CN101794797B - 图像拾取元件和图像拾取设备 - Google Patents

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Abstract

一种图像拾取元件包括：具有矩阵排列的光接收部分，通过沿与第一方向正交的第二方向布置第一方向阵列来形成所述矩阵排列，每个第一方向阵列具有沿第一方向排列的光电转换部分，在光电转换部分之间保持预定间隙；以及在光接收部分上方所提供的多个微镜头。矩阵排列中的某个第一方向阵列被提供有一对光电转换部分，所述一对光电转换部分经由一对微镜头光学地接收穿过摄影光学系统的出射光瞳中的一对分割区域的摄影主体光束，所述一对分割区域在第一方向上被沿彼此相反的方向偏斜地布置。所述一对微镜头被布置为使得其光轴延伸经过所述一对光电转换部分的边缘附近，所述边缘为在第一方向上离彼此最远的各边缘。

Description

图像拾取元件和图像拾取设备
技术领域
本发明涉及能够光学地接收穿过摄影(photographic)光学系统的出射光瞳(exit pupil)的摄影主体(subject)光束的图像拾取元件的技术。
背景技术
在诸如具有可更换镜头的单镜头反射式照相机之类的图像拾取设备中，使用能够进行基于相位差检测方法的焦点(focus)检测的图像拾取元件。在下文中，这类的图像拾取元件有时将被称作“具有相位差检测功能的图像拾取元件”。具体地，在具有相位差检测功能的图像拾取元件中，提供多个光电转换部分(光电二极管)对(pair)，这一对光电转换部分(光电二极管)通过光学地接收穿过可更换镜头(摄影光学系统)的出射光瞳中的一对分割区域(segmental region)(例如左和右光瞳段)的摄影主体光束，来生成像素信号。以下是相关技术的这样的图像拾取元件的例子。
例如，日本未审查专利申请公开No.2001-250931公开了具有相位差检测功能的图像拾取元件，其中在获取摄影主体的图像信号的每个普通像素(R、G和B像素)中提供二分(bisected)状光电转换部分(在下文中被称作“半尺寸光电转换部分”)。换言之，在每个微镜头下布置半尺寸光电转换部分对。
日本未审查专利申请公开No.2005-303409公开了具有相位差检测功能的图像拾取元件的另一例子，其在一对相邻像素中利用由金属层制成的遮光掩模(light-blocking mask)中的小开孔来限制摄影主体光，以利用一对光电转换部分来光学地接收出射光瞳中的一对分割区域。
发明内容
但是，在根据日本未审查专利申请公开No.2001-250931的图像拾取元件中，可能需要在光电转换部分附近安装晶体管，所述晶体管用于将来自每个半尺寸光电转换部分的输出转换为电信号。这意味着光电转换部分在尺寸方面被减少与晶体管的安装空间相等的量，并且因而降低了可以被光电转换部分接收的光量(即光电转换部分的感光度)。这使得精确地执行基于相位差检测方法的焦点检测困难。
另一方面，在根据日本未审查专利申请公开No.2005-303409的图像拾取元件中，因为使用用于每个像素的遮光掩模中的小开孔来限制摄影主体光，所以当随着在图像拾取元件中的像素的增加像素变得小型化时，期望遮光掩模中的开孔的进一步的尺寸减小。但是，存在从制造的观点来看这样的开孔的形成可能困难的可能性。
期望提供具有相位差检测功能的图像拾取元件，其能够精确地执行基于相位差检测方法的焦点检测，并且即使在像素变得小型化时也仍然能够被令人满意地制造。
根据本发明的第一实施例，提供了一种图像拾取元件，其包括：具有光电转换部分的矩阵排列的光接收部分、以及在光接收部分上方提供的多个微镜头，所述矩阵排列通过沿与第一方向正交的第二方向布置多个第一方向阵列(array)来形成，每个第一方向阵列具有沿第一方向排列的光电转换部分，在所述光电转换部分之间保持预定间隙。向光电转换部分的矩阵排列中的某个第一方向阵列提供一对光电转换部分，所述一对光电转换部分经由一对微镜头来光学地接收穿过摄影光学系统的出射光瞳中的一对分割区域的摄影主体光束，所述一对分割区域在第一方向上被沿彼此相反的方向偏斜地(biasedly)布置。布置所述一对微镜头，以使其光轴延伸经过所述一对光电转换部分的边缘的邻近，所述边缘为在第一方向上离彼此最远的各边缘。
根据本发明的第二实施例，提供了一种图像拾取设备，其包括摄影光学系统和图像拾取元件，所述图像拾取元件被配置为光学地接收穿过摄影光学系统的出射光瞳的摄影主体光。所述图像拾取元件包括：具有光电转换部分的矩阵排列的光接收部分、以及在光接收部分上方提供的多个微镜头，所述矩阵排列通过沿与第一方向正交的第二方向布置多个第一方向阵列(array)来形成，每个第一方向阵列具有沿第一方向排列的光电转换部分，在所述光电转换部分之间保持预定间隙。向光电转换部分的矩阵排列中的某个第一方向阵列提供一对光电转换部分，所述一对光电转换部分经由一对微镜头来光学地接收穿过出射光瞳中的一对分割区域的摄影主体光束，所述一对分割区域在第一方向上被沿彼此相反的方向偏斜地(biasedly)布置。布置所述一对微镜头，以使其光轴延伸经过所述一对光电转换部分的边缘的邻近，所述边缘为在第一方向上离彼此最远的各边缘。
根据本发明的实施例，图像拾取元件可以精确地执行基于相位差检测方法的焦点检测，并且即使在像素变得小型化时也仍然能够被令人满意地制造。
附图说明
图1图示了根据本发明的实施例的图像拾取设备的外部配置；
图2也图示了图像拾取设备的外部配置；
图3为图像拾取设备的纵截面图；
图4为示出图像拾取设备的电配置的框图；
图5为用于解释图像拾取元件的配置的图；
图6为用于解释图像拾取元件的配置的另一图；
图7为用于解释普通像素的配置的纵截面图；
图8为用于解释普通像素的配置的平面图；
图9为用于解释AF传感器部分的配置的纵截面图；
图10为用于解释AF传感器部分11f的配置的平面图；
图11图示了在将焦平面从图像拾取元件的图像拾取面(face)向近侧散焦200μm时获得的模拟结果；
图12图示了在将焦平面从图像拾取面向近侧散焦100μm时获得的模拟结果；
图13图示了其中焦平面与图像拾取面一致的焦点对准状态的模拟结果；
图14图示了在将焦平面从图像拾取面向远侧散焦100μm时获得的模拟结果；
图15图示了在将焦平面从图像拾取面向远侧散焦200μm时获得的模拟结果；
图16为用于解释示出一对图像序列之间的重心位置的差和散焦量之间的关系的图形Gc的图。
图17为用于解释根据本发明的实施例的修改的AF区域的配置的图。
图18为用于解释根据本发明的实施例的另一修改的AF区域的配置的图；
图19为用于解释根据本发明的实施例的另一修改的AF区域的配置的图；
图20为用于解释根据本发明的实施例的修改的AF传感器部分的配置的图；
图21为用于解释具有AF传感器部分的AF区域的图；以及
图22为用于解释根据本发明的实施例的另一修改的AF传感器部分的配置的图。
具体实施方式
图像拾取设备的相关部分的配置
图1和2图示了根据本发明的实施例的图像拾取设备1的外部配置。具体地，图1和2分别为前视图和后视图。
图像拾取设备1例如为单镜头反射类型的数字静止照相机，并且包括照相机机身10和可更换镜头2，所述可更换镜头2作为可从照相机机身10拆卸的摄影镜头。
参考图1，向照相机机身10的前表面提供基本上位于前表面的中间且装配可更换镜头2的安装部分301、被布置在安装部分301右边的镜头替换按钮302、以及可握(grippable)部分303。向照相机机身10提供被布置在前表面的左上部分中的模式设置转盘305、被布置在前表面的右上部分中的控制值设置转盘306、以及被布置在可握部分303的上表面上的快门按钮307。
参考图2，向照相机机身10的后表面提供液晶显示器(LCD)311、被布置在LCD 311左边的设置按钮组312、被布置在LCD 311右边的十字键盘(cross keypad)314、以及被布置在十字键盘314中心的按压按钮315。也向照相机机身10的后表面提供被布置在LCD 311上方的电子取景器(EVF)316、围绕EVF 316的接目罩(eyecup)321、以及被布置在EVF 316左边的主开关317。此外，向照相机机身10的后表面提供被布置在EVF 316右边的曝光校正按钮323和自动曝光(AE)锁定按钮324、以及被布置在EVF 316上方的闪光部分318和连接端子部分319。
向安装部分301提供用于与所装配的可更换镜头2的电连接的连接器Ec(见图4)以及用于机械连接的耦接器75(见图4)。
镜头替换按钮302是在从安装部分301拆卸可更换镜头2时要按的按钮。
可握部分303是在使用图像拾取设备1进行摄影拍摄期间要被用户握住的部分，并且被提供有与人手形状符合的突出和凹陷以增强配合性(fittability)。可握部分303包含电池容纳腔和卡容纳腔(未示出)。电池容纳腔被配置为容纳作为照相机电源的电池69B(见图4)，而卡容纳腔被配置为可拆卸地容纳用于存储摄影图像的图像数据的存储卡67(见图4)。可以向可握部分303提供用于检测可握部分303是否被用户握住的抓握传感器。
模式设置转盘305和控制值设置转盘306每个由基本上盘形的组件形成，所述组件可在基本上与照相机机身10的上表面平行的平面内旋转。提供模式设置转盘305以选择性地选择在图像拾取设备1中包括的模式和功能，所述模式和功能包括自动曝光(AE)控制模式和自动聚焦(AF)控制模式、各种拍摄模式(诸如用于拍摄单个静止图像的静止图像拍摄模式和用于执行连续拍摄的连续拍摄模式)、以及用于再现所记录的图像的再现模式。另一方面，提供控制值设置转盘306以设置用于在图像拾取设备1中包括的多种功能的控制值。
快门按钮307为可以被操作至其中按钮被按下一半的半按状态、和其中按钮被进一步向下按下的全按状态的按钮。当在静止图像拍摄模式中快门按钮307被半按时，执行用于拍摄摄影主体的静止图像的预备操作(包括曝光控制值的设置和焦点检测)。当快门按钮307被完全按下时，执行摄影拍摄操作(一系列过程，包括将图像拾取元件101(见图3)暴露于光、以及对通过曝光过程获得的图像信号执行预定的图像处理，以将图像记录在例如存储卡中)。
LCD 311包括能够执行图像显示的彩色液晶板，并且例如被配置为显示由图像拾取元件101(见图3)拾取的图像、或再现和显示所记录的图像、以及显示用于在图像拾取设备1中包括的功能和模式的设置屏幕。作为LCD311的替代，可以使用有机电致发光显示单元或等离子体显示单元。
设置按钮组312包括用于操作在图像拾取设备1中包括的多种功能的按钮。设置按钮组312例如包括：用于确认在LCD 311上所显示的菜单屏幕上选择的内容的选择确认开关(switch)、选择取消开关、用于切换菜单屏幕上的内容的菜单显示开关、显示开/关开关、以及显示放大开关。
十字键盘314具有包括以固定间隔被排列在圆周方向上的多个可按部分(即由图2中的三角形箭头表示的部分)的圆环组件，并且能够根据被提供为面对对应的可按部分的触点(contact)(开关)(未示出)中的对应的一个，来检测对可按部分中的一个执行的按下操作。按压按钮315被布置在十字键盘314的中心。提供十字键盘314和按压按钮315以改变放大率(沿广角端方向或远摄端方向移动变焦镜头212(见图4))、使例如被再现在LCD 311上的所记录的图像帧前进(frame-advance)、以及输入用于设置拍摄条件(包括光圈、快门速度和闪光(flash)的开/关模式)的命令。
EVF 316包括液晶板310(见图3)，并且被配置为显示由图像拾取元件101(见图3)拾取的图像、或再现和显示所记录的图像。EVF 316或LCD 311在实际拍摄操作(即用于记录图像的拍摄操作)之前基于由图像拾取元件101顺序生成的图像信号，执行用于在视频模式中显示摄影主体的实时取景(live-view)(预览)显示操作，以允许用户可视地检查由图像拾取元件101实际拾取的摄影主体。
主开关317由具有两个触点的水平可滑动开关形成。在主开关317被设置在左位置时，图像拾取设备1被打开，而在主开关317被设置在右位置时，图像拾取设备1被关闭。
由弹出(pop-up)类型的内置闪光灯来定义闪光部分318。另一方面，在例如外部闪光灯被附接至照相机机身10时，使用连接端子部分319来连接外部闪光灯。
接目罩321为具有用于阻止外部光线穿透至EVF 316中的遮光属性的“C”形遮光元件。
曝光校正按钮323用于手动地调节曝光值(光圈和快门速度)。AE锁定按钮324用于固定曝光。
可更换镜头2充当摄入来自摄影主体的光(光学图像)的镜头窗，并且也充当用于将摄影主体光引导至被布置在照相机机身10内的图像拾取元件101的摄影光学系统。可以通过按压镜头替换按钮302来从照相机机身10拆卸该可更换镜头2。
可更换镜头2包括由沿光轴LT以序列方式排列的多个镜头构成的镜头组21(见图4)。该镜头组21包括用于聚焦调节的聚焦镜头211(见图4)和用于改变放大率的变焦镜头212(见图4)，并且被配置为通过沿光轴LT(见图3)的方向驱动聚焦镜头211或变焦镜头212来执行聚焦调节或放大率改变。可更换镜头2还具有镜头筒，所述镜头筒被提供有可操作环。可操作环被布置在镜头筒外围(outer periphery)上的适当部分处，并且可沿镜头筒的外围表面旋转。响应于手动操作或自动操作，变焦镜头212根据可操作环的旋转方向和旋转量而沿光轴方向移动，从而将变焦放大率(拍摄放大率)设置为对应于变焦镜头212被移动到的位置的值。
图像拾取设备1的内部配置
现在将描述图像拾取设备1的内部配置。图3为图像拾取设备1的纵截面图。如图3中所示，照相机机身10例如包含图像拾取元件101和EVF 316。
在可更换镜头2被装配到照相机机身10时，图像拾取元件101被布置在可更换镜头2中包括的镜头组21的光轴LT上，并且与光轴LT正交。例如由CMOS彩色区域传感器(color area sensor)(CMOS型图像拾取元件)来定义图像拾取元件101，所述CMOS彩色区域传感器具有构成以矩阵二维地排列的多个像素的光电二极管。图像拾取元件101生成与经由可更换镜头2光学地接收的摄影主体光相关的红(R)、绿(G)和蓝(B)颜色分量的模拟电信号(图像信号)，并且输出用于R、G和B颜色的图像信号。后面将提供图像拾取元件101的配置的详细描述。
快门单元40被沿光轴方向布置在图像拾取元件101的前方。快门单元40为具有沿垂直方向移动的帘(curtain)的机械焦平面快门。利用帘的打开和关闭，快门打开和关闭被沿光轴LT引导至图像拾取元件101的摄影主体光的光路。如果图像拾取元件为全电子快门类型，则可以省略快门单元40。
EVF 316包括液晶板310和目镜106。液晶板310例如为能够执行图像显示的彩色液晶板，并且能够显示由图像拾取元件101拾取的图像。目镜106将显示在液晶板310上的主体图像引导到EVF 316之外。利用EVF 316的这样的配置，用户可以可视地检查由图像拾取元件101拾取的摄影主体。
图像拾取设备1的电配置
图4为示出图像拾取设备1的电配置的框图。给予图4中所示的与图1至3中的组件相同的组件相同的参考标号。为便利起见，将首先描述可更换镜头2的电配置。
除构成前述摄影光学系统的镜头组21之外，可更换镜头2包括镜头驱动机构24、镜头位置检测部分25、镜头控制部分26、和光圈驱动机构27。
在镜头组21中，聚焦镜头211、变焦镜头212和用于调节将入射在照相机机身10中包括的图像拾取元件101上的光量的光圈光阑(aperture stop)23被保持在镜头筒内光轴LT(图3)的方向上。镜头组21摄入摄影主体的光学图像，以在图像拾取元件101上形成图像。在AF控制模式中，通过使可更换镜头2内的AF致动器(actuator)71M沿光轴LT的方向驱动聚焦镜头211来执行聚焦调节。
聚焦驱动控制部分71A被配置为基于经由镜头控制部分26从主控制部分62接收的AF控制信号，生成用于AF致动器71M的驱动控制信号，以将聚焦镜头211移动至焦点对准的位置。AF致动器71M例如由步进电机形成，并且向镜头驱动机构24施加镜头驱动力。
镜头驱动机构24例如由螺旋面(helicoid)和旋转该螺旋面的齿轮(未示出)构成，并且被配置为通过从AF致动器71M接收驱动力，来沿与光轴LT平行的方向驱动聚焦镜头211等。聚焦镜头211的移动方向和移动距离对应于AF致动器71M的旋转方向和旋转速度。
镜头位置检测部分25包括编码盘(plate)，其具有在镜头组21的移动范围内沿光轴LT的方向以预定的间距(pitch)形成的多个码图案(pattern)；以及编码器刷(encoder brush)，其在编码盘上滑动的同时与镜头组21一起移动，并且所述镜头位置检测部分25被配置为检测在镜头组21的聚焦调节期间的移动距离。例如将由镜头驱动机构24检测的镜头位置作为脉冲的数目而输出。
由微型计算机定义镜头控制部分26，所述微型计算机例如包含存储控制程序的ROM和存储与状态信息相关的数据的诸如闪存的存储器。
镜头控制部分26具有用于经由连接器Ec与照相机机身10的主控制部分62通信的通信功能。因而，镜头控制部分26可以向主控制部分62发送例如与镜头组21的焦距、出射光瞳位置、光圈、焦点对准距离和环境光量相关的状态信息数据，以及由镜头位置检测部分25检测的与聚焦镜头211相关的位置信息，并且从主控制部分62接收例如与聚焦镜头211的驱动量相关的数据。
光圈驱动机构27被配置为通过经由耦接器75从光圈驱动致动器76M接收驱动力来改变光圈光阑23的光圈直径。
现在将描述照相机机身10的电配置。除前述图像拾取元件101和快门单元40外，照相机机身10包括模拟前端(AFE)5、图像处理部分61、图像存储器614、主控制部分62、闪光电路63、操作部分64、和VRAM 65(65a和65b)。此外，照相机机身10包括卡接口(I/F)66、存储卡67、通信接口(I/F)68、电源电路69、电池69B、快门驱动控制部分73A、快门驱动致动器73M、光圈驱动控制部分76A和光圈驱动致动器76M。
例如由上述CMOS彩色区域传感器来定义图像拾取元件101，并且后面将描述的定时控制电路51控制图像拾取操作，所述图像拾取操作包括图像拾取元件101的曝光操作的开始(和完成)、在图像拾取元件101中所包括的像素的输出选择、以及像素信号的读取。
AFE 5被配置为向图像拾取元件101施加定时脉冲以使图像拾取元件101执行预定的操作，并且还被配置为对从图像拾取元件101输出的图像信号(即由CMOS区域传感器的像素光学地接收的一组模拟信号)执行预定的信号处理、将该信号转换为数字信号、并且向图像处理部分61输出该数字信号。该AFE 5包括定时控制电路51、信号处理部分52以及A/D转换部分53。
定时控制电路51基于从主控制部分62输出的基准时钟来生成预定的定时脉冲(即例如生成垂直扫描脉冲ΦVn、水平扫描脉冲ΦVm和重置信号ΦVr的脉冲)，并且向图像拾取元件101输出该定时脉冲以控制图像拾取元件101的图像拾取操作。此外，定时控制电路51向信号处理部分52和A/D转换部分53输出预定的定时脉冲以控制信号处理部分52和A/D转换部分53的操作。
信号处理部分52被配置为对从图像拾取元件101输出的模拟图像信号执行预定的模拟信号处理。信号处理部分52例如包括相关双采样(CDS)电路、自动增益控制(AGC)电路和箝位电路。A/D转换部分53被配置为基于从定时控制电路51输出的定时脉冲，将从信号处理部分52输出的模拟R、G和B图像信号转换为具有多个比特(例如12比特)的数字图像信号。
图像处理部分61被配置为对从AFE 5输出的图像数据执行图像处理以创建图像文件，并且所述图像处理部分61包括黑电平(black level)校正电路611，白平衡控制电路612和伽马(gamma)校正电路613。与图像拾取元件101的读取同步，将被图像处理部分61取入的图像数据暂时写入至图像存储器614中。随后，通过访问被写入至图像存储器614中的图像数据，所述图像数据在图像处理部分61的每个块中受到处理。
黑电平校正电路611被配置为将由A/D转换部分53A/D转换的R、G和B数字图像信号中的每个的黑电平校正为基准黑电平。
白平衡控制电路612被配置为基于根据光源的基准白电平，转换用于R、G和B颜色分量的数字信号的电平(level)(调节白平衡(WB))。具体地，白平衡控制电路612基于从主控制部分62接收的WB调节数据，从摄影主体中的亮度和色度数据，指定原始摄影主体中被假定为白色的部分；确定前述部分中的R、G和B颜色分量的平均值、G/R比和G/B比；并且作为R和B校正增益来校正这些值的等级(level)。
伽马校正电路613被配置为校正WB调整后的图像数据的灰度级(gradation)特性，具体地，伽马校正电路613使用预先为每个颜色分量设置的伽马校正表，对图像数据的电平执行非线状转换和偏移调节。
图像存储器614被用于在摄影拍摄模式期间暂时存储从图像处理部分61输出的图像数据，并且还被用作主控制部分62对图像数据执行预定处理所在的工作区域。在再现模式期间，图像存储器614被用于暂时存储从存储卡67读出的图像数据。
由微型计算机来定义主控制部分62，所述微型计算机例如包含存储控制程序的ROM和暂时存储数据的诸如RAM的存储部分，并且被配置为控制图像拾取设备1的每个部分的操作。
闪光电路63被配置为将在闪光拍摄模式中从与闪光部分318或连接端子部分319连接的外部闪光灯发出的光的量控制为由主控制部分62设置的值。
操作部分64包括模式设置转盘305、控制值设置转盘306、快门按钮307、设置按钮组312、十字键盘314、按压按钮315和主开关317，并且被提供用于向主控制部分62输入操作信息。
VRAM 65a和65b每个具有与LCD 311和EVF 316中的像素数目相对应的图像信号存储容量，并且用作主控制部分62与LCD 311和EVF 316之间的缓冲存储器。卡I/F 66为用于在存储卡67和主控制部分62之间发送和接收信号的接口。存储卡67为用于存储由主控制部分62生成的图像数据的存储介质。通信I/F 68为例如用于向个人计算机或其他外部设备发送图像数据的接口。
电源电路69例如由恒定电压电路形成，并且被配置为生成用于驱动整个图像拾取设备1的电压，所述整个图像拾取设备1包括诸如主控制部分62之类的控制部分、图像拾取元件101和其他各种驱动部分。由从主控制部分62施加至电源电路69的控制信号来控制要施加至图像拾取元件101的电力。电池69B由诸如碱性电池的原电池、或诸如镍氢可再充电电池之类的二次电池形成，并且用作用于向整个图像拾取设备1供电的电源。
快门驱动控制部分73A被配置为基于从主控制部分62接收的控制信号来生成用于快门驱动致动器73M的驱动控制信号。快门驱动致动器73M被配置为打开和关闭快门单元40。
光圈驱动控制部分76A被配置为基于从主控制部分62接收的控制信号来生成用于光圈驱动致动器76M的驱动控制信号。光圈驱动致动器76M经由耦接器75向光圈驱动机构27施加驱动力。
照相机机身10包括相位差AF计算电路77，其被配置为基于从黑电平校正电路611输出的、已经经历了黑电平校正的图像数据，执行在使用图像拾取元件101执行AF控制时必需的计算。
现在将描述使用相位差AF计算电路77的图像拾取设备1的相位差AF操作。
图像拾取设备1的相位差AF操作。
图像拾取设备1能够通过光学地接收透射过图像拾取元件101中具有不同的出射光瞳的部分的光，来执行基于相位差检测方法的焦点检测(相位差AF操作)。以下描述将针对图像拾取元件101的配置以及使用图像拾取元件101的相位差AF操作的原理。
图5和图6为用于解释图像拾取元件101的配置的图。
在图像拾取元件101中，在图像拾取元件101(图5)的图像拾取面101f上以矩阵排列的AF区域(area)Ef的每一个中，基于相位差检测方法的焦点检测是可能的。
向每个AF区域Ef提供普通像素110，所述普通像素110包括R像素111、G像素112和B像素113，其中R、G和B滤色器分别被布置在光电二极管和充当聚光镜头的微镜头ML(用虚线表示)之间。另一方面，如图6中所示，还向每个AF区域Ef提供AF线(line)Lf。在每个AF线Lf中，沿图像拾取元件101的垂直线(line)(垂直方向)排列AF传感器部分11f。每个AF传感器部分11f通过使用一对微镜头ML1和ML2和光电转换部分PD1和PD2(见图9)来实现光瞳分割功能，以执行相位差AF操作。
每个AF区域Ef还具有没有上述光瞳分割功能的普通像素110的垂直线Ln(也被称作“普通像素线”)。普通像素线Ln包括：Gr线L1，其中沿垂直方向交替排列G像素112和R像素111；Gb线L2，其中沿垂直方向交替排列B像素113和G像素112。沿水平方向交替排列Gr线L1和Gb线L2，使得由普通像素110形成Bayer排列。在每个AF区域Ef中，基本上通过具有比AF线Lf更多数目的线的普通像素线Ln来获取摄影主体的图像信息。
此外，在每个AF区域Ef中，沿水平方向周期性地形成AF线Lf，在所述Af线Lf中，沿垂直方向重复地排列每个具有两个微镜头ML1和ML2的AF传感器部分11f，所述两个微镜头ML1和ML2具有与普通像素110的微镜头ML相同的配置(半径和曲率)。优选地在沿水平方向彼此相邻的AF线Lf之间提供用作AF线Lf上的摄影主体的缺失图像信息的补充(complement)的普通像素线Ln(例如四个或更多的普通像素线Ln)。可以由相同种类的垂直线(两个Gr线L1或两个Gb线L2)来定义毗邻每个AF线Lf的左侧和右侧的两个普通像素线Ln的组合，或可以由不同种类的垂直线(一个为Gr线L1而另一个为Gb线L2)来定义毗邻每个AF线Lf的左侧和右侧的两个普通像素线Ln的组合。
在描述普通像素110和AF传感器部分11f之间的区别之前，首先将描述普通像素110的配置。
图7为用于解释普通像素110的配置的纵截面图。图7中所示的普通像素110的阵列对应于Gr线L1(图6)，所述Gr线L1为沿垂直方向(Y方向)形成的普通像素线Ln。
在每个普通像素线Ln中，沿垂直方向(Y方向)以间距α来排列为相应的普通像素110提供的光电转换部分(光电二极管)PD。在具有作为Y方向上的长度(宽度)的间距α的每个普通像素110中，如图8中所示，例如毗邻上和下边缘提供每个具有作为电路的连线(wiring)图案的连线区域We，并且提供在平面图中具有矩形形状的光电转换部分PD。布置该矩形光电转换部分，以使其纵向与水平方向对齐，或换言之，其横向与垂直方向对齐。另外，如图7中所示，相邻的光电转换部分PD在其间具有用于保证连线区域We的固定间隙β。类似地，在其中光电转换部分PD被沿垂直方向排列的AF线Lf(见图9)中的相邻的光电转换部分PD之间提供该间隙β。具体地，在用作光接收部分的图像拾取面101f中，沿与垂直方向(第一方向)正交的水平方向(第二方向)提供多个垂直阵列(垂直线)，在所述垂直阵列(垂直线)中，沿垂直方向以间距α排列光电转换部分PD，在光电转换部分PD之间保持间隙β，从而形成光电转换部分PD的矩阵排列。
在图像拾取面101f中的相应的光电转换部分PD上方提供微镜头ML。在微镜头ML和光电转换部分PD之间具有三个金属层，所述三个金属层按照从顶部开始的顺序具体为第一金属层41、第二金属层42和第三金属层43。第二金属层42和第三金属层43具有遮光性质，并且用作用于传送电信号的线路(wire)(线状元件(linear member))。沿水平方向(X方向)布置第二金属层42和第三金属层43(沿图7中的图的平面的法线布置所述线路)。第一金属层41用作所述两个金属层的接地面。滤色器FL被布置在第一金属层41上，并且在滤色器FL上提供微镜头ML。关于例如在Gr线L1中排列的普通像素110的阵列中的滤色器FL，如图7中所示，交替地排列绿色过滤器Fg和红色过滤器Fr。
为了防止光电转换部分PD接收在微镜头ML之间穿过的不必要的光，由第一金属层41光学地遮挡每个普通像素线Ln中的微镜头ML之间的空间。换言之，第一金属层41充当例如具有在微镜头ML正下方的八边形开孔OP的遮光掩模层。
现在将描述AF传感器部分11f的配置。
图9和10分别为用于解释AF传感器部分11f中的一个的配置的纵截面图和平面图。在AF线Lf(图6)中的一个上提供图9和10中所示的AF传感器部分11f。
如图9中所示，AF传感器部分11f包括：光电转换部分PD1，其在通过上侧(+Y方向侧)微镜头ML1看可更换镜头2时，光学地接收出射光瞳的上段Qa1中的光束Ta1；以及光电转换部分PD2，其在通过下侧(-Y方向侧)微镜头ML2看可更换镜头2时，光学地接收出射光瞳的下段Qb2中的光束Tb2。在这两个光电转换部分PD1和PD2之间布置一个光电转换部分PDm。与前述普通像素线Ln(图7)相似，因为在相邻的光电转换部分PD之间具有间隙β，所以考虑间隙β而排列微镜头ML。详细地讲，在AF传感器部分11f中，微镜头ML1的光轴AX1与光电转换部分PD1的上边缘Ha对齐，并且微镜头ML2的光轴AX2与光电转换部分PD2的下边缘Hb对齐。换言之，微镜头ML1的光轴AX1被布置在从光电转换部分PD1和上侧相邻光电转换部分PD之间的间隙β的中心线C1移位了预定移位距离La的位置。另一方面，微镜头ML2的光轴AX2被布置在从光电转换部分PD2和下侧相邻光电转换部分PD之间的间隙β的中心线C2移位了预定移位距离Lb的位置。具有这样的配置的AF传感器部分11f允许通过分别光学地接收穿过微镜头ML1和ML2的光束Ta1和Tb2的两个光电转换部分PD1和PD2来进行出射光瞳分割。
在其中排列了前述AF传感器部分11f的每个AF线Lf中，将被布置在光电转换部分PD上方的组件(即，第一至第三金属层、滤色器和微镜头)相对于图7中所示的普通像素线Ln而沿垂直方向(Y方向)移位半个间距(α/2)，并且还向内移位所述微镜头对。例如，关于每对微镜头ML1和ML2，通过将光轴AX1和AX2相对于普通像素线Ln移位半个间距来将其光轴AX1和AX2分别与间隙β的中心线C1和C2对齐，随后将光轴AX1和AX2朝向中间的光电转换部分PDm移位所述移位距离La和Lb(向内)。
具体地，每个AF传感器部分11f中的两个光电转换部分PD1和PD2与两个微镜头ML1和ML2之间的排列关系等于通过以下方式获得的排列配置，所述方式即：相对于光电转换部分PD，将对应于AF传感器部分11f中的微镜头ML1和ML2的普通像素线Ln中的特定的微镜头ML沿垂直方向相对地移位半个间距α，然后将前述微镜头ML进一步向内移位预定移位距离La和Lb。将微镜头进一步移位预定移位距离La和Lb的原因为：如果只将微镜头移位半个间距，则穿过每个出射光瞳的中心附近的摄影主体光将进入连线区域We，因而降低与光瞳分割相关的光电转换部分PD1和PD2将接收的光量。在上述排列配置中，在每对相邻的微镜头ML1和ML2之间提供遮光部分LS(LSp)，从而形成AF传感器部分11f的阵列(AF线Lf)。每个AF线Lf中的相邻的AF传感器部分11f具有在其之间提供的遮光部分LSq，所述遮光部分LSq在垂直方向(Y方向)上的宽度小于遮光部分LSp在垂直方向(Y方向)上的宽度。以此方式，可以通过略微改变普通像素线Ln的设许来形成AF线Lf，从而简化和便利AF线Lf的设计和制造。以下为在每个AF线Lf中的相邻微镜头ML之间提供的遮光部分LS的详细描述。
如图9中所示，在每个AF线Lf中，相对于在普通像素线Ln中形成的第一金属层41中的开孔OP(图7)，第一金属层44遮挡遮光部分LSp处的光。详细地讲，与形成图7所示的普通像素线Ln中的开孔OP所在的位置相对应的两个部分OQ1和OQ2(图9)被第一金属层44遮挡，并且将具有约等于两个像素的宽度的黑滤色器(黑色过滤器)Fbp放置在第一金属层44上。以此方式将黑色过滤器Fbp放置在第一金属层44上以最小化重影眩光(ghost flare)的出现。具体地，如果第一金属层44的上表面被暴露，则从可更换镜头2进入的光被第一金属层44反射，以至于使重影眩光出现。因此，使用黑色过滤器Fbp来吸收该反射光。通过使用黑色过滤器Fbp和第一金属层44来遮挡每个遮光部分LSp中的光，可以恰当地和容易地遮挡该光。在相邻的AF传感器部分11f之间的每个遮光部分中，布置具有小于一个像素宽度的宽度的黑色过滤器Fbq。作为结果，如图10中所示，在每个AF线Lf中，交替地和重复地排列具有相对大宽度的黑色过滤器Fbp和具有相对小宽度的黑色过滤器Fbq。
此外，在每个AF线Lf中，利用透明过滤器Ft作为在第一金属层44中的开孔OP1和OP2上方提供的滤色器。这允许将由每个AF传感器部分11f接收的光量的增加，从而实现更高的感光度。
在每个AF传感器部分11f中，与微镜头ML1的光轴AX1最接近的、第二金属层45和第三金属层46的上连线部分45a和46a被朝向光轴AX1更近地定位，以尽可能多地防止来自出射光瞳的下段Qb1的光束Tb1进入连线区域We。同样，与微镜头ML2的光轴AX2最接近的、第二金属层45和第三金属层46的下连线部分45b和46b被朝向光轴AX2更近地定位，以尽可能多地防止来自出射光瞳的上段Qa2的光束Ta2进入连线区域We。换言之，如图9中所示，在线段Ja(具有实线的箭头)的沿Y方向的外侧附近、以及在线段Jb(具有虚线的箭头)的沿Y方向的外侧附近，提供沿水平方向(X方向)排列的连线部分45a、45b、46a和46b。具体地，线段Ja和Jb分别将图9所示的微镜头ML1和ML2的最远端与光电转换部分PD1和PD2的边缘Ha和Hb连接，所述最远端为在垂直方向(Y方向)上离彼此最远的端，即上端Ma和下端Mb。以此方式排列连线部分45a、45b、46a和46b，以最小化对光瞳分割的负面影响。具体地，如果入射在连线区域We上的光被连线区域We反射，则该反射光可以被光电转换部分PD1和PD2光学地接收，这可能导致对光瞳分割的负面影响。除连线部分45a、45b、46a和46b之外，可以提供用于使连线区域We上的入射光最少的虚连线(dummywiring)。
利用具有以上配置的AF传感器部分11f，来自出射光瞳的光瞳段(即出射光瞳的上段Qa1)的光束Ta1穿过微镜头ML1和透明滤色器Ft，以被光电转换部分PD1光学地接收，并且来自出射光瞳的下段Qb2的光束Tb1穿过微镜头ML2和过滤器Ft，以被光电转换部分PD2光学地接收。换言之，在被形成在图像拾取面101f中的光电转换部分PD的矩阵排列中，向特定的垂直阵列(即每个AF线Lf)提供多对光电转换部分PD1和PD2。每对的光电转换部分PD1和PD2经由一对微镜头ML1和ML2光学地接收穿过上段Qa1和下段Qb2的摄影主体的光束Ta1和Tb2，所述上段Qa1和下段Qb2为在可更换镜头2的出射光瞳中在垂直方向上沿彼此相反的方向偏斜地布置的一对分割区域。
在以下的描述中，在光电转换部分PD1中获得的光学接收数据将被称作“a系列数据”，而在光电转换部分PD2中获得的光学接收数据将被称作“b系列数据”。例如，将在下面参考图11至图15描述相位差AF的原理，所述图11至15示出从被排列在某个AF线Lf(图6)中的一组AF传感器部分11f获得的a系列数据和b系列数据。
图11图示了在将焦平面从图像拾取元件101的图像拾取面101f向近侧散焦200μm时获得的模拟结果。图12图示了在将焦平面从图像拾取面101f向近侧散焦100μm时获得的模拟结果。图13图示了其中焦平面与图像拾取面101f一致的焦点对准状态的模拟结果。图14图示了在将焦平面从图像拾取面101f向远侧散焦100μm时获得的模拟结果。图15图示了在将焦平面从图像拾取面101f向远侧散焦200μm时获得的模拟结果。在图11至15中，横轴代表光电转换部分PD1和PD2在AF线Lf方向上的位置，而纵轴代表来自光电转换部分PD1和PD2的输出。在图11至15中，图形Ga1至Ga5(用实线示出)每个代表a系列数据，而图形Gb1至Gb5(用虚线示出)每个代表b系列数据。
在将由图11至15中的a系列图形Ga1至Ga5所代表的a系列图像序列与b系列图形Ga1至Ga5所代表的b系列图像序列比较时，明显地，随着散焦量增加，a系列图像序列和b系列图像序列之间在AF线Lf方向上出现的移位量(位移量)增加。
在将一对图像序列(即a系列图像序列和b系列图像序列)之间的移位量和散焦量之间的关系画进图形中时，获得图16中所示的图形Gc。在图16中，横轴代表a系列图像序列的重心位置和b系列图像序列的重心位置之间的差(像素间距)，而纵轴代表散焦位置(μm)。例如可以通过以下方程(1)来确定每个图像序列的重心位置Xg：
X g = X 1 Y 1 + X 2 Y 2 + - - - - - + X n Y n Y 1 + Y 2 + - - - - - + Y n . . . ( 1 )
在方程(1)中，X1至Xn每个代表例如从对应的AF线Lf的上端起的光电转换部分PD1和PD2的位置，而Y1至Yn每个代表在位置X1至Xn中的每一个处来自光电转换部分PD1或PD2的输出值。
如图16中的图形Gc所示，一对图像序列的重心位置的差和散焦量具有比例关系。可以由以下方程(2)表达该关系，其中用DF(μm)表示散焦量，并且用C(μm)表示重心位置的差。
DF＝k×C    (2)
在方程(2)中，系数k代表关于图16中的图形Gc的斜率(gradient)Gk(用虚线示出)，并且可以预先从例如工厂测试获得所述斜率Gk。
据此，在使用相位差AF计算电路77来确定关于由AF传感器部分11f获得的a系列数据和b系列数据的重心位置的差(相位差)之后，使用方程(2)来计算散焦量。通过向聚焦镜头211施加与所计算的散焦量相等的驱动量，可以执行用于将聚焦镜头211移动至所检测的焦位置(focal position)的自动聚焦(AF)控制。可以基于被装配到照相机机身10的可更换镜头2的设计值来唯一地确定前述散焦量和用于聚焦镜头211的驱动量之间的关系。
在图像拾取设备1中，向图像拾取元件101提供用于相位差AF操作的AF传感器部分11f，并且所述AF传感器部分11f每个包括：具有与普通像素线Ln中的光电转换部分PD相同的尺寸的一对光电转换部分PD1和PD2、一对微镜头ML1和ML2、以及具有在微镜头ML1和ML2正下方的开孔OP1和OP2的第一金属层44，所述开孔OP1和OP2具有与微镜头ML1和ML2相同的尺寸。因而，图像拾取元件(即具有相位差检测功能的图像拾取元件)101能够精确地执行基于相位差检测方法的焦点检测，并且即使在像素变得小型化时仍然能够被令人满意地制造。与日本未审查专利申请公开No.2005-303409中讨论的具有相位差检测功能的图像拾取元件(其中通过使用金属层(遮光掩模)中的小开孔限制摄影主体光来实施光瞳分割)相比，在本实施例中，可以最小化对需要的光束的遮挡，从而减小光电转换部分PD1和PD2的感光度的降低。此外，在日本未审查专利申请公开No.2005-303409中讨论的具有相位差检测功能的图像拾取元件中，因为具有小开孔的金属层从光电转换部分上方凸出从而被暴露，所以暴露的金属层可能可以导致出现重影眩光。相比之下，因为在根据本实施例的图像拾取元件101中，在第一金属层44上布置黑色过滤器Fb，所以可以防止重影眩光的出现。
如图9中所示，布置每个AF传感器部分11f中的微镜头ML1和ML2，以使其相应的光轴AX1和AX2延伸经过光电转换部分PD1和PD2的边缘Ha和Hb，所述边缘Ha和Hb为在垂直方向(Y方向)上最远离彼此的边缘。作为结果，即使在对应的AF线Lf中在其间具有间隙β的情况下布置光电转换部分PD以保证连线区域We，穿过出射光瞳中心附近的光束仍然可以被光电转换部分PD1和PD2光学地接收，从而使光电转换部分PD1和PD2的输出减小最小，并且允许高度可靠的相位差AF操作。
因为如图9中所示，每个AF传感器部分11f中的光电转换部分PD1和PD2是在对应的AF线Lf中具有被布置在它们之间的一个光电转换部分PDm的两个相邻的光电转换部分PD，所以即使利用其中排列了光电转换部分PD(在它们之间保持间隙β)的图像拾取元件101的像素线，仍然可以恰当地形成AF传感器部分11f。在提供沿与AF线Lf(在下文中有时被称作“第一AF线”)的方向不同的方向(例如水平方向(X方向))延伸的不同的AF线(在下文中有时被称作“第二AF线”)时，可以在第一AF线和第二AF线之间的交叉点处布置前述光电转换部分PDm，使得可以不必划分AF线而获得连续的线输出。
修改
作为如图6所示的、采用具有AF线Lf(其包括具有与普通像素110中的微镜头相同的配置的微镜头ML1和ML2)的AF区域Ef的以上实施例的替代，可以采用如图17所示的、具有AF线Lfa的AF区域Efa，所述AF线Lfa包括具有比普通像素110中的微镜头的直径更大的直径的微镜头MLa和MLb。在该情况中，向第一金属层44提供具有根据微镜头MLa和MLb的直径而设置的尺寸的开孔，具体地，比图9中所示的开孔OP1和OP2稍大的开孔。利用这些微镜头MLa和MLb(和第一金属层44中的开孔)，可以增强AF线Lfa中的AF传感器部分11fa的感光度。
作为如图6所示的、采用具有AF线Lf(其包括遮光部分LS，每个遮光部分LS占据每对彼此分开等于一个像素或更多的距离的微镜头ML1和ML2之间的整个区域)的AF区域Ef的以上实施例的替代，可以采用如图18所示的、具有AF线Lfb的AF区域Efb，所述AF线Lfb每个具有被插入在一对微镜头ML1和ML2之间的诸如G像素112之类的普通像素110。在该情况中，在一对微镜头ML1和ML2与普通像素110之间的区域中形成遮光部分LSa和LSb。利用该配置，可以通过被插入在AF线Lfb中的普通像素110来减少AF线中的摄影主体的缺失图像信息，并且可以通过使用由这些普通像素110获取的图像信息的补充处理来实现改善的图像质量。
作为如图6所示的、采用具有只由AF传感器部分11f构成的AF线Lf的AF区域Ef的以上实施例的替代，可以采用如图19所示的、具有AF线Lfc的AF区域Efc，在AF线Lfc中，在相邻的AF传感器部分11f之间插入普通像素110。在该情况中，AF线Lfc中的普通像素110的图像信息可以被用作对AF传感器11f中的摄影主体的缺失图像信息的补充，从而实现改善的图像质量。
在以上实施例中，可替代地，可以省略图9所示的、被插入在每个AF传感器部分11f中的一对光电转换部分PD1和PD2之间的中央光电转换部分PDm。详细地讲，如图20中所示的AF传感器部分11fd中那样，被布置在一对微镜头ML1和ML2之间的遮光部分LSr可以相对于图9中所示的遮光部分LSp被缩短与一个像素相等的长度，而不提供一对光电转换部分PD1和PD2之间的光电转换部分。作为结果，如图21中所示的AF区域Efd中那样，形成AF线Lfd，使得每对微镜头ML1和ML2之间的距离减小，从而提高光瞳分割的精度。
作为对如图9所示的、采用AF传感器部分11f(其中第一金属层44覆盖黑色过滤器Fbp的下侧)的根据以上实施例的图像拾取元件101的替代，可以采用如图22所示的AF传感器部分11fe，其每个具有在第一金属层44a的、在黑色过滤器Fbp正下方的部分中的开孔OPm。在该情况中，黑色过滤器Fbp优选地具有低透射率(例如3％或更低)以减少穿过黑色过滤器Fbp以至于被布置在其正下方的光电转换部分PDm光学地接收的光量。
另一方面，在以上实施例中，可以省略图9中所示的配置中的黑色过滤器Fbp和Fbq。在该情况中，虽然前述第一金属层被暴露，并且存在可能出现重影眩光的担忧，但是这可以通过例如将第一金属层的上表面涂为黑色或使用由黑色导电材料构成的导电层作为第一金属层来避免。
虽然在以上实施例中在单反射型数字照相机中提供具有AF线Lf的图像拾取元件101，但可以替代地在紧凑型数字照相机中提供图像拾取元件101。
虽然以上实施例中的AF传感器部分每个被提供有第一金属层44中的开孔OP1和OP2上方的透明滤色器，但可替换地，考虑到更好的聚焦精度，可以向AF传感器部分提供具有高可视性的绿色滤色器，或可以向AF传感器部分提供红色或蓝色滤色器。
虽然如图9中所示，以上实施例中的每个AF传感器部分中的微镜头ML1和ML2的光轴AX1和AX2分别与光电转换部分PD1的上边缘Ha和光电转换部分PD2的下边缘Hb精确地对齐，但光轴AX1和AX2可以与边缘Ha和Hb略微不对齐。换言之，可以布置微镜头ML1和ML2的光轴AX1和AX2以延伸经过光电转换部分PD1和PD2的上边缘Ha和下边缘Hb的附近。
本申请包含与2009年1月8日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2009-002326中公开的主题相关的主题，所述申请的整体内容通过引用而被合并于此。
以上描述的本发明的实施例仅仅是例子，并且不意图限制本发明。以上未描述的无数修改是可允许的，只要它们在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种图像拾取元件，包括：
具有光电转换部分的矩阵排列的光接收部分，通过沿与第一方向正交的第二方向布置多个第一方向阵列来形成所述矩阵排列，每个所述第一方向阵列具有沿第一方向排列的光电转换部分，在所述光电转换部分之间保持预定间隙；以及
在光接收部分上方所提供的多个微镜头，
其中光电转换部分的矩阵排列中的某个第一方向阵列被提供有一对光电转换部分，所述一对光电转换部分经由一对微镜头光学地接收穿过摄影光学系统的出射光瞳中的一对分割区域的摄影主体光束，所述一对分割区域在第一方向上被沿彼此相反的方向偏斜地布置，并且
其中所述一对微镜头被布置为使得其光轴延伸经过所述一对光电转换部分的边缘附近，所述边缘为在第一方向上离彼此最远的各边缘。
2.根据权利要求1的图像拾取元件，其中所述预定间隙具有在其中形成的电连线。
3.根据权利要求1的图像拾取元件，其中所述一对光电转换部分包括被布置在所述某个第一方向阵列中的一个光电转换部分的相反侧上的两个相邻的光电转换部分。
4.根据权利要求1的图像拾取元件，其中在所述矩阵排列中排列的光电转换部分在平面图中具有矩形形状，并且
其中所述第一方向为每个光电转换部分的横向。
5.根据权利要求1的图像拾取元件，其中，在分别将所述一对微镜头的、作为在第一方向上离彼此最远的端的各端与所述最远的各边缘连接的线段的沿第一方向的外侧附近，提供具有遮光性质且被沿第二方向布置的线状元件。
6.一种图像拾取设备，包括：
摄影光学系统；和
图像拾取元件，被配置为光学地接收穿过摄影光学系统的出射光瞳的摄影主体光，
其中所述图像拾取元件包括：
具有光电转换部分的矩阵排列的光接收部分，通过沿与第一方向正交的第二方向布置多个第一方向阵列来形成所述矩阵排列，每个所述第一方向阵列具有沿第一方向排列的光电转换部分，在所述光电转换部分之间保持预定间隙；以及
在光接收部分上方所提供的多个微镜头，
其中光电转换部分的矩阵排列中的某个第一方向阵列被提供有一对光电转换部分，所述一对光电转换部分经由一对微镜头光学地接收穿过出射光瞳中的一对分割区域的摄影主体光束，所述一对分割区域在第一方向上被沿彼此相反的方向偏斜地布置，并且
其中所述一对微镜头被布置为使得其光轴延伸经过所述一对光电转换部分的边缘附近，所述边缘为在第一方向上离彼此最远的各边缘。
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