一種模擬隨機(jī)像素效果的cmos圖像像素陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模擬隨機(jī)像素效果的CMOS圖像像素陣列，通過在以顏色濾鏡的個(gè)數(shù)n為大于4的偶數(shù)、且n/2為奇數(shù)的顏色濾鏡的重復(fù)模塊中，在保證綠色濾鏡的比例大于紅色和藍(lán)色濾鏡的前提下，加入一定比例的白色濾鏡來提高像素陣列的光敏感度，并通過對(duì)各種顏色濾鏡以一定的均勻、對(duì)稱分布來模擬隨機(jī)像素的采樣效果，可在增強(qiáng)入射光效率、明顯提高像素陣列光敏感度的同時(shí)，控制顏色誤差，保證輸出彩色圖像的圖像質(zhì)量，提升像素陣列的性能。
【專利說明】一種模擬隨機(jī)像素效果的CMOS圖像像素陣列

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，更具體地，涉及一種帶有白色濾鏡的可模擬隨機(jī)像素效果的CMOS圖像像素陣列。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，在數(shù)字電視、可視通信等民用和商業(yè)范疇內(nèi)已得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)光電轉(zhuǎn)換方式的不同，圖像傳感器通?？梢苑譃殡姾神詈掀骷D像傳感器(Charge-coupled Device, CCD)和CMOS圖像傳感器(CMOS IMAGESENSOR, CIS)兩類。
[0003]對(duì)于CXD來說，一方面，在專業(yè)的科研和工業(yè)領(lǐng)域，具有高信噪比的C⑶成為首選；另一方面，在高端攝影攝像領(lǐng)域，能提供高圖像質(zhì)量的CCD也頗受青睞。而對(duì)于CIS來說，在網(wǎng)絡(luò)攝像頭和手機(jī)拍照模塊也得到了廣泛應(yīng)用。
[0004]CCD與CIS相比，前者功耗較高、集成難度較大，而后者功耗低、易集成且分辨率較高。雖然說，在圖像質(zhì)量方面C⑶可能會(huì)優(yōu)于CIS，但是，隨著CIS技術(shù)的不斷提高和CMOS制造工藝水平的大幅提升，一部分CIS的圖像質(zhì)量已經(jīng)接近于同規(guī)格的(XD。CIS在性能上正在取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并憑借其低成本、高效率、傳輸速度快等優(yōu)勢(shì)被廣泛用于平板電腦、智能手機(jī)等各類新興領(lǐng)域。伴隨著照相手機(jī)等消費(fèi)類電子領(lǐng)域?qū)IS的促進(jìn)，未來的CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)前景將更為廣闊。小尺寸、高性能CIS的設(shè)計(jì)成為本領(lǐng)域研究的重要課題之一。
[0005]圖像傳感器一個(gè)直觀的性能指標(biāo)就是對(duì)圖像的復(fù)現(xiàn)能力，而圖像傳感器的像素陣列就是直接關(guān)系到這一指標(biāo)的關(guān)鍵性功能模塊。像素陣列可分為正面照射式(Front SideIlluminated, FSI)像素陣列和背照式(Back Side Illuminated, BSI)像素陣列。在 FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)中，沿入射光方向依次包括濾鏡層、金屬層和感光二極管層。濾鏡層一般包括微透鏡(Micro-1ens)和顏色濾鏡陣列(Color Filter Array, CFA)的二者或其一，用于對(duì)入射光進(jìn)行聚焦和得到彩色圖像；金屬層包括由多層金屬布線形成的電路結(jié)構(gòu)，用于將光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)傳輸?shù)酵鈬娐愤M(jìn)行處理；感光二極管層中包括有感光二極管(PhotoD1de, H))，用于對(duì)接收的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。如果是BSI像素陣列，則沿入射光方向依次包括濾鏡層、感光二極管層和金屬層，其結(jié)構(gòu)中的金屬層位置與感光二極管層互換，即位于背離入射光的最遠(yuǎn)端層。在濾鏡層和感光二極管層之間設(shè)有光通道，入射光經(jīng)過濾鏡層，沿光通道到達(dá)感光二極管層中的ro，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字圖像。在采用有源像素傳感器(Active Pixel Sensor, APS)作為其感光單元的CIS的像素陣列中，一個(gè)APS (即一個(gè)像素單元)包括一個(gè)F1D和一個(gè)有源放大器(Active Amplifier)。
[0006]以FSI像素陣列為例，請(qǐng)參閱圖1，圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。如圖1所示，從剖面上看，像素陣列基本分為上中下三層，上層為濾鏡層6，用來放置微透鏡5和顏色濾鏡4，每個(gè)微透鏡5為一個(gè)凸透鏡，其下方對(duì)應(yīng)一個(gè)金屬層7的光通道3、Η)層9的光通道2及HH。中層為金屬層7，基質(zhì)為氧化硅材料，放置有多層金屬布線8(圖示為4層)，并以電連接方式形成電路結(jié)構(gòu)，用來傳遞電信號(hào)，相鄰金屬布線之間的空隙形成光通道3，入射光可從此光通道3穿過到達(dá)roi。下層為ro層9，基質(zhì)材料為硅，用來放置roi，ro層9的光通道2與金屬層7的光通道3連通并對(duì)準(zhǔn)。微透鏡5用來聚集光線，入射光(如圖中空心箭頭所指)通過濾鏡層6依次進(jìn)入金屬層光通道
3、ro層光通道2到達(dá)下層的PD1，PD1遇光子發(fā)生光電效應(yīng)，再傳出電信號(hào)。在FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)入射光入射時(shí)，傳感器表面的金屬材質(zhì)會(huì)反射掉一部分入射光，剩余的光線通過光通道時(shí)，由于其中的金屬層有很多層金屬布線，部分光線將被反射掉(如圖中實(shí)心箭頭所指)，使得光強(qiáng)進(jìn)一步受到損失，降低了入射光的效率，導(dǎo)致成像質(zhì)量受到影響。
[0007]請(qǐng)參閱圖2，圖2是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，其像素陣列的顏色濾鏡陣列采用Bayer模式排列，圖中例舉了 Bayer模式的其中一種排列方式，若以字母R代表紅色濾鏡，G代表綠色濾鏡，B代表藍(lán)色濾鏡，在Bayer模式的此種排列形式的顏色濾鏡陣列中，顏色濾鏡按照第一行RGRG……、第二行
GBGB......以此類推并按4個(gè)顏色濾鏡為單位重復(fù)的2X2像素形式排列。每種顏色的一個(gè)濾鏡4-1?4-4下方對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)ro1-Ι?1-4，并中心對(duì)齊。在圖示的FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)中，由于在顏色濾鏡與ro之間的金屬層要放置金屬布線(電路結(jié)構(gòu))，故而相鄰的ro間需留有一定間距。如果換做BSi像素陣列，因金屬層位于ro下方，則相鄰的ro間間距可以相對(duì)縮小。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)中，為了提高CMOS圖像像素陣列的入射光效率，通過采用不同的顏色濾鏡模式的重復(fù)模塊方式，來提高像素陣列的光敏感度。請(qǐng)參閱圖3?6，圖3?6是現(xiàn)有技術(shù)中在濾鏡重復(fù)模塊中加入白色濾鏡的不同顏色濾鏡模式。圖3?6顯示了 4種顏色濾鏡模式，與Bayer模式相類似，在這4種顏色濾鏡模式中，都使用了顏色濾鏡的重復(fù)模塊；不同的是，在各自的重復(fù)模塊中，在RGB三元色的顏色濾鏡之外，還分別加入了不同比例的白色濾鏡(產(chǎn)生白色光的濾鏡，即無色濾鏡，以W表示)，并按不同的規(guī)律將白色濾鏡在濾鏡的重復(fù)模塊中進(jìn)行分布。如圖3所示，在濾鏡的重復(fù)模塊10中，濾鏡的顏色排列形式(按行排列，下同)為WBWG、BffGff, WGffR, GffRff ;如圖4所示，在濾鏡的重復(fù)模塊11中，濾鏡的顏色排列形式為GWRW、GWRW、BWGW、BWGW ;如圖5所示，在濾鏡的重復(fù)模塊12中，濾鏡的顏色排列形式為GWRW、BffGff, GffRff, BffGff0上述3種模式由于在Bayer模式原有的2X2個(gè)濾鏡的重復(fù)模塊中加入了白色濾鏡，因此，構(gòu)成了以4X4個(gè)濾鏡為重復(fù)模塊10、11、12的顏色濾鏡模式形成的顏色濾鏡陣列。如圖6所示，在Bayer模式原有的2X 2個(gè)濾鏡的重復(fù)模塊中加入白色濾鏡后，在新的4X4個(gè)濾鏡的重復(fù)模塊13中，濾鏡的顏色排列形式為WRWR、BGBG、WRWR、BGBG0其中，在如圖3?5所示的3種重復(fù)模塊10、11、12中，W濾鏡分別加入了 8個(gè)，四種顏色濾鏡的比例為R:G:B:W = 1:2:1:4 ;而在如圖6所示的第4種重復(fù)模塊13中，W濾鏡有4個(gè)，四種顏色濾鏡的比例變?yōu)镽:G:B:W = 1:1:1:1。
[0009]為了模仿人眼對(duì)綠色尤為敏感的特性，現(xiàn)有技術(shù)下的Bayer模式使用了 R:G:B=1:2:1的濾鏡比例，使得像素陣列在相同條件下可接受更多的綠色光。在上述圖6所示的第4種重復(fù)模塊13中，當(dāng)加入白色濾鏡后，4X4個(gè)濾鏡的重復(fù)模塊中R:G:B:ff的比例為1: 1: 1: 1，綠色濾鏡的比例被減少，從而削弱了像素陣列對(duì)綠色光的敏感度，導(dǎo)致其輸出的圖像質(zhì)量變差——銳度下降、色彩誤差增大。因此，如果想要合理地提高像素陣列的敏感度，即在提高像素陣列敏感度的同時(shí)、保證其圖像質(zhì)量不下降，則必須在加入W濾鏡的同時(shí)，保證在RGB三色中綠色濾鏡的比例高于其他兩種顏色濾鏡，而這點(diǎn)是2X2模塊無法做到的。所以，在上述圖3?5所示的3種重復(fù)模塊中，采用了以4X4個(gè)濾鏡為重復(fù)模塊的顏色濾鏡模式，在加入白色濾鏡后，四種顏色濾鏡的比例為R:G:B:ff = 1:2:1:4，有色濾鏡(即RGB濾鏡)和無色濾鏡(即W濾鏡)數(shù)目的比例為1:1，綠色濾鏡的比例得到了保證。但同時(shí)，由于加入的白色濾鏡的比例太高，在四種顏色濾鏡中占到了 50%，同樣造成了顏色誤差的明顯增大。并且，在上述4種顏色濾鏡模式中，四種顏色濾鏡在重復(fù)模塊中的分布缺乏對(duì)稱性，在各個(gè)像素位置上濾鏡顏色的排列也不均勻，故不能模擬隨機(jī)像素進(jìn)行采樣的效果，因而在顏色誤差增大的情況下，甚至還會(huì)產(chǎn)生顏色失真的現(xiàn)象。
[0010]在上述的現(xiàn)有技術(shù)中，由于在RGB三元色以外加入了白色濾鏡，使濾鏡層的光透過率顯著提高，因而像素陣列的入射光效率得到了提高。但是，由于在濾鏡重復(fù)模塊中或者因綠色濾鏡的比例低于其他顏色濾鏡、或者因加入的白色濾鏡的比例太高，以及各種顏色濾鏡的分布缺乏均勻性和對(duì)稱性，結(jié)果導(dǎo)致在提高入射光效率的同時(shí)，顏色誤差卻明顯增大、甚至顏色失真的不良后果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種模擬隨機(jī)像素效果的CMOS圖像像素陣列，通過在以顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η為大于4的偶數(shù)、且η/2為奇數(shù)的顏色濾鏡的重復(fù)模塊中，在保證綠色濾鏡的比例大于紅色和藍(lán)色濾鏡的前提下，加入一定比例的白色濾鏡來提高像素陣列的光敏感度，并通過對(duì)各種顏色濾鏡以一定的均勻、對(duì)稱分布來模擬隨機(jī)像素的采樣效果，可在增強(qiáng)入射光效率、明顯提高像素陣列光敏感度的同時(shí)，控制顏色誤差，保證輸出彩色圖像的圖像質(zhì)量，提升像素陣列的性能。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0013]一種模擬隨機(jī)像素效果的CMOS圖像像素陣列，包括顏色濾鏡陣列，所述顏色濾鏡陣列具有以nXn個(gè)顏色濾鏡為重復(fù)模塊的顏色濾鏡模式，所述重復(fù)模塊中包括紅色、綠色、藍(lán)色和白色濾鏡，所述顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η為大于4的偶數(shù)，且η/2為奇數(shù)；所述重復(fù)模塊中所述綠色濾鏡的數(shù)量分別大于所述紅色和藍(lán)色濾鏡的數(shù)量，所述白色濾鏡的數(shù)量小于所述紅色、綠色、藍(lán)色濾鏡的數(shù)量總和；將所述重復(fù)模塊中的全部所述顏色濾鏡按排列位置均分在平面直角坐標(biāo)系的4個(gè)象限中，每個(gè)所述象限中的(η/2) X (η/2)個(gè)所述顏色濾鏡構(gòu)成所述重復(fù)模塊的I個(gè)子模塊，每個(gè)所述子模塊中以I個(gè)所述紅色或藍(lán)色濾鏡為中心濾鏡，所述中心濾鏡的同行及同列其他位置全部排列所述白色濾鏡，所述子模塊中的剩余位置供其他非白色濾鏡占據(jù)；相鄰2個(gè)所述子模塊中的所述中心濾鏡不同色，每個(gè)所述子模塊中的所述綠色濾鏡數(shù)量固定，并占據(jù)所述剩余位置中一半的位置，在每個(gè)所述子模塊的所述剩余位置中，任意2個(gè)相鄰?fù)谢蛲械乃鰹V鏡不同色；位于對(duì)角象限中的2個(gè)所述子模塊中的各所述顏色濾鏡按以所述平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為對(duì)稱中心或以坐標(biāo)軸為對(duì)稱軸對(duì)稱排列。
[0014]優(yōu)選的，構(gòu)成所述重復(fù)模塊的所述顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η為6，所述重復(fù)模塊中所述綠色、紅色、藍(lán)色、白色濾鏡的數(shù)量分別為8、6、6、16個(gè)；位于I?4象限中各所述子模塊中的所述中心濾鏡分別為一個(gè)所述紅色、藍(lán)色、紅色、藍(lán)色濾鏡，每個(gè)所述子模塊中的所述綠色濾鏡的數(shù)量為2個(gè)，并占據(jù)所述中心濾鏡以外的所述剩余位置中的其中二個(gè)對(duì)角位置，另外二個(gè)對(duì)角位置由與所述中心濾鏡不同色的另一種所述顏色濾鏡所占據(jù)。
[0015]優(yōu)選的，構(gòu)成所述重復(fù)模塊的所述顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η為10，所述重復(fù)模塊中所述綠色、紅色、藍(lán)色、白色濾鏡的數(shù)量分別為32、18、18、32個(gè)；位于I?4象限中各所述子模塊中的所述中心濾鏡分別為一個(gè)所述紅色、藍(lán)色、紅色、藍(lán)色濾鏡，每個(gè)所述子模塊中的所述綠色濾鏡的數(shù)量為8個(gè)，所述綠色、紅色、藍(lán)色濾鏡在所述中心濾鏡以外的所述剩余位置中均勻分布，圍繞所述中心濾鏡的8個(gè)顏色濾鏡與所述中心濾鏡不同色。
[0016]優(yōu)選的，所述像素陣列為正面照射式像素陣列或背照式像素陣列。
[0017]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過改變顏色濾鏡模式中重復(fù)模塊的像素?cái)?shù)目，在以顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η為大于4的偶數(shù)、且η/2為奇數(shù)的顏色濾鏡的重復(fù)模塊中，在保證綠色濾鏡的比例大于紅色和藍(lán)色濾鏡的前提下，加入一定比例的白色濾鏡來提高像素陣列的光敏感度，并通過對(duì)各種顏色濾鏡以一定規(guī)律的形式均勻、對(duì)稱分布，來模擬彩色膠卷輸出的隨機(jī)像素采樣的效果，可在增強(qiáng)入射光效率、明顯提高像素陣列光敏感度的同時(shí)，控制顏色誤差，保證輸出彩色圖像的圖像質(zhì)量，提升像素陣列的性能。因此，本發(fā)明的圖像像素陣列的設(shè)計(jì)，是一種充分利用現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的創(chuàng)新，其成本可控，具有分辨率高、摩爾紋少和顏色誤差少的優(yōu)良特性，可明顯地提高像素陣列的光敏感度和其輸出彩色圖像的圖像質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0019]圖2是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3?6是現(xiàn)有技術(shù)中在濾鏡重復(fù)模塊中加入白色濾鏡的不同顏色濾鏡模式；
[0021]圖7是本發(fā)明第一個(gè)【具體實(shí)施方式】中的6X6像素重復(fù)模塊中加入白色濾鏡時(shí)的顏色濾鏡模式；
[0022]圖8是本發(fā)明第二個(gè)【具體實(shí)施方式】中的10X10像素重復(fù)模塊中加入白色濾鏡時(shí)的顏色濾鏡模式。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0024]需要說明的是，在下述的【具體實(shí)施方式】中，在詳述本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對(duì)附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進(jìn)行了局部放大、變形及簡(jiǎn)化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對(duì)本發(fā)明的限定來加以理解。
[0025]現(xiàn)有技術(shù)下的CMOS圖像傳感器(簡(jiǎn)稱為CIS)的像素陣列中主要采用ActivePixel Sensor (有源像素傳感器，簡(jiǎn)稱為APS)構(gòu)成像素陣列，其結(jié)構(gòu)主要包括一個(gè)PhotoD1de (感光二極管,簡(jiǎn)稱為PD)和一個(gè)Active Amplifier (有源放大器)。入射光通過微透鏡聚光，經(jīng)過顏色濾鏡(Color Filter)入射光通道，最后抵達(dá)H)進(jìn)行感光。由于FSI (正面照射式，F(xiàn)ront Side Illuminated)CIS的光通道通過金屬層,其反射使得入射光有很大程度的折損；而BSI (背照式,Back Side Illuminated) CIS將感光層放置在金屬層之上,通過縮短光通道長(zhǎng)度大大提高了入射光效率。
[0026]為了提高CMOS圖像像素陣列的入射光效率，除了改變感光層的相對(duì)位置，還可以使用不同的顏色濾鏡模式。本發(fā)明中論述的圖像像素陣列不采用Bayer模式的ColorFilter (顏色濾鏡)，而是在大于4x4像素位置的顏色還原單元模塊(顏色濾鏡重復(fù)模塊)中加入了一定比例及模式的白色顏色濾鏡，在模擬隨機(jī)像素效果的同時(shí)，可合理地增強(qiáng)其光敏感度。
[0027]在本發(fā)明的第一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，請(qǐng)參閱圖7，其顯示本發(fā)明的一種6 X 6像素重復(fù)模塊中加入白色濾鏡時(shí)的顏色濾鏡模式。如圖7所示，本發(fā)明的模擬隨機(jī)像素效果的CMOS圖像像素陣列的一種顏色濾鏡陣列的具體形式為以6X6個(gè)顏色濾鏡為重復(fù)模塊構(gòu)成的顏色濾鏡模式。在本【具體實(shí)施方式】中，顏色濾鏡模式的重復(fù)模塊中使用了紅色、綠色、藍(lán)色和白色4種顏色的濾鏡，為表述方便，在下文及附圖中分別用符號(hào)R、G、B、W來指代。在本發(fā)明的顏色濾鏡模式中，顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η要求為大于4的偶數(shù)，且η/2為奇數(shù)。之所以這樣設(shè)計(jì)，一方面是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中采用4X4個(gè)濾鏡為重復(fù)模塊的顏色濾鏡模式無法模擬隨機(jī)像素進(jìn)行采樣、造成顏色誤差增大甚至顏色失真的缺陷；另一方面也跟本發(fā)明的顏色濾鏡模式需使用專門的算法流程來進(jìn)行彩色圖像的重構(gòu)有關(guān)。
[0028]按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)，在如圖7所示的重復(fù)模塊中，綠色濾鏡的數(shù)量應(yīng)分別大于紅色和藍(lán)色濾鏡的數(shù)量；而同時(shí)，白色濾鏡的數(shù)量要小于紅色、綠色、藍(lán)色濾鏡的數(shù)量總和。并且，在重復(fù)模塊中，根據(jù)本發(fā)明特定的排列形式，將重復(fù)模塊又均分為4個(gè)3 X 3的子模塊，每個(gè)子模塊中的顏色濾鏡各為9個(gè)。為了方便認(rèn)識(shí)和記憶其濾鏡的顏色排列特征，將這4個(gè)子模塊分在平面直角坐標(biāo)系(為便于理解和識(shí)別，圖中以虛線顯示了平面直角坐標(biāo)系)的4個(gè)象限中，形成第一象限子模塊14、第二象限子模塊15、第三象限子模塊16和第四象限子模塊17。
[0029]在形成的各個(gè)子模塊14?17中，以I個(gè)紅色濾鏡或藍(lán)色濾鏡作為中心濾鏡，即位于第一象限中的第一象限子模塊14的中心濾鏡18-1為一個(gè)紅色濾鏡，第二象限子模塊15的中心濾鏡18-2為一個(gè)藍(lán)色濾鏡，第三象限子模塊16的中心濾鏡18-3又返回為一個(gè)紅色濾鏡，第四象限子模塊17的中心濾鏡18-4為一個(gè)藍(lán)色濾鏡。中心濾鏡18-1?18-4為非白色及非綠色濾鏡。
[0030]在各個(gè)子模塊14?17的中心濾鏡18-1?18_4的同行及同列其他位置，全部由白色濾鏡所占據(jù)，形成“十”字形排列方式；而子模塊14?17中的剩余位置供其他非白色濾鏡(即R、G、B)占據(jù)。
[0031]為了在子模塊之間協(xié)調(diào)紅色和藍(lán)色濾鏡的數(shù)量比例及分布均勻性，任意相鄰的2個(gè)子模塊中的中心濾鏡不同色，例如，第一象限子模塊14的中心濾鏡18-1(紅色濾鏡)與第二象限子模塊15的中心濾鏡18-2(藍(lán)色濾鏡)及第四象限子模塊17的中心濾鏡
18-4(藍(lán)色濾鏡)不同色。
[0032]在每個(gè)子模塊中，綠色濾鏡的數(shù)量占據(jù)了所述剩余位置中一半的位置，即綠色濾鏡被均分在4個(gè)子模塊14?17中，且在每個(gè)子模塊中的數(shù)量固定為2個(gè)。并且，每個(gè)子模塊中的2個(gè)綠色濾鏡占據(jù)了中心濾鏡以外的所述剩余位置中的子模塊的其中二個(gè)對(duì)角位置，子模塊的另外二個(gè)對(duì)角位置由與中心濾鏡不同色的另一種顏色濾鏡(R或B)所占據(jù)。以第一象限子模塊14為例，子模塊的其中二個(gè)對(duì)角位置19-1、19-2由綠色濾鏡占據(jù)，另外二個(gè)對(duì)角位置由與紅色中心濾鏡18-1不同色的藍(lán)色濾鏡所占據(jù)。這樣的設(shè)計(jì)，既保證了重復(fù)模塊中綠色濾鏡的數(shù)量比例分別大于紅色和藍(lán)色濾鏡、白色濾鏡的數(shù)量比例小于紅色、綠色、藍(lán)色濾鏡的數(shù)量總和，又可以保證各顏色濾鏡在子模塊中分布的相對(duì)均勻性及對(duì)稱性。
[0033]同時(shí)，為了保證子模塊之間的相對(duì)對(duì)稱性，在本【具體實(shí)施方式】中，例舉了一種對(duì)稱排列方式:位于對(duì)角象限中的2個(gè)子模塊(即第一象限子模塊14和第三象限子模塊16、第二象限子模塊15和第四象限子模塊17)按以圖中的所述平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸(X軸或y軸)為對(duì)稱軸對(duì)稱排列，即位于對(duì)角象限中的2個(gè)子模塊中，相對(duì)于坐標(biāo)軸的各對(duì)稱位置處的顏色濾鏡的顏色相同。例如，第一象限子模塊14的一個(gè)右上角位置20-1的藍(lán)色濾鏡(B)與第三象限子模塊16的一個(gè)左上角位置20-2的藍(lán)色濾鏡(B)以坐標(biāo)軸(X軸或y軸)為對(duì)稱軸同色對(duì)稱排列；第一象限子模塊14的一個(gè)右下角位置19-2(即前述的對(duì)角位置
19-2)的綠色濾鏡(G)與第三象限子模塊16的一個(gè)左下角位置19-3的綠色濾鏡(G)以坐標(biāo)軸(X軸或y軸)為對(duì)稱軸同色對(duì)稱排列。從圖7中可以此類推觀察出此設(shè)計(jì)模式。當(dāng)然，也可以采用另一種對(duì)稱排列方式，即:位于對(duì)角象限中的2個(gè)子模塊(即第一象限子模塊和第三象限子模塊、第二象限子模塊和第四象限子模塊)按以所述平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為對(duì)稱中心對(duì)稱排列?？蓞⒖紙D7加以理解，這二種對(duì)稱排列形式都可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果，只是在使用的專門算法流程方面存在不同。
[0034]如此，在本【具體實(shí)施方式】中，所述重復(fù)模塊中的綠色、紅色、藍(lán)色、白色濾鏡的數(shù)量分別為8、6、6、16個(gè)。其中，第一象限子模塊14的顏色濾鏡的排列形式為第一行GWB、第二行WRW、第三行BWG，第二象限子模塊15的顏色濾鏡的排列形式為第一行RWG、第二行WBW、第三行GWR，第三象限子模塊16的顏色濾鏡的排列形式為第一行BWG、第二行WRW、第三行GWB，第四象限子模塊17的顏色濾鏡的排列形式為第一行GWR、第二行WBW、第三行RWG。以此4個(gè)子模塊14?17組成6X6像素的重復(fù)模塊，形成CMOS圖像像素陣列的顏色濾鏡陣列。
[0035]在應(yīng)用本發(fā)明時(shí)，CMOS圖像像素陣列不使用Bayer模式或其他4X4像素的重復(fù)模塊作為顏色濾鏡的模式，而是在大于4X4像素的6X6重復(fù)模塊中按上述【具體實(shí)施方式】揭示的模式加入白色濾鏡。并且，由此像素陣列輸出的RAW格式圖像數(shù)據(jù)，也不使用基于Bayer模式的圖像處理算法來獲取彩色圖像，而是使用專門的算法流程來進(jìn)行彩色圖像的重構(gòu)。
[0036]從上述【具體實(shí)施方式】可以看出，在每個(gè)子模塊中，綠色濾鏡和白色濾鏡的數(shù)目是固定的，分別為2個(gè)和4個(gè)；在整個(gè)6X6像素模塊中，四種顏色濾鏡的比例R:G:B:ff =3:4:3:8。在四個(gè)子模塊中的各色濾鏡排列呈一定的規(guī)律，子模塊之間的濾鏡顏色數(shù)目也呈對(duì)稱排列。由此可見，在重復(fù)模塊的36個(gè)像素位置上的濾鏡顏色排列均勻，因此，像素陣列輸出的RAW格式圖像數(shù)據(jù)，可以模擬彩色膠卷輸出的隨機(jī)像素采樣的效果，具有分辨高、摩爾紋少和顏色誤差少的優(yōu)良特性。此外，有色濾鏡(即RGB)和無色濾鏡(即W)數(shù)目的比例為5:4,無色濾鏡的數(shù)目小于有色濾鏡的數(shù)目總和，假設(shè)以一個(gè)無色濾鏡代替一個(gè)有色濾鏡時(shí)可以提高I倍的光敏感度，則本【具體實(shí)施方式】中的像素陣列的敏感度比Bayer模式的像素陣列要高出44.4% (即4/9 = 44.4% )。由于有色濾鏡的數(shù)目仍大于無色濾鏡，因此，采用本【具體實(shí)施方式】的像素陣列產(chǎn)生的顏色誤差也可以得到一定的控制，且總體效果優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。
[0037]本發(fā)明的第一種【具體實(shí)施方式】的顏色濾鏡陣列可以應(yīng)用于正面照射式像素陣列或背照式像素陣列中。特別是在正面照射式像素陣列中具有更為突出的應(yīng)用效果。
[0038]在本發(fā)明的第二個(gè)【具體實(shí)施方式】中，請(qǐng)參閱圖8，其顯示本發(fā)明的一種1X 10像素重復(fù)模塊中加入白色濾鏡時(shí)的顏色濾鏡模式。如圖8所示，本發(fā)明的模擬隨機(jī)像素效果的CMOS圖像像素陣列的一種顏色濾鏡陣列的具體形式為以1X 10個(gè)顏色濾鏡為重復(fù)模塊構(gòu)成的顏色濾鏡模式。在本【具體實(shí)施方式】中，顏色濾鏡模式的重復(fù)模塊中使用了紅色、綠色、藍(lán)色和白色4種顏色的濾鏡，為表述方便，在下文及附圖中分別用符號(hào)R、G、B、W來指代。在本發(fā)明的顏色濾鏡模式中，顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η要求為大于4的偶數(shù)，且η/2為奇數(shù)。之所以這樣設(shè)計(jì)，一方面是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中采用4X4個(gè)濾鏡為重復(fù)模塊的顏色濾鏡模式無法模擬隨機(jī)像素進(jìn)行采樣、造成顏色誤差增大甚至顏色失真的缺陷；另一方面也跟本發(fā)明的顏色濾鏡模式需使用專門的算法流程來進(jìn)行彩色圖像的重構(gòu)有關(guān)。
[0039]按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)，在如圖8所示的重復(fù)模塊中，綠色濾鏡的數(shù)量應(yīng)分別大于紅色和藍(lán)色濾鏡的數(shù)量。而同時(shí)，白色濾鏡的數(shù)量要小于紅色、綠色、藍(lán)色濾鏡的數(shù)量總和。并且，在重復(fù)模塊中，根據(jù)本發(fā)明特定的排列形式，將重復(fù)模塊又均分為4個(gè)5X5的子模塊，每個(gè)子模塊中的顏色濾鏡各為25個(gè)。為了方便認(rèn)識(shí)和記憶其濾鏡的顏色排列特征，將這4個(gè)子模塊分在平面直角坐標(biāo)系(為便于理解和識(shí)別，圖中以虛線顯示了平面直角坐標(biāo)系)的4個(gè)象限中，形成第一象限子模塊21、第二象限子模塊22、第三象限子模塊23和第四象限子模塊24。
[0040]在形成的各個(gè)子模塊21?24中，以I個(gè)紅色濾鏡或藍(lán)色濾鏡作為中心濾鏡，即位于第一象限中的第一象限子模塊21的中心濾鏡25-1為一個(gè)紅色濾鏡，第二象限子模塊22的中心濾鏡25-2為一個(gè)藍(lán)色濾鏡，第三象限子模塊23的中心濾鏡25-3又返回為一個(gè)紅色濾鏡，第四象限子模塊24的中心濾鏡25-4為一個(gè)藍(lán)色濾鏡。中心濾鏡25-1?25_4為非白色及非綠色濾鏡。
[0041]在各個(gè)子模塊21?24的中心濾鏡25-1?25_4的同行及同列其他位置，全部由白色濾鏡所占據(jù)，形成“十”字形排列方式；而子模塊21?24中的剩余位置供其他非白色濾鏡(即R、G、B)占據(jù)。并且，在各個(gè)子模塊21?24的所述剩余位置中，任意2個(gè)相鄰的同行或同列的濾鏡不同色，以使各色濾鏡均勻分布(上述第一個(gè)【具體實(shí)施方式】屬于此設(shè)計(jì)要求的特例形式，因?yàn)榈谝粋€(gè)【具體實(shí)施方式】中的每個(gè)3 X 3子模塊的剩余位置中不存在2個(gè)相鄰的濾鏡)。
[0042]為了在子模塊之間協(xié)調(diào)紅色和藍(lán)色濾鏡的數(shù)量比例及分布均勻性，任意相鄰的2個(gè)子模塊中的中心濾鏡不同色，例如，第一象限子模塊21的中心濾鏡25-1 (紅色濾鏡)與第二象限子模塊22的中心濾鏡25-2(藍(lán)色濾鏡)及第四象限子模塊24的中心濾鏡25-4(藍(lán)色濾鏡)不同色。
[0043]在每個(gè)子模塊中，綠色濾鏡的數(shù)量占據(jù)了所述剩余位置中一半的位置，即綠色濾鏡被均分在4個(gè)子模塊21?24中，且在每個(gè)子模塊中的數(shù)量固定為8個(gè)。并且，每個(gè)子模塊中的8個(gè)綠色濾鏡占據(jù)了中心濾鏡以外的所述剩余位置中的子模塊四個(gè)角部的4個(gè)像素位置中的其中二個(gè)對(duì)角位置，另外二個(gè)對(duì)角位置分別由一個(gè)紅色濾鏡和一個(gè)藍(lán)色濾鏡所占據(jù)。并且，圍繞中心濾鏡的8個(gè)顏色濾鏡與中心濾鏡不同色，以使除白色濾鏡外的其他顏色濾鏡能夠均勻分布。以第一象限子模塊21為例，子模塊四個(gè)角部的4個(gè)像素位置(即剩余位置處的4個(gè)像素位置)中的其中二個(gè)對(duì)角位置由綠色濾鏡占據(jù)，以子模塊21的I個(gè)右上角部為例，二個(gè)對(duì)角位置26-1、26-2由綠色濾鏡占據(jù)；另外二個(gè)對(duì)角位置分別由一個(gè)紅色濾鏡和一個(gè)藍(lán)色濾鏡所占據(jù)，且紅色濾鏡按遠(yuǎn)離紅色中心濾鏡25-1分布。這樣的設(shè)計(jì)，既保證了重復(fù)模塊中綠色濾鏡的數(shù)量比例分別大于紅色和藍(lán)色濾鏡、白色濾鏡的數(shù)量比例小于紅色、綠色、藍(lán)色濾鏡的數(shù)量總和，又可以保證各顏色濾鏡在子模塊中分布的相對(duì)均勻性及對(duì)稱性。
[0044]同時(shí)，為了保證子模塊之間的相對(duì)對(duì)稱性，在本【具體實(shí)施方式】中，例舉了一種對(duì)稱排列方式:位于對(duì)角象限中的2個(gè)子模塊(即第一象限子模塊21和第三象限子模塊23、第二象限子模塊22和第四象限子模塊24)按以圖中的所述平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為對(duì)稱中心對(duì)稱排列，即位于對(duì)角象限中的2個(gè)子模塊中，相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的各對(duì)稱位置處的顏色濾鏡的顏色相同。例如，第一象限子模塊21的一個(gè)右上角位置27-1的紅色濾鏡(R)與第三象限子模塊23的一個(gè)左下角位置27-2的紅色濾鏡(R)以坐標(biāo)原點(diǎn)為對(duì)稱中心同色對(duì)稱排列；第一象限子模塊21的一個(gè)左上角位置26-3的綠色濾鏡(G)與第三象限子模塊23的一個(gè)左上角位置26-5的綠色濾鏡(G)以坐標(biāo)原點(diǎn)為對(duì)稱中心同色對(duì)稱排列。從圖8中可以此類推觀察出此設(shè)計(jì)模式。當(dāng)然，也可以采用另一種對(duì)稱排列方式，即:位于對(duì)角象限中的2個(gè)子模塊(即第一象限子模塊和第三象限子模塊、第二象限子模塊和第四象限子模塊)按以所述平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸(X軸或y軸)為對(duì)稱軸對(duì)稱排列。可參考圖8加以理解，這二種對(duì)稱排列形式都可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果，只是在使用的專門算法流程方面存在不同。
[0045]如此，在本【具體實(shí)施方式】中，所述重復(fù)模塊中的綠色、紅色、藍(lán)色、白色濾鏡的數(shù)量分別為32、18、18、32個(gè)。其中，第一象限子模塊21的顏色濾鏡的排列形式為第一行GRWGR、第二行BGWBG、第三行WWRffff、第四行GBWGR、第五行RGWBG，第二象限子模塊22的顏色濾鏡的排列形式為第一行BGWBG、第二行GRWGR、第三行WffBffff、第四行BGWRG、第五行GRWGB，第三象限子模塊23的顏色濾鏡的排列形式為第一行GBWGR、第二行RGWBG、第三行WWRffff、第四行GBWGB、第五行RGWRG，第四象限子模塊24的顏色濾鏡的排列形式為第一行BGWRGi=SGRWGB、第三行WWBffff、第四行RGWRG、第五行GBWGB。以此4個(gè)子模塊21?24組成1X 10像素的重復(fù)模塊，形成CMOS圖像像素陣列的顏色濾鏡陣列。
[0046]在應(yīng)用本發(fā)明時(shí)，CMOS圖像像素陣列不使用Bayer模式或其他4X4像素的重復(fù)模塊作為顏色濾鏡的模式，而是在大于4X4像素的1X 10重復(fù)模塊中按上述【具體實(shí)施方式】揭示的模式加入白色濾鏡。并且，由此像素陣列輸出的RAW格式圖像數(shù)據(jù)，也不使用基于Bayer模式的圖像處理算法來獲取彩色圖像，而是使用專門的算法流程來進(jìn)行彩色圖像的重構(gòu)。
[0047]從上述第二個(gè)【具體實(shí)施方式】可以看出，在每個(gè)子模塊中，紅色、綠色、藍(lán)色、白色濾鏡的數(shù)目是固定的，分別為16、32、16、32個(gè)；在整個(gè)10X10像素模塊中，四種顏色濾鏡的比例R:G:B:W= 1:2:1:2。在四個(gè)子模塊中的各色濾鏡排列呈一定的規(guī)律，子模塊之間的濾鏡顏色數(shù)目也呈對(duì)稱排列。由此可見，在重復(fù)模塊的100個(gè)像素位置上的濾鏡顏色排列均勻，因此，像素陣列輸出的RAW格式圖像數(shù)據(jù)，可以模擬彩色膠卷輸出的隨機(jī)像素采樣的效果，具有分辨高、摩爾紋少和顏色誤差少的優(yōu)良特性。此外，有色濾鏡(即RGB)和無色濾鏡(即W)數(shù)目的比例為2:1，無色濾鏡的數(shù)目明顯小于有色濾鏡的數(shù)目總和，假設(shè)以一個(gè)無色濾鏡代替一個(gè)有色濾鏡時(shí)可以提高I倍的光敏感度，則本【具體實(shí)施方式】中的像素陣列的敏感度比Bayer模式的像素陣列要高出33.3% (即2/6 = 33.3% )。由于有色濾鏡的數(shù)目遠(yuǎn)大于無色濾鏡，因此，采用本【具體實(shí)施方式】的像素陣列產(chǎn)生的顏色誤差可以控制在較小的范圍內(nèi)，效果優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。與本發(fā)明的上述第一種【具體實(shí)施方式】中的像素陣列的顏色濾鏡模式相比較，第二種【具體實(shí)施方式】中顏色濾鏡的光敏感度的增加幅度相對(duì)較小，然而其無色(白色)濾鏡的比例也相對(duì)較少，因此顏色誤差也相對(duì)較小。
[0048]本發(fā)明的第二種【具體實(shí)施方式】的顏色濾鏡陣列同樣可以應(yīng)用于正面照射式像素陣列或背照式像素陣列中。特別是在正面照射式像素陣列中具有最為突出的應(yīng)用效果。
[0049]綜上所述，本發(fā)明通過改變顏色濾鏡模式中重復(fù)模塊的像素?cái)?shù)目，在以顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η為大于4的偶數(shù)、且η/2為奇數(shù)的顏色濾鏡的重復(fù)模塊中，在保證綠色濾鏡的比例大于紅色和藍(lán)色濾鏡的前提下，加入一定比例的白色濾鏡來提高像素陣列的光敏感度，并通過對(duì)各種顏色濾鏡以一定規(guī)律的形式均勻、對(duì)稱分布，來模擬彩色膠卷輸出的隨機(jī)像素采樣的效果，可在增強(qiáng)入射光效率、明顯提高像素陣列光敏感度的同時(shí)，控制顏色誤差，保證輸出彩色圖像的圖像質(zhì)量，提升像素陣列的性能。因此，本發(fā)明的圖像像素陣列的設(shè)計(jì)，是一種充分利用現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的創(chuàng)新，其成本可控，具有分辨率高、摩爾紋少和顏色誤差少的優(yōu)良特性，可明顯地提高像素陣列的光敏感度和其輸出彩色圖像的圖像質(zhì)量。
[0050]以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種模擬隨機(jī)像素效果的CMOS圖像像素陣列，包括顏色濾鏡陣列，所述顏色濾鏡陣列具有以nXn個(gè)顏色濾鏡為重復(fù)模塊的顏色濾鏡模式，所述重復(fù)模塊中包括紅色、綠色、藍(lán)色和白色濾鏡，其特征在于，所述顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η為大于4的偶數(shù)，且η/2為奇數(shù)；所述重復(fù)模塊中所述綠色濾鏡的數(shù)量分別大于所述紅色和藍(lán)色濾鏡的數(shù)量，所述白色濾鏡的數(shù)量小于所述紅色、綠色、藍(lán)色濾鏡的數(shù)量總和；將所述重復(fù)模塊中的全部所述顏色濾鏡按排列位置均分在平面直角坐標(biāo)系的4個(gè)象限中，每個(gè)所述象限中的(η/2) X (η/2)個(gè)所述顏色濾鏡構(gòu)成所述重復(fù)模塊的I個(gè)子模塊，每個(gè)所述子模塊中以I個(gè)所述紅色或藍(lán)色濾鏡為中心濾鏡，所述中心濾鏡的同行及同列其他位置全部排列所述白色濾鏡，所述子模塊中的剩余位置供其他非白色濾鏡占據(jù)；相鄰2個(gè)所述子模塊中的所述中心濾鏡不同色，每個(gè)所述子模塊中的所述綠色濾鏡數(shù)量固定，并占據(jù)所述剩余位置中一半的位置，在每個(gè)所述子模塊的所述剩余位置中，任意2個(gè)相鄰?fù)谢蛲械乃鰹V鏡不同色；位于對(duì)角象限中的2個(gè)所述子模塊中的各所述顏色濾鏡按以所述平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為對(duì)稱中心或以坐標(biāo)軸為對(duì)稱軸對(duì)稱排列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬隨機(jī)像素效果的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，構(gòu)成所述重復(fù)模塊的所述顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η為6，所述重復(fù)模塊中所述綠色、紅色、藍(lán)色、白色濾鏡的數(shù)量分別為8、6、6、16個(gè)；位于I?4象限中各所述子模塊中的所述中心濾鏡分別為一個(gè)所述紅色、藍(lán)色、紅色、藍(lán)色濾鏡，每個(gè)所述子模塊中的所述綠色濾鏡的數(shù)量為2個(gè)，并占據(jù)所述中心濾鏡以外的所述剩余位置中的其中二個(gè)對(duì)角位置，另外二個(gè)對(duì)角位置由與所述中心濾鏡不同色的另一種所述顏色濾鏡所占據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬隨機(jī)像素效果的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，構(gòu)成所述重復(fù)模塊的所述顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η為10，所述重復(fù)模塊中所述綠色、紅色、藍(lán)色、白色濾鏡的數(shù)量分別為32、18、18、32個(gè)；位于I?4象限中各所述子模塊中的所述中心濾鏡分別為一個(gè)所述紅色、藍(lán)色、紅色、藍(lán)色濾鏡，每個(gè)所述子模塊中的所述綠色濾鏡的數(shù)量為8個(gè)，所述綠色、紅色、藍(lán)色濾鏡在所述中心濾鏡以外的所述剩余位置中均勻分布，圍繞所述中心濾鏡的8個(gè)顏色濾鏡與所述中心濾鏡不同色。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任意一項(xiàng)所述的模擬隨機(jī)像素效果的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，所述像素陣列為正面照射式像素陣列或背照式像素陣列。
【文檔編號(hào)】H01L27/146GK104241309SQ201410482617
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】陳嘉胤 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 成都微光集電科技有限公司