專利名稱：多景深感光器件、系統(tǒng)、景深擴(kuò)展方法及光學(xué)成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及感光領(lǐng)域，具體的說，涉及一種多景深感光器件、利用該多景深感光器件的感光系統(tǒng)、景深擴(kuò)展方法以及一種光學(xué)成像系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明是本發(fā)明人稍早一點(diǎn)的《多光譜感光器件及其制作方法》(PCT/ CN2007/071262)，《多光譜感光器件及其制作方法》(中國申請(qǐng)?zhí)?200810217270. 2)，《多光譜感光器件》(中國申請(qǐng)?zhí)?00910105372.X)，《一種多光譜感光器件及其采樣方法》 (中國申請(qǐng)?zhí)?00910105948.幻，《一種感光器件及其讀取方法、讀取電路》(中國申請(qǐng)?zhí)?200910106477. 7)的延續(xù)，旨在提供更為具體而且優(yōu)選的多光譜感光器件在芯片及系統(tǒng)級(jí)別的實(shí)現(xiàn)。感光系統(tǒng)，是一種通過光學(xué)鏡頭進(jìn)行景物的捕捉、收集，并由感光器件，例如CMOS 感光芯片進(jìn)行景物的記錄的系統(tǒng)。感光系統(tǒng)工作時(shí)，調(diào)節(jié)鏡頭，使距離鏡頭一定距離的景物清晰成像的過程，叫做對(duì)焦，該景物所在的點(diǎn)，稱為對(duì)焦點(diǎn)，因?yàn)椤扒逦本哂邢鄬?duì)性，所以對(duì)焦點(diǎn)前(靠近鏡頭)、后一定距離內(nèi)的景物的成像都可以是清晰的，這個(gè)前后范圍的總和稱為景深。通常前景深小于后景深，即精確對(duì)焦后，對(duì)焦點(diǎn)前只有很短一段距離內(nèi)的景物能清晰成像，而對(duì)焦點(diǎn)后很長(zhǎng)一段距離內(nèi)的景物都是清晰的。獲得寬景深清晰成像的系統(tǒng)是人們長(zhǎng)期以來的研究目標(biāo)之一。研究表明，景深的
大小與鏡頭焦距有關(guān)，焦距長(zhǎng)的鏡頭景深小，焦距短的鏡頭景深大?？梢?，鏡頭焦距調(diào)整是
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獲得寬景深清晰成像的手段之一；另外，根據(jù)幾何光學(xué)的基本成像公式(;7=5+f’其中，
f為鏡頭焦距，U為物距，即被攝物到鏡頭的距離，V為象距，即鏡頭到感光器件的距離)，可見，象距的動(dòng)態(tài)調(diào)整也是獲得寬景深清晰成像的手段之一。因此，現(xiàn)有感光系統(tǒng)中的自動(dòng)對(duì)焦方式，多采用上述兩種手段之一，例如，鏡頭由一組鏡片構(gòu)成，通過調(diào)整鏡片之間的距離，從而可以調(diào)整鏡頭焦距或(鏡頭與感光器件的) 象距(而實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦或?qū)?；或者通過驅(qū)動(dòng)例如CMOS感光器件位移，從而改變象距(而實(shí)現(xiàn)光學(xué)對(duì)焦)。然而，顯然的，這兩種方式的對(duì)焦，都需要電動(dòng)機(jī)構(gòu)和復(fù)雜、精密的機(jī)械部件來進(jìn)行鏡片或感光器件的位移驅(qū)動(dòng)。這樣，不僅顯著增加了尺寸，也顯著增加了成本和功耗。在很多的應(yīng)用里，如手機(jī)照相和醫(yī)用照相里，這些都是明顯的不利因素。一些不采用運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的寬景深系統(tǒng)因此被提出，試圖在某些應(yīng)用里取代自動(dòng)對(duì)焦的需求。這種系統(tǒng)在手機(jī)照相的應(yīng)用里，被稱之為EDoF (Extended Depth of Focus)，例如， DM)公司提出的一種EDoF系統(tǒng)，通過特別的鏡頭設(shè)計(jì)，讓感光器件中的紅色感光象素聚焦在無窮遠(yuǎn)處，蘭色感光象素聚焦在盡可能的近距(例如50cm)。而綠色感光象素聚焦在某個(gè)中間的位置。這樣，無論物體處于哪個(gè)位置，總有一個(gè)顏色的圖像是清楚或相對(duì)比較清楚的。之后，通過數(shù)學(xué)的手段，以比較清楚的顏色為主體，不夠清楚的顏色為輔助信息，就能在比較寬的范圍，還原和計(jì)算出較清楚的圖像。
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然而，采用單層感光器件，當(dāng)紅色感光象素聚焦在無窮遠(yuǎn)時(shí)，蘭色感光象素的聚焦距離一般很難做得比50cm更小。此外，對(duì)于采用貝葉圖案的感光器件，紅色象素和蘭色象素都只占感光象素的1/4。因此，當(dāng)需要以紅色或蘭色作為清晰度計(jì)算的主體時(shí)，圖像的分辨率已經(jīng)減少到以綠色為主體時(shí)的分辨率的一半以下?？梢姡@種方案有一定的局限性。因此，仍然有必要對(duì)現(xiàn)有感光器件或系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種多景深感光器件、利用該多景深感光器件的感光系統(tǒng)、景深擴(kuò)展方法以及一種光學(xué)成像系統(tǒng)與方法，其以物理的手段實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)焦或多距離成像，避免使用電動(dòng)機(jī)構(gòu)和復(fù)雜、精密的機(jī)械部件，具有良好的景深擴(kuò)展性能。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種多景深感光器件，包括至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，至少兩個(gè)所述感光象素層之間按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自距所述感光器件特定距離的鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的所述感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述感光象素層包括化學(xué)鍍膜感光象素層和半導(dǎo)體感光象素層中的至少一者。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述化學(xué)鍍膜感光象素層包括量子點(diǎn)感光象素。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體感光象素層包括CMOS光敏二極管、CMOS感光門、CCD光敏二極管、CCD感光門、和具有雙向電荷轉(zhuǎn)移功能的CMOS和CCD感光二極管和感光門。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述不同光信號(hào)，包括不同距離的光信號(hào)，或者不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，波長(zhǎng)更短的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭更近的感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述感光象素層為兩層，紫色光、蘭色光、綠色光、或青色光被聚焦到離鏡頭較近的感光象素層，綠色光、紅色光、黃色光、可見光、或紅外光被聚焦到離鏡頭較遠(yuǎn)的感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述感光象素層為三層，紫外光、蘭色光、或青色光被聚焦到離鏡頭最近的感光象素層；蘭色光、綠色光、紅色光、或黃色光被聚焦到位于中間的感光象素層；紅色光、黃色光、可見光、或紅外光被聚焦到離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，更遠(yuǎn)距離的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭更近的感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述感光象素層為兩層，無窮遠(yuǎn)處的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭較近的感光象素層，感興趣最短距離的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭較遠(yuǎn)的感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，無窮遠(yuǎn)處的紫色光、蘭色光、綠色光、或青色光被聚焦到離鏡頭較近的感光象素層，感興趣最短距離的綠色光、紅色光、黃色光、可見光、或紅外光被聚焦到離鏡頭較遠(yuǎn)的感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述感光象素層為三層，無窮遠(yuǎn)處的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭最近的感光象素層，感興趣最短距離的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層， 無窮遠(yuǎn)處與感興趣最短距離之間的一個(gè)中間距離的光信號(hào)被聚焦到位于中間的感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述感光象素層為三層，無窮遠(yuǎn)處的紫外光、蘭色光、 或青色光被聚焦到離鏡頭最近的感光象素層，感興趣最短距離的紅色光、黃色光、可見光、 或紅外光被聚焦到離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層，無窮遠(yuǎn)處與感興趣最短距離之間的一個(gè)中間距離的蘭色光、綠色光、紅色光、或黃色光被聚焦到位于中間的感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述感興趣最短距離包括2mm，5mm，7mm，lcm, 2cm, 3cm, 5cm,7cm,10cm,20cm,30cm,40cm,50cm,60cm,70cm,80cm,100cm,或 150cm。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，至少兩個(gè)所述感光象素層之間設(shè)置有透光層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述感光象素層中的感光象素為正面感光象素、背面感光象素、或雙向感光象素。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，當(dāng)感光象素為雙向感光象素時(shí)，其感光選向方式為隔離選向、分時(shí)選向、分區(qū)選向、或象素選向。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述感光象素層中的感光象素分別感應(yīng)包含紫外線、 可見光、近紅外、和遠(yuǎn)紅外中的一個(gè)互補(bǔ)譜段或子譜段；或者所述化學(xué)鍍膜感光象素和半導(dǎo)體感光象素分別感應(yīng)包含紫外線、可見光、近紅外、和遠(yuǎn)紅外中的一個(gè)正交譜段或子譜段。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述互補(bǔ)譜段或子譜段包含紫外光譜，蘭色光譜，綠色光譜，紅色光譜，近紅外光譜，遠(yuǎn)紅外光譜，青色光譜，黃色光譜，白色光譜，近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，紅色光譜+近紅外光譜，紅光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，黃色光譜+近紅外光譜，黃色光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，可見光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，紫外光譜+可見光譜，紫外光譜+可見光譜+近紅外光譜，紫外光譜+可見光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜；所述正交譜段或子譜段包含紫外光譜，蘭色光譜，綠色光譜，紅色光譜，近紅外光譜，遠(yuǎn)紅外光譜，青色光譜，黃色光譜，白色光譜，近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，紅色光譜+近紅外光譜，紅光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，黃色光譜+近紅外光譜，黃色光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，可見光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，紫外光譜+可見光譜，紫外光譜+ 可見光譜+近紅外光譜，紫外光譜+可見光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，每一感光象素層中的色彩排列包括同一排列、水平排列、垂直排列、對(duì)角排列、廣義貝葉排列、YUV422排列、橫向YUV422排列、蜂窩排列、均布排列。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，至少一個(gè)所述感光象素層中的部分或全部感光象素的正面、背面或雙面設(shè)置有濾光膜，所述濾光膜的選頻特性包括紅外截止濾波、蘭色帶通、綠色帶通、紅色帶通、青色帶通、黃色帶通、品紅色帶通、或可見光帶通。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述感光象素層中的相鄰兩層各自設(shè)有讀取電路；或者所述感光象素層的相鄰兩層共用讀取電路。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述讀取電路為主動(dòng)象素讀取電路、被動(dòng)象素讀取電路、或主動(dòng)象素與被動(dòng)象素混合讀取電路。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述主動(dòng)象素包括3T、4T、5T或6Τ主動(dòng)象素。
在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述讀取電路的共用方式包括單層或上下層4點(diǎn)共享方式、單層或上下層6點(diǎn)共享方式、單層或上下層8點(diǎn)共享方式、或單層或上下層任意點(diǎn)共享方式。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述讀取電路包括用于對(duì)每一感光象素層的象素陣列中的緊鄰的同行異列、異行同列、或異行異列的象素間進(jìn)行兩兩合并采樣，獲得第一合并象素的采樣數(shù)據(jù)的第一合并單元；以及用于對(duì)第一合并單元得到的第一合并象素的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行合并采樣以獲得第二合并象素的采樣數(shù)據(jù)的第二合并單元。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述讀取電路還包括第三合并單元，用于對(duì)第二合并單元得到的第二合并象素的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行合并采樣以獲得第三合并象素的采樣數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述第一合并單元或第二合并單元的象素合并方式為相同或不同色彩象素間的電荷相加方式或信號(hào)平均方式，其中不同色彩象素間的象素合并方式遵照色彩空間變換的方式，以滿足色彩重建的要求。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述色彩空間變換包括RGB到CyYeMgX空間的變換、 RGB到Y(jié)UV空間的變換、或CyYeMgX到Y(jié)UV空間的變換，其中X為R (紅)、G (綠)、B (蘭) 中的任一種。 在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述電荷相加方式通過象素直接并聯(lián)或?qū)㈦姾赏瑫r(shí)轉(zhuǎn)移到讀取電容(FD)中完成。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述第一合并單元或第二合并單元的基于色彩的合并采樣方式包括同色合并方式、異色合并方式、混雜合并方式、或選擇性拋棄多余色彩合并方式，且第一合并單元和第二合并單元采用的合并采樣方式不同時(shí)為同色合并方式。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述第一合并單元或第二合并單元的基于位置的合并采樣方式包括以下幾種方式中的至少一種直接輸出到總線的信號(hào)自動(dòng)平均方式、跳行或跳列方式、和逐個(gè)采樣方式。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述第三合并單元的合并采樣方式包括色彩空間變換方式和后端數(shù)字圖像縮放方式中的至少一種。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，包括具有跨層讀取功能的全局電子快門，所述全局電子快門包含多個(gè)可同時(shí)轉(zhuǎn)移并讀取一層或多層感光象素層的電荷或電壓值的不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述多個(gè)不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素位于不感光象素轉(zhuǎn)移和讀取層；或者位于所述感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，每一感光象素層，設(shè)置有一個(gè)緊鄰的不感光象素轉(zhuǎn)移和讀取層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素由半導(dǎo)體電路制成。本發(fā)明也提供了一種景深擴(kuò)展方法，包括在感光器件中設(shè)置至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，并將至少兩個(gè)所述感光象素層按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自距所述感光器件特定距離的鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的所述感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，通過來自不同感光象素層的具有不同清晰度的圖像而獲取一幅清晰圖像。
本發(fā)明還提供了一種光學(xué)成像方法，包括設(shè)置鏡頭和包括至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層的感光器件；將所述感光器件放置在距所述鏡頭特定距離，且至少兩個(gè)所述感光象素層之間按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的所述感光象素層。本發(fā)明還提供了一種光學(xué)成像系統(tǒng)，包括鏡頭和多景深感光器件，所述多景深感光器件布置在距所述鏡頭特定距離，包括至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，至少兩個(gè)所述感光象素層之間按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自所述鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的所述感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述不同光信號(hào)，包括不同距離的光信號(hào)，或者不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，波長(zhǎng)更短的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭更近的感光象素層。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，更遠(yuǎn)距離的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭更近的感光象素層。本發(fā)明還提供了一種感光系統(tǒng)，包括上述的感光器件。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述感光系統(tǒng)包括數(shù)碼相機(jī)，照相手機(jī)，攝像機(jī)，視頻或照相監(jiān)控系統(tǒng)，圖像識(shí)別系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)圖像系統(tǒng)，軍用、消防或井下圖像系統(tǒng)，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，立體影像系統(tǒng)，機(jī)器視覺系統(tǒng)，汽車視覺或輔助駕駛系統(tǒng)，電子游戲系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)攝像頭， 紅外和夜視系統(tǒng)，多光譜成像系統(tǒng)，和電腦攝像頭中的一種?，F(xiàn)有的感光系統(tǒng)，不僅自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)需要電動(dòng)機(jī)構(gòu)和復(fù)雜、精密的機(jī)械部件，而且對(duì)于6mm直徑以上的鏡頭而言，為了實(shí)現(xiàn)在IOcm至無窮遠(yuǎn)的寬距自動(dòng)對(duì)焦，鏡頭的行程必須在0. 2mm以上，也就是說，無窮遠(yuǎn)處清晰成像的象距與IOcm處清晰成像的象距差，至少是 0. 2mm,即200um。眾所周知，硅或其它半導(dǎo)體材料都是不透明的。光進(jìn)入硅后，大約在12um 處，就已經(jīng)被吸收得所剩無幾了。因此即使使用自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，現(xiàn)有的感光系統(tǒng)也很難獲得較寬的景深范圍。本發(fā)明的多景深感光器件、利用該多景深感光器件的感光系統(tǒng)、景深擴(kuò)展方法，以及光學(xué)成像系統(tǒng)及方法，通過設(shè)置至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，至少兩個(gè)所述感光象素層之間按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自距感光器件特定距離的鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的感光象素層，從而不同感光象素層可以得到不同景深的圖像。從產(chǎn)品角度， 感光器件可以制作成感光芯片獨(dú)立存在，但從應(yīng)用角度，例如光學(xué)成像，感光器件通常需要與鏡頭配合使用。鏡頭，依其大小、材料、曲面設(shè)計(jì)等具有不同的聚焦特性，例如以普通的手機(jī)鏡頭為例，其景深范圍通常是無窮遠(yuǎn)到2m，超出該景深范圍，則需要采用自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)，例如通過調(diào)整感光器件到鏡頭的距離，也即調(diào)整象距到某一合適數(shù)據(jù)，才能獲得例如 50cm-30cm的清晰景象。而在本發(fā)明中，如果選定的應(yīng)用鏡頭是手機(jī)鏡頭，則可以按下例在感光器件中設(shè)置兩個(gè)感光象素層(稱第一感光象素層和第二感光象素層)，當(dāng)與該選定的手機(jī)鏡頭配合時(shí)，感光器件被放置在距該鏡頭特定距離，此時(shí)，第一感光象素層到鏡頭的距離為第一象距，第二感光象素層到鏡頭的距離為第二象距(第一象距小于第二象距)，此時(shí)，距鏡頭的特定距離以及兩個(gè)感光象素層之間的預(yù)設(shè)距離，使得從無窮遠(yuǎn)到2m的景深范圍的景物將可在第一感光象素層清晰成像，從50cm-30cm的景深范圍的景物將可在第二感光象素層清晰成像。由此，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)景深或景深擴(kuò)展。需要注意的是，上述說明例中，感光象素層的數(shù)量和景深范圍均僅為示例性數(shù)據(jù)，可以理解，通過對(duì)感光象素層的數(shù)量和相互間的預(yù)設(shè)距離調(diào)整，可以形成連續(xù)、交疊、互補(bǔ)、或正交的景深范圍，多個(gè)感光象素層各自的景深范圍疊加將使感光器件具有相當(dāng)寬的景深范圍，從而無需自動(dòng)對(duì)焦即可獲得寬景深范圍內(nèi)的清晰圖像，避免使用電動(dòng)機(jī)構(gòu)和復(fù)雜、精密的機(jī)械部件，顯著的節(jié)約了空間和成本。 另一方面，在本發(fā)明中，通常至少可以從一個(gè)感光象素層獲得較為完整的圖像信息，從而圖像具有相當(dāng)高的清晰度，且無需繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算。本發(fā)明將通過實(shí)施例描述這種新型的、威力巨大的混合多光譜感光象素組、感光器件和系統(tǒng)。這些優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式，僅僅是作為舉例來說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法而已，而不是為了限制這些發(fā)明的保護(hù)范圍。對(duì)于相關(guān)業(yè)界的有識(shí)之士而言，本發(fā)明的上述及其它目的和優(yōu)點(diǎn)，在閱讀過下面的優(yōu)選的帶有多個(gè)插圖解釋的實(shí)現(xiàn)案例的細(xì)節(jié)描述之后，將是十分明顯的。


圖1是一個(gè)光譜分布的示意圖?？梢姽庖话闶侵?90nm到760nm波長(zhǎng)的光。一般由棱鏡的分光效應(yīng)而從可見光分出來看到的蘭光波長(zhǎng)在440-490nm，綠光波長(zhǎng)在520-570nm， 紅光波長(zhǎng)在630-740nm，而在感光器件的設(shè)計(jì)中，一般把390-500nm劃為蘭色區(qū)，500-610nm 劃為綠色區(qū)，610-760nm劃為紅色區(qū)，但這種紅、綠、蘭的譜段的劃分并不是絕對(duì)的。圖中的紅、綠、蘭、青(蘭綠復(fù)合)、和黃(綠紅復(fù)合)的波形，是原色感光象素或補(bǔ)色(復(fù)合色)感光象素所需求的理想的波長(zhǎng)響應(yīng)曲線。如果作為基色的原色感光象素或補(bǔ)色(復(fù)合色)感光象素不具備類似的波長(zhǎng)響應(yīng)曲線，則很難重建人類所能看到絕大部分色彩。圖2是感光象素的3T讀取電路。圖3是感光象素的4T讀取電路。圖4是本人在《一種多光譜感光器件及其采樣方法》(中 200910105948. 2)和《一種感光器件及其讀取方法、讀取電路》(中 200910106477. 7)提出的四點(diǎn)共享讀取電路。圖5是本人在《一種多光譜感光器件及其采樣方法》(中 200910105948. 2)和《一種感光器件及其讀取方法、讀取電路》(中 200910106477. 7)提出的兩層六點(diǎn)共享讀取電路。圖6是本人在《一種多光譜感光器件及其采樣方法》(中 200910105948. 2)和《一種感光器件及其讀取方法、讀取電路》(中 200910106477. 7)提出的兩層八點(diǎn)共享讀取電路。圖7是本人在《一種感光器件及其讀取方法、讀取電路》(中國申請(qǐng)?zhí)?200910106477. 7)提出的任意N點(diǎn)共享讀取電路。圖8是本人在《多光譜感光器件及其制作方法》(中國申請(qǐng)?zhí)?00810217270. 2) 和《多光譜感光器件》(中國申請(qǐng)?zhí)?00910105372.X)中提出的，上下層感光象素在感興趣的光譜上互補(bǔ)或正交的雙層感光器件的示意圖。這種感光器件通過采用精心選擇的彩色圖案和排列，可以得到非常多優(yōu)秀的雙層感光器件。這些感光器件可以用于正面感光，背面感光，和雙向感光。這些方法和原理，同樣也可適用于本發(fā)明的多光譜感光器件。
圖9是本人在《一種多光譜感光器件及其采樣方法》(中國申請(qǐng)?zhí)?200910105948. 2)中提出的一種在不同色彩象素間實(shí)現(xiàn)電荷合并的子采樣方法。這種方法同樣適用于本發(fā)明的多光譜感光器件。圖10是本人在《一種多光譜感光器件及其采樣方法》(中國申請(qǐng)?zhí)?200910105948. 2)中提出的采用色彩空間變換來實(shí)現(xiàn)的一種象素合并和子采樣方法。這種方法同樣適用于本發(fā)明的多光譜感光器件。圖11是本發(fā)明提出的一種用于景深擴(kuò)展的兩層感光器件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中透光層的厚度，由所希望的兩個(gè)感光平面的象距差(V2-V1)來決定。圖12是本發(fā)明提出的一種用于景深擴(kuò)展的三層感光器件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中透光層的厚度，由所希望的兩個(gè)感光平面的象距差(V2-V1或V3-V2)來決定。圖13是第一種利用多層感光器件實(shí)現(xiàn)景深擴(kuò)展的原理示意圖。在這個(gè)示意圖里， 位于不同距離的物體，將清晰地聚焦在多層感光器件的不同感光象素層。因此，位于這三個(gè)距離之間的任一物體，都將清楚或者比較清楚地聚焦在一個(gè)，或者兩個(gè)感光象素層，從而達(dá)到景深擴(kuò)展的效果。圖中，Ul, U2，U3是物距(即物體到鏡頭的距離)，VI，V2, V3是象距 (即感光象素層到鏡頭的距離)。圖14是第二種同時(shí)利用特殊的鏡頭設(shè)計(jì)方法和多層感光器件來實(shí)現(xiàn)更好的景深擴(kuò)展效果的原理示意圖。對(duì)一般光學(xué)系統(tǒng)而言，波長(zhǎng)更短的光，焦距更短。因此，對(duì)鏡頭進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)，可以讓波長(zhǎng)更短的光，聚焦在離鏡頭更近的感光象素層，或者說，離光源更近的感光象素層；而將波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光，聚焦在離鏡頭更遠(yuǎn)的感光層，或者說，離光源更遠(yuǎn)的感光象素層；而將波長(zhǎng)中等的光，聚焦在中間的感光層。這樣，這種成像系統(tǒng)同時(shí)結(jié)合多光譜和多象距的特點(diǎn)，就能極大地?cái)U(kuò)展景深。這種系統(tǒng)，對(duì)于微距照相，有著無比的優(yōu)勢(shì)。圖15是實(shí)現(xiàn)圖11所示的多景深感光器件的感光象素級(jí)別的原理示意圖。通過調(diào)整透光層的厚度，可以調(diào)整兩個(gè)感光象素層之間的距離，從而讓兩個(gè)感光象素層的感光象素，分別對(duì)應(yīng)不同的景深。該例中，上下兩個(gè)感光象素層均采用半導(dǎo)體感光象素層。圖16(a)、(b)、(c)、(d)是實(shí)現(xiàn)圖11所示的多景深感光器件的另一種感光象素級(jí)別的原理示意圖。同樣，通過調(diào)整透光層的厚度，可以調(diào)整兩個(gè)感光象素層之間的距離，從而讓兩個(gè)感光象素層的感光象素，分別對(duì)應(yīng)不同的景深。該例中，上層的感光象素層采用化學(xué)鍍膜感光象素層，而下層的感光象素層采用半導(dǎo)體感光象素層，顯然二者可以互換而不影響其實(shí)現(xiàn)多景深的效果。圖15和圖16都只描繪了感光象素的情況，其它讀取電路和輔助電路，因?yàn)榭梢耘c現(xiàn)有的相同，都被省略。圖17(a)、(b)、(c)、(d)是實(shí)現(xiàn)圖11所示的多景深感光器件的另一種感光象素級(jí)別的原理示意圖。同樣，通過調(diào)整透光層的厚度，可以調(diào)整上層的一個(gè)感光象素層與下層的另兩個(gè)感光象素層之間的距離，從而讓不同感光象素層的感光象素，分別對(duì)應(yīng)不同的景深。 在該例中，上層的一個(gè)感光象素層采用化學(xué)鍍膜感光象素層，下層的另兩個(gè)感光象素層采用半導(dǎo)體感光象素層，注意到，圖17(a)、(b)中的兩個(gè)半導(dǎo)體感光象素層布置在一個(gè)半導(dǎo)體基層的兩面，圖17(c)、(d)中的兩個(gè)半導(dǎo)體感光象素層布置在一個(gè)半導(dǎo)體基層的一面。 照射方向可以是該半導(dǎo)體基層的正面或是背面。另需注意的是，由于半導(dǎo)體的透光性限制， 半導(dǎo)體基層厚度一般較薄，通常不滿足景深擴(kuò)展所需的感光象素層間隔距離的需求。因此，兩個(gè)半導(dǎo)體感光象素層更多的用來實(shí)現(xiàn)多光譜的需求。圖18(a)、(b)是實(shí)現(xiàn)圖11所示的多景深感光器件的另一種感光象素級(jí)別的原理示意圖。同樣，通過調(diào)整透光層的厚度，可以調(diào)整上層的一個(gè)感光象素層與下層的另兩個(gè)感光象素層之間的距離，從而讓不同感光象素層的感光象素，分別對(duì)應(yīng)不同的景深。在該例中，上層的一個(gè)感光象素層采用化學(xué)鍍膜感光象素層，下層的另兩個(gè)感光象素層分別采用半導(dǎo)體感光象素層和化學(xué)鍍膜感光象素層。中間的半導(dǎo)體感光象素層(的兩面)可以含有讀取三個(gè)感光象素層所必需的讀取象素和采樣電路。圖19(a)、(b)是實(shí)現(xiàn)圖12所示的多景深感光器件的一種感光象素級(jí)別的原理示意圖。注意到，在該例中，從上到下依次布置化學(xué)鍍膜感光象素層、第一透光層、第一半導(dǎo)體感光象素層、第二透光層、第二半導(dǎo)體感光象素層。第一半導(dǎo)體感光象素層和第二半導(dǎo)體感光象素層分別實(shí)現(xiàn)在不同的兩個(gè)半導(dǎo)體基層上，化學(xué)鍍膜感光象素層與第一半導(dǎo)體感光象素層之間的距離通過調(diào)整第一透光層的厚度實(shí)現(xiàn)，第一半導(dǎo)體感光象素層與第二半導(dǎo)體感光象素層之間的距離通過調(diào)整第二透光層的厚度實(shí)現(xiàn)。讀取和采樣電路可以在位于中間的第一半導(dǎo)體感光象素層實(shí)現(xiàn)，也可以分布在兩個(gè)半導(dǎo)體感光象素層。對(duì)于具有兩層半導(dǎo)體感光象素層的實(shí)施例，例如圖8和圖15等，如果將其中一個(gè)感光象素層中的感光象素去掉，做成專門用于讀取電路和信號(hào)處理的層，則可以得到如圖 20-23所示的本發(fā)明提出的帶有(具有跨層讀取功能的)全局電子快門的感光器件。圖 20-23僅是展示了該帶有(具有跨層讀取功能的)全局電子快門的感光器件的感光象素層和不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素層，顯然，結(jié)合前述，當(dāng)保留定焦在不同景深的多個(gè)感光象素層時(shí)，則可以得到帶有(具有跨層讀取功能的)全局電子快門的多景深感光器件。圖20是本發(fā)明提出的兩行共用一行轉(zhuǎn)移象素(讀取電容)的示意圖。這實(shí)際上是《一種感光器件及其讀取方法、讀取電路》(中國申請(qǐng)?zhí)?00910106477. 7)中隔行掃描方式的一種新的實(shí)現(xiàn)。在這里，轉(zhuǎn)移象素和感光象素不在同一層，因而可以獲得更好的感光面積的使用效率，但同時(shí)增加了一倍的快門速度。重要的是，這種方式可以用于以化學(xué)感光材料(如量子感光膜)為感光象素層的感光器件。圖21是利用半導(dǎo)體的不良透光性能，將半導(dǎo)體基層厚度增加到一定厚度，使得下層的象素感不到光。然后，利用金屬穿孔或是表面走線，外部連接的方式，將上層的感光象素信號(hào)，通過二極管或讀取放大開關(guān)電路引到不感光象素層的讀取象素上，在那里進(jìn)行采樣讀取，從而將一個(gè)兩層的感光器件退化成一個(gè)(具有跨層讀取功能的)全局電子快門的單層感光器件。這個(gè)器件在結(jié)構(gòu)上是雙層的，但在效果上卻是單層的。當(dāng)這種方式用于圖 17(a)所示的多層感光器件時(shí)，就能得到(具有跨層讀取功能的)全局電子快門的多景深感光器件。圖22是本發(fā)明提出的以傳統(tǒng)的(CMOS和CCD)半導(dǎo)體電路為基礎(chǔ)的帶有(具有跨層讀取功能的)全局電子快門的多光譜兩層感光器件的示意圖。同樣地，感光象素信號(hào)到不感光讀取象素上的轉(zhuǎn)移，由二極管或放大開關(guān)電路來控制的。圖23是本發(fā)明提出的另一種以化學(xué)感光材料(如量子感光膜)為基礎(chǔ)的帶有(具有跨層讀取功能的)全局電子快門的多光譜兩層感光器件的示意圖，其中感光象素層采用化學(xué)感光材料(如量子感光膜)，而讀取電路和信號(hào)處理層則是CMOS半導(dǎo)體層。注意到在該圖示例中，每一個(gè)感光象素都對(duì)應(yīng)有一個(gè)不感光的電荷轉(zhuǎn)移象素，用于實(shí)現(xiàn)全局電子快門。這也是多層感光器件的為簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)全局電子快門而特意進(jìn)行的一種退化。圖24是本人在《一種感光器件及其讀取方法、讀取電路》(中國申請(qǐng)?zhí)?200910106477. 7)提出的一種同時(shí)采用主動(dòng)象素和被動(dòng)象素來讀取感光象素信號(hào)的讀取電路。采用這種方法的好處是，能夠極大地?cái)U(kuò)大感光器件的動(dòng)態(tài)范圍，并且成倍地節(jié)省圖像預(yù)覽時(shí)的功耗。這種混合讀取電路在高靈敏度的多層多光譜感光器件和帶有全局電子快門的多光譜感光器件里尤其有用。圖25是《一種多光譜感光器件及其采樣方法》(中國申請(qǐng)?zhí)?200910105948. 2)中用來描述該發(fā)明中提出的象素合并和子采樣方法的采樣控制電路示意圖。本發(fā)明也將用到這種新型的象素合并和子采樣方法。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明將提出的多景深感光器件，其主要用途是景深擴(kuò)展，即手機(jī)行業(yè)里目前所稱的EDoF (即Extended Depth of Focus)。景深擴(kuò)展尤其在照相手機(jī)中有著非常廣泛的應(yīng)用，然而，目前的景深擴(kuò)展主要使用光學(xué)和數(shù)學(xué)手段，通常是利用光學(xué)變焦或自動(dòng)對(duì)焦的方式實(shí)現(xiàn)景深調(diào)整，這要求電動(dòng)機(jī)構(gòu)和復(fù)雜、精密的機(jī)械部件的配合，因而將顯著增加空間和成本。本發(fā)明實(shí)施例所提出的多景深感光器件，結(jié)合多層感光器件的實(shí)現(xiàn)，包括至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，至少兩個(gè)所述感光象素層之間按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自距感光器件特定距離的鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的感光象素層，從而不同感光象素層構(gòu)成了具有不同象距的感光平面，可以定焦不同的景深，由此擴(kuò)展了感光器件的景深范圍，相當(dāng)于從多點(diǎn)光學(xué)對(duì)焦這一物理手段上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)焦，相應(yīng)可以去除電動(dòng)機(jī)構(gòu)和復(fù)雜、精密的機(jī)械部件的配合，顯著地節(jié)省了空間和成本。所述感光象素層，包括化學(xué)鍍膜感光象素層和半導(dǎo)體感光象素層中的至少一者。 即上述至少兩個(gè)感光象素層，可以全部是化學(xué)鍍膜感光象素層，或者全部是半導(dǎo)體感光象素層，或者部分是化學(xué)鍍膜感光象素層，部分是半導(dǎo)體感光象素層。其中，化學(xué)鍍膜感光象素層包括量子點(diǎn)感光象素。半導(dǎo)體感光象素層包括CMOS光敏二極管、CMOS感光門、CCD光敏二極管、CCD感光門、和具有雙向電荷轉(zhuǎn)移功能的CMOS和CCD感光二極管和感光門。上述的感光象素層，分別用來感應(yīng)不同的光信號(hào)。本發(fā)明中，關(guān)注的光信號(hào)特性主要包括光信號(hào)的頻譜特性，即光的波長(zhǎng)，以及光信號(hào)的距離特性，即光信號(hào)到鏡頭的距離。 因此，光信號(hào)的不同，是指兩個(gè)光信號(hào)之間，上述兩個(gè)特性中至少有一者不同，即兩個(gè)光信號(hào)之間，可能是波長(zhǎng)不同，或者距離不同，或者波長(zhǎng)和距離都不同。當(dāng)然，由于自然界常見復(fù)色光，例如白光，因此如果需要得到不同波長(zhǎng)的光，一般需要配合鏡頭設(shè)計(jì)，利用例如棱鏡的分光效應(yīng)，鏡頭材料或曲面設(shè)計(jì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光的不同折射率從而使不同波長(zhǎng)的光分離并聚焦在不同的感光象素層上。在聚焦不同波長(zhǎng)的光信號(hào)的時(shí)候，一般地，波長(zhǎng)更短的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭更近的感光象素層。例如，感光象素層為兩層，則聚焦在離鏡頭較近的感光象素層的光信號(hào)是紫色、蘭色光、青色、或綠色光，聚焦在離鏡頭較遠(yuǎn)的感光象素層的光信號(hào)是綠色光、紅色光、黃色光、可見光(白色光)、或紅外光。又如，感光象素層為三層，則聚焦在離鏡頭最近的感光象素層的光信號(hào)是紫外光、蘭色光、或青色光；聚焦在位于中間的感光象素層的光信號(hào)是綠色光、蘭色光、黃色光、紅色光、或可見光(白色光)；聚焦在離光源最遠(yuǎn)的感光象素層的光信號(hào)是紅色光、黃色光、可見光、或紅外光。在聚焦不同距離的光信號(hào)的時(shí)候，一般地，更遠(yuǎn)距離的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭更近的感光象素層。例如，感光象素層為兩層，聚焦在離光源較近的感光象素層的是無窮遠(yuǎn)處的光信號(hào)，聚焦在離光源較遠(yuǎn)的感光象素層的是感興趣最短距離的光信號(hào)。結(jié)合聚焦不同波長(zhǎng)的光，還可以進(jìn)一步設(shè)置為無窮遠(yuǎn)處的紫外光、蘭色光、青色光、或綠色光被聚焦到離光源較近的感光象素層；感興趣最短距離的綠色光、紅色光、黃色光、可見光(白色光)、或紅外光被聚焦到離光源較遠(yuǎn)的感光象素層。又如，感光象素層為三層，聚焦在離光源最近的感光象素層的是無窮遠(yuǎn)處的光信號(hào)，聚焦在離光源最遠(yuǎn)的感光象素層的是感興趣最短距離的光信號(hào)，聚焦在位于中間的感光象素層的是無窮遠(yuǎn)處與感興趣最短距離的一個(gè)中間距離的光信號(hào)。結(jié)合聚焦不同波長(zhǎng)的光，還可以進(jìn)一步設(shè)置為無窮遠(yuǎn)處的紫外光、蘭色光、青色光、或綠色光被聚焦到離光源最近的感光象素層；無窮遠(yuǎn)處與感興趣最短距離的一個(gè)中間距離的綠色光、蘭色光、黃色光、 紅色光、或可見光(白色光)被聚焦到位于中間的感光象素層；感興趣最短距離的紅色光、 黃色光、可見光、或紅外光被聚焦到離光源最遠(yuǎn)的感光象素層。實(shí)施方式中，感興趣最短離包括 2mm, 5mm, 7mm, lcm, 2cm, 3cm, 5cm, 7cm, 10cm, 20cm, 30cm, 40cm, 50cm, 60cm, 70cm, 80cm, 100cm, 150cm。所謂感興趣最短距離，是指用戶關(guān)
注的景物到鏡頭的最近距離。例如，感興趣最短距離是2mm，是指用戶關(guān)注的景物到鏡頭的最近距離是2mm，當(dāng)景物到鏡頭的距離小于2mm，則不再關(guān)注。圖13顯示了距離與聚焦平面的關(guān)系。在該圖中，位于不同距離的物體，將清晰地聚焦在多層感光器件的不同感光象素層。因此，位于這三個(gè)距離之間的任一物體，都將清楚或者比較清楚地聚焦在一個(gè)，或者兩個(gè)感光象素層，從而從同一個(gè)感光器件，能夠同時(shí)得到它們的清晰圖像。圖14顯示了波長(zhǎng)與聚焦平面的關(guān)系，對(duì)一般光學(xué)系統(tǒng)而言，波長(zhǎng)更短的光，焦距更短。因此，通過對(duì)鏡頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以讓波長(zhǎng)更短的光，聚焦在離鏡頭更近的感光象素層； 波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光，聚焦在離鏡頭更遠(yuǎn)的感光象素層；波長(zhǎng)中等的光，聚焦在中間的感光象素層。這樣，處于不同距離的物體，總有一個(gè)顏色，在一個(gè)感光層中是清楚的。于是，這種成像系統(tǒng)同時(shí)結(jié)合了多光譜和多象距的特點(diǎn)，每個(gè)感光層有自己的景深范圍，并且對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，景深距離和范圍不同，可以將各個(gè)感光層的景深范圍進(jìn)行整合，能夠極大地?cái)U(kuò)展景深，對(duì)于微距照相，有著無比的優(yōu)勢(shì)。由于可以從不同感光象素層得到具有不同清晰度的多個(gè)圖像，因而這些圖像之間可以相互參照，通過圖像的整合、選用和舍棄，以及插值、增強(qiáng)、或反卷積等數(shù)學(xué)處理，而獲得清晰的圖像。實(shí)施方式還包括在上述多景深感光器件中，實(shí)現(xiàn)一種具有跨層讀取功能的全局電子快門，包括多個(gè)不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素，所述不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素的每一個(gè)能夠用來轉(zhuǎn)移和讀取處在其它層的至少一個(gè)感光象素的電荷或電壓值。從而多個(gè)不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素可同時(shí)轉(zhuǎn)移并讀取一層或多層感光象素層的電荷或電壓值。多個(gè)不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素可以與感光象素位于同一象素層，顯然，這意味著該象素層的感光靈敏度的下降。多個(gè)不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素也可以與感光象素位于不同的象素層，即形成獨(dú)立的感光象素層和獨(dú)立的不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素層，顯然，這意味該具有跨層讀取功能的全局電子快門只能在兩層或多層感光器件中實(shí)現(xiàn)?？梢詾槊恳粋€(gè)感光象素層設(shè)置一個(gè)緊鄰的對(duì)應(yīng)的不感光象素轉(zhuǎn)移和讀取層，所述不感光象素轉(zhuǎn)移和讀取層可同時(shí)轉(zhuǎn)移對(duì)應(yīng)的感光象素層的所有象素的電荷或電壓值；或者可同時(shí)轉(zhuǎn)移對(duì)應(yīng)的感光象素層的奇數(shù)行或偶數(shù)行象素的電荷或電壓值。圖20顯示了兩行共用一行讀取電容的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)逐行掃描的功能。不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素層，可以半導(dǎo)體電路做成。圖21顯示了一種兩層感光器件的退化實(shí)現(xiàn)，以獲得單層的帶有全局電子快門的單層感光器件。這種方法利用了半導(dǎo)體材料的不良透光性，將兩半導(dǎo)體基層加厚，使得底層感不到光，而只能用于做象素讀取。將這個(gè)方法用于圖17(a)所示的三層感光器件時(shí)，就能得到帶全局電子快門的兩層多景深感光器件。圖22和圖23顯示了一種具有跨層讀取功能的全局電子快門的象素級(jí)別的實(shí)現(xiàn)。文中出現(xiàn)的遠(yuǎn)近，上下等位置關(guān)系，均是指以光源為基準(zhǔn)的相對(duì)位置。例如，上層感光象素層和下層感光象素層的描述，是指感光象素層水平放置，光源從上方垂直照射向感光象素層而言。顯而易見，本文中的上下關(guān)系實(shí)際上具有更加廣泛的含義，即，例如感光面垂直放置，光源從左側(cè)或右側(cè)，或者從前側(cè)或后側(cè)垂直照射向感光面，則所謂的上下關(guān)系，則等同于前后關(guān)系或者左右關(guān)系。不失一般性，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，其中的上方、 下方等描述，可以用左側(cè)、右側(cè)、前側(cè)、后側(cè)等描述進(jìn)行等同的替代。不同種類的感光象素層，如化學(xué)鍍膜感光象素層或半導(dǎo)體感光象素層，其上下關(guān)系并無限制，何者處于上方，何者處于下方是可以根據(jù)需要任意設(shè)置的。下文所述的基層頂面和底面，同樣表達(dá)類似含義， 即以水平放置，光源從上方垂直照射向基層而言，此時(shí)，位于上方的基層表面稱為頂面，位于下方的基層表面稱為底面。可以理解，當(dāng)基層垂直放置，光源從左側(cè)或右側(cè)，或者從前側(cè)或后側(cè)垂直照射向基層時(shí)，可等同替代為前側(cè)面和后側(cè)面，左側(cè)面和右側(cè)面的表述。此外，也需特別注意術(shù)語“可感應(yīng)到光源”和“感光”之間的差異，感光象素層的“感光”，指的是該象素具有感光能力，“可感應(yīng)到光源”，指的是感光象素是否能夠感應(yīng)到光源的結(jié)果，即感光象素的感光能力是否得到發(fā)揮，例如，由于半導(dǎo)體的透光性限制，當(dāng)在一個(gè)半導(dǎo)體基層的頂面和底面各布置一個(gè)半導(dǎo)體感光象素層時(shí)，如果該半導(dǎo)體基層厚度超出半導(dǎo)體的透光性限制，則光源向該半導(dǎo)體基層照射時(shí)，只有頂面的半導(dǎo)體感光象素層能夠感應(yīng)到光源，而底面的半導(dǎo)體感光象素層受半導(dǎo)體基層厚度限制而無法感應(yīng)到光源，則稱頂面的半導(dǎo)體感光象素層為可感應(yīng)到光源的感光象素層，即感光象素的感光能力得以發(fā)揮； 稱底面的半導(dǎo)體感光象素層為不可感應(yīng)到光源的感光象素層，即感光象素的感光能力未能發(fā)揮。注意到在后文中，利用不可感應(yīng)到光源的感光象素層，可以形成不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素層。當(dāng)化學(xué)鍍膜感光象素或半導(dǎo)體感光象素為雙向感光象素時(shí)，則涉及到感光選向問題，即盡管能夠雙向感光，但不能接受同一時(shí)刻兩個(gè)方向的光照，需要在一個(gè)時(shí)刻選擇一個(gè)方向的光源照射，感光選向方式可以為隔離選向、分時(shí)選向、分區(qū)選向、或象素選向等等，也就是說，可以通過例如遮光膜遮擋等方式來實(shí)現(xiàn)分時(shí)刻、分區(qū)域、分象素的感光選向。雙向照射的情況，例如圖8所示。
感光象素層，大致相當(dāng)于垂直于光源照射方向的感光平面，在這樣的感光平面中， 布置有多個(gè)感光象素(通常形成為多行多列的象素陣列)，對(duì)于多個(gè)感光象素層中的每一感光象素層，其可能是平面混合型，也就是既布置有化學(xué)鍍膜感光象素，也布置有半導(dǎo)體感光象素。另外的情形是，同一感光象素層中僅布置一種感光象素，如此，將形成化學(xué)鍍膜感光象素層，或者半導(dǎo)體感光象素層。在實(shí)施方式中，感光器件的同一位置(即由一層感光象素層的該象素位置上穿透而來的光照射到另一感光象素層上的位置)但不同層的感光象素，分別感應(yīng)包含紫外線、 可見光、近紅外、和遠(yuǎn)紅外中的一個(gè)互補(bǔ)譜段或子譜段；或者分別感應(yīng)包含紫外線、可見光、 近紅外、和遠(yuǎn)紅外中的一個(gè)正交譜段或子譜段。其中，互補(bǔ)譜段或子譜段包含紫外光譜，蘭色光譜，綠色光譜，紅色光譜，近紅外光譜，遠(yuǎn)紅外光譜，青色光譜，黃色光譜，白色光譜，近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，紅色光譜+近紅外光譜，紅光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，黃色光譜+近紅外光譜，黃色光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，可見光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，紫外光譜+可見光譜，紫外光譜+可見光譜+近紅外光譜，紫外光譜+可見光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜；正交譜段或子譜段包含紫外光譜，蘭色光譜，綠色光譜，紅色光譜，近紅外光譜，遠(yuǎn)紅外光譜，青色光譜，黃色光譜，白色光譜，近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，紅色光譜+近紅外光譜，紅光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，黃色光譜+近紅外光譜，黃色光譜+近紅外光譜+ 遠(yuǎn)紅外光譜，可見光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜，紫外光譜+可見光譜，紫外光譜+可見光譜+近紅外光譜，紫外光譜+可見光譜+近紅外光譜+遠(yuǎn)紅外光譜。實(shí)施方式包括讓感光器件中至少一層感應(yīng)兩個(gè)不同的光譜(即射頻)譜段。對(duì)于每一感光象素層而言，其象素陣列的色彩排列包括同一排列(象素陣列中的象素色彩相同)、水平排列(象素陣列中的同一行象素色彩相同)、垂直排列(象素陣列中的同一列象素色彩相同)、對(duì)角排列(象素陣列中的同一對(duì)角線的象素色彩相同)、廣義貝葉排列(象素陣列中的一條對(duì)角線上的象素色彩相同，另外一條對(duì)角線上的象素色彩不同)、YUV422 排列、橫向YUV422排列、蜂窩排列、均布排列(四個(gè)象素均勻交錯(cuò)等距排列)等。需要注意的是，本文中的術(shù)語“布置”，包含了各種在例如半導(dǎo)體基層或透光層上形成化學(xué)鍍膜感光象素層或半導(dǎo)體感光象素層的制作工藝。例如，半導(dǎo)體基層為一個(gè)N型硅晶體基板，在該基板一面上的一個(gè)象素位置，根據(jù)色彩的深度需求，由該象素位置表面向基板內(nèi)部做一定深度的P雜質(zhì)置入，形成一個(gè)P摻雜層，該P(yáng)摻雜層即形成為一個(gè)半導(dǎo)體象素，如果在該P(yáng)摻雜層做另一定深度的N雜質(zhì)置入，形成在P摻雜層中的N摻雜層，該N摻雜層即形成為另一半導(dǎo)體感光象素(與前一 P摻雜層的半導(dǎo)體感光象素在不同感光象素層， 但象素位置相對(duì)應(yīng))，可以按照《多光譜感光器件及其制作方法》(PCT/CN2007/071262)提供的方法，在390nm附近，500nm附近，610nm附近，和760nm附近設(shè)置分層線，使得任一分層線上下的對(duì)應(yīng)點(diǎn)象素感應(yīng)互補(bǔ)或正交的光譜。圖1給出了一個(gè)分層線的設(shè)置的例子，即通過不同深度的雜質(zhì)摻入，形成不同的色彩。在基板的該面進(jìn)行化學(xué)鍍膜溶液的涂抹加工，可以形成化學(xué)鍍膜感光象素層，由于制作或者加工工藝的多樣性，在本文中均以“布置”進(jìn)行表述。上述的兩層半導(dǎo)體感光象素在不同深度上的布置，實(shí)現(xiàn)了在基板一個(gè)表面上的同一象素位置可以感應(yīng)到至少兩個(gè)譜段，從而提供了在該表面上的象素圖案排列上的更好的靈活性以及更多的象素布置，能夠大幅提高感光器件的靈敏度，解析度，和動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于上述在半導(dǎo)體基板某一面的不同深度的摻雜加工，其同一位置最多布置兩層感光象素，這是由于在同一位置布置3層，加工上難度極大，同時(shí)在布線上，由于各層間的引線需要相互隔離，3層引線顯然造成了布線上的困難。而在本發(fā)明中，采用同一面上最多布置兩層上述的半導(dǎo)體感光象素層，并可結(jié)合平面上的象素圖案排列完成彩色重建，因而可以實(shí)現(xiàn)更好的彩色感光性能。由于同一面上最多以深度摻雜方式布置兩個(gè)半導(dǎo)體感光象素層，因而明顯降低了立體加工工藝的難度，且在布線上，也相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)于基板，可以采用單面或者雙面加工工藝，從而形成單面感光器件或者雙面感光器件。雙面感光器件，對(duì)于上述的深度摻雜加工，如果采用兩個(gè)半導(dǎo)體感光象素層一者布置在基板的頂面，另一者布置在基板底面的雙面布置方式，則對(duì)于每一面而言，其都簡(jiǎn)化為平面加工工藝，可以在一面上完成一個(gè)感光象素層的平面加工后，將基板進(jìn)行翻轉(zhuǎn)而在另一面同樣以平面加工工藝完成另一感光象素層的加工，使得加工工藝近似于現(xiàn)有的單面單層感光器件的加工工藝，相對(duì)于上述的同一面的兩層摻雜的立體加工而言，更為簡(jiǎn)單。另一方面，沿光照方向，在基板的某一位置，可以布置多層感光象素。半導(dǎo)體感光象素層通常制作在半導(dǎo)體基層上，為了實(shí)現(xiàn)景深擴(kuò)展，在實(shí)際制作中， 通常采用增設(shè)透光層(例如透明玻璃層)來調(diào)整不同感光象素層之間的距離，例如，在一半導(dǎo)體基層上制作一層或多層半導(dǎo)體感光象素層，而后在該半導(dǎo)體基層上放置一透光層，而后，在該透光層上涂抹加工出一層化學(xué)鍍膜感光象素層。通過透光層的不同厚度設(shè)置，相當(dāng)于預(yù)設(shè)化學(xué)鍍膜感光象素層和半導(dǎo)體感光象素層之間的間隔距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)景深擴(kuò)展。在很多的應(yīng)用里，在化學(xué)鍍膜感光象素層或半導(dǎo)體感光象素層的正面，背面，或雙面并不涂任何濾光膜。但在另外一些應(yīng)用里，如對(duì)于色彩還原要求特別高的專業(yè)相機(jī)或攝像機(jī)，實(shí)施方式包括使用濾光膜的方式。濾光膜設(shè)置在化學(xué)鍍膜感光象素層或半導(dǎo)體感光象素層中的全部或部分感光象素的正面，背面，或雙面。濾光膜的選頻特性包括紅外截止濾波、蘭色帶通、綠色帶通、紅色帶通、青色帶通、黃色帶通、品紅色帶通、或可見光帶通。濾光膜的使用是通過犧牲少數(shù)象素的靈敏度，來去除不想要的光譜的影響，減少上下左右象素之間的干涉(crosstalk)，或者獲得正交性更好的三原色或是更純正的補(bǔ)色信號(hào)。實(shí)施方式包括讓所述多景深感光器件的多層感光象素層的相鄰兩層各自使用自己的讀取電路。實(shí)施方式包括讓所述多景深感光器件的多層感光象素層的相鄰兩層共用置于其中一層的讀取電路。實(shí)施方式包括讓所述多景深感光器件的讀取電路位于半導(dǎo)體感光象素層，或獨(dú)立的讀取電路層。所述多景深感光器件的讀取電路的實(shí)施方式包括采用《(一種多光譜感光器件及其采樣方法》(中國申請(qǐng)?zhí)?200910105948. 2)和《一種感光器件及其讀取方法、讀取電路》 (中國申請(qǐng)?zhí)?200910106477. 7)中的象素讀取和子采樣方法。實(shí)施方式包括在所述多景深感光器件的信號(hào)讀取電路里采用主動(dòng)象素讀取電路、 被動(dòng)象素讀取電路、或主動(dòng)象素與被動(dòng)象素混合讀取電路。所述主動(dòng)象素包括3T、4T、5T、或6T主動(dòng)象素。3Τ和4Τ的主動(dòng)象素結(jié)構(gòu)分別如圖 2和圖3所示。
所述讀取電路的共享方式包括無共享方式、單層或上下層4點(diǎn)共享方式、單層或上下層6點(diǎn)共享方式、單層或上下層8點(diǎn)共享方式、或單層或上下層任意點(diǎn)共享方式。4點(diǎn)共享方式，6點(diǎn)共享方式，8點(diǎn)共享方式，和任意點(diǎn)共享方式，分別如圖4，圖5，圖6，和圖7所示。實(shí)施方式中，多景深感光器件的所述讀取電路包括用于對(duì)每一感光象素層的象素陣列中的緊鄰的同行異列、異行同列、或異行異列的象素間進(jìn)行兩兩合并采樣，獲得第一合并象素的采樣數(shù)據(jù)的第一合并單元；以及用于對(duì)第一合并單元得到的第一合并象素的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行合并采樣以獲得第二合并象素的采樣數(shù)據(jù)的第二合并單元。實(shí)施方式還包括讀取電路還包括第三合并單元，用于對(duì)第二合并單元得到的第二合并象素的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行合并采樣以獲得第三合并象素的采樣數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述的感光器件，所述第一合并單元或第二合并單元的象素合并方式為相同或不同色彩象素間的電荷相加方式或信號(hào)平均方式，其中不同色彩象素間的象素合并方式遵照色彩空間變換的方式，以滿足色彩重建的要求。上述的第一合并象素和第二合并象素來自于將子采樣至少分為兩個(gè)過程的處理， 即第一合并采樣過程和第二合并采樣過程。第一合并采樣過程和第二合并采樣過程，通常發(fā)生在象素的行(合并)采樣和列(合并)采樣之間，主要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行，除電荷相加部分通常只在第一合并采樣過程中做以外，其次序和內(nèi)容通常是可以交換的。此外，也可以包括第三合并采樣過程，第三合并采樣過程發(fā)生在模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，主要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行。對(duì)于第一合并采樣過程，是取象素陣列中兩個(gè)緊鄰的象素來進(jìn)行合并。一方面，完成了緊鄰象素的合并，將合并后的象素稱為第一合并象素，需要理解的是，第一合并象素只是為本發(fā)明描述之便，利用該概念來指代進(jìn)行第一合并過程后的象素，而不代表物理上，在象素陣列中存在一個(gè)“第一合并象素”；將兩個(gè)緊鄰象素合并采樣后的數(shù)據(jù)稱為第一合并象素的采樣數(shù)據(jù)。緊鄰，系指兩個(gè)象素之間從水平，垂直，或?qū)欠较蛏蟻砜淳o挨著，中間沒有其它象素。緊鄰的情況包含同行異列，異行同列，或異行異列。一般而言，在這種合并中，信號(hào)將至少是兩個(gè)象素的信號(hào)平均，而噪聲則會(huì)降低#，因此，合并后，至少可以將信噪比提高·^倍，且這種合并可以在相同或不同色彩的象素之間進(jìn)行。另一方面，由于兩個(gè)合并的色彩可以不同，即色彩相加或平均，從色彩的三原色原理可知，兩種原色的相加是另一種原色的補(bǔ)色，就是說，兩個(gè)不同原色的象素合并，產(chǎn)生另一種原色的補(bǔ)色，從原色空間，變換到了補(bǔ)色空間，僅僅是發(fā)生了色彩空間變換，仍然可以通過不同的補(bǔ)色而完成彩色重建。也即通過這種方式，既能實(shí)現(xiàn)不同色彩的象素合并以提高信噪比，同時(shí)又能夠進(jìn)行彩色重建。整個(gè)子采樣過程也因此得到優(yōu)化，更加適應(yīng)大數(shù)據(jù)量的象素陣列的高速需求。色彩空間變換的一個(gè)基本要求是，變換后的色彩的組合，能夠(通過插值等手段)重建所需要的RGB(或 YUV，或 CYMK)色彩。需要了解，由于通常象素陣列包含多個(gè)象素，第一合并采樣只是將兩個(gè)象素進(jìn)行合并，顯然，合并形成的第一合并象素也具有多個(gè)。對(duì)于不同的第一合并象素，其采用的色彩合并方式可以相同，也可以不同。當(dāng)?shù)谝缓喜⑷吭谙嗤纳书g進(jìn)行時(shí)，我們將之稱為同色合并方式；當(dāng)?shù)谝缓喜⑷吭诓煌纳书g進(jìn)行時(shí)，我們將之稱為異色合并方式；當(dāng)?shù)谝缓喜⒉糠衷谙嗤书g進(jìn)行、部分在不同色彩間進(jìn)行，我們將之稱為混雜合并方式；當(dāng)對(duì)象素陣列中的一些多余的色彩進(jìn)行拋棄(當(dāng)然，拋棄是選擇性的，例如，不能因此而影響到彩色重建)，這樣的色彩合并方式稱為選擇性拋棄多余彩色方式。顯然的，第二合并過程是對(duì)多個(gè)第一合并象素的操作，同樣的，可以將色彩相同的第一合并象素進(jìn)行合并；也可以將色彩不同的第一合并象素進(jìn)行合并(當(dāng)然，這種情況下可能導(dǎo)致三原色的全部相加而無法重建出彩色)。上述的同色合并、異色合并、混雜合并等方式，是將合并采樣做基于色彩的分類， 另外，從合并采樣的位置選取的角度，第一合并過程和第二合并過程的合并采樣方式包括 直接輸出到總線的信號(hào)自動(dòng)平均方式、跳行或跳列方式，逐個(gè)采樣方式，以及這些方式的兩種或三種的同時(shí)使用。除電荷相加部分通常只能在第一合并采樣過程中做以外，第一合并過程和第二合并過程，除了次序的不同外，其方式都是相同和可以交換的。所謂直接輸出到總線的信號(hào)自動(dòng)平均方式，就是，將需要合并的信號(hào)(色彩相同或是不同)，同時(shí)輸出到數(shù)據(jù)采集總線上去，通過(電壓)信號(hào)的自動(dòng)平衡，來獲得需要合并信號(hào)的平均值。所謂跳行或跳列方式就是跳過一些行或列，從而通過減少數(shù)據(jù)量的方式來實(shí)現(xiàn)(合并)采樣。所謂逐個(gè)采樣方式，實(shí)際上就是不做任何合并，依此讀取原來的象素或第一合并象素。這三個(gè)方式有一些是可以同時(shí)使用的，例如，跳行或跳列方式可與直接輸出到總線的信號(hào)自動(dòng)平均方式或逐個(gè)采樣方式同時(shí)使用。第三合并采樣過程的子采樣方式包括色彩空間變換方式、后端數(shù)字圖像縮放方式、以及這兩個(gè)方式的串行使用。第一和第二合并過程主要是在模擬信號(hào)上進(jìn)行，而第三子采樣過程主要是在數(shù)字信號(hào)上進(jìn)行，即模數(shù)轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行。通過將處于不同空間位置的三個(gè)或四個(gè)色彩象素，當(dāng)作同一個(gè)點(diǎn)上的值而轉(zhuǎn)換到另一個(gè)色彩空間，就又可實(shí)現(xiàn)水平和 (或)垂直方向上的數(shù)據(jù)減少，從而達(dá)到子采樣的效果。而數(shù)字圖像縮放方式，是最為直觀常用的子采樣方式。在合并采樣時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電荷相加。目前的合并采樣幾乎都是只做到了電壓或電流信號(hào)的平均，這種方式在合并N點(diǎn)時(shí)，最多只能將信噪比提高〒倍。這是因?yàn)楝F(xiàn)有的合并采樣都是N個(gè)相同色彩的象素共用一根輸出線的方式進(jìn)行合并采樣，在這根輸出線上，各個(gè)象素的電壓或電流信號(hào)必然要進(jìn)行(自動(dòng)的)平均，因此，其信噪比的提高只是在于噪聲合并后降低了ViV，從而使信噪比提高最多▽倍。而采用本發(fā)明的電荷相加方式，例如通過讀取電容存儲(chǔ)電荷，實(shí)現(xiàn)電荷的累加，從而信號(hào)可以進(jìn)行疊加而使得信噪比可以提高至少N倍，比信號(hào)平均的方法高至少#倍。也就是說，將N個(gè)信號(hào)以電荷相加的方法合并，理論上最高可以達(dá)到N2個(gè)信號(hào)相平均的效果或更好(如下面所述)，這是效果非常顯著的提高信噪比的手段。緊鄰象素相加，還帶來另外一個(gè)顯著的效果，就是，象素之間的相互干擾 (cross-talking)效果被減弱。這是由于本來相互干擾的色彩，現(xiàn)在是合法的一體，也就是說，原來屬于噪聲的一部分信號(hào)，現(xiàn)在成了有效的信號(hào)部分，因此，N個(gè)信號(hào)電荷相加帶來信噪比的改進(jìn)，可以接近理論上的上限，即倍，從而，相當(dāng)于N3個(gè)信號(hào)相平均的效果。在全圖采樣(即對(duì)一個(gè)圖像的按最高分辨率進(jìn)行采樣)時(shí)，可以采用逐行掃描、隔行或跨行讀取的方式，不需要提高時(shí)鐘速度和采用幀緩存器，將大陣列圖像的全圖讀取幀率在拍單張照時(shí)翻倍。如果增加AD轉(zhuǎn)換器和行緩存，那么，全圖讀取幀率還可以提高更多。 這個(gè)方法對(duì)于省去機(jī)械快門有非常重要的價(jià)值。
請(qǐng)注意本發(fā)明的逐行掃描、隔行或跨行讀取的方式，與傳統(tǒng)電視系統(tǒng)里的場(chǎng)掃描方式(interleaved scanning)是不同的。傳統(tǒng)的場(chǎng)掃描方式，是隔行掃描，隔行讀取，因此， 奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)(無論是感光還是讀取)在時(shí)間上差了一場(chǎng)，即半幀。而本發(fā)明的逐行掃描、隔行或跨行讀取的方式，象素在感光時(shí)間順序上卻是與逐行掃描、逐行讀取方式是完全一樣的，只是行的讀取次序做了變化。細(xì)節(jié)描述請(qǐng)見《一種多光譜感光器件及其采樣方法》 (中國申請(qǐng)?zhí)?00910105948. 2)和《一種感光器件及其讀取方法、讀取電路》(中國申請(qǐng)?zhí)?200910106477. 7)。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述的感光器件，所述色彩空間變換包括RGB到 CyYeMgX空間的變換、RGB到Y(jié)UV空間的變換、或CyYeMgX到Y(jié)UV空間的變換，其中X為 R(紅)、G(綠)、B(蘭)中的任一種。圖10顯示了一種利用色彩空間變換來實(shí)現(xiàn)子采樣的
一種方式。實(shí)施方式中包括，上述電荷相加方式通過象素直接并聯(lián)或?qū)㈦姾赏瑫r(shí)轉(zhuǎn)移到讀取電容(FD)中完成。如上所述，多景深感光器件中，第一合并單元或第二合并單元的基于色彩的合并采樣方式包括同色合并方式、異色合并方式、混雜合并方式、或選擇性拋棄多余色彩合并方式，且第一合并單元和第二合并單元采用的合并采樣方式不同時(shí)為同色合并方式，也即兩個(gè)合并單元中至少有一個(gè)合并單元不采用同色合并方式。如上所述，第一合并單元或第二合并單元的基于位置的合并采樣方式包括以下幾種方式中的至少一種直接輸出到總線的信號(hào)自動(dòng)平均方式、跳行或跳列方式、和逐個(gè)采樣方式。亦即這幾種基于位置的合并采樣方式可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。如上所述，在上述感光器件中，可以用色彩空間變換方式和后端數(shù)字圖像縮放方式中的至少一種來實(shí)現(xiàn)所述第三合并采樣單元的合并采樣方式。圖9顯示了一種異色象素電荷合并的方式。實(shí)現(xiàn)上述子采樣功能的是如圖25所示的行地址解碼控制器和列地址解碼控制器。行地址解碼控制器將輸出兩類信號(hào)，行選信號(hào)Row[i](每行一條線)和行控制矢量信號(hào)RS [i](每行一條或多條線)，其中i為行的標(biāo)號(hào)。類似地，列地址解碼控制器將輸出兩類信號(hào)，列選信號(hào)Col [j](每列一條線)和列控制矢量信號(hào)T[j](每列一條或多條線)，其中 j為列的標(biāo)號(hào)。行選信號(hào)Row[i]是用來做行的選擇，而列選信號(hào)Col [j]是用來做列的選擇。這是兩組相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)。行控制矢量信號(hào)RS[i]是對(duì)現(xiàn)有CMOS行控制信號(hào)的擴(kuò)展(每行一條線擴(kuò)展到每行多條線)，而列控制矢量信號(hào)T [j]，有的CMOS感光器件根本沒有，即使有， 也是一列只有一個(gè)。RS[i]和T[j]用來控制感光象素的復(fù)位，清零，感光時(shí)間控制，電荷轉(zhuǎn)移，象素合并，和象素讀取。由于行列的對(duì)稱性，RS[i]和T[j]有很多種具體的實(shí)現(xiàn)方式。這些信號(hào)的具體實(shí)現(xiàn)方式并不受限。如上所述，多光譜感光器件的全圖采樣方式包括逐行掃描、逐行讀取方式或逐行掃描、隔行或跨行讀取方式。實(shí)施方式還包括制作一種感光系統(tǒng)，包括上述的多景深感光器件。所述感光系統(tǒng)用于獲取正面，背面，或雙向的圖像。
所述感光系統(tǒng)包括數(shù)碼相機(jī)，照相手機(jī)，攝像機(jī)，視頻或照相監(jiān)控系統(tǒng)，圖像識(shí)別系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)圖像系統(tǒng)，軍用、消防、和井下圖像系統(tǒng)，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，立體影像系統(tǒng)，機(jī)器視覺系統(tǒng)，汽車視覺或輔助駕駛系統(tǒng)，電子游戲系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)攝像頭，紅外和夜視系統(tǒng)，多光譜成像系統(tǒng)，和電腦攝像頭。實(shí)施方式還包括實(shí)現(xiàn)一種景深擴(kuò)展方法，包括步驟在感光器件中設(shè)置至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，并將至少兩個(gè)所述感光象素層按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自距所述感光器件特定距離的鏡頭的不同光信號(hào)，被聚焦到不同的感光象素層。景深擴(kuò)展方法中，通過來自不同感光象素層的具有不同清晰度的圖像而獲取一幅清晰圖像。實(shí)施方式中還包括一種成像方法，或者說所述感光器件在成像中的應(yīng)用，是設(shè)置鏡頭和包括至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層的感光器件；將所述感光器件放置在距所述鏡頭特定距離，且至少兩個(gè)所述感光象素層之間按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的所述感光象素層。參見圖11-14，實(shí)施方式中還包括了一種光學(xué)成像系統(tǒng)，包括鏡頭和多景深感光器件，所述多景深感光器件布置在距所述鏡頭特定距離，包括至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層；至少所述感光象素層之間按預(yù)設(shè)距離間隔布置，來自距所述感光器件特定距離的鏡頭的不同光信號(hào)，被聚焦到不同的感光象素層。如圖13，可以是不同距離上的所有感興趣波長(zhǎng)的光，分別聚焦在每一感光象素層； 或者如圖14，可以是相同距離上的不同波長(zhǎng)的光，分別聚焦在每一感光象素層；也可以是不同距離上的不同波長(zhǎng)的光，分別聚焦在每一感光象素層。實(shí)施方式包括各個(gè)感光象素層聚焦的光，其波長(zhǎng)按各個(gè)感光象素層距所述光學(xué)鏡頭從近到遠(yuǎn)逐漸增長(zhǎng)?；蛘咴诟鱾€(gè)感光象素層中，更遠(yuǎn)距離的光信號(hào)，被聚焦在離鏡頭更近的感光象素層。例如，當(dāng)包括兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，兩個(gè)感光象素層分別位于鏡頭的第一象距和第二象距，可以通過光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)，將紫外光、蘭色光、綠色光、青色光、或白色光聚焦在離鏡頭最近的感光象素層；相應(yīng)的，將蘭色光、綠色光、紅色光、黃色光、或紅外光聚焦在離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層。又如，當(dāng)包括三個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，三個(gè)感光象素層分別位于鏡頭的第一象距、第二象距、第三象距，可以通過光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)，將紫外光、蘭色光、綠色光、或青色光聚焦在離鏡頭最近的感光象素層；相應(yīng)的，將紅色光、黃色光、可見光、或紅外光聚焦在離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層；相應(yīng)的，將綠色光、黃色光、可見光、或紅色光聚焦在中間的感光象素層。又如，當(dāng)包括四個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，四個(gè)感光象素層分別位于鏡頭的第一象距、第二象距、第三象距、第四象距，可以通過光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)，將紫外光、蘭色光、綠色光、或青色光聚焦在離鏡頭最近的感光象素層；相應(yīng)的，將紅色光、黃色光、白色光、或紅外光聚焦在離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層；相應(yīng)的，將蘭色光、綠色光、或青色光聚焦在離鏡頭第二近的感光象素層；相應(yīng)的，將綠色光、紅色光、白色光、或黃色光聚焦在離鏡頭第三近的感光象素層。又如，當(dāng)包括兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，兩個(gè)感光象素層分別位于鏡頭的第一象距、第二象距，可以通過光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)，將紫外光或可見光聚焦在離鏡頭最近的感光象素層；將可見光或紅外光聚焦在離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層。又如，當(dāng)包括三個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，三個(gè)感光象素層分別位于鏡頭的第一象距、第二象距、第三象距，可以通過光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)，將紫外光或白色光聚焦在離鏡頭最近的感光象素層；將白色光或紅外光聚焦在離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層；將白色光聚焦在中間的感光象素層。又如，當(dāng)包括四個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，四個(gè)感光象素層分別位于鏡頭的第一象距、第二象距、第三象距、第四象距，可以通過光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)，將紫外光或白色光聚焦在離鏡頭最近的感光象素層；將白色光或紅外光聚焦在離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層；將白色光聚焦在離鏡頭第二近的感光象素層；將白色光聚焦在離鏡頭第三近的感光象素層。需要注意的是，在上述例子中，對(duì)于包括所有感興趣波長(zhǎng)的光，例如白色光，如果說明白色光被聚焦到不同感光象素層，則其一般來源于不同距離，即例如離鏡頭最近的感光象素層聚焦的是無窮遠(yuǎn)處的白色光，離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層聚焦的是感興趣最短距離的白色光。即當(dāng)兩個(gè)感光象素層聚焦的光信號(hào)的頻譜特性相同，則其必須具有不同的距離特性。本發(fā)明的多景深感光器件，兼具多光譜的優(yōu)異特性，可同時(shí)獲得眾多的彩色信號(hào)和其它光譜信號(hào)，例如在一種四層感光器件中，可沿光路按距光源從近到遠(yuǎn)布置一個(gè)感應(yīng)紫外光的第一化學(xué)鍍膜感光象素層、一個(gè)感應(yīng)蘭光，綠光，或青光的第一半導(dǎo)體感光象素層，一個(gè)感應(yīng)紅光，黃光，或綠光的第二半導(dǎo)體感光象素層，一個(gè)感應(yīng)紅外光的第二化學(xué)鍍膜感光象素層。其中，第一半導(dǎo)體感光象素層和第二半導(dǎo)體感光象素層分別實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)半導(dǎo)體基層上，兩個(gè)半導(dǎo)體基層之間設(shè)置一個(gè)具有預(yù)設(shè)厚度的透光層，第一化學(xué)鍍膜感光象素層布置在第一半導(dǎo)體感光象素層所在基層的頂面上方；第二化學(xué)鍍膜感光象素層布置在第二半導(dǎo)體感光象素層所在基層的底面下方。由此，不僅實(shí)現(xiàn)了景深擴(kuò)展，且可幾乎最大程度的利用入射光能量，在得到彩色的同時(shí)，也得到全光譜的信息，充分發(fā)揮不同感光材料的特點(diǎn)。這樣一種四層多光譜感光器件，制作難度并不太高。如果結(jié)合采用前文中本人之前發(fā)明的先進(jìn)采樣和以電荷合并和色彩變換為顯著特征的子采樣電路和方法，更能夠大幅地降低感光器件和系統(tǒng)的復(fù)雜度，從而為各種應(yīng)用提供巨大的方便和崇高的性能。本發(fā)明的多景深感光器件，首先實(shí)現(xiàn)的第一種特殊用途是景深擴(kuò)展，現(xiàn)有的EDoF 主要是使用了光學(xué)和數(shù)學(xué)的手段實(shí)現(xiàn)景深擴(kuò)展，一般需要借助例如鏡頭等進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦， 相比之下，本發(fā)明是直接的通過器件內(nèi)的不同感光象素層按預(yù)設(shè)距離間隔設(shè)置這樣的物理手段實(shí)現(xiàn)景深擴(kuò)展。其次實(shí)現(xiàn)的第二種特殊用途是實(shí)現(xiàn)全局電子快門，現(xiàn)有的全局電子快門(GlobalShutter)主要是使用了讀取電路的手段，相比之下，本發(fā)明利用不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素，可以在不用機(jī)械快門的情況下，實(shí)現(xiàn)高象素的高速拍照。當(dāng)這兩種實(shí)現(xiàn)(即景深擴(kuò)展和全局電子快門)，在同一個(gè)感光器件上得以集成的時(shí)候，多層多光譜感光器件的巨大威力就得以充分的發(fā)揮。因此，本發(fā)明在很多指標(biāo)和性能上，大幅超越現(xiàn)有的方法。本發(fā)明的多景深感光器件，借助于調(diào)整不同感光象素層的距離，除了大幅提高靈敏度以外，還能大幅提高系統(tǒng)景深范圍，從而讓圖像更清楚，系統(tǒng)反應(yīng)速度更快，應(yīng)用面更寬，乃至消除某些應(yīng)用中的自動(dòng)對(duì)焦需求。本發(fā)明的多景深感光器件在其涵蓋的景深范圍， 能夠快速地獲取清晰的圖像，而不需要經(jīng)過一個(gè)調(diào)焦的過程。景深擴(kuò)展除了能夠降低自動(dòng)對(duì)焦的難度和成本外，甚至在某些應(yīng)用中如手機(jī)照相，微距照相，或遠(yuǎn)距照相，能夠徹底消除自動(dòng)對(duì)焦的需求。景深擴(kuò)展還能讓同一張照片里處于不同距離的物體同時(shí)清楚，這在一些特殊應(yīng)用中也是極有用的，而這是自動(dòng)對(duì)焦所不能做到的，因?yàn)楝F(xiàn)有的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，只能讓某個(gè)距離內(nèi)的物體清楚成像，而不能讓非常寬的一個(gè)范圍內(nèi)的物體都清楚。因此，本發(fā)明的景深擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，在具有自動(dòng)對(duì)焦能力的系統(tǒng)里，也仍然具備有很大的價(jià)值
由于本發(fā)明的多景深感光器件的高靈敏度，其感光速度也可大幅提高，從而為在很多應(yīng)用中取下機(jī)械快門提供了可能。由此，在本發(fā)明的多景深感光器件中，還提出一種具有跨層讀取功能的全局電子快門的實(shí)現(xiàn)，以期取代某些應(yīng)用中可能需要的機(jī)械快門。全局電子快門作用是在一瞬間，將感光象素里的電荷或電壓值拷貝到不感光的讀取象素里去， 以便讀取電路從容的讀出。 結(jié)合景深擴(kuò)展全局電子快門的實(shí)現(xiàn)，將二者集成在一個(gè)感光器件上時(shí)，一個(gè)不需要自動(dòng)對(duì)焦和機(jī)械快門的高性能、高速度、高象素感光系統(tǒng)，就可以芯片的方式來實(shí)現(xiàn)，大大地降低系統(tǒng)的尺寸、復(fù)雜度、功耗和成本，為很多新的應(yīng)用提供了可能。這種帶有全局電子快門的或多景深的感光器件，可為感光系統(tǒng)省去機(jī)械快門或者省去自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)(或者降低對(duì)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的要求)，并在不加快感光器件時(shí)鐘的情況下，實(shí)現(xiàn)高速的電子快門或清晰成像。在極大地簡(jiǎn)化了感光系統(tǒng)的機(jī)械復(fù)雜度的要求的同時(shí)，本發(fā)明采用兩層或多層的布局，結(jié)合先進(jìn)的兩層或多層互補(bǔ)或正交色彩圖案排列的方法，能夠最大化的利用入射光子的能量，不用或只用少許的彩色濾光膜，從而達(dá)到或接近到達(dá)光電轉(zhuǎn)換效率的理論上限， 并在完整地重建彩色的同時(shí)，獲得其它光譜的圖像，包括紫外線圖像，近紅外圖像，和遠(yuǎn)紅外圖像。當(dāng)感光象素層與讀取電路分層后，讀取電路層的讀取電路和處理計(jì)算可以做得非常精細(xì)和復(fù)雜，為單芯片感光系統(tǒng)的制作，提供了巨大的便利。這種多景深感光器件可同時(shí)獲得眾多的彩色信號(hào)和其它光譜信號(hào)，采用本人之前發(fā)明的先進(jìn)的采樣和以電荷合并和色彩變換為顯著特征的子采樣電路和方法，能夠大幅地降低感光器件和系統(tǒng)的復(fù)雜度，從而為各種應(yīng)用提供巨大的方便和崇高的性能。這種多景深感光器件，可用于正面感光，背面感光，或雙向感光。通過精細(xì)布置各層感光器件的象素感應(yīng)光譜段和各層色彩圖案的合理布局，可以產(chǎn)生各種優(yōu)選的多光譜感光器件，如高靈敏度彩色感光器件，高靈敏度彩色和紅外感光器件，無雜色(雜色由插值引起的)的高靈敏度彩色或多光譜感光器件等等。采用主動(dòng)象素和被動(dòng)象素讀取相結(jié)合的手段，可以獲得超低功耗感光器件，超高動(dòng)態(tài)范圍感光器件。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種多景深感光器件，其特征在于，包括至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，至少兩個(gè)所述感光象素層之間按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自距所述感光器件特定距離的鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的所述感光象素層。
2.如權(quán)利要求1所述的感光器件，其特征在于，所述感光象素層包括化學(xué)鍍膜感光象素層和半導(dǎo)體感光象素層中的至少一者。
3.如權(quán)利要求1-2任一所述的感光器件，其特征在于，所述不同光信號(hào)，包括不同距離的光信號(hào)，或者不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的感光器件，其特征在于，波長(zhǎng)更短的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭更近的感光象素層。
5.如權(quán)利要求3所述的感光器件，其特征在于，更遠(yuǎn)距離的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭更近的感光象素層。
6.如權(quán)利要求5所述的感光器件，其特征在于，所述感光象素層為兩層，無窮遠(yuǎn)處的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭較近的感光象素層，感興趣最短距離的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭較遠(yuǎn)的感光象素層。
7.如權(quán)利要求6所述的感光器件，其特征在于，無窮遠(yuǎn)處的紫色光、蘭色光、綠色光、或青色光被聚焦到離鏡頭較近的感光象素層，感興趣最短距離的綠色光、紅色光、黃色光、可見光、或紅外光被聚焦到離鏡頭較遠(yuǎn)的感光象素層。
8.如權(quán)利要求5所述的感光器件，其特征在于，所述感光象素層為三層，無窮遠(yuǎn)處的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭最近的感光象素層，感興趣最短距離的光信號(hào)被聚焦到離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層，無窮遠(yuǎn)處與感興趣最短距離之間的一個(gè)中間距離的光信號(hào)被聚焦到位于中間的感光象素層。
9.如權(quán)利要求8所述的感光器件，其特征在于，所述感光象素層為三層，無窮遠(yuǎn)處的紫外光、蘭色光、或青色光被聚焦到離鏡頭最近的感光象素層，感興趣最短距離的紅色光、黃色光、可見光、或紅外光被聚焦到離鏡頭最遠(yuǎn)的感光象素層，無窮遠(yuǎn)處與感興趣最短距離之間的一個(gè)中間距離的蘭色光、綠色光、紅色光、或黃色光被聚焦到位于中間的感光象素層。
10.如權(quán)利要求6-9任一所述的感光器件，其特征在于，所述感興趣最短距離包括2mm， 5mm,7mm,lcm,2cm,3cm,5cm,7cm,10cm,20cm,30cm,40cm,50cm,60cm,70cm,80cm,100cm,或 150cmo
11.如權(quán)利要求1-10所述的感光器件，其特征在于，包括具有跨層讀取功能的全局電子快門，所述全局電子快門包含多個(gè)可同時(shí)轉(zhuǎn)移并讀取一層或多層感光象素層的電荷或電壓值的不感光的轉(zhuǎn)移和讀取象素。
12.—種景深擴(kuò)展方法，其特征在于，包括在感光器件中設(shè)置至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，并將至少兩個(gè)所述感光象素層按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自距所述感光器件特定距離的鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的所述感光象素層。
13.一種光學(xué)成像方法，其特征在于，包括設(shè)置鏡頭和包括至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層的感光器件；將所述感光器件放置在距所述鏡頭特定距離，且至少兩個(gè)所述感光象素層之間按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的所述感光象素層。
14.一種光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于，包括鏡頭和多景深感光器件，所述多景深感光器件布置在距所述鏡頭特定距離，包括至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，至少兩個(gè)所述感光象素層之間按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自所述鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的所述感光象素層。
15.一種感光系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-12任一所述的感光器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多景深感光器件、系統(tǒng)、景深擴(kuò)展方法及光學(xué)成像系統(tǒng)，所述多景深感光器件包括至少兩個(gè)可感應(yīng)到光源的感光象素層，至少兩個(gè)所述感光象素層之間按預(yù)設(shè)距離間隔布置，使得來自距所述感光器件特定距離的鏡頭的不同光信號(hào)被聚焦到不同的所述感光象素層。本發(fā)明的多景深感光器件，可以避免使用電動(dòng)機(jī)構(gòu)和復(fù)雜、精密的機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦，具有良好的景深擴(kuò)展性能。
文檔編號(hào)H04N5/335GK102263114SQ20101019680
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
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