TW201322754A - 高動態範圍影像感測裝置、方法、及裝置製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種高動態範圍影像感測方法，其包括：透過一第一長積分時間感測器而以一長積分時間感測一影像；以及透過一第一短積分時間感測器而以一短積分時間感測該影像。

Description

高動態範圍影像感測裝置、方法、及裝置製造方法
本發明係關於影像感測裝置，更係關於具有長及短積分時間感測器的高動態範圍影像感測裝置。
對傳統的影像感測器而言，為了在短時間內取得高解析度的影像，必須依照環境光線照度手動或自動地決定適當的影像補捉速度(即快門速度)。然而，影像捕捉速度與解析度之間必須有所取捨。當影像捕捉速度愈快，則影像畫質通常愈差；當欲取得畫質愈高的影像，則必須減緩影捕捉速度。在錄製影片時，前述的影像捕捉速度也決定了畫面速率(frame rate)的高低。
此外，在高動態範圍環境下，例如在行車上捕捉道路狀況之影像時，正常的影像感測器通常只能提供低劣的色彩辨識力，特別是在環境光線不足時此現象會更加嚴重。
有鑑於此，若有一種能夠以高畫面速率捕捉高解析度以及高色彩辨識力影像的高動態範圍影像感測裝置或是影像感測方法，其在使用上將會相當理想。
本發明提供一種高動態範圍影像感測裝置，其至少包括：一第一對影像感測器，其具有：一第一長積分時間感測器，其以一長積分時間感測一影像；以及一第一短積分時間感測器，耦接至該第一長積分時間感測器，其以一短積分時間感測該影像。
本發明另提供一種高動態範圍影像感測方法，其包括：透過一第一長積分時間感測器而以一長積分時間感測一影像；以及透過一第一短積分時間感測器而以一短積分時間感測該影像。
本發明另提供一種高動態範圍影像感測裝置製造方法，其包括：在一晶圓上至少一第一列上形成複數個第一對影像感測器，其中各第一對影像感測器具有互相耦接的一第一長積分時間感測器以及一第一短積分時間感測器。
下文為介紹本發明之最佳實施例。各實施例用以說明本發明之原理，但非用以限制本發明。本發明之範圍當以後附之權利要求項為準。
高動態範圍影像感測裝置
第1圖係依據本發明第一實施例之高動態範圍(HDR)影像感測裝置示意圖。該高動態範圍影像感測裝置100係用以在高動態範圍下感測影像。舉例而言，高動態範圍影像感測裝置100可以是用以記錄畫面或影片的行車記錄器或倒車輔助影像感測器等。
動態範圍影像感測裝置100至少包括一第一對影像感測器102。該第一對影像感測器102具有第一長積分時間感測器L以及一第一短積分時間感測器S，兩者彼此緊密相連。該第一長積分時間感測器可以一長積分時間感測該影像，因此對昏暗區域有著較佳的影像敏感度。該第一短積分時間感測器S可以一短積分時間感測該影像，因此畫面速率較佳，且對明亮區域影像有著較佳的影像敏感動。在一較佳的實施例中，應該儘可能地將第一長與短積分時間感測器L與S製造成具有最小的尺寸，因為當該影像感測器L與S之尺寸愈小時，兩者所捕捉的影像間之視角差就會愈小。
在第1圖的實施例中僅有一對影像感測器102。因此，該高動態範圍影像感測裝置100僅得以用來捕捉2D影像。
在一實施例中，該第一長與短積分時間感測器L與S所感測的影像將被傳送給影像處理器104進行處理，目的在取得高解析度、高畫面速率及高動態範圍之影像。在一簡化的實施例中，處理器104可透過將感測器所取得的影像中之明亮部分與感測器L所取得的影像中之灰暗部分予以合成而產生一高動態範圍影像。
第2圖係依據本發明第二實施例之高動態範圍影像感測裝置200示意圖，其中該高動態範圍影像感測裝置200係用於捕捉3D影像。在此實施例中，高動態範圍影像感測裝置200具有兩個第一對影像感測器，分別具有一長積分時間感測器L與一短積分時間感測器S。如第2圖所示，該影像感測器202係位於左側(舉例而言，設置於左測的立體攝影機上)，而另一影像感測器204係位於右側(舉例而言，設置於右測的立體攝影機上)，兩者可間隔一定的距離以模擬人眼的立體視覺。
第3圖係依據本發明第三實施例之高動態範圍影像感測裝置300示意圖，其中該高動態範圍影像感測裝置300係用於捕捉多維影像。在此實施例中，高動態範圍影像感測裝置300具有三對或三對以上的影像感測器，而各對影像感測器分別具有一長積分時間感測器L與一短積分時間感測器S。在此實施例中，各該影像感測器接收不同角度的影像，因而營造出複眼視覺。第3圖中以陣列形態表示此影像感測器僅為方便說明，本發明不必以此為限。熟悉本技藝人士可以不同的陣列形式模擬各種複眼視覺，例如聯立眼(apposition eye)視覺、重複眼(superposition eye)視覺或拋物線式重複眼(parabolic superposition eye)視覺，只要能夠依照本發明之精神同時運用長及短積分時間感測器，皆具有取得高解析度、高畫面速率影像之效果。
第4A圖與第4B圖分別係本發明第四及第五實施例之影像感測裝置示意圖。在第四實施例中，高動態範圍影像感測裝置400A包括一第一對影像感測器402以及一第二對影像感測器404。第一對影像感測器402具有一第一長積分時間感測器L1與一第一短積分時間感測器S1，而第二對影像感測器404具有一第二長積分時間感測器L2與一第三長積分時間感測器L3。其中，第二與第三長積分時間感測器L2與L3可以長積分時間感測該影像。長積分時間感測器L1、L2與L3可分別以不同的時間曝光，藉以使長積分時間感測器L1、L2與L3以及該短積分時間感測器S1能擷取到更多的影像細節。
在第4B圖之第五實施例中，高動態範圍影像感測裝置400B包括一第一對影像感測器402與一第三對影像感測器406。該第一對影像感測器402具有一第一長積分時間感測器L1與一第一短積分時間感測器S1，而該第三對影像感測器406具有一第二短積分時間感測器S2與一第三短積分時間感測器S3。第二與第三短積分時間感測器S2與S3皆可以短積分時間感測該影像。值得注意的是，上述實施例中，第一對影像感測器402係繪示於該第二或第三對影像感測器404、406之上，而該第一長及第一短積分時間感測器L1與S1分別位於不同側，但其只是為了方便說明，上述感測器位置的安排不必以此為限。
第5圖為本發明影像感測器500之結構圖。影像感測器500包括一濾鏡陣列510與一畫素陣列520。在此實施例中，濾鏡陣列510係依據貝爾圖(Bayer pattern)排列，該畫素陣列520上具有紅色、藍色與綠色濾鏡，而其中綠色濾鏡之數量為紅色濾鏡或藍色濾鏡的兩倍(50%綠色，25%紅色與25%藍色)，藉此模仿人眼視覺。該影像感測器500可由前述各個實施例中所描述的各種感測器L與S所構成。
第6A-6C圖分別為本發明第六、第七及第八實施例之該影像感測裝置示意圖。在第六實施例中，影像感測裝置600包括感測器601、602、603與604。該感測器601包括畫素陣列(圖未示)以及一紅色濾鏡R，該紅色濾鏡R係用以覆蓋整個感測器601中的畫素陣列。該感測器602包括畫素陣列(圖未示)以及一透明濾鏡N，該透明濾鏡示N係用以覆蓋整個感測器602中的畫素陣列。該感測器603包括畫素陣列(圖未示)以及一綠色濾鏡G，係用以覆蓋整個感測器603中的畫素陣列。該感測器604包括畫素陣列(圖未示)以及一藍色濾鏡B，該藍色濾鏡係用以覆蓋整個感測器604中的畫素陣列。在一較佳的實施例中，應該儘可能地將感測器601-604製造成具有最小的尺寸，因為當該感測器601-604之尺寸愈小時，其所捕捉的影像間之視角差就會愈小。值得注意的是，對感測器602而言，該透明濾鏡N並非必要，在某些實施例中，感測器602可以僅有畫素陣列而不增設任何濾鏡。
在一實施例中，感測器601、603與604皆可對應至長積分時間，而該感測器602則對應至短積分時間。在此例中，感測器602可以短積分時間曝光，藉以擷取一場景中較明亮的部分以及較多的影像細節，而具有RGB濾鏡的感測器601、603與604則以長積分時間曝光，藉以擷取一場景中較昏暗的部分以及色彩更豐富的影像。在相反的實施例中，感測器601、603與604可對應至短積分時間，而該感測器602則對應至長積分時間，熟悉本技藝人士可自行類推。
在第6B圖所示的第七實施例中，影像感測裝置610包括感測器611、612、613與614。該感測器611包括畫素陣列(圖未示)以及一紅色濾鏡R，該紅色濾鏡R係用以覆蓋整個感測器611中的畫素陣列。該感測器612包括畫素陣列(圖未示)以及一透明濾鏡N，該透明濾鏡示N係用以覆蓋整個感測器612中的畫素陣列。該感測器613包括畫素陣列(圖未示)以及一綠色濾鏡G，係用以覆蓋整個感測器613中的畫素陣列。該感測器614包括畫素陣列(圖未示)以及一藍色濾鏡B，該藍色濾鏡係用以覆蓋整個感測器614中的畫素陣列。在一實施例中，感測器611、613與614係對應至長積分時間，而該感測器612則對應至短積分時間。在另一相反的實施例中，感測器611、613與614係對應至短積分時間，而該感測器612則對應至長積分時間。
在第6C圖的第8實施例中，影像感測裝置620包括感測器621、622、623與624。該感測器621包括畫素陣列(圖未示)以及一紅色濾鏡R，該紅色濾鏡R係用以覆蓋整個感測器621中的畫素陣列。該感測器622包括畫素陣列(圖未示)以及一透明濾鏡N，該透明濾鏡示N係用以覆蓋整個感測器622中的畫素陣列。該感測器623包括畫素陣列(圖未示)以及一綠色濾鏡G，係用以覆蓋整個感測器623中的畫素陣列。該感測器624包括畫素陣列(圖未示)以及一藍色濾鏡B，該藍色濾鏡係用以覆蓋整個感測器624中的畫素陣列。在一實施例中，感測器621、623與624係對應至長積分時間，而該感測器622則對應至短積分時間。在另一相反的實施例中，感測器621、623與624係對應至短積分時間，而該感測器622則對應至長積分時間。
高動態範圍影像感測方法
除了該高動態範圍影像感測裝置之外，本發明另提供一高動態範圍影像感測方法。
第7A圖係依據本發明一實施例之該高動態範圍影像感測方法流程圖。在此實施例中，方法700A包括：在步驟S702中，透過一第一長積分時間感測器(例如，第4A圖L1)而以一長積分時間感測一影像透過一第一短積分時間感測器(例如，第4A圖S1)而以一短積分時間感測該影像；在步驟S704中，另透過一第二長積分時間感測器與一第三長積分時間感測器(例如，第4A圖L2與L3)而以一長積分時間感測該影像；以及在步驟S706中，分別將一紅色濾鏡、一綠色濾鏡以及一藍色濾鏡(例如，第6A-6C圖RGB濾鏡)覆蓋該第一、第二及第三長積分時間感測器(即L1、L2與L3)，並且不對該第一短積分時間感測器(即S1)進行色彩濾波(或者，以一透明濾鏡覆蓋第一短積分時間感測器)。
第7B圖係依據本發明另一實施例之高動態範圍影像感測方法流程圖。在此實施例中，方法700B包括：在步驟S712中，透過一第一長積分時間感測器(例如，第4B圖L1)而以一長積分時間感測一影像透過一第一短積分時間感測器(例如，第4B圖S1)而以一短積分時間感測該影像；在步驟S714中，另透過一第二短積分時間感測器與一第三短積分時間感測器(例如，第4A圖S2與S3)而以一短積分時間感測該影像；以及在步驟S716中，分別將一紅色濾鏡、一綠色濾鏡以及一藍色濾鏡(例如，第6A-6C圖RGB濾鏡)覆蓋該第一、第二及第三短積分時間感測器(即S1、S2與S3)，並且不對該第一長積分時間感測器(即L1)進行色彩濾波(或者，以一透明濾鏡覆蓋第一短積分時間感測器)。
由於熟悉本技藝人士可參照前述實施例並配合第1至第6圖了解本發明之方法700A與700B，因此，本文不再贅述此方法之其他細節。
值得注意的是，在本發明中，每一個RGB濾鏡係覆蓋「整個」影像感測器(舉例而言，一影像感測器包括1024×768像素)，而非一一覆蓋影像感測器的各別像素，其尺寸通常會比先前技術中的貝爾濾鏡(Bayer filter)大，因此更易於製造。藉由使用大尺寸的濾鏡，本發明可明顯地減影像感測器中影像訊號間的串擾效應(crosstalk)，並避免影像的模糊化(blooming)。
高動態範圍影像感測裝置製造方法
除了高動態範圍影像感測裝置與方法之外，本發明又提供一種高動態範圍影像感測裝置製造方法，其中特別的是，本發明可以晶圓層級製程(wafer level module，WLM)批量製造複數個高動態範圍影像感測裝置(例如影像晶片)。第8A-8C圖皆表示一部分的晶圓，以及製於其上的高動態範圍影像感測裝置。
第9A圖係本發明一實施例之高動態範圍影像感測裝置製造流程圖。請一併參照第8A圖及第9A圖。方法900A包括：在步驟S902中，在一晶圓800A上各列形成複數個第一對影像感測器102，其中各該第一對影像感測器102具有一第一長積分時間感測器L以及一第一短積分時間感測器S，兩者彼此耦接。在一實施例中，方法900A更包括一步驟S908：將各該第一對該影像感測器自該晶圓上切割出來。
第9B圖係依據本發明另一實施例之高動態範圍影像感測裝置製造方法。請一併參照第8B圖及第9B圖。其中該方法900B包括：在步驟S922中，在一晶圓800B的至少一第一列上形成複數個第一對影像感測器402，其中各該第一對影像感測器402具有一第一長積分時間感測器L1以及一第一短積分時間感測器S1，兩者彼此耦接；在步驟S924中，在一晶圓800B的至少一第二列上形成複數個第二對影像感測器404，其中各該第二對影像感測器404具有一第二長積分時間感測器L2以及一第三長積分時間感測器L3。在此實施例中，方法900B更包括：在步驟S926中，分別在該第一、第二與第三長積分時間感測器L1、L2與L3上覆蓋以一紅色濾鏡R、一綠色濾鏡G以及藍色濾鏡B，並且不在該第一短積分時間感測器S1上覆蓋任何濾鏡(或者，在該第一短積分時間感測器S1上覆蓋透明濾鏡)。雖然在此實施例中之晶圓僅具有兩列(第一列及第二列)，但其僅為方便說明，本發明不必以此為限，熟悉本技藝人士可依據本發明之精神類推增設第三列、第四列乃至更多列。此外，在一實施例中，方法900B更包括一步驟S928：將一第一對該影像感測器402連同一第二對該影像感測器404自該晶圓(800B)切割出來。
第9C圖係依據本發明另一實施例之高動態範圍影像感測裝置製造方法。請一併參照第8C圖及第9C圖。該方法900C包括：在步驟S942中，在一晶圓800C的至少一第一列上形成複數個第一對影像感測器402，其中各該第一對影像感測器402具有第一長積分時間感測器L1以及一第一短積分時間感測器S1，且兩者彼此耦接；在步驟S944中，在一晶圓800C的至少一第二列上形成複數個第二對影像感測器406，其中各該第三對影像感測器406具有一第二短積分時間感測器S2以及一第三長積分時間感測器S3。在一實施例中，方法900C更包括：在步驟S946中，分別在該第一、第二與第三短積分時間感測器S1、S2與S3上覆蓋以一紅色濾鏡R、一綠色濾鏡G以及藍色濾鏡B，並且不在該第一短積分時間感測器L1覆蓋任何濾鏡(或者，在該第一長積分時間感測器L1上覆蓋透明濾鏡)。雖然在此實施例中之晶圓僅具有兩列(第一列及第二列)，但其僅為方便說明，本發明不必以此為限，熟悉本技藝人士可依據本發明之精神類推增設第三列、第四列乃至更多列。此外，在一實施例中，方法900C更包括一步驟S948：將一第一對該影像感測器402連同一第三對該影像感測器406自該晶圓(800C)切割出來。
由於熟悉本技藝人士可參照前述實施例了解上述方法900A-900C，因此，本文不再贅述此方法之其他細節。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．高動態範圍影像感測裝置
102．．．第一對影像感測器
104．．．影像處理器
L．．．第一長積分時間感測器
S．．．第一短積分時間感測器
200．．．高動態範圍影像感測裝置
202．．．影像感測器
204．．．影像感測器
300．．．高動態範圍影像感測裝置
400A．．．高動態範圍影像感測裝置
402．．．第一對影像感測器
404．．．第二對影像感測器
L1．．．第一長積分時間感測器
S1．．．第一短積分時間感測器
L2．．．第二長積分時間感測器
L3．．．第三長積分時間感測器
400B．．．高動態範圍影像感測裝置
402．．．第一對影像感測器
406．．．第三對影像感測器
L1．．．第一長積分時間感測器
S1．．．第一短積分時間感測器
S2．．．第二短積分時間感測器
S3．．．第三短積分時間感測器
600．．．影像感測裝置
601、602、603、604．．．影像感測器
R．．．紅色濾鏡
G．．．綠色濾鏡
B．．．藍色濾鏡
N．．．透明濾鏡
611、612、613、614．．．影像感測器
621、622、623、624．．．影像感測器
800A、800B、800C．．．晶圓
第1圖係依據本發明第一實施例之高動態範圍(HDR)影像感測裝置示意圖。
第2圖係依據本發明第二實施例之高動態範圍影像感測裝置200示意圖。
第3圖係依據本發明第三實施例之高動態範圍影像感測裝置300示意圖。
第4A圖與第4B圖分別係本發明第四及第五實施例之影像感測裝置示意圖。
第5圖為本發明影像感測器500之結構圖。
第6A-6C圖分別為本發明第六、第七及第八實施例之該影像感測裝置示意圖。
第7A圖係依據本發明一實施例之該高動態範圍影像感測方法流程圖。
第7B圖係依據本發明另一實施例之高動態範圍影像感測方法流程圖。
第8A-8C圖皆表示一部分的晶圓，以及製於其上的高動態範圍影像感測裝置。
第9A圖係本發明一實施例之高動態範圍影像感測裝置製造流程圖。
第9B圖係依據本發明另一實施例之高動態範圍影像感測裝置製造方法。
第9C圖係依據本發明另一實施例之高動態範圍影像感測裝置製造方法。
100．．．高動態範圍影像感測裝置
102．．．第一對影像感測器
104．．．影像處理器
L．．．第一長積分時間感測器
S．．．第一短積分時間感測器

Claims (22)

  1. 一種高動態範圍(high dynamic range，HDR)影像感測裝置，至少包括：一第一對影像感測器，具有：一第一長積分時間感測器，其以一長積分時間感測一影像；以及一第一短積分時間感測器，耦接至該第一長積分時間感測器，其以一短積分時間感測該影像。
  2. 如申請專利範圍第2項所述之高動態範圍影像感測裝置，更包括：一紅色濾鏡、一綠色濾鏡以及一藍色濾鏡，其中該紅色、綠色及藍色濾鏡分別覆蓋該第一、第二及第三長積分時間感測器，且未覆蓋該第一短積分時間感測器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之高動態範圍影像感測裝置，更包括：一第二對影像感測器，與該第一對影像感測器並聯，具有：一長積分時間感測器與一第三長積分時間感測器，兩者皆耦接至該第二長積分時間感測器，並以一長積分時間感測該影像。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之高動態範圍影像感測裝置，更包括：一第三對影像感測器，與該第一對影像感測器並聯，具有：一第二短積分時間感測器與一第三短積分時間感測器，兩者皆耦接至該第二短積分時間感測器，並以一短積分時間感測該影像。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之高動態範圍影像感測裝置，更包括：一紅色濾鏡、一綠色濾鏡以及一藍色濾鏡，其中該紅色、綠色及藍色濾鏡分別覆蓋該第一、第二及第三短積分時間感測器，且未覆蓋該該第一長積分時間感測器。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之高動態範圍影像感測裝置，更包括：一紅色濾鏡、一綠色濾鏡以及一藍色濾鏡，其中該紅色、綠色及藍色濾鏡分別覆蓋該第一、第二及該第三短積分時間感測器，而該第一長積分時間感測器係被一透明濾鏡覆蓋。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之高動態範圍影像感測裝置，更包括一影像處理器，用以依據由該第一長積分時間感測器與該第一短積分時間感測器所取得的影像產生一高動態範圍影像。
  8. 一種高動態範圍(high dynamic range，HDR)影像感測方法，包括：透過一第一長積分時間感測器而以一長積分時間感測一影像；以及透過一第一短積分時間感測器而以一短積分時間感測該影像。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之高動態範圍影像感測方法，更包括：另透過一第二長積分時間感測器與一第三長積分時間感測器而以一長積分時間感測該影像。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之高動態範圍影像感測方法，更包括：分別將一紅色濾鏡、一綠色濾鏡以及一藍色濾鏡覆蓋該第一、第二及第三長積分時間感測器；以及不以任何濾鏡覆蓋該第一短積分時間感測器。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之高動態範圍影像感測方法，更包括：另透過一第二短積分時間感測器與一第三短積分時間感測器而以一短積分時間感測該影像。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之高動態範圍影像感測方法，更包括：分別將一紅色濾鏡、一綠色濾鏡以及一藍色濾鏡覆蓋該第一、第二及第三短積分時間感測器；以及不以任何濾鏡覆蓋該第一短積分時間感測器。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之高動態範圍影像感測方法，更包括：分別將一紅色濾鏡、一綠色濾鏡以及一藍色濾鏡覆蓋該第一、第二及第三短積分時間感測器；以及以一透明濾鏡覆蓋該第一長積分時間感測器。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之高動態範圍影像感測方法，更包括：依據由該第一長積分時間感測器與該第一短積分時間感測器所取得的影像產生一高動態範圍影像。
  15. 一種高動態範圍(high dynamic range，HDR)影像感測裝置製造方法，包括：在一晶圓上至少一第一列上形成複數個第一對影像感測器，其中各第一對影像感測器具有互相耦接的一第一長積分時間感測器以及一第一短積分時間感測器。
  16. 如申請專利範圍第15項之高動態範圍影像感測裝置製造方法，更包括：在該晶圓上各列形成該等第一對影像感測器。
  17. 如申請專利範圍第15項之高動態範圍影像感測裝置製造方法，更包括：在該晶圓之至少一第二列上形成複數個第二對影像感測器，其中各該第二對該影像感測器具有一第二長積分時間感測器以及一第三長積分時間感測器。
  18. 如申請專利範圍第17項之高動態範圍影像感測裝置製造方法，更包括：分別在該第一、第二與第三長積分時間感測器上覆蓋以一紅色濾鏡、一綠色濾鏡以及藍色濾鏡；以及不在該第一短積分時間感測器覆蓋任何濾鏡。
  19. 如申請專利範圍第15項之高動態範圍影像感測裝置製造方法，更包括：在該晶圓上之至少一第二列上形成複數個第三對影像感測器，其中各該第三對該影像感測器具有一第二短積分時間感測器與一第三短積分時間感測器。
  20. 如申請專利範圍第19項之高動態範圍影像感測裝置製造方法，更包括：分別在該第一、第二與第三短積分時間感測器上覆蓋以一紅色濾鏡、一綠色濾鏡以及藍色濾鏡；以及不在該第一長積分時間感測器覆蓋任何濾鏡。
  21. 如申請專利範圍第19項之高動態範圍影像感測裝置製造方法，更包括：不在該第一短積分時間感測器覆蓋任何濾鏡；以及在該第一長積分時間感測器覆蓋以一透明濾鏡。
  22. 如申請專利範圍第19項之高動態範圍影像感測裝置製造方法，更包括：依據由該第一長積分時間感測器與該第一短積分時間感測器所取得的影像產生一高動態範圍影像。
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