CN110719447A - 一种具有多通道窄带滤色片阵列的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有多通道窄带滤色片阵列的图像传感器。该图像传感器包括二维光敏像素阵列和多通道窄带滤色片阵列，滤色片阵列位于光敏像素阵列感光面的上方，且每一个光敏像素对应一个带宽的窄带滤色片；光敏像素阵列和滤色片阵列均由最小重复单元重复排列组成，最小重复单元分别由n*n个光敏像素或者窄带滤色片构成，其中n为大于2的正整数。本发明的图像传感器具有多通道窄带滤色片阵列，能够进行高光谱成像，可以同时获得光谱分辨率和空间分辨率，可以快速、高性能地获得光谱信息和空间信息，集成度高，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器的高光谱成像技术，尤其将成像技术和光谱技术相结合，同时获得目标的空间信息和光谱信息。更重要的是通过多通道窄带滤色片阵列的方案实现了图像传感器对光谱信息的直接获取，实现容易，集成度高，是一种具有多通道窄带滤色片阵列用于高光谱成像的图像传感器。
背景技术
高光谱成像技术是近二十年来发展起来的基于非常多窄波段的影像数据技术，其最突出的应用是遥感探测领域，并在越来越多的民用领域有着更大的应用前景。它集中了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进技术，是传统的二维成像技术和光谱技术有机地结合在一起的一门新兴技术。
高光谱成像技术的定义是在多光谱成像的基础上，在从紫外到近红外(200-2500nm)的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。
高光谱成像技术具有超多波段(上百个波段)、高的光谱分辨率(几个nm)、波段窄(≤10-2λ)、光谱范围广(200-2500nm)和图谱合一等特点。优势在于采集到的图像信息量丰富，识别度较高和数据描述模型多。由于物体的反射光谱具有“指纹”效应，根据不同物不同谱，同物一定同谱的原理来分辨不同的物质信息。
然而，现有的高光谱成像技术除需要通常的图像传感器外，还需要有各种光谱仪或分光设备的配合，整个成像***体积较大，集成度低，工作速度慢，设备复杂，造价高昂，难以满足人们日常使用的要求。
发明内容
如何能够快速、高性能的进行高光谱成像并且***集成度高、成本低是需要解决的技术问题，因此本发明提出了一种具有多通道窄带滤色片阵列用于高光谱成像的图像传感器。
本发明采用的技术方案如下：
一种具有多通道窄带滤色片阵列的图像传感器，包括二维光敏像素阵列和多通道窄带滤色片阵列，滤色片阵列位于光敏像素阵列感光面的上方，且每一个光敏像素对应一个带宽的窄带滤色片；所述光敏像素阵列和滤色片阵列均由最小重复单元重复排列组成，所述最小重复单元分别由n*n个光敏像素或者窄带滤色片构成，其中n为大于2的正整数。
进一步地，所述光敏像素为全色像素。
进一步地，所述滤色片阵列的最小重复单元由响应波段不同的窄带滤色片构成。
进一步地，所述窄带滤色片的响应带宽<40nm，所述滤色片阵列的响应波段为200nm～2500nm。
进一步地，所述滤色片为带通滤色片或截止滤色片。
进一步地，当所述最小重复单元排列为偶数行列时，每一个光敏像素的高光谱数据为以该像素为左上角、左下角、右上角或右下角的最小重复单元内所有像素在其各自对应波段内的光谱响应之合；当所述最小重复单元排列为奇数行列时，每一个光敏像素的高光谱数据为以该像素为中心点的最小重复单元内所有像素在其各自对应波段内的光谱响应之合。
本发明的有益效果是：通过滤色片阵列控制每一个光敏像素所感知的波段，再利用滤色片阵列最小重复单元内各像素数据的插值或加权算法获得单个光敏像素所对应目标点的各个波段的光谱响应，得到最终的高光谱图像。其具体的特点和优越性有：
(1)集成度高：本发明的图像传感器用于高光谱成像时，不需要额外提供分光设备或光谱仪，避免了成像***的臃肿。仅通过多通道滤色片阵列即可使各光敏像素探测到响应范围内各窄带波段的光谱信息，同时获得空间信息，实现了快速、高性能的高光谱成像。多通道滤色片阵列和光敏像素阵列的结合以极高的集成度简化了***结构，降低了成本，开阔了应用的可能性。
(2)灵活性好：本发明的图像传感器的多通道滤色片阵列，其最小重复单元的规模可调，可以根据具体的使用情况和探测需求改变最小重复单元的规模。对于光谱探测精度要求不高的时候可以使用小的重复单元，以及较大带宽的带通滤色片；对于光谱探测精度要求较高的时候可以使用大的重复单元，以及较小带宽的带通滤色片。通过滤色片阵列最小重复单元规模和滤色片型号的调整可以使该图像传感器适用于多种环境。
(3)光谱分辨率高：由于滤色片阵列的规模可调，使得可以运用较大规模的最小重复单元来进行响应波段更精确的划分，实现更高的光谱分辨率。
附图说明
图1是本发明图像传感器中多通道窄带滤色片阵列通用结构图；
图2是3*3的多通道窄带滤色片阵列的结构示意图；
图3是4*4的多通道窄带滤色片阵列的结构示意图；
图4是采用3*3的多通道窄带滤色片阵列的图像传感器实施方式示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的描述。
图1给出了本实施例图像传感器中多通道窄带滤色片阵列的通用结构图，其结构包括：
以具有正方形最小重复单元的重复图案排列的滤色片，由n*n(n为大于2的正整数)个不同响应波段的窄带滤色片组合形成，滤色片阵列最小重复单元具有至少三行和三列。窄带滤色片的响应带宽<40nm，滤色片一般为带通滤色片或截止滤色片，滤色片阵列的响应波段涵盖200nm～2500nm。
图2和图3分别是3行3列和4行4列的多通道窄带滤色片阵列最小重复单元的结构示意图。其最小重复单元分别由9块和16块滤色片构成，滤色片具体的响应带宽可由具体的应用方向来决定。
图4是实施方式中最简洁的一种方案的示意图，图中展示了采用3*3的多通道窄带滤色片阵列的图像传感器的结构，其结构包括：
二维光敏像素阵列和多通道窄带滤色片阵列。光敏像素为全色像素，在每一个光敏像素上方均有一个对应的窄带滤色片，光敏像素和其对应的窄带滤色片以3*3最小重复单元的重复图案排列，最小重复单元内有9个不同响应波段的窄带滤色片以图2所示的方式排列。
考虑到最基础的高光谱成像应用应满足可见光波段的需求，所以，在该实施例中，最小重复单元的滤色片阵列涵盖波段为400nm～760nm，每一个最小重复单元内的滤色片的响应带宽为40nm，而且其各自响应的波段不重叠，这样最小重复单元内的9个光敏像素就可以分别接收到一个波段的光谱信息。
对目标进行成像时，每个光敏像素获得其上方滤色片对应波段内的物体的光谱信息。每个像素点上的高光谱信息通过以该像素点为中心的最小重复单元内的9个不同波段的光谱信息综合而来。亦即通过特定光敏像素点周边的8个光敏像素值来对特定像素点位置上的这8个滤色片所对应的光谱波段的响应值进行猜值或插值，得到该特定像素点位置的可见光波段的高光谱信息。
设以某一光敏像素为中心点的3*3的光敏像素阵列内，滤色片CF11、CF12、CF13、CF21、CF22、CF23、CF31、CF32和CF33所对应的光敏像素的光响应数值分别为D11、D12、D13、D21、D22、D23、D31、D32和D33。设中心点的光敏像素为该3*3阵列内滤色片CF11所对应的像素，那么该像素的滤色片CF11所能透过波段的光谱信息为D11，而另外8个不同波段内的光谱信息可以用周边8个像素的光响应数值D12、D13、D21、D22、D23、D31、D32和D33来代替或据此进行加权。
因此，该中心点像素对应的目标点在400nm～760nm内各个谱段的光谱信息就得到了。以此类推，可以得到除了图像传感器光敏像素阵列的首尾行和首尾列外其它所有光敏像素对应的目标在400nm～760nm内各个谱段的光谱信息，该图像传感器实现了快速、高性能的高光谱成像。
当然，实施方式不局限于上述的这种在可见光波段、以3*3滤色片阵列实现的方式，其还可以通过调整滤色片阵列规模和滤色片带宽，实现200nm～2500nm内对目标的高光谱成像。
以上所述，仅为本发明最简捷的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有多通道窄带滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，包括二维光敏像素阵列和多通道窄带滤色片阵列，滤色片阵列位于光敏像素阵列感光面的上方，且每一个光敏像素对应一个带宽的窄带滤色片；所述光敏像素阵列和滤色片阵列均由最小重复单元重复排列组成，所述最小重复单元分别由n*n个光敏像素或者窄带滤色片构成，其中n为大于2的正整数。
2.根据权利要求1所述的一种具有多通道窄带滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述光敏像素为全色像素。
3.根据权利要求1所述的一种具有多通道窄带滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述滤色片阵列的最小重复单元由响应波段不同的窄带滤色片构成。
4.根据权利要求1所述的一种具有多通道窄带滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述窄带滤色片的响应带宽<40nm，所述滤色片阵列的响应波段为200nm～2500nm。
5.根据权利要求1所述的一种具有多通道窄带滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述滤色片为带通滤色片或截止滤色片。
6.根据权利要求1所述的一种具有多通道窄带滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，当所述最小重复单元排列为偶数行列时，每一个光敏像素的高光谱数据为以该像素为左上角、左下角、右上角或右下角的最小重复单元内所有像素在其各自对应波段内的光谱响应之合；当所述最小重复单元排列为奇数行列时，每一个光敏像素的高光谱数据为以该像素为中心点的最小重复单元内所有像素在其各自对应波段内的光谱响应之合。
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