CN102227665B - 固态摄像元件和摄像设备 - Google Patents

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Abstract

一种输出用于检测拍摄镜头的焦点状态的信号的图像传感器。该图像传感器包括：微透镜；光接收像素；第一焦点状态检测像素对，用于输出焦点状态检测信号，其中，与光接收像素相比，第一焦点状态检测像素对的开口面积较小；以及第二焦点状态检测像素对，用于输出焦点状态检测信号，其中，与光接收像素相比，第二焦点状态检测像素对的开口面积较小；其中，第二焦点状态检测像素对设置在相对于第一焦点状态检测像素对的与微透镜相对的各开口位置偏移了预定量的位置。

Description

固态摄像元件和摄像设备
技术领域
本发明涉及固态摄像元件和摄像设备，以及尤其涉及用于进行摄像的固态摄像元件和能够基于从固态摄像元件获得的图像来检测拍摄镜头的焦点状态的诸如数字静态照相机等的摄像设备。
背景技术
存在几种可以在使用图像传感器进行拍摄的数字照相机中检测拍摄镜头的焦点状态的方式。在日本特开昭58-24105中公开的设备被设计为使用在传感器上的各像素处形成有微透镜的二维传感器、基于光瞳分割方法来进行焦点状态检测。根据日本特开昭58-24105中公开的设备，将图像传感器的各像素的光电转换器分割成多个部分。以这种方式分割的光电转换器被设计为经由微透镜而接收透过拍摄镜头的光瞳上的不同区域的光束。
此外，日本专利2959142公开了一种还用作为图像传感器的固态摄像设备，其中，二维地配置在微透镜和光电转换器之间的相对位置偏移的像素。根据日本专利2959142中公开的固态摄像设备，当检测拍摄镜头的焦点状态时，基于利用微透镜和光电转换器之间的相对偏移方向不同的像素阵列所生成的图像来检测镜头的焦点状态。相反，当拍摄普通图像时，通过将微透镜和光电转换器之间的相对偏移方向不同的像素相加来生成图像。
本申请人在日本特开2005-106994中提出了一种利用在数字静态照相机中所使用的CMOS型图像传感器(固态摄像设备)、基于光瞳分割方法来进行焦点状态检测的固态摄像设备。根据在日本特开2005-106994中公开的固态摄像设备，构成固态摄像设备的大量像素中的某些像素具有以下结构：将用于检测拍摄镜头的焦点状态的光电转换器分割成两部分。光电转换器被设计为经由微透镜而接收透过拍摄镜头的光瞳上的预定区域的光束。
图11是用于说明日本特开2005-106994中公开的位于固态摄像元件的中心的、进行焦点状态检测的像素的接收光的分布的图，并示出拍摄镜头的光瞳上的分别透过如下光的区域，其中该光是被分割成两部分的光电转换器的两部分可以接收的光。图中的圆圈表示拍摄镜头的出射光瞳，以及白色区域Sα和Sβ是透过被分割成两部分的光电转换器可以接收的光的区域。这些区域被设计为相对于普通拍摄镜头的光轴(图中x轴和y轴的交点)对称。
在照相机中，针对透过拍摄镜头的光瞳上的区域Sα的光束所生成的图像和透过区域Sβ的光束所生成的图像来进行相关运算，以检测拍摄镜头的焦点状态。在日本特开平5-127074中公开了一种针对透过拍摄镜头的不同光瞳区域的光束所生成的图像进行相关运算来进行焦点状态检测的方法。
一般地，通过进行多个掩模处理来制造CMOS型固态摄像元件。尽管在各掩模处理之间进行对准时进行制造，但在初期制造的构件和后期制造的构件之间发生偏移。也就是说，由于在制造处理的初期形成了固态摄像元件的光电转换器，并在制造处理的最后阶段形成了微透镜，因此在光电转换器和微透镜之间通常发生偏移。
图12A和图12B是示出在拍摄镜头的光瞳上的固态摄像元件的接收光的分布的图。图12A示出在将光电转换器分割成两部分的进行焦点状态检测的像素上、光电转换器的位置和微透镜的位置从设计值偏移的情况下的光接收区域的分布。在图12A和12B中，其中一个光电转换器中的光接收区域Sα和另一个光电转换器的光接收区域Sβ相对于拍摄镜头的光轴(图中x轴和y轴的交点)在-x方向上偏移。
当检测照相机的拍摄镜头的焦点状态时，通常可以不仅针对位于拍摄画面的中心的被摄体，还针对位于拍摄画面的周边的被摄体来进行焦点状态检测。
图12B是说明在光电转换器的位置和微透镜的位置从设计值偏移的固态摄像元件中，在拍摄画面的周边设置的焦点状态检测像素的接收光的分布的图。由于在拍摄画面的周边发生由拍摄镜头的镜头框引起的光束的渐晕，因此如图12B所示，与光电转换器之一相对应的光接收区域Sα变窄。
因此，透过拍摄镜头的光瞳上的区域Sα的光束所生成的图像和透过区域Sβ的光束所生成的图像之间的一致度降低。结果，即使当基于透过区域Sα的光束所生成的图像和透过区域Sβ的光束所生成的图像进行相关运算时，也存在不能以高精度进行焦点状态检测的缺点。
发明内容
考虑以上情况做出本发明，并且本发明能够以较高的精度进行焦点状态检测，而与固态摄像元件的制造误差无关。
根据本发明，提供一种输出用于检测拍摄镜头的焦点状态的信号的固态摄像元件，包括：微透镜；光接收像素；第一焦点状态检测像素对，用于输出焦点状态检测信号，其中，与所述光接收像素相比，所述第一焦点状态检测像素对的开口面积较小；以及第二焦点状态检测像素对，用于输出焦点状态检测信号，其中，与所述光接收像素相比，所述第二焦点状态检测像素对的开口面积较小，其中，所述第二焦点状态检测像素对设置在相对于所述第一焦点状态检测像素对的与所述微透镜相对的、各自的开口位置偏移了预定量的位置。
此外，提供一种摄像设备，包括：上述的固态摄像元件，其设置在拍摄镜头的预定成像面上；计算部件，用于基于第一焦点状态检测像素和第二焦点状态检测像素的光接收区域在各像素中的位置、第一焦点状态检测像素和第二焦点状态检测像素在所述固态摄像元件中的位置、以及与所述拍摄镜头有关的信息，来计算所述拍摄镜头的光瞳上的与所述第一焦点状态检测像素对中的一个焦点状态检测像素的光接收区域相对应的区域、相对于所述拍摄镜头的光瞳上的与所述第一焦点状态检测像素对中的另一个焦点状态检测像素的光接收区域相对应的区域的面积比，以及计算所述拍摄镜头的光瞳上的与所述第二焦点状态检测像素对中的一个焦点状态检测像素的光接收区域相对应的区域、相对于所述拍摄镜头的光瞳上的与所述第二焦点状态检测像素对中的另一个焦点状态检测像素的光接收区域相对应的区域的面积比；检测部件，用于使用从所述计算部件所计算出的面积比在预定范围内的焦点状态检测像素对输出的信号，检测焦点状态；以及控制部件，用于基于所述检测部件所检测到的焦点状态，控制所述拍摄镜头。
通过以下(参考附图)对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的数字照相机的概要结构的图；
图2是根据本发明第一实施例的图像传感器的部分平面图；
图3是图2所示的图像传感器的一部分的截面图；
图4是示出根据本发明第一实施例的在图像传感器的一部分上设置的焦点状态检测像素的拍摄镜头的光瞳上的接收光的设计分布的示例的图；
图5是示出根据本发明第一实施例的在存在微透镜和第一电极之间的偏移的图像传感器的一部分上设置的焦点状态检测像素的拍摄镜头的光瞳上的接收光的分布的示例的图；
图6A～6C是示出根据本发明第一实施例的由焦点状态检测像素组的输出所生成的线图像分布图的示例的图；
图7是示出根据本发明第一实施例的在存在微透镜和第一电极之间的偏移的图像传感器的一部分上设置的焦点状态检测像素的拍摄镜头的光瞳上的接收光的分布的另一示例的图；
图8是根据本发明第二实施例的图像传感器的部分平面图；
图9是图8所示的图像传感器的一部分的截面图；
图10是示出根据本发明第二实施例的在存在微透镜和第一电极之间的偏移的图像传感器的一部分上设置的焦点状态检测像素的拍摄镜头的光瞳上的接收光的分布的示例的图；
图11是示出传统的固态摄像元件的接收光的分布的示例的图；以及
图12A和图12B是示出传统的固态摄像元件的接收光的分布的另一示例的图。
具体实施方式
将根据附图详细说明本发明的优选实施例。
第一实施例
图1是示出根据第一实施例的作为摄像设备的示例的数字照相机的概要结构的图。
图1中所示的数字照相机主要包括照相机主单元1和可以从照相机主单元1拆卸的拍摄镜头5。首先，将说明照相机主单元1的结构。
附图标记10表示在拍摄镜头5的预定成像面上设置的包括多个像素的图像传感器(固态摄像元件)。附图标记20表示控制整个照相机的CPU。附图标记21表示控制图像传感器10的驱动的图像传感器控制电路。CPU 20还计算拍摄镜头5的焦点状态。附图标记24表示对由图像传感器10拍摄得到的图像信号进行图像处理的图像处理电路。附图标记25表示驱动用于显示经过了图像处理的图像的液晶显示元件9的液晶显示元件驱动电路。附图标记3表示用于观察由液晶显示元件9所显示的被摄体图像的目镜透镜3。附图标记22表示记录由图像传感器10拍摄的图像的存储器电路。附图标记23表示接口电路，用于将在图像处理电路24处经过了图像处理的图像输出至照相机的外部。存储器电路22被配置为也能够记录图像传感器10的接收光的分布。
接着，将说明拍摄镜头5的结构。
附图标记5a和5b表示透镜。尽管在该情况下为了方便而示出了两个透镜5a和5b，但实际上，拍摄镜头5包括大量透镜。拍摄镜头5利用镜头CPU 50通过电接触26接收从照相机主单元1的CPU 20发送来的焦点调节信息，并基于焦点调节信息使用拍摄镜头驱动机构51调节聚焦状态。附图标记53表示在拍摄镜头5的光瞳附近设置的光圈设备。光圈设备53被配置为通过光圈驱动机构52变窄至预定光圈值。
图2是图像传感器10的部分平面图。
在图2中，附图标记131和132表示电极。由第一电极131和132限定的区域表示单个像素。写在各像素中的字符“R”、“G”和“B”表示各像素的滤色器的色相。在写有字符“R”的像素中，滤色器透过红光成分，在写有字符“G”的像素中，滤色器透过绿光成分，以及在写有字符“B”的像素中，滤色器透过蓝光成分。此外，写有字符“R”、“G”或“B”的各像素被配置为接收拍摄镜头5的整个光瞳区域的光。
当滤色器的阵列为拜耳阵列时，配置像素以使得交替设置“R”和“G”像素以及“B”和“G”像素。在根据本第一实施例的图像传感器10中，将接收透过拍摄镜头5的一部分的光瞳区域的光束的焦点状态检测像素分配给“R”或“B”像素应该所在的位置。在图中，附图标记Pα1、Pβ1、Pα2、Pβ2、Pα3和Pβ3表示用于检测拍摄镜头5的焦点状态的像素。在这些像素中，由第一电极131(遮光构件)限制x方向上的开口。
对于在第一实施例的图像传感器10的一部分上设置的焦点状态检测用的像素，设计了五种不同种类的像素，其中，由第一电极131限定的开口的x方向上的像素内的开口中心位置相对于像素中心对称。
例如，对于由电极131_3和电极131_4限定的开口相对于像素中心在+x方向上偏移的焦点状态检测像素Pα1，将具有相同电极开口的焦点状态检测像素设置在x方向上的邻接第四个像素的位置。此外，将由电极131_1和电极131_2限定的开口与像素中心大约一致的焦点状态检测像素Pβ1设置在与焦点状态检测像素Pα1斜向邻接的位置。此外，针对焦点状态检测像素Pβ1，将具有相同电极开口的焦点状态检测像素设置在x方向上的邻接第四个像素的位置。
CPU 20从具有与焦点状态检测像素Pα1相同的电极开口的焦点状态检测像素组生成第一焦点状态检测图像，并同样地从具有与焦点状态检测像素Pβ1相同的电极开口的焦点状态检测像素组生成第二焦点状态检测图像。此外，CPU 20通过进行基于第一焦点状态检测图像和第二焦点状态检测图像的相关运算，来检测在焦点状态检测像素Pα1和Pβ1所位于的区域中的拍摄镜头5的焦点状态。
同样地，CPU 20从具有与焦点状态检测像素Pα2相同的电极开口的焦点状态检测像素组生成第三焦点状态检测图像。CPU 20同样地从具有与焦点状态检测像素Pβ2相同的电极开口的焦点状态检测像素组生成第四焦点状态检测图像。此外，CPU20通过进行基于第三焦点状态检测图像和第四焦点状态检测图像的相关运算，来检测在焦点状态检测像素Pα2和Pβ2所位于的区域中的拍摄镜头5的焦点状态。
同样地，CPU 20从具有与焦点状态检测像素Pα3相同的电极开口的焦点状态检测像素组生成第五焦点状态检测图像。CPU 20还从具有与焦点状态检测像素Pβ3相同的电极开口的焦点状态检测像素组生成第六焦点状态检测图像。此外，CPU 20通过进行基于第五焦点状态检测图像和第六焦点状态检测图像的相关运算，来检测在焦点状态检测像素Pα3和Pβ3所位于的区域中的拍摄镜头5的焦点状态。
然后，CPU 20对焦点状态检测像素Pα1和Pβ1所位于的区域、焦点状态检测像素Pα2和Pβ2所位于的区域以及焦点状态检测像素Pα3和Pβ3所位于的区域中的拍摄镜头5的焦点状态进行平均化。CPU 20基于焦点状态检测结果将焦点调节信息发送至拍摄镜头驱动机构51以进行拍摄镜头5的焦点调节。
相反，当拍摄普通图像时，CPU 20将限制了像素的电极开口的焦点状态检测像素作为缺陷像素来处理，并用从位于焦点状态检测像素的周边的像素输出的图像信号来对与焦点状态检测像素相对应的图像信号进行插值。
图3是图2所示的图像传感器10的沿着平面A-A’的截面图。
在图3的右边的像素表示能够接收透过拍摄镜头5的整个光瞳区域的光束的普通摄像像素。在图3的左边的像素表示能够接收透过拍摄镜头5的光瞳区域的一部分的光束的焦点检测像素。
如图3所示，在硅基板110内部形成光电转换器111。将光电转换器111所生成的信号电荷通过未示出的浮动扩散部、第一电极131和第二电极132输出至外部。在光电转换器111和第一电极131之间形成层间介电膜121。在第一电极131和第二电极132之间形成层间介电膜122。在第二电极132的入射光侧形成层间介电膜123，并且在层间介电膜123上形成钝化膜140和平坦化层150。在平坦化层150的入射光侧形成滤色器层151或透明滤光器层154、平坦化层152和微透镜153。在这种情况下，设计微透镜153的倍率以使得拍摄镜头5的光瞳与光电转换器111基本上相互共轭。在位于图像传感器10的中心的像素中，将微透镜153设置在像素的中心。在位于图像传感器10的周边的像素中，在将微透镜153偏移至拍摄镜头5的光轴侧的条件下设置微透镜153。
将透过拍摄镜头5的被摄体光会聚在图像传感器10的附近。此外，到达图像传感器10的各像素的光被微透镜153折射，并被会聚至光电转换器111。在用于普通摄像的右侧的像素中，第一电极131和第二电极132被配置为不妨碍入射光的透射。
相反，在左侧的焦点状态检测像素中，第一电极131的一部分被配置为覆盖光电转换器111。结果，左侧的焦点状态检测像素能够接收透过拍摄镜头5的光瞳的一部分的光束。此外，为了防止由于第一电极131遮挡了一部分入射光束而减少光电转换器111的输出，用不吸收光的具有高透射率的树脂形成焦点状态检测像素的透明滤光器层154。
在第一实施例的图像传感器10的一部分上设置的焦点状态检测像素被配置为通过改变微透镜153的位置和第一电极131的开口中心的相对位置来改变拍摄镜头5的接收光的分布。
图4是示出在图像传感器10的一部分上设置的焦点状态检测像素在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布的示例的图。
在图4中，附图标记401表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pα1在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布。由焦点状态检测像素Pα1的电极131_3和电极131_4限定的开口的中心相对于像素的中心在+x方向上显著偏移。因此，焦点状态检测像素Pα1的光电转换器的能够接收光的区域Sα1(以下被称为“光接收区域Sα1”)的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上的x轴上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)偏移了距离-xα1。
附图标记402表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pβ1在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布。由焦点状态检测像素Pβ1的电极131_1和电极131_2所限定的开口的中心与像素的中心大约一致。因此，焦点状态检测像素Pβ1的光电转换器的能够接收光的区域Sβ1(以下被称为“光接收区域Sβ1”)的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上的图中的x轴上与光轴(图中x轴和y轴的交点)大约一致。
附图标记411表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pα2在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布。由焦点状态检测像素Pα2的电极131_3和电极131_4所限定的开口的中心相对于像素的中心在+x方向上偏移了预定量。因此，焦点状态检测像素Pα2的光电转换器的能够接收光的区域Sα2(以下被称为“光接收区域Sα2”)的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上的图中的x轴上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)偏移了距离-xα2。
附图标记412表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pβ2在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布。由焦点状态检测像素Pβ2的电极131_1和电极131_2所限定的开口的中心相对于像素的中心在-x方向上偏移了预定量。因此，焦点状态检测像素Pβ2的光电转换器的能够接收光的区域Sβ2(以下被称为“光接收区域Sβ2”)的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上的图中的x轴上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)偏移了距离xβ2。
附图标记421表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pα3在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布。由焦点状态检测像素Pα3的电极131_3和电极131_4所限定的开口的中心与像素的中心大约一致。因此，焦点状态检测像素Pα3的光电转换器的能够接收光的区域Sα3(以下被称为“光接收区域Sα3”)的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上的图中的x轴上与光轴(图中x轴和y轴的交点)大约一致。在这种情况下，焦点状态检测像素Pα3在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布与焦点状态检测像素Pβ1在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布大约一致。
附图标记422表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pβ3在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布。由焦点状态检测像素Pβ3的电极131_1和电极131_2所限定的开口的中心相对于像素的中心在-x方向上显著偏移。因此，焦点状态检测像素Pβ3的光电转换器的能够接收光的区域Sβ3(以下被称为“光接收区域Sβ3”)的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上的图中的x轴上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)偏移了距离xβ3。
附图标记400表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的普通摄像像素在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布。普通摄像像素的电极131被配置为不遮挡光透过至光电转换器。因此，普通摄像像素的光电转换器可以接收透过拍摄镜头5的整个光瞳区域Sγ的光束。在该情况下，普通摄像像素的能够接收光的区域Sγ的中心与拍摄镜头5的出射光瞳上的光轴(图中x轴和y轴的交点)大约一致。
如上所述，根据本第一实施例的图像传感器10包括七种类型的像素组，其中，接收光的分布的中心存在于x轴上的不同位置。
图5是有关位于拍摄画面的周边的焦点状态检测像素在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布的说明图。将焦点状态检测像素设置在存在微透镜153和第一电极131之间的偏移的图像传感器10的一部分上。图6A～6C是利用来自焦点状态检测像素组的信号生成的线图像分布图。图5示出在图像传感器10的微透镜153相对于第一电极131在-x方向上从设计值偏移的情况下、相对于图像传感器10的中心位于-x方向上的焦点状态检测像素组的接收光的分布。将图像传感器10的焦点状态检测像素各自的接收光的分布存储在存储器电路22中。
当微透镜153相对于第一电极131在-x方向上从设计值偏移时，图像传感器10的焦点状态检测像素的接收光的分布在拍摄镜头5的光瞳上在-x方向上均匀偏移。此外，在相对于图像传感器10的中心位于-x方向上的焦点状态检测像素组中，光束由于拍摄镜头5的镜头框从图中的-x方向侧渐晕。
在图5中，附图标记501表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pα1在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布。由电极131_3和电极131_4所限定的焦点状态检测像素Pα1的开口的中心，即焦点状态检测像素Pα1的光电转换器的光接收区域Sα1的中心相对于像素的中心在+x方向上显著偏移。因此，光接收区域Sα1的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)在-x方向上进一步偏移了距离-xα1’。此外，由于光束因拍摄镜头5的镜头框从图中的-x方向侧渐晕，因此焦点状态检测像素Pα1的能够接收光的区域变窄。
附图标记502表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pβ1在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布。由电极131_1和电极131_2所限定的焦点状态检测像素Pβ1的开口的中心，即焦点状态检测像素Pβ1的光电转换器的光接收区域Sβ1的中心与像素的中心大约一致。因此，区域Sβ1的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)在-x方向上偏移了距离-xβ1’。
图6A示出利用来自焦点状态检测像素Pα1所代表的焦点状态检测像素组的信号所生成的线图像分布Iα1和利用来自焦点状态检测像素Pβ1所代表的焦点状态检测像素组的信号所生成的线图像分布Iβ1。因为焦点状态检测像素Pα1在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sα1的面积和焦点状态检测像素Pβ1在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sβ1的面积显著不同，所以在线图像分布Iα1和线图像分布Iβ1的输出之间存在大的差异。结果，即使使用利用来自焦点状态检测像素Pα1所代表的焦点状态检测像素组的信号所生成的焦点状态检测图像和利用来自焦点状态检测像素Pβ1所代表的焦点状态检测像素组的信号所生成的焦点状态检测图像，来进行拍摄镜头5的焦点状态的检测，也不能以高精度进行焦点状态检测。
因此，根据第一实施例，基于焦点状态检测像素各自的接收光的分布、与焦点状态检测像素在图像传感器10上的位置有关的信息和拍摄镜头5的信息，来估计分别由焦点状态检测像素Pα1和Pβ1代表的焦点状态检测像素组在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布。然后，CPU 20判断是否可以基于利用给定的焦点状态检测像素组所生成的图像来精确地进行焦点状态检测。例如，CPU 20计算与焦点状态检测像素Pα1相对应的拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sα1的面积和与焦点状态检测像素Pβ1相对应的拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sβ1的面积之间的比。此外，采用以下结构：使用从具有预定范围内的面积比的焦点状态检测像素组获得的图像来进行焦点状态检测，而不使用从具有预定范围外(例如，两倍以上或一半以下)的面积比的焦点状态检测像素组获得的图像来进行焦点状态检测。根据本第一实施例，焦点状态检测像素Pα1在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sα1的面积和焦点状态检测像素Pβ1在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sβ1的面积之间的比大约为1/3。因此，CPU20不基于从焦点状态检测像素Pα1和Pβ1所代表的焦点状态检测像素组获得的图像来执行焦点状态检测。
图5中的附图标记511表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pα2在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布。由电极131_3和电极131_4所限定的焦点状态检测像素Pα2的开口的中心，即焦点状态检测像素Pα2的光电转换器的光接收区域Sα2的中心相对于像素的中心在+x方向上偏移了预定量。因此，区域Sα2的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)在-x方向上进一步偏移了距离-xα2’。此外，由于光束因拍摄镜头5的镜头框从图中的-x方向侧渐晕，因此焦点状态检测像素Pα2的光接收区域变窄。
附图标记512表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pβ2在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布。由电极131_1和电极131_2所限定的焦点状态检测像素Pβ2的开口的中心，即焦点状态检测像素Pβ2的光电转换器的光接收区域Sβ2的中心相对于像素的中心在-x方向上偏移了预定量。因此，光接收区域Sβ2的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)在+x方向上进一步偏移了距离xβ2’。
图6B示出利用来自焦点状态检测像素Pα2所代表的焦点状态检测像素组的信号所生成的线图像分布Iα2和利用来自焦点状态检测像素Pβ2所代表的焦点状态检测像素组的信号所生成的线图像分布Iβ2。因为焦点状态检测像素Pα2在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sα2的面积和焦点状态检测像素Pβ2在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sβ2的面积存在一定程度差异，所以在线图像分布Iα2和线图像分布Iβ2的输出之间存在一定程度差异。
因此，根据第一实施例，基于焦点状态检测像素各自的接收光的分布、与焦点状态检测像素在图像传感器10上的位置有关的信息和拍摄镜头5的信息，来估计分别由焦点状态检测像素Pα2和Pβ2代表的焦点状态检测像素组在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布。然后，CPU 20判断是否可以基于利用给定的焦点状态检测像素组所生成的图像来精确地进行焦点状态检测。例如，CPU 20计算焦点状态检测像素Pα2在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sα2的面积和焦点状态检测像素Pβ2在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sβ2的面积之间的比。此外，采用以下结构：使用从具有预定范围内的面积比的焦点状态检测像素组获得的图像来进行焦点状态检测，而不使用从具有预定范围外(例如，两倍以上或一半以下)的面积比的焦点状态检测像素组获得的图像来进行焦点状态检测。根据第一实施例，焦点状态检测像素Pα2在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sα2的面积和焦点状态检测像素Pβ2在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sβ2的面积之间的比大约为4/5。因此，CPU 20基于利用来自焦点状态检测像素Pα2和Pβ2所代表的焦点状态检测像素组的信号所获得的图像来进行焦点状态检测。此时，针对利用来自焦点状态检测像素Pα2和Pβ2所代表的焦点状态检测像素组的信号所获得的图像，CPU 20基于先前获得的拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域的面积比进行增益校正，由此改善焦点状态检测精度。
在图5中，附图标记521表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pα3在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布。由电极131_3和电极131_4所限定的焦点状态检测像素Pα3的开口的中心，即焦点状态检测像素Pα3的光电转换器的光接收区域Sα3的中心与像素的中心大约一致。因此，光接收区域Sα3的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)在-x方向上进一步偏移了距离-xα3’。此外，由于光束因拍摄镜头5的镜头框从图中的-x方向侧渐晕，因此焦点状态检测像素Pα3的能够接收光的区域变窄。在这种情况下，焦点状态检测像素Pα3在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布与焦点状态检测像素Pβ1在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布大约一致。
附图标记522表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pβ3在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布。由电极131_1和电极131_2所限定的焦点状态检测像素Pβ3的开口的中心，即焦点状态检测像素Pβ3的光电转换器的光接收区域Sβ3的中心相对于像素的中心在-x方向上显著偏移。因此，光接收区域Sβ3的中心在拍摄镜头5的出射光瞳上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)在+x方向上进一步偏移了距离xβ3’。
图6C示出利用来自焦点状态检测像素Pα3所代表的焦点状态检测像素组的信号所生成的线图像分布Iα3和利用来自焦点状态检测像素Pβ3所代表的焦点状态检测像素组的信号所生成的线图像分布Iβ3。因为焦点状态检测像素Pα3在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sα3的面积和焦点状态检测像素Pβ3在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sβ3的面积大约相同，所以线图像分布Iα3和线图像分布Iβ3的输出大约相同。
因此，根据第一实施例，基于焦点状态检测像素各自的接收光的分布、与焦点状态检测像素在图像传感器10上的位置有关的信息和拍摄镜头5的信息，来估计分别由焦点状态检测像素Pα3和Pβ3代表的焦点状态检测像素组在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布。然后，CPU 20判断是否可以基于利用给定的焦点状态检测像素组所生成的图像来精确地进行焦点状态检测。例如，CPU 20计算焦点状态检测像素Pα3在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sα3的面积和焦点状态检测像素Pβ3在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sβ3的面积之间的比。此外，采用以下结构：使用从具有预定范围内的面积比的焦点状态检测像素组获得的图像来进行焦点状态检测，而不使用从具有范围外(例如，两倍以上或一半以下)的面积比的焦点状态检测像素组获得的图像来进行焦点状态检测。根据第一实施例，焦点状态检测像素Pα3在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sα3的面积和焦点状态检测像素Pβ3在拍摄镜头5的光瞳上的光接收区域Sβ3的面积之间的比大约为1。因此，CPU 20基于利用焦点状态检测像素Pα3和Pβ3所代表的焦点状态检测像素组所获得的图像来进行焦点状态检测。
在图5中，附图标记500表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中所示的普通摄像像素在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布。普通摄像像素的第一电极131被配置为不遮挡光透过至光电转换器。因此，普通摄像像素的光电转换器可以接收透过拍摄镜头5的整个光瞳区域Sγ的光束。然而，因为光束因拍摄镜头5的镜头框从图中的-x方向侧渐晕，所以能够接收光的区域变窄。
根据如上所述的第一实施例，CPU 20判断是否由于图像传感器10包括的微透镜153和第一电极131之间的偏移而引起焦点状态检测像素的接收光的分布发生大程度的偏倚，以及是否存在由拍摄镜头5的镜头框引起的大程度的渐晕。基于判断结果，CPU 20选择用于进行焦点状态检测的焦点状态检测像素组。根据第一实施例的CPU 20对焦点状态检测像素Pα2和Pβ2所位于的区域中的拍摄镜头5的焦点状态以及焦点状态检测像素Pα3和Pβ3所位于的区域中的拍摄镜头5的焦点状态进行平均。此外，CPU 20基于焦点状态检测结果将焦点调节信息发送至拍摄镜头驱动机构51，并对拍摄镜头5进行焦点调节。
根据第一实施例，说明了拍摄镜头5的光瞳上的图像传感器10的接收光的分布的形状为狭缝状的例子。然而，如示出在图7中的由附图标记701～722表示的图像传感器的接收光的分布的例子的图所示，还可以采用以下结构：将拍摄镜头5的光瞳区域分割成两部分，并且光接收区域的中心不同。例如，如图7所示，图像传感器10可以包括接收光的分布的中心存在于x轴上的不同位置的7种像素组。而且，附图标记700表示在图2中的图像传感器10的部分平面图中示出的普通摄像像素的拍摄镜头5的光瞳上的接收光的分布。
第二实施例
接着，将说明本发明的第二实施例。根据本第二实施例的数字照相机的概要结构与上述第一实施例中参考图1说明的数字照相机相同。因此，这里省略其说明。
图8是根据第二实施例的图像传感器10的部分平面图。
在图8中，附图标记131和132表示电极。附图标记Pa、Pb和Pc表示被配置如下的焦点状态检测像素：通过利用诸如钨等的遮光构件113覆盖光电转换器111来限制接收透过拍摄镜头5的光瞳的光束的光接收区域。在这种情况下，像素Pa为第一焦点状态检测像素，其中，图中的白色区域表示第一焦点状态检测像素的一对光接收区域。像素Pb为第三焦点状态检测像素，其中，图中的白色区域表示第三焦点状态检测像素的一对光接收区域。像素Pc为第二焦点状态检测像素，其中，图中的白色区域表示第二焦点状态检测像素的一对光接收区域。如图8所示，将第一至第三焦点状态检测像素的光接收区域对设置在光接收区域对在相关像素内相互偏移预定量的位置。此外，所采用的结构使得能够独立读取从光接收区域对的各区域中通过光电转换获得的各信号。
根据本第二实施例，提供在x方向上分割拍摄镜头5的光瞳的焦点状态检测像素组和在y轴上分割拍摄镜头5的光瞳的焦点状态检测像素组。以下，给出涉及在x方向上分割拍摄镜头5的光瞳的焦点状态检测像素的说明。
图9是图8所示的图像传感器10的沿着B-B’平面的截面图。
图9的右侧的像素表示能够接收透过拍摄镜头5的整个光瞳区域的光束的普通摄像像素。图9的左侧的像素表示能够接收来自拍摄镜头5的一部分的光瞳区域的光束的焦点状态检测像素。在图9中，由相同的附图标记表示与图3中所示的组件具有相同功能的组件。
如图9所示，在硅基板110内部形成光电转换器111。将在光电转换器111生成的信号电荷通过未示出的浮动扩散部、第一电极131和第二电极132输出至外部。在光电转换器111和第一电极131之间形成层间介电膜121。在第一电极131和第二电极132之间形成层间介电膜122。在第二电极132的入射光侧形成层间介电膜123，并且在层间介电膜123上形成钝化膜140和平坦化层150。在平坦化层150的入射光侧形成滤色器层151或透明滤光器层154、平坦化层152和微透镜153。在这种情况下，设计微透镜153的倍率以使得拍摄镜头5的光瞳与光电转换器111基本上相互共轭。
将透过拍摄镜头5的被摄体光会聚在图像传感器10的附近。此外，到达图像传感器10的各像素的光被微透镜153折射，并被会聚至光电转换器111。在这种情况下，第一电极131和第二电极132被设计为不遮挡入射光的透射。
在普通摄像时作为缺陷像素处理的图中左侧的焦点状态检测像素中，用氧化膜层112将光电转换器111分割成第一光电转换器111_1和第二光电转换器111_2。此外，在光电转换器111_2的入射光侧利用钨形成遮光层113_1～113_3。结果，在图中的左侧的焦点状态检测像素的光电转换器111_1和光电转换器111_2可以接收透过拍摄镜头5的光瞳的一部分的光束。此外，为了防止来自焦点状态检测像素的光电转换器111的输出减小，利用不吸收光的具有高透射率的树脂形成焦点状态检测像素的透明滤光器层154。
图10是示出在图像传感器10的一部分上设置的焦点状态检测像素在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布的图。根据本第二实施例，焦点状态检测像素的光电转换器具有图10中示出的4种接收光的分布中的任意一种。
在图10中，附图标记1001表示在图8中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pc在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布。焦点状态检测像素Pc的已经被分割为两部分的光电转换器的开口部分的重心相对于像素的中心在+x方向上偏移。因此，焦点状态检测像素Pc的第一光电转换器的光接收区域Sα1和第二光电转换器的光接收区域Sβ1的重心在拍摄镜头的出射光瞳上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)在-x方向上偏移。
例如，假定由于制造误差，微透镜153相对于光电转换器111在+x方向上从设计值偏移。在这种情况下，拍摄镜头5的光瞳上的焦点状态检测像素Pc的第一光电转换器的光接收区域Sα1和第二光电转换器的光接收区域Sβ1相对于设计值在+x方向上偏移。结果，第一光电转换器的光接收区域Sα1和第二光电转换器的光接收区域Sβ1的重心朝向拍摄镜头5的光轴偏移。因此，增强了从两个光电转换器输出的两个焦点状态检测图像之间的相关性，并且焦点状态检测精度增加。
附图标记1002表示在图8中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pb在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布。焦点状态检测像素Pb的已经被分割为两部分的光电转换器的开口部分的重心与像素的中心大约一致。因此，焦点状态检测像素Pb的第一光电转换器的光接收区域Sα2和第二光电转换器的光接收区域Sβ2的重心在拍摄镜头的出射光瞳上与光轴(图中x轴和y轴的交点)大约一致。在这种情况下，焦点状态检测像素Pc的第二光电转换器的光接收区域Sβ1和焦点状态检测像素Pb的第一光电转换器的光接收区域Sα2大约一致。
例如，假定由于制造误差，微透镜153相对于光电转换器111从设计值偏移。在这种情况下，拍摄镜头5的光瞳上的焦点状态检测像素Pb的第一光电转换器的光接收区域Sα2和第二光电转换器的光接收区域Sβ2相对于设计值偏移。尽管第一光电转换器的光接收区域Sα2和第二光电转换器的光接收区域Sβ2的重心从拍摄镜头5的光轴偏移，并且光接收区域Sα2和Sβ2之间的面积比也变化，但面积比的变化小。结果，尽管从两个光电转换器输出的两个焦点状态检测图像之间的相关性下降，但可以使用两个焦点状态检测图像来进行焦点状态检测。
附图标记1003表示在图8中的图像传感器10的部分平面图中所示的焦点状态检测像素Pa在拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布。焦点状态检测像素Pa的已经被分割为两部分的光电转换器的开口部分的重心相对于像素的中心在-x方向上偏移。因此，焦点状态检测像素Pa的第一光电转换器的光接收区域Sα3和第二光电转换器的光接收区域Sβ3的重心在拍摄镜头5的出射光瞳上相对于光轴(图中x轴和y轴的交点)在+x方向上偏移。在这种情况下，焦点状态检测像素Pb的第二光电转换器的光接收区域Sβ2和焦点状态检测像素Pa的第一光电转换器的光接收区域Sα3大约一致。
例如，假定由于制造误差，微透镜153相对于光电转换器111在-x方向上从设计值偏移。在这种情况下，拍摄镜头5的光瞳上的焦点状态检测像素Pa的第一光电转换器的光接收区域Sα3和第二光电转换器的光接收区域Sβ3相对于设计值在-x方向上偏移。结果，第一光电转换器的光接收区域Sα3和第二光电转换器的光接收区域Sβ3的重心朝向拍摄镜头5的光轴偏移。因此，增强了从两个光电转换器输出的两个焦点状态检测图像之间的相关性，并且焦点状态检测精度增加。
附图标记1000表示在图8中的图像传感器10的部分平面图中所示的普通摄像像素的拍摄镜头5的光瞳上的接收光的设计分布。普通摄像像素被配置为不利用诸如钨等的遮光层防止光透过至光电转换器。因此，普通摄像像素的光电转换器可以接收透过拍摄镜头5的整个光瞳区域Sγ的光束。
应当注意，上述说明是关于在x轴方向上分割光电转换器的焦点状态检测像素的，但同样的说明也适用于如图8所示在y轴方向上分割光电转换器的焦点状态检测像素。
如上所述，根据第二实施例，焦点状态检测像素的光电转换器具有接收光的分布的重心存在于x轴或y轴上的6种结构中的任意一种。因此，即使在图像传感器10的微透镜和光电转换器之间发生偏移，也可以利用焦点状态检测像素组中的一个组进行焦点状态检测。
尽管已经说明了第二实施例的图像传感器10由焦点状态检测像素和普通摄像像素构成的例子，但也可以采用以下结构：图像传感器10仅包括具有3种接收光的分布的焦点状态检测像素组，其中各光电转换器的接收光的分布的重心存在于x轴和y轴中的每个轴上。在这种情况下，当拍摄普通图像时，可以通过将具有不同的接收光的分布的光电转换器的输出相加来生成图像。
此外，根据第一实施例中的焦点状态检测像素，由使用电极来防止光的一部分透过光电转换器的遮光层而形成开口。根据第二实施例中的焦点状态检测像素，由使用钨来防止光的一部分透过光电转换器的遮光层形成开口。关于这点，遮光的方法可以相对于第一实施例和第二实施例相反。在这种情况下，与在电极的情况下相比，在第二实施例中所述的使用钨来遮光的方法可以在更靠近光电转换器的位置处遮光。因此，在第二实施例中所述的使用钨来遮光的方法更好，因为普通摄像像素和焦点状态检测像素的成像位置比在使用电极的方法的情况下更近。
尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。
本申请要求于2008年11月27日提交的日本专利申请2008-302906的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

Claims (4)

1.一种输出用于检测拍摄镜头的焦点状态的信号的固态摄像元件，包括：
微透镜；
其特征在于，所述固态摄像元件还包括：
多个光接收像素，用于输出用于形成普通图像的信号；
多个第一焦点状态检测像素对，其设置在第一行和第二行，用于输出用于形成焦点状态检测用的一对图像的信号，其中，与所述光接收像素相比，所述第一焦点状态检测像素对的开口区域较小，并且所述第一焦点状态检测像素对的开口区域利用电极形成在偏移位置；以及
多个第二焦点状态检测像素对，其设置在第三行和第四行，用于输出用于形成焦点状态检测用的一对图像的信号，其中，与所述光接收像素相比，所述第二焦点状态检测像素对的开口区域较小，并且所述第二焦点状态检测像素对的开口区域利用电极形成在偏移位置，
其中，所述多个第一焦点状态检测像素对和所述多个第二焦点状态检测像素对设置在开口区域的偏移方向上，并且所述第一焦点状态检测像素对的开口区域的偏移量和所述第二焦点状态检测像素对的开口区域的偏移量不同。
2.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其特征在于，还包括：
多个第三焦点状态检测像素对，其设置在第五行和第六行，用于输出用于形成焦点状态检测用的一对图像的信号，其中，与所述光接收像素相比，所述第三焦点状态检测像素对的开口区域较小，并且所述第三焦点状态检测像素对的开口区域以与所述第一焦点状态检测像素对和所述第二焦点状态检测像素对的开口区域的偏移量不同的偏移量、利用电极形成在偏移位置，
其中，所述多个第三焦点状态检测像素对设置在开口区域的偏移方向上，并且所述第一焦点状态检测像素对的开口区域和所述第二焦点状态检测像素对的开口区域位于相对于所述第三焦点状态检测像素对的开口区域的位置的对称位置。
3.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其特征在于，在第一焦点状态检测像素对和第二焦点状态检测像素对中，通过用于防止光的一部分到达光电转换器的电极限制开口来形成开口。
4.一种摄像设备，其特征在于，包括：
根据权利要求1所述的固态摄像元件，其设置在拍摄镜头的预定成像面上；
计算部件，用于基于第一焦点状态检测像素对和第二焦点状态检测像素对的开口区域的位置、所述第一焦点状态检测像素对和所述第二焦点状态检测像素对在所述固态摄像元件中的位置、以及与所述拍摄镜头有关的信息，来计算所述拍摄镜头的光瞳上的与所述第一焦点状态检测像素对中的一个焦点状态检测像素的开口区域相对应的区域、相对于所述拍摄镜头的光瞳上的与所述第一焦点状态检测像素对中的另一个焦点状态检测像素的开口区域相对应的区域的面积比，以及计算所述拍摄镜头的光瞳上的与所述第二焦点状态检测像素对中的一个焦点状态检测像素的开口区域相对应的区域、相对于所述拍摄镜头的光瞳上的与所述第二焦点状态检测像素对中的另一个焦点状态检测像素的开口区域相对应的区域的面积比；
检测部件，用于使用从所述第一焦点状态检测像素对和所述第二焦点状态检测像素对中的、所述计算部件所计算出的面积比在预定范围内的焦点状态检测像素对输出的一对图像，检测焦点状态；以及
控制部件，用于基于所述检测部件所检测到的焦点状态，控制所述拍摄镜头。
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