CN103003944A - 固态成像装置 - Google Patents

Abstract

在相位差AF的固态成像装置中，改善了相位差检测像素的灵敏度，而没有增加成本。作为固态成像装置的CCD图像传感器10具有以预定图案布置的四种类型的像素：第一像素11a至第四像素11d。像素11a至11d分别具有PD20a至20d和微透镜21a至21d。微透镜21a至21d被排布为使得它们的光轴中心相对于PD20a至20d的光接收表面的中心分别在预定方向上偏心。微透镜21a至21d的每一个的一部分与相邻的像素11a、11b、11c或11d重叠。

Description

固态成像装置

技术领域

本发明涉及能够进行相位差方法或体视术的自动对焦的固态成像装置。

背景技术

例如，在专利文件1至3中公开了能够进行相位差方法的自动对焦(以下称为相位差AF)的固态成像装置。通过选择性地接收以特定角度入射在光电二极管(PD)的光接收表面上的光而实现相位差AF。

在专利文件1和2中，用于将光会聚在PD上的微透镜的光轴相对于通过光屏蔽膜而形成的开口的中心偏心，该光屏蔽膜覆盖PD。由此，像素(以下称为相位差检测像素)的PD的光接收表面取决于光入射角而选择性地接收光。当光屏蔽膜的开口偏心时，需要将开口的面积减小偏心量。这与正常像素相比降低了灵敏度，对于正常像素而言，微透镜的光轴与光屏蔽膜的开口的中心重合。

在专利文件3中提出的固态成像装置中提供了覆盖两个像素的瞳孔形成微透镜。在瞳孔形成微透镜下方提供了与相应的像素对应的两个瞳孔分割微透镜。瞳孔形成微透镜分离光束，使得光束取决于入射角而入射在PD上。当光束被瞳孔形成微透镜分离并且分离的光束分别被瞳孔分割微透镜会聚并且入射在像素的PD上时，不必减小光屏蔽膜的开口的大小。由此，使得开口的大小与正常像素的相同。与常规相位差检测像素相比，这改善了相位差检测像素的灵敏度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开公布No.59-033409

专利文献1：日本专利特开公布No.2000-156823

专利文献3：日本专利特开公布No.2007-158109

发明内容

本发明要解决的问题

在专利文件3中公开的配置改善了相位差检测像素的灵敏度。然而，另外需要用于形成瞳孔形成微透镜的处理，并且，增大了微透镜的厚度。由此，增加了用于微透镜的材料，并且微透镜的处理变难。结果，用于固态成像装置的成本增大。除了上述相位差检测像素的配置之外，已知微透镜的光轴相对于PD的光接收表面的中心偏心的配置。在该配置中，需要将微透镜的直径减小偏心量。这降低了相位差检测像素的灵敏度，类似于光屏蔽膜的偏心开口的情况。因此，期望在不增加成本的情况下改善在采用相位差AF的固态成像装置中的相位差检测像素的灵敏度。

本发明的目的是在不增加成本的情况下改善相位差检测像素的灵敏度。

解决问题的手段

为了实现上面的目的，本发明的固态成像装置具有彼此相邻地布置的相位差检测像素。相位差检测像素被提供有光电转换器和微透镜。光电转换器将入射光光电地转换为电荷，并且累积电荷。微透镜将光会聚在光电转换器上。微透镜的光轴相对于光电转换器的中心偏心，使得微透镜的一部分与相邻的相位差检测像素重叠。

相位差检测像素具有第一像素、第二像素、第三像素和第四像素。第一像素的微透镜在预定方向上偏心。第二像素的微透镜在与第一像素的微透镜的偏心方向相反的方向上偏心。第三像素的微透镜在与第一像素的微透镜的偏心方向大体正交的方向上偏心。第四像素的微透镜在与第三像素的微透镜的偏心方向相反的方向上偏心。

固态成像装置具有第一像素行和第二像素行。第一像素行具有在预定方向上交错地布置的第一像素和第二像素。第二像素行具有在与该预定方向相同的方向上交错地布置的第三像素和第四像素。第一和第二像素行在与第一和第二像素行大体正交的方向上交错地布置。第三像素和第四像素的每一个的微透镜被偏心地布置，以便与相邻的第一像素的一部分和相邻的第二像素的一部分重叠。第一像素和第二像素的每一个的微透镜被偏心地布置使得与相邻的第三像素的一部分和相邻的第四像素的一部分重叠。

相位差检测像素以蜂窝图案在水平和垂直方向上布置，在蜂窝图案中，在水平方向上相邻的相位差检测像素在垂直方向上彼此移位1/2节距。每一个像素行中的像素的布置方向是成像表面的上下方向。第一像素的微透镜的偏心方向在成像表面的向右方向上。第二像素的微透镜的偏心方向在成像表面的向左方向上。第三像素的微透镜的偏心方向在成像表面的向上方向上。第四像素的微透镜的偏心方向在成像表面的向下方向上。

在水平和垂直方向上以简单的正方形网格图案布置相位差检测像素。每一个像素行中的像素的布置方向在成像表面的斜45度方向上。第一像素的微透镜的偏心方向在成像表面的斜右下方向上。第二像素的微透镜的偏心方向在成像表面的斜左上方向上。第三像素的微透镜的偏心方向在成像表面的斜右上方向上。第四像素的微透镜的偏心方向在成像表面的斜左下方向上。

优选的是，每一个相位差检测像素的微透镜的偏心量大约是相位差检测像素的最大圆的半径的(4-√10)/3倍。最大圆具有中心点，该中心点是光电转换器的光接收表面的中心。

优选的是，固态成像装置包括绿色滤色器、红色滤色器和蓝色滤色器。绿色滤色器被提供给第一像素和第二像素，使得在第一像素行中的所有像素是绿色相位差检测像素。红色滤色器和蓝色滤色器被提供给第三像素和第四像素，使得第二像素行具有仅具有红色相位差检测像素的第二像素行和仅具有蓝色相位差检测像素的第二像素行。在第二像素行中，交错地布置仅具有红色相位差检测像素的第二像素行和仅具有蓝色相位差检测像素的第二像素行。

优选的是，固态成像装置包括电荷传送部，用于在与每一个像素行中的像素的布置方向大体平行的方向上传送在每一个光电转换器中累积的电荷。

相位差检测像素具有第一像素和第二像素。每一个第一像素的微透镜在预定方向上偏心。每一个第二像素的微透镜在与第一像素的微透镜的偏心方向相反的方向上偏心。固态成像装置包括：第一像素行，在每一个第一像素行中，第一像素在每一个微透镜的偏心方向上布置；以及，第二像素行，在每一个第二像素行中，第二像素在该偏心方向上布置。第一像素行和第二像素行在与偏心方向正交的方向上交错地布置。相邻的第一像素的微透镜偏心地布置，使得微透镜的一部分与第一像素的一部分重叠。第二像素的微透镜以类似的方式偏心。

固态成像装置包括：四个绿色滤色器，这四个绿色滤色器被提供给在与像素行正交的方向上布置的四个相应的像素；以及两个相邻的红色滤色器和两个相邻的蓝色滤色器，这两个相邻的红色滤色器和两个相邻的蓝色滤色器被提供给与具有绿色滤色器的四个像素相邻并且与其平行地布置的另外四个像素。滤色器在像素上以这八个滤色器为单位布置。

相位差检测像素具有：第一像素，在每一个第一像素中，微透镜的光轴中心与光电转换器的光接收表面的中心重合；第二像素，在每一个第二像素中，微透镜在预定方向上偏心；以及，第三像素，在每一个第三像素中，微透镜在与预定方向相反的方向上偏心。固态成像装置包括第一像素行、第二像素行和第三像素行。每一个第一像素行具有在第二像素和第三像素的每一个微透镜的偏心方向上布置的第一像素。每一个第二像素行具有在偏心方向上布置的第二像素。每一个第三像素行具有在偏心方向上布置的第三像素。第一像素行、第二像素行和第三像素行在与偏心方向大体正交的方向上以此顺序重复地布置。相邻的第二像素的微透镜偏心地布置，使得两个相邻的第二像素之一的微透镜与另一个第二像素重叠。第三像素的微透镜以类似的方式偏心。

相位差检测像素具有第一像素和第二像素。每一个第一像素的微透镜在预定方向上偏心。每一个第二像素的微透镜在与第一像素的微透镜的偏心方向相反的方向上偏心。固态成像装置包括：第一像素行，每一个第一像素行具有在每一个微透镜的偏心方向上布置的第一像素；以及，第二像素行，每一个第二像素行具有在偏心方向上布置的第二像素。第一像素行和第二像素行在与偏心方向大体正交的方向上以两行乘两行为基础布置。第一像素的微透镜的一部分与相邻的第一像素的一部分重叠。第二像素的微透镜的一部分与相邻的第二像素的一部分重叠。

固态成像装置包括向以2×2的网格图案布置的四个像素中斜向布置的两个相应像素提供的绿色滤色器、向剩余的两个像素之一提供的红色滤色器和向剩余的两个像素的另一个提供的蓝色滤色器。滤色器在拜耳(Bayer)图案的相应像素上以两个绿色滤色器、红色滤色器和蓝色滤色器为单位布置。

每一个微透镜在与偏心方向大体正交的方向上延长，使得每个微透镜的一部分和在与偏心方向大体正交的方向上相邻的像素重叠。

优选的是，δ是大约D/3，其中，δ表示每一个相位差检测像素的微透镜的偏心量，并且D表示在与微透镜的偏心方向平行的方向上相位差检测像素的布置节距。

优选的是，微透镜具有以下形状之一：半球形状、半椭球形状、多面体形状以及具有圆形顶点和线的多面体形状。

本发明的效果

根据本发明，微透镜的一部分与相邻的相位差检测像素重叠。由此，相位差检测像素的微透镜的面积大于或大体等于正常像素的微透镜的面积，在正常像素中，微透镜的光轴中心与光电转换器的光接收表面的中心重合。这改善了相位差检测像素的灵敏度。不必另外提供瞳孔形成微透镜。因此，没有成本的增加。

附图说明

图1是图示CCD图像传感器的配置的说明图；

图2是图示每一个像素的配置的说明图；

图3是图示被选择和放大的四种类型的像素的说明图；

图4是图示每一个像素被提供有滤色器的示例的说明图；

图5是图示两个相邻的像素之一具有高灵敏度并且另一个具有低灵敏度的布置的说明图；

图6是图示图5的像素的每一个被提供有滤色器的示例的说明图；

图7是图示像素被布置为对应于简单正方形网格图案的示例的说明图；

图8是图示像素被布置为使得以拜耳图案布置滤色器的示例的说明图；

图9是图示以拜耳图案来布置滤色器的示例的说明图；

图10是图示以两行乘两行为基础布置像素的示例的说明图，其中每一个像素具有在每个方向上偏心的微透镜；

图11是通过示例图示以在拜耳图案中的四个像素的全部微透镜在相同的方向上偏心的方式布置的滤色器的说明图；

图12是图示微透镜形成为多面体形状的示例的说明图；以及

图13是图示微透镜形成为具有圆形顶点和线的多面体形状的示例的说明图。

具体实施方式

(第一实施例)

如图1中所示，CCD图像传感器10被提供有多个像素11、多个垂直传送路径(以下称为VCCD)12、水平传送路径(以下称为HCCD)13、浮动扩散放大器(以下称为FDA)14以及元件隔离区域15。

像素11以预定的节距在垂直和水平方向上布置，并且累积与入射光对应的电荷。VCCD12的每一个构成电荷传送部，电荷传送部在垂直方向上传送由对应的像素11累积的电荷。VCCD12的每一个的一端连接到HCCD13。HCCD13在水平方向上传送从VCCD12的每一个传送的电荷。FDA14将由HCCD13传送的电荷转换为电压信号(图像信号)，并且输出图像信号。元件隔离区域15将像素11彼此隔离，以防止在相邻的像素11之间的电荷传送。

像素11的每一个具有旋转45度的正方形的形状。像素11以所谓的蜂窝图案来布置，在蜂窝图案中，在水平方向上相邻的像素11在垂直方向上彼此移位1/2节距。在CCD图像传感器10中，如此布置的像素11构成矩形成像表面18，以捕获对象图像。

VCCD12和元件隔离区域15在像素11之间并且沿着像素11蜿蜒延伸(Z形延伸)。VCCD12通过读出门16连接到对应的像素11。在像素11中累积的电荷通过读出门16被读取到VCCD12。VCCD12被四个相位的传送电极(未示出)控制。VCCD12在垂直方向上传送从像素11读出的电荷。VCCD12沿着每两行像素11排布，使得VCCD12从在VCCD12的右侧和左侧布置的像素11读出电荷。

如图2中所示，CCD图像传感器10具有四种类型的像素11：第一像素11a、第二像素11b、第三像素11c和第四像素11d。在CCD图像传感器10中，该四种类型的像素11a至11d以预定图案布置以构成成像表面18。注意，在图1和2中，为了方便而仅图示了CCD图像传感器10的一部分。实际上，CCD图像传感器10具有多个像素11a至11d，如所公知的。

第一像素11a具有：光电二极管(PD)20a，它是将入射光转换为电荷并且累积电荷的光电转换器；以及，微透镜21a，其将光会聚在PD20a上。以类似的方式，第二像素11b被提供有PD20b和微透镜21b。第三像素11c被提供有PD20c和微透镜21c。第四像素11d被提供有PD20d和微透镜21d。PD20a至20d具有基本上相同的形状和配置，并且形成在半导体衬底上。微透镜21a至21d具有基本上相同的半球形状和大小。

第一像素11a的微透镜21a的光轴中心在相对于PD20a的光接收表面的中心向右的方向上偏心。第二像素11b的微透镜21b的光轴中心在相对于PD20b的光接收表面的中心向左的方向上偏心。第三像素11c的微透镜21c的光轴中心在相对于PD20c的光接收表面的中心向上的方向上偏心。第四像素11d的微透镜21d的光轴中心在相对于PD20d的光接收表面的中心向下的方向上偏心。

在此，向右、向左、向上和向下方向是当在附图中观看成像表面18时相对于CCD图像传感器10的成像表面18的方向。更详细而言，在VCCD12的传送方向上朝向上游侧的方向被称为向上。在VCCD12的传送方向上朝向下游侧(HCCD13侧)的方向被称为向下。在HCCD13的传送方向上朝向上游侧的方向被称为向右。在HCCD13的传送方向上朝向下游侧(FDA14侧)的方向被称为向左。

如此配置的像素11a至11d的每一个取决于其入射角而选择性地接收入射光。更具体地，在具有在向右方向上偏心的微透镜21a的第一像素11a中，来自相对于微透镜21a向左的方向的光难以入射在PD20a上。在具有在向左方向上偏心的微透镜21b的第二像素11b中，来自相对于微透镜21b向右的方向的光难以入射在PD20b上。在具有在向上方向上偏心的微透镜21c的第三像素11c中，来自相对于微透镜21c向下的方向的光难以入射在PD20c上。在具有在向下方向上偏心的微透镜21d的第四像素11d中，来自相对于微透镜21d向上的方向的光难以入射在PD20b上。

当在诸如数字相机的成像装置中采用CCD图像传感器10时，从来自成像表面中的第一像素11a的图像信号所产生的图像和从来自成像表面中的第二像素11b的图像信号所产生的图像取决于在CCD图像传感器10上形成对象图像的拍摄透镜的对焦状态而在右左方向上彼此移位。以类似的方式，从来自第三像素11c的图像信号所产生的图像和从来自第四像素11d的图像信号所产生的图像取决于拍摄透镜的对焦状态而在上下方向上彼此移位。

通过检测在从来自第一像素11a的图像信号所产生的图像和从来自第二像素11b的图像信号所产生的图像之间的移位的量和方向，或者在从来自第三像素11c的图像信号所产生的图像和从来自第四像素11d的图像信号所产生的图像之间的移位的量和方向，获得在拍摄透镜中的对焦透镜的移动的方向和量。

在CCD图像传感器10中，利用使用第一像素11a产生的图像和使用第二像素11b产生的图像或者使用第三像素11c产生的图像和使用第四像素11d产生的图像，来执行所谓的相位差方法的AF。当使用第一像素11a和第二像素11b或第三像素11c和第四像素11d获得具有双目视差的图像对时，CCD图像传感器10也能够执行所谓的单目3D成像。

在CCD图像传感器10中，第一像素11a和第二像素11b在上下方向上交错地布置，以构成第一像素行22。第三像素11c和第四像素11d在上下方向上交错地布置，以构成第二像素行23。由此，在CCD图像传感器10中，由第一微透镜21a和第二微透镜21b的每一个的偏心引起的、在第一像素11a和第二像素11b中的间隔被相邻的第三像素11c的微透镜21c的一部分和相邻的第四像素11d的微透镜21d的一部分重叠。由第三微透镜21c和第四微透镜21d的每一个的偏心引起的、在第三像素11c和第四像素11d中的间隔被相邻的第一像素11a的微透镜21a的一部分和相邻的第二像素11b的微透镜21b的一部分重叠。

如图2和3中所示，当如上所述布置像素11a和11b时，第一像素11a的右端与微透镜21a接触。第二像素11b的左端与微透镜21b接触。类似地，第三像素11c的上端与微透镜21c接触。第四像素11d的下端与微透镜21d接触。通过分别在对应的方向上移位微透镜21a至21d的中心，最大化了微透镜21a至21d的每一个的大小(直径)。

注意，如图2和3中所示，当微透镜21a至21d分别与像素11a至11d的端部接触时，微透镜21a至21d达到它们的最大大小，并且，微透镜21a至21d的每一个与相邻的像素11a至11d的微透镜21a至21d的每一个接触，使得微透镜21a至21d不能进一步扩展它们各自的直径。

像素11a至11d具有大体相同的正方形形状和大小。在像素11a至11d的每一个中，在其PD(20a、20b、20c或20d)的光接收表面的中心和像素的顶边之间的长度、在光接收表面的中心和像素的底边之间的长度、在光接收表面的中心和像素的左边之间的长度以及在光接收表面的中心和像素的右边之间的长度基本上不变。微透镜21a至21d具有大体相同的半球形状。因此，当微透镜21a至21d在对应的方向上偏心以分别与像素11a至11d的端部接触时，微透镜21a至21d的偏心量大体不变。

如图3中所示，O₁表示PD20a的光接收表面的中心。O₂表示PD20b的光接收表面的中心。O₃表示PD20c的光接收表面的中心。O₄表示PD20d的光接收表面的中心。O₁₁表示微透镜21a的光轴中心。O₂₁表示微透镜21b的光轴中心。O₃₁表示微透镜21c的光轴中心。O₄₁表示微透镜21d的光轴中心。δ表示微透镜21a至21d的每一个的偏心量。D表示在斜向方向的像素11a的布置节距、像素11b的布置节距、像素11c的布置节距和像素11d的布置节距(布置节距D具有与正方形像素11a至11d的每个的边相同的长度)。r₀表示最大圆C₀(在正方形像素11a至11d的每一个中的最大内切圆，具有作为光接收表面的中心的中心点)的半径。使用勾股定理将微透镜21a的光轴中心O₁₁和微透镜21c的光轴中心O₃₁之间的距离O₁₁O₃₁表示为表达式(1)。在微透镜21c的光轴中心O₃₁和微透镜21d的光轴中心O₄₁之间的距离O₃₁O₄₁被表示为表达式(2)。

$O_{11}{O}_{31}=\sqrt{{(\frac{\mathrm{\δ}}{\sqrt{2}}+\frac{\mathrm{\δ}}{\sqrt{2}})}^2+d^2}$

$=\sqrt{{2\mathrm{\δ}}^2+d^2}$

$=\sqrt{{2\mathrm{\δ}}^2+{{4r}_0}^2}\·\·\·\left(1\right)$

$O_{31}{O}_{41}=\sqrt{{(d-\frac{\mathrm{\δ}}{\sqrt{2}}-\frac{\mathrm{\δ}}{\sqrt{2}})}^2+{(d-\frac{\mathrm{\δ}}{\sqrt{2}}-\frac{\mathrm{\δ}}{\sqrt{2}})}^2}$

$=\sqrt{{2(d-2\mathrm{\δ})}^2}$

$=\sqrt{{2({2r}_0-2\mathrm{\δ})}^2}$

$=2\sqrt{2}(r_0-\mathrm{\δ})\·\·\·\left(2\right)$

如上所述，当最大化微透镜21a至21d的每一个的大小时，彼此相邻的第一像素11a、第三像素11c和第四像素11d的微透镜21a、21c和21d彼此接触。当三个相邻的圆彼此接触时，在三个圆的中心之间的线形成等边三角形。该等边三角形的每条边的中点触及两个圆的接触点。因此，如图3中所示，其中，r_max表示微透镜21a至21d的每一个的最大半径，距离O₁₁O₃₁和距离O₃₁O₄₁的每一个是最大半径r_max的两倍，即，最大化的微透镜21a至21d的每一个的直径。

2r_max＝O₁₁O₃₁＝O₁₁O₄₁···(3)

通过将表达式(1)和(2)带入表达式(3)，获得多项式(4)。对于δ求解多项式(4)以获得由表达式(5)示出的解。

$2\sqrt{2}(r_0-\mathrm{\δ})=\sqrt{{2\mathrm{\δ}}^2+{{4r}_0}^2}$

8(r₀-δ)²＝2δ²+4r₀ ²

4(r₀ ²-2δr₀+δ²)＝δ²+2r₀ ²

3δ²-8δr₀+2r₀ ²＝0···(4)

$\mathrm{\δ}=\frac{{8r}_0\±\sqrt{{{64r}_0}^2-4\·3\·{{2r}_0}^2}}{6}$

$=\frac{4\±\sqrt{10}}{3}{r}_0\·\·\·\left(5\right)$

当值δ超过值r₀时，微透镜21a至21d与相邻的像素11重叠。因此，δ的范围需要满足δ<r₀。当向表达式(5)应用这个条件时，值δ的最大值δ_max大约是r₀的0.279倍，如表达式(6)所示。

${\mathrm{\&delta;}}_{\max }=\frac{4\&PlusMinus;\sqrt{10}}{3}{r}_0$

$=\frac{4-\sqrt{10}}{3}{r}_0$

通过将δ的最大值δ_max带入表达式(1)中，距离O₁₁O₃₁大约是大圆C₀的直径的1.0193倍，如表达式(7)所示，换句话说，最大半径r_max大约是最大圆C₀的半径r₀的1.0193倍。

$O_{11}{O}_{31}{|}_{{\mathrm{\&delta;}}_{\max }}=\sqrt{{2\left(\frac{4-\sqrt{10}}{3}\right)}^2{r_0}^2+{{4r}_0}^2}$

$=\sqrt{2\frac{16-8\sqrt{10}+10}{9}+4}\&CenterDot;r_0$

$=\sqrt{2\frac{26-8\sqrt{10}}{9}+4}{\&CenterDot;r}_0$

$=2\sqrt{2\frac{11-2\sqrt{10}}{9}}\&CenterDot;r_0$

$=\frac{2}{3}\sqrt{2}\sqrt{{(\sqrt{10}-1)}^2}\&CenterDot;r_0$

$=\frac{\sqrt{2}}{3}(\sqrt{10}-1)\&CenterDot;r_0$

根据这个实施例，作为相位差检测像素的像素11a至11d的微透镜21a至21d的每一个的半径大约是最大圆C₀的1.0193倍长。微透镜21a至21d的每一个的面积大约是最大圆C₀的1.0398倍大。这增大了像素11a至11d的每一个对于通过微透镜入射在光接收表面的中心上的光的灵敏度。为了使得像素11a至11d起到相位差检测像素的作用，仅需要形成微透镜21a至21d。不必另外提供如在日本专利特开公布No.2007-158109中描述的瞳孔形成微透镜。因此，不增加CCD图像传感器10的制造成本。

如图4中所示，上面配置的CCD图像传感器10可以被提供有用于透射红光的红色滤色器25R、用于透射绿光的绿色滤色器25G和用于透射蓝光的蓝色滤色器25B。每个滤色器25R、25G或25B正好形成在像素11a至11d的每一个上方。滤色器25R、25G和25B的每一个具有正方形形状。注意在图4中，为了方便，未图示PD20a至20d。在说明书的附图中，垂直阴影线表示颜色红色，45度对角线阴影线表示颜色绿色，并且水平阴影线表示颜色蓝色。

如所公知，在像素11a至11d的PD20a至20d和微透镜21a至21d之间提供了滤色器25R、25G和25B。滤色器25R、25G和25B的每一个是具有与像素11a至11d的每一个的外部形状大体相同的正方形形状的薄膜。每一个滤色器25R、25G或25B被正好排布在像素11a至11d的每一个上方。在由微透镜21a至21d的每一个会聚的光中，滤色器25R透射红色分量。滤色器25G透射绿色分量。滤色器25B透射蓝色分量。红色、绿色和蓝色分量之一入射在PD20a至20d的每一个上。

绿色滤色器25G被提供给第一像素11a和第二像素11b。绿色滤色器25G被布置为使得在第一像素行22中的每一个像素11是绿色像素11。红色滤色器25R和蓝色滤色器25B被提供给第三像素11c和第四像素11d。在第二像素行23中，红色滤色器25R和蓝色滤色器25B被布置为使得交错地布置由红色像素11构成的第二像素行23和由蓝色像素11构成的第二像素行23。

换句话说，滤色器25R、25G和25B被排布在像素11a至11d上，使得由绿色像素11构成的第一像素行22、由红色像素11构成的第二像素行23、由绿色像素11构成的第一像素行22和由蓝色像素11构成的第二像素行23在右左方向上以此顺序重复地布置。

通过以上述图案布置滤色器25R、25G和25B，具有与人眼灵敏度的峰值类似的谱灵敏度的峰值的绿色像素11的数量是红色像素11的数量的两倍和蓝色像素11的数量的两倍。这改善了可视分辨率。相同的绿色的像素11被用作第一像素11a和第二像素11b，用于检测在右左方向上的移位量。由此，改善了相位差AF的精度。

在像素行22和23中在逐行的基础上确定像素11的颜色。因为VCCD12的像素布置方向和传送方向彼此平行，所以VCCD12传送单色的信号电荷。这防止了颜色混和。另外，可以执行相邻的第一像素11a和第二像素11b的像素相加和相邻的第三像素11c和第四像素11d的像素相加以实现高灵敏度。在像素相加后，像素的重心的位置形成拜耳图案。因此，通过与拜耳图案对应的信号处理来产生图像。注意，当未执行像素相加时，可以使用RGB条纹滤色处理来产生图像。

(第二实施例)

接下来，描述本发明的第二实施例。注意，在功能和结构上类似于在第一实施例中的部分由与第一实施例中相同的标号来指定，并且省略其说明。如图5中所示，这个实施例的CCD图像传感器30具有两种类型的像素：第一像素31a和第二像素31b。类似于第一实施例，像素31a和31b的每一个具有旋转45度的正方形的形状。像素31a和31b以蜂窝图案布置。

类似于上面的实施例，每一个像素31a被提供有PD32a和微透镜33a，并且每一个像素31b背提供有PD32b和微透镜33b。第一像素31a的微透镜33a的光轴中心在相对于PD32a的光接收表面的中心的斜右上方向上大约45度偏心。第二像素31b的微透镜33b的光轴中心在相对于PD32b的光接收表面的中心的斜左下方向上大约45度偏心。在相应方向上微透镜33a和33b的偏心量基本上相同。在δ表示偏心量并且D表示与微透镜33a的偏心方向平行地布置的像素31a的、在斜向方向上的布置节距和与微透镜33b的偏心方向平行地布置的像素31b的、在斜向方向上的布置节距的每一个的情况下，δ大约是D/3。

CCD图像传感器30具有第一像素行34和第二像素行35。第一像素行34的每一个由在微透镜33a的偏心方向上布置的第一像素31a构成。第二像素行35的每一个由在微透镜33b的偏心方向上布置的第二像素31b构成。由微透镜33a的偏心引起的间隔被相邻的第一像素31a的微透镜33a的一部分重叠。由微透镜33b的偏心引起的间隔被相邻的第二像素31b的微透镜33b的一部分重叠。像素行34和35在与偏心方向基本上正交的方向上交错地布置。

微透镜33a和33b的每一个具有半椭球(以一半切割回转椭球)的形状，并且长轴在与偏心方向大体正交的方向上延伸，以便与重叠在与偏心方向大体正交的方向上的平面间隔。微透镜33a和33b的每一个的短轴的长度大体与D相同。微透镜33a和33b的每个的长轴大约是D的2/√3倍。因此，微透镜33a在短轴方向上的一部分与相邻的第一像素31a重叠，并且微透镜33a在长轴方向上的端部在与偏心方向大体正交的方向上与相应的相邻第二像素31b重叠。微透镜33b在短轴方向上的一部分与相邻的第二像素31b重叠，并且，微透镜33b在长轴方向上的端部在与偏心方向大体正交的方向上与相应的相邻第一像素31a重叠。

在如此配置的CCD图像传感器30中，微透镜33a和33b的每一个的大小比具有直径D的最大圆C₀的大小大了椭球形状的微透镜33a或33b的长轴的长度。换句话说，微透镜33a和33b的每一个的大小大约是最大圆C₀的大小的2/√3倍(≈1.154倍)。这以与第一实施例类似的方式改善了像素31a和31b的每一个的灵敏度，而没有增加成本。

图6图示“超级CCD蜂窝EXR”(由申请人制造的产品的名称)的像素行。在CCD图像传感器30中，在与像素行34和35正交的方向上布置的四个像素的每一个被提供有绿色滤色器36G。另外四个像素背布置为与具有绿色滤色器36G的四个像素平行并且与其相邻。在这另外四个像素中的两个相邻像素的每一个被提供有红色滤色器36R。在这另外四个像素中的另外两个相邻像素的每一个被提供有蓝色滤色器36B。在CCD图像传感器30中的像素31a和31b的布置适合于以这种方式布置滤色器36R、36G和36B。

在CCD图像传感器30中，在与像素行34和35的布置方向正交的方向上交错地布置具有相应的红色滤色器36R的一组两个像素和具有相应的蓝色滤色器36B的一组两个像素。红色滤色器36R和蓝色滤色器36B在与像素行34和35的布置方向平行的方向上交错地布置，并且绿色滤色器36G在红色和蓝色滤色器36R和36B之间。

滤色器36R、36G和36B的每一个是具有与像素31a和31b的每个的外部形状大体相同的正方形形状的薄膜。每一个滤色器36R、36G和36B被正好排布在像素31a和31b的每一个上方。注意，在图6中，为了方便而未示出PD32a和32b。

相邻的像素31a和31b之一具有高灵敏度。另一个像素具有低灵敏度。从像素31a和31b的输出值产生具有宽的动态范围的图像。因此，CCD图像传感器30改善了像素31a和31b的每一个的灵敏度，并且允许作为高灵敏度像素和低灵敏度像素的像素31a和31b的微透镜33a和33b在彼此相反的方向上偏心。该高灵敏度和低灵敏度是通过电控制曝光时间而获得的可视灵敏度。不必另外提供具有减小的透镜面积的低灵敏度像素来加宽动态范围。

在这个实施例中，半椭球形状的微透镜33a和33b被形成为使得它们的长轴分别与微透镜33a和33b的偏心方向大体正交地延伸。微透镜33a和33b的每一个的一部分可以和在与偏心方向大体正交的方向上相邻的像素31a或31b重叠，部分地占据由偏心引起的平面间隔。即，微透镜33a和33b的每一个至少在与偏心方向大体正交的方向上延长。微透镜33a和33b的每一个的长轴可以相对于与偏心方向大体正交的方向倾斜预定角度。微透镜33a和33b的形状不限于半椭球形状。微透镜33a和33b的每一个可以具有在与偏心方向大体正交的方向上延长的任何形状。

(第三实施例)

接下来，将描述本发明的第三实施例。如图7中所示，这个实施例的CCD图像传感器40具有四种类型的像素：第一像素41a、第二像素41b、第三像素41c和第四像素41d。像素41a至41d的每一个具有正方形形状。像素41a至41d在水平和垂直方向上布置，以形成简单的正方形网格图案。注意，在简单的正方形网格图案中，VCCD12和HCCD13可以以公知的配置来布置。

类似于上面的实施例，像素41a被提供有PD42a和微透镜43a。像素41b被提供有PD42b和微透镜43b。像素41c被提供有PD42c和微透镜43c。像素41d被提供有PD42d和微透镜43d。第一像素41a的微透镜43a的光轴中心在相对于PD42a的光接收表面的中心斜右下方向上大约45度偏心。第二像素41b的微透镜43b的光轴中心在相对于PD42b的光接收表面的中心斜左上方向上大约45度偏心。第三像素41c的微透镜43c的光轴中心在相对于PD42c的光接收表面的中心斜右上方向上大约45度偏心。第四像素41d的微透镜43d的光轴中心在相对于PD42d的光接收表面的中心斜左下方向上大约45度偏心。

CCD图像传感器40由第一像素行44和第二像素行45构成。第一像素行44的每一个具有在45度斜向方向上交错布置的第一像素41a和第二像素41b。第二像素行45的每一个具有在45度斜向方向上交错布置的第三像素41c和第四像素41d。像素行44和45在与像素行44和45正交的方向上交错地布置。由此，通过第一像素41a的微透镜43a和第二像素41b的微透镜43b两者的偏心来引起间隔。

这个间隔被相邻的第三像素41c的微透镜43c的一部分和相邻的第四像素41d的微透镜43d的一部分重叠。由第三像素41c的第三微透镜43c和第四像素41d的第四微透镜43d两者的偏心引起的间隔被相邻的第一像素41a的微透镜43a的一部分和相邻的第二像素41b的微透镜43b的一部分重叠。

在CCD图像传感器40中，在第一实施例的CCD图像传感器10中的像素11a至11d的布置旋转45度以对应于简单正方形网格图案。由此，在具有正方形网格图案的CCD图像传感器40中，以与第一实施例类似的方式布置像素41a至41d。因此，这个实施例的CCD图像传感器40的使用产生与在第一实施例中类似的效果。

(第四实施例)

接下来，将描述本发明的第四实施例。如图8中所示，这个实施例的CCD图像传感器50具有三种类型的像素：第一像素51a、第二像素51b和第三像素51c。类似于第三实施例，像素51a至51c的每一个具有正方形形状，并且以简单的正方形网格图案来布置像素51a至51c。

类似于上面的实施例，每一个像素51a被提供有PD52a和微透镜53a。每一个像素51b被提供有PD52b和微透镜53b。每一个像素51c被提供有PD52c和微透镜53c。第一像素51a的微透镜53a的光轴中心大体与PD52a的光接收表面的中心重合。第二像素51b的微透镜53b的光轴中心在相对于PD52b的光接收表面的中心向右的方向上偏心。第三像素51c的微透镜53c的光轴中心在相对于PD52c的光接收表面的中心向左的方向上偏心。微透镜53b在向右方向上的偏心量和微透镜53c在向左方向上的偏心量基本上相同。在δ表示偏心量并且D表示在与微透镜53b和53c的每一个的偏心方向平行的方向上的像素51a的布置节距、像素51b的布置节距和像素51c的布置节距的每一个的情况下，δ大约是D/3。

CCD图像传感器50具有第一像素行54、第二像素行55和第三像素行56。第一像素行54具有在微透镜53b和53c的每一个的偏心方向上布置的第一像素51a。第二像素行55具有在偏心方向上布置的第二像素51b。第三像素行56具有在偏心方向上布置的第三像素51c。由微透镜53b的偏心引起的间隔被相邻的第二像素51b的微透镜53b的一部分重叠。由微透镜53c的偏心引起的间隔被相邻的第三像素51c的微透镜53c的一部分重叠。像素行54至56以此顺序在与偏心方向大体正交的方向上重复地布置。

微透镜53a至53c的每一个具有半椭球形状，长轴在与偏心方向大体正交的方向上延伸。由此，微透镜53a至53c的每一个在与偏心方向大体正交的方向上与如上所述由微透镜53b和53c两者的偏心引起的平面间隔重叠。微透镜53a至53c的每一个的短轴的长度与D基本上相同。根据由偏心引起的平面间隔的面积，微透镜53a至53c的每一个的长轴略长于D。因此，微透镜53a至53c的每一个的端部的一部分在与偏心方向大体正交的方向上与相邻的像素51a、51b或51c重叠。

在如此配置的CCD图像传感器50中，与具有直径D的最大圆C0的大小相比，微透镜53a至53c的每一个的大小被放大了长轴的长度。因此，以与上面的实施例类似的方式改善了像素51a至51c的每一个的灵敏度，而没有增加成本。像素行的每第三行是由具有没有偏心的微透镜53a的第一像素51a构成的第一像素行54。这提供了多个视图。

如图9中所示，在CCD图像传感器50中，在2×2的网格图案中布置的四个像素中的两个斜向布置的像素被提供有绿色滤色器57G。剩余的两个像素之一被提供有红色滤色器57R，并且另一个被提供有蓝色滤色器57B。在CCD图像传感器50中，两个绿色滤色器57G、一个红色滤色器57R和一个蓝色滤色器57B作为单位布置在像素51a至51c上方。

在CCD图像传感器50中的像素51a至51c的布置适合于以所谓的拜耳图案布置滤色器57R、57G和57B。注意，用于形成滤色器57R、57G和57B的方法可以类似于上面的实施例。

滤色器可以以在图10中的CCD图像传感器60中所示的拜耳图案来布置。CCD图像传感器60具有两种类型的像素：第一像素61a和第二像素61b。类似于上面的实施例，像素61a和61b的每个具有正方形形状，并且像素61a和61b以简单的正方形网格图案布置。

类似于上面的实施例，每一个像素61a被提供有PD62a和微透镜63a。每一个像素61b被提供有PD62b和微透镜63b。第一像素61a的微透镜63a的光轴中心在相对于PD62a的光接收表面的中心向右的方向上偏心。第二像素61b的微透镜63b的光轴中心在相对于PD62b的光接收表面的中心向左的方向上偏心。微透镜63a在向右方向上的偏心量和微透镜63b在向左方向上的偏心量基本上相同。在δ表示偏心量并且D表示在与微透镜63a和63b的每一个的偏心方向平行的方向上的像素61a的布置节距和像素61b的布置节距的每一个的情况下，δ大约是D/3。

CCD图像传感器60具有第一像素行64和第二像素行65。第一像素行64具有在微透镜63a和63b的每一个的偏心方向上布置的第一像素61a。第二像素行65具有在偏心方向上布置的第二像素61b。由微透镜63a的偏心引起的间隔被相邻的第一像素61a的微透镜63a的一部分重叠。由微透镜63b的偏心引起的间隔被相邻的第二像素61b的微透镜63b的一部分重叠。第一像素行64和两个第二像素行65在与偏心方向大体正交的方向上以两行乘两行为基础布置。

微透镜63a和63b的每一个具有直径为D的大体半球形状。因此，在CCD图像传感器60中，以与光轴与PD62a或62b的光接收表面的中心重合的正常像素相同的大小形成作为相位差检测像素的各个像素61a和61b的微透镜63a和63b的每一个。瞳孔形成微透镜是不需要的。因此，改善了像素61a和61b的灵敏度，而没有增加成本。

在上面配置的CCD图像传感器50中，在拜耳图案的四个像素的两个上像素和两个下像素之间产生差异。该差异可能不利地影响谱特性。如图11中所示，在具有以拜耳图案布置的滤色器66R、66G和66B的CCD图像传感器60中，在相同的方向上布置构成拜耳图案的四个像素。这防止了由于差异导致的谱特性的变差。

在上面的实施例中，通过示例描述了接近光学中心的像素的配置。随着像素远离光学中心，主要光线入射角相对于垂直方向倾斜。因此使用校正在微透镜和PD之间的位置关系的所谓的缩放方法。本发明未详细描述除了接近光学中心的像素配置之外的像素配置。然而，显然，缩放的方向和量值影响如上所述的微透镜的偏心量和偏心方向。也显然，基于缩放的方向和量值来校正微透镜的偏心量和偏心方向。

在上面的实施例中，使用具有半球或半椭球形状的微透镜。替代地，如图12中所示，微透镜70可以具有多面体形状。如图13中所示，微透镜72可以具有成圆形的多面体形状，其具有倒角的顶点和线。微透镜可以具有非球面透镜的形状。

本发明可以被应用于除了CCD图像传感器之外的另一种类型的固态成像装置，例如CMOS图像传感器。

附图标号的描述

10         CCD图像传感器

11         像素

11 a       第一像素

11b        第二像素

11c        第三像素

11d        第四像素

12         VCCD

18         成像表面

20a-20d    微透镜

22         第一像素行

23         第二像素行

25R        红色滤色器

25G        绿色滤色器

25B        蓝色滤色器

Claims (16)

1.一种固态成像装置，所述固态成像装置具有彼此相邻地布置的相位差检测像素，所述相位差检测像素包括：

光电转换器，所述光电转换器用于将入射光光电地转换为电荷，并且累积所述电荷；以及

微透镜，所述微透镜用于将所述光会聚在所述光电转换器上，所述微透镜的光轴相对于所述光电转换器的中心偏心，使得所述微透镜的一部分与相邻的所述相位差检测像素重叠。

2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述相位差检测像素具有第一像素、第二像素、第三像素和第四像素，所述第一像素具有在预定方向上偏心的所述微透镜，所述第二像素具有在与所述第一像素的所述预定方向相反的方向上偏心的所述微透镜，所述第三像素在与所述第一像素的所述偏心方向大体正交的方向上偏心，并且所述第四像素在与所述第三像素的所述偏心方向相反的方向上偏心。

3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中，所述固态成像装置具有第一像素行和第二像素行，并且，每一个第一像素行具有在预定方向上交错布置的所述第一像素和所述第二像素，并且，所述第二像素行具有在与所述预定方向相同的方向上交错布置的所述第三像素和所述第四像素，并且，所述第一像素行和所述第二像素行在与所述第一像素行和所述第二像素行大体正交的方向上交错地布置，并且，所述第三像素和所述第四像素中每一个的所述微透镜被偏心地布置，以便与相邻的所述第一像素的一部分和相邻的所述第二像素的一部分重叠，并且，所述第一像素和所述第二像素中每一个的所述微透镜被偏心地布置，以便与相邻的所述第三像素的一部分和相邻的所述第四像素的一部分重叠。

4.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中，所述相位差检测像素以蜂窝图案在水平和垂直方向上布置，在所述蜂窝图案中，在水平方向上相邻的所述相位差检测像素在垂直方向上彼此移位1/2节距，并且，在每一个所述像素行中的所述像素的布置方向是在所述成像表面的上下方向，并且所述第一像素的所述微透镜的偏心方向是在所述成像表面的向右方向，并且，所述第二像素的所述微透镜的偏心方向是在所述成像表面的向左方向，并且，所述第三像素的所述微透镜的偏心方向是在所述成像表面的向上方向，并且，所述第四像素的所述微透镜的偏心方向是在所述成像表面的向下方向。

5.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中，在水平和垂直方向上以简单的正方形网格图案布置所述相位差检测像素，并且，在每一个所述像素行中所述像素的布置方向是在所述成像表面的45度斜向方向，并且，所述第一像素的所述微透镜的偏心方向是在所述成像表面的斜右下方向，并且，所述第二像素的所述微透镜的偏心方向是在所述成像表面的斜左上方向，并且，所述第三像素的所述微透镜的偏心方向是在所述成像表面的斜右上方向，并且，所述第四像素的所述微透镜的偏心方向是在所述成像表面的斜左下方向。

6.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中，每一个所述相位差检测像素的所述微透镜的偏心量是所述相位差检测像素的最大圆半径的大约(4-√10)/3倍，并且，所述最大圆具有中心点，所述中心点是所述光电转换器的所述光接收表面的中心。

7.根据权利要求3所述的固态成像装置，包括：绿色滤色器，所述绿色滤色器被提供给所述第一像素和所述第二像素，使得在所述第一像素行中的所有像素是绿色相位差检测像素；以及，红色滤色器和蓝色滤色器，所述红色滤色器和所述蓝色滤色器被提供给所述第三像素和所述第四像素，使得在所述第二像素行中，交错地布置仅具有红色相位差检测像素的第二像素行和仅具有蓝色相位差检测像素的第二像素行。

8.根据权利要求3所述的固态成像装置，包括电荷传送部，所述电荷传送部用于在与每一个所述像素行中所述像素的布置方向大体平行的方向上传送在每一个所述光电转换器中累积的所述电荷。

9.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述相位差检测像素具有第一像素和第二像素，并且，每一个所述第一像素的所述微透镜在预定方向上偏心，每一个所述第二像素的所述微透镜在与所述第一像素的所述微透镜的所述预定方向相反的方向上偏心，并且，所述固态成像装置包括：第一像素行，在每一个所述第一像素行中，所述第一像素在每一个微透镜的所述偏心方向上布置；以及，第二像素行，在每一个所述第二像素行中，所述第二像素在所述偏心方向上布置，并且，所述第一像素行和所述第二像素行在与所述偏心方向正交的方向上交错地布置，并且，所述第一像素的所述微透镜的一部分与相邻的所述第一像素的一部分重叠，并且，所述第二像素的所述微透镜的一部分与相邻的所述第二像素的一部分重叠。

10.根据权利要求9所述的固态成像装置，包括：

四个绿色滤色器，所述四个绿色滤色器被提供给在与每一个所述像素行正交的方向上布置的四个相应的像素；以及

两个相邻的红色滤色器和两个相邻的蓝色滤色器，所述两个相邻的红色滤色器和所述两个相邻的蓝色滤色器被提供给另外四个像素，所述另外四个像素与具有所述绿色滤色器的所述四个像素相邻并且与具有所述绿色滤色器的所述四个像素平行地布置，

其中，所述滤色器以这八个滤色器为单位布置在相应的像素上方。

11.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述相位差检测像素具有第一像素、第二像素和第三像素，在每一个所述第一像素中，所述微透镜的光轴中心与所述光电转换器的光接收表面的中心重合，在每一个所述第二像素中，所述微透镜在预定方向上偏心，在每一个所述第三像素中，所述微透镜在与所述第二像素的所述微透镜的所述预定方向相反的方向上偏心，并且，所述固态成像装置包括第一像素行、第二像素行和第三像素行，并且，每一个所述第一像素行具有所述第一像素，所述第一像素在所述第二像素和所述第三像素的每一个所述微透镜的所述偏心方向上布置，并且，每一个所述第二像素行具有在所述偏心方向上布置的所述第二像素，并且，每一个所述第三像素行具有在所述偏心方向上布置的所述第三像素，并且，所述第一像素行、所述第二像素行和所述第三像素行在与所述偏心方向大体正交的方向上以此顺序重复地布置，并且，所述第二像素的所述微透镜的一部分与相邻的所述第二像素的一部分重叠，并且，所述第三像素的所述微透镜的一部分与相邻的所述第二像素的一部分重叠。

12.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述相位差检测像素具有第一像素和第二像素，并且，每一个所述第一像素的所述微透镜在预定方向上偏心，并且，每一个所述第二像素的所述微透镜在与所述第一像素的所述微透镜的所述预定方向相反的方向上偏心，并且所述固态成像装置包括第一像素行和第二像素行，每一个所述第一像素行具有在每一个微透镜的所述偏心方向上布置的所述第一像素，每一个所述第二像素行具有在所述偏心方向上布置的所述第二像素，并且，所述第一像素行和所述第二像素行在与所述偏心方向大体正交的方向上以两行乘两行为基础布置，并且，所述第一像素的所述微透镜的一部分与相邻的所述第一像素的一部分重叠，并且，所述第二像素的所述微透镜的一部分与相邻的所述第二像素的一部分重叠。

13.根据权利要求11或12所述的固态成像装置，包括：绿色滤色器，所述绿色滤色器被提供给以2×2的网格图案布置的四个像素中的斜向布置的两个相应像素；被提供给剩余的两个像素之一的红色滤色器；以及被提供给剩余两个像素中另一个的蓝色滤色器，并且，所述滤色器以所述两个绿色滤色器、所述红色滤色器和所述蓝色滤色器为单位以拜耳图案布置在相应的像素上方。

14.根据权利要求9至13中的任意一项所述的固态成像装置，其中，每一个所述微透镜在与所述偏心方向大体正交的方向上延长，使得每一个所述微透镜的一部分和在与所述偏心方向大体正交的方向上相邻的像素重叠。

15.根据权利要求9至14中的任意一项所述的固态成像装置，其中，δ大约是D/3，其中，δ表示每一个所述相位差检测像素的所述微透镜的偏心量，并且D表示在与所述微透镜的所述偏心方向平行的方向上的所述相位差检测像素的布置节距。

16.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述微透镜具有半球形状、半椭球形状、多面体形状和具有圆形顶点和线的多面体形状中的一种。

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