CN109151281A - 一种获得深度信息的像素孔径偏移相机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能获得深度信息的像素孔径偏移相机，该相机通过实现在像素级别上的孔径偏移，来获得不同深度的成像视差，从而提取出图像的深度信息；该相机结构主要包含红外截止滤光片、相机孔径光栏、成像透镜、像素微透镜、像素孔径、CMOS图像传感器等器件；该相机能够在生成传统2D图像的同时提取出图像的深度信息，通过图像处理获得具有深度信息的三维(3D)图像。

Description

一种获得深度信息的像素孔径偏移相机
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种像素孔径偏移相机。
背景技术
在如今信息高速流通的时代，像面部表情识别、手势识别等基于图像的扫描和增强现实的许多应用得到了快速的发展，但是由于功率，尺寸和速度限制，将这些应用移植到移动设备是一个巨大的挑战，因此需要小而快速的深度提取成像系统。
过去已经提出了许多深度提取技术，然而，这些技术通常需要多个相机，光源或复杂系统，这不仅需要庞大的计算平台，成本上也比较昂贵，这些因素使这些技术的实用性受到限制。
为了应对上述挑战，最近提出了具有偏移像素孔径(OPA)的传感器。与传统的3D成像技术相比，它具有许多优点，例如低功耗、低成本以及在同一芯片上集成电路的可能性。这不仅大大减少了所需成本，同时也减少了计算量，提高了深度信息的精度。
此外，该传感器能被广泛用于各种产品，例如移动电话，安全摄像机，数码单反相机(DSLR)和闭路电视(CCTV)等等，极大地拓展了其实用性。本发明提出的像素孔径偏移相机就是一个基于偏移像素孔径传感器上的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是公开一种像素孔径偏移相机。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种像素孔径偏移相机，其特征在于：所述相机通过实现在像素级别上的孔径偏移，来获得不同深度的成像视差，从而提取出图像的深度信息；该相机结构主要包含红外截止滤光片、相机孔径光栏、成像透镜、像素微透镜、像素孔径、 CMOS图像传感器等器件；该相机能够在生成传统2D图像的同时提取出图像的深度信息，通过图像处理获得具有深度信息的三维(3D)图像。
进一步的技术方案在于：所述红外截止滤光片过滤红外波段，避免RGB 信号被红外信号破坏，用来改善观察到的图片的深度质量。
进一步的技术方案在于：所述CMOS图像传感器采用的是0.13μm或更小的互补金属氧化物半导体图像传感器工艺，尺寸大小为(5-20)mm× (3-14)mm，由(1600-4000)(H)×(1000-3000)(V)像素阵列，定时发生器(TG)，列并行可编程增益放大器(PGA)&模数转换器(ADC)和扫描控制器组成。
进一步的技术方案在于：所述像素阵列用于提取图像颜色和深度信息，其由红色(R)像素、绿色(G)像素、蓝色(B)像素和白色(W)像素四种不同类型的像素组成，整个像素阵列以3×3像素为一个像素单元，该像素单元的彩色滤波片排列如图4(a),或(b),或(c),或(d)所示：图 4(a)、(b)含有两个白色像素，两个红色像素，两个蓝色像素，三个绿色像素；图4(c)、(d)含有三个白色像素，两个红色像素，两个蓝色像素，两个绿色像素；两者均有两个白色像素位于9个像素的对角位置，以获得最大像素偏移量，提高深度灵敏度；对于图4(a)、(b)结构，红色和蓝色像素位置可以互换；对于图4(c)、(d)结构，红色、绿色和蓝色像素位置可以互换。又因为白色像素具有比其他颜色像素更高的灵敏度，所以像素孔径位于没有颜色滤光片的白色像素上，借以补偿由像素孔径引起的光损失；通过白色像素能够获得清晰的聚焦图像，通过RGB像素获得模糊的散焦图像(不同的深度有不同的散焦图像)，将这两种图像进行比较，利用点扩散函数计算提取3D成像的深度信息，点扩散计算公式如下：
式中： δz是对应于艾里斑半径r0、r的深度偏移值，α决定了扩散的程度。
进一步的技术方案在于：所述像素阵列中的每一个像素结构都包含像素微透镜、平面层、氧化层、第二金属层和光电二极管(PD)，而白色像素结构上则比RGB像素结构多上一个第一金属层，其中：像素微透镜将入射的光线导向像素上的光电二极管(PD)上；平面层用作缓冲；氧化层起着保护作用；第二金属层用于布线晶体管；光电二极管(PD)用来将阵列表面上的光强转换为电信号；白色像素上的第一金属层用来覆盖光电二极管 (PD)以形成像素偏移孔径。
进一步的技术方案在于：所述每个像素尺寸大小为((1.4-2.8)μm× (1.4-2.8)μm，像素的填充系数为30％-50％，像素间距为1.4μm -2.8μm，像素孔径偏离像素中心0.3μm-0.75μm。
进一步的技术方案在于：孔径(w)与微透镜高度(h)之间的关系由下式给出：
其中n是氧化物层的折射率,θ0是像素孔径中入射光的有效入射角， F0是微透镜的有效f数；
进过模拟仿真可得像素孔径可选直径范围为0.3μm-1.2μm，尤其在 0.6μm-1.0μm效果最好，像素孔径中入射光的有效入射角的范围为 -15°-15°，当有效入射角θ0为0°时，光功率最大。
进一步的技术方案在于：所述像素孔径偏移相机获得的图像是对应成像的叠加，消除不同颜色图像叠加误差，不需校正，降低了计算量，还减少了所需的存量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述像素孔径偏移相机结构图；
图2是本发明实施例所述CMOS传感器结构图；
图3是本发明实施例所述像素结构图，其中(a)为没有像素孔径的像素结构图，(b)为有像素孔径的像素结构图；
图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)分别是本发明实施例所述3×3 像素单元的四种排列方式；
其中：1、红外截止滤光片2、相机孔径3、透镜4、微透镜5、像素孔径6、CMOS图像传感器8、扫描控制器9、列并行可编程增益放大器(PGA) &模数转换器(ADC)10、像素阵列11、定时发生器(TG)12、微透镜13、平面层14、第二金属层15、第一金属层16、光电二极管(PD)17、氧化层。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明公开一种像素孔径偏移相机，其特征在于：所述相机通过实现在像素级别上的孔径偏移，来获得不同深度的成像视差，从而提取出图像的深度信息；该相机结构主要包含红外截止滤光片、相机孔径光栏、成像透镜、像素微透镜、像素孔径、CMOS图像传感器等器件；该相机能够在生成传统2D图像的同时提取出图像的深度信息，通过图像处理获得具有深度信息的三维(3D)图像。
所述红外截止滤光片过滤红外波段，避免RGB信号被红外信号破坏，用来改善观察到的图片的深度质量。
进一步的，如图2所示，所述CMOS图像传感器采用的是0.13μm或更小的互补金属氧化物半导体图像传感器工艺，尺寸大小为(5-20)mm× (3-14)mm，由(1600-4000)(H)×(1000-3000)(V)像素阵列，定时发生器(TG)，列并行可编程增益放大器(PGA)&模数转换器(ADC)和扫描控制器组成。
进一步的，所述像素阵列用于提取图像颜色和深度信息，其由红色(R) 像素、绿色(G)像素、蓝色(B)像素和白色(W)像素四种不同类型的像素组成，整个像素阵列以3×3像素为一个像素单元，该像素单元的彩色滤波片排列如图4(a),或(b),或(c),或(d)所示：图4(a)、(b)含有两个白色像素，两个红色像素，两个蓝色像素，三个绿色像素；图4(c)、 (d)含有三个白色像素，两个红色像素，两个蓝色像素，两个绿色像素；两者均有两个白色像素位于9个像素的对角位置，以获得最大像素偏移量，提高深度灵敏度；对于图4(a)、(b)结构，红色和蓝色像素位置可以互换；对于图4(c)、(d)结构，红色、绿色和蓝色像素位置可以互换。
又因为白色像素具有比其他颜色像素更高的灵敏度，所以像素孔径位于没有颜色滤光片的白色像素上，借以补偿由像素孔径引起的光损失；通过白色像素能够获得清晰的聚焦图像，通过RGB像素获得模糊的散焦图像 (不同的深度有不同的散焦图像)，将这两种图像进行比较，利用点扩散函数计算提取3D成像的深度信息，点扩散计算公式如下：
式中： δz是对应于艾里斑半径r0、r的深度偏移值，α决定了扩散的程度。
进一步的，如图3所示，所述像素阵列中的每一个像素结构都包含像素微透镜、平面层、氧化层、第二金属层和光电二极管(PD)，而白色像素结构上则比RGB像素结构多上一个第一金属层，其中：像素微透镜将入射的光线导向像素上的光电二极管(PD)上；平面层用作缓冲；氧化层起着保护作用；第二金属层用于布线晶体管；光电二极管(PD)用来将阵列表面上的光强转换为电信号；白色像素上的第一金属层用来覆盖光电二极管 (PD)以形成像素偏移孔径。
进一步的，所述每个像素尺寸大小为(1.4-2.8)μm×(1.4-2.8)μm，像素的填充系数为30％-50％，像素间距为1.4μm-2.8μm，像素孔径偏离像素中心0.3μm-0.75μm。
进一步的，孔径(w)与微透镜高度(h)之间的关系由下式给出：
其中n是氧化物层的折射率,θ0是像素孔径中入射光的有效入射角， F0是微透镜的有效f数；
进过模拟仿真可得像素孔径可选直径范围为0.3μm-1.2μm，尤其在 0.6μm-1.0μm效果最好，像素孔径中入射光的有效入射角的范围为-15°-15°，当有效入射角θ0为0°时，光功率最大。
进一步的，所述像素孔径偏移相机获得的图像是对应成像的叠加，消除不同颜色图像叠加误差，不需校正，降低了计算量，还减少了所需的存量。

Claims (8)

1.一种像素孔径偏移相机，其特征在于：所述相机通过实现在像素级别上的孔径偏移，来获得不同深度的成像视差，从而提取出图像的深度信息；该相机结构主要包含红外截止滤光片(1)、相机孔径光栏(2)、成像透镜(3)、像素微透镜(4)、像素孔径(5)、CMOS图像传感器(6)等器件；该相机能够在生成传统2D图像的同时提取出图像的深度信息，通过图像处理获得具有深度信息的三维(3D)图像。
2.如权利要求1所述的像素孔径偏移相机，其特征在：所述红外截止滤光片(1)过滤红外波段，避免RGB信号被红外信号破坏，用来改善观察到的图片的深度质量。
3.如权利要求1所述的像素孔径偏移相机，其特征在于：所述CMOS图像传感器(6)采用的是0.13μm或更小的互补金属氧化物半导体图像传感器工艺，尺寸大小为(5-20)mm×(3-14)mm，由(1600-4000)(H)×(1000-3000)(V)像素阵列(10)，定时发生器(TG)(11)，列并行可编程增益放大器(PGA)&模数转换器(ADC)(9)和扫描控制器(8)组成。
4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述像素阵列用于提取图像颜色和深度信息，其由红色(R)像素、绿色(G)像素、蓝色(B)像素和白色(W)像素四种不同类型的像素组成，整个像素阵列以3×3像素为一个像素单元，该像素单元的彩色滤波片排列如图4(a),或4(b),或4(c),或4(d)所示：图4(a)、(b)含有两个白色像素，两个红色像素，两个蓝色像素，三个绿色像素；图4(c)、(d)含有三个白色像素，两个红色像素，两个蓝色像素，两个绿色像素；两者均有两个白色像素位于9个像素的对角位置，以获得最大像素偏移量，提高深度灵敏度；对于图4(a)、(b)结构，红色和蓝色像素位置可以互换；对于图4(c)、(d)结构，红色、绿色和蓝色像素位置可以互换。
又因为白色像素具有比其他颜色像素更高的灵敏度，所以像素孔径位于没有颜色滤光片的白色像素上，借以补偿由像素孔径引起的光损失；通过白色像素能够获得清晰的聚焦图像，通过RGB像素获得模糊的散焦图像(不同的深度有不同的散焦图像)，将这两种图像进行比较，利用点扩散函数计算提取3D成像的深度信息，点扩散计算公式如下：
式中：δz是对应于艾里斑半径r0、r的深度偏移值，α决定了扩散的程度。
5.如权利要求4所述的像素阵列，其特征在于：所述像素阵列中的每一个像素结构都包含像素微透镜(12)、平面层(13)、氧化层(17)、第二金属层(14)和光电二极管(PD)(16)，而白色像素结构上则比RGB像素结构多上一个第一金属层(15)，其中：像素微透镜(12)将入射的光线导向像素上的光电二极管(PD)(16)上；平面层(13)用作缓冲；氧化层(17)起着保护作用；第二金属层(14)用于布线晶体管；光电二极管(PD)(16)用来将阵列表面上的光强转换为电信号；白色像素上的第一金属层(15)用来覆盖光电二极管(PD)(16)以形成像素偏移孔径。
6.如权利要求4所述的像素阵列，其特征在于：所述每个像素尺寸大小为(1.4-2.8)μm×(1.4-2.8)μm，像素的填充系数为30％-50％，像素间距为1.4μm-2.8μm，像素孔径偏离像素中心0.3μm-0.75μm。
7.如权利要求1所述的像素孔径偏移相机，其特征在于：孔径(w)与微透镜高度(h)之间的关系由下式给出：
其中n是氧化物层的折射率,θ0是像素孔径中入射光的有效入射角，F0是微透镜的有效f数；
由模拟仿真可得像素孔径可选直径范围为0.3μm-1.2μm，尤其在0.6μm-1.0μm效果最好，像素孔径中入射光的有效入射角的范围为-15°-15°，当有效入射角θ0为0°时，光功率最大。
8.如权利要求1所述的像素孔径偏移相机，其特征在于：所述像素孔径偏移相机获得的图像是对应成像的叠加，消除不同颜色图像叠加误差，不需校正，降低了计算量，还减少了所需的存量。
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