[发明专利]一种获得深度信息的像素孔径偏移相机

权利要求书

1.一种像素孔径偏移相机，其特征在于：所述相机通过实现在像素级别上的孔径偏移，来获得不同深度的成像视差，从而提取出图像的深度信息；该相机结构主要包含红外截止滤光片(1)、相机孔径光栏(2)、成像透镜(3)、像素微透镜(4)、像素孔径(5)、CMOS图像传感器(6)等器件；该相机能够在生成传统2D图像的同时提取出图像的深度信息，通过图像处理获得具有深度信息的三维(3D)图像。

2.如权利要求1所述的像素孔径偏移相机，其特征在：所述红外截止滤光片(1)过滤红外波段，避免RGB信号被红外信号破坏，用来改善观察到的图片的深度质量。

3.如权利要求1所述的像素孔径偏移相机，其特征在于：所述CMOS图像传感器(6)采用的是0.13μm或更小的互补金属氧化物半导体图像传感器工艺，尺寸大小为(5-20)mm×(3-14)mm，由(1600-4000)(H)×(1000-3000)(V)像素阵列(10)，定时发生器(TG)(11)，列并行可编程增益放大器(PGA)&模数转换器(ADC)(9)和扫描控制器(8)组成。

4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述像素阵列用于提取图像颜色和深度信息，其由红色(R)像素、绿色(G)像素、蓝色(B)像素和白色(W)像素四种不同类型的像素组成，整个像素阵列以3×3像素为一个像素单元，该像素单元的彩色滤波片排列如图4(a),或4(b),或4(c),或4(d)所示：图4(a)、(b)含有两个白色像素，两个红色像素，两个蓝色像素，三个绿色像素；图4(c)、(d)含有三个白色像素，两个红色像素，两个蓝色像素，两个绿色像素；两者均有两个白色像素位于9个像素的对角位置，以获得最大像素偏移量，提高深度灵敏度；对于图4(a)、(b)结构，红色和蓝色像素位置可以互换；对于图4(c)、(d)结构，红色、绿色和蓝色像素位置可以互换。

又因为白色像素具有比其他颜色像素更高的灵敏度，所以像素孔径位于没有颜色滤光片的白色像素上，借以补偿由像素孔径引起的光损失；通过白色像素能够获得清晰的聚焦图像，通过RGB像素获得模糊的散焦图像(不同的深度有不同的散焦图像)，将这两种图像进行比较，利用点扩散函数计算提取3D成像的深度信息，点扩散计算公式如下：

式中：δ_z是对应于艾里斑半径r₀、r的深度偏移值，α决定了扩散的程度。

5.如权利要求4所述的像素阵列，其特征在于：所述像素阵列中的每一个像素结构都包含像素微透镜(12)、平面层(13)、氧化层(17)、第二金属层(14)和光电二极管(PD)(16)，而白色像素结构上则比RGB像素结构多上一个第一金属层(15)，其中：像素微透镜(12)将入射的光线导向像素上的光电二极管(PD)(16)上；平面层(13)用作缓冲；氧化层(17)起着保护作用；第二金属层(14)用于布线晶体管；光电二极管(PD)(16)用来将阵列表面上的光强转换为电信号；白色像素上的第一金属层(15)用来覆盖光电二极管(PD)(16)以形成像素偏移孔径。

6.如权利要求4所述的像素阵列，其特征在于：所述每个像素尺寸大小为(1.4-2.8)μm×(1.4-2.8)μm，像素的填充系数为30％-50％，像素间距为1.4μm-2.8μm，像素孔径偏离像素中心0.3μm-0.75μm。

7.如权利要求1所述的像素孔径偏移相机，其特征在于：孔径(w)与微透镜高度(h)之间的关系由下式给出：

其中n是氧化物层的折射率,θ₀是像素孔径中入射光的有效入射角，F₀是微透镜的有效f数；

由模拟仿真可得像素孔径可选直径范围为0.3μm-1.2μm，尤其在0.6μm-1.0μm效果最好，像素孔径中入射光的有效入射角的范围为-15°-15°，当有效入射角θ₀为0°时，光功率最大。

8.如权利要求1所述的像素孔径偏移相机，其特征在于：所述像素孔径偏移相机获得的图像是对应成像的叠加，消除不同颜色图像叠加误差，不需校正，降低了计算量，还减少了所需的存量。