CN206908722U - 用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，可以使得图像传感器消除偏色和减少摩尔纹，并且使得图像传感器捕获的图像更符合人眼的视觉标准。所述色彩滤波阵列包括若干个大小、形状相同的像素结构单元，像素结构单元包括第一基本滤镜单元、第二基本滤镜单元和第三基本滤镜单元，通过混合排列第一、第二和第三基本滤镜单元而形成一个3×3基本滤镜单元阵列组成的最小结构单元；第一基本滤镜单元为一个2×2阵列，包括2个G滤镜、1个R滤镜和1个B滤镜；第二基本滤镜单元是一个2×2阵列，包括2个R滤镜、1个B滤镜和1个G滤镜；第三基本滤镜单元同样是一个2×2阵列，包括2个B滤镜、1个G滤镜和1个R滤镜。

Description

用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列

技术领域

本实用新型一般地涉及一种用于彩色图像传感器的色彩滤波阵列，更具体地涉及一种排列模式优化后的色彩滤波阵列，其可以克服现有的色彩滤波阵列中所存在的色彩干扰和偏色缺陷。

背景技术

彩色图像传感器使用在各种各样的应用中，自简单且低廉的移动电话相机及数字相机至复杂且昂贵的医学及科学设备。常规彩色图像传感器包括具有覆盖光敏元件阵列的色彩滤波阵列(Color Filter Array：可缩写为CFA)的像素阵列，光敏元件将经过滤色的光的强度转换成电信号。CFA通常包括用于产生彩色输出的三种彩色滤波器元件，并使用三原色滤波器来产生三原色信号：红色(R)、绿色(G)及蓝色(B)信号。因此，像素阵列中的每一像素对三原色中之一敏感，且输出相应色彩信号。举例而言，为了产生R信号，藉由红色滤波器元件来覆盖该像素，为了产生G信号，藉由绿色滤波器元件来覆盖该像素，且为了产生B信号，藉由蓝色滤波器元件来覆盖该像素。

图1说明了现有技术中使用R像素、G像素及B像素形成的拜耳模式(Bayerpattern)CFA 10，拜耳模式CFA 10产生R、G及B信号的彩色输出，并且可具有数百或甚至数千个列及行。拜耳模式CFA使用正方形的宏像素(macro pixel)组20的重复模式。每一宏像素组20包括四个微像素30：—个R像素、一个B像素及两个G像素。单一宏像素组20产生一R信号、一G信号(将两个G信号组合)及一B信号。每一宏像素组20可被视为由彩色图像传感器产生的彩色图像的最小元素，其中每一宏像素组20对应于输出图像数据中的单一图像像素。换言之，输出图像的分辨率直接对应于宏像素组20的线性密度。由单一宏像素组20的个别微像素30输出的R、G及B信号经组合以形成输出彩色图像数据中的个别彩色图像像素。采用拜耳模式CFA技术的传感器实际每个像素仅有一种颜色信息，需要利用反马赛克算法进行插值计算，最终获得一张图像。

拜耳模式CFA的问题之一是，在拍摄具有重复细节（如纺织品）的画面时，容易产生彩色干扰信息，其具体表现为在画面中产生难看的色带（即摩尔纹）。解决该问题的传统方法是在图像传感器上安装一个将画面细节模糊化的低通滤镜，低通滤镜可以减弱摩尔纹，但同时也降低了相机分辨率。拜耳模式CFA的另一问题是存在偏色，该问题是由于在每个宏像素组中R像素、B像素及G像素没有平均地配置排列所造成的。另外，在实际使用环境中，还需要平衡光线会由不同的角度进入图像传感器，因此理想的解决方案应该是平均分布色彩滤波阵列中各种颜色的滤镜，以尽量达到最准确的颜色输出。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，从而可以使得图像传感器消除偏色和减少摩尔纹，并且使得图像传感器捕获的图像更符合人眼的视觉标准。

为了实现上述目的，本实用新型的一个技术方案提供一种用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，所述优化色彩滤波阵列包括若干个大小、形状相同的像素结构单元，所述像素结构单元使用3×3阵列的重复模式，该重复模式包括过滤第一基色的第一滤镜、过滤第二基色的第二滤镜以及过滤第三基色的第三滤镜，所述第一、第二和第三滤镜的个数相等，并且彼此相间隔地进行排列。

优选地，在根据上述技术方案的用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列中，所述第一基色至所述第三基色为红色（R）、蓝色（B）和绿色（G）中的任意一个。

本实用新型的另一技术方案提供一种用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，所述优化色彩滤波阵列包括若干个大小、形状相同的像素结构单元，所述像素结构单元包括第一基本滤镜单元、第二基本滤镜单元和第三基本滤镜单元，通过混合排列上述第一、第二和第三基本滤镜单元形成一个由3×3基本滤镜单元阵列组成的最小结构单元；所述第一基本滤镜单元为一个2×2阵列，包括2个G滤镜、1个R滤镜和1个B滤镜；所述第二基本滤镜单元是一个2×2阵列，包括2个R滤镜、1个B滤镜和1个G滤镜；所述第三基本滤镜单元同样是一个2×2阵列，包括2个B滤镜、1个G滤镜和1个R滤镜。

优选地，在根据上述技术方案的用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列中，所述第一、第二和第三基本滤镜单元成对角线、水平或者垂直排列，所述第一、第二和第三基本滤镜单元彼此相间隔地进行排列。

本实用新型的又一技术方案提供一种用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，所述优化色彩滤波阵列包括若干个大小、形状相同的像素结构单元，所述像素结构单元包括第一基本滤镜单元、第二基本滤镜单元和第三基本滤镜单元，通过混合排列上述第一、第二和第三基本滤镜单元而形成一个混合型3×3阵列的最小结构单元；所述第一至第三基本滤镜单元均中G滤镜、R滤镜和B滤镜所占的面积相同，而且G滤镜、R滤镜和B滤镜的排列图案不同。

优选地，在根据上述技术方案的用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列中，所述第一、第二和第三基本滤镜单元成对角线、水平或者垂直排列，所述第一、第二和第三基本滤镜单元彼此相间隔地进行排列。

优选地，在根据上述技术方案的用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列中，所述G滤镜、R滤镜和B滤镜为等面积的长方形或不规则形状。

根据本实用新型的上述技术方案，用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，可以保证其中的RGB滤镜面积比例为1/3：1/3：1/3，三种颜色的光信号强弱相同，从而避免了偏色问题并且尽量减少摩尔纹现象。

本实用新型的特征、技术效果和其他优点将通过下面结合附图的进一步说明而变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图通过示例的方式来描述本实用新型，其中：

图1是示出现有技术中的常规拜耳模式色彩滤波阵列的示意图。

图2是应用了色彩滤波阵列的一例彩色图像传感器的结构示意图。

图3是根据本实用新型一个实施例的经过优化的色彩滤波阵列的示意图。

图4是根据本实用新型另一实施例的经过优化的色彩滤波阵列的示意图。

图5A和图5B是根据本实用新型变形例的经过优化的色彩滤波阵列的示意图。

图6是根据本实用新型另一变形例的经过优化的色彩滤波阵列的示意图。

具体实施方式

下面，结合附图详细地说明本实用新型优选实施例的技术内容、构造特征以及所达到的技术目的和技术效果。在以下描述中，陈述众多具体细节以提供对各实施例的透彻理解。然而，相关领域技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在没有这些具体细节中之一或多者的情况下加以实践或以其它方法、组件、材料等来加以实践。在其它情况下，不详细展示或描述公知结构、材料或操作以避免混淆某些方面。

遍及本说明书对“一个实施例/变形例”或“一实施例/变形例”的引用是指结合该实施例/变形例所描述的特定特征、结构或特性被包括于本实用新型至少一个实施例/变形例中。因此，在本说明书全文各处的词组“在一个实施例/变形例中”或“在一实施例/变形例中”的出现未必均指同一实施例/变形例。此外，可在一个或多个实施例/变形例中以任何合适方式组合特定特征、结构或特性。

图2是应用了色彩滤波阵列（CFA）的示例性彩色图像传感器的结构示意图。简要而言，图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的设备，其基本工作原理是将外界物体在物镜成像面上形成的二维光强分布的光学图像转变为一维时序电信号。图像传感器输出的一维时序电信号经过后续的放大及同步控制处理后，发送给图像显示器，便可还原并显示二维光学图像。图像传感器被广泛的应用于各种消费类电子产品中，如数码相机、手机及视频监控系统等。从图像接收反射光并从中产生可用信号的特定技术并不与本实用新型的内容密切相关，目前用于这种目的的主流图像传感器主要分为两种，一种是CCD(chargecoupled device，电荷耦合元件)，另一种是CMOS(Complementary Metal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体元件)传感器。CCD特有的工艺，具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点，被广泛应用于许多高端领域中，但同时由于其成本高、功耗大也制约了其市场发展的空间。

如图2所示那样，从外部结构上来说，彩色图像传感器主要分为三层，由外到内依次为微型透镜层3、分色滤光片层5以及感光层4。处于最外层的微型透镜层3是由很多的微型透镜组成，入射光2穿过微型透镜层3可以更多地聚集到最内层的感光层4的像素感光区域。分色滤光层5是由色彩滤波阵列组成的滤光片，色彩滤波阵列的每一个滤镜单元对应一个像素，每一个滤镜单元只能有一种颜色的光通过，其目的是让每一个像素点表征一种特定颜色光强的大小。如上所述，目前最常用的色彩滤波阵列(简称CFA)是传统拜耳模式(Bayer pattern) CFA，该滤波阵列交替使用一组红色和绿色滤镜以及一组绿色和蓝色滤镜构成的2×2正方形的基本滤镜单元，每一个2×2基本滤镜单元由2个绿色(G)、1个红色(R)和1个蓝色(B)单元组成，因此能捕获1/2的绿光、1/4的红光以及1/4的蓝光，换言之，基于传统拜耳模式的色彩滤波阵列之中的RGB滤镜面积比例为1/4：1/2：1/4，因此不可避免地带来偏色问题和摩尔纹缺陷。

本实用新型的核心点就是采用经过优化的色彩滤波阵列来取代传统的拜耳模式色彩滤波阵列，以克服现有技术中的拜耳模式所存在的技术缺陷。具体而言，图2中的彩色图像传感器所使用的分色滤光层5采用了经过优化的色彩滤波阵列，其包括若干个大小、形状相同的像素结构单元1；透镜层3包括若干个微型透镜，用于将入射光2聚集到感光层4上的像素感光区域；最里面的感光层4是由与上层分色滤光层5的CFA模式相对应的X×Y个像素点组成的电子线路矩阵，其作用是把透过CFA的光信号转变为电流信号输出。经过优化的色彩滤波阵列可以保证其中的RGB滤镜面积比例为1/3：1/3：1/3，三种颜色的光信号强弱相同，从而避免偏色问题并且尽量减少摩尔纹现象。

下面，结合图3至图6所示的根据本实用新型的实施例详细地说明经过优化的色彩滤波阵列的具体构成。图3是根据本实用新型一个实施例的经过优化的色彩滤波阵列的示意图，图3所示的色彩滤波阵列可以认为是一种异形拜耳模式CFA，该异形拜耳模式CFA使用3×3正方形基本滤镜单元200的重复模式，用于取代拜耳模式CFA中所用的2×2正方形基本滤镜单元20。每一基本滤镜单元200包括九个滤镜300：三个R滤镜、三个B滤镜及三个G滤镜，它们形成一个3×3阵列，也就是说九个滤镜300以相同颜色不相邻的优化方式进行排列而形成3×3阵列。其工作原理与传统拜耳模式CFA相同，该异形拜耳模式CFA的单一基本滤镜单元200产生一R信号(将三个R信号组合)、一G信号(将三个G信号组合)及一B信号(将三个B信号组合)。每一基本滤镜单元200可被视为由彩色图像传感器产生的彩色图像的最小元素，其中每一基本滤镜单元200对应于输出图像数据中的单一图像像素。由单一基本滤镜单元200的个别滤镜300输出的R、G及B信号经组合以形成输出彩色图像数据中的个别彩色图像像素。需要指出的是，该异形拜耳模式不同于传统拜耳模式之处在于：在基于异形拜耳模式CFA的色彩滤波阵列中三种红色、蓝色、绿色的滤镜比例的保持一致即G、R、B滤镜所占比例分别为1/3，三种颜色的光信号强弱相同；而且三种红色、蓝色、绿色的滤镜采用相同颜色彼此间隔（不相邻）的特定排列方式，以确保不存在相同颜色的滤镜相邻的情况，从而避免了彩色干扰和偏色缺陷，整体提高了图像清晰度。

图4是根据本实用新型另一实施例的经过优化的色彩滤波阵列的示意图。如图4所示，本实用新型使用的经过优化的色彩滤波阵列包括若干个大小、形状相同的像素结构单元1，多个所述像素结构单元1重复排列而形成经过优化的色彩滤波阵列，像素结构单元1包括三个均为2×2阵列的基本滤镜单元，即第一基本滤镜单元11、第二基本滤镜单元12和第三基本滤镜单元13，通过均衡地混合排列第一基本滤镜单元11、第二基本滤镜单元12和第三基本滤镜单元13最终形成一个由3×3基本滤镜单元阵列组成而成的最小结构单元。优选地，第一基本滤镜单元11、第二基本滤镜单元12和第三基本滤镜单元13采用同一基本滤镜单元彼此间隔（不相邻）的方式来进行排列。

进一步，第一基本滤镜单元11为一个2×2阵列，包括1个R滤镜、1个B滤镜和2个G滤镜；第二基本滤镜单元12同样是一个2×2阵列，包括1个B滤镜、1个G滤镜和2个R滤镜；第三基本滤镜单元13同样是一个2×2阵列，包括1个G滤镜、1个R滤镜和2个B滤镜。由于在所述像素结构单元1中，第一基本滤镜单元11、第二基本滤镜单元12和第三基本滤镜单元13的个数相等，因此在经过优化的色彩滤波阵列中红色、蓝色、绿色的整体滤镜比例的保持一致，即G、R、B滤镜所占比例均为1/3，三种颜色的光信号强弱相同，从而避免了彩色干扰和偏色缺陷，整体提高了图像清晰度。

在上述经过优化的色彩滤波阵列的基础上，发明人进一步构思了不同的变形例。图5A和图5B是根据本实用新型变形例的经过优化的色彩滤波阵列的示意图。如图5A所示那样，将2×2阵列的基本滤镜单元变形为由三个不规则形状的RGB滤镜组成的基本滤镜单元。具体而言就是围绕2×2阵列的正方形中心大致等角度地（约120度）分割为面积相等的三个部分，并对这三个部分设置不同的三原色G、R、B滤镜。需要注意的是，如图5B所示，根据简单的几何运算知识，如果是正方形（设边长为6单位长度）的基本滤镜单元，则为了使A、B和C三部分的面积完全均等，可采用A、B部分的形状不同于C部分且A、B部分所占据的圆周角分别为123.69度的分割方式；可选地，还可以使基本滤镜单元采用大致正方形（5.19×6单位长度），并且完全等角度地（120度）分割为面积相等的三个部分A、B和C，并对这三个部分设置不同的三原色G、R、B滤镜。

具体而言，根据本实用新型变形例的色彩滤波阵列包括若干个大小、形状相同的像素结构单元1’，多个所述像素结构单元1’重复排列而形成经过优化的色彩滤波阵列，像素结构单元1’包括三个基本滤镜单元，即第一基本滤镜单元11’、第二基本滤镜单元12’和第三基本滤镜单元13’，通过均等地混合排列第一基本滤镜单元11’、第二基本滤镜单元12’和第三基本滤镜单元13’而最终形成一个混合型3×3阵列的最小结构单元。优选地，第一基本滤镜单元11’、第二基本滤镜单元12’和第三基本滤镜单元13’采用同一基本滤镜单元彼此间隔的方式来进行排列。需要特别指出的是，不同于图4所示的基本滤镜单元，图5A所示的全部第一至第三基本滤镜单元11’、 12’和13’均包括1个R滤镜、1个B滤镜和1个G滤镜，因此在根据变形例的经过优化的色彩滤波阵列中红色、蓝色、绿色的滤镜比例的保持一致即G、R、B滤镜所占比例均为1/3，三种颜色的光信号强弱相同，从而避免了彩色干扰和偏色缺陷，整体提高了图像清晰度。

另外，根据图5A所示的变形例，本技术人员不难联想到还可以采用其他的等面积分割方式。图6是根据本实用新型另一变形例的经过优化的色彩滤波阵列的示意图，如图6所示，可以将2×2阵列的规则形状的基本滤镜单元变形为由三个长方形RGB滤镜组成的基本滤镜单元，这可以在制造工艺上大幅减少成本，同时使经过优化的色彩滤波阵列中红色、蓝色、绿色的滤镜比例的保持一致即G、R、B滤镜所占比例均为1/3。构成基本滤镜单元的三个长方形RGB滤镜的排列方向可以是垂直方向或水平方向，进一步不同排列方向的基本滤镜单元还可以混合使用在同一色彩滤波阵列中，只要使红色、蓝色、绿色的滤镜比例的保持一致即可。另外，根据本实用新型的上述实施例和变形例，经过优化的色彩滤波阵列可以使光敏元件全采样地接收光信号，三种颜色的光信号强弱相同，不会像传统拜耳模式阵列那样因重复存在过滤同一颜色的滤镜而损失1/4的光信号。

具体而言，根据本实用新型另一变形例的色彩滤波阵列包括若干个大小、形状相同的像素结构单元1’’，多个所述像素结构单元1’’重复排列而形成经过优化的色彩滤波阵列，像素结构单元1’’包括三个基本滤镜单元，即第一基本滤镜单元11’’、第二基本滤镜单元12’’和第三基本滤镜单元13’’，通过均等地混合排列第一基本滤镜单元11’’、第二基本滤镜单元12’’和第三基本滤镜单元13’’最终形成一个混合型3×3基本滤镜单元阵列组成而成的最小结构单元。优选地，第一基本滤镜单元11’’、第二基本滤镜单元12’’和第三基本滤镜单元13’’采用同一基本滤镜单元彼此间隔的方式来进行排列。与图5A所示的基本滤镜单元相同，图6所示的全部第一至第三基本滤镜单元11’’、 12’’和13’’均包括1个R滤镜、1个B滤镜和1个G滤镜，因此在根据变形例的经过优化的色彩滤波阵列中红色、蓝色、绿色的滤镜比例的保持一致即G、R、B滤镜所占比例均为1/3，三种颜色的光信号强弱相同，从而避免了彩色干扰和偏色缺陷，整体提高了图像清晰度。

以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。应当理解，以上的描述意图在于说明而非限制。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此组合使用。此外，根据本实用新型的启示可以做出很多改型以适于具体的情形或材料而没有偏离本实用新型的范围。通过阅读上述描述，权利要求的范围和精神内的很多其它的实施例和改型对本领域技术人员是显而易见的。举例而言，虽然示出了CMOS彩色图像传感器的实例，但实施例可包括其它类型的彩色图像传感器，诸如电荷耦合器件(CCD)及使用三个相异彩色滤波器产生三色彩信道信号的其它器件。可根据以上详细描述而对本实用新型进行此等修改。在以下申请专利范围权利要求中所使用之术语不应理解为将本实用新型限于本说明书中所揭示的具体实施例。实情为，本实用新型的范畴将完全藉由以下申请专利范围确定，以下申请专利范围将根据请求项解释的既定准则加以理解。

Claims (7)

1.一种用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，其特征在于：所述优化色彩滤波阵列包括若干个大小、形状相同的像素结构单元，所述像素结构单元使用3×3阵列的重复模式，该重复模式包括过滤第一基色的第一滤镜、过滤第二基色的第二滤镜以及过滤第三基色的第三滤镜，所述第一、第二和第三滤镜的个数相等，并且彼此相间隔地进行排列。

2.根据权利要求1所述的用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，其特征在于：所述第一基色至所述第三基色为红色（R）、蓝色（B）和绿色（G）中的任意一个。

3.一种用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，其特征在于：所述优化色彩滤波阵列包括若干个大小、形状相同的像素结构单元，所述像素结构单元包括第一基本滤镜单元、第二基本滤镜单元和第三基本滤镜单元，通过混合排列上述第一、第二和第三基本滤镜单元形成一个由3×3基本滤镜单元阵列组成的最小结构单元；所述第一基本滤镜单元为一个2×2阵列，包括2个G滤镜、1个R滤镜和1个B滤镜；所述第二基本滤镜单元是一个2×2阵列，包括2个R滤镜、1个B滤镜和1个G滤镜；所述第三基本滤镜单元同样是一个2×2阵列，包括2个B滤镜、1个G滤镜和1个R滤镜。

4.根据权利要求3所述的用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，其特征在于：所述第一、第二和第三基本滤镜单元成对角线、水平或者垂直排列，所述第一、第二和第三基本滤镜单元彼此相间隔地进行排列。

5.一种用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，其特征在于：所述优化色彩滤波阵列包括若干个大小、形状相同的像素结构单元，所述像素结构单元包括第一基本滤镜单元、第二基本滤镜单元和第三基本滤镜单元，通过混合排列上述第一、第二和第三基本滤镜单元而形成一个混合型3×3阵列的最小结构单元；所述第一至第三基本滤镜单元均中G滤镜、R滤镜和B滤镜所占的面积相同，而且G滤镜、R滤镜和B滤镜的排列图案不同。

6.根据权利要求5所述的用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，其特征在于：所述第一、第二和第三基本滤镜单元成对角线、水平或者垂直排列，所述第一、第二和第三基本滤镜单元彼此相间隔地进行排列。

7.根据权利要求6所述的用于彩色图像传感器的优化色彩滤波阵列，其特征在于：所述G滤镜、R滤镜和B滤镜为等面积的长方形或不规则形状。