CN111741239B - 图像传感器和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及图像传感器和电子设备。该图像传感器包括：多个像素单元组，至少一个所述像素单元组包括：颜色滤镜阵列，所述颜色滤镜阵列包括M个第一类型滤镜、N个第二类型滤镜和挡光区域，其中，所述挡光区域包括N个挡光子区域，每个所述挡光子区域与所述N个第二类型滤镜相邻；像素单元阵列，位于所述颜色滤镜阵列下方，所述像素单元阵列包括M个第一像素和N个第二像素，所述M个第一像素分别与M个所述第一类型滤镜一一对应，所述N个第二像素分别与所述N个第二类型滤镜和所述N个挡光子区域一一对应，所述第二像素的面积大于所述第一像素的面积，其中，M和N为大于0的整数。本申请实施例的图像传感器和电子设备，增大了图像传感器动态范围。

Description

图像传感器和电子设备

技术领域

本申请实施例涉及图像领域，并且更具体地，涉及一种图像传感器和电子设备。

背景技术

固态图像传感器是一种将光学图像信号转换成数字信号的固态集成元件，该固态图像传感器包括有电荷耦合装置(Charge-coupled Device，CCD)与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)两种，广泛应用于消费电子、安防监控、汽车电子以及工业制造等领域。

固态图像传感器的成像原理是基于半导体材料的光电转换效应。在半导体衬底上设置有多个像素组成的像素阵列，每一个像素内含有光电转换元件和读出电路。当光投射到像素阵列时，各个光电转换元件产生相应数量的光生电荷，经读出电路读出后到达模数转换电路(Analog-to-Digital Converter，ADC)转变为数字信号，数字信号再经过图像信号处理器(Image Signal Processing，ISP)处理后，最终输出图像。

然而，随着CMOS图像传感器的像素单元的尺寸的减小，导致像素单元的可探测光的动态范围降低，这会严重降低图像的质量。

发明内容

本申请提供了一种图像传感器和电子设备，旨在解决像素单元的可探测光的动态范围较低的问题。

第一方面，提供了一种图像传感器，该图像传感器包括多个像素单元组，至少一个所述像素单元组包括：颜色滤镜阵列，所述颜色滤镜阵列包括M个第一类型滤镜、N个第二类型滤镜和挡光区域，其中，所述挡光区域包括N个挡光子区域，每个所述挡光子区域与所述N个第二类型滤镜相邻；像素单元阵列，位于所述颜色滤镜阵列下方，所述像素单元阵列包括M个第一像素和N个第二像素，所述M个第一像素分别与所述M个第一类型滤镜一一对应，所述N个第二像素分别与所述N个第二类型滤镜和所述N个挡光子区域一一对应，所述第二像素的面积大于所述第一像素的面积，其中，M和N为大于0的整数。

因此，本申请实施例的图像传感器，通过对颜色滤镜阵列和像素单元阵列排布方式的设计，在像素阵列中设置第一像素和第二像素，第二像素的面积大于第一像素的面积，第二像素分别与第二类型滤镜和N个挡光子区域一一对应，即第二像素多于第一像素的那部分面积上方设置挡光区域，不仅在暗光条件下提升了感光灵敏度，同时在保持第二像素感光面积不变的前提下增加了第二像素的满阱容量，使得第二像素在亮光下较难达到饱和，从而增大了图像传感器的动态范围。

结合第一方面，在第一方面的一种实现方式中，所述第一类型滤镜、所述第二类型滤镜和所述挡光区域的形状和面积均相等。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述第一类型滤镜和所述第二类型滤镜相邻排布，且所述第一类型滤镜与所述挡光区域不相邻排布。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述挡光区域为N边形。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述第二像素的面积为第一像素的面积的(1+1/N)倍。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，第二类型滤镜的波段范围大于所述第一类型滤镜的波段范围。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述第一类型滤镜包括红色滤镜、绿色滤镜、蓝色滤镜中的两种或三种；所述第二滤镜为白色滤镜、黄色滤镜、青色滤镜和洋红色中的一种。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述第一类型滤镜为红色滤镜、绿色滤镜和蓝色滤镜时，第二类型滤镜为白色滤镜；或者所述第一类型滤镜为红色滤镜和蓝色滤镜时，第二类型滤镜为黄色滤镜。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述第一类型滤镜为红色滤镜、绿色滤镜和蓝色滤镜时，所述第二类型滤镜为IR滤镜。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述像素单元组为3*3阵列或者4*4阵列。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述像素单元组为3*3阵列时，所述第一像素和所述第二像素的数量分别为4，所述挡光区域的数量为1。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述像素单元组为4*4阵列时，所述第一像素的数量为6，所述第二像素的数量为8，所述挡光区域的数量为2。

第二方面，提供了一种电子设备，该电子设备包括：上述第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的图像传感器、处理单元以及显示器；所述处理单元用于通过插值算法计算所述挡光区域的数据；所述显示器用于显示所述图像传感器生成的目标图像。

因此，本申请实施例的图像传感器和电子设备，通过对颜色滤镜阵列和像素单元阵列排布方式的设计，在像素阵列中设置第一像素和第二像素，第二像素的面积大于第一像素的面积，第二像素分别与第二类型滤镜和N个挡光子区域一一对应，即第二像素多于第一像素的那部分面积上方设置挡光区域，不仅在暗光条件下提升了感光灵敏度，同时在保持第二像素感光面积不变的前提下增加了第二像素的满阱容量，使得第二像素在亮光下较难达到饱和，从而增大了图像传感器的动态范围。

附图说明

图1是根据本申请实施例的图像处理装置的示意性框图。

图2是绿色滤镜和白色滤镜对应像素的光电响应曲线示意图。

图3a-3b是根据本申请实施例的图像传感器的示意图。

图4a-4b是根据本申请另一实施例的图像传感器的示意图。

图5是根据本申请实施例中颜色滤镜阵列的排布方式示意图。

图6是根据本申请另一实施例中颜色滤镜阵列的排布方式示意图。

图7是根据本申请又一实施例中颜色滤镜阵列的排布方式示意图。

图8是根据本申请又一实施例中颜色滤镜阵列的排布方式示意图。

图9是根据图4a-4b中的颜色滤镜阵列的排布方式示意图。

图10是根据本申请实施例中插值方法流程示意图。

图11是根据本申请实施例中插值方法对应的可能的颜色滤镜阵列的排布方式示意图。

图12是根据本申请实施例中图像传感器的正照式结构截面示意图。

图13是根据本申请另一实施例中图像传感器的背照式结构截面示意图。

图14是根据本申请实施例中第一像素和第二像素的光电响应曲线示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请部分实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

图像处理装置是利用像素阵列的光电转换功能，将成像对象的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号，进而获得成像对象的图像。图1示出了一种图像处理装置10的示意性框图，该图像处理装置10可以指任意电子设备，例如，该图像处理装置10可以为手机；或者，该图像处理装置100也可以为电子设备的一部分，例如，可以为电子设备中的摄像模组，本申请实施例并不限于此。

如图1所示，图像处理装置10包括图像传感器100、图像信号处理器108和接口电路109，其中，图像传感器100包括控制电路101、行选择电路102、像素阵列(Pixel Array)103、列信号处理电路104、列选择电路105、模数转换电路106以及图像信号预处理器107。首先，像素阵列103中的各个像素进行曝光产生电信号，在一个时钟内，控制电路101产生控制信号控制行选择电路102选中像素阵列103中第m行的像素，被选中的第m行像素将电信号传输到列信号处理电路104，并在列选择电路105的协同下将这些电信号输出到模数转换电路106中进行模数转换。在下一个时钟内，控制电路101通过控制行选择电路102选中像素阵列103中第m+1行的像素，然后重复进行上述过程，直到将所有行的像素都执行完毕。模数转换电路106输出的数字信号首先经过图像信号预处理器107进行预处理，预处理通常包括暗像素提取(Black pixel subtraction)，镜头暗影校正(Lens shading correction)，坏点去除，固定噪声消除等。图像信号预处理器107将预处理后的信号输出至图像信号处理器108，图像信号处理器108对信号进行色彩还原，自动白平衡，降噪等处理并输出图像数据，接口电路109用于向外传输图像数据。

其中，图像传感器生成彩色图像数据的原理为：像素阵列中每个像素仅能将一种类型的光信号转换为电信号，再结合周围其他类型的像素采集的光信号进行插值运算，即可还原出当前像素所采集区域的图像颜色，这一色彩还原过程称作去马赛克(Demosaicing)，通常在图像信号处理器108中完成。例如：当前像素为红色像素R，红色像素R仅能将红色光信号转换电信号，则可以结合周围的蓝色像素B或者绿色像素G采集的电信号，还原出当前像素的蓝色光和绿色光强度，确定当前像素的图像颜色。

因此，为了采集彩色图像，需要在像素单元组阵列中的像素单元阵列上方设置颜色滤镜阵列(Color Filter Array，CFA)。目前，对于大部分像素单元阵列，例如CCD和CMOS图像传感器，其包括的CFA采用拜耳(Bayer)图案。Bayer图案的特点是其基本单元是一个2×2的四像素单元阵列，包括1个红色滤镜R，一个蓝色滤镜B以及2个绿色滤镜G，其中，两个绿色滤镜G共顶角相邻排布。一像素单元上方设置某一颜色滤镜形成该颜色像素单元，例如像素单元上方设置红色滤镜形成红色像素单元、或者像素单元上方设置绿色滤镜形成绿色像素单元。由于任一像素实际只能获得红色滤镜R、绿色滤镜G、蓝色滤镜B中某一种颜色的信号，要还原出完整的色彩信息就必须通过特定的图像处理算法加以实现。

绿色像素单元反映的图像亮度信息较弱，为了提升低光照下图像传感器的感光灵敏度，改善成像质量，通常的做法是在Bayer图案中将至少一个绿色滤镜替换为透过波段范围更宽的滤镜，例如将绿色滤镜替换为白色滤镜W，或者将绿色滤镜替换为黄色滤镜Y，从而产生了不同的颜色滤镜组合，颜色滤镜组合例如是红色滤镜R、绿色滤镜G、蓝色滤镜B、白色滤镜W的颜色滤镜组合，或者红色滤镜R、黄色滤镜Y、黄色滤镜Y、蓝色滤镜B的颜色滤镜组合。白色像素单元和黄色像素单元在暗光下具有不错的性能，但是在亮光下，白色像素单元和黄色像素单元相对绿色像素单元也更加容易达到饱和。例如图2所示，该图为绿色像素单元和白色像素单元的光响应曲线。白色像素单元的光响应曲线202的斜率大于绿色像素单元的光响应曲线201的斜率，这就说明在相同亮度下，白色像素单元输出的信号比绿色像素单元输出的信号强，白色像素单元的信噪比更大。随着亮度逐渐增加到L1，白色像素单元的信号率先达到饱和(saturation)，这是因为在亮度L1下白色像素单元内产生的光生电荷数已经达到了其满阱容量(Full well capacity，FWC)，而此时绿色像素单元仍未饱和。发生饱和的像素单元对应图像中的一个白点，大量饱和的像素单元会使得图像中的细节严重丢失，没有层次感，恶化成像质量。

因此，本申请实施例提出了一种图像传感器，不仅在暗光条件下有较高的感光灵敏度，同时在亮光条件下具有较大的满阱容量，使其具有更高的动态范围。

该图像传感器包括多个像素单元组，至少一个像素单元组包括：颜色滤镜阵列，颜色滤镜阵列包括M个第一类型滤镜、N个第二类型滤镜和挡光区域，其中，所述挡光区域包括N个挡光子区域，每个所述挡光子区域与所述N个第二类型滤镜相邻；像素单元阵列，位于颜色滤镜阵列下方，像素单元阵列包括M个第一像素和N个第二像素，M个第一像素分别与所述M个第一类型滤镜一一对应，N个第二像素分别与N个第二类型滤镜和N个所述挡光子区域一一对应，第二像素的面积大于所述第一像素的面积，其中，M和N为大于0的整数。

例如图3a和图3b所示，图像传感器包括多个像素单元组，图3a和图3b对应其中一个像素单元组。图3a是颜色滤镜阵列的排布示意图，颜色滤镜阵列300a包括4个第一类型滤镜、4个第二类型滤镜以及挡光区域310，具体为第一类型滤镜C11、第一类型滤镜C12、第一类型滤镜C13和第一类型滤镜C14，第二类型滤镜Wi21、第二类型滤镜Wi22、第二类型滤镜Wi23和第二类型滤镜W24。挡光区域310被划分为4个挡光子区域，具体为挡光子区域301、挡光子区域302、挡光子区域303和挡光子区域304。挡光子区域301、挡光子区域302、挡光子区域303和挡光子区域304分别与第二类型滤镜Wi21、第二类型滤镜Wi22、第二类型滤镜Wi23和第二类型滤镜W24相邻排布。第一类型滤镜与第二类型滤镜相邻排布，例如第一类型滤镜C11与第二类型滤镜Wi21相邻排布。其中，挡光区域310、第一类型滤镜C11、第一类型滤镜C12、第一类型滤镜C13和第一类型滤镜C14以及第二类型滤镜Wi21、第二类型滤镜Wi22、第二类型滤镜Wi23和第二类型滤镜Wi24的形状和面积均相同。图3b是像素阵列的排布示意图，像素阵列300b包括4个第一像素和4个第二像素，具体为第一像素P11、第一像素P12、第一像素P13和第一像素P14，以及第二像素P21、第二像素P22、第二像素P23和第二像素P24。第一像素与第二像素相邻排布，例如第一像素P11与第二像素P21相邻排布；第二像素的面积大于第一像素的面积，例如第二像素P21的面积大于第一像素P11的面积，第二像素的面积为第一像素的面积的(1+1/4)倍。颜色滤镜阵列300a位于像素单元阵列300b的上方，第一像素P11、第一像素P12、第一像素P13和第一像素P14分别与第一类型滤镜C11、第一类型滤镜C12、第一类型滤镜C13和第一类型滤镜C14一一对应，第二像素P21、第二像素P22、第二像素P23和第二像素P24分别与第二类型滤镜Wi21、第二类型滤镜Wi22、第二类型滤镜Wi23和第二类型滤镜Wi24，以及挡光子区域301、挡光子区域302、挡光子区域303和挡光子区域304一一对应，例如第一像素P11与第一类型滤镜C11对应，第二像素P21与第二类型滤镜Wi21和挡光子区域301对应，挡光子区域301为挡光区域310的1/4。其中，第一类型滤镜和第二类型滤镜的透光波段覆盖可见光波段。挡光区域310为4边形，挡光区域的四周排布有4个第二类型滤镜，4个第二像素分别与4个第二类型滤镜和1/4个挡光区域一一对应。

也就是说，当挡光区域为N边形时，挡光区域的四周排满有N个第二类型滤镜，N个第二像素分别与N个第二类型滤镜和N个挡光子区域一一对应，其中，第二像素的面积为第一像素的面积的(1+1/N)倍。

以挡光区域为6边形为例进行说明，例如图4a和图4b所示，图4a和图4b对应一个像素单元组，图像传感器包括多个像素单元组。图4a是颜色滤镜阵列的排布示意图，颜色滤镜阵列400a包括6个第一类型滤镜、6个第二类型滤镜以及挡光区域410，具体为第一类型滤镜C31、第一类型滤镜C32、第一类型滤镜C33、第一类型滤镜C34、第一类型滤镜C35和第一类型滤镜C36，第二类型滤镜Wi41、第二类型滤镜Wi42、第二类型滤镜Wi43、第二类型滤镜Wi44、第二类型滤镜Wi45和第二类型滤镜Wi46。挡光区域410被划分为挡光子区域401、挡光子区域402、挡光子区域403、挡光子区域404、挡光子区域405和挡光子区域406。挡光子区域401、挡光子区域402、挡光子区域403、挡光子区域404、挡光子区域405和挡光子区域406分别与第二类型滤镜Wi41、第二类型滤镜Wi42、第二类型滤镜Wi43、第二类型滤镜Wi44、第二类型滤镜Wi45和第二类型滤镜Wi46相邻排布，第一类型滤镜与第二类型滤镜相邻排布，例如第一类型滤镜C31与第二类型滤镜Wi41相邻排布。其中，挡光区域410、第一类型滤镜C31、第一类型滤镜C32、第一类型滤镜C33、第一类型滤镜C34、第一类型滤镜C35和第一类型滤镜C36，以及第二类型滤镜Wi41、第二类型滤镜Wi42、第二类型滤镜Wi43、第二类型滤镜Wi44、第二类型滤镜Wi45和第二类型滤镜Wi46的形状和面积均相同。图4b是像素阵列的排布示意图，像素阵列400b包括第一像素P31、第一像素P32、第一像素P33、第一像素P34、第一像素P35和第一像素P36，以及第二像素P41、第二像素P42、第二像素P43、第二像素P44、第二像素P45和第二像素P46。第一像素与第二像素相邻排布，例如第一像素P31与第二像素P41相邻排布；第二像素的面积大于第一像素的面积，例如第二像素P41的面积为第一像素P31的面积的(1+1/6)倍。颜色滤镜阵列400a位于像素单元阵列400b的上方，第一像素P31、第一像素P32、第一像素P33、第一像素P34、第一像素P35和第一像素P36分别与第一类型滤镜C31、第一类型滤镜C32、第一类型滤镜C33、第一类型滤镜C34、第一类型滤镜C35和第一类型滤镜C36一一对应，第二像素P41、第二像素P42、第二像素P43、第二像素P44、第二像素P45和第二像素P46分别与第二类型滤镜Wi41、第二类型滤镜Wi42、第二类型滤镜Wi43、第二类型滤镜Wi44、第二类型滤镜Wi45和第二类型滤镜Wi46，以及挡光子区域401、挡光子区域402、挡光子区域403、挡光子区域404、挡光子区域405和挡光子区域406一一对应，挡光子区域401、挡光子区域402、挡光子区域403、挡光子区域404、挡光子区域405和挡光子区域406分别为挡光区域410的1/6，例如第一像素P31与第一类型滤镜C31对应，第二像素P41与第二类型滤镜Wi31和挡光子区域401对应，挡光子区域401为挡光区域410的1/6。其中，第一类型滤镜和第二类型滤镜的透光波段覆盖可见光波段。挡光区域610为6边形，挡光区域的四周排布有6个第二类型滤镜，6个第二像素分别与6个第二类型滤镜和1/6个挡光区域一一对应。通过对颜色滤镜阵列和像素单元阵列排布方式的设计，在像素阵列中设置多个第一像素和多个第二像素，第二像素的面积大于第一像素的面积，第二像素多于第一像素的那部分面积上方设置挡光区域，不仅在暗光条件下提升了感光灵敏度，同时在保持第二像素感光面积不变的前提下增加了第二像素的满阱容量，使得第二像素在亮光下较难达到饱和，从而增大了图像传感器的动态范围，由于第二像素透光区域的面积仍和第一像素保持一致，因此第二像素的信号可以按照一定的对应关系转化为RGB信号，RGB信号可以称为红绿蓝颜色分量信号，从而参与图像的色彩还原过程。

在图3a、图3b中，第一类型滤镜、第二类型滤镜以及挡光区域的形状均为正四边形，当N＝4时，挡光区域的四周排满第二类滤镜，第一类型滤镜和第二类型滤镜相邻排布，第一类型滤镜和挡光区域不相邻排布，挡光区域的四周与相邻的4个第二类滤镜可以沿垂直方向和水平方向排列，这样分到每个第二像素上的挡光子区域面积就是挡光区域的四分之一，第二像素的面积是第一像素的1.25倍。在另一种实施方式，挡光区域的四周可以不排满第二类滤镜，例如第一类型滤镜、第二类型滤镜以及挡光区域的形状均为正四边形，当N＝3时，挡光区域与相邻的3个第二类滤镜可以排成“T”字形，这样分到每个第二像素上的挡光层的面积就是挡光区域的三分之一，第二像素的面积是第一像素的1.33倍；又例如，第一类型滤镜、第二类型滤镜以及挡光区域的形状均为正四边形，当N＝2时，挡光区域与相邻的2个第二类滤镜或第三类滤镜可以沿垂直方向或水平方向排列，这样分到每个第二像素上的挡光层的面积就是挡光区域的二分之一，第二像素的面积是第一像素的1.5倍；又例如，第一类型滤镜、第二类型滤镜以及挡光区域的形状均为正四边形，当N＝1时，挡光区域与相邻的1个第二类滤镜或第三类滤镜排成“一”字形，这种情况下，每个第二像素“独享”一个挡光区域，第二像素的面积是第一像素的2倍。与挡光区域相邻的至少包括有一个第二类型滤镜。第二像素的面积越大，第二像素的满阱容量也就越大，第二像素在亮光下较难达到饱和，从而增大了图像传感器的动态范围。

图3a、图3b、图4a和图4b表示的颜色滤镜阵列和像素单元阵列均为最小重复单元，该最小重复单元说明其他的尺寸的重复单元都不具有更少的元件，多个最小重复单元被平铺以便覆盖图像传感器中的整个像素单元组阵列的表面，但本申请实施例并不限于此。

第一像素上方设置的第一类型滤镜透过较窄波段范围的滤镜，第二像素上方设置的第二类型滤镜为透过较宽波段范围的滤镜，应理解，波段范围的比较是针对同一透射率而言，例如第一类型滤镜为绿色滤镜，第二滤镜为黄色滤镜、透射率取50％，则绿色滤镜的透过的可见光波段大概为500nm-570nm，其波段范围为70nm，黄色滤镜的透过的可见光波段大概为480nm-780nm，其波段范围为300nm。

第一像素上方设置的第一类型滤镜透过较窄波段范围的滤镜，例如绿色滤镜、红色滤镜或者蓝色滤镜，第一类型滤镜包括红色滤镜、绿色滤镜、蓝色滤镜中的两种或三种；第二像素上方设置的第二类型滤镜为透过较宽波段范围的滤镜，第二滤镜为白色滤镜、黄色滤镜、青色滤镜和洋红色中的一种，例如白色滤镜、黄色滤镜、青色滤镜或者洋红色滤镜，第二类型滤镜的波段范围大于第一类型滤镜的波段范围。

例如图5-图8所示，图5-8中每个小方格表示一个第一类型滤镜、第二类型滤镜或者挡光区域，加粗表示的大方框是一个像素单元组对应的颜色滤镜阵列，图5-图8均包括4个颜色滤镜阵列。图5为一种可能的颜色滤镜阵列的排布方式，该颜色滤镜阵列包括4个最小重复单元，每个像素单元组为3*3阵列。第一类型滤镜包括2个绿色滤镜G、1个红色滤镜R以及1个蓝色滤镜B，在第一类型滤镜下方对应的是4个第一像素，第二类型滤镜均为白色滤镜W，与4个白色滤镜W相邻的中间区域为挡光区域510，挡光区域510分为4个挡光子区域，4个白色滤镜W和中间的挡光区域510排布成十字形，在第二类型滤镜和挡光区域下方对应的是4个第二像素，每个第二像素对应一个第二类型滤镜和1/4个挡光区域510。白色滤镜的可见光波段范围几乎全部可以透过，因此第二类型滤镜设置为白色滤镜可以提高感光灵敏度以及具有良好的暗光响应。

在一种实施方式中，第一类型滤镜包括红色滤镜、绿色滤镜、蓝色滤镜中的两种，第二滤镜为白色滤镜、黄色滤镜、青色滤镜和洋红色中的一种，例如第一类型滤镜为红色滤镜和蓝色滤镜，第二类型滤镜为黄色滤镜，满足第一类型滤镜和第二类型滤镜的透光波段覆盖可见光波段。

在一种实施方式中，第一类型滤镜为红色滤镜、绿色滤镜和蓝色滤镜时，第二类型滤镜也可以设置为红外透过波段，例如图6所示，与图5不同的是，第二类型滤镜由白色滤镜换成了红外透过滤镜，红外透过滤镜在近红外波段具有一定透过波段范围的滤镜，简称为IR滤镜。第二类型滤镜换成IR滤镜，可以探测近红外信号，有助于夜间成像。

在一种实施方式中，第二类型滤镜可以包括两种不同的颜色滤镜，例如第二类型滤镜为黄色滤镜和IR滤镜。

应理解，本申请实施例中的每个像素单元组中包括不同的颜色滤镜，其个数比例和位置也可以根据实际应用进行设置。例如，通常可以将每个像素单元组中红色滤镜、绿色滤镜和蓝色滤镜的比例为1:2:1(例如图5或者图6)或者1:1:1(例如图7或者图8)，本申请实施例并不限于此。

在一种实施方式中，挡光区域的数量可以增加为2个，例如图7所示，图7为一种可能的颜色滤镜阵列的排布方式，该颜色滤镜阵列包括4个最小重复单元，每个像素单元组为4*4阵列，第一类型滤镜包括2个绿色滤镜G、2个红色滤镜R以及2个蓝色滤镜B，在第一类型滤镜下方对应的是6个第一像素，第二类型滤镜包括8个白色滤镜W，每4个白色滤镜包括1个挡光区域，8个白色滤镜包围的中间区域分别为挡光区域710和挡光区域720，在第二类型滤镜和挡光区域下方对应的是8个第二像素，每个挡光区域划分为4个挡光子区域，每个第二像素对应一个第二类型滤镜和1/4个挡光区域。白色滤镜的可见光波段范围几乎全部可以透过，因此第二类型滤镜设置为白色滤镜可以提高感光灵敏度以及具有良好的暗光响应。

在一种实施方式中，第一类型滤镜为红色滤镜、绿色滤镜和蓝色滤镜时，第二类型滤镜也可以设置为红外透过波段，例如图8所示，与图7不同的是，第二类型滤镜由白色滤镜换成了红外透过滤镜，红外透过滤镜在近红外波段具有一定透过波段范围的滤镜，简称为IR滤镜。第二类型滤镜换成IR滤镜，可以探测近红外信号，有助于夜间成像。

图9是采用图4a、图4b中的方案得到的一种颜色滤镜的排布方式，其最小重复单元分别沿两个特定方向排布。其中，第一类型滤镜包括2个绿色滤镜G、2个红色滤镜R以及2个蓝色滤镜B，在第一类型滤镜下方对应的是6个第一像素；第二类型滤镜均为白色滤镜W，与6个白色滤镜W相邻的中间区域为挡光区域910，6个白色滤镜和中间的挡光区域排布成蜂巢结构，蜂巢结构下方对应6个第二像素，每个第二像素对应一个第二类型滤镜和1/6个挡光区域910。白色滤镜的可见光波段范围几乎全部可以透过，因此第二类型滤镜设置为白色滤镜可以提高感光灵敏度以及具有良好的暗光响应。

第二像素对应的挡光区域可以当做是一个“坏点像素”进行处理，并通过恰当的插值让其产生“虚拟”的输出信号，从而挽回分辨率的损失，丰富图像的纹理细节。图10为挡光区域的插值方法流程示意图，插值方法可以由图像信号处理器108执行，例如图像信号处理器108可以为终端设备的应用处理器，该插值方法包括：

S100：接收信号；

图像信号处理器108接收由图像传感器100输出的信号。

S101：计算挡光区域对应的N个第二像素在N/2个方向上的梯度；

图像信号处理器108分别计算挡光区域对应的N个第二像素在N/2个方向上的梯度。以N＝4为例进行说明，如图11所示，该挡光区域对应4个第二像素，图像信号处理器108分别计算挡光区域对应的4个第二像素在2个方向上的梯度，即水平方向的梯度h和竖直方向的梯度v。假设这4个第二像素其输出的信号分别为W_U,W_R,W_D和W_L，那么水平方向的梯度h和竖直方向的梯度v分别表示为：

h＝|W_L-W_R|

v＝|W_U-W_D|

S102：对挡光区域的信号进行插值处理；

对挡光区域的信号进行插值处理，得到输出信号w，w可表示为

当h>v

当h<v

当h＝v

S103:输出信号。

图像信号处理器108将得到的输出信号w进行输出。

若N>4且N为奇数时，则N向下取整，插值总是沿梯度较小的方向进行。对于坏点像素的插值方法处理可以在图像传感器100中的图像信号预处理器107中进行，但本申请实施例并不限于此。

在图11中，挡光区域的四周排满有第二类型滤镜以及第二类型滤镜采用同一颜色的滤镜，使得通过插值计算挡光区域的输出信号更加准确、简单。

本申请中的图像传感器结构，可以采用正照式结构，也可以采用背照式结构，本申请分别对这两种结构进行说明。图12是采用正照式结构的图像传感器沿AA’方向的截面示意图。正照式图像传感器120具有衬底1200，衬底1200为半导体材料且具有第一掺杂类型，例如P型单晶硅。在衬底1200中靠近衬底表面的位置包括光电转换元件1210，相邻光电转换元件1210之间通过隔离元件1220隔离。光电转换元件1210通过在衬底1200中掺入第二掺杂类型的元素而形成，例如，N型掺杂元素磷、砷等。光电转换元件1210是一种光敏元件，在特定波段光的照射下能产生电荷。第一像素和第二像素中除了包括光电转换元件以外，还包括有晶体管器件形成的读出电路，用于读出电荷信号，图中未画出。衬底1200上方设置有介质层1230，介质层1230包括多层金属布线层1231、1232。在介质层1230的上方设置有第二类型滤镜1250以及挡光区域1251。挡光区域由挡光材料构成，挡光材料包括黑胶、金属等。实现挡光的效果不仅仅可通过挡光区域1151实现，也可以通过金属布线层实现，例如金属布线层1231a。在颜色滤镜阵列1250的上方还设置有微透镜1260，颜色滤镜阵列1250可以是第一类型滤镜或者第二类型滤镜，当光照射被拍摄的对象产生返回光时，微透镜1260将返回的光信号汇聚至下方的光电转换元件1210中。

图13是采用背照式结构的图像传感器沿AA’方向截面示意图。背照式图像传感器1230具有第一衬底1300，第一衬底1300为半导体材料且具有第一掺杂类型，例如P型单晶硅。第一衬底1300的两个表面分别称为第一衬底正面1300f和第一衬底背面1300b，其中第一衬底背面1300b面对光照射被拍摄的对象产生返回光的入射方向。在第一衬底1300中靠近衬底正面1300f的位置包括光电转换元件1310，相邻光电转换元件1310之间通过隔离元件1320隔离。光电转换元件1310通过在第一衬底1300中掺入第二掺杂类型的元素而形成，例如，N型单晶硅。第一衬底正面1300f下方的设置介质层1330，其内部设置有多层金属布线层1331，1332。在介质层1330的下方设置有第二衬底1340。第二衬底1340可以是无任何电路的衬底，也可以是包含图像信号预处理器电路的衬底。第一衬底1300和第二衬底1340通过键合工艺(Bonding Process)粘接到一起。若第二衬底1340是含有图像信号处理电路的衬底，则第一衬底1300和第二衬底1340还需要建立电连接。在第一衬底背面1300b上设置有第二类型颜色滤镜1350及挡光区域1251。在颜色滤镜阵列1350的上方还设置有微透镜1360。颜色滤镜阵列1350可以是第一类型滤镜或者第二类型滤镜。相比于正照式结构图像传感器，背照式结构图像传感器的返回光在到达光电转换元件的过程中，不会受到金属层的影响，因而进光量更大。

图14为本申请实施例第一像素和第二像素的光响应曲线示意图。由于第二像素1402的面积大于第一像素1401的面积，使得第二像素1402比第一像素1401的满阱容量更大，因而可以贮存更多的光生电荷在里面。例如第一类型滤镜为绿色滤镜、第二类型滤镜为白色滤镜时，与图1相比，第二像素1402发生饱和的亮度由L1增加到L1’，图像的动态范围明显增加。

因此，本申请实施例的图像传感器，通过对颜色滤镜阵列和像素单元阵列排布方式的设计，第二像素多于第一像素的那部分面积上方设置挡光区域，其中，第一类型滤镜和第二类型滤镜的透光波段覆盖可见光波段，不仅在暗光条件下提升了感光灵敏度，同时在保持第二像素感光面积不变的前提下增加了第二像素的满阱容量，使得第二像素在亮光下较难达到饱和，从而增大了图像传感器的动态范围。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括多个像素单元组，至少一个所述像素单元组包括：

颜色滤镜阵列，所述颜色滤镜阵列包括M个第一类型滤镜、N个第二类型滤镜和挡光区域，其中，所述挡光区域包括N个挡光子区域，每个所述挡光子区域与所述N个第二类型滤镜相邻；

像素单元阵列，位于所述颜色滤镜阵列下方，所述像素单元阵列包括M个第一像素和N个第二像素，所述M个第一像素分别与所述M个第一类型滤镜一一对应，所述N个第二像素分别与所述N个第二类型滤镜和所述N个挡光子区域一一对应，所述第二像素的面积大于所述第一像素的面积，其中，M和N为大于0的整数。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一类型滤镜、所述第二类型滤镜和所述挡光区域的形状和面积均相等。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一类型滤镜和所述第二类型滤镜相邻排布，且所述第一类型滤镜与所述挡光区域不相邻排布。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述挡光区域为N边形。

5.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述第二像素的面积为第一像素的面积的(1+1/N)倍。

6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，第二类型滤镜的波段范围大于所述第一类型滤镜的波段范围。

7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述第一类型滤镜包括红色滤镜、绿色滤镜、蓝色滤镜中的两种或三种；

所述第二类型滤镜为白色滤镜、黄色滤镜、青色滤镜和洋红色中的一种。

8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述第一类型滤镜为红色滤镜、绿色滤镜和蓝色滤镜时，第二类型滤镜为白色滤镜；或者

所述第一类型滤镜为红色滤镜和蓝色滤镜时，第二类型滤镜为黄色滤镜。

9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一类型滤镜为红色滤镜、绿色滤镜和蓝色滤镜时，所述第二类型滤镜为红外透过滤镜。

10.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元组为3*3阵列或者4*4阵列。

11.根据权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元组为3*3阵列时，所述第一像素和所述第二像素的数量分别为4，所述挡光区域的数量为1。

12.根据权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元组为4*4阵列时，所述第一像素的数量为6，所述第二像素的数量为8，所述挡光区域的数量为2。

13.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求1-12中任一项所述的图像传感器、处理单元以及显示器；

所述处理单元用于通过插值算法计算所述挡光区域的数据；

所述显示器用于显示所述图像传感器生成的目标图像。

Images