CN103681721B - 具有高动态范围的图像传感器像素阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器的像素阵列，其包括多个像素单元，每一个像素单元包括尺寸相同的多个第一像素；尺寸相同且与所述多个第一像素的颜色相对应的多个第二像素，所述第二像素的尺寸小于所述第一像素，每一所述第二像素邻接于与其颜色对应的所述第一像素。本发明的图像像素阵列能够进行均匀采样并且有效地提高了图像的动态范围。

Description

具有高动态范围的图像传感器像素阵列

技术领域

本发明属于集成电路领域，具体地说，涉及一种多次使用多种类型PD的CMOS图像像素阵列。

背景技术

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CCD）。对于CCD来说，一方面，在专业的科研和工业领域，具有高信噪比的CCD成为首选；另外一方面，在高端摄影摄像领域，能提供高图像质量的CCD也颇受青睐。对于CIS来说，在网络摄像头和手机拍照模块得到了广泛应用。CCD与CIS相比来说，前者功耗较高、集成难度较大，而后者功耗低、易集成且分辨率较高。虽然说，在图像质量方面CCD可能会优于CIS，但是，随着CIS技术的不断提高，一部分CIS的图像质量已经接近于同规格的CCD。

现有技术中，CIS中的像素阵列采用有源像素传感器（Active Pixel Sensor，APS）作为其感光单元。一个APS（即一个像素单元）包括一个光电二极管（Photo Diode，PD）和一个放大器（Active Amplifier）。图1a和图1b所示为现有技术中像素阵列的示意图。如图1a所示，一行横向排列的像素，其颜色滤波阵列(color filter array，CFA)在平面中按R G1RG1R…循环排列，图1b所示的剖面图取自于图1a中的三个像素G1R G1。像素阵列具有三层：滤镜层、金属层（M1，M2，M3，M4）和PD层。滤镜层包括微透镜（Micro-lens）3和滤色层（ColorFilter）2。金属层放置电路和光通道，PD层底部放置光电二极管1。图1a和图1b中，像素呈方形，边长为d，相邻两像素间光电二极管最短距离为d。

除去噪声的影响，像素阵列的动态范围基本由光电二极管的动态范围决定。而一般来说，APS阵列中的光电二极管皆为同一种类型，其动态范围是固定的，因此图像像素动态范围较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像传感器像素阵列，克服现有技术中图像像素阵列动态范围较低的问题。

为达成上述目的，本发明提供一种图像传感器的像素阵列，其包括多个像素单元，每一个像素单元包括尺寸相同的多个第一像素；尺寸相同且与所述多个第一像素的颜色相对应的多个第二像素，所述第二像素的尺寸小于所述第一像素，每一所述第二像素邻接于与其颜色对应的所述第一像素。

优选的，所述多个第一像素以两两上下交错相邻且相邻边缘不完全重合的方式排列，所述多个第一像素的内边围成一封闭空间，至少一个所述第二像素填充于所述封闭空间。

优选的，所述多个第一像素以风车形相邻边缘部分重合的方式围成所述封闭空间。

优选的，所述第二像素与所述第一像素的形状完全相同，尺寸成比例缩小。

优选的，所述第一像素的数量为4，形状为平行四边形，所述第一像素围成平行四边形封闭空间，一个所述第二像素填充于所述四边形封闭空间。

优选的，所述第二像素在相同方向上邻接于颜色相对应的所述第一像素。

优选的，所述多个像素单元斜向排列。

优选的，所述第一像素的数量为4，形状为长宽不相同的平行四边形，每一所述第一像素的一条宽度方向的边缘与相邻的所述第一像素的长度方向的边缘重合，另一条宽度方向的边缘与相邻的所述第一像素的长度方向的边缘对齐，以使所述多个第一像素的外边形成一平行四边形同时内边围成一平行四边形封闭空间。

优选的，全部所述第二像素填充于所述四边形封闭空间。

优选的，所述第一像素沿顺时针方向分别为绿色子像素、红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素。

本发明通过采用不同面积大小的第一像素和第二像素来形成像素单元，在相同曝光时间内，面积较大的第一像素的动态范围较大输出的信号值较小，而面积较小的第二像素则输出较大信号值。因此，同时使用这两种像素的像素阵列能够获取比只使用一种像素的像素阵列更高的动态范围。

附图说明

图1a为现有技术中像素阵列的一行横向排列的像素的分布示意图；

图1b为图1a所示的像素的剖视图；

图2为本发明一实施例图像传感器像素阵列一个像素单元中第一像素的分布示意图；

图3为本发明一实施例图像传感器像素阵列一个像素单元的分布示意图；

图4为本发明一实施例图像传感器像素阵列多个第一像素和第二像素的分布示意图；

图5为本发明一实施例图像传感器像素阵列多个第一像素和第二像素的剖视图；

图6为本发明另一实施例图像传感器像素阵列一个像素单元的分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的下述实施例中，配合第一像素和第二像素的排列方式，使得像素阵列在颜色还原准确的基础上实现动态范围的大幅提升。其中，根据通过滤色层的颜色波长段可以对RGB三色的单色光进行选取，例如：Red红色-620nm，Green绿-540nm，Blue-蓝色nm。

本发明的图像传感器的像素阵列包括多个像素单元。每一个像素单元包括尺寸相同的多个第一像素，和尺寸相同的多个第二像素。如图2a～2b所示，在本实施例中，第一像素为4个，分别为1个红色子像素R、2个绿色子像素G₁，G₂和1个蓝色子像素B。第二像素的颜色和第一像素一一对应，因此本实施例中第二像素同样为4个，分别为1个红色子像素r、2个绿色子像素g1，g2、1个蓝色子像素b，每一个第二像素邻接于与其颜色相对应的第一像素。需要注意的是，本发明中，第二像素的尺寸要小于第一像素，也就是说一个像素阵列中采用了两种面积大小的像素，面积较大的第一像素动态范围较大，面积较小的第二像素动态范围较小更易饱和，因此，在相同曝光值下能够获取比只使用一种像素的像素阵列更高的动态范围。

请继续参考图2a～2b，4个第一像素R，G₁，G₂，B是以两两上下交错相邻且相邻边缘不完全重合的方式排列，且4个第一像素的内边围成一个封闭空间。在本实施例中，4个第一像素是以风车形排列，也即是4个第一像素以首尾相连、相邻边缘部分重合的方式来旋转排列。图2示出了两种排列方式，分别为Positive型（Type P）和Negative型（Type N），图2a示意了Type P排列方式，第一像素按顺时针方向G₁R G₂B的顺序排列，后一个像素于前一个像素的相对位置为右下、左下、左上、右上。第一像素的边长为D，所围成的封闭空间同样是正方形，其边长为d，d＜D。图2b示意了Type N型排列方式，第一像素按顺时针G₁R G₂B的顺序，后一个像素于前一个像素的相对位置为右上、右下、左下、左上。和现有技术下的Bayer模式相比较，本实施例中像素阵列的第一像素依旧是以G₁RG₂B的形式作为颜色还原单位，其一份R、两份G和一份B的比例满足RGB颜色还原的基本条件。

在第一像素内边所围成的封闭空间中，至少填充了一个第二像素。较佳的，第二像素与第一像素的形状完全相同，尺寸则成比例缩小，由此第一像素和第二像素可采用相同的工艺制作，简化制造工艺。

请继续参考图3a～3d，其所示为一实施例图像传感器像素阵列一个像素单元的分布示意图。在本实施例中，第一像素和第二像素都是正方形，4个第一像素呈Type P旋转排列。第一像素所围成的封闭空间被一个第二像素所填满，每一个第二像素都在相同方向上邻接于颜色相对应的第一像素。因此，根据第二像素的排列方式不同，像素单元可以具有四种形式：如图3a所示，填充于4个第一像素围成的正方形封闭空间中的第二像素为g1，第二像素g1，r，g2，b均位于颜色对应的第一像素G₁，R，G₂，B的下方。图3b所示为第二像素位于第一像素上方的情况，第二像素g2填满封闭空间；图3c所示为第二像素位于第一像素左侧，第二像素r填满封闭空间；图3d所示为第二像素位于第一像素右侧，第二像素b填满封闭空间。此外，第一像素的边长D和第二像素边长d的关系为D=2d，因此第一像素与颜色对应的第二像素的边缘对齐。需要注意的是，虽然在本实施例中，第一像素和第二像素是形状完全相同的正方形，但在其他实施例中，第一像素和第二像素的形状并不限于正方形，也可以是长方形、菱形或其他平行四边形。此外，第一像素的形状也可以和第二像素不同，第一子小像素所围成的封闭空间也不限于只容纳一个第二像素或被一个第二像素填满。

请参考图4，其所示为图像传感器像素阵列多个像素单元的分布示意图，如图所示8个像素单元斜向排列在平面中展开，可以得到规则形态的平铺（Regular Tiling），因此可以进行均匀采样。

由以上可知，本发明通过第一像素在一个像素单元呈旋转排列，在像素阵列全局上呈均匀分布的方式，在现有技术的Bayer模式的基础上进行创新，使得像素阵列具有均匀采样的良好特性，从而保证了颜色还原的可靠性和准确性。此外相同颜色的第一像素、第二像素的相对位置固定，也为其像素单元输出的走线提供了便捷。

请参考图5a和图5b，图5a中示意了一行斜向排列的像素单元中第一像素R，G₁其在平面中按R G₁R G₁R…循环排列，和第二像素r，g1在平面中按r g1r g1r…循环排列，第二像素在第一像素的下方，其颜色一一对应。图5b所示为图5a所示的第一像素G₁，R，G₁和第二像素g1，r，g1的剖视图。和现有技术相似，本发明的图像传感器像素阵列具有滤镜层、金属层（M1，M2，M3，M4）和PD层，滤镜层包括滤色层12和微透镜13。光通道由上层贯穿至下层，光电二极管11位于光通道底部。第一像素的边长D为第二像素边长的2倍。相邻的第一像素的最短距离为d，相邻的第二像素的最短距离为3/2d。

图6所示为本发明另一较佳实施例图像传感器像素阵列一个像素单元的分布示意图。4个第一像素G₁，R，G₂，B是长宽不等的长方形，以风车形、两两首尾相连的方式排列。具体来说，每一个第一像素（例如第一像素R）的一条宽度方向的边缘与相邻的第一像素（例如第一像素G₁）的长度方向的边缘重合，另一条宽度方向的边缘则与相邻的另一个第一像素（例如第一像素G₂）的长度方向的边缘对齐，以使这些第一像素的内边围成一个平行四边形封闭空间的同时外边也能够形成一个平整的平行四边形形状。在本实施例中，这4个第一像素的外边形成一正方形，内边围成一个正方形封闭空间。4个第二像素也均为正方形，且填满于该正方形封闭空间中。在本实施例中，4个第一像素也可具有Positive型（Type P）和Negative型（Type N）两种排列方式，图6所示为Type P型排列方式，第一像素和第二像素均按G₁R G₂B的顺序排列，其一份R、两份G和一份B的比例满足RGB颜色还原的基本条件。此外，4个第一像素包围了4个第二像素，如此每一个像素单元都是形状规律的平行四边形（本实施例为正方形），也更加有利于像素阵列的整体排布。图6所示的较佳实施例里，第一像素为长方形，第二像素为正方形，在其他实施例中第一像素也可以是其他形状长宽不同的平行四边形，第二像素也可以是与第一像素形状相同或不同的其他平行四边形。此外，本发明也并不限于四个第二像素必须填满第一像素内边围成的封闭空间，也可以一个第二像素填满封闭空间而其他第二像素位于各个第一像素外边外侧。

综上所述，本发明所提出的图像传感器像素阵列，采用了两种尺寸大小的像素。面积较大的第一像素其动态范围较大，面积较小的第二像素动态范围较小。对这两种动态范围不同的像素同时曝光，在一次曝光动作中即能获取一幅高动态范围的数字图像。此外，本发明的排布方式在Bayer模式的基础上进行创新，像素在局部上呈旋转排列，在全局上呈均匀分布，使得像素阵列可以方便地实现均匀采样和RGB颜色还原。除了获取静态的彩色数字图像，此像素阵列也适用于获取连续的彩色数字图像。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种图像传感器的像素阵列，包括多个像素单元，其特征在于，每一像素单元包括：

尺寸相同的多个第一像素；

尺寸相同且与所述多个第一像素的颜色相对应的多个第二像素，所述第二像素的尺寸小于所述第一像素，每一所述第二像素邻接于与其颜色对应的所述第一像素；

其中所述多个第一像素以两两上下交错相邻且相邻边缘不完全重合的方式排列，所述多个第一像素的内边围成一封闭空间，至少一个所述第二像素填充于所述封闭空间。

2.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，所述多个第一像素以风车形相邻边缘部分重合的方式围成所述封闭空间。

3.根据权利要求2所述的像素阵列，其特征在于，所述第二像素与所述第一像素的形状完全相同，尺寸成比例缩小。

4.根据权利要求3所述的像素阵列，其特征在于，所述第一像素的数量为4，形状为平行四边形，所述第一像素围成平行四边形封闭空间，一个所述第二像素填充于所述四边形封闭空间。

5.根据权利要求4所述的像素阵列，其特征在于，所述第二像素在相同方向上邻接于颜色相对应的所述第一像素。

6.根据权利要求1至5任一项所述的像素阵列，其特征在于，所述多个像素单元斜向排列。

7.根据权利要求2所述的像素阵列，其特征在于，所述第一像素的数量为4，形状为长宽不相同的平行四边形，每一所述第一像素的一条宽度方向的边缘与相邻的所述第一像素的长度方向的边缘重合，另一条宽度方向的边缘与相邻的所述第一像素的长度方向的边缘对齐，以使所述多个第一像素的外边形成一平行四边形同时内边围成一平行四边形封闭空间。

8.根据权利要求7所述的像素阵列，其特征在于，全部所述第二像素填充于所述四边形封闭空间。

9.根据权利要求4或7所述的像素阵列，其特征在于，所述多个第一像素沿顺时针方向分别为绿色子像素、红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素。