多重采样的像素阵列、图像传感器、像素单元的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多重采样的像素阵列、图像传感器、像素单元。多重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个子像素，每个子像素设置有一对应的有源传感器，按照使每个像素单元具有正多边形轮廓的方式，对每个像素单元包括的若干个子像素以及对应的有源传感器进行排布。本发明中由于每个像素单元具有正多边形轮廓，像素单元的面积较小，像素阵列中像素单元的排布更为紧凑，密度更高，采样的精度更高，消除或减缓了采样锯齿。
【专利说明】多重采样的像素阵列、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，涉及一种多重采样的像素阵列、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RollingShutterEffect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，由此形成的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，出现了多重采样(Mult1-sampling)。所谓多重采样(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，在进行多重采样时，像素单元中有源像素传感器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=a2。
[0010]图3为现有技术中2x2多重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=(2a)20
[0012]图4为现有技术中η X η多重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= (na) 20
[0014]由此可见，由于现有技术中多重采样像素阵列中，有源传感器APS在平面排布上采用矩形网格，排布方式较为松散，当像素数量较多时，容易导致缺采样锯齿(Ant1-aliasing)。
【发明内容】
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[0015]本发明所要解决的技术问题是提供一种多重采样的像素阵列、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排布方式较为松散而导致的缺采样锯齿等技术问题。
[0016]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多重采样的像素阵列，其包括若干个像素单元，每个像素单元包括若干个子像素，每个子像素设置有一对应的有源传感器，按照使每个像素单元具有正多边形轮廓的方式，对每个像素单元包括的若干个子像素以及对应的有源传感器进行排布。
[0017]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多重采样的图像传感器，其包括多重采样的像素阵列，像素阵列包括若干个像素单元，每个像素单元包括若干个子像素，每个子像素设置有一对应的有源传感器，按照使每个像素单元具有正多边形轮廓的方式，对每个像素单元包括的若干个子像素以及对应的有源传感器进行排布。
[0018]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多重采样的像素单元，其包括若干个子像素，每个子像素设置有一对应的有源传感器，按照使每个像素单元具有正多边形轮廓的方式，对每个像素单元包括的若干个子像素以及对应的有源传感器进行排布。
[0019]优选地，在本发明的一实施例中，按照子像素的中心在水平方向或者垂直方向上对齐的方式，排布同一像素单兀包括的若干个子像素以及对应的有源传感器。
[0020]优选地，在本发明的一实施例中，同一像素单元的若干个子像素各自还包括对应设置的滤镜，同一像素单元的若干个子像素对应的若干个滤镜具有对同一的颜色进行还原的能力。
[0021]优选地，在本发明的一实施例中，所述像素阵列包括的像素单元按照BAYER模式排布。
[0022]优选地，在本发明的一实施例中，输出同一像素单元中各子像素的像素数字值，据此进行均值计算得到该像素单元的像素数字均值，将所述像素数字均值作为该同一像素单元的像素数字输出值。
[0023]优选地，在本发明的一实施例中，每个像素单元包括的子像素的数量根据感光模式的高低进行设置。
[0024]优选地，在本发明的一实施例中，在相邻两个像素单元的正多边形轮廓交界处还设置有一子像素，用以与所述像素单元共同进行高动态范围图像的重建。
[0025]与现有的方案相比，本发明中每个子像素设置有一对应的有源传感器，按照使每个像素单元具有正多边形轮廓的方式，对每个像素单元包括的若干个子像素以及对应的有源传感器进行排布，由于每个像素单元具有正多边形轮廓，像素单元的面积较小，像素阵列中像素单元的排布更为紧凑，密度更高，采样的精度更高，消除或减缓了采样锯齿。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为现有技术中采集灰度图像的像素阵列的剖面图；
[0027]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；
[0028]图3为现有技术中2x2多重采样图像像素阵列的平面示意图；
[0029]图4为现有技术中η X η多重采样图像像素阵列的平面示意图；
[0030]图5为本发明多重采样的像素阵列实施例一的平面结构示意图；
[0031]图6为本发明多重采样的像素阵列实施例二的平面结构示意图；
[0032]图7为本发明多重采样的像素阵列实施例三的平面结构示意图；
[0033]图8为本发明实施例中多重采样的像素阵列中滤镜平面结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]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。
[0035]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个子像素，每个子像素设置有一对应的有源传感器，按照使每个像素单元具有正多边形轮廓的方式，由于每个像素单元具有正多边形轮廓，像素单元的面积较小，像素阵列中像素单元的排布更为紧凑，密度更高，采样的精度更高，消除或减缓了采样锯齿。
[0036]需要说明的是，每个像素单元包括的子像素的数量并无特别限定，可以根据像素阵列的感光场景进行灵活设置，即每个像素单元包括的子像素的数量根据感光模式的高低进行设置。在重建图像时，还可以有选择地在在相邻两个像素单元的正多边形轮廓交界处还设置有一子像素。详细请参加下述实施例。[0037]本发明下述实施例中，将以基于RGB三原色像素进行说明，即像素阵列中的像素单元整体上按照BAYER模式进行排布。因此，可选地，同一像素单元的若干个子像素各自还包括对应设置的滤镜，同一像素单元的若干个子像素对应的若干个滤镜具有对同一的颜色进行还原的能力。详细说明请参加下述实施例。
[0038]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。
[0039]本发明的下述实施例中，为了便于形成正多边形轮廓的像素单元，可以按照子像素的中心在水平方向或者垂直方向上对齐的方式，排布同一像素单元包括的若干个子像素以及对应的有源传感器。但是，需要说明的是，此处只是示意性的进行举例说明，本领域普通技术人员在具体排布时，也可以采用其他摆布方式对子像素的排布位置进行设置，只要可以得到正多边形轮廓的像素单元即可。
[0040]本发明的下述实施例中，对于同一像素单元来说，输出同一像素单元中各子像素的像素数字值，据此进行均值计算得到该像素单元的像素数字均值，将所述像素数字均值作为该同一像素单元的像素数字输出值。详细请参加下述实施例。
[0041]图5为本发明多重采样的像素阵列实施例一的平面结构示意图；如图5所示，本实施例中，以像素阵列包括三行(PQQ、PQ1、PQ2) (P10>Pii) (P20> P2I^P22)共计8个像素单元为例进行说明，每个像素单元包括24个子像素(p0、pl、p2、p3、p4……p23)。相邻两个像素单元的中心之间的距离为a。具体如图5所示，比如在水平方向上，相邻两个像素单元Pc^Ptll之间的距离为a。
[0042]具体地，本实施例中，每个子像素(p0、pl、p2、p3、p4......p23)的轮廓为正方形，因
此，在排布时，这些子像素(P0、pl、p2、p3、p4……p23)在竖直方向上中心点对齐，并且在排布时，确保形成的像素单元轮廓为正六边形。比如，如图5所示，像素单元Ptltl中的子像素具体排布方式为:
[0043]第一列p0、p1、p2、p3 共计 4 个;
[0044]第二列p4、p6…p8共计5个；
[0045]第三列p9、plO….pl4共计6个；
[0046]第四列pl5、pl6….pl9共计5个；
[0047]第二列ρ20、ρ21...ρ23 共计 4 个。
[0048]其他像素单元(PQ1、P02) (P1Q、P11) (P2Q、P21 > P22)中子像素的排布方式与像素单元P00中子像素的排布方式相同在此不再赘述。
[0049]对比图4所示的现有技术，一个像素单元的面积为a2，而在图5所示的本发明实施例中，一个像素单元的面积为(V 3/2)*a2。由此可见，由于正六边形的面积较小，使得像素单元的排列更为紧密、采样精度也更高，因此能够获得较好的抗锯齿效果。
[0050]图6为本发明多重采样的像素阵列实施例二的平面结构示意图；如图6所示，本实施例中与图5所示实施例不同的是,本实施例中像素单元(Pcic^PciPPci2) (P10>Pn) (P2Q、P21、P22),每个像素单元包括7个子像素(p0、p2、p3、p4、p5、p6)。每个像素单元(PQ(1、P01、P02)(P1Q、Pn) (P2tl、P21、P22)中子像素的轮廓为正方形，因此，按照子像素的中心在垂直方向对齐的方式进行排列，形成正六边形轮廓的像素单元。具体地每个像素单元(ΡΜ、Pen、Ptl2) (P10>P11) (P2Q、P21、P22)中子像素具体排布方式为:[0051]第一行为子像素PO、pi ;第二行为p2、p3、p4 ;第三行为p5、p6。
[0052]图7为本发明多重采样的像素阵列实施例三的平面结构示意图；如图7所示，本实施例中，与上述图5和图6不同之处在于，首先每个像素单元(Pc^PciPPtl2) (P1Q、Pn) (P20>P21、P22)中的7个子像素(ρ0...ρ6)的外形轮廓为正六边形，其次，按照子像素的中心在水平方向上对齐的方式进行排布，形成正六边形轮廓的像素单元。最后，在相邻两个像素单元的正多边形轮廓交界处还设置有一子像素，共计15个子像素(Q00、Q01、Q02、Q03、Q04...Q10、Q11、Q12、Q13、Q14)，用以与所述像素单元共同进行高动态范围图像的重建。
[0053]子像素(Q00、QOUQ02、Q03、Q04…Q10、QlU Q12、Q13、Q14)的像素输出值可以提高采样精度，从而加强抗锯齿效果;像素单元(PQQ、PQ1、PQ2) (P10、Pn) (P2Q、P21、P22)输出其子像素的像素数字值之和，与子像素(Q00、Q01、Q02、Q03、Q04...Q10、Qll、Q12、Q13、Q14)的像素数字值共同用于输出重建高动态图像。
[0054]图8为本发明实施例中多重采样的像素阵列中滤镜平面结构示意图；如图8所示，其排列顺序也与Bayer模式类似,第一行为RGRG…,第二行为GBGB…,依次重复。同一像素单元的若干个子像素对应的若干个滤镜具有对同一的颜色进行还原的能力。比如像素单元Pc?对应的滤镜整体上对红色进行还原的话，则该像素单元由若干个对红色进行还原的滤镜进行构成，像素单元(Pc^Pci2) (Ρ10>Ριι) (P2C1、P21、P22)在滤镜设置上与像素单元Pm相同，详细不再赘述。具体地的如下:
[0055]即像素单元Ptltl对应的滤镜整体上对红色进行还原，像素单元Ptll对应的滤镜整体上对绿色R进行还原，像素单元Ptll对应的滤镜整体上对绿色G进行还原；像素单元Ptl2对应的滤镜整体上对绿色R进行还原。像素单元Pltl对应的滤镜整体上对绿色G进行还原、像素单元P11对应的滤镜整体上对蓝色B进行还原。像素单元P2tl对应的滤镜整体上对绿色G进行还原、像素单元P21对应的滤镜整体上对绿色R进行还原、像素单元P22对应的滤镜整体上对绿色G进行还原。
[0056]需要说明的是，在上述实例中，像素的设置方式即有源传感器的设置方式，详细不再赘述。`
[0057]本发明实施例还提供了一种多重采样的图像传感器，其包括图5-图7任意所述的像素阵列。详细在此不再赘述。
[0058]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】
1.一种多重采样的像素阵列，其特征在于，包括若干个像素单元，每个像素单元包括若干个子像素，每个子像素设置有一对应的有源传感器，按照使每个像素单元具有正多边形轮廓的方式，对每个像素单元包括的若干个子像素以及对应的有源传感器进行排布。
2.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，按照子像素的中心在水平方向或者垂直方向上对齐的方式，排布同一像素单兀包括的若干个子像素以及对应的有源传感器。
3.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，同一像素单元的若干个子像素各自还包括对应设置的滤镜，同一像素单元的若干个子像素对应的若干个滤镜具有对同一的颜色进行还原的能力。
4.根据权利要求3所述的像素阵列，其特征在于，所述像素阵列包括的像素单元按照BAYER模式排布。
5.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，输出同一像素单元中各子像素的像素数字值，据此进行均值计算得到该像素单元的像素数字均值，将所述像素数字均值作为该同一像素单元的像素数字输出值。
6.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，每个像素单元包括的子像素的数量根据感光模式的高低进行设置。
7.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，在相邻两个像素单元的正多边形轮廓交界处还设置有一子像素，用以与所述像素单元共同进行高动态范围图像的重建。
8.—种多重采样的图像传感器，其特征在于，包括多重采样的像素阵列，其特征在于，包括若干个像素单元，每个像素单元包括若干个子像素，每个子像素设置有一对应的有源传感器，按照使每个像素单元具有正多边形轮廓的方式，对每个像素单元包括的若干个子像素以及对应的有源传感器进行排布。
9.一种多重采样的像素单元，其特征在于，包括若干个子像素，每个子像素设置有一对应的有源传感器，按照使每个像素单元具有正多边形轮廓的方式，对每个像素单元包括的若干个子像素以及对应的有源传感器进行排布。
【文档编号】H04N5/3745GK103813112SQ201410072573
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】陈嘉胤 申请人:上海集成电路研发中心有限公司