МНОГОСПЕКТРАЛЬНОЕ СЧИТЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
MULTISPECTRAL READING DEVICE AND METHODS OF MAKING SAID DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству для считывания изображений и к способу его изготовления, особенно к устройству для считывания изображений, предназначенному для преобразования света в группы электронных сигналов, и к способу изготовления устройства. Более конкретно настоящее изобретение относится к новому панхроматическому устройству для считывания изображений, служащему для одновременного считывания нескольких спектров (таких как, например, видимый свет и инфракрасный свет), и к способу его изготовления. Здесь панхроматический спектр (или цвет) включает в себя все спектры, представляющие интерес. Для обычных считывающих устройств (например, устройств для видимого света) панхроматический свет включает в себя все спектры видимого света, которые включают в себя красный, зеленый, синий и белый свет. Для считывающих устройств, используемых для сочетания инфракрасного и видимого света, панхроматический свет включает в себя спектры видимого света и инфракрасного. Изобретение относится к многоспектральным считывающим устройствам для считывания монохроматических и цветных изображений.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Общеизвестная техника для разработки и изготовления устройств для считывания цветных изображений (сенсоров для формирования сигналов цветных изображений) имеет несколько технических трудностей и ограничений. Более конкретно сенсоры для считывания цветных изображений общеизвестного уровня техники имеют такие проблемы, как низкая чувствительность, низкая разрешающая способность в пикселях и искажение цвета. Вообще сенсор для формирования сигналов изображения в настоящее время может считывать или черные и белые изображения, или цветные изображения. В настоящее время на практике имеется лишь мало способов изготовления сенсоров для формирования сигналов цветных изображений, способных формировать цветные изображения посредством одинарных матриц воспринимающих элементов изображения (пикселей). Наиболее распространенным способом изготовления сенсоров-формирователей цветных изображений является нанесение структуры цветных фильтров на матрицы воспринимающих пикселей. Две структуры цветных фильтров в основном используются в чипе общеизвестного сенсора-формирователя цветных изображений. На Фиг.1 показана структура цветных фильтров, а именно CYMG структура (также называемая композитной структурой цветных фильтров), которая включает в себя цвета голубой (Cyan=циановый), желтый (Yellow), розовый (Magenta) и зеленый (Green). На Фиг.2(a), 2(b), 2(c) и 2 (d) и на Фиг. 3(a) и 3(b) показаны некоторые структуры фильтров основных цветов (RGB:Red=красный, Green=зеленый, Blue=синий), соответственно ориентируемые как структура Байера (Bayer) или сотовая структура. Обе эти структуры считывают красный, зеленый и синий цвета.
В сенсорах-формирователях цветных изображений с CYMG структурой матрица пикселей включает в себя макропиксели. Каждый макропиксель включает в себя четыре пикселя, каждый с нанесенным покрытием соответственно из С, Y, M или G цветного фильтра. Однако в производстве видеоустройств используется структура основных цветов (а именно RGB), а не CYMG структура, и таким образом необходимо преобразовывать матрицу для С, Y, M или G цвета в матрицу для RGB, т. е. преобразовать CYMG структуру в RGB структуру. Более того, в связи с тем, что каждый пиксель воспринимает только один цвет (или циан, или желтый, или розовый, или зеленый), для того чтобы считывать RGB цвета каждым пикселем требуется применение техники интерполяции для интерполяции отсутствующих цветов из соседних пикселей. В структуре Байера (патент США № 3971065) считывающая пиксельная матрица включает в себя много макропикселей, причем каждый из них включает в себя четыре пикселя, покрытых только RGB цветами. Структура Байера также требует, чтобы в каждом макропикселе два элемента на одной из диагоналей должны считывать зеленый или красный цвет, соответствующий яркости изображения, а другими двумя считываемыми цветами являются красный и синий, или цвета, соответствующие двум другим различным спектрам видимого света. Аналогичным образом в связи с тем, что каждый пиксель воспринимает только один тип цвета (красный, зеленый или синий), для считывания других двух отсутствующих цветов в пикселях требуется интерполяция отсутствующих цветов от соседних пикселей. Структура Байера имеет четыре различных ориентаций, при этом каждая из них представляет собой определенное размещение позиции RGB. В сотовой структуре, как показано на Фиг.3, макропиксель включает в себя только три пикселя, покрытые RGB цветами и расположенные в форме соты. В сотовой структуре пиксели, считывающие RGB цвета, расположены одинаково и симметрично; и изменение позиции двух пикселей все еще создает сотовую структуру.
Как описано выше, имеются три распространенных проблемы при реализации цветных фильтров, образованных композитной (CYMG) структурой, структурой Байера или сотовой структурой: во-первых, снижение чувствительности к свету благодаря существованию цветных фильтров (в сравнении с монохромными сенсорами); во-вторых, снижение эффективной пространственной разрешающей способности (или разрешения) из-за интерполяции цвета, что в свою очередь вызывает, в-третьих, искажение цвета. Обычно искажение цвета может быть устранено использованием фильтров пропускания нижних частот. Однако фильтры нижних частот могут понижать разрешение изображение, тем самым усугубляя вторую проблему.
Чтобы избежать снижения светочувствительности, вызванного цветными фильтрами, патент США 6137100 предлагает способ уравновешивания чувствительности считывания RGB пикселей, в котором используется характеристика фотодиодов, имеющих различные чувствительности к разным цветам. В частности, фотодиод более чувствителен к зеленому, затем менее чувствителен к красному и наконец наименее чувствителен к синему цвету. Поэтому участки, чувствительные к синему, делаются самыми большими, к красному - делаются меньше и меньше всех делаются участки, чувствительные к зеленому цвету. Улучшение чувствительности к цветам посредством этого способа является все же ограниченным. Более того, этот способ только подходит для RGB цветовой структуры.
Недавно Kodak Company приступила к использованию способа, в котором комбинируются белый и RGB цвета, а именно добавляется пиксель, воспринимающий белый цвет, к матрице RGB пикселей для повышения чувствительности. Как показано на Фиг.4(а), 4(b) и 4(с), в связи с тем, что белый пиксель поглощает в несколько раз больше световой энергии, чем пиксели для основных цветов (красного, зеленого или синего) или пиксели для дополняющих (комплементарных) цветов (цианового, желтого или розового), способ WRGB (W=белый цвет), конечно, обеспечивает в 2-3 раза большую чувствительность, чем в сенсорах, использующих традиционную структуру Байера. Однако этот способ приводит к новым проблемам. Во-первых, реконструкция цвета является более сложной. Во-вторых, в результате изменения трех цветов на четыре цвета пространственная разрешающая способность уменьшается в сравнении с разрешением в структуре Байера. И, наконец, в связи с тем, что чувствительность белого цвета в 6-10 раз больше, чем у других трех RGB цветов, сила сигналов различных цветов чрезвычайно различна, что ограничивает преимущества высокой чувствительности белого цвета, так как цвет с самой низкой чувствительностью определяет качество изображения.
Чтобы избежать интерполяции цветов, Foveon Company из США изобрела новую технологию считывания цветов, в которой используется три слоя воспринимающих пикселей, как показано на Фиг.5. Трехслойный сенсор для формирования цветных изображений, называемый «Х3 сенсор изображений», имеет три слоя считывающих матриц, каждая из которых соответственно чувствительна к одному световому спектру из RGB цветов. Х3 сенсор изображений может решить проблему интерполяции цветов, но он приносит новые проблемы из-за различий в чувствительности разных считывающих слоев. Чувствительность считывания нижнего слоя обычно хуже чувствительности верхнего слоя из трех слоев. Таким образом, общая эффективная чувствительность снижается. Помимо этого цена и сложность повышаются из-за того, что нужно формировать три слоя. Кроме того, в три раза больше данных нужно передавать и обрабатывать, что значительно повышает стоимость системы и энергопотребление Х3 сенсора для формирования изображений.
Сенсоры для формирования цветных изображений обычно восприимчивы к непрерывному спектру RGB цветов. Также имеются сенсоры для формирования монохромных изображений, которые чувствительны ко всему видимому спектру, или к инфракрасному спектру, или к тому и другому. Чувствительность такого типа монохромного сенсора обычно в 10 раз больше чувствительности традиционных сенсоров изображений со структурой Байера (при таком же физическом условии производства), но такой сенсор не может давать цветное изображение.
Как было упомянуто выше, хотя в рассматриваемый период были внесены многие улучшения в устройства для формирования цветных изображений, каждое из них было усовершенствовано только в одном или в нескольких аспектах при снижении рабочих характеристик других аспектов. Однослойные сенсоры-формирователи изображений не максимизируют использование световой энергии, но снижают пространственную разрешающую способность. Трехслойные сенсоры-формирователи изображений не могут использовать белый цвет и дополняющие цвета, и в них снижается чувствительность. Помимо этого изготовление трехслойных сенсоров является слишком сложным.
Поэтому все еще требуется усовершенствование устройств известного уровня техники, чтобы найти считывающее устройство и способ изготовления для него, которые могли бы сочетать преимущества сенсоров для формирования монохромных изображений и преимущества сенсоров для формирования цветных изображений для решения технических проблем в этой области, упомянутых выше.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В связи с наличием технических проблем в известном уровне техники настоящее изобретение предлагает устройство для считывания изображений и способ его изготовления, которые могут преодолеть проблемы, вызванные интерполяцией цветов, максимизировать использование световой энергии и повысить пространственную разрешающую способность и светочувствительность.
Для этой цели предлагаются двухслойное устройство для считывания изображений и способ его изготовления, которые могут повысить производственный выход продукции, упростить конструкцию, уменьшить объем передаваемых и обрабатываемых данных и уменьшить его стоимость и энергопотребление.
С учетом вышеупомянутого многоспектральное считывающее устройство в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения включает в себя: по меньшей мере один верхний слой и один нижний слой, при этом верхний слой включает в себя воспринимающие пиксели для считывания первой группы цветов, нижний слой включает в себя воспринимающие пиксели для считывания второй группы цветов, и по меньшей мере один слой включает в себя воспринимающие пиксели для считывания по меньшей мере двух или более спектров.
Предпочтительно многоспектральное считывающее устройство состоит из одного верхнего слоя и одного нижнего слоя.
Спектры включают в себя спектр синего, зеленого, красного и инфракрасного света.
Первая группа цветов включает в себя один из следующих:
А. в основном четыре вида цветов, выбранных из пустого (бланкирующего) цвета, синего, зеленого и цианового;
В. пустой цвет или синий;
С. пустой цвет, синий и циановый;
D. пустой цвет, синий и зеленый
Е. пустой цвет, зеленый и циановый и
F. пустой цвет, синий, зеленый и циановый.
Кроме того, длина волны цвета, считываемого в нижнем слое, больше длины волны цвета, считываемого в соответствующей позиции в слое, который находится над нижним слоем. Спектр каждого цвета, считываемый в нижнем слое, ортогонален по отношению ко всем спектрам цветов, считываемым в соответствующих позициях во всех слоях над нижним слоем в пределах цветового пространства видимого света, и спектр каждого цвета, считываемый в нижнем слое, ортогонален по отношению к спектру каждого цвета, считываемому в соответствующей позиции в слое над нижним слоем или внутри спектрального пространства видимого света или композитного спектрального пространства видимого света и инфракрасного света. Определение термина «ортогональный» будет дано в нижеприведенном описании воплощений.
Более того, спектр каждого цвета, считываемый в нижнем слое, является комплементарным (дополняющим) по отношению ко всему спектру цветов в соответствующих позициях во всех слоях над нижним слоем внутри спектрального пространства видимого света. Определение термина «комплементарный» будет дано в нижеприведенном описании воплощений.
Кроме того, вторая группа цветов, считываемых в нижнем слое, включает в себя не более четырех цветов, выбранных из зеленого, красного, желтого, белого, инфракрасного, красного плюс инфракрасного, желтого плюс инфракрасного, плюс белого, плюс инфракрасного.
Цвета, считываемые пикселями, расположены в виде одинаковой упорядоченной структуры, горизонтальной структуры, вертикальной структуры, диагональной структуры, обобщенной структуры Байера, YUV422 структуры, горизонтальной YUV422 структуры, сотовой структуры или равнопромежуточной структуры. Упомянутые структуры будут описаны ниже в воплощениях.
Верхний слой может включать в себя первую группу воспринимающих пикселей, считывающих яркость видимого света (белого цвета), и нижний слой может включать в себя вторую группу воспринимающих пикселей, считывающих яркость инфракрасного и видимого света (белого + инфракрасного). Этот подход обычно используется в монохромных считывающих устройствах.
Также предлагается способ изготовления многоспектрального считывающего устройства, включающий в себя:
формирование верхнего слоя и нижнего слоя,
при этом верхний слой включает в себя воспринимающие пиксели для считывания первой группы цветов, нижний слой включает в себя воспринимающие пиксели для считывания второй группы цветов, и по меньшей мере один слой включает в себя воспринимающие пиксели для считывания по меньшей мере двух цветовых спектров.
Предпочтительно только верхний слой и нижний слой создаются без каких-либо других средних слоев. Спектры включают в себя спектр синего, зеленого, красного и инфракрасного цвета.
Более того, первая группа цветов, которую считывает верхний слой, включает в себя один из следующих:
А. максимально четыре вида цветов, выбранных из пустого цвета, синего, зеленого и цианового;
В. пустой цвет или синий;
С. пустой цвет, синий и циановый;
Д. пустой цвет, синий и зеленый;
Е. пустой цвет, зеленый и циановый и
F. пустой цвет, синий, зеленый и циановый.
Кроме того, длина волны цвета, считываемого в каждом слое, кроме верхнего слоя, больше длины волны цвета, считываемого в соответствующей позиции в слое над каждым слоем.
К тому же спектр каждого цвета, считываемый в нижнем слое, делается ортогональным по отношению ко всем спектрам цветов, считываемым в соответствующих позициях внутри спектрального пространства видимого света, и спектр каждого цвета, считываемый в нижнем слое, делается ортогональным по отношению к спектру каждого цвета, считываемому в соответствующей позиции в слое над нижним слоем или внутри спектрального пространства видимого света или композитного спектрального пространства видимого света и инфракрасного света, и предпочтительно они являются комплементарными внутри спектрального пространства видимого света.
Способ может также включать в себя обеспечение линии в слое для деламинирования считывающих пикселей таким образом, чтобы цвета, считываемые в верхнем слое, находились над линией в слое, и цвета, считываемые в нижнем слое, находились под линией в слое (которая будет подробно описана ниже в воплощениях, связанных с Фиг.6(b)). Линией в слое может быть цветовая разделительная линия между синим и зеленым, или между зеленым и красным, или между красным и инфракрасным; или граничной линией с максимальной длиной волны, представляющей интерес, внутри инфракрасного света.
Помимо этого настоящее изобретение также включает только один слой, включающий в себя только воспринимающие пиксели, считывающие два спектра и размещенные в виде горизонтальной структуры, вертикальной структуры или диагональной структуры, в то время как другие слои являются пустыми или не включают в себя воспринимающих пикселей. Таким образом можно получить (вырожденное) однослойное считывающее устройство (преимущественно используемое для монохромных сенсоров-формирователей сигналов изображения).
С использованием описанных выше устройства и способа могут быть получены следующие преимущества.
1. Многоспектральное считывающее устройство, созданное по меньшей мере с двумя слоями, в котором по меньшей мере один слой включает в себя воспринимающие пиксели для считывания по меньшей мере двух цветовых спектров, которые, во-первых, могут считывать большое число спектров одновременно, чтобы избежать цветовой интерполяции, и которые обеспечивают получение такого же пространственного разрешения, более высокого или даже теоретически самого высокого пространственного разрешения в сравнении со структурой Байера (или любой другой структурой); во-вторых, могут обеспечить максимальное использование, с другими слоями, падающей световой энергии во всех спектральных областях для получения максимальной эффективности использования света и максимальной чувствительности и, в-третьих, могут считывать больше трех цветов для того, чтобы получить более широкую гамму цветов помимо полной реконструкции цветов.
2. Особенно при двухслойной структуре (верхний слой и нижний слой) многоспектрального считывающего устройства, энергия падающего света (для усиления сигнала) используется максимально при низкой стоимости, а электронные шумовые сигналы, возникшие во время превращения фотонов в теплоту, могут быть ослаблены. Кроме того, на стадии производства устройств производственная экономическая эффективность будет возрастать и объем данных для обработки и передачи будет снижаться, а стоимость и энергопотребление устройств будут снижаться.
3. Настоящее изобретение делает возможным оптимальную ориентацию различных воспринимающих пикселей в соответствующих слоях таким образом, чтобы цвет в нижнем слое был ортогонален по отношению к цвету в соответствующей позиции в верхнем слое. Длина волны света, считываемого воспринимающими пикселями в нижнем слое, больше длины волны света, считываемого воспринимающими пикселями в соответствующей позиции в верхнем слое, и спектр, считываемый воспринимающими пикселями в нижнем слое, не включается в спектр, считываемый воспринимающими пикселями в верхнем слое в соответствующей позиции (иначе пиксели в нижнем слое не смогут получать фотоны требуемого спектра). Так как свет, имеющий большую длину волны, обладает более глубокой проникающей способностью (в сравнении со светом, имеющим более короткую длину волны), то можно максимально использовать энергию падающего света для улучшения пространственного разрешения посредством размещения воспринимающих пикселей в различных слоях, ортогональных или комплементарных по отношению к друг другу.
4. Настоящее изобретение отличается от Х3 сенсоров-формирователей сигналов изображения фирмы Foveon тем, что в нем каждый слой может включать в себя пиксели, воспринимающие различные цвета, и пиксели могут находиться на одинаковой или различной глубине, а каждый слой Х3 сенсора включает в себя пиксели, воспринимающие одинаковый цвет на одинаковой глубине. Таким образом, достигается более эффективное использование воспринимающих участков благодаря трехмерной конструкции. Более того, настоящее изобретение работает с комбинацией инфракрасного и видимого света, и этим оно отличается от устройств известного уровня техники.
5. В настоящем изобретении воспринимающие пиксели размещаются в верхнем слое и нижних слоях так, чтобы спектры, считываемые верхним и нижними слоями, являлись комплементарными (или по меньшей мере ортогональными) по отношению к друг другу, чтобы тем самым максимально использовать энергию падающего света. При реализации, если делать их ортогональными, то можно упростить производственный процесс или улучшить пространственное разрешение.
6. Если цвета, считываемые верхним и нижним слоями, выбираются строго в соответствии с линией в слое, то цвета, считываемые верхним слоем, находятся над линией в слое, а цвета, считываемые нижним слоем, находятся под линией в слое. Таким образом, все воспринимающие пиксели в верхнем слое могут работать на одинаковой глубине, и все воспринимающие пиксели в нижнем слое могут также располагаться на одинаковой глубине.
7. В соответствии с настоящим изобретением устройство может быть изготовлено с использованием цветных фильтров или без них. В связи с тем, что цветные фильтры поглощают световую энергию и часть поглощенной энергии света обычно будет превращаться в тепловой шум, устройство в соответствии с изобретением предпочтительно изготавливается без цветных фильтров, чтобы максимально превратить свет в электронные сигналы.
Ниже будут рассмотрены многоспектральные устройства для считывания видимого и инфракрасного света в соответствии с воплощениями настоящего изобретения, которые являются примерами только для демонстрации воплощений и преимуществ в соответствии с настоящим изобретением, но они никоим образом не ограничивают объем изобретения.
Для специалистов в этой области вышеприведенные и другие цели, а также преимущества настоящего изобретения будут очевидны при подробном описании и иллюстрации предпочтительных воплощений со ссылкой на показанные ниже чертежи
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 является диаграммой, показывающей CYMG структуру цветных фильтров.
Фиг.2(а), 2(b), 2(c) и 2(d) являются диаграммами, показывающими структуру Байера RGB цветных фильтров и ее варианты.
Фиг.3(a) и 3(b) являются диаграммами, показывающими сотовые структуры RGB цветных фильтров.
Фиг.4(а) и 4(b) являются диаграммами, показывающими новые структуры цветных фильтров Kodak, которые используют белый цвет.
Фиг.5 является диаграммой, объясняющей трехслойные цветные фильтры Х3 сенсора-формирователя сигналов изображения на чипе фирмы Foveon.
Фиг.6(а) является диаграммой, объясняющей соотношение между спектрами красного, зеленого, синего, желтого, цианового, белого и инфракрасного цветов.
Фиг.6(b) является диаграммой, объясняющей соотношение между глубиной проникновения падающего света и его длиной волны в непрозрачном объекте, в котором используются линии в слоях для упрощения реализации различных считывающих устройств.
На Фиг.7(а) и 7(b) показаны примеры некоторых ортогональных и комплементарных пар цветов.
Фиг.8(а)-8(d) описывают одно предпочтительное воплощение двухслойного цветного считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением и его варианты, в которых используются обобщенная структура Байера, при этом Фиг.8(а) может относиться к устройствам для считывания изображений с CYMK цветами.
Фиг.9(а)-9(d) описывают другое предпочтительное воплощение двухслойного цветного считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением со структурой YUV422 и его варианты.
Фиг.10(а)-10(d) описывают другое предпочтительное воплощение двухслойного цветного считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением, имеющего сотовую структуру, и его варианты.
Фиг.11(а) и 11(b) описывают одно предпочтительное воплощение однослойного многоспектрального считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением и его варианты, которые считывают одновременно видимый и инфракрасный свет. В воплощении на этих фигурах используется линия в четвертом слое и принята диагональная структура. Однослойное многоспектральное считывающее устройство на этих фигурах является специальным случаем двухслойного многоспектрального считывающего устройства.
Фиг.12(а) и 12(b) иллюстрируют одно предпочтительное воплощение двухслойного многоспектрального монохромного считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением и его варианты, которые одновременно считывают соответственно видимый свет и инфракрасный. В этих фигурах используется линия в третьем слое и пиксели в нем расположены в виде прямоугольной и сотовой структуры.
Фиг.13(а) и 13(b) описывают другое предпочтительное воплощение двухслойного многоспектрального цветного считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением и его варианты, которые считывают видимый свет и инфракрасный одновременно. В этих фигурах используется обобщенная структура Байера.
Фиг.14(а) и 14(b) иллюстрируют другое предпочтительное воплощение двухслойного многоспектрального цветного считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением и его варианты, которые считывают одновременно видимый свет и инфракрасный. В этих фигурах используется YUV422 структура.
Фиг.15(а) и 15(b) иллюстрируют другое предпочтительное воплощение двухслойного многоспектрального цветного считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением и его варианты, которые считывают видимый свет и инфракрасный одновременно. В этих фигурах используется сотовая структура.
Фиг.16(а) и 16(b) иллюстрируют другое предпочтительное воплощение двухслойного многоспектрального цветного считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением и его варианты, в которых используются линии в слоях и которые считывают видимый свет и инфракрасный одновременно, при этом в Фиг.16(а) используется линия в первом слое и верхний слой включает в себя только синий и бланкирующий (пустой) цвета; и в Фиг.16(b) используются линия во втором слое и верхний слой, включает в себя бланкирующий (пустой) цвет, циановый и зеленый.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Двухслойное многоспектральное цветное считывающее устройство включает в себя верхний слой и нижний слой. Верхний слой включает в себя воспринимающие пиксели для считывания первой группы цветов, нижний слой включает в себя воспринимающие пиксели для считывания второй группы цветов, и по меньшей мере один из верхнего и нижнего слоев включает в себя воспринимающие пиксели для считывания по меньшей мере двух цветных спектров. Это считывающее устройство может использоваться для считывания по меньшей мере четырех сплошных спектральных полос, содержащих спектр красного, спектр зеленого, спектр синего и спектр инфракрасного. Здесь инфракрасный будет также называться основным цветом. Во многих применениях инфракрасным можно пренебречь. Помимо этого считывающее устройство служит для считывания композитных (составных) цветных спектральных полос, таких как желтая (соответствующая зеленому и синему), циановая (соответствующая зеленому и синему) и белая (соответствующая красному, зеленому и синему).
Фиг.6(а) и 6(b) иллюстрируют соотношение между спектрами и цветами, представляющими интерес, при этом Фиг.6(а) иллюстрирует длины волн различных цветов и Фиг.6(b) иллюстрирует глубину проникновения падающего света с различной длиной волны. Имеются четыре цветных линии в слоях, показанные на Фиг.6(b): линия в первом слое является границей раздела между синим и зеленым, линия во втором слое является границей раздела между зеленым и красным, линия в третьем слое является границей раздела между красным и инфракрасным и линия в четвертом слое является границей для максимальной длины волны инфракрасного, представляющей интерес. Считывающие пиксели каждого слоя могут не иметь одинаковой высоты и не находиться на одинаковой глубине. Однако, как показано на Фиг.6(b), если имеются только цвета над некоторой линией в верхнем слое и имеются только цвета под некоторой линией в нижнем слое, то считывающие пиксели как в верхнем слое, так и в нижнем слое могут размещаться на одинаковой глубине. Преимущество создания цветных считывающих пикселей в каждом слое на одинаковой глубине проявляется в легкости изготовления таких считывающих устройств. Как показано на Фиг.8(а), длина волны красного в нижнем слое больше длины волны цианового или синего в слоях, которые находятся над нижним слоем, и длина волны желтого больше длины волны синего, а воспринимающие пиксели, считывающие белый цвет, находятся в нижнем слое для того, чтобы верхний слой мог быть пустым или прозрачным. При общем зеленом спектре считывающие пиксели, передающие желтый цвет, и пиксели, считывающие циановый, не могут размещаться в одинаковой позиции (в различных слоях).
Бланкирующий цвет (прозрачный или полностью пустой цвет) создается в верхнем слое (или в слое, рассматриваемом как верхний слой). Панхроматический спектр (белый или белый + инфракрасный) реализуется в нижнем слое (или в слое, рассматриваемом как нижний слой). Поэтому бланкирующий цвет находится всегда над линией слоя и полный цвет всегда находится под линией слоя.
Для упрощения описания настоящего изобретения здесь вводятся два термина «комплементарный (дополняющий) цвет» и «ортогональный цвет». Для этой цели бланкирующий цвет (прозрачный или совершенно пустой цвет) будет называться основным цветом, который является дополняющим по отношению к полному цвету. Полный цвет в настоящем изобретении означает белый цвет для спектров видимого света и белый плюс инфракрасный для композитных спектров инфракрасного и видимого света.
В спектральном пространстве, представляющем интерес (таком как спектры видимого света, композитные спектры видимого света и инфракрасного), если два цвета не имеют перекрывающих одна другую спектральных полос, то они называются ортогональными цветами, т.е. красный, зеленый и синий цвета являются ортогональными по отношению один к другому. Помимо этого синий цвет ортогонален желтому, а циановый ортогонален красному. Аналогичным образом инфракрасный ортогонален всему видимому свету. То есть инфракрасный ортогонален по отношению к каждому из цветов видимого света, включая основные цвета, комплементарные цвета и белый цвет (яркость свечения).
В спектральном пространстве, представляющем интерес (таком как спектры видимого света, комбинированные спектры видимого света и инфракрасного), если спектры двух ортогональных цветов складываются для формирования всего спектрального пространства, представляющего интерес, то два ортогональных цвета называются комплементарными (дополняющими) цветами. Например, для спектра видимого света циановый цвет является комплементарным по отношению к красному и синий является комплементарным по отношению к желтому. Аналогичным образом для комбинированных спектров инфракрасного и видимого света инфракрасный является комплементарным по отношению к белому, красный плюс инфракрасный являются комплементарными по отношению к циановому и так далее.
На Фиг.7(а) и 7(b) показаны примеры некоторых ортогональных или комплементарных пар цветов в пространстве видимого света или в композитном спектральном пространстве видимого света и инфракрасного, при этом на Фиг.7(а) показаны примеры ортогональных и комплементарных пар цветов в спектральном пространстве видимого света, и на Фиг.7(b) показаны примеры ортогональных пар цветов в спектральном пространстве инфракрасного и видимого света. Эти ортогональные или комплементарные пары цветов используются в двухслойных считывающих устройствах.
После того как определена линия в слое, цвета, считываемые воспринимающими пикселями в верхнем слое, должны находиться над определенной линией в слое, а цвета, считываемые воспринимающими пикселями в нижнем слое, должны быть ортогональными и комплементарными по отношению к цветам в соответствующих позициях в верхнем слое, на основе принципа максимизации энергии. Все цвета, считываемые воспринимающими пикселями в нижнем слое, не должны размещаться под линией в слое. Однако, если цвета, считываемые воспринимающими пикселями в нижнем слое, все находятся под линией в слое, то изготовление такого устройства будет гораздо легче. Вообще, каждый слой не должен содержать более четырех отчетливых цветов, чтобы получить более высокое пространственное разрешение.
Различные считывающие пиксели в одном и том же слое расположены в соответствии с хорошо известными структурами для достижения более высокого пространственного разрешения. Эти структуры включают, но не ограничены только ими, обобщенную структуру Байера (как показано на Фиг.8), структуру YUV422 (как показано на Фиг.9) и сотовую структуру (как показано на Фиг.10).
Настоящее изобретение в основном относится к считывающему устройству, в котором пиксели упорядоченно расположены в виде прямоугольной или сотовой структуры. Пиксели в прямоугольной структуре расположения могут быть сгруппированы в виде четырехпиксельных макропикселей, каждый из которых состоит из четырех пикселей в группе, а пиксели в сотовой структуре расположения могут быть разделены на трехпиксельные макропиксели, каждый из которых состоит из трех пикселей в группе. Макропиксель является такой минимальной группой пикселей, которая может быть просто размножена для образования всей пиксельной матрицы, и он обычно состоит из соседних пикселей. Для прямоугольной структуры расположения пикселей макропиксель может включать в себя больше четырех пикселей, например, такой, как в новой Kodak структуре, которая показана на Фиг.4, в которой макропиксель включает в себя шестнадцать пикселей. Для двухслойного считывающего устройства стоимость макропикселя, включающего в себя больше четырех пикселей, гораздо выше, но обеспечивает мало преимуществ.
Четырехпиксельный макропиксель в одном слое может включать в себя один, два, три или четыре отчетливых цвета. Если четырехпиксельный макропиксель включает только один цвет, то имеется только одна упорядоченно ориентированная структура для пикселей, т.е. структура с равномерным расположением. Если четырехпиксельный макропиксель включает в себя два отчетливых цвета, то имеются три типа упорядоченно ориентированных структур, т.е. диагональная структура расположения (в которой диагональные пиксели имеют одинаковый цвет), вертикальная структура (в которой пиксели на одной вертикальной линии имеют один и тот же цвет) и горизонтальная структура (в которой пиксели на одной горизонтальной линии имеют один и тот же цвет). Если четырехпиксельный макропиксель включает в себя три отчетливых цвета, то имеются много вариантов упорядоченного ориентированного расположения, которые все могут быть классифицированы как обобщенный структурный порядок Байера (в котором два одинаковых цвета расположены по диагонали), YUV422 структурный порядок (в котором два одинаковых цвета расположены вертикально) и горизонтальный YUV422 структурный порядок (в котором два одинаковых цвета расположены горизонтально). Если четырехпиксельный макропиксель включает в себя четыре отчетливых цвета, то все упорядоченно ориентированные структуры для пикселей в нем являются одинаковыми по форме, так как эти структуры всегда симметричны.
Трехпиксельный макропиксель в одном слое может включать в себя один, два или три отчетливых цвета, что приводит всего к тринадцати вариантам расположения. Сама сотовая структура может иметь два расположения, благоприятствующие или вертикальному разрешению (как показано на Фиг.3(а)), или горизонтальному разрешению (как показано на Фиг.3(b)). Все структуры с трехпиксельным макропикселем будут называться сотовой структурой расположения независимо от того, сколько цветов содержит макропиксель.
На Фиг.8(а)-8(d) показаны четыре предпочтительные воплощения со структурами Байера соответственно для двухслойного полноспекторного цветного считывающего устройства, в котором верхний слой выбирает три или меньше цветов из таких, как бланкирующий (пустой), синий, зеленый и циановый, а цвета в нижнем слое являются ортогональными по отношению к цветам в соответствующей позиции в верхнем слое. В верхнем слое одинаковые цветные пиксели размещены в диагональной позиции, тем самым образуя обобщенную структуру Байера. Возможны также многие другие структуры расположения. Эти структуры не только гарантируют полную реконструкцию цветов, но также приблизительно обеспечивают достижение самого высокого пространственного разрешения и максимизацию использования энергии падающего света. В частности, структура, показанная на Фиг.8(а), может быть использована для получения считывающего устройства с CYMK цветами, которое имеет гораздо большую гамму цветового воспроизведения, чем известные CMYK цветные считывающие устройства, с независимыми красным и синим цветами.
В настоящем и в последующих воплощениях благодаря строгому следованию такому правилу, что цвета в нижнем слое должны быть комплементарными по отношению к цветам в верхнем слое, может достигаться максимальное использование световой энергии. В некоторых воплощениях используются ортогональные цвета вместо комплементарных цветов, и тогда может быть улучшено пространственное разрешение, и производство устройств может быть гораздо проще.
На Фиг.9(а)-9(d) соответственно показаны четыре предпочтительные воплощения двухслойных полноспекторных цветных считывающих устройств с YUV422 структурами расположения. Как и на Фиг.8, одинаковые цвета в верхнем слое расположены по вертикале так, чтобы образовать YUV422 структуры. Как показано на Фиг.9(а)-9(d), верхний слой включает в себя до четырех цветов, выбранных из таких, как бланкирующий (пустой), синий, зеленый и циановый, а цвета в нижнем слое соответственно ортогональны по отношению к цветам в соответствующей позиции в верхнем слое. Очевидно, что специалисты в этой области в состоянии понять, что возможны многие другие варианты при простых модификациях, если это потребуется.
На Фиг.10(а)-10(d) показаны соответственно четыре предпочтительных воплощения двухслойных полноспекторных цветных считывающих устройств с сотовыми структурами. За исключением того, что пиксели расположены в виде сотовой структуры, расположения пикселей на Фиг.10(а)-10(d) такие же, как у показанных на Фиг.8(а). Так как сотовые структуры могут иметь вертикальное и горизонтальное расположения, то могут быть реализованы различные варианты. Верхний слой включает в себя от одного до трех цветов, выбранных из таких, как бланкирующий, синий, зеленый и циановый, а цвета в нижнем слое соответственно ортогональны по отношению к цветам в соответствующей позиции в верхнем слое.
Когда верхний слой пустой и нижний слой включает в себя только воспринимающие пиксели, считывающие только два спектра, двухслойное считывающее устройство становится однослойным считывающим устройством. То есть можно сказать, что настоящее устройство относится и к однослойному считывающему устройству, как особому случаю двухслойного считывающего устройства, показанного на Фиг.11(а)-11(b).
На Фиг.11(а) и 11(b) показаны два предпочтительных воплощения однослойного монохромного многоспектрального считывающего устройства, в котором считывающие пиксели расположены в виде диагональных структур, которые могут быть использованы для одновременного считывания видимого света и инфракрасного. В этом устройстве может быть использован один тип воспринимающего пикселя для считывания видимого света (белого), а другой тип пикселя может быть использован только для считывания инфракрасного или полного спектра всего видимого света и инфракрасного. Структура расположения, показанная на Фиг.11(а), применима для фильтров, отсекающих инфракрасный свет, которая может быть изменена так, что будет иметь воспринимающие пиксели, считывающие белый и инфракрасный (или белый + инфракрасный) в YUV422 структурах.
На Фиг.12(а) и 12(b) показаны предпочтительные воплощения двухслойного многоспектрального монохромного считывающего устройства и его варианты, которые могут одновременно считывать видимый свет и инфракрасный. На Фиг.12(а) представлены прямоугольные структуры расположения, на Фиг.12(b) - сотовые структуры, и обе позволяют считывать одновременно видимый свет и инфракрасный. Верхний слой считывает белый свет или прозрачный, а нижний слой считывает инфракрасный или полный спектр (белый + инфракрасный).
На Фиг.13(а) и 13(b) показаны предпочтительные воплощения двухслойного многоспектрального цветного считывающего устройства и его варианты, которые могут одновременно считывать видимый свет и инфракрасный. Эти воплощения могут иметь различные структуры, и Фиг.13(а) и 13(b) являются именно двумя такими примерами. На этих фигурах воспринимающие пиксели, считывающие инфракрасный цвет, всегда расположены в нижнем слое; они могут быть или одинарными, или интегрированными с пикселями, считывающими другой цвет (например, белый + инфракрасный или красный + инфракрасный). Пиксели, считывающие один и тот же цвет, размещены в диагональных позициях, для того чтобы получить более высокое пространственное разрешение. Аналогичным образом, верхний слой включает в себя воспринимающие пиксели, считывающие от одного до четырех цветов, выбранных из таких, как бланкирующий (пустой) цвет, синий, зеленый и циановый, и цвета, считываемые воспринимающими пикселями в нижнем слое, являются ортогональными или комплементарными (дополняющими) по отношению к цветам, считываемым воспринимающими пикселями, соответственно расположенными в соответствующих позициях.
Другой тип двухслойного многоспектрального цветного считывающего устройства показан на Фиг.14(а) и 14(b), которое может считывать видимый свет и инфракрасный одновременно. В этом устройстве инфракрасный всегда считывается в нижнем слое, который может считываться или один, или вместе с другим цветом (например, белым + инфракрасным или красным + инфракрасным). Воспринимающие пиксели, считывающие один и тот же цвет, размещены вертикально, чтобы образовать YUV422 структуру. Аналогичным образом верхний слой считывает от одного до четырех цветов, выбранных из таких, как бланкирующий (пустой) цвет, синий, зеленый и циановый, а цвета, считываемые нижним слоем, являются ортогональными или комплементарными (дополняющими) по отношению к цветам, считываемым пикселями, расположенными в соответствующих позициях в верхнем слое.
Другой тип двухслойного многоспектрального цветного считывающего устройства показан на Фиг.15(а) и 15(b), в котором принята сотовая структура расположения и которое может быть использовано для считывания одновременно видимого света и инфракрасного. В этом типе устройства инфракрасный всегда считывается в нижнем слое, и который может считываться или один или вместе с другим цветом (например, белым + инфракрасным или красным + инфракрасным). Аналогичным образом верхний слой считывает от одного до трех цветов, выбранных из таких как бланкирующий (пустой) цвет, синий, зеленый и циановый, а цвета, считываемые в нижнем слое, являются ортогональными или комплементарными (дополняющими) по отношению к цветам, считываемым пикселями в соответствующих позициях в верхнем слое.
Еще один тип двухслойного многоспектрального цветного считывающего устройства, в котором строго используются линии в слоях, показан на Фиг.16(а) и 16(b). На Фиг.16(а) принята линия в первом слое, а на Фиг.16(b) принята линия во втором слое. В этих воплощениях, хотя белый цвет включает в себя спектральную полосу над линией в слое, белый цвет может быть реализован в нижнем слое, так как соответствующий цвет в верхнем слое является бланкирующим (пустым) или прозрачным, как было упомянуто выше. Считывающие пиксели, которые расположены послойно в строгом соответствии с линиями в слоях (посредством цветных фильтров), имеют то преимущество, что они могут быть размещены на одинаковой глубине и слой может иметь одинаковую толщину. Имеются много способов слоистого размещения считывающих пикселей в соответствии с линией в слое.
Здесь со ссылкой на Фиг.8(а) дается пример способа изготовления полноспектрального цветного считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением.
1. Соответственно создаются верхний слой и нижний слой. В верхнем слое размещены воспринимающие пиксели, считывающие первую группу цветов: синий, циановый (голубой) и бланкирующий цвет (а именно прозрачный), и в нижнем слое размещены воспринимающие пиксели, считывающие вторую группу цветов: желтый, красный и белый.
2. Считывающие пиксели расположены в нижнем слое и в верхнем слое таким образом, чтобы длина волны цвета, считываемого в нижнем слое, была больше длины волны цветов, считываемых воспринимающими пикселями в соответствующей позиции в верхнем слое, и спектр цветов, считываемых в нижнем слое, являлся ортогональным или комплементарным (дополняющим) по отношению ко всему спектру цветов, считываемых пикселями в соответствующей позиции в верхнем слое внутри спектрального пространства видимого света. В частности, как показано на Фиг.8(а), когда цвет, считываемый в верхнем слое, является синим, цвет, считываемый в соответствующей позиции в нижнем слое, может быть желтым или красным; когда цвет, считываемый в верхнем слое, является циановым или синим, то цвет, считываемый в соответствующей позиции в нижнем слое, может быть красным; когда цвет, считываемый в верхнем слое, является бланкирующим (пустым), то цвет, считываемый в соответствующей позиции в нижнем слое, может быть любым цветом, но белый цвет может обеспечить максимальное использование энергии падающего света.
Специалисты в этой области техники в состоянии понять, что способы изготовления полноспекторных цветных считывающих устройств, показанных на других фигурах, но не описанных здесь, будут идентичны или аналогичны вышеприведенным.
Специалисты в этой области техники также в состоянии понять, что посредством изменения ориентации пикселей в верхнем слое и в нижнем слое будут легко получены различные воплощения, отличающиеся от вышеприведенных предпочтительных воплощений. Например, если нужно, специалисты в этой области могут оценить возможность создания средних слоев в соответствии с принципом максимизации использования энергии падающего света или получения самого высокого пространственного разрешения. Требуется, чтобы длина волны каждого цвета, считываемого в нижнем слое, была больше длины волны цветов, считываемых в соответствующей позиции в верхнем слое; и спектр каждого цвета, считываемый в соответствующей позиции в нижнем слое, был ортогональным по отношению ко всему спектру цветов в соответствующей позиции во всех верхних слоях внутри спектрального пространства видимого света. Спектр каждого цвета, считываемый в нижнем слое, является ортогональным по отношению к спектру цветов, считываемых в соответствующей позиции во всех верхних слоях внутри спектрального пространства видимого света или комбинированного пространства видимого света и инфракрасного. Предпочтительно, чтобы спектр каждого цвета, считываемый в нижнем слое, был бы комплементарным (дополняющим) по отношению ко всему спектру цветов, считываемых в соответствующей позиции во всех верхних слоях внутри спектрального пространства видимого света.
В заключение смысл настоящего изобретения состоит в том, чтобы максимально использовать энергию падающего света, или максимизировать пространственное разрешение, или получить большую гамму воспроизводимости цветов при низкой стоимости, посредством очень тонкой ориентации и конфигурации считывающих пикселей в одно-, двух- или многослойных цветных считывающих устройствах. Хотя настоящее изобретение раскрывается посредством предпочтительных воплощений, такое раскрытие не следует рассматривать как ограничение для изобретения. Для специалиста в области устройств для считывания изображений (например, в области производства сенсоров-формирователей изображения на полупроводниковых чипах) такое раскрытие даст возможность предусматривать многие варианты и расширения настоящего изобретения без отступления от смысла и идеи изобретения.