固态成像装置、信号处理装置、摄像机及光谱装置的制作方法

专利名称：固态成像装置、信号处理装置、摄像机及光谱装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在数字摄影机等类似装置中使用的固态成像装置，更具体涉及一种用滤色层(filter)去除对固态成像装置中的光电二极管敏感的波长范围中的不需要波长的光以及用于从经过该滤色层产生的电信号中产生色彩信号的技术。
背景技术：
传统的固态成像装置按照使用单传感器装置或使用多个传感器装置的彩色成像方法来执行色彩分离。在使用多个传感器装置的彩色成像方法中，通过使用一个色彩分光棱镜分离图像的色彩、并且通过使用三个或四个固态成像装置将该分离的图像转换为电信号来获得彩色信号。与此对比，在使用单个传感器装置的彩色成像方法中，通过使用形成在该一个固态成像装置中的三个或四个芯片上彩色滤色层分离图像来获得彩色信号，该固态成像装置将该色彩分离的图像转换为电信号。该使用单个传感器方法的彩色成像使用基色滤色层或互补滤色层，这依赖于图像将要被分离的色彩的情况。例如，在一个基色滤色层的情况下，图像被分离为三种颜色；红(R)、绿(G)和蓝(B)，而在互补滤色层的情况下，图像被分离为四种颜色青色(Cy)、紫色(Mg)、黄色(Ye)和绿色(G)(例如，参照文献1)。
不管该传统的方法使用单个传感器还是多个传感器，一个共同的特点是图像被分为二维排列的像素，并被转换为电信号。
为此，以下仅描述使用单个传感器的固态成像装置，并省略了使用多个传感器装置的彩色成像方法的说明。
此外，由于用于将该图像转换为电信号的方法对于两种方法来说是共有的，且该仅有的差别是在于通过分离所获得的颜色，使用单个传感器装置的彩色成像方法是以使用基色滤色层而不是互补滤色层来描述的。
<传统的固态成像装置的结构>
图15A是传统固态成像装置中的光电转换单元的上表面视图，图15B示出了该光电转换单元向箭头方向看去的横断面J-J′视图。
注意的是，在该光电转换单元10中的像素聚集成被称为像素单元的组，并且为了简洁，这里只示出一个像素单元(二乘二像素)。
正如可从图15A和15B中看到的，该光电转换单元10由二维排列的像素组成。每个与一个像素对应的像素单元是图像中的最小单元。
该像素1至4具有光电二极管12形成在半导体衬底11中的结构，绝缘膜13、光屏蔽膜14、用于平坦化的绝缘膜16以及滤色层17r、17b和17g(每个像素一个)以所述顺序形成在光电二极管12已形成于其中的半导体衬底11上。该光屏蔽膜14有窗孔15形成在其中。该光电二极管12、绝缘膜13以及光屏蔽膜14是按照晶片制造方法来形成的，并且该滤色层17r、17b以及17g按照芯片上滤色层制造方法形成在绝缘膜16的表面上。
该芯片上滤色层制造方法包括将树脂膜涂于该绝缘膜的表面、使用一个热掩模暴露该树脂膜并且然后显影该树脂膜，由此形成着色图形。使用色素、染料等在该图形中形成滤色层。
按照拜耳图形给每个像素分配颜色，以及为每个像素形成该分配的颜色的滤色层。这里，构成一个组的三个像素中的每一个有一种不同的颜色。如图中示出的一个实例，每个像素1和4都有绿色滤色层17g，像素2有蓝色滤色层17b以及像素3有红色滤色层17r。
此外，一种红外线截止滤色层18设置在像素1至4的滤色层17r、17g和17b的上方。
入射到该光电转换单元10上的光经过该红外线截止滤色层18，然后是该滤色层17r、17g和17b，并经过该窗孔15而被光电二极管12光电变换为电子。
图16是示出光电二极管的光谱敏感度特性以及人眼的敏感度特性的曲线图。
在该图中，曲线51示出使用硅PN结的光电二极管的光谱敏感度，同时曲线52示出人眼的敏感度特性。
如曲线51所示，从可见光到红外线的波长范围，使用硅PN结的光电二极管对于300纳米到1100纳米范围内的光特别敏感，且在600纳米到750纳米敏感度最高。
这里，可见光是一种380纳米到780纳米范围内的电磁波，并且诸如紫色、蓝色、绿色、橙色以及红色(按照波长的长度排列)等色彩人眼是可以感觉到的。红外线是一种波长比可见光长的电磁波，并按照距离可见光的远近分为近红外光(0.78微米至3微米)、中红外光(3微米至30微米)以及远红外光(30微米至1毫米)。
如从曲线52可见，与光电二极管形成对比，视觉敏感度被表示为人眼敏感度特性的峰值为光波长555纳米(绿光)，并且当光波长变得更短(向蓝光边)和更长(向红光边)时视觉敏感度均减小。
该曲线51和52表明有必要尽可能消除可见范围之外的红外线对用于数字摄影机的固态成像装置中的光电二极管12的影响。这是因为重要的是能够测量在人眼可见范围内的光的数量。
为此，在光电转换单元10中设置红外滤色层18。
为获得彩色信号，通过在光电二极管12之上提供滤色层17r、17g和17b，而在光电转换单元10中获得光电变换的一定程度的性能，该彩色信号是与进一步提供在滤色层17r、17g和17b之上的该红外线截止滤色层18相耦合。
然而，除该晶片制造方法外，当制造该固态成像装置时为了形成该滤色层和该红外线截止滤色层，需要芯片上的滤色层制造过程。换句话说，执行多个制造过程的必要性造成固态成像装置存在耗时间并且成本高的问题。
此外，如果将制造一种具有在一定程度之上的性能的光电转换单元，则有必要制造具有精确光谱特性的滤色层和红外线截止滤色层。这也造成成品率下降以及制造成本高的问题。
文献1ANDO，Takao和KOMOBUCHI，Hiroyoshi，Kotai Satuzo Soshi noKiso，Denshi no Me no Shikumi(固态成像装置的基本原理电子眼的结构)，NihonRiko Shuppankai，1999年12月5日，pp.183-188发明内容鉴于所描述的问题，本发明的目的是提供固态成像装置、产生由该固态成像装置输出的色彩信号的信号处理装置、其中使用该固态成像装置的摄影机、以及光谱装置，这样使得减少了制造时间和成本，并且提高了成品率，同时还获得等于或优于传统固态成像装置的高画面质量。
为了解决所述的问题，本发明是一个固态成像装置，包括多个光电二极管，每一个光电二极管将接收的光变换为电信号；以及一个光屏蔽膜，具有形成在其中的多个窗孔，该光屏蔽膜提供在该光电二极管之上，并通过夹在该光屏蔽膜与该光电二极管之间的绝缘膜与该光电二极管隔离，其中该窗孔允许一个预定波长以下的波长的光通过。
按照所述的结构，在本发明的固态成像装置中，提供在该光屏蔽膜中的窗孔起到高通滤波器的作用，并能截止预定波长以及更长波长的光。特别地，因为该光屏蔽膜中的窗孔截止具有比确定波长长的的波长的光，所以该固态成像装置中可以省略红外线截止滤色层以及彩色截止滤色层。此外，可显著降低该红外线截止滤色层阻挡红外光以及该滤色层的光谱特性的精确度。
例如，如果该预定波长是在可见光边缘的波长，并且在该光屏蔽膜中提供截止处于可见光边缘的波长的窗孔，则可以显著降低该红外滤色层截止红外光的精确度。
这是因为即使红外线通过该红外线截止滤色层，这些红外线也将被该窗孔截止并且因此不会到达光电二极管。
类似地，对于试图通过该滤色层的比可见光的波长长的光，该滤色层的光谱特性的精确度可能被显著降低。
换句话说，可以省略红外滤色层或提供在截止红外光时具有显著降低精确度的红外滤色层，并且可以省略该滤色层，或对于试图通过该滤色层的比可见光的波长长的波长提供具有显著降低光谱特性的精确度的滤色层。结果，可以简化该固态成像装置的制造过程，并且可以显著改进红外线截止滤色层和滤色层的成品率。
因此，该所述的结构能够减少固态成像装置的制造时间、成本并改进成品率。
此外，可以降低该红外滤色层和该滤色层的材料特性，并且用于该红外滤色层和该滤色层的材料可以从一个扩大的材料范围中选择。
此外，该光电二极管可以分别与所获取图像的每个最小单元的像素相对应，并且每个光电二极管可以具有提供在其上的不同的一个窗孔。
按照所述的结构，对于每一个像素可以限定接收的光的频率。因此，从每个像素中可以省略该滤色层，或可以显著地降低该红外滤色层和该滤色层的光谱特性。
此外，按照该预定的波长可以限定每一个窗孔的形状和尺寸。
按照所述的结构，通过改变该窗孔的形状和尺寸可以改变被该窗孔截止的波长。
此外，这些窗孔可以由N(N是一个自然数)种不同类型的窗孔组成，对于每种类型的窗孔来讲该预定波长可以是不同的，该光电二极管总共是N个，并且该N个光电二极管中的每一个可以具有提供在其上的N种类型窗孔中的一种不同的窗孔。
按照所述的结构，按照不同波长所产生的电荷可以集中在每一个光电二极管中。因此，可以获得一个电信号，该电信号是与一种通过高精确度滤色层的频率的光的电信号等效。
此外，基于一个用于将组成元素是N种电信号的列向量转换为组成元素是第一彩色系统的M种彩色信号的列向量的M(M是一个自然数)乘N矩阵，该固态成像装置可以从通过该N个光电二极管接收的光所产生的N种电信号中产生第一彩色系统的彩色信号。
按照所述的结构，可以从电信号中产生彩色信号，所述电信号是通过简单汇集在特定波长范围内的光所产生的电荷来产生的，而不是不同波长所产生的电荷从使用滤色层获得的光中所产生的诸如红、绿和蓝三原色彩色信号的电信号中产生的。
此外，基于一个用于校正其组成元素是第一彩色系统的彩色信号的列向量的M乘M矩阵，该固态成像装置可以将色彩校正应用于第一彩色系统的彩色信号。
按照所述的结构，即使该产生的彩色信号背离所需要的色彩，但通过校正该彩色信号可以重现所需要的色彩。
此外，基于一个L(L是一个自然数)乘M矩阵(该矩阵用于将组成元素是第一彩色系统的彩色信号的列向量转换为组成元素是第二彩色系统的彩色信号的列向量)，该固态成像装置将该第一彩色系统的彩色信号转换为第二彩色系统的彩色信号。
按照所述的结构，即使产生的彩色信号属于一个不同于彩色信号的所需要的彩色系统的彩色系统，但基于该不同彩色系统的彩色信号可以产生所需要的彩色系统的彩色信号，并且因此可以重现所需要的彩色系统。
此外，该固态成像装置可以将色彩校正应用于第二彩色系统的彩色信号，色彩校正是基于一个用于校正其组成元素是第二彩色系统的彩色信号的列向量的L乘L矩阵。
按照所述的结构，即使该转换的彩色信号背离所需要的色彩，通过校正该转换的彩色信号可以重现所需要的色彩。
此外，每个光电二极管可以具有多个在其上提供的窗孔。
按照所述的结构，可以增加每多个窗孔下面的每个光电二极管所能够接收的光量。因此，可以显著地增加该光电二极管的敏感度，并可以获得高画面质量。
此外，提供在每个光电二极管之上的该多个窗孔可以包括(i)使该预定波长以下的光通过的一个或多个窗孔，以及(ii)使低于一种不同预定波长的光通过的一个或多个窗孔。
按照所述的结构，多个窗孔使该预定波长以下的光通过，并且可以精细地调节光电二极管能够接收的位于光的最大波长附近的光谱特性。
因此，可以调节具有多个种类最大波长的、由每个光电二极管接收的、位于最大波长附近的光谱特性，并且该光电二极管能够接收该想要的波长的光。
此外，可以设置该窗孔以便该窗孔的长度方向彼此平行，每窗孔之间的间隔小于或等于该窗孔的一个长度方向尺寸。
按照所述的结构，增加了每个像素中的窗孔的数量。因此，被窗孔所占的区域增加了并且敏感度也增加了。
此外，还以设置该窗孔以便该窗孔的长度方向彼此平行，每窗孔之间的间隔大于或等于该窗孔的一个长度方向尺寸。
按照所述的结构，可以防止比所允许的通过该窗孔的光的波长长的光通过。
此外，该固态成像装置可进一步包括多个微透镜，对于二极管中的一个不同光电二极管提供每一个微透镜，并覆盖在各个光电二极管上的窗孔。
按照所述的结构，不但该窗孔中的光，而且该光屏蔽膜之上的光聚焦在该窗孔中。因此，光电二极管可以接收更大量的光，并且可以获得高敏感度。此外，通过调整微透镜的尺寸，按照来自该二极管的所需要的性能可以调整被每个光电二极管接收的光量。
此外，该固态成像装置可进一步包括多个微透镜，每个微透镜覆盖一个或多个不同的窗孔。
按照所述的结构，可以显著地改进该窗孔的光聚集率，并且可以获得高敏感度。此外，对于每个窗孔可以单独调整光量，并且对于每一个波长也可以单独调整光量。
此外，该绝缘膜厚度可以等于或大于该窗孔的最小尺寸，并且等于或小于被该光电二极管转换的光的最大波长。
按照所述的结构，甚至在通过该窗孔的光中，可以减小到达该光电二极管之前衰减的一种波长的光(特别地，靠近该最大波长的光)的影响。这样获得了有很少色彩混合的高画面质量。
此外，每个窗孔可以是矩形和圆形中的一种，并且如果该窗孔是矩形则按照该预定波长所限定的该尺寸可以是该窗孔的一个长边，如果该窗孔是圆形则按照该预定波长所限定的该尺寸是该窗孔的直径。
按照所述的结构，可以容易地规定该窗孔的尺寸。
此外，该预定波长可以是形成在窗孔上面的媒介中的近红外光、红光、绿光和蓝光中的一种波长。
按照所述的结构，可以获得具有各自不同预定波长的三种或更多种光谱信号，并且可以实现该三原色。因此，不需要红外滤色层和滤色层就可以实现色彩。
此外，该窗孔可以具有长的、狭窄的矩形，并且设置该窗孔以便每个窗孔的长度方向被定向为同一个方向。
按照所述的结构，在该长度方向具有电子区域的光的偏振成分可以聚集在光电二极管中。因此，可以防止由漫反射产生错误信号。此外，只有一种预定偏振成分的光能被光电二极管接收，并且防止了彩色信号的混合，并且改进了偏振精确度。最终，可以获得高画面质量。
此外，该窗孔可以具有长的、狭窄的矩形，对于每个光电二极管提供多个窗孔，并且设置该多个窗孔以便对于每个光电二极管该窗孔的一个长度方向被定向为下列之一(i)第一方向和(ii)与该第一个方向垂直的第二方向。
按照所述的结构，可以按照像素分离光的偏振成分。因此，可以防止由漫反射产生的错误信号，并且该光电二极管只接收该想要的偏振光。结果，预防了彩色信号的混合，提高了偏振精确度，并且可获得高画面质量。
为了解决所述的问题，本发明还是一个用于处理由固态成像装置输出的N(N是一个自然数)种电信号的信号处理装置，该信号处理装置包括一个差分矩阵保持单元，可操作地保持一个差分矩阵，用于通过获得该N种电信号中的电信号与该N种电信号中的邻近电信号之间的差别，将组成元素是该N种电信号的向量转换为组成元素是第一彩色系统中的M(M是一个自然数)种彩色信号的向量；以及一个彩色信号产生单元，用于基于该差分矩阵，从该N种电信号中可操作地产生该第一个彩色系统的彩色信号。
按照所述的结构，在该固态成像装置中，从简单地通过聚集由不同波长的光所产生的电荷所产生的电信号中可以产生彩色信号，而不是从使用滤色层获得的光中产生的诸如红、绿和蓝三原色信号的电信号中产生彩色信号。
此外，该信号处理装置可进一个步包括一个可操作地保持一个校正矩阵的校正矩阵保持单元，用于校正其组成元素是第一彩色系统的彩色信号的该向量；以及一个彩色信号校正单元，用于基于该校正矩阵可操作地校正该第一彩色系统的彩色信号。
按照所述的结构，即使从偏离所需要的色彩的一种色彩的光中产生彩色信号，但通过校正该彩色信号可以重现该想要色彩的彩色信号。
此外，该信号处理装置可包括一种可操作保持地一个彩色系统转换矩阵的彩色系统转换矩阵保持单元，该彩色系统转换矩阵用于将其组成元素是第一彩色系统的彩色信号的该向量转换为一个其组成元素是第二彩色系统的L(L是一个自然数)种彩色信号的向量；以及一个彩色系统校正单元，用于基于该校正矩阵可操作校正该第二彩色系统的彩色信号。
按照所述的结构，另一个彩色系统的彩色信号可以从产生的彩色信号中产生。因此，可以重现具有所需要彩色系统的色彩的图像。
此外，该信号处理装置可进一步包括一个可操作地保持一个校正矩阵的校正矩阵保持单元，该校正矩阵用于校正其组成元素是该第二彩色系统的彩色信号的该向量；以及一个彩色信号校正单元，基于该校正矩阵可操作校正第二彩色系统的彩色信号。
按照所述的结构，即使转换的彩色信号是一个从偏离所需要的色彩的一种色彩的光中产生的彩色信号，但通过校正该彩色信号可以重新产生所需要的色彩的彩色信号。
此外，本发明是一种包括固态成像装置的摄影机，该固态成像装置包括多个光电二极管，每一个光电二极管将接收的光转换为电信号；以及具有其中形成多个窗孔的光屏蔽膜，通过夹在该光屏蔽膜与该光电二极管之间的绝缘膜该光屏蔽膜与该光电二极管隔开，并且被配置在该光电二极管之上，其中该窗孔使预定波长以下的波长的光通过，并且该光电二极管中的每一个分别对应拾取图像的每个最小单元的像素，并且该光电二极管中的每一个具有一个提供在其上的不同的窗孔。
按照所述的结构，可以省略该红外滤色层，或提供在阻挡红外光方面的精确度显著降低的红外滤色层，可以省略滤色层，或提供显著降低了光谱特性的滤色层。结果，可以简化该固态成像装置制造过程，以及可以显著提高红外线截止滤色层和滤色层的成品率。
因此，所述的结构能降低固态成像装置的制造时间、成本并改进成品率。
结果，可以提供低价格、高性能的摄影机。
此外，该窗孔可以由N(N是一个自然数)种不同的窗孔组成，对于每种窗孔该预定波长可以是不同的，该光电二极管总共N个，并且该N个光电二极管中的每一个可以具有配置其上的N种中的一种不同的窗孔，且固态成像装置可进一步包括信号处理电路，用于处理分别从该N个二极管接收的光中所产生的N种电信号，该N个光电二极管被配置在窗孔上，基于各个预定波长来限定该穿孔的形状和尺寸，并且通过获得该N种电信号中的一个电信号与该N种电信号中的一个相邻电信号之间的差别、基于一个用于将其组成元素是该N种电信号的一个向量转换其组成元素是第一彩色系统的M(M是一个自然数)种彩色信号的一个向量的差分矩阵，该信号处理装置可从该N种电信号中产生第一彩色系统的彩色信号。
按照所述的结构，如果改变该窗孔的形状和尺寸则可以改变被该窗孔截止的波长。这使得能聚集不同波长范围的电荷。例如，即使该滤色层的光谱特性的精确度降低了，但滤色层和窗孔的结合对于滤色层的每种色彩来讲可以限制光。此外，从通过简单地聚集不同波长的电荷所产生的电信号中可以产生色彩信号，而不是从诸如红、绿和蓝三原色彩色信号的电信号中产生色彩信号。因此，不需要滤色层就可以获得色彩。
此外，该摄影机可进一步包括信号处理装置，该设备处理该固态成像装置输出的N(N是一个自然数)种电信号，其中，在该固态成像装置中，该窗孔由N种不同的窗孔组成，对于每种窗孔该预定波长是不同的，该光电二极管总共N个，并且该N个光电二极管中每一个具有提供在其上的N种窗孔中的一种不同的窗孔，该固态成像装置将通过该N个光电二极管分别接收的光中所产生的N种电信号输出到该信号处理装置，该N个光电二极管被配置在该窗孔的上面，基于各个预定波长来限定该窗孔的形状和尺寸，并且通过获得该N种电信号中的一个电信号与该N种电信号中的一个邻近电信号之间的差别、基于一个用于将其组成元素是N种电信号的向量转换为其组成元素是第一彩色系统的M(M是一个自然数)种彩色信号的向量的差分矩阵，该信号处理装置从该N种电信号中产生第一彩色系统的彩色信号。
按照所述的结构，在一个具有单个传感器装置的摄影机中可以获得所述的效果，在该摄影机中包含该固态成像装置和该信号处理装置。
此外，该摄影机可进一步包括至少多个固态成像装置，该固态成像装置总共N个，且在每个固态成像装置中，该窗孔由N(N是一个自然数)种不同的窗孔组成，对于每种窗孔该预定波长是不同的，该光电二极管总共N个，并且该N个光电二极管中每一个具有提供在其上的N种窗孔中的一种不同的窗孔；和信号处理装置，用于处理从该固态成像装置输出的N种电信号，其中该固态成像装置将通过该N个光电二极管分别接收的光中所产生的N种电信号输出到该信号处理装置，该N个光电二极管配置在该窗孔上面，基于各个预定波长来限定该窗孔的形状和尺寸，并且通过获得该N种电信号中的一个电信号与该N种电信号中的一个邻近电信号之间的差别，基于一个用于将其组成元素是N种电信号的向量转换为其组成元素是第一彩色系统的M(M是一个自然数)种彩色信号的向量的差分矩阵，该信号处理装置从该N种电信号中产生第一彩色系统的彩色信号。
按照所述的结构，在一个具有多个传感器装置的摄影机中可以获得所述的效果，该摄影机中包括多个固态成像装置和该信号处理装置。
此外，本发明是包括光谱单元的光谱装置，其中该光谱单元包括一个不透明的部件，该不透明的部件是与从一个光源来的光路径不平行地配置的，且该部件具有一个位于该路径与该部件相交位置处的窗孔，该窗孔使一个预定波长以下的波长的光通过。
按照所述的结构，提供在该不透明部件中的窗孔起到高通滤波器的作用，并且使该预定波长以下的光通过。因此，通过检测入射光通过的窗孔可以容易地测量入射光的波长的最大值。
另外，通过调整该窗孔的尺寸且改变该不透明部件的角度可以增加光被分离的频率的类型。
此外，通过调整窗孔的数量，可以容易地调整通过的光量。因此，可以改进该光谱装置中的光的SN比率。
此外，该光谱装置可进一步包括光检测单元，该光检测单元按照光的强度可操作的将该光谱单元分离出的光转换为电信号。
按照所述的结构，通过窗孔的光可变换为电信号。因此，可以检测小于该预定波长的光量。
此外，该光谱装置可进一步包括差分矩阵保持单元和信号处理单元，其中该差分矩阵保持单元可操作的保持一个差分矩阵，该差分矩阵是用于通过获得该N种电信号中的一个电信号与该N种电信号中的一个邻近电信号之间的差别，将其组成元素是N(N是一个自然数)种由该光检测单元所转换的电信号的向量转换为其组成元素是第一彩色系统的M(M是一个自然数)种彩色信号的向量；并且该信号处理单元可操作的从该N种电信号中产生M种电信号。
按照所述的结构，对通过该窗孔的光中所发现的该电信号执行一组矩阵操作，并且可以计算特定波长的光的强度。因此，可以容易制造检测波长与强度相关性的装置。


通过下列的结合示出本发明一个特定实施例的附图的描述，本发明的这些和其它的目的、优势和特点将变得显而易见。
在附图中图1是一个示出数字摄影机和在其中使用的固态成像装置的透视图；图2A是第一实施例的固态成像装置中的光电转换单元的上表面视图，以及图2B示出向箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面A-A′；图3示出该固态成像装置的主要材料的折射率列表；图4是一个示出该第一实施例的该固态成像装置的光谱特性的图表；图5A是第二实施例的固态成像装置中的光电转换单元的上部表面视图，以及图5B示出向一个箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面B-B′；图6是一个示出第二实施例的固态成像装置的光谱特性的图表；图7A是一个第三实施例的一个固态成像装置中的光电转换单元的上部表面的视图，以及图7B示出向一个箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面C-C′；
图8A是一个第四实施例的固态成像装置中的光电转换单元的上部表面的视图，以及图8B示出向一个箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面D-D′；图9是一个示出该第四实施例的该固态成像装置的光谱特性的图表；图10A是一个第五实施例的固态成像装置中的光电转换单元的上部表面的视图，以及图10B示出向一个箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面E-E′；图11是示出第六实施例的固态成像装置的结构的功能块框图；图12A是一个该第六实施例的固态成像装置中的光电转换单元的上部表面的视图，以及图12B示出向一个箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面F-F′；图13是一个示出显著地偏离理想光谱特性的光谱特性的图表；图14A是第七实施例的固态成像装置中的光电转换单元的上部表面的视图，以及图14B示出向一个箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面G-G′；图15A是传统固态成像装置中的光电转换单元的上部表面的视图，以及图15B示出向一个箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面J-J′；图16是示出光电二极管的光谱敏感度特性与人眼的敏感度特性的图表；图17A示出光谱分离一种光的光谱装置的结构的实例，以及图17B示出分离出多种光的光谱装置的实例；以及图18示出使用棱镜的光谱装置的结构的实例。
具体实施例方式
<第一实施例>
下面参照图示描述本发明第一实施例。应注意的是，与相关技术说明中的那些元件具有相同结构的元件使用相同的标号，并且在下列描述中加以省略。此外，该实施例基于一个前提，概略地说就是红外线(IR)是780纳米到3微米的光，红光(R)是610纳米附近的光，绿光(G)是540纳米附近的光，以及蓝光(B)是450纳米附近的光。
<第一实施例概述>
图1是示出数字摄影机和在其中使用的固态成像装置的透视图。
正如从图1中所见，在数字摄影机100中使用的固态成像装置101与传统的固态成像装置是相同的，原因在于经过保护光接收表面的密封玻璃而入射在该固态成像装置上的光(在下文中称为“入射光”)被光电转换单元(被图中的点表示的区域)变换为电子。
该固态成像装置101与该传统装置是不同的，原因在于代替了配置红外线截止滤色层18，红外光是由具有降低尺寸的窗孔15来截止的。该结构是基于一种观念，即窗口15是以波导的方式在功能上作为高通滤波器，截止超过对应于该窗口15的长边尺寸(在下文中，也称为“长边尺寸”)的波长的电磁波。
<波导>
下面描述代表微波传输线的波导。应注意的是，微波和光都是满足麦克斯韦方程的电磁波。
波导是一个管壁由例如铜的高导电性材料制成的管子。按照它们的横截面形状，波导被分为矩形、椭圆形等。应注意的是，通常已知的是波导具有被该横截面的结构尺寸确定的截止频率，并且不能传输该截止频率以下的信号。
例如一个具有宽度a和高度b的矩形波导，下列等式(1)示出该波导的截止频率fc。此外，下列等式(2)示出对应于该截止频率的波长λc(在下文中称为“截止波长”)。这里，假定高度b大于宽度a。在具有半径γ的椭圆波导中，下列等式(3)示出截止频率fc，下列等式(4)示出截止波长λc。应注意的是，假定该波导充满具有介电常数ε和磁导率μ的各向同性的、同质的媒质。下列等式(5)示出在该媒质中的平面波的速度v。
(1)---fc=v2a]]>(2)λc＝2α(3)---fc=v3.413γ]]>(4)λc＝3.413γ(5)---v=1ϵμ]]>鉴于所述特征下面描述第一实施例的固态成像装置。
<第一实施例的固态成像装置的结构>
图2A示出了从上面观察的该第一实施例的固态成像装置的光电转换单元，以及图2B示出向一个箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面A-A′。
应注意为了简洁起见，只示出组成该光电转换单元110的像素单元中的像素单元(二乘二像素)。
正如从图2A和2B中所见，该光电转换单元110中的光屏蔽膜114具有形成在其中的窗孔115。每个窗孔115定位在滤色层17r、17g或17b的下面，绝缘膜116位于它们之间。在该光电转换单元110中省略了在传统的光电转换单元10中提供于滤色层17r、17g和17b上的红外线截止滤色层18。
在接收光时每个光电二极管12根据在PN结边界附近接收的光产生的电子和正空穴，并且基于该产生的电子和正空穴将接收的光有效地转换为电流。该光电二极管的敏感度根据光波长变化，并且该波长越短，光被有效吸收的位置离表面越浅。应注意的是，在从PN结迁移的位置中所产生的电子和正空穴对于电流的产生没有贡献，这是因为在到达耗尽层之前它们重新结合并耗散。
由于这种原因，当制造对长波长敏感的光电二极管时，有必要形成深的PN结，当制造对短波长敏感的光电二极管时，有必要形成靠近硅表面的PN结。
作为一个实施例，下面假定光电二极管12对于波长270纳米到1000纳米的光是敏感的，且敏感度的峰值在700纳米到800纳米。此外，绝缘膜13和16由二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3O4)制成，且光屏蔽膜114由铝(Al)或硅化钨(W-Si)制成。
<窗孔的尺寸>
窗孔115具有比窗孔15小的尺寸，并截止超出由每个窗孔115的尺寸和形状限定的截止波长λc的波长的光。当波长λi的光经过折射率为Nr的绝缘膜16入射到窗孔115时，考虑绝缘膜16的折射率，下列等式(6)示出在该绝缘膜16中的光的波长λr。
(6)---λr=λiNr]]>图3示出该固态成像装置的主要材料的折射率列表。
正如从图3中可看出的，表130在列131示出材料，在列132示出该材料的各自的折射率。
例如，如果该绝缘膜16是二氧化硅(SiO2)且入射在该绝缘膜16上的光波长为780纳米(红外线)，则基于折射率1.46，经过绝缘膜16入射在窗孔115上的光的波长是534.25纳米。此外，如果该窗孔115的截止波长λc大约是534.25纳米或更小，该窗孔115将截止从外部光源入射的780纳米的光。
这里，如果该窗孔115的形状是矩形，基于下列等式(7)，如果该窗孔的长边长度是267.12纳米或更小则截止780纳米的光。此外，如果该窗孔是椭圆形，基于下列等式(8)，如果该窗孔的半径γ是大约228.53纳米或更少(直径为457.07纳米)则截止780纳米的光。
(7)---λc2=λrc2N>a]]>(8)---λc3.413=λrc3.413N>γ]]>由此看来，基于将被截止的截止波长λrc、形成在该窗孔115上的绝缘膜16的折射率Nr和窗孔115的形状可以限定使可见光通过但是截止红外线(780纳米)和更长波长的光的窗孔115的近似尺寸。
在下文中，“截止尺寸”表示由该截止波长λrc、形成在窗孔上的媒质的折射率Nr以及使预定波长和更长波长的光截止的窗孔的形状所限定的窗孔的尺寸。此外，如果该窗孔的形状是矩形，“截止尺寸”表示长边长度，以及如果形状是椭圆形，“截止尺寸”表示半径。
另外，使红光波长(610纳米)以及更短波长的光通过、而截止红外线(780纳米)以及更长波长的光的截止尺寸被称为“红外截止尺寸”。
应注意的是，根据光电二极管12敏感的波长范围的最大波长来限定该截止尺寸的上限。这样做的理由是即使窗孔的尺寸大于该上限，但该光电二极管12只接收它不能感测的波长的光，与似乎根本没有接收该光的效果是相同的。
例如，如果该最大波长是1000纳米，基于上面的等式(7)，如果该窗孔是矩形则该窗孔的截止尺寸大约是342.46纳米，如果该窗孔是椭圆形(大约401.36纳米的直径)则截止尺寸大约是200.68纳米。基于这些图，作为粗略的引导，该窗孔115的截止尺寸大约是500纳米。与具有尺寸1500纳米的传统的窗孔15相比，这是非常小的。在下文中，将以如此的方式建立的截止尺寸称为最大截止尺寸。
<第一实施例的固态成像装置的光谱特性>
下面描述具有所述结构的光电转换单元110的光谱特性。
图4是示出该第一实施例的固态成像装置的光谱特性的图表。
应注意的是，水平轴表示波长，垂直轴表示光谱敏感度。
如图4所示，曲线151表示能通过该窗孔115的光的光谱特性。作为参考，曲线152r表示能通过红色滤色层17r的光的光谱特性，曲线152g表示能通过绿色滤色层17g的光的光谱特性，以及曲线152b表示能通过蓝色滤色层17b的光的光谱特性。
应注意的是，为了示出形成在光屏蔽膜114中的窗孔的特性，移开滤色层17r、17g和17b来测量该特性。
如曲线151示出的，窗孔115截止760纳米以及更长波长的光，并且允许开始存在敏感度的大约750纳米到760纳米以及更短波长的光通过。
曲线152r示出滤色层17r使波长范围520纳米到750纳米(在下文中称为“R锥形”)的光通过，但几乎不允许其它光通过。特别地，该滤色层17r允许红光附近的光通过，如在红光(610纳米)波长附近的滤色层17r的峰值所表示的。
曲线152g示出滤色层17g允许波长范围450纳米到640纳米(在下文中称为“G锥形”)的光通过，几乎不允许其它光通过。特别地，该滤色层17g允许绿光附近的光通过，如在绿光(540纳米)波长附近的滤色层17g的峰值所表示的。
曲线152b示出滤色层17b允许波长范围370纳米到570纳米(在下文中称为“B锥形”)的光通过，几乎不允许其它光通过。特别地，该滤色层17b允许蓝光附近的光通过，如在蓝光(450纳米)波长附近的滤色层17b的峰值所表示的。
<第一实施例概述>
如所述的，在光电转换单元110中滤色层17r、17g和17b与窗孔115的结合允许来自入射光的可见光通过，同时截止入射光中的红外光。这意味着即使没有红外线截止滤色层18也会截止入射在滤色层17r上的R锥形以外的光。
应注意的是，事实上基于近似的截止尺寸，通过使用FDTD(有限差分时域)方法和诸如光谱测量实验的数值分析来确定窗孔的尺寸。然而，由于只能基于一组测量单元来制造窗孔，所以该窗孔的尺寸变化很小。
<关于第一实施例的其它要点>
虽然这里使用780纳米光的例子，实际上是根据用途来确定将被截止的光的截止波长λrc。例如，通过设计光电转换单元110对于固态成像装置产生的彩色信号是敏感的，该光电转换单元110可以被制成接收一些红外线，设置截止波长λrc以便截止例如790纳米或800纳米的光。特别地，在一个红外摄影机中重要的是接收红外范围的光，因此可设置截止波长λrc以便可以接收大约1000纳米的红外范围内的光。
应注意的是，红(R)、绿(G)和蓝(B)可以是CIE(Centre Intemationaled’Eclairage)RGB彩色系统中的基本色的三种单色光，具体是700纳米(R)、546.1纳米(G)和435.8纳米(B)。
该固态成像装置101可以是MOS(金属氧化物半导体)固态成像装置、行间转移CCD(电荷耦合装置)固态成像装置或帧转移CCD固态成像装置。
窗孔可以是椭圆形的形状，而不是方形或矩形。
考虑到从该光屏蔽膜渐渐消失的波的影响，该绝缘膜13的厚度可设置为光电二极管12所敏感的波范围内的大约最大波长。
<第二实施例>
下面参照图示描述本发明的第二实施例。应注意的是，与第一实施例中的元件具有相同结构的结构元件使用同样的标号，并在下面描述中加以省略。
<第二实施例概述>
虽然第一实施例的主要目的是截止红外线，但第二实施例的目的是进一步按照色彩截止不必要的波长的光。
鉴于所描述的目的，下面说明第二实施例的固态成像装置。
<第二实施例的固态成像装置的结构>
图5A示出从上面观察的第二实施例的固态成像装置的光电转换单元，以及图5B示出向一个箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面B-B′。
应注意为了简洁起见，只示出组成光电转换单元210的像素单元中的一个像素单元(二乘二像素)。
正如图5A和5B所示，所形成的光电转换单元210中的光屏蔽膜214其中具有尺寸各不相同的窗孔215r、215g和215b。具有红外截止尺寸的窗孔215r是定位在滤色层217r下面，具有红光截止尺寸的窗孔215g定位在滤色层217g下面，以及具有蓝光截止尺寸的窗孔215b定位在滤色层217b下面。绝缘膜16是夹在窗孔215r、215g和215b与滤色层217r、217g、217b之间。
这里，红光截止尺寸表示使绿光波长(540纳米)以及更短波长的光通过、使红光波长(610纳米)以及更长波长的光截止的截止尺寸。
此外，绿光截止尺寸表示使蓝光波长(450纳米)以及更短波长的光通过、使绿光波长(540纳米)以及更长波长的光截止的截止尺寸。
该红外截止尺寸是尺寸中最大的，而红光截止尺寸次之，绿光截止尺寸是最小的。
<第二实施例的固态成像装置的光谱特性>
以下描述具有所述结构的光电转换单元210的光谱特性。
应注意的是，滤色层217r、217g和217b的光谱特性的精确度与滤色层17r、17g和17b相比相对较低。
图6是示出第二实施例的固态成像装置的光谱特性的图表。
在图6中，曲线251r表示能通过窗孔215r的光的光谱特性，曲线251g表示能通过窗孔215g的光的光谱特性，以及曲线251b表示能通过窗孔215b的光的光谱特性。作为参考，曲线252r表示能通过红色滤色层217r的光的光谱特性，曲线252g表示能通过绿色滤色层217g的光的光谱特性，以及曲线252b表示能通过蓝色滤色层217b的光的光谱特性。
应注意的是，为了示出形成在光屏蔽膜214中的窗孔的特性，移开滤色层217r、217g和217b来测量该特性。
如曲线251r示出的，该窗孔215r截止760纳米以及更长波长的光，并允许开始存在敏感度的大约750纳米到760纳米以及更短波长的光通过。
如曲线251g示出的，该窗孔215g截止650纳米以及更长波长的光，并允许开始存在敏感度的大约630纳米到640纳米以及更短波长的光通过。
如曲线251b示出的，该窗孔215b截止580纳米以及更长波长的光，并允许开始存在敏感度的大约570纳米到580纳米以及更短波长的光通过。
曲线252r示出滤色层217r允许波长范围520纳米到750纳米(R锥形)的光通过，使520纳米以下的光几乎不通过。特别地，该滤色层217r允许红光附近的光通过，如在红色(610纳米)波长附近的滤色层217r的峰值所表示的。可以看出滤色层217r允许比R锥形的长波长边更长的波长的光通过。
该曲线252g示出该滤色层217g允许波长范围450纳米到630纳米(G锥形)的光通过，使450纳米以下的光几乎不通过。特别地，该滤色层217g允许绿光附近的光通过，如在绿色(540纳米)波长附近的滤色层217g的峰值所表示的。可以看出，滤色层217g允许比G锥形的长波长边更长的波长的光通过。
该曲线252b示出该滤色层217b允许波长范围370纳米到560纳米(B锥形)的光通过，使370纳米以下的光几乎不通过。特别地，该滤色层217b允许蓝光附近的光通过，如在蓝色(450纳米)波长附近的该滤色层217b的峰值表示的。可以看出，滤色层217b允许比B锥形的长波长边更长的波长的光通过。
<第二实施例概述>
如所述的，该窗孔215r、215g和215b起高通滤波器的作用，当重现各自色彩时用于截止不必要的光。
例如，该滤色层217r与该窗孔215r的结合允许红光波长附近的光通过，而截止红外波长以及更长波长的光。这意味着，正如曲线251r和252r示出的，即使滤色层217r的入射光的波长范围大于R锥形的波长，但超过760纳米的光仍会被该窗孔215r截止。而且，这使得光谱特性接近于在将获得的图4中由曲线152r示出的光谱特性。
相似地，如该曲线251g和252g示出的，该滤色层217g和该窗孔215g的结合允许绿光波长附近的光通过，同时截止红色波长以及更长波长的光。这使得光谱特性接近于在将获得的图4中的曲线152g示出的光谱特性。
此外，如该曲线251b和252b示出的，该滤色层217b和该窗孔215b的结合允许蓝光波长附近的光通过，同时截止绿色波长以及更长波长的光。这使得光谱特性接近于在将获得的图4中的曲线152b示出的光谱特性。
<关于第二实施例的其它要点>
按照分配给像素的色彩可以提供不同形状的窗孔。
<第三实施例>
以下参照图示描述本发明的第三实施例。应注意的是，与第二实施例具有相同结构的结构元件使用同样的标号，在下面描述中加以省略。
<第三实施例概述>
当该第二实施例的主要目的是按照色彩截止不必要的波长的光，该第三实施例的目的是增加敏感度，由于为截止不必要的光而将窗孔制得很小造成该敏感度降低。
鉴于所述目的以下描述该第三实施例的固态成像装置。
<第三实施例的固态成像装置的结构>
图7A示出从上面观察的第三实施例的固态成像装置的光电转换单元，以及图7B示出向一个箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面C-C′。
应注意为了简洁起见，只示出组成该光电转换单元310的像素单元中的一个像素单元(二乘二像素)。
如图7A和7B中示出的，该光电转换单元310中的该光屏蔽膜314是使用各自不同尺寸的窗孔315r、315g和315b构成的。具有红外截止尺寸的窗孔315r以均匀的间隔设置在滤色层217r下面。相似地，具有红色截止尺寸的窗孔315g以均匀的间隔设置在滤色层217g下面，以及具有绿色截止尺寸的窗孔315b以均匀的间隔设置在滤色层217b下面。绝缘膜16夹在窗孔315r、315g和315b与滤色层217r、217g、217b之间。
该图示出四个窗孔315r以均匀间隔设置在滤色层217r下面的一个例子，九个窗孔315g以均匀间隔设置在滤色层217g下面，以及十六个窗孔315b以均匀间隔设置在滤色层217b下面。
通过减少窗孔间的距离，可提供在像素单元中的窗孔的数量增加了，因此增加了窗孔所占用的区域，因此也就增加了敏感度。然而，当窗孔之间的距离减小时，长波长的光更容易通过。为此，如果对于相邻窗孔之间的距离的设置优先考虑敏感度的话，则在该光屏蔽膜314中形成窗孔，以便窗孔之间的距离小于相应的截止尺寸。另一个方面，如果设置相邻窗孔之间的距离以便预防长波长的光的混入，则形成该窗孔以便窗孔之间的距离大于相应的截止尺寸。换句话说，根据用途确定窗孔间的距离。
<第三实施例说明>
如所述的，通过在每个光电二极管12上提供两个或多个窗孔，能被该光电二极管接收的光量增加了，且敏感度也显著的增加了。
<关于第三实施例的其它要点>
应注意的是，如果减小了该窗孔315r中的衰减光的影响，则绝缘膜13的厚度可以设置为大约与红外截止尺寸相同，或如果减小了该窗孔315b中的衰减光的影响，则该绝缘膜13的厚度可设置为大约与该绿色截止尺寸相同。
<第四实施例>
以下参照图示描述本发明的第四实施例。应注意与该第三实施例中具有相同结构的结构元件使用同样的标号，并在下面描述中加以省略。
<第四实施例概述>
当该第三实施例的主要目的是增加由于该窗孔制得较小而减小的敏感度时，该第四实施例的目的是通过在属于每个像素的光屏蔽膜中形成至少两个不同截止尺寸的窗孔，来调节提供在每个像素中的窗孔通过的光的光谱特性。
鉴于所述目的，以下描述了第四实施例的固态成像装置。
<第四实施例的固态成像装置的结构>
图8A示出从上面观察的该第四实施例的固态成像装置的光电转换单元，以及图8B示出向一个箭头方向观察的该光电转换单元的一个横截面D-D′。
应注意为了简洁起见，只示出组成该光电转换单元410的像素单元中的一个像素单元(二乘二像素)。
如图8A和8B示出的，该光电转换单元410中的光屏蔽膜414是使用截止尺寸各不相同的窗孔415r、415g和415b与截止尺寸各不相同的窗孔416r、416g和416b分别结合构成。具有红外截止尺寸的窗孔415r和窗孔416r以固定间隔设置在该滤色层217r之下。相似地，具有红光截止尺寸的窗孔415g和窗孔416g以固定间隔设置在该滤色层217g之下，以及具有绿色截止尺寸的该窗孔415b和窗孔416b以固定间隔设置在滤色层217b之下。绝缘膜16夹在窗孔415r、415g、415b、416r、416b和416g与滤色层217r、217g、217b之间。
根据用途来确定该窗孔的尺寸。如果为了优先考虑敏感度来设置窗孔416r，则它们应该比窗孔415r大。此外，如果设置窗孔416r以便预防长波长的光混入，则该窗孔416r应该比窗孔415r小。相似地，基于该窗孔415g的尺寸，根据用途可以确定窗孔416g的尺寸，以及基于窗孔415b的尺寸，根据用途可以确定窗孔416b的尺寸。
例如，如附图所示，两个窗孔415r和两个稍小于所述窗孔415r的窗孔416r以固定间隔设置在滤色层217r的下方。类似地，五个窗孔415g和四个稍小于窗孔415g的窗孔416g以固定间隔设置在滤色层217g下方。此外，四个窗孔415b和十二个稍小于窗孔415b的窗孔416b以固定间隔设置在滤色层217b下方。
<第四实施例的固态成像装置的光谱特性>
下面将对具有所述结构的光电转换单元410的光谱特性进行介绍。
附图9是表示第四实施例的固态成像装置的光谱特性的图表。
在附图9中，曲线451r表示能够通过窗孔415r和416r的光的光谱特性，曲线451g表示能够穿过窗孔415g和416g的光的光谱特性，以及曲线451b表示能够穿过窗孔415b和416b的光的光谱特性。作为参考，附图4中给出的曲线152r、152g和152b也在附图9中示出。
注意为了表示光屏蔽膜414中形成的窗孔的特性，该特性是通过移除了滤色层217r、217g和217b而测量出来的。
如曲线451r所示，窗孔415r和416r的组合截止了760纳米及以上的光线，并允许大约750纳米到760纳米及其之下的光线通过，在大约750纳米到760纳米以及以下波长处开始出现灵敏度，该灵敏度是以遵循R锥形的长波长侧的曲线部分的形状出现的。
如曲线451g所示，窗孔415g和416g的组合截止了650纳米及以上的光线，并允许大约630纳米到640纳米及其之下的光线通过，在大约630纳米到640纳米以及以下波长处开始出现灵敏度，该灵敏度是以遵循G锥形的长波长侧的曲线部分的形状出现的。
如曲线451b所示，窗孔415b和416b的组合截止了580纳米及以上的光线，并允许大约570纳米到580纳米及其之下的光线通过，在大约570纳米到580纳米以及以下波长处开始出现灵敏度，该灵敏度是以遵循B锥形的长波长侧的曲线部分的形状出现的。
<第四实施例概述>
如所介绍的，滤色层217r、窗孔415r和窗孔416r的组合能够使红光波长附近的光线通过，同时截止红外波长和超过红外波长的光线。而且，由于借助窗孔416r调整了长波长光线的灵敏度和混合，所以能够得到接近附图4中曲线152r所示的光谱特性。
同样，滤色层217g、窗孔415g和窗孔416g的组合能够使绿光波长附近的光线通过，同时截止红色波长及超过红色波长的光线。而且，由于借助窗孔416g调整了长波长光线的灵敏度和混合，所以能够得到接近附图4中曲线152g所示的光谱特性。
而且，滤色层217b、窗孔415b和窗孔416b的组合允许蓝光波长附近的光线通过，同时截止绿色波长及超过绿色波长的光线。而且，由于借助窗孔416b调整了长波长光线的灵敏度和混合，所以能够得到接近附图4中曲线152b所示的光谱特性。
<有关第四实施例的其它要点>
每个窗孔415r和416r的尺寸可以稍小于或稍大于红外线截止尺寸。同样，每个窗孔415g和416g的尺寸可以稍小于或稍大于红光截止尺寸，并且每个窗孔415b和416b的尺寸可以稍小于或稍大于绿光截止尺寸。
注意如果要减小窗孔415r中衰减光的影响，可以将绝缘膜13的厚度设置为与红外截止尺寸近似相等，或者，如果要减小窗孔416b中衰减光的影响，可以将绝缘膜13的厚度设置为与绿色截止尺寸近似相等。
也可以利用具有相同的长边尺寸的矩形窗孔的组合和具有相同直径的椭圆形窗孔的组合。此外，还可以利用具有不同的长边尺寸的矩形窗孔的组合和具有不同直径的椭圆形窗孔的组合。
<第五实施例>
下面将参照附图对本发明的第五实施例进行介绍。注意与第一实施例中具有相同结构的结构部件使用了相同的附图标记，并且在下面的说明中省略了对它们的说明。
<第五实施例概述>
在第一实施例关注分离入射光的偏振成分的同时，第五实施例的目的在于通过将窗孔形成为矩形、并改变它们的短边的尺寸来分离入射光的偏振成分。
鉴于所述目的，下面将描述第五实施例的固态成像装置。
<第五实施例的固态成像装置的结构>
附图10A表示从上方观察的第五实施例的固态成像装置的光电转换单元，而附图10B表示朝向箭头方向观察的光电转换单元的E-E’截面。
注意为了简便，只示出了构成光电转换单元510的像素单元中的一个像素单元(二乘二像素)。
如附图10A和10B所示，在光电转换单元510的光屏蔽膜514中形成了长、窄的矩形窗孔515。
<波导中的电磁波>
下面将对矩形波导中的电磁波进行介绍，使用具有长边a和短边b的窗孔515作为波导。注意假设所述矩形波导的壁是由理想导体制成的，并且该波导充满了介电常数为ε、磁导率为μ的各向同性、同质的介质。
众所周知，在矩形波导中传播的电磁波是TE波(横电波)或TM波(横磁波)。
这里TE波(也称为H波)是传播方向上电场为零的电磁波，而TM波(也称为E波)是传播方向上磁场为零的电磁波。
下面对TE波和TM波进行介绍。这里，将沿着波导的长边a的方向称为x方向，将沿着波导短边b的方向称为y方向，而TE波或TM波在波导中传播的方向称为z方向。将在各个方向上的电磁场分量表示为Ex、Ey、Ez、Hx、Hy和Hz，ω代表角频率，z方向上的波数用γ表示。
<TE波>
当波导中传播的电磁波是TE波时，z方向上的磁场分量Hz满足由下述公式(9)表示的波动方程。
此外，在波导的横截面内的电磁场分量由公式(12)表示。这是由公式(11)的(Hz)推出的，公式(11)是通过在公式(10)的条件下求解公式(9)推出的，公式(10)表示一个边界条件对于理想导电壁，电场的切向分量必须为零。注意m和n为非负整数并且不能同时为零。
下文中，将属于TE波的本征模式称为TE模或H模，而对应于m和n的本征模式称为TEnm模或Hnm模。
这里，本征模式指的是Ex、Ey、Ez、Hx、Hy和Hz的集合。而且，关于本征模式的本征值(或截止常数)称为kc。
<TM波>
当在波导中传播的电磁波是TM波时，z方向上的电场分量Ez满足由下述公式(13)表示的波动方程。
(14)Ez＝0(x＝0，a或y＝0，b) 而且，在波导的横截面内的电磁场分量由公式(16)表示。这是由公式(15)的(Ez)推出的，公式(15)是通过在公式(14)的条件下求解公式(13)推出的，公式(14)表示一个边界条件理想导电壁处的电场为零。注意m和n为正整数。
下文中，将属于TM波的本征模式称为TM模或E模，而对应于m和n的本征模式称为TMnm模或Enm模。
<波导的传输特性>
下面将介绍波导的传输特性。
矩形波导中TEnm模和TMnm模的截止波长λc(mn)由下述的公式(17)表示。如由公式(17)所示，波长低于对各个本征模式所定义的截止波长λc(mn)的光能够穿过窗孔515。因此，将窗孔515看作是多模的。
这里，多模波导指的是在这样一个范围内使用的波导在该范围内可以以多种模式进行传播。
(17)---λc(mn)=2(ma)2+(nb)2]]>不过，即使高次模的光线通过了窗孔515，如果波长低于光电二极管所敏感的波长范围内的最短波长(270纳米)的话，那么该光线还是不能由光电二极管检测到，并且结果与该光线根本无法穿过窗孔515的情况相同。
这里，较高次模指的是除了截止波长是最长的本征模式之外的本征模式。下文中，截止波长最长的本征模式称为主模。
在公式(17)中，在TE模的情况下，n和m是不能同时为零的正整数，而在TM模的情况下，n和m是正整数。如公式(18)所示，当长边a和短边b满足关系a＞b时，TE10是主模。此外，公式(18)说明以主模形式在波导中传播的光线(电磁波)受限于一个方向上的分量。
为此，在公式(17)中，如果设置短边b以便在第一高次模中短边b小于能够穿过窗孔515的光线的最短波长，那么光电二极管只接收具有主模形式的光线，并因此可以将波导看作一个单模波导。此外，可以将入射光的偏振成分分离。
例如，假设高次模截止波长λc(mn)和主模截止波长λc(10)满足由使用一个系数的公式(19)表示的关系。如果使用矩形波导的长边a，则主模截止频率λc(10)可由下述公式(20)表示。而且，如果将公式(19)和(20)代入公式(17)，则导出了下述公式(21)所表示的矩形波导的短边b和长边a之间的关系式。
(19)λc(mn)＝αλc(10)(20)λc(10)＝2α(21)---b=n2α21-m2α2a]]>例如，在来自外部光源的低于红外线(780纳米)的入射光经过绝缘膜16而穿过窗孔515的情况下，考虑折射率(Nr＝1.46)，如果λc(10)是780纳米，λc(11)是390纳米，并分别将它们代入到公式(19)和(20)中，则可以得到这样的结果，如果窗孔515的长边a约为267.12纳米且短边b小于约154.22纳米，那么窗孔515可用作至少390纳米且小于780纳米波长范围内的单模波导。而且，在低于红色波长(610纳米)的入射光穿过窗孔515的情况下，如果窗孔515的长边a约为208.90纳米且短边b小于约173.70纳米，那么窗孔515可用作至少390纳米且小于610纳米波长范围内的单模波导。类似地，在低于绿色波长(540纳米)的入射光穿过窗孔515的情况下，如果窗孔515的长边a约为184.93纳米且短边b小于约184.93纳米，那么窗孔515可用作至少390纳米且小于540纳米波长范围内的单模波导。此外，在低于蓝色波长(450纳米)的入射光穿过窗孔515的情况下，如果窗孔515的长边a约为154.11纳米且短边b小于约154.11纳米，那么窗孔515可用作至少390纳米且小于450纳米波长范围内的单模波导。
<第五实施例概述>
如上所述，通过形成具有长、窄的矩形形状的窗孔，将具有与该窗孔的长边尺寸相应的电场的光的偏振成分聚集在光电二极管12上。这是因为具有处于窗孔的长边方向上的电场的光通常比具有处于短边方向上的电场的光更加容易穿过该窗孔。这使得入射光的偏振成分能够依据窗孔的短边尺寸得以分离，并从而能够实现高画面质量，这是因为防止了由光线的漫反射所导致的错误信号并且光电二极管12只接收所需的偏振光，并且进一步防止了彩色信号的混杂且偏振精度得到了进一步地提高。
<有关第五实施例的其它要点>
注意窗孔515可以全部具有同一类型的长边尺寸，红外线截止尺寸、红光截止尺寸或者绿光截止尺寸。可替换的方案是，各种类型的像素可以配置相异的各自具有不同尺寸的三种类型的窗孔515之一。结果，如同在第二实施例中所介绍的光电转换单元210一样，在光电转换单元510中，偏振光的选择能力得到了提高，并产生了三种类型的彩色信号(三原色)。
可以形成配置在光电二极管12上方的其中具有两种不同类型的窗孔的光屏蔽膜514，使得它们各自的长边定向在不同的方向上。这使得光传感器12能够接收具有不同偏振成分的光线。
如第三实施例中所介绍的光电转换单元310中那样，就每个窗孔而言，可以形成为多个窗孔。
此外，象第三实施例中所介绍的光电转换单元410中那样，可以形成两种不同类型的多个窗孔。这里，各个窗孔的短边尺寸既可以相同也可以不同。
<第六实施例>
下面将参照附图对本发明的第六实施例进行介绍。注意与第二实施例中具有相同结构的结构部件使用了相同的附图标记，并且在下面的说明中省略了对它们的说明。
<第六实施例概述>
第二实施例的主要目的是，当从穿过滤色层217r、217g和217b的光线中再现各种颜色的时候，通过使用各自具有不同的截止尺寸的三种类型的窗孔，截止不需要的光线。形成对照的是，第六实施例的目的在于，通过对穿过各自具有不同截止尺寸的三种类型的窗孔的光线进行光电转换而得到的电信号进行信号处理，产生在再现各种颜色的时候所需的RGB格式信号。这就取代了滤色层217r、217g和217b，这些滤色层将不在第六实施例中出现。
鉴于所述目的，下面将对第六实施例的固态成像装置进行介绍。
<第六实施例的固态成像装置>
附图11是说明第六实施例的固态成像装置的结构的功能框图。
如图所示，固态成像装置601由光电转换单元610、信号放大单元620、A/D转换单元630和信号处理单元640组成。
所述光电转换单元610是第二实施例中的光电转换单元210，其中省去了滤色层。该光电转换单元610将把穿过不同截止尺寸的窗孔的光线经光电转换而得到的电信号输出给信号方法单元620。
附图12A表示从上方观察的第六实施例的固态成像装置的光电转换单元，而附图12B表示朝向箭头方向观察的光电转换单元的F-F’截面。
注意为了简便，仅示出了构成光电转换单元610的众多像素单元中的一个像素单元(二乘二像素)。
如附图12A和12B所示，光电转换单元610与光电转换单元210的不同之处在于在光电转换单元610中，省去了借助夹于其间的绝缘膜16而设置在不同截止尺寸的窗孔215r、215g和215b上方的滤色层217r、217g和217b。注意可以从光电转换单元610中省去绝缘膜16。
在下文中，LIC代表依据上方设置有红外线截止尺寸的窗孔的光电二极管进行的光电转换而产生的电信号，LRC代表依据上方设置有红光截止尺寸的窗孔的光电二极管进行的光电转换而产生的电信号，而LGC代表依据上方设置有绿光截止尺寸的窗孔的光电二极管进行的光电转换而产生的电信号。此外，由光电转换单元610输出给信号放大单元620的信号分别表示为LIC、LRC和LGC。
信号放大单元620是对信号进行放大的放大器。信号放大单元620对由光电转换单元610输出的各个信号(LIC、LRC、LGC)进行放大，并将各个经放大的信号输出给A/D转换单元630。
这里，通过对LIC进行放大所产生的信号称为ALIC，通过对LRC进行放大所产生的信号称为ALRC，而通过对LGC进行放大所产生的信号称为ALGC。而且，由信号放大单元620输出给A/D转换单元630的信号分别表示为ALIC、ALRC和ALGC。
A/D转换单元630是一个将模拟信号转换为数字信号的A/D转换器。该A/D转换单元630将由信号放大单元620输出的各个信号(ALIC、ALRC、ALGC)转换为数字信号，并将各个数字信号输出给信号处理单元640。
这里，将通过对ALIC进行转换所产生的数字信号称为DLIC，通过对ALRC进行转换所产生的数字信号称为DLRC，而通过对ALGC进行转换所产生的数字信号称为DLGC。而且，由A/D转换单元630输出给信号处理单元640的信号分别表示为DLIC、DLRC和DLGC。
信号处理单元640是对数字信号进行处理的DSP(数字信号处理器)。该信号处理单元640将A/D转换单元输出的各个数字信号(DLIC、DLRC、DLGC)转换为由RGB彩色系统显示的红色信号、绿色信号和蓝色信号，并输出各个彩色信号。
这里，由RGB彩色系统显示的并且通过依照差分处理、校正处理等等处理对DLIC、DLRC和DLGC进行转换产生的红色、绿色和蓝色信号分别由R、G和B表示。而且，信号处理单元640输出的信号分别表示为R、G和B。
<信号处理单元的详细结构>
所述信号处理单元640由差分矩阵保持单元641、彩色信号生成单元642、校正矩阵保持单元643和彩色信号校正单元644组成。
差分矩阵保持单元641保持着由差分系数组成的矩阵(下文中称为“差分矩阵”)。
这里，各个差分系数是表示通过对信号DLIC、DLRC和DLGC之一进行差分而产生彩色信号的系数。
彩色信号生成单元642进行一个基于该差分矩阵的矩阵运算，从而将输入到信号处理单元640中的信号(DLIC、DLRC、DLGC)转换为彩色信号(R、G、B)。
所述校正矩阵保持单元643保持着一个由校正系数组成的矩阵(下文中称为“校正矩阵”)。
这里，各个校正系数表示对彩色信号(R、G、B)之一进行颜色校正的系数。
彩色信号校正单元644进行一个基于该校正矩阵的矩阵运算，从而将由彩色信号生成单元642转换的各个彩色信号(R、G、B)校正为理想的彩色信号。注意颜色校正就是用在彩色电视机、彩色摄影等等中的颜色校正，因此这里不作详细介绍。
如果将RGB彩色系统中的彩色信号的类型表示为M，而将输入到信号处理单元640中的信号类型表示为N，则差分矩阵由一个M乘N矩阵表示，而校正矩阵由一个M乘M矩阵表示。
<差分矩阵实例>
下面将对差分矩阵的结构的一个实例进行介绍。注意这里假设满足下述五个条件。
(1)由光电二极管接收到的光线是标准化为特定波长的光线。
(2)光线的波长和光量是根据设置在光电二极管上方的窗孔的尺寸而不同。
(3)标准化光线是依据红光、绿光和蓝光的相加过程而得到的。
(4)通过光电二极管的光电转换得到的电信号是依据所接收到的标准化光线的波长和光量而确定的。
(5)通过固态成像装置的封接玻璃等削弱了紫外线，光电二极管几乎接收不到任何紫外线。
而且，在彩色信号发生单元642中，通过将一个由差分矩阵保持单元641保持的差分矩阵[D]施加到由输入到信号处理单元640中的信号(DLIC、DLRC、DLGC)组成的列向量上，得到了由RGB彩色系统显示的彩色信号(R、G、B)组成的列向量，如下述公式(22)所示。
(22)---RGB=D11D12D13D21D22D23D31D32D33DLICDLRCDLGC]]>根据所规定的五个条件，通过将一个加权矩阵[W]应用到由RGB彩色系统(R，G，B)所显示的彩色信号组成的列向量上，表示出了由输入到信号处理单元640的信号(DLIC、DLRC、DLGC)组成的列向量，如下面的公式(23)所示。注意，每个加权向量[W]的元素是至少为0且不大于1的正值。
(23)---DLICDLRCDLGC=W11W12W13W21W22W23W31W32W33RGB==W11W12W130W22W2300W33RGB]]>这里，假设，上方设置有红外线截止尺寸的窗孔的光电二极管通过光电转换产生的电信号不受红外线的影响。同样，假设，上方设置有红光截止尺寸的窗孔的光电二极管通过光电转换产生的电信号不受红光的影响。而且，假设，上方设置有绿光截止尺寸的窗孔的光电二极管通过光电转换产生的电信号不受绿光的影响。此外，假设不受影响的光线没有加权，W21、W31和W32为0。
而且，如果上述公式(23)是相对于由RGB彩色系统(R，G，B)显示的彩色信号组成的列向量进行求解的，则得到了下述公式(24)表示的差分矩阵[D]。
(24)---D11D12D13D21D22D23D31D32D33=1W11-W12W11W22W12W23-W13W22W11W22W3301W22-W23W22W33001W33]]>这里，从上述的公式(24)中看出，D11、D22和D33表现为正值，而D12和D23表现为负值。而且，D21、D31和D32表现为具有0值。
而且，当得到了接近附图6和9等所显示的理想光谱特性的光谱特性时，W13和W23加权极低，且D13的值几乎为0。通过仅仅采用输入到信号处理单元640中的信号(DLIC、DLRC、DLGC)之间的两个信号差就可以产生由RGB彩色系统显示的彩色信号。
附图13是表示明显偏离理想光谱特性的光谱特性的曲线图。
如附图13所示，能够穿过具有红外线截止尺寸的窗孔的光线的光谱特性由曲线651r表示，能够穿过具有红光截止尺寸的窗孔的光线的光谱特性由曲线651g表示，而能够穿过具有绿光截止尺寸的窗孔的光线的光谱特性由曲线651b表示。
由曲线651r、651g和651b表示的光谱灵敏度明显偏离于由第二实施例和第四实施例中的曲线所表示的光谱灵敏度。
不过，如曲线651r、651g和651b所示，当光谱特性明显偏离于理想状态时，加权W13和W23不能忽略，并且D13的值不一定为0。而且，在这种情况下，难于通过仅对两个信号差分来产生由RGB彩色系统(R、G、B)显示的色彩信号，而必须考虑其它信号的影响。
如上所述，差分矩阵是由诸如窗孔的形状和尺寸以及光电二极管的灵敏度之类的因素所限定的系数组成的。而且，如果i是1、2、3、等等，则差分矩阵的元素(i，i)表现为正值，而差分矩阵的元素(i，i+1)表现为负值。
<第六实施例概述>
如上所述，依据上方设置有不同截止尺寸的窗孔的光接收机输出相应于各自截止尺寸的信号，并且信号处理单元640对由光电二极管输出的信号进行差分处理，即使在省略掉了滤色层的固态成像装置中也能够得到彩色信号。
<有关第六实施例的其它要点>
通过设置一组四个光电二极管，其各自上方具有不同类型的窗孔(分别具有红外线截止尺寸、红光截止尺寸、绿光截止尺寸、蓝光截止尺寸)，可以产生四种颜色，具体讲为红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)和紫外线(UV)。这里，如下述的公式(25)所示，信号处理单元640可以对光电二极管输出的四种类型的信号进行差分处理，并产生四种彩色信号(R、G、B、UV)。注意，这里的差分矩阵是4乘4矩阵。
这里，蓝光截止尺寸指的是能够使紫外线光(380纳米)或更低的光线穿过但截止大于等于蓝光波长(450纳米)的光线。
(25)---RGBUV=D11D12D13D14D21D22D23D24D31D32D33D34D41D42D43D44=DLICDLRCDLGCDLBC]]>此外，通过设置一组四个光电二极管，其各自上方具有不同类型的窗孔(分别具有最大截止尺寸、红外线截止尺寸、红光截止尺寸、绿光截止尺寸)，可以产生四种颜色，具体讲，为红外线(IR)、红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)。这里，如下述的公式(26)所示，信号处理单元640可以对光电转换单元610输出的四种类型的信号进行差分处理，并产生四种彩色信号(IR、R、G、B)。
(26)---IRRGB=D11D12D13D14D21D22D23D24D31D32D33D34D41D42D43D44=DLLCDLICDLRCDLGC]]>而且，通过设置一组五个光电二极管，其各自上方具有不同类型的窗孔(分别具有最大截止尺寸、红外线截止尺寸、红光截止尺寸、绿光截止尺寸、蓝光截止尺寸)，可以产生五种颜色，具体讲，为红外线(IR)、红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)和紫外线(UV)。这里，如下述的公式(27)所示，信号处理单元640可以对光电转换单元610输出的五种类型的信号进行差分处理，并产生五种彩色信号(IR、R、G、B、UV)。
(27)---IRRGBUV=D11D12D13D14D15D21D22D23D24D25D31D32D33D34D35D41D42D43D44D45D51D52D53D54D55=DLLCDLICDLRCDLGCDLBC]]>在更一般的条件下，通过设置一组n个光电二极管，其各自上方具有n种不同类型的窗孔中的一种，可以产生m种颜色。这里，如下述的公式(28)所示，信号处理单元640可以对光电转换单元610输出的n种类型的信号进行差分处理，并产生m种颜色的彩色信号。注意，这里的差分矩阵是一个m乘n矩阵。
(28)---DC1DC2···DCm-1DCm=D11D12···D1n-1D1nD21D22···D2n-1D2n···············Dm-11Dm-12···Dm-1n-1Dm-1nDm1Dm2···Dmn-1DmnDL1DL2···DLn-1DLn]]>注意，可以将彩色信号产生单元642产生的彩色信号(R、G、B)进一步转换为补色信号(Cy、Mg、Y、G)，如下述公式(29)所示。
(29)---CyMgYeG=011101110010RGB]]>
固态成像装置601可以是由一个芯片构成的元件，其中该芯片中集成了光电转换单元610、信号放大单元620、A/D转换单元630和信号处理单元640，或者固态成像装置也可以是这样一种元件其中光电转换单元610、信号放大单元620、A/D转换单元630和信号处理单元640各自集成为单独的芯片。
而且，象第三实施例中的光电转换单元310一样，可以为一个光电二极管设置多个窗孔，或者可以象第四实施例中的光电转换单元410一样，为一个光电二极管设置两种类型的多个窗孔。
差分矩阵保持单元641可以预先保持被乘上一个校正矩阵的差分矩阵的矩阵，并且可以由彩色信号产生单元642产生进行了颜色校正的彩色信号。而且，所产生的彩色信号可以按原样输出。
<第七实施例>
下面将参照附图对本发明第七实施例进行介绍。注意，与第六实施例具有相同结构的结构部件使用了相同的附图标记，并且在下面的说明中省略了对它们的说明。
<第七实施例概述>
第六实施例的主要目的是，光电转换单元通过对穿过分别具有不同的截止尺寸的三种类型的窗孔的光线所产生的电信号进行信号处理，产生在不使用滤色层217r、217g和217b来再现各种颜色时所需要的RGB格式信号。形成对照的是，第七实施例的目的在于，允许更多的光线穿过窗孔。
鉴于所述目的，下面将对第七实施例的固态成像装置进行介绍。
<第七实施例的固态成像装置>
附图14A表示从上方观察的第七实施例的固态成像装置的光电转换单元，而附图14B表示朝向箭头方向观察的光电转换单元的G-G’截面。
注意为了简便，仅示出了构成光电转换单元710的众多像素单元中的一个像素单元(二乘二像素)。
如附图13A和13B所示，在光电转换单元710中，在光屏蔽膜214上形成有微透镜719r、719g和719b，以便分别覆盖窗孔215r、215g和215b。
<第七实施例说明>
形成在光屏蔽膜214上、且使它们覆盖住窗孔的微透镜使得光屏蔽膜214上方的光线聚焦到窗孔中，因此能够使光电二极管接收更多的光线，从而提高了灵敏度。
<其它要点>
如果象第三和第四实施例的光电转换单元310和410那样对于每个光电二极管形成多个窗孔，那么可以在光屏蔽膜214上形成一个微透镜，以使其覆盖住相对于一个光电二极管的多个窗孔。另外，也可以形成多个微透镜，它们各自覆盖一个或多个窗孔。
注意，微透镜的大小可以依据窗孔的大小而不同，或者所有的微透镜可以具有相同的尺寸。
<第八实施例>
下面将参照附图对本发明的第八实施例进行介绍。
<第八实施例概述>
附图18表示使用棱镜的传统光谱装置的结构的例子。
在使用棱镜的光谱装置中，借助穿过棱镜1002，依据波长可以将入射光进行分离，这是因为棱镜1002的折射系数依波长而不同。
例如，入射光1001的波长是依据穿过棱镜1002的光线1003命中与棱镜隔开一定距离的光谱显示板1004的位置坐标1005来确定的。如果光线命中光谱显示板1004的位置坐标1005R处，则入射光1001是红色，如果光线命中光谱显示板1004的位置坐标1005G，则入射光1001是绿色，如果光线命中光谱显示板1004的位置坐标1005B，则入射光1001是蓝光。
不过，使用这种类型的光谱装置精确地确定光线的波长是很困难的，这是因为光线命中光谱显示板的位置坐标1005会依据很多因素发生变化，这些因素比如，光线1001入射到棱镜1002上的角度，以及棱镜1002和光谱显示板1004之间的距离和角度。因此，这种类型的光谱装置的调节要求对多个地方进行调节的精细的操作。
因此，需要调节的地方越少，光谱装置就越便于使用。
而且，最好对光谱装置进行的操作比较简单，这是因为需要精细地设置入射到构成固态成像装置的光电二极管的光线的频率和数量，以测量光电二极管的光电转换特性。
较之使用传统的棱镜的频谱装置，本实施例的光谱装置只要求对很少的地方进行调节，并操作比较简单。
<第八实施例的光谱装置>
附图17A表示光谱分离一种光线类型的光谱装置的结构的例子。附图17B表示光谱分离成多种光线类型的光谱装置的例子。
当将光线分离成多种光线类型时，将附图17A的多个光谱装置组装成为一个光谱装置(见附图17B)。
当入射光1001入射到光谱板1010上时，小于预定波长的光线穿过设置在光谱板1010上的窗孔1013。
穿过窗孔1013的光线1030到达光谱显示板1012。
例如，如果，窗孔1013是长边为230纳米的矩形，则穿过窗孔的光1030是蓝光波长(在450纳米附近)或更小波长的光。
窗孔的形状和尺寸与穿过其中的光的频率之间的关系与第一实施例中相同。
注意，光谱板1010可由，例如铝(Al)或钨(W)制成。
下面将对附图17B的光谱装置进行介绍，该光谱装置包括取代了附图17A中的光谱显示板1012的光检测单元。这个光谱装置称为光谱测量装置。
该光谱测量装置具有设置在一个光谱板中的具有不同尺寸的窗孔1051、1052和1053，并且穿过窗孔1051、1052和1053的光线1040分别到达光检测器1061、1062和1063，并进行光电转换。
这里，假设每个窗孔允许不同波长或更小波长的光线穿过，并且对各个窗孔的光谱特性已经进行了测量。
已测量光谱特性的光线1040入射到窗孔(1051、1052和1053)上，并且在穿过窗孔之后，由光检测器(1061、1062和1053)进行检测。根据检测的电信号之间的关系来确定光线1040的光谱特性。
例如，穿过窗孔1051的光的波长小于蓝光波长，穿过窗孔1052的光的波长小于绿光波长，穿过窗孔1053的光的波长小于红光波长。
在这种情况下，如果穿过窗孔1051的光和穿过窗孔1052且波长小于蓝光波长的光的光谱特性相同，则绿光波长范围的强度可以通过从由光检测器1062检测到电信号中减去由光检测器1061检测到的电信号而得到。同样，红光波长范围的强度可以通过从由光检测器1063检测到的电信号中减去由光检测器1062检测到的电信号而得到。
实际上，使得穿过各个窗孔的光线中的小于等于某一波长的光的光谱特性保持一致的窗孔是很困难的。出于这个原因，可以通过进行一组矩阵处理来找出所需光线的强度。这一矩阵处理已经在第六实施例中进行了详细介绍。
<有关第八实施例的其它要点>
(1)虽然本实施例的光谱装置配置了一个其中具有窗孔的光谱板，但是也可以为各个窗孔设置不同的光谱板。
构造该光谱装置使得多个光谱板具有能够精细调节的优点。另一方面，构造该光谱装置使得仅仅一个光谱板具有省去了将被省略的光谱板之间的位置调节需要的优点。
(2)在具有多个窗孔且将光线分离成多个光线的光谱装置中，光谱分离板1011起到了有效防止穿过窗孔的彼此接近的光线之间发生混合的作用。
(3)虽然本实施例的光谱装置设置了一个使小于等于某一波长的光线能够穿过的窗孔，但是也可以设置多个同样形状的窗孔。
而且，也可以设置多个不同形状的窗孔。
设置多个窗孔使得更多的光量能够穿过这些窗孔，从而提高了光谱装置或光谱测量装置的SN比。如第三实施例中所介绍的那样。
而且，通过组合具有不同形状的窗孔，具有接近所需特性的光谱特性的光线可以通过。这在第四实施例中进行了说明。
(4)虽然本实施例中的窗孔是按照具有矩形形状来进行介绍的，但是它们也可以具有其它的形状，例如圆形或狭缝形。
虽然已经参照附图借助实例对本发明进行了详尽的说明，但需要注意的是，对本领域的技术人员来说，各种改变和修改都将是显而易见的。因此，除非这样的改变和修改超出了本发明的范围，否则应当将它们理解为已经包含在此了。
权利要求
1.一种固态成像装置，包括多个光电二极管，每个光电二极管将所接收的光转换为电信号；和光屏蔽膜，具有形成于其中的多个窗孔，该光屏蔽膜设置在所述光电二极管之上，并通过夹在所述光屏蔽膜与所述光电二极管之间的绝缘膜与所述光电二极管隔离，其中所述窗孔允许波长小于预定波长的光通过。
2.按照权利要求1所述的固态成像装置，其中所述光电二极管分别对应于作为所获取图像的每个最小单元的像素，并且每个光电二极管具有设置于其上方的一个不同的窗孔。
3.按照权利要求2所述的固态成像装置，其中每个窗孔的形状和尺寸是依据所述预定波长来限定的。
4.按照权利要求3所述的固态成像装置，其中所述窗孔由N个(N为自然数)不同类型的窗孔组成，对于每种类型的窗孔所述预定波长是不同的，所述光电二极管的数量为N，并且所述N个光电二极管中的每一个可以具有设置在其上方的N种类型中的一种不同的窗孔。
5.按照权利要求4所述的固态成像装置，根据用于将一个其组成元素是N种类型的电信号的列向量变换为一个其组成元素是第一彩色系统的M种类型的彩色信号的列向量的M(M是自然数)乘N矩阵，从由所述N个光电二极管接收的光所产生的N种类型的电信号中产生第一彩色系统的彩色信号。
6.按照权利要求5所述的固态成像装置，根据一个用于校正其组成元素是第一彩色系统的彩色信号的该列向量的M乘M矩阵，对所述第一彩色系统的彩色信号进行颜色校正。
7.按照权利要求5所述的固态成像装置，根据一个用于将其组成元素是所述第一彩色系统的彩色信号的该列向量变换为一个其组成元素是该第二彩色系统的彩色信号的列向量的L(L为自然数)乘M矩阵，将所述第一彩色系统的彩色信号转换为所述第二彩色系统的彩色信号。
8.按照权利要求7所述的固态成像装置，对所述第二彩色系统的彩色信号进行颜色校正，所述颜色校正基于一个用于校正其组成元素是所述第二彩色系统的彩色信号的列向量的L乘L矩阵。
9.按照权利要求3所述的固态成像装置，其中每个光电二极管具有多个设置于其上方的窗孔。
10.按照权利要求9所述的固态成像装置，其中，设置在每个光电二极管上方的所述多个窗孔包括(i)允许小于预定波长的光穿过的一个或多个窗孔，以及(ii)允许小于一个不同的预定波长的光穿过的一个或多个窗孔。
11.按照权利要求9所述的固态成像装置，其中将所述窗孔安排成使所述窗孔的长度方向彼此平行，各窗孔间的间隔小于或等于所述窗孔的长度方向的尺寸。
12.按照权利要求9所述的固态成像装置，其中将所述窗孔安排成使所述窗孔的长度方向彼此平行，各窗孔间的间隔大于或等于所述窗孔的长度方向的尺寸。
13.按照权利要求3所述的固态成像装置，还包括多个微透镜，每个微透镜是相对于一个不同的光电二极管而设置的，并且每个微透镜覆盖相应的光电二极管上方的窗孔。
14.按照权利要求3所述的固态成像装置，还包括多个微透镜，每个微透镜覆盖一个或多个不同的窗孔。
15.按照权利要求3所述的固态成像装置，其中所述绝缘膜具有等于或大于所述窗孔的最小尺寸、并且等于或小于由所述光电二极管进行转换的光的最大波长的厚度。
16.按照权利要求3所述的固态成像装置，其中每个窗孔具有矩形和圆形之一的形状，和如果窗孔是矩形的，则依据所述预定波长所限定的尺寸是所述窗孔的长边，如果窗孔是圆形的，则依据所述限定波长所限定的尺寸是所述窗孔的直径。
17.按照权利要求3所述的固态成像装置，其中所述预定波长是形成在该窗孔上方的媒介中的近红外光、红光、绿光和蓝光中的一种波长。
18.按照权利要求2所述的固态成像装置，其中所述窗孔具有长而窄的矩形形状，并且将所述窗孔布置成每个窗孔的长度方向被定向在同一方向。
19.按照权利要求2所述的固态成像装置，其中所述窗孔具有长而窄的矩形形状，相对于每个光电二极管设置多个窗孔，并且将所述多个窗孔布置成对于每个光电二极管的窗孔的长度方向定向在下述方向中的一个方向(i)第一方向和(ii)与该第一方向垂直的第二方向。
20.一种信号处理装置，用于处理由固态成像装置输出的N(N为自然数)种电信号，该信号处理装置包括差分矩阵保持单元，可操作地保持一个差分矩阵，该差分矩阵用于通过获取所述N种类型的电信号中的一个电信号与所述N种类型的电信号中的一个相邻电信号之间的差，将一个其组成元素是所述N种类型的电信号的向量转换为一个其组成元素是第一彩色系统中的M(M为自然数)种类型的彩色信号的向量；和彩色信号产生单元，用于基于所述差分矩阵可操作地从所述N种类型的电信号中产生所述第一彩色系统的彩色信号。
21.按照权利要求20所述的信号处理装置，还包括校正矩阵保持单元，可操作地保持校正矩阵，该校正矩阵用于校正其组成元素是所述第一彩色系统的彩色信号的向量；和彩色信号校正单元，基于所述校正矩阵可操作地校正所述第一彩色系统的彩色信号。
22.按照权利要求20所述的信号处理装置，还包括彩色系统变换矩阵保持单元，可操作地保持一个彩色系统变换矩阵，该彩色系统变换矩阵用于将其组成元素是所述第一彩色系统的彩色信号的该向量变换为一个其组成元素是第二彩色系统的L(L是一个自然数)种彩色信号的向量；和彩色系统校正单元，基于所述校正矩阵可操作地校正所述第二彩色系统的彩色信号。
23.按照权利要求22所述的信号处理装置，还包括校正矩阵保持单元，可操作地保持一个校正矩阵，该校正矩阵用于校正其组成元素是所述第二彩色系统的彩色信号的该向量；和彩色信号校正单元，基于所述校正矩阵可操作地校正所述第二彩色系统的彩色信号。
24.一种包含固态成像装置的摄影机，所述固态成像装置包括多个光电二极管，每个光电二极管将所接收的光转换为电信号；和光屏蔽膜，具有形成于其中的多个窗孔，该光屏蔽膜设置在所述光电二极管上方，并通过夹在所述光屏蔽膜与所述光电二极管之间的绝缘膜与所述光电二极管隔离，其中所述窗孔允许波长小于预定波长的光通过，和每个所述光电二极管分别对应于作为所获取图像的每个最小单元的像素，并且每个光电二极管具有设置于其上方的一个不同的窗孔。
25.按照权利要求24所述的摄影机，其中其中所述窗孔由N个(N为自然数)不同类型的窗孔组成，对于每种类型的窗孔所述预定波长是不同的，所述光电二极管的数量为N，并且所述N个光电二极管中的每一个具有设置在其上方的N种类型中的一种不同的窗孔，和所述固态成像装置还包括信号处理电路，该电路用于对分别由提供在所述窗孔上方的N个光电二极管所接收到的光产生的N种类型的电信号进行处理，根据各自的预定波长来限定所述窗孔的形状和尺寸，和通过获取所述N种类型的电信号中的一个电信号与所述N种电信号中的一个相邻电信号之间的差、基于用于将一个其组成元素是N种类型的电信号的向量转换为一个其组成元素是第一彩色系统的M(M为个自然数)种类型的彩色信号的向量的一个差分矩阵，所述信号处理装置从N种类型的电信号中产生第一彩色系统的彩色信号。
26.按照权利要求24所述的摄影机，还包括一个用于处理由所述固态成像装置输出的N(N为自然数)种类型的电信号的信号处理设备，其中，在所述固态成像设备中，所述窗孔是由N种不同类型的窗孔组成的，所述预定波长对于每种类型的窗孔是不同的，所述光电二极管的数量为N，并且N个光电二极管的每一个具有设置于其上方的具有N种类型窗孔中的一种不同类型的窗孔，所述固态成像装置将N种类型电信号输出给信号处理装置，所述N种类型的电信号是由其上设置有根据各自的预定波长来限定形状和尺寸的窗孔的所述N个光电二极管各自接收的光而产生的，和通过获取所述N种类型的电信号中的一个电信号与所述N种电信号中的一个相邻电信号之间的差、基于用于将一个其组成元素是N种类型的电信号的向量转换为一个其组成元素是第一彩色系统的M(M为个自然数)种类型的彩色信号的向量的一个差分矩阵，所述信号处理装置从N种类型的电信号中产生第一彩色系统的彩色信号。
27.按照权利要求24所述的摄影机，还包括至少多于一个的固态成像装置，所述固态成像装置总数为N，且在每个固态成像装置中所述窗孔由N(N为自然数)种不同类型的窗孔组成，对于每种类型的窗孔所述预定波长是不同的，所述光电二极管总数为N个，并且所述N个光电二极管中的每一个具有设置在其上方的N种类型的窗孔中的一个不同类型的窗孔；和信号处理装置，用于处理由所述固态成像装置输出的N种类型的电信号，其中所述固态成像装置将N种类型电信号输出给信号处理装置，所述N种类型的电信号是分别由其上设置有根据各自的预定波长来限定形状和尺寸的窗孔的光电二极管所接收的光产生的，和通过获取所述N种类型的电信号中的电信号与所述N种电信号中的相邻电信号之间的差、基于用于将一个其组成元素是N种类型的电信号的向量转换为一个其组成元素是第一彩色系统的M(M为个自然数)种类型的彩色信号的向量的一个差分矩阵，所述信号处理装置从N种类型的电信号中产生第一彩色系统的彩色信号。
28.一种包含光谱单元的光谱装置，其中所述光谱单元包括一个不透明的部件，该不透明的部件与来自光源的光的路径不平行，并且所述部件具有位于该路径与该部件相交的位置的窗孔，所述窗孔允许波长小于预定波长的光通过。
29.按照权利要求28所述的光谱装置，还包括光检测单元，依据光的密度该光检测单元可操作地将所述光谱单元分离出的光转换为电信号。
30.按照权利要求29所述的光谱装置，还包括差分矩阵保持单元和信号处理单元，其中所述差分矩阵保持单元可操作地保持一个差分矩阵，该矩阵用于通过获取所述N种类型的电信号中的一个电信号与所述N种类型的电信号中的一个相邻的电信号之间的差，将一个其组成元素是所述N种类型的电信号的向量转换为一个其组成元素是第一彩色系统中的M(M为自然数)种类型的彩色信号的向量；和所述信号处理单元可操作地从所述N种类型的电信号中产生M种类型的电信号。
全文摘要
在光电二极管上方形成光屏蔽膜，所述光电二极管将所接收到的光转换为电信号，在所述光电二极管和所述光屏蔽膜之间夹有绝缘膜。在截止膜中形成窗孔，以致截止所述光电二极管敏感的光线的波长范围内的至少预定波长的光线，允许低于所述预定波长的光线穿过。
文档编号H04N5/335GK1538528SQ200410043100
公开日2004年10月20日 申请日期2004年4月7日 优先权日2003年4月7日
发明者山口琢己, 上田大助, 助, 片山琢磨, 磨, 成, 胜野元成, 吉田真治, 治 申请人:松下电器产业株式会社