一种用于消除莫尔条纹的像素单元和像素阵列的制作方法

本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种用于消除莫尔条纹的像素单元和像素阵列。

背景技术：

图像传感器是相机的重要组成部分。传统相机中图像传感器是通过胶片来实现的，而现代数码相机中，图像传感器是通过cmos或者ccd图像传感器来实现的。

对于胶片传感器来说，每种胶片(包括彩色胶片)都包括两个基本组成部分：一个单层的或多层的感光乳剂层、一个感光乳剂层的支持体——片基。乳剂是由对光敏感的微细颗粒悬浮在明胶介质中而成，在明胶中悬浮着的光敏物质是卤化银颗粒，值得注意的是这种感光卤化银颗粒是随机分布的。由于感光颗粒的随机性，因此，当采用胶卷传感器拍摄物体时，即使物体是由规则线条或图形组成的，但是不会发生莫尔条纹。

一般来说，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹。

值得注意的是，对于数字图像传感器来说，无论cmos图像传感器还是ccd图像传感器，其光感像素通常采用规则排列构成，如图1所示，因此在拍摄由规则条纹或者图形构成的物体时，通常会出现莫尔条纹。

莫尔条纹现象是由于信号取样频率接近感光器分辨率所致，通常解决方法用一个低通滤镜把高于感光器分辨率的信号挡住，其副作用就是降低成像分辨率。因此在设计低通滤镜时设计师要在分辨率和莫尔条纹之间做一个妥协选择。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供的一种用于消除莫尔条纹的像素单元和像素阵列，通过特殊的排列方式，可以有效消除莫尔条纹。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于消除莫尔条纹的像素单元，包括第一像素子单元和第二像素子单元，所述第一像素子单元和第二像素子单元均包括两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素，且第一像素子单元和第二像素子单元中各个像素按照拜耳阵列排布，所述第一像素子单元中仅其中一个绿色像素连接第二像素子单元中红色像素或者蓝色像素。

进一步地，所述像素单元还包括灰度像素子单元，所述灰度像素子单元包括灰色像素，所述灰色像素的表面覆盖可见光滤镜；所述灰度像素子单元位于所述第一像素子单元和第二像素子单元之间，且同时连接所述第一像素子单元和第二像素子单元。

进一步地，所述第一像素子单元和第二像素子单元中的两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素均为正八边形；所述灰度像素子单元为位于所述第一像素子单元和第二像素子单元之间的十六边形。

进一步地，所述第一像素子单元还包括控制模块ⅰ，所述第二像素子单元还包括控制模块ⅱ，所述灰度像素子单元还包括控制模块ⅲ；

所述控制模块ⅰ位于所述第一像素子单元中两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素的周围或者中间；

所述控制模块ⅱ位于所述第二像素子单元中两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素的周围或者中间；

所述控制模块ⅲ位于所述灰度像素子单元与所述第一像素子单元、第二像素子单元的连接处。

进一步地，所述控制模块ⅰ包括四个第一传输晶体管m4、m5、m6、m7，第二传输晶体管m12；所述第一传输晶体管m4、m5、m6、m7的源极分别连接第一像素子单元中两个绿色像素、一个蓝色像素和一个红色像素，所述第一传输晶体管m4、m5、m6、m7的漏极共同连接至第二传输晶体管m12的源极，所述第一传输晶体管m4、m5、m6、m7的栅极分别连接控制信号tx11、tx12、tx13、tx14，所述第二传输晶体管m12的栅极连接控制信号tx_g1；

所述控制模块ⅱ包括四个第一传输晶体管m8、m9、m10、m11，第二传输晶体管m14；所述第一传输晶体管m8、m9、m10、m11的源极分别连接第二像素子单元中两个绿色像素、一个蓝色像素和一个红色像素，所述第一传输晶体管m8、m9、m10、m11的漏极共同连接至第二传输晶体管m14的源极，所述第一传输晶体管m8、m9、m10、m11的栅极分别连接控制信号tx21、tx22、tx23、tx24，所述第二传输晶体管m12的栅极连接控制信号tx_g3；

所述控制模块ⅲ包括第一传输晶体管m7，第二传输晶体管m13；所述第一传输晶体管m7的源极连接灰色像素，所述第一传输晶体管m7的漏极共同连接至第二传输晶体管m13的源极，所述第一传输晶体管m7的栅极连接控制信号tx1r，所述第二传输晶体管m13的栅极连接控制信号tx_g2；

所述第二传输晶体管m12的漏极、第二传输晶体管m13的漏极和第二传输晶体管m14的漏极共同连接至复位晶体管m3，所述控制模块ⅰ、控制模块ⅱ和控制模块ⅲ共用复位晶体管m3、源跟随器晶体管m2和行选晶体管m1。

一种用于消除莫尔条纹的像素单元进行曝光的方法，包括如下步骤：

s01：行选信号row控制行选晶体管m1导通，控制像素单元开始工作；

s02：复位信号rx控制复位晶体管m3先导通再关闭，控制第一像素子单元、第二像素子单元和灰度像素子单元中各个像素的光电二极管复位；其中，第一像素子单元和第二像素子单元均包括两个绿色像素、一个蓝色像素和一个红色像素；所述第一像素子单元包括控制模块ⅰ，所述控制模块ⅰ包括四个第一传输晶体管m4、m5、m6、m7和第二传输晶体管m12；所述第二像素子单元包括控制模块ⅱ，所述控制模块ⅱ包括四个第一传输晶体管m8、m9、m10、m11和第二传输晶体管m14；所述灰度像素子单元包括控制模块ⅲ，所述控制模块ⅲ包括第一传输晶体管m7和第二传输晶体管m13；所述控制模块ⅰ、控制模块ⅱ和控制模块ⅲ共用复位晶体管m3和行选晶体管m1；

s03：控制信号tx_g1控制第二传输晶体管m12导通，控制信号tx11、tx12、tx13、tx14依次控制第一传输晶体管m4、m5、m6、m7先导通再关闭，其中，连接两个绿色像素的第一传输晶体管同时导通和关闭；

s04：控制信号tx_g1控制第二传输晶体管m12关闭；控制信号tx_g2控制第二传输晶体管m13导通，控制信号tx1r控制第一传输晶体管m7先导通再关闭；

s05：控制信号tx_g2控制第二传输晶体管m13关闭；控制信号tx_g3控制第二传输晶体管m14导通，控制信号tx21、tx22、tx23、tx24依次控制第一传输晶体管m8、m9、m10、m11先导通再关闭，其中，连接两个绿色像素的第一传输晶体管同时导通和关闭；控制信号tx_g3控制第二传输晶体管m14关闭，行选信号row控制行选晶体管m1关闭，所述像素单元完成曝光。

进一步地，包括a行b列的权利要求1所述的像素单元，a和b均为大于0的正整数。

进一步地，所述像素单元还包括灰度像素子单元，所述灰度像素子单元包括灰色像素，所述灰色像素的表面覆盖可见光滤镜；所述灰度像素子单元位于所述第一像素子单元和第二像素子单元之间，且同时连接所述第一像素子单元和第二像素子单元。

进一步地，所述第一像素子单元和第二像素子单元中的两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素均为正八边形；所述灰度像素子单元为位于所述第一像素子单元和第二像素子单元之间的十六边形。

进一步地，所述像素阵列中奇数行像素单元的灰度像素子单元位于第一像素子单元和第二像素子单元之间的下方，偶数行像素单元的灰度像素子单元位于第一像素子单元和第二像素子单元之间的上方。

本发明的有益效果为：本发明的像素单元中各个像素通过特殊的排列方式，避免了周期性的重复排列，可以有效消除莫尔条纹；同时在像素单元中增加了灰色像素，灰色像素保留了信号的近红外波段信息，特别适合对极暗光进行成像，可以作为可见光像素单元的补充；本发明的像素阵列中各个像素单元正反放置，进一步有效减少了莫尔条纹的形成。

附图说明

附图1为现有技术中像素阵列的排列示意图；

附图2为本发明像素单元的排列示意图；

附图3为本发明像素单元控制模块的排布示意图；

附图4为本发明像素单元的电路示意图；

附图5为本发明像素单元的控制逻辑时序。

附图6为本发明像素单元组成的像素阵列；

附图7为本发明像素单元组成的完整像素阵列；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提供的一种用于消除莫尔条纹的像素单元，包括第一像素子单元和第二像素子单元，第一像素子单元和第二像素子单元均包括两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素，且第一像素子单元和第二像素子单元中各个像素按照拜耳阵列排布；拜耳阵列排布指的是每个像素单元分为四个感光区域，其中一个红色感光区域、一个蓝色感光区域和两个绿色感光区域；第一像素子单元中仅其中一个绿色像素连接第二像素子单元中红色像素或者蓝色像素。值得说明的是，本发明中第一像素子单元和第二像素子单元为相同的子单元，只是二者在排列的时候不是朝着同一方向放置，需要确保一个像素子单元中的绿色像素连接另一个像素子单元中的红色像素或蓝色像素。

本发明中像素单元还包括灰度像素子单元，灰度像素子单元包括灰色像素，灰色像素的表面覆盖可见光滤镜；灰度像素子单元位于第一像素子单元和第二像素子单元之间，且同时连接第一像素子单元和第二像素子单元。第一像素子单元和第二像素子单元上方覆盖微透镜和色彩滤镜，微透镜用于聚光，色彩滤镜用于获取红色、绿色和蓝色的独立色彩通道的颜色信息；灰色像素覆盖微透镜和可见光滤镜，用于将可见光波段(波长300-750nm)的信号滤除，而将近红外波段(波长大于750nm)的信号获取，这种灰色像素保留了信号的近红外波段信息，因此特别适合对极暗光进行成像，作为可见光中红色像素、绿色像素和蓝色像素的补充。

优选地，如附图2所示，本发明中第一像素子单元和第二像素子单元中的两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素均为正八边形；灰度像素子单元为位于第一像素子单元和第二像素子单元之间的十六边形，且灰度像素子单元可以位于第一像素子单元和第二像素子单元之间的上方或者下方。如附图2所示，第一像素子单元中其中一个绿色像素与第二像素子单元中红色像素共用正八边形的一条边，在实际应用中，第一像素子单元中其中一个绿色像素也可以与第二像素子单元中蓝色像素连接。灰色像素位于第一像素子单元和第二像素子单元之间的上方或者下方，为十六边形，且每条边的长度均相同，等于正八边形的边长；在一个完整的像素单元中，灰度像素子单元的四条边正好与第一像素子单元相邻的绿色像素和红色像素相重合，灰度像素子单元的另外四条边与第二像素子单元相邻的红色像素和绿色像素相重合。这种排列方式的像素单元与图1中传统的像素单元排列不同，本发明中排列方式使得红色像素、蓝色像素、绿色像素和灰色像素错位排列，可以有效减少莫尔条纹的形成。

请继续参阅附图2，第一像素子单元还包括控制模块ⅰ，第二像素子单元还包括控制模块ⅱ，灰度像素子单元还包括控制模块ⅲ；控制模块ⅰ位于第一像素子单元中两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素的中间，为四个正八边形围成的正方形，且控制模块ⅰ中包含第一像素子单元中的晶体管；控制模块ⅱ位于第二像素子单元中两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素的中间，为四个正八边形围成的正方形，且控制模块ⅱ中包含第二像素子单元中的晶体管；控制模块ⅲ位于灰度像素子单元与第一像素子单元、第二像素子单元的连接处，也为矩形，且控制模块ⅲ中包含灰度像素子单元中的晶体管。附图2中矩形中黑色标记表示各个控制模块。值得说明的是，控制模块ⅰ和控制模块ⅱ还可以位于两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素的周围，例如附图3中的位置1至位置7等等。控制模块ⅰ和控制模块ⅱ可以位于像素单元中第一像素子单元和第二像素子单元周围的任意位置。在实际应用中，根据像素单元的不同形状，控制模块ⅰ和控制模块ⅱ也可以不与第一像素子单元和第二像素子单元相邻，位于像素单元中第一像素子单元、第二像素子单元和灰度像素子单元以外的任意位置。灰度像素子单元中的控制模块ⅲ还可以位于十六边形内部任意位置。控制模块与各个像素子单元的最佳位置关系如附图2所示，这种位置关系可以使得各个控制模块通过较短的布线进行连接，并且可以使得像素单元在像素阵列中无缝隙拼接，提高像素阵列的空间利用率。

本发明中像素单元的尺寸为0.8微米-50微米，优选为2.8微米，本发明中像素单元的尺寸定义为相邻两个像素单元中心点之间的距离，在像素阵列中，行方向上相邻两个像素单元中心点的距离为0.8微米-50微米，优选为2.8微米。值得注意的是，本发明中像素单元可以为规则的矩形或者如附图2所示的不规则多边形或者包含附图2所示结构的其他形状，只有当像素单元的形状与附图2完全一样时，其形成的像素阵列的空间利用率最高，如附图6和7所示，相邻的像素单元可以无缝隙地拼接在一起；当像素单元为包含附图2所示结构的其他形状时，拼接在一起的像素单元的空间利用率会降低(不能如附图6和7所示进行无缝拼接)。本发明像素单元的具体形状并不影响本发明去除莫尔条纹的功能。

请参阅附图4，本发明中控制模块ⅰ、控制模块ⅱ和控制模块ⅲ共用复位晶体管m3、源跟随器晶体管m2和行选晶体管m1，控制模块ⅰ和控制模块ⅱ优选位于第一像素子单元和第二像素子单元的中间位置。

控制模块ⅰ包括四个第一传输晶体管m4、m5、m6、m7，第二传输晶体管m12；第一传输晶体管m4、m5、m6、m7的源极分别连接第一像素子单元中红色像素的光电二极管pd_1r、蓝色像素的光电二极管pd_1b、绿色像素的光电二极管pd_1g1、绿色像素的光电二极管pd_1g2，第一传输晶体管m4、m5、m6、m7的漏极共同连接至第二传输晶体管m12的源极，第一传输晶体管m4、m5、m6、m7的栅极分别连接控制信号tx11、tx12、tx13、tx14，第二传输晶体管m12的栅极连接控制信号tx_g1；

控制模块ⅱ包括四个第一传输晶体管m8、m9、m10、m11，第二传输晶体管m14；第一传输晶体管m8、m9、m10、m11的源极分别连接第二像素子单元中红色像素的光电二极管pd_2r、蓝色像素的光电二极管pd_2b、绿色像素的光电二极管pd_2g1、绿色像素的光电二极管pd_2g2，第一传输晶体管m8、m9、m10、m11的漏极共同连接至第二传输晶体管m14的源极，第一传输晶体管m8、m9、m10、m11的栅极分别连接控制信号tx21、tx22、tx23、tx24，第二传输晶体管m14的栅极连接控制信号tx_g3；

控制模块ⅲ包括第一传输晶体管m7，第二传输晶体管m13；第一传输晶体管m7的源极连接灰色像素的光电二极管pd_ir，第一传输晶体管m7的漏极共同连接至第二传输晶体管m13的源极，第一传输晶体管m7的栅极连接控制信号tx1r，第二传输晶体管m13的栅极连接控制信号tx_g2；

第二传输晶体管m12的漏极、第二传输晶体管m13的漏极和第二传输晶体管m14的漏极共同连接至复位晶体管m3的源极和源跟随器晶体管m2的栅极，复位晶体管m3的栅极连接复位信号rx，复位晶体管m3的漏极和源跟随器晶体管m2的漏极连接电源，源跟随器晶体管m2的源极连接行选晶体管m1的漏极，行选晶体管m1的栅极连接行选信号row，源极连接输出信号。

值得说明的是，上述电路图中所有晶体管的源极和漏极均可互换。

请参阅附图5，采用上述的像素单元进行曝光的方法，包括如下步骤：

s01：行选信号row控制行选晶体管m1导通，控制像素单元开始工作；

s02：复位信号rx控制复位晶体管m3先导通再关闭，控制第一像素子单元、第二像素子单元和灰度像素子单元中各个像素的光电二极管复位；

s03：控制信号tx_g1控制第二传输晶体管m12导通，控制信号tx11、tx12、tx13、tx14依次控制第一传输晶体管m4、m5、m6、m7先导通再关闭，其中，连接两个绿色像素的第一传输晶体管同时导通和关闭。

具体的，控制信号tx11控制第一传输晶体管m4先导通再关闭，之后，控制信号tx12控制第一传输晶体管m5先导通再关闭，最后，控制信号tx13和控制信号tx14同时控制第一传输晶体管m6和第一传输晶体管m7先导通再关闭；

s04：控制信号tx_g1控制第二传输晶体管m12关闭；控制信号tx_g2控制第二传输晶体管m13导通，控制信号tx1r控制第一传输晶体管m7先导通再关闭；

s05：控制信号tx_g2控制第二传输晶体管m13关闭；控制信号tx_g3控制第二传输晶体管m14导通，控制信号tx21、tx22、tx23、tx24依次控制第一传输晶体管m8、m9、m10、m11先导通再关闭，其中，连接两个绿色像素的第一传输晶体管同时导通和关闭；

具体的，控制信号tx21控制第一传输晶体管m8先导通再关闭，之后，控制信号tx22控制第一传输晶体管m9先导通再关闭，最后，控制信号tx23和控制信号tx24同时控制第一传输晶体管m10和第一传输晶体管m11先导通再关闭；

最后，控制信号tx_g3控制第二传输晶体管m14关闭，行选信号row控制行选晶体管m1关闭，像素单元完成曝光。

本发明还提供了一种用于消除莫尔条纹的像素阵列，包括a行b列上述的像素单元，a和b均为大于0的正整数。

由于本发明中灰度像素子单元可以位于第一像素子单元和第二像素子单元之间的上方或者下方，通过相邻两行像素单元中灰度像素子单元在第一像素子单元和第二像素子单元之间的不同位置分布，可以使得相邻的两行像素单元的灰度像素子单元位于同一行中。请参阅附图6和附图7，本发明像素阵列中奇数行像素单元的灰度像素子单元位于第一像素子单元和第二像素子单元之间的下方，偶数行像素单元的灰度像素子单元位于第一像素子单元和第二像素子单元之间的上方，即第一行像素单元中灰度像素子单元与第二行像素单元中灰度像素子单元位于同一行中；第三行像素单元中灰度像素子单元与第四行像素单元中灰度像素子单元位于同一行中，依次类推，形成a行的像素阵列。在像素阵列中，每一行中像素单元的个数均相等，假使每一行包含b个像素单元，则形成a行b列的像素阵列。由于相邻奇偶行中灰度像素子单元的位置不同，在列方向上，每一列的像素单元是错位的，如附图7所示，最终形成6行6列的像素阵列。这种排列方式形成的像素阵列进一步使得红色像素、蓝色像素、绿色像素和灰色像素错位排列，可以有效减少莫尔条纹的形成。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。