[发明专利]使用具有异构成像器的单片相机阵列的图像拍摄和图像处理

说明书

相关申请

本申请要求于2008年5月20日提交的序列号为61/054,694的名称为“异构图像传感器的单片集成阵列”的美国专利申请的优先权，该专利申请全文在此通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及具有多个异构成像器的图像传感器，更具体而言，本申请涉及具有多个晶片级成像器的图像传感器，所述晶片级成像器具有不同配置的自定义滤镜、传感器和光学元件。

背景技术

图像传感器用于相机和其他成像设备以拍摄图像。在通常的成像设备中，光线通过成像设备一端的开口(光圈)进入并通过诸如透镜之类的光学元件导向图像传感器。在多数成像设备中，一层或多层光学元件置于所述光圈和所述图像传感器之间以将光线聚焦于所述图像传感器。所述图像传感器由在通过所述光学元件接收光线之后产生信号的像素构成。通常使用的图像传感器包括CCD(电荷耦合器件)图像传感器和CMOS(互补型金属氧化物半导体)传感器。

在图像传感器中通常使用滤镜以选择性地传输特定波长的光线至像素。拜耳滤镜马赛克通常形成于所述图像传感器之上。所述拜耳滤镜是在每个颜色像素上布置RGB颜色滤镜之一的颜色滤镜阵列。所述拜耳滤镜布局包括50％绿色滤镜、25％红色滤镜和25％蓝色滤镜。由于每个像素产生代表光线中某一颜色成分强度的信号，而非代表全部范围的颜色，因此对每个图像像素执行去马赛克以内插一组红色、绿色和蓝色的值。

图像传感器受各种性能约束的影响。所述图像传感器的性能约束包括动态范围、信噪比(SNR)、低感光度和其他一些性能约束。所述动态范围定义为可被像素捕获的最大可能信号与总噪声信号的比。典型地，图像传感器的阱容量限制了可被所述图像传感器捕获的最大可能信号，所述最大可能信号继而依赖于入射照度和暴露持续时间(例如积分时间和快门时长)。所述动态范围可表述为如下式的分贝(dB)的无量纲量：

通常，所拍摄图像中的噪声水平影响动态范围的本底(floor)。因此，对于8位图像而言，假设RMS噪声水平是1位，那么最佳的情形将是48dB。然而实际上RMS噪声水平要高于1位，因此这进一步降低了动态范围。

拍摄图像的信噪比很大程度上是对图像质量的测量。总体而言，像素拍摄到的光线越多，信噪比越高。所拍摄图像的信噪比通常与所述像素的聚光能力有关。

一般而言，拜耳滤镜传感器具有低的感光度。在弱光水平下，每个像素的聚光能力受入射到每个像素上的低信号水平的限制。此外，像素上方的颜色滤镜进一步限制了到达所述像素的信号。IR(红外)滤镜同样降低了对载有重要信息的近红外信号的光响应。

图像传感器的这些性能约束在被设计用于移动系统的相机中被大幅度地扩大，这归因于设计约束的性质。移动设备中的相机的像素通常远小于数码相机(DSC)的像素。由于聚光能力的限制、降低的信噪比、动态范围的限制以及对弱光景象的感光度降低，移动设备中的相机显现出性能不佳。

发明内容

本发明的实施方式提供一种相机阵列、一种具有相机阵列的成像设备和/或一种拍摄图像的方法，该方法使用制作在基底上的多个成像器，其中每个成像器具有多个传感器元件。所述多个成像器至少包括形成于所述基底上第一位置的第一成像器和形成于所述基底上第二位置的第二成像器。所述第一成像器和所述第二成像器可具有相同的成像特征或不同的成像特征。

在一种实施方式中，所述第一成像特征和所述第二成像特征具有不同的成像特征。所述成像特征可包括：成像器的尺寸、成像器中所含的像素种类、成像器的形状、与成像器关联的滤镜、成像器的曝光时间、与成像器相关的光圈尺寸、与成像器关联的光学元件的布置、成像器的增益、成像器的分辨率、成像器的运行时序以及其他一些特征。

在一种实施方式中，所述第一成像器包括用于传输光谱的滤镜。所述第二成像器也包括与所述第一成像器相同的用于传输同种光谱的同种滤镜，但是所述第二成像器拍摄与所述第一成像器拍摄的图像具有子像素相移的图像。使用超分辨率处理将所述第一成像器和所述第二成像器所得图像结合以获取更高分辨率的图像。

在一种实施方式中，所述第一成像器包括用于传输第一光谱的第一滤镜，并且所述第二成像器包括用于传输第二光谱的第二滤镜。随后处理所述第一成像器和所述成像器所得图像以获取更高质量的图像。

在一种实施方式中，提供透镜元件将光导向所述成像器并聚焦于所述成像器。每个透镜元件都将光聚焦于一个成像器。由于每个透镜元件都与一个成像器关联，每个透镜元件可设计并配置成用于窄光谱。此外，所述透镜元件的厚度可降低从而降低所述相机阵列的总体厚度。使用晶片级光学(WLO)技术制作所述透镜元件。