超级采样的像素阵列、图像传感器、像素单元的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种超级采样的像素阵列、图像传感器、像素单元。超级采样的像素阵列包括若干个像素单元，每个像素单元包括若干组像素，每一组像素包括若干个像素，组成同一像素单元的各组像素的中心点相互错位，以围绕所述同一像素单元中心点旋转的非规则方式进行排布。本发明中，由于在同一像素单元中，若干组像素单元围绕像素单元的中心点非规则排布，分布位置比较分散，可实现无规律采样，从而避免了缺采样锯齿。
【专利说明】超级采样的像素阵列、图像传感器、像素单元
【技术领域】
[0001]本发明属于图像传感器领域，具体地说，涉及一种超级采样的像素阵列、图像传感器、像素单元。
【背景技术】
[0002]图像传感器在民用和商业范畴内得到了广泛的应用。目前，图像传感器由CMOS图像传感器(CMOS IMAGE SENSOR，以下简称CIS)和电荷耦合图像传感器(Charge-coupledDevice,以下简称(XD)。与CXD图像传感器相比较，CMOS图像传感器具有制造成本低、功耗低以及图像延时较小的主要优势；同时，随着工艺的进步，CMOS图像传感器固有的RollingShutter Effect和信噪比较低的劣势正在慢慢改变，不少CMOS图像传感器产品的图像质量已经堪比CXD图像传感器产品。
[0003]CMOS图像传感器在手机相机、网络摄像头、监控摄像头、光学鼠标、数码单反相机实得到了广泛应用。在这些领域使用的CMOS图像传感器通常是基于有源像素传感器(Active Pixel Sensor,简称APS)形成的像素单元组成。
[0004]基于APS形成的CMOS图像传感器，其捕捉的图像的原理为:利用一感光二极管(photo diode，简称PD)接收入射光的光子，并进行光电转换输出电压信号，再通过后续电路如放大电路、滤波去噪电路等处理，最终输出形成图像信号。入射光越强，输出的电压信号越大。
[0005]随着CMOS工艺的提高，有源像素传感器APS的尺寸越来越小，由此形成图像传感器的像素也越来越多。但是，由于电路以及电子技术的限制，较多的像素也意味着可能较高的噪声隐患，对图像质量形成负面影响。此外，由于光学技术中的衍射极限(DiffractionLimit)的存在，当最小采样间隔小于一定距离时，光学的采样频率将无法进一步提高。
[0006]为了解决这些技术问题，出现了超级采样(Super sampling),或是多重采样(Mult1-sampling)。所谓超级采样(Super sampling)或是多重采样(Mult1-sampling)是指由临近的若干有源像素传感器APS组成像素单元，将其均值作为像素单元的输出值。
[0007]现有技术中，像素单元在进行超级采样时，其有源像素传感器APS、彩色滤镜阵列(Color Filter Array,简称CFA)是按照矩形网格的方式进行排列。
[0008]图1为现有技术中采集灰度图像的像素阵列的剖面图。如图1所示，从剖面上看像素阵列基本分为上中下三层，上层101为微透镜层，中层102基质为氧化硅材料，下层103基质材料为硅。上层101用来放置微透镜Micro-1ens -每个微透镜Micro-1ens为一个凸透镜111，对应一个光通道及一个感光二极管(Photo Diode，简称H))。中层102用来放置金属层Ml?M3。相邻金属层之间留有光通道。下层103用来放置感光二极管113。其中金属层Ml?M4之间电连接，用来传递电信号。作为微透镜的凸透镜111聚集光线，入射光进入光通道到达下层的感光二极管113。感光二极管113遇光子发生光电效应，再传出电信号，更为详细的技术原理此处不再赘述。
[0009]图2为现有技术中基于有源传感器APS的像素阵列平面示意图，如图2所示，现有技术中的，彩色滤镜阵列模式通常采用Bayer模式，得到的RAW格式数字图像需要通过颜色差值算法来还原真实的图像颜色。根据其实像素对应的滤镜颜色不同，Bayer模式彩色滤镜阵列有四种变体:RGGB、GRBG, GBRG和BGGR四种。此处示意的像素阵列起始像素对应红色滤镜R，其Bayer模式为RGGB。每个像素的大小为Px width*Px width。
[0010]图3为现有技术中2x2超级采样图像像素阵列的平面示意图。如图3所示，每个像素单元包括2x2共四个有源传感器APS，对于彩色滤镜阵列来说以红色滤镜的像素为例，像素单元输出红色滤镜(Ra、Rb、Re和Rd)的均值作为其像素R的数字输出，其他各像素以相同的方式输出绿色滤镜(G1G1G1G1 ;G2G2G2G2)和蓝色滤镜(BBBB)的数字值。像素单元R、Gl、G2和B的数字值作为此像素阵列的RAW格式数据，在数字处理模块中经过针对RGGB的Bayer模式的颜色差值算法生成彩色图像。
[0011]每个像素的大小为Px width*Px width。则每个像素单元大小为2Pxwidth*2Pxwidth。
[0012]图4为现有技术中η X η超级采样图像像素阵列的平面示意图。如图4所示，此像素阵列的像素单元中有η X η个有源传感器APS。以对应红色滤镜的像素为例，像素单元输出ROO~R0n，R10~Rln,…RnO~Rnn的均值作为像素R的数字输出。像素单元输出像素GP"G1、G2…G2和Β...Β的均值分别作为像素G、像素G、像素B的输出，然后参与RAW格式图像处理。
[0013]每个像素的大小为Px width*Px width。则每个像素单兀大小为nPxwidth*nPxwidth。
[0014]由此可见，由于现有技术中超级采样像素阵列中，有源传感器APS在平面排布上采用矩形网格，须进行规律采样，由此导致缺采样锯齿(Ant1-aliasing)。
【发明内容】
[0015]本发明所要解决的技术问题是提供一种超级采样的像素阵列、图像传感器、像素单元，用以解决现有技术中像素阵列平面排布采用矩形网格，须进行规律采样而导致的缺采样锯齿的技术问题。
[0016]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超级采样的像素阵列，其包括若干个像素单元，每个像素单元包括若干组像素，每一组像素包括若干个像素，组成同一像素单元的各组像素的中心点相互错位，以围绕所述同一像素单元中心点旋转的非规则方式进行排布。
[0017]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超级采样的图像传感器，其包括超级采样的像素阵列，所述像素阵列包括若干个像素单元，每个像素单元包括若干组像素，每一组像素包括若干个像素，组成同一像素单元的各组像素的中心点相互错位，以围绕所述同一像素单元中心点旋转的非规则方式进行排布。
[0018]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超级采样的像素单元，其包括若干组像素，每一组像素包括若干个像素，组成同一像素单元的各组像素的中心点相互错位，以围绕所述同一像素单元中心点旋转的非规则方式进行排布。
[0019]优选地，在本发明 的一实施例中，每一组像素包括按照BAYER模式排布的一个红色滤镜的像素、两个绿色滤镜的像素、一个蓝色滤镜的像素。[0020]优选地，在本发明的一实施例中，输出同一像素单元的各组像素中相同颜色还原能力滤镜对应像素的像素数字值，据此进行均值计算得到相同颜色还原能力滤镜对应像素的像素数字均值，将所述像素数字均值作为所述同一像素单元的像素数字输出值。
[0021]优选地，在本发明的一实施例中，每个像素单元至少包括2*2组像素。
[0022]与现有的方案相比，本发明中，像素阵列包括若干个像素单元，每个像素单元包括若干组像素，每一组像素包括若干个像素，组成同一像素单元的各组像素的中心点相互错位，以围绕所述同一像素单元中心点旋转的非规则方式进行排布，无须规律采样，从而避免了 缺采样锯齿(Ant1-aliasing)。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为现有技术中采集灰度图像的像素阵列的剖面图；
[0024]图2为现有技术中基于有源传感器APS的像素阵列平面示意图；
[0025]图3为现有技术中2x2超级采样图像像素阵列的平面示意图；
[0026]图4为现有技术中η X η超级采样图像像素阵列的平面示意图；
[0027]图5所示为本发明超级采样的像素单元实施例一的平面结构示意图；
[0028]图6为本发明超级采样的像素阵列实施例一的平面结构示意图；
[0029]图7所示为本发明超级采样的像素单元实施例二的平面结构示意图；
[0030]图8为本发明超级采样的像素阵列实施例一的平面结构示意图。
【具体实施方式】
[0031]以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
[0032]本发明下述实施例中的像素阵列包括若干个像素单元，每个像素单元包括若干组像素，每一组像素包括若干个像素，组成同一像素单元的各组像素的中心点相互错位，以围绕所述同一像素单元中心点旋转的非规则方式进行排布，无须规律采样，从而避免了缺采样锯齿(Ant1-aliasing)。
[0033]本发明下述实施例中，将以基于RGB三原色像素进行说明，即每一组像素包括按照BAYER模式排布的一个红色滤镜的像素、两个绿色滤镜的像素、一个蓝色滤镜的像素。
[0034]但是，需要说明的是，本领域普通技术人员也可以基于CMYK四原色像素，有关CMYK四原色像素应用本发明主要思想的实施例下述不再赘述。
[0035]本发明的下述实施例中，对于同一像素单元来说，输出包括的各组像素中相同颜色还原能力滤镜对应像素的像素数字值，据此进行均值计算得到相同颜色还原能力滤镜对应像素的像素数字均值，将所述像素数字均值作为所述同一像素单元的像素数字输出值。详细请参加下述实施例一和二。
[0036]图5所示为本发明超级采样的像素单元实施例一的平面结构示意图；如图5所示，本实施例中，以每个像素单元包括2*2组像素，每组像素包括按照BAYER模式排布的一个红色滤镜的像素、两个绿色滤镜的像素、一个蓝色滤镜的像素，共计16个像素。换言之,每个像素单元实际上包括4个红色像素(Ra Rb Re Rd)、8个绿色像素(G1G1G1G1 ;G2G2G2G2)、4个蓝色像素(BBBB)。因此，以像素单元红色还原为例，分别输出4个红色像素(RaRb ReRd)的像素数字值并进行均值计算，即可获得该像素单元在还原红色时得红色像素数字输出值。类似地，可获得该像素单元在还原红色时得绿色像素数字输出值、蓝色像素数字输出值。
[0037]由于同一颜色的像素排布位置比较分散，可进行无规律采样，从而可以避免缺采样锯齿。
[0038]在本实施例中，如果一组像素的宽度为px width，则像素单元的宽度实际上是2*px width。
[0039]图6为本发明超级采样的像素阵列实施例一的平面结构示意图；如图6所示，本实施例中的像素阵列由图5所示的若干像素单元搭建而成，详细不再赘述。
[0040]图7所示为本发明超级采样的像素单元实施例二的平面结构示意图；如图7所示，本实施例中，以每个像素单元包括4*4组像素，每组像素包括按照BAYER模式排布的一个红色滤镜的像素、两个绿色滤镜的像素、一个蓝色滤镜的像素，共计64个像素。换言之,每个像素单元实际上包括16个红色像素(Ra…Rk)、32个绿色像素(G1...G1 ;G2...G2)、16个蓝色像素(B…B)。因此，以像素单元红色还原为例,分别输出16个红色像素(Ra…Rk)的像素数字值并进行均值计算，即可获得该像素单元在还原红色时得红色像素数字输出值。类似地，可获得该像素单元在还原红色时得绿色像素数字输出值、蓝色像素数字输出值。
[0041]由于同一颜色的像素排布位置比较分散，可不规律采样，从而可以避免了缺采样锯齿。
[0042]在本实施例中，如果一组像素的宽度为px width，则像素单元的宽度实际上是4*px width。
`[0043]图8为本发明超级采样的像素阵列实施例一的平面结构示意图；如图8所示，本实施例中的像素阵列由图7所示的若干像素单元搭建而成，详细不再赘述。
[0044]需要说明的是,本发明上述实施例中，仅以像素单元包括2*2组像素或者4*4组像素进行了示意性说明，但是，本领域普通技术人员也可以产品的实际需求，使得像素单元包括更多组像素，详细不再赘述。
[0045]本发明的一实施例中还提供了一种图像传感器，该图像传感器由本发明上述图6或图8所示的像素阵列搭建，详细不再赘述。
[0046]上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种超级采样的像素阵列，其特征在于，包括若干个像素单元，每个像素单元包括若干组像素，每一组像素包括若干个像素，组成同一像素单元的各组像素的中心点相互错位，以围绕所述同一像素单元中心点旋转的非规则方式进行排布。
2.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，每一组像素包括按照BAYER模式排布的一个红色滤镜的像素、两个绿色滤镜的像素、一个蓝色滤镜的像素。
3.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，输出同一像素单元的各组像素中相同颜色还原能力滤镜对应像素的像素数字值，据此进行均值计算得到相同颜色还原能力滤镜对应像素的像素数字均值，将所述像素数字均值作为所述同一像素单元的像素数字输出值。
4.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，每个像素单元至少包括2*2组像素。
5.一种超级采样的图像传感器，其特征在于，包括超级采样的像素阵列，所述像素阵列包括若干个像素单元，每个像素单元包括若干组像素，每一组像素包括若干个像素，组成同一像素单元的各组像素的中心点相互错位，以围绕所述同一像素单元中心点旋转的非规则方式进行排布。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，每一组像素包括按照BAYER模式排布的一个红色滤镜的像素、两个绿色滤镜的像素、一个蓝色滤镜的像素。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，输出同一像素单元的各组像素中相同颜色还原能力滤镜对应像素的像素数字值，据此进行均值计算得到相同颜色还原能力滤镜对应像素的像素数字均值，将所述像素数字均值作为所述同一像素单元的像素数字输出值。
8.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，每个像素单元至少包括2*2组像素。
9.一种超级采样的像素单元，其特征在于，包括若干组像素，每一组像素包括若干个像素，组成同一像素单元的各组像素的中心点相互错位，以围绕所述同一像素单元中心点旋转的非规则方式进行排布。
10.根据权利要求9所述的像素单元，其特征在于，每一组像素包括按照BAYER模式排布的一个红色滤镜的像素、两个绿色滤镜的像素、一个蓝色滤镜的像素。
【文档编号】H04N9/04GK103763535SQ201410043675
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2014年1月29日
【发明者】陈嘉胤 申请人:上海集成电路研发中心有限公司