CN104010173B - 图像传感器及包含多个可选择经啮合滤光器组的彩色滤光器阵列 - Google Patents
图像传感器及包含多个可选择经啮合滤光器组的彩色滤光器阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本申请案涉及一种图像传感器及包含多个可选择经啮合滤光器组的彩色滤光器阵列。一种设备包含：像素阵列，其包含多个像素；及滤光器阵列，其定位于所述像素阵列上，所述彩色滤光器阵列包括多个平铺式最小重复单元，每一最小重复单元包含多个经啮合滤光器组，每一滤光器组包含不同于所述滤光器阵列中的任何其它滤光器组的一组色彩。本发明揭示及主张其它实施例。
Description
技术领域
所描述实施例大体来说涉及图像传感器，且特定来说(但非排他性地)涉及一种图像传感器及包含多个且可选择经啮合滤光器组的彩色滤光器阵列。
背景技术
图像传感器广泛地用于数码静物相机、蜂窝式电话、安全摄像机、医疗、汽车及其它应用中。使用互补金属氧化物半导体(“CMOS”)技术在硅衬底上制造低成本图像传感器。
大多数图像传感器包含用于捕获图像的像素的二维阵列。彩色图像传感器(即，能够捕获彩色图像的图像传感器)使用耦合到像素阵列的彩色滤光器阵列(“CFA”)给所述像素阵列中的每一像素指派色彩。在当前图像传感器中，必须针对图像传感器设计不同类型的CFA模式以满足不同的需要；此需要多个硅芯片掩模组或像素阵列以及用于彩色滤光器阵列的多个掩模组。
发明内容
在一个方面中，本申请案揭示一种设备。所述设备可包括：像素阵列，其包含多个像素；滤光器阵列，其定位于所述像素阵列上，所述滤光器阵列包括多个平铺式最小重复单元，每一最小重复单元包含至少四个经啮合滤光器组，每一滤光器组包含不同于所述最小重复单元中的任何其它滤光器组的一组滤光器。
在另一方面中，本申请案揭示一种图像传感器。所述图像传感器可包括：像素阵列，其包含多个像素；滤光器阵列，其定位于所述像素阵列上，所述滤光器阵列包括多个平铺式最小重复单元，每一最小重复单元包含至少四个经啮合滤光器组，每一滤光器组包含不同于所述最小重复单元中的任何其它滤光器组的一组滤光器；读出电路，其耦合到所述像素阵列；及功能逻辑，其耦合到所述读出电路。
在又一方面中，本申请案揭示一种用于从像素阵列中的像素读取数据的方法。所述方法可包括：选择最小重复单元中所包含的至少四个经啮合滤光器组中的一者，每一滤光器组包含不同于所述最小重复单元中的任何其它滤光器组的一组滤光器，其中多个所述最小重复单元经平铺以形成耦合到所述像素阵列的滤光器阵列；读取对应于所述选定滤光器组的像素；确定对应于未选滤光器组的像素的像素数据；及输出所述整个像素阵列的像素数据。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中在所有各视图中相似参考编号指代相似部件，除非另有规定。
图1是滤光器组的四个实施例的平面图。
图2是在个别滤光器之间包含空隙间隔的滤光器组的另一实施例的平面图。
图3A-3D是图解说明用于将滤光器组一起啮合成最小重复单元的实施例的平面图。
图4是包含多个平铺式最小重复单元(例如图3D中所展示的最小重复单元)的彩色滤光器阵列的实施例的平面图。
图5是包含彩色滤光器阵列(例如图4中所展示的彩色滤光器阵列)的图像传感器的实施例的示意图。
图6A是用于读取来自使用彩色滤光器阵列(例如图4中所展示的彩色滤光器阵列)的图像传感器的像素的方法的流程图的实施例。
图6B-6E是使用彩色滤光器阵列的图像传感器的实施例的平面图，其图解说明读取来自所述彩色滤光器阵列的不同滤光器组。
具体实施方式
描述用于具有包含多个且可选择经啮合滤光器组的彩色滤光器阵列的图像传感器的设备、系统及方法的实施例。描述特定细节以提供对实施例的透彻理解，但相关领域的技术人员将认识到，可在无所描述细节中的一者或一者以上的情况下或借助其它方法、组件、材料等实践本发明。在一些实例中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作，但尽管如此其仍涵盖在本发明的范围内。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“一实施例”的提及意指结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于至少一个所描述的实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必全部指代同一实施例。此外，所描述的特征、结构或特性可以任何适合方式组合于一个或一个以上实施例中。
图1图解说明可用于形成彩色滤光器阵列的最小重复单元的滤光器组A-D的实施例。滤光器组A包含四个个别滤光器A1-A4。所述个别滤光器包含三种原色：红色(R)、绿色(G)及蓝色(B)。原色是识别为用于所有其它色彩的构建块的一组色彩。原色的实例包含红色、绿色及蓝色(通常称为RGB)及青色、洋红色及黄色(通常称为CMY)。举例来说，在RGB色彩模型中，组合变化量的红色、绿色及蓝色将产生光谱中的所有其它色彩。在所图解说明的实施例中，滤光器A1为红色的，滤光器A2-A3为绿色的，且滤光器A4为蓝色的，因此其本身形成众所周知的拜耳模式的最小重复单元。拜耳模式具有为红色或蓝色像素两倍多的绿色像素，且其布置成嵌入蓝色之间的红色与嵌入绿色之间的蓝色的交替行。此模式利用人眼在定义清晰度时将绿色亮度看作为最强影响的偏好。当然，在滤光器组A的其它实施例中，每一色彩的滤光器的数目以及色彩的布置可不同于所展示的那些。
滤光器组B也包含四个个别滤光器B1-B4，但代替RGB原色组，其包含青色(C)、黄色(Y)及洋红色(M)的替代原色组。在所图解说明的实施例中，个别滤光器B1为青色的，个别滤光器B2-B3为黄色的，且个别滤光器B4为品红色的，因此形成有时称为CYYM滤光器布置的布置。当然，在滤光器组B的其它实施例中，每一色彩的滤光器的数目以及色彩的布置可不同于所展示的那些。
滤光器组C也包含四个个别滤光器C1-C4，其包含形成RGB原色组的三个滤光器加一个透明滤光器。在滤光器组C中，个别滤光器C1为红色的，个别滤光器C2为绿色的，个别滤光器C3为透明的，且个别滤光器C4为蓝色的。出于本发明的目的，透明滤光器为在至少包含原色组所涵盖的波长范围的波长范围中为无色及/或光学上透明的滤光器。当然，在滤光器组C的其它实施例中，每一色彩的滤光器的数目以及色彩的布置可不同于所展示的那些。
滤光器组D也包含四个个别滤光器D1-D4，其全部为透明的。如上所述，透明滤光器是至少在原色组所涵盖的波长范围内为无色及/或光学上透明的滤光器。
在所图解说明的滤光器组A-D中，每个滤光器组包含四个个别滤光器，但在其它实施例中，每一滤光器组可具有更少或更大数目个个别滤光器，且每个滤光器组不需要包含与其它滤光器组相同数目的个别滤光器。此外，其它实施例可使用具有不同于所展示原色组的原色组及/或额外原色组的滤光器组。在又一些实施例中，至少一个滤光器组可包含可过滤在可见波长范围之外的波长(例如红色线及紫外线)的一个或一个以上个别滤光器。
图2图解说明在个别滤光器之间包含空隙间隔的滤光器组200的替代实施例。所图解说明的实施例是作为图1中所展示的滤光器组A的变化形式的滤光器组200A。在滤光器组A中，个别滤光器彼此邻接，但此并非严格需要的。举例来说，滤光器组200A是滤光器组A的其中已在所述组中的个别滤光器之间添加空隙间隔的变化形式：在个别滤光器A1与A2之间插入空隙间隔202A，在个别滤光器A3与A4之间插入空隙间隔204A，在个别滤光器A1与A3之间插入空隙间隔206A，及在个别滤光器A2与A4之间插入空隙间隔208A。作为添加空隙间隔202A-208A的结果，在滤光器组的中心形成中心空隙间隔210A。个别滤光器之间的空隙间隔并不变更滤光器组的特性。滤光器组A为具有拜耳模式的RGB滤光器组，且滤光器组200A甚至在个别滤光器之间具有空隙间隔的情况下也为具有拜耳模式的RGB滤光器组。
可针对图1的滤光器组B、C及D形成具有空隙间隔的类似滤光器组。因此，滤光器组B具有在个别滤光器之间包含空隙间隔的对应滤光器组200B(参见图3A)，且滤光器组C及D类似地具有包含空隙间隔的对应滤光器组200C及200D(参见图3B)。
图3A-3D图解说明用于将四个滤光器组200A-200D组装成彩色滤光器阵列的最小重复单元(MRU)的序列的实施例。最小重复单元为使得其它重复单元不具有更少个别滤光器的重复单元。给定彩色滤光器阵列可包含数个重复单元，但一重复单元在于阵列中存在包含更少个别滤光器的另一重复单元的情况下并非是最小重复单元。图3A-3D中所展示的序列仅为实例；所述MRU当然可以不同序列放在一起或可同时全部形成。
图3A图解说明所述序列中将滤光器组200B与滤光器组200A啮合的初始部分。两个滤光器组啮合在一起使得个别滤光器B3装配到空隙间隔204A中且个别滤光器B1装配到中间空隙间隔202A中。类似地，个别滤光器A2装配到空隙间隔202B中且个别滤光器A4装配到空隙间隔204B中。将滤光器组200B与200A啮合的结果是经啮合滤光器布置302。
图3B图解说明所述序列中将滤光器组200D与滤光器组200C啮合的下一步骤。所述滤光器组啮合在一起使得个别滤光器D1装配到空隙间隔202C中且个别滤光器D3座合装配到空隙间隔204C中。类似地，个别滤光器C2装配到空隙间隔202D中且个别滤光器C4装配到空隙间隔204D中。将滤光器组200D与200C啮合的结果是经啮合滤光器布置304。
图3C图解说明序列中将滤光器布置302与滤光器布置304啮合以形成经啮合最小重复单元的最后步骤。将滤光器布置304与滤光器布置302啮合使得滤光器布置304的顶部行(C1/D1/C2/D2)装配于滤光器布置302的空中间行中。类似地，滤光器布置302的底部行(A3/B3/A4/B4)装配于滤光器布置304的空中间行中。
图3D图解说明由图3C中将滤光器布置302与304啮合产生的最小重复单元(MRU)306。MRU 306为由滤光器组200A-200D构成的4×4滤光器阵列，每一滤光器组具有四个个别滤光器。因此，MRU 306包含16个个别滤光器。更一般来说，如果将各自具有M个个别滤光器的N个滤光器组啮合在一起，那么结果将为包含N×M个个别滤光器的MRU。在其它实施例中，可使用不同数目个滤光器组及/或具有不同数目个个别滤光器的滤光器组，使得MRU的大小及组成可变化；举例来说，具有4个、9个、16个或某一其它数目个个别滤光器的MRU为可能的。在又一些实施例中，每个滤光器组不需要具有相同数目个个别滤光器。
图4图解说明彩色滤光器阵列(CFA)400的实施例。滤光器阵列400包含平铺在一起以形成彩色滤光器阵列的多个MRU 306。MRU 306在图式中由粗轮廓指示。将每一MRU平铺到滤光器阵列中使得其沿着其边缘中的一者邻接至少一个其它MRU。在所述图中仅展示四个MRU 306，但当然任何实际彩色滤光器阵列将使用比所展示MRU更多的MRU，如在所述图中由箭头所指示。彩色滤光器阵列联合像素阵列一起用于图像传感器中；在大多数情况中；彩色滤光器阵列将包含与其将耦合的像素阵列中的像素一样多的个别滤光器。
图5图解说明CMOS图像传感器500的实施例，其包含彩色像素阵列505、读出电路550、耦合到读出电路的功能逻辑515及耦合到像素阵列的控制电路520。彩色像素阵列505为具有X个像素列及Y个像素行的二维(“2D”)成像传感器或像素(例如，像素P1、P2…、Pn)阵列且可实施为前侧照明式像素阵列或背侧照明式图像像素阵列。在一个实施例中，每一像素为互补金属氧化物半导体(“CMOS”)成像像素。如所图解说明，每一像素布置到一行(例如，行R1到Ry)及一列(例如，列C1到Cx)中以获取人、地方或物体的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地方或物体的2D图像。彩色像素阵列505通过使用耦合到所述像素阵列的彩色滤光器阵列(“CFA”)来给每一像素指派色彩。CFA通过将单独原色的滤光器放置于每一像素上来给所述像素指派所述色彩；因此，举例来说，如果像素耦合到蓝色滤光器，那么通常将其称为“蓝色像素”，如果像素耦合到绿色滤光器，那么将其称为“绿色像素”，或如果像素耦合到红色滤光器，那么将其称为“红色像素”。在光子通过某一原色的滤光器而到达像素时，仅所述原色的波长将通过。所有其它波长将被吸收。
在像素阵列505中的每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路550读出且传送到功能逻辑515以用于存储、额外处理等。读出电路550可包含放大电路、模/数(“ADC”)转换电路或其它。功能逻辑515可仅存储所述图像数据或甚至通过应用后图像效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。
控制电路520耦合到像素阵列505以控制彩色像素阵列505的操作特性。举例来说，控制电路520可产生用于控制图像获取的快门信号。
像素阵列中的像素及/或读取电路550中的电路可经设计或调整使得像素阵列中的像素被分组成若干电路块，每一电路块包含与彩色滤光器阵列中的滤光器组200A-200D中的一者相关联的像素。在以此方式分组像素的情况下，仅对应于彩色滤光器阵列内的特定滤光器组的像素可为可个别读取的；换句话说，对应于一个滤光器组的像素可在不必读取对应于另一滤光器组的像素的情况下读取。可在整个像素阵列中读取对应于选定滤光器组的像素，或可在彩色滤光器阵列的不同部分中读取不同像素组，举例来说，此取决于所捕获图像的特性。
图6A-6E图解说明用于读取来自像素阵列(例如像素阵列400)的像素的方法的实施例。图6A是所述方法的流程图，参考图6B-6E来解释所述流程图。所述方法在框602处开始。在框604处，选择来自彩色滤光器阵列的滤光器组来读取，此意指将读取像素阵列中对应于选定滤光器组中的滤光器的像素。在使用滤光器阵列400的图像传感器的实施例中，举例来说，人们可能希望在整个阵列上读取对应于滤光器组200A的像素，如图6B中所展示，但在其它实施例中，人们可能希望读取对应于其它滤光器组中的一者或一者以上的像素，如图6C-6E中所展示。待读取的滤光器组的选择通常将取决于图像传感器正用于的应用。
在框606处，从像素阵列读取在框604处选择的滤光器组。如果选定滤光器组为滤光器组200A，那么所读取的像素展示于图6B中。类似地，如果选定滤光器组为其它滤光器组200B-200D中的一者，那么读取对应于其它滤光器组的像素，如图6C-6E中所展示。在图6B-6E中所图解说明的实施例中，在整个彩色滤光器阵列上读出选定滤光器组，但在其它实施例中，可仅在阵列的一部分上读出选定滤光器组，举例来说，此取决于由图像传感器捕获的图像的特性。
在框608处，方法检查以查看是否将从图像传感器读取任何额外滤光器组。在所图解说明的实施例中，所述方法在选择及读取第一滤光器组之后检查是否将读取额外滤光器组，但在其它实施例中，可在另一时间同时指定待读取的一个或一个以上滤光器组。举例来说，在一个实施例中，可在框604处选择所有待读取的滤光器组。
在一些实施例中，可需要从彩色滤光器阵列读取一个以上滤光器组。可使用来自对应于所读取的一个或一个以上额外滤光器组的像素的数据来补充来自对应于先前选择的滤光器组的像素的像素数据以帮助内插来自不与任何选定滤光器组相关联的其它滤光器组像素的数据以及进行其它此类功能。举例来说，在弱光中，可读取对应于RGB滤光器组200A及RGBC滤光器组200C两者的像素。可使用来自滤光器组200C的RGB像素数据来补充来自滤光器组200A的RGB像素数据，而来自滤光器组200C的透明(C)像素可提供可产生比在弱光条件中仅使用RGB滤光器组200A原本可能实现的图像更清晰的图像的额外亮度信息。在另一实例中，且可使用来自CYYM滤光器组(例如滤光器组200B)的像素数据来帮助完成使用RGB滤光器组(例如滤光器组200A)捕获的图像。
如果在框608处存在更多待读取的滤光器组，那么所述方法转到选择额外滤光器组的框610，其中，且接着返回到框606以读取所述额外滤光器组。如果在框608处不存在待读取的额外滤光器组，那么所述方法继续到框612。
在框612处，针对像素阵列中的每个像素确定像素值。在一个实施例中，对应于选定滤光器组的像素的像素数据或像素值(即，由像素暴露于光而产生的信号)用于那些像素，而对应于未选滤光器组的像素的数据基于内插来确定。在其它实施例中，可通过其它方法(例如代换)来确定像素值。
在框614处，将图像(即，像素阵列中的每个像素的像素数据或像素值)输出到(举例来说)存储器、存储装置或处理器及相关联功能逻辑以用于进一步图像处理。在框616处，所述方法结束。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但如所属领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种等效修改。可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。
所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。
Claims (27)
1.一种用于捕获图像的设备，其包括：
像素阵列，其包含多个像素；
滤光器阵列，其定位于所述像素阵列上，所述滤光器阵列包括多个平铺式最小重复单元，每一最小重复单元包含至少四个经啮合滤光器组，其中每一经啮合滤光器组包含不同于所述最小重复单元中的任何其它经啮合滤光器组的两个或多个滤光器波长的集合，使得所述最小重复单元中没有两个经啮合滤光器组共享滤光器波长的相同集合，且其中当放置于所述滤光器阵列中时，每一滤光器组在其滤光器之间包含空隙间隔以容纳来自另一滤光器组的滤光器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中当放置于所述滤光器阵列中时，每一滤光器组中的所述滤光器不彼此邻接。
3.根据权利要求1所述的设备，其中每一滤光器组包含四个滤光器。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组包含一个红色滤光器、两个绿色滤光器及一个蓝色滤光器。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述红色、绿色及蓝色滤光器布置成拜耳模式。
6.根据权利要求3所述的设备，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组包含青色、洋红色及黄色滤光器。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组包含红色、绿色、蓝色及透明滤光器。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组仅包含透明滤光器。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述最小重复单元包含十六个滤光器。
10.根据权利要求1所述的设备，其中对应于一个滤光器组中的所述滤光器的所述像素可与对应于不同滤光器组中的所述滤光器的所述像素分开地被选择性读出。
11.一种图像传感器，其包括：
像素阵列，其包含多个像素；
滤光器阵列，其定位于所述像素阵列上，所述滤光器阵列包括多个平铺式最小重复单元，每一最小重复单元包含至少四个经啮合滤光器组，其中每一经啮合滤光器组包含不同于所述最小重复单元中的任何其它经啮合滤光器组的两个或多个滤光器波长的集合，使得所述最小重复单元中没有两个经啮合滤光器组共享滤光器波长的相同集合，且其中当放置于所述滤光器阵列中时，每一滤光器组在其滤光器之间包含空隙间隔以容纳来自另一滤光器组的滤光器；
读出电路，其耦合到所述像素阵列；及
功能逻辑，其耦合到所述读出电路。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中每一滤光器组包含四个滤光器。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组包含一个红色滤光器、两个绿色滤光器及一个蓝色滤光器。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组包含青色、洋红色及黄色滤光器。
15.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组包含红色、绿色、蓝色及透明滤光器。
16.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组仅包含透明滤光器。
17.根据权利要求11所述的图像传感器，其中所述最小重复单元包含十六个滤光器。
18.根据权利要求11所述的图像传感器，其中所述读出电路包含若干电路块，通过所述电路块，对应于一个滤光器组中的所述彩色滤光器的像素可与对应于不同滤光器组中的所述彩色滤光器的所述像素分开地被选择性读出。
19.一种用于从像素阵列中的像素读取数据的方法，所述方法包括：
选择最小重复单元中所包含的至少四个经啮合滤光器组中的一者，其中每一经啮合滤光器组包含不同于所述最小重复单元中的任何其它经啮合滤光器组的两个或多个滤光器波长的集合，使得所述最小重复单元中没有两个经啮合滤光器组共享滤光器波长的相同集合，其中当放置于所述滤光器阵列中时，每一滤光器组在其滤光器之间包含空隙间隔以容纳来自另一滤光器组的滤光器，其中多个所述最小重复单元经平铺以形成耦合到所述像素阵列的滤光器阵列；
读取对应于所述选定滤光器组的像素；
确定对应于未选滤光器组的像素的像素数据；及
输出所述整个像素阵列的像素数据。
20.根据权利要求19所述的方法，其中每一滤光器组包含四个滤光器。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组包含一个红色滤光器、两个绿色滤光器及一个蓝色滤光器。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组包含青色、洋红色及黄色滤光器。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组包含红色、绿色、蓝色及透明滤光器。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少四个滤光器组中的一个滤光器组仅包含透明滤光器。
25.根据权利要求19所述的方法，其中读取对应于所述选定滤光器组的像素包括读出对应于所述选定滤光器组在所述滤光器阵列中的每次出现的像素。
26.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括：
选择所述最小重复单元中所包含的一个或一个以上额外滤光器组；
读取所述像素阵列中对应于所述一个或一个以上额外滤光器组的所述像素。
27.根据权利要求26所述的方法，其进一步包括确定对应于未选滤光器组的像素的像素数据。
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