Светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости, система, способ расширения глубины резкости и оптическая система формирования изображений
Светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости содержит два светочувствительных пиксельных слоя. Причем различные светочувствительные пиксельные слои обнаруживают световые сигналы с различными цветами. Два указанных слоя размещены с интервалом таким образом, чтобы световые сигналы с различных расстояний и с различными цветами фокусировались на разных светочувствительных пиксельных слоях посредством линзы. Технический результат заключается в создании светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 25 ил.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение имеет отношение к области восприятия света и, в частности, к светочувствительному устройству с множественной глубиной резкости, светочувствительной системе, использующей светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости, способу расширения глубины резкости и оптической системе и способу формирования изображений.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение является продолжением к заявкам "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ его изготовления" (PCT/CN2007/071262), "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ его изготовления" (заявка на патент Китая № 200810217270.2), "Светочувствительное устройство с множественным спектром" (заявка на патент Китая № 200910105372. X), "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ дискретизации для него" (заявка на патент Китая № 200910105948.2) и "Светочувствительное устройство и способ считывания для него и схема считывания" (заявка на патент Китая № 200910106477.7), поданным автором изобретения ранее, и имеет целью обеспечить реализацию более конкретного и предпочтительного светочувствительного устройства с множественным спектром на уровне микросхем и систем.
Светочувствительная система является системой, которая захватывает и собирает сцену через оптическую линзу и делает запись сцены через светочувствительное устройство, такое как светочувствительная микросхема с комплементарной структурой "металл-оксид-полупроводник" (CMOS; КМОП). Когда светочувствительная система работает, процедура корректировки линзы для обеспечения возможности четкого изображения сцены на расстоянии от линзы называется фокусировкой, и точка, в которой расположена сцена, называется точкой фокусировки. "Четкость" является относительной, таким образом, изображение сцены на некотором расстоянии перед (ближе к линзе) или позади точки фокусировки может быть четким, и общая сумма этих переднего и заднего диапазонов называется глубиной резкости. Обычно передняя глубина резкости меньше, чем задняя глубина резкости, а именно после точной фокусировки может быть четко отображена сцена только на очень коротком расстоянии перед точкой фокусировки, в то время как сцена на очень длинном расстоянии позади точки фокусировки является четкой.
Система для получения четкого изображения с широкой глубиной резкости является одной из целей исследования в течение долгого времени. Исследование указывает, что величина глубины резкости соотносится с фокусным расстоянием линзы, линза с длинным фокусным расстоянием имеет маленькую глубину резкости, и линза с коротким фокусным расстоянием имеет большую глубину резкости. Можно заметить, что корректировка фокусного расстояния линзы является одним из средств для получения четкого изображения с широкой глубиной резкости; кроме того, в соответствии с базовой формулой обработки изображений геометрической оптики (
, где f - фокусное расстояние линзы, u - расстояние объекта, а именно расстояние от снимаемого объекта до линзы, и v - расстояние изображения, а именно расстояние от линзы до светочувствительного устройства) можно заметить, что динамическая корректировка расстояния изображения также является одним из средств для получения четкого изображения с широкой глубиной резкости.
Поэтому, автоматический способ фокусировки в существующей светочувствительной системе использует одно из упомянутых двух средств. Например, линза сформирована из группы элементов линзы, и расстояние между элементами линзы корректируется таким образом, чтобы фокусное расстояние линзы или расстояния изображения (между линзой и светочувствительным устройством) могло быть скорректировано (для реализации оптического изменения масштаба или фокусировки); или светочувствительное устройство CMOS, например, приводится в движение для смещения и тем самым изменения расстояние изображения (для реализации оптической фокусировки). Однако очевидно, что фокусировка обоих этих способов нуждается в электрически управляемом механизме и сложном и точном механическом компоненте для управления смещением элементов линзы или светочувствительного устройства. Таким образом, заметно увеличивается не только размер, но также и стоимость и потребление энергии. Во многих применениях, таких как камера мобильного телефона и медицинская камера, эти увеличения представляют собой очевидно неблагоприятные факторы.
Поэтому предлагаются некоторые системы с большой глубиной резкости, не использующие механизм движения, в попытке заменить требование автоматической фокусировки в некоторых применениях. Эту систему называют системой с расширенной глубиной резкости (EDoF) в применении к камере мобильного телефона. Например, в системе EDoF, предложенной корпорацией DXO, посредством конкретной конфигурации линзы красные светочувствительные пиксели в светочувствительном устройстве фокусируются на бесконечно далеком месте, и синие светочувствительные пиксели фокусируются на близком расстоянии в максимально возможной степени (например, 50 см). Однако зеленые светочувствительные пиксели фокусируются на промежуточном местоположении. Таким образом, независимо от того, где расположен объект, всегда имеется изображение, цвет которого различим или относительно различим. Впоследствии через математическое средство различимый цвет берется в качестве основной части, и недостаточно различимый цвет берется в качестве вспомогательной информации, с тем чтобы различимое изображение могло быть восстановлено и вычислено в широком диапазоне.
Однако если используется однослойное светочувствительное устройство, когда красные светочувствительные пиксели сфокусированы на бесконечно далеком месте, обычно очень трудно сделать расстояние фокусировки синих светочувствительных пикселей меньше 50 см. Кроме того, для светочувствительного устройства, использующего байесовский шаблон, красные пиксели и синие пиксели каждые составляют только 1/4 светочувствительных пикселей. Поэтому, когда требуется взять красный или синий цвет в качестве основной части вычисления определения, разрешение изображения уже уменьшается до значения ниже половины относительно разрешения, полученного, когда в качестве основной части взят зеленый цвет. Можно заметить, что это решение имеет некоторые ограничения.
Таким образом, по-прежнему необходимо улучшить существующее светочувствительное устройство или систему.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема, которая будет решена настоящим изобретением, состоит в том, чтобы обеспечить светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости, светочувствительную систему, использующую светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости, способ расширения глубины резкости и оптическую систему и способ формирования изображений, которые реализуют автоматическую фокусировку или построение изображений на множественных расстояниях в физическом средстве без использования электрически управляемого механизма или сложного и точного механического компонента и имеют хорошую производительность по расширению глубины резкости.
Для решения упомянутой технической проблемы настоящее изобретение использует следующие технические решения.
Светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости включает в себя по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, причем по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя расположены с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы разные световые сигналы от линзы на заданном расстоянии от светочувствительного устройства были сфокусированы на разных светочувствительных пиксельных слоях.
В варианте осуществления настоящего изобретения светочувствительный пиксельный слой включает в себя по меньшей мере один элемент множества, состоящего из светочувствительного пиксельного слоя с химическим покрытием и полупроводникового светочувствительного пиксельного слоя.
В варианте осуществления настоящего изобретения светочувствительный пиксельный слой химического покрытия включает в себя точечный квантовый светочувствительный пиксель.
В варианте осуществления настоящего изобретения полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой включает в себя светочувствительный диод с комплементарной структурой "металл-оксид-полупроводник" (CMOS; КМОП), светочувствительный затвор CMOS, светочувствительный диод с зарядовой связью (CCD; ПЗС), светочувствительный затвор CCD, и светочувствительный диод и светочувствительный затвор CMOS и CCD имеют функцию двунаправленного переноса заряда.
В варианте осуществления настоящего изобретения разные световые сигналы включают в себя световые сигналы на разных расстояниях или световые сигналы с разными длинами волн.
В варианте осуществления настоящего изобретения световой сигнал с меньшей длиной волны фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе.
В варианте осуществления настоящего изобретения светочувствительный пиксельный слой является двухслойным, фиолетовый свет, синий свет, зеленый свет или голубой свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе, и зеленый свет, красный свет, желтый свет, видимый свет или инфракрасный свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше от линзы.
В варианте осуществления настоящего изобретения светочувствительный пиксельный слой является трехслойным, и ультрафиолетовый свет, синий свет или голубой свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе; синий свет, зеленый свет, красный свет или желтый свет фокусируется на промежуточном светочувствительном пиксельном слое; красный свет, желтый свет, видимый свет или инфракрасный свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы.
В варианте осуществления настоящего изобретения световой сигнал на более далеком расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе.
В варианте осуществления настоящего изобретения светочувствительный пиксельный слой является двухслойным, бесконечно далекий световой сигнал фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе, и световой сигнал на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше от линзы.
В варианте осуществления настоящего изобретения бесконечно далекий фиолетовый свет, синий свет, зеленый свет или голубой свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе, и зеленый свет, красный свет, желтый свет, видимый свет или инфракрасный свет на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше от линзы.
В варианте осуществления настоящего изобретения светочувствительный пиксельный слой является трехслойным, бесконечно далекий световой сигнал фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе, световой сигнал на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы, и световой сигнал на промежуточном расстоянии между бесконечно далеким световым сигналом и световым сигналом на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на промежуточном светочувствительном пиксельном слое.
В варианте осуществления настоящего изобретения светочувствительный пиксельный слой является трехслойным, бесконечно далекий ультрафиолетовый свет, синий свет или голубой свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе, красный свет, желтый свет, видимый свет или инфракрасный свет на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы, и синий свет, зеленый свет, красный свет или желтый свет на промежуточном расстоянии между бесконечно далеким ультрафиолетовым светом, синим светом или голубым светом и красным светом, желтым светом, видимым светом или инфракрасным светом на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на промежуточном светочувствительном пиксельном слое.
В варианте осуществления настоящего изобретения самое короткое интересующее расстояние включает в себя 2 мм, 5 мм, 7 мм, 1 см, 2 см, 3 см, 5 см, 7 см, 10 см, 20 см, 30 см, 40 см, 50 см, 60 см, 70 см, 80 см, 100 см или 150 см.
В варианте осуществления настоящего изобретения светопроницаемый слой расположен по меньшей мере между двумя светочувствительными пиксельными слоями.
В варианте осуществления настоящего изобретения светочувствительный пиксель в светочувствительном пиксельном слое представляет собой передний светочувствительный пиксель, задний светочувствительный пиксель или двунаправленный светочувствительный пиксель.
В варианте осуществления настоящего изобретения, когда светочувствительный пиксель является двунаправленным светочувствительным пикселем, способ выбора направления его световосприятия представляет собой выбор направления посредством изоляции, выбор направления посредством разделения по времени, выбор направления посредством разделения по областям или выбор направления по пикселю.
В варианте осуществления настоящего изобретения каждый светочувствительный пиксель в светочувствительном пиксельном слое возбуждается взаимодополняющим диапазоном или поддиапазоном ультрафиолетового света, видимого света, ближнего инфракрасного света и дальнего инфракрасного света; или каждый светочувствительный пиксель химического покрытия и полупроводниковый светочувствительный пиксель возбуждается ортогональным диапазоном или поддиапазоном ультрафиолетового света, видимого света, ближнего инфракрасного света и дальнего инфракрасного света.
В варианте осуществления настоящего изобретения взаимодополняющий диапазон или поддиапазон включают в себя ультрафиолетовый спектр, синий спектр, зеленый спектр, красный спектр, ближний инфракрасный спектр, дальний инфракрасный спектр, синий спектр, желтый спектр, белый спектр, ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, красный спектр + ближний инфракрасный спектр, красный спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, желтый спектр + ближний инфракрасный спектр, желтый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, видимый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, ультрафиолетовый спектр + видимый спектр, ультрафиолетовый спектр + видимый спектр + ближний инфракрасный спектр и ультрафиолетовый спектр + видимый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр; и
ортогональный диапазон или поддиапазон включают в себя ультрафиолетовый спектр, синий спектр, зеленый спектр, красный спектр, ближний инфракрасный спектр, дальний инфракрасный спектр, синий спектр, желтый спектр, белый спектр, ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, красный спектр + ближний инфракрасный спектр, красный спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, желтый спектр + ближний инфракрасный спектр, желтый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, видимый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, ультрафиолетовый спектр + видимый спектр, ультрафиолетовый спектр + видимый спектр + ближний инфракрасный спектр и ультрафиолетовый спектр + видимый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр.
В варианте осуществления настоящего изобретения цветовое размещение в каждом светочувствительном пиксельном слое включает в себя одинаковое размещение, горизонтальное размещение, вертикальное размещение, диагональное размещение, размещение по обобщенному байесовскому распределению, размещение YUV422, поперечное размещение YUV422, сотовидное размещение и однородное размещение.
В варианте осуществления настоящего изобретения пленка светофильтра расположена на передней стороне, на задней стороне или на двух сторонах части или всех светочувствительных пикселей по меньшей мере в одном светочувствительном пиксельном слое, и характеристики частотного выбора пленки светофильтра включают в себя отсечение инфракрасного, полосное пропускание синего, полосное пропускание зеленого, полосное пропускание красного, полосное пропускание голубого, полосное пропускание желтого, полосное пропускание розово-красного или полосное пропускание видимого света.
В варианте осуществления настоящего изобретения каждый из двух соседних слоев из светочувствительных пиксельных слоев снабжен схемой считывания; или два соседних слоя из светочувствительных пиксельных слоев совместно используют схему считывания.
В варианте осуществления настоящего изобретения схема считывания является схемой считывания для активного пикселя, схемой считывания для пассивного пикселя или смешанной схемой считывания для активного пикселя и пассивного пикселя.
В варианте осуществления настоящего изобретения активный пиксель включает в себя активный пиксель 3T, 4T, 5T или 6T.
В варианте осуществления настоящего изобретения способ совместного использования схемы считывания включает в себя способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с 4 точками, способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с 6 точками, способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с 8 точками, или способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с любым количеством точек.
В варианте осуществления настоящего изобретения схема считывания содержит блок первого объединения, выполненный с возможностью выполнять попарное объединение и дискретизацию над ближайшими пикселями в одинаковых строках и разных столбцах, в разных строках и одинаковых строках или в разных столбцах и разных строках в пиксельной матрице каждого светочувствительного пиксельного слоя для получения данных дискретизации пикселя первого объединения; и блок второго объединения, выполненный с возможностью выполнять объединение и дискретизацию над данными дискретизации пикселя первого объединения, полученными блоком первого объединения, для получения данных дискретизации пикселя второго объединения.
В варианте осуществления настоящего изобретения схема считывания дополнительно содержит блок третьего объединения, выполненный с возможностью выполнять объединение и дискретизацию над данными дискретизации пикселя второго объединения, полученными блоком второго объединения, для получения данных дискретизации пикселя третьего объединения.
В варианте осуществления настоящего изобретения представляет собой способ сложения зарядов между одинаковыми или разными цветовыми пикселями, причем способ объединения пикселя между разными цветовыми пикселями соответствует способу преобразования цветового пространства, чтобы удовлетворять требованию воссоздания цветов.
В варианте осуществления настоящего изобретения преобразование цветового пространства включает в себя преобразование пространства из RGB в CyYeMgX, преобразование пространства из RGB в YUV или преобразование пространства из CyYeMgX в YUV, где X - любой из R (красного), G (зеленого) и B (синего).
В варианте осуществления настоящего изобретения способ сложения зарядов совершается посредством непосредственного параллельного соединения пикселей или одновременного переноса зарядов на считывающий конденсатор (FD).
В варианте осуществления настоящего изобретения способ объединения и дискретизации на основе цвета блока первого объединения или блока второго объединения включает в себя способ объединения одинаковых цветов, способ объединения разных цветов, гибридный способ объединения или способ объединения с выборочным отказом от избыточных цветов, и способ объединения и дискретизации, используемый блоком первого объединения, и способ объединения и дискретизации, принятый блоком второго объединения, не являются одновременно способом объединения одинаковых цветов.
В варианте осуществления настоящего изобретения способ объединения и дискретизации на основе местоположения блока первого объединения или блока второго объединения включает в себя по меньшей мере один из следующих нескольких способов: автоматического способа среднего для сигнала, непосредственно выдаваемого на шину, способа с пропуском строк или с пропуском столбцов и способа поочередной дискретизации.
В варианте осуществления настоящего изобретения способ объединения и дискретизации блока третьего объединения включает в себя: по меньшей мере один способ из способа преобразования цветового пространства и способа цифрового изменения масштаба изображения на выходе.
В варианте осуществления настоящего изобретения в состав включен глобальный электронный затвор, имеющий функцию перекрестного считывания слоев, причем глобальный электронный затвор содержит множество пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием, которые могут переносить и считывать заряд или значение напряжения одного или более светочувствительных пиксельных слоев одновременно.
В варианте осуществления настоящего изобретения множество пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием расположено на слое пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием; или расположено на светочувствительном пиксельном слое.
В варианте осуществления настоящего изобретения каждый светочувствительный пиксельный слой расположен с ближайшим слоем пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием пикселей.
В варианте осуществления настоящего изобретения пиксель с устойчивым к свету переносом и считыванием сделан посредством полупроводниковой схемы.
Настоящее изобретение также обеспечивает способ расширения глубины резкости, включающий в себя этапы, на которых:
располагают в светочувствительном устройстве по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, и размещают по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя с интервалом на предварительно установленном расстояния таким образом, чтобы разные световые сигналы от линзы на заданном расстоянии от светочувствительного устройства были сфокусированы на разных светочувствительных пиксельных слоях.
В варианте осуществления настоящего изобретения четкое изображение получается через изображения с разными разрешениями и от разных светочувствительных пиксельных слоев.
Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает способ оптической обработки изображений, включающие в себя этапы, на которых:
располагают линзы и светочувствительное устройство, включающее в себя по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света; и размещают светочувствительное устройство на заданном расстоянии от линзы, и располагают по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы разные световые сигналы от линзы были сфокусированы на разных светочувствительных пиксельных слоях.
Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает оптическую систему формирования изображений, включающую в себя линзу и светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости, причем светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости размещено на заданном расстоянии от линзы и включает в себя по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, причем по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя размещены с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы разные световые сигналы от линзы были сфокусированы на разных светочувствительных пиксельных слоях.
В варианте осуществления настоящего изобретения разные световые сигналы включают в себя световые сигналы на разных расстояниях или световые сигналы с разными длинами волн.
В варианте осуществления настоящего изобретения световой сигнал с меньшей длиной волны фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе.
В варианте осуществления настоящего изобретения световой сигнал на более далеком расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе.
Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает светочувствительную систему, включающую в себя упомянутое светочувствительное устройство.
В варианте осуществления настоящего изобретения светочувствительная система включает в себя один элемент множества, состоящего из цифровой камеры, мобильного телефона с камерой, видеокамеры, системы отслеживания с видеокамерой или фотокамерой, системы идентификации изображения, медицинской системы формирования изображений, военной, пожарной или подземной системы изображения, системы автоматического отслеживания, системы трехмерного изображения, системы машинного зрения, системы зрения и круиз-контроля автомобиля, системы электронной игры, сетевой камеры, системы инфракрасного и ночного видения, системы формирования изображений с множественным спектром и компьютерной камеры.
В существующей светочувствительной системе система автоматической фокусировки нуждается в электрически управляемом механизме и сложном и точном механическом компоненте, и для линзы с диаметром более 6 мм для реализации автоматической фокусировки с широким диапазоном расстояний от 10 см до бесконечно далекого места расстояние перемещения линзы должно быть больше 0,2 мм, то есть разность между расстоянием изображения для построения четких изображений в бесконечно далеком месте и расстоянием изображения для построения четких изображений в 10 см составляет по меньшей мере 0,2 мм, а именно 200 мкм. Известно, что кремний или все другие полупроводниковые материалы непрозрачны. После того, как свет входит в кремний, на расстоянии приблизительно 12 мкм свет уже поглощается до такой степени, что его остается мало. Таким образом, даже если используется система автоматической фокусировки, существующей светочувствительной системе также очень трудно получить широкий диапазон глубины резкости.
В светочувствительном устройстве с множественной глубиной резкости, светочувствительной системе, использующей светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости, способе расширения глубины резкости и оптической системе и способе формирования изображений настоящего изобретения, располагаются по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, причем по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя размещены с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы разные световые сигналы от линзы на заданном расстоянии от светочувствительного устройства были сфокусированы на разных светочувствительных пиксельных слоях, и тем самым разные светочувствительные пиксельные слои могут получить изображения разных глубин резкости. С точки зрения продуктов светочувствительное устройство может быть изготовлено как независимая светочувствительная микросхема, но с точки зрения применений, таких как оптическое построение изображений, светочувствительное устройство обычно должно использоваться во взаимодействии с линзой. Линза имеет разные характеристики фокусировки в соответствии с ее размером, материалом и конфигурацией кривизны. Например, если обычная линза мобильного телефона используется в качестве примера, ее диапазон глубины резкости обычно составляет от бесконечности до 2 м, и если диапазон глубины резкости превышен, должна быть применена технология автоматической фокусировки. Например, четкая сцена на расстоянии, например, от 50 см до 30 см может быть получена только тогда, когда расстояние от светочувствительного устройства до линзы скорректировано, а именно расстояние изображения скорректировано до соответствующего значения. Однако в настоящем изобретении, если линза выбранного применения представляет собой линзу мобильного телефона, два светочувствительных пиксельных слоя (называемые первым светочувствительным пиксельным слоем и вторым светочувствительным пиксельным слоем) могут быть расположены в светочувствительном устройстве в соответствии со следующим примером. Во время взаимодействия с выбранной линзой мобильного телефона светочувствительное устройство помещается на заданное расстояние от линзы. В это время расстояние от первого светочувствительного пиксельного слоя до линзы представляет собой первое расстояние изображения, и расстояние от второго светочувствительного пиксельного слоя до линзы представляет собой второе расстояние изображения (первое расстояние изображения меньше второго расстояния изображения). В это время заданное расстояние от линзы и предварительно установленное расстояние между двумя светочувствительными пиксельными слоями обеспечивают возможность четко отобразить на первом светочувствительном пиксельном слое сцену в диапазоне глубины резкости от бесконечности до 2 м и на втором светочувствительном пиксельном слое сцену в диапазоне глубины резкости от 50 см до 30 см. Таким образом, реализовано расширение двух глубин резкости или глубины резкости. Следует отметить, что в упомянутом примере количество светочувствительных пиксельных слоев и диапазон глубины резкости являются иллюстративными. Можно понять, что посредством корректировки количества светочувствительных пиксельных слоев и предварительно установленного расстояния между светочувствительными пиксельными слоями могут быть сформированы последовательные, накладывающиеся, взаимодополняющие или ортогональные диапазоны глубины резкости, и соответствующие диапазоны глубины резкости множества светочувствительных пиксельных слоев могут быть наложены таким образом, чтобы светочувствительное устройство имело значительно широкий диапазон глубины резкости, тем самым получая четкое изображение в широком диапазоне глубины резкости без автоматической фокусировки, избегая использования какого-либо электрически управляемого механизма или сложного и точного механического компонента, и заметно экономя свободное место и затраты. В другом аспекте в настоящем изобретении в общем случае полная информация изображения по меньшей мере может быть получена из светочувствительного пиксельного слоя таким образом, чтобы изображение имело значительно высокую четкость и не требовались громоздкие математические вычисления.
Настоящее изобретение описывает инновационную и мощную светочувствительную группу пикселей со смешанным множественным спектром, светочувствительное устройство и систему через варианты осуществления. Эти предпочтительные способы реализации приведены в качестве примеров только для иллюстрации преимуществ и способов реализации настоящего изобретения и не предназначены для ограничения объема защиты настоящего изобретения.
Упомянутые цели и преимущества и другие цели и преимущества настоящего изобретения являются весьма очевидными после того, как специалист в области техники прочитает последующее подробное описание о предпочтительных случаях реализации с множеством иллюстраций и объяснений.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схема распределения спектра, в которой видимым светом обычно называется свет с длиной волны в пределах от 390 нм до 760 нм; обычно для света, который видим через эффект цветоделения призмы, длина волны синего света составляет от 440 нм до 490 нм, длина волны зеленого света составляет от 520 нм до 570 нм, длина волны красного света составляет от 630 нм до 740 нм, в то время как в конфигурации для светочувствительного устройства обычно область 390-500 нм классифицируется как синяя область, область 500-610 нм классифицируется как зеленая область, область 610-760 нм классифицируется как красная область, но это подразделение диапазонов на красный, зеленый и синий не является абсолютным; волновые формы красного, зеленого, синего, голубого (составной синего и зеленого) и желтого (составной объект зеленого и красного) на чертеже являются идеальными характеристическими кривыми длины волны, требуемыми светочувствительным пикселем основного цвета или светочувствительным пикселем дополнительного цвета (составного цвета); если светочувствительный пиксель основного цвета или светочувствительный пиксель дополнительного цвета (составного цвета) в качестве базового цвета не снабжен подобной характеристической кривой длины волны, очень трудно воссоздать подавляющее большинство цветов, которые видимы людям;
Фиг. 2 показывает схему считывания 3T для светочувствительного пикселя;
Фиг. 3 показывает схему считывания 4T для светочувствительного пикселя;
Фиг. 4 показывает схему считывания совместного использования с четырьмя точками, предложенную автором изобретения в заявках "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ дискретизации для него" (заявка на патент Китая № 200910105948.2) и "Светочувствительное устройство и способ считывания для него, и схема считывания" (заявка на патент Китая № 200910106477.7);
Фиг. 5 показывает двухслойную схему считывания совместного использования с шестью точками, предложенную автором изобретения в заявках "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ дискретизации для него" (заявка на патент Китая № 200910105948.2) и "Светочувствительное устройство и способ считывания для него, и схема считывания" (заявка на патент Китая № 200910106477.7);
Фиг. 6 показывает двухслойную схему считывания совместного использования с восемью точками, предложенную автором изобретения в заявках "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ дискретизации для него" (заявка на патент Китая № 200910105948.2) и "Светочувствительное устройство и способ считывания для него, и схема считывания" (заявка на патент Китая № 200910106477.7);
Фиг. 7 показывает схему считывания совместного использования с N точками (где N - случайное число), предложенную автором изобретения в заявке "Светочувствительное устройство и способ считывания для него, и схема считывания" (заявка на патент Китая № 200910106477.7);
Фиг. 8 - схема двухслойного светочувствительного устройства, светочувствительные пиксели верхнего слоя и нижнего слоя которого являются взаимодополняющими или ортогональными на интересующем спектре, предложенного автором изобретения в заявках "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ его изготовления" (заявка на патент Китая № 200810217270.2) и "Светочувствительное устройство с множественным спектром" (заявка на патент Китая № 200910105372. X), причем превосходные двухслойные светочувствительные устройства могут быть получены посредством использования тщательно выбранных шаблонов и размещений цветов; эти светочувствительные устройства могут использоваться для восприятия света с передней стороны, восприятия света с задней стороны и двунаправленного восприятия света; эти способы и принципы также применимы к светочувствительному устройству с множественным спектром настоящего изобретения;
Фиг. 9 показывает способ субдискретизации для реализации объединения заряда между разными цветовыми пикселями, предложенный автором изобретения в заявке "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ дискретизации для него" (заявка на патент Китая № 200910105948.2), причем этот способ также применим к светочувствительному устройству с множественным спектром настоящего изобретения;
Фиг. 10 показывает способ объединения и субдискретизации пикселя, реализованный посредством использования цветового пространства, предложенного автором изобретения в заявке "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ дискретизации для него" (заявка на патент Китая № 200910105948.2), причем этот способ также применим к светочувствительному устройству с множественным спектром настоящего изобретения;
Фиг. 11 - структурная схема двухслойного светочувствительного устройства для расширения глубины резкости, предложенного в настоящем изобретении, в котором толщина светопроницаемого слоя определяется разностью между расстояниями изображения двух требуемых светочувствительных плоскостей (V2-V1);
Фиг. 12 - структурная схема трехслойного светочувствительного устройства для расширения глубины резкости, предложенного в настоящем изобретении, в котором толщина светопроницаемого слоя определяется разностью между расстояниями изображения двух требуемых светочувствительных плоскостей (V2-V1 или V3-V2);
Фиг. 13 - схема первого принципа для реализации расширения глубины резкости посредством использования многослойного светочувствительного устройства, причем в этой схеме объекты, расположенные на разных расстояниях, четко фокусируются на разных светочувствительных пиксельных слоях многослойного светочувствительного устройства, таким образом, любые объекты, расположенные между этими тремя расстояниями, отчетливо или сравнительно отчетливо фокусируются на одном или двух светочувствительных пиксельных слоях, и тем самым достигается эффект расширения глубины резкости; на чертеже U1, U2 или U3 - расстояние объекта (а именно расстояние от объекта до линзы), и V1, V2 или V3 - расстояние изображения (а именно расстояние от светочувствительного пиксельного слоя до линзы);
Фиг. 14 - схема второго принципа для реализации лучшего эффекта расширения глубины резкости посредством использования специального способа конструкции линзы и многослойного светочувствительного устройства одновременно, причем для обычной оптической системы, чем короче длина волны света, тем короче фокусное расстояние, таким образом, линза специально разработана так, чтобы свет с более короткой волной мог быть сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе, или на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к источнику света; свет с более длинной волной фокусируется на светочувствительном слое, расположенном дальше от линзы, или на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше от источника света; свет с промежуточной длиной волны фокусируется на промежуточном светочувствительном слое; таким образом, эта система формирования изображений комбинирует характеристики множественного спектра и множественного расстояния изображения одновременно, и глубина резкости может быть значительно расширена; эта система имеет несравненные преимущества для макро-фотографии;
Фиг. 15 - принципиальная схема реализации уровня светочувствительных пикселей светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости, показанного на фиг. 11, в котором посредством корректировки толщины светопроницаемого слоя расстояние между двумя светочувствительными пиксельными слоями может быть скорректировано таким образом, чтобы светочувствительные пиксели двух светочувствительных пиксельных слоев соответствовали разным глубинам резкости; в примере каждый из двух светочувствительных пиксельных слоев - верхнего и нижнего - использует полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой;
Фиг. 16(A), фиг. 16(B), фиг. 16(C), и фиг. 16(D) - принципиальные схемы реализации другого уровня светочувствительных пикселей светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости, показанного на фиг. 11, в котором, аналогичным образом, посредством корректировки толщины светопроницаемого слоя расстояние между двумя светочувствительными пиксельными слоями может быть скорректировано таким образом, чтобы светочувствительные пиксели двух светочувствительных пиксельных слоев соответствовали разным глубинам резкости; в примере верхний светочувствительный пиксельный слой использует светочувствительный пиксельный слой химического покрытия, в то время как нижний светочувствительный пиксельный слой использует полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой, и, как очевидно, они могут поменяться местами без влияния на эффект реализации множественной глубины резкости;
Каждая из фиг. 15 и фиг. 16 изображает только светочувствительный пиксель, причем все другие схемы считывания и вспомогательные схемы опущены, поскольку они могут быть такими же, как в предшествующей области техники;
Фиг. 17(A), фиг. 17(B), фиг. 17(C) и фиг. 17(D) - принципиальные схемы реализации другого уровня светочувствительных пикселей светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости, показанного на фиг. 11, в котором, аналогичным образом, посредством корректировки толщины светопроницаемого слоя расстояние между верхним светочувствительным пиксельным слоем и другими двумя нижними светочувствительными пиксельными слоями может быть скорректировано таким образом, чтобы светочувствительные пиксели разных светочувствительных пиксельных слоев соответствовали разным глубинам резкости; в примере верхний светочувствительный пиксельный слой использует светочувствительный пиксельный слой химического покрытия, и другие два нижних светочувствительных пиксельных слоя используют полупроводниковые светочувствительные пиксельные слои; следует отметить, что два полупроводниковых светочувствительных пиксельных слоя на фиг. 17(A) и фиг. 17(B) размещены на двух поверхностях полупроводникового базового слоя, и два полупроводниковых светочувствительных пиксельных слоя на фиг. 17(C) и фиг. 17(D) размещены на поверхности полупроводникового базового слоя; направление освещения может быть спереди или сзади полупроводникового базового слоя; кроме того, следует отметить, что вследствие ограничения светопроницаемости полупроводника толщина полупроводникового базового слоя обычно является маленькой и обычно не удовлетворяет требованию расстояния интервала между светочувствительными пиксельными слоями, требуемыми для расширения глубины резкости; таким образом, два полупроводниковых светочувствительных пиксельных слоя чаще используются для реализации требования множественного спектра;
Фиг. 18(A) и фиг. 18(B) - принципиальные схемы реализации другого уровня светочувствительных пикселей светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости, показанного на фиг. 11, в котором, аналогичным образом, посредством корректировки толщины светопроницаемого слоя расстояние между верхним светочувствительным пиксельным слоем и двумя другими нижними светочувствительными пиксельными слоями может быть скорректировано таким образом, чтобы светочувствительные пиксели разных светочувствительных пиксельных слоев соответствовали разным глубинам резкости; в примере верхний светочувствительный пиксельный слой использует светочувствительный пиксельный слой химического покрытия, и каждый из двух других нижних светочувствительных пиксельных слоев использует полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой и светочувствительный пиксельный слой химического покрытия; промежуточный полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой (две его поверхности) может включать в себя схему считывания и дискретизации пикселей, необходимую для считывания трех светочувствительных пиксельных слоев;
Фиг. 19(A) и фиг. 19(B) - принципиальные схемы реализации уровня светочувствительных пикселей светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости, показанного на фиг. 12, причем следует отметить, что в примере светочувствительный пиксельный слой химического покрытия, первый светопроницаемый слой, первый полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой, второй светопроницаемый слой и второй полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой размещены последовательно сверху вниз; первый полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой и второй полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой реализованы на двух разных полупроводниковых базовых слоях, расстояние между светочувствительным пиксельным слоем химического покрытия и первым полупроводниковым светочувствительным пиксельным слоем реализовано посредством корректировки толщины первого светопроницаемого слоя, и расстояние между первым полупроводниковым светочувствительным пиксельным слоем и вторым полупроводниковым светочувствительным пиксельным слоем реализовано посредством корректировки толщины второго светопроницаемого слоя; схема считывания и дискретизации может быть реализована на промежуточном первом полупроводниковом светочувствительном пиксельном слое или также может быть распределена на двух полупроводниковых светочувствительных пиксельных слоях;
для варианта осуществления двухслойного полупроводникового светочувствительного пиксельного слоя, такого как на фиг. 8 и фиг. 15, если светочувствительные пиксели одного из светочувствительных пиксельных слоев удалены, чтобы сделать слой, предназначенный для схемы считывания и обработки сигналов, может быть получено светочувствительное устройство с глобальным электронным затвором (имеющим функцию перекрестного считывания слоев), предложенное в настоящем изобретении, показанное на фиг. 20-23; фиг. 20-23 показывают только светочувствительный пиксельный слой и пиксельный слой с устойчивым к свету переносом и считыванием светочувствительного устройства с глобальным электронным затвором (имеющим функцию перекрестного считывания слоев); очевидно, в комбинации с приведенным выше описанием, когда фиксированный фокус сохраняется на множестве светочувствительных пиксельных слоев разных глубин резкости, может быть получено светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости с глобальным электронным затвором (имеющим функцию перекрестного считывания слоев);
Фиг. 20 - схема пикселя переноса совместного использования одной из двух строк (считывающий конденсатор), предложенного в настоящем изобретении, причем фактически это новая реализация способа сканирования с чередованием в заявке "Светочувствительное устройство и способ считывания для него и считывающее устройство" (заявка на патент Китая № 200910106477.7); при этом пиксели переноса и светочувствительные пиксели находятся не в одном и том же слое, тем самым может быть получена лучшая эффективность использования светочувствительной области, но одновременно удваивается скорость затвора; важно, что этот способ может использоваться для светочувствительного устройства с химическим светочувствительным материалом (таким как квантовая светочувствительная пленка) в качестве светочувствительного пиксельного слоя;
Фиг. 21 показывает, что используется плохая светопроницаемость полупроводника, и толщина полупроводникового базового слоя увеличивается до некоторой толщины таким образом, чтобы пиксель нижнего уровня не обнаруживал свет; тогда посредством использования металлической перфорации или прокладки по поверхности способом внешнего соединения сигнал светочувствительного пикселя верхнего уровня воздействует на считывающий пиксель устойчивого к свету пиксельного слоя через диод или считывающую схему переключения усиления, где выполняется дискретизация и считывание, тем самым двухслойное светочувствительное устройство вырождается в однослойное светочувствительное устройство с глобальным электронным затвором (имеющим функцию перекрестного считывания слоев); это устройство является двухслойным по структуре, но является однослойным по действию; когда этот способ используется для многослойного светочувствительного устройства, показанного на фиг. 17(a), может быть получено светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости с глобальным электронным затвором (имеющим функцию перекрестного считывания слоев);
Фиг. 22 - схема двухслойного светочувствительного устройства с множественным спектром с глобальным электронным затвором (имеющим функцию перекрестного считывания слоев) на основе традиционной (CMOS и CCD) полупроводниковой схемы, предложенного в настоящем изобретении, в котором, аналогичным образом, переносом сигнала светочувствительного пикселя на устойчивый к свету считывающий пиксель управляет диод или схема переключения усиления;
Фиг. 23 - схема другого двухслойного светочувствительного устройство с множественным спектром с глобальным электронным затвором (имеющим функцию перекрестного считывания слоев) на основе химического светочувствительного материала (такого как квантовая светочувствительная пленка), предложенного в настоящем изобретении, в котором светочувствительный пиксельный слой сделан из химического светочувствительного материала (такого как квантовая светочувствительная пленка), в то время как слой схемы считывания и обработки сигналов представляет собой полупроводниковый слой CMOS; следует отметить, что в примере чертежа каждый светочувствительный пиксель соответственно имеет устойчивый к свету пиксель переноса заряда, который используется для реализации глобального электронного затвора; это также вырождение, в частности, выполняемое многослойным светочувствительным устройством, чтобы просто реализовать глобальный электронный затвор;
Фиг. 24 показывает схему считывания для считывания сигнала светочувствительного пикселя посредством использования активного пикселя и пассивного пикселя одновременно, предложенную автором изобретения в заявке "Светочувствительное устройство и способ считывания для него, и схема считывания" (заявка на патент Китая № 200910106477.7), причем преимущества использования этого способа состоят в том, что динамический диапазон светочувствительного устройства может быть значительно расширен, и потребление энергии во время предварительного просмотра изображения экономится экспоненциально; эта смешанная схема считывания особенно полезна в многослойном светочувствительное устройство с множественным спектром с высокой чувствительностью и в светочувствительное устройстве с множественным спектром с глобальным электронным затвором; и
Фиг. 25 - схема цепи управления дискретизацией, используемой для описания способа объединения и дискретизации пикселей, предложенной в настоящем изобретении в заявке "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ дискретизации для него" (заявка на патент Китая № 200910105948.2), причем настоящее изобретение также использует этот инновационный способ объединения и субдискретизации пикселей.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение далее подробно проиллюстрировано через конкретные способы реализации со ссылкой на приложенные чертежи.
Основным использованием светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости, которое будет предложено в настоящем изобретении, является расширение глубины резкости, а именно в настоящее время называемое EDoF (расширенная глубина резкости) в индустрии мобильных телефонов. Расширение глубины резкости очень широко применяется, в частности, в камерах мобильных телефонов. Однако текущее расширение глубины резкости, главным образом, использует оптические и математические средства, и обычно глубина резкости корректируется посредством оптического изменения масштаба или автоматической фокусировки, что требует взаимодействия между электрически управляемым механизмом и сложным и точным механическим компонентом, таким образом, занимаемое пространство и затраты заметно увеличиваются.
Светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости, предложенное в варианте осуществления настоящего изобретения, в комбинации с реализацией многослойного светочувствительного устройства включает в себя по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, возбуждаемых источником света, причем по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя расположены с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы разные световые сигналы от линзы на заданном расстоянии от светочувствительного устройства фокусировались на разных светочувствительных пиксельных слоях; таким образом, разные светочувствительные пиксельные слои формируют светочувствительные плоскости, имеющие разные расстояния от изображения, разные глубины резкости могут фиксированно фокусироваться, тем самым расширяя диапазон глубины резкости светочувствительного устройства, что эквивалентно реализации автоматической фокусировки от этого физического средства многоточечной оптической фокусировки, и в соответствии с этим взаимодействие между электрически управляемым механизмом и сложным и точным механическим компонентом может быть удалено, а занимаемое пространство и стоимость заметно сэкономлены.
Светочувствительный пиксельный слой включает в себя по меньшей мере один элемент множества, состоящего из светочувствительного пиксельного слоя с химическим покрытием и полупроводникового светочувствительного пиксельного слоя. А именно упомянутые по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя могут оба представлять собой светочувствительные пиксельные слои с химическим покрытием, или оба представлять собой полупроводниковые светочувствительные пиксельные слои, или часть из них представляет собой светочувствительный пиксельный слой с химическим покрытием, и часть из них представляет собой полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой. Светочувствительный пиксельный слой химического покрытия включает в себя точечный квантовый светочувствительный пиксель. Полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой включает в себя светочувствительный диод с комплементарной структурой "металл-оксид-полупроводник" (CMOS; КМОП), светочувствительный затвор CMOS, светочувствительный диод с зарядовой связью (CCD; ПЗС), светочувствительный затвор CCD, и светочувствительный диод и светочувствительный затвор CMOS и CCD имеют функцию двунаправленного переноса заряда.
Каждый из упомянутых светочувствительных пиксельных слоев используется для возбуждения различных световых сигналов. В настоящем изобретении интересующие характеристики светового сигнала включают в себя, главным образом, характеристику частотного спектра светового сигнала, а именно длину волны света, и характеристику расстояния светового сигнала, а именно расстояние от светового сигнала до линзы. Таким образом, тот факт, что световые сигналы являются различными, означает, что по меньшей мере одна из упомянутых двух характеристик двух световых сигналов отличается, а именно два световых сигнала могут отличаться по длине волны, могут отличаться по расстоянию или могут отличаться и по длине волны, и по расстоянию. Разумеется, поскольку свет составного цвета, например, белый цвет, является обычным в природе, то если должен быть получен свет с разными длинами волн, обычно требуется взаимодействие с конфигурацией линзы, и разные показатели преломления света с разными длинами волн разработаны посредством использования, например, эффекта цветоделения призмы, материала линзы или кривизны для обеспечения возможности разделить и сфокусировать свет с разными длинами волн на разных светочувствительных пиксельных слоях.
Световые сигналы с разными длинами волн фокусируются, и, как правило, световой сигнал с более короткой волной фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе. Например, если светочувствительный пиксельный слой имеет два слоя, световой сигнал, фокусируемый на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе, является фиолетовым, синим, голубым или зеленым светом, и световой сигнал, фокусируемый на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше от линзы, является зеленым светом, красным светом, желтым светом, видимым светом (белым светом) или инфракрасным светом. В другом примере, если светочувствительный пиксельный слой имеет три слоя, световой сигнал, фокусируемый на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе, является ультрафиолетовым светом, синим светом или голубым светом; световой сигнал, фокусируемый на промежуточном светочувствительном пиксельном слое, является зеленым светом, синим светом, желтым светом, красным светом или видимым светом (белым светом); и световой сигнал, фокусируемый на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от источника света, является красным светом, желтым светом, видимым светом или инфракрасным светом.
Световые сигналы с различными расстояниями фокусируются, и, как правило, световой сигнал на более далеком расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе. Например, если светочувствительный пиксельный слой имеет два слоя, бесконечно далекий световой сигнал фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к источнику света, и самый короткий интересующий световой сигнал фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше от источника света. В комбинации с фокусированным светом с разными длинами волн может быть дополнительно сделана следующая конфигурация: бесконечно далекий ультрафиолетовый свет, синий свет, голубой свет или зеленый свет фокусируются на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к источнику света; зеленый свет, красный свет, желтый свет, видимый свет (белый свет) или инфракрасный свет на самом коротком интересующем расстоянии фокусируются на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше от источника света.
В другом примере, если светочувствительный пиксельный слой имеет три слоя, бесконечно далекий световой сигнал фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к источнику света, самый короткий интересующий световой сигнал фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от источника света, и световой сигнал на промежуточном расстоянии между бесконечно удаленным и самым коротким интересующим расстоянием фокусируется на промежуточном светочувствительном пиксельном слое. В комбинации с фокусированным светом с разными длинами волн может быть дополнительно сделана следующая конфигурация: бесконечно далекий ультрафиолетовый свет, синий свет, голубой свет или зеленый свет фокусируются на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к источнику света; зеленый свет, синий свет, желтый свет, красный свет или видимый свет (белый свет) на промежуточном расстоянии между бесконечно далеким и самым коротким интересующим расстоянием фокусируются на промежуточном светочувствительном пиксельном слое; красный свет, желтый свет, видимый свет или инфракрасный свет на самом коротком интересующем расстоянии фокусируются на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от источника света.
В способе реализации самое короткое интересующее расстояние включает в себя 2 мм, 5 мм, 7 мм, 1 см, 2 см, 3 см, 5 см, 7 см, 10 см, 20 см, 30 см, 40 см, 50 см, 60 см, 70 см, 80 см, 100 см или 150 см. Так называемое самое короткое интересующее расстояние обозначает самое близкое расстояние от интересующей пользователя сцены до линзы. Например, если самое короткое интересующее расстояние составляет 2 мм, это означает, что самое близкое расстояние от интересующей пользователя сцены до линзы составляет 2 мм, и когда расстояние от сцены до линзы составляет меньше 2 мм, сцена больше не интересует пользователя.
Фиг. 13 показывает отношение между расстоянием и плоскостью фокусировки. В этой схеме объекты, расположенные на разных расстояниях, четко фокусируются на разных светочувствительных пиксельных слоях многослойного светочувствительного устройства, таким образом, любые объекты, расположенные между этими тремя расстояниями, отчетливо или сравнительно отчетливо фокусируются на одном или двух светочувствительных пиксельных слоях, и тем самым имеется возможность получать их четкое изображение от того же самого светочувствительного устройства одновременно.
Фиг. 14 показывает отношение между длиной волны и плоскостью фокусировки. Для обычной оптической системы чем меньше длина волны света, тем короче фокусное расстояние, таким образом, линза разработана таким образом, что свет с более короткой волной может быть сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе; свет с более длинной волной фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше от линзы; свет с промежуточной длиной волны фокусируется на промежуточном светочувствительном пиксельном слое. Таким образом, объекты, расположенные на разных расстояниях, всегда имеют цвета, которые различны на светочувствительном слое. Таким образом, эта система формирования изображений комбинирует характеристики множественного спектра и множественного расстояния изображения одновременно, и каждый светочувствительный слой имеет свой собственный диапазон глубины резкости; для света с разными длинами волн расстояния и диапазоны глубины резкости отличаются, диапазоны глубины резкости всех светочувствительных слоев могут быть интегрированы, глубина резкости может быть значительно расширена, и эта система формирования изображений имеет несравненные преимущества для макро-фотографии.
От разных светочувствительных пиксельных слоев может быть получено множество изображений, имеющих разные разрешения, таким образом, между этими изображениями может быть сделано сопоставление, и через интеграцию, выбор и отбраковку изображений и математическую обработку, такую как интерполяция, улучшение или развертка, получается четкое изображение.
Способ реализации также включает в себя: реализацию глобального электронного затвора, имеющего функцию перекрестного считывания слоев, в упомянутом светочувствительном устройстве с множественной глубиной резкости, включающего в себя множество пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием, и каждый из пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием может использоваться для переноса и считывания заряда или значения напряжения по меньшей мере одного светочувствительного пикселя, расположенного в другом слое. Таким образом, множество пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием может одновременно переносить и считывать заряд или значение напряжения одного или более светочувствительных пиксельных слоев. Множество пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием может быть расположено в одном и том же пиксельном слое со светочувствительными пикселями, и, очевидно, это означает уменьшение светочувствительности пиксельного слоя. Множество пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием также может быть расположено в другом пиксельном слое относительно светочувствительных пикселей, а именно формировать независимый светочувствительный пиксельный слой и независимый пиксельный слой с устойчивым к свету переносом и считыванием, и, очевидно, это означает, что глобальный электронный затвор, имеющий функцию перекрестного считывания слоев, может быть реализован только в двухслойном или многослойном светочувствительном устройстве.
Ближайший соответствующий пиксельный слой с устойчивым к свету переносом и считыванием может быть размещен для каждого светочувствительного пиксельного слоя, и пиксельный слой с устойчивым к свету переносом и считыванием может одновременно переносить заряд или значения напряжения всех пикселей соответствующего светочувствительного пиксельного слоя; или может одновременно переносить заряд или значения напряжения пикселей в нечетных строках или четных строках соответствующего светочувствительного пиксельного слоя. Фиг. 20 показывает конфигурацию считывающего конденсатора совместного использования одной строки из двух строк для реализации функции построчного сканирования. Пиксельный слой с устойчивым к свету переносом и считыванием может быть выполнен как полупроводниковая схема.
Фиг. 21 показывает вырожденную реализацию двухслойного светочувствительного устройства для получения однослойного светочувствительного устройства с глобальным электронным затвором. Этот способ использует плохую светопроницаемость полупроводникового материала, и два полупроводниковых базовых слоя утолщены, таким образом, нижний слой не обнаруживает свет и может использоваться только для считывания пикселей. Когда этот способ используется для трехслойного светочувствительного устройства, показанного на фиг. 17(A), может быть получено двухслойное светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости с глобальным электронным затвором.
Фиг. 22 и фиг. 23 показывают реализацию уровня пикселей глобального электронного затвора, имеющего функцию перекрестного считывания слоев.
Отношения местоположения, такие как "далеко", "близко", "выше" и "ниже", появляющиеся в тексте, относятся к относительным местоположениям с источником света в качестве опорного местоположения. Например, описание верхнего светочувствительного пиксельного слоя и нижнего светочувствительного пиксельного слоя означает, что светочувствительный пиксельный слой размещен горизонтально, и источник света вертикально освещает светочувствительный пиксельный слой сверху. Очевидно, отношение "верхний и нижний" в этом тексте фактически имеет более широкое значение, а именно если светочувствительная поверхность размещена вертикально, и источник света вертикально освещает светочувствительную поверхность с левой стороны или с правой стороны, или с передней стороны или с задней стороны, так называемое отношение "верхний и нижний" эквивалентно отношению "передний и задний" или отношению "левый и правый". Без потери общности специалист может понять, что описание верхней стороны и нижней стороны может быть эквивалентно заменено описанием левой стороны, правой стороны, передней стороны и задней стороны. Для разных типов светочувствительных пиксельных слоев, таких как светочувствительный пиксельный слой химического покрытия или полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой, отношений "верхний и нижний" между светочувствительным пиксельным слоем химического покрытия и полупроводниковым светочувствительным пиксельным слоем не ограничены, и какой из них расположен выше, а какой расположен ниже, может быть задано в произвольном порядке согласно потребностям. Верхняя часть и нижняя часть базового слоя, описанного далее, аналогичным образом представляют подобное значение, а именно горизонтальное размещение, и источник света вертикально освещает базовый слой сверху. В это время поверхность базового слоя, расположенного выше, упоминается как верхняя сторона, и поверхность базового слоя, расположенного ниже, упоминается как нижняя сторона. Можно понять, что когда базовый слой размещен вертикально, и источник света вертикально освещает базовый слой с левой стороны или с правой стороны, или с передней стороны или с задней стороны, это может быть эквивалентно заменено описанием поверхности передней стороны и поверхности задней стороны, и поверхности левой стороны и поверхности правой стороны.
Кроме того, должно быть особенно отмечено различие между термином "возбуждаемый источником света" и "светочувствительный". "Светочувствительный" в отношении светочувствительного пиксельного слоя означает, что пиксель имеет светочувствительную способность, а "возбуждаемый источником света" обозначает результат того, может ли светочувствительный пиксель быть возбужден с помощью источника света, а именно приведена ли в действие светочувствительная способность светочувствительного пикселя. Например, вследствие ограничения светопроницаемости полупроводника, когда верхняя часть и нижняя части полупроводникового базового слоя снабжены полупроводниковыми светочувствительными пиксельными слоями, если толщина полупроводникового базового слоя превышает ограничение светопроницаемости полупроводника, то когда источник света освещает полупроводниковый базовый слой, только верхний полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой может быть возбужден с помощью источника света, в то время как нижний полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой не может быть возбужден с помощью источника света вследствие ограничения толщины полупроводникового базового слоя. Верхний полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой называется светочувствительным пиксельным слоем, возбуждаемым источником света, а именно светочувствительная способность светочувствительного пикселя приводится в действие; нижний полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой называется светочувствительным пиксельным слоем, не возбуждаемым источником света, а именно светочувствительная способность светочувствительного пикселя не может быть приведена в действие. Следует отметить, что в последующем тексте посредством использования светочувствительного пиксельного слоя, не возбуждаемого источником света, может быть сформирован пиксельный слой с устойчивым к свету переносом и считыванием.
Когда светочувствительный пиксель химического покрытия или полупроводниковый светочувствительный пиксель представляют собой двунаправленный светочувствительный пиксель, затрагивается проблема выбора направления светочувствительности, а именно светочувствительный пиксель химического покрытия или полупроводниковый светочувствительный пиксель могут обнаружить свет двунаправленным образом, но светочувствительный пиксель химического покрытия или полупроводниковый светочувствительный пиксель не могут принять освещение в двух направлениях в один и тот же момент, и оно должно выбирать освещение источника света в заданном направлении в заданный момент; способ выбора направления светочувствительности может представлять собой выбор направления посредством изоляции, выбор направления посредством разделения по времени, выбор направления посредством разделения по областям или выбор направления по пикселю, то есть выбор направления светочувствительности согласно моменту, согласно области и согласно пикселю может быть реализован таким образом, как блокировка посредством использования блокирующей свет пленки. Ситуация двунаправленного освещения показана на фиг. 8.
Светочувствительный пиксельный слой приблизительно эквивалентен светочувствительной плоскости, вертикальной по отношению к направлению освещения источника света, такая светочувствительная плоскость снабжена множеством светочувствительных пикселей (обычно сформированных в пиксельную матрицу с множеством строк и множеством столбцов), и каждый светочувствительный пиксельный слой из множества светочувствительных пиксельных слоев может иметь смешанный тип в одной плоскости, то есть не только быть снабженным светочувствительными пикселями с химическим покрытием, но также и снабженным полупроводниковыми светочувствительными пикселями. В другой ситуации светочувствительные пиксели расположены только в одном и том же светочувствительном пиксельном слое, и, таким образом, формируется светочувствительный пиксельный слой химического покрытия или полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой.
В способе реализации каждый из светочувствительных пикселей светочувствительного устройства в одинаковом местоположении (а именно в местоположении, в котором свет, проникающий от местоположения пикселя светочувствительного пиксельного слоя, освещает другой светочувствительный пиксельный слой), но в разных слоях, возбуждается взаимодополняющим диапазоном или поддиапазоном ультрафиолетового света, видимого света, ближнего инфракрасного света и дальнего инфракрасного света; или каждый возбуждается ортогональным диапазоном или поддиапазоном ультрафиолетового света, видимого света, ближнего инфракрасного света и дальнего инфракрасного света. Взаимодополняющий диапазон или поддиапазон включают в себя ультрафиолетовый спектр, синий спектр, зеленый спектр, красный спектр, ближний инфракрасный спектр, дальний инфракрасный спектр, синий спектр, желтый спектр, белый спектр, ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, красный спектр + ближний инфракрасный спектр, красный спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, желтый спектр + ближний инфракрасный спектр, желтый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, видимый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, ультрафиолетовый спектр + видимый спектр, ультрафиолетовый спектр + видимый спектр + ближний инфракрасный спектр и ультрафиолетовый спектр + видимый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр; и
ортогональный диапазон или поддиапазон включают в себя ультрафиолетовый спектр, синий спектр, зеленый спектр, красный спектр, ближний инфракрасный спектр, дальний инфракрасный спектр, синий спектр, желтый спектр, белый спектр, ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, красный спектр + ближний инфракрасный спектр, красный спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, желтый спектр + ближний инфракрасный спектр, желтый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, видимый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр, ультрафиолетовый спектр + видимый спектр, ультрафиолетовый спектр + видимый спектр + ближний инфракрасный спектр и ультрафиолетовый спектр + видимый спектр + ближний инфракрасный спектр + дальний инфракрасный спектр.
Способ реализации включает в себя диапазон, обеспечивающий возможность по меньшей мере для одного слоя в светочувствительном устройстве быть возбужденным двумя разными спектрами (а именно радиочастотами). Размещение цветов пиксельной матрицы для каждого светочувствительного пиксельного слоя включает в себя одинаковое размещение (цвета пикселей в пиксельной матрице одинаковые), горизонтальное размещение (цвета пикселей в пиксельной матрице в одной и той же строке одинаковые), вертикальное размещение (цвета пикселей в пиксельной матрице в одном и том же столбце одинаковые), диагональное размещение (цвета пикселей в пиксельной матрице на одной и той же диагонали одинаковые), размещение по обобщенному байесовскому распределению (цвета пикселей в пиксельной матрице на диагонали одинаковые, и цвета пикселей в пиксельной матрице на другой диагонали разные), размещение YUV422, поперечное размещение YUV422, сотовидное размещение и однородное размещение (четыре пикселя расположены однородно, в шахматном порядке на одинаковом расстоянии).
Следует отметить, что термин "размещение" в этом тексте включает в себя различные технологии изготовления для формирования светочувствительного пиксельного слоя химического покрытия или полупроводникового светочувствительного пиксельного слоя на полупроводниковом базовом слое или светопроницаемом слое. Например, полупроводниковый базовый слой представляет собой подложку из кристаллического кремния N-типа, у которой в местоположении пикселя на поверхности подложки в соответствии с требованием глубины цвета внедрены примеси P-типа от поверхности в местоположении пикселя внутрь подложки на некоторую глубину для формирования P-легированного слоя, и P-легированный слой превращен в полупроводниковый пиксель; если примеси N-типа внедряются в P-легированный слой на другую некоторую глубину для формирования N-легированного слоя в P-легированном слое, и N-легированный слой сформирован в другом полупроводниковом светочувствительном пикселе (расположенном в светочувствительном пиксельном слое, отличающемся от того, в котором расположен полупроводниковый светочувствительный пиксель предыдущего P-легированного слоя, но их местоположения пикселей являются соответствующими); многоуровневые линии могут быть расположены около 390 нм, около 500 нм, около 610 нм и около 760 нм в соответствии со способом, обеспеченным в заявке "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ его изготовления" (PCT/CN2007/071262), таким образом, чтобы пиксели в соответствующих точках выше и ниже любой многоуровневой линии были возбуждены взаимодополняющими или ортогональными спектрами. Фиг. 1 дает пример расположения многоуровневой линии, а именно различные цвета сформированы посредством легирования примеси на разных глубинах. Поверхность подложки наносится и подвергается механической обработке с помощью химического покрытия, и может быть сформирован светочувствительный пиксельный слой химического покрытия. Вследствие разнообразия методик изготовления и механической обработки описание в этом тексте использует термин "размещение".
Упомянутый двухслойный полупроводниковый светочувствительный пиксель расположен на разных глубинах, с тем чтобы одно и то же местоположение пикселя на поверхности подложки могло быть возбуждено по меньшей мере двумя диапазонами. Таким образом, посредством обеспечения лучшей гибкости размещения шаблонов пикселей на поверхности и большего количества размещений пикселей могут быть значительно улучшены чувствительность, разрешение и динамический диапазон светочувствительного устройства.
Для упомянутого легирования и механической обработки на поверхности полупроводниковой подложки на разных глубинах два слоя светочувствительных пикселей по большей мере размещены в одном и том же местоположении, причина состоит в том, что поскольку если три слоя светочувствительных пикселей расположены в одном и том же местоположении, велика трудность механической обработки, и в то же время для размещения проводов, поскольку проводники между слоями должны быть изолированы друг от друга, три слоя проводников приводят к сложному размещению проводов. Однако в настоящем изобретении воссоздание цветов выполняется посредством размещения по большей мере двух слоев упомянутых полупроводниковых светочувствительных пиксельных слоев на одной и той же поверхности в комбинации с размещением шаблона пикселей относительно плоскости, таким образом, может быть достигнута более хорошая цветовая светочувствительность. По большей мере два полупроводниковых светочувствительных пиксельных слоя размещены на одной и той же поверхности с помощью глубинного легирования, таким образом, трудность методики трехмерной механической обработки очевидным образом уменьшается, и размещение проводов также является относительно простым.
Для подложки может быть принята методика односторонней или двусторонней механической обработки, и тем самым формируется одностороннее светочувствительное устройство или двустороннее светочувствительное устройство. В двустороннем светочувствительном устройстве для упомянутой механической обработки глубинного легирования, если принят двусторонний способ размещения, в котором один из двух полупроводниковых светочувствительных пиксельных слоев расположен на верхней части подложки, и другой расположен на нижней части подложки, для каждой поверхности, методика механической обработки упрощается до методики механической обработки плоскости. После того, как механическая обработка плоскости на поверхности светочувствительного пиксельного слоя завершена, подложка переворачивается, и на другой поверхности аналогичным образом совершается механическая обработка на другом светочувствительном пиксельном слое с помощью методики механической обработки плоскости, таким образом, методика механической обработки аналогична существующей методике механической обработки для одностороннего однослойного светочувствительного устройства и более проста относительно упомянутой трехмерной механической обработки для двухслойного легирования на одной и той же поверхности. В другом аспекте несколько слоев светочувствительных пикселей могут быть размещены в местоположении подложки вдоль направления освещения.
Полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой обычно изготавливается на полупроводниковом базовом слое, и чтобы реализовать расширение глубины резкости, при фактическом изготовлении обычно светопроницаемый слой (такой как прозрачный стеклянный слой) добавляется для корректировки расстояния между разными светочувствительными пиксельными слоями. Например, один или более полупроводниковых светочувствительных пиксельных слоев изготавливаются на полупроводниковом базовом слое, затем светопроницаемый слой помещается на полупроводниковый базовый слой, и затем светочувствительный пиксельный слой химического покрытия наносится и подвергается машинной обработке на светопроницаемом слое. Устанавливается разная толщина светопроницаемого слоя, что эквивалентно предварительной установке расстояния интервала между светочувствительным пиксельным слоем химического покрытия и полупроводниковым светочувствительным пиксельным слоем, и тем самым реализуется расширение глубины резкости.
Во многих применениях передняя сторона, задняя сторона или две стороны светочувствительного пиксельного слоя химического покрытия или полупроводникового светочувствительного пиксельного слоя не покрыты какой-либо пленкой светофильтра. Однако в некоторых других применениях, таких как профессиональная камера или видеокамера с требованием восстановления цвета особо высокого качества, способ реализации включает в себя способ использования пленки светофильтра. Пленка светофильтра расположена на передней стороне, задней стороне или на двух сторонах всех или части светочувствительных пикселей в светочувствительном пиксельном слое химического покрытия или полупроводниковом светочувствительном пиксельном слое. Характеристики выбора частоты пленки светофильтра пленки включают в себя отсечение инфракрасного, полосное пропускание синего, полосное пропускание зеленого, полосное пропускание красного, полосное пропускание голубого, полосное пропускание желтого, полосное пропускание розово-красного или полосное пропускание видимого света. Пленка светофильтра используется для: удаления влияния нежелательных спектров, уменьшения перекрестных помех между верхними, нижними, левыми и правыми пикселями или получения сигналов трех основных цветов с большей ортогональностью или более чистыми дополнительными цветами, жертвуя чувствительностью меньшинства пикселей.
Способ реализации включает в себя: предоставление возможности для двух соседних слоев нескольких светочувствительных пиксельных слоев светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости использовать их соответствующие схемы считывания.
Способ реализации включает в себя: предоставление возможности для двух соседних слоев нескольких светочувствительных пиксельных слоев светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости совместно использовать схемы считывания, размещенные в одном из двух соседних слоев.
Способ реализации включает в себя: предоставление возможности для схемы считывания светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости разместиться в полупроводниковом светочувствительном пиксельном слое или в независимом слое схемы считывания.
Способ реализации для схемы считывания светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости включает в себя: использование способа считывания и субдискретизации пикселей в заявках "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ дискретизации для него" (заявка на патент Китая № 200910105948.2) и "Светочувствительное устройство и способ считывания для него, и схема считывания" (заявка на патент Китая № 200910106477.7).
Способ реализации включает в себя: адаптацию схемы считывания для активного пикселя, схемы считывания для пассивного пикселя или смешанную схему считывания для активного пикселя и пассивного пикселя в схеме считывания сигналов светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости.
Активный пиксель включает в себя активный пиксель 3T, 4T, 5T или 6T. Структура активного пикселя 3T и структура активного пикселя 4T соответственно показаны на фиг. 2 и фиг. 3.
Способ совместного использования схемы считывания включает в себя способ без совместного использования, способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с 4 точками, способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с 6 точками, способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с 8 точками, или способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с любым количеством точек. Способ совместного использования с 4 точками, способ совместного использования с 6 точками, способ совместного использования с 8 точками и способ совместного использования с любым количеством точек соответственно показаны на фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6 и фиг. 7.
В способе реализации схема считывания светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости включает в себя блок первого объединения, выполненный с возможностью выполнять попарное объединение и дискретизацию над ближайшими пикселями в одинаковых строках и разных столбцах, в разных строках и одинаковых строках или в разных столбцах и разных строках в пиксельной матрице каждого светочувствительного пиксельного слоя для получения данных дискретизации пикселя первого объединения; и блок второго объединения, выполненный с возможностью выполнять объединение и дискретизацию над данными дискретизации пикселя первого объединения, полученными блоком первого объединения, для получения данных дискретизации пикселя второго объединения.
Способ реализации дополнительно включает в себя следующее: схема считывания дополнительно включает в себя блок третьего объединения, выполненный с возможностью выполнять объединение и дискретизацию над данными дискретизации пикселя второго объединения, полученными блоком второго объединения, для получения данных дискретизации пикселя третьего объединения.
В варианте осуществления настоящего изобретения в светочувствительном устройстве способ объединения пикселя блока первого объединения или блока второго объединения представляет собой способ сложения зарядов между одинаковыми или разными цветовыми пикселями, причем способ объединения пикселя между разными цветовыми пикселями соответствует способу преобразования цветового пространства, чтобы удовлетворять требованию воссоздания цветов.
Упомянутые пиксель первого объединения и пиксель второго объединения получены из обработки по меньшей мере деления субдискретизации на две процедуры, а именно процедуры первого объединения и дискретизации и процедуры второго объединения и дискретизации. Процедура первого объединения и дискретизации и процедура второго объединения и дискретизации обычно происходят между пиксельным (объединением) дискретизацией строки и (объединением) дискретизацией столбца, главным образом, выполняются над аналоговым сигналом, и за исключением того, что часть сложения зарядов выполняется обычно только в процедуре первого объединения и дискретизации, их последовательность и содержание обычно могут меняться местами. Кроме того, процедура третьего объединения и дискретизации также может быть включена в состав, и процедура третьего объединения и дискретизации происходит после аналого-цифрового преобразования и главным образом выполняется над цифровым сигналом.
Для процедуры первого объединения и дискретизации два ближайших пикселя в пиксельной матрице берутся и объединяются. В аспекте изобретения комбинация ближайших пикселей совершается, и пиксели после объединения называются пикселем первого объединения. Следует понимать, что концепция пикселя первого объединения используется только для удобства описания настоящего изобретения, чтобы ссылаться на пиксель после процедуры первого объединения, которая не представляет, что "пиксель первого объединения" существует в пиксельной матрице физически; данные, полученные после объединения и дискретизации двух ближайших пикселей, называются данными дискретизации пикселя первого объединения. Ближайшими называются те два пикселя, которые плотно смежны друг с другом в горизонтальном, вертикальном или диагональном направлениях, и между этими двумя пикселями не существует никакой другой пиксель. Ближайшими могут быть пиксели на одной строке и разных столбцах, на разных строках и одном столбце или на разных строках и разных столбцах. Обычно при этом объединении сигнал по меньшей мере является средним сигналом двух пикселей, в то время как шум уменьшается в 
раз, таким образом, после объединения отношение сигнал-шум может по меньшей мере быть увеличено в раз, и это объединение может быть выполнено между пикселями одного цвета или разных цветов. В другом аспекте два объединяющихся цвета могут отличаться, а именно цвета складываются или усредняются. Как может быть известно из принципа трех основных цветов, сумма двух основных цветов представляет собой дополнительный цвет другого основного цвета, то есть пиксели в двух разных основных цветах объединяются для формирования дополнительного цвета другого основного цвета, пространство основных цветов преобразовывается в пространство дополнительных цветов, происходит лишь преобразование цветового пространства, и воссоздание цветов может быть совершено через другие дополнительные цвета. А именно через этот способ пиксели в разных цветах могут быть объединены для улучшения отношения сигнал-шум, и также одновременно может быть выполнено воссоздание цветов. Таким образом, вся процедура субдискретизации также оптимизирована, чтобы она была более адаптивной к высокоскоростным требованиям пиксельной матрицы с большим количеством данных. Основное требование преобразования цветового пространства состоит в том, что комбинация цветов после преобразования может воссоздать необходимый цвет в формате RGB (или YUV, или CYMK) (например, через интерполяцию).
Следует понимать, что обычно пиксельная матрица включает в себя множество пикселей, и первое объединение и дискретизация комбинирует только два пикселя, таким образом, очевидно, имеется также множество пикселей первого объединения, сформированных через объединение. Способы объединения цвета, принятые для разных пикселей первого объединения, могут быть одинаковыми или разными. Когда все первое объединение выполняется между одинаковыми цветами, оно называется способом объединения одинаковых цветов; когда все первое объединение выполняется между разными цветами, оно называется способом объединения разных цветов; когда часть первого объединения выполняется между одинаковыми цветами, и часть его выполняется между разными цветами, оно называется гибридным способом объединения; когда от некоторых избыточных цветов в пиксельной матрице отказываются (разумеется, отказ является выборочным, например, воссоздание цветов не может быть затронуто им), такой способ объединения цветов называется способом выборочного отказа от избыточных цветов.
Очевидно, процедура второго объединения является операцией, выполняемой над множеством пикселей первого объединения, и аналогичным образом пиксели первого объединения одинакового цвета могут быть объединены; пиксели первого объединения разных цветов также могут быть объединены (разумеется, эта ситуация может привести к тому, что даже если складываются все три основных цвета, цвет не может быть воссоздан).
Упомянутые способ объединения одинаковых цветов, способ объединения разных цветов и гибридный способ объединения должны выполнять основанную на цвете классификацию объединения и дискретизации и дополнительно, с точки зрения выбора местоположения объединения и дискретизации, способы объединения и дискретизация процедуры первого объединения и процедуры второго объединения включают в себя: автоматический способ среднего для сигнала, непосредственно выдаваемого на шину, способ с пропуском строк или с пропуском столбцов, способ поочередной дискретизации и одновременное использование двух или трех из этих способов. За исключением того, что обычно часть сложения зарядов может быть выполнена только в процедуре первого объединения и дискретизации, способы процедуры первого объединения и процедуры второго объединения являются одними и теми же и могут меняться местами за исключением того, что их последовательности отличаются.
Так называемый автоматический способ среднего для сигнала, непосредственно выдаваемого на шину, состоит в том, чтобы одновременно выдавать сигналы, которые должны быть объединены (цвета которых одинаковые или разные), на шину сбора данных для получения среднего значения сигналов, которые должны быть объединены, через автоматический баланс сигналов (напряжения). Так называемый способ с пропуском строк или пропуском столбцов должен пропускать некоторые строки или столбцы, тем самым реализуя (объединение) дискретизацию способом сокращения количества данных. Так называемый способ поочередной дискретизации фактически не должен выполнять комбинацию и считывать первоначальный пиксель или пиксель первого объединения соответственно. Некоторые из этих трех способов могут использоваться одновременно. Например, способ с пропуском строки или с пропуском столбца и автоматический способ среднего для сигнала, непосредственно выдаваемого на шину, или способ поочередной дискретизации могут использоваться одновременно.
Способ субдискретизации третьего объединения и процедуры дискретизации включают в себя способ преобразования цветового пространства, способ цифрового изменения масштаба изображения на выходе и последовательное использование этих двух способов. Процедура первого объединения и процедура второго объединения, главным образом, выполняются над аналоговым сигналом, в то время как третья процедура субдискретизации, главным образом, выполняется над цифровым сигналом, а именно выполняется после аналого-цифрового преобразования. Три или четыре цветовых пикселя, расположенные в разных местоположениях пространства как значения в одной и той же точке, преобразовываются в другое цветовое пространство, и данные могут быть уменьшены в горизонтальном и (или) вертикальном направлениях, тем самым достигая эффекта субдискретизации. Однако способ цифрового изменения масштаба изображения является самым прямым и часто используемым способом субдискретизации.
Во время объединения и дискретизации могут складываться заряды. Объединение и дискретизация почти только достигают усреднения сигналов напряжения или тока, и когда объединяются N точек, этот способ по больше мере может увеличить отношение сигнал-шум только в раз. Причина состоит в том, что существующее объединение и дискретизация должны выполнить объединение и дискретизацию способом, в котором N пикселей одинакового цвета совместно используют выходную линию, и на этой выходной линии сигналы напряжения или тока каждого пикселя неизбежно (автоматически) усредняются, таким образом, увеличение отношения сигнал-шум заключается только в том, что шум уменьшается в раз после объединения, тем самым увеличивая отношение сигнал-шум по большей мере в раз. Однако посредством способа сложения зарядов настоящего изобретения, например, считывающий конденсатор сохраняет заряды для накопления зарядов, с тем чтобы сигналы могли быть наложены, и поэтому отношение сигнал-шум может быть увеличено по меньшей мере в N раз, что выше, чем по меньшей мере в раз в способе усреднения сигнала. То есть N сигналы объединяются с помощью способа сложения зарядов, и может быть достигнут эффект усреднения N2 сигналов по большей степени теоретически или более хороший эффект (как описано ниже), что является средством увеличения отношения сигнал-шум, эффект которого является очень заметным.
Добавление ближайших пикселей дополнительно приносит другой заметный эффект, то есть эффект перекрестных помех между пикселями ослабляется. Причина состоит в том, что цвета, первоначально взаимно искажающие друг друга, теперь являются полностью допустимыми, то есть часть сигналов, которые первоначально принадлежат шуму, теперь становится эффективной частью сигнала, таким образом, сложение зарядов N сигналов увеличивает отношение сигнал-шум, которое может приблизиться к теоретическому верхнему пределу, а именно в раз, что, таким образом, эквивалентно эффекту усреднения N3 сигналов.
Во время дискретизации с полным графом (а именно, когда изображение дискретизируется в соответствии с самым высоким разрешением) может быть использован способ сканирования и чередования линия за линией или поперечного считывания, не требуется увеличение тактовой частоты, не требуется использование буфера кадра, и скорость считывания кадра с полным графом изображения с большим массивом удваивается, когда делается один снимок. Если добавлены аналого-цифровой (AD) преобразователь и буфер строки, скорость считывания кадра с полным графом может дополнительно увеличиться. Этот способ имеет очень важное значение для избавления от механического затвора.
Следует отметить, что способ сканирования и чередования линия за линией или поперечного считывания настоящего изобретения отличается от способа сканирования поля (чередованного сканирования) в традиционной телевизионной системе. Традиционный способ сканирования поля представляет собой чередованное сканирование и чередованное считывание, таким образом, поле с нечетным номером и поле с четным номером (независимо от того, происходит ли световосприятие или считывание) имеют разность по времени, а именно на половину кадра. Однако в способе сканирования и чередования линия за линией или поперечного считывания настоящего изобретения пиксель является полностью одним и тем же, как в способе построчного сканирования и построчного считывания в последовательности времени световосприятия, и изменяется только последовательность считывания строк. Для подробного описания см. заявки "Светочувствительное устройство с множественным спектром и способ дискретизации для него" (заявка на патент Китая № 200910105948.2) и "Светочувствительное устройство и способ считывания для него, и схема считывания" (заявка на патент Китая № 200910106477.7).
В варианте осуществления настоящего изобретения в светочувствительном устройстве преобразование цветового пространства включает в себя преобразование пространства из RGB в CyYeMgX, преобразование пространства из RGB в YUV или преобразование пространства из CyYeMgX в YUV, где X - любой из R (красного), G (зеленого) и B (синего). Фиг. 10 показывает способ использования преобразования цветового пространства для реализации субдискретизации.
Способ реализации включает в себя следующее: способ сложения зарядов совершается посредством непосредственного параллельного соединения пикселей или одновременного переноса зарядов на считывающий конденсатор (FD).
Как описано выше, в светочувствительном устройстве с множественной глубиной резкости способ объединения и дискретизации на основе цвета блока первого объединения или блока второго объединения включает в себя способ объединения одинаковых цветов, способ объединения разных цветов, гибридный способ объединения или способ объединения с выборочным отказом от избыточных цветов, и способ объединения и дискретизации, используемый блоком первого объединения, и способ объединения и дискретизации, принятый блоком второго объединения, не являются одновременно способом объединения одинаковых цветов, а именно по меньшей мере один из двух блоков объединения не использует способ объединения одинаковых цветов.
Как описано выше, способ объединения и дискретизации на основе местоположения блока первого объединения или блока второго объединения включает в себя по меньшей мере один из следующих нескольких способов: автоматический способ среднего для сигнала, непосредственно выдаваемого на шину, способ с пропуском строк или с пропуском столбцов и, способ поочередной дискретизации. А именно эти несколько способов объединения и дискретизации на основе местоположения могут использоваться индивидуально или в сочетании.
Как описано выше, в светочувствительном устройстве по меньшей мере один из способа преобразования цветового пространства и способа цифрового изменения масштаба изображения на выходе может использоваться для реализации способа объединения и дискретизации третьего блока объединения и дискретизации.
Фиг. 9 показывает способ объединения заряда пикселей разных цветов.
Упомянутая функция субдискретизации реализована контроллером декодирования адреса строки и контроллером декодирования адреса столбца, показанными на фиг. 25. Контроллер декодирования адреса строки выдает два типа сигналов: сигнал выбора строки Row[i] (линия в каждой строке) и сигнал вектора управления строки RS[i] (одна или более линий в каждой строке), где i - метка строки. Аналогично контроллер декодирования адреса столбца выдает два типа сигналов: сигнал выбора столбца Col[j] (линия в каждом столбце) и сигнал вектора управления столбца T[j] (одна или более линий в каждом столбце), где j - метка столбца.
Сигнал выбора строки Row[i] используется для выбора строки, в то время как сигнал выбора столбца Col[j] используется для выбора столбца. Они представляют собой две группы относительно стандартных сигналов. Сигнал вектора управления строки RS[i] является расширением существующего сигнала управления строки CMOS (линия в каждой строке расширена до нескольких линий в каждой строке), в то время как сигнал вектора управления столбца T[j] не существует в некотором светочувствительных устройствах CMOS вообще, и даже если сигнал вектора управления столбца T[j] существует в светочувствительных устройствах CMOS, столбец имеет только один сигнал вектора управления столбца.
Сигналы RS[i] и T[j] используемся для управления сбросом светочувствительного пикселя, нулевой очистки, времени световосприятия, переноса заряда, объединения пикселей и считывания пикселей. Вследствие симметрии между строками и столбцами сигналы RS[i] и T[j] имеют много конкретных способов реализации. Конкретные способы реализации этих сигналов не ограничены.
Как описано выше, способ дискретизации с полным графом светочувствительного устройства с множественным спектром включает в себя способ сканирования линии за линией и чтения линия за линией или способ сканирования и чередования линия за линией или поперечного считывания.
Способ реализации дополнительно включает в себя: изготовление светочувствительной системы, включающей в себя упомянутое светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости.
Светочувствительная система выполнена с возможностью получать переднее, заднее или двунаправленное изображение.
Светочувствительная система включает в себя цифровую камеру, мобильный телефон с камерой, видеокамеру, систему отслеживания с видеокамерой или фотокамерой, систему идентификации изображения, медицинскую систему формирования изображений, военную, пожарную или подземную систему изображения, систему автоматического отслеживания, систему трехмерного изображения, систему машинного зрения, систему зрения и круиз-контроля автомобиля, систему электронной игры, сетевую камеру, систему инфракрасного и ночного видения, систему формирования изображений с множественным спектром и компьютерную камеру.
Способ реализации дополнительно включает в себя: реализацию способа расширения глубины резкости, содержащего этапы, на которых: располагают в светочувствительном устройстве по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, и размещают по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы разные световые сигналы от линзы на заданном расстоянии от светочувствительного устройства были сфокусированы на разных светочувствительных пиксельных слоях.
В способе расширения глубины резкости четкое изображение получается через изображения с разными разрешениями и от разных светочувствительных пиксельных слоев.
Способ реализации дополнительно включает в себя способ формирования изображений или применение светочувствительного устройства в формировании изображений, включающие в себя этапы, на которых: располагают линзы и светочувствительное устройство, включающее в себя по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света; и размещают светочувствительное устройство на заданном расстоянии от линзы, и располагают по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы разные световые сигналы от линзы были сфокусированы на разных светочувствительных пиксельных слоях.
Как показано на фиг. 11 к фиг. 14, способ реализации дополнительно включает в себя оптическую систему формирования изображений, содержащую: линзу и светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости, причем светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости размещено на заданном расстоянии от линзы и включает в себя по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, причем по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя размещены с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы разные световые сигналы от линзы на заданном расстоянии от светочувствительного устройства были сфокусированы на разных светочувствительных пиксельных слоях.
Как показано на фиг. 13, свет со всеми интересующими длинами волн на разных расстояниях может быть соответствующим образом сфокусирован на каждом светочувствительном пиксельном слое; или, как показано на фиг. 14, свет с разными длинами волн на одном и том же расстоянии может быть соответствующим образом сфокусирован на каждом светочувствительном пиксельном слое; или свет с разными длинами волн на разных расстояниях может быть соответствующим образом фокусирован на каждом светочувствительном пиксельном слое.
Способ реализации включает в себя свет, сфокусированный на каждом светочувствительном пиксельном слое, длины волн которого постепенно увеличиваются от коротких до длинных в соответствии с расстоянием между каждым светочувствительным пиксельным слоем и оптической линзой. В качестве альтернативы, в каждом светочувствительном пиксельном слое световой сигнал на более далеком расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе.
Например, когда в состав включены два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света,, два светочувствительных пиксельных слоя соответствующим образом расположены на первом расстоянии изображения и втором расстоянии изображения от линзы, и ультрафиолетовый свет, синий свет, зеленый свет, голубой свет или белый свет может быть сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе, через оптическую конфигурацию линзы; соответствующим образом синий свет, зеленый свет, красный свет, желтый свет или инфракрасный свет сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы.
В другом примере, когда в состав включены три светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, три светочувствительных пиксельных слоя соответствующим образом расположены на первом расстоянии изображения, втором расстоянии изображения и третьем расстоянии изображения от линзы, и ультрафиолетовый свет, синий свет, зеленый свет или голубой свет может быть сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе, через оптическую конфигурацию линзы; соответствующим образом, красный свет, желтый свет, видимый свет или инфракрасный свет сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы; соответствующим образом, зеленый свет, желтый свет, видимый свет или красный свет сфокусирован на промежуточном светочувствительном пиксельном слое.
В другом примере, когда в состав включены четыре светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, четыре светочувствительных пиксельных слоя соответствующим образом расположены на первом расстоянии изображения, втором расстоянии изображения, третьем расстоянии изображения и четвертом расстоянии изображения от линзы, и ультрафиолетовый свет, синий свет, зеленый свет или синий свет может быть сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном самом ближе всего к линзе, через оптическую конфигурацию линзы; соответствующим образом, красный свет, желтый легкий, белый свет или инфракрасный свет сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы; соответствующим образом, синий свет, зеленый свет или голубой свет сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном рядом со светочувствительным пиксельным слоем, расположенным ближе всего к линзе; соответствующим образом, зеленый свет, красный свет белый свет или желтый свет сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном рядом со светочувствительным пиксельным слоем, расположенным дальше всего от линзы.
В другом примере, когда в состав два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, два светочувствительных пиксельных слоя соответствующим образом расположены на первом расстоянии изображения и втором расстоянии изображения от линзы, и ультрафиолетовый свет или видимый свет может быть сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе, через оптическую конфигурацию линзы; видимый свет или инфракрасный свет сфокусирован на светочувствительном пиксельном, расположенном дальше всего от линзы.
В другом примере, когда в состав включены три светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, три светочувствительных пиксельных слоя соответствующим образом расположены на первом расстоянии изображения, втором расстоянии изображения и третьем расстоянии изображения от линзы, и ультрафиолетовый свет или белый свет может быть сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе, через оптическую конфигурацию линзы; белый легкий или инфракрасный свет сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы; белый свет сфокусирован на промежуточном светочувствительном пиксельном слое.
В другом примере, когда в состав включены четыре светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, четыре светочувствительных пиксельных слоя соответствующим образом расположены на первом расстоянии изображения, втором расстоянии изображения, третьем расстоянии изображения и четвертом расстоянии изображения от линзы, и ультрафиолетовый свет или белый свет может быть сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе, через оптическую конфигурацию линзы; белый легкий или инфракрасный свет сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы; белый свет сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном рядом со светочувствительным пиксельным слоем, расположенным ближе всего к линзе; белый свет сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном рядом со светочувствительным пиксельным слоем, расположенным дальше всего от линзы.
Следует отметить, что в упомянутом примере для света, включающего в себя все интересующие длины волн, такие как белый свет, если проиллюстрировано, что белый свет сфокусирован на разных светочувствительных пиксельных слоях, белый свет обычно получается от разных расстояний. А именно, например, бесконечно далекий белый свет сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе, и белый свет на интересующем самом коротком расстоянии сфокусирован на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы. А именно, когда световые сигналы, сфокусированные на двух светочувствительных пиксельных слоях, имеют одну и ту же характеристику частотного спектра, световые сигналы должны иметь разные характеристики расстояния.
Светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости настоящего изобретения может одновременно получать несколько цветовых сигналов и других спектральных сигналов, имея превосходные характеристики множественного спектра одновременно. Например, в четырехслойном светочувствительном устройстве первый светочувствительный пиксельный слой химического покрытия, возбуждаемый ультрафиолетовым светом, первый полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой, возбуждаемый синим светом, зеленым светом или голубым светом, второй полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой, возбуждаемый красным светом, желтым светом или зеленым светом, и второй светочувствительный пиксельный слой химического покрытия, возбуждаемый инфракрасным светом, могут быть расположены близко или далеко от источника света вдоль светового пути. Первый полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой и второй полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой, соответственно, реализованы на двух полупроводниковых базовых слоях, светопроницаемый слой с предварительно установленной толщиной расположен между двумя полупроводниковыми базовыми слоями, и первый светочувствительный пиксельный слой химического покрытия расположен выше верхнего базового слоя, на котором расположен первый полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой; второй светочувствительный пиксельный слой химического покрытия расположен ниже нижнего базового слоя, на котором расположен второй полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой. Таким образом, не только реализовано расширение глубины резкости, но также может быть почти максимально использована энергия падающего света; в то время как получены цвета, также получена информация всего спектра, чтобы использовать характеристики различных светочувствительных материалов в полной мере. Сложность изготовления такого четырехслойного светочувствительного устройства с множественным спектром не слишком высока. Если объединены и использованы усовершенствованные схема и способ дискретизации и субдискретизации, заметно характеризуемые комбинацией заряда и преобразованием цвета, представленные авторами изобретения в описании выше, сложность светочувствительного устройства и системы может быть дополнительно значительно уменьшена, тем самым обеспечивая большое удобство и превосходную производительность различным применениям.
В светочувствительном устройстве с множественной глубиной резкости настоящего изобретения первое реализованное конкретное использование представляет собой расширение глубины резкости. Существующие системы EDoF реализуют расширение глубины резкости, главным образом, при помощи оптических и математических средств, и обычно должно выполнять автоматическую фокусировку, например, посредством линзы; напротив, настоящее изобретение реализует расширение глубины резкости непосредственно через физическое средство расположения разных светочувствительных пиксельных слоев в устройстве с интервалом на предварительно установленном расстоянии. Второе реализованное конкретное использование представляет собой реализацию глобального электронного затвора. Существующий глобальный электронный затвор (глобальный затвор), главным образом, использует средство схемы считывания; напротив, настоящее изобретение может реализовать высокоскоростное фотографирование с высокой разрешающей способностью посредством использования пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием без какого-либо механического затвора. Когда эти две реализации (а именно расширение глубины резкости и глобальный электронный затвор) интегрированы на одном и том же светочувствительном устройстве, полностью приводится в действие огромная производительность многослойного светочувствительного устройства с множественным спектром. Таким образом, настоящее изобретение значительно превосходит существующий способ во многих показателях и по производительности.
Помимо значительно увеличивающейся чувствительности светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости настоящего изобретения дополнительно может значительно увеличить диапазон глубины резкости системы посредством корректировки расстояний между разными светочувствительными пиксельными слоями, чтобы сделать изображения более различимым, скорость реакции системы быстрее и область применения шире и даже устранить требования автоматической фокусировки в некоторых применениях. Светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости настоящего изобретения может быстро получить четкое изображение в своем покрываемом диапазоне глубины резкости без необходимости процедуры фокусировки. Помимо возможности сократить трудности и затраты автоматической фокусировки, расширение глубины резкости может даже полностью устранить требования автоматической фокусировки в некоторых применениях, таких как камера мобильного телефона, макро-фотография, или телефотография. Расширение глубины резкости также может сделать объекты на разных расстояниях в одном изображении одновременно четкими, что также очень полезно в некоторых конкретных применениях, но не может быть выполнено посредством автоматической фокусировки, поскольку существующая автоматическая система фокусировки может только сделать отчетливым объект на расстоянии, но не может сделать отчетливыми все объекты в очень широком диапазоне. Таким образом, расширение глубины резкости настоящего изобретения также имеет очень большое значение в системе, имеющей возможность автоматической фокусировки.
Вследствие высокой чувствительности светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости настоящего изобретения его скорость световосприятия также может быть значительно увеличена, тем самым обеспечивая возможность не использовать механический затвор во многих применениях. Таким образом, в светочувствительном устройстве с множественной глубиной резкости настоящего изобретения дополнительно предложена реализация глобального электронного затвора, имеющего функцию перекрестного считывания слоев, чтобы заменить возможно необходимый механический затвор в некоторых применениях. Глобальный электронный затвор немедленно копирует заряд или значение напряжения в светочувствительном пикселе в устойчивый к свету пиксель считывания для считывания схемой считывания без спешки.
В комбинации с реализацией глобального электронного затвора для расширения глубины резкости, когда обе эти функции интегрированы в светочувствительном устройстве, высокоэффективная, высокоскоростная светочувствительная система с высокой разрешающей способностью без необходимости автоматической фокусировки и механического затвора может быть реализована в виде микросхемы, тем самым значительно уменьшая размер, сложность, расход энергии и затраты системы, и обеспечивая возможность для многих новых применений.
Это светочувствительное устройство с глобальным электронным затвором или светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости могут не использовать механический затвор или не использовать автоматическую систему фокусировки (или уменьшить требования к автоматической системе фокусировки) для светочувствительной системы и реализовать высокоскоростной электронный затвор или получение четких изображений без увеличения тактовой частоты светочувствительного устройства.
Одновременно с большим упрощением требований к механической сложности светочувствительной системы настоящее изобретение использует двухслойное или многослойное размещение, может максимально использовать энергию падающих фотонов в комбинации с усовершенствованным способом для двухслойного или многослойного размещения взаимодополняющего или ортогонального цветового шаблона и не использует пленку цветного светофильтра или использует только несколько пленок цветного светофильтра, тем самым достигая или приблизительно достигая теоретического верхнего предела эффективности фотоэлектрического преобразования и получая изображения других спектров, в том числе ультрафиолетовое изображение, ближнее инфракрасное изображение и дальнее инфракрасное изображение, при полном воссоздании цветов.
После того, как светочувствительный пиксельный слой и схема считывания наложены, схема считывания и вычисление слоя схемы считывания могут быть сделаны очень тщательными и сложными, чтобы обеспечить большое удобство для изготовления однокристальной светочувствительной системы.
Это светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости может одновременно получать несколько цветных сигналов и других спектральных сигналов, и если используются усовершенствованные схема и способ дискретизации и субдискретизации, заметно характеризуемые комбинацией заряда и преобразованием цвета, представленные авторами изобретения в описании выше, сложность светочувствительного устройства и системы может быть значительно уменьшена, тем самым обеспечивая большое удобство и превосходную производительность различным применениям.
Светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости может использоваться для восприятия света с передней стороны, восприятия света с задней стороны или двунаправленного восприятия света. Продуманно размещая возбуждающий пиксели спектральный диапазон светочувствительного устройства каждого слоя и разумного использования цветового шаблона каждого слоя, могут быть сформированы различные предпочтительные светочувствительные устройства с множественным спектром, например, устройство с высокой цветовой чувствительностью, устройство с высокой цветовой и инфракрасной чувствительностью, устройство с высокой цветовой и мультиспектральной чувствительностью без какого-либо смешанного цвета (смешанный цвет обусловлен интерполяцией) и т.п.
Посредством комбинации считывания активного пикселя и считывания пассивного пикселя может быть получено светочувствительное устройство с супернизким расходом энергии и светочувствительное устройство с супершироким динамическим диапазоном.
Хотя настоящее изобретение было раскрыто выше посредством конкретных вариантов осуществления, они не предназначены для ограничения настоящего изобретения. Любой специалист в области техники может сделать некоторые модификации и изменения без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Таким образом, объем защиты настоящего изобретения находится в пределах приложенной формулы изобретения.
1. Светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости, содержащее по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, причем различные светочувствительные пиксельные слои обнаруживают световые сигналы с различными цветами, которые являются ортогональными или взаимодополняющими по отношению друг к другу, причем по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя размещены с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы световые сигналы с различных расстояний и с различными цветами фокусировались на разных светочувствительных пиксельных слоях посредством линзы на заданном расстоянии от светочувствительного устройства,
при этом светочувствительные пиксельные слои содержат по меньшей мере одно из светочувствительного пиксельного слоя химического покрытия и полупроводникового светочувствительного пиксельного слоя, при этом светочувствительный пиксельный слой химического покрытия содержит точечный квантовый светочувствительный пиксель; и/или
полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой содержит светочувствительный диод с комплементарной структурой «металл-оксид-полупроводник» (CMOS), светочувствительный затвор CMOS, светочувствительный диод с зарядовой связью (CCD), светочувствительный затвор CCD, и светочувствительный диод и светочувствительный затвор CMOS и CCD имеют функцию двунаправленного переноса заряда.
2. Светочувствительное устройство по п. 1, в котором световой сигнал с цветом, который имеет меньшую длину волны, фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе.
3. Светочувствительное устройство по п. 2, в котором светочувствительный пиксельный слой является двухслойным, фиолетовый свет, синий свет, зеленый свет или голубой свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе, и зеленый свет, красный свет, желтый свет, видимый свет или инфракрасный свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше от линзы; или
светочувствительный пиксельный слой является трехслойным, и ультрафиолетовый свет, синий свет или голубой свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе; синий свет, зеленый свет, красный свет или желтый свет фокусируется на промежуточном светочувствительном пиксельном слое; красный свет, желтый свет, видимый свет или инфракрасный свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы.
4. Светочувствительное устройство по п. 1, в котором световой сигнал на более далеком расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе.
5. Светочувствительное устройство по п. 4, в котором светочувствительный пиксельный слой является двухслойным, бесконечно далекий световой сигнал фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе, и световой сигнал на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше от линзы; или
светочувствительный пиксельный слой является трехслойным, бесконечно далекий световой сигнал фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе, световой сигнал на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы, и световой сигнал на промежуточном расстоянии между бесконечно далеким световым сигналом и световым сигналом на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на промежуточном светочувствительном пиксельном слое.
6. Светочувствительное устройство по п. 5, в котором бесконечно далекий фиолетовый свет, синий свет, зеленый свет или голубой свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе, и зеленый свет, красный свет, желтый свет, видимый свет или инфракрасный свет на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше от линзы; или
светочувствительный пиксельный слой является трехслойным, бесконечно далекий ультрафиолетовый свет, синий свет или голубой свет фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе всего к линзе, красный свет, желтый свет, видимый свет или инфракрасный свет на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном дальше всего от линзы, и синий свет, зеленый свет, красный свет или желтый свет на промежуточном расстоянии между бесконечно далеким ультрафиолетовым светом, синим светом или голубым светом и красным светом, желтым светом, видимым светом или инфракрасным светом на самом коротком интересующем расстоянии фокусируется на промежуточном светочувствительном пиксельном слое.
7. Светочувствительное устройство по п. 5, в котором самое короткое интересующее расстояние содержит 2 мм, 5 мм, 7 мм, 1 см, 2 см, 3 см, 5 см, 7 см, 10 см, 20 см, 30 см, 40 см, 50 см, 60 см, 70 см, 80 см, 100 см или 150 см.
8. Светочувствительное устройство по п. 1, в котором светопроницаемый слой расположен по меньшей мере между двумя светочувствительными пиксельными слоями.
9. Светочувствительное устройство по п. 1, в котором цветовое размещение в каждом светочувствительном пиксельном слое содержит одинаковое размещение, горизонтальное размещение, вертикальное размещение, диагональное размещение, размещение по обобщенному байесовскому распределению, размещение YUV422, поперечное размещение YUV422, сотовидное размещение и однородное размещение.
10. Светочувствительное устройство по п. 1, в котором каждый из двух соседних слоев из светочувствительных пиксельных слоев снабжен схемой считывания; или два соседних слоя из светочувствительных пиксельных слоев совместно используют схему считывания, при этом способ совместного использования схемы считывания содержит способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с 4 точками, способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с 6 точками, способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с 8 точками, или способ совместного использования с одним слоем или с верхним и нижним уровнем с любым количеством точек.
11. Светочувствительное устройство по п. 10, в котором схема считывания является схемой считывания для активного пикселя, схемой считывания для пассивного пикселя или смешанной схемой считывания для активного пикселя и пассивного пикселя, при этом активный пиксель содержит активный пиксель 3Т, 4Т, 5Т или 6Т.
12. Светочувствительное устройство по п. 1, дополнительно содержащее множество пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием, которые могут переносить и считывать заряд или значение напряжения одного или более светочувствительных пиксельных слоев одновременно,
в котором множество пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием расположено на слое пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием; или расположено на светочувствительном пиксельном слое.
13. Светочувствительное устройство по п. 12, в котором каждый светочувствительный пиксельный слой расположен с ближайшим слоем пикселей с устойчивым к свету переносом и считыванием пикселей.
14. Способ расширения глубины резкости, содержащий этапы, на которых:
располагают в светочувствительном устройстве по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, причем различные светочувствительные пиксельные слои обнаруживают световые сигналы с различными цветами, которые являются ортогональными или взаимодополняющими по отношению друг к другу, и размещают по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы световые сигналы с различных расстояний и с различными цветами были сфокусированы на различных светочувствительных пиксельных слоях посредством линзы на заданном расстоянии от светочувствительного устройства,
при этом светочувствительные пиксельные слои содержат по меньшей мере одно из светочувствительного пиксельного слоя химического покрытия и полупроводникового светочувствительного пиксельного слоя, при этом светочувствительный пиксельный слой химического покрытия содержит точечный квантовый светочувствительный пиксель; и/или
полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой содержит светочувствительный диод с комплементарной структурой «металл-оксид-полупроводник» (CMOS), светочувствительный затвор CMOS, светочувствительный диод с зарядовой связью (CCD), светочувствительный затвор CCD, и светочувствительный диод и светочувствительный затвор CMOS и CCD имеют функцию двунаправленного переноса заряда.
15. Способ оптического формирования изображений, содержащий этапы, на которых:
располагают линзу и светочувствительное устройство, содержащее по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, причем различные светочувствительные пиксельные слои обнаруживают световые сигналы с различными цветами, которые являются ортогональными или взаимодополняющими по отношению друг к другу; и размещают светочувствительное устройство на заданном расстоянии от линзы, и располагают по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы световые сигналы с различных расстояний и с различными цветами были сфокусированы на разных светочувствительных пиксельных слоях посредством линзы на заданном расстоянии от светочувствительного устройства,
при этом светочувствительные пиксельные слои содержат по меньшей мере одно из светочувствительного пиксельного слоя химического покрытия и полупроводникового светочувствительного пиксельного слоя, при этом светочувствительный пиксельный слой химического покрытия содержит точечный квантовый светочувствительный пиксель; и/или
полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой содержит светочувствительный диод с комплементарной структурой «металл-оксид-полупроводник» (CMOS), светочувствительный затвор CMOS, светочувствительный диод с зарядовой связью (CCD), светочувствительный затвор CCD, и светочувствительный диод и светочувствительный затвор CMOS и CCD имеют функцию двунаправленного переноса заряда.
16. Оптическая система формирования изображений, содержащая: линзу и светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости, причем светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости размещено на заданном расстоянии от линзы и содержит по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя, которые могут быть возбуждены источником света, причем различные светочувствительные пиксельные слои обнаруживают световые сигналы с различными цветами, которые являются ортогональными или взаимодополняющими по отношению друг к другу, причем по меньшей мере два светочувствительных пиксельных слоя размещены с интервалом на предварительно установленном расстоянии таким образом, чтобы световые сигналы с различных расстояний и с различными цветами были сфокусированы на разных светочувствительных пиксельных слоях посредством линзы,
при этом светочувствительные пиксельные слои содержат по меньшей мере одно из светочувствительного пиксельного слоя химического покрытия и полупроводникового светочувствительного пиксельного слоя, при этом светочувствительный пиксельный слой химического покрытия содержит точечный квантовый светочувствительный пиксель; и/или
полупроводниковый светочувствительный пиксельный слой содержит светочувствительный диод с комплементарной структурой «металл-оксид-полупроводник» (CMOS), светочувствительный затвор CMOS, светочувствительный диод с зарядовой связью (CCD), светочувствительный затвор CCD, и светочувствительный диод и светочувствительный затвор CMOS и CCD имеют функцию двунаправленного переноса заряда.
17. Оптическая система формирования изображений по п. 16, в которой световой сигнал с цветом, который имеет меньшую длину волны, фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе, и/или в которой световой сигнал на более далеком расстоянии фокусируется на светочувствительном пиксельном слое, расположенном ближе к линзе.
