本发明涉及的是一种图像感测领域的技术，具体是一种多光谱成像技术。
背景技术：
多光谱感测从电磁频谱收集信息并进行处理。多光谱图像用在如遥感、农业、产品质量评估、安防和监控等领域。传统的多光谱成像系统通过使用与多个探测器组合的滤色轮或分束器来捕获场景的不同频谱通道。该系统不适于产出高质量图像且可能需要复杂的实施步骤。
传统地获取多光谱图像的方法并不理想。这些技术大多不能产出高质量图像且需要复杂的实施步骤。例如，放置在物体和常规探测器之间的滤色轮可用来获取各种色段/波段。由于波段是在不同的时间戳获取的，所以整个图像的曝光时间则受到滤色轮转速的限制，通常这比一般快门操作花费更多的时间。这种多曝光图像可能比单曝光图像显得更模糊。进一步地，由于稍稍的不匹配就会产生图像缺陷，所以需要精确地同步滤色器和探测器。对于另一个示例来说，分束器可用来将来自物体的光分成折射至对应传感器的各种色段。类似地，该系统在实施之前可能需要精确的光学校准。进一步地，将颜色分隔成不同的路径可能会引起显着的路径长度差异并在成像中产生误差。
技术实现要素：
本发明涉及一种多光谱传感器件，该传感器件包括像素单元阵列，其中每个所述像素单元均包括以二乘二构型配置的四个像素；每个所述像素均包括至少一个子像素，且每个所述像素单元均包括至少一个像素，该像素中包括至少两个分别用于探测不同波长光的子像素。
本发明还涉及一种多光谱传感器件，该传感器件包括像素阵列，其中每个所述像素均包括若干子像素，且阵列中一个像素中至少两个子像素分别用于探测不同波长的光。
本发明进一步涉及一种多光谱传感系统，该系统包括贝尔模式像素阵列以及处理电路，其中每个像素均包括若干子像素，所述处理电路与每个所述子像素相连并用于调整其探测波段，使得所述子像素能够切换于探测相同波段或不同波段的光。通过在各种模式之间切换使得所述系统能够探测不同波长/波段的光，从而生成场景的光谱信息。
本发明进一步的技术细节和效果将在以下部分进一步详细描述，且通过说明部分是显而易见的或可通过实践本发明公开而得到学习。本发明公开的特征和优势，可以通过附加权利要求特别指出的元素和组合来实现。
应该了解，如权利要求所述，上述一般说明和下面详细说明仅是示例性和说明性的，并不限制本发明。
附图说明
图1a为现有技术中图像传感器的一个贝尔单元的俯视及侧视图解。
图1b为实施例中多光谱传感器的一个贝尔单元的俯视及侧视图解。
图2为实施例中多光谱传感器系统的示意性电路的图解。
图3a及图3b为实施例中多光谱传感器中滤光范围调整的图解。
图4a及图4b为实施例中多光谱传感器中感测读数调整的图解。
图中：像素121、子像素122～125、系统200、像素阵列201、行控制电路202、列读取电路203、处理电路204。
具体实施方式
现在将详细参考示例性实施例，其示例在附图中示出。下面的说明将参考附图，其中，不同附图中相同的数字，除特别说明外，都表示同样的或类似的组件。下面示例性实施例说明所述的实施方式与本发明公开保持一致，但不代表所有的实施方式。相反，其仅是与随附权利要求所述本发明相关的方面一致的系统和方面的示例。
一种基于半导体工程要求保护的解决方案克服了电子和光学技术领域出现的问题。在各种实施例中，公开了一种多光谱传感器件。所述传感器件可包括像素单元阵列(例如，平面阵列)。每个所述像素单元均包括四个像素(例如，以二乘二构型配置的四个像素)。换句话说，所述传感器件可在一个平面阵列中包括多个像素。例如，所述传感器件的所述像素阵列可位于贝尔模式中并可称作贝尔模式阵列。相应地，所述像素单元可称作贝尔模式单元。每个所述像素均包括多个子像素，且至少两个所述子像素可用于探测不同波长的光。例如，所述多个子像素可以是四个(或其他数量的)子像素，从而每个所述像素单元均包括十六个子像素，且所述十六个子像素可用于探测不同波长或波段的光。在一些场合，每个所述子像素均包括微透镜(microlens)、光学滤光片和光电二极管。所述微透镜可设置于光学滤光片的上方，所述光电二极管可设置于光学滤光片的下方，所述微透镜可用于引导入射光穿过所述光学滤光片，且所述光电二极管可用于探测穿过所述光学滤光片的光。因此，所述传感器件可在不展开机械滤镜、分束器或其他复杂光学部件的情况下探测多光谱光(例如，十六个不同波段)。进一步地，当使用所述传感器件时，可通过所述器件的单次曝光来获得图像，从而可在不牺牲图像质量的情况下实现多光谱成像。
在一些场合，所述四个子像素可用于探测不同波长的光。例如，所述四个子像素中的三个可用于探测可见光，且所述四个子像素中的其他子像素可用于探测红外(ir)光。例如，所述三个子像素分别可用于探测红光、蓝光和绿光，且所述其他子像素可用于探测近红外(nir)光。
在一些场合，每个子像素的波长感测范围均通过处理电路来调整。例如，在每个子像素中，所述光学滤光片都与所述处理电路相连。所述处理电路可用于通过控制所述光学滤光片的一个或多个特性来调整所述光学滤光片的滤光范围。因此，可通过调整对应的光学滤光片的滤光范围来调整每个子像素的波长感测范围。在一些场合，所述处理电路与每个子像素的所述光电二极管相连并可用于调整所述多光谱传感器件的读数。所述处理电路可用于接收所述光电二极管的读数并基于一个或多个所述接收到的读数来输出所述多光谱传感器件的读数。在一个示例中，所述处理电路可用于获得一个像素中所有光电二极管读数的总读数并输出所述总读数作为所述像素的读数。在另一个示例中，所述处理电路可用于从一个像素中的所有光电二极管获得一个光电二极管的读数、基于所述获得的读数来确定所述像素的读数并输出所述确定的读数作为所述像素的读数。
在一些场合，公开了一种多光谱传感器件。所述传感器件可包括像素阵列。每个所述像素均包括多个子像素，且至少两个所述子像素可用于探测不同波长或波段的光。例如，所述阵列可以是贝尔模式阵列，且所述多个子像素可用于探测彼此不同的各种波长或波段的光，以及探测与八个最近的相邻像素中任一个的子像素不同的各种波长或波段的光。对于设置在所述贝尔模式阵列(例如，棋盘构型)中的正方形像素来说，任何无边正方形像素都由八个对应的相对位置上的类似正方形像素包围，这些位置包括：左边、右边、前面、后面、左前方、右前方、左后方和右后方。类似地，所述传感器件可进一步包括如上所述与所述光电二极管相连的处理电路。因此，所述传感器件可在不部署机械滤光片、分束器或其他复杂光学部件的情况下探测多光谱光。进一步地，当使用所述传感器件时，可通过所述器件的单次曝光来获得图像，从而可在不牺牲图像质量的情况下实现多光谱成像。在一些场合，公开了一种多光谱感测系统。所述系统可包括像素的贝尔模式阵列，其每个均包括多个子像素。所述系统可进一步包括处理电路，所述处理电路与每个所述子像素都相连并可用于调整所述子像素的探测波段，使得所述子像素可在相同波段和不同波段的探测光之间切换。在每个贝尔模式单元中，所述像素可包括红色、绿色、蓝色和红外像素。每个所述子像素均包括光学滤光片。所述子像素的探测波段可通过调整所述光学滤光片的滤光范围来调整。因此，每个像素均探测一个波长/波段、两个波长/波段、三个波长/波段、四个波长/波段等。
在一些场合，一个或多个所述微透镜、滤光片和每个子像素的光电二极管均以是特定波长。例如，所述近红外子像素的微透镜或光学滤光片可筛选近红外光或使近红外光穿过。对于另一个示例来说，所述近红外子像素的光电二极管可探测近红外光。因此，对于每个子像素来说，不必需要所有的微透镜、滤光片和光电二极管是特定波长，只要其中至少一个是即可。进一步地，可通过调整对应的光学滤光片的滤光范围来调整所述子像素的波长感测范围。
上面公开的器件和系统可用于可见光感测、非可见光感测或二者的组合。例如，每个像素单元的像素均包括红色像素、蓝色像素、绿色像素和ir像素。ir辐射跨度波长在约750纳米(nm)和1毫米(mm)之间。ir的一种常用的细分方案可包括：近红外(nir)(0.75-1.1μm)；中红外(mir)(1.1-30μm)；远红外(fir)(30-1,000μm)。在本说明书中，一些实施例使用近红外光(nir)作为示例。本发明公开的光学滤光片可包括，但不限于，可见光彩色滤光片(例如，红光彩色滤光片、绿光彩色滤光片等)和红外滤光片(例如，近红外彩色滤光片、中红外彩色滤光片等)。例如，所述光学滤光片可以是筛选近红外光或使近红外光穿过的近红外滤光片。其他近红外滤光片、中红外滤光片或长红外滤光片的滤光片可用作所述光学滤光片。在一些其他实施例中，可采用基本对紫外(uv)光透明的滤光片来可用于uv成像。在这些类型的传感器件中，可在uv滤光片的下方放置对uv光敏感的相应光电二极管。类似地，ir或rgb像素(包括与其相关联的微透镜、滤光片和光电二极管)可由其他任何波长的像素来代替，以实现本发明公开的多光谱感测。
如图1a所示，为现有图像传感器的一个贝尔单元的俯视和侧视图解110。多光谱传感器可以是固态(例如，ccd、cmos)传感器。这类传感器包括贝尔模式阵列中的像素。图1a俯视图所示为一个典型的贝尔模式单元。从俯视图来看，该贝尔单元的四个像素所示为四个正方形，其与绿色滤光片、红色滤光片、蓝色滤光片和近红外滤光片相关联。每个像素或滤光片均具有相同的宽度尺寸x。宽度x的一个典型值是3.0μm。每个正方形均包括表示微透镜(microlens)的圆圈。参考图1a侧视图，对于每个像素来说，微透镜都布置在相关联的光学滤光片上，该光学滤光片(of)位于相关联的光电二极管(pd)的顶部。光学滤光片可筛选红光、绿光、蓝光或近红外光。
如图1b所示，为本发明多光谱传感器的一个贝尔单元的俯视和侧视图解120，基于图1b，本发明公开的多光谱传感器件可包括该类贝尔模式单元阵列。
侧视图解120中展示了每个宽度都为x的四个像素，所述四个像素形成所述贝尔单元。在一些场合，所述像素可用于探测红光、绿光、蓝光和近红外光。替代地，每个像素均可用于探测其他波长。每个像素均包括多个宽度为y的子像素。在该图中，每个宽度为x的像素均包括四个宽度为y的子像素。宽度y和宽度x可具有各种长度。y的一个示例性长度为1.5μm，x的一个示例性长度为3.0μm。
本发明所述贝尔模式可包括除图1a、图1b中的模式之外的各种变形。在一些场合，一个贝尔模式单元中的光学滤光片、像素和子像素可包括任何颜色，比如，rgbg(红色、绿色、蓝色、绿色)、cygm(青色、黄色、绿色、品红色)和rgbe(红色、绿色、蓝色、翠绿色)等。也就是说，所述光学滤光片、像素和子像素不限于红色、绿色和蓝色。此外，一个贝尔模式单元中的多个像素和相应的滤光片可以各种构型定向，例如，转动45度。因此，每个像素均分为任何数量任何形状的子像素，且可在积分时间方面单独控制每个子像素，从而在相同像素内实现多个积分时间。因此，公开的系统、方法和器件都类似地适可用于任何修改的贝尔模式传感器设计。
从所示的俯视图来看，贝尔模式可包括四个像素(例如，像素121的一个所述像素等)。每个像素均包括四个子像素(例如，像素121包括子像素122、123、124和125)。所述四个像素可分别可用于探测红光、蓝光、绿光和近红外光。此处，红光、蓝光、绿光和近红外光中的每个均指一种波长范围，每个像素中的对应的子像素均在其内探测各种波段。例如，绿像素中的子像素可用于探测深绿光、绿光、浅绿光等。因此，对应图中所示贝尔模式单元来说，可同时探测多达十六个不同波长/波段，以实现多光谱感测。每个子像素均由一种对应的波长(例如，b1＝420nm、b2＝450nm、b3＝480nm、b4＝500nm、g1＝520nm、g2＝550nm、g3＝580nm、g4＝600nm、r1＝620nm、r2＝650nm、r3＝680nm、r4＝700nm、n1＝750nm、n2＝850nm、n3＝900nm、n4＝950nm，其中，b指蓝光，g指绿光，r指红光以及n指近红外光)或波段(例如，b1＝415-425nm、b2＝445-455nm、b3＝475-485nm、b4＝495-505nm、g1＝515-425nm、g2＝545-555nm、g3＝575-585nm、g4＝595-605nm、r1＝615-625nm、r2＝645-655nm、r3＝675-685nm、r4＝695-705nm、n1＝745-755nm、n2＝845-855nm、n3＝895-905nm、n4＝945-955nm)来标记。在一些场合，所述子像素不需根据波长来分组。也就是说，每个贝尔模式单元中的十六个子像素可用于探测任意波段，且其与每个贝尔模式单元平面相关的位置可随机。
从所示侧视图来看，每个子像素均包括光电二极管、微透镜和光学滤光片(of)。在该侧视图中，只示出了一排子像素。因此，只示出了每个像素的两个子像素。所述微透镜布置在所示光学滤光片的上方，且所述光电二极管设置于光学滤光片的下方。每个微透镜均与其对应的光电二极管基本对齐，从而可将照射到所述微透镜上的大部分光子引导穿过滤光片，并由光电二极管探测。光电二极管响应于曝光而产生电荷(例如，电子和空穴)来执行探测。每个光电二极管均与处理电路相连(例如，通过下面参考图2所述的列读取电路)。两个或多个光电二极管还可以共享与处理电路相连的同一个通道。
在一些场合，每个光学滤光片都与处理电路相连，且每个子像素的感测范围均通过处理电路来调整。例如，所述光学滤光片可以是液态晶体可调滤光片、声光可调滤光片、电磁玻璃滤光片等。所述处理电路可用于控制或致动提供至每个光学滤光片的电流或电压，以影响滤光范围调整。因此，可通过从所述处理电路调整对应的光学滤光片的滤光范围来调整每个子像素的波长感测范围。替代地，可不调整一个或多个光学滤光片并设计为使其对应波长或波段的光通过。
在一些场合，所述处理电路与每个子像素的所述光电二极管相连并可用于调整所述多光谱传感器件的读数。所述处理电路可用于接收所述光电二极管的读数并基于一个或多个所述接收到的读数来输出所述多光谱传感器件的读数。在一个示例中，所述处理电路可用于获得每个像素中所有光电二极管读数的总读数并输出所述总读数作为所述像素的读数。存在多种方法来获得所述总读数。例如，在子像素处产生的来自曝光的电子信号可转换为输出节点或对应像素或子像素处的电压信号。随后，处理电路可一个像素一个像素地(例如，通过数据合并模式)或一个子像素一个子像素地(例如，通过单个光电二极管读取)接收电压信号。关于所述数据合并模式，每个像素中的光电二极管均合并在一起并由处理电路读出。例如，图1b示出了一个像素中合并成浮动扩散节点130的两个光电二极管。由于图1b只是侧视图且一个像素可包括四个以二乘二构型配置的子像素，所以一个像素中对应于四个子像素的四个光电二极管可合并成浮动扩散节点。关于所述单个光电二极管读取，每个像素中的光电二极管均通过处理电路单独读出，且处理电路可对每个像素求和光电二极管信号。在另一个示例中，所述处理电路可用于从每个像素中的所有光电二极管获得一个光电二极管的读数、基于所述获得的读数来确定所述像素的读数(例如，通过将所述获得的读数乘以所述像素中的光电二极管的数量)并输出所述确定的读数作为所述像素的读数。类似地，所述处理电路可从每个像素中的所有光电二极管获得光电二极管的任何子集的读数以确定所述像素的读数。美国专利申请号us15/363,873(申请于2016年11月29日)名为“systemandmethodforhighdynamicrangeimagesensing(高动态范围图像感测系统与方法)”的专利申请以及申请号为us15/415,376(申请于2017年1月15日)名为“systemandmethodforvisibleandinfraredhighdynamicrangesensing(可见及红外高动态范围检测系统与方法)”的专利申请在处理电路、数据组合模式电路和方法以及从像素获取读数上提供了更多细节。两个专利申请都转让给与本申请相同的受让人，且二者都并入本发明作为参考。
本领域的一般技术人员应该能选择具有对特定波长敏感的材料的光电二极管。例如，对可见光敏感的光电二极管可放置在rgb滤光片下方。对红外光敏感的光电二极管，具体地，对近红外光敏感的如硅光电二极管(具有宽探测光谱和特定厚度)可放置在近红外滤光片下方。微透镜和光学滤光片可具有覆盖对应光电二极管的探测范围的工作范围，从而即使探测范围改变了，对应的微透镜和光学滤光片也不必改变。
如图2所示，为本发明多光谱传感器系统200的示意性电路的图解，系统200可包括像素阵列201、行控制电路202、列读取电路203和处理电路204。像素阵列201可包括由行和列设置的多个像素以及相关电路，例如，图1b中所示的像素。每个像素行都与行控制电路202相连，且每个像素列都与列读取电路203相连。行控制电路202可在每行中控制读取时序，且列读取电路203可从每列接收像素信号。处理电路204可在时钟时序、信号处理(例如，从光电二极管接收读数并处理该读数)、信号控制(例如，控制提供至每个光学滤光片的电流和/或电压)等方面控制行控制电路202和列读取电路203。上述电路仅是示例性的，且可实施电路控制的其他变体。
在光电二极管传感器的一次示例性曝光过程中，像素阵列201中的光电二极管可将入射光子转换成电荷(例如，电子和/或空穴)。所述电荷整合(收集)进相应的传感器子像素或像素中。在完成累积周期后，将收集到的电荷转换成电压。将所述电压提供给输出终端并与列读取电路203相连。在cmos图像传感器中，进行电压转换的电荷直接在像素本身中完成。通过各种由行控制电路202控制的像素寻址和扫描方案，将模拟像素电压转移给输出终端。所述模拟信号也可在芯片读出之前，在芯片上转化为数字信号。
在一些场合，处理电路204可用于调整每个光电二极管的探测波段，从而如下面参考图3a和3b所述，每个像素中的光电二极管均可用于探测相同波段或两个或多个不同波段。
如图3a和图3b所示，为本发明多光谱传感器中滤光范围调整的图解，图3a和图3b中每个都示出了具有处理电路的模式310和模式320中十六个子像素的贝尔模式单元。每个所述子像素都标记成指示其探测波长。例如，两幅图中的左上方子像素都可用于探测波长为g1的光。在图3a中，所有的十六个光电二极管都可用于探测不同波长(例如，g1、g2、b1、b2等)。g1、g2、g3和g4可指基本位于绿光波长范围中的四个不同波长，但其彼此不同。模式310可切换至模式320或不同构型，反之亦然。为了切换至模式320，将模式310中的g3和g4调整至g1，于是绿像素则包括两个不同探测波长g1和g2；将b1调整至b2，于是蓝像素则包括三个不同探测波长b2、b3和b4；不改变r1、r2、r3和r4，于是红像素将仍包括四个不同探测波长；将n1、n2、n3和n4都调整至n，于是nir像素则包括一个探测波长n。可通过上述滤光范围调整来完成所述波长调整，由于单个光学滤光片可在其滤光范围方面由处理电路来致动。类似地，模式320可切换回模式310。因此，每个像素中的光学滤光片均在具有相同滤光范围和不同滤光范围之间切换，使得传感器件，例如可在感测不止四个波段和感测四个波段之间切换。各种模式之间的切换可使所述传感器件探测不同波长/波段的光，从而产生场景的光谱信息。
模式310和320仅是示例性的。上述示例说明了每个像素均在探测一个、两个、......、n个波长范围中调整，其中，n是所述像素中子像素的数量。通过同样的原理，每个贝尔模式单元均在探测一个、两个、......、m个波长范围中调整，其中，m是所述贝尔模式单元的子像素数量。
如图4a和图4b所示，为本发明多光谱传感器中感测读数调整的图解，图4a和图4b中每个都示出了具有处理电路的模式410和模式420中十六个子像素的贝尔模式单元。类似于图3a，图4a中每个子像素都标记指示其探测波长。
在一些场合，处理电路可用于接收光电二极管的读数并基于一个或多个所述接收到的读数来输出多光谱传感器件的读数。对于绿像素来说，所述处理电路可只基于g1读数来确定绿像素读数。因此，在模式420中，所述处理电路可将g1乘以4(子像素的数量)即4g1作为所述绿像素的输出。对于蓝像素来说，所述处理电路可采用b3替换b4，即(b1+b2+2b3)作为所述蓝像素的输出。对于红像素来说，所述处理电路可采用r1替换r2、r4替换r3，即2(r1+r4)作为红像素的输出。对于nir像素来说，所述处理电路可将所有子像素读数相加(n1+n2+n3+n4)，作为nir像素的输出。nir像素使用的方法可称作数据合并，如该像素中的光电二极管合并一起来导出总读数。模式410和模式420可通过处理电路互相切换。
上述像素的读数方法仅是示例性的。所述处理电路可给予各种条件来确定每个像素的读数方法，比如，用户设定、感测环境、像素环境等。在多光谱传感器件中可能对所有的像素使用数据合并方法或可能从每个像素中所有的光电二极管读数确定一个读数来获得所述像素的读数。因此，所述传感器件可在不部署机械滤光片、分束器或其他复杂的光学部件的情况下探测多光谱光。进一步地，通过电子信号可实现模式切换，传感器件可灵活地探测可配置数量的波长/波段。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。