МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНОЕ СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
MULTISPECTRAL LIGHT-SENSITIVE DEVICE AND METHOD OF MAKING SAID DEVICE

Область техники
Изобретение относится к мультиспектральному светочувствительному устройству и способу его изготовления. В частности, настоящее раскрытие относится к панхроматическому светочувствительному устройству, которое может одновременно воспринимать множество спектров (например, видимого и инфракрасного света), и способу его изготовления. Здесь, панхроматический спектр (или цвет) содержит весь спектр, представляющий интерес. Для нормальных светочувствительных устройств (например, для видимого света), панхроматический спектр содержит весь спектр видимого света, который содержит красный, зеленый, синий и белый свет. Для светочувствительных устройств, используемых для комбинации инфракрасного и видимого света, панхроматический спектр содержит спектры видимого и инфракрасного света. Настоящее раскрытие относится к мультиспектральному светочувствительному устройству, содержащему для восприятия монохромные и цветные изображения.
Уровень техники
Традиционная технология для разработки и изготовления светочувствительных чипов (или устройств) цветного изображения предусматривает использование либо однослойного светочувствительного пикселя, либо трехслойного светочувствительного пикселя. Для светочувствительного чипа, использующего однослойный светочувствительный пиксель, для получения цветных изображений, он должен быть покрыт фильтром в соответствии с определенным шаблоном, например шаблоном Байера или ячеистым шаблоном. Для светочувствительного чипа, использующего трехслойный пиксель восприятия, нет необходимости использовать цветовой фильтр. Эти традиционные технологии для разработки и изготовления светочувствительных чипов (или устройств) цветного изображения все еще нуждаются в усовершенствовании.
В традиционном однослойном светочувствительном чипе цветного изображения два разных вида шаблонов в основном используются для получения сигнала цветности. На фиг. 1 показан шаблон цветового фильтра первого рода, а именно шаблон CYMG (также именуемый составным шаблоном цветового фильтра), который состоит из голубого, желтого, малинового и зеленого цвета. На фиг. 2 и фиг. 3(a), 3(b) показано несколько шаблонов фильтра основных цветов (RGB), упорядоченных согласно шаблону Байера или ячеистому шаблону, соответственно. Оба эти шаблона состоят из красного, зеленого и синего цвета.
В цветном светочувствительном чипе, выполненном из шаблона CYMG, матрица светочувствительных пикселей содержит большое количество макропикселей. Каждый макропиксель состоит из четырех пикселей, каждый из которых покрыт цветовым фильтром C, Y, M, G соответственно. Однако в промышленности устройств отображения используется шаблон трех основных цветов (т.е. RGB), а не шаблон CYMG, в связи с чем необходимо преобразование цветовой матрицы для цвета C, Y, M или G в матрицу для RGB для преобразования шаблона CYMG в шаблон RGB. Кроме того, поскольку каждая пиксельная точка воспринимает только один цвет (голубой, желтый, малиновый или зеленый), для восприятия цветов RGB каждым пикселем, необходима интерполяция для интерполирования пропущенных цветов из соседних пиксельных точек. В цветном светочувствительном чипе шаблона Байера (патент США № 3971065), матрица светочувствительных пикселей содержит большое количество макропикселей, каждый из которых содержит четыре пикселя, покрытые только цветами RGB. Шаблон Байера дополнительно требует, чтобы в каждом макропикселе два элемента на одной из диагоналей должен воспринимать зеленый цвет или цвет, соответствующий яркости изображения, тогда как другие два воспринимаемые цвета являются красным и синим или цветами, соответствующими двум другим разным спектрам видимого света. Аналогично, поскольку каждая пиксельная точка воспринимает только один цвет (красный, зеленый или синий), необходима интерполяция для интерполирования пропущенных цветов из соседних пиксельных точек для получения других двух пропущенных цветов в каждой точке. Шаблон Байера имеет четыре разных упорядочения, каждое из которых представляет конкретное размещение позиции RGB. В ячеистом шаблоне, показанном на фиг. 3, макропиксель содержит только три пикселя, покрытые цветами RGB и размещенные в виде шестиугольных ячеек. В ячеистом шаблоне пиксели, воспринимающие цвета RGB, расположены однородно и симметрично; и обмен позициями двух пикселей сохраняет ячеистый шаблон.
Как описано выше, при реализации цветового фильтра, сформированного согласно составному шаблону цветов (CYMG), шаблону Байера или ячеистому шаблону, возникает три общих проблемы: во-первых, снижение чувствительности вследствие наличия пленки цветовой фильтрации (по сравнению с монохромным светочувствительным чипом); во-вторых, снижение эффективной пространственной четкости (или разрешения) вследствие цветовой интерполяции, которое, в свою очередь, приводит к третьей проблеме, цветовому аляйсингу. Обычно цветовой аляйсинг разрешается с использованием низкочастотных фильтров. Однако низкочастотные фильтры будут снижать четкость изображения, что усугубляет вторую проблему.
Во избежание снижения чувствительности, вызванной цветовым фильтром, и для повышения общей светочувствительности в патенте США № 6137100 раскрыт способ выравнивания характеристики восприятия светочувствительных пикселей RGB, с использованием характеристики фотодиодов, которые имеют разную чувствительность для разных цветов. В частности, фотодиод более чувствителен к зеленому, в меньшей степени к красному и меньше всего к синему свету. Поэтому областям, чувствительным к синему свету, придается наибольший размер, чувствительным к красному - меньший размер, и чувствительным к зеленому - наименьший размер. Повышение цветовой чувствительности этим способом, тем не менее, ограничено. Кроме того, этот способ отдает особое предпочтение цветовому шаблону RGB.
Цветные светочувствительные устройства, в общем случае, воспринимают непрерывный спектр, соответствующий цвету RGB. Существуют также светочувствительные устройства монохромного изображения, которые чувствительны ко всему видимому спектру, или инфракрасному спектру, или к обоим. Чувствительность такого рода монохромного светочувствительного устройства, в общем случае, в 10 раз больше, чем у традиционного цветного светочувствительного устройства шаблона Байера (при тех же физических условиях производства), но такое устройство не может создавать цвет.
В патентной заявке под названием “Multi-spectrum photosensitive device and manufacturing method thereof” (PCT/CN2007/071262), ранее поданной автором настоящего изобретения, предусмотрен светочувствительный чип, где используются двухслойные светочувствительные пиксели. Согласно этому новому способу, спектр верхнего слоя и нижнего слоя расслоен в ортогональной или дополнительной форме, как показано на фиг. 4 и фиг. 5, так что в любых позициях пикселя светочувствительные пиксели на верхнем слое и нижнем слое могут, соответственно, воспринимать ортогональный или дополнительный спектр (либо видимый спектр, либо спектр видимого и инфракрасного света), тем самым максимизируя использование энергии падающего света. Этот способ можно реализовать с использованием или без использования цветовых фильтров и также с учетом преимуществ отношения пространственных разрешений, снижения цветности и светочувствительности. Однако этот новый способ не позволяет оптимизировать конструкцию физической структуры верхнего слоя и нижнего слоя.
Традиционная технология для разработки и изготовления светочувствительного чипа (или устройства) цветного изображения имеет другую характеристику, то есть, обычно, восприятие на передней стороне или задней стороне чипа (например, в патентах США № 4388532, № 4679068, № 5244817, № 6169369, № 6429036 и № 7265397). Патенты США № 5134274 и № 6191404 заслуживают упоминания в отношении обеспечения двустороннего светочувствительного чипа (и системы), который может одновременно воспринимать на передней и задней стороне. Термин “передняя сторона” означает сторону, обращенную к источнику света на слое основы чипа, соответственно, термин “восприятие с передней стороны” означает восприятие светочувствительными пикселями на передней стороне; тогда как термин “задняя сторона” означает сторону, обращенную от источника света на слое основы чипа, соответственно, термин “восприятие с задней стороны” означает восприятие светочувствительными пикселями на задней стороне. Восприятие с задней стороны требует, чтобы слой основы чипа был достаточно тонким и загерметизирован так, чтобы свет мог проникать через слой основы и восприниматься светочувствительными пикселями. Такой двусторонний светочувствительный чип способен принимать свет одновременно с передней стороны и задней стороны, т.е. имеет характеристику интегрирования сигналов двух разных источников света. Однако такого рода двусторонний светочувствительный чип содержит только один слой светочувствительных пикселей, расположенный на определенной стороне слоя основы чипа. Следовательно, когда пользователю нужно получить восприятие цветного (или мультиспектрального) сигнала или принять два разных вида (или контента) на светочувствительном чипе, такого рода однослойный светочувствительный чип, способный воспринимать на двух сторонах, испытывает затруднение. Кроме того, однослойный светочувствительный чип, способный воспринимать на двух сторонах, требует световых сигналов с двух направлений, лицевой стороны и тыльной стороны, который имеет соответствующее отношение на геометрическом пространстве, то есть его можно использовать только для единичного вида.
Поэтому этот уровень техники светочувствительных чипов все же может иметь недостатки. Что касается однослойного светочувствительного чипа, узкое место возникает в аспекте чувствительности, и его эффективность использования пространства и энергии не выше, чем у многослойных. Что касается многослойного (двухслойного или трехслойного) светочувствительного чипа, процесс является более сложным и трудным. Другая функция, которая отсутствует в уровне техники светочувствительного чипа, состоит в том, что они не могут воспринимать свет, соответствующий разным видам, с двух направлений, лицевой стороны и тыльной стороны.
Таким образом, по-прежнему необходимо усовершенствовать уровень техники, чтобы обеспечить устройство восприятия и способ его изготовления, которые могут объединять в себе преимущества устройства восприятия монохромного изображения и устройства восприятия цветного изображения и могут воспринимать свет с двух разных направлений одновременно или асинхронно для дополнительного повышения производительности чипа восприятия и расширения функций единичного чипа.
Сущность изобретения
Техническая проблема
Для преодоления ограничений и трудностей, с которыми сталкивается вышеописанный уровень техники, задачей настоящего раскрытия является обеспечение мультиспектрального светочувствительного устройства и способа его изготовления, которое позволяет одновременно получать виды с разных направлений.
Техническое решение
Для облегчения описания настоящего раскрытия и объяснения отличий от известного уровня техники здесь приведены определения следующих терминов: двухслойное устройство восприятия, двустороннее устройство восприятия и устройство восприятия в двух направлениях. Двухслойное устройство восприятия означает, что его светочувствительные пиксели физически делятся на два слоя (как двухслойное устройство восприятия, описанное в патентной заявке под названием “Multi-spectrum photosensitive device and manufacturing method thereof” (PCT/CN2007/071262), ранее поданной автором настоящего изобретения), каждый из которых имеет пиксели восприятия для восприятия конкретного спектра. Двустороннее устройство восприятия - это светочувствительное устройство, имеющее две поверхности восприятия, причем каждая поверхность способна воспринимать с по меньшей мере одного направления. Устройство восприятия в двух направлениях - это устройство восприятия, способное воспринимать с двух направлений (которые, в общем случае, образуют угол 180 градусов), т.е. передняя сторона и задняя сторона устройства восприятия могут воспринимать свет.
Светочувствительное устройство может одновременно иметь одну, две или все три упомянутые характеристики: два слоя, две стороны и два направления. Настоящее раскрытие, в основном, относится к двустороннему двухслойному устройству восприятия (как показано на фиг. 6(a)-(c)), устройству восприятия в двух направлениях (например, описанному в патентах США № 5134274 и № 6191404), двустороннему устройству восприятия в двух направлениях (как показано на фиг. 6(a)-(c) и фиг. 16) и к двустороннему двухслойному устройству восприятия в двух направлениях (как показано на фиг. 9(a)-(c)).
Техническое решение согласно настоящему раскрытию предусматривает следующее.
Мультиспектральное светочувствительное устройство, содержащее по меньшей мере один непрозрачный слой основы; причем каждый слой основы содержит по меньшей мере две стороны, по меньшей мере две из сторон снабжены группами светочувствительных пикселей, каждая из групп светочувствительных пикселей используется для восприятия света спектра, представляющего интерес, излучаемого с фронтального направления стороны, на которой расположена группа светочувствительных пикселей.
В мультиспектральном светочувствительном устройстве, существует один слой основы, снабженный двумя сторонами восприятия, которые, соответственно, содержат светочувствительные пиксели, распределенные одинаково или по-разному, для восприятия различных спектров.
Спектр, представляющий интерес, содержит один или более из спектров синего, зеленого, красного, голубого, желтого, белого, инфракрасного, красного плюс инфракрасный, желтого плюс инфракрасный и белого плюс инфракрасный света.
В мультиспектральном светочувствительном устройстве набор линз установлен, соответственно, напротив каждой стороны на слое основы.
Способ изготовления вышеупомянутого мультиспектрального светочувствительного устройства, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают по меньшей мере один непрозрачный слой основы, причем каждый слой основы содержит по меньшей мере две стороны;
по меньшей мере две из сторон слоя основы снабжены группами светочувствительных пикселей, каждая группа светочувствительных пикселей используется для восприятия света спектра, представляющего интерес, излучаемого с фронтального направления стороны, на которой расположена группа светочувствительных пикселей.
Другая разновидность мультиспектрального светочувствительного устройства, содержащего по меньшей мере один прозрачный слой основы; каждый слой основы содержит по меньшей мере две стороны, по меньшей мере две из сторон снабжены группами светочувствительных пикселей, каждая группа светочувствительных пикселей используется для восприятия света спектра, представляющего интерес, излучаемого с фронтального направления или тыльного направления стороны, на которой расположена группа светочувствительных пикселей.
В мультиспектральном светочувствительном устройстве существует один слой основы, снабженный двумя сторонами восприятия, каждая из которых, соответственно, имеет светочувствительные пиксели, распределенные одинаково или по-разному, для восприятия различных спектров.
Спектр, представляющий интерес, содержит один или более из спектров синего, зеленого, красного, голубого, желтого, белого, инфракрасного, красного плюс инфракрасный, желтого плюс инфракрасный и белого плюс инфракрасный света.
При облучении с одного направления спектр, воспринимаемый светочувствительными пикселями, расположенными на тыльной стороне слоя основы, ортогонален спектру, воспринимаемому светочувствительными пикселями, расположенными в тех же позициях на фронтальной стороне.
Кроме того, при облучении с одного направления спектр, воспринимаемый светочувствительными пикселями, расположенными на тыльной стороне, дополнителен к спектру, воспринимаемому светочувствительными пикселями, расположенными в той же позиции на фронтальной стороне.
Мультиспектральное устройство восприятия дополнительно содержит средство выбора направления, сконфигурированное для случая, когда все или часть пикселей на выбранной стороне воспринимают экранирования пикселей в соответствующих позициях на стороне, симметричной выбранной стороне.
Средство выбора направления может быть синхронной многозатворной системой, причем каждый из ее затворов располагается напротив каждой стороны слоя основы, и два затвора, установленные напротив двух сторон, противоположных друг другу, находятся, соответственно, в открытом состоянии и закрытом состоянии в одно и то же время.
Средство выбора направления также может быть экранирующей пленкой, причем экранирующая пленка покрывает часть пикселей на каждой стороне слоя основы в соответствии с заранее установленным шаблоном выбора направления пикселем, и для двух пикселей, расположенных в одной и той же позиции на передней стороне и задней стороне, самое большее, только один из которых покрыт экранирующей пленкой.
Шаблон выбора направления пикселем выбран из диагонального шаблона, горизонтального шаблона каждых трех столбцов, горизонтального шаблона каждых двух столбцов, вертикального шаблона каждых трех строк, вертикального шаблона через каждые две строки и шаблона разделения области.
В мультиспектральном светочувствительном устройстве, пиксели на фронтальной стороне и тыльной стороне симметричны по направлению.
В мультиспектральном светочувствительном устройстве, набор линз установлен, соответственно, напротив каждой стороны слоя основы.
Способ изготовления вышеупомянутого мультиспектрального устройства восприятия, содержит этапы, на которых:
обеспечивают по меньшей мере один прозрачный слой основы; причем каждый слой основы содержит по меньшей мере две стороны;
по меньшей мере две из сторон слоя основы снабжены группами светочувствительных пикселей, каждая из групп светочувствительных пикселей используется для восприятия света спектра, представляющего интерес, излучаемого с тыльного направления или фронтального направления стороны, на которой расположены группы светочувствительных пикселей.
Преимущества изобретения
Прежде всего, процесс производства можно упростить, обеспечив слой основы, содержащий по меньшей мере две стороны, на которых расположены светочувствительные пиксели. Многослойные устройства восприятия, отвечающие уровню техники (в том числе, раскрытые в патентной заявке под названием “A Multi-Spectrum Photosensitive Device and Manufacturing Method Thereof”, ранее поданной автором изобретения), являются разновидностью трехмерного процесса производства, который предусматривает послойную обработку чипа и, наконец, формовку всех обработанных слоев вместе, в результате чего процесс производства сравнительно усложняется, что затрудняет повышение производительности производства. В то же время настоящее раскрытие осуществляет обработку на каждой стороне слоя основы, благодаря чему процесс производства приближается к технологии плоскостного процесса, например, если слой основы имеет две стороны, после обработки фронтальной стороны, необходимо лишь перевернуть слой основы и осуществлять обработку непосредственно на тыльной стороне, что позволяет добиться значительного упрощения процесса производства. Во-вторых, наблюдение разных видов с разных направлений реализуется с помощью одного и того же устройства благодаря установке пикселей восприятия на разных сторонах слоя основы. Например, также взяв слой основы с двумя сторонами в порядке примера, когда слой основы является непрозрачным, как фронтальная сторона, так и тыльная сторона слоя основы может воспринимать свет с каждой стороны, соответственно, для получения видов в направлениях вперед, соответственно. Когда слой основы является прозрачным, как фронтальная сторона, так и тыльная сторона слоя основы также могут воспринимать свет, соответственно, для получения видов, соответственно, посредством затвора или шаблона выбора направления пикселем. По сравнению с уровнем техники для получения видов с разных направлений подход, отвечающий уровню техники, предусматривает применение множественных наборов чипов восприятия и их схем обработки; тогда как подход согласно настоящему раскрытию предусматривает восприятие видов с разных направлений на разных сторонах слоя основы, таким образом, помимо множественных групп светов, воспринимаемых с разных направлений, необходима только схема обработки, которая включает в себя схему фотоэлектрического преобразования, обработки электрического сигнала, выходную схему и линию передачи, что позволяет экономить пространство и деньги.
Что касается прозрачного слоя основы, пиксели восприятия предусмотрены в одной и той же позиции как на фронтальной стороне, так и на тыльной стороне. Одна и та же позиция как на фронтальной стороне, так и на тыльной стороне в данном случае означает, что при облучении источником света соответствующие позиции на двух сторонах облучаются одним и тем же лучом. Рассматривая пример слоя основы с двумя сторонами, если точечный источник света вертикально облучает фронтальную сторону слоя основы, позицией облучения на фронтальной стороне слоя основы является точка A, и позицией облучения на тыльной стороне слоя основы, облучаемой через слой основы, является точка B, тогда как точка A и точка B располагаются в одной и той же позиции двух противоположных сторон. Таким образом, существует проблема в том, что источник фронтального освещения будет облучать точку A и точку B и источник тылового освещения также будет облучать точку B и точку A, что обуславливает интерференцию между видами с двух направлений. Для устранения такой двунаправленной интерференции, режим простой обработки предусматривает наличие светочувствительных пикселей на одной стороне из этих двух противоположных сторон и отсутствие светочувствительных пикселей в той же позиции на другой стороне. Однако существуют различные преимущества обеспечения пикселей восприятия в одной и той же позиции на двух противоположных сторонах, например, энергия падающего света всех сегментов спектра может в большой степени использоваться для получения более высокой эффективности света для достижения более высокой чувствительности и динамического диапазона и при этом снижения электрического шумового сигнала, вырабатываемого преобразованием энергии света в тепловую энергию. С этой целью, согласно настоящему раскрытию, благодаря применению средства выбора направления, источник фронтального освещения не может достигать точки B и точки A, когда источник фронтального освещения облучает точку A и точку B, или источник фронтального освещения не может достигать точки A и точки B (т.е. шаблон выбора направлений путем разделения времени), когда источник фронтального освещения облучает точку B и точку A; или с применением шаблона выбора направления пикселем, т.е. при задании точки A и точки B в качестве фронтальной группы восприятия для восприятия источника фронтального освещения, задании точки C (расположенной на тыльной стороне) и точки D (расположенной на фронтальной стороне) в качестве тыльной группы восприятия для восприятия источника фронтального освещения, так что только один из двух пикселей, расположенных в одной и той же позиции противоположных сторон, фронтальной и тыльной, покрыт экранирующей пленкой, что определяет позиции пикселей, покрытых экранирующей пленкой, на противоположных сторонах для обеспечения максимального использования энергии падающего света и одновременно реализации получения видов разных направлений без интерференции.
Необходимо подчеркнуть, что двустороннее двухслойное светочувствительное устройство с прозрачным слоем основы, раскрытое в настоящем раскрытии, не только обеспечивает большое удобство и преимущество для двунаправленного восприятия, но и значительно повышает чувствительность устройства восприятия и гамму цветопередачи для восприятия в одном направлении. При этом настоящее изобретение предусматривает простой способ интегрирующей реализации восприятия цвета и инфракрасного света на устройстве восприятия при низких затратах.
Мультиспектральное светочувствительное устройство для восприятия видимого и инфракрасного света будет рассмотрено согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия, которые приведены только для демонстрации преимуществ и реализаций настоящего раскрытия, но никоим образом не ограничивают объем защиты настоящего раскрытия.
Для специалистов в данной области техники вышеозначенные и другие задачи, а также преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующих подробных описаний и иллюстраций предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на нижеперечисленные чертежи.
Описания чертежей
Фиг. 1 - схема, демонстрирующая шаблон цветового фильтра CYMG.
Фиг. 2 - схема, демонстрирующая шаблон Байера цветовых фильтров RGB и его разновидности.
Фиг. 3(a) и 3(b) - схемы, демонстрирующие ячеистые шаблоны цветового фильтра RGB, соответственно.
Фиг. 4(a) - схема, поясняющая соотношение между спектрами красного, зеленого, синего, желтого, голубого, белого и инфракрасного света; фиг. 4(b) - схема, поясняющая соотношение между глубиной проникновения и длиной волны света в (непрозрачном) объекте, в которой линии слоев используются для упрощения реализаций различных устройств восприятия.
Фиг. 5(a) и 5(b) демонстрируют примеры некоторых пар ортогональных и дополнительных цветов, в которых цвета двух слоев вверх и вниз в левой части фиг. 5(a) и 5(b) являются дополнительными и цвета двух слоев вверх и вниз в правой части фиг. 5(a) и 5(b) являются ортогональными.
Фиг. 6(a)-6(c) иллюстрируют предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов с шаблоном Байера согласно настоящему раскрытию, в котором слой основы является непрозрачным и фронтальная сторона полностью симметрична тыльной стороне. Следует отметить, что, поскольку устройство восприятия, показанное на фиг. 6(a), 6(b) и 6(c), одновременно имеет характеристики двух слоев, а также двух сторон, оно именуется двусторонним двухслойным устройством восприятия цветов.
Фиг. 7(a)-7(c) иллюстрируют предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов с непрозрачным слоем основы согласно настоящему раскрытию и его разновидности, где используется обобщенный шаблон Байера, в котором слой основы является непрозрачным и фронтальная сторона полностью симметрична тыльной стороне. Предпочтительный вариант осуществления может предусматривать устройство восприятия цветов CYMG.
Фиг. 8(a)-8(d) иллюстрируют предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов, фронтальная сторона которого выполнена в виде ячеистого шаблона согласно настоящему раскрытию, и его разновидности, в которых слой основы является непрозрачным и тыльная сторона выполнена в виде шаблона Байера (фиг. 8(b)), или ячеистого шаблона (фиг. 8(c)), или однородного шаблона (фиг. 8(d)), или других шаблонов. Фигуры поясняют, что для двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов с непрозрачным слоем основы фронтальная сторона и тыльная сторона при необходимости могут не нести никакого шаблона и не обязаны быть полностью идентичными.
Фиг. 9(a)-9(c) иллюстрируют предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов с прозрачным слоем основы согласно настоящему раскрытию, в котором слой основы является прозрачным и на фронтальной стороне используется шаблон Байера голубого, зеленого и синего цветов, тогда как на тыльной стороне используется шаблон красного или инфракрасного цветов. В проиллюстрированном примере пиксели, воспринимающие красный и красный плюс инфракрасный свет, соответственно, располагаются на диагонали.
Фиг. 10(a)-10(c) иллюстрируют еще один предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов с прозрачным слоем основы согласно настоящему раскрытию, в котором слой основы является прозрачным и фронтальная сторона используется для восприятия синего света, тогда как тыльная сторона используется для восприятия желтого, зеленого, красного или инфракрасного света.
Фиг. 11(a)-11(c) иллюстрируют еще один предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов с прозрачным слоем основы согласно настоящему раскрытию, в котором слой основы является прозрачным и на фронтальной стороне используется ячеистый шаблон синего, зеленого и голубого цвета, тогда как на тыльной стороне используется ячеистый шаблон красного или инфракрасного цветов. Пиксели на фронтальной стороне полностью соответствуют по геометрической позиции пикселям на тыльной стороне, благодаря чему свет, излучаемый с фронтальной стороны, может распространяться через слой основы к тыльной стороне. В проиллюстрированном примере 2/3 пикселей на тыльной стороне воспринимает красный цвет, и 1/3 пикселей воспринимает красный или красный плюс инфракрасный свет.
Фиг. 12(a)-12(c) иллюстрируют еще один предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов с прозрачным слоем основы согласно настоящему раскрытию, в котором слой основы является прозрачным и на фронтальной стороне используется ячеистый шаблон синего света, тогда как на тыльной стороне используется ячеистый шаблон красного, зеленого и желтого света. Пиксели на фронтальной стороне полностью соответствуют по геометрической позиции пикселям на тыльной стороне, благодаря чему свет, излучаемый с фронтальной стороны, может распространяться через слой основы к тыльной стороне.
Фиг. 13(a)-13(c) иллюстрируют предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов с прозрачным слоем основы согласно настоящему раскрытию, в котором слой основы является прозрачным и на фронтальной стороне используется однородный шаблон синего света, тогда как на тыльной стороне используется обобщенный шаблон Байера красного плюс инфракрасный, зеленого и желтого света. Пиксели на фронтальной стороне полностью соответствуют по геометрической позиции пикселям на тыльной стороне, благодаря чему свет, излучаемый с фронтальной стороны, может распространяться через слой основы к тыльной стороне.
Фиг. 14(a)-14(c) иллюстрируют предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов с прозрачным слоем основы согласно настоящему раскрытию, в котором слой основы является прозрачным и на фронтальной стороне используется однородный шаблон пустого цвета, зеленого, синего и белого (или белого плюс инфракрасный) света, тогда как на тыльной стороне используется обобщенный шаблон Байера красного плюс инфракрасный, пустого и белого (или белого плюс инфракрасный) света. Пиксели на фронтальной стороне полностью соответствуют по геометрической позиции пикселям на тыльной стороне, благодаря чему свет, излучаемый с фронтальной стороны, может распространяться через слой основы к тыльной стороне.
Фиг. 15(a)-15(c) иллюстрируют еще один предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов с прозрачным слоем основы согласно настоящему раскрытию, в котором слой основы является прозрачным и на фронтальной стороне используется однородный шаблон пустого цвета, зеленого, синего, красного (или желтого) и белого (или белого плюс инфракрасный) света, тогда как на тыльной стороне используется обобщенный шаблон Байера синего, пустого и белого (или белого плюс инфракрасный) света. Пиксели на фронтальной стороне полностью соответствуют по геометрической позиции пикселям на тыльной стороне, благодаря чему свет с фронтальной стороны может распространяться через слой основы к тыльной стороне.
Фиг. 16 - схема, демонстрирующая систему восприятия в двух направлениях с двусторонним двухслойным устройством восприятия с прозрачным слоем основы. В системе двустороннее двухслойное устройство восприятия находится в центре, благодаря прозрачному слою основы пиксели восприятия на фронтальной стороне могут одновременно принимать свет с фронтальной стороны и свет с тыльной стороны. Для отделения видов фронтальной стороны от видов тыльной стороны система использует систему синхронизированных механических затворов, в которой затвор открывается, в то время как другой затвор закрывается. Когда механический затвор на фронтальной стороне находится в закрытом состоянии, затвор на тыльной стороне находится в открытом состоянии, и наоборот.
Фиг. 17 - схема, демонстрирующая систему восприятия в двух направлениях с двусторонним двухслойным устройством восприятия, принимающим средство выбора направления. В системе двустороннее двухслойное устройство восприятия находится в центре, благодаря прозрачному слою основы устройство восприятия может быть двусторонним двухслойным устройством восприятия в двух направлениях с непрозрачным слоем основы или двусторонним двухслойным устройством восприятия в двух направлениях с шаблоном выбора направления пикселем. В системе, поскольку устройство восприятия имеет функцию выбора направления, устройство восприятия может принимать свет как с фронтальной стороны, так и с тыльной стороны без механического затвора и можно получать вид фронтальной стороны на пикселях фронтальной стороны и вид тыльной стороны на пикселях тыльной стороны.
Фиг. 18 демонстрирует двустороннее двухслойное устройство восприятия с шаблоном выбора направления пикселем, без покрытия непрозрачной пленкой. Фиг. 18(a) иллюстрирует, что при облучении с фронтальной стороны пиксели на фронтальной стороне устройства восприятия будут воспринимать голубой, зеленый и синий свет, тогда как пиксели на тыльной стороне будут воспринимать красный свет. Фиг. 18(b) иллюстрирует, что при облучении тыловым освещением пиксели на тыльной стороне устройства восприятия воспринимают желтый, зеленый и синий свет, тогда как пиксели на пикселях тыльной стороны воспринимают синий свет. Следует отметить, что пиксели на фронтальной стороне сгруппированы, каждая группа состоит из восьми пикселей, а не четырех пикселей, и образуют повторяющуюся конфигурацию. Таким образом, первые 4 пикселя и последние 4 пикселя в группе образуют вертикальную зеркальную симметрию. Целью такого размещения является подготовка к диагональному размещению непрозрачной пленки, как показано на фиг. 19.
Фиг. 19(a) и 19(b) иллюстрируют устройство восприятия в двух направлениях, которое формируется нанесением диагональной непрозрачной пленки на двустороннее двухслойное устройство восприятия, как показано на фиг. 18. В левой части фиг. 19(a) показана непрозрачная пленка, нанесенная на поверхность пикселей на задней диагональной линии на фронтальной стороне. Затем, при облучении фронтальным освещением, пиксели на диагональной линии на фронтальной стороне воспринимают голубой, синий и зеленый свет, тогда как пиксели на диагональной линии на тыльной стороне воспринимают красный свет; вне зависимости от того, фронтальная это сторона или тыльная сторона, благодаря непрозрачной пленке на задней диагонали (фронтальной стороны) пиксели на задней диагонали не могут воспринимать свет с фронтальной стороны. В правой части фиг. 19(b) показана непрозрачная пленка на поверхности пикселей на передней диагонали на тыльной стороне. Затем, при облучении тыловым освещением, пиксели на задней диагонали на тыльной стороне воспринимают синий свет, тогда как пиксели на задней диагонали на фронтальной стороне воспринимают красный, зеленый и желтый свет; вне зависимости от того, фронтальная это сторона или тыльная сторона, благодаря непрозрачной пленке на передней диагонали (фронтальной стороны) пиксели на передней диагонали не могут воспринимать свет с тыльной стороны. Поэтому в результате пиксели на фронтальной стороне двустороннего двухслойного устройства восприятия в двух направлениях будут получать виды фронтальной стороны, тогда как пиксели на тыльной стороне будут получать виды тыльной стороны, благодаря чему виды фронтальной стороны и тыльной стороны получаются раздельно.
Фиг. 20(a) и 20(b) демонстрируют предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия с горизонтальной двухлинейной экранирующей плакирующей пленкой. Левая сторона фиг. 20(a) иллюстрирует экранирующую пленку на фронтальной стороне и облучение с фронтальной стороны, причем внешняя поверхность пикселей восприятия на фронтальной стороне покрыта экранирующей пленкой через каждые две линии и пиксели восприятия без экранирующей пленки расположены согласно обобщенному шаблону Байера, воспринимая цветовые спектры голубого, синего и зеленого света, соответственно. Правая сторона фиг. 20(a) иллюстрирует пиксели восприятия на тыльной стороне при облучении с фронтальной стороны, причем пиксели на тыльной стороне, которые невозможно облучать вследствие наличия пленки, нанесенной на соответствующие позиции на фронтальной стороне, не могут воспринимать (но способны воспринимать свет с тыльной стороны). Поскольку пиксели на фронтальной стороне не покрыты пленкой, пиксели восприятия в соответствующих позициях на фронтальной стороне могут воспринимать красный свет с фронтальной стороны. Правая сторона фиг. 20(b) иллюстрирует экранирующую пленку на тыльной стороне и облучение с тыльной стороны, причем внешняя поверхность пикселей восприятия на тыльной стороне покрыта экранирующей пленкой через каждые три линии (перемежаясь с экранирующей пленкой на фронтальной стороне) и пиксели восприятия без экранирующей пленки воспринимают спектр синего света. Левая часть фиг. 20(b) иллюстрирует пиксели восприятия на фронтальной стороне при облучении с тыльной стороны, причем пиксели восприятия на фронтальной стороне, которые невозможно облучать вследствие наличия экранирующей пленки, нанесенной в соответствующей позиции на тыльной стороне, не могут воспринимать (но способны воспринимать свет с фронтальной стороны). Поскольку пиксели на фронтальной стороне не покрыты пленкой, пиксели восприятия на фронтальной стороне без экранирующей пленки могут воспринимать красный, зеленый и желтый свет с фронтальной стороны. Пиксели, не покрытые пленкой, могут располагаться в различных шаблонах, и чертежи здесь показывают лишь один из предпочтительных шаблонов.
Фиг. 21(a) и (b) аналогичны фиг. 20(a) и (b), но шаблон пленок нанесен через каждые две линии, а не через каждые три линии, соответственно, размещение пикселей, не покрытых пленками, также регулируется. Пиксели без пленок могут располагаться в различных шаблонах, и чертежи здесь показывают лишь один из предпочтительных шаблонов.
Фиг. 22(a) и (b) аналогичны фиг. 20(a) и (b), но шаблон пленок покрыт через каждые три строки, а не через каждые три столбца, соответственно, размещение пикселей, не покрытых пленкой, также регулируется. Пиксели без пленок могут располагаться в различных шаблонах, и чертежи здесь показывают лишь один из предпочтительных шаблонов.
Фиг. 23(a) и (b) аналогичны фиг. 20(a) и (b), но шаблон пленок покрыт через каждые две строки, а не через каждые три столбца, соответственно, размещение пикселей, не покрытых пленкой, также регулируется. Пиксели без пленок могут располагаться в различных шаблонах, и чертежи здесь показывают лишь один из предпочтительных шаблонов.
Фиг. 24(a) и (b) иллюстрируют предпочтительный режим экранирующей пленки, в особенности используемый для монохромного чипа восприятия в двух направлениях с шаблоном выбора направления пикселем, воспринимающего белый (или белый плюс инфракрасный) свет. Этот режим позволяет добиться более высокого пространственного разрешения. Монохромный чип восприятия в двух направлениях также может использовать режим горизонтального или вертикального покрытия, как показано на фиг. 21-24. Фигуры не следует рассматривать в порядке ограничения способа использованием шаблона выбора направления пикселем, раскрытого в настоящем раскрытии.
Фиг. 25 демонстрирует двустороннее двухслойное мультиспектральное устройство восприятия с шаблоном выбора направления пикселем, без покрытия непрозрачной пленкой. Как показано на фиг. 25(a), при облучении с фронтальной стороны пиксели на фронтальной стороне устройства восприятия воспринимают пустой цвет, зеленый, синий и белый плюс инфракрасный свет, тогда как пиксели тыльной стороны воспринимают пустой цвет, красный и белый плюс инфракрасный свет. Как показано на фиг. 25(b), при облучении с тыльной стороны пиксели фронтальной стороны воспринимают пустой цвет, зеленый, красный и белый плюс инфракрасный свет, тогда как пиксели тыльной стороны воспринимают синий, пустой и белый плюс инфракрасный свет. Следует отметить, что пиксели на фронтальной стороне сгруппированы, каждая группа состоит из восьми пикселей, а не четырех пикселей, которые образуют повторяющуюся конфигурацию. То есть первые 4 пикселя и последние 4 пикселя в группе образуют вертикальную зеркальную симметрию. Целью такого размещения является подготовка к диагональному размещению непрозрачной пленки, как показано на фиг. 26.
Фиг. 26(a) и (b) демонстрируют устройство восприятия в двух направлениях, которое формируется нанесением диагональной непрозрачной пленки на двустороннее двухслойное мультиспектральное устройство восприятия, как показано на фиг. 18. Левая часть фиг. 26(a) демонстрирует непрозрачную пленку, нанесенную на поверхность пикселей на задней диагонали на фронтальной стороне. Затем, пустой, синий, зеленый и белый плюс инфракрасный свет воспринимаются пикселями на передней диагонали фронтальной стороны, тогда как красный, пустой и белый плюс инфракрасный свет воспринимаются пикселями на передней диагонали на тыльной стороне; независимо от того, фронтальная это сторона или тыльная сторона, благодаря непрозрачной пленке на задней диагонали (фронтальной стороны) пиксели на задней диагонали не могут воспринимать свет с фронтальной стороны. Правая сторона фиг. 26(b) демонстрирует непрозрачную пленку, нанесенную на поверхности пикселей на задней диагонали на фронтальной стороне. Затем, пустой, синий, зеленый и белый плюс инфракрасный свет воспринимаются пикселями на передней диагонали фронтальной стороны, тогда как красный, пустой и белый плюс инфракрасный свет воспринимаются на передней диагонали на тыльной стороне; независимо от того, фронтальная это сторона или тыльная сторона, благодаря непрозрачной пленке на задней диагонали (фронтальной стороны) пиксели на передней диагонали не могут воспринимать свет с фронтальной стороны. Поэтому в результате фронтальная сторона двустороннего двухслойного устройства восприятия будет получать вид фронтальной стороны, тогда как тыльная сторона будет получать вид тыльной стороны, для получения видов фронтальной стороны и тыльной стороны по отдельности.
Фиг. 27(a) и 27(b) аналогичны фиг. 26(a) и (b), но шаблон пленок нанесен через каждые две линии, а не через каждые три линии, соответственно, размещение пикселей, не покрытых пленками, также регулируется. Пиксели без пленок могут располагаться в различных шаблонах, и чертежи здесь показывают лишь один из предпочтительных шаблонов.
Фиг. 28(a) и 28(b) аналогичны фиг. 26(a) и (b), но шаблон пленок покрыт через каждые три строки, а не через каждые три столбца, соответственно, размещение пикселей, не покрытых пленкой, также регулируется. Пиксели без пленок могут располагаться в различных шаблонах, и чертежи здесь показывают лишь один из предпочтительных шаблонов.
Фиг. 29(a) и 29(b) аналогичны фиг. 26(a) и (b), но шаблон пленок покрыт через каждые две строки, а не через каждые три столбца, соответственно, размещение пикселей, не покрытых пленкой, также регулируется. Пиксели без пленок могут располагаться в различных шаблонах, и чертеж здесь демонстрирует лишь один из предпочтительных шаблонов.
Фиг. 30(a) и 30(b) иллюстрируют предпочтительный режим пленки, используемый для монохромного чипа восприятия в двух направлениях с шаблоном выбора направления пикселем, воспринимающего белый и белый плюс инфракрасный свет по отдельности. Этот режим позволяет добиться более высокого пространственного разрешения. Фиг. 30(a) и (b) отличаются от фиг. 24(a) и (b) тем, что чипы восприятия на фиг. 30 могут воспринимать видимый свет и инфракрасный свет по отдельности. Монохромный двусторонний двухслойный мультиспектральный чип восприятия также может использовать режим горизонтального или вертикального покрытия, как показано на фиг. 27-29. Фигуры не следует рассматривать в порядке ограничения способа использованием шаблона выбора направления пикселем, раскрытого в настоящем раскрытии.
Фиг. 31 иллюстрирует монохромное устройство восприятия со сверхвысокой чувствительностью, где используется шаблон выбора направления пикселем, диагональный шаблон, который можно использовать для восприятия видимого света и инфракрасного света. Благодаря нанесению пленки в диагональном шаблоне, показанном на фиг. 31, инфракрасный свет можно воспринимать по отдельности в мультиспектральном монохромном чипе восприятия в двух направлениях с высокой чувствительностью, как показано на фиг. 24.
Фиг. 32 иллюстрирует двустороннее устройство восприятия, где применяется шаблон выбора направления путем разделения области для восприятия с двух направлений. В такой реализации благодаря использованию экранирующей пленки пиксельная область на фронтальной стороне может воспринимать только свет с фронтальной стороны, и пиксельная область тыльной стороны может воспринимать только свет с тыльной стороны.
Подробное описание
Раскрытые здесь мультиспектральное светочувствительное устройство, способ изготовления и система восприятия предусматривают наличие слоя основы, одна или более сторон которого снабжена группами светочувствительных пикселей на каждой стороне, что позволяет одновременно воспринимать виды с разных направлений. Как известно, форма слоя основы не ограничена, например, она может быть прямоугольной, дискообразной, шестигранной и пр. Если слой основы является непрозрачным, существует больше вариантов выбора его формы. Если же слой основы является прозрачным, предпочтительно, чтобы он имел форму тонкого двустороннего прямоугольника или шестигранника для облегчения нахождения местоположения соответствующих пикселей на противоположных сторонах.
Далее приведен пример согласно настоящему раскрытию. В примере слой основы является плоским телом (т.е. кубоидом очень малой толщины); светочувствительный путь светочувствительного устройства представляет собой путь двустороннего восприятия, т.е. восприятия с фронтальной стороны слоя основы и восприятия с тыльной стороны слоя основы. Простой способ изготовления светочувствительного чипа с мультиспектральными светочувствительными пикселями, воспринимающими одновременно две стороны, в настоящем раскрытии предусматривает обеспечение обеих сторон слоя основы, фронтальной стороны и тыльной стороны, группами светочувствительных пикселей для восприятия света с соответствующего направления (внешней поверхности), причем группа светочувствительных пикселей содержит по меньшей мере один пиксель. Как показано на фиг. 6, слой основы является непрозрачным, таким образом, свет с двух сторон не интерферирует. Двусторонний чип восприятия, реализованный таким образом, эквивалентен однослойному чипу восприятия при наблюдении с фронтального направления и тыльного направления слоя основы. Мы называем такого рода чип восприятия составным двусторонним чипом восприятия. Фиг. 7 иллюстрирует схему двустороннего двухслойного чипа восприятия, реализованного с использованием шаблона CYMG. Светочувствительный чип эквивалентен объединению двух однослойных чипов восприятия. Однако каждый однослойный чип восприятия имеет свою собственную схему обработки; и при реализации системы каждый светочувствительный чип нуждается в собственной проводке для подключения к блоку обработки сигналов системы. Что касается светочувствительного чипа согласно настоящему раскрытию, физическая сущность фактически представляет собой устройство, имеющее только один комплект соответствующих схем внутри, например схема фотоэлектрического преобразования, а также один комплект проводки снаружи. Это не только более экономически целесообразно, чем объединение двух однослойных чипов восприятия, но и более целесообразно с точки зрения экономии места, что позволяет лучше адаптироваться к тенденции миниатюризации и функциональной диверсификации современных цифровых продуктов. Фронтальная сторона и тыльная сторона составного двустороннего чипа восприятия могут использовать разные конфигурации цветов и пикселей, то есть пиксели восприятия фронтальной стороны и тыльной стороны имеют одинаковые или разные распределения и, соответственно, воспринимают один и тот же или разные спектры. На фиг. 8 показано, что когда фронтальная сторона использует ячеистый шаблон цветов RGB (фиг. 8(a)), тыльная сторона может использовать шаблон Байера цветов RGB (фиг. 8(b)), или ячеистый шаблон цветов RGB (фиг. 8(c)), или шаблон CYMG. Здесь приведен простой пример, который не следует рассматривать в порядке ограничения раскрытия.
На фиг. 17 показана схема системы восприятия в двух направлениях, выполненной на основе составного двустороннего чипа восприятия. Система, физически интегрированная, проста и может открывать новое применение. Но для составного двустороннего чипа восприятия свет с фронтальной стороны не может облучать тыльную сторону, и наоборот. Это не позволяет в достаточной степени пользоваться преимуществом двухслойного чипа восприятия.
Техническое решение прозрачного двустороннего чипа восприятия, которое немного сложнее, но гораздо лучше, состоит в следующем.
Прежде всего, слой основы является прозрачным или почти прозрачным (например, сверхтонкий слой кремния N-типа или P-типа) и используется как линия слоя двухслойного чипа восприятия, воспринимающего конкретные спектры. Слой основы делится на фронтальную сторону и тыльную сторону, причем фронтальная сторона снабжена светочувствительными пикселями, воспринимающими первую группу цветов, тогда как тыльная сторона снабжена светочувствительными пикселями, воспринимающими вторую группу цветов.
Спектры включают в себя комбинацию спектра синего, зеленого, красного и инфракрасного света. Первая группа цветов, воспринимаемых на фронтальной стороне, выбрана из не более четырех цветов, которые содержат пустой цвет, синий, зеленый, голубой, белый и белый плюс инфракрасный свет.
Линия цветного слоя предусмотрена для расслаивания светочувствительных пикселей, чтобы цвета, воспринимаемые на фронтальной стороне, находились выше линии слоя и цвета, воспринимаемые на тыльной стороне, находились ниже линии слоя при облучении с фронтальной стороны (что будет подробно описано далее со ссылкой на фиг. 4(b)). Как показано на фиг. 4(b), линия цветного слоя - это линия разделения цветов между синим и зеленым светом (линия первого слоя), или между зеленым и красным светом (линия второго слоя), или между красным и инфракрасным светом (линия третьего слоя), или граничная линия максимальной длины волны, представляющей интерес, с инфракрасным светом (линия четвертого слоя).
Кроме того, длина волны цвета, воспринимаемого на тыльной стороне, больше длины волны цвета, воспринимаемого в соответствующей позиции на фронтальной стороне, и пиксели на тыльной стороне имеют соответствующее соотношение по позиции с пикселями на фронтальной стороне, но используемые шаблоны могут отличаться. Спектр каждого цвета, воспринимаемого на тыльной стороне, ортогонален полным спектрам цветов, воспринимаемых в соответствующих позициях на фронтальной стороне в цветовом пространстве видимого света (или видимого света плюс инфракрасный свет). Определение термина “два цвета ортогональны” означает, что два цвета не имеют перекрывающихся спектральных диапазонов (теоретически).
Кроме того, спектр каждого цвета, воспринимаемого на тыльной стороне, дополнителен полным спектрам цветов, воспринимаемых в соответствующих позициях на фронтальной стороне в спектральном пространстве видимого света (или видимого света плюс инфракрасный свет). Определение термина “два цвета дополнительны в определенном спектре (например, видимого света или видимого света плюс инфракрасный свет)” означает, что спектры двух ортогональных цветов суммируются с образованием полного спектрального пространства, представляющего интерес (т.е. видимого света или видимого света плюс инфракрасный свет).
Кроме того, при облучении с фронтальной стороны вторая группа цветов, воспринимаемых на тыльной стороне, включает в себя, самое большее, четыре цвета, выбранных из пустого цвета, зеленого, красного, желтого, белого, инфракрасного, красного плюс инфракрасный, желтого плюс инфракрасный и белого плюс инфракрасный света.
Пиксели, воспринимающие цвета, располагаются в однородном шаблоне (в котором все пиксели имеют одинаковый цвет), горизонтальном шаблоне (шаблоне, где пиксели на одной и той же горизонтальной линии имеют одинаковый цвет), вертикальном шаблоне (в котором пиксели на одной и той же вертикальной линии имеют одинаковый цвет), диагональном шаблоне (в котором диагональные пиксели имеют одинаковый цвет), обобщенном шаблоне Байера (в котором пиксели на одной диагонали имеют одинаковый цвет, тогда как пиксели на другой диагонали имеют разные цвета), шаблоне YUV422, горизонтальном шаблоне YUV422, ячеистом шаблоне или шаблоне равномерного разнесения (в котором четыре пикселя расположены с однородным чередованием при одинаковом разнесении). Некоторая часть упомянутых шаблонов будет подробно объяснена ниже, а другую часть можно найти в соответствующей литературе или более ранней патентной заявке автора настоящего изобретения под названием “Multi-spectrum Photosensitive Device and the Manufacturing Method Thereof” (PCT/CN2007/071262).
Фронтальная сторона также может включать в себя первую группу светочувствительных пикселей, воспринимающих интенсивность видимого света (белого цвета), и тыльная сторона также может включать в себя вторую группу светочувствительных пикселей, воспринимающих светочувствительный инфракрасный и видимый свет (белый + инфракрасный). Такой способ обычно используется в монохромных устройствах восприятия.
Существует много способов изготовления вышеупомянутого прозрачного двустороннего светочувствительного устройства, два из которых, соответственно, представлены на фиг. 9 и 10. На фиг. 11 и 12 приведены примеры использования ячеистого шаблона.
Пиксели фронтальной стороны и тыльной стороны чипа восприятия могут обладать симметрией по направлению. Здесь, чип восприятия именуется симметричным чипом восприятия в двух направлениях. Симметричный чип восприятия в двух направлениях может воспринимать свет с фронтальной стороны и тыльной стороны, и, кроме того, в отношении фиксированного направления облучения один и тот же цвет можно получить, перевернув чип. В отношении симметричного чипа восприятия, фронтальную сторону и тыльную сторону можно поменять местами. То есть при переворачивании чипа вышеупомянутые характеристики фронтальной стороны и тыльной стороны остаются неизменными. Симметричный характер является достаточным условием для чипа восприятия в двух направлениях. В отношении конструкции чипа восприятия, который принимает свет только с одного направления, фронтальная сторона должна быть обращена к источнику света; в противном случае чип не сможет нормально работать. Такого рода чип восприятия в одном направлении может превосходить по своим параметрам чип восприятия в двух направлениях, обладающий симметричным характером, когда свет воспринимается с одной стороны. Однако чип восприятия в двух направлениях может наблюдать виды двух направлений.
Фиг. 11 и 12 демонстрируют еще один пример симметричного цветного чипа восприятия, где применяется ячеистый шаблон. Фиг. 14 и 15 демонстрируют пример симметричного мультиспектрального чипа восприятия, воспринимающего белый цвет и инфракрасный свет.
Одна характеристика симметричного чипа восприятия, где применяется линия слоя ортогональных цветов, состоит в том, что при изменении направления источника света зеленый цвет остается, красный и синий меняются местами, желтый и голубой меняются местами и пустой цвет и белый (или белый плюс инфракрасный) меняются местами. Принцип состоит в следующем: в общем случае, способность спектра поглощения для пикселя восприятия коррелируется с его толщиной. Как показано на примере синего, зеленого и красного света, длины волны трех цветов, соответственно, равны λ1, λ2, λ3,и λ1<λ2<λ3. Когда свет излучается с фронтальной стороны, если толщина пикселя восприятия в определенной позиции на фронтальной стороне чипа достаточна, чтобы пиксель мог поглощать свет с длиной волны λ1, то пиксель показывает синий; если толщина соответствующего пикселя восприятия в той же позиции на тыльной стороне чипа достаточна, чтобы пиксель мог поглощать свет с длиной волны λ2 и λ3, то соответствующий пиксель показывает зеленый + красный = желтый. Наоборот, когда свет излучается с тыльной стороны, пиксель восприятия на тыльной стороне в данном случае поглощает свет, излучаемый на длинах волны λ2 и λ3, и, таким образом, показывает синий + зеленый = голубой, тогда как пиксель восприятия на фронтальной стороне поглощает свет с длиной волны λ3, таким образом, показывая красный. То есть спектры, воспринимаемые пикселем на любой стороне симметричного чипа восприятия, различны при облучении с фронтальной стороны и тыльной стороны, таким образом, получая разные цвета.
Когда симметричный чип восприятия в двух направлениях используется для восприятия света с двух разных направлений разных видов, очевидно, свет с разных направлений не может восприниматься одновременно одним и тем же пикселем, в противном случае изображение будет беспорядочным. Существует по меньшей мере два способа применения прозрачного двустороннего чипа восприятия для восприятия света с направлений разных видов.
Первый предпочтительный вариант осуществления чипа восприятия в двух направлениях, воспринимающего свет с двух направлений разных видов, использует шаблон выбора направлений путем разделения времени. В этом варианте осуществления синхронизированные механические затворы установлены соответственно позади линзы, расположенной на фронтальной стороне и тыльной стороне. Благодаря применению шаблона выбора направлений путем разделения времени, то есть когда затвор на фронтальной стороне или тыльной стороне открывается и в то же время другой затвор на тыльной стороне или фронтальной стороне закрывается, симметричный чип восприятия в двух направлениях может принимать свет с фронтальной стороны только в течение временного интервала (например, нечетного временного интервала) и принимать свет с тыльной стороны в течение другого временного интервала (например, четного временного интервала). Система формирования изображения в двух направлениях, использующая шаблон выбора направлений путем разделения времени, показана на фиг. 16.
Второй предпочтительный вариант осуществления чипа восприятия в двух направлениях, воспринимающего свет с двух направлений разных видов, использует шаблон выбора направления пикселем. В этом варианте осуществления пиксельная матрица делится на группу фронтального восприятия для восприятия света с фронтальной стороны (например, группа включает в себя пиксели, расположенные на передней ортогонали, или пиксели на нечетных строках или столбцах) и группу тыльного восприятия для восприятия света с тыльной стороны (например, группа включает в себя пиксели, расположенные на задней ортогонали, или пиксели на четных строках или столбцах). Благодаря применению шаблона выбора направления пикселем, т.е. экранированию группы тыльного восприятия при восприятии на фронтальной стороне и экранированию группы фронтального восприятия при восприятии на тыльной стороне, пиксели разных групп могут воспринимать свет с разных направлений. При использовании шаблона выбора направления пикселем пространственное разрешение может снижаться, и шаблон, образованный цветными пикселями, может нуждаться в регулировке, чтобы пиксели группы фронтального восприятия и группы тыльного восприятия реализовали реконструкцию цветов, соответственно. Однако этот способ не нуждается в механических затворах, которые необходимы согласно способу, основанному на выборе направлений путем разделения времени, который более пригоден для применения в ограниченном пространстве. Фиг. 17 демонстрирует структурную схему системы формирования изображения в двух направлениях, где чип восприятия в двух направлениях принимает шаблон выбора направления пикселем. Ниже описаны несколько предпочтительных вариантов осуществления нескольких чипов восприятия в двух направлениях с применением нескольких способов с шаблоном выбора направления пикселем.
Третий предпочтительный вариант осуществления чипа восприятия в двух направлениях, воспринимающего свет с двух направлений разных видов, использует простой способ, т.е. выбор направления путем разделения области, как показано на фиг. 32.
Раскрытое здесь мультиспектральное восприятие можно использовать для восприятия четырех непрерывных спектральных диапазонов, содержащих спектр красного света, спектр зеленого света, спектр синего света и спектр инфракрасного света. Здесь, инфракрасный свет также будем именовать основным цветом. Во многих областях применения инфракрасным светом можно пренебречь. Кроме того, светочувствительное устройство действует для восприятия спектральных диапазонов составного цвета, например желтого (соответствующего красному и зеленому), голубого (соответствующего зеленому и синему) и белого (соответствующего красному, зеленому и синему).
Фиг. 4 иллюстрирует соотношение между спектрами и цветами, представляющими интерес, где фиг. 4(a) иллюстрирует длины волны разных цветов и фиг. 4(b) иллюстрирует глубину падения света с разными длинами волны. На фиг. 4(b) показано четыре линии цветного слоя: линия первого слоя является границей между синим и зеленым, линия второго слоя является границей между зеленым и красным, линия третьего слоя является границей между красным и инфракрасным и линия четвертого слоя является границей максимальной длины волны инфракрасного света, представляющей интерес. Пиксели восприятия на каждом слое могут не иметь одинаковую высоту или не располагаться на одной глубине. Однако, как показано на фиг. 4(b), если существуют только цвета над линией определенного слоя на фронтальной стороне и существуют только цвета под линией определенного слоя на тыльной стороне, пиксели восприятия фронтальной стороны и тыльной стороны способны располагаться на одной глубине. Преимущество реализации цветных пикселей восприятия на каждой стороне на одной глубине состоит в простоте изготовления устройства восприятия. Как показано на фиг. 4(a), длина волны красного света на тыльной стороне больше длины волны голубого или синего света на сторонах, которые выше тыльной стороны, и длина волны желтого света больше длины волны синего света, тогда как пиксели восприятия, воспринимающие белый свет, находящиеся на тыльной стороне, должны быть пустыми или прозрачными. При общем зеленом спектре пиксели восприятия, воспринимающие желтый цвет и воспринимающие голубой цвет, не могут располагаться в одной и той же позиции (на разных сторонах).
Пустой цвет (прозрачный или полностью пустой цвет) реализуется на фронтальной стороне (или стороне, именуемой фронтальной стороной). Панхроматический спектр (белый или белый плюс инфракрасный) реализуется на тыльной стороне (или стороне, именуемой тыльной стороной). Следовательно, пустой цвет всегда находится над линией слоя и полный цвет всегда находится под линией слоя.
Для упрощения описания настоящего раскрытия, здесь введено два термина: дополнительный цвет и ортогональный цвет. С этой целью мы также будем называть пустой цвет (прозрачный или полностью пустой цвет) основным цветом, который дополняет полный цвет. Полный цвет в настоящем раскрытии означает белый для спектров видимого света и белый плюс инфракрасный для составных спектров инфракрасного и видимого света.
В спектральном пространстве, представляющем интерес (например, спектрах видимого света или комбинации спектров видимого и инфракрасного света), если два цвета не имеют перекрывающихся спектральных диапазонов, они именуются ортогональными цветами, например, красный, зеленый и синий цвета являются ортогональными друг другу. Кроме того, синий ортогонален желтому и голубой ортогонален красному. Аналогично, инфракрасный ортогонален всему видимому свету. Таким образом, инфракрасный ортогонален каждому из цветов видимого света, включая основные цвета, дополнительные цвета и белый цвет (интенсивность яркости).
В спектральном пространстве, представляющем интерес (например, в видимых спектрах или комбинации спектров видимого и инфракрасного света), если спектры двух ортогональных цветов суммируются с образованием полного спектрального пространства, представляющего интерес, два ортогональных цвета именуются дополнительными цветами. Например, для спектра видимого света, голубой цвет дополнителен красному и синий цвет дополнителен желтому. Аналогично, для комбинированных спектров инфракрасного и видимого света, инфракрасный свет дополнителен белому свету и красный плюс инфракрасный свет и голубой свет являются взаимно дополнительными с голубым и т.д.
На фиг. 5 приведены примеры некоторых пар ортогональных или дополнительных цветов в пространстве видимого света или в составном спектральном пространстве видимого и инфракрасного света, где на фиг. 5(a) приведены примеры пар дополнительных и ортогональных цветов в спектральном пространстве видимого света, и на фиг. 5(b) приведены примеры пар ортогональных цветов в спектральном пространстве инфракрасного и видимого света. Эти пары ортогональных или дополнительных цветов используются в двухслойном устройстве восприятия.
После определения линии слоя цвета, воспринимаемые пикселями восприятия на фронтальной стороне, должны находиться над определенной линией слоя, тогда как цвета, воспринимаемые пикселями восприятия на тыльной стороне, должны быть ортогональны и, согласно принципу максимизации энергии, дополнительны цветам в соответствующих позициях на фронтальной стороне. Все цвета, воспринимаемые пикселем восприятия на тыльной стороне, не обязаны располагаться под линией слоя. Однако если все цвета, воспринимаемые пикселями восприятия на тыльной стороне, находятся под линией слоя, изготавливать устройства будет значительно проще. В общем случае, каждый слой не должен содержать более четырех разных цветов для получения более высокого пространственного разрешения.
Разные пиксели восприятия на одной стороне расположены в соответствии с очень хорошими шаблонами для достижения более высокого пространственного разрешения. Эти очень хорошие шаблоны включают в себя, но без ограничения, обобщенный шаблон Байера (как показано на фиг. 9(b)), YUV442 шаблон (конфигурация YUYV) и ячеистый шаблон (как показано на фиг. 3(a) и фиг. 3(b)).
В настоящем раскрытии в основном рассмотрено устройство восприятия, в котором пиксели расположены в прямоугольных или ячеистых шаблонах. Пиксели в прямоугольном шаблоне могут группироваться в четырехпиксельные макропиксели, каждый из которых состоит из четырех пикселей в группе, или группироваться в восьмипиксельные макропиксели, каждый из которых состоит из восьми пикселей в группе, тогда как пиксели в ячеистом шаблоне могут разлагаться на трехпиксельные макропиксели, каждый из которых состоит из трех пикселей в группе. Макропиксель представляет собой такую минимальную группу пикселей, которую можно просто дублировать для формирования полной пиксельной матрицы, и, в общем случае, состоит из соседних пикселей. Для прямоугольных шаблонов, макропиксель также может содержать более восьми пикселей. Что касается двухслойного устройства восприятия, стоимость макропикселя, имеющего более восьми пикселей, значительно выше, но он обеспечивает немного преимуществ.
Четырехпиксельный макропиксель в одном слое может содержать один, два, три или четыре разных цвета. Если четырехпиксельный макропиксель содержит только один цвет, существует только один шаблон упорядочения для пикселей, т.е. однородный шаблон. Если четырехпиксельный макропиксель содержит два разных цвета, существует три типа шаблонов упорядочения, т.е. диагональный шаблон (в котором диагональные пиксели имеют одинаковый цвет), вертикальный шаблон (в котором пиксели на одной и той же вертикальной линии имеют одинаковый цвет) и горизонтальный шаблон (в котором пиксели на одной и той же горизонтальной линии имеют одинаковый цвет). Если четырехпиксельный макропиксель содержит три разных цвета, существует много вариантов шаблонов упорядочения, которые все можно классифицировать как обобщенный порядок Байера (в котором два одинаковых цвета выровнены диагонально), порядок YUV422 (в котором два одинаковых цвета выровнены вертикально), горизонтальный порядок YUV422 (в котором два одинаковых цвета выровнены горизонтально). Если четырехпиксельный макропиксель содержит четыре разных цвета, все шаблоны упорядочения для пикселей в нем унифицированы, поскольку шаблоны всегда симметричны. В предпочтительном варианте осуществления настоящего раскрытия для восьмипиксельного макропикселя четыре пикселя на тыльной стороне реализованы дублированием четырех пикселей, расположенных на фронтальной стороне в соответствии с зеркальной симметрией.
Трехпиксельный макропиксель в одном слое может содержать один, два или три разных цвета, что в целом дает тринадцать вариантов. Сам по себе ячеистый шаблон может иметь два выравнивания, что способствует либо вертикальному разрешению (например, фиг. 3(a)), либо горизонтальному разрешению (например, фиг. 3(b)). Все шаблоны трехпиксельного макропикселя следует рассматривать как ячеистый шаблон независимо от того, сколько цветов содержит макропиксель.
На фиг. 6(a), (b), (c), соответственно, представлен предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов в шаблоне Байера, где фронтальная сторона содержит пиксели, воспринимающие красный, зеленый и синий цвет в шаблоне Байера, и тыльная сторона идентична фронтальной стороне по цвету и шаблону. Слой основы, расположенный посередине, является непрозрачным, в связи с чем пиксели восприятия фронтальной стороны могут воспринимать свет только с фронтальной стороны, тогда как пиксели восприятия тыльной стороны могут воспринимать свет только с тыльной стороны.
Фиг. 7(a), (b), (c), соответственно, демонстрируют предпочтительный вариант осуществления двустороннего двухслойного устройства восприятия цветов в однородном шаблоне CYMG, где фронтальная сторона содержит пиксели, воспринимающие голубой, желтый, персиковый и зеленый цвета в однородном шаблоне, тогда как тыльная сторона идентична фронтальной стороне по цвету и шаблону. Слой основы, расположенный посередине, является непрозрачным, в связи с чем пиксели восприятия фронтальной стороны могут воспринимать свет только с фронтальной стороны, тогда как пиксели восприятия тыльной стороны могут воспринимать свет только с тыльной стороны.
Преимущество варианта осуществления для непрозрачного слоя основы состоит в его простоте и выполнимости, что эквивалентно объединению двух нормальных чипов восприятия с шаблоном Байера.
Фиг. 8(a), (b), (c) и (d) служат для пояснения двустороннего двухслойного устройства восприятия с непрозрачным слоем основы, в котором фронтальная сторона и тыльная сторона полностью способны использовать разные цвета и режимы размещения. Например, фиг. 8(a) иллюстрирует фронтальную сторону с ячеистым шаблоном RGB, но его тыльная сторона способна использовать либо шаблон RGB Байера, показанный на фиг. 8(b), либо ячеистый шаблон RGB, показанный на фиг. 8(c), либо однородный шаблон CYMG, как показано на фиг. 8(d). Конечно, возможно большее количество шаблонов и совпадений цветов.
Двустороннее двухслойное устройство восприятия с непрозрачным слоем основы можно использовать в системе восприятия в двух направлениях. На фиг. 17 показан предпочтительный вариант осуществления системы восприятия в двух направлениях, где используются цветные чипы восприятия с непрозрачным слоем основы, как показано на фиг. 6-8. Благодаря непрозрачному слою основы обе стороны чипа восприятия могут одновременно принимать свет с фронтальной стороны и тыльной стороны. Фронтальная сторона чипа восприятия получает виды фронтальной стороны, тогда как тыльная сторона чипа восприятия получает виды тыльной стороны. Такой режим выбора направления (с непрозрачным слоем основы) именуется выбором направления путем изоляции.
Далее, согласно фиг. 8, рассмотрим пример способа изготовления двустороннего двухслойного мультиспектрального устройства восприятия цветов с непрозрачным слоем основы и соответствующей системы восприятия в двух его направлениях согласно настоящему раскрытию.
Предусмотрен непрозрачный слой основы, в котором на фронтальной стороне слоя основы мультиспектральное устройство восприятия цветов создается в соответствии с первой группой цветового шаблона (например, шаблона Байера, ячеистого шаблона, шаблона CYMG и т.д.); выбранные цвета и шаблоны определяются применением без ограничения.
Тыльная сторона слоя основы снабжена пикселями восприятия, воспринимающими вторую группу цветов, и мультиспектральное устройство восприятия цветов создается в соответствии со второй группой цветового шаблона (например, шаблона Байера, ячеистого шаблона, шаблона CYMG и т.д.); выбранные цвета и шаблоны определяются применением без ограничения, которые могут полностью отличаться от фронтальной стороны.
Набор линз установлен, соответственно, на обеих сторонах мультиспектрального устройства восприятия цветов; в котором затвор, установленный в устройстве, в основном, предназначен для регулировки экспозиции.
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг. 9, слой основы является прозрачным, и фронтальные стороны снабжены пикселями, воспринимающими синий, зеленый и голубой цвета, соответственно. Поскольку энергетический спектр голубого света сравнительно шире, количество пикселей, воспринимающих голубой цвет, будет сравнительно больше, как диагональ, показанная на фиг. 9(b). Тыльная сторона содержит пиксели восприятия для восприятия красного или красного плюс инфракрасный спектра.
Линия цветного слоя предусмотрена (см. описание фиг. 4(b)) для расслаивания пикселей восприятия, благодаря чему цвета, воспринимаемые на фронтальной стороне, находятся над линией слоя и цвета, воспринимаемые на тыльной стороне, находятся под линией слоя. Линия цветного слоя - это линия разделения цветов между синим и зеленым светом (линия первого слоя), или между зеленым и красным (линия второго слоя), или между красным и инфракрасным цветом (линия третьего слоя), или граничная линия максимальной длины волны, представляющей интерес, с инфракрасным светом (линия четвертого слоя). Линия цветного слоя, показанная на фиг. 9(a), - это граница между красным и зеленым цветом.
Кроме того, пиксели, воспринимающие цвет на фронтальной стороне, располагаются в однородном шаблоне, горизонтальном шаблоне, вертикальном шаблоне, диагональном шаблоне, обобщенном шаблоне Байера, шаблоне YUV422, горизонтальном шаблоне YUV422, ячеистом шаблоне или шаблоне равномерного разнесения. Длина волны каждого цвета, воспринимаемого на фронтальной стороне, больше длины волны цвета, воспринимаемого в соответствующей позиции тыльной стороны. Фиг. 9(b) иллюстрирует обобщенный шаблон Байера.
Кроме того, каждый цвет, воспринимаемый на тыльной стороне, ортогонален цвету, воспринимаемому в соответствующей позиции на фронтальной стороне в цветовом пространстве видимого света или видимого и инфракрасного света. Дополнительно и предпочтительно, каждый цвет, воспринимаемый на тыльной стороне, дополнителен цвету, воспринимаемому в соответствующей позиции на фронтальной стороне в цветовом пространстве видимого света или видимого и инфракрасного света.
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг. 10, слой основы является прозрачным, и его фронтальная сторона снабжена пикселями, воспринимающими синий, тогда как тыльная сторона содержит пиксели восприятия для восприятия зеленого, красного и желтого цвета. Желтый, с относительно более широким энергетическим спектром, может восприниматься сравнительно большим количеством пикселей, например диагональю, показанной на фиг. 10(a). Линия цветного слоя на фиг. 10(a) - это граница между синим и зеленым цветом. Следует отметить, что на этой фигуре фронтальная сторона изображена в нижней части с целью указания, что фронтальная сторона и тыльная сторона полностью определяются выбором направления (света).
Кроме того, пиксели, воспринимающие цвет на тыльной стороне, располагаются в однородном шаблоне, горизонтальном шаблоне, вертикальном шаблоне, диагональном шаблоне, обобщенном шаблоне Байера, шаблоне YUV422, горизонтальном шаблоне YUV422, ячеистом шаблоне или шаблоне равномерного разнесения. Длина волны каждого цвета, воспринимаемого на тыльной стороне, больше длины волны цвета, воспринимаемого в соответствующей позиции фронтальной стороны. Фиг. 10 иллюстрирует обобщенный шаблон Байера.
Кроме того, каждый цвет, воспринимаемый на тыльной стороне, ортогонален цвету, воспринимаемому в соответствующей позиции на фронтальной стороне в цветовом пространстве видимого света или видимого и инфракрасного света. Дополнительно и предпочтительно, каждый цвет, воспринимаемый на тыльной стороне, дополнителен цвету, воспринимаемому в соответствующей позиции фронтальной стороны в цветовом пространстве видимого света или видимого и инфракрасному свету.
Различие между фиг. 10 и фиг. 9, в основном, заключается в выборе линии слоя. Такое различие обуславливает симметрию по направлению между устройством восприятия, показанным на фиг. 10, и устройством восприятия, показанным на фиг. 9. Фиг. 9 и 10 иллюстрируют пример вышеупомянутого симметричного чипа восприятия в двух направлениях. Если свет приходит с фронтальной стороны на фиг. 9, фиг. 9 иллюстрирует пример света, воспринимаемого на фронтальной стороне чипа восприятия, тогда как фиг. 10 иллюстрирует пример света, воспринимаемого на тыльной стороне чипа восприятия. Напротив, если свет приходит с фронтальной стороны на фиг. 10, фиг. 10 иллюстрирует пример света, воспринимаемого на фронтальной стороне чипа восприятия, тогда как фиг. 9 иллюстрирует пример света, воспринимаемого на тыльной стороне чипа восприятия. То есть фиг. 9 и 10 иллюстрируют цвет, получаемый одним и тем же чипом восприятия с фронтальной стороны и с тыльной стороны.
Другая разновидность двустороннего двухслойного мультиспектрального устройства восприятия цветов, как показано на фиг. 13(a), (b), (c) и (d), может одновременно воспринимать видимый свет и инфракрасный свет. На фигуре пиксели, воспринимающие инфракрасный свет, всегда располагаются на тыльной стороне (задней стороне чипа), причем они могут быть либо установлены отдельно, либо объединены с пикселями, воспринимающими другой цвет (например, белый плюс инфракрасный или красный плюс инфракрасный). Фронтальная сторона (передняя сторона чипа) содержит пиксели, воспринимающие синий свет, и пиксели в каждой позиции тыльной стороны воспринимают цвета, ортогональные синему, например зеленый, желтый и красный плюс инфракрасный. Предпочтительным вариантом осуществления является пример объединения устройства восприятия цветов с инфракрасным устройством восприятия. Для получения более высокого пространственного разрешения в цветовом пространстве красного плюс инфракрасный света пиксели, воспринимающие красный плюс инфракрасный свет, располагаются на диагонали тыльной стороны. Цвета, воспринимаемые пикселями на фронтальной стороне, ортогональны цветам, воспринимаемым пикселями в соответствующих позициях на тыльной стороне в спектре видимого плюс инфракрасный света.
Другая разновидность двустороннего двухслойного мультиспектрального устройства восприятия цветов показана на фиг. 14(a) и (b). Фиг. 14 иллюстрирует более сложный предпочтительный вариант осуществления. В этом варианте осуществления, хотя белый содержит спектральный диапазон над линией слоя, белый цвет можно реализовать на тыльной стороне, поскольку соответствующий цвет является пустым цветом или прозрачным, как упомянуто ранее. В такой реализации цвет, белый цвет и инфракрасный свет воспринимаются одновременно. Фиг. 14(a) иллюстрирует цветной слой, фиг. 14(b) иллюстрирует, что фронтальная сторона содержит пиксели, воспринимающие пустой цвет (прозрачный), зеленый, синий (или голубой) и белый (или белый плюс инфракрасный) на фронтальной стороне, и фиг. 14(c) иллюстрирует пиксели, воспринимающие пустой цвет, красный (красный плюс инфракрасный) и белый (или белый плюс инфракрасный) на тыльной стороне. Цвета, воспринимаемые пикселями на фронтальной стороне, ортогональны цветам, воспринимаемым пикселями в соответствующих позициях на тыльной стороне в спектре видимого плюс инфракрасный света.
Фиг. 15 иллюстрирует варианты, когда чип восприятия, показанный на фиг. 14, используется для восприятия на тыльной стороне.
Фиг. 9 и 10 фактически иллюстрируют цвет, воспринимаемый симметричным чипом восприятия в двух направлениях, облучаемым с фронтальной стороны и тыльной стороны. Предпочтительный вариант осуществления, показанный на фиг. 11 и 12, идентичен показанному на фиг. 9 и 10, с использованием только ячеистого шаблона RGB и с образованием симметричного чипа восприятия в двух направлениях. Чип восприятия, показанный на фиг. 14 и 15, обладает двунаправленной симметрией в спектре видимого света и инфракрасного света. Общей характеристикой этих симметричных чипов восприятия в двух направлениях является прозрачный слой основы без шаблона выбора направления пикселем. Такого рода чип восприятия можно использовать для приема света только с одного направления или с двух направлений.
Когда чип восприятия в двух направлениях с прозрачным слоем основы, который не имеет шаблона выбора направления пикселем, используется для восприятия с двух направлений и свет с двух направлений будет одновременно восприниматься пикселями восприятия на фронтальной стороне и тыльной стороне, таким образом, виды фронтальной стороны и тыльной стороны будут смешиваться. Предпочтительная реализация способа изоляции видов фронтальной стороны и тыльной стороны предусматривает использование системы синхронных двойных затворов, как показано на фиг. 16. Затвор на фронтальной стороне и затвор на тыльной стороне всегда находятся в состоянии, когда один закрыт, а другой открыт, так что в течение любого временного интервала чип восприятия может получать только свет либо на фронтальной стороне, либо на тыльной стороне, вместо того чтобы получать их одновременно. Такой способ именуется выбором направления путем разделения времени, т.е. мы можем получить виды с разных направлений на одном и том же чипе восприятия в двух направлениях в течение разных временных интервалов путем быстрого переключения синхронных двойных затворов.
Далее, согласно фиг. 13, рассмотрим пример предпочтительного способа изготовления двустороннего двухслойного мультиспектрального устройства восприятия цветов с прозрачным слоем основы и соответствующей системы восприятия в двух его направлениях.
Предусмотрен прозрачный слой основы, в котором цвета, воспринимаемые пикселями на фронтальной стороне слоя основы, содержат не более четырех видов цветов (первая группа цветов) из пустого цвета, синего, зеленого, голубого и белого, и мультиспектральное устройство восприятия цветов создается в соответствии с выбранным цветовым шаблоном (например, шаблоном Байера или обобщенным шаблоном Байера, ячеистым шаблоном, шаблоном CYMG, шаблоном YUV422 и т.д.).
Линия цветного слоя предусмотрена (как показано на фиг. 4(b)) для расслаивания пикселей восприятия, так что цвета, за исключением пустого цвета, воспринимаемые на фронтальной стороне, находятся над линией слоя, тогда как цвета, воспринимаемые на тыльной стороне, находятся под линией слоя и длина волны каждого цвета под линией слоя больше, чем длина волны цвета над линией слоя.
Пиксели восприятия для восприятия второй группы цветов обеспечены на тыльной стороне слоя основы, причем пиксели восприятия на фронтальной стороне имеют перекрытие, соответствующее соотношению по позиции с пикселями на фронтальной стороне; спектр каждого цвета, воспринимаемого на тыльной стороне, ортогонален или дополнителен цветам, воспринимаемым в соответствующих позициях на фронтальной стороне в спектральном пространстве видимого света или видимого плюс инфракрасный света. Кроме того, цвета, воспринимаемые пикселями восприятия на тыльной стороне, содержат, самое большее, четыре вида цветов, выбранных из пустого цвета, зеленого, красного, желтого, белого, инфракрасного, красного плюс инфракрасный, желтого плюс инфракрасный и белого плюс инфракрасный.
Если устройство восприятия используется для восприятия света с двух направлений, режим выбора направления путем разделения времени, как показано на фиг. 16, предпочтительно использовать для изоляции видов с фронтальной стороны и тыльной стороны. Устройство восприятия можно уверенно использовать для восприятия света с одного направления.
Другой способ реализации светочувствительности предусматривает режим выбора направления пикселем. Далее описано несколько предпочтительных вариантов осуществления.
Фиг. 18 иллюстрирует шаблоны, применяемые в симметричном двустороннем двухслойном чипе восприятия с чипом восприятия в двух направлениях, использующим режим выбора направления пикселем. Фиг. 18(a) иллюстрирует чип восприятия, облучаемый светом на фронтальной стороне, и фиг. 18(b) иллюстрирует чип восприятия, облучаемый светом на тыльной стороне. Если пиксели на задней диагонали фронтальной стороны экранируются экранирующей пленкой, как показано на фиг. 19(a), и пиксели на передней диагонали тыльной стороны экранируются экранирующей пленкой, как показано на фиг. 19(b), мы можем получить чип восприятия в двух направлениях с выбором направления пикселем. В чипе восприятия, показанном на фиг. 19, пиксели на передних диагоналях фронтальной стороны и тыльной стороны воспринимают весь свет с фронтальной стороны, тогда как пиксели на задних диагоналях фронтальной стороны и тыльной стороны воспринимают весь свет с тыльной стороны, чем достигается выбор направления пикселем.
Режим выбора направления пикселем реализуется экранированием разных пикселей фронтальной стороны и тыльной стороны экранирующими пленками. Шаблоны экранирующей пленки могут быть различными. Помимо диагонального шаблона, показанного на фиг. 19, существуют также двухлинейный горизонтальный шаблон, как показано на фиг. 20, горизонтальный шаблон через каждые две линии, как показано на фиг. 21, двухстрочный вертикальный шаблон, как показано на фиг. 22, вертикальный шаблон через каждые две строки, как показано на фиг. 23. Эти шаблоны, а также шаблон выбора направления пикселем, реализованные другими предпочтительными вариантами осуществления позже, являются лишь примерами, поясняющими сущность настоящего раскрытия, не охватывая все случаи и ограничения настоящего раскрытия. При использовании диагонального шаблона для получения однородно распределенных пикселей пиксели можно дублировать с помощью группы из восьми пикселей, а не группы из трех или четырех пикселей, как в других шаблонах.
Когда чип восприятия в двух направлениях с шаблоном выбора направления пикселем используется для восприятия белого и инфракрасного света, шаблон является более сложным. Поскольку мультиспектральное восприятие является важным применением настоящего раскрытия, более предпочтительные варианты осуществления будут описаны ниже.
Фиг. 24 иллюстрирует чип восприятия в двух направлениях с шаблоном выбора направления пикселем для восприятия белого и инфракрасного света. Этот чип восприятия не используется для восприятия никакого цвета, кроме белого или белого плюс инфракрасный. Такого рода чип восприятия можно использовать в системе восприятия в двух направлениях, где требуется сверхвысокая чувствительность.
Фиг. 25 иллюстрирует шаблоны, применяемые в симметричном двустороннем двухслойном чипе восприятия, где мультиспектральный чип восприятия в двух направлениях использует режим выбора направления пикселем. Чип восприятия используется для восприятия цветов красного, зеленого, синего, пустого цвета и белого. Фиг. 25(a) иллюстрирует упорядочение пикселей фронтальной стороны и тыльной стороны, когда чип восприятия облучается светом фронтальной стороны. Фиг. 25(b) иллюстрирует восприятие фронтальной стороны и тыльной стороны, когда чип восприятия облучается тыловым освещением. Если пиксели на задней диагонали на фронтальной стороне экранируются экранирующей пленкой, как показано на фиг. 26(a), и пиксели на передней диагонали на тыльной стороне, как показано на фиг. 26(b), можно получить чип восприятия в двух направлениях с шаблоном выбора направления пикселем. В чипе восприятия, показанном на фиг. 26, пиксели на передних диагоналях фронтальной стороны и тыльной стороны воспринимают весь свет с фронтальной стороны, тогда как пиксели на задних диагоналях фронтальной стороны и тыльной стороны воспринимают весь свет с тыльной стороны, чем достигается выбор направления пикселем.
Аналогично, в отношении мультиспектрального чипа восприятия в двух направлениях с шаблоном выбора направления пикселем, воспринимающего белый и инфракрасный свет, помимо диагонального шаблона, показанного на фиг. 26, существуют двухлинейный горизонтальный шаблон, показанный на фиг. 27, горизонтальный шаблон через каждые две линии, как показано на фиг. 28, двухстрочный вертикальный шаблон, как показано на фиг. 29, вертикальный шаблон через каждые две строки, как показано на фиг. 30.
Если необходимо воспринимать инфракрасный свет с помощью монохромного мультиспектрального чипа восприятия в двух направлениях с высокой чувствительностью, как показано на фиг. 24, можно применять диагональный шаблон и распределение пикселей, как показано на фиг. 31. В группе пикселей, которая состоит из восьми пикселей на фронтальной стороне, пиксели на задней диагонали экранируются экранирующими пленками, и пиксели на передней диагонали содержат пиксель, воспринимающий белый плюс инфракрасный свет, два пикселя, воспринимающие пустой цвет, и пиксель, воспринимающий белый (или инфракрасный) свет. В группе пикселей, которая состоит из восьми пикселей на тыльной стороне, пиксель на передней диагонали экранируются экранирующими пленками, и пиксели на задней диагонали содержат пиксель, воспринимающий белый плюс инфракрасный свет, два пикселя, воспринимающие пустой цвет, и пиксель, воспринимающий белый (или инфракрасный) свет.
Далее, согласно фиг. 30, рассмотрим пример способа изготовления двустороннего двухслойного мультиспектрального устройства восприятия цветов с прозрачным слоем основы и шаблоном выбора направления пикселем, и соответствующей системы восприятия в двух его направлениях согласно настоящему раскрытию.
Предусмотрен прозрачный слой основы, в котором цвета, воспринимаемые пикселями на фронтальной стороне слоя основы, содержат не более четырех видов цветов (первая группа цветов), выбранных из пустого цвета, синего, зеленого, голубого и белого, и мультиспектральное устройство восприятия цветов создается в соответствии с выбранным цветовым шаблоном (например, шаблоном Байера или обобщенным шаблоном Байера, ячеистым шаблоном, шаблоном CYMG, шаблоном YUV422 и т.д.).
Линия цветного слоя предусмотрена (как показано на фиг. 4(b)) для расслаивания пикселей восприятия, так что цвета, за исключением пустого цвета, воспринимаемые на фронтальной стороне, находятся над линией слоя, тогда как цвета, воспринимаемые на тыльной стороне, находятся под линией слоя и длина волны каждого цвета под линией слоя больше, чем длина волны цвета над линией слоя.
Пиксели восприятия для восприятия второй группы цветов обеспечены на тыльной стороне слоя основы, причем пиксели восприятия на фронтальной стороне имеют перекрытие, соответствующее соотношению по позиции с пикселями на фронтальной стороне; спектр каждого цвета, воспринимаемого на тыльной стороне, ортогонален или дополнителен цветам, воспринимаемым в соответствующих позициях на фронтальной стороне в спектральном пространстве видимого света или видимого плюс инфракрасный света. Кроме того, цвета, воспринимаемые пикселями восприятия на тыльной стороне, содержат, самое большее, четыре вида цветов, выбранных из пустого цвета, зеленого, красного, желтого, белого, инфракрасного, красного плюс инфракрасный, желтого плюс инфракрасный и белого плюс инфракрасный.
В соответствии с определенным предпочтительным шаблоном, например диагональным шаблоном, горизонтальным шаблоном через каждые три линии, горизонтальным шаблоном через каждые две линии, вертикальным шаблоном через каждые три строки, вертикальным шаблоном через каждые две строки, как показано на фиг. 26-30, некоторые пиксели на поверхности фронтальной стороны покрыты или залиты экранирующей пленкой, и другие пиксели на тыльной стороне также покрыты или залиты экранирующей пленкой, в связи с чем пиксель на фронтальной стороне без экранирующей пленки (на обеих сторонах фронтальной стороны и тыльной стороны) может воспринимать свет только на фронтальной стороне и пиксели на тыльной стороне без экранирующей пленки (на обеих сторонах фронтальной стороны и тыльной стороны) могут воспринимать только тыловое освещение.
Устройство восприятия в основном используется для восприятия в двух направлениях. Шаблон выбора направления пикселем позволяет применять простую затворную систему, как показано на фиг. 17. Затвор является расходным материалом.
Специалистам в данной области техники очевидно, что способы изготовления устройства восприятия цвета в полном спектре (в двух направлениях или в одном направлении), показанные на других фигурах, идентичны или аналогичны вышеописанным, которые здесь не описаны.
Специалистам в данной области техники также очевидно, что, изменяя цвет и размещение пикселей на фронтальной стороне (передней стороне чипа) и тыльной стороне (задней стороне чипа), можно обеспечить многочисленные реализации, отличные от вышеописанного предпочтительного варианта осуществления.
Согласно настоящему раскрытию, устройство восприятия цветов можно изготавливать с использованием экранирующей пленки или без нее. Однако поскольку экранирующая пленка может поглощать энергию света и часть поглощенной энергии света, в общем случае, преобразуется в тепловой шум, устройство настоящего раскрытия предпочтительно создавать без экранирующей пленки для максимального преобразования света в электронные сигналы.
Обеспечивая пиксели восприятия на двух или более сторонах слоя основы мультиспектрального устройства восприятия, настоящее раскрытие обеспечивает не только оптимизацию для осуществления двусторонней двухслойной конструкции с точки зрения физической структуры, но и одновременное восприятие разных видов двух направлений, благодаря чему одно и то же устройство может получать разные виды разных направлений, что позволяет экономить стоимость пространства и быть экономическим. В отношении непрозрачного слоя основы, виды двух противоположных направлений воспринимаются на одном и том же чипе восприятия с шаблоном выбора направления путем изоляции. В отношении прозрачного слоя основы, деликатно упорядочивая и конфигурируя пиксели на фронтальной стороне и тыльной стороне, на основании гарантирования полной реконструкции цветов можно максимально использовать энергию падающего света, или максимизировать пространственное разрешение, или получить увеличенную гамму цветопередачи при более низкой стоимости. Эти виды двух противоположных направлений воспринимаются одновременно на одном и том же чипе восприятия в режиме выбора направления путем разделения времени или режиме выбора направления пикселем; когда мера выбора направления не используется, например, в авиакосмической промышленности, промышленных и комбинированных съемках и пр., при этом легко реализовать комбинацию двух видов.
Благодаря применению вышеупомянутых режимов восприятия, например, двух сторон, двух направлений, двух слоев и пр., согласно настоящему раскрытию, устройство восприятия в одном направлении можно использовать в системе восприятия в двух направлениях, что значительно снижает стоимость системы, уменьшает размер и снижает сложность системы; кроме того, это позволяет принимать на одной и той же системе применение множественных спектров или множественных направлений (или мультиспектральных сигналов с двух направлений). Например, современная камера капсульного типа, используемая для исследования расстройства пищеварения пациента, снабжена объективом камеры, установленным на одном конце. Для получения изображения определенной позиции расстройства пищеварения необходимо фотографировать много раз, что доставляет большую боль пациенту, а также приводит к большим экономическим расходам. Таким образом, необходимо расширить фотографический диапазон фотографирования, делая фотографию за один раз. Если другой конец камеры капсульного типа снабжен камерой, за счет современной технической меры, нужно устанавливать два комплекта систем в чрезвычайно малом пространстве, что весьма затрудняет реализацию. Однако благодаря настоящему раскрытию нужно всего лишь добавить линзу на другом конце, и ее чип восприятия по-прежнему использует один срез, требование к пространству которого невелико, и экономическая стоимость ниже, чем расходы на два комплекта систем. Кроме того, если слой основы является шестигранным, он даже может одновременно воспринимать виды шести направлений, т.е. вверх и вниз, влево и вправо, вперед и назад, значительно увеличивая возможность получения необходимого изображения за один раз. Кроме того, согласно настоящему раскрытию, два направления вперед и назад можно отслеживать на одной камере слежения, и в отношении многих сотовых телефонов 3G с двумя камерами, ориентированными вперед и назад, две камеры можно заменить камерой в двух направлениях, и переключения видов вперед и назад можно добиться с помощью электронного переключателя или механического переключателя. Что касается системы слежения некоторых отелей высокого класса, если необходимо отслеживать виды обоих концов коридора, благодаря применению настоящего раскрытия только один комплект системы слежения может осуществлять необходимый мониторинг и нет необходимости в двух комплектах систем слежения для соответственного мониторинга двух направлений. Или пример индивидуального боевого снаряжения в современной армии, в общем случае, необходимо снабжать системой слежения ночного видения на шлеме. Если необходимо отслеживать два направления вперед и назад, требуется два комплекта систем слежения, что непригодно для индивидуального боевого снаряжения, которое должно быть легким. С использованием настоящего раскрытия требуются только две линзы, и его система восприятия состоит из только одного комплекта, что позволяет экономить на экономической стоимости и суммарном весе индивидуального боевого снаряжения.
Хотя настоящее раскрытие описано на примере предпочтительных вариантов осуществления, такое раскрытие не предусматривает ограничений раскрытия. Специалисты в области устройств восприятия изображений (например, полупроводниковых чипов восприятия изображения), руководствуясь раскрытием, смогут предложить многочисленные модификации и расширения настоящего изобретения, не отходя от сущности и идеи изобретения.