专利名称：用于ccd及cmos图像摄录器件的倍像素技术的制作方法
技术领域：
本发明属机械电一体化技术领域。确切的讲是一种可控机械位移使光学镜头组件与(CCD或CMOS)图像传感器组件之间产生相对位移，就导致待摄景物在(CCD或CMOS)图象传感器的像素阵列面上的成像的区域产生了微小位移，而记录更多的景物细部信息的技术。
目前技术的缺陷在(CCD或CMOS)摄录传感技术中，集成电路技术及工艺得到了广泛的应用，从单色CCD发展到了彩色CCD，像素的最高水平已达600万像素。但还远没达到感光胶片所表达的像素数目—360百万像素数目。
本发明的目的就在于克服已有技术的不足之处，用时间来换取空间，充分的发挥有限的像素，可获得三倍像素增强效果，成倍的提高了CCD及CMOS的像素摄录数目，可广泛应用于数码照相机及摄像机中。
本发明的特点就是用往复位移的方式来等效增加像素数目，分时拍摄同一景物微小位移(像素级)的画面，可获得最大达三倍像素以上的画质效果。
本发明的技术关键为借助人眼的视觉暂留的特点，以时间来换取空间，来完成结构及工艺难以完成的事情。本技术的基本器组成是由光学镜头组件、(CCD或CMOS)图像传感器组件、微位移器件、基坐、电子处理部分及位移信号发生器等组成；其技术原理是待摄景物由光学镜头组件成像在(CCD或CMOS)图像传感的像素阵列面上，(CCD或CMOS)图像传感器所产生的电信号由电子处理部分进行数据处理及存储；将光学镜头组件或(CCD或CMOS)图象传感器组件与基坐之间用微位移器件进行连接后，(位移信号发生器发出驱动信号)驱动微位移器件将能使光学镜头组件与(CCD或CMOS)图像传感器组件之间产生相对位移，也就是待摄景物在(CCD或CMOS)图象传感器的像素阵列面上的成像的区域产生了微小位移，而记录更多的景物细部信息。
其基本工作过程为；在光学镜头组件或(CCD或CMOS)图象传感器组件与基坐之间使用了微位移器件进行连接，微位移器件的2个位移端分别连接在光学镜头组件或(CCD或CMOS)图象传感器组件上及基坐上；驱动微位移器件时所产生的位移将使光学镜头组件与(CCD或CMOS)图象传感器组件之间产生相对位移；也就是待摄景物在(CCD或CMOS)图象传感器的像素阵列面上的成像的区域产生了微小位移，而将没有进入图像传感器的原图象的像素部分进入图像传感器，因而记录了更多的景物细部信息。
微位移器件指的是压电晶体或陶瓷位移器件、电磁式位移器件(直线电机)、电容式位移器件。压电晶体或陶瓷位移器件的结构是在2块金属板之间夹有压电晶体或陶瓷材料，2块金属板作为位移端。电磁式位移器件是利用电磁作用力产生位移(直线电机就属此类)，永磁体及绕有线圈的一端分别作为2个位移端。电容式位移器件的位移是由2个极板间的电荷静作用力实现的，2个极板分别作为2个位移端。位移器件所产生的位移数量级在数微米到数十微米之间，目前的压电陶瓷微位移驱动器正是在此位移范围。
实现位移的方式有2种1种是将微位移器件的两个位移端分别固定在光学镜头组件与基坐上；另1种是将微位器件的两个位移端分别固定在(CCD或CMOS)图像传感器组件与基坐之上。微位移器件的位移方向与光学镜头组件的中心轴垂直或者是与(CCD或CMOS)图像传感器组件的表面(晶面即图像面)平行，以使景物的光学成像位置在(CCD或CMOS)图像传感器的像素阵列面上平移。
图像传感器的像素阵列面上的像素排列即可以是现有技术中所使用的全部填充式像素排列(即像素均匀覆盖排列)，也可以是带有像素空区的排列方式(祥见图4说明)。
本技术关键的明显特征是所摄同一景物在(CCD或CMOS)图像传感器的像素阵列面上的成像的区域产生了微小位移，具体的讲；对于同一景物要进行多次拍摄；每二次拍摄之间所摄景物在(CCD或CMOS)图象传感器的像素阵列面上的成像位置产生微小位移；该位移与(CCD或CMOS)图象传感器的像素间距在同一个数量级上；也就是可以小于(CCD或CMOS)图象传感器的像素间距(如数分之一)也可以大于(CCD或CMOS)图象传感器的像素间距(如数倍)；对于4边形的像素阵列来说，移动方向可以是沿着行或列的方向，对于蜂窝状6边形的像素阵列来说，移动方向可以是沿着行或列的方向及与行或列成60度倍数的方向。
以下结合附图就本发明的较佳实施例对本发明作进一步说明
图1带有倍像素结构的(CCD或CMOS)图象摄录系统原理示意图。
图2三倍像素工作方式示意图。
图3 1.5倍像素工作方式示意图。
图4多倍倍像素工作方式示意图。
图中标示说明(1)光学镜头组件 (2)(CCD或CMOS)图像传感器组件(3)微位移器件 (4)基坐板(5)电子(图像)处理部分 (6)位移信号发生器(7)信号电缆插座 (8)景物(9)图像传感器像素阵列面 (10)景物所成的像(11)微位移器件的两个位移端(12)压电陶瓷(13)R像素 (14)G像素
(15)B像素 (16)像素空区(17)镜头组件支架 (18)支架(19)光学镜头组件中心轴(20)位移驱动信号如图1所示光学镜头组件(1)被镜头组件支架(17)支撑并固定在基坐板(4)上。微位移器件(3)的一个位移端(11)与(CCD或CMOS)图像传感器组件(2)相连接(可通过粘接)，另一位移端(11)通过支架(18)与基坐板(4)相连接(可通过粘接)。通过传输电缆线使信号电缆插座(7)与位移信号发生器(6)及(图像)电子处理部分(5)进行电器连接；微位移器件(3)的两个位移端(11)的电极引出线也是与电缆插座(7)相通。景物(8)被光学镜头组件(1)成像，景物所成的像(10)落在图像传感器像素阵列面(9)上。微位移器件(3)是由2个位移端(11)及中心所夹的压电陶瓷(12)构成，在本图中使用了两个微位移器件。
其基本工作原理是待摄景物(8)由光学镜头组件(1)成像在(CCD或CMOS)图像传感的像素阵列面(9)上。(CCD或CMOS)图像传感器所产生的电信号由电子处理部分(5)进行图像数据处理及存储；将(CCD或CMOS)图象传感器组件(2)(也可以是光学镜头组件(1))与基坐板(4)之间用微位移器件(3)进行连接后，(位移信号发生器(6)所发出驱动信号)驱动微位移器件(3)，使光学镜头组件(1)与(CCD或CMOS)图像传感器组件(2)之间产生相对位移，也就是待摄景物(8)在(CCD或CMOS)图象传感器的像素阵列面(9)上的成像的区域产生了微小位移，而多幅有着微小位移差别(像素级位移)的同一景物的图像将能记录更多的景物细部信息.从图中可看出微位移器件(3)所产生的位移方向与光学镜头组件(1)的中心轴(19)垂直或者是与(CCD或CMOS)图像传感器组件(2)的表面(晶面即图像传感器像素阵列面(9))平行，以使景物的光学成像位置在(CCD或CMOS)图像传感器的像素阵列面上平移。
图1中的微位移器件(3)是压电陶瓷微位移器件，是由两个位移端(11)(实际上是金属电极板)及中心间所夹有的压电陶瓷(12)构成。
位移信号发生器(6)所发出的位移驱动信号(20)通过信号电缆插座(7)作用在微位移器件(3)的两个位移端(11)上，而使压电陶瓷(12)沿电场强度方向上的伸缩(导致两个移端(11)的位移)。从驱动信号(20)的波形(横轴T为时间，纵轴V为电压)上能看出位移分过度时间T2及保持时间T1，保持时间T1相对较长，而正是在此保持时间T1内(CCD或CMOS)图像传感器组件(2)才摄录图像，同一个景物(8)在不同的保持时间段(T1T3T4)内进行摄录。
如图2所示如果(CCD或CMOS)图象传感器组件(2)上的像素阵列是将每一个像素由R、G、B三基色的微小像素组成。工作在以下方式将产生3倍像素增强效果。其工作步骤分3步第1步微位移器件(3)在无位移时拍摄第一幅某景物的照片。
第2步微位移器件(3)的位移使落在(CCD或CMOS)图象传感器组件(2)上的图像产生一个单像素的位移D(相邻不同颜色微小像素之间的距离，图2中的R、B像素之间的距离是D)。从像素的尺度来看；R(红)像素(13)位移到原G(绿)像素(14)的位置上了，G(绿)像素(14)位移到原B(兰)像素(15)的位置上了，B(兰)像素(15)位移到原R(红)像素(13)的位置上了。在此位移状态下拍摄第二幅该景物的照片，应该指出的是(13)、(14)、(15)代表的是所有的红、兰、绿像素。
第3步在以上一个单像素的位移的基础上再沿同一方向移动一个单像素的位移D，相当于移动2个单像素的位移，此情形下R(红)像素位移到原B(兰)像素的位置上了，G(绿)像素位移到原R(红)像素的位置上了，B(兰)像素位移到原G(绿)像素的位置上了。在此位移状态下拍摄第三幅该景物的照片。
从以上的位移方式可看出；同一景物的3幅照片将记录完全不同的图像细部信息，每幅照片都对应不同的景物区域。因而采集了原CCD摄像晶片3倍像素数目的图像信息。图中的R、G、B像素未按比例画出，实际的尺寸远小于图中的大小(一般在微米尺度)。
图中(7)为信号电缆插座、(9)为图像传感器像素阵列面、(11)为微位移器件的两个位移端、(12)为压电陶瓷如图3所示对于黑白(CCD或CMOS)图象传感方式来说以以下2步工作方式工作可获得1.5倍像素的增强效果。
第1步微位移器件(3)在无位移时拍摄第一幅某景物的照片。
第2步微位移器件(3)的位移使落在(CCD或CMOS)图象传感器组件(2)上的图像产生一个像素的位移D1的50％(相邻像素之间的距离)，待稳定后拍摄图像，将获得像素间图像的部分信息。
如图4所示对于更高倍像素信息的获取，则需要使(CCD或CMOS)图象传感器件(2)的像素排布遵循以下特点在1组R、G、B像素旁边留有一块像素空区(16)(该区不加工任何像素)，该像素空区(16)的面积至少是R、G、B像素的面积的1倍或多倍。其工作方式为每拍摄一幅照片后，将使景物所成的像(10)在(CCD或CMOS)图象传感器件(2)的位置(在微位移器件(3)的驱动下)有1个微像素间距D2的距离。
像素空区(16)的面积等于1组R、G、B像素面积之和时；通过5
次移动将得到6幅照片，才记录了景物的全部信息。获得了6倍像素增强效果。
像素空区(16)的存在可使(CCD或CMOS)图象晶片的加工及性能受益。
权利要求
1.用于CCD及CMOS图像摄录器件的倍像素技术，由光学镜头组件、(CCD或CMOS)图像传感器组件、微位移器件、基坐、电子处理部分等组成；其工作原理是待摄景物由光学镜头组件成像在(CCD或CMOS)图像传感器的像素阵列面上，(CCD或CMOS)图像传感器所产生的电信号由电子处理部分进行数据处理及存储；将光学镜头组件或(CCD或CMOS)图象传感器组件与基坐之间用微位移器件进行连接后，驱动微位移器件将能使光学镜头组件与(CCD或CMOS)图像传感器组件之间产生相对位移，也就是待摄景物在(CCD或CMOS)图象传感器的像素阵列面上的成像的区域产生了微小位移，而记录更多的景物细部信息；其特征就在于，在光学镜头组件或(CCD或CMOS)图象传感器组件与基坐之间使用了微位移器件进行连接，微位移器件的2个位移端分别连接在光学镜头组件或(CCD或CMOS)图象传感器组件上及基坐上；驱动微位移器件时所产生的位移将使光学镜头组件与(CCD或CMOS)图象传感器组件之间产生相对位移；也就是待摄景物在(CCD或CMOS)图象传感器的像素阵列面上的成像的区域产生了微小位移，而将没有进入图像传感器的原图象的像素信息部分进入图像传感器，因而记录了更多的景物细部信息。
2.如权利要求1所述技术，其特征就在于所述的微位移器件指的是压电晶体或陶瓷位移器件、电磁式位移器件、电容式位移器件。
3.如权利要求1所述技术，其特征就在于所述的在光学镜头组件或(CCD或CMOS)图象传感器组件与基坐之间用微位移器件进行连接指的是；微位移器件的两个位移端分别固定在光学镜头组件与基坐上，或者是将微位器件的两个位移端分别固定在(CCD或CMOS)图像传感器组件之上与基坐之上；微位移器件的位移方向与光学镜头组件的中心轴垂直或者是与(CCD或CMOS)图像传感器组件的表面(晶面即图像面)平行。
4.如权利要求1所述技术，其特征就在于所述的所摄景物在(CCD或CMOS)图像传感器的像素阵列面上的成像的区域产生了微小位移指的是对于同一景物要进行多次拍摄；每二次拍摄之间所摄景物在(CCD或CMOS)图象传感器的像素阵列面上的成像位置产生微小位移；该位移与(CCD或CMOS)图象传感器的像素间距在同一个数量级上；也就是可以小于(CCD或CMOS)图象传感器的像素间距(如数分之一)也可以大于(CCD或CMOS)图象传感器的像素间距(如数倍)。
5.如权利要求1所述技术，其特征就在于所述的(CCD或CMOS)图像传感器的像素阵列面，其上的像素排列即可以是现有技术中所使用的全部填充式像素排列，也可以是带有像素空区的排列方式。
全文摘要
用于CCD及CMOS图像摄录器件的倍像素技术，属机电一体化技术，将光学镜头组件或CCD(或CMOS)图象传感器组件与基座之间用微位移器件进行连接后，驱动微位移器件就可使光学镜头组件与CCD(或CMOS)图像传感器组件之间产生相对位移，就导致待摄景物在CCD(或CMOS)图象传感器的像素阵列面上的成像的区域产生了微小位移，而记录更多的景物细部信息，成倍的提高了CCD及CMOS的像素摄录数目，可广泛应用于数码照相机及摄像机中。
文档编号H04N5/335GK1527592SQ0310659
公开日2004年9月8日 申请日期2003年3月7日 优先权日2003年3月7日
发明者吴小平 申请人:吴小平