CN113992868A - 图像传感器、摄像模组和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种图像传感器、摄像模组和电子设备,所述图像传感器包括像素阵列,所述像素阵列包括第一像素单元和第二像素单元;所述第一像素单元包括堆叠设置的至少两个第一感光层,每一所述第一感光层中设有感光二极管;所述第二像素单元包括第二感光层,所述第二感光层用于同时采集蓝色波段信号、绿色波段信号和红色波段信号。
Description
技术领域
本申请属于传感器技术领域,具体涉及一种图像传感器、摄像模组和电子设备。
背景技术
图像传感器(sensor),是相机的核心,也是相机里最关键的技术。sensor分两种,一种是广泛使用的电荷耦合(Charge-coupled Device,CCD)元件;另一种是互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)器件。目前主流使用的是CMOS器件,它和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS摄像模组(CMOSCamera Module)是目前手机上主流使用的相机模组,主要由镜头(Lens)、音圈马达(VoiceCoil Motor)、红外滤光片(IR Filter)、图像传感器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor,DSP)及柔性电路板(Flexible Printed Circuit,FPC)组成。大致工作流程是,音圈马达带动镜头达到对焦准确的位置,外部光线穿过镜头,经过红外滤光片的滤光,照射到图像传感器上分布的感光元件,即像素(pixel)上,感光元件将感知的光信号转换成电信号,形成数字信号矩阵,即图像。
目前使用的摄像模组的图像传感器大部分都是采用RGB拜尔排列的Sensor,可称为RGB Sensor。每个RGBSensor可以由微透镜、颜色滤光片、光电二极管等构成,在空间平面上摆放三种不同颜色滤光片的像素,一个像素呈现一种颜色信息,只能感应红、绿、蓝其中一种光信号的强度,因为每个像素只能捕获到一种颜色,如果要呈现正常的色彩就要由4个像素RGGB共同完成,之后经过“去马赛克”处理构成一个彩色像素。如果镜头匹配度不佳很容易导致出现伪色问题,“去马赛克”的过程中也会影响图像解析力,使得到的图像质量不佳。
发明内容
本申请旨在提供一种图像传感器、摄像模组和电子设备,提升了图像的色彩和解析力,以得到色彩更真实、细节更丰富的图像。
为了解决上述技术问题,本申请是这样实现的:
第一方面,本申请实施例提出了一种图像传感器,包括像素阵列,所述像素阵列包括第一像素单元和第二像素单元;
所述第一像素单元包括堆叠设置的至少两个第一感光层,每一所述第一感光层中设有感光二极管;
所述第二像素单元包括第二感光层,所述第二感光层用于同时采集蓝色波段信号、绿色波段信号和红色波段信号。
第二方面,本申请实施像型提出了一种摄像模组,包括如上所述的图像传感器。
第三方面,本申请实施例提出了一种电子设备,包括如上所述的摄像模组。
在本申请的实施例中,图像传感器包括像素阵列,所述像素阵列包括第一像素单元和第二像素单元;所述第一像素单元包括堆叠设置的至少两个第一感光层,每一所述第一感光层中设有感光二极管;所述第二像素单元包括第二感光层,所述第二感光层用于同时采集蓝色波段信号、绿色波段信号和红色波段信号。本申请实施例中的第一像素单元可用于输出彩色图像,第一像素单元采用堆叠结构,无需参考邻像素信号,无需进行插值,不用做自适应拜耳滤波,噪声不会被放大,可以获得更真实的颜色信息;第二像素单元可用于输出黑白图像,第二像素单元的进光量大大提升,有利于在暗光环境下捕获更多的细节。本申请实施例通过将彩色图像和黑白图像进行融合,从而提升了图像的色彩和解析力,以得到色彩更真实、细节更丰富的图像。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是根据现有技术的一种图像传感器的像素阵列的结构示意图;
图2是根据现有技术的一种图像传感器的像素阵列的斜切面结构示意图;
图3是根据本发明实施例的一种图像传感器的像素阵列的结构示意图;
图4是本发明实施例的一种第一像素单元的切面结构示意图;
图5是本发明实施例的一种图像传感器的像素阵列的切面结构示意图;
图6是本发明实施例的一种图像传感器的信号处理电路的结构示意图;
图7是本发明实施例的一种图像传感器的结构示意图;
图8是本发明实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。此外,说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一,字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
相关技术中,如图1-图2给出了一种常规的RGB拜尔排列,这种排列方式因为每个像素单元只能捕获到一种颜色,如果想呈现色彩,就需要进行滤波及插值。如果要呈现正常的色彩就要由4个像素RGGB共同完成,包括一个用于采集蓝色波段信号的B像素单元11、两上用于采集绿色波段信号的G像素单元12和一个用于采集红色波段信号的R像素单元13,之后经过“去马赛克”处理构成一个彩色像素。如果镜头匹配度不佳很容易导致出现伪色问题,“去马赛克”的过程中也会影响图像解析力。而且,在类似于手机终端这种受限于机身厚度的电子设备,图像传感器尺寸不能做大,在图像传感器面积有限的情况下,如果增加分辨率会导致像素尺寸变小,像素尺寸变小之后感光性能就会变差,在暗光环境下需要使用高增益,才能保证图像亮度,但高增益会导致噪声问题。像素尺寸变小,导致感光性能变差,使用高增益之后引入噪声,镜头匹配度不好,导致出现伪色问题,插值过程中导致清晰度变差。
下面结合图3描述本发明实施例提供的一种图像传感器,所述图像传感器可以安装在摄像模组上用于采集图像,所述图像传感器100包括:像素阵列,所述像素阵列包括第一像素单元101和第二像素单元102,所述第一像素单元101包括堆叠设置的至少两个第一感光层,每一所述第一感光层中设有感光二极管;所述第二像素单元102包括第二感光层,所述第二感光层用于同时采集蓝色波段信号、绿色波段信号和红色波段信号。
在一种实施方式中,如图4所示,所述第一像素单元101可以包括三个所述第一感光层,三个所述第一感光层依次用于采集蓝色波段信号、绿色波段信号和红色波段信号,三个所述第一感光层分别对应于如图4所示的1011、1012和1013,利用可见光不同波长拥有不同穿透力的原理,使第一像素单元101可以同时采集到三种不同波长的光信号,第一感光层1011用于采集蓝色波段信号,第一感光层1012用于采集绿色波段信号,第一感光层1013用于采集红色波段信号。所述第一像素单元101可以表示为X3 Pixel,第一像素单元101中未设置滤光片,依据不同颜色的光具有不同的穿透力实现采集不同波段的信号。第一像素单元101可以获得三种颜色信息,无需进行插值。
进一步地,所述第一像素单元101的三个第一感光层的厚度值可以根据实际的需要进行设定,可以根据各颜色波段信号对应的波长等因素设定三个感光层的厚度值,在一种实施方式中,所述第一像素单元101的三个第一感光层的总厚度值为4~6μm,且三个第一感光层的厚度值依次增大。
进一步地,如图5所示,每个所述第一像素单元101均包括微透镜110,每个所述第二像单元102均包括微透镜110。
所述第二像素单元102没有设置滤光片,通过一个第二感光层1021采集RGB波长光信号,其感光性能更强。所述第二像素单元可以表示为WPixel。
进一步地,在所述像素阵列上所述第一像素单元101和第二像素单元102可以混合排列,在一种实施方式中,可以将所述第一像素单元101与所述第二像素单元102间隔设置,如图3所示。
在另一种实施方式中,可将第一像素单元组与第二像素单元组间隔设置,所述第一像素单元组中包括多个所述第一像素单元,所述第二像素单元组中包括多个所述第二像素单元,第一像素单元组中第一像素单元的数目与第二像素单元组中第二像素单元的数目可以相同,也可以不同,具体数目可以根据需要进行设置。
进一步地,在所述像素阵列中所述第一像素单元101和第二像素单元102的比例可以根据实际的需要进行设定,可以为1:1~3:1,例如为1:1、2:1或者3:1。
进一步地,如图6所示,所述图像传感器还包括:信号处理电路,所述信号处理电路包括选通开关SWITCH,所述选通开关SWITCH分别与所述第一像素单元中的每一个感光二极管连接,如图6所示,第一像素单元可以包括分别用于采集蓝色波段信号、绿色波段信号和红色波段信号的三个感光二极管PD-B、PD-G、PD-R,通过选通开关SWITCH来控制各感光二极管的信号输出,可以使每个第一像素单元只输出需要类型的光信号。
进一步地,所述信号处理电路还包括复位三极管RST、浮置开关TG、行选择器SET、信号放大器SF和浮动扩散器FD;所述浮置开关TG的源极与所述选通开关SWITCH的输入端连接,所述浮置开关TG的漏极分别与所述复位三极管RST的源极以及所述信号放大器SF的栅极连接;所述复位三极管RST的漏极与电源电压连接;所述信号放大器SF的漏极与电源电压连接,所述信号放大器SF的源极与所述行选择器SET的漏极连接;所述行选择器SET的源极与信号输出端Vout连接;所述浮动扩散器FD与所述信号放大器SF的栅极连接。
所述信号处理电路的工作原理简单描述如下:
首先进入“复位状态”,通过打开复位三极管RST,对感光二极管进行复位,以及对FD进行复位,此时读出FD的数据(数据A);
然后进入“取样状态”,复位三极管RST关闭,光照射到感光二极管上产生光生载流子,并在选通开关SWITCH打开的情况下进入到FD中,此时读出FD的数据(数据B);
最后打开行选择器SET,数据A和数据B通过输出端Vout输出,将数据B和数据A相减即得到感光二极管的感光信号。
所述信号处理电路可以有效消除复位引入的kTC噪声,mos管引入的1/f噪声和offset噪声。
进一步地,如图7所示,所述图像传感器100还包括复位行选择器105、模数转换器103、信号处理器104以及多个列放大器106;所述复位行选择器105分别与所述像素阵列中横向排布的控制线连接,用于控制中各像素单元的工作状态;各所述列放大器106的一端分别与所述像素阵列中纵向排布的信号输出线对应连接、输出端与所述模数转换器103的输入端连接,列放大器106用于将各像素单元的输出信号放大后输入到模数转换器103中;所述模数转换器103的输出端与所述信号处理器104连接。
所述模数转换单元103可以获取到各第一像素单元101和第二像素单元102的经过放大后的输出信号,所述模数转换单元103可以基于各第一像素单元101的输出信号得到第一图像,并基于各第二像素单元102的输出信号得到第二图像,所述第一图像为彩色图像,即RGB图像,所述第二图像为黑白图像,即Mono图像。
所述图像传感器的工作过程如下所示:
步骤1:打开安装了所述图像传感器的电子设备,图像传感器开始工作,由所述复位行选择器105控制像素阵列中的各第一像素单元101和第二像素单元102开始工作进行感光,将采集到的光信号转换为输出信号。通过列放大器106和模数转换单元103,对第一像素单元101和第二像素单元102的输出信号进行信号放大和模数转换,并根据各第一像素单元101的输出信号,得到第一图像,即彩色图像,根据各第二像素单元102的输出信号,得到第二图像,即黑白图像。
应理解的是,由于第二像素单元102的进光量高于第一像素单元101,如果使用相同的曝光时间,会导致第二像素单元102曝光过度,图像太亮,为此,可以分别控制第一像素单元101和第二像素单元102的曝光时间,根据实际应用场景的亮度分别设置不同的曝光时间,或者,设定第一像素单元101和第二像素单元102之间曝光时间的比例,例如,设定的比例为3:1,则在第一像素单元101的曝光时间为33毫秒的情况下,所述第二像素单元102的曝光时间为11毫秒。
应理解的是,所述图像传感器100中模数转换单元103可以是一个或者多个,例如,可以设置两个模数转换单元,分别对应于第一像素单元101和第二像素单元102,从而两个模数转换单元分别用于得到第一图像和第二图像。为了简便起见,在下面的实施例中仅以所述图像传感器100中包括一个模数转换单元103为例进行举例说明。
步骤2:将所述第一图像和第二图像进行融合,可以由信号处理器104对模数转换单元103得到的第一图像和第二图像进行融合。
进一步地,将第一图像(彩色图像)和第二图像(黑白图像)进行融合的方法可以多种多样,本申请实施例仅给出了其中的一种实施方式。
通过颜色空间转换将第一图像和第二图像从第一颜色空间转换为第二颜色空间;其中,所述在第二颜色空间中包括亮度通道值;相当于通过颜色空间转换将亮度通道值分离出来,以RGB颜色空间转换为Lab颜色空间为例,所述颜色空间转换的公式举例如下:
L=0.2126R+0.7152G+0.0722B
a=1.4749(0.2213R-0.3390G+0.1177B)+128
b=0.6245(0.1949R+0.6057G-0.8006B)+128
其中,R、G、B分别为RGB颜色空间中与各颜色对应的通道值,L为亮度通道值。
将第一图像的亮度通道值替换为第二图像的亮度通道值,即将第一图像中各像素点的L通道值替换为第二图像中对应像素点的L通道值,从而更新第一图像中各像素点的L通道值。
通过与所述颜色空间转换对应的颜色空间逆转换,将更新后的第一图像从第二颜色空间转换到第一颜色空间,从而得到更新后的第一图像,并将更新后的第一图像输出作为拍摄的图像。以Lab颜色空间转换为RGB颜色空间为例,所述颜色空间逆转换的公式举例如下:
R=L+0.0120a+0.0021b
G=L-0.0036a-0.0002b
B=L+0.000a-0.00045b
步骤3:对融合后的图像进行图像信号处理,以输出最终的图像。所述图像信号处理可以包括以下至少一项:白平衡、Gamma校正等。
根据本发明实施例的图像传感器,所述图像传感器包括像素阵列,所述像素阵列包括第一像素单元和第二像素单元;所述第一像素单元包括堆叠设置的至少两个第一感光层,每一所述第一感光层中设有感光二极管;所述第二像素单元包括第二感光层,所述第二感光层用于同时采集蓝色波段信号、绿色波段信号和红色波段信号。本申请实施例中的第一像素单元可用于输出彩色图像,第一像素单元采用堆叠结构,无需参考邻像素信号,无需进行插值,不用做自适应拜耳滤波,噪声不会被放大,可以获得更真实的颜色信息;第二像素单元可用于输出黑白图像,第二像素单元的进光量大大提升,有利于在暗光环境下捕获更多的细节。本申请实施例通过将彩色图像和黑白图像进行融合,提升了图像的色彩和解析力,以得到色彩更真实、细节更丰富的图像。
基于上述实施例,进一步地,本申请实施例还提供了一种摄像模组200,包括如上所述的图像传感器100。
进一步地,所述摄像模组还包括:
电路板,所述图像传感器与所述电路板电连接;
镜头,所述镜头设置在所述图像传感器的远离所述电路板的一侧,所述镜头可以由多个镜头组成。
如图8所示,本发明实施例还提供了一种电子设备,所述电子设备300包括如上所述的摄像模组200,摄像模组200包括所述图像传感器100。
根据本发明实施例的电子设备,通过如上所述的图像传感器,可以提升了图像的色彩和解析力,以得到色彩更真实、细节更丰富的图像。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (12)
1.一种图像传感器,其特征在于,包括像素阵列,所述像素阵列包括第一像素单元和第二像素单元;
所述第一像素单元包括堆叠设置的至少两个第一感光层,每一所述第一感光层中设有感光二极管;
所述第二像素单元包括第二感光层,所述第二感光层用于同时采集蓝色波段信号、绿色波段信号和红色波段信号。
2.根据权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,所述第一像素单元包括三个所述第一感光层,三个所述第一感光层依次用于采集蓝色波段信号、绿色波段信号和红色波段信号。
3.根据权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,所述第一像素单元与所述第二像素单元间隔设置;
或者,
第一像素单元组与第二像素单元组间隔设置,所述第一像素单元组中包括多个所述第一像素单元,所述第二像素单元组中包括多个所述第二像素单元。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的图像传感器,其特征在于,所述像素阵列中,所述第一像素单元与所述第二像素单元的比例为1:1~3:1。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的图像传感器,其特征在于,每个所述第一像素单元均包括微透镜,每个所述第二像素单元均包括微透镜。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的图像传感器,其特征在于,所述第一像素单元的三个感光层的总厚度值为4~6μm。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的图像传感器,其特征在于,还包括信号处理电路,所述信号处理电路包括选通开关,所述选通开关分别与所述第一像素单元中的每一个感光二极管连接。
8.根据权利要求7所述的图像传感器,其特征在于,所述信号处理电路还包括复位三极管、浮置开关、行选择器、信号放大器和浮动扩散器;
所述浮置开关的源极与所述选通开关的输入端连接,所述浮置开关的漏极分别与所述复位三极管的源极以及所述信号放大器的栅极连接;
所述复位三极管的漏极与电源电压连接;
所述信号放大器的漏极与电源电压连接,所述信号放大器的源极与所述行选择器的漏极连接;
所述行选择器的源极与信号输出端连接;
所述浮动扩散器与所述信号放大器的栅极连接。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的图像传感器,其特征在于,所述图像传感器还包括复位行选择器、模数转换器、信号处理器以及多个列放大器;
所述复位行选择器分别与所述像素阵列中横向排布的控制线连接;
各所述列放大器的一端分别与所述像素阵列中纵向排布的信号输出线对应连接、输出端与所述模数转换器的输入端连接;
所述模数转换器的输出端与所述信号处理器连接。
10.一种摄像模组,其特征在于,包括上述权利要求1-9任意一项所述的图像传感器。
11.根据权利要求10所述的摄像模组,其特征在于,所述摄像模组还包括:
电路板,所述图像传感器与所述电路板电连接;
镜头,所述镜头设置在所述图像传感器的远离所述电路板的一侧。
12.一种电子设备,其特征在于,包括权利要求10或11所述的摄像模组。
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