CN106713878A - 一种新型图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型图像传感器，包括彩色滤光元件和负滤光片，所述彩色滤光元件包括按照阵列排布的红色滤光单元、绿色滤光单元和蓝色滤光单元，所述负滤光片的具有高反射率的光谱范围为630～810nm，所述负滤光片与所述彩色滤光元件平行设置。通过负滤光片过滤掉630～810nm范围内的红色光子值、绿色光子值和蓝色光子值，从而使得到的红色值、绿色值和蓝色值对频谱的反射率基本一致，且减少亮度对红色光子值的影响，使色彩还原效果更好。

Description

一种新型图像传感器

技术领域

本发明涉及图像成像技术领域，特别涉及一种新型图像传感器。

背景技术

可以获取彩色图像的图像传感器通常从外到内依次包括透镜、彩色滤光单元和感光单元，外部的光线经透镜到达彩色滤光单元，再到达感光单元，其中，彩色滤光单元上通常设有红色(R)滤光单元、绿色(G)滤光单元和蓝色(B)滤光单元。人眼一般能够感知到的电磁波的波长在400～760nm，这部分频谱范围内的光属于可见光，但现有的彩色图像传感器中的红色滤光单元、绿色滤光单元和蓝色滤光单元均可透过不可见光，具体的，现有的红色滤光单元、绿色滤光单元、蓝色滤光单元对不同电磁波的透过率曲线见图1中的曲线3、曲线2、曲线1所示，横坐标代表波长，单位为nm，纵坐标代表光透过率，单位为％。由图1可以看出，在可见光范围内均有红色、绿色和蓝色，红色、绿色、蓝色在不可见光范围内也有超过760nm的近红外光谱，只是通常人们能感知到的红色、绿色和蓝色是在可见光范围内的红色、绿色和蓝色。在白天，利用现有的彩色滤光单元可以获取到彩色图像。但是在极微弱光环境下，由于红色、绿色和蓝色光子相对减少，当R、G、B光子数少于图像传感器的灵敏度阈值时，现有的彩色图像传感器将无法获取到彩色图像。

公开号为CN202815393U的中国发明专利公开了一种图像采集设备及其滤光片装置和滤光片切换装置，包括红外截止滤光片、全通滤光片、偏正光滤光片、滤光片窗口、驱动机构和移动滑轨，移动滑轨承载红外截止滤光片、全通滤光片和偏正光滤光片，驱动机构与移动滑轨连接，驱动移动滑轨移动，使得承载在移动滑轨上的红外截止滤光片、全通滤光片或者偏正光滤光片移动到滤光片窗口位置处，切换到滤光片窗口位置的滤光片为当前摄像机采集图像时使用的滤光片类型。在透镜、彩色滤光单元和感光单元的基础上增加了红外截止滤光片、全通滤光片或者偏正光滤光片，使用时，当光源强度大于光源上限值，使用偏正光滤光片，当光源强度小于光源下限值，使用全通滤光片，当光源强度处于光源下限值与光源上限值之间，使用红外截止滤光片，根据光源情况自动进行不同滤光片的切换，降低了图像采集设备发生过曝的几率，虽然可以保持图像较好的色彩饱和度，但是结构较为复杂，成本较高，而且在极微弱光情况下，由于切换成全通滤光片，因此无法实现彩色成像；另外，当使用红外截止滤光片时可以得到接近于人眼看到的红色值、绿色值和蓝色值，因为将红外频谱范围内的光子过滤掉了，当不使用红外截止滤光片时，得到的红色值、绿色值和蓝色值是包含可见光和红外两个频谱范围内的红色值、绿色值和蓝色值，彩色图像不真实。

公开号为CN104735427B的中国发明专利公开了一种图像传感器，保留了现有的拜耳格式的可见光感光单元，在边缘区域增加了红外感光单元，不需要额外使用红外截止滤光片，只需要一片可见光和红外光都可以通过的双通滤光片来使白天的颜色准确性更好，增加夜间亮度。在该专利中引入了红外感光单元，红外光属于不可见光，近红外(NIR)滤光单元对不同电磁波的反射率曲线见图2所示，该专利将红外感光单元设置在可见光感光单元的边缘区域，虽然可以增加白天颜色的准确性，增加夜晚的亮度，但是由于红外线感光单元本身分布区域较小，距离又较远，透光性不高，因此对白天颜色的准确性提高有限，仅能增加可见光感光单元边缘区域的亮度，对夜晚图像的亮度增加有限，而且IR感光单元分布在边缘区域，只能感光而无法成像，所以在极微弱光情况下无法实现彩色成像。

另外，现有的彩色图像传感器中，为了获取极微弱光情况下的图像，需要采用W滤光片，即全通滤光单元，将近红外光(NIR)也收入感光单元中。例如，公开号为CN105340079A的PCT进入中国的发明专利公开了一种背面照射型图像传感器、成像装置和电子设备，该专利的说明书图9中在彩色滤光单元中还设置有白色(W)滤光片的图像传感器，这样可以增大彩色滤光单元的透光率，提高彩色滤光单元的灵敏度，白色滤光片的比例越高，图像传感器的灵敏度越高，但是该种类型的图像传感器也仅能在白天获得彩色图像，在极微弱光情况下，虽然白色(W)滤光片能感知近红外光(NIR)，具有一定的微弱光探测灵敏度，但是此感光单元不仅感应可见光，而且感应近红外光，所以不能还原出色彩数值，因此也无法实现极微弱光的彩色成像。

再者，参见图1，现有的彩色图像传感器中，红色在接近于不可见光部分仍有大量光子存在，实际上这一光谱范围的光会因为光太强而影响色彩的还原。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型图像传感器，使彩色图像的色彩还原效果更好。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种新型图像传感器，包括彩色滤光元件和负滤光片，所述彩色滤光元件包括按照阵列排布的红色滤光单元、绿色滤光单元和蓝色滤光单元，所述负滤光片的具有高反射率的光谱范围为630～810nm，所述负滤光片与所述彩色滤光元件平行设置。

本发明的有益效果在于：从图1的三条曲线可以看出，在630～810nm频谱范围内，红色、绿色和蓝色对光的反射率差别较大，红色在该频谱范围内的反射率较小，绿色和蓝色在高频谱范围内的反射率较大，设置对该频谱范围具有高反射率的负滤光片，使红色、绿色和蓝色对光子的反射率基本一致，另外，在630～810nm频谱范围内，其中一部分频谱接近于近红外部分，一部分频谱属于近红外部分，该频谱范围内光亮度较高，会影响红色的色彩还原，因此，将该630～810nm频谱范围内的光子均过滤掉，使红色、绿色和蓝色均具有较好的色彩还原性，得到的彩色图像色彩饱和度更好。

附图说明

图1为红色滤光单元、绿色滤光单元、蓝色滤光单元对不同频率电磁波的透过率曲线；

图2为近红外滤光单元对不同电磁波的反射率曲线；

图3为本发明实施例的负滤光片对不同频率电磁波的透过率曲线；

图4为本发明实施例的彩色滤光元件的排列方式示意图。

图中标号说明：

曲线1是指蓝色滤光单元对不同频率电磁波的透过率曲线；

曲线2是指绿色滤光单元对不同频率电磁波的透过率曲线；

曲线3是指红色滤光单元对不同频率电磁波的透过率曲线。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：通过设置负滤光片，使彩色滤光元件中的红色、绿色和蓝色在可见光和近红外频谱范围内的光谱响应效率基本一致，使图像传感器的色彩还原效果好。

本发明涉及的技术术语解释见表1:

表1

请参照图3和图4，本发明提供了一种新型图像传感器，包括彩色滤光元件和负滤光片，所述彩色滤光元件包括按照阵列排布的红色滤光单元、绿色滤光单元和蓝色滤光单元，所述负滤光片的具有高反射率的光谱范围为630～810nm，所述负滤光片与所述彩色滤光元件平行设置。

优选地，所述负滤光片的具有高反射率的光谱范围的左端点为630、631、632、633、634、635、636、637、638、639、640、641、642、643、644、645、646、647、648、649、650、651、652、653、654、655、656、657、658、659、660、661、662、663、664、665、666、667、668、669、670、671、672、673、674、675、676、677、678、679、680中的任意一个，右端点为750、751、752、753、754、755、756、757、758、759、760、761、762、763、764、765、766、767、768、769、780、781、782、783、784、785、786、787、788、789、790、791、792、793、794、795、796、797、798、799、800、801、802、803、804、805、806、807、808、809、810中的任意一个。

优选地，所述负滤光片的具有高反射率的光谱范围为660～780nm。

由上述描述可知，将光谱范围为660～780nm的红色、蓝色和绿色值均过滤掉，对绿色和蓝色的影响较小，对红色来说，虽然减少光亮度对红色光子值的影响，但是对图像真实度的影响较小，可以忽略影响。

进一步的，所述彩色滤光元件的每个阵列中还包括近红外滤光单元。

由上述描述可知，通过在彩色滤光元件中增加近红外滤光单元(NIR)，使图像传感器可以获取到图像中的像素点对应的近红外值，又由于通过红色滤光单元(R)、绿色滤光单元(G)、蓝色滤光单元(B)得到的红色值、绿色值和蓝色值中包含有近红外部分的红色值、绿色值、蓝色值，这三种颜色在近红外频谱范围内对光子值的透过率曲线见图1中曲线3、曲线2、曲线1在760nm后的部分，可以看出，红色、绿色和蓝色在760nm后对光子的透过率接近于100％，而760～1000nm，范围属于近红外频谱范围，对近红外光子的透过率也为100％，因此，可以用近红外滤光单元(NIR)得到的近红外值，来校正图像中的红色值、绿色值和蓝色值，使得到接近于人眼部分(可见光部分)的红色值、绿色值和蓝色值，从而使彩色图像中的颜色更加真实，并且不管在明场还是极微弱光情况下，均可得到红色值、绿色值和蓝色值，即均可还原出彩色图像；四种滤光单元按照阵列排布，使在每个阵列中均可得到红色值、绿色值、蓝色值和近红外值，从而使彩色图像成像较为准确。

进一步的，所述彩色滤光元件的每个阵列中还包括近红外滤光单元和全通单元。

由上述描述可知，通过近红外滤光单元来校正得到接近于人眼看到的红色值、绿色值和蓝色值，通过全通单元使图像传感器具有较好的透光性，提高其在明场或者极微弱光下图像的透光性和灵敏度，在图像还原的过程中，红色值、绿色值、蓝色值合成为图像成像时的彩色通道图像，近红外值和全通光子值合成为图像成像时的亮度通道图像，彩色通道图像与亮度通道图像再叠加合成为一个整体图像输出，从而使最终获得的彩色图像色彩更加清晰，亮度更好。

进一步的，还包括感光元件，所述感光元件位于所述彩色滤光元件的后方，所述负滤光片位于所述感光元件的前方，所述彩色滤光元件、负滤光片和感光元件的中心在一条直线上。

由上述描述可知，感光元件位于彩色滤光元件的后方，用于感应彩色滤光元件上每个滤光单元对应的光子值。

进一步的，所述负滤光片位于所述彩色滤光元件和所述感光元件之间，或者位于所述彩色滤光元件之前，或者以镀膜的方式集成在所述彩色滤光元件上。

由上述描述可知，负滤光片可以单独存在，位于彩色滤光元件之前或者之后，也可以以镀膜的方式集成在彩色滤光元件上，结构合理。

进一步的，还包括镜头，所述镜头与所述彩色滤光元件平行设置，所述镜头位于所述彩色滤光元件之前。

由上述描述可知，镜头位于彩色滤光元件之前，一般作为图像传感器的窗口使用，具有防尘效果。

进一步的，所述负滤光片位于所述镜头之前，或者位于所述镜头之后，或者以镀膜的方式集成在所述镜头上。

由上述描述可知，负滤光片位于镜头之前或者之后，或者集成在镜头上，结构合理。

进一步的，请参照图4，所述彩色滤光元件按照4×4阵列的方式排布，每个4×4阵列中包含有至少一个的红色滤光单元、至少一个的绿色滤光单元、至少一个的蓝色滤光单元和至少一个的近红外滤光单元，其他均为全通单元。

由上述描述可知，彩色滤光元件按照4×4阵列的方式排布，每个4×4阵列中均可获得红色、绿色、蓝色和近红外值，使图像整体色彩比较均衡。

进一步的，所述彩色滤光元件的每个4×4阵列中包含有一个的红色滤光单元、两个的绿色滤光单元、一个的蓝色滤光单元、四个的近红外滤光单元和八个的全通单元。

由上述描述可知，彩色滤光元件的每个4×4阵列中均包含有红色滤光单元、绿色滤光单元、蓝色滤光单元，且每个阵列中的近红外滤光单元占据四分之一，全通单元占据二分之一，使红色、绿色、蓝色较为均衡，获取近红外值的能力好，且光透过能力强，灵敏度高，在极微弱光情况下获得彩色图像的能力强。

进一步的，一个的红色滤光单元、两个的绿色滤光单元、一个的蓝色滤光单元分别位于4×4阵列的一个九宫格的四个角落，其中一个近红外滤光单元位于该一个九宫格的中心，且四个近红外滤光单元分别位于另外一个九宫格的四个角落。

由上述描述可知，在彩色滤光元件中，行和列交错设置的全通单元中穿插其他四种滤光单元，若其中一个九宫格的顶点为非近红外滤光单元，则其中心为近红外滤光单元，其四个角落分别设置一个的红色滤光单元、两个的绿色滤光单元和一个的蓝色滤光单元，若其中一个九宫格的顶点为近红外滤光单元，则其四个角落均为近红外滤光单元，其中心为红色滤光单元、绿色滤光单元、蓝色滤光单元其中之一，使图像传感器感光元件对红色、绿色、蓝色的获取较为均衡，获取近红外值的能力好，光通过能力强，灵敏度高，明场和光微弱环境下的成像能力好。

进一步的，两个绿色滤光单元分别位于一个九宫格的斜对角落。

由上述描述可知，两个绿色滤光单元分别位于一个九宫格的斜对角落，使对绿色值的获取较为准确、均衡。

请参照图3至图4，本发明的实施例一为：

一种新型图像传感器，包括彩色滤光元件和负滤光片，所述彩色滤光元件包括按照阵列排布的红色滤光单元、绿色滤光单元和蓝色滤光单元，所述负滤光片的具有高反射率的光谱范围为630～810nm，所述负滤光片与所述彩色滤光元件平行设置；优选地，所述负滤光片的具有高反射率的光谱范围为660～780nm。

请参照图3至图4，本发明的实施例二为：

一种新型图像传感器，在实施例一的基础上，所述彩色滤光元件的每个阵列中还包括近红外滤光单元。

请参照图3至图4，本发明的实施例三为：

一种新型图像传感器，在实施例一的基础上，所述彩色滤光元件的每个阵列中还包括近红外滤光单元和全通单元。

请参照图3至图4，本发明的实施例四为：

一种新型图像传感器，在实施例一、二或三的基础上，还包括感光元件，所述感光元件位于所述彩色滤光元件的后方，所述负滤光片位于所述感光元件的前方，所述彩色滤光元件、负滤光片和感光元件的中心在一条直线上，所述负滤光片位于所述彩色滤光元件和所述感光元件之间，或者位于所述彩色滤光元件之前，或者以镀膜的方式集成在所述彩色滤光元件上。

请参照图3至图4，本发明的实施例五为：

一种新型图像传感器，在实施例四的基础上，还包括镜头，所述镜头与所述彩色滤光元件平行设置，所述镜头位于所述彩色滤光元件之前，所述负滤光片位于所述镜头之前，或者位于所述镜头之后，或者以镀膜的方式集成在所述镜头上。

请参照图4，本发明的实施例六为：

一种新型图像传感器，在实施例三的基础上，举例说明彩色滤光元件的结构，具体地，所述彩色滤光元件按照4×4阵列的方式排布，每个4×4阵列中包含有至少一个的红色滤光单元、至少一个的绿色滤光单元、至少一个的蓝色滤光单元和至少一个的近红外滤光单元，其他均为全通单元；优选地，所述彩色滤光元件的每个4×4阵列中包含有一个的红色滤光单元、两个的绿色滤光单元、一个的蓝色滤光单元、四个的近红外滤光单元和八个的全通单元；优选地，一个的红色滤光单元、两个的绿色滤光单元、一个的蓝色滤光单元分别位于4×4阵列的一个九宫格的四个角落，其中一个近红外滤光单元位于该一个九宫格的中心，且四个近红外滤光单元分别位于另外一个九宫格的四个角落；优选地，两个绿色滤光单元分别位于一个九宫格的斜对角落。

综上所述，本发明提供的新型图像传感器，通过负滤光片使感光元件的所有感光单元在近红外区的光谱响应效率基本一致，并减少光亮度对红色值的影响，在彩色滤光元件上通过近红外滤光单元来校正得到接近于人眼看到的红色值、绿色值和蓝色值，还设有全通单元来增加透光量和灵敏度，通过感光元件感应近红外滤光单元、红色滤光单元、绿色滤光单元、蓝色滤光单元、全通单元对应的光子值，使所述图像传感器的色彩还原性好，并且在明场和极微弱光环境下均可获得彩色图像，且透光性好、灵敏度高，色彩饱和度好。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种新型图像传感器，其特征在于，包括彩色滤光元件和负滤光片，所述彩色滤光元件包括按照阵列排布的红色滤光单元、绿色滤光单元和蓝色滤光单元，所述负滤光片的具有高反射率的光谱范围为630～810nm，所述负滤光片与所述彩色滤光元件平行设置。

2.根据权利要求1所述的新型图像传感器，其特征在于，所述负滤光片的具有高反射率的光谱范围为660～780nm。

3.根据权利要求1所述的新型图像传感器，其特征在于，所述彩色滤光元件的每个阵列中还包括近红外滤光单元。

4.根据权利要求1所述的新型图像传感器，其特征在于，所述彩色滤光元件的每个阵列中还包括近红外滤光单元和全通单元。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的新型图像传感器，其特征在于，还包括感光元件，所述感光元件位于所述彩色滤光元件的后方，所述负滤光片位于所述感光元件的前方，所述彩色滤光元件、负滤光片和感光元件的中心在一条直线上。

6.根据权利要求5所述的新型图像传感器，其特征在于，所述负滤光片位于所述彩色滤光元件和所述感光元件之间，或者位于所述彩色滤光元件之前，或者以镀膜的方式集成在所述彩色滤光元件上。

7.根据权利要求5所述的新型图像传感器，其特征在于，还包括镜头，所述镜头与所述彩色滤光元件平行设置，所述镜头位于所述彩色滤光元件之前。

8.根据权利要求7所述的新型图像传感器，其特征在于，所述负滤光片位于所述镜头之前，或者位于所述镜头之后，或者以镀膜的方式集成在所述镜头上。

9.根据权利要求4所述的新型图像传感器，其特征在于，所述彩色滤光元件按照4×4阵列的方式排布，每个4×4阵列中包含有至少一个的红色滤光单元、至少一个的绿色滤光单元、至少一个的蓝色滤光单元和至少一个的近红外滤光单元，其他均为全通单元。

10.根据权利要求9所述的新型图像传感器，其特征在于，所述彩色滤光元件的每个4×4阵列中包含有一个的红色滤光单元、两个的绿色滤光单元、一个的蓝色滤光单元、四个的近红外滤光单元和八个的全通单元。

11.根据权利要求10所述的新型图像传感器，其特征在于，一个的红色滤光单元、两个的绿色滤光单元、一个的蓝色滤光单元分别位于4×4阵列的一个九宫格的四个角落，其中一个近红外滤光单元位于该一个九宫格的中心，且四个近红外滤光单元分别位于另外一个九宫格的四个角落。

12.根据权利要求11所述的新型图像传感器，其特征在于，两个绿色滤光单元分别位于一个九宫格的斜对角落。