CN107295277A - 基于错位增像的蜂巢形像元阵列、图像传感器及采集方法 - Google Patents

基于错位增像的蜂巢形像元阵列、图像传感器及采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及图像传感器技术领域，具体涉及基于错位增像的蜂巢形像元阵列、图像传感器及采集方法，其中，像元阵列采用多个蜂巢形像元在二维平面上重复错位排列组成；图像传感器包括蜂巢形像元阵列、扫描驱动电路、读取电路、模拟数字转换电路（ADC）、图像信号处理器（ISP）以及用于整个芯片电源供电的电源电路和用于整个芯片智能控制的控制电路；本发明通过独有的错位蜂巢形像元阵列，在具有相同或接近像元数量的条件下，可以大幅提高图像分辨率，同时减小整机设备的光学***焦距，从而使整机设备的体积、重量、成本降低，本发明整体具备提高分辨率、信噪比（S/N）、隔离度，降低成本、体积、重量等功能。

Description

基于错位增像的蜂巢形像元阵列、图像传感器及采集方法
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，具体涉及基于错位增像的蜂巢形像元阵列、图像传感器及采集方法。
背景技术
图像传感器发展到今天已经非常普及，图像的采集范围跨越了多个频段，常见的频谱区有微波、THz、红外、可见光、紫外、X射线等，传统的像元结构采用水平逐行排列，目前已经非常成熟。要提高图像传感器分辨率和图像质量的方法一般有两种， 第一是增大光学***焦距，但是这样则会造成整机设备的体积、质量、成本大大增加，且必须重新设计光学***，实施起来较为繁琐；第二是减小图像传感器像元尺寸，一般情况下，在光机***不变的情况下，如果减小像元尺寸，又会造成成像***MTF下降、信噪比降低，影响成像质量。
在微波、THz、远红外探测方面，由于这些谱段的特殊性质及相关谱段感光材料的限制，相比于近红外、可见光、紫外、X射线等谱段探测器，微波、THz、远红外探测器的像元尺寸一般较大，像元间距也较大，在相同的光学***下，微波、THz、远红外谱段图像的分辨率较低，采用传统方法提高空间分辨率，将造成整机体积、重量成倍增长，光机结构难以实现，对用户的应用要求更苛刻。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了基于错位增像的蜂巢形像元阵列、图像传感器及方法，通过采用蜂巢形的像元阵列，能够很好的提高图像传感器分辨率和图像质量。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
基于错位增像的蜂巢形像元阵列，采用多个蜂巢形像元在二维平面上重复错位排列组成。
一种基于错位增像的图像传感器，包括蜂巢形像元阵列，用于采集图像信号；ASIC电路，用于驱动蜂巢形像元阵列采集图像信号，并将采集到的信号进行读取、处理、分析、输出。
优选地，ASIC电路包括读取电路，用于读取图像信号；模拟数字转换电路（ADC），用于将读取电路读取的模拟信号转换为数字信号；图像信号处理器（ISP），用于对转换后的数字信号进行分析处理；接口电路，负责将图像信号处理器（ISP）处理完成的图像信号通过接口输出；扫描驱动电路，用于驱动控制像元阵列；控制电路，用于整个装置的智能控制。
优选地，还包括电源电路，负责供电和电源管理。
优选地，图像传感器是采用ASIC 工艺或ASIC+MEMS混合工艺制作而成。
优选地，采用ASIC+MEMS混合工艺制成的图像传感器采用独立导线桥墩结构或共用导线桥墩结构。
一种基于错位增像的图像采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 包括一个像元阵列，所述像元阵列是蜂巢形像元阵列，扫描驱动电路驱动控制像元阵列；
b. 读取电路逐点、逐行、逐列的读取所述像元阵列中读取的图像信号；
c. 模拟数字转换电路（ADC）负责将读取电路所读取的模拟信号转换为数字信号；
d. 图像信号处理器（ISP）将采集的数字信号，通过算法生成亚像元和套嵌图像，并合成为高清晰的图像；接口电路负责处理图像，通过标准多媒体接口输出； 电源电路负责供电和电源管理；控制电路负责整个芯片的智能控制。
本发明的有益效果:
1.通过图像信号处理器（ISP）全面提升了图像的分辨率，分辨率整体提升1.5~2倍，并且保留了目标的能量分布；
2.有别于传统的亚像元错位采样技术，特有的蜂巢形的像元阵列使得图像传感器在图像保真、信噪比以及分辨率上都有所提高。
3.采用ASIC+MEMS工艺制造的像元，还具备抗震动、提高灵敏度、抗干扰等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 是本发明的工作原理图；
图2 是本发明采用ASIC工艺的像元阵列示意图；
图3是本发明采用ASIC+MEMS混合工艺并采用独立导线桥墩结构的像元阵列示意图；
图4 是图3的局部放大图;
图5是本发明采用ASIC+MEMS混合工艺并采用共用导线桥墩结构的像元阵列示意图；
图6是图5的局部放大图；
图7 是图3和图5的立体结构图；
其中，9：MEMS像元，10：导线桥墩，11：ASIC晶圆。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
图像传感器发展到今天已经非常普及，图像的采集范围跨越了多个频段，常见的频谱区有微波、THz、红外、可见光、紫外、X射线等，传统的像元结构采用水平逐行排列，目前已经非常成熟。要提高图像传感器分辨率和图像质量的方法一般有两种，第一是改变光学***焦距，第二是减小图像传感器像元尺寸，但是，采用传统方法提高空间分辨率，将会造成整机体积、重量成倍增长，光机结构难以实现，对用户的应用要求也更苛刻，基于此，申请人提供了基于错位增像的蜂巢形像元阵列。
基于错位增像的蜂巢形像元阵列，采用多个蜂巢形像元在二维平面上重复错位排列组成。如图2-7所示。
根据蜂巢形像元阵列，发明人为此还提供了一种基于错位增像的图像传感器，包括一个蜂巢形像元阵列，用于采集图像信号；ASIC电路，用于驱动蜂巢形像元阵列采集图像信号，并将采集到的信号进行读取、处理、分析、输出。ASIC电路包括读取电路，用于读取图像信号；模拟数字转换电路（ADC），用于将所述读取电路读取的模拟信号转换为数字信号；图像信号处理器（ISP），用于对转换后的数字信号进行分析处理；接口电路，负责将图像信号处理器（ISP）处理完成的图像信号通过接口输出；扫描驱动电路，用于驱动控制像元阵列以及控制电路，用于整个装置的智能控制、电源电路，负责供电和电源管理。
进一步地，图像传感器采用ASIC 工艺制作，如图2所示。
进一步地，图像传感器采用ASIC+MEMS混合工艺制作，如图3-6。
更进一步地，采用ASIC+MEMS混合工艺的错位增像的图像传感器采用独立导线桥墩结构，如图3、图4所示。
更进一步地，采用ASIC+MEMS混合工艺的错位增像的图像传感器采用共用导线桥墩种结构，如图5、图6所示。
具体工作原理如下：
如图1所示，首先，包括一个像元阵列，像元阵列采用多个蜂巢形像元在二维平面上重复错位排列组成，扫描驱动电路驱动控制像元阵列；其次， 读取电路逐点、逐行、逐列的读取所述像元阵列中读取的图像信号；然后， 模拟数字转换电路（ADC）负责将读取电路所读取的模拟信号转换为数字信号；最后，图像信号处理器（ISP）将采集的数字信号，通过算法生成亚像元和套嵌图像，并合成为高清晰的图像；接口电路负责处理图像，通过标准多媒体接口输出； 电源电路负责供电和电源管理；控制电路负责整个芯片的智能控制。
在本发明中，有别于传统的亚像元错位采样技术，通过独有的蜂巢形像元阵列，在具有相同或接近的空间分辨率的情况下，能降低图像传感器像元尺寸同时改变整机设备的光学***焦距，从而使整机设备的体积、质量、成本降低，而且经过错位采样后的图像目标能量，集合的信息与原始目标更为接近，不容易在复杂背景中淹没。
在本发明中，图像传感器采用ASIC工艺或ASIC+MEMS混合工艺设计和制造，其中采用ASIC+MEMS混合工艺的又采用了独立导线桥墩结构和共用导线桥墩结构。 其中， ASIC满足采集近红外、可见光、紫外、X射线等图像传感器应用要求；ASIC+MEMS满足采集微波、THz、远红外等图像传感器应用要求，同时通过改变MEMS传感元的接收材料，也可以采集近红外、可见光、紫外、X射线等相关谱段信号。
在本发明中，采用蜂巢形像元阵列使得图像保真、信噪比提高、分辨率的效果上都有所提高。同时，对于采用ASIC+MEMS工艺制造的像元，还具备抗震动、提高灵敏度、抗干扰等特点。
本发明整体具备提高分辨率、信噪比（S/N）、隔离度，降低成本、体积、重量、成本等功能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.基于错位增像的蜂巢形像元阵列，其特征在于，采用多个蜂巢形像元在二维平面上重复错位排列组成。
2.一种基于错位增像的图像传感器，其特征在于：包括如权利要求1所述的蜂巢形像元阵列，用于采集图像信号；ASIC电路，用于驱动蜂巢形像元阵列采集图像信号，并将采集到的信号进行读取、处理、分析、输出。
3.如权利要求2所述的一种基于错位增像的图像传感器，其特征在于，所述ASIC电路包括读取电路，用于读取图像信号；模拟数字转换电路（ADC），用于将所述读取电路读取的模拟信号转换为数字信号；图像信号处理器（ISP），用于对转换后的数字信号进行分析处理；接口电路，负责将图像信号处理器（ISP）处理完成的图像信号通过接口输出；扫描驱动电路，用于驱动控制菱形像元阵列；控制电路，用于整个装置的智能控制。
4.如权利要求3所述的一种基于错位增像的图像传感器，其特征在于，还包括电源电路，负责供电和电源管理。
5.如权利要求2至4任一项所述的一种基于错位增像的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器是采用ASIC 工艺或ASIC+MEMS混合工艺制作而成。
6.如权利要求2至4任一项所述的一种基于错位增像的图像传感器，其特征在于，所述采用ASIC+MEMS混合工艺制成的图像传感器采用独立导线桥墩结构或共用导线桥墩结构。
7.一种基于错位增像的图像采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
包括一个像元阵列，所述像元阵列是采用如权利要求1所述的蜂巢形像元阵列，扫描驱动电路驱动控制像元阵列；
b. 读取电路逐点、逐行、逐列的读取所述像元阵列中读取的图像信号；
c. 模拟数字转换电路（ADC）负责将读取电路所读取的模拟信号转换为数字信号；
d. 图像信号处理器（ISP）将采集的数字信号，通过算法生成亚像元和套嵌图像，并合成为高清晰的图像；接口电路负责处理图像，通过标准多媒体接口输出； 电源电路负责供电和电源管理；控制电路负责整个芯片的智能控制。
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