多光谱感光器件及其制作方法

专利名称：多光谱感光器件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多光谱感光器件及其制作方法。更准确而言，本发明涉及可以同
时感应多个光谱(如可见光和红外线)的用于全色图像的感光器件及其制作方法。这里， 全色是指整个感兴趣的光谱。对于普通(可见光)感光器件，全色指涵盖红，绿，蓝和白色 的整个可见光谱。对于红外和彩色合一的感光器件，全色是指可见光谱和红外光谱。本发 明可适用于包含黑白和彩色图像的多光谱感光器件。
背景技术：
传统的设计和制造彩色图像感光芯片(或器件)的技术，或者采用单层的感光象 素，或者采用三层的感光象素。采用单层感光象素的感光芯片，为了得到彩色图像，就必须 按某种图案，如贝叶图案(Bayer Pattern)或蜂窝图案，涂上滤波膜。而采用三层感光象素 的感光芯片，就不需要采用彩色镀膜。这些传统的设计和制造彩色图像感光芯片(或器件) 的技术，仍然有尚待改进的地方。 在单层的传统的彩色图像感光芯片中，为了得到色彩信号，主要用了两种不同的 图案，图1是第一种彩色滤光图案，即青黄桃绿(桃指桃红或品红)图案(或称复合色彩色 滤光图案)，该图案由青色、黄色、桃红色和绿色组成。图2和图3(a)、(b)分别是几种由三 原色，即红绿蓝组成的彩色滤光图案，各按贝叶图案(Bayer Pattern)或蜂窝图案排列，这 两个图案由红色、绿色和蓝色组成。 在用青黄桃绿图案做成的彩色感光芯片中，感光元素阵列由许多组合象素构成。 其中一个组合象素由四个象素组成，分别被涂上青黄桃绿滤光膜。但是，由于显示器工业界 使用的是三原色(即红绿蓝)图案，而不是青黄桃绿图案，因此，必须将青黄桃绿图案做色 彩矩阵变换以得到红绿蓝图案。而且，由于每一个象点只包含一种色彩(或青，或黄，或桃， 或绿)，为在每点获得红绿蓝三种色彩，还必须用插值方法，从相邻点中插出少掉的色彩。在 用贝叶图案(美国专利号#3，971，065)做成的彩色感光芯片中，感光元素阵列也由许多组 合象素构成。其中一个组合象素亦由四个象素组成，但却只被涂上红绿蓝三种滤光膜。贝 叶图案进一步要求在每一个组合象素中，其中一个对角线上的两个元素，必须都是绿色或 代表亮度的色彩，而另外两个色彩则是红和蓝，或对可见光谱的其他两个不同的区域敏感 的色彩。同样，由于每一个象点只包含一种颜色(或红，或绿，或蓝)，为在该点获得其他两 个少掉的颜色，必须用插值方法从相邻点中插出少掉的颜色。贝叶图案有四种不同的几何 图案，其中每一种代表一种特定的红绿蓝位置的安排。在图3所示的蜂窝图案中，一个复合
象素仅由三个象素组成，分别涂上红绿蓝三种颜色，并且按六边型的蜂窝形状排列。在蜂窝 图案中，红绿蓝三种颜色被均匀对称地安排；交换两种颜色的位置仍然构成蜂窝图案。
如上所述，由复合色(青黄桃绿)图案，贝叶图案，或蜂窝图案实现滤光膜技术有 三个共同的困难第一个困难是滤光膜导致的灵敏度的降低(相对于黑白感光芯片而言)。 第二个困难是由于彩色插值导致的有效清晰度(或称解析度)的降低。彩色插值还引进了 第三个困难，即杂色问题。杂色通常可以用低通滤波来解决，但低通滤波会减少图像清晰度，从而加重第二个困难。 为了避免因采用滤光膜而导致的灵敏度的降低，提高总体的感光灵敏度，美国专 利6， 137， 100公开了一种平衡三原色红绿蓝感光元素的感光响应的方法，该方法采用光敏 二极管作为感光元件并考虑到了光敏二极管对于不同色彩的灵敏度是不一样的特点。具体 而言，光敏二极管对绿色更敏感一些，其次是红色，再后是蓝色。该方法因此将蓝色的感光 面积做得最大，红色次之，绿色最小。用这种方法取得的色彩灵敏度的改进仍然是非常有限 的，而且这种方法只强调了三原色红绿蓝彩色图案。 彩色感光器件通常感应对应于红绿蓝的连续的光谱。另外也有对整个可见光谱， 或对红外光谱，或对两者都感光的黑白感光器件。这种黑白感光器件比传统的贝叶图案彩 色感光器件(在同等制作条件下)通常灵敏十倍以上，但不能产生彩色。
本发明人在稍早一点的《多光谱感光器件及其制作方法》(PCT/CN2007/071262)发
明申请中，提供了一种采用两层感光象素的感光芯片。这种新的方法，将顶层和底层的光 谱，按正交或互补的方式分层，如图4和图5所示，使得在任一个象素位置，顶层和底层的感 光象素，分别感应(在可见光谱内，或在可见光及红外光谱内)正交或互补的光谱，从而能 最大化使用入射光能。这种方法可以使用彩色镀膜也可以不采用彩色镀膜，同时能够兼顾 空间分辨率，色彩还原，和感光灵敏度的优点。但这个新的发明，对于顶层和底层在物理结 构上，并没有做优化的设计。 传统的设计和制造彩色图像感光芯片(或器件)的技术，还有另一个特点，就是， 它们要么采用普通的正面感光方式，要么采用背面感光方式(例如美国专利[4， 388， 532]， [4， 679， 068] ， [5， 244， 817] ， [6， 169， 369] ， [6， 429， 036] ， [7， 265， 397])。值得一提的是，美 国专利[5， 134， 274]和[6， 191,404]提出了一种同时能接受正面感光和背面感光的双向感 光芯片(和系统)。所谓正面感光是指感光象素位于芯片基层的面向光源的一面，而背面感 光则是指感光象素位于芯片基层的背向光源的一面。背面感光要求芯片基层足够薄并经过 特殊封装处理，以便光能透过基层，达到感光象素。这种双面感光芯片能够同时能接受来自 正面和背面的光源，因而，具有将两种不同光源的信号整合的特点。但是，这种双向感光芯 片只包含了一层的感光象素，位于芯片基层的某一面。因而，当使用者需要得到色彩(或多 光谱)感光信号，或者需要在一个感光芯片上，接收两个不同景象(或内容)，这种可以双面 感光但是单层的感光芯片，就遇到了困难。此外，这种双面感光的单层感光芯片要求来自正 反两个方向的光信号，在几何空间上有对应关系，也就是说，只能用于单一景象。
因此，这些现有的感光芯片技术仍具有一些不足之处。对于单层感光芯片而言，在 灵敏度方面已经遇到瓶颈，其空间和能量的使用效率也不如多层。而对于多层(两层或三 层)的感光芯片而言，其加工复杂度自然困难很多。另外一个现有的感光芯片技术都不具 备的功能是，他们不能同时从正反两个方向感应对应不同景象的光。 所以，仍然有必要对现有技术进行改进，寻求能将黑白感光器件和彩色感光器件 的优点结合在一起的感光器件及其制作方法，并能同时或异时感应来自两个不同方向的 光，以进一步提高感光芯片的性能和扩充单一芯片的功能。

发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术所遇到的限制和困难，提供一种能够以同一器件同时获得不同方向的景象的多光谱感光器件及其制作方法。 为便于描述本发明并解释其与现有技术的差别，我们现给出如下名词的定义 双层感光器件，双面感光器件，和双向感光器件。其中，双层感光器件是指感光象素被物 理上分成两层(如本发明人在稍早的发明申请《多光谱感光器件及其制作方法》(PCT/ CN2007/071262)所描述的两层感光器件)，每一层都含有感应特定光谱的感光象素。双面 感光器件是指感光器件具有两个感光表面，每一个面都能至少从一个方向上感光。双向感 光器件是指感光器件能从两个(通常互成180度)的方向上感光，亦即从感光器件的正面 和背面都能感光。 —个感光器件可以同时具有双层，双面，和双向这三个特点中的一个，两个，和所 有三个特点。本发明主要涉及双面双层感光器件(如图6(a)-(c)所示)，双向感光器件 (如美国专利[5， 134,274]和[6， 191， 404])，双面双向感光器件(如图6(a)-(c)和图16 所示)，双面双层双向感光器件(如图9(a)-(c)所示)。
本发明解决所述技术问题的技术方案是 —种多光谱感光器件，包括至少一个不透明的基层；每一基层具有至少两个面，每 个面上都设置有感光象素组，各个感光象素组用于感应其所在面的正面方向照射来的任选 光谱的光。 所述的多光谱感光器件，所述基层为一个，该基层具有两个感光面，所述两个感光 面各自含有相同或不同分布的感应各种光谱的感光象素。 所述任选光谱包括兰色，绿色，红色，青色，黄色，白色，红外色，红色+红外光谱， 黄色+红外光谱，及可白光+红外光谱中的一种或多种。 所述的多光谱感光器件，在所述基层的每个面的前方各装有一套镜头。 —种上述的多光谱感光器件的制作方法，包括 制作至少一个不透明的基层，每一基层具有至少两个面； 在基层的每个面上都设置感光象素组，各个感光象素组用于感应其所在面的正面 方向照射来的任选光谱的光。 本发明的另一种多光谱感光器件，包括至少一个透明的基层；每一基层具有至少 两个面，每个面上都设置有感光象素组，各个感光象素组用于感应其所在面的正面或背面 方向照射来的任选光谱的光。 所述的多光谱感光器件，所述基层为一个，该基层具有两个感光面，所述两个感光 面各自含有相同或不同分布的感应各种光谱的感光象素。 其中，所述任选光谱包括兰色，绿色，红色，青色，黄色，白色，红外色，红色+红外 光谱，黄色+红外光谱，及可白光+红外光谱的一种或多种。 从一个方向照射时，处于背面的感光象素所感应的光谱，与正面相同位置上的感 光象素所感应的光谱正交。 进一步的，从一个方向照射时，处于背面的感光象素所感应的光谱，与正面相同位 置上的感光象素所感应的光谱互补。 所述的多光谱感光器件，还包括选向装置，所述选向装置用于在选定某一面上的 全部或部分象素进行感光时，遮挡该面对称面上的对应位置的象素。 所述选向装置可以为同步多快门系统，所述同步多快门系统中的各个快门设置于所述基层的各个面的前方，位于一组的两个正背相对的两个面的前方的两个快门在同一时 刻分别处于一开一关状态。 所述选向装置也可以为遮光镀膜，所述遮光镀膜按预设象素选向的图案覆设所述 基层的各个面上的部分象素，且同一位置上的处于正背相对面的两个象素，最多只有一个 象素覆设有遮光镀膜。 所述象素选向的图案选自对角图案、水平隔两行图案、水平隔行图案、垂直隔两列 图案、垂直隔列图案、和分区图案。 所述的多光谱感光器件，所述正面和背面的象素具有方向的对称性。
所述的多光谱感光器件，所述基层的每个面的前方各装有一套镜头。
—种上述多光谱器件的制作方法，包括
制作至少一个透明的基层；每一基层具有至少两个面； 在基层的每个面上都设置感光象素组，各个感光象素组用于感应其所在面的正面
或背面方向照射来的任选光谱的光。 本发明有益的技术效果在于 通过设置包括至少两个面的基层，并在基层的每一面设置感光象素，首先可以简 化加工工艺。现有技术的多层感光器件(包括发明人稍早一点的《多光谱感光器件及其制 作方法》(PCT/CN2007/071262)发明申请)，都是一种立体加工工艺，需要一层一层的对芯片 进行加工，最终将加工后的各层成型在一起，其加工工艺较为复杂，良率难以提高。而本发 明则是在基层的各个面上进行加工，是一种更接近平面的加工工艺，例如当基层为两面时， 当加工完正面后，只需将基层翻过来直接在背面进行加工即可，因而在加工工艺上得到了 较大的简化。其次，通过在基层的不同面上设置感光象素，可以实现以同一器件观察到不同 方向的不同景象。例如，同样以基层为两面为例，当基层为不透明时，基层的正背两面可以 感应来自各自面对的光源，从而得到各自正方向上的景象。当基层为透明时，基层的正背两 面同样可以感应来自各自方向的光源，从而可以通过快门选向或象素选向的手段得到各自 方向上的景象。相比，现有技术如果需要实现得到不同方向的景象，需要多套感光芯片及其 处理电路；而本发明是在一个基层的不同面上实现感应不同方向的景象，因而除了感光象 素包括了不同方向上的多组之外，只需要一套光电转换电路，一套电信号处理和输出电路 等等相关处理电路，乃至一套传输线路，因此而节省了空间和经济上的成本。
对于透光性基层，在处于正背相对面的同一位置都设置有感光象素。这里所说的 处于正背相对面的同一位置，是指光源正射下，被同一射线照射的在两个面上的相应位置。 以基层为两面为例，如果一个点光源垂直照射基层正面，在基层正面的照射位置为A点，穿 过基层到基层背面的照射位置为B点，此时，则认为A点和B点处于两个相对面上的同一位 置。由此产生的一个问题是正面光源甲会照射到A点和B点；同样，背面光源乙同样也会 照射到B点和A点，从而造成来自两个方向的景象的互相干扰。为消除这种双向干扰， 一个 简单的处理方式是如果在两个相对面中的一面上设置了感光象素，则在另一面的同一位
置上不设置感光象素。然而，由于两个相对面的同一位置都设置感光象素能带来许多的优 点例如，入射光的所有谱段的能量可以被更大地利用，以获得光使用的更高效率，从而获 得更高的灵敏度和动态范围，也同时可以减少光能转化为热能产生的电子噪声信号。为此，
本发明通过设置选向装置，使得在正面光源甲照射到A点和B点时，背面光源乙无法到达B
7点和A点，或者背面光源乙照射到B点和A点时，正面光源甲无法到达A点和B点(即分时 选向)；或者采用象素选向方式，即可以强行设置以A点和B点为正面感光组，只接受正面 光源甲；而以另一位置的C点(位于背面)和D点(位于正面)为背面感光组，只接受背面 光源乙，从而使得同一位置上的处于正背相对面的两个象素，只有一个象素覆设有遮光镀 膜，造成两个相对面上的被遮覆的象素位置相错，从而可以在保证最大化的利用入射光能 量的同时，实现不受干扰的得到不同方向的景象。 需要强调的一点是，本发明所描述的基层透光式双面双层感光器件，不仅在用于 双向感光时能带来极大的便利和优越性，同样在用于单向感光时，也可以极大地提高感光 器件的灵敏度和增加色彩的表现范围。本发明同时提供了一种低成本的将彩色和红外光的 感应在一个感光器件上集成实现的简单方法。 本发明将通过实施例描述多个能用于可见光和红外光的多光谱感光器件的优选 实现方法。这些优选实现方法，仅仅是作为举例来说明本发明的优点和实现方法而已，而不 是为了限制本发明的保护范围。 对于相关业界的有识之士而言，本发明的上述及其它目的和优点，在阅读过下面 的优选的带有多个插图解释的实现案例的细节描述之后，将是十分明显的。


图1是一个青黄桃绿彩色滤光器图案的示意图。
图2是一个红绿蓝滤光器贝叶图案及其变型的示意图。
图3(a) 、 (b)分别是红绿蓝滤光器蜂窝排列的示意图。 图4 (a)是一个说明红，绿，蓝，黄，青，白，和红外等色彩的光谱之间的关系的示意 图；图4(b)是一个说明光在(不透明)物体中的入射深度与波长之间的关系的示意图；请 注意图中用来简化不同的感光器件的实现及其描述的分层线。 图5(a)和图5(b)给出一些正交和互补色彩对的例子。其中，图5(a)和图5(b) 左半边的上下两层的色彩是互补的，图5(a)和图5(b)右半边的上下两层的色彩是正交的。
图6(a)至图6(c)描述本发明中的一种采用了贝叶图案排列的双面双层彩色感光 器件的优选实现，其中基层不透明，正面和反面是完全对称的。注意到图6(a)， (b)， (c)描 述的感光器件同时具备有双层和双面的特点，因而被称为双面双层彩色感光器件.
图7(a)至图7(c)描述本发明中的一种基层不透明的采用了广义贝叶图案排列的 双面双层彩色感光器件的优选实现和其变化情况，其中基层不透明，正面和反面是完全对 称的。这种优选实现可以得到用CYMG彩色空间表示的感光器件。 图8(a)至图8(d)描述本发明中的一种正面采用了蜂窝排列的双面双层彩色感光 器件的优选实现和其变化情况，其中基层不透明，背面可采用贝叶图案排列(图8(b))，或 同样的蜂窝图案排列(图8(c))，或均匀分布排列(图8(d))，或其它图案。这个图的目的 是说明，对于基层不透明的双面双层彩色感光器件，正面和反面可以根据需要，采用任何图 案，而不一定非要完全一样。 图9(a)至图9(c)描述本发明中的一种基层透明的双面双层彩色感光器件的优 选实现，其中基层透明，正面采用广义贝叶图案排列的青，绿，蓝色，背面采用的是红或红外 色。在图示的例子中，红色和红+红外色各占一个对角线。
图10(a)至图10(c)描述本发明中的另一种基层透明的双面双层彩色感光器件的
优选实现，其中基层透明，正面采用蓝色，背面采用的是黄色，绿色，红或红外色。 图11 (a)和图11 (b)描述本发明中的又一种基层透明的双面双层彩色感光器件的
优选实现，其中基层透明，正面采用的蜂窝排列的蓝，绿，青色，背面采用的是蜂窝排列的红
或红外色。正面的象素与背面的象素，在几何位置上完全对应，以便正面的光，能够透过基
层，入射到背面。在图示的例子中，在背面，红色占据2/3的象素，而另外1/3的象素可以由
红或红+红外组成。 图12(a)和图12(b)描述本发明中的又一种基层透明的双面双层彩色感光器件的 优选实现，其中基层透明，正面采用的蜂窝排列的蓝色，背面采用的是蜂窝排列的红，绿，和 黄色。正面的象素与背面的象素，在几何位置上完全对应，以便正面的光，能够透过基层，入 射到背面。 图13(a)至图13(c)描述本发明中的一种基层透明的双面双层彩色感光器件的优 选实现，其中基层透明，正面采用的均匀排列的蓝色，背面采用的广义贝叶图案排列的红+ 红外，绿，和黄色。正面的象素与背面的象素，在几何位置上完全对应，以便正面的光，能够 透过基层，入射到背面。 图14(a)至图14(c)描述本发明中的一种基层透明的双面双层多光谱感光器件的
优选实现，其中基层透明，正面采用的均匀排列的空色，绿色，蓝色，和白(或白+红外)色，
背面采用的广义贝叶图案排列的红+红外，空，和白(或白+红外)色。正面的象素与背面
的象素，在几何位置上完全对应，以便正面的光，能够透过基层，入射到背面。 图15(a)至图15(c)描述本发明中的另一种基层透明的双面双层多光谱感光器件
的优选实现，其中基层透明，正面采用的均匀排列的空色，绿色，红色(或黄色)，和白(或
白+红外)色，背面采用的广义贝叶图案排列的蓝，空，和白(或白+红外)色。正面的象
素与背面的象素，在几何位置上完全对应，以便正面的光，能够透过基层，入射到背面。 图16显示的是一个采用基层透光的双面双层感光器件的双向感光系统示意图。
在这个系统中，中间的双面双层感光器件，由于基层透光，正面的感光象素能同时接受来自
正面的光和来自背面的光，而同样，背面的感光象素也能同时接受来自正面的光和来自背
面的光。为了能够分离出正面和背面的景象，系统中采用了一开一关的同步机械快门系统。
当位于正面的机械快门处于关的状态时，背面的快门就处于开的状态，反之亦然。 图17显示的是一个采用具备选向功能的双面双层感光器件的双向感光系统示意
图。在这个系统中，中间的双面双层感光器件，感光器件可以是采用了基层不透光的双向双
面双层感光器件，也可以是具有象素选向功能的双向双面双层感光器件。在此系统中，因为
感光器件具备选向功能，因而，不需要机械快门，感光器件能够同时接受正面和背面的光，
并在正面的象素上得到正面的景象，背面的象素上得到背面的景象。 图18显示的是一个准备用于制作具有象素选向功能的双面双层感光器件的做不 透明镀膜之前的情况。其中，图18(a)显示了此感光器件在受到正面光的照射时，将在正面 象素上得到青色，绿色，和蓝色，而在背面的象素上得到红色。图18(b)显示了当感光器件 在受到背面光的照射时，将在正面象素上得到黄色，绿色，和红色，而在背面的象素上得到 蓝色。注意到正面的象素是8个一组，而不是四个一组，才形成重复排列。即前四个象素与 后四个象素构成垂直镜象对称。这样排列的目的，是为下面图19中的不透明镀膜的对角排列做准备。 图19(a)和图19(b)显示的是一个用图18所示的双面双层感光器件做对角不透 明镀膜后，得到的双向感光器件。图19(a)左边显示的是在正面的反对角线的象素表面，做 有不透明镀膜。之后，当它受到正面光的照射时，正面的正对角线上将得到青色，蓝色和绿 色，而背面的正对角线上将得到红色；无论正面还是背面，由于(正面)反对角线上的不透 明镀膜，反对角线上的象素将得不到正面的光的任何信息。图19(b)右边显示的是在背面 的正对角线的象素表面，做有不透明镀膜。之后，当它受到背面光的照射时，背面的反对角 线上将得到蓝色，而正面的反对角线上将得到红色，绿色，和黄色；无论正面还是背面，由于 (背面)正对角线上的不透明镀膜，正对角线上的象素将得不到背面的光的任何信息。因 此，最后的结果是，此双向双面双层感光器件的正面，将得到正面的景象，而背面将得到背 面的景象，从而能够同时得到并分离正面和背面的景象。 图20 (a)和图20 (b)显示的是采用水平双行遮光镀膜的一种双面双层感光器件的 一种优选实现方式。图20(a)左面的图显示了正面的遮光镀膜及处于正面照射时的情况， 每隔两行，正面的感光象素外表面被镀以遮光镀膜，没有遮光镀膜的感光象素，分别按照广 义贝叶排列，感应青，蓝，绿的色彩光谱。图20(a)右面的图显示了处于正面照射时背面感 光象素的情况，对应于正面被镀以遮光镀膜的背面感光象素，因为得不到照明，所以不能感 应正面的光(但能感应背面的光)。而对应于正面没有遮光镀膜的背面感光象素，则能够感 应来自正面的红色的光。图20(b)右面的图显示了背面的遮光镀膜及处于背面照射时的情 况，每隔两行(刚好于正面的遮光镀膜交错)，背面的感光象素外表面被镀以遮光镀膜，没 有遮光镀膜的感光象素，感应蓝色光谱。图20(b)左面的图显示了处于背面照射时正面感 光象素的情况，对应于背面被镀以遮光镀膜的正面感光象素，因为得不到照明，所以不能感 应背面的光(但能感应正面的光)。而对应于背面没有遮光镀膜的正面感光象素，则能够感 应来自正面的红色，绿色，和黄色的光。没被镀膜的象素可以有多种排列和，图中仅仅是优 选图案之一。 图21(a)和图21(b)与图20(a)和图20(b)显示的情况类似，但镀膜的图案由每 隔两行改成了每隔一行，相应的没被镀膜的象素的排列，也做了调整。没被镀膜的象素可以 有多种排列和，图中仅仅是优选图案之一。 图22(a)和图22(b)与图20(a)和图20(b)显示的情况也类似，但镀膜的图案由 每隔两行改成了每两列，相应的没被镀膜的象素的排列，也做了调整。没被镀膜的象素可以 有多种排列和，图中仅仅是优选图案之一。 图23(a)和图23(b)与图20(a)和图20(b)显示的情况也类似，但镀膜的图案由 每隔两行改成了每隔一列，相应的没被镀膜的象素的排列，也做了调整。没被镀膜的象素可 以有多种排列和，图中仅仅是优选图案之一。 图24(a)和图24(b)显示的专门用于白(或白+红外)的黑白双向感光芯片的象 素选向的一种优选镀膜方式。采用这种方式能够得到较高的空间分辨率。黑白双向感光芯 片同样也可以采用图21至图24的水平或垂直镀膜方式。此图不应该被看成是本发明的象 素选向方法用于黑白双向感光芯片的一个限制。 图25显示的是一个准备用于制作具有象素选向功能的双面双层多光谱感光器件 的做不透明镀膜之前的情况。如图25(a)所示，此感光器件在受到正面光的照射时，将在正
10面象素上得到空色，绿色，蓝色，和白+红外色，而在背面的象素上得到空色，红色，和白+红 外色。如图25(b)所示，当感光器件在受到背面光的照射时，将在正面象素上得到k空色， 绿色，红色，和白+红外色，而在背面的象素上得到蓝色，空色，和白+红外色。注意到正面 的象素是8个一组，而不是四个一组，才形成重复排列。即前四个象素与后四个象素构成垂 直镜象对称。这样排列的目的，是为下面图26中的不透明镀膜的对角排列做准备。
图26(a)和图26(b)显示的是一个用图18所示的双面双层多光谱感光器件做对 角不透明镀膜后，得到的双向感光器件。图26(a)左边显示的是在正面的反对角线的象素 表面，做有不透明镀膜。之后，当它受到正面光的照射时，正面的正对角线上将得到空色，蓝 色绿色，和白+红外，而背面的正对角线上将得到红色，空色，和白+红外；无论正面还是背 面，由于(正面)反对角线上的不透明镀膜，反对角线上的象素将得不到正面的光的任何信 息。图26(b)右边显示的是在背面的正对角线的象素表面，做有不透明镀膜。之后，当它受 到背面光的照射时，背面的反对角线上将得到蓝色，空色，和白+红外色，而正面的反对角 线上将得到红色，绿色，空色，和白+红外色；无论正面还是背面，由于(背面)正对角线上 的不透明镀膜，正对角线上的象素将得不到背面的光的任何信息。因此，最后的结果是，此 双面双层感光器件的正面，将得到正面的景象，而背面，将得到背面的景象，从而能够同时 得到并分离正面和背面的景象。 图27(a)和图27(b)与图26(a)和图26(b)显示的情况类似，但镀膜的图案由每 隔两行改成了每隔一行，相应的没被镀膜的象素的排列，也做了调整。没被镀膜的象素可以 有多种排列和，图中仅仅是优选图案之一。 图28(a)和图28(b)与图26(a)和图26(b)显示的情况也类似，但镀膜的图案由 每隔两行改成了每两列，相应的没被镀膜的象素的排列，也做了调整。没被镀膜的象素可以 有多种排列和，图中仅仅是优选图案之一。 图29(a)和图29(b)与图26(a)和图26(b)显示的情况也类似，但镀膜的图案由 每隔两行改成了每隔一列，相应的没被镀膜的象素的排列，也做了调整。没被镀膜的象素可 以有多种排列和，图中仅仅是优选图案之一。 图30(a)和图30(b)显示的可分离白色和白+红外色的黑白双面双层多光谱感光 芯片的象素选向的一种优选镀膜方式。采用这种方式能够得到较高的空间分辨率。图30(a) 和图30(b)与图24(a)和图24(b)不同的地方在于，图30中的感光芯片能分离出可见光和 红外光。黑白双面双层多光谱感光芯片同样也可以采用图27至图29的水平或垂直镀膜方 式。此图不应该被看成是本发明的象素选向方法用于黑白双向感光芯片的一个限制。
图31显示的是一种采用了对角图案象素选向的，可同时用于可见光和红外光的 超高灵敏度的黑白感光器件。通过图31显示的对角图案优选镀膜方式，可在图24显示的 高灵敏度黑白多光谱双向感光芯片中增加或分离红外色的感应。 图32显示的是一种用双面感光器件来实现双向感光的简单的分区象素选向方 式.在这种实现中，通过遮光镀膜的方式，人为地限制正面的一个象素区域只能感应正面 的光，而背面的一个象素区域只能感应背面的光。
具体实施例方式
本发明的多光谱感光器件、制作方法和感光系统，主要是在具有一个或多个面的基层的每一个面上设置感光象素组，以实现同时获得不同方向的景象。需要了解的是，基层 的形状并不受限，例如其可以是长方形，圆饼状，6面体等等。在基层为不透明时，其形状的 设置有更大的选择性。而在基层为透明时，则优选采用两面薄长方体和六面体，以方便相对 面的对应象素位置的获取。 下面以基层为一平面体(厚度极薄的长方体)为例对本发明进行说明。这时，本 发明的感光器件实现的是双向感光，即基层正面感光和基层背面感光。本发明的一种简单 的实现双向同时感光的多光谱感光象素的感光芯片方法，是在同一个基层的正背两个面上 都设置用于感应来自其对应(外表面)方向的光的感光象素组，感光象素组包括至少一个 象素。如图6所示，基层不透明，因此，两个方向的光互不干扰。这样实现的双向感光芯片， 从正反两个方向来看，都是等同于一个单层的感光芯片。我们将这种感光芯片，叫做复合双 面感光芯片。图7显示的是一个采用青黄桃绿四色图案实现的双面双层感光芯片示意图。 这种实现从景象获取上相当于两个单层感光芯片的集成，然而两个单层感光芯片都有各自 的处理电路，在系统实现上，每个感光芯片都需要各自的布线连接系统的信号处理单元；而 本发明从物理实体上看，实际上是一个器件，不仅器件内部的光电转换电路等相关电路仅 需一套，器件外部的布线也仅是一套，不仅在经济上比两个单层感光芯片的集成要节约；而 在空间上也更加节省，更加适应当今数码产品的小型化，功能多样化的趋势。复合双面感光 芯片的正面和背面，可以采用不同的色彩和象素排列，即正面和背面的感光象素可具有相 同或不同的分布，并分别感应相同或不同的光谱。图8显示的是，当正面采用红绿蓝蜂窝排 列(图8(a))的时候，背面分别可以采用红绿蓝贝叶排列(图8(b))，红绿蓝蜂窝排列(图 8 (c))，及青黄桃绿四色图案排列(图8 (d))。这里仅是简单举例而已，不应被看成是这一发 明内容的限制。 —个用复合双面感光芯片做成的双向感光系统的示意图，如图17所示。其属于 本发明范畴的物理集成方式，有简单的特点，也可以开辟新的应用，但对于复合双面感光芯 片，由于其来自正面的光，不能达到背面，反之亦然。因而尚不能充分发挥双层感光芯片的 优点。 本发明的一种稍微复杂但更加优秀的实现上述目的的透射式双面感光芯片的技 术方案如下 首先，透明或几乎透明的基层(如超薄的一个硅N层或P层)被用作感应特定光 谱的双层感光芯片的分层线。该基层被分成正面和背面，正面设置感应第一组色彩的感光 象素，背面设置感应第二组色彩的感光象素。 其中，光谱包含蓝色，绿色，红色，和红外色的光谱。位于正面的第一组色彩选自空 色，蓝色，绿色，青色，白色，和白色+红外色的不多于四种的色彩。 设置色彩分层线(下文将结合图4(b)给予详细的说明)，使得正面设置的色彩， 当处于正面照射时，全都位于该分层线之上，背面设置的色彩全都位于该分层线之下。如图 4(b)所示，色彩分层线是在蓝色和绿色之间的分界线(第一条分层线)，或是在绿色和红色 之间的分界线(第二条分层线)，或是在红色和红外色之间的分界线(第三条分层线)，或 是红外色的最长感兴趣的波长界定线(第四条分层线)。 进一步的，背面中设置的每一个色彩的波长都比正面的对应位置处设置的色彩的 波长长，且背面的象素与正面的象素在位置上有对应关系，但图案可能不同。背面中设置的每一个色彩都与正面对应位置处的色彩的光谱总和在可见光空间(或可见光+红外光)正
交。所谓两个色彩正交，是指两个色彩感应的光谱(理论上)没有重叠部分。 再进一步地，背面中设置的每一个色彩都与正面中对应位置处的色彩的光谱总和
在可见光空间(或可见光+红外光)互补。所谓两个色彩在某个光谱内(如可见光，或可
见光+红外光)互补，是指两个正交的色彩感应的光谱，加起来刚好涵盖整个所述光谱(即
可见光，或可见光+红外光)。 再进一步地，当处于正面照射时，所述背面的第二组色彩包括取自空色，绿色，红
色，黄色，白色，红外，红+红外，黄+红外，和白+红外中的最多四种的色彩。 色彩按照同一排列(所有象素色彩相同)，水平排列(同一行的象素色彩相同)，
垂直排列(同一列的象素色彩相同)，对角排列(同一对角线的象素色彩相同)，广义贝叶
排列(一条对角线上的象素色彩相同，另外一条对角线上的象素色彩不同)，YUV422排列，
横向YUV422排列，蜂窝排列，或均布排列(四个象素均匀交错等距排列)来布置。这些排
列的图案的一部分，将在后文给予详细说明，另一部分可在相关文献中或本发明人在稍早
的《多光谱感光器件及其制作方法》(PCT/CN2007/071262)发明申请中找到。 正面也可包括一个含有第一组感应可见光的强度(白色)的感光象素，背面可包
括一个含有第二组感应红外光谱和可见光谱的强度(白+红外)的感光象素。这种作法通
常可用于黑白感光器件。 上述透射式双面感光器件有多种优选制作方法，其中两种分别如图9和图10所 示。图11和图12是一个采用了蜂窝排列的上述实现的例子。 感光芯片的正面或背面的象素可以具有方向上的对称性，此时，称该感光芯片为 双向对称感光芯片，所谓双向对称的感光芯片是指，该感光芯片可以从正面照射，也可以从 背面照射，而且，对于固定的照射方向，我们将感光芯片翻一个面，将得到相同的色彩。对于 对称的感光芯片设计，正面和背面可以互换。也就是说，当我们将芯片反一个面时，以上关 于正面和背面的陈述依然成立。对称性是满足双向感光的一个充分条件。对于只接收一个 方向的光信号的感光芯片设计，正面必须面对光源，否则芯片工作就可能不正常。这种单向 感光的感光芯片，在一个方向的性能上可能比满足对称性的双向感光芯片更优越。但双向 感光芯片能同时观察到两个方向的景象。 图11和图12是采用蜂窝排列的对称的彩色感光芯片的另一个例子。图14和图 15是包含了白色和红外光的对称多光谱感光芯片的一个例子。 采用了正交彩色分层线的对称感光芯片的一个特点就是，当光源改变方向的时 候，绿色不变，红色与蓝色互换，黄色和青色互换，空色与白色(或白+红外)互换。其原理 是通常感光象素吸收光谱的能力与其厚度有关，以蓝绿红为例，三者的波长依次为入1、 入2、 A3，且Al < A2< A3。如果光源从正面照射，设芯片正面某一位置的感光象素的 厚度设置使得其可以吸收A 1的光，因而呈现蓝色；芯片背面对应位置的感光象素的厚度 设置使得其可以吸收A2和^3，因而呈现绿+红=黄色；反之，当光源从背面照射，这时， 背面感光象素将吸收A 1和A 2的光，因而呈现蓝+绿=青色，正面吸收A 3的光，因而呈 现红色。即，对称的感光芯片的任一个面上的象素，在正面感光和背面感光时，将感应不同 的光谱，因而将得到不同的色彩。 当对称的双向感光芯片用于景象不同的两个方向时，显然，来自不同方向的光，不
13能同时打在同一个象素点上。否则就会出现混淆的图像。那么，怎么将透射式双面感光芯 片同时应用于不同的景象呢？至少有两种实现方法。 第一种将双向感光芯片用于景象不同的两个方向的优选实现方法是分时选向。在 这种实现中，在正面和背面的镜头后面分别装有一个同步机械快门。采用分时的手段，即正
面的快门与背面的快门分时开启，而在同一时刻，另一快门关闭，使得对称的双向感光芯片 在一个单一的时间段(比如奇数时间段)，只能收到来自正面的光，而在另一时间段(比如
偶数时间段)，只能收到来自背面的光。采用分时选向的双向影像系统如图16所示。
第二种将双向感光芯片用于景象不同的两个方向的优选实现方法是象素选向。在 这种实现中，象素阵列被分成正面感光组(如位于正对角线上的象素，或奇数行或奇数列 上的象素)和背面感光组(如位于反对角线上的象素，或偶数行或偶数列上的象素)。通过 在正面对背面感光组上的象素做遮光镀膜，并在背面对正面感光组上的象素做遮光镀膜， 我们就通过象素选向的方式，使得不同的象素感应了来自不同方向的光。象素选向虽然牺 牲了图像的空间解析度，并要求彩色象素图案作相应的调整，使得处于正面和背面感光组 上象素的都能够各自实现色彩重建，然而，其不需要像分时选向一样需要一个机械快门系 统，更加适用于空间有限的应用场景。图17显示的是采用了象素选向的双向感光芯片的双 向影像系统的结构示意图。后文中，我们将介绍几种双向感光芯片的几种象素选向的优选 实现方式。 第三种将双向感光芯片用于景象不同的两个方向的实现方法是简单的分区选向， 如图32所示。 本发明的多光谱感光将对光谱中对应的四个连续的谱段，即红，绿，蓝，和红外进 行感光。在此，我们将红外也一般化地称之为一个基本色彩。在许多应用中，红外可以被忽 略。此外，我们也对复合色彩谱段，如黄(对应于红和绿)，青(对应于绿和蓝)和白，进行 感光。 图4给出了感兴趣的色彩的光谱之间的关系，其中，图4(a)展示了不同色彩之间 的波长的关系，图4(b)展示了不同波长的光的入射深度。图4(b)中有四条色彩分层线，第 一条分层线是在蓝色和绿色之间的分界线，第二条分层线是在绿色和红色之间的分界线， 第三条分层线是在红色和红外色之间的分界线(第三条分层线)，第四条分层线是红外色 的最长感兴趣的波长界定线。虽然，每一层的感光象素，不一定非要做在同一高度，但如图 4(b)所示，如果正面只用某一分层线之上的色彩，而背面只用该分层线之下的色彩，那么， 正面和背面的色彩感光象素，都可各自在同一深度实现。同一面的色彩感光象素在同一深 度实现的好处是感光器件做起来容易很多。如图4(a)所示，其中背面的红比其上面的青或 蓝波长更长，黄比蓝的波长更长，而处于背面的白色感光象素，其正面就只好是空的，或透 明。黄和青由于有一个共同的绿色光谱，因此不能用在同一个象素的位置上。
空色(透明或全空的色彩)在正面(或被当作成在正面)实现。全色(白色或白 +红外)在背面(或被当作成在背面)实现。所以空色总是在每条分层线之上，而全色总是 在每条分层线之下。 为了简化本发明的描述，在此引进两个有用的概念补色和正交色。为此，我们将 称空色(透明或全空的色彩)也称之为一个基本色彩，它跟全色构成补色。本发明中的全 色对可见光而言是指白色，而对红外及可见光的组合光谱而言，是指白色+红外。
对于任一感兴趣的光谱空间(例如可见光谱，或可见光和红外的组合光谱)，两个色彩如果没有重叠的光谱段，就被称之正交。例如，红，绿，蓝相互之间都是正交的。另外，蓝与黄正交，青和红也正交。类似地，红外与整个可见光谱正交，因此，红外与所有可见光内的色彩，包括原色，补色，和白色，都正交。 对于任一感兴趣的光谱空间(例如可见光谱，或可见光和红外的组合光谱)，两个正交的色彩如果加起来对应于整个感兴趣的光谱段，就被称为互补。例如，对于可见光而言，青与红互补，蓝与黄互补，类似地，对于红外和可见光的组合光谱而言，红外与白光互补，而红+红外与青色互补。 图5中给出了一些在可见光内，或可见光和红外的组合光谱内正交或互补色彩对的例子，其中，图5(a)给出了可见光的互补和正交色彩对的举例，图5(b)给出了红外和可见光的正交色彩对的举例，可用于两层感光器件。 —旦某条分层线被确定，那么，正面的感光象素的色彩都应当在该分层线之上，而背面的感光象素的色彩则设置为与对应位置上的正面的色彩正交，而且从能量最大化的角度来看，最好互补。背面的感光象素的色彩没有必要全都在该分层线之下，但是，如果背面的感光象素的色彩都在该分层线之下的话，实现起来会简单很多。 一般而言，每一层不应包含超过四种的色彩，以便获得更好的空间分辨率。 将同一面的不同感光象素，根据保持较高的空间分辨率的优秀图案来排列，这些优秀图案包括但不局限于广义贝叶图案(如图9(b))， YUV422图案(YUYV排列)和蜂窝图案(如图3(a)和图3(b))。 本发明主要考虑象素按方型排列或蜂窝排列的感光器件，方型排列的象素可分解成为四个象素或八个象素一组的宏象素，而蜂窝排列的象素可分解成三个象素一组的宏象素。宏象素是可以通过简单复制就能得到整个象素阵列的最小的象素组，一般由两两相邻的象素组合而成。对于方型排列的象素，宏象素也可包含多于八个的象素。对于两层的感光器件，多于八个象素的宏象素的实现成本较高，而好处却不大。 —个四象素的宏象素在一个单层里，可以包含一种，两种，三种，或四种不同的色彩。如果一个四象素的宏象素只含一种色彩，那么，就只有一种排列，即同一排列。如果一个四象素的宏象素包含两种色彩，那么，就有三种排列即对角排列(对角象素色彩相同)，垂直排列(垂直象素色彩相同)，和水平排列(水平象素色彩相同)。如果一个四象素的宏象素包含三种色彩，那么就有很多可能性，但可归类为是广义贝叶排列(相同两色放在对角线上)，YUV422排列(相同两色垂直排列)，横向YUV422排列(相同两色水平排列)。如果一个四象素的宏象素包含四种色彩，那么，所有的图案都称为均布排列，因为怎么放都是对称的。在本发明的优选实现里，八个象素的宏象素是将后面的四个象素按照镜象对称的方法，将前面的四个象素做镜象复制。 —个三象素的宏象素在一个单层里，可以包含一种，两种，或三种不同的色彩，总共有十三种可能性。蜂窝排列本身可以做成对垂直方面的分辨率有利的垂直对齐方式(如图3(a))和对水平方面的分辨率有利的水平对齐(如图3(b))两种。我们将把三个象素的宏象素的排列统称为蜂窝排列，不管它包含有几个象素。 图6(a) 、 (b)、和(c)分别给出了按贝叶排列的双面双层彩色感光器件的一种优选实现，正面包含红，绿，蓝三色，按照贝叶排列，而背面也采用完全相同的色彩和排列。中间
15的基层不透明，这样，正面的感光象素只能感应来自正面的光，而背面的感光象素只能感应 来自背面的光。 图7 (a) 、 (b)、和(c)给出将青黄桃绿做均匀排列的双面双层彩色感光器件的一种 优选实现，正面(即正面)包含青，黄，桃，和绿色，做均匀排列，而背面(既背面)也采用完 全相同的色彩和排列。中间的基层不透明，这样，正面的感光象素只能感应来自正面的光， 而背面的感光象素只能来自背面的光。 基层不透明的实施方法的优点是简单可行，相当于将两个普通的贝叶式感光芯片 做简单的集成。 图8(a)、(b)、(c)和(d)是为了说明对于基层不透明的双面双层感光器件，正面和 背面完全可以采用不同的色彩和排列方式。例如，图8(a)显示的是一个采用了红绿蓝蜂窝 图案的正面，而反面却可以采用图8(b)所示的红绿蓝贝叶图案，也可以采用如图8(c)所示 完全一样的红绿蓝蜂窝图案，也可采用图8(d)所示的青红桃绿色彩均布图案。当然，更多 的图案和色彩搭配都是可能的。 基层不透光的双面双层彩色感光芯片，可用于双向感光系统。 一个将如图6至图8 所示的基层不透光的彩色感光芯片用于双向感光的系统优选实现方法如图17所示意。由 于基层不透明，因此，所述感光芯片的两面，可同时接受来自正面和背面的光。感光芯片的 正面将得到正面的景象，而感光芯片的背面将得到背面的景象。我们将这种(基层不透光 的)选向方式称之为隔离选向。 下面以图8为例，总结本发明中基层不透光的双面双层彩色多光谱感光器件及相 应的双向感光系统的制作方法 制作一个不透光的基层，在基层的正面，按照第一组的色彩图案(如贝叶图案，蜂 窝图案，青黄桃绿图案，等等)做成彩色多光谱感光器件；所选色彩和图案由应用决定，不 受限制。 基层的背面设置感应第二组色彩的感光象素，按照第二组的色彩图案(如贝叶图 案，蜂窝图案，青黄桃绿图案，等等)做成彩色多光谱感光器件所选色彩和图案由应用决 定，不受限制，并且可以与正面的情况完全不同。 在所述的彩色多光谱感光器件的两面，各自装上镜头；在此系统中，如果装设快 门，主要是为了控制曝光。 在图9所示的优选实现中，基层透光，正面分别含有蓝色，绿色，和青色。能量光谱 更宽的青色，将占据更多的象素，如图9(b)所示的一个对角，而其背面含有感应红色或感 应红色加红外光谱的感光象素。 设置色彩分层线(见图4(b)的说明)，使得正面设置的色彩全都位于该分层线之 上，背面设置的色彩全都位于该分层线之下。所述色彩分层线是在蓝色和绿色之间的分界 线(第一条分层线)，或是在绿色和红色之间的分界线(第二条分层线)，或是在红色和红 外色之间的分界线(第三条分层线)，或是红外色的最长感兴趣的波长界定线(第四条分层 线)。图9(a)中的色彩分层线是红色与绿色交界的地方。 进一步地，正面的色彩按照同一排列，水平排列，垂直排列，对角排列，广义贝叶排 列，YUV422排列，横向YUV422排列，蜂窝排列，或均布排列来布置。背面设置的每一个色彩 的波长都比正面对应位置处设置的色彩的波长更长。图9(b)显示的是广义贝叶排列。
进一步地，使背面设置的每一个色彩都与正面对应位置处的色彩在可见光空间或可见及红外光空间正交，进一步的优选是，使背面设置的每一个色彩都与正面对应位置处的色彩在可见光空间或可见及红外光空间互补。 在图IO所示的优选实现中，基层透光，正面全部由蓝色组成，而其背面含有感应绿色，红色，和黄色的感光象素。能量光谱更宽的黄色，将占据更多的象素，如图10(a)所示的一个对角。图10(a)中的色彩分层线是蓝色与绿色交界的地方。注意到，在此图中，我们将正面画在了下面，目的是表明，所谓正面和背面，完全决定于(光的)方向的选定。
进一步地，背面的色彩按照同一排列，水平排列，垂直排列，对角排列，广义贝叶排列，YUV422排列，横向YUV422排列，蜂窝排列，或均布排列来布置。背面设置的每一个色彩的波长都比正面对应位置处设置的色彩的波长长。图10(b)显示的是广义贝叶排列。
进一步地，使背面设置的每一个色彩都与正面对应位置处的色彩在可见光空间或可见及红外光空间正交，进一步的优选为，使背面设置的每一个色彩都与正面对应位置处的色彩在可见光空间或可见及红外光空间互补。 图10与图9的差别主要是分层线的选定。这个差别，导致了图10中感光器件与图9中感光器件在方向上的对称性。图9和图10所示的就是前述双向对称的感光芯片的一个例子。如果光来自图9中的正面，那么，图9显示的就是正面感光时的情况，而图10显示的就是这个感光芯片背面感光时的情况。反过来，如果光来自图10中的正面，那么，图10显示的就是正面感光时的情况，而图9显示的就是这个感光芯片背面感光时的情况。也就是说，图9和图10是同一个感光芯片分别从正面照射和背面照射时得到的色彩情况。
又一类双面双层的彩色多光谱感光器件，如图13(a)， (b)，和(c)所示，可同时感应可见光和红外光。其中，红外总是在背面(背面)，并且要么是独立色彩，要么跟另一个色彩合在一起(如白+红外或红+红外)。正面(正面)包含蓝色，而背面的各位置使用的色彩则是跟正面的蓝色正交的绿色，黄色，和红+红外色。此优选实现是一个将彩色和红外色感光器件合在一起的例子。为了让红+红外色得到更高的空间分辨率，红+红外色占据了背面的一个对角。对应位置的正面和背面的象素在可见光+红外光谱内正交。
又一类双面双层多光谱彩色感光器件，如图14(a)和(b)所示。图14所示的是一个更为复杂优选实现的一个例子。在本实施例中，虽然白色包含了分层线以上的谱段，如我们前面所述，因为对应的正面色彩是空的或透明的，白色可以也应该在背面实现。在这个实现中，彩色，白色，还有红外色，被同时采用。图14(a)显示的是色彩分层的情况，图14(b)显示的是正面包含有空色(透明)，绿色，蓝色(或青色)，和白色(或白+红外)，而图14 (c)显示的是背面空色，红色(或红+红外)，还有白色(或白+红外)。对应位置的正面和背面的象素在可见光+红外光谱内正交。 图15所示的是图14所示的感光芯片用于背面照射时的可能情况。 图9和图10实际上是一个双向对称感光芯片的从正面和背面照射时的情况。图
11和图12与图9和图10的优选实现方法是一样的，只是采用了红绿蓝蜂窝排列而已，也构
成一个双向对称感光芯片。图14和图15所示的感光芯片则是在可见光及红外光谱内双向
对称。这些双向对称的感光芯片的一个共同的特点就是，基层透明而且没有象素选向功能。
此类感光芯片可用于只接受一个方向的光，也可用于双向感光。 当基层透明且不具备象素选向功能的双向感光芯片被用于双向感光时，来自两个
17方向的光，将同时在正面和背面的感光象素上产生作用，从而正面和背面的景象会混在一
起。 一个分离正面和背面景象的优选实现方法是采用如图16所示的同步双快门系统。其中
正面的快门和背面的快门总是处于一开一关状态，使得在任一时间内，感光芯片只能得到
正面或者背面的光，但不能同时。这个方法叫做分时选向，即通过同步双快门的快速切换，
我们能在不同的时间段，在同一个双向感光芯片上得到不同方向的景象。 下面以图13为例，总结本发明中基层透光的双面双层彩色多光谱感光器件及相
应的双向感光系统的优选制作方法 制作一个透光的基层，在基层的正面，从空色，蓝色，绿色，青色，和白色中，选用不 多于四种的色彩(第一组色彩)，按照选定的色彩图案(如贝叶或广义贝叶图案，蜂窝图案， 青黄桃绿图案，YUV422图案等等)做成彩色多光谱感光器件； 设置色彩分层线(如图4(b)所示)，使得除空色外，正面设置的色彩全都位于该分 层线之上，背面设置的色彩全都位于该分层线之下，并且分层线之下的色彩的波长，比分层 线之上的波长长。 在基层的背面设置感应第二组色彩的感光象素，所述感光象素与正面的象素在位 置上有重叠对应关系；每个背面的象素与对应位置上的正面的象素在可见光或可见光及红 外光谱内正交或互补。更进一步地，背面的感光象素，选自空色，绿色，红色，黄色，白色，红 外，红+红外，黄+红外，和白+红外中的最多四种的色彩。 如果将此感光器件用于双向感光，那么，如图16所示的分时选向方式，将被优选 使用来做正面和背面的景象隔离。此感光器件当然也可以用来专注于一个方向。
另外一种实现选向感应的方法是象素选向。下面将描述几个优选实现。
图18显示的是准备用于象素选向双向感光芯片的对称双面双层感光芯片的象素 排列图案。图18(a)显示的是当此感光芯片处于正面照射时的情况，图18(b)显示的是当 此感光芯片处于背面照射时的情况。如果我们将正面处于反对角线上元素做遮光镀膜，如 图19(a)所示，并在背面处于正对角线上元素做遮光镀膜，如图19(b)所示，我们就得到具 有象素选向功能的双向感光芯片。在图19所示的感光芯片里，处于正对角线上的正面和背 面的象素，感应的全是来自正面的光，而处于反对角线上的正面和背面的象素，感应的全是 来自背面的光，从而达到象素选向的目的。 象素选向是通过在正面和背面的不同象素上，做遮光镀膜来实现的。遮光镀膜的 图案可以有很多种。除了图19所示的对角图案外，还有图20所示的双行水平图案，图21 所示的隔行水平图案，图22所示的双列垂直图案，还有图23所示的隔列垂直图案。这些图 案，以及后面其它优选实现的象素选向图案，仅仅是作为解释本发明的精义所举的例子，而 不应看成是本发明的所有个例和限制。采用对角象素图案时，为了得到均匀的象素分布，彩 色象素将以8个象素一组来重复，而不是像其他图案一样，以四个或三个一组来重复。
当象素选向双向感光芯片涉及白光和红外光时，象素选向的图案就又要复杂一 些。由于多光谱感光是本发明的一个重要应用，我们下面将列举更多的优选实现。
图24显示的是专门用于白色和红外光谱的象素选向双向感光芯片。在这个感光 芯片中，没有彩色，只有白色或白色+红外色。这种感光芯片可以用于需要超高灵敏度的双 向感光系统。 图25显示的是准备用于象素选向双向多光谱感光芯片的对称双面双层感光芯片的象素排列图案。这个感光芯片含有红，绿，蓝，空，和白色。图25(a)显示的是当此感光芯片处于正面照射时，正面和背面的色彩情况及彩色象素排列。图25(b)显示的是当此感光芯片处于背面照射时，正面和背面的色彩情况及彩色象素排列。如果我们将正面处于反对角线上元素做遮光镀膜，如图26(a)所示，并背面处于正对角线上元素做遮光镀膜，如图26(b)所示，我们就得到具有象素选向功能的双向感光芯片。在图26所示的感光芯片里，处于正对角线上的正面和背面的象素，感应的全是来自正面的光，而处于反对角线上的正面和背面的象素，感应的全是来自背面的光，从而达到象素选向的目的。 同样地，对于含有白色和红外色的象素选向多光谱双向感光芯片，除了图26所示的对角图案外，还可以采用图27所示的双行水平图案，图28所示的隔行水平图案，图29所示的双列垂直图案，还有图30所示的隔列垂直图案。 如果需要在图24显示的高灵敏度黑白多光谱双向感光芯片中，增加或单独分离出红外色来，那么，可以采用图31所示的对角图案和象素分布。其中，正面的八个一组的象素单元中，反对角线上的象素有遮光镀膜，正对角线上分布有白色+红外色，两个空色，和一个白色(或红外色)。背面的八个一组的象素单元中，正对角线上的象素有遮光镀膜，反对角线上分布有白色+红外色，两个空色，和一个白色(或红外色)。 下面以图30为例，总结本发明中基层透光的具有象素选向的双面双层彩色多光谱感光器件及相应的双向感光系统的优选制作方法 制作一个透光的基层，在基层的正面，从空色，蓝色，绿色，青色，和白色中，选用不多于四种的色彩(第一组色彩)，按照选定的色彩图案(如贝叶或广义贝叶图案，蜂窝图案，青黄桃绿图案，YUV422图案等等)做成彩色多光谱感光器件； 设置色彩分层线(如图4(b)所示)，使得除空色外，正面设置的色彩全都位于该分层线之上，背面设置的色彩全都位于该分层线之下。分层线之下的色彩的波长，比分层线之上的波长长。 在基层的背面设置感应第二组色彩的感光象素，所述背面的感光象素与正面的象素在位置上有重叠对应关系；每个背面的象素与对应位置上的正面的象素在可见光或可见光及红外光谱内正交或互补。更进一步地，背面的感光象素，选自空色，绿色，红色，黄色，白色，红外，红+红外，黄+红外，和白+红外中的最多四种的色彩。 按照某种优选的图案，如图26至30所示的对角图案，水平隔两行图案，水平隔行图案，垂直隔两列图案，垂直隔列图案，在正面的部分象素表面涂或喷上遮光镀膜，而在另一部分的背面的象素上，在背面也涂或喷上遮光镀膜，使得对应正面无遮光镀膜的(正面和背面的)象素，只能感应正面的光，而对应背面无遮光镀膜的(正面和背面的)象素，只能感应背面的光。 此感光器件主要用于双向感光，由于具有象素选向功能，可以采用图17所示的简单镜头系统。快门是可有可无的。 本领域的普通技术人员能够理解，对于其它图例的(双向或单向的)全光谱彩色感光器件的制作方法与此相同或类似，在此从略。 本领域的普通技术人员也能够理解，通过变化正面(正面)和背面(背面)的色彩和排列方法，可以产生许多与以上的优选法实现不同的实施方法。 本发明既可以用滤光膜来制作彩色感光器件，也可以不用滤光膜来制作彩色感光器件。但由于滤光膜会吸收光能，而部分被吸收的光能通常转化成了热噪声，本发明优选不
用滤光膜来最大程度地将光照明转换成电子信号阵列来制作图像感光器件。 本发明通过在多光谱感光器件的一个基层的两面或更多面设置感光象素，不仅从
物理结构上优化实现了双面双层设计，而且能够同时感应两个方向的不同景象，从而以同
一器件而能得到不同方向的不同景象，可以节省空间和经济上的成本。对于不透明基层，是
通过隔离选向方式实现在同一个感光芯片同时看到并分离处于两个相反方向的景象。对于
透明基层，可以通过巧妙地安排正面和背面的象素，在保证完全的色彩重建的基础上，以较
低的成本最大化地使用入射光的能量，或取得最高的空间分辨率，或获得最宽广的色彩表
现范围。而通过分时选向或象素选向的方式，实现在同一个感光芯片同时看到并分离处于
两个相反方向的景象；而当不使用选向手段时，例如在航天，工业，和特技摄影等应用中，也
可以轻松地实现两种景象的合成。 本发明通过前述双面、双向、双层等感光方式的应用，从而能够以单一感光器件用 于双向感光系统，极大地降低系统成本，减少尺寸，减少系统复杂度；且使得一些需要在同 一个系统上接受到多光谱或多方向(或来自两个方向的多光谱信号)的应用，成为可能。例 如，目前用于检查病人的肠胃系统的药丸相机，只在一头装有照相头。为获得肠胃系统某一 位置的图像，可能需要多次的拍摄，从而给病人带来极大的痛苦及巨大的经济花销。为此， 则需要提高单次拍摄的拍摄范围，而如果需要在药丸相机的另一端也装有照相头，采用现 有技术手段，就必须在一个非常小的空间内，装两套系统，实现上有较大的难度。而采用本 发明，只需在另一头增加一个镜头而已，其感光芯片仍旧只是采用一片，不仅对空间的要求 不高，而且经济成本也低于两套系统的花销，更进一步的，如果将基层制成正六面体，甚至 可以同时感应上下左右前后六个方向的景象，极大的提高了单次获得所需图像的可能性。 此外，本发明可以在一个监控相机上，监控前后两个方向，对于很多装有前后两个摄像头的 3G手机，采用本发明，可用一个双向摄像头来取代，通过电子或机械切换来实现前后景象的 切换。对于一些高级宾馆的监控系统来说，其如果要监控楼道的两端的景象，采用本发明， 就可以不再需要两套监控系统分别监视两个方向，而只需一套监控系统就能完成必要的监 控。或者在现代军队中的单兵作战设备中，通常在作战头盔上需要装设夜视监控系统，如 果需要监控前后两个方向，需要两套监控系统，对于要求轻便的单兵作战设备来说，并不适 宜。而采用本发明，只是需要两个镜头，其感光系统只是一套，因而可以节省单兵作战设备 的经济成本和整体重量。 虽然本发明以优选的实现为例来加以描述，但这种揭示不应被理解为具有限制 性。对于那些精于图像感光器件(如半导体芯片)又熟读本文的人来说，许多变化和发挥 都是可能的，这些变化和发挥仍然落在本发明的范畴，只要它们属于本发明的真正精髓和 简单变化。
权利要求
一种多光谱感光器件，其特征在于，包括至少一个不透明的基层；每一基层具有至少两个面，每个面上都设置有感光象素组，各个感光象素组用于感应其所在面的正面方向照射来的任选光谱的光。
2. 如权利要求1所述的多光谱感光器件，其特征在于，所述基层为一个，该基层具有两 个感光面，所述两个感光面各自含有相同或不同分布的感应各种光谱的感光象素。
3. 如权利要求1-2所述的多光谱感光器件，其特征在于，所述任选光谱包括兰色，绿 色，红色，青色，黄色，白色，红外色，红色+红外光谱，黄色+红外光谱，及可白光+红外光谱 中的一种或多种。
4. 如权利要求1-3所述的多光谱感光器件，其特征在于，所述基层的每个面的前方各 装有一套镜头。
5. —种多光谱感光器件的制作方法，其特征在于，包括 制作至少一个不透明的基层，每一基层具有至少两个面；在基层的每个面上都设置感光象素组，各个感光象素组用于感应其所在面的正面方向 照射来的任选光谱的光。
6. —种多光谱感光器件，其特征在于，包括至少一个透明的基层；每一基层具有至少 两个面，每个面上都设置有感光象素组，各个感光象素组用于感应其所在面的正面或背面 方向照射来的任选光谱的光。
7. 如权利要求6所述的多光谱感光器件，其特征在于，所述基层为一个，该基层具有两 个感光面，所述两个感光面各自含有相同或不同分布的感应各种光谱的感光象素。
8. 如权利要求6-7所述的多光谱感光器件，其特征在于，所述任选光谱包括兰色，绿 色，红色，青色，黄色，白色，红外色，红色+红外光谱，黄色+红外光谱，及可白光+红外光谱 的一种或多种。
9. 如权利要求6-8所述的多光谱感光器件，其特征在于，从一个方向照射时，处于背面 的感光象素所感应的光谱，与正面相同位置上的感光象素所感应的光谱正交。
10. 如权利要求6-9所述的多光谱感光器件，其特征在于，从一个方向照射时，处于背 面的感光象素所感应的光谱，与正面相同位置上的感光象素所感应的光谱互补。
11. 根据权利要求6-10所述的多光谱感光器件，其特征在于，还包括选向装置，所述选 向装置用于在选定某一面上的全部或部分象素进行感光时，遮挡该面对称面上的对应位置 的象素。
12. 根据权利要求ll所述的多光谱感光器件，其特征在于，所述选向装置为同步多快 门系统，所述同步多快门系统中的各个快门设置于所述基层的各个面的前方，位于一组的 两个正背相对的两个面的前方的两个快门在同一时刻分别处于一开一关状态。
13. 根据权利要求ll所述的多光谱感光器件，其特征在于所述选向装置为遮光镀膜， 所述遮光镀膜按预设象素选向的图案覆设所述基层的各个面上的部分象素，且同一位置上 的处于正背相对面的两个象素，只有最多一个象素覆设有遮光镀膜。
14. 根据权利要求11和13所述的多光谱感光器件，其特征在于，所述象素选向的图案 选自对角图案、水平隔两行图案、水平隔行图案、垂直隔两列图案，垂直隔列图案，和分区图 案。
15. 根据权利要求6-14任意一项所述的多光谱感光器件，其特征在于所述正面和背面的象素具有方向的对称性。
16. 如权利要求6-15任意一项所述的多光谱感光器件，其特征在于，所述基层的每个面的前方各装有一套镜头。
17. —种多光谱器件的制作方法，其特征在于包括 制作至少一个透明的基层；每一基层具有至少两个面；在基层的每个面上都设置感光象素组，各个感光象素组用于感应其所在面的正面或背 面方向照射来的任选光谱的光。
全文摘要
本发明涉及一种多光谱感光器件及其制作方法，包括至少一个不透明的基层；每一基层具有至少两个面，每个面上都设置有感光象素组，各个感光象素组用于感应其所在面的正面方向照射来的任选光谱的光。或者包括至少一个透明的基层；每一基层具有至少两个面，每个面上都设置有感光象素组，各个感光象素组用于感应其所在面的正面或背面方向照射来的任选光谱的光。本发明以同一器件实现双向感光，能够感应两个方向的不同景象，也可用于单向感光，以提高感光器件的性能。
文档编号H01L21/70GK101740587SQ200810217270
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月5日 优先权日2008年11月5日
发明者胡笑平 申请人:博立码杰通讯(深圳)有限公司