CN101900867A - 焦点检测装置、摄像器件和电子照相机 - Google Patents

焦点检测装置、摄像器件和电子照相机 Download PDF

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Abstract

一种焦点检测装置，其包括第一类型像素、第二类型像素和成像状态检测器。各个第一类型像素包括接收来自摄像光学系统的光的光电转换器以及布置在从摄像光学系统到光电转换器的光路上且折射率不同的第一光学元件和第二光学元件，各个第一类型像素输出与光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号。各个第二类型像素包括光电转换器、第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件被布置成使它们与光电转换器之间的位置关系不同于各个第一类型像素中的位置关系，各个第二类型像素输出与光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号。所述成像状态检测器根据第一电荷信号和第二电荷信号来检测摄像光学系统的成像状态。

Description

焦点检测装置、摄像器件和电子照相机
相关申请的交叉参考
本申请包含与2009年5月26日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2009-126818的公开内容相关的主题，在此将该在先专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及焦点检测装置、摄像器件和电子照相机，具体涉及对于在摄像器件中安装有采用了相位差检测方法的焦点检测系统的结构的焦点控制技术。
背景技术
人们已经在使用对比度(contrast)检测方法和相位差(phase-difference)检测方法作为电子照相机等的焦点检测技术。在对比度检测方法中，从摄像器件输出的图像信号被用于通过利用预定函数来评估和确定由摄像光学系统形成的被摄物体图像的锐度。调节摄像光学系统在光轴上的位置，使得该函数值接近极值(extreme value)。在相位差检测方法中，通过穿过摄像光学系统的出射光瞳(exit pupil)的不同部分的各个光束来形成两个被摄物体图像。检测这两个被摄物体图像之间的位置相位差，然后将该相位差转换为摄像光学系统的散焦量。在对比度检测方法中，是在沿着光轴逐渐移动摄像光学系统的透镜的同时确定评估函数值，与该对比度检测方法相比，对于相位差检测方法而言，由于能够确定散焦量，所以能够在更短的时间内建立对焦状态。
根据相关技术的相位差检测方法，穿过摄像光学系统的光束被聚光器透镜分成两束，让由此得到的这两束光穿过各自的分离器透镜，于是将光束聚焦在检测器件(而不是摄像器件)上。也可以通过在摄像器件中安装采用了相位差检测方法的焦点检测系统而省去上述结构(例如参见日本专利申请特开第2001-83407号(图18)和第2003-244712号(图2))。
例如，日本专利申请特开第2001-83407号(图18)提出了这样一种技术：各个像素的光电转换器(光电二极管)被划分成两个光电转换器部分，这两个光电转换器部分接收穿过摄像光学系统的出射光瞳的不同区域的光束。将通过各个像素的两个光电转换器部分而得到的电荷信号与先前得到的对焦状态下的电荷信号进行比较。于是，执行了采用相位差检测方法的焦点检测。
日本专利申请特开第2003-244712号(图2)提出了这样一种技术：在设有滤色器并用于摄取图像的像素中不对光电转换器进行划分，而是在未设有滤色器并用于焦点检测的像素中将光电转换器划分成两个光电转换器部分。在图像摄取操作中读取图像信号的过程中，只使用来自设有滤色器的像素的电荷信号。在焦点检测的过程中，只使用来自未设有滤色器的像素的电荷信号。于是，执行了采用相位差检测方法的焦点检测。
在相关技术的上述结构中，各个像素中设置有两个光电转换器部分且这两个光电转换器部分彼此分离。因而，这两个光电转换器部分之间的区域不起到光接收部的作用，这减小了单位像素的光接收面积。因此，各光电转换器部分的最大可存储电荷量和动态范围减小。尽管只有一些像素用于焦点检测，但在用于焦点检测的像素中各光电转换器部分的周围部分的结构最复杂。因而，在为了增加像素数量而减小像素尺寸时，摄像器件中的最小像素尺寸受到用于焦点检测的像素的尺寸的限制。
发明内容
鉴于上述情况，期望提供这样一种技术：在摄像器件中安装有采用了相位差检测方法的焦点检测系统的结构中，该技术能防止单位像素的光接收面积减小。
根据本发明的第一实施例，一种焦点检测装置包括：多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器、第一光学元件和第二光学元件，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上且折射率不同，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器、所述第一光学元件和所述第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上而所述第一光学元件和所述第二光学元件与所述光电转换器之间的位置关系不同于各个所述第一类型像素中的位置关系，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；以及成像状态检测器，它用于根据所述第一电荷信号和所述第二电荷信号来检测所述摄像光学系统的成像状态。因此，在穿过所述摄像光学系统的光中，对应于所述第一电荷信号的分量与对应于所述第二电荷信号的分量彼此不同。
在第一实施例中，各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还可以包括设在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的集光单元，所述集光单元把来自所述摄像光学系统的入射光聚集到所述光电转换器。所述第一光学元件和所述第二光学元件设置在所述集光单元与所述光电转换器之间。因此，能够有效聚集来自所述摄像光学系统的光。
此外，所述第一光学元件和所述第二光学元件可以被配置为：由所述第一光学元件和所述第二光学元件构成的单元与所述光电转换器的整体相对，所述第一光学元件与所述光电转换器相对的面积和所述第二光学元件与所述光电转换器相对的面积彼此不同，所述第一光学元件和所述第二光学元件在所述摄像光学系统的光轴方向上彼此不重叠；并且所述第一光学元件和所述第二光学元件可以被配置为：各个所述第一类型像素中所述第一光学元件与所述第二光学元件之间分界面的位置和各个所述第二类型像素中所述第一光学元件与所述第二光学元件之间分界面的位置分别在沿着所述光轴方向穿过所述光电转换器的中心的轴线的两侧。因此，能够通过所述第一类型像素和所述第二类型像素选择性地聚集来自所述摄像光学系统的不同部分的光分量。
此外，在第一实施例中，各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还可以包括设在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的集光单元，所述集光单元把来自所述摄像光学系统的入射光聚集到所述光电转换器，并且所述第一光学元件和所述第二光学元件可以设置在所述摄像光学系统与所述集光单元之间。因此，能够把来自所述摄像光学系统的光有效地聚集在所述光电转换器上。
此外，在第一实施例中，各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还可以包括设在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的光学滤光器，所述光学滤光器选择性地透射预定波长范围内的光。因此，入射到所述第一类型像素和所述第二类型像素上的光的波长能够被限定在预定的波长范围内。
此外，在第一实施例中，各个所述第一类型像素还可以包括设在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的第一光学滤光器或第二光学滤光器，所述第一光学滤光器选择性地透射预定波长范围内的光，所述第二光学滤光器选择性地透射另一预定波长范围内的光，并且各个所述第二类型像素还可以包括设在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的所述第一光学滤光器或所述第二光学滤光器。因此，入射到一些第一类型像素上的光的波长与入射到其他第一类型像素上的光的波长能够被限定在不同的波长范围内。此外，入射到一些第二类型像素上的光的波长与入射到其他第二类型像素上的光的波长能够被限定在不同的波长范围内。
此外，在第一实施例中，各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还可以包括波导元件，所述波导元件设在由所述第一光学元件和所述第二光学元件构成的单元与所述光电转换器之间的位置处，所述波导元件通过反射把来自所述摄像光学系统的入射光导向所述光电转换器。因此，能够增大在穿过所述第一光学元件和所述第二光学元件之后入射到所述光电转换器上的光的光路长度。
此外，在第一实施例中，所述第一光学元件和所述第二光学元件中的至少一者可以由单晶硅、非晶硅、多晶硅、锗、二氧化硅、氮化硅、硅氧烷、钨、铝或铜制成。因此，所述第一光学元件或所述第二光学元件可通过执行适当的制造步骤由单一材料予以形成。
此外，在第一实施例中，所述第一光学元件和所述第二光学元件中的至少一者可以在面对所述摄像光学系统的表面上设有由光学材料制成的膜，所述光学材料的反射率低于该所述第一光学元件和所述第二光学元件中的至少一者的内部的反射率。因此，能够把来自摄像光学系统的光有效地聚集在所述光电转换器上。
根据本发明的第二实施例，一种焦点检测装置包括：多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器、集光单元和光学层，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述集光单元用于把来自所述摄像光学系统的入射光聚集到所述光电转换器，所述光学层设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器、所述集光单元以及设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的所述光学层，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；以及成像状态检测器，它用于根据所述第一电荷信号和所述第二电荷信号来检测所述摄像光学系统的成像状态。各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还包括折射率与所述光学层的折射率不同的光学元件。各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素中所包括的所述光学元件被设置为：所述光学元件的外围边缘与沿着所述摄像光学系统的光轴方向穿过所述光电转换器的中心的直线隔开，所述光学元件只与所述光电转换器的一部分相对。所述光学元件设置为：各个所述第一类型像素中所述光学元件的与所述直线靠近的那一端的位置与各个所述第二类型像素中所述光学元件的与所述直线靠近的那一端的位置分别在所述直线的两侧。因此，能够通过所述第一类型像素和所述第二类型像素选择性地聚集来自所述摄像光学系统的不同部分的光分量。
在第二实施例中，所述光学元件可以在面对所述摄像光学系统的表面上设有由光学材料制成的膜，所述光学材料的反射率低于所述光学元件的内部的反射率。因此，能够把来自所述摄像光学系统的光有效地聚集在所述光电转换器上。
根据本发明的第三实施例，一种焦点检测装置包括：多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器和光学元件，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述光学元件设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上，所述光学元件只与所述光电转换器的一部分相对，所述光学元件具有由折射率不同的光学材料制成的各膜堆叠在一起的层叠结构，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器和光学元件，该光学元件设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上而该光学元件与所述光电转换器之间的位置关系不同于各个所述第一类型像素中的位置关系，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；以及成像状态检测器，它用于根据所述第一电荷信号和所述第二电荷信号来检测所述摄像光学系统的成像状态。因此，如果所述光学元件具有适合的形状并被适当地设置着，则在穿过所述摄像光学系统的光中，对应于所述第一电荷信号的分量和对应于所述第二电荷信号的分量彼此不同。
在第三实施例中，所述光学元件可以具有层叠结构，在所述层叠结构中，由折射率不同的光学材料制成的各膜交替堆叠且所述各膜的层叠表面的法线垂直于所述摄像光学系统的光轴方向。因此，倾斜入射到所述光学元件中的层叠表面上的光在穿过所述光学元件之后产生相位差。
根据本发明的第四实施例，一种焦点检测装置包括：多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器、光学层、第一波导和第二波导，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述光学层设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上，所述第一波导设置在所述光学层中并且折射率比所述光学层的折射率高，所述第二波导设置在所述光学层中与所述第一波导相邻并且折射率比所述第一波导的折射率高，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器、设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的所述光学层以及彼此相邻地设置在所述光学层中的所述第一波导和所述第二波导，所述第一波导和所述第二波导与所述光电转换器之间的位置关系不同于各个所述第一类型像素中的位置关系，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；以及成像状态检测器，它用于根据所述第一电荷信号和所述第二电荷信号来检测所述摄像光学系统的成像状态。因此，在穿过所述摄像光学系统的光中，对应于所述第一电荷信号的分量和对应于所述第二电荷信号的分量彼此不同。
在第四实施例中，各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还可以包括所述光路上的集光单元，所述集光单元把来自所述摄像光学系统的入射光聚集到所述光电转换器，并且所述第一波导和所述第二波导可以被配置为：所述第一类型像素中所述第一波导与所述第二波导之间的位置关系以及所述第二类型像素中所述第一波导与所述第二波导之间的位置关系关于沿着所述摄像光学系统的光轴方向穿过所述光电转换器的中心的轴线彼此对称。因此，能够通过所述第一类型像素和所述第二类型像素选择性地聚集来自所述摄像光学系统的不同部分的光分量。
根据本发明的第五实施例，一种摄像器件包括：多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器、第一光学元件和第二光学元件，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上且折射率不同，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器、所述第一光学元件和所述第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上而所述第一光学元件和所述第二光学元件与所述光电转换器之间的位置关系不同于各个所述第一类型像素中的位置关系，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；以及多个摄像像素，各个所述摄像像素包括所述光电转换器并输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第三电荷信号。因此，如果所述第一光学元件和所述第二光学元件被适当地布置着，则在穿过所述摄像光学系统的光中，对应于所述第一电荷信号的分量和对应于所述第二电荷信号的分量彼此不同。
根据本发明的第六实施例，一种电子照相机包括：多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器、第一光学元件和第二光学元件，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上且折射率不同，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器、所述第一光学元件和所述第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上而所述第一光学元件和所述第二光学元件与所述光电转换器之间的位置关系不同于各个所述第一类型像素中的位置关系，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；多个摄像像素，各个所述摄像像素包括所述光电转换器并输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第三电荷信号；信号处理器，它用于根据所述第三电荷信号来生成图像数据；成像状态检测器，它用于根据所述第一电荷信号和所述第二电荷信号来检测所述摄像光学系统的成像状态；以及焦点控制器，它基于由所述成像状态检测器确定的所述成像状态来调节所述摄像光学系统的透镜位置，使得所述透镜位置接近基于对焦位置。因此，在穿过所述摄像光学系统的光中，对应于所述第一电荷信号的分量和对应于所述第二电荷信号的分量彼此不同。
根据本发明的各实施例，在摄像器件中安装有采用了相位差检测方法的焦点检测系统的结构中，在用于焦点检测的像素中不必划分光电转换器。因而，能够避免单位像素的光接收面积减小。
附图说明
图1是本发明第一实施例的相机系统的框图；
图2是表示本发明第一实施例的摄像器件中的像素排列的示意性平面图；
图3是图2的局部放大图，示出了排列有焦点检测像素的中间像素列的周围区域；
图4A和图4B是表示本发明第一实施例的摄像器件中的摄像像素的图；
图5A和图5B是表示本发明第一实施例的摄像器件中用于聚集来自摄像光学系统下部的光的焦点检测像素的图；
图6是表示透过低折射率滤光器的光与透过高折射率滤光器的光之间的相位差的图；
图7A和图7B是表示本发明第一实施例的摄像器件中用于聚集来自摄像光学系统上部的光的焦点检测像素的图；
图8A、图8B和图8C是分别表示在前焦点、对焦和后焦点的情况下入射到焦点检测像素上的光的强度的图；
图9是本发明第二实施例的相机系统中所包括的摄像器件的焦点检测像素的示意性剖面图；
图10A和图10B是表示在本发明第三实施例的相机系统中所包括的摄像器件中用于聚集来自摄像光学系统上部的光的焦点检测像素的示意性剖面图；
图11A和图11B是表示在本发明第三实施例的相机系统中所包括的摄像器件中用于聚集来自摄像光学系统下部的光的焦点检测像素的示意性剖面图；
图12A和图12B是表示本发明第三实施例中有防反射膜设于焦点检测像素的高折射率滤光器表面上的结构的示意性剖面图；
图13A和图13B是表示本发明第一实施例中有防反射膜设于焦点检测像素的低折射率滤光器和高折射率滤光器表面上的结构的示意性剖面图；
图14是本发明第四实施例的相机系统中所包括的摄像器件的焦点检测像素的示意性剖面图；
图15是本发明第五实施例的相机系统中所包括的摄像器件的焦点检测像素的示意性剖面图；
图16是本发明第六实施例的相机系统中所包括的摄像器件的焦点检测像素的示意性剖面图；
图17是本发明第七实施例的相机系统中所包括的摄像器件的焦点检测像素的示意性剖面图；
图18是表示在本发明实施例的用于聚集来自摄像光学系统上部和下部的光的四个焦点检测像素中，折射滤光器的第一配置示例的示意性剖面图；
图19是表示在本发明实施例的用于聚集来自摄像光学系统上部和下部的光的四个焦点检测像素中，折射滤光器的第二配置示例的示意性剖面图；
图20是表示在本发明实施例的用于聚集来自摄像光学系统上部和下部的光的四个焦点检测像素中，折射滤光器的第三配置示例的示意性剖面图；
图21是表示在本发明实施例的用于聚集来自摄像光学系统上部和下部的光的四个焦点检测像素中，折射滤光器的第四配置示例的示意性剖面图；
图22是表示第一实施例的变化例中用于聚集来自摄像光学系统上部和下部的光的四个焦点检测像素的示意性剖面图，在该变化例中，选择性地透射绿光的像素和选择性地透射红光的像素都用作焦点检测像素；以及
图23是表示在本发明实施例的摄像器件的整体区域中，焦点检测像素的排列的变化例的示意性平面图。
具体实施方式
按以下顺序说明本发明的各实施例：
1.第一实施例(包括设有折射率不同的两个滤光器的焦点检测装置的相机系统的示例)
2.第二实施例(未设有滤色器的示例)
3.第三实施例(未设有低折射率滤光器的示例)
4.第四实施例(设有层叠滤光器的示例)
5.第五实施例(滤光器比微透镜更靠近摄像光学系统的示例)
6.第六实施例(另外还设有波导元件的示例)
7.第七实施例(设有中等折射率波导和高折射率波导的示例)
8.本发明实施例的焦点检测像素的折射滤光器的排列的变化例
9.本发明实施例的滤色器的排列的变化例
10.本发明实施例的摄像器件的焦点检测像素的排列的变化例
1.第一实施例
相机系统的整体结构
图1是本发明第一实施例的相机系统100的框图。相机系统100包括安装在电子照相机400上或者插在电子照相机400中的可替换的摄像透镜单元200和可替换的记录介质300。
摄像透镜单元200调节来自被摄物体的光量，在电子照相机400中所包括的摄像器件500的像素阵列平面上形成该被摄物体的光学图像。摄像透镜单元200包括摄像光学系统210、光圈驱动装置220、透镜驱动装置230和透镜控制器240。
摄像光学系统210形成被摄物体的光学图像。摄像光学系统210包括聚集来自被摄物体的光的凸透镜212、调节所透过的光量的光圈(stop)214以及凹透镜216。为了简便起见，图1只示出了两个透镜(212和216)，但实际上摄像光学系统210中通常包括更多透镜。
透镜控制器240具有以下两个作用。第一个作用是，通过按照摄像控制器422的指令来控制光圈驱动装置220，调节光圈214从而使光圈214满足适当的曝光条件，这将在后文说明。第二个作用是，通过按照来自焦点控制器418的指令来控制透镜驱动装置230，调整凸透镜212和凹透镜216在摄像光学系统210的光轴上的位置，从而建立对焦状态，这将在后文说明。
在电子照相机400中，摄像透镜单元200在摄像器件500的像素阵列平面上形成被摄物体的光学图像。电子照相机400生成该被摄物体图像的图像数据，然后将所生成的图像数据记录在记录介质300中。电子照相机400包括快门406、摄像器件500、A/D(模拟/数字)转换器410、模拟信号处理器412、时序发生器414、快门驱动装置416、焦点控制器418、成像位置检测器420和摄像控制器422。电子照相机400还包括液晶显示器402、液晶显示器驱动电路404、操作单元424、系统总线426、记录单元428、存储器430和图像处理器432。
摄像控制器422通过系统总线426对电子照相机400进行系统控制。
快门406控制摄像器件500中像素阵列平面的曝光时间，快门406包括前帘(front curtain)和后帘(rear curtain)。
快门驱动装置416根据来自摄像控制器422的指令对快门406的前帘和后帘的动作进行控制。
时序发生器414根据来自摄像控制器422的指令对摄像器件500进行驱动。
摄像器件500接收来自摄像光学系统210的光，并对所接收到的光进行光电转换。摄像器件500包括多个焦点检测像素和多个摄像像素。焦点检测像素基于相位差检测方法输出用于焦点检测的电荷信号。本说明书中所称的“摄像像素”是所谓的有效像素，这些有效像素是光学黑像素之外的像素，并输出作为用于生成图像数据的基础的电荷信号。焦点检测像素和摄像像素都根据所接收到的光量来累积电荷，然后输出(模拟)电荷信号。
模拟信号处理器412对由摄像器件500输出的来自各像素的电荷信号进行钳位处理(clamping process)、灵敏度校正处理等。
在来自各像素的(模拟)电荷信号被模拟信号处理器412处理之后，A/D转换器410将这些电荷信号转换成数字信号。
图像处理器432从由A/D转换器410输出的对应于所有像素的数字信号中提取出对应于摄像像素的数字信号，然后对提取出的数字信号进行颜色插值(color interpolation)处理和其它处理，由此生成图像数据。
记录单元428将图像处理器432所生成的图像数据记录在记录介质300中。
液晶显示器驱动电路404响应于来自摄像控制器422的指令，使液晶显示器402显示出与图像处理器432所生成的图像数据对应的图像。
液晶显示器402在用户等待适当的拍摄时机时显示出被摄物体的动态图像，还在摄取到被摄物体的图像之后显示出静态图像。
系统总线426传输从A/D转换器410输出的数字信号、图像数据和由摄像控制器422输出的控制信号。
成像位置检测器420根据与来自焦点检测像素的电荷信号对应的数字信号，对焦平面在摄像光学系统210光轴上的位置进行检测。
根据由成像位置检测器420检测到的焦平面的位置，焦点控制器418通过利用透镜控制器240控制透镜驱动装置230，来使焦平面移动到摄像器件500的像素阵列平面。
在图像数据受到数据转换以转换成预定格式或受到处理之前，存储器430暂时存储这些图像数据。
操作单元424被设置为用于接收由用户输入的操作，并包括曝光条件设定按钮和释放按钮等(未图示)。
根据本实施例，把采用了相位差检测方法的焦点检测系统安装在摄像器件500所包括的焦点检测像素中。本实施例的其它结构与相关技术的相机系统类似，这里省去了对这些结构的说明。
成像位置检测器420是权利要求中所述的成像状态检测器的示例。摄像器件500是权利要求中所述的焦点检测装置的示例。模拟信号处理器412、A/D转换器410和图像处理器432是权利要求中所述的图像处理器的示例。
摄像器件中的像素排列
图2是表示摄像器件500中的像素排列的示意性平面图。如图2左上部的R、G和B所示，在摄像器件500中，除了焦点检测像素之外，与红(R)、绿(G)和蓝(B)三原色对应的像素以拜耳(Bayer)图案排列着。在图2中，阴影部分所表示的像素是选择性地接收蓝光的像素。此外，以小圆点示出的灰色部分所表示的像素是选择性地接收红光的像素。另外，空白部分所表示的像素是选择性地接收绿光的像素。
在图2中，中间像素列中被标记为“UP”和“LW”的像素以及中间像素行中被标记为“RT”和“LT”的像素是焦点检测像素。被标记为“UP”的像素选择性地聚集穿过摄像光学系统210上部的光。类似地，被标记为“LW”的像素选择性地聚集穿过摄像光学系统210下部的光，被标记为“LT”和“RT”的像素分别选择性地聚集穿过摄像光学系统210左部和右部的光。为了简便起见，图2只示出了29行45列像素，但实际上排列着大约一千万个像素。
图3是图2的局部放大图，示出了排列有焦点检测像素的中间像素列以及该中间像素列左边的两个像素列。参照图3，用于聚集来自摄像光学系统210上部的光的五个焦点检测像素在以下说明中被称为上部检测像素501、502、503、504和505。类似地，用于聚集来自摄像光学系统210下部的光的五个焦点检测像素被称为下部检测像素506、507、508、509和510。
摄像器件中的摄像像素的结构
图4A是与绿光元件对应的摄像像素的示意性剖面图，图4B是表示入射到该摄像像素中的光电二极管528上的光在光电二极管528的不同区域处的强度的图。如图4A所示，该摄像像素的结构为：微透镜522、滤色器524、元件隔离区域526、光电二极管528和氧化硅膜530形成于硅基板(未图示)上。
微透镜522把来自摄像光学系统210的光聚集在光电二极管528上。
滤色器524选择性地透射绿光。
元件隔离区域526使光电二极管528与周围区域电隔离。
氧化硅膜530使穿过微透镜522和滤色器524的光透射至光电二极管528。氧化硅膜530覆盖住光电二极管528和滤色器524之间的整体区域，并且在各像素上连续延伸。元件隔离区域526例如通过浅槽隔离法(shallow trench isolation，STI)或局域硅氧化法(local oxidation of silicon，LOCOS)形成。
图4A所示的光电二极管528被平均划分成三个区域，即，在图2所示的像素阵列的列方向(垂直方向)上，处于下部的区域A 528a、处于中间的区域B 528b和处于上部的区域C 528c。定义这些区域只是为了说明入射光强度，而不是物理上的分割，这些区域实际上是一体形成的。这种划分同样应用于下文所述的图5A、图7A、图9和图20。在图4A中，圈起的“-”符号表示作为信号电荷的自由电子。但是，可代替的是，通过颠倒光电二极管528和周围区域的导电类型(N型和P型)，电荷空穴也可作为信号电荷。
在图4A中，虚线表示穿过摄像光学系统210的上部且入射到微透镜522上的光Lα的光路(该光在下文中有时简称为光Lα)。此外，点划线表示穿过摄像光学系统210的下部且入射到微透镜522上的光Lβ的光路(该光在下文中有时简称为光Lβ)。此外，带箭头的实线表示在平行于微透镜522光轴的方向上入射到微透镜522上的光的光路。上述各线与光路之间的关系也同样适用于其它附图。微透镜522的光轴方向与摄像光学系统210的光轴方向相同。
穿过摄像光学系统210的光被设于各像素中的微透镜522折射然后穿过滤色器524。因而，所透射的光的波长被限制在绿光波长附近的波长范围内。之后，穿过滤色器524的光透过氧化硅膜530入射到进行光电转换的光电二极管528上。
这时，来自摄像光学系统210上部的光Lα被微透镜522聚集到光电二极管528下部的区域A 528a。类似地，来自摄像光学系统210下部的光Lβ被微透镜522聚集到光电二极管528上部的区域C 528c。此外，在平行于微透镜522光轴的方向上入射到微透镜522的光被聚集到区域B528b。因而，如图4B所示，入射到光电二极管528的光的强度在摄像像素的三个区域上基本均匀。
光Lα、光Lβ以及在平行于微透镜522光轴的方向上入射到微透镜522的光可能彼此不同。然而，如果光从某方向射出，透过摄像光学系统210入射到直径为例如几微米的小区域上时，即入射到与微透镜522的直径对应的小区域上时，可以认为该光的相位基本相同。因而，从某方向射出后穿过微透镜522的光的强度几乎不会由于去往光电二极管528的光路中的干涉而降低。
摄像器件的焦点检测像素的结构
图5A是聚集穿过摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素的示意性剖面图。图5B是表示入射到焦点检测像素的光电二极管528中不同区域上的光的强度的图。
摄像像素和焦点检测像素具有如下区别。即，焦点检测像素在氧化硅膜530中包括低折射率滤光器550和高折射率滤光器560。包括低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的整体单元的位置及形状被配置为与光电二极管528的整体相对。在本说明书中，词语“相对”表示如下状态：两个元件彼此分离，而从微透镜522的光轴方向(该方向亦即是形成有像素的硅基板(未图示)的厚度方向且是摄像光学系统210的光轴方向)看是彼此重叠的。微透镜522被设置成其光轴穿过光电二极管528的中心(区域B 528b的中心)。
光电二极管528是权利要求所述的光电转换器的示例。此外，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560中的一个是权利要求所述的第一光学元件的示例，另一个是权利要求所述的第二光学元件的示例。微透镜522是权利要求所述的集光单元的示例。滤色器524是权利要求所述的光学滤光器的示例。微透镜522的光轴是权利要求所述的“在光轴方向上穿过光电转换器的中心的轴线”的示例。
低折射率滤光器550和高折射率滤光器560厚度相同，且它们被排列成使它们的厚度方向与微透镜522的光轴方向相同。在图5A所示的焦点检测像素中，低折射率滤光器550与光电二极管528相对的面积比高折射率滤光器560与光电二极管528相对的面积大。
更具体地，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560之间的分界面所处的位置满足以下条件。该条件为：所有的光Lβ都穿过低折射率滤光器550而未穿过高折射率滤光器560，光Lα穿过低折射率滤光器550和高折射率滤光器560。因而，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560之间的分界面位于微透镜522的光轴下方(更靠近于光电二极管528的区域A 528a)。后文将说明用于形成低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的光学材料。
图6是表示穿过低折射率滤光器550的光与穿过高折射率滤光器560的光之间的相位差的图。图6的(a)部分、(b)部分和(c)部分所示的三个光波最初时相位相同，如图6左边的点划线所围的部分所示。为了便于比较，图6的(b)部分示出了光恒定不变地穿过单一介质的情况。
如图6的(a)部分所示，当光从某一介质进入折射率相对低的介质(低折射率滤光器550)时，光在该折射率相对低的介质中的波长有所增大。相反地，如图6的(c)部分所示，当光从某一介质进入折射率相对高的介质(高折射率滤光器560)时，光在该折射率相对高的介质中的波长有所减小。
根据本实施例，当低折射率滤光器550的折射率为n1，高折射率滤光器560的折射率为n2，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的厚度都为d(nm)，光的波长为λ(nm)时，通过利用上述特征，将折射率n1和n2以及厚度d选择为满足以下等式：
(n2-n1)×d＝λ÷2    …(1)
因此，当穿过微透镜522的光以相同相位入射到低折射率滤光器550和高折射率滤光器560上时，穿过低折射率滤光器550的光的相位和穿过高折射率滤光器560的光的相位彼此相差180°，这可以从图6右边虚线所围部分中的(a)部分和(c)部分所示的透射波之间的比较看出。如果波长相同、振幅相同且相位彼此相差180°的光波相互干涉，则光的强度降为零。
下面基于上述原理进一步说明图5A和图5B。来自摄像光学系统210上部的光Lα在图中由两条虚线表示，但实际上是聚集了这两条虚线之间区域的光。光Lα的大约一半穿过低折射率滤光器550，剩下的一半穿过高折射率滤光器560。因此，光Lα的穿过低折射率滤光器550的部分的相位与光Lα的穿过高折射率滤光器560的部分的相位彼此相差180°。因此，在光Lα入射到光电二极管528的区域A 528a上时，光的强度因干涉而降低。
如果光Lα的穿过低折射率滤光器550的部分的百分比等于光Lα的穿过高折射率滤光器560的部分的百分比，则入射到光电二极管528的区域A 528a上的光的强度理论上为零。然而，在图5A所示的焦点检测像素中，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560之间的分界面的位置被设置成使得让大于一半的光Lα穿过高折射率滤光器560。因此，入射到区域A 528a上的光的强度不会降为零。
来自摄像光学系统210下部的光Lβ被微透镜522折射然后只穿过低折射率滤光器550而未穿过高折射率滤光器560。因而，具有不同相位的光波之间不会发生干涉，入射到光电二极管528的区域C 528c上的光的强度没有降低。因此，在图5A所示的焦点检测像素中，来自摄像光学系统210上部的光Lα的大部分没被聚集，来自摄像光学系统210下部的光Lβ被选择性地聚集。图5B示出了入射到光电二极管528的各区域上的光的强度。
由于作为光电二极管528材料的硅也透射光，所以光Lα的干涉不仅在氧化硅膜530中会发生，而且在光电二极管528中也会发生。例如为了吸收红光直到将其强度降为一半，就需要使红光到达从氧化硅膜530和光电二极管528之间的分界面算起3μm深度的位置。因而，如果光Lα是红光，光Lα的相位差为180°的各部分之间的干涉在光电二极管528中会充分地发生。在波长比红光的波长短的蓝光的情况下，对蓝光的吸收情形是：在蓝光到达从氧化硅膜530和光电二极管528之间的分界面算起的0.3μm深度时，蓝光的强度降至一半。因而，蓝光在光电二极管528中的干涉程度不像红光在光电二极管528中的干涉程度那么大。
图7A是用于聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的焦点检测像素的示意性剖面图。图7B是表示入射到焦点检测像素中的光电二极管528不同区域上的光的强度的图。图7A所示的焦点检测像素与图5A所示的用于聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素之间的区别仅在于低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的尺寸和排列。类似于图5A所示的焦点检测像素，包括低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的整体单元与光电二极管528的整体相对，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560被排列成使它们的厚度方向与微透镜522的光轴方向相同。
在图7A所示的焦点检测像素中，高折射率滤光器560与光电二极管528相对的面积比低折射率滤光器550与光电二极管528相对的面积大。更具体地，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560之间的分界面所处的位置满足以下条件。
该条件为：所有的光Lα穿过高折射率滤光器560而未穿过低折射率滤光器550，光Lβ穿过低折射率滤光器550和高折射率滤光器560。因此，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560之间的分界面位于图7A中微透镜522的光轴上方，该分界面的位置与图5A所示的焦点检测像素中的分界面位置对称。
来自摄像光学系统210上部的光Lα只穿过高折射率滤光器560。因而，具有不同相位的光波之间不会发生干涉，入射到光电二极管528的区域A 528a上的光的强度没有降低。相比之下，来自摄像光学系统210下部的光Lβ的大约一半穿过低折射率滤光器550，剩余的一半穿过高折射率滤光器560。因而，光Lβ的穿过低折射率滤光器550的部分的相位与光Lβ的穿过高折射率滤光器560的部分的相位彼此相差180°。因此，在光Lβ入射到光电二极管528的区域C 528c上时，光的强度由于干涉而降低。因此，在图7A所示的焦点检测像素中，来自摄像光学系统210上部的光Lα被选择性地聚集。图7B示出了入射到光电二极管528的各区域上的光的强度。
图7A所示的用于聚集光Lα的焦点检测像素和图7A所示的用于聚集光Lβ的焦点检测像素中的一个是权利要求所述的第一类型像素的示例，另一个是权利要求所述的第二类型像素的示例。
焦点检测的原理
图8A、图8B和图8C是表示入射到焦点检测像素上的光的强度的图。图8A示出了焦平面比摄像器件500的像素阵列平面离摄像光学系统210更近的情况，即前焦点的情况。图8B示出了对焦的情况，图8C示出了焦平面比像素阵列平面离摄像器件500的内部更近的情况，即后焦点的情况。为了简便起见，摄像光学系统210在图8A～图8C中被表示为单镜头。
图8A～图8C中所示的且也由图3中的对应附图标记表示的上部检测像素501～505各自都具有图7A所示的用于聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的焦点检测像素的结构。类似地，图8A～图8C中所示的下部检测像素506～510各自都具有图5A所示的用于聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素的结构。在图8A、图8B和图8C中，左图表示入射到下部检测像素506～510上的光的强度，右图表示入射到上部检测像素501～505上的光的强度。
在以下说明中，假定从摄像光学系统210光轴上的亮点(未图示)射出的光入射到摄像光学系统210上。在图8A～图8C中，为了简便，只示出了沿三个方向入射的光线，即，来自摄像光学系统210上部的光Lα、来自摄像光学系统210下部的光Lβ以及沿着摄像光学系统210的光轴方向的光Lγ。在各方向上传播的光Lα、光Lβ和光Lγ被摄像光学系统210折射然后入射到摄像器件500上。
如果摄像光学系统210中所包括的凸透镜212和凹透镜216的位置被调节为使得光聚焦在摄像器件500的像素阵列平面上，则入射到上部检测像素501～505和下部检测像素506～510上的光的强度如图8B所示。
上部检测像素503和下部检测像素508之间的像素是位于摄像器件500的像素阵列中心的像素，即在摄像光学系统210的光轴上的像素。光Lα、光Lβ和光Lγ被摄像光学系统210折射然后聚集到光轴上的像素处。因而，在上部检测像素503和下部检测像素508中的入射光强度高，且入射光强度随着在光轴上与像素相距的距离的增大而减小。这是因为，尽管光Lα、光Lβ和光Lγ理论上应该聚集到光轴，但实际上会由于摄像光学系统210的像差而略微偏离地传播。
不论系统处于前焦点状态还是后焦点状态，在光轴方向上传播的光Lγ都主要聚集在光轴上的像素处。
在前焦点的情况下，来自摄像光学系统210上部的光Lα主要聚集在位于光轴上的像素下方的上部检测像素504处。因而，上部检测像素504处的入射光强度高。此外，来自摄像光学系统210下部的光Lβ主要聚集在位于光轴上的像素上方的下部检测像素507处。因而，下部检测像素507处的入射光强度高。于是，在前焦点的情况下，入射到上部检测像素501～505和下部检测像素506～510上的光的强度如图8A所示。
在后焦点的情况下，来自摄像光学系统210上部的光Lα主要聚集在下部检测像素507处。但是，下部检测像素507不聚集光Lα。因而，在靠近于下部检测像素507的上部检测像素502和503处入射光强度增大。类似地，尽管来自摄像光学系统210下部的光Lβ主要聚集在上部检测像素504处，但上部检测像素504不聚集光Lβ。因而，在靠近于上部检测像素504的下部检测像素508和509处入射光强度增大。因此，入射到上部检测像素501～505和下部检测像素506～510上的光的强度如图8C所示。因而，不论系统处于前焦点状态还是后焦点状态，都能够通过检测上部检测像素501～505和下部检测像素506～510之中与最大入射光强度对应的像素的位置来确定散焦的程度。
焦点检测操作的示例
下面参照图1所示本实施例的相机系统100的框图来说明焦点检测操作。在摄像操作之前，摄像控制器422和焦点控制器418通过电子接点单元(未图示)与透镜控制器240通信，从而获得摄像透镜单元200特有的信息以及当前透镜位置和光圈位置的信息。
当在液晶显示器402上显示出动态图像时(例如，在用户等待适当的拍摄时机时)，摄像器件500被曝光，然后执行下述处理。
即，摄像控制器422控制时序发生器414，并进行电子快门操作，在该电子快门操作中，摄像器件500中所包括的各像素(焦点检测像素和摄像像素)的光电二极管528中所累积的电荷作为电荷信号以预定时间间隔输出。从各像素读出的电荷信号经过模拟信号处理器412的钳位处理、灵敏度校正处理等，被A/D转换器410转换成数字信号，然后输出到系统总线426。
成像位置检测器420从与所有像素对应的数字信号中提取出与焦点检测像素对应的数字信号。
然后，成像位置检测器420检测用于聚集光Lα的焦点检测像素组(图2中被标记为“UP”的像素)以及用于聚集光Lβ的焦点检测像素组(图2中被标记为“LW”的像素)的每一组中与最大信号值对应的像素的位置。成像位置检测器420根据各组中与最大信号值对应的像素的位置之间的差别来检测焦平面沿摄像光学系统210光轴的位置。
也可以通过检测用于聚集来自摄像光学系统210右部的光的焦点检测像素组和用于聚集来自摄像光学系统210左部的光的焦点检测像素组的每一组中与最大信号值对应的像素的位置，来检测焦平面的位置。用于聚集来自摄像光学系统210右部的光的焦点检测像素是图2中被标记为“RT”的像素，用于聚集来自摄像光学系统210左部的光的焦点检测像素是图2中被标记为“LT”的像素。
基于成像位置检测器420所确定的焦平面的位置，焦点控制器418利用透镜控制器240控制透镜驱动装置230，从而将凸透镜212和凹透镜216的位置调节为对焦位置。
图像处理器432从与所有像素对应的数字信号中提取出与摄像像素对应的数字信号，然后对所提取出的信号进行颜色插值处理和其它处理，由此生成图像数据。然后摄像控制器422控制液晶显示器驱动电路404，使液晶显示器402显示出与该图像数据对应的图像。
从用于聚集光Lα的焦点检测像素输出的电荷信号和从用于聚集光Lβ的焦点检测像素输出的电荷信号分别是权利要求中所述的第一电荷信号和权利要求中所述的第二电荷信号的示例，或者反之也可。从摄像器件500的摄像像素输出的信号电荷是权利要求中所述的第三电荷信号的示例。
本实施例的优点
因此，根据本发明的第一实施例，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560被布置成彼此紧邻，以与各焦点检测像素中的光电二极管528的整体相对。因此，在穿过摄像光学系统210的上部或下部之后穿过低折射率滤光器550的光以及穿过高折射率滤光器560的光在相位上彼此相差180°，因此彼此干涉，从而彼此抵消。
因而，可以只通过改变低折射率滤光器550和高折射率滤光器560之间的分界面的位置来选择性地形成用于检测光Lα的焦点检测像素和用于检测光Lβ的焦点检测像素。
因而，不必在一个焦点检测像素中设置两个光电二极管。这样，也不必在光电二极管之间形成隔离区域。由于像素区域被有效使用，所以与相关技术相比，焦点检测像素中的光电二极管的开口面积增大。这使得各焦点检测像素的光电二极管528中的电荷最大累积量增大，也提高了焦点检测像素对光的感光度。因此，能够提高焦点检测的精度。
各焦点检测像素只是用于检测来自摄像光学系统210的上部、下部、左部和右部之一的光。单独设置了与摄像光学系统210的四个部分对应的四种焦点检测像素。因而，与相关技术的结构不同的是，不必从每个焦点检测像素的两个光电二极管中连续读取电荷信号。因此，能够提高焦点检测速度。
此外，由于每个焦点检测像素具有其中只是布置有折射率不同的低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的简单结构，所以像素尺寸的减小不会受焦点检测像素的结构的严格限制。
低折射率滤光器和高折射率滤光器的光学材料
表1示出了用于制造低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的光学材料。这些光学材料按照对绿光的折射率依次减小的顺序而被列出。作为参考，在末行中示出了用于形成氧化硅膜530的二氧化硅(SiO2)的折射率。
表1
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表1中未列出硅氧烷，但它也是能够用来形成低折射率滤光器550或高折射率滤光器560的另一种光学材料。对于表1中所列出的硅，可以使用单晶硅、非晶硅和多晶硅中的任一种。可以从表1中选择折射率不同的两种光学材料作为低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的光学材料，只要能够将满足等式(1)的膜厚度d设定在适当范围内即可。
上述“适当范围”所指的厚度范围是：使得可以在摄像器件500的制造过程中可靠地制造出低折射率滤光器550和高折射率滤光器560，并且低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的透光率足够高以保证焦点检测像素的感光度。这是因为，取决于光学材料，透射率随膜厚度的增大而减小。可以根据表1中所示的消光系数k来确定各光学材料对各种颜色光的透射率。这将在第三实施例中详细说明。
表1中所列出的等离子体氮化硅(P-SiN)只是氮化硅(Si3N4)的示例。能够用作低折射率滤光器550或高折射率滤光器560的材料的氮化硅不局限于等离子体氮化硅。
本实施例的补充说明
根据第一实施例，在摄像器件500中按照拜耳图案排列着的三原色像素的一部分像素用作焦点检测像素。然而，本发明不局限于该实施例。本发明也可以应用于各像素按照所谓的蜂巢图案排列着的情况或排列有互补色像素的情况。
在拜耳图案中，在由四个像素构成的单元中包括有与绿光分量对应的两个像素。因而，焦点检测像素可通过如下方式来予以形成：将这两个像素中的一个像素中所包括的滤色器改变为选择性地透射红光或蓝光的滤色器。这样，即使被摄物体没有发出绿光时，也可以精确地进行焦点检测。
下面说明低折射率滤光器550和高折射率滤光器560之间的面积比。以图5A所示的用于聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的焦点检测像素为示例进行说明。在此情况下，当从微透镜522的光轴方向看时，低折射率滤光器550与光电二极管528相对的面积和高折射率滤光器560与光电二极管528相对的面积之比可以被设定为例如3∶1。
在此情况下，在光电二极管528的下半部分中(即，图5A中区域B528b的下半部分和区域A 528a的整体部分中)，低折射率滤光器550与光电二极管528相对的面积和高折射率滤光器560与光电二极管528相对的面积之比为1∶1。因此，穿过摄像光学系统210上部并且入射到焦点检测像素上的光的一半穿过低折射率滤光器550，剩余的一半穿过高折射率滤光器560。因此，穿过低折射率滤光器550的光和穿过高折射率滤光器560的光彼此抵消，只能聚集来自摄像光学系统210下部的光。于是，仅通过改变低折射率滤光器550和高折射率滤光器560之间分界面的位置或者低折射率滤光器550和高折射率滤光器560之间的面积比，就能够容易地调节入射到焦点检测像素上的光的强度。
2.第二实施例
下面所述的第二～第七实施例的相机系统与第一实施例的相机系统的区别仅在于摄像器件中所包括的焦点检测像素的结构。因而，仅说明与第一实施例的不同之处。
图9是第二实施例的相机系统中所包括的摄像器件的焦点检测像素的示意性剖面图。该焦点检测像素聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ。尽管该图中未示出，但用于聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的焦点检测像素的结构为：低折射率滤光器550和高折射率滤光器560被布置成与图9所示的情况关于微透镜522的光轴对称。
对图9和图5A进行比较可见，第二实施例与第一实施例的区别在于去除了滤色器524。在此情况下，不同波长的光入射到焦点检测像素。形成低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的两种光学材料的折射率根据波长的不同而变化。换言之，随着入射光的波长范围的增大，更难以精确地将穿过低折射率滤光器550的光和穿过高折射率滤光器560的光之间的相位差设定为180°。因而，优选地，如同第一实施例中一样设有滤色器。然而，通过本实施例的结构也可以获得与第一实施例类似的效果。
3.第三实施例
焦点检测像素的结构
第一实施例和第二实施例中既使用了低折射率滤光器550又使用了高折射率滤光器560，但这并非是必须的。如果能够基于高折射率滤光器560与包围该高折射率滤光器560的氧化硅膜530之间的折射率差别将穿过高折射率滤光器560的光和未穿过高折射率滤光器560的光之间的相位差设定为180°，那么可以省去低折射率滤光器550。类似地，也可以采用省去了高折射率滤光器560且利用低折射率滤光器550将相位差设定为180°的结构。
但是，从表1可见，在半导体中常用的折射率相对低的光学材料与形成层间绝缘膜的二氧化硅的折射率差别都不大。另外，与二氧化硅的折射率差别很大的许多光学材料都具有高的消光系数。因而，入射到这种光学材料上的光不能可靠地到达光电二极管528。为了确保焦点检测像素的感光度，优选选择消光系数低的光学材料。
图10A和图10B是表示在本发明第三实施例的相机系统中所包括的摄像器件中用于聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的焦点检测像素的示意性剖面图。可以采用图10A和图10B所示的任一种结构。
图10A示出的结构为：高折射率滤光器560与光电二极管528相对的面积大于光电二极管528的开口面积的一半，于是所有来自摄像光学系统210上部的光Lα都穿过高折射率滤光器560。图10B示出的结构为：高折射率滤光器560与光电二极管528相对的面积小于光电二极管528的开口面积的一半，来自摄像光学系统210上部的光Lα都未穿过高折射率滤光器560。
在上述的任一结构中，来自摄像光学系统210下部的光Lβ只有一部分穿过高折射率滤光器560。此外，在上述的任一结构中，高折射率滤光器560的靠近于光电二极管528的区域B 528b的那一端位于微透镜522的光轴上方。
本实施例的微透镜522的光轴是权利要求中所述的“在摄像光学系统的光轴方向上穿过光电转换器的中心的轴线”的示例。
图11A和图1B是表示在本发明第三实施例的相机系统中所包括的摄像器件中用于聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素的示意性剖面图。可以采用图11A和图11B所示的任一种结构。
图11A示出的结构为：高折射率滤光器560与光电二极管528相对的面积小于光电二极管528的开口面积的一半，于是来自摄像光学系统210下部的光Lβ都未穿过高折射率滤光器560。图11B示出的结构为：高折射率滤光器560与光电二极管528相对的面积大于光电二极管528的开口面积的一半，于是所有来自摄像光学系统210下部的光Lβ都穿过高折射率滤光器560。
在上述的任一结构中，来自摄像光学系统210上部的光Lα只有一部分穿过高折射率滤光器560。此外，在上述的任一结构中，高折射率滤光器560的靠近于光电二极管528的区域B 528b的那一端位于微透镜522的光轴下方。
高折射率滤光器的光学材料和透射率
在图10A、图10B、图11A和图11B所示的各焦点检测像素中所包括的高折射率滤光器560由等离子体氮化硅制成时，按如下方式来得到膜厚度d，该膜厚度d可以使得将穿过高折射率滤光器560的光与未穿过高折射率滤光器560的光之间的相位差设定为180°。该方式即为：将等离子体氮化硅的折射率、形成包围高折射率滤光器560的氧化硅膜530的二氧化硅的折射率以及绿光的波长(550nm)代入如下等式(1)中，可以得到膜厚度d：
d＝λ/{(n2-n1)×2}
 ＝550/{(2.04-1.45)×2}＝466nm
如表1所示，等离子体氮化硅对绿光的消光系数k基本为0。因而，入射到高折射率滤光器560的光基本上全部都穿过高折射率滤光器560而到达光电二极管528。因而，不会由于高折射率滤光器560的存在而降低焦点检测像素的感光度，高折射率滤光器560不会带来任何实际问题。
作为另一个示例，说明当高折射率滤光器560由硅制成时所得到的透射率。在此情况下，可以按如下的类似方法来得到可以使得将绿光的相位差设定为180°的膜厚度d：
d＝λ/{(n2-n1)×2}
 ＝550/{(4.08-1.45)×2}＝104.5nm
如表1所示，硅对绿光的消光系数k为0.03。因而，在高折射率滤光器560的膜厚度d被设定为如上所述的104.5nm时，高折射率滤光器560对绿光的透射率(反射忽略不计)如下：
I/Io＝exp{-4×π×k×(d/λ)}
    ＝exp{-4×π×0.03×(104.5/550)}＝0.93
其中，Io是入射光强度，I是透射光强度。
类似地，可以使得将蓝光(波长为450nm，后文将不再重述)的相位差设定为180°的膜厚度d以及在该膜厚度d下对蓝光的透射率(反射忽略不计)如下：
d＝450/{(4.69-1.45)×2}＝69.4nm
I/Io＝exp{-4×π×0.151×(69.4/450)}＝0.746
类似地，可以使得将红光(波长为650nm，后文将不再重述)的相位差设定为180°的膜厚度d以及在该膜厚度d下对红光的透射率(反射忽略不计)如下：
d＝650/{(3.85-1.45)×2}＝135.4nm
I/Io＝exp{-4×π×0.017×(135.4/650)}＝0.956
因而，在绿光、蓝光或红光入射到具有上述对应厚度d的高折射率滤光器560上时，分别为93％的绿光、74.6％的蓝光或95.6％的红光穿过高折射率滤光器560而到达光电二极管528。如果透射率在上述各值中任意一值的附近，则不会由于高折射率滤光器560的存在而降低焦点检测像素的感光度，高折射率滤光器560不会带来任何实际问题。
第三实施例的变化例
在使用硅作为高折射率滤光器560的材料时，缺点在于硅表面的反射率将会增大，到达光电二极管528的光量因而减小。在此情况下，通过堆叠由光学材料制成的多层膜，例如通过在硅表面上形成防反射膜563从而降低反射，来形成高折射率滤光器561。下面参照图12A和图12B说明第三实施例的变化例。
图12A是包括有高折射率滤光器561的焦点检测像素的示意性剖面图，该高折射率滤光器561具有包括上述防反射膜563的层状结构。该焦点检测像素聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα。该焦点检测像素在高折射率滤光器561的表面上设有防反射膜563，除此之外，与图10A所示的结构相同。
如图12A所示，高折射率滤光器561包括高折射率滤光器层562和设于高折射率滤光器层562的面对微透镜522的表面上的防反射膜563。高折射率滤光器层562由向右上方倾斜的线表示，防反射膜563由小圆点所示出的灰色区域表示。
高折射率滤光器层562被设置为：使得穿过高折射率滤光器层562的光与未穿过高折射率滤光器层562而是穿过包围高折射率滤光器层562的氧化硅膜530的光之间的相位差为180°。换言之，形成高折射率滤光器层562的光学材料的折射率和该高折射率滤光器层562的膜厚度d满足等式(1)。防反射膜563例如可以由氮化硅(Si3N4)制成。氮化硅(Si3N4)膜的反射率随着其厚度和入射光波长而变化。因而，膜厚度d优选被设定为使得反射率随入射光的波长而降低。防反射膜563是权利要求所述的由光学材料制成的膜的示例。氧化硅膜530是权利要求所述的光学层的示例。
图12B是在上述包括防反射膜563的结构中用于聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素的示意性剖面图。图12B所示的焦点检测像素与图12A所示的焦点检测像素不同之处在于高折射率滤光器561与光电二极管528相对的面积小于光电二极管528的开口面积的一半。更具体地，在图12B所示的焦点检测像素中，来自摄像光学系统210下部的光Lβ都未穿过高折射率滤光器561，而来自摄像光学系统210上部的光Lα只有一部分穿过高折射率滤光器561。
第三实施例与第一实施例具有类似的效果。尽管本实施例中没有设置滤色器，但也可以像第一实施例一样，设置有滤色器以限制入射光的波长范围。
防反射膜563也可以应用于如第一实施例中那样设有低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的情况，图13A和图13B示出了这种结构的示例。图13A是用于聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的焦点检测像素的示意性剖面图。图13B是用于聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素的示意性剖面图。图13A和图13B所示的焦点检测像素与图5A和图7A所示第一实施例的焦点检测像素的区别仅在于低折射率滤光器551和高折射率滤光器564的结构。
参照图13A，低折射率滤光器551包括低折射率滤光器层552和设于低折射率滤光器层552的面对微透镜522的表面上的防反射膜553。在图13A中，低折射率滤光器层552由向右下方倾斜的线表示，防反射膜553由空白区域表示。高折射率滤光器564包括高折射率滤光器层565和设于高折射率滤光器层565的面对微透镜522的表面上的防反射膜567。在图13A中，高折射率滤光器层565由向右上方倾斜的线表示，防反射膜567由小圆点所示的灰色区域表示。
低折射率滤光器551和高折射率滤光器564彼此紧邻地排列着，在防反射膜553的面对微透镜522的表面和防反射膜567的面对微透镜522的表面之间没有台阶。低折射率滤光器层552和高折射率滤光器层565厚度相同，防反射膜553和防反射膜567也是厚度相同。因而，低折射率滤光器层552和高折射率滤光器层565被布置成让它们的面对光电二极管528的表面之间没有台阶。这是因为，如果在这两个表面之间有台阶的话，则光路会在该台阶处改变，从而难以可靠地提供只是聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的功能。
低折射率滤光器层552和高折射率滤光器层565的光学材料及厚度按等式(1)被确定为：使得穿过低折射率滤光器层552的光和穿过高折射率滤光器层565的光之间的相位差为180°。类似于上述示例，防反射膜553和567例如可以由氮化硅(Si3N4)制成。图13A所示的焦点检测像素中的滤色器524选择性地透射绿光。因而，防反射膜553和567的厚度优选被设定为可以降低对绿光波长附近的波长范围的反射率。
低折射率滤光器551和高折射率滤光器564相对于微透镜522的光轴及光电二极管528的位置类似于第一实施例中所述的情况。更具体地，低折射率滤光器551和高折射率滤光器564之间的分界面位于图13A中微透镜522的光轴上方。
相反地，如图13B所示，为了形成用于聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素，低折射率滤光器551和高折射率滤光器564之间的分界面位于微透镜522的光轴下方。
4.第四实施例
图14是本发明第四实施例的相机系统中所包括的摄像器件的焦点检测像素的示意性剖面图。图14所示的焦点检测像素聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα。第四实施例与第三实施例的区别仅在于用层叠滤光器570代替高折射率滤光器560。
通过交替堆叠由折射率不同的两种光学材料制成的层来形成层叠滤光器570，各层之间的分界面平行于微透镜522的光轴，即层叠表面的法线垂直于微透镜522的光轴方向。
层叠滤光器570的位置为：在来自摄像光学系统210下部的光Lβ全部穿过层叠滤光器570的条件下，当从微透镜522的光轴方向看时，层叠滤光器570的与光电二极管528的区域B 528b相对的面积最小。来自摄像光学系统210下部的光Lβ的大部分沿着相对于微透镜522的光轴倾斜的方向入射到层叠滤光器570上。该入射光穿过层叠滤光器570中由折射率高的光学材料制成的层和由折射率低的光学材料制成的层。
因此，当来自摄像光学系统210下部的光Lβ穿过层叠滤光器570中折射率不同的层时，在该光Lβ中产生相位差，并且当该光Lβ到达光电二极管528时由于干涉而减弱。因而，当层叠滤光器570的总厚度(在微透镜522的光轴方向上的厚度)为d时，两种层的光学材料优选被选择成满足等式(1)。在本实施例中，根据上述结构，透射光的相位差接近180°。因而，能够可靠地减弱来自摄像光学系统210下部的光Lβ。
来自摄像光学系统210上部的光Lα只是穿过层叠滤光器570的在微透镜522光轴附近的区域。因而，光Lα主要聚集在光电二极管528的区域C 528c上。于是，图14所示的焦点检测像素起到聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的作用。
尽管图中没有示出，但用于聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素的结构为：层叠滤光器570被布置成与图14所示像素结构中的层叠滤光器570关于微透镜522的光轴对称。换言之，层叠滤光器570被布置成使该层叠滤光器570与光电二极管528的区域B 528b的下半部及区域A 528a相对。本实施也可以获得与第一实施例类似的效果。
尽管本实施例中没有设置滤色器，但也可以像第一实施例中一样，设置有滤色器以限制入射光的波长范围。
此外，尽管层叠滤光器570通过由折射率不同的两种光学材料制成的层来组成，但层叠滤光器570也可以通过由折射率不同的三种以上光学材料制成的层来组成，只要能够在透射光中形成大约180°的相位差即可。
层叠滤光器570是权利要求所述的光学元件的示例。
5.第五实施例
图15是本发明第五实施例的相机系统中所包括的摄像器件的焦点检测像素的示意性剖面图。第五实施例与第二实施例的区别在于，低折射率滤光器556和高折射率滤光器566设在微透镜522的与氧化硅膜530相反的一侧上。由于低折射率滤光器556和高折射率滤光器566比具有集光功能的微透镜522离摄像光学系统210更近，所以低折射率滤光器556和高折射率滤光器566的尺寸优选比第二实施例中的尺寸大。
图15所示的焦点检测像素聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ。低折射率滤光器556和高折射率滤光器566之间的分界面在微透镜522的光轴上方。尽管该图中未示出，聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的焦点检测像素的结构为：低折射率滤光器556和高折射率滤光器566被布置成与图15所示像素结构中的情况关于微透镜522的光轴对称。
本实施例也可以获得与第一实施例类似的效果。尽管本实施例中没有设置滤色器，但也可以像第一实施例中一样，设置有滤色器以限制入射光的波长范围。
6.第六实施例
图16是本发明第六实施例的相机系统中所包括的摄像器件的焦点检测像素的示意性剖面图。第六实施例与图7A所示第一实施例的区别在于去除了滤色器524而设有波导元件580。
波导元件580设在由低折射率滤光器550和高折射率滤光器560构成的单元与光电二极管528之间。图16只示出了波导元件580的剖面图，但波导元件580实际上具有中空的形状，其开口直径在微透镜522侧较大而在光电二极管528侧较小。波导元件580在微透镜522侧的开口面积优选被设定为：在本实施例中，使得来自微透镜522的光全部进入波导元件580。在此情况下，能够提高焦点检测像素的感光度。波导元件580的内表面由反射率高的光学材料制成，波导元件580通过反射来将穿过低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的光主要导向光电二极管528的区域B 528b。
低折射率滤光器550和高折射率滤光器560之间的分界面的位置为：使得所有的光Lα穿过高折射率滤光器560而未穿过低折射率滤光器550，光Lβ穿过低折射率滤光器550和高折射率滤光器560。
来自摄像光学系统210上部的光Lα只穿过高折射率滤光器560，于是透射光不会产生相位差。因而，光Lα被波导元件580的内表面反射然后到达光电二极管528的区域B 528b，没有由于干涉而减弱。
光Lβ穿过低折射率滤光器550和高折射率滤光器560，于是产生180°的相位差。光Lβ在到达光电二极管528之前被波导元件580的内表面数次反射。因而，到光电二极管528的光路比在第一实施例中的光路长。由于该光路较长，所以光Lβ因干涉而减弱的量比第一实施例中减弱的量多。因而，来自摄像光学系统210下部的光Lβ基本上不会到达光电二极管528。因此，图16所示的焦点检测像素聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα。
尽管图中未示出，但用于聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素的结构为：低折射率滤光器550和高折射率滤光器560被布置成与图16所示像素结构中的情况关于微透镜522的光轴对称。
本实施也可以获得与第一实施例类似的效果。
尽管本实施例中没有设置滤色器，但也可以像第一实施例中一样，设置有滤色器以限制入射光的波长范围。
本实施例的技术构思是通过用波导元件580内表面进行的反射来加长来自微透镜522的光的光路，从而能够增大具有相位差的光的干涉。因而，波导元件580的形状优选为：其开口直径在微透镜522侧较大，在光电二极管528侧较小。在此情况下，穿过微透镜522的光被聚集在光电二极管528的局部区域。该区域不限于本实施例中的区域B 528b，也可以是区域A 528a或区域C 528c。
7.第七实施例
图17是本发明第七实施例的相机系统中所包括的摄像器件的焦点检测像素的示意性剖面图。第七实施例与第一实施例的区别在于，设置有中等折射率波导590和高折射率波导592从而取代了低折射率滤光器550和高折射率滤光器560，并去除了滤色器524。
中等折射率波导590和高折射率波导592的形状基本相同，都具有梯形横截面，彼此紧密接触。中等折射率波导590和高折射率波导592之间的分界面位于微透镜522的光轴上。在中等折射率波导590和光电二极管528之间存在有氧化硅膜530，而在高折射率波导592和光电二极管528之间没有氧化硅膜530。
中等折射率波导590的横截面和高折射率波导592的横截面均为在微透镜522侧较大而在光电二极管528侧较小。在本实施例中，中等折射率波导590和高折射率波导592在微透镜522侧的横截面均优选为足够大以使来自微透镜522的光全部进入中等折射率波导590或高折射率波导592。在此情况下，能够增大焦点检测像素的感光度。
高折射率波导592通过内部反射把来自摄像光学系统210上部的光Lα主要导向光电二极管528的区域B 528b。通常，当光从折射率低的介质传播到折射率高的介质时，该光的入射到折射率高的介质上的部分比该光的被这两种介质之间的分界面反射的部分多。反之，当光从折射率高的介质传播到折射率低的介质时，该光的被这两种介质之间的分界面反射的部分比该光的入射到折射率低的介质上的部分多。因此，在本实施例中，按照形成光电二极管528的硅、高折射率波导592、中等折射率波导590和氧化硅膜530的顺序，折射率依次增大。
因而，在图17中，来自摄像光学系统210上部的光Lα从氧化硅膜530入射到高折射率波导592上然后都到达光电二极管528，而基本上没有泄露到高折射率波导592的外部。
这是因为，高折射率波导592的折射率比氧化硅膜530的折射率和中等折射率波导590的折射率高，因而光Lα被高折射率波导592和氧化硅膜530之间的分界面以及高折射率波导592和中等折射率波导590之间的分界面多次反射。
来自摄像光学系统210下部的光Lβ从折射率相对低的氧化硅膜530入射到中等折射率波导590上。然后，光Lβ被氧化硅膜530和中等折射率波导590之间的分界面反射，入射到高折射率波导592上。于是，从氧化硅膜530直接入射到高折射率波导592上的光Lα以及穿过氧化硅膜530和中等折射率波导590之后入射到高折射率波导592上的光Lβ由于二者之间的相位差所导致的干涉而彼此削弱。
在该结构中，首先，来自摄像光学系统210下部的光Lβ的从氧化硅膜530入射到中等折射率波导590上的一部分被中等折射率波导590和高折射率波导592之间的分界面反射，没有入射到高折射率波导592。其次，与从氧化硅膜530直接入射到高折射率波导592上的光Lα相比，在穿过氧化硅膜530和中等折射率波导590之后入射到高折射率波导592上的光Lβ具有更长的光路，因而光Lβ的强度被减弱得更多。
鉴于上述两点，从氧化硅膜530直接入射到高折射率波导592上的光Lα的量和强度比穿过中等折射率波导590之后入射到高折射率波导592上的光Lβ的量和强度大。因而，光Lβ由于干涉而减弱，且没有到达光电二极管528，只有光Lα到达光电二极管528。因此，图17所示的焦点检测像素选择性地聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα。
尽管图中未示出，用于聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素的结构为：中等折射率波导590和高折射率波导592被布置成与图17所示像素结构中的情况关于微透镜522的光轴对称。
本实施例也可以获得与第一实施例类似的效果。
中等折射率波导590是权利要求所述的第一波导的示例。高折射率波导592是权利要求所述的第二波导的示例。氧化硅膜530是权利要求所述的光学层的示例。
对于中等折射率波导590和高折射率波导592的光学材料，可以从表1所示的材料中选择折射率在硅与二氧化硅之间的两种材料。
本实施例说明了高折射率波导592和光电二极管528彼此紧密接触的结构，但本发明并不局限于此。只要氧化硅膜530的厚度足够小，从高折射率波导592到光电二极管528的透射光的减弱不会带来实际问题，那么在高折射率波导592和光电二极管528之间也可以设有氧化硅膜530。
尽管本实施例中没有设置滤色器，但也可以像第一实施例中一样，设置有滤色器以限制入射光的波长范围。
8.本发明实施例的焦点检测像素中折射滤光器的排列的变化例
图18～图21是表示在本发明实施例的用于聚集来自摄像光学系统210上部和下部的光的四个焦点检测像素中，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的四个排列示例的示意性剖面图。在图18～图21的每一图中，从上边起的第一像素和第三像素是聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的焦点检测像素。另外，从上边起的第二和第四像素是聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素。
在本发明的实施例中，有两种像素结构可以用在聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的焦点检测像素中。这两种像素结构为：高折射率滤光器560设于光轴下侧的像素结构(图18和图19)；和低折射率滤光器550位于光轴下侧的像素结构(图20和图21)。这是因为，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560中任一个都可以设于下侧，只要它们二者之间的分界面位于微透镜522的光轴上方即可。
类似地，有两种像素结构可以用在聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素中。这两种像素结构为：低折射率滤光器550位于光轴上侧(图18和图20)的像素结构；和高折射率滤光器560位于光轴上侧的像素结构(图19和图21)。这是因为，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560中任一个都可以设于上侧，只要它们二者之间的分界面位于微透镜522的光轴下方即可。
因而，聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的焦点检测像素和聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素的组合数为2×2，即4。图18～图21示出了这四种排列。
优选地，根据例如消光系数等光学特性来确定低折射率滤光器550和高折射率滤光器560的排列。更具体地，为了提高焦点检测像素的感光度，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560之中由消光系数较低的光学材料制成的那一个滤色器优选被形成为与光电二极管528相对的面积更大。
此外，感光度在焦点检测像素上优选为均匀的。因而，优选地，在聚集来自摄像光学系统210上部和下部的光的所有焦点检测像素中，低折射率滤光器550和高折射率滤光器560中的一个滤光器被形成为与光电二极管528相对的面积更大。为此，在图19中，在所有焦点检测像素中高折射率滤光器560被形成为与光电二极管528相对的面积更大，这种排列比图18所示的排列更优选。类似地，在图20中，在所有焦点检测像素中低折射率滤光器550被形成为与光电二极管528相对的面积更大，这种排列比图21所示的排列更优选。
9.本发明实施例的滤色器的排列的变化例
图22是本发明实施例变化例的用于聚集来自摄像光学系统210上部和下部的光的四个像素的示意性剖面图。在图22中，滤色器205选择性地透射红光。根据该变化例，选择性地透射绿光的像素和选择性地透射红光的像素用作焦点检测像素。在图22中，从上边起的第一像素和第二像素是聚集来自摄像光学系统210上部的光Lα的焦点检测像素，从上边起的第三像素和第四像素是聚集来自摄像光学系统210下部的光Lβ的焦点检测像素。
难以根据从所接收光波长范围不同的焦点检测像素得到的电荷信号之间的比较来精确检测焦平面的位置。因而，从具有相同滤色器(524或525)并用于聚集来自摄像光学系统210上部和下部的光的焦点检测像素中读取电荷信号。然后，如第一实施例中所述的那样对焦平面的位置进行检测。在图22中，可以通过从上边起的选择性地接收绿光的第一焦点检测像素和第三焦点检测像素读取电荷信号来检测焦平面的位置。或者，也可以通过从上边起的选择性接收红光的第二焦点检测像素和第四焦点检测像素读取电荷信号来检测焦平面的位置。
在进行焦点检测和焦点调节时，将摄像器件500曝光，并生成与将要在液晶显示器402上显示的图像对应的图像数据。因而，可以从该图像数据中检测出被摄物体的颜色分布范围。因此，如果绿色分量比红色分量强时，可以利用选择性接收绿光的焦点检测像素来进行焦点检测，如果红色分量比绿色分量强时，可以利用选择性接收红光的焦点检测像素来进行焦点检测。在此情况下，不论被摄物体的颜色分布范围如何，都可以精确地进行焦点检测。
滤色器524和525中的一个是权利要求所述的第一光学滤光器的示例，另一个是权利要求所述的第二光学滤光器的示例。
在图22所示的示例中，选择性接收绿光和红光的像素用作焦点检测像素。然而，可替代地，选择性接收绿光和蓝光的像素可以用作焦点检测像素，并且可以如上所述根据被摄物体的颜色分布范围来类似地进行焦点检测。或者，也可以将与三种颜色分量即红、绿和蓝对应的像素用作焦点检测像素，并且以类似的方式进行焦点检测。
然而，考虑到颜色插值处理，最重要的是防止颜色再现性的降低，此时，由于对应于绿色的像素数是其它颜色的像素数的两倍，所以如同第一实施例中那样，优选只使用拜耳图案中对应于绿色的像素作为焦点检测像素。
10.本发明实施例的焦点检测像素的排列的变化例
图23是表示在摄像器件的整体区域中焦点检测像素的排列的变化例的示意性平面图。在示出了第一实施例的图2中，焦点检测像素被对应于蓝光分量的像素间隔着进行连续排列。这只是焦点检测像素的排列的一个示例。如图23所示，也可以增大用于聚集来自摄像光学系统210上部和下部的光的焦点检测像素对之间的间隔以及用于聚集来自摄像光学系统210左部和右部的光的焦点检测像素对之间的间隔。
在显示出动态图像的同时进行焦点检测的情况下，从所有像素的电荷信号中提取来自焦点检测像素的电荷信号。因而，为了便于进行提取处理，用于聚集来自摄像光学系统210上部和下部的光的焦点检测像素优选沿像素列(在垂直方向上)呈直线排列。类似地，用于聚集来自摄像光学系统210左部和右部的光的焦点检测像素优选沿像素行(在水平方向上)呈直线排列。
如图23和图2所示，焦点检测像素可以沿中间像素列和中间像素行以交叉形式进行排列，从而能够容易地使在摄像光学系统210的成像空间的中心处的被摄物体对焦。但这只是一个示例。焦点检测像素也可以设在中间像素列和中间像素行之外的位置处，或者可以主要设置在摄像光学系统210光轴上的像素的周围。包括焦点检测像素的各像素列或各像素行也可以排列在摄像器件500的多个区域中，从而能够使在摄像光学系统210的成像空间的期望位置处的被摄物体对焦。在此情况下，可以利用从摄像器件500中所排列的各像素列或各像素行中选出的像素列或像素行来进行焦点检测。
或者，焦点检测像素也可以不设置在拜耳图案中对应于绿光分量的像素的位置处，而是设置在对应于红光分量或蓝光分量的像素的位置处。焦点检测像素可以彼此紧邻地排列，也可以彼此以预定间隔隔开。或者，焦点检测像素也可以以交错形式进行排列。可以根据摄像器件的焦点检测精度和摄像性能来确定焦点检测像素的排列。
本发明的各实施例只是能够实施本发明的示例，如本发明各实施例中所述的那样，本发明各实施例所述的主题与用于限定本发明范围的权利要求所述的主题对应。同样，用于限定本发明范围的权利要求所述的主题与本发明各实施例中由相同名称表示的主题对应。然而，本发明并不局限于这些实施例，可以在不脱离本发明范围的情况下进行各种修改。

Claims (17)

1.一种焦点检测装置，其包括：
多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器、第一光学元件和第二光学元件，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上且折射率不同，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；
多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器、所述第一光学元件和所述第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上而所述第一光学元件和所述第二光学元件与所述光电转换器之间的位置关系不同于各个所述第一类型像素中的位置关系，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；以及
成像状态检测器，它用于根据所述第一电荷信号和所述第二电荷信号来检测所述摄像光学系统的成像状态。
2.如权利要求1所述的焦点检测装置，其中，
各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还包括设在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的集光单元，所述集光单元把来自所述摄像光学系统的入射光聚集到所述光电转换器，并且
所述第一光学元件和所述第二光学元件设置在所述集光单元与所述光电转换器之间。
3.如权利要求2所述的焦点检测装置，其中，
所述第一光学元件和所述第二光学元件被配置为：由所述第一光学元件和所述第二光学元件构成的单元与所述光电转换器的整体相对，所述第一光学元件与所述光电转换器相对的面积和所述第二光学元件与所述光电转换器相对的面积彼此不同，所述第一光学元件和所述第二光学元件在所述摄像光学系统的光轴方向上彼此不重叠，并且
所述第一光学元件和所述第二光学元件被配置为：各个所述第一类型像素中所述第一光学元件与所述第二光学元件之间分界面的位置和各个所述第二类型像素中所述第一光学元件与所述第二光学元件之间分界面的位置分别在沿着所述光轴方向穿过所述光电转换器的中心的轴线的两侧。
4.如权利要求1所述的焦点检测装置，其中，
各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还包括设在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的集光单元，所述集光单元把来自所述摄像光学系统的入射光聚集到所述光电转换器，并且
所述第一光学元件和所述第二光学元件设置在所述摄像光学系统与所述集光单元之间。
5.如权利要求1所述的焦点检测装置，其中，各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还包括设在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的光学滤光器，所述光学滤光器选择性地透射预定波长范围内的光。
6.如权利要求1所述的焦点检测装置，其中，
各个所述第一类型像素还包括设在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的第一光学滤光器或第二光学滤光器，所述第一光学滤光器选择性地透射预定波长范围内的光，所述第二光学滤光器选择性地透射另一预定波长范围内的光，并且
各个所述第二类型像素还包括设在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的所述第一光学滤光器或所述第二光学滤光器。
7.如权利要求1所述的焦点检测装置，其中，各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还包括波导元件，所述波导元件设在由所述第一光学元件和所述第二光学元件构成的单元与所述光电转换器之间的位置处，所述波导元件通过反射把来自所述摄像光学系统的入射光导向所述光电转换器。
8.如权利要求1所述的焦点检测装置，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件中的至少一者由单晶硅、非晶硅、多晶硅、锗、二氧化硅、氮化硅、硅氧烷、钨、铝或铜制成。
9.如权利要求1所述的焦点检测装置，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件中的至少一者在面对所述摄像光学系统的表面上设有由光学材料制成的膜，所述光学材料的反射率低于该所述第一光学元件和所述第二光学元件中的至少一者的内部的反射率。
10.一种焦点检测装置，其包括：
多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器、集光单元和光学层，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述集光单元用于把来自所述摄像光学系统的入射光聚集到所述光电转换器，所述光学层设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；
多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器、所述集光单元以及设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的所述光学层，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；以及
成像状态检测器，它用于根据所述第一电荷信号和所述第二电荷信号来检测所述摄像光学系统的成像状态，
其中，各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还包括折射率与所述光学层的折射率不同的光学元件，
各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素中所包括的所述光学元件被设置为：所述光学元件的外围边缘与沿着所述摄像光学系统的光轴方向穿过所述光电转换器的中心的直线隔开，所述光学元件只与所述光电转换器的一部分相对，并且，
所述光学元件被设置为：各个所述第一类型像素中所述光学元件的与所述直线靠近的那一端的位置与各个所述第二类型像素中所述光学元件的与所述直线靠近的那一端的位置分别在所述直线的两侧。
11.如权利要求10所述的焦点检测装置，其中，所述光学元件在面对所述摄像光学系统的表面上设有由光学材料制成的膜，所述光学材料的反射率低于所述光学元件的内部的反射率。
12.一种焦点检测装置，其包括：
多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器和光学元件，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述光学元件设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上，所述光学元件只与所述光电转换器的一部分相对，所述光学元件具有由折射率不同的光学材料制成的各膜堆叠在一起的层叠结构，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；
多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器和所述光学元件，所述光学元件设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上而所述光学元件与所述光电转换器之间的位置关系不同于各个所述第一类型像素中的位置关系，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；以及
成像状态检测器，它用于根据所述第一电荷信号和所述第二电荷信号来检测所述摄像光学系统的成像状态。
13.如权利要求12所述的焦点检测装置，其中，所述光学元件具有层叠结构，在所述层叠结构中，由折射率不同的光学材料制成的各膜交替堆叠且所述各膜的层叠表面的法线垂直于所述摄像光学系统的光轴方向。
14.一种焦点检测装置，其包括：
多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器、光学层、第一波导和第二波导，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述光学层设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上，所述第一波导设置在所述光学层中并且折射率比所述光学层的折射率高，所述第二波导设置在所述光学层中与所述第一波导相邻并且折射率比所述第一波导的折射率高，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；
多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器、设置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上的所述光学层以及彼此相邻地设置在所述光学层中的所述第一波导和所述第二波导，所述第一波导和所述第二波导与所述光电转换器之间的位置关系不同于各个所述第一类型像素中的位置关系，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；以及
成像状态检测器，它用于根据所述第一电荷信号和所述第二电荷信号来检测所述摄像光学系统的成像状态。
15.如权利要求14所述的焦点检测装置，其中，
各个所述第一类型像素和各个所述第二类型像素还包括所述光路上的集光单元，所述集光单元把来自所述摄像光学系统的入射光聚集到所述光电转换器，并且
所述第一波导和所述第二波导被配置为：所述第一类型像素中所述第一波导与所述第二波导之间的位置关系和所述第二类型像素中所述第一波导与所述第二波导之间的位置关系关于沿着所述摄像光学系统的光轴方向穿过所述光电转换器的中心的轴线彼此对称。
16.一种摄像器件，其包括：
多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器、第一光学元件和第二光学元件，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上且折射率不同，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；
多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器、所述第一光学元件和所述第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上而所述第一光学元件和所述第二光学元件与所述光电转换器之间的位置关系不同于各个所述第一类型像素中的位置关系，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；以及
多个摄像像素，各个所述摄像像素包括所述光电转换器并输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第三电荷信号。
17.一种电子照相机，其包括：
多个第一类型像素，各个所述第一类型像素包括光电转换器、第一光学元件和第二光学元件，所述光电转换器用于接收来自摄像光学系统的光并进行光电转换，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上且折射率不同，各个所述第一类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第一电荷信号；
多个第二类型像素，各个所述第二类型像素包括所述光电转换器、所述第一光学元件和所述第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件布置在从所述摄像光学系统到所述光电转换器的光路上而所述第一光学元件和所述第二光学元件与所述光电转换器之间的位置关系不同于各个所述第一类型像素中的位置关系，各个所述第二类型像素输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第二电荷信号；
多个摄像像素，各个所述摄像像素包括所述光电转换器并输出与所述光电转换器所接收到的光量对应的第三电荷信号；
信号处理器，它用于根据所述第三电荷信号来生成图像数据；
成像状态检测器，它用于根据所述第一电荷信号和所述第二电荷信号来检测所述摄像光学系统的成像状态；以及
焦点控制器，它基于由所述成像状态检测器确定的所述成像状态来调节所述摄像光学系统的透镜位置，使得所述透镜位置接近对焦位置。
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