TWI552594B - 用於影像感測裝置的色彩濾波陣列及其製造方法 - Google Patents

Description

用於影像感測裝置的色彩濾波陣列及其製造方法

本發明係指一種用於影像感測裝置的色彩濾波陣列及其製造方法，尤指一種能夠擴大影像感測裝置動態範圍的色彩濾波陣列及其製造方法。

隨著科技發展，各種影像感測裝置已被大量應用於數位電子商品中，例如掃描器、數位相機、行動電話、個人數位助理等，而目前較為廣泛使用的影像感測裝置包括互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductors，CMOS)及電荷耦合裝置(Charge Coupled Device，CCD)。上述影像感測裝置皆為矽半導體裝置，可用來捕捉光能，然後將光能轉換成電能，經傳輸後再次轉換為可量測之電壓，而得到數位資料。

請參考第1圖，第1圖為傳統影像感測裝置接收之光通量與影像感測裝置產生之電壓的特徵曲線圖，其中電壓係對應於影像感測裝置擷取的影像訊息。如第1圖所示，影像感測裝置接收的光通量必須超過一最小光通量LFmin，影像感測裝置才可據以轉換出可量測之電壓。也就是說，於一次影像擷取中，影像感測裝置接收的光通量必須超過最小光通量LFmin，影像感測裝置才可取得有效的影像資訊。因此，若最小光通量LFmin越小，影像感測裝置能夠取得亮度越低的影像資訊。

另一方面，當影像感測裝置接收的光通量超過一最大光通量 LFmax後，影像感測裝置皆產生一最大電壓Vmax。換言之，若影像感測裝置於接收兩不同亮度的影像資訊時，對應光通量都超過最大光通量LFmax，則影像感測裝置都會輸出最大電壓Vmax，而導致無法分辨影像資訊的亮度差別。因此，最大光通量LFmax越大，影像感測裝置才越能分辨亮度較高的影像資訊。因此，習知技術已提供一指標動態範圍(Dynamic Range，DR)，用來評鑑影像感測裝置的亮度分辨情形，即影像感測裝置能夠辨別所接收之光通量範圍的大小，其定義為：

一般而言，影像感測裝置的動態範圍越大，所擷取的影像資訊可更真實呈現影像中的明暗差別。因此，如何擴大影像感測裝置的動態範圍便成為業界亟欲探討的議題。

為了解決上述的問題，本發明提供一種能夠擴大影像感測裝置動態範圍的色彩濾波陣列及其製造方法。

本發明揭露一種色彩濾波陣列，用於一影像感測裝置，該色彩濾波陣列包含有複數個像素，用來產生一影像的複數個像素資料；其中，每一像素被劃分為複數個對應於相同像素顏色的子像素；其中，每一像素累加每一像素的該複數個子像素中至少一者的像素值作為每一像素輸出的像素資料。

本發明另揭露一種產生一色彩濾波陣列的方法，該色彩濾波陣列用來產生一影像的複數筆像素資料，該方法包含有重複排列一重複樣式，以形成包含有複數個像素的一色彩濾波陣列；以及將該複數個像素中每一像素 劃分為對應於相同像素顏色的複數個子像素；其中，每一像素累加每一像素該複數個子像素中至少一者的像素值，作為每一像素輸出的像素資料。

20‧‧‧影像感測裝置

200‧‧‧影像感測模組

202‧‧‧運算模組

204‧‧‧時序控制單元

206‧‧‧列選擇單元

208‧‧‧行取樣單元

210‧‧‧色彩濾波陣列

60‧‧‧流程

600~606‧‧‧步驟

LFmax‧‧‧最大光通量

P11~Pij、Pnm、P1~P6‧‧‧像素

PD11~PDij‧‧‧像素資料

RP1、RP2‧‧‧重複樣式

SP1~SPx、SP1_1~SP1_4、SP2_1~SP2_4、SP3_1~SP3_4、SP4_1~SP4_4、SP5_1~SP5_y、SP6_1~SP6_z‧‧‧子像素

TH‧‧‧飽和上限

Vmax‧‧‧最大電壓

第1圖為傳統影像感測裝置接收的光通量與影像感測裝置產生的一電壓的特徵曲線圖。

第2圖為本發明實施例一影像感測裝置的示意圖。

第3圖為第2圖所示影像感測裝置的色彩濾波陣列中一重複樣式的示意圖。

第4圖為第2圖所示影像感測裝置的色彩濾波陣列中另一重複樣式的示意圖。

第5A、5B圖為第2圖所示影像感測裝置的色彩濾波陣列中一像素的示意圖。

第6圖為本發明實施例一流程的流程圖。

在以下所列舉的範例實施例中，影像感測裝置將色彩濾波陣列中每一像素劃分為複數個子像素。當影像感測裝置擷取影像時，每一像素可藉由累加複數個子像素中至少一子像素的像素值，取得影像中一像素點的像素資料，從而擴大影像感測裝置的動態範圍。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一影像感測裝置20的示意圖。影像感測裝置20可為如數位相機、數位攝影機、智慧型手機等具有影像感測功能的電子產品。如第2圖所示，影像感測裝置20包含有一影像感測模組200及一運算模組202。影像感測模組200包含有一時序控制單元204、一列選擇單元206、一行取樣單元208及一色彩濾波陣列210，影像感測模組 200用來根據一控制訊號CON，擷取對應於一影像IMG的像素資料PD11~PDij。其中，第2圖所示的色彩濾波陣列200包含有像素P11~Pij，而運算模組202用來產生控制訊號CON以控制影像感測模組200，並根據像素資料PD11~PDij進行運算以產生影像IMG。需注意的是，色彩濾波陣列210中像素P11~Pij的每一者都被劃分為複數個子像素SP1~SPx(第1圖中僅繪示像素P11為例)。據此，色彩濾波陣列210於輸出像素資料PD11~PDij，可根據像素P11~Pij每一者中的子像素SP1~SPx所感測到像素值，調整所輸出的像素資料PD11~PDij。如此一來，影像感測裝置20的動態範圍可獲得有效的提升。

詳細來說，假設色彩濾波陣列210的像素P11~Pij中一像素Pnm未被劃分為複數個子像素且像素Pnm接收到一最大光通量LFmax時，像素Pnm會產生對應於像素值255(如數位值255)的最大電壓Vmax。此外，由於像素Pnm接收到最大光通量LFmax時像素Pnm中電子數量已飽和，因此即使像素Pnm接收到超越最大光通量LFmax的光通量時，像素Pnm亦只能 產生最大電壓Vmax。舉例來說，當像素Pnm中接收到光通量 LF max，像素 Pnm僅能產生對應於像素值255的最大電壓Vmax，因而無法真實呈現實際的亮度差異。在此實施例中，像素Pnm被劃分為子像素SP1~SPx，且子像素SP1~SPx與像素Pnm對應於相同的像素顏色。當像素Pnm接收到光通量 LF max時，子像素SP1~SPx分別接收到的光通量為 LF max，而子像素 SP1~SPx產生的電壓所對應的像素值則為×255。由於子像素SP1~SPx的 數量大於等於2，因此像素Pnm的子像素SP1~SPx所產生的電壓所對應像 素值為×255，進而必定小於像素值255。在此狀況下，像素Pnm可選擇累 加子像素SP1~SPx中至少一個像素值作為輸出的像素資料PDnm。舉例來 說，像素Pnm可僅累加子像素SP1~SPx其中一者，取得像素值×255作為輸出的像素資料PDnm。或者，設計者可定義一飽和上限TH，且使像素Pnm輸出的像素資料PDnm小於或等於飽和上限TH。在一實施例中，飽和上限TH可為像素值255。只要像素資料PDnm不超過像素值255，像素Pnm可藉由累加子像素SP1~SPx中任意個子像素的像素值來取得像素資料PDnm。如此一來，影像感測裝置20的動態範圍可獲得提升。

請參考第3圖，第3圖為第2圖所示的色彩濾波陣列210中一重複樣式RP1的示意圖。藉由重複排列重複樣式RP1，即可取得第2圖所示的色彩濾波陣列210。需注意的是，第3圖用來介紹像素間相對的排列位置，而未限制各像素實際的長寬比例。如第3圖所示，重複樣式RP1包含有像素P1~P4，像素P1~P4可為第1圖所示的像素P11~Pij中相鄰的像素。像素P2相鄰於像素P1的右側，像素P3相鄰於像素P1的下側，且像素P4相鄰於像素P2、P3。像素P1~P4分別對應於紅色、綠色、綠色及藍色。

進一步地，重複樣式RP1中像素P1~P4分別被劃分為子像素SP1_1~SP1_4、SP2_1~SP2_4、SP3_1~SP3_4、SP4_1~SP4_4。其中，子像素SP1_1~SP1_4相同於像素P1而對應於紅色，子像素SP2_1~SP2_4相同於像素P2而對應於綠色，其餘以此類推。在此狀況下，像素P1~P4可根據子像素SP1_1~SP1_4、SP2_1~SP2_4、SP3_1~SP3_4、SP4_1~SP4_4所感測到的像素值大小，調整像素P1~P4產生的像素資料。

在一實施例中，假設第3圖所示的像素P1未被劃分為子像素SP1_1~SP1_4且像素P1接收到最大光通量LFmax時，像素P1會產生對應於像素值255的最大電壓Vmax。並且，即使像素P1接收到超越最大光通量LFmax的光通量亦只能產生最大電壓Vmax。舉例來說，當像素P1接收到光 通量 LF max，未被劃分的像素P1僅能產生對應於像素值255的最大電壓 Vmax，進而無法真實呈現實際的亮度差異。相較之下，在此實施例中像素 P1被劃分為子像素SP1_1~SP1_4，因此當像素P1接收到光通量 LF max時， 子像素SP1_1~SP1_4分別接收到光通量 LF max。在此狀況下，子像素P1_1 ~P1_4產生對應於像素值85的電壓 V max。像素P1可選擇累加子像素P1_1 ~P1_4中1~3個像素值作為輸出的像素資料。舉例來說，像素P1可僅累加子像素SP1_1~SP1_4中一者所產生的像素值，而取得像素值85作為輸出的像素資料；或者，像素P1可累加子像素P1_1~P1_4中兩者所產生的像素值，而取得像素值170作為輸出的像素資料；進一步地，像素P1也可累加子像素P1_1~P1_4中三者所產生的像素值，而取得像素值255作為輸出的像素資料。也就是說，在此實施例中，飽和上限TH被定義為對應於最大電壓Vmax的像素值255。如此一來，透過重複樣式RP1實現的色彩濾波陣列210可使影像感測裝置20的動態範圍獲得有效地提升。

在上述實施例中，在將色彩濾波陣列210的每一像素劃分為複數個子像素的情況下，色彩濾波陣列210的感度(sensitivity)會因此而些微下降。在一實施例中，透過將每一像素中部份子像素改為對應於具有較高亮度的另一像素顏色(如白色)，色彩濾波陣列210的感度可獲得提升。請參考第4圖，第4圖為第2圖所示的色彩濾波陣列210中一重複樣式RP2的示意圖。第4圖所示的重複樣式RP2類似於第3圖，因此功能相似的元件沿用相同的符號。相異於第3圖所示的重複樣式RP1，在重複樣式RP2中對應於綠色的子像素P2_1、P2_2、P2_4、P3_1、P3_3、P3_4改為對應於白色。據此，子像素P2_1、P2_2、P2_4、P3_1、P3_3、P3_4可接收到較多的光通量，從而加強色彩濾波陣列210的感度。

上述實施例將影像感測裝置的色彩濾波陣列中每一像素劃分為複數個像素，並累加每一像素的複數個像素中至少一者的像素值作為像素資料，從而增加影像感測裝置的動態範圍。根據不同應用及設計理念，本領域具通常知識者應可實施合適的更動及修改。舉例來說，第4圖所示的像素P2、P3中對應於白色的子像素與對應於綠色的子像素間的比例可改為1：1，且不限於此。在另一實施例中，對應於紅色及藍色的子像素亦可被改為對應於白色，以強化色彩濾波陣列210的感度。更甚者，色彩濾波陣列210部份的子像素可改為對應於相異於紅色、藍色、綠色、白色的其餘合適的像素顏色(如黃色)，亦可達成加強色彩濾波陣列210感度的目的。

此外，將像素劃分為複數個子像素的方式亦不限於第3、4圖所示的分割方式。請參考第5A圖及第5B圖，第5A圖及第5B圖為第2圖所示的濾波樣式210中一像素的示意圖。在第5A圖中，一像素P5被劃分為形成一長條狀的子像素SP5_1~SP5_y。而在第5B圖中，一像素P6被劃分為形成一長方形狀的子像素SP6_11~SP6_2z。根據不同設計理念，將像素劃分為複數個子像素的方式可被合適的更動及修改。

上述實施例中形成第2圖所示的濾波樣式210的方法可被歸納為一流程60，如第6圖所示。流程60用來產生用於影像感測裝置且具有大動態範圍的色彩濾波陣列，且包含有以下步驟：步驟600：開始。

步驟602：重複排列一重複樣式，以形成一色彩濾波陣列。

步驟604：將該色彩濾波陣列中每一像素劃分為複數個子像素。

步驟606：結束。

根據流程60，色彩濾波陣列中每一像素都被劃分為複數個子像素。據此，在色彩濾波陣列產生像素資料時，每一像素可根據複數個子像素所感測到的像素值，調整輸出的像素資料，從而提升影像感測裝置的動態範圍。流程50的詳細運作過程可參照前述，為求簡潔，在此不贅述。

綜上所述，上述實施例透過將影像感測裝置的色彩濾波陣列中每一像素劃分為對應於同一像素顏色的複數個像素，以累加每一像素的複數個像素中至少一者的像素值作為像素資料。在此狀況下，影像感測裝置的動態範圍可獲得有效地提升。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

20‧‧‧影像感測裝置

200‧‧‧影像感測模組

202‧‧‧運算模組

204‧‧‧時序控制單元

206‧‧‧列選擇單元

208‧‧‧行取樣單元

210‧‧‧色彩濾波陣列

Claims (16)

1. 一種色彩濾波陣列，用於一影像感測裝置，該色彩濾波陣列包含有：複數個像素，用來產生一影像的複數個像素資料；其中，每一像素被劃分為複數個對應於相同像素顏色的子像素；其中，每一像素累加每一像素的該複數個子像素中至少一者的像素值作為每一像素輸出的像素資料；其中該複數個像素中一第一像素的複數個子像素對應於一第一像素顏色，且該第一像素的複數個子像素中至少一者被改為對應於一第二像素顏色。
2. 如請求項1所述的色彩濾波陣列，其中每一像素輸出的像素資料小於或等於一飽和上限。
3. 如請求項1所述的色彩濾波陣列，其中該第二像素顏色為白色。
4. 如請求項1所述的色彩濾波陣列，其中每一像素的該複數個子像素排列為一長條狀。
5. 如請求項1所述的色彩濾波陣列，其中每一像素的該複數個子像素排列為一矩形。
6. 如請求項1所述的色彩濾波陣列，另包含有：複數個重複樣式(pattern)，該複數個重複樣式中每一重複樣式包含有該複數個像素中一第二像素、一第三像素、一第四像素及一第五像素；其中，該第三像素相鄰於該第二像素的一第一側，該第四像素相鄰於該第二像素的一第二側，且該第五像素相鄰於該第三像素及該第四像 素；其中，該第二像素、該第三像素、該第四像素及該第五像素分別對應於一第三像素顏色、一第四像素顏色、該第四像素顏色及一第五像素顏色；其中，該第三像素中至少一子像素改為對應於一第六像素顏色；其中，該第四像素中至少一子像素改為對應於該第六像素顏色。
7. 如請求項6所述的色彩濾波陣列，其中該第三像素顏色、該第四像素顏色及該第五像素顏色及該第六像素顏色分別為紅色、綠色、藍色及白色。
8. 如請求項6所述的色彩濾波陣列，其中該第三像素及該第四像素中對應於該第四像素顏色的子像素耦接於該第二像素及該第五像素。
9. 一種產生一色彩濾波陣列的方法，該色彩濾波陣列用來產生一影像的複數筆像素資料，該方法包含有：重複排列一重複樣式(pattern)，以形成包含有複數個像素的一色彩濾波陣列；將該複數個像素中每一像素劃分為對應於相同像素顏色的複數個子像素；以及將該複數個像素中對應於一第一像素顏色的一第一像素的複數個子像素中至少一者改為對應於一第二像素顏色；其中，每一像素累加每一像素的該複數個子像素中至少一者的像素值，作為每一像素輸出的像素資料。
10. 如請求項9所述的方法，其中每一像素輸出的像素資料小於或等於一飽和上限。
11. 如請求項10所述的方法，其中該第二像素顏色為白色。
12. 如請求項9所述的方法，其中每一像素的該複數個子像素排列為一長條狀。
13. 如請求項9所述的方法，其中每一像素的該複數個子像素排列為一矩形。
14. 如請求項9所述的方法，其中該重複樣式包含有該複數個像素中一第二像素、一第三像素、一第四像素及一第五像素；該第三像素相鄰於該第二像素的一第一側，該第四像素相鄰於該第二像素的一第二側，且該第五像素相鄰於該第三像素及該第四像素；其中該第二像素、該第三像素、該第四像素及該第五像素分別對應於一第三像素顏色、一第四像素顏色、該第四像素顏色及一第五像素顏色；其中該第三像素中至少一子像素改為對應於一第六像素顏色；其中該第四像素中至少一子像素改為對應於該第六像素顏色。
15. 如請求項14所述的方法，其中該第三像素顏色、該第四像素顏色、該第五像素顏色及該第六像素顏色分別為紅色、綠色、藍色及白色。
16. 如請求項14所述的方法，其中該第三像素及該第四像素中對應於該第四像素顏色的子像素耦接於該第二像素及該第五像素。