一种图像传感器、图像处理方法及存储介质与流程

文档序号:18633438发布日期:2019-09-11 21:55
一种图像传感器、图像处理方法及存储介质与流程

本申请实施例涉及图像处理技术领域,尤其涉及一种图像传感器、图像处理方法及存储介质。



背景技术:

拜耳滤色镜是一种将RGB滤色片排列在光传感组件方格之上所形成的马赛克彩色滤色阵列。数字相机、录影器、扫描仪等实用的单片机数字图像传感器大多使用这种特定排列的绿色阵列来制作彩色影像,如图1所示,这种滤色片的排列有50%是绿色,25%是红色,另外25%是蓝色,因此也称作RGBG,GRGB或者RGGB。

目前,为了进一步增大进光量,通常可以将绿光通道替换成白光通道。然而,现有技术中,互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器主要利用滤色片进行光的过滤,再利用传统的光电二极管(Photo Diode,PD)结构,即依赖其自身硅的厚度对可见光进行吸收,白光通道吸收率较低,从而导致白光通道的量子效率和图像传感器的信噪比较低。



技术实现要素:

本申请实施例提供一种图像传感器、图像处理方法及存储介质,将绿光通道替换成白光通道,并通过三种不同直径的PD柱提高了白光通道的吸收率,从而提高了图像传感器的白光通道的量子效率和图像传感器的信噪比。

本申请实施例的技术方案是这样实现的:

本申请实施例提供了一种图像传感器,所述图像传感器包括:

由四个像素单元组成的滤色阵列,所述滤色阵列用于吸收红光、蓝光和两组白光,并对所述红光、所述蓝光和所述两组白光进行相应的光电转换,获得四个电信号;

所述四个像素单元,由用于对应吸收所述红光、所述蓝光和绿光的三种不同尺寸的光电二极管PD柱组成,且用于吸收所述两组白光的两个像素单元均包括所述三种不同尺寸的PD柱;

设置在所述滤色阵列吸收侧,用于通过所述红光的第一滤色片,以及用于通过所述蓝光的第二滤色片;

与所述四个像素单元对应连接的四个像素读出电路,所述四个像素读出电路用于放大所述四个电信号,并读出所述四个电信号。

在上述图像传感器中,所述三种不同尺寸的PD柱包括用于吸收所述红光的第一尺寸PD、用于吸收所述蓝光的第二尺寸PD和用于吸收所述绿光的第三尺寸PD;

所述滤色阵列包括的所述四个像素单元为第一像素单元、第二像素单元和两个第三像素单元;

所述第一像素单元由所述第一尺寸PD柱组成;

所述第二像素单元由所述第二尺寸PD柱组成;

所述两个第三像素单元中每一个像素,分别由所述第一尺寸PD柱、所述第二尺寸PD柱,以及所述第三尺寸PD柱组成。

在上述图像传感器中,所述第一像素单元用于吸收所述红光,所述第二像素单元用于吸收所述蓝光,所述两个第三像素单元中每一个像素单元分别用于吸收所述两组白光中的一组白光;

所述第一像素单元、所述第二像素单元,以及所述两个像素单元还用于将各自吸收到光线进行相应的光电转换,以获得所述四个电信号。

在上述图像传感器中,所述第一滤色片设置在所述第一像素单元的吸收侧,所述第二滤色片设置在所述第二像素单元的吸收侧。

在上述图像传感器中,所述四个像素读出电路中第一读出电路与所述四个像素单元中目标像素单元对应连接,所述第一读出电路为所述四个像素读出电路中任意一个电路,所述目标像素单元为所述四个像素单元中任意一个像素单元;

所述第一读出电路包括与所述目标像素单元连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管;

所述转移晶体管,用于将所述目标像素单元获得的所述四个电信号中的目标电信号,从所述目标像素单元中转移至所述读出区,以从所述读出区读取所述目标电信号;

所述放大管,用于将所述读出区的所述目标电信号放大。

在上述图像传感器中,所述第一读出电路还包括:与所述读出区和所述放大管连接的复位晶体管;

所述读出区,还用于读出所述复位晶体管中的复位电平;

所述放大管,还用于对所述复位电平进行放大。

本申请实施例提供了一种图像处理方法,应用于上述图像传感器,所述方法包括:

通过滤色阵列包括的四个像素单元,吸收通过第一滤色片的红光、通过第二滤色片的蓝光,以及吸收直接照射的两组白光,并对所述红光、所述蓝光和所述两组白光进行相应的光电转换,获得四个电信号;

通过与所述四个像素单元对应连接的四个像素读出电路放大所述四个电信号,并读出所述四个电信号。

在上述图像处理方法中,所述通过滤色阵列包括的四个像素单元,吸收通过第一滤色片的红光、通过第二滤色片的蓝光,以及吸收直接照射的两组白光,并对所述红光、所述蓝光、以及所述两组白光进行相应的光电转换,获得四个电信号,包括:

通过所述滤色阵列中第一像素单元吸收所述红光;

通过所述滤色阵列中第二像素单元吸收所述蓝光;

通过所述滤色阵列中两个第三像素单元吸收所述两组白光;

通过所述第一像素单元、所述第二像素单元,以及所述两个第三像素单元对各自吸收到光线进行相应的光电转换,以获得所述四个电信号。

在上述图像处理方法中,所述四个像素读出电路中第一读出电路与所述四个像素单元中目标像素单元对应连接,所述第一读出电路为所述四个像素读出电路中任意一个电路,所述目标像素单元为所述四个像素单元中任意一个像素单元;所述通过与所述四个像素单元对应连接的四个像素读出电路放大所述四个电信号,并读出所述四个电信号,包括:

通过所述第一读出电路中的转移晶体管,将所述目标像素单元获得的所述四个电信号中的目标电信号,从所述目标像素单元中转移至所述第一读出电路中的读出区,以从所述读出区读取所述目标电信号;

通过所述第一读出电路中的放大管将所述读出区的所述目标电信号放大。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,应用于图像传感器,该计算机程序被处理器执行时实现上述图像处理方法。

本申请实施例提供了一种图像传感器,包括:由四个像素单元组成的滤色阵列,用于吸收红光、蓝光和两组白光,并对红光、蓝光和两组白光进行相应的光电转换,获得四个电信号;四个像素单元,由用于对应吸收红光、蓝光和绿光的三种不同尺寸的光电二极管PD柱组成,且用于吸收两组白光的两个像素单元均包括三种不同尺寸的PD柱;设置在滤色阵列吸收侧,用于通过红光的第一滤色片,以及用于通过蓝光的第二滤色片;与四个像素单元对应连接的四个像素读出电路,四个像素读出电路用于放大四个电信号,并读出四个电信号。本申请实施例提供的图像传感器,将绿光通道替换成白光通道,并通过三种不同直径的PD柱提高了白光通道的吸收率,从而提高了图像传感器的白光通道的量子效率和图像传感器的信噪比。

附图说明

图1为现有技术提出的拜耳滤色镜的阵列排布示意图;

图2为本申请实施例提供的一种图像传感器的结构示意图;

图3为本申请实施例提供的一种示例性的四个像素单元中PD柱的排布示意图;

图4为本申请实施例提供的一种示例性的像素截面示意图;

图5为本申请实施例提供的一种像素读出电路的结构示意图;

图6为本申请实施例提供的一种图像处理方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请,而非对该申请的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与有关申请相关的部分。

实施例一

本申请实施例提供了一种图像传感器。图2为本申请实施例提供的一种图像传感器的结构示意图。如图2所示,该图像传感器包括:

由四个像素单元组成的滤色阵列,滤色阵列用于吸收红光、蓝光和两组白光,并对红光、蓝光和两组白光进行相应的光电转换,获得四个电信号;

四个像素单元,由用于对应吸收红光、蓝光和绿光的三种不同尺寸的光电二极管PD柱组成,且用于吸收两组白光的两个像素单元均包括三种不同尺寸的PD柱;

设置在滤色阵列吸收侧的,用于通过红光的第一滤色片,以及用于通过蓝光的第二滤色片;

与四个像素单元对应连接的四个像素读出电路,四个像素读出电路用于放大四个电信号,并读出四个电信号。

需要说明的是,在本申请的实施例中,图像传感器具体可以为互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器。

需要说明的是,在本申请的实施例中,滤色阵列包括四个像素单元,其中,两个像素对应吸收两种单色光,即红光和蓝光,而另外两个像素均用于吸收白光。此外,组成滤色阵列四个像素单元的PD柱,均为百纳米级别的PD,其中每一个像素可包括多个PD柱,而非传统的一个像素对应一个厚度大概在2um以上的PD结构。

可以理解的是,在本申请的实施例中,为了避免其它光线对滤色阵列中吸收红外和蓝光这两种光线的像素吸收过程的影响,可以在滤色阵列吸收侧设置相应仅能通过红光的第一滤色片,以及仅能通过蓝光的第二滤色片,从而在光线先经过相应的滤色片进行过滤,再通过滤色阵列中相应的像素进行相应色光的吸收。

需要说明的是,在本申请的实施例中,白光即为自然光,因此,不需要设置滤色片进行过滤,可直接由滤色阵列中对应的像素进行吸收。

具体的,在本申请的实施例中,三种不同尺寸的PD柱包括用于吸收红光的第一尺寸PD、用于吸收蓝光的第二尺寸PD和用于吸收绿光的第三尺寸PD;

滤色阵列包括的四个像素单元为第一像素单元、第二像素单元和两个第三像素单元;

第一像素单元由第一尺寸PD柱组成;

第二像素单元由第二尺寸PD柱组成;

两个第三像素单元中每一个像素,分别由第一尺寸PD柱、第二尺寸PD柱,以及第三尺寸PD柱组成。

需要说明的是,在本申请的实施例中,组成第一像素单元的第一尺寸PD柱的数量可以为多个,当然,第二像素单元和第三像素单元也一样,均可以为多个,只要保证包括对应尺寸的PD柱即可。

具体的,在本申请的实施例中,第一像素单元用于吸收红光,第二像素单元用于吸收蓝光,两个第三像素单元中每一个像素单元分别用于吸收两组白光中的一组白光;

第一像素单元、第二像素单元,以及两个像素单元还用于将各自吸收到光线进行相应的光电转换,以获得四个电信号。

需要说明的是,在本申请的实施例中,组成第一像素单元的第一尺寸PD柱,直径具体为120nm,可以用于吸收红光。第一像素单元内包括的第一尺寸PD柱的数量,以及排布方式本申请实施例不作限定。

需要说明的是,在本申请的实施例中,组成第二像素单元的第二尺寸PD柱,直径具体为60nm,可以用于吸收蓝光。第二像素单元内包括的第二尺寸PD柱的数量,以及排布方式本申请实施例不作限定。

需要说明的是,在本申请的实施例中,组成第三像素单元的第一尺寸PD柱、第二尺寸PD柱,以及第三尺寸PD柱,其中,第一尺寸PD柱与上述相同,具体为120nm,第二尺寸PD柱也与上述相同,具体为60nm,而第三尺寸PD柱直径具体为90nm。第三像素单元内包括的各种尺寸PD柱的数量,以及排布方式本申请实施例不作限定。

需要说明的是,在本申请的实施例中,对于滤色阵列中的第三像素单元,包括第一尺寸PD柱、第二尺寸PD柱,以及第三尺寸PD柱,其中,第一尺寸PD柱吸收红光,第二尺寸PD柱吸收蓝光,第三尺寸PD柱吸收绿光,通过三种尺寸PD柱的组合,即实现白光的吸收。

需要说明的是,在本申请的实施例中,三种尺寸的PD柱分别是基于RGB单色光的共振波长和光信号的折射率确定。

需要说明的是,在本申请的实施例中,三种不同尺寸的PD柱的直径是基于红、绿、蓝单色光的共振波长和对应光信号的折射率确定的,或者通过光学模拟得到的,具体的根据实际情况进行选择,本申请实施例不做具体的限定。

在本申请的实施例中,利用公式(1)确定PD柱的尺寸

PD柱的尺寸=(共振波长-预设常数)/折射率 (1)

示例性的,吸收蓝光时对应的PD柱的直径为60nm左右;吸收绿光时对应的PD柱的直径为90nm;吸收红光时对应的PD柱的直径为120nm。

可选的,在本申请的实施例中,三种不同尺寸的PD柱的形状至少包括长方形、圆形、平行四边形和菱形,具体的根据实际情况进行选择,本申请实施例不做具体的限定。

图3为本申请实施例提供的一种示例性的四个像素单元中PD柱的排布示意图。如图3所示,第一像素单元包括16个直径为120nm的第一尺寸PD柱,且按照4×4的正方形进行排列。第二像素单元包括16个直径为60nm的第二尺寸PD柱。且按照4×4的正方形进行排列。第三像素单元包括36个PD柱,其中,12个为直径为120nm的第一尺寸PD柱,12个为直径为60nm的第二尺寸PD柱,12个为直径为90nm的第三尺寸PD柱,按照6×6的正方形进行排列,且按照图3所示的方式交叉排列。按照图3所示的排布方式进行四个像素单元的排布,实际形成的就是RWWB滤色阵列。

需要说明的是,在本申请的实施例中,除了按照图3所示的方式进行滤色阵列中四个像素单元的排布,还可以进行位置的重排。例如,可以将一个第三像素单元和第一像素单元依次排布在第一排,将第二像素单元和另一个第三像素单元依次排布在第二排,即形成WRBW滤色阵列,相应的,还可以形成BWWR滤色阵列,以及WBRW滤色阵列等,具体的四个像素单元的排布方式本申请实施例不作限定。

具体的,在本申请的实施例中,第一滤色片设置在第一像素单元的吸收侧,第二滤色片设置在第二像素单元的吸收侧。

可以理解的是,在本申请的实施例中,滤色阵列包括吸收红光的第一像素单元,因此,将用于通过红光的第一滤色片具体设置在第一像素单元的吸收侧,从而在光线射入时,先通过第一滤色片通过红光,再利用第一像素单元进行红光的吸收。相应的,将第二滤色片设置在第二像素单元的吸收侧。

图4为本申请实施例提供的一种示例性的像素截面示意图。如图4所示,第一滤色片下部署的为由第一尺寸PD柱组成的第一像素,第二滤色片下部署的为由第二尺寸PD柱组成的第一像素,第一像素和第二像素中间的为第三像素,其吸收侧不需要部署任何滤色片。此外,每一个像素可以对应连接有相应的金属布线,在金属布线上,实际上可以部署相应的像素读出电路。

可以理解的是,在本申请的实施例中,滤色阵列的每一个像素仅吸收到对应的色光,从而转换成电信号,因此,还需针对每一个像素连接像素读出电路,进行电信号的读出和放大。

可以理解的是,在本申请的实施例中,四个像素读出电路均相同,每一个像素读出电路连接滤色阵列中的一个像素,用于放大并读出对应像素的电信号。

图5为本申请实施例提供的一种像素读出电路的结构示意图。如图5所示,在本申请的实施例中,第一读出电路与目标像素单元对应连接,第一读出电路为四个像素读出电路中任意一个电路,目标像素单元为四个像素单元中任意一个像素;

第一读出电路包括与目标像素单元连接的转移晶体、与转移晶体管连接的读出区和与读出区连接的放大管;

转移晶体管,用于将目标像素单元获得的目标电信号从目标像素单元中转移至读出区,以从读出区读取目标电信号;

放大管,用于将读出区的目标电信号放大。

需要说明的是,本申请的实施例中,转移晶体管的源极与目标像素单元的n区连接,转移晶体管的漏极与读出区连接,目标像素单元将目标电信号聚焦到转移晶体管的n+区,并经过转移晶体管转移到读出区。

需要说明的是,在本申请的实施例中,光线在耗尽区发生光电转换,将吸收到的光信号转换成目标电信号,之后转移晶体管将目标电信号聚集到转移晶体管的n+区沟道中;并将n+区沟道中的目标电信号转移到读出区。

可以理解的是,在本申请的实施例中,针对滤色阵列包括的四个像素单元,每一个像素单元虽然可以包括多个PD柱,但每一个像素单元对应一个n区,该像素内的PD柱吸收的色光转换成的电信号可以集中到该像素的n区,以进一步利用对应连接的像素读出电路进行读出。

如图5所示,在本申请的实施例中,第一读出电路还包括:与读出区和放大管连接的复位晶体管;

读出区,还用于读出复位晶体管中的复位电平;

放大管,还用于对复位电平进行放大。

需要说明的是,在本申请的实施例中,复位晶体管的源极和电源连接;复位晶体管的漏极和读出区连接,其中,复位晶体管中存储有复位电平,通过读出区读出复位电平。

本申请实施例中,分别从复位晶体管读出复位电平、从转移晶体管读出目标电信号,之后,对复位电平和目标电信号进行放大之后,对放大的目标电信号和放大的复位电平进行相关双采样,从而降低读出目标电信号的噪声。

可以理解的是,现有技术中的图像传感器利用滤色片进行不同色光的过滤,再通过传统的厚度大概在2um以上的PD结构去吸收光,即使为了进一步增大进光量,将绿光通道替换成白光通道,白光通道吸收率较低,从而导致白光通道的量子效率和图像传感器的信噪比较低。而在本申请的实施例中,滤色阵列中包括的四个像素单元实际上分别对应一种光通道,且其中白光通道的两个像素单元均是由对应吸收红光、蓝光和滤光的三种不同直径的PD柱组成,由于PD柱的光学共振,使得对应的光学态密度得到了增强,从而提高了白光通道的高吸收率,最终提高了白光通道的量子效率和图像传感器的信噪比。

本申请实施例提供了一种图像传感器,包括:由四个像素单元组成的滤色阵列,滤色阵列用于吸收红光、蓝光和两组白光,并对红光、蓝光和两组白光进行相应的光电转换,获得四个电信号;四个像素单元,由用于对应吸收红光、蓝光和绿光的三种不同尺寸的光电二极管PD柱组成,且用于吸收两组白光的两个像素单元均包括三种不同尺寸的PD柱;设置在滤色阵列吸收侧,用于通过红光的第一滤色片,以及用于通过蓝光的第二滤色片;与四个像素单元对应连接的四个像素读出电路,四个像素读出电路用于放大四个电信号,并读出四个电信号。本申请实施例提供的图像传感器,将绿光通道替换成白光通道,并通过三种不同直径的PD柱提高了白光通道的吸收率,从而提高了图像传感器的白光通道的量子效率和图像传感器的信噪比。

实施例二

本申请实施例提供一种图像处理方法,应用于如实施例一所述的图像传感器。图6为本申请实施例提供的一种图像处理方法的流程示意图。如图6所示,主要包括以下步骤:

S601、通过滤色阵列包括的四个像素单元,吸收通过第一滤色片的红光、通过第二滤色片的蓝光,以及吸收直接照射的两组白光,并对红光、蓝光和两组白光进行相应的光电转换,获得四个电信号。

在本申请的实施例中,图像传感器包括滤色阵列、第一滤色片、第二滤色片,以及与滤色阵列包括的四个像素单元对应连接的四个像素读取电路。图像传感器滤色阵列包括的四个像素单元,具体为第一像素单元、第二像素单元,以及两个第三像素单元。第一像素单元可以吸收通过第一滤色片的红光,第二像素单元可以吸收通过第二滤色片的蓝光,两个第三像素单元可以吸收直接照射的两组白光。四个像素单元可以对各自吸收的光线进行相应的光电转换,从而获得四个电信号。

需要说明的是,在本申请的实施例中,四个像素单元由对应吸收红光、蓝光和绿光的三种不同尺寸的PD柱组成,三种不同尺寸的PD柱包括用于吸收红光的第一尺寸PD、用于吸收蓝光的第二尺寸PD和用于吸收绿光的第三尺寸PD,具体的,第一尺寸PD柱直径为120nm,第二尺寸PD柱直径为90nm,第三尺寸PD柱直径为90nm。其中,两个第三像素单元,即吸收两组白光的像素单元,均包括第一尺寸PD柱、第二尺寸PD柱和第三尺寸PD柱,可以吸收红光、蓝光和绿光,而白光实际上就包括了红光、蓝光和绿光,因此,实际上实现了白光的吸收。

S602、通过与四个像素单元对应连接的四个像素读出电路放大四个电信号,并读出四个电信号。

在本申请的实施例中,图像传感器通过滤色阵列的四个像素单元吸收红光、蓝光,以及直接照射的两组白光,获得四个电信号之后,即可通过与四个像素单元对应连接的四个像素读出电路放大四个电信号,并读出四个电信号。

可以理解的是,在本申请的实施例中,四个像素读出电路均相同,每一个像素读出电路连接滤色阵列中的一个像素,用于放大并读出对应像素的电信号。

具体的,在本申请的实施例中,第一读出电路与目标像素单元对应连接,第一读出电路为四个像素读出电路中任意一个电路,目标像素单元为四个像素单元中任意一个像素。第一像素读出电路包括:与目标像素单元连接的转移晶体管、与转移晶体管连接的读出区和与读出区连接的放大管。利用转移晶体管可以将目标像素单元获得的目标电信号转移至读出区之后,从读出区读取该电信号,并利用放大管将该电信号放大。

在本申请的实施例中,转移晶体管的源极与目标像素单元的n区连接;转移晶体管的漏极与读出区连接;目标像素单元将获得的目标电信号聚焦到转移晶体管的n+区,并经过转移晶体管转移到读出区。

在本申请的实施例中,光线在的耗尽区发生光电转换,将光信号转换成目标电信号,之后转移晶体管将获得的目标电信号聚集到转移晶体管的n+区沟道中;并将n+区沟道中的目标电信号转移到读出区。

需要说明的是,第一读出电路还包括:与读出区和放大管连接的复位晶体管;其中,读出区,还用于读出复位晶体管中的复位电平;放大管,还用于对复位电平进行放大。

在本申请的实施例中,复位晶体管的源极和电源连接;复位晶体管的漏极和读出区连接,其中,复位晶体管中存储有复位电平,通过读出区读出复位电平。

本申请实施例中,分别从复位晶体管读出复位电平、从转移晶体管读出目标电信号,之后,对复位电平和目标电信号进行放大之后,对放大的目标电信号和放大的复位电平进行相关双采样,从而降低读出目标电信号的噪声。

本申请实施例提供了一种图像处理方法,通过滤色阵列包括的四个像素单元,吸收通过第一滤色片的红光、通过第二滤色片的蓝光,以及吸收直接照射的两组白光,并对红光、蓝光和两组白光进行相应的光电转换,获得四个电信号;通过与四个像素单元对应连接的四个像素读出电路放大四个电信号,并读出四个电信号。本申请实施例提供的图像处理方法,将绿光通道替换成白光通道,通过由三种不同直径的PD柱组成的白光通道在成像过程中吸收白光,提高了图像的整体进光量,从而提高了成像效果。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,应用于图像传感器,该计算机程序被处理器执行时实现上述图像处理方法。

以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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