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TWI499045B - 固態影像擷取器件及影像擷取裝置 - Google Patents

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TWI499045B
TWI499045B TW098135497A TW98135497A TWI499045B TW I499045 B TWI499045 B TW I499045B TW 098135497 A TW098135497 A TW 098135497A TW 98135497 A TW98135497 A TW 98135497A TW I499045 B TWI499045 B TW I499045B
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Inventor
Taichi Natori
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Sony Corp
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Description

固態影像擷取器件及影像擷取裝置
本發明係關於一種固態影像擷取器件及一影像擷取裝置。
本申請案含有在2008年11月20日向日本專利局申請之日本優先權專利申請案JP 2008-296511所揭示的相關標的，該案之全文以引用的方式併入本文中。
通常，固態影像擷取裝置不僅具有對在一可見波長範圍(約400奈米至700奈米)中之光之敏感度，而且具有對具有較長波長之近紅外線光之敏感度。如此，當固態影像擷取器件用於相機之影像擷取時，影像會顯得不自然。
為了避免此類不便，通常將用於消除具有比可見光更長之波長的一濾光體(在下文中濾光體係指稱為一「IR截止濾光體」)安置鄰近於一相機透鏡。
利用此一固態影像擷取器件之一敏感度特徵及在其中透過使用近紅外線光連同可見光一起(不使用一IR截止濾光體)而入射光之量為小的一情況下產生一明亮影像。如此，已提議一種用於機械地建立根據亮度而存在及不存在一IR截止濾光體之狀態的系統(舉例來說係指日本未審查專利申請公開案第2000-59798、2000-224469、2004-337718及2005-45559號)。
但是，因為此一系統具有一切換機構，所以操作部分有必要製造有高精確度。此使得很難使一相機系統微型化且亦很難降低製造成本。
已提議一種用於藉由使用可見光信號及近紅外線光信號而不管入射光之量為大或小且不使用一IR截止濾光體來產生一影像的系統(舉例來說係指日本未審查專利申請公開案第06-169461號)。但是，此系統展現色彩重現之一退化。
此外，亦已經提議具有用於獨立輸出可見光信號及近紅外光信號之一功能的一固態影像擷取元件(舉例來說係指日本未審查專利申請公開案第2002-142228及2006-190958號)。使用固態影像擷取元件可獲取具有良好色彩重現之一彩色影像，而無需使用一IR截止濾光體。同樣，當入射光之量為小時(諸如在晚上)，使用近紅外線光信號使得可獲得一較明亮之影像。
在日本未審查專利申請公開案第2002-142228號中揭示之固態影像擷取元件採用具有四種類型之光譜特徵的二維配置之像素陣列。因此，該揭示之固態影像擷取元件涉及嚴格界定在二維配置之像素陣列上配置之濾光體的光譜，以獨立地獲取可見光信號及近紅外線光信號。固態影像擷取元件亦涉及很難達成之執行矩陣計算處理。
在日本未審查專利申請公開案第2002-142228及2006-190958號中揭示之固態影像擷取元件中，為了獲得可見光信號及近紅外線光信號二者，除了配置具有對可見光敏感度之像素外，亦配置具有對近紅外線光敏感度之像素。該配置涉及為固態影像擷取元件改變一典型之濾色器配置(諸如一Bayer配置)，且一影像之照度及色彩解析度變得不夠。
由於除了配置具有對可見光敏感度之像素外亦配置具有對近紅外線光敏感度之像素，所以存在為固態影像擷取元件改變典型濾色器配置(諸如一Bayer配置)且一影像之照度及色彩解析度變得不夠之問題。
因此，希望的是使得可在入射光之量為小的一條件下，藉由獲得可見光信號及近紅外線光信號二者，而無色彩重現之一退化及色彩解析度之一降低來執行影像擷取。
根據本發明之一實施例，提供一種固態影像擷取器件(一第一固態影像擷取器件)。固態影像擷取器件包含：光電轉換元件，該等光電轉換元件對入射光執行光電轉換以獲得信號電荷；濾色器部分，該等濾色器部分係設置於該等相對應之光電轉換元件之入射光側；及一有機光電轉換層，該有機光電轉換層係設置於該等濾色器部分之光入射側，該有機光電轉換層含有吸收近紅外線光之一顏料。
在第一固態影像擷取器件中，有機光電轉換層對近紅外線光執行光電轉換以獲得相對應於近紅外線光之信號電荷。如此，在入射光之量為小的一條件下(諸如在晚上)，除了使用來自光電轉換元件之信號電荷外，亦可使用來自有機光電轉換層之信號電荷，如此增強敏感度。在入射光之量為大的一條件下(諸如在白天期間)，光電轉換元件獲得(例如)正規紅光信號電荷、綠光信號電荷及藍光信號電荷，而無需為固態影像擷取元件改變濾色器部分之典型配置(諸如一Bayer配置)。或者，光電轉換元件獲得補色光信號電荷。
根據本發明之另一實施例，提供一種固態影像擷取器件(一第二固態影像擷取器件)。該固態影像擷取器件包含：光電轉換元件，該等光電轉換元件對近紅外線光執行光電轉換以獲得信號電荷；及有機光電轉換層，該等有機光電轉換層係設置於入射光進入該等光電轉換元件之光入射側，該等光電轉換層吸收包含紅光、綠光及藍光之三原色光。
在第二固態影像擷取器件中，光電轉換元件對近紅外線光執行光電轉換以獲得相對應於近紅外線光之信號電荷。如此，在入射光之量為小的一條件下(諸如在晚上)，除了使用來自有機光電轉換層之信號電荷外，亦可使用來自有機光電轉換部分之信號電荷，如此增強敏感度。在入射光之量為大的一條件下(諸如在白天期間)，有機光電轉換層獲得(例如)正規紅光信號電荷、綠光信號電荷及藍光信號電荷。
根據本發明之另一實施例，提供一種影像擷取裝置。該影像擷取裝置包含：一影像形成光學區段，該影像形成光學區段聚集入射光；一固態影像擷取器件，該固態影像擷取器件接收由該影像形成光學區段聚集之光及對經接收之光執行光電轉換以提供經光電轉換之信號；及一信號處理器，該信號處理器對該等經光電轉換之信號執行處理。在入射光之量為大的一條件下，該信號處理器在自該固態影像擷取器件輸出之紅光信號、綠光信號及藍光信號的基礎上執行信號處理且輸出彩色影像信號，及在入射光之量為小的一條件下，該信號處理器對自該固態影像擷取器件輸出之紅光信號、綠光信號、藍光信號及近紅外線光信號的一混合執行信號處理且輸出灰度影像信號。
根據本發明之實施例的影像擷取裝置獨立地輸出對於可見光之信號及對於近紅外線光之信號。此外，在可見光之量為大的一條件下(諸如在白天期間)，該影像擷取裝置輸出源自基於自固態影像擷取器件輸出之紅光信號、綠光信號及藍光信號之信號處理的彩色影像。如此，色彩重現及色彩解析度不退化。在入射光之量為小的一條件下(諸如在晚上)，影像擷取裝置輸出源自對紅光、綠光、藍光及近紅外線光範圍內之波長中的信號(該等信號自固態影像擷取器件輸出)的一混合執行之信號處理的灰度影像信號。因此，輸出高敏感度輸出信號。
根據本發明之固態影像擷取器件可獲得高敏感度輸出信號，而無需使用一IR截止濾光體且無需為固態影像擷取元件改變濾色器部分之典型配置，如此使得可在入射光之量為小的一條件下執行影像擷取，而無在入射光為大的條件下的色彩重現之一退化及色彩解析度之一降低。
在入射光之量為小的一條件下，根據本發明之影像擷取裝置對自固態影像擷取器件輸出之紅光信號、綠光信號、藍光信號及近紅外線光信號的一混合執行信號處理且輸出一灰度影像信號。因此，此配置增強敏感度，藉此使得可簡單地在晚上執行攝影。在入射光之量為大的一條件下，亦可執行彩色影像攝影，而無色彩重現之一退化及色彩解析度之一降低。
將在下文中描述用於執行本發明之最佳模式(在下文中係指稱為「實施例」)。
1.第一實施例(第一固態影像擷取器件之基本組態的第一實例及第一固態影像擷取器件之修改)
2.第二實施例(在其中第一固態影像擷取器件應用於CMOS影像感測器之實例)
3.第三實施例(第二固態影像擷取器件之基本組態的第二實例)
4.第四實施例(在其中第二固態影像擷取器件應用於CMOS影像感測器之實例)
5.第五實施例(影像擷取裝置之基本組態的實例)
<1.第一實施例> [第一固態影像擷取器件之基本組態的第一實例]
現在將參考在圖1中所繪示之一示意性剖面圖而描述根據本發明之一第一實施例之一第一固態影像擷取器件的一基本組態的第一實例。
如在圖1中所繪示，一半導體基板11具有對入射光執行光電轉換以獲得信號電荷之光電轉換元件12(12R、12G及12B)。每一光電轉換元件12係由(例如)一光電二極體實施。半導體基板11可為(例如)一矽基板。或者，半導體基板11可為一SOI(絕緣層上覆矽)基板或藉由在一SOI基板之一矽層上形成一矽磊晶生長層而獲得之一基板。
濾色器部分13係設置於光電轉換元件12之光入射側。
例如，提供用於吸收紅光之一彩色綠光體部分13(一紅色綠光體部分13R)以便相對應於光電轉換元件12(12R)。提供用於吸收綠光之一彩色綠光體部分13(一綠色濾光體部分13G)以便相對應於光電轉換元件12(12G)。進一步，提供用於吸收藍光之一彩色綠光體部分13(一藍色濾光體部分13B)以便相對應於光電轉換元件12(12B)。
含有吸收近紅外線光之一顏料的一有機光電轉換層14係設置於濾色器部分13之光入射側。術語「近紅外線光」係指具有介於(例如)770奈米至2.5微米之範圍內之一波長的光。
可基於一所需之光譜特徵及一輸出敏感度特徵而使用用於有機光電轉換層14之近紅外線光吸收顏料。顏料之實例包含一基於醌之金屬錯合物顏料、基於青色素之顏料、基於亞氨離子之顏料、基於二亞氨離子之顏料、基於三芳基甲烷之顏料、基於萘醌之顏料、基於蒽醌之顏料、基於方酸之顏料、基於酞菁之顏料、基於萘酞菁之顏料、基於蒽醌之顏料及基於鎳二硫錯合物之顏料。
第一固態影像擷取器件1具有如上文描述之一結構。
[第一固態影像擷取器件之修改]
如在圖2中所繪示，用於吸收具有比近紅外線光之波長更長的一波長之光的一光電轉換層15可設置於濾色器部分13與有機光電轉換層14之間。
通常，極少數類型之矽基板吸收近紅外線光及極少數類型之濾色器吸收近紅外線光。
現在將參考圖3描述一典型之固態影像擷取器件之一光譜敏感度特徵。在圖3中，垂直軸指示一相對光譜敏感度且水平軸指示一波長。
如在圖3中所繪示，具有(例如)20%或更多之一敏感度的波長範圍係如下所述。
具有一紅色濾光體部分之一固態影像擷取元件具有對介於約570奈米至870奈米之一波長範圍內的光之敏感度(由在圖3中所繪示之一光譜敏感度曲線R指示)。
具有一綠色濾光體部分之一固態影像擷取元件具有對介於約460奈米至600奈米之一波長範圍內及介於約750奈米至860奈米之一波長範圍內的光之敏感度(由在圖3中所繪示之一光譜敏感度曲線G指示)。
具有一藍色濾光體部分之一固態影像擷取元件具有對介於約380奈米至520奈米之一波長範圍內及介於約790奈米至880奈米之一波長範圍內的光之敏感度(由在圖3中所繪示之一光譜敏感度曲線B指示)。
典型之固態影像擷取器件亦具有對近紅外線光之敏感度。
以此一方式，具有典型之濾色器部分之固態影像擷取元件亦具有對近紅外線光之光譜敏感度。
如此，當具有典型之濾色器部分之此固態影像擷取器件用作為用於一相機之影像擷取的一固態影像擷取器件時，提供一不自然之影像。
因此，一IR截止濾光體通常已安置於濾色器之光入射側以消除來自在濾色器部分上入射之光的近紅外線光。
現在將參考圖4描述具有在第一固態影像擷取器件1中之相對應之濾色器部分13的固態影像擷取元件12的相對光譜敏感度特徵的一實例。在圖4中，垂直軸指示一相對光譜敏感度及水平軸指示一波長。
如在圖4中所繪示，固態影像擷取元件12展現(例如)在以下波長範圍中之20%或更多之一敏感度。
具有紅色濾光體部分13R之一固態影像擷取元件12(12R)具有對介於約570奈米至660奈米之一波長範圍內的光之敏感度(由在圖4中所繪示之一光譜敏感度曲線R指示)。
具有綠色濾光體部分13G之一固態影像擷取元件12(12G)具有對介於約460奈米至600奈米之一波長範圍內的光之敏感度(由在圖4中所繪示之一光譜敏感度曲線G指示)。
具有藍色濾光體部分13B之一固態影像擷取元件12(12B)具有對介於約380奈米至520奈米之一波長範圍內的光之敏感度(由在圖4中所繪示之一光譜敏感度曲線B指示)。
含有近紅外線光吸收顏料之有機光電轉換層14具有對介於約680奈米至860奈米之一波長範圍內的光之敏感度(由在圖4中所繪示之一光譜敏感度曲線I指示)。
如此，有機光電轉換層14吸收介於約680奈米至860奈米之一波長範圍內的光並且透射具有短於該波長範圍之一波長的光。
如此，具有短於可見光之波長的一波長的光進入濾光體部分13。
因此，由濾色器13過濾之可見光到達光電轉換元件12處，使得相對應於各自濾色器部分13之光電轉換元件12可提供具有如由在圖4中之實線指示之可見光光譜敏感度的輸出。
如此，在第一固態影像擷取器件1中之固態影像擷取元件12(其具有濾色器部分13)之光譜敏感度特徵未展現對近紅外線光之敏感度。此係因為有機光電轉換層14吸收具有在一近紅外線區域內之一波長的光。
如此，在一近紅外線區域中之光未進入濾色器部分13。
如上文所描述，有機光電轉換層14具有對介於約680奈米至860奈米之一波長範圍內的光之敏感度。
如此，每一光電轉換元件12可輸出一可見光信號，及有機光電轉換層14可輸出一近紅外線光信號。
簡而言之，第一固態影像擷取器件1具有用於獨立地輸出一可見光波長範圍的一信號及一近紅外線光波長範圍之一信號的一功能。
使用具有在圖2中所繪示之光電轉換層15的結構，並非由有機光電轉換層14吸收之紅外線光(舉例來說具有介於約2.5微米至10微米之範圍內之一波長的光)由光電轉換層15吸收。
從而，無紅外線光進入濾色器部分13。
如此，即使濾色器部分13亦具有對紅外線光之敏感度，因為並無紅外線光進入濾色器部分13，所以光電轉換元件12未展現對紅外線光之敏感度。
雖然已結合使用用於原色(即紅色(R)、綠色(G)及藍色(B))之濾色器的一實例而描述第一固態影像擷取器件1，但可由用於包含洋紅(Mg)、青色(Cy)、黃色(Ye)及綠色(G)之補色的濾色器或用於色彩之另一組合的濾色器來實施濾色器。
在圖1中，為圖解之簡化起見，僅繪示光電轉換器(光電二極體)。一種用於讀取源自由光電轉換器執行之光電轉換的信號電荷的方法可採用任何系統，諸如一電荷傳送系統(舉例來說一CCD[電荷耦合器件]影像感測器)，或在其中每一像素提供有一讀取閘之一系統(舉例來說一CMOS[互補金屬氧化物半導體]影像感測器)。
<2.第二實施例> [在其中第一固態影像擷取器件1之組態應用於CMOS影像感測器之一實例]
現在將參考在圖5中所繪示之一示意性剖面圖而描述在其中第一固態影像擷取器件1之組態應用於一CMOS影像感測器之一實例。
如在圖5中所繪示，一半導體基板11具有對入射光執行光電轉換以獲得信號電荷之光電轉換元件12(12R、12G及12B)。每一光電轉換元件12係由(例如)一光電二極體實施。半導體基板11可為(例如)一矽基板。或者，半導體基板11可為一SOI基板或藉由在一SOI基板之一矽層上形成一矽磊晶生長層而獲得之一基板。
用於讀取源自由光電轉換元件12執行之光電轉換之信號電荷的傳送閘31係設置於半導體基板11上。傳送閘31具有(例如)在閘極絕緣層上形成之閘極電極，然而其等細節並未繪示。雖然並未繪示，但半導體基板11具有與傳送閘31相鄰、以浮動擴散插入其間之像素電晶體及周邊電路。像素電晶體之實例包含一重設電晶體、一放大電晶體及一選擇電晶體。
覆蓋像素電晶體及周邊電路之一多層佈線部分41係設置於半導體基板11上。在多層佈線部分41中，佈線線路43設置於一絕緣層42中之多層中(舉例來說在圖5中之兩層)。佈線層之數量不限於兩層且如此可為三層、四層或更多。
彩色綠光部分13係設置於多層佈線部分41之絕緣層42上。
例如，提供用於吸收紅光之一濾色器部分13(一紅色濾光體部分13R)以便相對應於光電轉換元件12(12R)。提供用於吸收綠光之一濾色器部分13(一綠色濾光體部分13G)以便相對應於光電轉換元件12(12G)。進一步，提供用於吸收藍光之一濾色器部分13(一藍色濾光體部分13B)以便相對應於光電轉換元件12(12B)。
透明電極16設置於相對應之濾色器部分13之上表面。透明電極16經由相對應之信號讀取接觸部分44連接至佈線線路43的相對應之信號讀取佈線線路43r。
即，一透明電極16(16R)係設置於紅色(R)濾光體部分13R上且經由一接觸部分44(44R)連接至一信號讀取佈線線路43r(43rR)。
一透明電極16(16G)係設置於綠色(G)濾光體部分13G上且經由一接觸部分44(44G)連接至一信號讀取佈線線路43r(43rG)。
一透明電極16(16B)設置於藍色(B)濾光體部分13B上且經由一接觸部分44(44B)連接至一信號讀取佈線線路43r(43rB)。
透明電極16可由透射可見光及近紅外線光且含有(例如)銦錫氧化物(ITO)、銦氧化鋅或氧化鋅之透明電極實施。
含有吸收近紅外線光之一顏料的一有機光電轉換層44係設置於濾色器部分13之光入射側。術語「近紅外線光」係指具有介於(例如)770奈米至2.5微米之範圍內之一波長的光。
可基於一所需之光譜特徵及一輸出敏感度特徵而使用用於有機光電轉換層14之近紅外線光吸收顏料。顏料之實例包含一基於醌之金屬錯合物、基於青色素之顏料、基於亞氨離子之顏料、基於二亞氨離子之顏料、基於三芳基甲烷之顏料、基於萘醌之顏料、基於蒽醌之顏料、基於方酸之顏料、基於酞菁之顏料、基於萘酞菁之顏料、基於蒽醌之顏料及基於鎳二硫錯合物之顏料。
透明電極17係設置於有機光電轉換層14之上表面。
透明電極17可由透射可見光及近紅外線光且含有(例如)銦錫氧化物(ITO)、銦氧化鋅或氧化鋅之透明電極實施。
第一固態影像擷取器件1具有如上文描述之一結構。
在第一固態影像擷取器件1中，有機光電轉換層14對近紅外線光執行光電轉換以獲得相對應於近紅外線光之信號電荷。如此，在入射光之量為小的一條件下(諸如在晚上)，除了使用來自光電轉換元件12的信號電荷外，亦可使用來自有機光電轉換層14之信號電荷，如此增強敏感度。在入射光之量為大的一條件下(諸如在白天期間)，光電轉換元件12獲得(例如)正規紅光信號電荷、綠光信號電荷及藍光信號電荷，而無需為固態影像擷取元件改變濾色器部分之典型配置(諸如一Bayer配置)。或者，光電轉換元件12可獲得補色光信號電荷。
如此，固態影像擷取器件1可獲得高敏感度輸出信號，而無需使用一IR截止濾光體且無需為固態影像擷取元件12改變濾色器部分13之典型配置，如此使得可在入射光之量為小的一條件下執行影像擷取，而無在入射光為大的條件下的色彩重現之一退化及色彩解析度之一降低。
<3.第三實例> [第二固態影像擷取器件之基本組態的第二實例]
現在將參考在圖6中繪示之一示意性剖面圖而描述根據本發明之一第二實施例之一第二固態影像擷取器件的一基本組態的一第二實例。
如在圖6中所繪示，一半導體基板11具有對入射光執行光電轉換以獲得信號電荷之光電轉換元件12。每一光電轉換元件12吸收近紅外線光，對近紅外線執行光電轉換及輸出所得信號電荷。每一光電轉換元件12由(例如)一光電二極體實施。術語「近紅外線光」係指具有介於(例如)770奈米至2.5微米之範圍內之一波長的光。
半導體基板11可為(例如)一矽基板。或者，半導體基板11可為一SOI基板或藉由在一SOI基板之一矽層上形成一矽磊晶生長層而獲得之一基板。
有機光電轉換層14係設置於入射光進入光電轉換元件之光入射側。
例如，用於吸收紅光之一有機光電轉換層14(一紅色有機光電轉換層14R)係設置於光電轉換元件12上。在有機光電轉換層14R上，提供用於吸收藍光之一有機光電轉換層14(一藍色有機光電轉換層14B)。進一步，在有機光電轉換層14B上，提供用於吸收綠光之一有機光電轉換層14(一綠色有機光電轉換層14G)。有機光電轉換層14提供相對應之色彩的輸出。
第二固態影像擷取器件2具有如上文描述之一結構。
現在將參考圖7而描述一典型之固態影像擷取元件的一光譜敏感度特徵。在圖7中，垂直軸指示一相對光譜敏感度且水平軸指示一波長。
如在圖7中所繪示，具有(例如)20%或更多之一敏感度的波長範圍係如下所述。
典型之固態影像擷取元件具有對可見光至近紅外線光之波長之敏感度(由在圖7中之一光譜敏感度曲線C指示)。
如此，當具有典型之濾色器部分之一固態影像擷取器件用作為用於一相機之影像擷取的一固態影像擷取器件時，提供一不自然之影像。
因此，一IR截止濾光體通常已安置於濾色器之光入射側以消除來自在濾色器部分上入射之光的近紅外線光。
現在將參考圖8描述在第二固態影像擷取器件2中之有機光電轉換層14及固態影像擷取元件12的相對光譜敏感度特徵的一實例。在圖8中，垂直軸指示一相對光譜敏感度及水平軸指示一波長。
如在圖8中所繪示，具有(例如)20%或更多之一敏感度的波長範圍係如下所述。
紅色有機轉換層14R具有對介於約575奈米至655奈米之一波長範圍內的光之敏感度(由在圖8中所繪示之一光譜敏感度曲線R指示)。
綠色有機轉換層14G具有對介於約485奈米至595奈米之一波長範圍內的光之敏感度(由在圖8中所繪示之一光譜敏感度曲線G指示)。
藍色有機轉換層14B具有對介於約415奈米至520奈米之一波長範圍內的光之敏感度(由在圖8中所繪示之一光譜敏感度曲線B指示)。
使用近紅外線光吸收顏料之固態影像擷取元件12具有對介於約660奈米至820奈米之一波長範圍內的光之敏感度(由在圖8中所繪示之一光譜敏感度曲線I指示)。
如此，有機光電轉換層14吸收介於約415奈米至655奈米之一波長範圍內的光且未展現對近紅外線光之敏感度。如此，因有機光電轉換層14透射在一近紅外線範圍內的光，所以近紅外線光在固態影像擷取元件12上入射且藉此被吸收。
從而，藉由有機光電轉換層14過濾及吸收可見光且自該有機光電轉換層14輸出所得信號。如此，光電轉換元件12可提供具有如藉由在圖8中所繪示之光譜敏感度曲線I所指示之近紅外線光光譜敏感度的輸出。
簡而言之，第二固態影像擷取器件2具有用於獨立地輸出一可見光波長範圍之一信號及一近紅外線光波長範圍之一信號的一功能。
雖然已結合使用用於原色(即紅色(R)、綠色(G)及藍色(B))之有機光電轉換層的一實例而描述第二固態影像擷取器件2，但有機光電轉換層可由用於包含洋紅(Mg)、青色(Cy)、黃色(Ye)及綠色(G)之補色的有機光電轉換層或用於色彩之另一組合的有機光電轉換層來實施。
在圖6中，為圖解之簡化起見，僅繪示光電轉換器(光電二極體)。一種用於讀取源自由光電轉換器執行之光電轉換的信號電荷的方法可採用任何系統，諸如一電荷傳送系統(舉例來說一CCD影像感測器)，或在其中每一像素提供有一讀取閘之一系統(舉例來說一CMOS影像感測器)。
<4.第四實施例> [在其中第二固態影像擷取器件2之組態應用於CMOS影像感測器的一實例]
現在將參考在圖9中所繪示之一示意性剖面圖而描述在其中上文描述之第二固態影像擷取器件2的組態應用於CMOS影像感測器的一實例。
如在圖9中所繪示，一半導體基板11具有對入射光執行光電轉換以獲得信號電荷之光電轉換元件12。每一光電轉換元件12吸收近紅外線光，對近紅外線執行光電轉換及輸出所得信號電荷。每一光電轉換元件12由(例如)一光電二極體實施。術語「近紅外線光」係指具有介於(例如)770奈米至2.5微米之範圍內之一波長的光。
半導體基板11可為(例如)一矽基板。或者，半導體基板11可為一SOI基板或藉由在一SOI基板之一矽層上形成一矽磊晶生長層而獲得之一基板。
用於讀取源自由光電轉換元件12執行之光電轉換之信號電荷的傳送閘31係設置於半導體基板11上。
覆蓋像素電晶體及周邊電路之一多層佈線部分41係設置於半導體基板11上。在多層佈線部分41中，佈線線路43(43A、43R、43B及43G)係設置於一絕緣層42中之多層中(舉例來說在圖9中之四層)。佈線層之數量不限於四層且如此可為三層、三層或五層或更多。
紅色讀取透明電極21係設置於在多層佈線部分41中之絕緣層42上以便相對應於光電轉換元件12。用於吸收紅光之一有機光電轉換層14(一紅色有機光電轉換層14R)係設置於紅色讀取透明電極21上。一透明電極22設置於紅色有機光電轉換層14R上。一絕緣層51進一步設置於透明電極22上。
藍色讀取透明電極23係設置於絕緣層51上以便相對應於光電轉換元件12。用於吸收藍光之一有機光電轉換層14(一藍色有機光電轉換層14B)係設置於藍色讀取透明電極23上。一透明電極24係設置於藍色有機光電轉換層14B上。一絕緣層52進一步設置於透明電極24上。
綠色讀取透明電極25係設置於絕緣層52上以便相對應於光電轉換元件12。用於吸收綠光之一有機光電轉換層14(一綠色有機光電轉換層14G)係設置於藍色讀取透明電極25上。一透明電極26進一步設置於綠色有機光電轉換層14G上。
紅色讀取透明電極21經由相對應之接觸部分53連接至(例如)在第二層中之佈線線路43(信號讀取佈線線路43R)。藍色讀取透明電極23經由相對應之接觸部分54連接至(例如)在第三層中之佈線線路43(信號讀取佈線線路43B)。綠色讀取透明電極25經由相對應之接觸部分55連接至(例如)在第四層中之佈線線路43(信號讀取佈線線路43G)。
其他佈線線路進一步包含於在第一層中之佈線線路(43A)中。
透明電極21至26可由透射可見光及近紅外線光且含有(例如)銦錫氧化物(ITO)、銦氧化鋅或氧化鋅之透明電極實施。
第二固態影像擷取器件2具有如上文描述之一結構。
在第二固態影像擷取器件2中，有機光電轉換元件12對近紅外線光執行光電轉換以獲得相對應於近紅外線光之信號電荷。如此，在入射光之量為小的一條件下(諸如在晚上)，除了來自光電轉換層14的信號電荷外，亦可使用來自光電轉換元件12之信號電荷，如此增強敏感度。在入射光之量為大的一條件下(諸如在白天期間)，有機光電轉換層14獲得(例如)正規紅光信號電荷、綠光信號電荷及藍光信號電荷。
如此，第二固態影像擷取器件2可提供高敏感度輸出信號，而無需使用一IR截止濾光體且無需改變有機光電轉換層14之配置，如此使得可甚至在入射光之量為小的一條件下執行影像擷取，而無在入射光為大的條件下的色彩重現之一退化及色彩解析度之一降低。
<5.第五實施例> [影像擷取裝置之基本組態的實例]
現在將參考在圖10中所繪示之一方塊圖而描述根據本發明之第五實施例的一影像擷取裝置的組態的一實例。影像擷取裝置之實例包含一視訊攝影機、一數位靜態相機及用於一行動電話之一相機。
如在圖10中所繪示，一影像擷取裝置100包含一影像擷取區段101、一影像形成光學區段102及一信號處理器103。影像擷取區段101具有一固態影像擷取器件(未繪示)。影像形成光學區段102係設置於影像擷取區段101之一光聚集側以形成一影像。信號處理器103連接至影像擷取區段101且具有一驅動電路、一信號處理電路等等。驅動電路驅動影像擷取區段101，及信號處理電路處理源自由固態影像擷取器件執行之光電轉換的信號來產生影像信號。由信號處理器103處理之影像信號可儲存於一影像儲存區段中(未繪示)。
在入射光之量為大的一條件下，信號處理器103基於自固態影像擷取器件輸出之紅光信號、綠光信號及藍光信號執行信號處理且輸出彩色影像信號。另一方面，在入射光之量為小的一條件下，信號處理器103對自固態影像擷取器件輸出之紅光信號、綠光信號、藍光信號及近紅外線光信號的一混合執行信號處理且輸出灰度影像信號。
如在影像擷取裝置100中之固態影像擷取器件，可使用上文描述之第一固態影像擷取器件1及上文描述之第二固態影像擷取器件2。
現在將詳細描述在其中第一固態影像擷取器件1被使用的一案例。
當入射光之量係足夠時(諸如在白天期間)，可使用自光電轉換元件12輸出之可見光信號、藉由執行處理而輸出正規彩色影像信號(參見圖1及圖5)。在此案例中，因使色彩重現退化之近紅外線光由有機光電轉換層14吸收(參見圖1及圖5)，所以沒有必要應用通常使用之一IR截止濾光體。因此可使影像擷取裝置100微型化。
另一方面，當入射光之量為小時(諸如在晚上)，可藉由除了使用自光電轉換元件12輸出之可見光信號(參見圖1及圖5)外亦使用自有機光電轉換層14輸出之近紅外線光信號(參見圖1及圖5)而產生更明亮之影像信號。在此案例中，因近紅外線信號可自相對應於光電轉換元件12之所有區域輸出，所以相較於在白天期間獲得的一影像，此影像之解析度未降低。同樣，當入射光之量為小時，色彩資訊之量會減少。如此，執行灰度影像處理可為具有二維配置之濾色器之固態影像擷取元件消除用於彩色影像產生之解馬賽克處理及可抑制混疊。
在入射光之量為小的影像擷取期間，暗雜訊量等等相對於自光電轉換元件12輸出之信號量而增加。如此，亦可經由僅使用自有機光電轉換層14輸出之近紅外線光信號而產生一灰度影像。
與用於偵測周圍環境亮度之一系統組合使得可自動切換至使用近紅外線光信號之影像產生。此一配置可藉由(例如)增加用於偵測周圍環境亮度之一感測器及用於監測可見光信號之量及饋送信號回至信號處理電路之一電路實現。
可電切換待使用之可見光信號及近紅外線信號。因為此一配置不使用一機械機構，所以可製造用於白天及晚上二者之緊密、低成本的相機。
[信號處理之一實例]
例如，如在圖11中所繪示，源自由第一固態影像擷取器件1執行之光電轉換的信號電荷(例如，原始資料)由一解馬賽克處理方塊210劃分為一紅光(R)信號、綠光(G)信號及藍光(B)信號。在此等信號之基礎上，一色度信號產生處理方塊220產生色度信號，及一照度信號產生處理方塊230產生照度信號。在經產生之色度信號及照度信號之基礎上，一影像產生處理方塊240產生一影像。
提供一感測器250以偵測周圍環境亮度。在由感測器250偵測到之周圍環境亮度的基礎上或在由將紅光(R)信號量、綠光(G)信號量及藍光(B)信號量加至由感測器250偵測到之周圍環境亮度而獲得之一亮度的基礎上，一信號量比較處理方塊260決定是否使用近紅外線光。
當待使用近紅外線光時，開啟一開關270以發送近紅外線光信號至照度信號產生處理方塊230。在此案例中，照度信號產生處理方塊230藉由將近紅外線光信號加至紅光(R)信號、綠光(G)信號及藍光(B)信號而產生照度信號。
另一方面，當將不使用近紅外線光時，關閉開關270，致使不發送近紅外線光信號至照度信號產生處理方塊230。在此案例中，照度信號產生處理方塊230僅使用紅光(R)信號、綠光(G)信號及藍光(B)信號來產生照度信號。
當待僅使用近紅外線光產生一影像時，信號量比較處理方塊260關閉一開關280，致使影像產生處理方塊240僅使用照度信號來產生一影像。
現在將詳細描述在其中第二固態影像擷取器件2被使用之一案例。
當入射光之量係足夠時(諸如在白天期間)，可使用自有機光電轉換層14R、14G及14B輸出之可見光信號、藉由執行處理而輸出正規彩色影像信號(參見圖6及圖9)。在此案例中，因有機光電轉換層14R、14G及14B不吸收使色彩重現退化之近紅外線光，所以未輸出近紅外線光。如此，沒有必要應用通常使用之一IR截止濾光體。如此，可使影像擷取裝置100微型化。
因有機光電轉換層14R、14G及14B配置於多重層中，基於具有一Bayer配置之一RGB濾色器系統的典型固態影像擷取元件可提供有一高色彩解析度影像。
另一方面，當入射光之量為小時(諸如在晚上)，可藉由使用除了自有機光電轉換層14R、14G及14B輸出之可見光信號外亦使用自光電轉換元件12輸出之近紅外線信號而產生更明亮之影像信號。
因在入射光之量為小的的一場景色彩資訊量減少，所以可經由灰度影像處理減少隨著亮度減少而變得更顯著之色彩雜訊的量。
在入射光之量為小的影像擷取期間，暗雜訊量等等相對於自有機光電轉換層14R、14G及14B輸出之信號量而增加。如此，亦可經由僅使用自光電轉換元件12輸出之近紅外線光信號而產生一灰度影像。
與用於偵測周圍環境亮度之一系統組合使得可自動切換至使用近紅外線光信號之影像產生。此一配置可藉由(例如)增加用於偵測周圍環境亮度之一感測器及用於監測可見光信號之量及饋送信號回至信號處理電路之一電路實現。
可電切換待使用之可見光信號及近紅外線信號。因為此一配置不使用一機械機構，所以可製造用於白天及晚上二者之緊密、低成本的相機。
[信號處理之另一實例]
例如，如在圖12中所繪示，第二固態影像擷取器件2執行光電轉換以輸出信號電荷，例如一紅光(R)信號、綠光(G)信號及藍光(B)信號。在輸出紅光(R)信號、綠光(G)信號及藍光(B)信號之基礎上，一色度信號產生處理方塊220產生色度信號，及一照度信號產生處理方塊230產生照度信號。在經產生之色度信號及照度信號之基礎上，一影像產生處理方塊240產生一影像。
提供一感測器250以偵測周圍環境亮度。在由感測器250偵測到之周圍環境亮度的基礎上或在由將紅光(R)信號量、綠光(G)信號量及藍光(B)信號量加至由感測器250偵測到之周圍環境亮度而獲得之一亮度的基礎上，一信號量比較處理方塊260決定是否使用近紅外線光。
當待使用近紅外線光時，開啟一開關270以發送近紅外線光信號至照度信號產生處理方塊230。在此案例中，照度信號產生處理方塊230藉由將近紅外線光信號加至紅光(R)信號、綠光(G)信號及藍光(B)信號而產生照度信號。
另一方面，當將不使用近紅外線光時，關閉開關270，致使不發送近紅外線光信號至照度信號產生處理方塊230。在此案例中，照度信號產生處理方塊230僅使用紅光(R)信號、綠光(G)信號及藍光(B)信號來產生照度信號。
當待僅使用近紅外線光產生一影像時，信號量比較處理方塊260關閉一開關280，致使影像產生處理方塊240藉由僅使用照度信號來產生一影像。
在入射光之量為小的一條件下，此影像擷取裝置100對自固態影像擷取器件輸出之紅光信號、綠光信號、藍光信號及近紅外線光信號的一混合執行信號處理且輸出灰度影像信號。因此，此配置增強敏感度，藉此使得可簡單地執行彩色影像攝影，而無色彩重現之一退化及色彩解析度之一降低。
因使用根據本發明之實施例的第一固態影像擷取器件1或第二固態影像擷取器件2，所以影像擷取裝置100具有甚至在入射光之量為小的一條件下可執行影像擷取而無在入射光為大的條件下的色彩重現之一退化及色彩解析度之一降低的優點。
此外，因為此配置可獨立地輸出可見光信號及近紅外線光信號，所以可提供一微型化影像擷取裝置，而無需使用一般已包含於一典型影像擷取裝置中之一IR截止濾光體。
此外，藉由利用獨立地輸出可見光信號及近紅外線光信號之能力，亦可提供用於白天及晚上二者的一緊密、低成本之影像擷取裝置，而無需使用一機械機構。
影像擷取裝置100不限於上文描述之組態且如此可應用於使用一固態影像擷取器件之一影像擷取裝置的任何組態。
第一固態影像擷取器件1或第二固態影像擷取器件2可採用一單個晶片之一形式，或影像擷取區段及信號處理器或光學區段可整合在一起成為具有一影像擷取功能的一模組化形式。
本發明不僅可應用於一固態影像擷取器件，亦可應用於一影像擷取裝置。一影像擷取裝置(本發明應用於該影像擷取裝置)具有一增強之影像品質的一優點。如本文使用之術語「影像擷取裝置」係指(例如)一相機或一影像擷取功能裝備之攜帶式器件。術語「影像擷取」不僅包含在典型相機攝影期間之影像收集，廣義而言亦包含指紋偵測等等。
熟悉此項技術者應理解因多種修改、組合、次組合及變動係在附隨之申請專利範圍或其等等效物之範圍內，所以可視設計要求及在附隨之申請專利範圍或其等等效物之範圍內的其他因素而定發生該等多種修改、組合、次組合及變動。
1‧‧‧第一固態影像擷取器件
2‧‧‧第二固態影像擷取器件
11‧‧‧半導體基板
12、12R、12G及12B‧‧‧光電轉換元件
13‧‧‧彩色濾光體部分
13R‧‧‧紅色濾光體部分
13G‧‧‧綠色濾光體部分
13B‧‧‧藍色濾光體部分
14‧‧‧有機光電轉換層
14R‧‧‧紅色有機光電轉換層
14B‧‧‧藍色有機光電轉換層
14G‧‧‧綠色有機光電轉換層
15‧‧‧光電轉換層
16、16R、16G及16B‧‧‧透明電極
17‧‧‧透明電極
21‧‧‧紅色讀取透明電極
22‧‧‧透明電極
23‧‧‧藍色讀取透明電極
24‧‧‧透明電極
25‧‧‧綠色讀取透明電極
26‧‧‧透明電極
31‧‧‧傳送閘
41‧‧‧多層佈線部分
42‧‧‧絕緣層
43、43A、43R、43B及43G‧‧‧佈線線路
43r、43rR、43rG及43rB‧‧‧信號讀取佈線線路
44、44R、44G及44B‧‧‧接觸部分
51‧‧‧絕緣層
52‧‧‧絕緣層
54．．．接觸部分
100．．．影像擷取裝置
101．．．影像擷取區段
102．．．影像形成光學區段
103．．．信號處理器
210．．．解馬賽克處理方塊
220．．．色度信號產生處理方塊
230．．．照度信號產生處理方塊
240．．．影像產生處理方塊
250．．．感測器
260．．．信號量比較處理方塊
270．．．開關
280．．．開關
圖1係繪示根據本發明之一第一實施例之一第一固態影像擷取器件的一基本組態的一第一實例的一示意性剖面圖； 圖2係繪示該第一固態影像擷取器件之一修改的一示意性剖面圖； 圖3係繪示一典型之固態影像擷取器件之光譜敏感度特徵的一圖表； 圖4係繪示該第一固態影像擷取器件之光譜敏感度特徵的一圖表；圖5係繪示一實例的一示意性剖面圖，在該實例中該第一固態影像擷取器件之組態應用於一CMOS影像感測器；圖6係繪示根據本發明之一第二實施例之一第二固態影像擷取器件的一基本組態的一第一實施例的一示意性剖面圖；圖7係繪示一典型之固態影像擷取元件之一光譜敏感度特徵的一圖表；圖8係繪示該第二固態影像擷取器件之一光譜敏感度特徵的一圖表；圖9係繪示一實例的一示意性剖面圖，在該實例中該第二固態影像擷取器件之組態應用於一CMOS影像感測器；圖10係繪示根據本發明之一第五實施例之一影像擷取裝置的組態的一實例的一方塊圖；圖11係繪示影像擷取裝置之信號處理之一實例的一方塊圖；及圖12係繪示影像擷取裝置之信號處理之另一實例的一方塊圖。
1．．．第一固態影像擷取器件
11．．．半導體基板
12、12R、12G及12B．．．光電轉換元件
13．．．彩色綠光體部分
13R．．．紅色綠光體部分
13G．．．綠色濾光體部分
13B．．．藍色濾光體部分
14．．．有機光電轉換層

Claims (5)

  1. 一種固態影像擷取器件，該固態影像擷取器件包括：光電轉換元件，該等光電轉換元件經組態以將入射光光電轉換為信號電荷；濾色器部分，該等濾色器部分係設置於該等光電轉換元件之每一光入射側；及一有機光電轉換層，該有機光電轉換層係設置於該等濾色器部分之每一光入射側，其中，該有機光電轉換層含有吸收近紅外線光之一顏料。
  2. 如請求項1之固態影像擷取器件，其中該等濾色器部分具有吸收紅光之一濾色器部分、吸收藍光之一濾色器部分及吸收綠光之一濾色器部分。
  3. 如請求項1之固態影像擷取器件，該固態影像擷取器件進一步包括一光電轉換層，該光電轉換層係介於該等濾色器部分與該有機光電轉換層之間以用於吸收具有比該近紅外線光更長之一波長的光。
  4. 如請求項1之固態影像擷取器件，其中該顏料包含基於醌之金屬錯合物顏料、基於青色素之顏料、基於亞氨離子之顏料、基於二亞氨離子之顏料、基於三芳基甲烷之顏料、基於萘醌之顏料、基於蒽醌之顏料、基於方酸之顏料、基於酞菁之顏料、基於萘酞菁之顏料、基於蒽醌之顏料及基於鎳二硫錯合物之顏料中之至少一者。
  5. 一種影像擷取裝置，該影像擷取裝置包括： 一影像形成光學區段，該影像形成光學區段聚集入射光；一固態影像擷取器件，該固態影像擷取器件經組態以(a)接收由該影像形成光學區段聚集之該光及(b)將經接收之該光光電轉換為經轉換之信號；及一信號處理器，該信號處理器經組態以對經光電轉換之該等信號執行處理，其中，在入射光之量為大的一條件下，該信號處理器在自該固態影像擷取器件輸出之紅光信號、綠光信號及藍光信號的一基礎上執行信號處理且輸出彩色影像信號，及在入射光之量為小的一條件下，該信號處理器對自該固態影像擷取器件輸出之紅光信號、綠光信號、藍光信號及近紅外線光信號的一混合執行信號處理且輸出灰度影像信號；其中該固態影像擷取器件包含：光電轉換元件，該等光電轉換元件經組態以將入射光光電轉換為信號電荷；濾色器部分，該等濾色器部分係設置於相對應之該等光電轉換元件的每一光入射側；及一有機光電轉換層，該有機光電轉換層係設置於該等濾色器部分之每一光入射側，其中，該有機光電轉換層含有吸收近紅外線光之一顏料。
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