CN101926171B - 具有芯片上的多个像素阵列的照相机系统 - Google Patents

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Abstract

一种照相机系统使用一个或更多的图像传感器IC芯片，所述一个或更多的图像传感器IC芯片每个具有相同的半导体衬底上的多个像素阵列(即“芯片上的多个像素阵列”)。在一个实施例中，这样的照相机系统包括：(a)产生多个在彼此的物理邻近处(例如在几毫米或10厘米内)的图像的光学组件；以及(b)包含多个2维像素阵列的单个传感器衬底(“芯片”)，所述多个2维像素阵列被对准以捕捉这些多个图像，从而将多个图像转换为电信号。可以使用CCD兼容工艺或CMOS兼容工艺来制造像素阵列。这样的芯片典型地在一边上为2厘米或更小。可以在传感器芯片上(即在“片上系统”实现中)或在单独的后端专用集成电路(ASIC)上形成用于对所捕捉的图像进行进一步信号处理的可选电子组件。

Description

具有芯片上的多个像素阵列的照相机系统
相关申请的交叉引用
本申请涉及以下申请并且要求以下申请的优先权：(a)在2007年11月27日提交的、标题为“具有芯片上的多个像素阵列的照相机系统”的美国临时专利申请序列号60/990601；以及(b)在2008年11月25日提交的、标题为“具有芯片上的多个像素阵列的照相机系统”的美国非临时专利申请序列号12/323219，通过引用将上述两项申请并入于此。对于美国指定来说，本申请是前述美国专利申请no.12/323219的继续。
技术领域
本发明一般性地涉及光学照相机系统。更具体地，本发明涉及使用集成电路(IC)的光学照相机系统，所述集成电路在单个IC芯片上集成两个或更多的单独的成像像素阵列。
背景技术
光学照相机系统典型地包括光学镜头或镜头系统、以及光传感元件。光传感元件可以是传统的胶片或通过多个制造工艺中的任何工艺制作的集成电路传感器，所述多个制造工艺诸如CMOS(互补金属氧化物半导体)或CCD(电荷耦合器件)工艺。这样的光传感IC传统地具有按照单个一维(例如一行)或二维(例如许多行和列)阵列布置的被称作像素的光传感元件。像素阵列与通过光学镜头系统形成的图像以及光学系统的聚焦深度内的位置对准，同时每个像素提供与像素被暴露到的入射光强对应的电输出。
在典型的简单照相机系统中，使用具有像素阵列的传感器芯片捕捉对象的一个图像。但是，许多应用需要形成相同对象的多个图像或形成不同对象的多个图像。这样的应用需要使用多个照相机，或可替代地使用具有多个传感器阵列的照相机系统。例如，专业的工作室摄像机使用三个传感器阵列来分别捕捉红、绿和蓝色图像。作为另一例子，全景成像系统(例如在美国专利申请11/624209中描述的全景成像系统)使用若干传感器阵列来提供重叠的视场(field ofview)，使得合成图像可以包括完整的360°视场。
对于这样的应用来说，传统的成像系统使用多个单阵列图像传感器芯片(例如CCD或CMOS传感器)，其中每个传感器芯片具有典型地位于传感器芯片中央附近的2维像素阵列。在这种布置中，单独地制作每个传感器芯片，并且每个传感器芯片具有其自己的信号处理链、数字图像处理流水线(pipeline)或其两者。这些芯片被对准并被小心地定位以与成像镜头系统适应。作为结果，这样的系统具有由芯片上重复的信号链导致的大的功率消耗。由于对准多个芯片的难度，这样的系统还更复杂和庞大，并且可能制造成本更高。
因此，存在对更简单和更小型的可以摄制多个图像的照相机系统的需要。
发明内容
本发明提供了更简单和更小型的用于捕捉多个图像的照相机系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种照相机装置，其包括：形成多个光学路径的多个光学元件，所述多个光学元件从进入照相机装置的光形成多个单独的图像；在公共衬底上制作的多个传感器阵列，每个传感器阵列被定位以捕捉所述图像中的对应的一个；以及与所述传感器阵列耦接的一个或更多的读出电路，用于从所述传感器阵列读取代表在所耦接的传感器阵列处捕捉的图像的电信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种集成电路，其包括：在公共衬底上制作的多个传感器阵列，每个传感器阵列被定位以捕捉要投射在其上的图像；以及在所述公共衬底上形成的、与所述传感器阵列耦接的一个或更多的读出电路，用于从所述传感器阵列读取代表在所耦接的传感器阵列处捕捉的图像的电信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种与多个光学组件操作地耦接的集成图像传感器，包括：在单个衬底上形成的多个像素阵列，每个像素阵列被定位以感测在所述光学组件中的对应的一个的视场中的图像；以及在所述单个衬底上形成的处理电路，用于处理由所述像素阵列感测的图像。
本发明提供了使用一个或更多的图像传感器IC芯片的照相机系统，所述一个或更多的图像传感器IC芯片每个具有在相同的半导体衬底(substrate)上的多个像素阵列(即“芯片上的多个像素阵列”)。在一个实施例中，这样的照相机系统包括：(a)产生多个处于彼此的物理邻近处(例如在几毫米或几厘米内)的图像的光学组件；以及(b)包含多个2维像素阵列的单个传感器衬底(“芯片”)，所述多个2维像素阵列被对准以捕捉这些多个图像，从而将所述多个图像转换为电信号。可以使用CCD兼容工艺或CMOS兼容工艺来制造所述像素阵列。出于制造的原因，这样的芯片典型地在一边上为2厘米或更小。但是，也可以制造大的芯片。
可以传感器芯片上(即在“片上系统”实现中)或在单独的后端(back-end)专用集成电路(ASIC)中形成用于对所捕捉的图像进行进一步信号处理的可选电子组件。另外，还可以以任何合适的组合来包括数字存储组件、显示元件、和有线或无线通信链接，以允许所捕捉的图像的浏览和进一步处理。
与传统的使用多个照相机或多个图像传感器的成像系统相比，本发明提供了若干优点，诸如更小型的设计、更容易的制作、更低的功率、以及更低的制造成本。在阅读以下详细描述和附图之后，本发明的其他特征和优点将更容易变得明显。
附图说明
图1示出了传统的使用多个传感器芯片的照相机系统；
图2示出了传统的集成图像传感器芯片；
图3示出了本发明的示例实施例，其中照相机系统包括在物空间(objectspace)中方位分开(apart)180°的两个照相机物镜(objective)的光轴；
图4示出了根据本发明的一个实施例的在胶囊(capsule)外壳内提供的照相机系统400；
图5详细示出了根据本发明的一个实施例的在胶囊照相机的外壳内的光学系统；
图6示出了具有四个2维像素阵列的单个传感器芯片的例子；
图7A示出了根据读出和处理来自多个像素阵列的输出的第一方法的、在单个传感器芯片上的共享读出链和可选图像处理后端的多个像素阵列。
图7B示出了根据读出和处理来自多个像素阵列的输出的第二方法的、每个被提供了单独的读出链的多个像素阵列。
图8示出了根据本发明的另一实施例的在照相机外壳内的照相机系统800。
具体实施方式
本发明提供了具有半导体衬底上(“芯片上”)的多个像素阵列的照相机系统。图1示出了传统的具有多个图像传感器芯片的照相机系统100。如图1中所示，照相机系统100包括光学系统110，多个图像传感器IC芯片121、122和123、信号处理电路130、以及显示或存储元件140。典型地包括镜头和分光器(beam splitter)的光学系统110从入射光形成多个图像。多个光传感芯片121、122和123与这些多个图像的位置在聚焦深度内的位置对准，并且将所感测的光转换为模拟或数字域内的电信号。然后信号处理电路130组合来自多个图像传感器121、122和123的输出信号以进行进一步的处理。来自信号处理电路130的输出信号被发送至显示或存储元件140，以进行存储或显示。
在照相机系统100中，多个传感器芯片121、122和123可以是相同种类或不同种类的集成电路芯片。在图2中作为传感器芯片200而提供了这样的图像传感器芯片的例子。图像传感器芯片200中的光传感像素被布置为基本上在中央提供的二维像素阵列211。行扫描器212和列扫描器213选择要重置或读出的像素。典型地，像素阵列211、行扫描器212和列扫描器213在彼此的物理邻近处，通常被称作作为传感器阵列210的块。除传感器阵列210之外，图像传感器芯片200还可以包括定时和控制块220，其生成传感器芯片操作所需的一些或全部定时信号。还可以提供读出链块230来(以各种程度)处理来自块传感器阵列210的光传感像素的电输出。由输入/输出(I/O)块240来处理传感器芯片200的输入和输出信号。
在如图1的系统100的传统的照相机系统中，需要对准、定位和支持多个图像传感器芯片121、122和123。例如，每个图像传感器芯片必须与其对应的像平面对准。在每个图像传感器芯片处于其自己的封装中的情况下，这样的操作不是简单的任务，并且可能显著地增加照相机系统的制造成本和物理尺寸。
通过恰当的设计，可以对准光学系统110的不同的像平面以形成单个平面。利用这样的设计，可以在公共的PC板上放置多个分立的图像传感器以允许记录多个图像，其中每个图像传感器记录单个图像。在这样的系统中，可以多靠近地将传感器的有效区封包(pack)在一起决定了整个系统的尺寸。多个因素限制着封包密度。首先，每个图像传感芯片上的外围电路(例如定时和控制电路220、读出链230和I/O环240)占据每个传感器阵列210周围的空间。还必须考虑到晶片切割(dicing)和芯片封装的机械容差。另外，在PCB上在传感器封装之间需要缝隙以允许可靠的板组装。典型地，每个封装具有其自己的电源(power)、接地和数据管脚。封装相对于彼此被放置得越近，在PCB上路由发送(route)互连信号就越困难。最后，每个图像传感器可能需要多个供电旁路电容器，其必须放置在电源管脚附近。在如此多的约束的情况下，在这样的传统照相机系统中进行尺寸减小是困难的。
在原理上，具有大的像素阵列的足够大的传统图像传感器芯片可以将来自多个光学目标(objective)的图像记录在单个光传感区域上。在这样的情况中，图像传感器不限制可以多靠近地将图像封包在一起。此外，这样的系统中的全部图像共享公共的封装、集成电源总线、信号处理电路和信号I/O管脚。因此，减少了PCB上的总管脚数目和电容器数目。但是，机械和光学约束仍然限制可以多靠近地将图像封包在传感器上。作为结果，许多像素不能用于形成作为结果的图像。这些未使用的像素浪费电力并且占据否则可以用于提供其他传感器功能的宝贵的芯片空间(real estate)。
图3示出了根据本发明的一个实施例的具有芯片上的多个像素阵列的照相机系统。如图3中所示，照相机系统300包括(a)光学系统310，其产生在彼此的物理邻近处(例如在几毫米或厘米内)提供的多个图像，(b)单个图像传感器衬底(“芯片”)330，其在由光学系统310形成的图像的位置处提供多个2维像素阵列以捕捉所述图像；(c)可选电子组件340，其进一步处理传感器芯片330的所捕捉的图像，以及(d)可选组件350，其可以是数字存储组件、显示元件、进一步处理元件、或用于有线或无线通信的传送元件的任何组合。
光学系统310可以具有用于产生相同对象或不同对象的多个图像的多个元件。如图3中所示，光学系统310包括镜头子系统311和312，其中物镜的光轴在物空间中方位分开180°，从而形成在单个像平面320上的图像321和322。根据需要可以包括更多或更少的镜头系统。在实践中，图像321和322不需要被精确地对准到单个像平面上，而可以具有在光学系统310的容差限制内的小的差别。
可以使用CCD兼容工艺或CMOS兼容工艺来制造图像芯片330的像素阵列。出于制造的原因，这样的芯片典型地在一边上不多于2厘米。但是，更大的芯片也是可能的。
可以传感器芯片330上(即在“片上系统”实现中)或在单独的后端(back-end)专用集成电路(ASIC)上形成可选电子组件340。现有技术允许在相同的ASIC上形成模拟和数字组件两者。
可选组件350允许所捕捉的图像的浏览和进一步处理。
图4为根据本发明的一个实施例的可吞食胶囊中的照相机系统400的横截面。照相机系统400对人类胃肠(GI)道成像。照相机系统400实质上是照相机系统300在胶囊外壳450中的实现。在该实施例中，虽然在图4中只示出了镜头子系统411和412，但该光学系统包括四个镜头子系统。沿与横截面正交的方位提供另外两个镜头子系统。每个镜头子系统形成单独的图像(例如镜头子系统411和412形成图像421和422)，所述单独的图像在图像传感器芯片430上的四个像素阵列的一个中被捕捉。在由图像处理器ASIC440进行的进一步处理之前在图像传感器芯片430上组合和数字化来自全部四个像素阵列的输出信号。胶囊照相机系统400内的其他组件包括：(a)图像压缩器450，用于压缩图像处理器ASIC 440的输出图像，从而减少数据I/O的量；(b)存储器块470，用于存储压缩后的图像；(c)电源480，其典型地由一个或更多的电池组成，用于向胶囊照相机系统400供电；(d)输入/输出块490，其可以包括无线电链接，用于与外部主机通信；以及(e)照明系统，其包括多个发光二极管(LED)(例如LED 401、402)。
图5详细示出了根据本发明的一个实施例的、在胶囊照相机的外壳内的光学系统。可以由外壳550内的在空间520中提供的镜头支座(holder)将所述胶囊照相机系统(例如图4的胶囊照相机系统400)的光学系统保持(hold)在一起。包括镜头子系统411和412的镜头子系统由镜头筒(例如镜头筒571)封装，所述镜头筒为具有用于每个镜头子系统的腔(bore)的模制(molded)塑料部件。如图5中所示，在镜头筒的顶部提供挡板(baffle)570，以阻挡镜头子系统之间的漫射光，并且充当与上方的部件(未示出)的机械接口。每个镜头子系统包括多个镜头元件(例如镜头元件511、514、515和516)、光圈512和棱镜元件513。提供具有多个像素阵列的图像传感器530以捕捉来自光学系统的图像。图像传感器530具有在封装期间提供的覆盖玻璃540，并且被焊在印刷电路板(PCB)560上。
在该实施例中，镜头元件511具有负放大倍率(power)，而由镜头元件514、515和516形成的镜头组(通常被称作“三元组(triplet)”的配置)具有正放大倍率、以及对色差的合适的补偿。整体镜头配置是“折叠反远摄(folded inverse telephoto)”镜头设计。反远摄是常见的广角镜头配置。用于胶囊照相机的这样的镜头配置例如在2008年5月10日提交的，标题为“折叠成像器(Folded Imager)”的美国临时专利申请(“共同待决的成像器临时申请”)序列号61/052,180中公开。通过引用将所述共同待决的成像器临时申请的公开整体并入与此。
如图5中所示，每个镜头子系统具有至少90°的横向视场，其中各镜头子系统的光轴位置分开90°。通过组合来自这四个镜头子系统的四个图像，可以重建覆盖360°视场的全景图像。
图6示出了根据本发明的一个实施例的、用于图4的图像传感器芯片430的示例布局600。在典型地为半导体材料的公共衬底650上提供布局600。在公共衬底650的顶部提供单独的像素阵列611、612、613和614，所述单独的像素阵列611、612、613和614被提供在由四个镜头子系统形成的对应图像的预期位置处。例如，提供像素阵列614以捕捉由镜头子系统411形成的图像421、并且提供像素阵列612以捕捉由镜头子系统412形成的图像422。可以向这些像素阵列中的每个提供专用的行和列扫描器，或这些像素阵列中的每个可以与其他像素阵列共享行和列扫描器。多个像素阵列的位置被设计为与由光学系统形成的多个图像的位置适应。像素阵列之间的距离典型地在毫米的数量级上，但可以在数十微米至数厘米或英寸之间变化。
除像素阵列611、612、613和614之外，还可以在衬底650上形成其他组件，包括定时和控制块620、用于从像素阵列读出电输出信号的一个或更多的读出链(例如读出链60)、以及I/O环结构640。这样的组件可以具有传统的结构。
图7A和图7B示出了从多个像素阵列读出图像数据的不同的方法。例如，图7A示出了根据第一方法的在单个传感器芯片上形成的、通过多路复用器714共享读出链715的像素阵列711、712...以及713。向可选图像处理后端或处理器716提供来自读出链715的数据。图7B示出了根据第二方法的分别被提供了单独的读出链724、725...以及726的像素阵列721、722...以及723。可替代地，可以使用组合图7A和7B的方法的混合架构。在这样的混合架构中，来自一些像素阵列的输出信号可以被多路复用以被一读出链读出，而来自其他像素阵列的输出信号可以被多路复用以被另一读出链读出。
图8示出了根据本发明的另一实施例的胶囊照相机系统800的横截面。照相机系统800包括使用多个镜头子系统来产生多个图像的光学系统(例如镜头子系统811和812提供图像821和822)。在图8的示例实施例中，合适数目的(例如四个)合适地定位的镜头子系统向图像传感器芯片830提供图像，每个所述镜头子系统由镜头元件和棱镜元件组成。可以向图像传感器芯片830提供多个像素阵列以捕捉所述图像。在图像传感器芯片830上组合和数字化来自像素阵列的输出信号，以由图像处理器ASIC 840进行处理。图像传感器芯片830和图像处理器ASIC 840两者可以安装在PCB 860上。图像传感器芯片830和处理器ASIC 840可以安装在相同的或单独的PCB上。可替代地，如果希望的话，也可以在照相机外壳850外部提供图像处理器ASIC 840。
胶囊照相机系统800可以从由光学镜头子系统提供的图像构造360°全景图像，所述光学镜头子系统每个具有90°或更大的横向视场。这样的照相机可以用于希望宽视场的任何应用，诸如监视照相机或内窥镜照相机。
因而，本发明在比使用多个照相机或图像传感器的现有技术成像系统较不复杂、成本方面更高效的系统中处理多个图像。通过在公共的传感器芯片上制作多个像素阵列，可以在制造期间对准和支持图像捕捉装置。可以以一微米或更小的精度相对于彼此形成像素阵列。这样的公共的传感器芯片基本上消除了与封装和处理第一传感器芯片之外的多个传感器芯片相关联的附加成本。减少的复杂度导致更低的制造成本。此外，可以在多个像素阵列之间共享在单个芯片上提供的信号处理元件。结果，减少了实施信号处理功能所需的硅面积，导致更小的模具(die)尺寸、更低的功率、以及更低的制造成本。
本发明的成像系统还更小型。在恰当的设计下，使用单个图像传感器芯片和多个像素阵列的照相机系统具有小的覆盖区(footprint)，并且可以在任何希望小型设计的场合使用。例如，本发明的成像系统可以在用于对胃肠(GI)道成像的胶囊照相机中使用。例如在被转让给Capso Vision公司的美国专利申请序列号11/533,304中或在美国专利5,604,531中描述了这样的应用。
以上详细描述被提供以说明本发明的具体实施例，而并非意图为限制性的。在本发明的范围内的许多变化和修改是可能的。在权利要求书中阐述了本发明。

Claims (24)

1.一种照相机装置，其包括：
形成多个光学路径的多个镜头子系统，所述多个镜头子系统从进入照相机装置的光形成多个单独的图像，每个镜头子系统具有大于90度的视场，并且其中所述镜头子系统的光轴被定位为分开预定角度；
在公共衬底上制作的多个传感器阵列，每个传感器阵列被定位以捕捉所述图像中的对应的一个；以及
与所述传感器阵列耦接的一个或更多的读出电路，用于从所述传感器阵列读取代表在所耦接的传感器阵列处捕捉的图像的电信号。
2.如权利要求1所述的照相机装置，其中在半导体材料的所述公共衬底上的中央位置处形成所述读出电路，并且其中在沿着所述读出电路的外围的位置形成所述传感器阵列。
3.如权利要求1所述的照相机装置，其中所述镜头子系统的视场覆盖大于180°的横向视野。
4.如权利要求1所述的照相机装置，还包括图像处理器，所述图像处理器组合来自所述传感器阵列的电信号以形成覆盖镜头子系统的视场的图像。
5.如权利要求1所述的照相机装置，还包括在公共衬底的表面上提供的覆盖玻璃。
6.如权利要求1所述的照相机装置，还包括用于照相机装置的可吞食胶囊形式的外壳。
7.如权利要求1所述的照相机装置，还包括用于存储代表所捕捉的图像的数据的数字存储组件。
8.如权利要求1所述的照相机装置，还包括用于传送代表所捕捉的图像的数据的传送元件。
9.如权利要求1所述的照相机装置，其中在镜头支座内将所述镜头子系统保持在一起。
10.如权利要求1所述的照相机装置，其中在具有多个腔的单个镜头筒中封装所述多个镜头子系统。
11.如权利要求10所述的照相机装置，其中所述镜头筒是模制塑料部件。
12.如权利要求10所述的照相机装置，其中在所述传感器阵列的顶部提供覆盖玻璃，并且其中所述镜头筒包括突出元件，该突出元件横跨所述传感器阵列的一部分和所述覆盖玻璃，以便将所述镜头筒中封装的每个镜头子系统与所述传感器阵列的预定位置对准。
13.如权利要求10所述的照相机装置，还包括在所述镜头筒顶部的挡板。
14.如权利要求1所述的照相机装置，其中每个镜头子系统包括负放大倍率镜头元件、棱镜元件和正放大倍率镜头元件组。
15.如权利要求14所述的照相机装置，还包括挡板，所述挡板被定位以便阻挡通过一个镜头子系统的棱镜元件的漫射光线进入另一镜头子系统。
16.如权利要求14所述的照相机装置，其中镜头筒保持在一个或更多的镜头子系统中的光学元件。
17.如权利要求14所述的照相机装置，其中光圈限制来自所述棱镜元件的光入射到正放大倍率组中的第一镜头元件的中央区域。
18.如权利要求14所述的照相机装置，其中所述棱镜元件具有凹表面，该凹表面面对所述负放大倍率镜头元件。
19.如权利要求1所述的照相机装置，其中所述光学元件被组织为提供折叠反远摄镜头。
20.一种集成电路，其包括：
在公共衬底上制作的多个传感器阵列，每个传感器阵列被定位以捕捉要投射在其上的图像，其中单个衬底上的每个传感器阵列相对于相邻的传感器阵列被旋转90度；以及
在所述公共衬底上形成的、与所述传感器阵列耦接的一个或更多的读出电路，用于从所述传感器阵列读取代表在所耦接的传感器阵列处捕捉的图像的电信号。
21.如权利要求20所述的集成电路，其中在所述公共衬底上的中央位置处形成所述读出电路，并且其中在沿着所述读出电路的外围的位置形成所述传感器阵列。
22.一种与多个镜头子系统操作地耦接的集成图像传感器，包括：
在单个衬底上形成的多个像素阵列，每个像素阵列被定位以感测在对应的镜头子系统的视场中的图像，并且单个衬底上的每个像素阵列相对于相邻的像素阵列被旋转90度，其中所述视场大于90度；以及
在所述单个衬底上形成的处理电路，用于处理由所述像素阵列感测的图像。
23.如权利要求22所述的集成图像传感器，其中所述镜头子系统中的至少两个的物空间中的光轴不平行。
24.如权利要求22所述的集成图像传感器，其中所述镜头子系统的视场重叠，使得合成视场基本上包括360°全景。
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