多光谱摄像装置以及多光谱摄像系统的制作方法

本发明涉及医疗辅助设备领域，尤其涉及一种多光谱摄像装置以及多光谱摄像系统。

背景技术：

人体内部的结构和组织是人眼无法直接看到的。仅仅依靠人体的外部轮廓和人体解剖知识是难以精确地找到和定位皮下的内部结构和组织的。

人体血管隐藏在表皮下面，往往被皮下脂肪，甚至骨骼所遮挡，在可见光的环境下图像信号及其微弱，甚至完全不为人眼可见。虽然在穿刺之前，医生往往会要求患者攥紧拳头或用拍打穿刺部位皮肤的方式让血管更加可见，但是根据患者的年龄，皮下脂肪的厚薄等因素，皮下血管的可视性依然不理想。根据隐约可见的血管图像和医学知识，对血管所做的穿刺往往错位，导致病患者的痛苦，延误治疗时机，甚至造成注射事故。除了直接对血管所做的抽血和注射以外，针灸和其他医疗手术等操作，都需要准确地知道血管的位置，以便在操作时能避开血管或者对血管做特别处理。

目前尝试解决此一难题的技术方法为使用近红外摄像技术。这种红外血管图像增强技术主要利用了血管中血红蛋白对波长从760nm到1000nm的近红外光的吸收率与周围其他人体组织不同的原理，首先将摄取血管的近红外图像，然后对图像的对比度做强化后，通过一台可见光投影仪将皮下血管投影显示在皮肤表面。这样医生或护士就能够识别患者皮下血管的位置并实时操作。

然而由于皮下血管被皮下脂肪和肌肉组织所包围，它们对于近红外光有明显的散射作用。人体的皮下组织的色素和脂肪，皮肤表面的褶皱，瘢痕和毛发都会对入射的红外线有吸收和散射作用。它们严重模糊了这种投影式血管显像仪获得的血管图像。这种技术上的先天缺陷在成像直径较小的微细血管时表现的尤其严重。这是因为血管越细小，单位长度的血管内的血液容量就越少，所含有的有氧血红蛋白和无氧血红蛋白的数量就越少，从而它们对近红外光线的吸收就越少。在同等的杂散光背景下，血管和周围组织的对比度就很微弱，通常在0.01～0.1。

根据人体皮下软组织的光学特性，不同波长的光线在人体皮肤下层的吸收深度不同，波长越长，能够穿透的深度就越大。从蓝紫色的420nm到人眼最为敏感的550nm的可见光仅仅能够穿透0.6mm的表皮层，而波长大于690nm左右的红光可以穿透表皮层和真皮层到达皮下组织上层和部分静脉的深度。波长大于760nm到1000nm的光线为人眼所不可见的近红外光线，其能够达到更加深层次的皮下组织和脂肪层。

所有光线都会在进入皮肤的初始阶段遭到散射和反射，其散射和反射的光线对于只需要知道皮肤下层的血管图像来说仅仅是干有害的干扰或噪声。如果从红外图像中减去可见光图像，就可以得到仅仅携带皮下深层部位信息的图像了。这就是红外图像的数字减影技术的基本原理。之所以需要在数字图像的环境下进行这种操作，是因为复杂的图像处理无法用模拟信号和模拟电路完成，必须是数字化后用计算机来完成的。

如何有效、准确地获得不同波段的图像是亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供多光谱摄像装置以及多光谱摄像系统，克服现有技术中的困难，能够有效、准确地获得不同波段的图像。

根据本发明的一个方面，提供一种多光谱摄像装置，所述多光谱摄像装置用于获取不同波段的图像，所述多光谱摄像装置包括：基板；多个半导体层，垂直于基板所在平面地堆叠于所述基板之上，不同层的半导体层分别光电地转换可见光和近红外光；以及滤光层，位于所述多个半导体层背向所述基板的一侧，包括按矩阵排列的多个滤光区域，以在平行于基板的平面上按波段分离入射到所述多光谱摄像装置的光线。

可选地，所述多个半导体层包括：第一半导体层，位于所述基板之上，可以是n型半导体或者p型半导体的载流子耗尽层，其作用是光电转换近红外光，也就是将入射的近红外光转换成信号电荷；第二半导体层，位于所述第一半导体层背向所述基板的一侧，光电转换可见光，并供近红外光穿过；所述滤光层位于所述第二半导体层背向所述第一半导体层的一侧，所述滤光层包括按阵列排列的多个滤光片，每个所述滤光片形成一滤光区域，供对应一种波段的可见光以及近红外光穿过。

可选地，所述第二半导体层的图案在所述基板所在平面上的垂直投影完全覆盖所述第一半导体层的图案在所述基板所在平面上的垂直投影。

可选地，所述第二半导体层的图案在所述基板所在平面上的垂直投影部分覆盖所述第一半导体层的图案在所述基板所在平面上的垂直投影，并使用黑矩阵薄膜bm(blackmatrix)和不透光的金属遮挡第一半导体层的尚没有被第二半导体层重叠或遮挡的部分区域。

可选地，所述第二半导体层中部分图案连接至电性元件，所述第二半导体层中另一部分图案电性悬空。

可选地，所述第一半导体层的图案在所述基板所在平面上的垂直投影与连接至电性元件的所述第二半导体层的部分图案在所述基板所在平面上的垂直投影不重叠。

可选地，各所述滤光区域在所述基板所在平面上的垂直投影完全覆盖所述第二半导体层的图案在所述基板所在平面上的垂直投影。

可选地，所述滤光层还包括：透明膜层，形成多个滤光区域，供可见光及近红外光穿过。

可选地，所述透明膜层覆盖多个其他波段的滤光区域和所述滤光区域之间的间隙，以使所述多光谱摄像装置的顶面平坦化和并供可见光及近红外穿过。

可选地，还包括：多条沿第一方向排列，并沿第二方向延伸的栅极线，位于所述基板设置所述多个半导体层的一侧；多条沿第二方向排列，并沿第一方向延伸的数据线，位于所述基板设置所述多个半导体层的一侧，其中，所述第一方向垂直于所述第二方向。

可选地，各所述第一半导体层的图案电连接至一开关元件的控制极，并通过该开关元件的两个极分别电连接至所述栅极线和所述数据线；至少部分所述第二半导体层的图案电连接至一开关元件的控制极，并通过该开关元件的两个极分别电连接至所述栅极线和所述数据线。

可选地，还包括：绝缘钝化层，位于所述第一半导体层和所述第二半导体层之间。

可选地，所述第二半导体层的图案包括按矩阵排列的多个第二子图案，一连接至电性元件的所述第二子图案形成一可见光子像素，每个所述滤光区域覆盖至少一所述可见光子像素；所述第一半导体层的图案包括按矩阵排列的多个第一子图案，一所述第一子图案形成一近红外光子像素；至少两个不同波段的所述可见光子像素和至少一个所述近红外光子像素形成一像素单元，以使所述多光谱摄像装置获取至少两个不同波段的可见光图像及至少一个近红外光图像。

可选地，各所述像素单元包括三个不同波段的所述可见光子像素和一个所述近红外光子像素，以使所述多光谱摄像装置获取三个不同波段的可见光图像及一个近红外光图像。

可选地，各所述像素单元包括两个不同波段的所述可见光子像素和两个不同波段的所述近红外光子像素，以使所述多光谱摄像装置获取两个不同波段的可见光图像及两个不同波段的近红外光图像。

可选地，各像素单元中两个所述近红外光子像素分别由一透明膜层和一阻挡波长大于900nm的近红外光的滤光片覆盖。

可选地，各像素单元中两个所述近红外光子像素分别对应的第一半导体层具有不同的厚度以光电转换不同波长的近红外光。

可选地，各像素单元中一个近红外光子像素对应的第一半导体层的厚度为0.5微米至3微米；另一个近红外光子像素对应的第一半导体层的厚度则大于第一个近红外光的子像素的第一半导体层的厚度，为1微米至15微米。

可选地，所述可见光子像素包括如下子像素中的两种或多种：红色子像素(red)；蓝色子像素(blue)；绿色子像素(green)；黄色子像素(yellow)；品红色子像素(magenta)；蓝绿色子像素(cyan)以及白色子像素,这里所指的白色像素意味着其光电变换层之上的滤光片是对可见光没有颜色过滤作用的呈透明状态的膜层。

可选地，所述基板为结晶硅基板。

根据本发明的又一方面，还提供一种多光谱摄像系统，包括：如上所述的多光谱摄像装置，用于将入射到所述多光谱摄像装置的光线转化为表示不同波段的图像的电信号；以及处理器，与所述多光谱摄像装置相通讯，对所述多光谱摄像装置获取的不同波段的图像的电信号进行处理。

可选地，所述处理器对所述多光谱摄像装置获取的不同波段的图像的电信号进行带有权重的加减法处理。

有鉴于此，本发明的多光谱摄像装置以及多光谱摄像系统通过多光谱摄像装置的结构将入射到多光谱摄像装置的光线沿垂直基板方向和平行基板方向分离成多个不同波段的光线以同时获得不同波段的图像。同时获得的不同波段的图像在多光谱摄像系统的后续处理中不会出现位置偏移等误差，减少针对这类误差的图像处理，提高不同波段的图像处理速度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明第一实施例的一种多光谱摄像装置的截面图；

图2为本发明实施例的不同滤光片的光透过率的示意图；

图3为本发明第二实施例的多光谱摄像装置的示意图；

图4为本发明第三实施例的多光谱摄像装置的示意图；

图5为本发明第四实施例的多光谱摄像装置的示意图；

图6为本发明第五实施例的多光谱摄像装置的示意图；

图7为本发明第六实施例的多光谱摄像装置的示意图；

图8为图7中的a-a’截面图；

图9为本发明实施例的多光谱摄像系统的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。

为了解决现有技术的缺陷，本发明提供一种用于获取不同波段的图像的多光谱摄像装置。多光谱摄像装置包括基板、多个半导体层以及滤光层。多个半导体层垂直于基板所在平面地堆叠于所述基板之上，不同层的半导体层分别光电地转换可见光和近红外光。滤光层位于多个半导体层背向基板的一侧。滤光层包括按矩阵排列的多个滤光区域，以在平行于基板的平面上按波段分离入射到所述多光谱摄像装置的光线。

具体而言，本发明根据一些半导体材料中光线的吸收深度和波长的相关性，将不同光谱波段通道的图像信息在沿着垂直于基板的方向上做纵向的分离，同时在平行于基板的两维平面空间做多光谱的信道分离，也就是说同时或者实时地做三维空间的信道分离。当本发明提供的多光谱摄像装置运用到医疗领域获取人体内不同深度的图像(例如血管图像)时，由于光在人体皮下的吸收，反射和散射过程在沿着穿透方向上的连续性，垂直于基板方向上光电转换的不同波段图像会有一定的重叠，通过在三维空间对入射光线做多光谱(不同波段的光线)的信道分离，获得更多波段的图像，以将摄取到的不同波段的图像信息做一定的运算和处理，得出人体皮下不同深度，或者不同组织的高对比度图像。

下面结合各个附图说明本发明提供的各个实施例。

首先参见图1，图1示出本发明第一实施例的一种多光谱摄像装置的截面图。

多光谱摄像装置包括基板190、第一半导体层140、第二半导体层及滤光层。

基板190为结晶硅基板。第一半导体层140位于基板190之上，对近红外光敏感。第一半导体层140可以是在基板190上制作的cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)摄像器件的光电二极管或者是n型半导体或者p型半导体的载流子耗尽层，或者ccd(charge-coupleddevice，电荷耦合元件)摄像器件的电子或者空穴势阱。近红外光在第一半导体层140处进行了光电转换。可选地，此处所述的近红外光的波长为760nm-1000nm。

第二半导体层(包括121、122及123)位于第一半导体层140背向基板190的一侧，对可见光敏感，并供近红外光穿过。具体而言，可见光在第二半导体层处进行了光电转换。可选地，此处所述的可见光的波长为400nm-760nm。第二半导体层可以包括多个可见光光电转换器件。在一个优选地实施例中，可采用氢化非晶硅的光电二极管作为第二半导体层的可见光光电转换器件。氢化非晶硅的光电二极管的可见光光谱范围的相应曲线和人眼的视觉相应曲线比较吻合，摄取的可见光影像用很少或者几乎不用再做颜色的校正。和氢化非晶硅内的含氢量和成膜工艺以及之后的工艺温度相关，氢化非晶硅的薄膜的禁带宽度从大致从1.6ev到2.0ev，在波长等于400nm到760nm的可见光范围内的吸收系数很大，一个大约2微米厚的氢化非晶硅薄膜能够吸收将近95％以上的入射可见光。对于光子能量低于其禁带宽度的红外辐射，氢化非晶硅薄膜的吸收系数大幅下降。例如，氢化非晶硅薄膜对于波长大于800nm的近红外光的吸收系数比650nm的吸收系数下降将近100倍。由此，一个大约2微米厚的氢化非晶硅光电二极管薄膜可以透过98％以上的近红外光。当把一个大约2微米厚的氢化非晶硅薄膜(第二半导体层)重叠在一个近红外光电变换元件(第一半导体层140)的上面，基本不会对其透过的近红外光线产生任何不良影响。换言之，采用氢化非晶硅的光电二极管作为第二半导体层的可见光光电转换器件可以吸收大多数可见光进行光电转换，并可供大多数近红外光穿过以使近红外光可以到达第一半导体层140。

滤光层位于第二半导体层背向第一半导体层140的一侧。滤光层包括按阵列排列的多个滤光片(例如蓝色滤光片111及红色滤光片112)。每个滤光片形成一滤光区域，供对应一种颜色的波段的可见光以及近红外光穿过。在本实施例中，多个滤光片包括可见光光谱中较短波长的带通彩色滤光片(比如供波长范围为400nm到460nm的光线穿过的蓝色滤光片111)以及可见光光谱中较长波长的带通彩色滤光片(比如供波长范围为650nm到760nm的光线穿过的红色滤光片112)。在本实施例中，滤光层还可以包括透明膜层113(例如透明有机膜)。透明膜层113也形成多个滤光区域并供可见光及近红外光穿过。蓝色滤光片111、红色滤光片112及透明膜层113周期性地在基板所在平面的两个方向(例如相互垂直的两个方向)重复，形成了滤光区域的阵列。各滤光区域对应第二半导体层的光电二极管121、122及123(例如氢化非晶硅的三个p-i-n结的光电二极管)。可参见图2以理解不同滤光片的光透过率。根据图2，可见光波段的彩色滤光片通常会透过部分或者绝大部分的波长大于760nm的红外线，所以绝大部分的红外线可以穿过滤光区域的阵列。

由此，当光入射到多光谱摄像装置时，蓝色波段的光及近红外光穿过蓝色滤光片111、红色波段的光及近红外光穿过红色滤光片112、可见光及近红外光穿过透明膜层并到达对应的第二半导体层的光电转换器件，第二半导体层对应滤光区域光电地转换蓝光、红光及可见光。同时近红外光穿过第二半导体层到达第一半导体层140，近红外光在第一半导体层140被转换成电子并暂时存储在对应的存储电容里面，直到对应像素内信号电荷的读出(例如，第一半导体层140为光电二极管阵列的场合)或像素电位的复位动作的发生(例如，第一半导体层140应用有源像素传感器的场合)。

可选地，在本实施例中，多光谱摄像装置还包括绝缘钝化膜130，位于第一半导体层140和第二半导体层之间。绝缘钝化膜130至少供近红外光穿过。绝缘钝化膜130将第二半导体层(例如，氢化非晶硅薄膜光电二极管)和第一半导体层140(例如硅半导体器件)绝缘并减少它们之间的寄生电容的偶合。

进一步地，为了清楚起见，图1仅示出涉及本发明的相关部件，本领域人员可以依实际应用和制程增加某些层或部件，例如，第二半导体层的光电转换器件的电极以及其对应的像素开关；第一半导体层140中的光电二极管及其他相关的离子注入和扩散层的结构；其他电极；像素开关；以及信号输出的数据线及栅控线等。在不背离本发明基本构思的情况下，这些部件的增加都在本发明的保护范围内。

下面参见图3，图3为本发明第二实施例的多光谱摄像装置的示意图。多光谱摄像装置包括基板以及依次形成于基板上的第一半导体层240、第二半导体层及滤光层。进一步地，第二半导体层的图案包括按矩阵排列的多个第二子图案(每个第二子图案可对应一个光电二极管)。每个连接至电性元件的第二子图案(光电二极管)形成一可见光子像素。每个滤光区域覆盖至少一可见光子像素。具体而言，在本实施例中，每个第二半导体层的光电二极管在基板的垂直投影与滤光层的多个滤光区域对应重叠。例如蓝色滤光片211对应一第二半导体层的光电二极管；红色滤光片212对应一第二半导体层的光电二极管；透明膜层213也对应一第二半导体层的光电二极管。可见光子像素可以包括红色子像素、蓝色子像素、绿色子像素、黄色子像素，品红色子像素，蓝绿色子像素及白色或者透明子像素中的任两种或多种。第一半导体层的图案包括按矩阵排列的多个第一子图案(每个第一子图案可对应一个光电二极管)。各第一子图案(光电二极管)形成一近红外光子像素。至少两个可见光子像素和至少一个近红外光子像素形成一像素单元，以使多光谱摄像装置获取至少两个不同波段的可见光图像及至少一个近红外光图像。图3示出了一个像素单元，在图3所示的实施例中，各像素单元包括一个蓝光子像素、一个红光子像素、一个白色子像素和一个近红外光子像素。多光谱摄像装置可以获取蓝光图像、红光图像、白光图像及一个近红外光图像。

具体而言，多光谱摄像装置包括位于基板设置多个半导体层的一侧的多条栅极线和多条数据线。多条栅极线在基板的平面上沿第一方向排列，并沿第二方向延伸的栅极线。多条数据线沿第二方向排列，并沿第一方向延伸的数据线。第一方向垂直于第二方向。可选地，上述滤光区域、第一半导体层的第一子图案及第二半导体层的第二子图案的矩阵排列方向也为第一方向可第二方向，但本发明并非以此为限。各第一半导体层的图案(第一半导体层的各光电二极管)电连接至一开关元件的控制极，并通过该开关元件的两个极分别电连接至栅极线和数据线。至少部分第二半导体层的图案(第二半导体层的各光电二极管)电连接至一开关元件的控制极，并通过该开关元件的两个极分别电连接至栅极线和数据线。

进一步地，在本实施例中，各像素单元的三个可见光子像素包括与蓝色滤光片211在基板上的垂直投影对应重叠的a-si:h薄膜光电二极管(第二半导体层的光电二极管)，与红色滤光片212在基板上的垂直投影对应重叠的a-si:h薄膜光电二极管(第二半导体层的光电二极管)，以及与透明膜层213在基板上的垂直投影对应重叠的a-si:h薄膜光电二极管23(第二半导体层的光电二极管)。各像素单元的近红外光子像素为制作在基板内的c-si光电二极管(第一半导体层240的光电二极管)。各可见光子像素和近红外光子像素由制作在基板上的c-simos晶体管开关的源漏极连接到数据线271或272上。蓝色子像素的开关元件251和红色子像素的开关元件252的栅极(控制极)都连接在栅极线261上。白色子像素的开关元件253和红外子像素的开关元件254的栅极(控制极)都连接在栅极线262上。在一具体实现中，当此多光谱摄像装置的各个栅极线上被依次加上高电位的扫描脉冲(对应于n-mos晶体管开关的场合)时，每个子像素中临时存储的信号电荷就被依次读出到数据线上，并最终被外围电路所采集并做进一步的处理。

在本实施例中，为了让第一半导体层中的光生载流子的汇集和传输更加顺畅，第一半导体层的光电二极管240在基板所在平面上的垂直投影是一个完整的矩形结构并完全覆盖了第二半导体层的三个a-sih光电二极管在基板所在平面上的垂直投影，且第一半导体层的光电二极管240在基板所在平面上的垂直投影超出第二半导体层的三个a-sih光电二极管在基板所在平面上的垂直投影的边界。为了不让可见光透过a-sih光电二极管的间隙进入第一半导体层的光电二极管240，从而获得更加纯净的没有可见光信号混杂的红外信号，本实施例中使用了黑色有机膜形成的开窗矩阵219，或通常称为bm(blackmatrix)，遮挡这部分没有被a-sih薄膜和阵列中的金属布线所遮挡的第一半导体层。开窗矩阵219的边界确定了第一层半导体层和第二半导体层的有效受光面积，也就是图3中的开口区域(aperture)201所示的面积。

此外，由透明膜层213和第二半导体层的光电二极管组成的白色子像素，不仅可以让更多的近红外光透过透明膜层213到达对近红外光进行光电转换的第一半导体层240，而且通过第二半导体层的a-sih光电二极管的光谱响应曲线，同时可依据红色子像素中a-sih光电二极管的面积、蓝色子像素中a-sih光电二极管的面积、白色子像素中a-sih光电二极管的面积比例，以及各自的输出电信号，和a-sih光电二极管的对紅色，蓝色和绿色光谱的量子效率，按照以下方程组计算出绿光的成分来。

上述公式中，sr，sb，sw分别代表了r，b，w三个子像素的输出电信号；tr代表红色滤光片对红光的透过率，tb代表蓝色滤光片对蓝光的透过率，其数值可以从图2的透过率曲线得到；ηr,ηb,ηg分别代表了a-sih光电二极管对r，b，g三种颜色光的量子效率；pr,pb,pg则分别代表了入射光到a-sih光电二极管中的r，b，g三种颜色光的光强度或者单位面积的光子密度；ar,ab,aw,则分别代表了r，b，w三个子像素的受光面积。上述方程组中，除了入射光的各个光谱的光强以外，所有的参数都可以事先测量或通过输出信号的各个分量得到。三个方程，三个未知数，所以通过上述方程组可以获得唯一解，从而可以合成并复原入射光线本来的色彩。可选地，在本实施例中，透明膜层213也可以由绿色滤光片代替，以简化色彩还原等图像处理的步骤。

下面参见图4，图4为本发明第三实施例的多光谱摄像装置的示意图。与图3所示的第二实施例类似，多光谱摄像装置包括基板以及依次形成于基板上的第一半导体层340、第二半导体层及滤光层。多光谱摄像装置还包括多条栅极线和数据线。

图4示出了一个像素单元，对应该像素单元，滤光层包括蓝色滤光片311、红色滤光片312、透明膜层313及绿色滤光片314。各滤光片及透明膜层形成的滤光区域在基板上的垂直投影大于并完全覆盖各自相对应的第二半导体层的光电二极管。为简单起见这里使用重叠二字来表述，并在图4中用同一个外轮廓来简单示意。换言之，蓝色滤光片311形成的滤光区域在基板上的垂直投影与第二半导体层的一光电二极管对应重叠；红色滤光片312形成的滤光区域在基板上的垂直投影与第二半导体层的一光电二极管对应重叠；透明膜层313形成的滤光区域在基板上的垂直投影与第二半导体层的一光电二极管对应重叠；绿色滤光片314形成的滤光区域在基板上的垂直投影与第二半导体层的一光电二极管对应重叠。

其中，与蓝色滤光片311形成的滤光区域对应重叠的第二半导体层的光电二极管通过开关元件351的源漏极连接至数据线371，开关元件351的栅极连接至栅极线361，以此形成一蓝色子像素；与红色滤光片312形成的滤光区域对应重叠的第二半导体层的光电二极管通过开关元件352的源漏极连接至数据线372，开关元件352的栅极连接至栅极线361，以此形成一红色子像素；与绿色滤光片314形成的滤光区域对应重叠的第二半导体层的光电二极管通过开关元件353的源漏极连接至数据线371，开关元件353的栅极连接至栅极线362，以此形成一绿色子像素；与透明膜层313形成的滤光区域对应重叠的第二半导体层的光电二极管电性悬空。

对应该像素单元，第一半导体层340的光电二极管在基板上的垂直投影小于并被与透明膜层313形成的滤光区域对应重叠的第二半导体层的光电二极管完全覆盖，并且不与电连接至开关元件的各第二半导体层的光电二极管重叠。该第一半导体层340的光电二极管在该像素单元中形成一近红外光子像素。该第一半导体层340的光电二极管通过开关元件354的源漏极连接至数据线372，开关元件354的栅极连接至栅极线362。透明膜层313的另外一个作用则是将器件表面平坦化，所以从制造工艺流程上来看，透明膜层313实际上还可以在其他滤光片的涂布，图形化分割和烘烤工艺之后涂布在所有子像素滤光片之上，在此种实施例中，透明膜层313的边界就不再局限于一个子像素，而是扩展到复数个子像素甚至整个图像传感器的受光面积上，一方面作为全透明子像素的窗口，另一方面又可以将各个滤光片岛屿之间的间隙填充和平坦化。此外，考虑到彩色滤光片对于红外线的高度透过性，本实施例中的透明膜层313也可以被任何一种彩色有机膜所替代，比如使用和红色滤光片312一样的材料，在同一个工艺流程中制作。

由此，在本实施例中，各像素单元包括一个蓝光子像素、一个红光子像素、一个绿光子像素和一个近红外光子像素。近红外光子像素与其他可见光子像素不重叠。多光谱摄像装置可以获取蓝光图像、红光图像、绿光图像及一个近红外光图像。

在本实施例中，采用蓝色滤光片311、红色滤光片312及绿色滤光片314，从而可以直接获得三原色图像，简化色彩计算和重构的过程。此外，在本实施例中，第一半导体层340的光电二极管不与电连接至开关元件的各第二半导体层的光电二极管重叠，它们各自的电容就会变小，和光电二极管相关联的寄生电容的噪声(比如ktc噪声)就可以相对减少，并且寄生电容带来的其他负面影响，比如信号串扰也会相应地减少。

下面参见图5，图5为本发明第四实施例的多光谱摄像装置的示意图。与图4所示的第三实施例类似，多光谱摄像装置包括基板以及依次形成于基板上的第一半导体层、第二半导体层及滤光层。多光谱摄像装置还包括多条栅极线和数据线。

图5示出了一个像素单元，对应该像素单元，滤光层包括蓝色滤光片411、红色滤光片412、红外滤光片415及透明膜层416。各滤光片及透明膜层形成的滤光区域在基板上的垂直投影大于并完全覆盖各自相对应的第二半导体层的光电二极管。为简单起见这里使用重叠二字来表述，并在图5中用同一个外轮廓来简单示意。红外滤光片415可过滤波长范围760nm至900nm的光线。透明膜层416可供可见光和近红外光穿透。

其中，与蓝色滤光片411形成的滤光区域对应重叠的第二半导体层的光电二极管通过开关元件451的源漏极连接至数据线471，开关元件451的栅极连接至栅极线461，以此形成一蓝色子像素；与红色滤光片412形成的滤光区域对应重叠的第二半导体层的光电二极管通过开关元件452的源漏极连接至数据线472，开关元件452的栅极连接至栅极线461，以此形成一红色子像素；与红外滤光片415形成的滤光区域对应重叠的第二半导体层的光电二极管电性悬空；与透明膜层416形成的滤光区域对应重叠的第二半导体层的光电二极管电性悬空。

对应该像素单元，第一半导体层的光电二极管在基板上的垂直投影和与红外滤光片415及透明膜层416形成的滤光区域对应重叠的第二半导体层的光电二极管对应重叠，并且不与电连接至开关元件的各第二半导体层的光电二极管重叠。该第一半导体层的光电二极管在该像素单元中形成两个近红外光子像素。对应重叠红外滤光片415的第一半导体层的光电二极管441通过开关元件454的源漏极连接至数据线472，开关元件454的栅极连接至栅极线462。对应重叠透明膜层416的第一半导体层的光电二极管442通过开关元件453的源漏极连接至数据线471，开关元件453的栅极连接至栅极线462。

由此，在本实施例中，各像素单元包括一个蓝光子像素、一个红光子像素、及两个不同波段的近红外光子像素。近红外光子像素与可见光子像素不重叠。多光谱摄像装置可以获取蓝光图像、红光图像及两个不同波段的近红外光图像。

具体而言，连接到开关元件454的第一半导体层的光电二极管的滤波可以看作是两个阶段：首先由红外滤光片415过滤掉部分760nm到900nm的近红外光线，尔后与红外滤光片415对应重叠的第二半导体层的a-sih光电二极管薄膜过滤掉所有可见光线，所以连接到开关元件454的第一半导体层的光电二极管可以仅仅探测波长大于900nm的近红外光和该近红外光线所携带的图像信息。连接到开关453的第一半导体层的光电二极管的滤波也可以看作是两个阶段：透明膜层416可以是对所有近红外光线几乎透明的薄膜，尔后与透明膜层416对应重叠的a-sih光电二极管薄膜过滤掉所有可见光线，连接到开关453的第一半导体层的光电二极管可以采集波长大于760nm的所有近红外光和该近红外光线所携带的图像信息。由此，如果将这两个不同波段的红外子像素的图像信号根据一定的权重做相减，就可以得出760nm到900nm红外波段的图像信息。

实现图5揭示的双红外波段探测目的第二种方式是用能阻挡波长大于900nm的红外线的滤光片替换透明膜层416，从而让连接到开关453的第一半导体层的光电二极管采集760nm到900nm的红外波段的图像信息。

实现图5所揭示的双红外波段探测的第三种方式是在将透明膜层用于416和415的滤光片，让所有红外光均透过滤光片和第二半导体层a-sih，然后通过不同厚度的第一半导体层的光电二极管来采集较短波长的红外线和较长波长的红外线。具体地说，参照图8，所示的轻n型掺杂层640的厚度越大，吸收的长波的红外线的成分就越多。在图5中的连接到开关453的第一半导体层的光电二极管设定为0.5微米到3微米的厚度，用来探测760nm到900nm左右的红外线，连接到开关454的第一半导体层的光电二极管设定为大于前者的厚度比如从1到15微米厚度就能探测从760nm到1000nm或者直到更长波的红外线。两者的输出信号相减，就能得出两个不同波段的红外图像信息了。可以理解，由于半导体掺杂的深度可以由离子注入时的动能来控制，也就是需要增加一道离子注入的工序。在有些场合这个实施例相比供不同红外光穿过的精密滤光片更便于制作。

换言之，以对人体皮肤的摄像为例，为了分离和采集不同波段范围的红外线所携带的皮下组织的红外吸收和反射图像信息，在本实施例中，不仅将可见光的光谱范围分成了两个波段，400nm到500nm的蓝色波段，650nm到760nm的红色波段，更是将近红外光谱的范围也分成了760nm到900nm，900nm到1100nm的两个近红外波段。四个光谱波段的图像信息按照分别由四个子像素所采集和传送到外部电路做进一步的各自信道的处理，然后将四个图像信道的信息做运算，即得出皮下组织不同深度断层的图像信息。本实施例提供的多光谱摄像装置能够摄取皮下至少四个深度的解刨断面的图像信息，对人体皮下组织的更多细节的实时观测和了解的程度，以及随后的治疗水准就能够有极大的提高。

下面参见图6，图6为本发明第五实施例的多光谱摄像装置的示意图。与图3所示的第二实施例类似，多光谱摄像装置包括基板以及依次形成于基板上的第一半导体层、第二半导体层及滤光层。多光谱摄像装置还包括多条栅极线和数据线。

图6示出了一个像素单元，对应该像素单元，滤光层包括蓝色滤光片511及红色滤光片512。各滤光片形成的滤光区域在基板上的垂直投影覆盖第二半导体层的光电二极管。在本实施例中，各滤光片形成的滤光区域在基板上的垂直投影覆盖第二半导体层的多个光电二极管。换言之，蓝色滤光片511形成的滤光区域在基板上的垂直投影覆盖第二半导体层的光电二极管521及525；红色滤光片512形成的滤光区域在基板上的垂直投影覆盖第二半导体层的光电二极管522及524。

其中，被蓝色滤光片511形成的滤光区域覆盖的第二半导体层的光电二极管521通过开关元件551的源漏极连接至数据线571，开关元件551的栅极连接至栅极线561，以此形成一蓝色子像素；被红色滤光片512形成的滤光区域覆盖的第二半导体层的光电二极管522通过开关元件552的源漏极连接至数据线572，开关元件552的栅极连接至栅极线561，以此形成一红色子像素；第二半导体层的光电二极管525及524电性悬空。

对应该像素单元，第一半导体层的光电二极管541及542不与电连接至开关元件的各第二半导体层的光电二极管重叠，且第一半导体层的光电二极管541及542分别与第二半导体层的光电二极管525及524对应。该第一半导体层的光电二极管541及542在该像素单元中形成两个近红外光子像素。该第一半导体层的光电二极管541通过开关元件554的源漏极连接至数据线572，开关元件554的栅极连接至栅极线562。该第一半导体层的光电二极管542通过开关元件553的源漏极连接至数据线571，开关元件553的栅极连接至栅极线562。

由此，在本实施例中，各像素单元包括一个蓝光子像素、一个红光子像素及两个近红外光子像素。近红外光子像素与可见光子像素不重叠。多光谱摄像装置可以获取蓝光图像、红光图像及两个近红外光图像。

具体而言，在本实施例中，通过调整或改变掺入彩色滤光片的色素的种类和数量，调整红色和蓝色彩色滤光片对于短波的近红外线的透过率，从而红色和蓝色滤光片可以在两个对近红外光光电转换的第一半导体层的光电二极管541及542上复用。按照图6，本实施例所揭示的结构和制造顺序可以节省至少两道薄膜涂布，两道光刻工艺，大大简化了制造工艺的难度和缩短了工期。

下面结合图7和图8，图7为本发明第六实施例的多光谱摄像装置的示意图。图8为图7中的a-a’截面图。

本实施例为在图2所示的实施例(每个像素单元包含四个子像素，红色子像素，蓝色子像素(或者绿色子像素)，白色子像素(或者其他颜色的像素比如绿色子像素)及和近红外光子像素)的基础上做了进一步的在半导体器件上的具体实现途径的一种实施。

其中，开关元件651，652，653，654可以分别为四个子像素的nmosfet(n型金属氧化物半导体场效应晶体管)。开关元件651，652，653，654皆制作在硅基板641之上。多晶硅的栅极线661控制着第一行的两个子像素(在基板641平面上排列的红色子像素和蓝色子像素)的开关元件651，652。多晶硅的栅极线662控制着第二行的两个子像素(在垂直基板641的方向上排列的白色子像素和红外光子像素)的开关元件653，654。数据线671和672分别在基板641平面上纵向连接这些开关元件的漏极，并将信号传递到外部信号放大和处理电路(未示出)。

为了隔离不同信号源之间的干扰，降低电荷存储层对于周围半导体的暗电流的收集，sti(shallowtrenchisolation，浅槽隔离)44将可见光的三个子像素的开关元件651，652级653四周环绕将其保护起来，另外一个sti43则将红外光子像素的第一半导体层的光电二极管640和该光电二极管640电荷的开关元件654包围起来同周边的半导体材料和器件隔离开来。作为另外一种实施例子，sti43也可以被p型重掺杂的隔离带所替代，在驱动器件的时候，所有的p型重掺杂隔离带被施加一固定电位，形成电子势垒，对所有的光电二极管和连接到光电二极管的n+扩散层做隔离。感应可见光的三个第二半导体层的a-sih光电二极管是通过光刻工艺将a-sih薄膜制成各自孤立的岛状图案，所以它们之间不需要额外的隔离墙，但是兼有平坦和钝化作用的顶层绝缘膜637将各个a-sih光电二极管图案隔离开来。a-sih光电二极管的下层电极631是能够透过红外线的透明电极，比如可以是大约50nm～200nm左右的ito膜。在一些变化例中，a-sih光电二极管的下层电极631可以使用有一定厚度的重掺杂高导电率的n+或者p+的a-sih薄膜。

为了达到有足够的横向电导率，从而把光生电荷从该半导体薄膜的四周迅速收集起来，并减少台阶边缘的导电路径的断开概率，使用n+或者p+的a-sih膜层时的厚度应该大于50nm。如图7，在使用a-sih光电二极管的下层电极631使用n+或者p+的a-sih膜的场合，可以省略层间绝缘膜632从而简化工艺步骤。然而，对于在刻蚀a-sih光电二极管图案的时候，相对于场氧化层645的刻蚀速率比要足够大，且场氧化层645的厚度要足够的厚，比如场氧化层645的厚度可以至少超过100nm。

图8中的其他膜层和结构如下：从附图标记633～636是图7中的对应透明膜层613的第二半导体层的光电二极管的分层图解。附图标记633是a-sih光电二极管底层重掺杂层。在这个实施例中，底层重掺杂层633使用n+层，其厚度可以大约为30nm～100nm。附图标记634是a-sih光电二极管非掺杂的a-sih层，其厚度大约是1微米到2微米之间，是吸收入射可见光并将可见光转变成电子-空穴对的半导体膜层；附图标记635是a-sih光电二极管的顶层重掺杂层。在这个实施例中，顶层重掺杂层635使用p+层，顶层重掺杂层635吸收光线但基本不贡献光电变换效率。由于大于100nm的膜层会显著吸收掉短波长的入射光线，低于20nm会导致顶部电极的注入暗电流激增，因此，顶层重掺杂层635可以设定在大约30nm～100nm。附图标记636是a-sih光电二极管的顶部透明导电膜，例如ito膜。附图标记638是将基板641平面上纵向的a-sih光电二极管的顶部的透明导电膜串联起来的导电金属或者金属氧化物(例如ito)。透明膜层613可以与图2中的透明膜层213相同。附图标记673是nmosfet的源电极。第一半导体层的光电二极管640可以是制作在基板41(例如c-sip型基板)上的轻n型掺杂层，在其载流子被完全耗尽后形成比较深的n型电子势阱(n-well)，因而比较适合探测吸收深度较大的近红外线。在三个可见光子像素的nmosfet里面重n型掺杂层642连接到源极金属。轻n型掺杂层640和重n型掺杂层642合并起来在电荷产生和积累期间是处于悬浮状态，其定位随着电荷累积而变化，也因此称为浮置扩散层或fd(floatingdiffusion)。而所有nmosfet的漏极扩散层连接到漏极金属，然后通过连接到数据线，始终被钳制在一定的电位。

根据上述各个实施例，非晶硅的光电二极管(第二半导体层的光电二极管)和结晶硅的光电二极管(第一半导体层的光电二极管)在入射光的贯穿方向上相互重叠，但是从光学吸收和光电转换效能上最大限度地各司其责，从信号电荷的存储和传送通道上，也都不发生冲突。本发明提供了有效的同时摄取可见光的彩色图像和红外光的灰度(强度)图像，或者同时摄取可见光的多个不同波段的图像(比如三原色)和红外光的多个波段的图像的途径和器件结构。高效，便携，精确地获得多光谱的图像，特别是人体的皮下组织的红外图像信息，从而显著提高医学影像诊断和治疗的水平。

此外，上述图1至图8示出的各种实施例仅仅是示意性的，并非意图限制本发明的保护范围。例如子像素的排列、组合，及子像素与数据线和栅极线的连接关系并未以此为限。对于图7和图8所揭示的具体的半导体器件上的实现途径至少涵盖了四个方面的技术内容：电路和半导体器件构造的设计；制造工艺流程和一定范围的工艺参数；半导体，金属和绝缘膜的材料；实际使用时的驱动方法。这四个方面所揭示的内容和其各种形态的组合与变形，应用到其他实施例中揭示的像素排列方案和基于这些实施例中的像素排列的基本概念所做的其他类似的像素排列方案，也应该被理解为秉承了本发明所揭示的基本概念和在本发明的适用范围之内。具体的例子，但不限于这些具体的例子，包括多晶硅薄膜，微晶硅薄膜，非晶硒光电薄膜，ⅱ-ⅳ族的半导体薄膜，ⅲ-ⅴ族半导体薄膜，氧化物半导体薄膜，都可以适用于替代本文的a-sih薄膜作为响应可见光的子像素的光电变换层。对于各个子像素内连接光电二极管pd和输出信号线的开关mosfet，也可以使用低温或者高温多晶硅tft(thinfilmtransistor，薄膜晶体管)，氧化物半导体igzotft，cdte薄膜tft等。

下面参考图9，图9示出本发明实施例的多光谱摄像系统的示意图。多光谱摄像系统包括如图1至图8任一实施例所示的多光谱摄像装置710以及处理器720。多光谱摄像装置710用于将入射到多光谱摄像装置710的光线转化为表示不同波段的图像的电信号。处理器720用于与多光谱摄像装置710相通讯并对多光谱摄像装置710获取的不同波段的图像的电信号进行处理。可选地，处理器710对多光谱摄像装置720获取的不同波段的图像的电信号进行带有权重的加减法处理，进而可以得出人体皮下不同深度，或者不同组织的高对比度图像。

有鉴于此，本发明的多光谱摄像装置以及多光谱摄像系统通过多光谱摄像装置的结构将入射到多光谱摄像装置的光线沿垂直基板方向和平行基板方向分离成多个不同波段的光线以同时获得不同波段的图像。同时获得的不同波段的图像在多光谱摄像系统的后续处理中不会出现位置偏移等误差，减少针对这类误差的图像处理，提高不同波段的图像处理速度。

以上对本发明的基本概念和具体的若干实施例进行了描述。这里需要声明的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。本发明也不局限于本发明中为了便于阐明基本概念所描述的医学影像应用，当然也包括其他领域的应用比如工业产品和环境检测，个人身份判定，虚拟空间和增强现实的游戏以及商业行为等。