ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО С ФОТОДЕТЕКТОРАМИ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ ЦВЕТОВ
PHOTODETECTING DEVICE WITH PHOTODETECTORS WITH VERTICAL COLOUR SEPARATION

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в видеокамерах и фотоаппараторах высокого разрешения, использующих цифровую обработку для оптимизации сигналов.
Известны фотоприемные устройства с фотодетекторами с вертикальным разделением цветов, описанные, например, в US Patent 7132724 B1, Nov.7, 2006, R.B.Merrill, "Complete-Charge-Transfer Vertical Color Detector" и в US Patent Application Publication 2005/0087829 A1, Apr. 28, 2005, R.B.Merrill et al. “Vertical color filter sensor group with carrier-collection elements of different size and method for fabricating such a sensor group”. Известны также фотоприемные устройства, содержащие устройство обработки сигналов, осуществляющее, в частности, цифровую коррекцию характеристик цветовых каналов на основе их корреляции, описанные в US Patent 5668596, Sep.16, 1997, R.M.Vogel, "Digital imaging device optimized for color performance", US Patent 5189511, Feb.23, 1993, K.A.Parulski et al. "Method and apparatus for improving the color rendition of hardcopy images from electronic cameras", US Patent 5001663, Mar.19, 1991, K.A.Parulski et al. "Programmable digital circuit for performing a matrix multiplication" и в книгах: «Цифровое телевидение» под ред. М.И.Кривошеева, М. «Связь», 1980, «Цифровое телевидение. Теория и техника» под ред. Л.С.Виленчика, М. «Радио и связь», 1990.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является устройство, описанное в US Patent 7132724 B1, Nov.7, 2006, R.B.Merrill, "Complete-Charge-Transfer Vertical Color Detector", которое принято за прототип.
В патенте описывается фотоприемное устройство, содержащее устройство обработки сигналов, осуществляющее, в частности, цифровую коррекцию характеристик цветовых каналов на основе их корреляции, фотоприемные ячейки, содержащие детекторы голубой, зеленой и красной составляющих принимаемого излучения, выполненные в полупроводниковой структуре, имеющие горизонтальные области первого типа проводимости, расположенные на первой, второй и третьей глубинах по отношению к поверхности структуры, соответственно оптимизированных по максимальному поглощению голубой, зеленой и красной составляющих излучения, соединенные через p-n переходы областями первого и/или второго, противоположного первому, типа проводимости с приповерхностными областями второго типа проводимости, окруженные областями первого типа проводимости с распределением концентрации примеси, создающим потенциальный барьер для распространения в них неосновных носителей тока.
Однако указанное устройство имеет недостатки:
- структура детекторов имеет большое количество слоев, формирование которых требует нескольких эпитаксиальных наращиваний или глубоких высокоэнергетических имплантаций, что делает технологию ее изготовления отличной от стандартной и дорогой,
- устройство обработки сигналов, осуществляющее цифровую коррекцию характеристик цветовых каналов на основе их корреляции, не учитывает возможное технологическое сужение пространственной полосы одной из состовляющих.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение технологии и, следовательно, снижение стоимости при сохранении высоких характеристик фотоприемного устройства за счет дешевой цифровой коррекции сигналов на основе высокой корреляционной зависимости характеристик цветовых составляющих.
Указанный результат достигается за счет того, что в известном фотоприемном устройстве, содержащем устройство обработки сигналов, осуществляющее, в частности, цифровую коррекцию характеристик цветовых каналов на основе их корреляции, фотоприемные ячейки с вертикальным разделением цветов, каждая из которых содержит схему считывания, детекторы голубой, зеленой и красной составляющих принимаемого излучения, выполненные в полупроводниковой структуре, имеющие горизонтальные области первого типа проводимости, расположенные на первой, второй и третьей глубинах по отношению к поверхности структуры, соответственно оптимизированных по максимальному поглощению голубой, зеленой и красной составляющих излучения, соединенные через p-n переходы областями первого и/или второго, противоположного первому, типа проводимости с приповерхностными областями второго типа проводимости, окруженные областями первого типа проводимости с распределением концентрации примеси, создающим потенциальный барьер для распространения в них неосновных носителей тока, предложено:
- горизонтальную область, расположенную на третьей глубине, выполнить в общем для всех ячеек слое на подложке первого типа проводимости,
- в устройстве обработки сигналов производить коррекцию пространственно-частотной характеристики красного канала, спектральных характеристик каналов голубого, зеленого и красного цветов, подавление фиксированного пространственного цветового шума, регулировать четкость и насыщенность с учетом технологически суженной пространственной полосы красной составляющей.
При использовании общего для всех ячеек слоя на подложке первого типа проводимости в качестве горизонтальных областей, в которых генерируются носители красной компоненты излучения, технология упрощается, приближаясь к стандартной, стоимость изготовления снижается. Ухудшение пространственно-частотной характеристики красной компоненты из-за отсутствия изоляции и сбора носителей в ячейку с третьей глубины от группы соседних ячеек корректируется при цифровой обработке сигналов матричного фотоприемника, использующей корреляцию между цветовыми компонентами.
Перечень чертежей, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение:
Фиг.1 иллюстрирует известное устройство (прототип).
Фиг.2 иллюстрирует предлагаемое устройство.
Фотоприемное устройство с вертикальным разделением цветов состоит (см. фиг.2) из устройства обработки сигналов (0), осуществляющего, в частности, цифровую коррекцию характеристик цветовых каналов на основе их корреляции, фотоприемных ячеек с вертикальным разделением цветов, каждая из которых содержит схему считывания (1), детекторы голубой, зеленой и красной составляющих принимаемого излучения, выполненные в полупроводниковой структуре, имеющие горизонтальные области (2, 3, 4) первого типа проводимости (p-тип), расположенные соответственно на первой, второй и третьей глубинах по отношению к поверхности структуры, соответственно оптимизированных по максимальному поглощению голубой, зеленой и красной составляющих излучения, соединенные через p-n переходы (5, 6, 7) областями (8, 9, 10) второго, противоположного первому, типа проводимости (n-тип) с приповерхностными областями (11, 12, 13) второго типа проводимости, окруженные областями (14, 15) первого типа проводимости с распределением концентрации примеси, создающим потенциальный барьер для распространения в них неосновных носителей тока, к областям (8, 9, 10) второго типа проводимости примыкают на любой из перечисленных глубин дополнительные области (17, 18, 19) второго типа проводимости, расположенные вне облучаемых областей (20), горизонтальная область (4), расположенная на третьей глубине, выполнена в общем для всех ячеек слое на подложке первого типа проводимости (21).
Устройство работает следующим образом.
Излучение, проникая в вертикальную структуру в соответствии с коэффициентом поглощения его спектральных составляющих, создает в ней неосновные носители тока. Голубая составляющая поглощается в верхней части структуры, зеленая - в середине, а красная - в нижней. Неосновные носители - электроны, созданные излучением в двух верхних p-областях (2, 3), будучи зажатыми окружающим их потенциальным барьером p-областей (14, 15), распространяются, благодаря дрейфу и диффузии, к соответствующим p-n переходам (5, 6), втягиваются полем p-n переходов в n-области: (17, 8, 11) - голубые, (18, 9, 12) - зеленые, красные же собираются n-областями (19, 10, 13) из-под четырех ячеек. За время накопления заряды и соответственно напряжения n-областей изменяются. Эти изменения напряжений затем считываются схемой считывания (1). Сигналы с «красного» вывода, интегрированные от группы соседних ячеек, корректируются в устройстве (0) цифровой обработки сигналов матричного фотоприемника. При этом используется пространственно-частотная корреляция между полноценными каналами (голубым и зеленым) и интегрированным по группе ячеек красным каналом. Вычисления для ячейки с координатами i, j производятся по формулам линейного преобразования, используя данные, полученные с фрагмента матрицы размером К×К (К - нечетное число):
OUT
M
M
R(i,j)=R-R*+R*(i,j),
*
R(i+p, j+p)=al·G(i+p, j+q)+a2·B(i+p, j+q),
*
R(i,j)=a1·G(i,j)+a2·B(i,j),
a1, a2 - константы
*
м
м
Матрица весовых коэффициентов Mp,q необходима для согласования среднего значения предсказанного R  со средним R по световому потоку, регистрируемому красным детектором R. Весовые коэффициенты (1-Δх)(1-Δу), Δх(1-Δу), (1-Δх)Δу, ΔхΔу представляют собой нормированные площади сбора красных носителей, принадлежащие соседним ячейкам. Значения Δх, Δу определяются из топологии фотоприемной матрицы.
Коррекция спектральных характеристик каналов голубого, зеленого и красного цветов, подавление фиксированного пространственного цветового шума, регулировка четкости и насыщенности производится с учетом технологически суженной пространственной полосы красной составляющей по следующим формулам
O
М
М
М
М
R(i,j)=Y+(R-Y)·Sat+(Y(i,j)-Y)·Sharp,
O
М
М
М
М
G(i,j)=Y+(G-Y)·Sat+(Y(i,j)-Y)·Sharp,
O
М
М
М
М
B(i,j)=Y+(B-Y)·Sat+(Y(i,j)-Y)·Sharp,
OUT
Y(i,j)=R(i,j)+G(i,j)+B(i,j),
M
M
M
M
Y=R+G+B
Sat, Sharp - значения насыщенности и четкости.
Настоящее описание изобретения, в т.ч. состава и работы устройства, включая предлагаемый вариант его исполнения, предполагает его дальнейшее возможное совершенствование специалистами и не содержит каких-либо ограничений в части реализации. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.