 또는 다중 피사계 심도를 구비한 이러한 감광소자는 감광시스템으로 하여금 기계셔터를 절약하게 하거나 또는 자동 집광 시스템을 절약하게 할 수 있으며(또는 자동 집광 시스템에 대한 요구를 인하시킴), 또한 감광소자 클럭을 빠르게 하지 않는 상황하에서 고속 전자셔터 또는 뚜렷한 화상을 실현할 수 있다.
감광시스템의 기계 복잡도의 요구를 최대한도로 간소화한 동시에 본 발명은 2층 또는 다층 분포를 이용하고 선진적인 2층 또는 다층 보완 또는 직교 컬러패턴 어레이의 방법을 결부하여 입사광자의 에너지를 최대한도로 이용할 수 있고, 컬러 여광막을 사용하지 않거나 또는 소량의 컬러 여광막을 사용하여 광전변환효율의 이론적 상한에 도달하거나 비슷하게 도달하고 컬러를 완정하게 재구성하는 동시에 자외선 이미지, 근적외선 이미지와 원적외선 이미지를 포함한 기타 스펙트럼 이미지를 얻을 수 있다.
감광화소층과 판독회로가 분층된 후, 판독회로층의 판독회로와 처리 계산을 매우 정밀하고 복잡하게 할 수 있으며 싱글칩 감광시스템의 제조에 거대한 편리를 제공해 준다.
이러한 다중 피사계 심도 감광소자는 동시에 수많은 컬러신호와 기타 스펙트럼 신호를 얻을 수 있으며, 본 발명자가 앞서 발명한 선진적인 샘플링 및 전하 합병과 컬러 변환을 현저한 특징으로 하는 서브 샘플링 회로와 방법을 사용하여 감광소자와 시스템의 복잡도를 대폭 인하시킬 수 있으며 이로써 각종 응용에 큰 편리와 탁월한 성능을 제공하게 된다.
이러한 다중 피사계 심도 감광소자는 정면 감광, 배면 감광 또는 양방향 감광에 사용될 수 있다. 각 층의 감광소자의 화소 감지 스펙트럼 밴드와 각 층의 컬러패턴의 합리한 분포를 정밀하게 배치하는 것을 통하여 각종 바람직한 다중 스펙트럼 감광소자를 산생시킬 수 있으며, 예하면 고민감도 컬러 감광소자, 고민감도 컬러와 적외선 감광소자， 잡색이 없는(잡색은 보간을 통하여 발생됨)고민감도 컬러 또는 다중 스펙트럼 감광소자 등 각종 바람직한 다중 스펙트럼 감광소자를 산생시킬 수 있다.
능동 화소와 수동 화소 판독을 결부시키는 수단을 사용하여 매우 낮은 출력을 가진 감광소자와 매우 높은 동적 범위를 가진 감광소자를 얻을 수 있다.
상기 내용은 구체적인 실시방식을 결부하여 본 발명에 대하여 진행한 진일보로 되는 상세한 설명이며, 본 발명의 구체적인 실시가 상기 설명내용에만 한정된다고 이해해서는 안된다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 전제하에 약간의 간단한 추정이나 교체를 진행할 수 있으며 이는 모두 본 발명의 보호범위에 속해야 할 것이다.

Claims (46)

  1. 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층을 포함하고, 적어도 2개의 상기 감광화소층 사이에서 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치됨으로써 감광소자로부터 특정된 거리만큼 떨어진 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 상기 감광화소층에 집광되게 하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감광화소층은 화학 도막 감광화소층과 반도체 감광화소층 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 화학 도막 감광화소층은 양자점 감광화소를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 반도체 감광화소층은 CMOS감광성 다이오드, CMOS감광성 게이트, CCD감광성 다이오드, CCD감광성 게이트 및 양방향 전하전이기능을 구비한 CMOS, CCD 감광다이오드와 감광성 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상이한 광신호는 상이한 거리의 광신호 또는 상이한 파장의 광신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    파장이 보다 짧은 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 감광화소층은 2층이며, 자색광, 남색광, 녹색광 또는 청색광이 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되고，녹색광, 적색광, 황색광, 가시광선 또는 적외광이 렌즈에서 보다 먼 감광화소층에 집광되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 감광화소층은 3층이며, 자외광, 남색광 또는 청색광이 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되고; 남색광, 녹색광, 적색광 또는 황색광이 중간에 위치한 감광화소층에 집광되며; 적색광, 황색광, 가시광선 또는 적외광이 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  9. 제5항에 있어서,
    보다 먼 거리의 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 감광화소층은 2층이며, 무한대로 먼 곳의 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되고，흥미를 느끼는 최단거리의 광신호가 렌즈에서 보다 먼 감광화소층에 집광되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  11. 제10항에 있어서,
    무한대로 먼 곳의 자색광, 남색광, 녹색광 또는 청색광이 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되고，흥미를 느끼는 최단거리의 녹색광, 적색광, 황색광, 가시광선 또는 적외광이 렌즈에서 보다 먼 감광화소층에 집광되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 감광화소층은 3층이며, 무한대로 먼 곳의 광신호가 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광되고，흥미를 느끼는 최단거리의 광신호가 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광되며，무한대로 먼 곳과 흥미를 느끼는 최단거리 사이의 하나의 중간거리의 광신호가 중간에 위치한 감광화소층에 집광되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 감광화소층은 3층이며, 무한대로 먼 곳의 자외광, 남색광 또는 청색광이 렌즈에서 가장 가까운 감광화소층에 집광되고, 흥미를 느끼는 최단거리의 적색광, 황색광, 가시광선 또는 적외광이 렌즈에서 가장 먼 감광화소층에 집광되며，무한대로 먼 곳과 흥미를 느끼는 최단거리 사이의 하나의 중간거리의 남색광, 녹색광, 적색광 또는 황색광이 중간에 위치한 감광화소층에 집광되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흥미를 느끼는 최단거리는 2mm, 5mm, 7mm, 1cm, 2cm, 3cm, 5cm, 7cm, 10cm, 20cm, 30cm, 40cm, 50cm, 60cm, 70cm, 80cm, 100cm 또는 150cm를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2개의 상기 감광화소층 사이에 투광층이 설치되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감광화소층 중의 감광화소는 정면 감광화소, 배면 감광화소 또는 양방향 감광화소인 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  17. 제16항에 있어서,
    감광소자가 양방향 감광화소일 경우, 그 감광방향 선택방식은 격리 방향선택, 시분할 방향선택, 영역분할 방향선택 또는 화소 방향선택인 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감광화소층 중의 감광화소는 자외선, 가시광선, 근적외선과 원적외선 중의 하나를 포함하는 보완 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드를 각각 감지하거나 또는 상기 화학 도막 감광화소와 반도체 감광화소는 자외선, 가시광선, 근적외선과 원적외선 중의 하나를 포함하는 직교 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드를 각각 감지하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 보완 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드는 자외선 스펙트럼, 남색 스펙트럼, 녹색 스펙트럼, 적색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼, 원적외선 스펙트럼, 청색 스펙트럼, 황색 스펙트럼, 백색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼을 포함하고,
    상기 직교 스펙트럼 밴드 또는 서브 스펙트럼 밴드는 자외선 스펙트럼, 남색 스펙트럼, 녹색 스펙트럼, 적색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼, 원적외선 스펙트럼, 청색 스펙트럼, 황색 스펙트럼, 백색 스펙트럼, 근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 적색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 황색 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼+가시광선 스펙트럼+근적외선 스펙트럼+원적외선 스펙트럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    매개 감광화소층 중의 컬러 배열은 동일 배열, 수평 배열, 수직 배열, 대각 배열, 광의적 바이유(Bayeux) 배열, YUV422 배열, 횡방향 YUV422 배열, 셀룰러(Cellular) 배열, 균일분포 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 감광화소층 중의 일부 또는 전부 감광화소의 정면, 배면 또는 양면에 여광막이 설치되고 상기 여광막의 주파수 선택 특성은 적외선차단필터, 남색 통과대역, 녹색 통과대역, 적색 통과대역, 청색 통과대역, 황색 통과대역, 자홍색 통과대역 또는 가시광선 통과대역을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감광화소층 중의 인접한 2개 층에 각각 판독회로가 설치되거나 또는 상기 감광화소층의 인접한 2개 층이 판독회로를 공용하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 판독회로는 능동 화소 판독회로, 수동 화소 판독회로 또는 능동 화소와 수동 화소의 혼합 판독회로인 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 능동 화소는 3T, 4T, 5T 또는 6T 능동 화소를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 판독회로의 공용방식은 단층 또는 상하층 4포인트 공유방식, 단층 또는 상하층 6포인트 공유방식, 단층 또는 상하층 8포인트 공유방식이거나 단층 또는 상하층 임의의 포인트 공유방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  26. 제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판독회로는 매개 감광화소층의 화소 어레이 중의 인접한 동행이열, 이행동열 또는 이행이열의 화소사이에 대하여 쌍쌍합병샘플링을 진행하여 제1합병화소의 샘플링 데이터를 얻는 제1합병유닛; 및 제1합병유닛에서 얻은 제1합병화소의 샘플링 데이터에 대하여 합병샘플링을 진행함으로써 제2합병화소의 샘플링 데이터를 얻는 제2합병유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 판독회로는 제2합병유닛에서 얻은 제2합병화소의 샘플링 데이터에 대하여 합병샘플링을 진행함으로써 제3합병화소의 샘플링 데이터를 얻는 제3합병유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    상기 제1합병유닛 또는 제2합병유닛의 화소합병방식은 동일하거나 또는 상이한 컬러화소 간의 전하섞임방식 또는 상이한 컬러화소 간의 신호평균방식이며, 여기서 상이한 컬러화소 간의 화소합병방식은 컬러공간 변환의 방식에 따라 컬러 재구성의 요구를 충족시키도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 컬러공간 변환은 RGB로부터 CyYeMgX공간에 이르는 변환, RGB로부터 YUV공간에 이르는 변환 또는 CyYeMgX공간으로부터 YUV공간에 이르는 변환을 포함하며, 여기서 X는 R(적색), G(녹색), B(남색) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 전하섞임방식은 화소에 의해 직접 병렬 연결되거나 또는 전하를 동시에 판독 커패시터(FD) 중에 전이하여 완수되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  31. 제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1합병유닛 또는 제2합병유닛의 컬러 기반 합병샘플링방식은 동색합병방식, 이색합병방식, 혼합합병방식 또는 여분의 컬러를 선택적으로 버릴 수 있는 합병방식을 포함하며, 또한 제1합병유닛과 제2합병유닛이 사용한 합병샘플링방식이 다를 경우에는 동색합병방식인 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  32. 제26항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1합병유닛 또는 제2합병유닛의 위치 기반 합병샘플링방식은 직접 버스(Bus)에 출력하는 신호자동평균방식, 행을 건너뛰는 방식 또는 열을 건너뛰는 방식 및 순차별 샘플링방식 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  33. 제27항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3합병유닛의 합병샘플링방식은 컬러공간 변환방식과 후단 디지털 이미지 스케일링(scaling)방식 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    층을 건너뛰어 판독하는 기능을 구비한 글로벌 전자셔터를 포함하며, 상기 글로벌 전자셔터는 동시에 전이 가능하고 1층 또는 다층 감광화소층의 전하 또는 전압값을 판독할 수 있는 복수개의 비감광 전이 및 판독 화소를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 복수개의 비감광 전이 및 판독 화소는 비감광화소의 전이 및 판독층에 위치하거나 또는 상기 감광화소층에 위치하는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  36. 제35항에 있어서,
    매개 감광화소층에는 하나의 인접한 비감광화소 전이 및 판독층이 설치되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  37. 제34항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비감광 전이 및 판독 화소는 반도체 회로로 제조되는 것을 특징으로 하는 다중 피사계 심도 감광소자.
  38. 감광소자에 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층이 설치되는 동시에 적어도 2개의 상기 감광화소층은 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치됨으로써 상기 감광소자로부터 특정된 거리만큼 떨어진 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 상기 감광화소층에 집광되게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피사계 심도 확장방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상이한 감광화소층에서 오는 상이한 해상도를 구비한 이미지를 통하여 한폭의 뚜렷한 이미지를 얻는 것을 특징으로 하는 피사계 심도 확장방법.
  40. 렌즈 및 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층을 포함하는 감광소자를 설치하는 단계;
    상기 감광소자를 상기 렌즈로부터 특정된 거리만큼 떨어진 곳에 방치하며, 또한 적어도 2개의 상기 감광화소층 사이는 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치됨으로써 상기 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 상기 감광화소층에 집광되게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 화상 방법.
  41. 렌즈와 다중 피사계 심도 감광소자를 포함하고, 상기 다중 피사계 심도 감광소자는 상기 렌즈로부터 특정된 거리만큼 떨어진 곳에 배치되고, 광원을 감지할 수 있는 적어도 2개의 감광화소층을 포함하며, 적어도 2개의 상기 감광화소층 사이는 미리 설정된 간격에 따라 이격 배치됨으로써 상기 렌즈에서 오는 상이한 광신호가 상이한 상기 감광화소층에 집광되게 하는 것을 특징으로 하는 광학 화상 시스템.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 상이한 광신호는 상이한 거리의 광신호 또는 상이한 파장의 광신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 화상 시스템.
  43. 제42항에 있어서,
    파장이 보다 짧은 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되는 것을 특징으로 하는 광학 화상 시스템.
  44. 제42항에 있어서,
    보다 먼 거리의 광신호가 렌즈에서 보다 가까운 감광화소층에 집광되는 것을 특징으로 하는 광학 화상 시스템.
  45. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 따른 감광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 감광시스템.
  46. 제45항에 있어서,
    디지털 카메라, 카메라 핸드폰, 비디오 카메라, 동영상 또는 촬영 모니터링 시스템, 이미지 식별 시스템, 의학 이미지 시스템, 군용/소방/갱내 이미지 시스템, 자동추적 시스템, 입체 영상 시스템, 기계 시각 시스템, 자동차 시각 또는 보조 운전 시스템, 전자게임 시스템, 웹캠, 적외선/야시 시스템, 다중 스펙트럼 화상 시스템과 컴퓨터 캠 중의 하나를일종을 포함하는 것을 특징으로 하는 감광시스템.

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