一种超分辨率图像传感器及其构造方法与流程

本发明涉及一种图像处理器件，尤其涉及一种超分辨率图像传感器及其构造方法。

背景技术：

随着民用和军用遥感图像分辨率需求的不断提高以及遥感卫星朝着小型化方向发展，轻小型和高分辨率光学遥感器已经成为世界各国航天界在空间遥感领域研究的热点问题。提高遥感图像分辨率在硬件实现方面，目前大多数采用亚像元成像方法。获得同一目标的具有相互位移信息的多幅低分辨率图像，通过提取位移图像中的冗余信息来提高几何分辨率。目前较为流行的实现亚像元成像技术的途径是法国SPOT-5和德国宇航中心研制的HSRS(Hot Spot Recognition Sensors)提出的新型CCD设计方案，把两片错位的长线阵CCD集成在一个芯片上，即焦面集成，这样两片CCD在同一视场上获得两幅低分辨率图像，在后续图像处理中，采用重构算法将这两幅图像融合处理获得高分辨率清晰的图像。

目前的亚像元成像方法是将两排CCD线阵列沿着线阵方向错位，即两排CCD线阵列的像敏单元本身相互错位，改变了原有的图像传感器的像敏单元阵列排布。

高灵敏度和高分辨率成像探测系统通常要求图像传感器的响应率和探测率高、噪声低、像元数大、像元尺寸小和填充系数大。由于材料制备和工艺制作上的困难，这些要求一般很难同时实现。例如空间分辨率的提高可以采取缩小像元尺寸并增大阵列规模来实现，但像元尺寸的减少将导致光电信号减弱、信噪比特性恶化。这对于低填充系数的图像传感器阵列更为不利。且像元尺寸也不能盲目减小。对于确定工艺制作的图像器件，其像素存在一个最小值，达到这一尺寸后，其图像器件的分辨率无法再从像元尺寸的缩小中受益。因此，采用其它方法来提高图像传感器件的分辨率就显得十分重要。

随着光学元件小型化的发展趋势，人们已经能够制作出直径为毫米、微米甚至纳米级的微透镜与微透镜阵列。由于微透镜技术成熟，因此可以考虑利用微透镜排列结构变化提高图像传感器的分辨率，为这些困难的解决提供了一条简捷而高效的途径。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种在不改变图像传感器像敏单元排列的基础上，借助现有微透镜制作工艺通过偏移覆盖在像敏单元阵列上的微透镜阵列中的微透镜行来提高图像分辨率的超分辨率图像传感器及其构造方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提出一种超分辨率图像传感器。该超分辨率图像传感器包括像敏单元阵列以及覆盖在该像敏单元阵列之上的微透镜阵列。像敏单元阵列上各个像敏单元行相互对齐。微透镜阵列上相对于基准的微透镜行其余各个微透镜行有规律地逐步偏移，基准行上的各个微透镜与基准行上的各个像敏单元在覆盖方向上一一中心对齐。

对于上述超分辨率图像传感器，微透镜阵列上每相邻两个微透镜单元行之间偏移1/n像元长度，其中n为大于1的整数。其中作为基准行的第一像敏单元行中各像敏单元的中心与作为基准行的第一微透镜单元行中各微透镜单元的中心一一对齐，与第一微透镜单元行相邻的第二微透镜单元行中各微透镜单元的中心相对于与第一像敏单元行相邻的第二像敏单元行中各像敏单元的中心偏移1/n像元长度，依次类推，与第n-1微透镜单元行相邻的第n微透镜单元行中各微透镜单元的中心相对于与第n-1像敏单元行相邻的第n像敏单元行中各像敏单元的中心偏移(n-1)/n像元长度。

对于上述超分辨率图像传感器，偏移是沿行方向偏移。

对于上述超分辨率图像传感器，图像传感器是CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

对于上述超分辨率图像传感器，微透镜单元阵列是折射型微透镜阵列。

另一方面，本发明提出一种超分辨率图像传感器的构造方法。该方法包括如下步骤：

制造各个像敏单元行相互对齐的像敏单元阵列；

制造相对于基准的微透镜行其余各个微透镜行有规律地逐步偏移的微透镜阵列；

将微透镜阵列覆盖在像敏单元阵列之上并集成起来，以使基准的像敏单元行中各像敏单元的中心与基准的微透镜单元行中各微透镜单元的中心一一对齐。

对于上述超分辨率图像传感器的构造方法，制造相对于基准的微透镜行其余各个微透镜行有规律地逐步偏移的微透镜阵列进一步包括：微透镜阵列中每相邻两个微透镜单元行之间偏移1/n像元长度，其中n为大于1的整数。将微透镜阵列覆盖在像敏单元阵列之上并集成起来进一步包括：作为基准行的第一像敏单元行中各像敏单元的中心与作为基准行的第一微透镜单元行中各微透镜单元一一中心对齐，与第一微透镜单元行相邻的第二微透镜单元行中各微透镜单元的中心相对于与第一像敏单元行相邻的第二像敏单元行中各像敏单元的中心偏移1/n像元长度，依次类推，与第n-1微透镜单元行相邻的第n微透镜单元行中各微透镜单元的中心相对于与第n-1像敏单元行相邻的第n像敏单元行中各像敏单元的中心偏移(n-1)/n像元长度。

对于上述超分辨率图像传感器的构造方法，偏移是沿行方向偏移。

对于上述超分辨率图像传感器的构造方法，图像传感器是CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

对于上述超分辨率图像传感器的构造方法，微透镜单元阵列是折射型微透镜阵列。

与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：

本发明在不改变现有的像敏单元结构的情况下，通过改变硬件表面光学器件结构达到错位成像效果来实现图像分辨率的提高。该图像传感器及其构造方法可以用于实现分辨率的提升并且在工程上更易于实现。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明一个实施例所述的超分辨率图像传感器的成像原理示意图；

图2a和图2b示出本发明一个实施例所述的超分辨率图像传感器中微透镜单元与像敏单元在层叠方向上的位置关系；

图3是本发明一个实施例所述的超分辨率图像传感器中的微透镜阵列的俯视图；

图4是本发明一个实施例所述的超分辨率图像传感器的构造方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，根据透镜折射与反射原理，透镜与像敏单元对齐时反射掉的光线在相对于像敏单元偏移时发生折射，从而实现光线的偏移而达到错位成像的目的。

微透镜单元与像敏单元在层叠方向上的位置关系如图2a和图2b所示，光线通过相机广角镜头入射到覆盖在像敏单元阵列101上的微透镜阵列102上。本发明一个实施例所述的超分辨率图像传感器包括像敏单元阵列101以及覆盖在该像敏单元阵列101之上的微透镜阵列102。像敏单元阵列101上各个像敏单元行相互对齐，如图2a所示。微透镜阵列102上相对于基准的微透镜行其余各个微透镜行有规律地逐步偏移，基准行上的各个微透镜与基准行上的各个像敏单元在覆盖方向上一一中心对齐，从而从覆盖方向上看过去，基准行上第一个微透镜的中心与基准行上第一个像敏单元的中心在一条直线上，基准行上第二个微透镜的中心与基准行上第二个像敏单元的中心在一条直线上，依次类推。微透镜单元阵列102优选为折射型微透镜阵列。

图3是本发明一个实施例所述的微透镜阵列的俯视图。在本发明一个优选实施例中，像敏单元阵列101上各个像敏单元行相互对齐，微透镜单元阵列102上每相邻两个微透镜单元行之间偏移1/n像元长度，其中n为大于1的整数，像敏单元阵列101中像敏单元行数与微透镜阵列102中微透镜单元行数相等，对应行上的单元数也相等，对应行上对应单元之间的间距也相等，像敏单元阵列101中相邻像敏单元行的行距与微透镜阵列102中相邻微透镜单元行的行距相等。像敏单元阵列101中第一像敏单元行作为基准行，微透镜单元阵列102中第一微透镜单元行作为基准行，则第一像敏单元行中各个像敏单元的中心与第一微透镜单元行中各个微透镜单元的中心一一对齐，与第一微透镜单元行相邻的第二微透镜单元行中各个微透镜单元的中心相对于与第一像敏单元行相邻的第二像敏单元行中各个像敏单元的中心在行方向上偏移1/n像元长度，依次类推，与第n-1微透镜单元行相邻的第n微透镜单元行中各个微透镜单元的中心相对于与第n-1像敏单元行相邻的第n像敏单元行中各个像敏单元的中心在行方向上偏移(n-1)/n像元长度。n个像敏单元行为一个周期，第n+1行的各个微透镜单元与第一行的各个微透镜单元一一中心对齐，从而在微透镜阵列平面上第n+1行上各个微透镜单元与第一行上各个微透镜单元分别排成列。

上述超分辨率图像传感器在推扫成像时可生成多幅同一视场像元错位图像，在后续图像处理中采用重构算法将这些错位图像融合处理即可获得高分辨率清晰的图像。

假设像元长度为d并且图像传感器推扫成像的步长为d，微透镜单元阵列102中相邻行之间的偏移距离为(1/n)*d，若在推扫方向上采样距离减小到d/n，对一个周期(n次采样)获得的图像采用重构算法可使得图像分辨率为微透镜中心与像元中心全部对齐时图像传感器获得图像分辨率的n倍。

下面，以包括九个像敏单元行的CMOS图像传感器为例进一步说明本发明的技术方案。

本发明的超分辨率CMOS图像传感器由基本的面阵CMOS器件和覆盖在该面阵CMOS器件之上的折射型微透镜阵列组成，如图2a和图2b所示。

微透镜阵列中每个透镜规格相同。在不需偏移的像敏单元行上透镜中心与像敏单元中心对齐，即基准行的像敏单元中心与透镜中心对齐。与不需偏移的第一像敏单元行相邻的需要偏移的第二像敏单元行上的透镜中心与像敏单元中心沿行方向偏移1/9像敏单元长度，与需要偏移的第二像敏单元行相邻的需要偏移的第三像敏单元行上的透镜中心与像敏单元中心沿行方向偏移2/9像敏单元长度，依次类推，与需要偏移的第八像敏单元行相邻的需要偏移的第九像敏单元行上的透镜中心与像敏单元中心沿行方向偏移8/9像敏单元长度。假设该实施例中CMOS像敏单元长度为d，第一行为无微透镜偏移的基准行，第二行微透镜与第一行微透镜成(1/9)*d距离的偏移，第三行微透镜与第二行微透镜成(1/9)*d距离的偏移而且与第一行成(2/9)*d距离的偏移……依次类推。9行为一个周期，第10行与第1行重新对齐。

下面，以包括两个像敏单元行的CCD图像传感器为例进一步说明本发明的技术方案。

本发明的超分辨率CCD图像传感器由包括两个像敏单元行的面阵CCD器件和覆盖在该面阵CCD器件之上的折射型微透镜阵列组成，如图2a和图2b所示。

微透镜阵列中每个透镜规格相同，在不需偏移的像敏单元行上透镜中心与像敏单元中心对齐，在需要偏移的像敏单元行上透镜中心与像敏单元中心成1/2像敏单元长度的偏移。假设该实施例中CCD像敏单元长度为d，第一行为无微透镜偏移的基准行，第二行微透镜与第一行微透镜成(1/2)*d距离的偏移。2行为一个周期，第3行与第1行重新对齐。

如图4所示，本发明的超分辨率图像传感器的构造方法包括如下步骤：

步骤S1，制造各个像敏单元行相互对齐的像敏单元阵列101；

步骤S2，制造相对于基准的微透镜行其余各个微透镜行有规律地逐步偏移的微透镜单元阵列102；

步骤S3，将微透镜单元阵列102优选为折射型微透镜阵列覆盖在像敏单元阵列101之上并集成起来，以使基准的像敏单元行中各像敏单元的中心与基准的微透镜单元行中各微透镜单元的中心对齐。

步骤S2进一步包括：微透镜阵列102中每相邻两个微透镜单元行之间偏移1/n像元长度，其中n为大于1的整数；

步骤S3进一步包括：作为基准行的第一像敏单元行中各个像敏单元的中心与作为基准行的第一微透镜单元行中各个微透镜单元的中心一一对齐，与第一微透镜单元行相邻的第二微透镜单元行中各个微透镜单元的中心相对于与第一像敏单元行相邻的第二像敏单元行中各个像敏单元的中心沿行方向偏移1/n像元长度，依次类推，与第n-1微透镜单元行相邻的第n微透镜单元行中各个微透镜单元的中心相对于与第n-1像敏单元行相邻的第n像敏单元行中各个像敏单元的中心沿行方向偏移(n-1)/n像元长度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。