CN105635699A - 用于图像传感装置的色彩滤波阵列及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于一图像传感装置的色彩滤波阵列及其制造方法。所述色彩滤波阵列包括多个像素，用来产生一图像的多个像素数据；其中，每一像素被划分为多个对应于相同像素颜色的子像素；其中，每一像素累加每一像素的所述多个子像素中至少一者的像素值作为每一像素输出的像素数据。

Description

用于图像传感装置的色彩滤波阵列及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于图像传感装置的色彩滤波阵列及其制造方法，尤其涉及一种能够扩大图像传感装置动态范围的色彩滤波阵列及其制造方法。

背景技术

随着科技发展，各种图像传感装置已被大量应用于数字电子商品中，例如扫描器、数字相机、移动电话、个人数字助理等，而目前较为广泛使用的图像传感装置包括互补式金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductors，CMOS)及电荷耦合装置(ChargeCoupledDevice，CCD)。上述图像传感装置都为硅半导体装置，可用来捕捉光能，然后将光能转换成电能，经传输后再次转换为可量测的电压，而得到数字数据。

请参考图1，图1为现有图像传感装置接收的光通量与图像传感装置产生的电压的特征曲线图，其中电压对应于图像传感装置撷取的图像讯息。如图1所示，图像传感装置接收的光通量必须超过一最小光通量LFmin，图像传感装置才可据以转换出可量测的电压。也就是说，在一次图像撷取中，图像传感装置接收的光通量必须超过最小光通量LFmin，图像传感装置才可取得有效的图像资讯。因此，若最小光通量LFmin越小，图像传感装置能够取得亮度越低的图像资讯。

另一方面，当图像传感装置接收的光通量超过一最大光通量LFmax后，图像传感装置都产生一最大电压Vmax。换言之，若图像传感装置在接收两不同亮度的图像资讯时，对应光通量都超过最大光通量LFmax，则图像传感装置都会输出最大电压Vmax，而导致无法分辨图像资讯的亮度差别。因此，最大光通量LFmax越大，图像传感装置才越能分辨亮度较高的图像资讯。因此，现有技术已提供一指标动态范围(DynamicRange，DR)，用来评鉴图像传感装置的亮度分辨情形，即图像传感装置能够辨别所接收的光通量范围的大小，其定义为：

$\mathrm{DR}=20\mathrm{Log}\left(\frac{\mathrm{LF}\max }{\mathrm{LF}\min }\right).$

一般而言，图像传感装置的动态范围越大，所撷取的图像资讯可更真实呈现图像中的明暗差别。因此，如何扩大图像传感装置的动态范围便成为业界亟欲探讨的议题。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提供一种能够扩大图像传感装置动态范围的色彩滤波阵列及其制造方法。

本发明公开一种色彩滤波阵列，用于一图像传感装置，所述色彩滤波阵列包括多个像素，用来产生一图像的多个像素数据；其中，每一像素被划分为多个对应于相同像素颜色的子像素；其中，每一像素累加每一像素的所述多个子像素中至少一者的像素值作为每一像素输出的像素数据。

本发明还公开一种产生一色彩滤波阵列的方法，所述色彩滤波阵列用来产生一图像的多笔像素数据，所述方法包括重复排列一重复样式，以形成包括多个像素的一色彩滤波阵列；以及将所述多个像素中每一像素划分为对应于相同像素颜色的多个子像素；其中，每一像素累加每一像素所述多个子像素中至少一者的像素值，作为每一像素输出的像素数据。

附图说明

图1为现有图像传感装置接收的光通量与图像传感装置产生的一电压的特征曲线图。

图2为本发明实施例一图像传感装置的示意图。

图3为图2所示图像传感装置的色彩滤波阵列中一重复样式的示意图。

图4为图2所示图像传感装置的色彩滤波阵列中另一重复样式的示意图。

图5A、5B为图2所示图像传感装置的色彩滤波阵列中一像素的示意图。

图6为本发明实施例一流程的流程图。

其中，附图标记说明如下：

20图像传感装置

200图像传感模块

202运算模块

204时序控制单元

206列选择单元

208行取样单元

210色彩滤波阵列

60流程

600～606步骤

LFmax最大光通量

P11～Pij、Pnm、P1～P6像素

PD11～PDij像素数据

RP1、RP2重复样式

SP1～SPx、SP1_1～SP1_4、SP2_1～子像素

SP2_4、SP3_1～SP3_4、SP4_1～SP4_4、

SP5_1～SP5_y、SP6_1～SP6_z

TH饱和上限

Vmax最大电压

具体实施方式

在以下所列举的范例实施例中，图像传感装置将色彩滤波阵列中每一像素划分为多个子像素。当图像传感装置撷取图像时，每一像素可通过累加多个子像素中至少一子像素的像素值，取得图像中一像素点的像素数据，从而扩大图像传感装置的动态范围。

请参考图2，图2为本发明实施例一图像传感装置20的示意图。图像传感装置20可为如数字相机、数字摄影机、智慧型手机等具有图像感应功能的电子产品。如图2所示，图像传感装置20包括一图像传感模块200及一运算模块202。图像传感模块200包括一时序控制单元204、一列选择单元206、一行取样单元208及一色彩滤波阵列210，图像传感模块200用来根据一控制讯号CON，撷取对应于一图像IMG的像素数据PD11～PDij。其中，图2所示的色彩滤波阵列200包括像素P11～Pij，而运算模块202用来产生控制讯号CON以控制图像传感模块200，并根据像素数据PD11～PDij进行运算以产生图像IMG。需注意的是，色彩滤波阵列210中像素P11～Pij的每一者都被划分为多个子像素SP1～SPx(图1中仅绘示像素P11为例)。据此，色彩滤波阵列210在输出像素数据PD11～PDij时，可根据像素P11～Pij每一者中的子像素SP1～SPx所感应到的像素值，调整所输出的像素数据PD11～PDij。如此一来，图像传感装置20的动态范围可获得有效的提升。

详细来说，假设色彩滤波阵列210的像素P11～Pij中一像素Pnm未被划分为多个子像素且像素Pnm接收到一最大光通量LFmax时，像素Pnm会产生对应于像素值255(如数字值255)的最大电压Vmax。此外，由于像素Pnm接收到最大光通量LFmax时像素Pnm中电子数量已饱和，因此即使像素Pnm接收到超越最大光通量LFmax的光通量时，像素Pnm也只能产生最大电压Vmax。举例来说，当像素Pnm中接收到光通量LFmax，像素Pnm仅能产生对应于像素值255的最大电压Vmax，因而无法真实呈现实际的亮度差异。在此实施例中，像素Pnm被划分为子像素SP1～SPx，且子像素SP1～SPx与像素Pnm对应于相同的像素颜色。当像素Pnm接收到光通量LFmax时，子像素SP1～SPx分别接收到的光通量为，而子像素SP1～SPx产生的电压所对应的像素值则为LFmax。由于子像素SP1～SPx的数量大于等于2，因此像素Pnm的子像素SP1～SPx所产生的电压对应像素值必定小于像素值255。在此状况下，像素Pnm可选择累加子像素SP1～SPx中至少一个像素值作为输出的像素数据PDnm。举例来说，像素Pnm可仅累加子像素SP1～SPx其中一者，取得像素值作为输出的像素数据PDnm。或者，设计者可定义一饱和上限TH，且使像素Pnm输出的像素数据PDnm小于或等于饱和上限TH。在一实施例中，饱和上限TH可为像素值255。只要像素数据PDnm不超过像素值255，像素Pnm可通过累加子像素SP1～SPx中任意个子像素的像素值来取得像素数据PDnm。如此一来，图像传感装置20的动态范围可获得提升。

请参考图3，图3为图2所示的色彩滤波阵列210中一重复样式RP1的示意图。通过重复排列重复样式RP1，即可取得图2所示的色彩滤波阵列210。需注意的是，图3用来介绍像素间相对的排列位置，而未限制各像素实际的长宽比例。如图3所示，重复样式RP1包括像素P1～P4，像素P1～P4可为图1所示的像素P11～Pij中相邻的像素。像素P2相邻于像素P1的右侧，像素P3相邻于像素P1的下侧，且像素P4相邻于像素P2、P3。像素P1～P4分别对应于红色、绿色、绿色及蓝色。

进一步地，重复样式RP1中像素P1～P4分别被划分为子像素SP1_1～SP1_4、SP2_1～SP2_4、SP3_1～SP3_4、SP4_1～SP4_4。其中，子像素SP1_1～SP1_4相同于像素P1而对应于红色，子像素SP2_1～SP2_4相同于像素P2而对应于绿色，其余以此类推。在此状况下，像素P1～P4可根据子像素SP1_1～SP1_4、SP2_1～SP2_4、SP3_1～SP3_4、SP4_1～SP4_4所感应到的像素值大小，调整像素P1～P4产生的像素数据。

在一实施例中，假设图3所示的像素P1未被划分为子像素SP1_1～SP1_4且像素P1接收到最大光通量LFmax时，像素P1会产生对应于像素值255的最大电压Vmax。并且，即使像素P1接收到超越最大光通量LFmax的光通量也只能产生最大电压Vmax。举例来说，当像素P1接收到光通量LFmax，未被划分的像素P1仅能产生对应于像素值255的最大电压Vmax，进而无法真实呈现实际的亮度差异。相较之下，在此实施例中像素P1被划分为子像素SP1_1～SP1_4，因此当像素P1接收到光通量LFmax时，子像素SP1_1～SP1_4分别接收到光通量LFmax。在此状况下，子像素P1_1～P1_4产生对应于像素值85的电压Vmax。像素P1可选择累加子像素P1_1～P1_4中1～3个像素值作为输出的像素数据。举例来说，像素P1可仅累加子像素SP1_1～SP1_4中一者所产生的像素值，而取得像素值85作为输出的像素数据；或者，像素P1可累加子像素P1_1～P1_4中两者所产生的像素值，而取得像素值170作为输出的像素数据；进一步地，像素P1也可累加子像素P1_1～P1_4中三者所产生的像素值，而取得像素值255作为输出的像素数据。也就是说，在此实施例中，饱和上限TH被定义为对应于最大电压Vmax的像素值255。如此一来，通过重复样式RP1实现的色彩滤波阵列210可使图像传感装置20的动态范围获得有效地提升。

在上述实施例中，在将色彩滤波阵列210的每一像素划分为多个子像素的情况下，色彩滤波阵列210的感度(sensitivity)会因此而些微下降。在一实施例中，通过将每一像素中部份子像素改为对应于具有较高亮度的另一像素颜色(如白色)，色彩滤波阵列210的感度可获得提升。请参考图4，图4为图2所示的色彩滤波阵列210中一重复样式RP2的示意图。图4所示的重复样式RP2类似于图3，因此功能相似的元件沿用相同的符号。相异于图3所示的重复样式RP1，在重复样式RP2中对应于绿色的子像素P2_1、P2_2、P2_4、P3_1、P3_3、P3_4改为对应于白色。据此，子像素P2_1、P2_2、P2_4、P3_1、P3_3、P3_4可接收到较多的光通量，从而加强色彩滤波阵列210的感度。

上述实施例将图像传感装置的色彩滤波阵列中每一像素划分为多个像素，并累加每一像素的多个像素中至少一者的像素值作为像素数据，从而增加图像传感装置的动态范围。根据不同应用及设计理念，本领域具通常知识者应可实施合适的更动及修改。举例来说，图4所示的像素P2、P3中对应于白色的子像素与对应于绿色的子像素间的比例可改为1：1，且不限于此。在另一实施例中，对应于红色及蓝色的子像素也可被改为对应于白色，以强化色彩滤波阵列210的感度。更甚者，色彩滤波阵列210部份的子像素可改为对应于相异于红色、蓝色、绿色、白色的其余合适的像素颜色(如黄色)，也可达成加强色彩滤波阵列210感度的目的。

此外，将像素划分为多个子像素的方式不限于第3、4图所示的分割方式。请参考图5A及图5B，图5A及图5B为图2所示的滤波样式210中一像素的示意图。在图5A中，一像素P5被划分为形成一长条状的子像素SP5_1～SP5_y。而在图5B中，一像素P6被划分为形成一长方形状的子像素SP6_11～SP6_2z。根据不同设计理念，将像素划分为多个子像素的方式可被合适的更动及修改。

上述实施例中形成图2所示的滤波样式210的方法可被归纳为一流程60，如图6所示。流程60用来产生用于图像传感装置且具有大动态范围的色彩滤波阵列，且包括以下步骤：

步骤600：开始。

步骤602：重复排列一重复样式，以形成一色彩滤波阵列。

步骤604：将所述色彩滤波阵列中每一像素划分为多个子像素。

步骤606：结束。

根据流程60，色彩滤波阵列中每一像素都被划分为多个子像素。据此，在色彩滤波阵列产生像素数据时，每一像素可根据多个子像素所感应到的像素值，调整输出的像素数据，从而提升图像传感装置的动态范围。流程50的详细运作过程可参照前述，为求简洁，在此不赘述。

综上所述，上述实施例通过将图像传感装置的色彩滤波阵列中每一像素划分为对应于同一像素颜色的多个像素，以累加每一像素的多个像素中至少一者的像素值作为像素数据。在此状况下，图像传感装置的动态范围可获得有效地提升。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种用于图像传感装置的色彩滤波阵列，包括：

多个像素，用来产生一图像的多个像素数据；

其中，所述多个像素中的每一像素被划分为多个对应于相同像素颜色的子像素；

其中，所述多个像素中的每一像素累加每一像素的所述多个子像素中至少一者的像素值作为每一像素输出的像素数据。

2.如权利要求1所述的色彩滤波阵列，其特征在于：每一像素输出的像素数据小于或等于一饱和上限。

3.如权利要求1所述的色彩滤波阵列，其特征在于：一第一像素的多个子像素对应于一第一像素颜色，且所述第一像素的多个子像素中至少一者被改为对应于一第二像素颜色。

4.如权利要求3所述的色彩滤波阵列，其特征在于：所述第二像素颜色为白色。

5.如权利要求1所述的色彩滤波阵列，其特征在于：每一像素的所述多个子像素排列为一长条状。

6.如权利要求1所述的色彩滤波阵列，其特征在于：每一像素的所述多个子像素排列为一矩形。

7.如权利要求1所述的色彩滤波阵列，其特征在于：还包括：

多个重复样式，所述多个重复样式中每一重复样式包括所述多个像素中一第一像素、一第二像素、一第三像素及一第四像素；

其中，所述第二像素相邻于所述第一像素的一第一侧，所述第三像素相邻于所述第一像素的一第二侧，且所述第四像素相邻于所述第二像素及所述第三像素；

其中，所述第一像素、所述第二像素、所述第三像素及所述第四像素分别对应于一第一像素颜色、一第二像素颜色、所述第二像素颜色及一第三像素颜色。

8.如权利要求7所述的色彩滤波阵列，其特征在于：所述第一像素颜色、所述第二像素颜色及所述第三像素颜色分别为红色、绿色、蓝色。

9.一种用于图像传感装置的色彩滤波阵列的制造方法，所述色彩滤波阵列用来产生一图像的多笔像素数据，所述方法包括：

重复排列一重复样式，以形成包括多个像素的一色彩滤波阵列；以及将所述多个像素中每一像素划分为对应于相同像素颜色的多个子像素；

其中，每一像素累加每一像素的所述多个子像素中至少一者的像素值，作为每一像素输出的像素数据。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：每一像素输出的像素数据小于或等于一饱和上限。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：还包括：

将一第一像素中对应于一第一像素颜色的多个子像素中至少一者改为对应于一第二像素颜色。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第二像素颜色为白色。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于：每一像素的所述多个子像素排列为一长条状。

14.如权利要求9所述的方法，其特征在于：每一像素的所述多个子像素排列为一矩形。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述重复样式包括所述多个像素中一第一像素、一第二像素、一第三像素及一第四像素；所述第二像素相邻于所述第一像素的一第一侧，所述第三像素相邻于所述第一像素的一第二侧，且所述第四像素相邻于所述第二像素及所述第三像素；且所述第一像素、所述第二像素、所述第三像素及所述第四像素分别对应于一第一像素颜色、一第二像素颜色、所述第二像素颜色及一第三像素颜色。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于：所述第一像素颜色、所述第二像素颜色及所述第三像素颜色分别为红色、绿色、蓝色。