CN102740006B - 图像传感器和摄像设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像传感器和摄像设备。使得摄像像素的电荷累积层的电容与调焦像素的电荷累积层的电容不同，从而减小由于摄像像素和调焦像素的光接收效率之间的差引起的饱和电容的差。考虑摄像像素和调焦像素的光接收效率之间的比随着出射光瞳距离和光圈值中至少之一的变化的变化，来确定摄像像素的电荷累积层的电容和调焦像素的电荷累积层的电容之间的比。

Description

图像传感器和摄像设备

技术领域

本发明涉及图像传感器和摄像设备。

背景技术

已提出一种使用包括各自形成有微透镜的像素的二维图像传感器、利用相位差检测方法进行摄像镜头的焦点检测的摄像设备。

日本特开2000-156823公开了包括配置在包括多个像素的二维图像传感器上的多对调焦像素的摄像设备。一对调焦像素被配置为使用包括开口的遮光层、从摄像镜头的出射光瞳中的不同区域接收光束，从而进行光瞳分割。通过配置在二维图像传感器的大部分中的摄像像素来获得摄像信号，并且基于来自配置在该图像传感器的某些部分中的调焦像素的信号获得散焦量，从而允许焦点检测。

而且，日本特开2004-320270公开了包括低灵敏度和高灵敏度的光电二极管的CCD(图像传感器)。在日本特开2004-320270中，在低灵敏度和高灵敏度的光电二极管之间，源极跟随器电路(放大器电路)的浮动扩散(电荷累积层)的电容变化，从而减小信号强度的差。

日本特开2000-156823中所述的调焦像素使用图像传感器中形成的遮光层部分遮挡穿过摄像镜头的出射光瞳的光束，从而进行光瞳分割。因为遮光层不影响摄像像素，所以摄像像素具有比调焦像素高的透过率和光接收效率。因此，在摄像像素和调焦像素之间生成饱和电容的差异。

为了处理该差异，可以使分别在摄像像素和调焦像素中形成的源极跟随器电路的浮动扩散的电容不同。

然而，呈现给定光瞳强度分布的区域(光瞳区域)的重心的位置在调焦像素和摄像像素之间变化。因此，调焦像素和摄像像素之间的光接收效率比不恒定，并且根据例如成像光学系统的出射光瞳距离(出射光瞳至成像面的距离)和设置变化(光圈值)而显著变化。这意味着简单地通过改变各类型的像素中浮动扩散的电容不能充分减小摄像像素和调焦像素之间的饱和电容的差异。

发明内容

考虑到上述的传统问题做出了本发明，并且本发明提供一种包括饱和电容的差异较小的摄像像素和调焦像素的图像传感器。

本发明的第一方面提供一种图像传感器，包括：摄像像素，包括第一电荷累积层并接收穿过成像光学系统的第一光瞳区域的光束；以及调焦像素，包括第二电荷累积层并接收穿过所述成像光学系统的第二光瞳区域的光束，其中，所述调焦像素还包括遮光层，所述遮光层包括开口，并且所述遮光层在所述调焦像素中形成为使得所述第一光瞳区域大于所述第二光瞳区域、并且所述第一光瞳区域的重心位置不同于所述第二光瞳区域的重心位置，以及其中，所述第一电荷累积层的电容和所述第二电荷累积层的电容之比具有根据如下比的平均值和最接近1的值中的一个所确定的值：该比是所述摄像像素的光接收效率和所述调焦像素的光接收效率之比，并且该比根据所述成像光学系统的出射光瞳距离和光圈值中至少之一的变化而变化。

本发明的第二方面提供一种包括根据本发明的第一方面所定义的图像传感器的摄像设备。

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是示出例示了使用根据本发明第一实施例的图像传感器的摄像设备的数字静态照相机的功能结构的例子的框图；

图2是示出本发明第一实施例中的图像传感器的像素阵列的例子的图；

图3A和3B分别是本发明第一实施例中的图像传感器的调焦像素220SA的平面图和垂直截面图；

图4A和4B分别是本发明第一实施例中的图像传感器的调焦像素220SB的平面图和垂直截面图；

图5A和5B分别是本发明第一实施例中的图像传感器的摄像像素的平面图和垂直截面图；

图6是本发明第一实施例中的图像传感器的像素的示意电路图；

图7A～7C是用于说明本发明第一实施例中的图像传感器的两种类型的调焦像素和摄像像素的垂直截面与成像光学系统的出射光瞳面之间的关系的图；

图8A和8B是示出本发明第一实施例中的图像传感器的光瞳分割的概略和光瞳强度分布的例子的图；

图9是示出光圈值和摄像像素与调焦像素之间的光接收效率比的关系的例子的图；

图10是示出光圈值和摄像像素与调焦像素之间的光接收效率比的关系的其它例子的图；

图11是示出光圈值和摄像像素与调焦像素之间的光接收效率比的关系的其它例子的图；

图12是示出光圈值和摄像像素与调焦像素之间的光接收效率比的关系的其它例子的图；

图13A和13B分别是本发明第二实施例中的调焦像素220SA的平面图和垂直截面图；以及

图14是本发明第三实施例中的图像传感器的像素的示意电路图。

具体实施方式

现在将根据附图详细说明本发明的典型实施例。

第一实施例

图1是示出例示了使用根据本发明第一实施例的图像传感器的摄像设备的数字静态照相机100(以下简称为照相机100)的功能结构的例子的框图。

第一透镜组101配置在成像光学系统的前端并被保持为可沿着光轴前后移动。快门102不仅用作控制拍摄静止图像时的曝光时间的快门，还用作调节开口大小以调节摄像时的光量的光圈。在快门102的背面(图像传感器侧)上配置的第二透镜组103可以与快门102一起沿着光轴前后移动，并且与第一透镜组101一起实现变焦功能。

第三透镜组105用作调焦透镜，并且可以沿着光轴前后移动。光学低通滤波器106配置在图像传感器107的前面并减少所拍摄图像中生成的伪色和摩尔纹。图像传感器107由二维CMOS图像传感器及其外围电路形成。在本实施例中，图像传感器107是由二维配置m(水平)×n(垂直)光接收元件(像素)所形成的二维单板彩色图像传感器，这些光接收元件包括以拜尔模式配置的原色马赛克滤波器。颜色滤波器针对各像素限制入射到光接收元件上的透过光的波长。

变焦致动器111根据变焦驱动电路129的控制枢转凸轮筒(未示出)来驱动第一透镜组101和第三透镜组105中至少之一，从而实现变焦(变倍)功能。快门致动器112根据快门驱动电路128的控制来控制快门102的开口大小以调节摄像光量，并控制拍摄静止图像时的曝光时间。

调焦致动器114根据调焦驱动电路126的控制来沿着光轴驱动第三透镜组105。

电子闪光灯115可以用作使用氙管的电子闪光照明装置，还可以用作包括持续发光的LED的照明装置。AF辅助光输出单元116经由光投射透镜将具有预定开口图案的掩模的图像投影至视野，以提高对低亮度被摄体和低对比度被摄体的焦点检测能力。

CPU 121控制整个照相机100的操作并包括例如运算单元、ROM、RAM、A/D转换器、D/A转换器和通信接口电路(都未示出)。CPU 121执行ROM中存储的程序以控制照相机100中设置的各种电路，从而实现诸如AF、AE、图像处理和记录等的照相机100的功能。

电子闪光灯控制电路122与摄像操作同步地控制电子闪光灯115的开启/关闭。辅助光驱动控制电路123在焦点检测操作时控制AF辅助光输出单元116的开启/关闭。图像传感器驱动电路124控制图像传感器107的操作，对从图像传感器107读出的图像信号进行A/D转换，并将所获得的图像信号输出至CPU 121。图像处理电路125对图像信号应用诸如伽玛变换、颜色补偿和JPEG编码等的各种图像处理。

调焦驱动电路126基于焦点检测结果驱动调焦致动器114以使第三透镜组105沿着光轴移动，从而进行调焦。快门驱动电路128驱动快门致动器112以控制快门102的开口大小和打开/关闭定时。变焦驱动电路129根据在按下例如操作开关132中包括的变焦操作开关时从拍摄者输入的变焦操作来驱动变焦致动器111。

显示器131用作例如LCD并显示例如与照相机100的摄像模式相关联的信息、摄像前的预览图像、摄像后的确认图像和焦点检测时的焦点状态的信息等。操作开关132包括例如电源开关、释放(摄像触发器)开关、变焦操作开关和摄像模式选择开关。记录介质133用作例如可拆卸半导体存储器并记录所拍摄图像。

图像传感器的像素阵列

图2是在12(列)×12(行)像素的范围中示出本实施例的图像传感器107的像素阵列的例子的图。以相同的图案在图像传感器107的摄像画面上配置像素。在本实施例中，图像传感器107的摄像画面的大小是22.3mm(水平)×14.9mm(垂直)，像素间距是4μm，以及有效像素数为5575(行)×3725(列)＝大约2千万。

如图2所示，图像传感器107的像素由2(行)×2(列)摄像像素210和2(行)×2(列)调焦像素220形成。摄像像素210包括被配置为两个对角像素并具有G(绿色)的光谱灵敏度的摄像像素210G、被配置为其余两个像素中的一个像素并具有R(红色)的光谱灵敏度的摄像像素210R、和被配置为其余两个像素中的另一个像素并具有B(蓝色)的光谱灵敏度的摄像像素210B。而且，调焦像素220包括被配置为两个对角像素并具有G的光谱灵敏度的摄像像素220G、以及被配置为其余两个像素的调焦像素220SA和220SB。如后所述，在本实施例中，调焦像素220SA和220SB具有G(绿色)的光谱灵敏度。

图3A是从图像传感器107的光接收面侧(+z侧)观察时的调焦像素220SA的平面图，以及图3B是从-y侧观察时的沿图3A中的截面a-a的截面图。而且，图4A是从图像传感器107的光接收面侧(+z侧)观察时的调焦像素220SB的平面图，以及图4B是从-y侧观察时的沿图4A中的截面b-b的截面图。此外，图5A是从图2所示的图像传感器107的光接收面侧(+z侧)观察时的图像传感器107的一个摄像像素220G的平面图，以及图5B是从-y侧观察时的沿图5A中的截面c-c的截面图。注意，为了简化，图3B、4B和5B未示出传输栅极304和n⁺浮动扩散(n型电荷累积层)303a、303b和303。

如图3B所示，在调焦像素220SA中形成具有pin结构的光电二极管(光电转换单元)PD，其中，在pin结构中，n本征层302夹在p型层300和n型层301之间。调焦像素220SA的光电转换单元PD具有在图3B中所示的n本征层302中形成的耗尽层的区域及在耗尽层周围的与少数载流子的扩散距离相对应的区域，因此光电转换单元PD具有面积上与n本征层302和n型层301的总面积接近相等的区域。根据需要，可以用pn结光电二极管来代替n本征层302。对调焦像素220SB以及摄像像素220G、210R、210G和210B同样适用。

如图3B、4B和5B所示，在本实施例中各像素的光接收侧上形成用于会聚入射光的微透镜305。而且，在相对于光电转换单元PD的微透镜305侧上形成用于通过选择光接收波长来进行颜色分离的颜色滤波器306。如上所述，在本实施例中，在调焦像素220SA和220SB以及摄像像素220G中形成G滤波器。同样，在摄像像素210R中形成R滤波器，在摄像像素210G中形成G滤波器，以及在摄像像素210B中形成B滤波器。可以根据需要形成其它颜色的滤波器。可选地，可以使用W(白色)像素来代替形成颜色滤波器。

在图3A和3B所示的调焦像素220SA中，在微透镜305和光电转换单元PD之间形成具有开口310a’的遮光层310a用于光瞳分割。遮光层310a中的开口310a’的重心相对于光电转换单元PD的光接收面的重心在-x方向上偏移。在图3A中由虚线表示遮光层310a中的开口310a’。

另一方面，在图4A和4B所示的调焦像素220SB中，在微透镜305和光电转换单元PD之间形成具有开口310b’的遮光层310b用于光瞳分割。遮光层310b中的开口310b’的重心相对于光电转换单元PD的光接收面的重心在+x方向上偏移。在图4A中由虚线表示遮光层310b中的开口310b’。

尽管在第一实施例中，分别具有开口310a’和310b’的遮光层310a和310b也用作互连层，但可以单独形成互连层和遮光层。

而且，如图3A和4A所示，在调焦像素220SA和220SB中，用作第二电荷累积层的n型电荷累积层303a和303b经由传输栅极304连接至光电转换单元PD。同样，如图5A所示，在摄像像素220G中，用作第一电荷累积层的n型电荷累积层303经由传输栅极304连接至光电转换单元PD。

入射到图5A和5B所示的摄像像素220G上的光通过微透镜305会聚并由光电转换单元PD接收。在光电转换单元PD中，与入射光量相对应地生成电子空穴对，并且通过耗尽层分离电子空穴对。然后，在n型层301中累积带负电的电子，同时经由连接至恒定电压源(未示出)的p型层300将带正电的空穴排出至图像传感器107外部。

另一方面，入射到分别在图3A和3B以及图4A和4B中示出的调焦像素220SA和220SB的光通过微透镜305会聚，并且会聚后的光的特定成分穿过遮光层310a和310b中的开口并由光电转换单元PD接收。这意味着摄像像素220G具有比调焦像素220SA和220SB高的光透过率，即比调焦像素220SA和220SB好的光接收效率。

因此，当摄像像素220G以及调焦像素220SA和220SB包括具有相同光谱透过率的颜色滤波器并接收相同的入射光量时，由摄像像素220G生成的电荷Q_IMG的量大于由各调焦像素220SA和220SB生成的电荷Q_AF的量。

将说明各像素的累积操作控制。图6是图5A和5B所示的摄像像素220G的示意电路图。在图6中，与图5A和5B相同的附图标记表示相同的构成元件。附图标记300表示p型层，附图标记301表示n型层，附图标记302表示n本征层，附图标记303表示n型电荷累积层，以及附图标记304表示传输栅极，附图标记Tsf表示源极跟随器MOS晶体管。而且，附图标记Vdd和Vss(Vdd>Vss)表示电源电压，附图标记φT表示传输栅极电压，附图标记φR表示复位栅极电压，附图标记φS表示像素选择栅极电压，以及附图标记φL表示线选择栅极电压。

首先，为了复位各像素的光电转换单元PD，同时接通所有行上的传输栅极电压φT和复位栅极电压φR。在同时断开传送栅极电压φT和复位栅极电压φR的瞬间，开始累积操作以使得与由各像素的光电转换单元PD接收到的光量相对应地在n型层301中累积电荷。在累积进行了期望时间之后，再次接通和断开所有行上的传输栅极电压φT，以使得将各像素中的信号电荷一次从像素的n型层301传输至n型电荷累积层303。针对各行接通/断开选择栅极电压φS以使得针对各行顺次读出传输至n型电荷累积层303的信号电荷。而且，可以通过接通/断开线选择栅极电压φL来顺次选择要读取信号的列。在分别利用n型电荷累积层303a和303b代替上述的n型电荷累积层303时，以相同方式进行调焦像素220SA和220SB的累积操作控制。

在传输栅极304的控制下将摄像像素220G的n型层301中累积的电荷Q_IMG传输至n型电荷累积层303，由源极跟随器电路放大，并转换成电压信号V_IMG。同样，在传输栅极304的控制下将各调焦像素220SA和220SB的n型层301中累积的电荷Q_AF传输至n型电荷累积层303a和303b中相对应的一者，由源极跟随器电路放大，并转换成电压信号V_AF。

将参考图7A～7C说明光瞳分割和各像素的遮光层310a或310b中的开口310a’或310b’之间的对应关系。图7A和7B分别示出成像光学系统的出射光瞳面与在图3B和4B中示出的调焦像素220SA和220SB的垂直截面图之间的关系。而且，图7C示出成像光学系统的出射光瞳面和摄像像素220G的垂直截面图之间的关系。在图7A～7C中，为了简单地观察与出射光瞳面的坐标轴的对应关系，反转图3A和3B、4A和4B以及5A和5B的截面图中的x轴和y轴。

图7A～7C所示的出射光瞳面具有成像光学系统的出射光瞳400、摄像像素220G的光瞳强度分布范围500、调焦像素220SA的光瞳强度分布范围511和调焦像素220SB的光瞳强度分布范围521。

来自被摄体的光束穿过成像光学系统的出射光瞳400并入射至各像素。

参考图7C，摄像像素220G的光瞳强度分布范围500使用微透镜305来维持与光电转换单元PD的光接收面的近似共轭关系，并表示摄像像素220G可以接收光的光瞳区域(第一光瞳区域)。光瞳距离是几十毫米，而微透镜305的直径是几微米。因此，微透镜305具有数万的光圈值，由此以几十毫米的量级生成衍射模糊。当这种情况发生时，光电转换单元PD的光接收面上的图像不是变得清晰，而是具有给定的光接收比分布范围。

摄像像素220G的光瞳强度分布范围500被设置为使得光接收区域尽可能宽以允许摄像像素220G接收更大量的穿过出射光瞳400的光束，并且摄像像素220G的光瞳强度分布范围500的重心与光轴近似一致。

参考图7A，调焦像素220SA的光瞳强度分布范围511使用微透镜305来维持与遮光层310a中具有在-x方向上偏移的重心的开口310a’的近似共轭关系，并且调焦像素220SA的光瞳强度分布范围511表示调焦像素220SA可以接收光的光瞳区域。调焦像素220SA的光瞳强度分布范围511具有比摄像像素220G的光瞳强度分布范围500窄的光接收区域，并具有在+x方向上偏移的重心。

另一方面，参考图7B，调焦像素220SB的光瞳强度分布范围521使用微透镜305来维持与遮光层310b中具有在+x方向上偏移的重心的开口310b’的近似共轭关系，并且调焦像素220SB的光瞳强度分布范围521表示调焦像素220SB可以接收光的光瞳区域。调焦像素220SB的光瞳强度分布范围521具有比摄像像素220G的光瞳强度分布范围500窄的光接收区域，并具有在光瞳面上-x方向上、即在与调焦像素220SA中相反的方向上偏移的重心。以下将与调焦像素220SA和220SB相对应的成像光学系统的光瞳区域总称为第二光瞳区域。

图8A示出调焦像素220SA的光瞳强度分布范围511、调焦像素220SB的光瞳强度分布范围521和摄像像素220G的光瞳强度分布范围500之间的关系。而且，图8B针对调焦像素220SA用虚线、针对调焦像素220SB用点划线并且针对图像传感器107用实线来示出出射光瞳的沿x轴的光瞳强度分布范围的例子。通过在x轴方向上分割出射光瞳来获得调焦像素220SA的光瞳强度分布范围和调焦像素220SB的光瞳强度分布范围。同样，当使遮光层310a或310b中的开口310a’或310b’的重心在y轴方向上偏移时，可以在y轴方向上分割出射光瞳。

如图2所示，将从在x轴方向上规则排列的调焦像素220SA获得的被摄体图像定义为图像A。同样，将从在x轴方向上规则排列的调焦像素220SB获得的被摄体图像定义为图像B。通过检测图像A和B之间的散焦量(相对位置)，可以检测在x轴方向上具有亮度分布的被摄体图像的散焦量(焦点偏移量)。

在图7A所示的调焦像素220SA的成像光学系统中，将出射光瞳400内的光瞳强度分布范围511的重心定义为CA，以及在图7B所示的调焦像素220SB的成像光学系统中，将出射光瞳400内的光瞳强度分布范围521的重心定义为CB。将基线长度定义为这两个重心之间的间隔CA-CB。随着基线长度的绝对值增大，针对被摄体图像的散焦量的图像A和B之间的散焦量增大，由此提高了焦点检测精度。

确定N型电荷累积层的电容的方法

在第一实施例中，在调焦像素220SA和220SB中形成与摄像像素220G的滤波器相同的G滤波器，从而这些像素的颜色滤波器具有相同的光谱透过率。摄像像素220G具有比调焦像素220SA和220SB的光瞳区域大的光瞳区域。因此，当这些像素接收相同量的入射光时，由摄像像素220G生成的电荷Q_IMG的量大于由各调焦像素220SA和220SB生成的电荷Q_AF的量。

假定摄像像素220G的n型电荷累积层303的电容C_IMG等于调焦像素220SA和220SB的n型电荷累积层303a和303b各自的电容C_AF。在该情况下，摄像像素220G的n型电荷累积层303较早地饱和，由此生成摄像像素220G与各调焦像素220SA和220SB之间的饱和电容的差异。

通过以下说明使得摄像像素和调焦像素的饱和电容相等的条件：

$\frac{Q_{\mathrm{IMG}}}{C_{\mathrm{IMG}}}=\frac{Q_{\mathrm{AF}}}{C_{\mathrm{AF}}}---\left(1\right)$

从等式(1)，得到：

$\frac{C_{\mathrm{AF}}}{C_{\mathrm{IMG}}}=\frac{Q_{\mathrm{AF}}}{Q_{\mathrm{IMG}}}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{AF}}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{IMG}}}---\left(2\right)$

其中，η_IMG是摄像像素220G的光接收效率，以及是η_AF是各调焦像素220SA和220SB的光接收效率。

因此，为了减小摄像像素220G与各调焦像素220SA和220SB之间的饱和电容的差异，仅需要使电容比Q_AF/Q_IMG与光接收效率比η_AF/η_IMG接近相等，其中，电容比Q_AF/Q_IMG是通过将调焦像素220SA和220SB的n型电荷累积层303a和303b各自的电容除以摄像像素220G的n型电荷累积层303的电容而获得的，而光接收效率比η_AF/η_IMG是通过将各调焦像素220SA和220SB的光接收比除以摄像像素220G的光接收比所获得的。

在上述操作时，在本实施例中，使得摄像像素220G的n型电荷累积层303的电容C_IMG与调焦像素220SA和220SB的n型电荷累积层303a和303b各自的电容C_AF不同。这使得可以减小摄像像素220G与各调焦像素220SA和220SB之间的饱和电容的差异。

更具体地，在第一实施例中，将摄像像素220G的n型电荷累积层303的电容C_IMG设置得比调焦像素220SA和220SB的n型电荷累积层303a和303b各自的电容C_AF高。

然而，在第一实施例中，为了进行相位差检测方法的焦点检测，摄像像素220G的光瞳强度分布区域(光瞳区域)的重心的位置与调焦像素220SA和220SB的光瞳区域的重心的位置不同。由于光瞳区域的重心位置的差异，摄像像素220G与各调焦像素220SA和220SB之间的光接收效率比η_AF/η_IMG随着像高、成像光学系统的出射光瞳距离和光圈值显著变化。

图9～11示出在离传感器中心大约5mm的像高处、光圈值F和摄像像素220G与各调焦像素220SA和220SB之间的光接收效率比η_AF/η_IMG之间的关系的具体例子。在横轴上示出光圈值F，在纵轴上示出光接收效率比η_AF/η_IMG，由实线表示摄像像素220G和调焦像素220SA(图像A的调焦像素)之间的光接收效率比，以及由虚线表示摄像像素220G和调焦像素220SB(图像B的调焦像素)之间的光接收效率比。图9示出成像光学系统的出射光瞳距离是50mm的情况，图10示出成像光学系统的出射光瞳距离是100mm的情况，以及图11示出成像光学系统的出射光瞳距离是200mm的情况。

从图9中明显可见，随着光圈值F的变化，摄像像素220G和调焦像素220SB之间的光接收效率比从大约0.3到大约0.8显著变化。而且，从图9～11明显可见，随着成像光学系统的出射光瞳距离的变化，摄像像素220G和调焦像素220SB之间的光接收效率比从大约0.2到大约0.8显著变化。此外，从图9和11明显可见，根据出射光瞳距离，摄像像素220G和调焦像素220SA之间的光接收效率比以及摄像像素220G和调焦像素220SB之间的光接收效率比随着光圈值F的变化以相反的趋势变化。

假定基于摄像像素220G和调焦像素220SA(220SB)之间的光接收效率比η_AF/η_IMG最接近0的最小值、根据上述等式(2)来确定n型电荷累积层303的电容和n型电荷累积层303a(303b)的电容之比Q_AF/Q_IMG。在该情况下，由于光接收效率比随着成像光学系统的出射光瞳距离和光圈值F的变化而增大，因而调焦像素220SA和220SB比摄像像素220G饱和早的过校正发生。如果大量进行过校正，则摄像像素220G与各调焦像素220SA和220SB之间的饱和电容的差异可能变得比校正前大。

因此，在成像光学系统的出射光瞳距离和光圈值F的预定范围内的、摄像像素220G与各调焦像素220SA和220SB之间的光接收效率比的值中，获得最接近1的值(最大值)。根据该光接收效率比的值和等式(2)，确定n型电荷累积层303的电容C_IMG与n型电荷累积层303a和303b各自的电容C_AF之比。这使得可以避免光接收效率比变化的情况下的饱和电容的过校正。

图12示出在成像光学系统的出射光瞳距离是200mm的情况下、在离传感器中心大约10mm的像高处、光圈值和摄像像素220G与各调焦像素220SA和220SB之间的光接收效率比之间的关系的具体例子。在横轴上示出光圈值，在纵轴上示出光接收效率比，由实线表示摄像像素220G和调焦像素220SA(图像A的调焦像素)之间的光接收效率比，以及由虚线表示摄像像素220G和调焦像素220SB(图像B的调焦像素)之间的光接收效率比。从图11和12明显可见，在仅改变传感器像高前后的光接收效率比能够比较。

从图11和12之间的比较可以看出，摄像像素和调焦像素之间的光接收效率比η_AF/η_IMG也随着传感器像高的变化而显著变化。

通过根据成像光学系统的预定成像面上的传感器像高、确定n型电荷累积层303的电容C_IMG与n型电荷累积层303a和303b各自的电容C_AF之比，也可以应对光接收效率比随着像高变化的变化。更具体地，针对各传感器像高，仅需要根据在光圈值和出射光瞳距离在预定范围内变化的情况下的光接收效率比的值中、最接近1的值来确定电容比。可以适当确定针对给定传感器像高改变电容比的间隔。该间隔可以保持相同或者根据像高改变。

从电容比确定具体电容值的方法是没有限制的。然而，随着调焦像素的n型电荷累积层303a和303b各自的电容被减小以提高灵敏度，可以提高低照明区域中各调焦像素的S/N比，由此可以提高焦点检测精度。

如上所述，根据本实施例，考虑由于至少光圈值和出射光瞳距离的变化所引起的光接收效率比的变化来确定摄像像素的电荷累积层的电容和调焦像素的电荷累积层的电容之比。这使得可以满意地减小由于摄像像素和调焦像素的光接收效率之间的差异而引起的饱和电容的差异。

此外，可以通过根据像高确定该电容比获得更大的减小效果。

第二实施例

在第一实施例中，如在摄像像素220G中一样，在图2所示的调焦像素220SA和220SB中形成G滤波器。与此相反，在第二实施例中，代替在调焦像素220SA和220SB中形成颜色滤波器，调焦像素220SA和220SB用作W(白色)像素。

图13A是从图像传感器107的光接收面侧(+z侧)观察时的第二实施例的调焦像素220SA的平面图，以及图13B是从-y侧观察时的沿着图13A中的截面a-a的截面图。在本实施例的调焦像素220SA中，因为不形成颜色滤波器，所以可以提高光接收效率。注意，除了调焦像素220SB中的遮光层310b具有与调焦像素220SA中的遮光层310a不同的开口位置以外，调焦像素220SB具有与调焦像素220SA相同的结构。

在本实施例中，在摄像像素220G中形成G滤波器，而不在调焦像素220SA和220SB中形成颜色滤波器。这意味着调焦像素220SA和220SB具有比摄像像素220G高的光透过率。因此，摄像像素220G具有较大的光瞳区域，但是在摄像像素220G以及调焦像素220SA和220SB接收相同量的入射光时，各调焦像素220SA和220SB可以生成较大量的电荷。

因此，在本实施例中，将摄像像素220G的n型电荷累积层303的电容C_IMG设置得比调焦像素220SA和220SB的n型电荷累积层303a和303b各自的电容C_AF低。

在本实施例中，随着成像光学系统的出射光瞳距离和光圈值F的变化，调焦像素和摄像像素之间的光接收效率比变得既有1以上又有1以下。因此，可以使用调焦像素和摄像像素之间的光接收效率比的平均值来代替最接近1的光接收效率比的值。除了这点以外，可以以与第一实施例相同方式确定电容比C_AF/C_IMG。

根据本实施例，不仅可以获得根据第一实施例的效果，而且提高了各调焦像素的光接收效率，因此提高了调焦像素的S/N比，从而提高了焦点检测精度。

第三实施例

图14是根据第三实施例的摄像像素220G的示意电路图。在图14中，与图6相同的附图标记表示相同的构成元件，并且将不重复给出其说明。根据本实施例的摄像像素220G具有以下特征：经由电容调节栅极308将n型电荷累积层303连接至附加的n型电荷累积层307。

因此，通过合成n型电荷累积层303和附加的n型电荷累积层(附加的电荷累积层)307来形成本实施例中的源极跟随器电路的有效电荷累积层。当断开电容调节栅极电压φF时，仅使得n型电荷累积层303有效，因此所有电荷累积层的合成电容减小。另一方面，当接通电容调节栅极电压φF时，也使得n型电荷累积层307有效，从而所有电荷累积层的合成电容增大。

将图14所示的像素配置同样应用于调焦像素220SA和220SB。在该情况下，用n型电荷累积层303a和303b来代替n型电荷累积层303。

以这种方式，本实施例中的摄像像素220G以及调焦像素220SA和220SB具有以下特征。即，n型电荷累积层由多个n型电荷累积层303/303a/303b和307以及改变这些层的电容的栅极(电容调节栅极308)形成。利用该配置，使得各n型电荷累积层的电容可变。

注意，为了应对像素最小化，可以将各调焦像素220SA和220SB的光电转换单元的光接收区域设置得小于摄像像素220G的光电转换单元的光接收区域，并将图14所示的配置仅应用至调焦像素220SA和220SB。换句话说，在摄像像素220G中既不形成电容调节栅极308也不形成n型电荷累积层307(或者不使用作附加的电荷累积层的n型电荷累积层307有效)。

尽管在第一和第二实施例中，摄像像素220G的电荷累积层的电容与各调焦像素220SA和220SB的电荷累积层的电容之比不能动态变化，但在本实施例中可以进行变化。

因此，针对光圈值F、出射光瞳距离和像高中的一者，例如针对光圈值F，以与可以通过电容调节栅极308的控制实现的电容比的组合数相等的数量确定如在第一和第二实施例中所确定的那样的电容比。以实现所确定的电容比的方式确定n型电荷累积层303和307的电容，并且利用控制电路(未示出)根据光圈值F控制电容调节栅极308。

当将图14所示的配置应用至例如调焦像素220SA和220SB时，可以实现两个电容比C_AF/C_IMG。当使用根据第一实施例的方法时，在光圈值F的可变范围内确定两个电容比。例如，根据在光圈值F的第一和第二范围中分别最接近1的光接收效率比的值确定两个电容比，并且以能够实现各个电容比的方式确定n型电荷累积层303和307的电容的具体值。根据实际使用的光圈值接通/断开电容调节栅极308，从而实现与该光圈值相对应的、摄像像素220G与各调焦像素220SA和220SB之间的电容比。电容比可以根据出射光瞳距离、而不是光圈值F而变化。

注意，当电容比也根据像高变化时，可以针对各像高使用上述方法来确定多个电容比。

在上述例子中，为了容易说明和理解，设置了一组电容调节栅极308和附加的n型电容累积层307。然而，如可以容易理解的那样，理论上可以设置两组以上的电容调节栅极308和附加的n型电容累积层307以允许利用较高的精度进行控制。还可以在摄像像素220G中设置可变电容值，从而实现较大数量的电容比的组合。

而且，在本实施例中，可以任意确定是否在调焦像素220SA和220SB中形成颜色滤波器。如果不在这些像素中形成颜色滤波器，则可以使用第二实施例中所述的方法来确定电容比。

以这种方式，根据本实施例，当使得电荷累积层的电容动态可变时，不仅可以获得根据第一或第二实施例的效果，还可以更满意地减小由于摄像像素和调焦像素的光接收效率之间的差异而引起的饱和电容的差异。

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。

Claims (5)

1.一种图像传感器，包括：

摄像像素，包括第一电荷累积层并接收穿过成像光学系统的第一光瞳区域的光束；以及

调焦像素，包括第二电荷累积层并接收穿过所述成像光学系统的第二光瞳区域的光束，

其中，所述调焦像素还包括遮光层，所述遮光层包括开口，并且所述遮光层在所述调焦像素中形成为使得所述第一光瞳区域大于所述第二光瞳区域、并且所述第一光瞳区域的重心位置不同于所述第二光瞳区域的重心位置，以及

其中，所述第一电荷累积层的电容和所述第二电荷累积层的电容之比具有根据如下比的平均值和最接近1的值中的一个所确定的值：该比是所述摄像像素的光接收效率和所述调焦像素的光接收效率之比，并且该比根据所述成像光学系统的出射光瞳距离和光圈值中至少之一的变化而变化。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一电荷累积层的电容和所述第二电荷累积层的电容之比还根据所述图像传感器的像高而确定。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一电荷累积层的电容高于所述第二电荷累积层的电容。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的图像传感器，其特征在于，

所述第二电荷累积层包括多个电荷累积层和至少一个栅极，所述栅极用于调节所述多个电荷累积层的合成电容，以及

在所述成像光学系统的出射光瞳距离和光圈值之一的可变范围中，所述第一电荷累积层的电容和所述第二电荷累积层的合成电容之比具有与能够通过所述栅极的控制实现的合成电容的组合数相同的数量的值。

5.一种包括权利要求1所述的图像传感器的摄像设备。