Dispositivo fotosensible de multi-espectro y método de fabricación del mismo.

Un dispositivo detector de multi-espectro que comprende píxeles detectores superiores e inferiores que se agrupan en macro-píxeles,

cada macropixel que consiste en una capa superior con píxeles detectores superiores y una capa inferior con tres o cuatro píxeles detectores inferiores,

en donde dichos píxeles detectores superiores detectan un primer grupo de espectros de colores, dichos píxeles detectores inferiores detectan un segundo grupo de espectros de colores, un espectro detectado por un pixel detector en la capa inferior no está incluido en un espectro detectado por un pixel detector en la capa superior en una posición correspondiente,

en donde la capa inferior detecta un espectro de colores que tiene longitudes de onda más largas que las longitudes de onda de un espectro de colores detectado en una posición correspondiente en la capa superior,

en donde para cada posición en la capa inferior un espectro de colores detectado en la capa inferior es ortogonal al espectro de colores detectado en una posición correspondiente en la capa superior ya sea dentro de un espacio espectral de luz visible o un espacio espectral compuesto de luz visible y luz infrarroja, en donde para una posición en la capa inferior el espectro de colores detectado en la capa inferior es complementario al espectro de colores detectado en la capa superior en una posición correspondiente dentro de un espacio espectral de luz visible o un espacio espectral compuesto de luz visible y luz infrarroja, en donde el segundo grupo de espectros de colores comprende blanco o blanco más infrarrojo y una posición en la capa superior que corresponde al pixel detector en la capa inferior que detecta blanco o blanco más infrarrojo, respectivamente, es transparente, y

en donde de un macropixel, cada uno de dos píxeles detectores en la capa superior, en adición a la posición transparente en la capa superior, detecta un espectro de colores diferente o cada uno de dos píxeles detectores en la capa inferior, en adición al pixel detector que detecta el blanco o blanco más infrarrojo en la capa inferior, detecta un espectro de colores diferente.

Dispositivo fotosensible de multi-espectro y método de fabricación del mismo Campo de la invención La presente invención se refiere a un dispositivo detector de imágenes y un método para fabricar el mismo, especialmente a un dispositivo detector de imágenes para convertir la luz en un arreglo de señales electrónicas y un método para fabricar el mismo. Más en particular, la presente invención se refiere a un nuevo dispositivo detector de imágenes pancromáticas para detectar simultáneamente varios espectros (como la luz visible y la luz infrarroja) y su método de fabricación. En la presente descripción, el espectro pancromático (o color) comprende los espectros enteros de interés. Para dispositivos detectores normales (por ejemplo, los de luz visible) , el pancromático comprende espectros enteros de luz visible que contienen rojo, verde, azul y blanco. Para dispositivos detectores usados para una combinación de luz infrarroja y visible, el pancromático comprende los espectros de luz visible e infrarroja. La invención se aplica a dispositivos detectores de multi-espectros para detectar imágenes monocromáticas y de color.

Antecedentes de la invención La tecnología tradicional para diseñar y fabricar dispositivos detectores de imágenes a color ha tenido algunas limitaciones y dificultades técnicas. Más en particular, los detectores de imagen a color en la técnica anterior tienen problemas de baja sensibilidad, píxeles de resolución baja, y distorsión por repliegue del espectro de color. Generalmente, un detector de imagen hoy puede solamente detectar ya sea imágenes en blanco y negro o imágenes a color. En el presente, hay solamente algunos métodos en práctica para hacer que los detectores de imagen a color sean capaces de producir imágenes a color a partir de unas matrices de píxeles de detección única. El método más común de hacer detectores de imagen a color es cubrir las matrices de píxeles de detección con un patrón de filtro de colores en. Dos patrones de filtro de colores son principalmente usados en un chip detector tradicional de imagen a color. La Figura 1 ilustra un patrón de filtro de color, específicamente un patrón CYMG (M para rosa o magenta) (también llamado patrón de filtro de colores compuesto) , que comprende los colores turquesa, amarillo, magenta y verde. Las Figuras 2 (a) , 2 (b) , 2 (c) y 2 (d) y las Figuras 3 (a) y 3 (b) ilustran algunos patrones de filtro de colores primario (RGB) ordenados como un patrón de Bayer o un patrón de tipo panal de abeja, respectivamente. Ambos de estos dos patrones detectan los colores rojo, verde y azul.

En los detectores de imagen a color del patrón CYMG, la matriz de píxeles comprende muchos macropíxeles. Cada macropixel comprende cuatro píxeles, estando cada uno recubierto por un filtro de colores C, Y, M o G, respectivamente. Sin embargo, es un patrón de colores primarios (específicamente RGB) y no el patrón CYMG el que se usa en el monitor industrial, y por lo tanto es necesario transformar una matriz para el color C, Y, M o G a una matriz para RGB con el fin de convertir el patrón CYMG a un patrón RGB. Además, debido a que cada pixel detecta solamente un color (ya sea turquesa, o amarillo, o magenta, o verde) , para detectar los colores RGB por cada pixel, se necesita una técnica de interpolación para interpolar los colores faltantes de los píxeles adyacentes. En el patrón de Bayer (la patente de Estados Unidos núm. 3, 971, 065) , la matriz de píxeles detectores comprende muchos macro-píxeles, cada uno comprende cuatro píxeles recubiertos con solamente colores RGB. El patrón de Bayer adicionalmente requiere que en cada macropixel, dos elementos en una de las diagonales deben detectar el verde o un color que corresponda a la luminancia de la imagen, mientras que los otros dos colores detectados son el rojo y el azul, o colores que corresponden a otros dos diferentes espectros de luz visible. Del mismo modo, debido a que cada pixel detecta solamente un tipo de color (rojo, o verde, o azul) , para detectar los otros dos colores faltantes en los píxeles, se necesita la interpolación para interpolar los colores faltantes de los píxeles adyacentes. El patrón de Bayer tiene cuatro diferentes ordenamientos, cada uno representa una cierta disposición de la posición RGB. En un patrón de tipo panal de abeja como se muestra en la Figura 3, un macropixel comprende solamente tres píxeles recubiertos por colores RGB y dispuestos en forma de panal de abeja. En el patrón de tipo panal de abeja, los píxeles que detectan los colores RGB están dispuestos uniformemente y simétricamente; y el intercambio de la posición de dos píxeles aún produce un patrón de tipo panal de abeja.

Como se describió anteriormente, hay tres cuestiones comunes en implementar los filtros de colores formados por un patrón compuesto (CYMG) , patrón de Bayer o patrón de tipo panal de abeja: reducir en primer lugar la sensibilidad a la detección de la luz debido a la existencia de los filtros de colores (comparados con los detectores monocromáticos) ; en segundo lugar, reduccir la definición espacial efectiva (o resolución) debido a la interpolación de colores, que a su vez provoca el tercero, la distorsión por repliegue del espectro de color. Normalmente, la distorsión por repliegue del espectro de colores puede resolverse mediante el uso de filtros de paso bajo. Sin embargo, los filtros de paso bajo reducirán la definición de la imagen, y de esta manera empeora el segunda problema.

Para evitar la reducción de la sensibilidad de la luz provocada por los filtros de color, la patente de los Estados Unidos 6, 137, 100 describe un método para balancear la respuesta de detección de los píxeles RGB, que hace uso de la característica de los fotodiodos que tiene diferentes sensibilidades para diferentes colores. Específicamente, un fotodiodo es más sensible al verde, en segundo lugar al rojo, y luego al azul. Por lo tanto, las áreas sensibles al azul se hacen más grandes, luego al rojo y las más pequeñas al verde. La mejora en la sensibilidad al color con este método es aún limitada. Por otra parte este método solo hace hincapié en el patrón de color RGB.

Las patentes de Estados Unidos 2003/209651 A1, 6, 198, 147 y 2003/189656 A1 describen los dispositivos detectores de espectro pero están limitados a solamente una única capa detectora y/o a solamente uno o dos píxeles en la capa detectora y/o no detectar un espectro completo en una capa inferior mientras que una capa superior es transparente para ese espectro completo.

Recientemente, Kodak Company lanzó un método que combina los colores blanco y RGB, específicamente añadiendo un pixel detector de blanco a la matriz de píxeles RGB para incrementar la sensibilidad. Como se muestra en las Figuras 4 (a) , 4 (b) y 4 (c) , cuando el pixel blanco absorbe varias veces más energía de la luz que los píxeles de color primario (rojo, verde o azul) o los píxeles de color complementario (turquesa, amarillo o magenta) , el método WRGB (colores blanco y RGB) es ciertamente 2-3 veces más sensible que los detectores usados en el patrón tradicional de Bayer. Sin embargo, este método trae nuevos problemas. En primer lugar, la reconstrucción del color es más complicada. En segundo lugar, como resultado de cambiar tres colores a cuatro colores, la resolución espacial se reduce comparado con el patrón de Bayer. Por último, debido a que la sensibilidad del color blanco es 6-10 veces más que los otros tres colores RGB, las intensidades de la señal de diferentes colores son fuertemente no coincidentes, lo que limita la ventaja de la alta sensibilidad del color blanco, cuando el color con la más baja sensibilidad determina la calidad de una imagen.

Con el fin de evitar la interpolación de colores, Foveon Company de Estados Unidos inventó una nueva tecnología de detección de color que usa tres capas de píxeles detectores, como se muestra en la Figura. 5. Un detector de imagen de tres capas, llamado "detector de imagen X3 ", tiene tres capas de matrices detectoras, cada una es sensible a un espectro de luz de los colores RGB, respectivamente. El detector de imagen X3 puede solucionar el problema de la interpolación de colores, pero trae nuevos problemas debido a las diferencias de sensibilidad de las diferentes capas detectoras. El detector de sensibilidad de una capa inferior es usualmente inferior que una capa superior de las tres capas. Por lo tanto, se reduce la sensibilidad efectiva total. En adición, el costo y la complejidad se incrementarán debido a la fabricación de las tres capas. Además, tres veces más datos a ser transmitidos y procesados aumentan significativamente el consumo de energía y el costo del sistema del detector de imagen X3.

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1. Un dispositivo detector de multi-espectro que comprende píxeles detectores superiores e inferiores que se agrupan en macro-píxeles, cada macropixel que consiste en una capa superior con píxeles detectores superiores y una capa inferior con tres o cuatro píxeles detectores inferiores, en donde dichos píxeles detectores superiores detectan un primer grupo de espectros de colores, dichos píxeles detectores inferiores detectan un segundo grupo de espectros de colores, un espectro detectado por un pixel detector en la capa inferior no está incluido en un espectro detectado por un pixel detector en la capa superior en una posición correspondiente, en donde la capa inferior detecta un espectro de colores que tiene longitudes de onda más largas que las longitudes de onda de un espectro de colores detectado en una posición correspondiente en la capa superior, en donde para cada posición en la capa inferior un espectro de colores detectado en la capa inferior es ortogonal al espectro de colores detectado en una posición correspondiente en la capa superior ya sea dentro de un espacio espectral de luz visible o un espacio espectral compuesto de luz visible y luz infrarroja, en donde para una posición en la capa inferior el espectro de colores detectado en la capa inferior es complementario al espectro de colores detectado en la capa superior en una posición correspondiente dentro de un espacio espectral de luz visible o un espacio espectral compuesto de luz visible y luz infrarroja, en donde el segundo grupo de espectros de colores comprende blanco o blanco más infrarrojo y una posición en la capa superior que corresponde al pixel detector en la capa inferior que detecta blanco o blanco más infrarrojo, respectivamente, es transparente, y en donde de un macropixel, cada uno de dos píxeles detectores en la capa superior, en adición a la posición transparente en la capa superior, detecta un espectro de colores diferente o cada uno de dos píxeles detectores en la capa inferior, en adición al pixel detector que detecta el blanco o blanco más infrarrojo en la capa inferior, detecta un espectro de colores diferente.

2. El dispositivo de multi-espectro de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer grupo de espectros de colores comprende espectros de colores seleccionados a partir del azul, verde, turquesa y blanco, y en donde el segundo grupo de espectros de colores adicionalmente comprende espectros de colores seleccionados a partir del verde, rojo, amarillo, infrarrojo, rojo más infrarrojo, y amarillo más infrarrojo.

3. El dispositivo de multi-espectro de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde para más de una o una posición en la capa inferior el espectro de colores detectado en la capa inferior es complementario al espectro de colores detectado en la capa superior en una posición correspondiente.