CN105245765A - 图像传感阵列及其排布方法、图像采集部件、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感阵列的排布方法，所述方法包括：将M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中，所述非标准矩形的像素阵列与对应的镜头的光学畸变匹配一致，其中所述非标准矩形的像素阵列是指非标准矩形的四条边为曲线，所述M、N为大于等于1的整数。本发明同时还公开了一种图像传感阵列、图像采集部件、电子设备。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术，尤其涉及一种图像传感阵列及其排布方法、图像采集部件、电子设备。
背景技术
目前，拍照功能是电子设备如手机、平板电脑等必备的功能之一，用于实现拍照功能的图像采集部件如摄像头(camera)也成为电子设备上必备的功能部件之一。图像采集部件主要包括镜头(Lens)、图像传感器、模拟/数字(A/D，Analog/Digital)转换器和数字信号处理芯片(DSP)。其中：
镜头是由透镜组成的，透镜自身的结构导致成像上会有一些缺陷，例如，透镜是圆的，而且是中心厚边缘薄，透镜的这种结构会给成像带来畸变问题。图1-1为相关技术中透镜的成像效果示意图，如图1-1所示，一个正方形21经过透镜11以后会有一个成像22，原本是正方形的图形21经过透镜11却发生了畸变，由于成像22的四条边已不再是直线，而且相邻的两条边也已经不是直角，因此，成像22已经不是一个正方形。
另外，透镜的上述结构还会带来的另一个问题就是相对照度不均匀，入射光经过透镜后，光线会发生聚合，从而位于透镜中心的拍摄对象经过透镜后的成像的清晰度要高一些，而位于透镜边缘的拍摄对象经过透镜后的成像的清晰度则要低一些。
从以上描述可知，现有技术中，图像采集部件会带来畸变问题和相对照度不均匀的问题，而且畸变问题和相对照度不均匀的问题是由透镜的自身的结构带来的。如何消除畸变问题和相对照度不均匀的问题，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例为解决现有技术中存在的问题而提供一种图像传感阵列及其排布方法、图像采集部件、电子设备，能够解决图像采集部件会带来畸变问题和相对照度不均匀的问题。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种图像传感阵列的排布方法，所述方法包括：
将M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中，所述非标准矩形的像素阵列与对应的镜头的光学畸变匹配一致，其中所述非标准矩形的像素阵列是指非标准矩形的四条边为曲线，所述M、N为大于等于1的整数。
在本发明的一种实施例中，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。
第二方面，本发明实施例提供一种图像传感阵列，所述图像传感阵列包括M×N个图像传感器，其中所述M、N为大于等于1的整数；
所述M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中所述非标准矩形的像素阵列是指，非标准矩形的四条边为曲线；
所述非标准矩形的像素阵列与对应的镜头的光学畸变匹配一致。
在本发明的一种实施例中，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。
第三方面，本发明实施例提供一种图像采集部件，所述图像采集部件包括图像传感阵列和镜头，其中：
所述镜头采用透镜组成；
所述图像传感阵列包括M×N个图像传感器，其中所述M、N为大于等于1的整数：
所述M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中所述非标准矩形的像素阵列是指，非标准矩形的四条边为曲线；
所述非标准矩形的像素阵列与所述镜头的光学畸变匹配一致。
在本发明的一种实施例中，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。
在本发明的一种实施例中，所述图像采集部件还包括模数转换器，其中：
所述镜头，用于接收经景物反射的入射光，所述入射光经过镜头后成为出射光；
所述图像传感阵列，用于接收来自镜头的出射光，并按照所述出射光的强度转化成相应比例的电荷，形成模拟信号的电流值；
所述模数转换器，用于将所述图像传感器输出的模拟信号的电流转换成数字信号的电流值。
第四方面，本发明实施例提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器、显示屏和图像采集部件，其中：
所述图像采集部件包括图像传感阵列、镜头和模数转换器，其中：
所述镜头采用透镜组成，用于接收经景物反射的入射光，所述入射光经过镜头后成为出射光；
所述图像传感阵列，包括M×N个图像传感器，其中所述M、N为大于等于1的整数：所述M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中所述非标准矩形的像素阵列是指，非标准矩形的四条边为曲线；所述非标准矩形的像素阵列与所述镜头的光学畸变匹配一致；
所述图像传感阵列，用于接收来自镜头的出射光，并按照所述出射光的强度转化成相应比例的电荷，形成模拟信号的电流值；
所述模数转换器，用于将所述图像传感器输出的模拟信号的电流转换成数字信号的电流值，所述数字信号的电流值形成图像；
所述处理器，用于将所述图像显示在所述显示屏上；
所述显示屏，用于显示所述图像。
在本发明的一种实施例中，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。
本发明实施例提供的图像传感阵列及其排布方法、图像采集部件、电子设备，其中，将M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中，所述非标准矩形的像素阵列与对应的镜头的光学畸变匹配一致，其中所述非标准矩形的像素阵列是指非标准矩形的四条边为曲线，所述M、N为大于等于1的整数；如此，能够解决图像采集部件会带来畸变问题和相对照度不均匀的问题。
附图说明
图1-1为相关技术中透镜的成像效果示意图；
图1-2为本发明实施例一图像传感阵列的组成结构示意图；
图1-3为相关技术中的像素阵列的示意图；
图1-4为本发明实施例提供的像素阵列的示意图；
图2-1为本发明实施例二图像采集部件的组成结构示意图一；
图2-2为本发明实施例二图像采集部件的组成结构示意图二；
图3为本发明实施例三电子设备的组成结构示意图；
图4-1为本发明实施例中像素阵列与镜头畸变的匹配过程示意图；
图4-2为本发明与现有技术在RI方面的比较示意图；
图4-3为本发明与现有技术在MTF方面的比较示意图；
图4-4为本发明实施例像素阵列输出的照片的示意图。
具体实施方式
从背景技术可知，上述的畸变问题和相对照度不均匀的问题是由透镜的自身的结构带来的。只要镜头采用透镜来实现，上述的问题依赖于透镜是没有办法消除的。但是，人们要得到的照片确是经过图像传感器的光电转换后输出的图像，如果成像能够经过图像传感器进行校正，那么上述的两个问题就有可能进行消除。
先来看一下现有的图像传感器，现有技术中，图像传感器几乎都是采用矩阵式像素排列且每个像素的尺寸是一样的。图像传感器的上述结构和排列方式导致不能解决用于成像的镜头带来问题，其中镜头带来的问题包括：
1)图像畸变(Distortion)，无论如何对镜头进行设计，都不可能完全解决图像畸变的问题。
2)相对照度(RI)，阴影现在也成为像素越来越小的图像传感器的一个性能问题，由于通过镜头后的光线到达图像传感器的不同位置的光线量不等，角度也不同，这样会呈现出从中心到边角部分照度衰减的现象，越小的像素尺寸，阴影现象越为明显。
3)调制传递函数(MTF，ModulationTransferFunction)是用于描述清晰度的一个重要参数，传统光学设计的清晰度也是呈现出从中心到边角逐渐衰减的过程，做到整个画面的清晰程度一致性好非常的困难。
下面先来介绍一下图像采集器件的组成结构，图像采集器件一般包括镜头(Lens)、图像传感器、模拟/数字(A/D，Analog/Digital)转换器和数字信号处理芯片(DSP)。图像采集器件的工作原理大致为：在启动摄像头之后，被景物反射的光线传播到镜头，通过镜头生成的光学图像被投射到图像传感器表面上，图像传感器根据光的强弱积聚相应的电荷，即将光信号转换为模拟的电信号，经过A/D转换后变为数字的电信号，再通过数字信号处理芯片处理即成为用户在显示器上看到的图像。其中，
镜头是由透镜组成，镜头按照材质一般分为玻璃镜片和塑料镜片，目前主流的镜头为五层玻璃镜头；玻璃镜头能获得比塑料镜头更清晰的影像。这是因为光线穿过普通玻璃镜片通常只有5％～9％的光损失，而塑料镜片的光损失高达11％～20％。有些镜头还采用了多层光学镀膜技术，有效减少了光的折射并过滤杂波，提高了通光率，从而获得更清晰影像。另外，镜头还有一个重要的参数那就是光圈，通过调整光圈可以控制通过镜头到达传感器的光线的多少，除了控制通光量，光圈还具有控制景深的功能，即光圈越大，则景深越小。
图像传感器一般包括CCD和CMOS两种，其中，附加金属氧化物半导体组件(CMOS，ComplementaryMetal-OxideSemiconductor)的优点是集成度高、功耗低(不到CCD的1/3)、成本低。但是CMOS的噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。电荷耦合组件(CCD，ChargeCoupledDevice)可分为线阵CCD、三线CCD、面阵CCD和交织传输CCD。CCD就像人的视网膜，是图像采集器件的核心。CCD为一种半导体芯片，其表面包含有几十万到几百万的光电二极管，当光电二极管受到光照射时，光电二极管就会产生电荷。CCD的优点是：灵敏度高、噪音小、信噪比大，但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。在相同像素下，CCD的成像往往通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好。CCD是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。
DSP芯片一般包括镜像信号处理器(ISP，imagesignalprocessor)和JPEG图像解码器(JPEGencoder)，有些DSP芯片还包括USB设备控制器(USBdevicecontroller)。
基于前述的描述，本发明实施例将提供一种图像采集部件，将通过改变现有技术中图像传感器的大小以及排布方式，来消除透镜所带来的图像的畸变问题和相对照度不均匀的问题。
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。
实施例一
基于前述的描述，本发明实施例将提供一种图像传感阵列，图1-2为本发明实施例一图像传感阵列的组成结构示意图，如图1-2所示，该图像传感阵列包括M×N个图像传感器，其中所述M、N为大于等于1的整数；
所述M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中所述非标准矩形的像素阵列是指非标准矩形的四条边为曲线；
所述非标准矩形的像素阵列与对应的镜头的光学畸变匹配一致。
现有技术中，像素阵列上的像素尺寸的大小是一致的，因此，当排成一行或一列的像素的一条边对齐后，那么这些排成一行或一列的像素的另一条边也是对齐的，如图1-3的a至c图所示，图1-3的a图示出了相关技术中的像素阵列，其中像素阵列中的每一小矩形表示一个像素S，由于像素S本身就是一个小矩形，当这些像素的第一条边对齐后，那么像素的第二条边也是对齐的，其中第二条边与第一条边是相对的。如图1-3的b图，第一像素s1的第一条边s11和第二像素s2的第二条边s21对齐后，自然地，第一像素s1的第一条边s12和第二像素s2的第二条边s22也是对齐的。如此，第一像素s1至第八像素s8可以排列成规则的行h1。
与现有技术相比，本发明实施例提供的像素阵列上的像素尺寸并不一致，图1-4示出了一个6×6非标准矩形的像素阵列，该6×6非标准矩形的像素阵列一共包括7条由列组成的列边c1至c7，7条由行组成的横边L1至L7，其中：c1至c7均可以为具有一定弧度的曲线，其中，c1至c3弯向第一方向，c4至c7弯向第二方向，其中第一方向和第二方向为相反的方向，例如，c1至c3弯向左边，c4至c7弯向右边；L1至L7均可以为具有一定弧度的曲线，其中，L1至L3弯向第三方向，L4至L7弯向第四方向，其中第三方向和第四方向为相反的方向，例如，L1至L3弯向左边，L4至L7弯向右边。作为一种优选的实施例，7条横边中的L4可以为竖直的边和7条边中的c4可以为横直的边。
本发明实施例中，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。图1-4示出了一个6×6非标准矩形的像素阵列，该6×6非标准矩形的像素阵列一共包括36个像素，其中位于矩阵中心的四个像素([3,3]、[4,3]、[3,4]、[4,4])的尺寸最小，最外围的四个像素([1,1]、[1,6]、[6,1]、[6,6])的尺寸最大。方括号[x,y]表示像素的坐标，其中x表示横坐标，而y表示纵坐标，由于6×6非标准矩形的像素阵列一共包括36个像素，因此，x的取值范围为1至6，y的取值范围为1至6，x和y均为整数。
一般来说，透镜上透镜是对称的，由于非标准矩形的像素阵列与对应的镜头的光学畸变匹配一致，因此，像素矩阵一般也具有对称性，以图1-4为例，位于矩阵中心的四个像素([3,3]、[4,3]、[3,4]、[4,4])的尺寸一样大，最外围的四个像素([1,1]、[1,6]、[6,1]、[6,6])的尺寸也一样大。
在图1-2中，图像传感阵列上的每一个小方块都代表一个图像传感器。图1-2中是以三原色为例，可以理解的，每一种颜色可以代表一种类型的图像传感器。
基于前述的实施例，本发明实施例再提供一种图像传感阵列的排布方法，该方法包括：
将M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中，所述非标准矩形的像素阵列与对应的镜头的光学畸变匹配一致，其中所述非标准矩形的像素阵列是指非标准矩形的四条边为曲线，所述M、N为大于等于1的整数。
本发明实施例中，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。
本发明实施例提供的新式的像素矩阵采用非标准矩形的像素阵列排列方式，且每个像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大；整个像素矩阵的形状与镜头的光学畸变匹配一致；如此，本发明实施例提供的技术方案，实现从成像上和感应上成像形状的配合，输出时再按照当前的矩阵式输出，最后合成的矩形画面自然实现校正畸变的功能。
除此之外，像素尺寸从中心到边角的递增，在感应上边角像素能够捕捉更多的光线，用以弥补镜头周边进光量更低的问题和周边成像更模糊的问题，以提升像素矩阵边角上的RI和MTF。从以上描述可以看出，本发明实施例提供的技术方案具有如下优点：1)能够输出自然校正后的无畸变的照片；2)能够有效提升光学系统RI；3)能够提升光学系统边角的MTF。
实施例二
基于前述的实施例一，本发明实施例提供一种图像采集部件，图2-1为本发明实施例二图像采集部件的组成结构示意图，如图2-1所示，该图像采集部件200包括图像传感阵列201和镜头202，其中：
所述镜头202采用透镜组成；
所述图像传感阵列201包括M×N个图像传感器，其中所述M、N为大于等于1的整数；
所述M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中所述非标准矩形的像素阵列是指，非标准矩形的四条边为曲线(参见图1-2所示)；
所述非标准矩形的像素阵列与所述镜头的光学畸变匹配一致。
本发明实施例中，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。
本发明实施例中，如图2-2所示，所述图像采集部件还包括模数转换器204，其中：
所述镜头，用于接收经景物反射的入射光，所述入射光经过镜头后成为出射光；
所述图像传感阵列，用于接收来自镜头的出射光，并按照所述出射光的强度转化成相应比例的电荷，形成模拟信号的电流值；
所述模数转换器，用于将所述图像传感器输出的模拟信号的电流转换成数字信号的电流值。
如图2-2所示，被景物反射的光线传播到镜头202，通过镜头生成的光学图像被投射到图像传感器201表面上，图像传感器上的光电二极管根据光的强弱积聚相应的电荷，即将光信号转换为模拟的电信号，经过A/D转换器2047的转换后变为数字的电信号，其中，在镜头202与图像传感器201之间还设置有滤色片202，滤色片202一般采用三原色(RGB，其中R表示红色、G表示绿色，B表示蓝色)来表示彩色图像。
实施例三
基于前述的实施例，本发明实施例再提供一种电子设备，图3为本发明实施例三电子设备的组成结构示意图，如图3所示，所述电子设备300包括处理器301、显示屏302和图像采集部件200，其中：
所述图像采集部件200包括图像传感阵列201、镜头202和模数转换器204，其中：
所述镜头202采用透镜组成，用于接收经景物反射的入射光，所述入射光经过镜头后成为出射光；
所述图像传感阵列201，包括M×N个图像传感器，其中所述M、N为大于等于1的整数：所述M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中所述非标准矩形的像素阵列是指，非标准矩形的四条边为曲线；所述非标准矩形的像素阵列与所述镜头的光学畸变匹配一致；
所述图像传感阵列201，用于接收来自镜头的出射光，并按照所述出射光的强度转化成相应比例的电荷，形成模拟信号的电流值；
所述模数转换器204，用于将所述图像传感器输出的模拟信号的电流转换成数字信号的电流值，所述数字信号的电流值形成图像；
所述处理器301，用于将所述图像显示在所述显示屏上；
所述显示屏302，用于显示所述图像。
本发明实施例中，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。
实施例四
以上实施例提供的技术方案，能够有效地改善电子设备中光学系统，具体地，能够改变光学系统中镜头对畸变的限制，以获得最优的MTF和RI设计，不过像素阵列自身的形状大小要匹配镜头的畸变。图4-1示出了像素阵列与镜头畸变的匹配过程，如图4-1所示，一个正方形经过透镜以后会有一个成像，而成像与像素阵列匹配一致，其中镜头见图4-1中的a图，正方形的成像见图4-1中的b图，像素阵列见图4-1中的c图。
由于像素阵列中像素尺寸的大小从中心往周边呈递增，因此可捕捉的光线也从中心往外递增的趋势，正好可以弥补一定镜头由于阴影等原因造成的周边越来越暗的现象，从而防止后期需要使用较强的ISP处理弥补造成的边角(corner)过大噪音(noise)的问题。
图4-2和图4-3示出了本发明与现有技术在RI和MTF方面的差异性，其中虚线42和虚线52代表现有技术，而实线41和51代表本发明，从图4-2和图4-3可以看出，本发明实施例提供的技术方案在RI和MTF方面，都远优于现有技术。由于像素出差的递增随着市场的增大，相应空间频率递减，对镜头中成像点的弥散斑大小要求降低，这样MTF值下降趋势得到有效控制。可见，本发明实施例提供的技术方案能够非常有效地提升光学阴影(shading)和分辨率。
图4-4示出了本发明实施例像素矩阵输出的图像的示意图，如图4-4所示，一个正方形21经过透镜11以后会有一个成像22，原本是正方形的图形21经过透镜11却发生了畸变，由于成像22的四条边已不再是直线，而且相邻的两条边也已经不是直角，因此，成像22已经不是一个正方形。但是成像22经过本发明实施例提供的像素矩阵输出后的照片，仍然是一个正方形；如此，可见，像素矩阵的输出图像能够对镜头的畸变进行矫正。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种图像传感阵列的排布方法，其特征在于，所述方法包括：
将M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中，所述非标准矩形的像素阵列与对应的镜头的光学畸变匹配一致，其中所述非标准矩形的像素阵列是指非标准矩形的四条边为曲线，所述M、N为大于等于1的整数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。
3.一种图像传感阵列，其特征在于，所述图像传感阵列包括M×N个图像传感器，其中所述M、N为大于等于1的整数；
所述M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中所述非标准矩形的像素阵列是指，非标准矩形的四条边为曲线；
所述非标准矩形的像素阵列与对应的镜头的光学畸变匹配一致。
4.根据权利要求3所述的图像传感阵列，其特征在于，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。
5.一种图像采集部件，其特征在于，所述图像采集部件包括图像传感阵列和镜头，其中：
所述镜头采用透镜组成；
所述图像传感阵列包括M×N个图像传感器，其中所述M、N为大于等于1的整数：
所述M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中所述非标准矩形的像素阵列是指，非标准矩形的四条边为曲线；
所述非标准矩形的像素阵列与所述镜头的光学畸变匹配一致。
6.根据权利要求5所述的图像采集部件，其特征在于，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。
7.根据权利要求5或6所述的图像采集部件，其特征在于，所述图像采集部件还包括模数转换器，其中：
所述镜头，用于接收经景物反射的入射光，所述入射光经过镜头后成为出射光；
所述图像传感阵列，用于接收来自镜头的出射光，并按照所述出射光的强度转化成相应比例的电荷，形成模拟信号的电流值；
所述模数转换器，用于将所述图像传感器输出的模拟信号的电流转换成数字信号的电流值。
8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器、显示屏和图像采集部件，其中：
所述图像采集部件包括图像传感阵列、镜头和模数转换器，其中：
所述镜头采用透镜组成，用于接收经景物反射的入射光，所述入射光经过镜头后成为出射光；
所述图像传感阵列，包括M×N个图像传感器，其中所述M、N为大于等于1的整数：所述M×N个图像传感器形成M行N列的非标准矩形的像素阵列，其中所述非标准矩形的像素阵列是指，非标准矩形的四条边为曲线；所述非标准矩形的像素阵列与所述镜头的光学畸变匹配一致；
所述图像传感阵列，用于接收来自镜头的出射光，并按照所述出射光的强度转化成相应比例的电荷，形成模拟信号的电流值；
所述模数转换器，用于将所述图像传感器输出的模拟信号的电流转换成数字信号的电流值，所述数字信号的电流值形成图像；
所述处理器，用于将所述图像显示在所述显示屏上；
所述显示屏，用于显示所述图像。
9.根据权利要求8所述的电子设备，其特征在于，所述非标准矩形的像素阵列上的像素尺寸呈从中心到边角逐渐增大。
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